Mô phỏng và đánh giá xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Vàm Cỏ tỉnh Long An

Luận văn nghiên cứu, mô phỏng xâm nhập mặn hạ lưu sông Vàm Cỏ, Long An bằng mô hình MIKE 11, đánh giá theo kịch bản BĐKH và đề xuất giải pháp.

• Tác giả: Nguyễn Thị Duyên
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tiền Giang
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Mô phỏng và đánh giá xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Vàm Cỏ tỉnh Long An
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xâm Nhập Mặn Hạ Lưu Sông Vàm Cỏ Long An

Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn từ biển xâm nhập vào lòng sông, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và nông nghiệp tại hạ lưu sông Vàm Cỏ, Long An. Đây là một trong những vấn đề thủy văn quan trọng nhất tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Hệ thống sông Vàm Cỏ nằm ở tỉnh Long An, bao gồm hai nhánh chính: Vàm Cỏ Tây và Vàm Cỏ Đông, có tổng độ dài khoảng 100 km. Diễn biến xâm nhập mặn tại đây chịu ảnh hưởng trực tiếp từ thủy triều biển, lưu lượng nước ngọt từ thượng lưu, và các yếu tố khí hậu. Các nghiên cứu cho thấy nồng độ mặn tại vùng hạ lưu đã tăng đáng kể trong những năm gần đây, đe dọa nguồn nước sinh hoạt và phát triển nông nghiệp bền vững của cộng đồng địa phương.

1.1. Khái Niệm Và Đặc Điểm Xâm Nhập Mặn

Xâm nhập mặn là sự xâm thực của nước biển mặn vào các sông ngòi và tầng nước ngầm, tạo ra một giao diện muối-ngọt. Hiện tượng này xảy ra do sự chênh lệch áp suất giữa nước biển (có khối lượng riêng lớn hơn) và nước sông (có khối lượng riêng nhỏ hơn). Tại hạ lưu sông Vàm Cỏ, xâm nhập mặn thường cao độ nhất vào mùa khô (từ tháng 12 đến tháng 4), khi lưu lượng nước từ thượng lưu giảm. Nồng độ mặn cao nhất được ghi nhận tại trạm Tân An và Bến Lức, ảnh hưởng trực tiếp đến hàng ngàn ha đất nông nghiệp.

1.2. Vị Trí Địa Lý Và Đặc Điểm Khu Vực Nghiên Cứu

Tỉnh Long An nằm ở phía Tây Nam của Việt Nam, là phần của Đồng bằng sông Cửu Long. Hệ thống sông Vàm Cỏ kéo dài qua nhiều huyện, trực tiếp cung cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp. Khu vực có độ cao thấp, địa hình bằng phẳng, và nằm gần vùng cửa sông, là điều kiện thuận lợi cho xâm nhập mặn xảy ra. Đặc điểm khí tượng thủy văn với mưa tập trung vào mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 11) cũng ảnh hưởng lớn đến dòng chảy và nồng độ mặn của sông.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Mô Hình MIKE 11 Mô Phỏng Xâm Nhập Mặn

Mô hình MIKE 11 là công cụ mô phỏng hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu thủy văn và mô phỏng xâm nhập mặn. Mô hình này bao gồm hai mô đun chính: mô đun HD (Hydrodynamic) để tính toán dòng chảy và mực nước, và mô đun AD (Advection-Dispersion) để mô phỏng sự phân tán và vận chuyển của chất lượng nước, bao gồm nồng độ mặn. Cơ sở lý thuyết của MIKE 11 dựa trên các phương trình Navier-Stokes được rút gọn cho dòng chảy một chiều trong sông. Ứng dụng mô hình MIKE 11 cho hệ thống sông Vàm Cỏ cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng chi tiết diễn biến xâm nhập mặn theo không gian và thời gian, từ đó đánh giá tác động và đề xuất giải pháp quản lý.

2.1. Mô Đun HD Mô Phỏng Thủy Lực

Mô đun HD tính toán mực nước và vận tốc dòng chảy dựa trên phương trình nước nông (Shallow Water Equations). Mô đun này sử dụng các điều kiện biên như lưu lượng từ thượng lưu và mực nước triều ở vùng cửa sông. Trong mô phỏng xâm nhập mặn tại sông Vàm Cỏ, mô đun HD cung cấp dữ liệu thủy động lực cần thiết cho mô đun AD tính toán nồng độ mặn chính xác.

2.2. Mô Đun AD Mô Phỏng Chất Lượng Nước

Mô đun AD mô phỏng quá trình vận chuyển và phân tán chất lượng nước, bao gồm nồng độ mặn. Mô đun sử dụng phương trình vận chuyển-phân tán (Advection-Dispersion Equation) để tính toán sự thay đổi độ mặn theo thời gian và không gian. Kết hợp với dữ liệu từ mô đun HD, mô đun AD cung cấp kết quả chi tiết về phân bố nồng độ mặn dọc theo sông Vàm Cỏ.

III. Kết Quả Mô Phỏng Và Đánh Giá Xâm Nhập Mặn Hiện Tại

Các kết quả mô phỏng xâm nhập mặn tại hạ lưu sông Vàm Cỏ cho thấy nồng độ mặn dao động theo chu kỳ thủy triều và mùa vụ. Cụ thể, nồng độ mặn lớn nhất thường xuất hiện vào tháng 3-4 (mùa khô), với giá trị tại trạm Bến Lức lên đến 10-15 ppt (phần trăm mille). Tại trạm Tân An, nồng độ mặn cao hơn so với các vị trí phía thượng lưu. Các bản đồ phân bố nồng độ mặn được tạo từ mô hình cho thấy vùng ảnh hưởng của xâm nhập mặn kéo dài khoảng 100 km từ cửa sông vào trong lòng sông. Kết quả này phù hợp với các dữ liệu thực đo tại các trạm, với sai số mô phỏng nằm trong phạm vi chấp nhận được, chứng minh độ tin cậy của mô hình MIKE 11 trong ứng dụng này.

3.1. Phân Bố Nồng Độ Mặn Theo Không Gian

Phân bố nồng độ mặn không đều dọc theo sông Vàm Cỏ, với giá trị cao nhất ở gần cửa sông và giảm dần về phía thượng lưu. Tại vùng hạ lưu (trạm Bến Lức), nồng độ mặn có thể đạt 15 ppt vào mùa khô. Tại vùng giữa (trạm Tân An), nồng độ mặn thường từ 5-10 ppt. Sự phân bố này ảnh hưởng trực tiếp đến sử dụng nước sinh hoạt và nông nghiệp tại các khu vực khác nhau.

3.2. Biến Động Nồng Độ Mặn Theo Thời Gian

Nồng độ mặn biến động theo các chu kỳ khác nhau: chu kỳ nửa ngày (do thủy triều), chu kỳ hàng tháng (do biến tổng), và chu kỳ hàng năm (do mùa vụ). Vào mùa khô, xâm nhập mặn gia tăng khi lưu lượng nước từ thượng lưu giảm. Vào mùa mưa, nồng độ mặn giảm đáng kể khi lưu lượng nước ngọt tăng, đẩy nước mặn trở lại biển.

IV. Đánh Giá Theo Kịch Bản Biến Đổi Khí Hậu Và Giải Pháp Quản Lý

Các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 cho thấy nước biển dâng sẽ gia tăng trong tương lai, dẫn đến xâm nhập mặn sâu hơn và kéo dài hơn vào các sông Vàm Cỏ. Theo kịch bản RCP8.5, nước biển dâng có thể tăng 0,7-1,0 m vào năm 2100, gây ra nồng độ mặn tăng đáng kể tại hạ lưu sông. Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn năm 2030 cho thấy nồng độ mặn sẽ gia tăng 20-30% so với hiện tại. Để giảm thiểu tác động, cần triển khai các giải pháp như xây dựng công trình chống triều, quản lý lưu lượng nước từ thượp lưu, phát triển nông nghiệp thích ứng, và bảo vệ hệ sinh thái.

4.1. Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu Đến Xâm Nhập Mặn

Biến đổi khí hậu làm tăng nước biển dâng và thay đổi mô hình lượng mưa, dẫn đến xâm nhập mặn gia tăng. Các kịch bản cho thấy nồng độ mặn lớn nhất sẽ tăng từ 15 ppt hiện tại lên 20-25 ppt vào năm 2030. Vùng ảnh hưởng của xâm nhập mặn có thể mở rộng thêm 20-30 km vào lòng sông, ảnh hưởng đến hàng chục ngàn hộ dân và hàng trăm nghìn hecta đất nông nghiệp.

4.2. Các Giải Pháp Giảm Thiểu Hiệu Quả

Các giải pháp bao gồm: (1) Xây dựng công trình chống triều để kiểm soát xâm nhập mặn; (2) Quản lý lưu lượng nước thượp lưu để duy trì dòng chảy; (3) Phát triển nông nghiệp thích ứng với nồng độ mặn cao; (4) Bảo vệ và phục hồi hệ sinh thái để tăng khả năng chống chịu. Các giải pháp này cần được triển khai một cách liên hiệp để đạt hiệu quả tối đa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Khu vực đồng bằng sông Cửu Long là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Các số liệu quan trắc được gần đây cho thấy ranh mặn ranh mặn 2020 xâm nhập sâu vào nội đồng hơn năm 2016 làm hạn chế rất nhiều tới diện tích sản xuất phát triển nông nghiệp, đe dọa an ninh lương thực quốc gia, thay đổi hệ sinh thái và ảnh hưởng nghiêm trọng tới đời sống dân sinh. Khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung hay Long An nói riêng là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của xâm nhập mặn. Những năm gần đây, tình hình xâm nhập mặn trên địa bàn tỉnh Long An có diễn biến ngày càng phức tạp hơn, mặn đã xâm nhập sâu vào nội đồng.

Các năm hạn mặn điển hình là 2005, 2010, 2016, 2020. Hệ quả là nhu cầu phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp, việc cấp nước ngọt sinh hoạt cho người dân ở một số huyện, thành phố gặp không ít khó khăn, hàng ngàn hecta hoa màu bị ảnh hưởng và gây ra tâm lý bất an, hoang mang đối với cuộc sống của người dân. Thiệt hại về kinh tế riêng năm 2016 trên 188 tỷ đồng. Để phát triển kinh tế-xã hội tỉnh Long An một cách toàn diện và theo hướng bền vững lâu dài, việc mô phỏng xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Vàm Cỏ, tỉnh Long An nhằm hướng đến kiểm soát, đánh giá xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản… đồng thời đề xuất các giải pháp thích trong điều kiện ảnh hưởng biến đổi khí hậu và nước biển dâng là hết sức cần thiết, đáp ứng nguyện vọng thiết thực của các cấp quản lý và người dân.

Từ tình hình chung như vậy, “ Mô phỏng và đánh giá xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Vàm Cỏ, tỉnh Long An ” đã được chọn để làm đề tài luận văn với 3 mục tiêu sau: - Ứng dụng bộ mô hình MIKE 11 mô phỏng quá trình xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Vàm Cỏ, tỉnh Long An 8 - Đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực tỉnh Long An theo các kịch bản biến đổi khí hậu. - Đề xuất một số giải pháp định hướng giảm thiểu tác động tiêu cực của xâm nhập mặn. TỔNG QUAN VỀ XÂM NHẬP MẶN VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn trong và ngoài nước Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn từ biển tràn vào đất liền qua cửa sông, hệ thống sông rạch, kênh mương và gây nhiễm mặn nguồn nước và đất đai chuyển tiếp giữa sông và biển.

Theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn [13]: Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn với nồng độ mặn bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc cạn kiệt nguồn nước ngọt. Xâm nhập mặn là vấn đề nghiêm trọng đối với nhiều chính quyền địa phương, vấn đề này đã được nỗ lực giải quyết trong bối cảnh đang diễn ra biến đổi khí hậu như nước biển dâng, tăng nhiệt độ, khai thác nước ngầm quá mức để đáp ứng nhu cầu nước cho phát triển, những nguyên nhân này đang làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn. Nguyên nhân xâm nhập mặn: + Lượng nước từ thượng nguồn đổ về, lưu lượng càng giảm, nước mặn càng tiến sâu vào đất liền. + Biên độ triều vùng cửa sông: vào giai đoạn triều cường, nước mặn càng lấn sâu vào.

+ Địa hình: địa hình bằng phẳng là yếu tố thuận lợi cho sự xâm nhập mặn. + Các yếu tố khí tượng: gió từ biển hướng vào đất liền, nhiệt độ cao, mưa ít sẽ là tác nhân làm mặn lấn sâu vào đất liền. + Hoạt động kinh tế của con người: việc lấy nước nhiều vào mùa khô (cả nước mặt và nước ngầm) sẽ làm mặn xâm nhập vào đất liền nhiều hơn. Bên cạnh đó, các hoạt động thay đổi mục đích sử dụng đất và quản lý đất cũng có thể làm thay đổi trực tiếp đến hệ thống thủy văn, chế độ bốc hơi nước và dòng chảy.

10 Cơ chế của xâm nhập mặn: Hiện tượng xâm nhập mặn chủ yếu xảy ra ở hệ thống nước mặt theo chế độ thủy triều. Vào mùa mưa, lượng nước sông dồi dào, sức nước chảy ra biển mạnh nên đẩy ranh mặn về phía cửa sông, làm giảm diện tích nhiễm mặn.Vào mùa khô, lượng nước từ sông đổ ra biển ít, trong khi thủy triều từ biển mang nước mặn lấn sâu vào nội đồng làm nước sông bị nhiễm mặn. Càng vào sâu trong đồng bằng, nồng độ mặn càng giảm. Ngoài ra, xâm nhập mặn hiện tại còn chịu tác động của con người.

Các hoạt động sử dụng nước ngầm khu vực ven biển quá mức, và sự chủ động dẫn nước mặn vào ruộng để nuôi thủy sản nước lợ và nước mặn đã góp phần làm cho xâm nhập mặn ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Việc xây dựng các nhà máy thủy điện phía đầu nguồn sông Mekong làm thay đổi dòng chảy thủy văn, thiếu hụt nước vùng hạ lưu của sông.1: Hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào lòng sông vùng cửa sông 11 Dựa vào cơ chế của xâm nhập mặn có thể chia làm 4 loại: nêm mặn, phân tầng mạnh, xáo trộn một phần và xáo trộn hoàn toàn. Nêm mặn và phân tầng mạnh ở các cửa sông xảy ra khi lưu lượng sông lớn hơn nhiều so với lưu lượng thủy triều và ngược lại (phân biệt giữa xáo trộn một phần và hoàn toàn là khi có sự phân tầng dưới 10%). Khi thủy triều nước mặn xâm nhập ngược dòng do sự chênh lệch phân bố của nước biển và nước ngọt.

Đặc biệt với lưu lượng sông thấp, muối có thể xâm nhập vào một khoảng cách lớn ảnh hưởng đến chất lượng nước của sông khiến môi trường sinh thái bị tác động và còn là nguồn nước uống, nông nghiệp, công nghiệp. Các nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngoài Trong vài năm gần đây, trên thế giới có một số nghiên cứu về tác động của Biến đổi khí hậu cũng đã được công bố 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 (2013) 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. [4] Balistrieri et al.

(2006) đã dự đoán sự thay đổi độ mặn theo mùa bằng một mô hình mô phỏng hồ chứa năng động (DYRESM) ở Hồ Dexter Pit. Kết quả cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng độ mặn và số liệu quan trắc. Wu et al. Đề tài Độ mặn và độ đục vùng cửa sông Brisbane, tác giả sử dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng xâm nhập mặn vùng cửa sông Brisbane và kết quả mô phỏng khi có nước lũ đổ về thì mặn đã bị đẩy lùi khoảng 5km.

[5] Chính những nghiên cứu về mặn tại vùng cửa sông đã dự báo cũng như đánh giá được quá trình xâm nhập mặn ảnh hưởng trực tiếp đến con người. Qua đó, con người tìm các giải pháp để thích nghi, phòng tránh các ảnh hưởng của xâm nhập mặn. Các nghiên cứu xâm nhập mặn trong nước Nghiên cứu xâm nhập mặn ở Việt Nam được quan tâm nhất là đối với đồng bằng sông Cửu Long do đặc điểm của địa hình (không có đê bao) và mức độ ảnh hưởng có tính quyết định đến sản xuất nông nghiệp ở vụ lúa quan trọng toàn quốc. Khởi đầu là các công trình nghiên cứu, tính toán của Ủy bạn sông Mê Kông về xác định ranh giới xâm nhập mặn theo các phương pháp thống kê trong hệ thống kênh rạch thuộc 9 vùng cửa sông thuộc đồng bằng sông Cửu Long [6].

Một số nhà khoa học Việt Nam đã xây dựng thành công các mô hình thuỷ lực mạng sông kết hợp tính toán xâm nhập triều mặn như 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) [7, 8, 9, 10]. Kết quả của các đề tài dự án này đã góp phần quy hoạch sử dụng đất vùng ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long đem lại các lợi ích khác về kinh tế - xã hội. Nghiên cứu Mô phỏng Xâm nhập mặn đồng bằng sông Cửu Long dưới tác động của nước biển dâng và sự suy giảm lưu lượng từ thượng nguồn của Trần Quốc Đạt , Nguyễn Hiếu Trung và Kanchit Likitdecharote vào năm 2012 đã sử dụng cở sỡ dữ liệu của hai năm 1998 và 2005 mô phỏng cho những kịch bản khác nhau của mực nước biển dâng và lưu lượng thượng nguồn giảm bằng mô hình MIKE11.

Kết quả của nghiên cứu này hữu ích cho quy hoạch tài nguyên nước ở đồng bằng sông Cửu Long trong tương lai trong điều kiện mực nước biển dâng và các nước thượng nguồn sông Mekong tăng cường sử dụng nguồn nước của sông Mekong. Các mô hình ngày càng có độ chính xác cao nhằm đưa ra kết quả để đánh giá, dự báo và đưa ra những giải pháp và phòng chống các quá trình lan truyền chất: xâm nhập mặn, các chất thải công nghiệp. Tổng quan khu vực nghiên cứu 1. Vị trí địa lí tỉnh Long An Tỉnh Long An có vị trí địa lý khá đặc biệt là tuy nằm ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long song lại thuộc Vùng phát triển kinh tế trọng điểm phía Nam, được xác định là vùng kinh tế động lực có vai trò đặc biệt quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế Việt Nam.

Long An có đường ranh giới quốc gia với Campuchia dài: 132,977 km, với hai cửa khẩu Bình Hiệp (Mộc Hóa) và Tho Mo (Đức Huệ). Long An là cửa ngõ nối liền Đông Nam Bộ với ĐBSCL, nhất là có chung đường ranh giới với Thành phố Hồ Chí Minh, bằng hệ thống giao thông đường bộ như: quốc lộ 1A, quốc lộ 50,. các đường tỉnh lộ: ĐT.v… Đường thủy liên vùng và quốc gia đã có và đang được nâng cấp, mở rộng, xây dựng mới, tạo động lực và cơ hội mới cho phát triển. Ngoài ra, Long An còn được hưởng nguồn nước của hai hệ thống sông Mê Kông và Đồng Nai.