Tổng quan nghiên cứu
Hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai là lưu vực sông nội địa lớn nhất Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội khu vực phía Nam với diện tích lưu vực trên 40.000 km². Tuy nhiên, hiện tượng xâm nhập mặn ở vùng hạ lưu đang gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng cấp nước sạch, đặc biệt là tại nhà máy nước Tân Hiệp – một trong những nguồn cung cấp nước chính cho Thành phố Hồ Chí Minh. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012, mực nước biển có thể tăng từ 14 cm vào năm 2030 lên đến 53 cm vào năm 2070 theo kịch bản phát thải cao A1FI, làm gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn sâu vào nội đồng. Mùa khô với lưu lượng nước thượng nguồn giảm kết hợp với triều cường tăng cao tạo điều kiện thuận lợi cho nước mặn xâm nhập sâu, gây khó khăn cho việc khai thác nước thô tại trạm bơm Hòa Phú, nguồn cấp nước cho nhà máy Tân Hiệp.
Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng xâm nhập mặn đến nhà máy nước Tân Hiệp trong các kịch bản biến đổi khí hậu, bao gồm mực nước biển dâng và suy giảm lưu lượng thượng nguồn, nhằm dự đoán diễn biến nồng độ mặn trong thế kỷ 21. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng hạ lưu sông Sài Gòn - Đồng Nai, từ sau đập Dầu Tiếng đến nhà máy nước Tân Hiệp, trong các giai đoạn ngắn hạn (2030), trung hạn (2050) và dài hạn (2070). Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt, sản xuất và phát triển kinh tế xã hội bền vững cho khu vực phía Nam, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các chính sách quản lý tài nguyên nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực học hiện đại, trong đó mô hình TELEMAC-3D được lựa chọn làm công cụ chính để mô phỏng dòng chảy và quá trình xâm nhập mặn trong hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai. Mô hình này giải hệ phương trình Navier-Stokes ba chiều với giả thiết áp suất thủy tĩnh, sử dụng hệ tọa độ sigma để mô tả biến đổi mặt nước tự do và đáy sông. Các khái niệm chính bao gồm:
- Xâm nhập mặn (Saltwater intrusion): Quá trình nước biển mặn xâm nhập vào vùng nước ngọt nội địa, ảnh hưởng đến chất lượng nước.
- Biến đổi khí hậu (Climate change): Sự thay đổi lâu dài về nhiệt độ, lượng mưa, mực nước biển và các yếu tố khí hậu khác, tác động đến thủy văn lưu vực.
- Mô hình thủy động lực học 3D: Mô phỏng dòng chảy và vận chuyển chất trong không gian ba chiều, cho phép mô tả chi tiết phân tầng mặn theo chiều sâu.
- Lưu lượng thượng nguồn (Upstream flow): Lượng nước chảy từ thượng nguồn vào vùng nghiên cứu, ảnh hưởng đến khả năng đẩy mặn.
- Mực nước biển dâng (Sea level rise): Sự gia tăng mực nước biển do biến đổi khí hậu, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu thủy văn, hải văn, đo đạc độ mặn tại các trạm quan trắc như Phú An, Biên Hòa, Nhà Bè, Tân An, cùng các số liệu khí tượng và lưu lượng xả hồ Dầu Tiếng. Cỡ mẫu dữ liệu thu thập trải dài từ các năm 2003 đến 2016, bao gồm các đợt đo mùa khô và mùa lũ điển hình.
Phương pháp phân tích chính là mô phỏng thủy động lực và xâm nhập mặn bằng mô hình TELEMAC-3D, sử dụng lưới phần tử hữu hạn ba chiều, giải các phương trình Navier-Stokes và phương trình vận chuyển chất. Các kịch bản biến đổi khí hậu được xây dựng dựa trên báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, gồm các mức mực nước biển dâng +14 cm (2030), +30 cm (2050), +53 cm (2070) và các mức suy giảm lưu lượng thượng nguồn tương ứng.
Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 7/2016 đến tháng 12/2016, bao gồm thu thập dữ liệu, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, mô phỏng các kịch bản, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp. Phương pháp GIS được sử dụng để tích hợp, phân tích và trực quan hóa dữ liệu không gian.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Diễn biến xâm nhập mặn hiện trạng: Mặn 1 g/l trung bình có thể xâm nhập sâu đến 123 km từ cửa sông, gần vị trí trạm bơm Bến Than, với độ mặn 0,3 g/l có thể lên đến ấp Thuận. Mặn 4 g/l xuất hiện ở khoảng cách 113 km từ cửa sông. Vào mùa khô năm 2003, nồng độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú dao động từ 0,1 đến 0,25 g/l, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động cấp nước.
Ảnh hưởng của mực nước biển dâng: Theo kịch bản A1FI, mực nước biển dâng 14 cm vào năm 2030 làm tăng biên độ triều, khiến xâm nhập mặn sâu hơn khoảng 5-7 km so với hiện trạng. Đến năm 2070, với mực nước biển dâng 53 cm, độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú có thể vượt ngưỡng 0,25 g/l trong khoảng 20% thời gian mùa khô, gây gián đoạn hoạt động nhà máy nước Tân Hiệp.
Ảnh hưởng của lưu lượng thượng nguồn suy giảm: Giảm lưu lượng thượng nguồn từ hồ Dầu Tiếng xuống dưới 200 m³/s làm tăng đáng kể phạm vi xâm nhập mặn, với mức độ tăng nồng độ mặn trung bình tại trạm bơm Hòa Phú lên đến 30% so với hiện trạng. Năm 2007, lưu lượng xả thấp chỉ 53 m³/s đã khiến nhà máy nước phải ngừng cấp nước thô trong nhiều giờ.
Hiệu quả của xả nước đẩy mặn: Xả bổ sung từ hồ Dầu Tiếng với lưu lượng từ 25-30 m³/s được đề xuất để đẩy lùi ranh giới mặn về vị trí hiện trạng, giảm thời gian ngừng hoạt động của nhà máy nước Tân Hiệp xuống dưới 5% thời gian mùa khô. Giải pháp này cần được thực hiện đồng bộ với các biện pháp công trình và phi công trình khác.
Thảo luận kết quả
Kết quả mô phỏng cho thấy sự kết hợp giữa mực nước biển dâng và suy giảm lưu lượng thượng nguồn là nguyên nhân chính làm gia tăng xâm nhập mặn tại vùng hạ lưu sông Sài Gòn - Đồng Nai. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng gia tăng xâm nhập mặn do biến đổi khí hậu tại các lưu vực sông ven biển như sông Nile (Ai Cập), sông Wu (Đài Loan) và sông James (Hoa Kỳ).
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố độ mặn dọc theo dòng sông theo từng kịch bản, bảng thống kê số giờ nhà máy nước phải ngừng hoạt động do nồng độ mặn vượt ngưỡng, và bản đồ GIS thể hiện phạm vi xâm nhập mặn theo thời gian. Việc sử dụng mô hình 3D TELEMAC cho phép mô tả chi tiết phân tầng mặn theo chiều sâu, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế xâm nhập mặn và đề xuất giải pháp phù hợp.
Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc quản lý lưu lượng xả hồ Dầu Tiếng trong việc kiểm soát xâm nhập mặn, đồng thời cảnh báo về nguy cơ thiếu nước sạch cho TP. Hồ Chí Minh nếu không có các biện pháp ứng phó kịp thời.
Đề xuất và khuyến nghị
Tăng lưu lượng xả hồ Dầu Tiếng trong mùa khô: Đề xuất duy trì lưu lượng xả tối thiểu 25-30 m³/s để đẩy lùi xâm nhập mặn, đảm bảo nồng độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú không vượt quá 0,25 g/l. Thời gian thực hiện ưu tiên từ tháng 2 đến tháng 5 hàng năm, do Ban Quản lý hồ Dầu Tiếng phối hợp với các cơ quan thủy lợi.
Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm xâm nhập mặn: Phát triển hệ thống giám sát và dự báo xâm nhập mặn dựa trên mô hình TELEMAC-3D kết hợp dữ liệu quan trắc thực tế, giúp các đơn vị quản lý chủ động điều chỉnh kế hoạch cấp nước và vận hành hồ chứa. Thời gian triển khai trong vòng 1-2 năm.
Áp dụng các giải pháp công trình: Nghiên cứu xây dựng các công trình ngăn mặn tại các vị trí trọng yếu như cửa sông Soài Rạp, kết hợp với hệ thống cống điều tiết để kiểm soát dòng chảy và hạn chế xâm nhập mặn sâu vào nội đồng. Chủ đầu tư là các cơ quan quản lý tài nguyên nước, thời gian thực hiện trung hạn (3-5 năm).
Tăng cường quản lý và sử dụng nước hiệu quả: Khuyến khích các ngành kinh tế, đặc biệt là nông nghiệp và công nghiệp, áp dụng các biện pháp tiết kiệm nước, tái sử dụng nước thải và nâng cao hiệu quả khai thác nguồn nước hiện có. Các chính sách hỗ trợ và tuyên truyền do Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các địa phương thực hiện liên tục.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Cơ quan quản lý tài nguyên nước: Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý hồ chứa Dầu Tiếng, các đơn vị quản lý lưu vực sông có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách điều tiết nước, kiểm soát xâm nhập mặn và đảm bảo nguồn nước sạch cho khu vực.
Các nhà hoạch định chính sách phát triển đô thị: Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam có thể tham khảo để điều chỉnh quy hoạch cấp nước, phát triển hạ tầng cấp nước và ứng phó với biến đổi khí hậu.
Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp mô hình