Đánh giá và lập mô hình lưu vực

(16/07/2019 12:00:00 SA)

Tại sao áp dụng Biện pháp tiếp cận Lưu vực?

Lưu vực là khu vực mà tất cả lượng nước mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát ra một vị trí xác định. Ranh giới lưu vực chủ yếu được xác định bằng địa hình (có thể có một số biến đổi trong dòng chảy mạch nước ngầm) và là đơn vị tính cơ bản nhất của tổ chức thiên nhiên trong một cảnh quan. Các kế hoạch quản lý lưu vực có thể rất cụ thể vào một đối tượng mục tiêu - ví dụ, tập trung vào vấn đề giảm thiểu ô nhiễm hoặc quản lý các loài nhất định - hoặc tổng quát hơn, với mục tiêu là cân bằng nhiều mục đích sử dụng và mục tiêu cụ thể. Trong khi trước đây, quản lý nguồn tài nguyên nước thường tập trung vào các vấn đề hoặc quy trình đơn lẻ, trong những thập kỷ gần đây đã có sự nhận biết ngày càng tăng về giá trị của việc quản lý lưu vực với một cách tiếp cận toàn diện và tích hợp hơn (White, 1998). Quản lý lưu vực tổng hợp được định nghĩa là quá trình quản lý các hoạt động của con người và tài nguyên thiên nhiên tại một lưu vực, trong đó có xem xét các vấn đề xã hội, kinh tế và môi trường, cũng như lợi ích cộng đồng để quản lý nguồn tài nguyên nước bền vững (MVCA) (Cơ quan bảo tồn thung lũng Mississippi, 2018).

Kiểm kê lưu vực

Sự di chuyển của nước qua một lưu vực là một chức năng của các thuộc tính và quá trình vật lý tại một cảnh quan, được giảm thiểu bởi các hoạt động sử dụng đất và che phủ đất. Đánh giá hiệu quả các giải pháp quản lý thay thế đòi hỏi phải hiểu các quy trình của hệ sinh thái và các yếu tố nhân loại chi phối sự phản ứng với các hành động quản lý khác nhau. Bước đầu tiên trong quá trình quản lý lưu vực tổng hợp là kiểm kê lưu vực, hoặc quá trình “tìm hiểu lưu vực” (Heathcote, 2009).

Kiểm kê lưu vực đòi hỏi phải xem xét các đặc điểm và quá trình trong một phạm vi không gian và thời gian. Ở phạm vi không gian và thời gian lớn nhất, cần lập danh mục và hiểu về các yếu tố như địa chất, khí hậu và địa hình tại lưu vực quan tâm. Các yếu tố vật lý này sẽ xác định các thuộc tính như tính chất đất, sự thẩm thấu và dòng chảy, từ đó quyết định chất lượng, số lượng, thời gian và sự chuyển động của nước qua một lưu vực, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm. Những thuộc tính này cung cấp nền tảng vật lý cho các cộng đồng động thực vật tồn tại trong một lưu vực.

Ngoài các quá trình vật lý, hóa học và sinh học tự nhiên, các hoạt động của con người cũng ảnh hưởng đến các quá trình xảy ra trong một lưu vực. Các hoạt động của con người có thể bao gồm các yếu tố như thực tiễn sử dụng đất, hệ thống kinh tế và xã hội hoặc các hoạt động và đặc điểm có giá trị (Heathcote, 2009). Các hoạt động của con người trong một lưu vực bao gồm hai thành phần chính: (1) môi trường được xây dựng và (2) các hệ thống xã hội của con người ở cả môi trường tự nhiên và xây dựng. Ví dụ, kiểm kê môi trường xây dựng có thể bao gồm việc đánh giá các loại và việc phân bố các hoạt động sử dụng đất khác nhau trong một lưu vực. Các bước liên quan đến hoạt động này bao gồm xác định danh mục sử dụng đất tại một vùng hoặc cảnh quan, lập bản đồ diện tích của từng hoạt động và có thể đánh giá cách các hoạt động sử dụng đất thay đổi hoặc phát triển theo thời gian.

Trong hoạt động quản lý, cần quan tâm đánh giá các hoạt động của con người như là một phần của hoạt động kiểm kê lưu vực. Ví dụ, các hoạt động sử dụng đất ảnh hưởng đến cả loại chất gây ô nhiễm trong lưu vực và tải trọng hoặc khối lượng chất ô nhiễm thải ra các khu vực đường thủy. Các hoạt động nông nghiệp cũng có thể thải ra các loại chất ô nhiễm vào các con sông hoặc mạch nước trong lưu vực. Các hoạt động khác của con người như nuôi trồng thủy sản cùng với một loạt các cơ hội và thách thức quản lý riêng biệt cần phải ở mức vừa đủ để giải quyết các vấn đề trong quá trình quản lý.

Việc kiểm kê lưu vực có thể dựa vào việc thu thập dữ liệu sơ cấp (được thu thập bởi điều tra viên), dữ liệu thứ cấp (ban đầu được thu thập cho các mục đích khác) hoặc kết hợp cả hai. Trong một số trường hợp, kiểm kê lưu vực có thể phụ thuộc nhiều vào việc thu thập và tổng hợp những dữ liệu hiện có ('khai thác dữ liệu'), trong khi đó, trong nhiều tình huống, việc đánh giá dữ liệu giúp phát hiện các khoảng trống quan trọng về dữ liệu cần được bổ sung để đưa ra các quyết định sáng suốt trong quản lý lưu vực. Do đó, ngoài việc cung cấp dữ liệu và kiến ​​thức phục vụ việc ra quyết định quản lý, kiểm kê lưu vực còn giúp đánh giá hệ thống dữ liệu có sẵn, cho phép xác định liệu có nên đầu tư thêm nguồn lực vào việc thu thập dữ liệu hay không và cần những thông tin gì. Ví dụ, kiểm kê lưu vực có thể xác định việc lấy mẫu bổ sung là cần thiết để định lượng tốt hơn dòng chảy hoặc dòng nước ngầm, xu hướng chất lượng nước hoặc thuộc tính của hệ sinh thái thủy sinh. Khi thiết kế chương trình đo lường hoặc chiến dịch lấy mẫu, cần thiết kế sao cho trả lời được các câu hỏi cụ thể, liên quan đến việc ra quyết định. Ví dụ, đối với các câu hỏi liên quan đến nước thải công nghiệp hoặc tải lượng chất dinh dưỡng, các vấn đề cần cân nhắc bao gồm thiết kế chương trình lấy mẫu sao cho phù hợp để đánh giá được đầy đủ sự thay đổi của các tham số hoặc các hệ thống không đồng nhất theo thời gian.

Những hiểu biết cơ bản về lưu vực từ hoạt động kiểm kê lưu vực giúp cung cấp nền tảng cho việc xây dựng các mô hình dự đoán cho hệ thống hỗ trợ đánh giá tác động của các hành động quản lý dự kiến.

Đánh giá tác động của hành động dự kiến

Xây dựng một kế hoạch quản lý lưu vực thường bao gồm việc xác định và lựa chọn giữa các đường hướng hoặc chiến lược quản lý thay thế. Trong các hệ thống phức tạp, kết quả của một hành động hoặc sự kết hợp của các hành động khác nhau khó có thể nhận thấy rõ ràng. Thông thường, cần có một khung đánh giá để đánh giá hoặc dự đoán một cách có hệ thống tác động của các hành động quản lý dự kiến. Một số chiến lược hoặc phương pháp được dùng để đánh giá môi trường có thể sử dụng cho việc xây dựng kế hoạch quản lý lưu vực.

Các đánh giá sàng lọc ban đầu nhằm mục tiêu xác định các phương án quản lý thay thế khả thi. Trong số những phương án khả thi, cần xem xét bổ sung để xác định phương án nào có hiệu suất tổng thể tốt nhất về mặt đáp ứng các mục tiêu đặt ra. Ví dụ: trình tự đưa ra chiến lược quản lý có thể bao gồm (1) xác định mục tiêu quản lý, (2) đánh giá kết quả của quyết định (3) dự đoán kết quả của quyết định và (4) đánh giá kết quả (Cơ quan nghiên cứu về Cá và Động vật hoang dã Hoa Kỳ, 2008). Đánh giá kết quả có thể bao gồm các dữ liệu hoặc số liệu định lượng, hoặc một cách tiếp cận định tính hơn như một danh sách xếp hạng. Khi dự đoán kết quả, có thể cần sử dụng phương pháp mô hình hóa để dự đoán kết quả từ các quy trình tự nhiên hoặc tập hợp các hành động.

Các nguyên tắc lập mô hình

Trong lưu vực và các hệ thống phức tạp khác, kết quả của một tập hợp các hành động dự kiến có thể không chắc chắn hoặc khó có thể dự đoán được. Các mô hình cung cấp cách tiếp cận có cấu trúc để đánh giá phản ứng của hệ thống đối với các hành động quản lý và kiểm tra các giả định liên quan đến động lực học của hệ thống. Các mô hình mô tả các quá trình hoặc các hệ thống và có thể ở dạng mô hình khái niệm, vật lý hoặc mô hình số. Nói một cách đơn giản, ‘mô hình là các khái niệm thực tiễn vật chất dẫn đến các dự báo định lượng hoặc định tính’ (Darby và Van de Wiel, 2003). Tất cả các mô hình đều đơn giản hóa thực tế và đi kèm với một loạt các giả định và hạn chế về khả năng ứng dụng và tính thực tiễn. Một số mô hình có thể không phù hợp để đưa ra các dự đoán chính xác, nhưng phù hợp cho việc đánh giá các giả định hoặc phân tích so sánh các kết quả mô phỏng khác nhau.

Khi nào phù hợp hoặc cần thiết để áp dụng mô hình vào quản lý nguồn nước? Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đã xác định ba tình huống cần áp dụng phương pháp mô hình hóa (Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ, 2017):

·        Khoanh vùng phạm vi hoặc định lượng một vấn đề

·        Dự đoán các điều kiện thay đổi theo thời gian

·        Đánh giá các phương án quản lý thay thế

Loại mô hình đầu tiên - mô hình phạm vi - có thể được sử dụng để ước tính nhanh phạm vi và mức độ nghiêm trọng của một vấn đề. Ví dụ, mục tiêu cụ thể là so sánh mức độ căng thẳng, ưu tiên các khu vực hoặc nguồn suy yếu, kiểm tra xu hướng, ngoại suy dữ liệu giám sát hoặc đánh giá hướng phản ứng của hệ thống. Phương pháp mô hình phạm vi thường được sử dụng để tìm ra những hiểu biết cơ bản về vấn đề chất lượng nước. Mô hình thứ hai - dự đoán theo thời gian - một mô hình có thể được sử dụng để dự báo các điều kiện trong tương lai diễn ra do một tập hợp các điều kiện đã được xác định trước, có thể là các điều kiện tự nhiên hoặc do hành động của con người. Mô hình thứ ba - đánh giá các phương án quản lý thay thế - có thể được sử dụng để so sánh tác động tương đối của các hành động dự kiến khác nhau trong lưu vực.

Tại lưu vực sông Mê Kông, một loạt các phương pháp mô hình hóa khác nhau đã được sử dụng để đánh giá tác động của tập hợp các hành động quản lý dự kiến khác nhau. Những nghiên cứu hoặc đánh giá trước đây được thực hiện với các quy mô không gian và thời gian khác nhau. Ví dụ, ở quy mô của một lưu vực sông, một loạt các phương pháp đã được sử dụng để đánh giá tác động của việc xây dựng đập đối với động lực trầm tích ở sông Mê Kông (ví dụ: Nghiên cứu đồng bằng sông Cửu Long; Kondolf và cộng sự, 2014). Các nghiên cứu ở quy mô nhỏ hơn tập trung vào hoạt động sản xuất lúa tại địa phương, phương pháp canh tác và mực nước biển dâng (ví dụ, Chapman và Darby, 2016). Những mô hình này được thực hiện dưới dạng từ khái niệm cho đến định lượng, và trong nghiên cứu ở quy mô lớn là Nghiên cứu đồng bằng sông Cửu Long, nhiều phương pháp đã được sử dụng để mô phỏng các quá trình quan trọng. Điểm chung của các nghiên cứu là mỗi mô hình đều hướng đến giải quyết các vấn đề quản lý.

Yếu tố quan trọng cần xem xét khi bắt đầu thực hiện viêc lập mô hình là xác định các công cụ và dữ liệu mô hình hóa phù hợp để trả lời các câu hỏi đặt ra. Ví dụ, khi xây dựng các mô hình thủy động lực học, người lập mô hình phải xác định kích thước của mô hình, khoảng thời gian khả thi để chạy mô hình hoặc khoảng thời gian mà tại đó mô hình đạt trạng thái ổn định hoặc không ổn định. Ngoài ra, đối với trường hợp các hệ thống sông lớn, phức tạp được nghiên cứu trong Nghiên cứu đồng bằng sông Cửu Long và nghiên cứu trường hợp sông Missouri dưới đây, phương pháp mô hình hóa đòi hỏi phải lựa chọn các mô hình có độ phân giải cao hơn được lồng trong các mô hình có độ phân giải thấp nhưng với quy mô lớn hơn.

Lưu vực sông Missouri: Nghiên cứu trường hợp IWM

Giới thiệu

Sông Missouri là con sông dài nhất ở Hoa Kỳ, kéo dài từ phía bắc dãy núi Rocky đến hợp lưu sông Mississippi ở miền trung Hoa Kỳ (Jacobson và Galat, 2006). Sông Missouri kéo dài hơn 1.300.000 km2, lưu vực bao gồm cả các dòng chảy đầu nguồn trên núi và các phần của Đại Bình nguyên Hoa Kỳ, khu vực bị chiếm dụng để chăn thả gia súc và sản xuất nông nghiệp. Sông Missouri đã phải chịu tác động của kỹ thuật sông ở cường độ cao trong hơn hai thế kỷ. Trên con sông này có sáu đập chính lớn tạo thành hệ thống hồ chứa lớn nhất Bắc Mỹ. Các con đập đã làm thay đổi đáng kể dòng chảy tự nhiên. Mặc dù tác động của việc điều tiết dòng chảy tại các khu vực thủy văn là khác nhau tùy thuộc vào vị trí của lưu vực và sự đóng góp của các nhánh sông, nhưng nhìn chung, việc điều tiết đã làm giảm cường độ lũ lụt xảy ra hàng năm và tăng lưu lượng nước vào mùa hè.

Ngoài những thay đổi trong chế độ dòng chảy tự nhiên, hệ thống kênh đào cũng bị thay đổi đáng kể. Trong lịch sử, sông Missouri có một con kênh rộng, nông, phân thành nhiều nhánh chảy qua các vùng ngập lũ, tiếp nối với các vùng đất ngập nước xunh quanh và môi trường sống ven sông. Để phục vụ giao thông đường thủy và kiểm soát lũ lụt, chính phủ Hoa Kỳ đã phân luồng phần lớn 1.200 km hạ lưu sông, thiết kế một kênh dẫn sâu hơn, hẹp hơn và chảy xiết hơn so với kênh cũ. Để thực hiện những thay đổi, hệ thống bờ kè và các công trình kiểm soát như đê cánh được xây dựng ở phần lớn hạ lưu sông. Kết quả, giao thông đường thủy trên sông thuận tiện hơn, nhưng môi trường sống tự nhiên ven sông khác nhiều so với trước khi phát triển toàn lưu vực và thực hiện các hoạt động về kỹ thuật sông.

Quản lý lưu vực tổng hợp tại sông Missouri

Quốc hội Hoa Kỳ cho phép tám mục đích sử dụng được thực hiện trên sông Missouri: kiểm soát lũ lụt, giao thông, thủy lợi, thủy điện, kiểm soát chất lượng nước, cấp nước, phục vụ các hoạt động giải trí, phát triển sinh trưởng cá và động vật hoang dã. So với các con sông và lưu vực sông trên khắp thế giới, cách sử dụng nguồn nước tại lưu vực sông Missouri đôi khi mâu thuẫn với nhau. Ngoài các mục đích được cho phép, có ba loài tại sông Missouri đang bị đe dọa hoặc có nguy cơ tuyệt chủng phải được xem xét trong các quyết định quản lý. Những loài này bao gồm hai loài chim (choi choi chân vàng và least tern) và một loài cá (cá tầm da vàng nhợt). Công binh Lục quân Hoa Kỳ, cơ quan liên bang chịu trách nhiệm cho hầu hết các hoạt động kỹ thuật sông trên sông Missouri, được yêu cầu xem xét ảnh hưởng của các hành động quản lý đến ba loài này.

Chương trình phục hồi sông Missouri (MRRP) là chương trình có mục tiêu phục hồi các môi trường sống bị mất và xác định các hành động tránh gây nguy hiểm cho sự tồn tại của ba loài này (Công binh Lục quân Hoa Kỳ, 2013). Nhóm đa cơ quan thực hiện chương trình sẽ xem xét ảnh hưởng của các hành động quản lý không chỉ đến các loài cá, chim và các động vật khác sinh sống trên sông, mà còn đến cả các mục đích sử dụng được cho phép, các tài nguyên văn hóa và lợi ích của các bộ lạc (Jacobson và cộng sự, 2015). Là một phần của quá trình quản lý thích ứng trên sông Missouri, nhiều cơ quan và đối tác liên bang đã cùng nhau đưa ra Bản Dự thảo Tuyên bố tác động môi trường (DEIS). DEIS đã xác định sáu phương án thay thế (một phương án thay thế được xác định là sự kết hợp của các hành động quản lý) đáp ứng các mục tiêu của MRRP, bao gồm cả phương án thay thế tối ưu. Phương án thay thế tối ưu này được lựa chọn dựa trên số lượng các yếu tố như tác động kinh tế và môi trường, và sau một thời gian lấy ý kiến người dân.

Các mô hình số và thống kê chi tiết được sử dụng để cung cấp những hiểu biết về cách các hành động quản lý khác nhau có thể ảnh hưởng đến các loài mục tiêu trong lưu vực, đến các mục đích sử dụng được cho phép và lợi ích của các bên liên quan. Ví dụ, để đánh giá tác động của các chế độ dòng chảy khác nhau và các hoạt động phục hồi kênh đào, các mô hình thủy động lực học được sử dụng để mô phỏng sự di cư và phân tán của cá con trong lưu vực sông Missouri. Kết quả của các mô hình thủy động lực này được lồng ghép vào các mô hình quần thể cá được sử dụng để mô phỏng tác động của các hành động quản lý khác nhau đối với mật độ và sự phân bố của cá tầm bản địa trong lưu vực (Jacobson và cộng sự, 2016). Một quy trình mô hình hóa chặt chẽ cũng được sử dụng để dự đoán tác động của các hành động quản lý khác nhau đến các mục đích sử dụng được cho phép và các cân nhắc của con người, từ đó cung cấp cho các bên liên quan những hiểu biết về cách các hành động quản lý sẽ ảnh hưởng đến lợi ích hoặc sinh kế của họ.