CHƯƠNG I TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÙNG CỬA SÔNG TÂY NAM VIỆT NAM 1.1 Nghiên cứu trong và ngoài nước về thủy động lực học và môi trường vùng cửa sông Môi trường cửa sông là vùng nước lợ nơi các dòng sông đổ ra biển, tùy vào từng đặc điểm tự nhiên mà các nhà khoa học đã phân loại các vùng cửa sông theo các tiêu chí khác nhau. Việc nghiên cứu môi trường cửa sông được tiến hành bằng nhiều phương pháp khác nhau như quan trắc, thống kê và phương pháp số,. trong đó phương pháp số, nhờ sự phát triển của ngành khoa học máy tính, đã được tập trung nghiên cứu. Do tính chất đặc biệt của vùng cửa sông nên ngoài nghiên cứu mặt thủy động lực học thì các yếu tố môi trường cũng được quan tâm nhằm hạn chế tác động xấu, tăng cường khả năng khai thác thủy hải sản và môi trường bền vững.
Việt Nam có hệ thống 392 sông lớn đổ ra biển qua 114 cửa sông, lạch kéo dài từ Bắc tới Nam nên cứ trung bình 23km lại có một cửa sông. Ở các vùng cửa sông ven biển, các hoạt động kinh tế, du lịch,. diễn ra rất sôi động. Tuy nhiên các quá trình thủy động lực và môi trường lại diễn ra ở đây rất phức tạp, phụ thuộc vào chế độ thủy văn lưu vực sông và chế độ hải văn biển.
Ảnh hưởng của sông được thể hiện qua chế độ dòng nước và bùn cát, ảnh hưởng của biển được thể hiện qua sự dao động của mực nước (thủy triều và nước dâng do gió, bão) gây dồn ứ nước sông, tạo thành dòng chảy ngược vào sông trong mùa kiệt và kéo theo quá trình truyền mặn vào sâu trong sông. Đặc trưng của vùng cửa sông còn là sự biến động rất lớn về độ mặn, mùa kiệt mặn xâm nhập vào sông sâu hơn; khi triều lên độ mặn cũng cao hơn khi triều rút hay nói cách khác sự biến động của độ mặn phụ thuộc vào mùa trong năm, pha triều và hình dạng cửa sông, lòng sông.1 Ngoài nước Trên thế giới, nghiên cứu thủy động lực học đã có nhiều thành tựu và được phân theo các hướng như bán kinh nghiệm, thực nghiệm, mô hình,. Các mô hình thủy động lực được đặt cơ sở trên việc sơ đồ hóa một hay nhiều chiều. Trong lĩnh vực mô hình hóa, ngay từ những năm 1930, các nhà khoa học đã cố gắng tìm hiểu mối quan hệ giữa yếu tố vật chất trong quá trình chuyển động đã thành 5 công với những nghiên cứu của Bagnold và sau đó được phát triển bởi Einstein.
Một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên liên quan đến mô hình vận chuyển vật chất trong chất lỏng được Eistein và Chien xây dựng năm 1955. Đối với khu vực cửa sông bị ảnh hưởng triều, các nghiên cứu liên quan đến quá trình vận chuyển vật chất bằng mô hình một chiều có thể kể đến như De Vires cùng cộng sự hay Smith và Kirby. Theo một hướng khác, nhiều mô hình thương mại mô phỏng thủy động lực học môi trường trên cơ sở kết hợp giữa mô hình thủy động lực và mô hình vận chuyển và khuếch tán vật chất đã được xây dựng. Các mô hình một chiều hiện nay thường dùng bao gồm: SOBEK, DUFLOW, ISIS, MIKE11, MOUSE và HYDROWORKS.
Các mô hình hai chiều như MIKE21, CE-QUAL-W2, WAQUA và DUCHESS, TELEMAC, TIDEWAY và các mô hình ba chiều đang được sử dụng hiện nay là Delft3D, MIKE3 và TRIWAQ. Có thể điểm qua một số tính năng mô hình thủy động lực học sau: Mô hình DELFT3D do viện nghiên cứu thủy lực WL | Delft Hydraulics của Hà Lan phát triển, là một hệ thống thống nhất mô hình hai hay ba chiều, mô hình hóa các vấn đề về dòng chảy, vận chuyển bùn cát, lan truyền sóng, diễn biến hình thái, chất lượng nước và sinh thái trong sông, cửa sông, vùng ven biển, thềm lục địa và Đại dương. Mô hình MIKE3D là một hệ thống mô hình số trị phi thủy tĩnh tổng quát được phát triển bởi DHI (Viện Thủy lực Đan Mạch) với một loạt các ứng dụng cho Đại dương, vùng ven biển, cửa sông và hồ. Nó cũng mô phỏng được dòng ba chiều không đều và đưa vào các biến thiên mật độ, địa hình đáy, và các ngoại lực tác động như khí tượng, biến động mực nước (dao động của thủy triều), dòng chảy và các điều kiện thủy văn khác.
Ngoài ứng dụng cho Đại dương, MIKE (MIKE11) còn là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác (dự báo lũ, vận hành hồ chứa, mô phỏng kiểm soát lũ, nghiên cứu sóng triều và dòng chảy do mưa ở sông và cửa sông) Mô hình NAM là một hệ thống mô hình hóa hoàn lưu Đại dương ba chiều mô tả các trường vận tốc, dao động bề mặt tự do, độ mặn và nhiệt độ trong Đại dương. Mô hình bao gồm chương trình tạo lưới và cách đóng kín có tính đến sóng vỡ bề mặt, các chương trình xử lý số liệu cho phép áp dụng Nam trong dự báo. 6 Mô hình BHS được thiết kế cho biển Bắc và Bắc Baltic, được xây dựng và phát triển bởi Viện Khí tượng và Thủy văn Thụy Điển chủ yếu để dự báo mực nước (bao gồm cả cảnh báo nước dâng do bão). Mô hình HAMSOM là mô hình hoàn lưu đại dương 3 chiều xây dựng bởi Institute fur Meereskunde (Hamburg) và Clima Marítimo, để mô phỏng các quá trình động lực của đại dương và các vùng biển thềm lục địa ven bờ, tính toán dòng triều, gió áp suất khí quyển, thông lượng nhiệt và sự nghiêng áp trong đại dương.
Mô hình ESCOMO dựa trên cơ sở của HAMSOM, được phát triển tại Viện Địa Vật lý đại học Bergen Nauy. Nó được phát triển hơn nữa từ mô hình thủy động lực học HAMSOM và modun sinh học thành mô hình thủy động lực học – băng – sinh học 3 chiều (mô hình thủy động lực học và sinh thái). Mô hình IMR dựa trên phương trình nguyên thủy 3 chiều, phụ thuộc vào thời gian, gió và sự truyền mật độ của Blumberg, Mellor và O’Connor. Đây là mô hình cặp đôi giữa vật lý, hóa học và hệ sinh học sử dụng để nghiên cứu các tính chất hóa lý cơ bản của độ phân tán các phần tử hạt (ô nhiễm).
Mô hình UCL/ULG là mô hình phát triển bởi đại học Liege Bỉ, áp dụng cho các vùng biển có quy mô trung bình, mô tả thủy động lực học các thềm lục địa quy mô thời gian theo mùa, dự đoán chính xác dao động mực nước biển, dòng triều, nghiên cứu ô nhiễm, động lực học của chất dinh dưỡng. Mô hình POM được Blumberg và Mellor [28] xây dựng cho cửa sông, ven Đại dương và Đại dương cho kết quả tốt về dòng chảy, mực nước và xâm nhập mặn vào cửa sông. Mô hình ROMS là mô hình mang tính cộng đồng được sử dụng với nhiều qui mô không gian và thời gian khác nhau: từ dải ven bờ đến các Đại dương, từ vài ngày, vài tháng tới hàng chục năm. Ngoài ra còn kể đến các cách tiếp cận, các ứng dụng cũng như phát triển mô hình của các tác giả như: Arakawa, A.
Lamb (1997) [26], Beckers, JM (1991) [27], Dahlmann, G and Muller – Navarra, S (1997) [29], Deleersnijder, E, Norro, A and Wolanski, E (1992) [30], … Một số dự án nghiên cứu về vùng cửa sông như: Russian River Estuary Management Project; Sonoma County Water Agency USA; Thames Estuary 2100 – 7 The UK Environment Agency; các hội thảo Cửa sông Quốc tế tại Nhật Bản được tổ chức thường niên từ năm 1994 cũng đã mở rộng ra các nước khác như Hàn Quốc, Indonesia, Việt Nam;… Tình trạng biến đổi khí hậu, sự nóng lên của Trái Đất, nước biển dâng đang đặt ra các bài toán mới cho vùng cửa sông nên vào tháng 06/2010 Quỹ Bảo tồn thiên nhiên thế giới đã ra mắt Liên minh các vùng cửa sông thế giới (WEA) nhằm nghiên cứu một trong những hệ sinh thái quan trọng nhất của thế giới.2 Trong nước Một số công trình nghiên cứu của các tác giả trong nước khác nhau, đã thực hiện cho các vùng nghiên cứu cụ thể như Biển Đông, vùng ven biển, vùng cửa sông, trong vịnh và trong sông. Các mô hình đã được xây dựng và áp dụng trên các vùng sông biển Việt Nam có thể kể đến như: SOGREAH, MASTER MODEL, MEKSAL, VRSAP, SAL, KODI, HYDROGIS, DELTA, TSIM2001,. Điểm qua một số tác giả với mô hình thủy động lực học trong nước sau: Đinh Văn Ưu [25] sử dụng và phát triển mô hình GHER (Geohydrodynamics and Environment Research Laboratory) tính toán cấu trúc dòng chảy và sự biến thiên trường nhiệt – mối theo mùa của khu vực biển Đông với mạng lưới hai lớp, bảy tầng sigma cho lớp trên và mười tầng cho lớp nước sâu và phát triển mô hình (3D) thủy nhiệt động lực học nước nông ven bờ cho vùng Quảng Ninh. Ngoài ra, Đinh Văn Ưu và cộng sự còn nghiên cứu các đặc trưng rối lớp biên sóng – dòng sát đáy vùng biển ven bờ, cũng như sự biến động mùa nhiều năm của trường nhiệt độ mặt nước biển và sự hoạt động của bão tại khu vực biển Đông.
Dương Hồng Sơn [22] áp dụng và phát triển mô hình ROMS cho vùng biển 1 Đông trong hệ tọa độ trực giao và sơ đồ Mellor – Yamada bậc 2 ⁄2 để tính kích thước rối. Hệ thống dòng chảy được xem như là tổng của hai thành phần đồng áp và nghiêng áp. Nguyễn Thọ Sáo [21] sử dụng mô hình Delft 3D để dự báo nước dâng do bão ven biển Việt Nam. Tác giả sử dụng kết quả dự báo các trường khí tượng, áp suất khí quyển và vận tốc gió từ mô hình khí tượng RAMS, nhằm xây dựng một quy trình dự báo liên hoàn, nhanh chóng và hiệu quả, phục vụ cho phòng chống và giảm nhẹ thiên tai.
Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng đồng thời hai phương 8 pháp nghiên cứu là sử dụng công thức bán thực nghiệm và sử dụng mô hình toán (RAMS, DELFT3D) để nghiên cứu áp dụng cho miền nghiên cứ có kinh độ từ 99 - 1210 E, 1 - 250 N, cho kết quả khả quan. Lê Trọng Đào [5] tự xây dựng chương trình để tính toán nước dâng do bão theo phương pháp phần tử hữu hạn, ngoài ra tác giả còn chỉ ra các thuật toán biến đổi ma trận nhằm rút gọn thời gian tính toán.