Tổng quan nghiên cứu

Vùng hạ lưu sông Mã, thuộc tỉnh Thanh Hóa, là khu vực có diện tích tự nhiên khoảng 267.000 ha với dân số khoảng 3 triệu người, đóng vai trò trung tâm kinh tế - xã hội quan trọng của tỉnh. Tuy nhiên, trong bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu, vùng này đang phải đối mặt với hiện tượng xâm nhập mặn ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt trong mùa kiệt khi dòng chảy suy giảm. Theo ước tính, trong 50 năm qua, nhiệt độ trung bình tại Việt Nam đã tăng khoảng 0,7°C và mực nước biển dâng khoảng 20 cm, dự báo đến năm 2100, nhiệt độ có thể tăng thêm 3°C và mực nước biển dâng lên tới 1 m. Những biến động này làm gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn sâu vào nội địa, ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước ngọt phục vụ sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp, thủy sản.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiện trạng xâm nhập mặn và thiệt hại do mặn gây ra tại vùng hạ lưu sông Mã, đồng thời mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu mới nhất để đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các huyện giáp ranh giữa ba cửa sông Mã, Lạch Trường và Lèn, gồm TP Sầm Sơn, Nga Sơn, Hà Trung, Hậu Lộc và Hoằng Hóa. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng cơ sở khoa học cho quản lý và khai thác tài nguyên nước vùng cửa sông một cách hợp lý, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

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 hiện đại để nghiên cứu quá trình xâm nhập mặn. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Hệ phương trình Saint-Venant: Đây là hệ phương trình thủy động lực học một chiều mô tả dòng chảy không ổn định trong lòng sông, bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. Hệ phương trình này là cơ sở để mô phỏng lưu lượng và mực nước trong hệ thống sông.

  2. Phương trình khuếch tán chất hòa tan (phương trình tải - khuếch tán): Mô tả quá trình vận chuyển và phân tán độ mặn trong dòng chảy, bao gồm vận chuyển đối lưu và khuếch tán theo gradient nồng độ.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: xâm nhập mặn (hiện tượng nước mặn xâm nhập vào vùng nước ngọt), mực nước biển dâng, dòng chảy kiệt, mô hình thủy lực một chiều, hệ số nhám, hệ số khuếch tán, và kịch bản biến đổi khí hậu RCP.

Mô hình MIKE 11 được lựa chọn làm công cụ chính để mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn. Đây là phần mềm kỹ thuật chuyên dụng của Viện Thủy lực Đan Mạch, có khả năng mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát trong hệ thống sông và cửa sông. MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun như mô đun thủy động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), và mô đun sinh thái (Ecolab), cho phép mô phỏng chi tiết các hiện tượng thủy văn và thủy lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thủy văn, khí tượng, địa hình và độ mặn thu thập từ các trạm quan trắc trên lưu vực sông Mã, đặc biệt là các trạm Giàng, Cự Đà, Phà Thắm, Lạch Sung và các trạm thủy văn khác. Dữ liệu được thu thập trong các năm từ 1999 đến 2012, với các số liệu mưa, dòng chảy, mực nước và độ mặn được xử lý và hiệu chỉnh kỹ lưỡng.

Phương pháp phân tích chính là mô hình toán thủy văn - thủy lực MIKE 11, được hiệu chỉnh và kiểm định bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo tại các trạm kiểm tra. Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn và độ mặn được lựa chọn phù hợp với các giai đoạn mùa kiệt và mùa lũ để đảm bảo tính đại diện. Phương pháp chọn mẫu là chọn các trạm đại diện cho vùng hạ lưu sông Mã và các phụ lưu chính.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến 2018, bao gồm các bước: thu thập và xử lý số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, mô phỏng các kịch bản biến đổi khí hậu, và đề xuất giải pháp giảm thiểu xâm nhập mặn.

Ngoài ra, phương pháp chuyên gia được áp dụng thông qua trao đổi, học tập và xin ý kiến góp ý từ các nhà khoa học, chuyên gia trong lĩnh vực thủy văn và biến đổi khí hậu nhằm hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng xâm nhập mặn tại vùng hạ lưu sông Mã: Độ mặn 4‰ đã xâm nhập sâu tới 28 km trên dòng chính sông Mã, 22 km trên sông Lèn, và toàn tuyến sông Lạch Trường trong mùa kiệt năm 2010. So với năm 2009, chiều dài xâm nhập mặn tăng từ 23 km lên 28 km trên sông Mã, cho thấy xu hướng xâm nhập mặn ngày càng sâu hơn.

  2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng: Mô phỏng theo các kịch bản biến đổi khí hậu RCP cho thấy mực nước biển dâng có thể làm tăng chiều dài xâm nhập mặn thêm từ 10% đến 30% tùy theo kịch bản. Ví dụ, theo kịch bản RCP8.5, chiều dài xâm nhập mặn có thể tăng lên tới 35 km trên sông Mã vào mùa kiệt.

  3. Tác động của dòng chảy kiệt và hồ chứa thượng nguồn: Dòng chảy kiệt giảm làm mặn xâm nhập sâu hơn vào nội địa. Các hồ chứa lớn như Trung Sơn, Cửa Đạt và Hủa Na với tổng dung tích gần 2.245 triệu m³ đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết dòng chảy, giảm thiểu xâm nhập mặn. Tuy nhiên, việc vận hành hồ chứa chưa tối ưu có thể làm gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn.

  4. Hiệu quả mô hình MIKE 11: Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với hệ số Nash đạt trên 0,8 tại các trạm kiểm tra, sai số độ mặn tính toán so với thực đo dưới 10%, chứng tỏ mô hình có độ tin cậy cao trong mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn vùng hạ lưu sông Mã.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc xâm nhập mặn sâu hơn là do sự suy giảm dòng chảy mùa kiệt kết hợp với mực nước biển dâng và biến đổi khí hậu làm thay đổi chế độ thủy văn vùng cửa sông. So với các nghiên cứu trước đây tại đồng bằng sông Cửu Long và sông Hồng, kết quả mô phỏng tại sông Mã cũng cho thấy xu hướng tương tự về sự gia tăng xâm nhập mặn do tác động của BĐKH.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến độ mặn theo thời gian và không gian tại các trạm quan trắc, bảng so sánh chiều dài xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu, và bản đồ phân bố độ mặn vùng hạ lưu sông Mã. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo đến quá trình xâm nhập mặn.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để quản lý tài nguyên nước hiệu quả, giúp các nhà quản lý và chính quyền địa phương có thể dự báo, ứng phó kịp thời với tình trạng xâm nhập mặn, từ đó giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt dân cư.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận hành hồ chứa thượng nguồn: Điều chỉnh lưu lượng xả hồ Trung Sơn, Cửa Đạt và Hủa Na vào mùa kiệt để duy trì dòng chảy tối thiểu khoảng 40 m³/s, nhằm hạn chế xâm nhập mặn sâu vào nội địa. Chủ thể thực hiện là Ban quản lý hồ chứa phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường, thực hiện trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Xây dựng hệ thống đê bao và cống ngăn mặn tại các cửa sông: Thiết kế và thi công các công trình thủy lợi nhằm ngăn chặn nước mặn xâm nhập vào vùng sản xuất nông nghiệp, đặc biệt tại các huyện Nga Sơn, Hà Trung và Hậu Lộc. Thời gian thực hiện dự kiến 3-5 năm, do chính quyền địa phương và Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn chủ trì.

  3. Phát triển mô hình cảnh báo sớm xâm nhập mặn: Ứng dụng mô hình MIKE 11 kết hợp dữ liệu quan trắc thời gian thực để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm cho người dân và các cơ quan quản lý. Thời gian triển khai trong 1 năm, do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia phối hợp với các viện nghiên cứu.

  4. Tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình tập huấn, hướng dẫn kỹ thuật lấy nước, sử dụng nước hợp lý trong mùa kiệt, giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn đến sản xuất và sinh hoạt. Chủ thể là các tổ chức chính quyền địa phương và các tổ chức phi chính phủ, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô hình để quản lý, điều tiết dòng chảy và kiểm soát xâm nhập mặn hiệu quả, phục vụ công tác quy hoạch và vận hành hồ chứa.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành thủy văn, biến đổi khí hậu: Tài liệu tham khảo chi tiết về ứng dụng mô hình MIKE 11 trong nghiên cứu xâm nhập mặn, phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, cũng như các kịch bản biến đổi khí hậu.

  3. Chính quyền địa phương vùng hạ lưu sông Mã: Giúp hiểu rõ diễn biến xâm nhập mặn và các giải pháp giảm thiểu tác động, từ đó xây dựng chính sách phát triển kinh tế - xã hội bền vững phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu.

  4. Người dân và doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực nông nghiệp, thủy sản: Cung cấp thông tin về xu hướng xâm nhập mặn và các biện pháp ứng phó, giúp điều chỉnh kế hoạch sản xuất, bảo vệ nguồn nước và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xâm nhập mặn là gì và tại sao nó lại nghiêm trọng ở vùng hạ lưu sông Mã?
    Xâm nhập mặn là hiện tượng nước biển mặn xâm nhập vào vùng nước ngọt trong sông do sự suy giảm dòng chảy và mực nước biển dâng. Ở vùng hạ lưu sông Mã, hiện tượng này nghiêm trọng do mùa kiệt kéo dài, dòng chảy giảm mạnh, ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

  2. Mô hình MIKE 11 có ưu điểm gì trong nghiên cứu xâm nhập mặn?
    MIKE 11 là mô hình thủy lực một chiều có khả năng mô phỏng chi tiết lưu lượng, mực nước và vận chuyển chất hòa tan như độ mặn. Mô hình này dễ sử dụng, hiệu chỉnh chính xác và phù hợp với hệ thống sông phức tạp như sông Mã.

  3. Các kịch bản biến đổi khí hậu được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng các kịch bản RCP (Representative Concentration Pathways) như RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 và RCP8.5 để mô phỏng các mức độ biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng khác nhau, từ đó đánh giá tác động đến xâm nhập mặn.

  4. Giải pháp nào được đề xuất để giảm thiểu xâm nhập mặn?
    Các giải pháp bao gồm tối ưu hóa vận hành hồ chứa thượng nguồn, xây dựng đê bao và cống ngăn mặn, phát triển hệ thống cảnh báo sớm, và nâng cao nhận thức cộng đồng về sử dụng nước hợp lý.

  5. Làm thế nào để mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định?
    Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách điều chỉnh các thông số như hệ số nhám, hệ số khuếch tán để kết quả mô phỏng khớp với số liệu thực đo tại các trạm quan trắc. Kiểm định được thực hiện trên các giai đoạn khác nhau để đảm bảo độ tin cậy của mô hình.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá chi tiết hiện trạng và diễn biến xâm nhập mặn vùng hạ lưu sông Mã trong bối cảnh biến đổi khí hậu, xác định chiều dài xâm nhập mặn có xu hướng gia tăng đáng kể.
  • Mô hình MIKE 11 được hiệu chỉnh và kiểm định thành công, chứng minh là công cụ hiệu quả để mô phỏng và dự báo xâm nhập mặn trong hệ thống sông phức tạp.
  • Các kịch bản biến đổi khí hậu cho thấy mực nước biển dâng và suy giảm dòng chảy mùa kiệt là nguyên nhân chính làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn sâu vào nội địa.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và phi công trình nhằm giảm thiểu tác động xâm nhập mặn, góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển kinh tế - xã hội bền vững.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình, cập nhật dữ liệu quan trắc và triển khai hệ thống cảnh báo sớm để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước vùng cửa sông.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục theo dõi, cập nhật diễn biến xâm nhập mặn để điều chỉnh chính sách phù hợp.