Tính toán nhu cầu nước các ngành kinh tếlưu vực sông Cầu

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 413‐418 413 _______ Tính toán nhu cầu nước các ngành kinh tế lưu vực sông Cầu Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn*, Ngô Chí Tuấn Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 11 tháng 8 năm 2010 Tóm tắt. Nghiên cứu thực hiện tính toán nhu cầu sử dụng nước trong các ngành kinh tế thuộc lưu vực sông Cầu phục vụ trực tiếp cho bài toán cân bằng nước.Qua phân tích kết quả tính toán cho thấy nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo trong nền kinh tế khu vực, chiếm đến 70% tổng nhu cầu nước của toàn lưu vực, đồng thời thấy được mức độ biến đổi mạnh của nhu cầu nước trong các lĩnh vực khác theo không gian và thời gian, cung cấp thông tin hỗ trợ cho các nhà chính sách trong quản lý bền vững tài nguyên nước. Từ khóa: Nhu cầu nước, Sông Cầu, CROPWAT 1. Mở đầu∗ Tài nguyên nước gắn liền với các hoạt động đời sống của con người và các ngành kinh tế khác. Sự phân bố không đều theo cả không gian và thời gian của tài nguyên nước đã tác động đến nhu cầu và bài toán cung cấp nước. Thêm vào đó, sự cạnh tranh sử dụng nước ngày càng tăng cao giữa các ngành do tốc độ tăng dân số, công nghiệp và đô thị hóa. Vì thế để sử dụng tài nguyên nước hiệu quả đáp ứng nhu cầu của các ngành kinh tế khác nhau, tính toán nhu cầu nước phục vụ cho bài toán cân bằng nước là cần thiết, từ đó đưa ra lời giải cho bài toán quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Là một lưu vực mưa ít, mô đun dòng chảy chuẩn của lưu vực sông Cầu vào loại nhỏ, lượng mưa phân bố không đều theo không gian và thời gian dẫn đến tình trạng thiếu hụt nước, đặc biệt là vào mùa khô. Trong nghiên cứu này, sử dụng số liệu của 4 trạm (Bắc Cạn, Định Hóa, Hiệp Hòa, Thái Nguyên) từ năm 1961 đến năm 2007 để làm đầu vào cho mô hình CROPWAT trong tính toán nhu cầu nước nông nghiệp và số liệu thu thập từ niên giám thống kê 2007 của 6 tỉnh phục vụ tính toán nhu cầu nước cho các ngành kinh tế thông qua định mức dùng nước. ∗ Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943 E-mail: sonnt@vnu.edu.vn Mục tiêu chính của nghiên cứu là tính toán nhu cầu nước cho các ngành kinh tế phục vụ trực tiếp cho bài toán cân bằng nước. Đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về tình hình sử dụng nước và những vấn đề bức xúc trong khu vực, tính phức tạp của vấn đề được nhận định và hiểu một cách đầy đủ, khách quan, từ đó chuẩn bị hướng nghiên cứu cho tương lai và trợ giúp các nhà chính sách đối với bài toán sử dụng tài nguyên nước bền vững. 2. Phương pháp tính Tính nhu cầu dùng nước cho các ngành kinh tế theo định mức quy định của các văn bản N.Y. Như và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 413‐418 414 hiện nay được ban hành bởi các cơ quan chức năng của Nhà nước Việt Nam [1]. Riêng đối với nông nghiệp được đánh giá bằng mô hình CROPWAT. Mô hình được phát triển bởi FAO năm 1990 để tính toán nhu cầu dùng nước, phục vụ các dự án quản lý và quy hoạch tưới. Mô hình thực hiện tính toán lượng bốc thoát hơi chuẩn, nhu cầu nước tưới của cây trồng để xây dựng kế hoạch tưới cho các điều kiện quản lý và cung cấp nước khác nhau. Nó cho phép đưa ra các đề xuất cải thiện thực tiễn tưới, kế hoạch tưới và đánh giá sản phẩm theo các điều kiện mưa hay độ thiếu hụt nước tưới. CROPWAT sử dụng phương pháp FAO (1992) Penman-Monteith để tính toán lượng bốc thoát hơi chuẩn theo công thức (1). Xây dựng lịch tưới và đánh giá thực tiễn tưới và mưa dựa vào cân bằng độ ẩm đất theo ngày với các lựa chọn cung cấp nước và quản lý tưới khác nhau. Lịch cung cấp nước tính toán cho các vụ mùa được cung cấp trong chương trình [2] ( ) ( ) ( )2 as2n o u34.01 eeu 273T 900GR408.0 ET +γ+∆ −+γ+−∆= (1) ETo = bốc thoát hơi chuẩn [mm/day]; Rn = bức xạ thực ở bề mặt ruộng [MJ/m2.day]; G = dao động nhiệt của đất [MJ/ m2.day-1]; T = nhiệt độ không khí trung bình ngày ở độ cao 2 m [°C]; U2 = tốc độ gió ở độ cao 2 m [m/s]; es = áp suất hơi nước bão hòa [kPa]; ea = áp suất hơi nước thực tế [kPa]; es - ea = độ hụt áp suất hơi nước bão hòa [kPa]; ∆ = độ dốc đường cong áp suất hơi nước [kPa °C-1]; và a = hằng số độ ẩm [kPa °C-1]. Trong mô hình có 4 lựa chọn phương pháp tính mưa hiệu quả: 1) Cố định tỉ lệ phần trăm lượng mưa hiệu quả, 2) Công thức kinh nghiệm của FAO/AGLW, 3) Công thức kinh nghiệm với các hệ số kinh nghiệm được xác định theo số liệu cụ thể của từng địa phương và 4) Công thức kinh nghiệm theo cơ quan bảo vệ đất của Mỹ. Trong nghiên cứu này sử dụng công thức kinh nghiệm của FAO: Với lượng mưa thực tế P tot < 70 mm thì lượng mưa hiệu quả Peff được tính:: Peff = 0.6 Ptot – 10 (2) khi P tot ≥ 70 mm thì: Peff = 0.8 Ptot – 24 (3) 3. Kết quả và thảo luận Sử dụng nước biến đổi giữa các khu vực do sự khác biệt về điều kiện khí hậu, điều kiện tự nhiên, tập tục và tình hình kinh tế. 3.1. Trồng trọt Nhu cầu nước cho nông nghiệp, đặc biệt là trồng trọt, là loại nhu cầu nước phổ biến nhất ở các tiểu vùng trên lưu vực sông Cầu và nhiều nơi khác. Nhu cầu nước cho nông nghiệp tạo áp lực lớn tương đối lớn đối với tài nguyên nước thông qua khai thác trực tiếp - cung cấp nước tưới, là yếu tố quan trọng trong bài toán cân bằng nước và quản lý bền vững nguồn nước. Diện tích đất trồng trọt biến đổi lớn giữa các khu vực về giá trị (hình 1, 2). Trên hình 1 ta có thể quan sát thấy diện tích đất nông nghiệp có xu hướng phân bố tăng dần từ khu vực phía Bắc đến khu vực phía Nam sông Cầu, từ Đông sang Tây, đánh dấu sự tương phản giữa các khu vực Bắc và Nam, Đông và Tây của lưu vực. Điều này gây ảnh hưởng lớn đến phân bố nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp trên cả lưu vực cũng như 16 tiểu vùng như hình 3. Ảnh hưởng này được thể hiện rõ hơn qua phân bố diện tích trồng trọt (hình 2) và nhu cầu nước nông nghiệp (hình 3). Theo kết quả tính toán, nhu cầu tưới nhiều nhất ở khu hạ sông Cầu (524.9 triệu m3), chiếm đến hơn 90% tổng lượng nước tưới trên lưu vực. Bên cạnh đó, sự thay đổi diện tích đất nông nghiệp theo thời gian trên từng tiểu vùng hay thời vụ là nguyên nhân dẫn đến xu hướng N.Y. Như và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 413‐418 415 phân bố khác nhau của nhu cầu nước theo thời gian trong năm diễn ra với 3 xu hướng chính ở 3 khu vực Thượng, Trung và Hạ sông Cầu (hình 4). Hình 1. Diện tích đất nông nghiệp (tô đậm) và sử dụng khác (nhạt) năm 2007 lưu vực sông Cầu. Cụ thể, ba tiểu vùng nằm ở thượng sông Cầu có chung một xu thế biến đổi, thấp nhất vào tháng VII, và cao nhất vào thời kỳ tháng IV, tháng IX là thời kỳ bắt đầu và kết thúc mùa mưa trong lưu vực. Trong khi đó xu thế biến đổi cho 6 tiểu vùng nằm ở phần trung sông Cầu lại có xu hướng nhu cầu nước tăng mạnh từ tháng II đến tháng X, đỉnh điểm là vào tháng VIII. Ở khu vực hạ sông Cầu có chung một xu hướng khác, nhu cầu nước tăng vọt vào tháng X, riêng khu IV2 có thêm một đỉnh vào thời kỳ tháng VI (xấp xỉ 83 triệu m3), nhưng lại giảm mạnh vào thời kỳ sau đó, chỉ dao động trong khoảng 0.2 đến 1 triệu m3. Trong từng khu vực nhu cầu nước cũng biến đổi tương đối lớn, dao động từ chỉ khoảng 0.2 triệu m3 ở khu I2 đến khoảng 6 triệu m3 ở khu I3. Trên hình đưa ra nhu cầu nước khu I2 làm đại diện có giá trị nhu cầu nước trung bình biến đổi trong khoảng 3 triệu m3. Hình 2. Tỉ lệ diện tích đất nông nghiệp và đất sử dụng khác lưu vực sông Cầu. Tình hình cũng tương tự ở 2 khu vực còn lại, nhưng sự dao động giữa các tiểu vùng nằm ở khu hạ sông Cầu biến đổi mạnh hơn. Cường độ tưới ở các tiểu vùng khác nhau biến động mạnh cả theo không gian và thời gian bên cạnh yếu tố phân bố diện tích đất nông nghiệp còn chịu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu và thời vụ từng loại cây trồng. Hình 3. Tổng nhu cầu nước cho trồng trọt năm 2007 trên các tiểu vùng. N.Y. Như và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 413‐418 416 Nhu cầu nước cung cấp cho tưới trên toàn bộ lưu vực xấp xỉ 1.3 tỉ m3/năm. Trong đó hầu hết các tiểu vùng nhu cầu nước cung cấp nhiều nhất cho vụ lúa và ngô, điều đó có nghĩa là lưu vực sông Cầu, loại cây chủ đạo là lúa và ngô. Ngoài ra thay đổi theo không gian, từng tiểu vùng còn có thêm loại cây chủ đạo khác ví dụ như cây công nghiệp ở khu vực bắc sông Cầu, chè ở miền trung lưu vực. Khu hạ sông cầu còn có các loại cây chủ đạo khác như cây ăn quả, khoai, sắn, lạc, đậu... trong đó rau xanh cũng chiếm tỉ lệ tương đối lớn ở khu vực này. Hình 4. Nhu cầu nước cho trồng trọt theo tháng năm 2007 tiểu vùng III2. 3.2. Nhu cầu sử dụng nước cho sinh hoạt, đô thị, thương mại, du lịch, dịch vụ, công nghiệp và chăn nuôi. Nguồn nước cung cấp cho sinh hoạt và các hoạt động đô thị phải cạnh tranh với trồng trọt, môi trường và cả các ngành kinh tế khác. Trong khi nước tưới cho nông nghiệp chiếm một lượng lớn, vấn đề nhu cầu nước sinh hoạt và đô thị tạo nên thách thức đối với các nhà quy hoạch trong vấn đề tìm nguồn cung cấp nước thích hợp đáp ứng được những nhu cầu này. Sự thay đổi dân số, mật độ và phân bố dân cư là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhu cầu nước, đặc biệt là nhu cầu nước sinh hoạt. Trên hình 5 có thể thấy sự khác biệt lớn trong loại nhu cầu này giữa các tiểu lưu vực, lượng nước tiêu thụ lớn nhất trung bình tháng hơn 2 triệu m3 ở tiểu vùng IV2 trong khi đó lượng nước tiêu thụ thấp nhất ở tiểu vùng I6 chỉ ở mức dưới 0.03 triệu m3. Hình 5. Phân bố nhu cầu nước tháng cho sinh hoạt năm 2007. Nước sử dụng cho hoạt động đô thị cũng như các hoạt động thương mại, du lịch , dịch vụ, công nghiệp và chăn nuôi đều có cùng dạng phân bố theo không gian tương tự nhu cầu nước cho sinh hoạt và cũng có cùng dạng phân bố nhu cầu nước cho nông nghiệp, nhưng biến đổi lớn về lượng. Nhu cầu nước cho các hoạt động đô thị chỉ chiếm hơn khoảng một nửa nhu cầu nước sinh hoạt, dao động từ 2800 m3 đến hơn 1.1 triệu m3. Du lịch đóng vai trò quan trọng như sự tăng lên dân số theo mùa gây áp lực đối với tài nguyên nước thông qua tiêu thụ nước trực tiếp hay thông qua cung cấp nước cho các nhà du lịch. Mặc dù trong thời gian qua, du lịch đã phát triển thành một nhánh quan trọng trong nền kinh tế khu vực, nhưng nhu cầu nước chỉ chiếm một lượng nhỏ, khoảng 1/10 nhu cầu nước sinh hoạt, xấp xỉ 9 triệu m3 trên toàn lưu vực. So với 3 loại nhu cầu trên thì công nghiệp chiếm lượng lớn hơn, từ nhu cầu thấp nhất hơn 5000 m3 đến gần 6 triệu m3. Tổng lượng nước cung cấp cho hoạt động công nghiệp xấp xỉ 113 triệu m3/năm, trong lĩnh vực này nhu cầu nước biến đổi giữa các tiểu lưu vực là do chỉ có một số ít khu công N.Y. Như và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 413‐418 417 nghiệp hoạt động với công suất lớn, các nhà máy tập trung chủ yếu ở khu vực Sóc Sơn, Hà Nội và Thái Nguyên, gần 100 nhà máy, xí nghiệp cùng rất nhiều cơ sở sản xuất tư nhân. Bên cạnh đó, nhu cầu nước cho chăn nuôi chiếm một lượng gần bằng nhu cầu nước cho sinh hoạt, khoảng 103.2 m3/năm. Vì nhu cầu nước ít hơn công nghiệp nên độ chênh lệch giữa các tiểu vùng ở khu hạ sông Cầu giảm. Hình 6. Nhu cầu nước tháng cho hoạt động GT&BVMT 2007. Hình 7. Nhu cầu nước tháng cho hoạt động thủy sản 2007. 3.3. Giao thông thủy và bảo vệ môi trường, thủy sản. Khác với nhu cầu nước của các ngành kinh tế nêu trên, nhu cầu sử dụng nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường phân bố đồng đều hơn giữa các tiểu vùng, ngoại trừ cực tiểu ở khu vực IV2, III2, là tiểu vùng nằm ở khu vực thành phố Hà Nội và một số cực đại tập trung chủ yếu ở khu vực trung sông Cầu. Do lượng nước dùng cho môi trường, giao thông thủy và đẩy mặn là lượng nước cần để duy trì sức sống của dòng sông. Một cách gần đúng có thể coi đây là lượng nước cần để duy trì dòng chảy môi trường. Nhu cầu nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường được lấy bằng 95% tổng lượng nước mùa kiệt trong đó: các tháng mùa kiệt có tần suất đảm bảo từ 95% trở xuống sẽ không được sử dụng. Vì thế có thể nói tài nguyên nước ở vùng lưu vực sông Cầu phân bố nhiều ở vùng miền trung lưu vực, và phân bố khá đồng đều trên lưu vực. Riêng trong lĩnh vực thủy sản, vì là khu vực nằm xa biển nên chỉ có hoạt động thủy sản nước ngọt ở một số tiểu vùng ở bắc khu thượng sông Cầu, nhu cầu nước trong lĩnh vực này chiếm lượng không đáng kể, khoảng 36 triệu m3 cho toàn lưu vực. Hình 8. Biểu đồ phân bố cơ cấu dùng nước của các hộ dùng nước trên lưu vực. Từ các kết quả thể hiện trên hình 8 thấy rõ trồng trọt vẫn là ngành kinh tế chủ đạo. Nhu cầu nước cho trồng trọt xấp xỉ 70% tổng lượng nước tiêu thụ trên toàn lưu vực, trong khi đó lượng nước cung cấp cho du lịch chiếm không đến 1% trong tổng nhu cầu nước, lĩnh vực hoạt động ít nhất trong các ngành kinh tế trong khu N.Y. Như và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 413‐418 418 vực. Nhu cầu nước cho các hoạt động thương mại, du lịch, dịch vụ và chăn nuôi xấp xỉ nhau, 9.06 và 8.28% tương ứng. Bên cạnh hoạt động du lịch, hoạt động thủy sản trong khu vực cũng diễn ra chỉ ở một số tiểu vùng, chiếm 2.9% tổng nhu cầu nước. 4. Kết luận Nghiên cứu sử dụng mô hình CROPWAT để tính nhu cầu nước cho trồng trọt và các ngành dùng nước khác thông qua định mức dùng nước. Từ đó có thể rút ra một số kết luận sau, thứ nhất nhu cầu nước giữa các ngành biến đổi rất mạnh, từ vài triệu cho đến tỉ m3 nước. Thứ hai, trong các yếu tố được đề cập đến, yếu tố gây áp lực lớn nhất đối với tài nguyên nước là nông nghiệp [3], mà quan trọng nhất là nhu cầu nước tưới chịu ảnh hưởng mạnh của diện tích nông nghiệp cũng như thời vụ cây trồng. Tổng lượng nước cần cung cấp cho nông nghiệp chiếm đến gần 70% tổng nhu cầu nước tiêu thụ của các ngành kinh tế, đóng vai trò ngành kinh tế chính của lưu vực. Thứ ba, phân bố và mật độ dân cư cũng là yếu tố chìa khóa ảnh hưởng đển nhu cầu sử dụng nước trong các ngành kinh tế, đặc biệt là nhu cầu nước sinh hoạt. Hơn nữa các hoạt động kinh tế trong lĩnh vực công nghiệp, thủy sản chỉ tập trung ở một số vùng, điều này cũng tác động lớn đến nhu cầu nước trong từng lĩnh vực. Thứ tư, trong từng lĩnh vực, nhu cầu nước trên lưu vực biến đổi mạnh theo cả không gian và thời gian. Sự biến đổi này ngoài những yếu tố nêu trên còn chịu tác động của điều kiện khí hậu, sự biến đổi của tài nguyên nước theo không gian và thời gian. Thứ năm hoạt động kinh tế diễn ra chủ yếu ở khu hạ sông Cầu, và cuối cùng dựa vào các kết quả đó các nhà chính sách có thể xây dựng phương án, giải pháp cho bài toán quản lý bền vững tài nguyên nước. Tài liệu tham khảo [1] FAO (Food and Agriculture Organization), CROPWAT, a computer program for irrigation planning and management. Author, Smith M. Irrigation and Drainage Paper 46, Rome, Italy, 1990. [2] Tiêu chuẩn – định mức quy hoạch nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm, Nhà Xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội, 1990 [3] Nguyễn Thanh Sơn, Quy hoạch tổng hợp tài nguyên nước tỉnh Quảng Trị đến 2010, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, số 2B PT(2006) 139. Estimation of water demands for various economic sectors in Cau river basin Nguyen Y Nhu, Nguyen Thanh Son, Ngo Chi Tuan Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam This study is conducted to calculate water demand in economic sectors for Cau river basin, support directly for water balance problem. The results reveal the important part of agriculture in the economic of this area, which occupied 70% the total of water demand of river basin, and the strong variation of water demand in sectors both in spatial and temporal, support in water resources sustainable management activities. Keywords: CROPWAT, water use, Cau river basin.