MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm qua, BĐKH và Nước biển dâng xảy ra ở khắp các khu vực trên cả nước, gây nhiều tổn thất to lớn về người, tài sản, cơ sở hạ tầng về kinh tế, văn hoá, xã hội, tác động xấu đến môi trường. Mức độ thiên tai ở Việt Nam ngày càng gia tăng cả về quy mô cũng như chu kỳ lặp lại kèm theo những đột biến khó lường. Trước những xu thế bất lợi đang ngày càng gia tăng của thiên tai, biến đổi khí hậu, trên cơ sở những yêu cầu cấp bách trong việc nâng cao nhận thức về thiên tai và quản lý rủi ro thiên tai của các cấp quản lý và cộng đồng, đồng thời nhằm huy động mọi nguồn lực trong nước và quốc tế, tổng cục Thủy Lợi cũng đã đề xuất nhiều giải pháp mang tính cấp thiết nhằm giảm nhẹ những thiệt hại do BĐKH và thiên tai gây ra trong quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi phục vụ cho lấy nước sản xuất nông nghiệp. Trước tình hình xâm nhập mặn được xác định là một loại hình thiên tai ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất và sinh hoạt của người dân, tổng cục Thủy Lợi đã có nhiều định hướng chỉ đạo với các đề tài dự án nghiên cứu, đánh giá xâm nhập mặn vùng hạ du đồng bằng sông Hồng.
Vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng chịu ảnh hưởng của chế độ dòng chảy sông Hồng -Thái Bình và thủy triều nên luôn bị động về nguồn nước tưới. Hàng năm, vào mùa kiệt, do dòng chảy các sông xuống thấp, các hệ thống thủy nông vùng ảnh hưởng triều thường bị mặn xâm nhập, ảnh hưởng xấu đến điều hành tưới tiêu trong hệ thống phục vụ sản xuất nông nghiệp, thủy sản. Nghiên cứu chế độ dòng chảy, diễn biến mặn, phân tích ảnh hưởng của chế độ triều - mặn đến sản xuất nông nghiệp – thủy sản và vận hành công trình thủy nông để đề xuất giải pháp dự báo, giám sát và vận hành hiệu quả hệ thống thủy nông vùng triều, sử dụng hiệu quả, tiết kiệm nguồn nước tưới, giảm chi phí quản lý vận hành, tăng hiệu quả sản xuất nông nghiệp vùng Đồng bằng sông Hồng nói chung và vùng nghiên cứu nói riêng là yêu cầu cấp thiết đặt ra nhằm nâng cao hiệu quả quản lý khai thác công trình thủy lợi, phục vụ tái cơ cấu nông nghiệp vùng ven biển hiện nay. Tuy có những khó khăn trong công tác quản lý điều tiết vận hành các công trình ở hạ du đảm bảo thời gian và lượng nước có thể lấy vào các đợt gieo trồng của 4 tỉnh ven biển: Nam Định, Ninh Bình, Hải Phòng và Thái Bình, Tổng cục thủy lợi đã đặt ra ra bài toán cho các nhà nghiên cứu về “Giám sát và dự báo xâm mập mặn thời gian thực phục vụ sản xuất Đông Xuân 2017, 2018” do PGS.TS Nguyễn Tùng Phong – Viện Trưởng - Viện Nước, TT và Môi trường- Viện KHTL Việt Nam làm chủ nhiệm đã xây dựng được mô hình dự báo mặn thời gian thực bằng Mike 11 HD+AD cho vùng ĐBSH.
Trong nghiên cứu mới nhất của Viện Nước, Tưới tiêu và môi trường “ Nghiên cứu dự báo, cảnh báo xâm nhập mặn phục vụ điều hành cấp nước và quản lý vận hành hệ thống 1 thủy nông lấy nước vùng hạ du đồng bằng Sông Hồng” tập trung chủ yếu vào nghiên cứu dự báo diễn biến mặn theo chế độ kiểm nghiệm nước theo sự phân tầng của dòng dẫn trên sông, đảm bảo tính cấp thiết cho thời gian lấy nước và có khả năng lấy nước theo từng lớp nước trên mặt cắt ngang của sông. Việc lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu giải pháp cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp cho hệ thống thủy lợi sông Đáy trong điều kiện nước biển dâng” là một trong những nhánh sông lớn chịu ảnh hưởng trực tiếp của vùng triều, với tác động của BĐKH và nước biển dâng trong nhiều năm qua đã khiến HTTL sông Đáy chịu ảnh hưởng của xâm nhập mặn ảnh hưởng sớm nhất, thời gian duy trì độ mặn cao kéo dài làm. Đối với quy trình vận hành hệ thống trong những năm qua gặp rất nhiều khó khăn do việc thay đổi cao trình mực nước tại các công trình đầu mối dẫn đến nhu cầu nước phục vụ cho nông nghiệp, đặc biệt ngành nghề nuôi trồng thủy sản trong hệ thống sông Đáy bị ảnh hưởng rất lớn cả về chất và lượng trong quá trình sản xuất. Vì vậy việc lựa chọn làm hệ thống điển hình để nghiên cứu sẽ mang đến những lợi ích vô cùng to lớn cho HTTL sông Đáy nói riêng và hạ du sông Hồng nói chung đem lại những nguồn lợi kinh tế và phát triển mạnh mẽ cho tỉnh Nam Định, Ninh Bình việc dự báo tốt cũng sẽ giúp các hồ thủy lợi thượng nguồn như Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang có những quyết định điều tiết nước hiệu quả và tiết kiệm nguồn nước.
Mục tiêu và yêu cầu của đề tài Xây dựng mô hình với các tính toán cho diễn biến theo kịch bản nước biển dâng Đánh giá mô hình dự báo trong điều kiện nước biển dâng đến năm 2030 Đề xuất các giải pháp trong công tác lấy nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Trong nghiên cứu xác định các tác động của nước biển dâng đến xâm nhập mặn trên cơ sở các nghiên cứu liên quan và ứng dụng trên thế giới và Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu đưa ra các giải pháp ứng dụng cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp cho vùng triều thuộc hệ thống thủy lợi sông Đáy. Với mục tiêu nội dung thực hiện nhằm bổ sung trong quy trình vận hành hệ thống thủy lợi sông Đáy đã được phê duyệt năm 2017. Lựa chọn vùng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu theo các kịch bản của nước biển dâng nên việc phân tích đánh giá sẽ được thực hiện theo diễn biến trong quá trình thay đổi mực nước giữa thượng, hạ lưu cho hệ thống thủy lợi sông Đáy ứng với các kịch bản.
Phương pháp luận Trong nghiên cứu của luận văn, học viên xác định lưu lượng và mực tại vị trí cống khả năng lấy nước cho từng cống trên dọc tuyến sông Đáy, bên cạnh đó xác định lưu lượng và mực nước trên sông theo giai đoạn cực đoan nhất trong năm. Từ đó xác định đường 2 quá trình yêu cầu nước hệ thống, xác định lưu lượng, mực nước và thời gian lấy nước cho từng cống đạt hiệu quả cao nhất. Với diễn biến của Nước Biển Dâng ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn nên khả năng lấy nước và thời gian lấy nước cho các công đều giảm, dựa trên mô hình tính toán học viên xác định thời gian lấy nước hiệu quả do ảnh hưởng mặn kỳ triều. Phương pháp tiếp cận Phương pháp kế thừa: các tài liệu và kết quả kế thừa được thực hiện trong luận văn được lấy trong các đề tài nghiên cứu có liên quan.
Phương pháp thu thập: trong nghiên cứu thu thập sử dụng các tài liệu tại địa phương và số liệu tính toán theo các tài liệu tham khảo. Phương pháp chuyên gia: tham vấn đội ngũ chuyên gia để xem xét nhận định phương hướng và kết quả thực hiện của luận văn. Phương pháp mô hình mô phỏng: sử dụng các mô dạng hình toán để tính toán cân bằng nước, chất lượng nước (tập trung vào xâm nhập nhập mặn) ứng với các kịch bản nước biển dâng 2030 áp dụng trong quy trình vận hành của hệ thống nhằm đưa ra các giải pháp phục tốt cho công tác lấy nước vùng nghiên cứu. TỔNG QUAN Tổng quan các giải pháp cấp nước trong điều kiện xâm nhập mặn 1.1 Các giải pháp và ứng dụng trên thế giới Vấn đề tính toán và nghiên cứu triều mặn bằng mô hình đã được nhiều nhà nghiên cứu ở các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Anh quan tâm từ khoảng 40-50 năm trở lại đây.
Với thành tựu của khoa học và công nghệ được phát triển cực nhanh trong thời gian gần đây, công nghệ tin học, thuỷ lực học và thuỷ văn học hiện đại đã gặp lại nhau ở nhiều mặt, mặc dù chưa phải là hoàn toàn đồng nhất. Các phương pháp tính toán xâm nhập mặn đầu tiên thường sử dụng bài toán một chiều khi kết hợp với hệ phương trình Saint - Venant. Những mô hình mặn 1 chiều đã được xây dựng do nhiều tác giả trong đó có Ippen và Harleman (1971). Giả thiết cơ bản của các mô hình này là các đặc trưng dòng chảy và mật độ là đồng nhất trên mặt cắt ngang.
Mặc dù điều này khó gặp trong thực tế nhưng kết quả áp dụng mô hình lại có sự phù hợp khá tốt, đáp ứng được nhiều mục đích nghiên cứu và tính toán mặn. Ưu thế đặc biệt của các mô hình loại một chiều là yêu cầu tài liệu vừa phải và nhiều tài liệu đã có sẵn trong thực tế. Các nhà khoa học cũng thống nhất nhận định rằng, các mô hình 1 chiều thường hữu hiệu hơn các mô hình sông đơn và mô hình hai chiều. Chúng có thể áp dụng cho các vùng cửa sông có địa hình phức tạp gồm nhiều sông, kênh nối với nhau với cấu trúc bất kỳ.
Dưới đây thống kê một số mô hình mặn thông dụng trên thế giới đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu tham khảo: - Mô hình động lực cửa sông FWQA: Mô hình FWQA thường được đề cập đến trong các tài liệu là mô hình ORLOB theo tên gọi của Tiến sỹ Geral T. Mô hình đã được áp dụng trong nhiều vấn đề tính toán thực tế. Mô hình giải hệ phương trình Saint - Venant kết hợp với phương trình khuếch tán và có xét đến ảnh hưởng của thuỷ triều thay vì bỏ qua như trong mô hình không có thuỷ triều. Mô hình được áp dụng đầu tiên cho đồng bằng Sacramento - San Josquin, Califorlia.
- Mô hình thời gian thuỷ triều của Lee và Harleman và của Thatcher và Harleman: Lee và Harleman (1971) và sau được Thatcher và Harleman cải tiến đã đề ra một cách tiếp cận khác, xây dựng lời giải sai phân hữu hạn đối phương trình bảo toàn mặn trong một sông đơn. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng để giải phương trình khuếch tán là sơ đồ ẩn 6 điểm. Mô hình cho kết quả tốt trong việc dự báo trạng thái phân phối mặn tức thời cả trên mô hình vật lý cũng như của sông thực tế.