Tổng quan nghiên cứu

Trong mùa khô lịch sử 2015–2016, hiện tượng xâm nhập mặn đã tấn công 9 trên 14 tỉnh ven biển thuộc Đồng bằng sông Cửu Long, gây thiệt hại kinh tế ước tính vượt mức 5.500 tỷ đồng và phá hủy hơn 160.000 ha đất canh tác nông nghiệp. Bến Tre là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nặng nề nhất do đặc thù địa lý được bao bọc bởi ba cù lao lớn gồm cù lao An Hóa, cù lao Bảo và cù lao Minh với tổng diện tích tự nhiên 2.360 km² cùng 65 km bờ biển tiếp giáp Biển Đông. Hơn 90% diện tích toàn tỉnh có cao độ địa hình thấp, chỉ dao động từ 0,5 đến 2,0 m so với mực nước biển trung bình, khiến hệ thống sông Tiền, sông Ba Lai, sông Hàm Luông và sông Cổ Chiên dễ dàng bị triều cường đẩy mặn vào sâu trong nội đồng.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là đánh giá diễn biến không gian, thời gian của quá trình lan truyền mặn dưới tác động kép của biến đổi khí hậu và suy giảm dòng chảy thượng nguồn. Mục tiêu cụ thể bao gồm việc thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực MIKE 11, mô phỏng quá trình truyền mặn theo các kịch bản nồng độ phát thải khí nhà kính RCP 4.5, RCP 6.0 và RCP 8.5 đến các mốc thời gian 2030 và 2040. Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát toàn bộ mạng lưới sông chính và hệ thống kênh rạch nội đồng trên địa bàn 8 huyện và 1 thành phố thuộc tỉnh Bến Tre, sử dụng chuỗi số liệu quan trắc thực đo giai đoạn 1996–2019 và phân tích chuyên sâu các đợt hạn mặn cực đoan năm 2016, 2020.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc cung cấp bức tranh định lượng chi tiết về ranh mặn 1‰ và 4‰, tạo cơ sở dữ liệu hỗ trợ công tác quy hoạch thủy lợi, điều tiết cống đập ngăn mặn và bảo vệ trực tiếp hơn 72.450 ha vườn dừa cùng 27.850 ha cây ăn trái giá trị cao của địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy lực dòng chảy không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở và lý thuyết truyền tải khuếch tán chất tan bảo toàn trong môi trường nước mặt. Về mặt động lực học, quá trình chuyển động của khối nước được mô tả qua hệ phương trình vi phân phi tuyến Saint-Venant gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. Quá trình xâm nhập mặn được giải thích qua cơ chế nêm mặn và sự xáo trộn thủy triều, trong đó nước biển có tỷ trọng lớn hơn di chuyển ngược dòng dưới đáy sông khi lưu lượng nước ngọt thượng nguồn đổ về suy giảm. Bên cạnh đó, khung đánh giá rủi ro khí hậu áp dụng hệ thống kịch bản phát thải cập nhật từ Báo cáo Đánh giá của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) và Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm:

  • Xâm nhập mặn: Sự dịch chuyển của khối nước mặn từ biển vào tầng nước ngọt sông ngòi khi xuất hiện triều cường hoặc thiếu hụt dòng chảy ngọt.
  • Ngưỡng mặn 4‰: Giới hạn nồng độ muối tối đa mà phần lớn các giống lúa nước và cây ăn trái chịu đựng được trước khi bị tổn thương mô bào hoặc chết khô.
  • Kịch bản RCP (Representative Concentration Pathways): Quỹ đạo nồng độ khí nhà kính xác định mức độ gia tăng bức xạ nhiệt vào năm 2100.
  • Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott-Ionescu: Giải thuật số học giúp giải hệ phương trình Saint-Venant với độ ổn định cao trên mạng lưới sông ngòi phân nhánh phức tạp.
  • Phương pháp phân tích phân rã mode thực nghiệm (EMD): Kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến nhằm tách chuỗi dao động khí hậu gốc thành các hàm mode nội tại (IMFs) để trích xuất xu thế biến đổi dài hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô hình được thu thập đồng bộ từ Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Bộ và Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh Bến Tre. Chuỗi số liệu bao gồm mực nước và lưu lượng tại các trạm biên thượng lưu sông Tiền (lưu lượng mùa kiệt trung bình 1.598 m³/s) và sông Hậu, mực nước triều bán nhật triều không đều tại các trạm biên biển (biên độ triều dao động từ 2,5 đến 3,5 m), cùng số liệu mặn thực đo tại 6 trạm quan trắc trọng điểm gồm Bình Đại, Bến Trại, An Thuận, Hương Mỹ, Sơn Đốc và Mỹ Hóa trong giai đoạn từ năm 1996 đến năm 2019.

Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn phục vụ mô hình bao gồm hàng chục nghìn điểm đo mực nước và độ mặn theo chu kỳ 12 đến 24 lần mỗi ngày trong suốt các tháng mùa khô từ tháng 2 đến tháng 7 hàng năm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng để lấy dữ liệu tại các vị trí mặt cắt ngang đặc trưng trên 4 nhánh sông chính, đảm bảo phản ánh đầy đủ đặc tính hình học lòng dẫn và điều kiện biên. Luận văn lựa chọn mô hình MIKE 11 (gồm hai mô-đun MIKE 11 HD và MIKE 11 AD) do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển làm công cụ phân tích cốt lõi vì khả năng mô phỏng vượt trội mạng lưới kênh rạch chằng chịt có dòng chảy hai chiều đảo chiều liên tục theo pha triều. Mô hình đạt độ tin cậy rất cao sau quá trình hiệu chỉnh và kiểm định với hệ số tương quan giữa độ mặn tính toán và thực đo tại các trạm kiểm chứng đều đạt trên 0,85. Timeline thực hiện nghiên cứu được triển khai tập trung từ tháng 2 năm 2022 đến tháng 7 năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích chuỗi dữ liệu thực đo lịch sử 1996–2019 cho thấy xu thế độ mặn cực đại hàng năm tại hầu hết các trạm đo ở Bến Tre đều gia tăng rõ rệt, cụ thể trạm An Thuận tăng bình quân 0,0862‰/năm, trạm Hương Mỹ tăng 0,1587‰/năm và trạm Bình Đại tăng 0,0863‰/năm. Trong đợt hạn mặn lịch sử năm 2016, đỉnh mặn ghi nhận tại trạm An Thuận trên sông Hàm Luông đạt 31,5‰, trạm Bến Trại trên sông Cổ Chiên đạt 29,3‰ và trạm Bình Đại trên sông Tiền đạt 27,2‰. Ranh mặn 4‰ đã lấn sâu từ 50 đến 57 km tính từ cửa sông, bao phủ hơn 66,7% tổng diện tích tự nhiên của tỉnh Bến Tre trong tháng 4 năm 2016.

Thứ hai, mùa khô 2019–2020 chứng kiến diễn biến mặn gay gắt chưa từng có khi nước mặn xuất hiện sớm hơn trung bình nhiều năm khoảng 2 tháng (từ giữa tháng 11 năm 2019). Ranh mặn 1‰ bao phủ 100% diện tích toàn tỉnh. Ranh mặn 4‰ trên sông Hàm Luông xâm nhập sâu tới 86 km (tăng 29 km so với năm 2016), trên sông Cửa Đại đạt 85 km và sông Cổ Chiên đạt 68 km. Toàn bộ 5.279 ha lúa vụ Đông Xuân gieo sạ tại Bến Tre bị thiệt hại hoàn toàn (giảm 58,70% diện tích sản xuất), 168 ha rau màu bị giảm năng suất gây tổn thất 22,7 tỷ đồng, và 9.277 ha cây ăn quả bị suy giảm sản lượng nghiêm trọng với 274 ha chết khô.

Thứ ba, kết quả mô phỏng theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5 chỉ ra rằng đến giai đoạn 2030, độ mặn cực đại tại các trạm kiểm chứng sẽ tăng thêm từ 0,50‰ đến 2,60‰ so với mùa khô gốc 2016. Đến giai đoạn 2040, mức tăng độ mặn dao động từ 1,00‰ đến 3,00‰. Dưới tác động của nước biển dâng kết hợp với triều cường, ranh mặn 4‰ sẽ xuất hiện trên toàn bộ hệ thống kênh rạch chính của Bến Tre, khiến nguồn nước ngọt tự nhiên trên sông Hàm Luông và sông Tiền gần như bị triệt tiêu hoàn toàn vào các tháng 3 và tháng 4.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng xâm nhập mặn ngày càng sâu tại Bến Tre bắt nguồn từ sự suy giảm mạnh lưu lượng xả từ thượng nguồn lưu vực sông Mekong trong mùa khô (chỉ còn khoảng 52% tổng lượng phân bổ cho nhánh sông Tiền), kết hợp với chế độ bán nhật triều không đều có biên độ triều lớn (2,5–3,5 m) đẩy khối nước mặn hình nêm đi sâu vào nội đồng. Thêm vào đó, địa hình Bến Tre có tới 46,01% diện tích nằm ở độ cao 0,75–1,00 m và tốc độ bốc hơi mùa khô lên tới 6 mm/ngày đêm làm trầm trọng thêm mức độ thiếu hụt nguồn nước mặt.

So sánh với các nghiên cứu thủy lực vùng hạ lưu sông Mekong của các tác giả trong nước và quốc tế, kết quả của luận văn hoàn toàn tương đồng về quy luật gia tăng chiều dài xâm nhập mặn khi mực nước biển dâng từ 0,5 đến 1,0 m. Điểm nổi bật của công trình là mô tả chi tiết sự bất đối xứng mặn trên mặt cắt ngang sông: tốc độ dòng chảy lớn ở giữa dòng nhưng độ mặn lại tích tụ cao hơn ở khu vực sát bờ và tăng dần theo độ sâu lòng dẫn. Các diễn biến phức tạp này được trực quan hóa rõ nét thông qua hệ thống bảng so sánh chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất theo tháng và đồ thị đường biểu diễn dao động pha triều - độ mặn đồng thời tại các trạm Bình Đại, An Thuận và Bến Trại, giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện thời điểm đỉnh mặn xuất hiện chậm hơn đỉnh triều từ 1 đến 2 giờ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng thủy lực và dự báo lan truyền mặn, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp thích ứng chiến lược có tính khả thi cao:

  1. Vận hành tối ưu hóa quy trình đóng mở hệ thống cống ngăn triều và cống đập Ba Lai: Thiết lập quy trình đóng cống chủ động khi độ mặn ngoài sông vượt quá 1,0‰ và mở cống lấy nước ngọt khi triều rút có độ mặn dưới 0,5‰, nhằm duy trì an toàn nguồn nước ngọt tưới tiêu cho 72.450 ha dừa và hơn 27.850 ha vườn chuyên canh sầu riêng, chôm chôm, bưởi da xanh. Lộ trình thực hiện: Giai đoạn 2023–2026. Chủ thể phụ trách: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Bến Tre phối hợp cùng Công ty TNHH Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi Bến Tre.
  2. Xây dựng hồ chứa nước ngọt thô phân tán và nạo vét đồng bộ mạng lưới thủy lợi: Triển khai thi công 3–5 cụm hồ chứa nước ngọt nội đồng với tổng dung tích thiết kế đạt từ 1,5 đến 3,0 triệu m³ tại các huyện ven biển Ba Tri, Bình Đại, Thạnh Phú; kết hợp nạo vét định kỳ 60 tuyến sông, kênh trục chính nhằm tăng dung tích trữ nước ngọt trước mùa kiệt. Lộ trình thực hiện: Giai đoạn 2024–2028. Chủ thể phụ trách: Ủy ban Nhân dân tỉnh Bến Tre và Sở Xây dựng.
  3. Chuyển đổi cơ cấu giống cây trồng và nhân rộng các mô hình sinh kế thích ứng mặn: Mở rộng diện tích canh tác luân canh mô hình Tôm – Lúa (mục tiêu đạt 10.000–15.000 ha tại các vùng nước lợ), mô hình Tôm – Dừa và Lúa – Rau màu chất lượng cao; chuyển giao các giống lúa thuần nông hộ có khả năng chống chịu độ mặn từ 3‰ đến 5‰. Lộ trình thực hiện: Giai đoạn 2024–2030. Chủ thể phụ trách: Trung tâm Khuyến nông Bến Tre và các Hợp tác xã nông nghiệp địa phương.
  4. Hiện đại hóa mạng lưới trạm quan trắc tự động và hệ thống cảnh báo sớm: Lắp đặt bổ sung 12 trạm cảm biến đo độ mặn tự động truyền dữ liệu theo thời gian thực (SCADA/HydroGIS) tại các nhánh sông Cổ Chiên, Hàm Luông, Cửa Đại; cung cấp bản tin dự báo mặn trước 7–15 ngày qua ứng dụng di động cho nông dân, giúp giảm thiểu 80% rủi ro bơm nhầm nước mặn vào đồng ruộng. Lộ trình thực hiện: Giai đoạn 2023–2025. Chủ thể phụ trách: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bến Tre.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách (Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường, Ủy ban Nhân dân các cấp): Cung cấp luận cứ khoa học định lượng và các kịch bản số liệu mặn chi tiết theo mốc 2030–2040 để phê duyệt quy hoạch tài nguyên nước, xây dựng kế hoạch chuyển đổi cơ cấu kinh tế nông nghiệp và phân bổ ngân sách đầu tư công trình thủy lợi phòng chống thiên tai.
  2. Kỹ sư thủy lợi, cán bộ vận hành trạm bơm và hệ thống cống điều tiết: Sử dụng bộ thông số thủy lực hiệu chỉnh, đường đặc tính truyền mặn và quy luật lệch pha giữa đỉnh triều và đỉnh mặn (1–2 giờ) để xây dựng sổ tay vận hành đóng mở cống chính xác, ngăn chặn nước mặn xâm nhập vào kênh nội đồng trong các kỳ triều cường.
  3. Giảng viên, nhà khoa học, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Tài nguyên Nước và Biến đổi Khí hậu: Kế thừa khung phương pháp luận kết hợp mô hình số trị Saint-Venant 1D, sơ đồ sai phân Abbott-Ionescu và phương pháp xử lý xu thế phi tuyến EMD để phát triển các đề tài nghiên cứu mở rộng cho các vùng cửa sông châu thổ ven biển lân cận.
  4. Doanh nghiệp nông nghiệp, hợp tác xã và các hộ canh tác nông - thủy sản tại Bến Tre: Nắm bắt bức tranh dự báo xâm nhập mặn theo từng tháng mùa khô để chủ động bố trí lịch thời vụ gieo cấy, ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt tiết kiệm nước và chuyển dịch sang các mô hình kinh tế nông nghiệp thích ứng như Tôm – Lúa hay Tôm – Dừa nhằm bảo vệ sinh kế gia đình.

Câu hỏi thường gặp

Ngưỡng độ mặn nào bắt đầu gây tổn hại nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp tại Bến Tre? Ngưỡng mặn 1‰ bắt đầu gây ức chế sinh trưởng ở cây lúa và làm suy giảm chất lượng nước sinh hoạt nông thôn, trong khi ngưỡng mặn 4‰ gây thiệt hại nặng nề đến hầu hết các loại cây ăn trái nhạy cảm như sầu riêng, chôm chôm, bưởi. Minh chứng thực tế vào mùa khô năm 2016, khi ranh mặn 4‰ bao phủ hơn 66,7% diện tích tỉnh, hơn 5.279 ha lúa Đông Xuân đã mất trắng và 9.277 ha cây ăn trái bị sụt giảm năng suất nghiêm trọng.

Tại sao mô hình MIKE 11 được lựa chọn làm công cụ mô phỏng chính trong luận văn? Mô hình MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển sở hữu thuật toán sai phân ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu, cho phép giải tối ưu hệ phương trình Saint-Venant trên mạng lưới sông ngòi phân nhánh chằng chịt có dòng chảy đảo chiều phức tạp. Mô hình đạt độ chính xác cao với hệ số tương quan giữa dữ liệu tính toán và thực đo tại các trạm An Thuận, Bình Đại đạt trên 0,85, đảm bảo độ tin cậy vững chắc cho các kịch bản dự báo RCP 4.5.

Theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5, độ mặn tại Bến Tre vào năm 2030 và 2040 sẽ gia tăng ra sao? Dưới tác động của kịch bản phát thải trung bình RCP 4.5 kết hợp nước biển dâng, kết quả tính toán chỉ ra rằng độ mặn tại các trạm chính ở Bến Tre sẽ tăng thêm từ 0,50‰ đến 2,60‰ vào năm 2030 và tăng từ 1,00‰ đến 3,00‰ vào năm 2040 so với mùa khô gốc năm 2016. Ranh mặn 4‰ sẽ xuất hiện trên hầu hết các tuyến kênh rạch nội đồng trong thời kỳ đỉnh triều tháng 3 và tháng 4.

Tuyến sông nào tại tỉnh Bến Tre ghi nhận chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất và nguyên nhân do đâu? Sông Ba Lai có chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất do lưu lượng dòng chảy tự nhiên từ thượng nguồn suy giảm mạnh sau khi xây dựng cống đập Ba Lai làm lòng sông bị bồi lắng thu hẹp. Xét trên các sông thông tự nhiên ra biển, sông Hàm Luông và sông Cửa Đại ghi nhận ranh mặn 4‰ xâm nhập sâu kỷ lục tới 85–86 km vào mùa khô 2019–2020 do lòng sông rộng, sâu và chịu tác động trực tiếp của sóng triều Biển Đông.

Mô hình sinh kế nào được chứng minh có khả năng thích ứng mặn hiệu quả và bền vững nhất? Mô hình canh tác luân canh Tôm – Lúa và Tôm – Dừa mang lại hiệu quả thích ứng cao nhất nhờ cơ chế tận dụng linh hoạt nguồn nước theo mùa. Nông dân duy trì trồng lúa hoặc thu hoạch dừa ngọt trong mùa mưa khi độ mặn dưới 1‰, và chủ động chuyển sang lấy nước mặn nuôi tôm nước lợ trong mùa khô khi độ mặn vượt ngưỡng 4‰, vừa tối ưu hóa thu nhập vừa giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Kết luận

  • Hiện trạng xâm nhập mặn tại Bến Tre đang diễn biến ngày càng phức tạp, ghi nhận đỉnh mặn cực đại 31,5‰ tại trạm An Thuận năm 2016 và ranh mặn 4‰ lấn sâu 86 km trên sông Hàm Luông năm 2020.
  • Ứng dụng thành công mô hình MIKE 11 chứng minh rằng theo kịch bản RCP 4.5, độ mặn tại Bến Tre sẽ tăng thêm 0,50–2,60‰ vào năm 2030 và 1,00–3,00‰ vào năm 2040 so với năm 2016.
  • Bộ giải pháp thích ứng đồng bộ kết hợp công trình kiểm soát mặn (vận hành cống đập Ba Lai, xây dựng hồ trữ nước ngọt 1,5–3,0 triệu m³) và phi công trình (mô hình sinh kế Tôm – Lúa, trạm quan trắc tự động) đóng vai trò quyết định để bảo vệ sản xuất.
  • Đóng góp khoa học cốt lõi của luận văn là thiết lập hệ thống cơ sở dữ liệu số trị thủy lực - độ mặn độ phân giải cao, hỗ trợ trực tiếp công tác quy hoạch tài nguyên nước và quản lý môi trường tỉnh Bến Tre giai đoạn 2025–2035.
  • Kêu gọi các cấp chính quyền, nhà khoa học và cộng đồng người dân khẩn trương phối hợp hành động, chuyển đổi linh hoạt mô hình sản xuất thích ứng mặn trước năm 2025 nhằm đảm bảo phát triển kinh tế bền vững cho hơn 1,3 triệu người dân Bến Tre.