Bước đầu xây dựng khung mô hình tích hợp đánh giá tài nguyên nước mặt dựa trên phương pháp tiếp cận mối liên kết nước - năng lượng - lương thực (WEF)

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000161 382 BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG KHUNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỐI LIÊN KẾT NƯỚC – NĂNG LƯỢNG – LƯƠNG THỰC (WEF) Đào Nguyên Khôi1, Trương Thảo Sâm2, Phạm Thị Thảo Nhi2, Nguyễn Văn Thịnh3 1Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, Email: dnkhoi@hcmus.edu.vn 2Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán, Sở KH&CN TP.HCM Email: sam.tt@icst.org.vn, nhi.ptt@icst.org.vn 3Đại học Quốc gia Seoul, Email: vnguyen@snu.ac.kr TÓM TẮT Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng khung mô hình tích hợp đánh giá tài nguyên nước dựa trên mối liên kết nước – năng lượng – lương thực (WEF) và áp dụng thử nghiệm cho vùng hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai. Phương pháp mô hình hóa là phương pháp chính được thực hiện trong nghiên cứu này, bộ mô hình tích hợp được sử dụng để nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước trong mối liên kết WEF bao gồm mô hình thủy văn SWAT, mô hình cân bằng nước WEAP, và mô hình kinh tế thủy văn GAMS. Bộ mô hình này được lựa chọn sử dụng dựa vào hiệu quả mô phỏng của nó đã được chứng minh thông các các nghiên cứu trong và ngoài nước. Kết quả đạt được của đề tài này sẽ cho thấy hiệu quả sử dụng tài nguyên nước trong mối liên kết nước – năng lượng – lương thực. Từ khóa: tài nguyên nước, SWAT, WEAP, GAMS, hạ lưu sông Sài Gòn - Đồng Nai; 1. GIỚI THIỆU Nước là tài nguyên thiết yếu duy trì cuộc sống và cung cấp các dịch vụ quan trọng cho hệ sinh thái. Nhìn chung, ở hiện trạng nguồn cung cấp nước ngọt lớn hơn nhiều so với nhu cầu sử dụng của con người, tuy nhiên tài nguyên nước lại phân bố không đều theo quy mô không gian và thời gian. Đây là một trong những thách thức quan trọng trong công tác quản lý tài nguyên nước. Bên cạnh đó, sự gia tăng dân số, phát triển kinh tế, và thay đổi môi trường (biến đổi khí hậu và thay đổi sử dụng đất) cũng là các nguyên nhân trực tiếp làm gia tăng nhu cầu sử dụng tài nguyên nước của con người (Giupponi và Gain, 2017). Trong quan điểm về quản lý bền vững tài nguyên nước, một vài phương pháp tiếp cận đã được đề xuất như quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM), quản lý thích ứng (AM), và gần đây nhất là mối liên kết nước – năng lượng – lương thực (WEF). Trong đó, phương pháp quản lý tài nguyên nước IWRM và AM khó được vận dụng trong thực tế (Medema và cộng sự, 2008). Các trở ngại chính của việc áp dụng IWRM và AM được đề cập như sau: rất ít các bằng chứng cụ thể của việc áp dụng thành công hai phương pháp này; có sự mơ hồ trong các định nghĩa; sự phức tạp của phương pháp; rào cản về thể chế; rủi ro và chi phí cao. Trong khi đó, mối liên kết Nước – Năng lượng – Lương thực (WEF) là một mô hình quản lý bền vững tài nguyên nước khá mới, tập trung vào các vấn đề về an ninh liên quan đến các thành phần (nước, năng lượng, và lương thực) trong mối liên kết. Các thành phần này đóng vai trò rất quan trọng trong sự tồn tại và phát triển của con người. Mối liên kết WEF này cho thấy sự kết nối của các thành phần nước, năng lượng, và lương thực một cách hệ thống, và nó cung cấp công cụ hỗ trợ sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên. Mối liên kết WEF tập trung vào hiệu quả của hệ thống hơn là hiệu suất của từng thành phần riêng lẻ. Các thách thức trong việc kết hợp các thành phần nước, năng lượng, và lương thực vào trong một khung quản lý và quy hoạch tích hợp đòi hỏi phải có các nghiên cứu phát triển khung tiếp cận và phương pháp phù hợp. Bên cạnh đó, các nhà quản lý và hoạch định chính sách cũng đang thiếu các công cụ cho phép tính toán phân bổ các tài nguyên khác nhau và thiếu sự hiểu biết về thỏa hiệp Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 383 hay đánh đổi nguồn lợi giữa các dạng tài nguyên khác nhau. Phương pháp tiếp cận mô hình được đánh giá là công cụ hiệu quả trong việc hỗ trợ các bài toán quy hoạch và phân tích định lượng mối liên kết không thể tách rời của các dạng tài nguyên WEF (Zhang và Vesselinov, 2017). Các công cụ hiện tại chỉ mới tập trung vào phân tích từng khía cạnh trong mối liên kết. Ví dụ như mô hình về thủy văn (mô hình SWAT, HSPF, HEC-HMS,) tập trung vào đánh giá sự sẵn có của tài nguyên nước, mô hình quy hoạch và quản lý nguồn nước (mô hình WEAP, MIKE BASIN,) tập trung vào cân bằng nước giữa các thành phần, mô hình phân tích chính sách năng lượng và giảm thiểu tác động BĐKH (mô hình LEAD), mô hình kinh tế thủy văn (mô hình GAMS, mô hình tối ưu,) tập trung vào bài toán lợi ích kinh tế của tài nguyên nước. Do đó, cần thiết phải xây dựng bộ mô hình tích hợp để mô phỏng mối liên kết WEF. Nhìn chung, phương pháp đánh giá định lượng (phương pháp mô hình hóa) trong nghiên cứu mối liên kết WEF thường được sử dụng, vì phương pháp này có khả năng định lượng được các tác động và thuận tiện trong các nghiên cứu về kịch bản. Bên cạnh đó, mối liên kết về WEF phức tạp và mới chỉ được chú ý trong khoảng 5 năm trở lại đây. Do đó, cần phải có các nghiên cứu cụ thể ở các khu vực khác nhau để đóng góp và hoàn thiện khung đánh giá cho nghiên cứu WEF. Thêm vào đó, tác động của thay đổi môi trường và mối liên kết WEF là thay đổi theo không gian, và cũng cần thiết có các nghiên cứu cho từng khu vực cụ thể. Mục tiêu của nghiên cứu là Xây dựng khung mô hình tích hợp đánh giá tài nguyên nước dựa trên mối liên kết nước – năng lượng – lương thực (WEF). Nghiên cứu sẽ đóng góp phần nâng cao hiểu biết về quá trình hoạt động của mối liên kết Nước – Năng lượng – Lương thực. Các hiểu biết này sẽ góp phần phục vụ cho công tác quản lý và quy hoạch bền vững tài nguyên nước, và cân bằng được các lợi ích của phát triển kinh tế xã hội. 2. PHƯƠNG PHÁP Phương pháp mô hình hóa là phương pháp chính để thực hiện nội dung này. Bộ mô hình tích hợp được sử dụng để nghiên cứu mối liên kết WEF (Hình 1) bao gồm mô hình thủy văn SWAT – mô hình cân bằng nước WEAP – mô hình kinh tế thủy văn GAMS. Thuật ngữ ‘tích hợp’ ở đây được hiểu là sự liên kết các mô hình trong giải quyết bài toán về mối liên kết nước – năng lượng – lương thực với kết quả đầu ra của mô hình này là đầu vào cho mô hình kia. Các mô hình này được lựa chọn dựa vào hiệu quả của mô phỏng của chúng thông qua các nghiên cứu trong và ngoài nước. Bên cạnh đó đây là các phần mềm miễn phí, có mã nguồn mở, thuận tiện cho việc hiệu chỉnh cấu trúc mô hình cho phù hợp với khu vực nghiên cứu và dễ dàng trong việc chuyển giao kết quả nghiên cứu. Bộ mô hình sử dụng bao gồm: - Mô hình thủy văn SWAT (Công cụ đánh giá đất và nước) được sử dụng trong mô phỏng dòng chảy trong lưu vực sông dưới ảnh hưởng của thay đổi môi trường (BĐKH và thay đổi sử dụng đất). - Mô hình tính toán cân bằng nước WEAP được sử dụng trong tính toán phân bổ nguồn nước trong mối liên kết WEF. - Mô hình kinh tế thủy văn GAMS được sử dụng trong đánh giá lợi ích kinh tế của từng thành phần sử dụng nước trong mối liên kết WEF và tối ưu hóa các lợi ích kinh tế. Bằng việc kết hợp với chức năng tính toán cân bằng nước của mô hình WEAP, mô hình GAMS sẽ tập trung vào khía cạnh kinh tế, với hàm mục tiêu là tối ưu hóa lợi ích kinh tế từ việc sử dụng nước, trong đó nguồn nước cung và cầu được xác định dựa trên mục tiêu tối đa lợi ích kinh tế trong sử dụng nước, các yêu cầu về mặt môi trường như dòng chảy tối thiểu sau đập, lưu lượng tối thiểu để đẩy mặn hạ du được xem như là các điều kiện ràng buộc của mô hình. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 384 Hình 1. Khung mô hình phân tích mối liên kết WEF trong nghiên cứu này 3. KẾT LUẬN Nhìn chung, chưa có nhiều nghiên cứu về mô hình hóa tài nguyên nước trong phân tích hệ thống, cụ thể là mối liên kết nước – năng lượng – lương thực ở trên thế giới. Cần thiết có những nghiên cứu ở các khu vực khác nhau để có một cái nhìn tổng quát về mối liên kết này. Bên cạnh đó, cung cấp một trường hợp điển hình về đánh giá tài nguyên nước trong mối liên kết nước – năng lượng – lương thực bằng một ví dụ ở hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai và có thể ứng dụng khung phương pháp luận của nghiên cứu này trong các nghiên cứu tương tự cho các khu vực khác ở trong nước. Kết quả bước đầu mới chỉ cho thấy được tổng quan về vấn đề nghiên cứu và đề xuất được khu mô hình tiếp cận. Kết quả chi tiết của nghiên cứu và ứng dụng khung nghiên cứu cho vùng hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai sẽ được trình bày trong các bài báo sau. Lời cám ơn Nghiên cứu được tài trợ bởi Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM và được thực hiện bởi Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán (ICST) trong khuôn khổ Đề tài được phê duyệt theo Quyết định số 312/QĐ-KHCNTT ngày 01 tháng 10 năm 2019. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Giupponi C., Gain A.K., 2017. Integrated spatial assessment of the water, energy, and food dimensions of the Sustainable Development Goals. Regional Environmental Change, 17(7), 1881-1893. [2]. Hoff H., 2011. Understanding the Nexus. Background Paper for the Bonn 2011 Conference: The Water, Energy and Food Security Nexus. Stockholm Environment Institute, Stockholm. [3]. Medema W., McIntosh B.S., Jeffrey, P.J., 2008. From premise to practice: a critical assessment of integrated water resources management and adaptive management approaches in the water sector. Ecological Society, 13(2), 29. [4]. Zhang X., Vesselinov V., 2017. Integrated modeling approach for optimal management of water, energy and food security nexus. Advances in Water Resources, 101, 1-10. Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 385 DEVELOPING AN INTEGRATED MODEL FRAMEWORK FOR ASSESSING WATER RESOURCES USING WATER-ENERGY-FOOD (WEF) NEXUS APPROACH Dao Nguyen Khoi 1 , Truong Thao Sam 2 , Pham Thi Thao Nhi 3 , Nguyen Van Thinh 4 1 University of Science, VNU-HCM, email: dnkhoi@hcmus.edu.vn 2 Institute for Computational Science and Technology, DOST-HCM, email: sam.tt@icst.org.vn 3 Institute for Computational Science and Technology, DOST-HCM, email: nhi.ptt@icst.org.vn 4 Seoul National University, email: vnguyen@snu.ac.kr ABSTRACT The objective of this study is to develop an integrated model framework for assessing water resources based on the Water – Food – Energy (WEF) through a case study for the downstream of Sai Gon - Dong Nai Rivers. Modelling is the major methodology employed in this study. The integrated models applied in this study are the SWAT hydrological model, WEAP water balance model, and GAMS hydro-economic model. These models were chosen based on their performance in water resources assessment from previous studies around the world. The obtained results of this study will show the efficiency of using water resources in the WEF nexus. Key words: water resources, SWAT, WEAP, GAMS, downstream of Sai Gon – Dong Nai Rivers.