Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Mã, với diện tích khoảng 28.400 km², trong đó 62% thuộc lãnh thổ Việt Nam, là một trong những lưu vực sông lớn và quan trọng của Bắc Trung Bộ. Vùng hạ lưu sông Mã, đặc biệt tại tỉnh Thanh Hóa, có tổng diện tích tự nhiên khoảng 367.000 ha và dân số khoảng 2 triệu người, đóng vai trò trung tâm kinh tế - xã hội với các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và du lịch phát triển. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, vùng hạ lưu sông Mã phải đối mặt với hiện tượng xâm nhập mặn gia tăng, đặc biệt trong mùa kiệt khi lưu lượng nước ngọt từ thượng nguồn giảm mạnh. Độ mặn đo được tại nhiều trạm trên sông Mã, sông Lach Trường và sông Lên đã vượt ngưỡng 4‰, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng cây trồng và hoạt động sản xuất nông nghiệp.

Trên lưu vực hiện có gần 80 hồ chứa với tổng dung tích khoảng 2.590 triệu m³, trong đó ba hồ chứa lớn Trung Sơn, Cửa Đạt và Hủa Na chiếm tới 87% tổng dung tích. Các công trình này có vai trò điều tiết lũ, cung cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp và phát điện, đồng thời ảnh hưởng lớn đến dòng chảy và quá trình xâm nhập mặn tại hạ lưu. Nghiên cứu nhằm đánh giá vai trò của các công trình hồ chứa trong việc kiểm soát xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã, từ đó đề xuất các giải pháp vận hành hồ chứa và quản lý tài nguyên nước hiệu quả, góp phần giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn đến phát triển kinh tế - xã hội khu vực.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn trên dòng chính sông Mã theo các kịch bản hiện trạng và phát triển đến năm 2030, đồng thời đề xuất các giải pháp thích ứng trong vận hành các công trình hồ chứa nhằm phòng chống xâm nhập mặn hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng hạ lưu lưu vực sông Mã, với dữ liệu thu thập từ các trạm quan trắc thủy văn, khí tượng và môi trường trong giai đoạn 2003-2012. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quy hoạch, quản lý tổng hợp tài nguyên nước và phát triển bền vững vùng hạ lưu sông Mã.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn, thủy lực kết hợp với mô hình truyền chất để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn trong hệ thống sông ngòi phức tạp. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết thủy động lực học: Dựa trên hệ phương trình Saint-Venant mô tả dòng chảy không ổn định trong kênh hở một chiều, đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng. Lý thuyết này giúp mô phỏng dòng chảy, mực nước và vận tốc dòng chảy trên lưu vực sông Mã.

  2. Lý thuyết truyền và khuếch tán chất hòa tan: Áp dụng phương trình truyền chất (Advection-Dispersion) để mô phỏng sự lan truyền và phân bố độ mặn trong dòng chảy, kết hợp với các yếu tố thủy triều và vận hành hồ chứa.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: xâm nhập mặn, lưu lượng kiệt, biên độ thủy triều, mô hình thủy lực một chiều, mô hình truyền chất, hồ chứa đa mục tiêu, và kịch bản vận hành hồ chứa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu quan trắc mực nước, lưu lượng, độ mặn, khí tượng thủy văn từ các trạm trên lưu vực sông Mã trong giai đoạn 2003-2012, cùng với các thông tin về công trình hồ chứa và quy hoạch phát triển đến năm 2030.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Phương pháp thống kê và phân tích dữ liệu: Thu thập, tổng hợp và phân tích số liệu thực tế về dòng chảy, độ mặn, khí tượng thủy văn để đánh giá hiện trạng và xu hướng xâm nhập mặn.

  • Phương pháp khảo sát thực tế: Điều tra hiện trạng các công trình thủy lợi, hồ chứa và tác động đến dòng chảy, xâm nhập mặn tại vùng hạ lưu.

  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Ứng dụng mô hình MIKE 11 với các mô đun thủy lực (HD) và truyền chất (AD) để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn theo các kịch bản vận hành hồ chứa hiện trạng và phát triển đến năm 2030. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên số liệu thực đo tại các trạm quan trắc.

  • Phương pháp kế thừa và tổng hợp: Áp dụng các kết quả nghiên cứu trước đây về mô hình hóa xâm nhập mặn và vận hành hồ chứa trên các lưu vực sông khác tại Việt Nam, kết hợp với dữ liệu thực tế để nâng cao độ chính xác và tính khả thi của mô hình.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2018, với cỡ mẫu dữ liệu quan trắc tại hơn 10 trạm thủy văn và môi trường, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao cho kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Diễn biến xâm nhập mặn hiện trạng: Mô hình MIKE 11 mô phỏng cho thấy, trong điều kiện hiện trạng, độ mặn tại các vị trí hạ lưu sông Mã có thể vượt ngưỡng 4‰ trong mùa kiệt, với độ mặn lớn nhất đạt 6,1‰ tại Giảng Cách (cách cửa sông 24 km), 9,45‰ tại Cầu Tào trên sông Lach Trường và 7,1‰ tại Cụ Thôn trên sông Lên. Độ mặn vượt ngưỡng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh trưởng cây trồng và hoạt động tưới tiêu.

  2. Ảnh hưởng của các công trình hồ chứa: Ba hồ chứa lớn Trung Sơn, Cửa Đạt và Hủa Na với tổng dung tích gần 2.245 triệu m³ chiếm 87% tổng dung tích hồ chứa toàn lưu vực, có vai trò quan trọng trong điều tiết dòng chảy và bổ sung nước mùa kiệt. Mô phỏng các kịch bản vận hành hồ chứa cho thấy việc điều tiết hợp lý có thể giảm sâu độ xâm nhập mặn từ 10-15% so với kịch bản không vận hành hồ chứa.

  3. Dự báo xâm nhập mặn đến năm 2030: Theo kịch bản phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu, mô hình dự báo độ mặn tại hạ lưu sông Mã sẽ tăng lên, với ranh giới mặn 1‰ và 4‰ tiến sâu hơn vào nội địa từ 5-8 km so với hiện trạng. Việc vận hành hồ chứa theo các kịch bản đề xuất có thể hạn chế mức độ xâm nhập mặn, giảm thiểu tác động tiêu cực đến sản xuất và sinh hoạt.

  4. Tác động của biến đổi khí hậu và thủy triều: Biến đổi khí hậu làm tăng mực nước biển và thay đổi chế độ thủy triều, góp phần làm gia tăng xâm nhập mặn. Mô hình cho thấy biên độ thủy triều tại các cửa sông dao động từ 1,5 đến 3 m, ảnh hưởng lớn đến sự phân bố độ mặn trong mùa kiệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của xâm nhập mặn sâu là do lưu lượng nước ngọt từ thượng nguồn giảm trong mùa kiệt, kết hợp với tác động của thủy triều và biến đổi khí hậu. Các công trình hồ chứa, mặc dù có tác dụng điều tiết dòng chảy và bổ sung nước mùa kiệt, nhưng nếu vận hành không hợp lý có thể làm giảm lưu lượng dòng chảy, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn.

So sánh với các nghiên cứu tại đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng, mô hình một chiều MIKE 11 được đánh giá phù hợp và hiệu quả trong việc mô phỏng xâm nhập mặn tại lưu vực sông Mã với địa hình phức tạp và hệ thống sông kênh đa dạng. Việc mô phỏng kết hợp thủy lực và truyền chất giúp dự báo chính xác hơn diễn biến độ mặn theo thời gian và không gian.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ diễn biến độ mặn theo thời gian tại các trạm quan trắc, bản đồ ranh giới xâm nhập mặn 1‰ và 4‰ theo các kịch bản vận hành hồ chứa, giúp các nhà quản lý dễ dàng đánh giá và ra quyết định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận hành hồ chứa: Áp dụng các kịch bản vận hành hồ chứa linh hoạt, ưu tiên bổ sung nước vào mùa kiệt để duy trì lưu lượng dòng chảy tối thiểu, giảm sâu xâm nhập mặn. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn quy hoạch và vận hành hiện tại. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ chứa và cơ quan quy hoạch thủy lợi.

  2. Xây dựng công trình ngăn mặn tại cửa sông: Đề xuất xây dựng các công trình cống ngăn mặn kết hợp với hệ thống kênh dẫn để kiểm soát độ mặn xâm nhập vào nội đồng, bảo vệ nguồn nước tưới tiêu và sinh hoạt. Thời gian thực hiện: 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng.

  3. Tăng cường quan trắc và cảnh báo xâm nhập mặn: Phát triển hệ thống quan trắc tự động, kết hợp mô hình dự báo xâm nhập mặn để cảnh báo sớm, hỗ trợ quản lý và vận hành hồ chứa hiệu quả. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Khí tượng Thủy văn, Viện Quy hoạch Thủy lợi.

  4. Quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Mã: Xây dựng kế hoạch quản lý tổng hợp, phối hợp giữa các địa phương và ngành liên quan nhằm cân bằng lợi ích sử dụng nước, bảo vệ môi trường sinh thái và phát triển bền vững. Thời gian thực hiện: dài hạn. Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, UBND các tỉnh liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi: Nhận diện tác động của hồ chứa đến xâm nhập mặn, từ đó xây dựng chính sách vận hành và quy hoạch phù hợp nhằm bảo vệ nguồn nước và phát triển kinh tế vùng hạ lưu.

  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn, thủy lực: Áp dụng mô hình MIKE 11 và phương pháp mô phỏng xâm nhập mặn để nghiên cứu các lưu vực sông khác, phát triển các giải pháp kỹ thuật và quản lý tài nguyên nước.

  3. Các đơn vị vận hành hồ chứa và công trình thủy lợi: Hiểu rõ vai trò và ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy và xâm nhập mặn, từ đó điều chỉnh vận hành hồ chứa hiệu quả, giảm thiểu tác động tiêu cực.

  4. Người dân và doanh nghiệp vùng hạ lưu sông Mã: Nắm bắt thông tin về diễn biến xâm nhập mặn, các giải pháp phòng chống và thích ứng, bảo vệ sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và sinh hoạt hàng ngày.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xâm nhập mặn là gì và tại sao nó lại ảnh hưởng đến lưu vực sông Mã?
    Xâm nhập mặn là hiện tượng nước biển mặn xâm nhập vào vùng cửa sông khi lưu lượng nước ngọt giảm, đặc biệt trong mùa kiệt. Ở lưu vực sông Mã, hiện tượng này ảnh hưởng đến nguồn nước tưới tiêu, sinh hoạt và môi trường sinh thái, gây thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp.

  2. Mô hình MIKE 11 được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    MIKE 11 là mô hình thủy lực một chiều kết hợp mô đun truyền chất được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và quá trình lan truyền độ mặn trên lưu vực sông Mã. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên số liệu thực tế, giúp dự báo xâm nhập mặn theo các kịch bản vận hành hồ chứa.

  3. Các công trình hồ chứa có vai trò gì trong việc kiểm soát xâm nhập mặn?
    Hồ chứa điều tiết dòng chảy, bổ sung nước mùa kiệt, giúp duy trì lưu lượng nước ngọt tại hạ lưu, từ đó hạn chế xâm nhập mặn. Tuy nhiên, nếu vận hành không hợp lý, hồ chứa có thể làm giảm dòng chảy và làm sâu thêm xâm nhập mặn.

  4. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng như thế nào đến xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã?
    Biến đổi khí hậu làm tăng mực nước biển và thay đổi chế độ thủy triều, làm gia tăng xâm nhập mặn vào nội địa. Ngoài ra, biến đổi khí hậu còn ảnh hưởng đến lượng mưa và dòng chảy, làm giảm nguồn nước ngọt từ thượng nguồn.

  5. Giải pháp nào được đề xuất để giảm thiểu xâm nhập mặn hiệu quả?
    Các giải pháp bao gồm tối ưu hóa vận hành hồ chứa, xây dựng công trình ngăn mặn, tăng cường hệ thống quan trắc và cảnh báo, cùng với quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Mã nhằm cân bằng lợi ích sử dụng nước và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Lưu vực sông Mã đang đối mặt với hiện tượng xâm nhập mặn gia tăng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt vùng hạ lưu.
  • Các công trình hồ chứa lớn có vai trò quan trọng trong điều tiết dòng chảy và kiểm soát xâm nhập mặn, nhưng cần vận hành hợp lý để phát huy hiệu quả.
  • Mô hình MIKE 11 là công cụ hiệu quả trong mô phỏng và dự báo quá trình xâm nhập mặn, hỗ trợ xây dựng các kịch bản vận hành và giải pháp thích ứng.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý tổng hợp nhằm giảm thiểu tác động xâm nhập mặn, bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững lưu vực sông Mã.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực hiện các giải pháp vận hành hồ chứa, xây dựng công trình ngăn mặn, phát triển hệ thống quan trắc và hoàn thiện chính sách quản lý tài nguyên nước.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững lưu vực sông Mã!