Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá hiện tượng xâm nhập mặn do biến đổi khí hậu khu hạ lưu ven biển lưu vực sông Cả, tỉnh Nghệ An

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

237
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tính toán dự báo được sự biến động của độ mặn trong khu vực hạ lưu sông Cả, tỉnh Nghệ An, dưới các tác động của biến đổi khí hậu. Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu như sau: Thu thập thông tin, xây dựng tổng quan về các nghiên cứu xâm nhập mặn trong khu vực; thu thập số liệu, nghiên cứu áp dụng mô hình thủy văn, thủy lực và chất lượng nước (bộ mô hình Mike 11) mô phỏng và dự báo kết quả xâm nhập mặn với các kịch bản khác nhau của biến đổi khí hậu; đề xuất các giải pháp thích ứng, quy hoạch, phòng chống xâm nhập mặn cho khu vực nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá hiện tượng xâm nhập mặn do biến đổi khí hậu khu hạ lưu ven biển lưu vực sông Cả, tỉnh Nghệ An

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- QUÁCH THỊ THANH TUYẾT ĐÁNH GIÁ HIỆN TƢỢNG XÂM NHẬP MẶN DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU HẠ LƢU VEN BIỂN LƢU VỰC SÔNG CẢ, TỈNH NGHỆ AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- QUÁCH THỊ THANH TUYẾT ĐÁNH GIÁ HIỆN TƢỢNG XÂM NHẬP MẶN DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU HẠ LƢU VEN BIỂN LƢU VỰC SÔNG CẢ, TỈNH NGHỆ AN Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.440.224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN QUANG HƯNG Hà Nội – Năm 2015
LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng chân thành nhất, em xin chân thành cảm ơn tới: Tiến sỹ Nguyễn Quang Hưng, thầy hướng dẫn khoa học cho luận văn của em, những điều đạt được trong luận văn này là những kiến thức quý báu mà thầy đã tận tình chỉ dẫn em trong thời gian qua. Quý thầy cô trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là quý thầy cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, quý thầy cô trong Phòng Đào tạo sau Đại học đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành chương trình Cao học và luận văn tốt nghiệp. Gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ hết sức sâu sắc trong thời gian qua. Đặc biệt cảm ơn gia đình, những người luôn bên cạnh động viên để em vững tâm và phấn đấu học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Lãnh đạo, đồng nghiệp tại Trung tâm Ứng dụng công nghệ và Bồi dưỡng nghiệp vụ Khí tượng thủy văn và Môi trường đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm luận văn do giới hạn về thời gian cũng như hạn chế về số liệu thực đo nên không tránh được những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong được sự cảm thông và những ý kiến đóng góp quý báu của các Thầy cô và những người quan tâm. TÁC GIẢ
MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………............1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 5 1.1. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn ......................................................... 5 1.1.1. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngoài ....................................5 1.1.2. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn trong nước .....................................9 1.1.2.1. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn ở Việt Nam ...........................9 1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn lưu vực sông Cả .................11 1.2. Giới thiệu khu vực nghiên cứu .................................................................... 13 1.2.1. Vị trí địa lý ............................................................................................... 13 1.2.2. Địa hình ....................................................................................................14 1.2.3. Thổ nhưỡng .............................................................................................. 15 1.2.4. Thực vật ....................................................................................................16 1.2.5. Đặc điểm khí hậu ......................................................................................17 1.2.6. Tài nguyên nước mặt ................................................................................20 1.2.6.1. Mạng lưới sông suối.......................................................................20 1.2.6.2. Lưới trạm thủy văn.........................................................................21 1.2.6.3. Dòng chảy năm ..............................................................................21 1.2.6.4. Chế độ dòng chảy...........................................................................22 1.2.7. Đặc điểm nước dưới đất ...........................................................................27 1.2.8. Tình hình kinh tế -xã hội ..........................................................................28 1.2.8.1. Dân số ............................................................................................ 28 1.2.8.2. Kinh tế xã hội .................................................................................28 1.3. Tình hình xâm nhập mặn............................................................................. 36 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE 11 ............ 38 2.1. Các phƣơng trình cơ bản ............................................................................. 38 2.2. Điều kiện biên................................................................................................ 47
2.2.1. Điều kiện biên thủy lực ............................................................................47 2.2.2. Điều kiện biên mặn...................................................................................47 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ XÂM NHẬP MẶN THEO KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHI HẬU SỬ DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 ............................................................ 48 3.1. Thiết lập điều kiện biên mô hình thủy lực MIKE 11 ................................ 48 3.1.1. Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực .......................................................52 3.1.2. Kết quả kiểm định mô hình thủy lực ........................................................53 3.2. Thiết lập mô hình chất lƣợng nƣớc – xâm nhập mặn ............................... 55 3.3. Mô phỏng quá trình xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu 57 3.3.1. Kịch bản biến đổi khí hậu về lượng mưa và nước biển dâng ...................58 3.3.2. Mô phỏng quá trình xâm nhập mặn xét đến biến đổi khí hậu ..................59 3.3.3. Kết quả mô phỏng quá trình ngập mặn kịch bản 1...................................61 3.3.4. Kết quả mô phỏng quá trình ngập mặn kịch bản 2...................................63 3.3.5. Kết quả mô phỏng quá trình ngập mặn kịch bản 3...................................64 3.4. Kết luận ......................................................................................................... 65 3.5. Đề xuất các giải pháp nhằm hạn chế tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đến quá trình xâm nhập mặn khu vực nghiên cứu ......................................... 66 3.6. Các biện pháp ứng phó hiện tƣợng xâm nhập mặn .................................. 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………………70 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………72 PHỤ LỤC
DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Bản đồ vị trí lưu vực sông Cả ............................................................................. 14 Hình 1-2: Bản đồ thổ nhưỡng trong lưu vực sông Cả ......................................................... 15 Hình 1-3: Bản đồ thảm phủ thực vật lưu vực sông Cả ........................................................ 16 Hình 1-4: Bản đồ lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sông Cả ................................ 18 Hình 1-5: Bản đồ mô đun dòng chảy năm và phân phối dòng chảy trong năm tại một số trạm trên lưu vực sông Cả ................................................................................................... 22 Hình 1-6: Bản đồ tiềm năng trữ lượng nước ngầm lưu vực sông Cả .................................. 28 Hình 2-1: Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott.............................................................................. 40 Hình 2-2: Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phương trình liên tục .................................... 41 Hình 2-3: Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình động lượng ......................................... 43 Hình 2-4: Sơ đồ sai phân ..................................................................................................... 45 Hình 3-1: Sơ đồ thủy lực hạ lưu sông Cả trong MIKE 11 ................................................... 48 Hình 3-2: Sơ đồ trạm thủy văn và khí tượng khu vực nghiên cứu ....................................... 49 Hình 3-3: Ví dụ một mặt cắt trên sông Cả ........................................................................... 50 Hình 3-4: Ví dụ một mặt cắt hạ lưu sông Cả ....................................................................... 50 Hình 3-5: Ví dụ một mặt cắt trên sông Ngàn Phố ............................................................... 50 Hình 3-6: Ví dụ một mặt cắt trên sông Ngàn Sâu ................................................................ 50 Hình 3-7: Mực nước tính toán và thực đo trạm Nam Đàn mùa kiệt năm 2000 ................... 52 Hình 3-8: Mực nước tính toán và thực đo trạm Linh Cảm mùa kiệt năm 2000 .................. 52 Hình 3-9: Mực nước tính toán và thực đo trạm Chợ Tràng mùa kiệt năm 2000 ................ 53 Hình 3-10: Mực nước tính toán và thực đo trạm Nam Đàn mùa kiệt năm 2010 ................. 53 Hình 3-11: Mực nước tính toán và thực đo trạm Linh Cảm mùa kiệt năm 2010 ................ 53 Hình 3-12: Mực nước tính toán và thực đo trạm Chợ Tràng mùa kiệt năm 2010 .............. 54 Hình 3-13: Mực nước tính toán và thực đo trạm Nam Đàn mùa kiệt năm 2014 ................. 54 Hình 3-14: Mực nước tính toán và thực đo trạm Linh Cảm mùa kiệt năm 2014 ................ 54
Hình 3-15: Mực nước tính toán và thực đo trạm Chợ Tràng mùa kiệt năm 2014 ............. 54 Hình 3-16: Độ mặn tính toán và thực đo điểm đo mặn Bến Thủy năm 2000 ...................... 55 Hình 3-17: Độ mặn tính toán và thực đo điểm đo mặn Nghi Thọ năm 2000 ...................... 56 Hình 3-18: Độ mặn tính toán và thực đo điểm đo mặn Trung Lương năm 2000 ................ 56 Hình 3-19: Độ mặn tính toán và thực đo điểm đo mặn Bến Thủy năm 2010 ...................... 56 Hình 3-20: Độ mặn tính toán và thực đo điểm đo mặn Bến Thủy năm 2014 ...................... 57 Hình 3-21: Mực nước triều trạm Cửa Hội năm 2030, 2050 và 2100 .................................. 60 Hình 3-22: Hình minh họa ranh giới xâm nhập mặn năm 2030 ......................................... 62 Hình 3-23:Hình minh họa ranh giới xâm nhập mặn năm 2050 .......................................... 63 Hình 3-24: Hình minh họa ranh giới xâm nhập mặn năm 2100 ......................................... 64 Hình 3-25: Hình minh họa khu vực sát biển ảnh hưởng xâm nhập mặn ............................. 67 Hình 3-26: Hình minh họa khu vực huyện Hưng Nguyên ảnh hưởng xâm nhập mặn......... 68 Hình 3-27: Hình minh họa khu vực phía trong sông ảnh hưởng xâm nhập mặn ................ 69
DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số trạm trong lưu vực hệ thống sông Cả thời kỳ 1961-2014........................................................................................................... 19 Bảng 1-2: Lượng nước bốc hơi bình quân tháng trên lưu vực sông Cả .............................. 20 Bảng 1-3: Lưu lượng trung bình tháng, năm tại một số trạm thuỷ văn lưu vực sông Cả ... 24 Bảng 1-4: Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất tại một số trạm thuỷ văn trong lưu vực sông Cả.......................................................................................................... 26 Bảng 1-5: Khả năng khai thác nước ngầm trên lưu vực sông Cả ....................................... 27 Bảng 1-6: Bố trí diện tích gieo trồng năm 2020 .................................................................. 30 Bảng 1-7: Dự kiến đàn gia súc, gia cầm năm 2020 ............................................................ 31 Bảng 1-8: Diện tích nuôi trồng thủy sản giai đoạn 2020 .................................................... 32 Bảng 1-9: Quy mô các khu công nghiệp đến 2020 .............................................................. 34 Bảng 1-10: Quy hoạch sử dụng đất đến 2020 ..................................................................... 36 Bảng 3-1:Kết quả chỉ tiêu Nash tại vị trí kiểm tra............................................................... 53 Bảng 3-2: Kết quả chỉ tiêu Nash tại vị trí kiểm tra.............................................................. 54 Bảng 3-3: Kết quả chỉ tiêu Nash tại vị trí kiểm tra.............................................................. 55 Bảng 3-4:Kết quả tương quan độ mặn tính toán và thực đo ............................................... 57 Bảng 3-5: Độ cao mực nước biển dâng theo các thời kỳ tương lai kịch bản B2 ................. 58 Bảng 3-6: Biến đổi lượng mưa mùa xuân tỉnh Nghệ An ...................................................... 59 Bảng 3-7: Tổng hợp các kịch bản mô phỏng ....................................................................... 59 Bảng 3-8: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại một số trạm thủy văn chính ......... 60 Bảng 3-9: Tỉ lệ thay đổi giá trị lưu lượng (%) giữa các thời kỳ tương lai với thời kỳ nền tại các trạm thủy văn lưu vực sông Cả kịch bản B2 ................................................................. 61 Bảng 3-10:Chênh lệch khoảng cách xâm nhập mặn các kịch bản ...................................... 65
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang là một trong những thách thức nghiêm trọng nhất đối với thế giới và trở thành vấn đề sống còn của Việt Nam trong thế kỷ 21. Theo kịch bản BĐKH mới nhất cho Việt Nam, đến năm 2100, nhiệt độ trung bình có thể tăng khoảng 2-3 độ C, mực nước biển trung bình có thể dâng trên 1m. Các hiện tượng khí hậu cực đoan và các hậu quả kéo theo như nước biển dâng, xói lở bờ biển, xâm nhập mặn, bão, áp thấp nhiệt đới, mưa lớn gây lũ, hạn hán, nắng nóng, rét đậm,… sẽ diễn biến ngày càng khắc nghiệt và phức tạp hơn. Các đồng bằng châu thổ và vùng ven biển có thể bị ngập phần lớn diện tích. Nghệ An nằm trong khu vực thời tiết khắc nghiệt và gánh chịu nhiều thiên tai. Nguy cơ thiên tai do tác động của BĐKH đã ảnh hưởng đến môi trường và ảnh hưởng trực tiếp đến các hoạt động kinh tế - xã hội. Với chiều dài bờ biển khá dài (khoảng 82 km), Nghệ An có kinh tế biển ngày càng phát triển và đóng góp ngày càng lớn vào ngân sách. Tuy nhiên trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, Nghệ An đã phải đối đầu với nhiều khó khăn thách thức do thiên tai gây ra, trong đó hiện tượng xâm nhập mặn đã gây ra nhiều thiệt hại về kinh tế - xã hội cho các khu vực hạ lưu ven biển, đặc biệt trong bối cảnh BĐKH hiện nay. Các huyện ven biển tỉnh Nghệ An thời gian gần đây đang bị nước biển xâm lấn đến mức báo động. Nhiều xã nằm cách bờ biển từ 5 đến 10km, đã và đang bị nước mặn tấn công. Một số vùng dân cư ven biển ở Quỳnh Lưu, Diễn Châu chưa có đê bao sẽ đối mặt với việc biển xâm lấn dẫn đến mất đất và nhà [13]. Theo các kịch bản được công bố về BDKH và nước biển dâng, các vùng đất lúa có diện tích hàng ngàn ha tại Nghi Lộc gồm xã Nghi Thuận, Nghi Vạn, Nghi Lộc; Diễn Châu có các xã Diễn Hạnh, Diễn Hoa, Quỳnh Lưu có xã Quỳnh Diễn, Quỳnh Hưng sẽ bị nước biển xâm thực nếu không có giải pháp ứng phó kịp thời với BĐKH, vào mùa khô tại các vùng này. Nguyên nhân chủ yếu là do lượng nước ngọt trong nội đồng 1
thường bị cạn kiệt, các cửa sông trên (trừ sông Cấm có cống Nghi Quang) đổ ra biển vẫn chưa có hệ thống cống để ngăn giữ, điều hoà nước nên khi thuỷ triều lên thì nước biển vào sâu. Ngược lại, ngay cả khi mùa mưa bão, tuy lượng nước ngọt lớn nhưng vẫn tồn tại nguy cơ nước biển dâng cao, xâm lấn vào sâu trong đất liền vì vào mùa mưa thì cống Nghi Quang hay cống Diễn Thành, Diễn Thuỷ (sông Bùng, Diễn Châu) đều phải mở để thoát nước và đây là cơ hội để nước biển xâm thực (mưa bão nước biển thường dâng cao hơn bình thường). Trước nguy cơ như trên, việc nghiên cứu hiện tượng xâm nhập mặn do BĐKH khu hạ lưu ven biển tỉnh Nghệ An là rất cấp thiết, các thông tin, kết quả thu được trong nghiên cứu có thể sử dụng như các căn cứ khoa học để đề ra các phương án ứng phó để giảm thiểu thiệt hại do các hiện tượng trên gây ra trong tình hình BĐKH hiện nay. 2. Mục tiêu Mục tiêu chính của nghiên cứu này là Tính toán dự báo được sự biến động của độ mặn trong khu vực hạ lưu sông Cả, tỉnh Nghệ An, dưới các tác động của Biến đổi khí hậu. Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu như sau - Thu thập thông tin, xây dựng tổng quan về các nghiên cứu xâm nhập mặn trong khu vực - Thu thập số liệu, nghiên cứu áp dụng mô hình thủy văn, thủy lực và chất lượng nước (bộ mô hình Mike 11) mô phỏng và dự báo kết quả xâm nhập mặn với các kịch bản khác nhau của Biến đổi khí hậu - Đề xuất các giải pháp thích ứng, quy hoạch, phòng chống xâm nhập mặn cho khu vực nghiên cứu. 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung vào đối tượng và phạm vi nghiên cứu như sau: Đối tượng nghiên cứu là sự xâm nhập mặn từ nước biển vào môi trường nước mặt. Các thành phần được xem xét đến trong nghiên cứu bao gồm: Chế độ mưa, chế độ thủy văn của sông, triều, độ mặn. Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 (tính toán thủy lực 1 chiều) và mô hình khuyếch tán để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn khu vực nghiên cứu. Giới hạn phạm vị nghiên cứu trong vùng hạ lưu lưu vực sông Cả, Nghệ An Mô hình thủy lực cho sông Cả giới hạn biên trên từ trạm Yên Thượng về đến Cửa Hội với 2 nhánh sông Ngàn Phố và Ngàn Sâu. Các số liệu được sử dụng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: số liệu lưu lượng ngày năm 2000, 2010 và 2014. Số liệu mực nước giờ năm 2000, 2010 và 2014. Tuy nhiên số liệu đo mặn rời rạc, không liên tục tại trạm Bến Thủy. Đối với chỉ tiêu độ mặn, thông số đo đạc bị giới hạn, không liên tục, số liệu thực đo chỉ có vài ngày trong tháng, không đồng bộ, số liệu tại của biển sử dụng là hằng số. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận văn học viên đã áp dụng các phương pháp kế thừa, phương pháp thống kê và phương pháp mô hình toán. 3
5. Nội dung luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chương: - Chương I: Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn trong nước mặt, giới thiệumột số mô hình toán mô phỏng quá trình xâm nhập mặn, đồng thời giới thiệu sơ lược về khu vực nghiên cứu và một số công trình nghiên cứu trước đây về xâm nhập mặn. - Chương II: Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11, công thức và các bước tính toán thủy văn, thủy lực và chất lượng nước. - Chương III: Ứng dụng mô hình, mô phỏng xâm nhập mặn tại khu vực nghiên cứu dưới các kịch bản khác nhau của Biến đổi khí hậu. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn 1.1.1. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngoài Trong thời gian 50 năm qua, đặc biệt là trong khoảng 10 năm gần đây, tác động của Biến đổi khí hậu trở nên rõ rệt tại Việt Nam. Được đánh giá là một trong những nước chịu nhiều ảnh hưởng nhất của Biến đổi khí hậu, Việt Nam đã nhận thức và tiến hành rất nhiều các nghiên cứu, hoạt động cụ thể để ứng phó với Biến đổi khí hậu [18]. Tác động của Biến đổi khí hậu tới hạ lưu và cửa sông bao gồm sự gia tăng hiện tượng ngập lụt khu vực hạ lưu do nước biển dâng, giảm diện tích các khu đất ngập nước và đẩy mạnh quá trình xâm nhập mặn. Tuy nhiên, theo báo cáo của Ngân hàng thế giới năm 2009[29] thì tác động của Biến đổi khí hậu đến xâm nhập mặn chưa được quan tâm đúng mức. Hầu hết các nghiên cứu về Biến đổi khí hậu tập trung vào các vấn đề về ngập lụt do nước biển dâng mà chưa xét đến các vấn đề ô nhiễm mặn. Chính vì vậy, trước các vấn đề về nước biển dâng đang diễn ra với tốc độ rất nhanh trên thế giới, đã đặt ra bài toán về phân tích, đánh giá, mô phỏng và dự đoán tác động của Biến đổi khí hậu tới xâm nhập mặn. Xâm nhập mặn - yếu tố quan trọng trong quản lý chất lượng nước vùng cửa sông và ven biển là một quá trình phức tạp liên quan đến thủy động lực học và vận chuyển chất trong sông. Trên thực tế, sự tương tác giữa nước ngọt và nước biển diễn ra dưới sự tác động của lưu lượng dòng chảy trong sông, thủy triều, gió; các nhân tố này ảnh hưởng đến khả năng xáo trộn pha loãng của nước sông với nước biển [20]. Rõ ràng ba yếu tố kể trên và yếu tố địa hình của từng khu vực cửa sông dao dộng theo từng địa điểm khác nhau, do đó sự xâm nhập mặn tại các lưu vực sông cũng mang nhiều tính chất đặc trưng khác nhau. Mô hình hóa chất lượng nước nói chung và mô phỏng các quá trình xâm nhập mặn nói riêng đã được quan tâm với nhiều nghiên cứu đã được công bố. Các nghiên cứu sử dụng các mô hình hộp đen như mạng trí tuệ thần kinh nhân tạo hay 5
các mô hình thủy lực kết hợp với mô dun tính toán lan truyền và vận chuyển chất [19]. Một số nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu cũng đã được công bố trong vài năm gần đây như sử dụng mô hình Mike 21 để tiến hành đánh giá tác động của Biến đổi khí hậu đến độ mặn trên sông Mê Kông. Conard và các cộng sự đã công bố các nghiên cứu sử dụng mô hình trí tuệ nhân tạo để dự báo biến động độ mặn do Biến đổi khí hậu gây ra trên vùng cửa sông Savannah [21]. Hiện tượng xâm nhập triều, mặn là quy luật tự nhiên ở các khu vực, lãnh thổ có vùng cửa sông giáp biển. Do tính chất quan trọng của hiện tượng xâm nhập mặn có liên quan đến hoạt động kinh tế - xã hội của nhiều quốc gia nên vấn đề tính toán và nghiên cứu đã được đặt ra từ lâu. Mục tiêu chủ yếu của công tác nghiên cứu là nắm được quy luật của quá trình này để phục vụ các hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng vùng cửa sông như ở các nước như Mỹ, Nga, Hà Lan, Nhật, Trung Quốc, Thái Lan... Các phương pháp cơ bản được thực hiện bao gồm: thực nghiệm (dựa trên số liệu quan trắc) và mô phỏng quá trình bằng các mô hình toán. Việc mô phỏng quá trình dòng chảy trong sông ngòi bằng mô hình toán được bắt đầu từ khi Saint - Vennant công bố hệ phương trình mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong hệ thống kênh hở một chiều nổi tiếng mang tên ông. Chính nhờ sức mạnh của hệ phương trình Saint - Venant nên khi kỹ thuật tính sai phân và công cụ máy tính điện tử đáp ứng được thì việc mô phỏng dòng chảy sông ngòi là công cụ rất quan trọng để nghiên cứu, xây dựng quy hoạch khai thác tài nguyên nước, thiết kế các công trình cải tạo, dự báo và vận hành hệ thống thuỷ lợi. Mọi dự án phát triển tài nguyên nước trên thế giới hiện nay đều coi mô hình toán dòng chảy là một nội dung tính toán không thể thiếu. Tiếp theo đó, việc mô phỏng dòng chảy bằng các phương trình thuỷ động lực đã tạo tiền đề giải bài toán truyền mặn khi kết hợp với phương trình khuyếch tán. Cùng với phương trình bảo toàn và phương trình động lực của dòng chảy, còn có phương trình khuyếch tán chất hoà tan trong dòng chảy cũng có thể cho phép - tuy ở 6
mức độ kém tinh tế - mô phỏng cả sự diễn biến của vật chất hoà tan và trôi theo dòng chảy như nước mặn xâm nhập vào vùng cửa sông, chất chua phèn lan truyền từ đất ra mạng lưới kênh sông và các loại chất thải sinh hoạt và công nghiệp xả vào dòng nước... Cụ thể hơn, vấn đề tính toán và nghiên cứu mặn bằng mô hình đã được nhiều nhà nghiên cứu ở các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Anh quan tâm từ khoảng 40- 50 năm trở lại đây. Các phương pháp tính toán xâm nhập mặn đầu tiên thường sử dụng bài toán một chiều khi kết hợp với hệ phương trình Saint - Venant. Những mô hình mặn 1 chiều đã được xây dựng do nhiều tác giả trong đó có Ippen và Harleman [26]. Giả thiết cơ bản của các mô hình này là các đặc trưng dòng chảy và mật độ là đồng nhất trên mặt cắt ngang. Mặc dù điều này khó gặp trong thực tế nhưng kết quả áp dụng mô hình lại có sự phù hợp khá tốt, đáp ứng được nhiều mục đích nghiên cứu và tính toán mặn. Ưu thế đặc biệt của các mô hình loại một chiều là yêu cầu tài liệu vừa phải và nhiều tài liệu đã có sẵn trong thực tế. Năm 1971, Prichard đã dẫn xuất hệ phương trình 3 chiều để diễn toán quá trình xâm nhập mặn nhưng nhiều thông số không xác định được [28]. Hơn nữa mô hình 3 chiều yêu cầu lượng tính toán lớn, yêu cầu số liệu quá chi tiết trong khi kiểm nghiệm nó cũng cần có những số liệu đo đạc chi tiết tương ứng. Vì vậy các nhà nghiên cứu buộc phải giải quyết bằng cách trung bình hoá theo 2 chiều hoặc 1 chiều. Sanker và Fischer, Masch và Leendertee [27] đã xây dựng các mô hình 2 chiều và 1 chiều trong đó mô hình 1 chiều có nhiều ưu thế trong việc giải các bài toán phục vụ yêu cầu thực tế tốt hơn. Các nhà khoa học cũng thống nhất nhận định rằng, các mô hình 1 chiều thường hữu hiệu hơn các mô hình sông đơn và mô hình hai chiều. Chúng có thể áp dụng cho các vùng cửa sông có địa hình phức tạp gồm nhiều sông, kênh nối với nhau với cấu trúc bất kỳ. Một số mô hình mặn thông dụng trên thế giới có thể thống kê sau đây:: 7
a. Mô hình động lực cửa sông FWQA [14] Mô hình FWQA thường được đề cập đến trong các tài liệu là mô hình ORLOB theo tên gọi của Tiến sỹ Geral T. Orlob. Mô hình đã được áp dụng trong nhiều vấn đề tính toán thực tế. Mô hình giải hệ phương trình Saint - Venant kết hợp với phương trình khuếch tán và có xét đến ảnh hưởng của thuỷ triều thay vì bỏ qua như trong mô hình không có thuỷ triều. Mô hình được áp dụng đầu tiên cho đồng bằng Sacramento - San Josquin, Califorlia. b. Mô hình thời gian thuỷ triều của Lee và Harleman và của Thatcher và Harleman [14] Lee và Harleman và sau được Thatcher và Harleman cải tiến đã đề ra một cách tiếp cận khác, xây dựng lời giải sai phân hữu hạn đối phương trình bảo toàn mặn trong sông đơn. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng để giải phương trình phân tán là sơ đồ ẩn 6 điểm. Mô hình cho kết quả tốt trong việc dự báo trạng thái phân phối mặn tức thời cả trên mô hình vật lý cũng như trong sông thực tế. c. Mô hình MIKE 11 [14] Là mô hình trong bộ mô hình Mike thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng. Đây là mô hình thuỷ lực và chất lượng nước một chiều (trường hợp riêng là xâm nhập mặn) có độ tin cậy cao, thích ứng với các bài toán thực tế khác nhau. Mô hình này đã được áp dụng phổ biến trên thế giới để tính toán, dự báo lũ, chất lượng nước và xâm nhập mặn trong sông. d. Mô hình ISIS (Anh) [14] Mô hình do các nhà thuỷ lực Anh xây dựng, thuộc lớp mô hình thuỷ lực một chiều kết hợp giải bài toán chất lượng nước và có nhiều thuận lợi trong khai thác. Mô hình cũng được nhiều nước sử dụng để tính toán xâm nhập mặn. e. Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) [14] 8
Mô hình được cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (USEPA) phát triển từ năm 1980. Là mô hình tổng hợp dùng để tính toán thuỷ lực kết hợp với tính toán lan truyền chất 1, 2, 3 chiều. Mô hình có khả năng dự báo các quá trình dòng chảy, quá trình sinh, địa hoá và lan truyền mặn. 1.1.2. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn trong nước 1.1.2.1. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn ở Việt Nam Việc nghiên cứu, tính toán xâm nhập mặn ở Việt Nam đã được quan tâm từ những năm 60 khi bắt đầu tiến hành quan trắc độ mặn ở hai vùng đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long. Tuy nhiên, đối với đồng bằng sông Cửu Long do đặc điểm địa hình (không có đê bao) và mức độ ảnh hưởng có tính quyết định đến sản xuất nông nghiệp ở vựa lúa quan trọng nhất toàn quốc nên việc nghiên cứu xâm nhập mặn ở đây được chú ý nhiều hơn, đặc biệt là thời kỳ sau năm 1976. Khởi đầu là các công trình nghiên cứu, tính toán của Uỷ hội sông Mê Kông [9] về xác định ranh giới xâm nhập mặn theo phương pháp thống kê trong hệ thống kênh rạch thuộc 9 vùng cửa sông thuộc đồng bằng sông Cửu Long. Các kết quả tính toán từ chuỗi số liệu thực đo đã lập nên bản đồ đẳng trị mặn với hai chỉ tiêu cơ bản 1 ‰ và 4 ‰ cho toàn khu vực đồng bằng trong các tháng từ tháng XII đến tháng IV. Tiếp theo, nhiều báo cáo dưới các hình thức công bố khác nhau đã xây dựng các bản đồ xâm nhập mặn từ số liệu cập nhật và xem xét nhiều khía cạnh tác động ảnh hưởng các nhân tố địa hình, KTTV và tác động các hoạt động kinh tế đến xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Cửu Long [7]. Việc đẩy nhanh công tác nghiên cứu xâm nhập mặn ở nước ta được đánh dấu vào năm 1980 khi bắt đầu triển khai dự án nghiên cứu xâm nhập mặn đồng bằng sông Cửu Long dưới sự tài trợ của Ban Thư ký Uỷ ban sông Mê Kông. Trong khuôn khổ dự án này, một số mô hình tính xâm nhập triều, mặn đã được xây dựng như của Ban Thư ký Mê Kông và một số cơ quan trong nước như Viện Quy hoạch và Quản lý nước, Viện Cơ học... Các mô hình này đã được ứng dụng vào việc 9
nghiên cứu quy hoạch phát triển châu thổ sông Cửu Long, tính toán hiệu quả các công trình chống xâm nhập mặn ven biển để tăng vụ và mở rộng diện tích nông nghiệp trong mùa khô, dự báo xâm nhập mặn dọc sông Cổ Chiên [9]. Kỹ thuật chương trình của mô hình trên đã được phát triển thành một phần mềm hoàn chỉnh để cài đặt trong máy tính như một phần mềm chuyên dụng. Mô hình đã đựợc áp dụng thử nghiệm tốt tại Hà Lan và đã được triển khai áp dụng cho đồng bằng sông Cửu Long nước ta. Thêm vào đó, một số nhà khoa học Việt Nam điển hình là cố Giáo sư Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên, Nguyễn Tất Đắc, Nguyễn Văn Điệp, Nguyễn Minh Sơn, Trần Văn Phúc, Nguyễn Hữu Nhân... đã xây dựng thành công các mô hình thuỷ lực mạng sông kết hợp tính toán xâm nhập triều mặn như VRSAP, MEKSAL, FWQ87, SAL, SALMOD, HYDROGIS... Các báo cáo trên chủ yếu tập trung xây dựng thuật toán tính toán quá trình xâm nhập mặn thích hợp với điều kiện địa hình, KTTV ở đồng bằng sông Cửu Long [7,8,10]. Kết quả được nhìn nhận khả quan và bước đầu một số mô hình đã thử nghiệm ứng dụng dự báo xâm nhập mặn. Trong khuôn khổ Chương trình Bảo vệ Môi trường và Phòng tránh thiên tai, KC - 08, Lê Sâm [5] đã có các nghiên cứu tương đối toàn diện về tác động ảnh hưởng của xâm nhập mặn đến quy hoạch sử dụng đất cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Tác giả đã sử dụng các mô hình: SAL (Nguyễn Tất Đắc), VRSAP (Nguyễn Như Khuê), KOD (Nguyễn Ân Niên) và HydroGis (Nguyễn Hữu Nhân) để dự báo xâm nhập mặn cho một số sông chính theo các thời đoạn dài hạn (6 tháng), ngắn hạn (nửa tháng) và cập nhật (ngày). Kết quả của đề tài góp phần quy hoạch sử dụng đất vùng ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long và các lợi ích khác về kinh tế - xã hội. Nhìn chung, các công trình nghiên cứu trên đây của các nhà khoa học trong nước đã có đóng góp xứng đáng về mặt khoa học, đặt nền móng cho vấn đề nghiên cứu mặn bằng phương pháp mô hình toán ở nước ta. Do sự phát triển rất nhanh của công nghệ tính toán thuỷ văn, thuỷ lực, hiện trên thế giới xuất hiện nhiều mô hình 10
đa chức năng trong đó các mô đun tính sự lan truyền chất ô nhiễm và xâm nhập mặn là thành phần không thể thiếu. Trong số đó, nhiều mô hình được mua, chuyển giao dưới nhiều hình thức vào Việt Nam. Một số mô hình tiêu biểu: ISIS (Anh), MIKE 11(Đan Mạch), HEC-RAS (Mỹ)... đều có các mođun tính toán lan truyền xâm nhập mặn nhưng chưa được sử dụng hoặc mới chỉ sử dụng ở mức thử nghiệm. Như đã biết, lý thuyết và thực tiễn ứng dụng mô hình hoá quá trình xâm nhập mặn đã được phát triển rất nhanh trong khoảng 30 năm trở lại đây cả trên thế giới và Việt Nam. Về nguyên tắc với sự phát triển vượt bậc của công nghệ tin học cùng với sự xuất hiện các máy tính có tốc độ xử lý thông tin nhanh, bộ nhớ lớn, việc áp dụng các mô hình vào tính toán diễn biến quá trình xâm nhập mặn ngày càng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu, đề tài. 1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn lưu vực sông Cả Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam đã thực hiện Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng dòng chảy kiệt phục vụ sản xuất nông nghiệp, thủy sản vùng hạ du sông Cả và sông Mã” do PGS.TS. Nguyễn Quang Trung – Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường làm chủ nhiệm [13]. Mục tiêu của Đề tài là đánh giá được biến động và tác động dòng chảy kiệt ảnh hưởng tới sản xuất nông nghiệp, thuỷ sản vùng hạ du sông Cả và sông Mã; đề tài đã đề xuất được các giải pháp thủy lợi để hạn chế các ảnh hưởng bất lợi của chế độ dòng chảy mùa kiệt phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, thuỷ sản. Một trong những kết quả Đề tài đạt được là đã đánh giá hiện trạng và nguyên nhân hạn hán và xâm nhập mặn tại vùng hạ lưu sông Cả và sông Mã, những tác động của hạn hán đến sản xuất nông nghệp, thủy sản và đời sống kinh tế xã hội trong vùng; Đánh giá biến động của chế độ dòng chảy mùa kiệt và những tác động của biến động dòng chảy kiệt đến cấp nước, tình trạng hạn hán và xâm nhập mặn hạ lưu sông Cả và sông Mã. 11
Một trong những Dự án nghiên cứu gần đây có nội dung liên quan đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến xâm nhập mặn sông Cả là dự án Climate Change- Induced Water Disaster and Participatory Information System for Vulnerability Reduction in North Central Vietnam – DANIDA Project do GS.TS Phan Văn Tân chủ trì [11]. Trong nghiên cứu này, xâm nhập mặn ở hạ lưu lưu vực sông Cả được mô phỏng cho những kịch bản khác nhau của mực nước biển dâng bằng mô hình MIKE 11. Mô hình được xây dựng dựa trên cở sỡ dữ liệu của năm 2010 được chọn làm kịch bản gốc để so sánh với 2 kịch bản nước biển dâng vào năm 2050 và 2100 theo kịch bản phát thải cao (A2) do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố. Kết quả mô phỏng đưa ra bản đồ xâm nhập mặn vùng hạ lưu lưu vực sông Lam vào tháng IV năm 2010 cho thấy tại khu vực xã Hưng Nhân, Hưng Nguyên, Nghệ An thì độ mặn trên sông khoảng 1 - 3 phần nghìn , còn tại khu vực xã Yên Hồ, huyện Đức Thọ, Hà Tĩnh thì độ mặn giảm xuống còn 1 - 2 phần nghìn. Tuy nhiên, nếu trong điều kiện cực đoan (lưu lượng dòng chảy từ thượng lưu chảy về giảm, kết hợp với triều cường dâng cao) thì độ mặn trên sông Cả sẽ xâm nhập sâu vào lên 1 - 3 phần nghìn tại khu vực Ngã Ba Chợ Tràng. Bản đồ xâm nhập mặn vùng hạ lưu lưu vực sông Cả theo kịch bản nước biển dâng đến năm 2050 sẽ tăng thêm 25cm cho thấy tại khu vực xã Hưng Nhân, Hưng Nguyên, Nghệ An thì độ mặn trên sông khoảng 3 - 5 phần nghìn , còn tại khu vực xã Yên Hồ, huyện Đức Thọ, Hà Tĩnh thì độ mặn giảm xuống còn 1 - 3 phần nghìn và trong điều kiện cực đoan thì độ mặn trên sông Cả sẽ xâm nhập sâu vào lên 3 - 5 phần nghìn tại khu vực Ngã Ba Chợ Tràng. Bản đồ xâm nhập mặn vùng hạ lưu lưu vực sông Lam theo kịch bản nước biển dâng đến năm 2100 sẽ tăng thêm 60cm, tại khu vực xã Hưng Nhân, Hưng Nguyên, Nghệ An thì độ mặn trên sông khoảng 8 - 10 phần nghìn , còn tại khu vực xã Yên Hồ, huyện Đức Thọ, Hà Tĩnh thì độ mặn giảm xuống còn 3 - 5 phần nghìn. và trong điều kiện cực đoan thì độ mặn trên sông Cả sẽ xâm nhập sâu vào lên 8 - 10 phần nghìn tại khu vực Ngã ba Chợ Tràng. 12