Chương 1.Tổng quan về Giám sát xâm nhập mặn - Chương 2. Cơ sở số liệu và phương pháp nghiên cứu - Chương 3.Nghiên cứu diễn biến, thiết lập mô hình toán giám sát xâm nhập vùng mặn vào sông. TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT XÂM NHẬP MẶN 1. Khái niệm về xâm nhập mặn và giám sát xâm nhập mặn.
Độ mặn hay độ muối được ký hiệu S‰ (S viết tắt từ chữ salinity - độ mặn) là tổng lượng (tính theo gram) các chất hòa tan chứa trong 1 kg nước. Trong hải dương học, người ta sử dụng độ muối để đặc trưng cho độ khoáng của nước biển, nó được hiểu như tổng lượng tính bằng gam của tất cả các chất khoáng rắn hòa tan có trong 1 kg nước biển. Vì tổng nồng độ các ion chính (11 ion, bao gồm: Na+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, NH4+, Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-, NO2-, NO3-) chiếm tới 99,99% tổng lượng các chất khoáng hoà tan nên có thể coi độ muối nước biển chính bằng giá trị này. Điều đó cũng có nghĩa là đối với nước biển khơi, độ muối có thể được tính toán thông qua nồng độ của một ion chính bất kỳ.
Quá trình mặn hóa biến đổi theo không gian, theo thời gian dưới tác động cuả hai yếu tố cơ bản: lưu lượng nước ngọt từ nguồn xuống và thủy triều thể hiện qua biên độ và cường suất có thể có lợi hoặc không có lợi cho kinh tế xã hội. Để kiểm soát được quá trình xâm nhập mặn thì cần phải có hệ thống quan trắc, giám sát và cảnh báo… Cho đến nay đã có các nghiên cứu về xâm nhập mặn trên thế giới và Việt Nam. Ở đây, Luận văn chỉ tập trung vào phần tổng quan các nghiên cứu về giám sát xâm nhập mặn [5].2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Ngoài nước Thực tế cho thấy những quốc gia đột phá phát triển phần lớn đều sát biển và dải ven biển đó là vùng phát triển năng động nhất, là nơi tập trung đông đúc dân cư và là nơi thích hợp cho sự đô thị hoá; hầu hết các TP.
lớn của các nước vùng Đông Nam Á, cũng như các nước khác trên thế giới đều nằm ở vùng ven bờ biển. Trong tương lai vùng ven bờ biển sẽ là tâm điểm của sự phát triển kéo theo đó là gia tăng dân số và mở rộng các ngành công nghiệp. Bên cạnh những tiềm năng tự nhiên phục vụ cho sự phát triển thì đây cũng là khu vực chịu tác động của rất nhiều các loại hình thiên tai trong đó xâm nhập mặn cũng là loại hình thiên tai (Luật Phòng chống thiên tai, 2013). Quá trình xâm nhập mặn diễn ra mạnh nhất vào mùa khô, khi mực nước sông 4 cạn kiệt nước biển theo thủy triều đi sâu vào đất liền gây mặn.
Còn trong nước dưới đất và vùng đất ven biển quá trình nhiễm mặn do thẩm thấu hoặc do tiềm sinh. Với vùng ven biển cấu tạo địa chất là những cồn cát lớn, bùn phù sa lấp đầy ở dạng mềm chứa đựng nhiều thấu kính cát có khả năng mao dẫn, tạo điều kiện cho nước biển xâm nhập. Ngoài ra, việc khai thác quá mức nguồn nước ngầm (do nhu cầu của phát triển đô thị hóa, công nghiệp và nông nghiệp) dẫn đến hạ thấp mực nước cũng là nguyên nhân gây ra xâm nhập mặn vào đất và nước dưới đất. Do tác động của xâm nhập mặn đến hoạt động KT - XH của nhiều quốc gia nên vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Từ các nghiên cứu cơ bản về cơ chế và các yếu tố chính quyết định mức độ xâm nhập mặn theo không gian và thời gian, các công cụ mô hình đánh giá xác định mức độ xâm nhập mặn như mô hình giải tích, mô hình số (sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn.) đến các nghiên cứu ứng dụng triển khai nhằm giảm thiểu hiện tượng xâm nhập mặn, sử dụng hợp lý và bền vững tài nguyên nước nhằm nắm được quy luật của quá trình để phục vụ hoạt động KT - XH, quốc phòngan ninh vùng cửa sông. (2004) nghiên cứu 5 động lực dòng chảy trong đó có quá trình lan truyền mặn khu vực đầm ngập nước có chế độ xáo trộn không hoàn toàn rất không ổn định; Lerczak J. (2006) nghiên cứu các cơ chế chính quyết định đến dòng chảy muối theo thời gian tại đầm phân lớp không hoàn toàn; Brockway R. (2006) nghiên cứu đưa ra một số nhận định xâm nhập mặn vùng đầm hình cánh quạt và áp dụng cho vùng đầm the Incomati-Mozambique; Chen S.
(2007) phân tích và xây dựng mô hình thí nghiệm xâm nhập mặn vùng ngập nước Pear-Trung Quốc; Ralston D. (2008) trình bày các kết quả quan trắc cũng như mô hình thủy lực-lan truyền mặn sông Hudsson-New York-Mỹ vùng triều về vận tốc dòng chảy và xâm nhập mặn; Lerczak J. (2009) đã tiến hành nghiên cứu tương quan giữa chiều dài xâm nhập mặn khu đầm ven bờ biển phân lớp không hoàn toàn theo thời gian với các sự thay đổi về lưu lượng trong sông và mức độ dao động triều; Ralston D. (2010) tiến hành nghiên cứu đánh giá cấu trúc, sự biến đổi và dòng muối trong dải đầm ven biển chịu tác dụng của tỷ trong nước có hàm lượng muối cao; Gong W.
(2011) nghiên cứu sự xâm nhập mặn do thay đổi lưu lượng nước sông và thủy triều trong mùa khô trong sông khu vực đầm ven biển Modaomen-Trung Quốc; Zhou N. Tiếp theo đó, việc mô phỏng dòng chảy bằng các phương trình thuỷ động lực đã tạo tiền đề giải bài toán truyền mặn khi kết hợp với phương trình khuếch tán. Cùng với phương trình bảo toàn, phương trình động lực và phương trình khuếch tán chất hoà tan trong dòng chảy cho phép mô phỏng diễn biến của vật chất hoà tan, khuếch tán như nước mặn xâm nhập vào vùng cửa sông, chất chua phèn lan truyền từ đất ra mạng lưới kênh sông và các loại chất thải sinh hoạt và công nghiệp xả vào dòng nước. Cụ thể hơn, 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 đã quan tâm từ khoảng 40 - 50 năm trở lại đây.
Các mô hình tính toán xâm nhập mặn thường sử dụng bài toán một chiều dựa trên việc giải số hệ phương trình Saint - Venant kết 6 hợp với phương trình truyền tải, khuếch tán trong dòng chảy [15]. 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 [15]. Năm 1971, Prichard đã dẫn xuất hệ phương trình 3 chiều để diễn toán quá trình xâm nhập mặn nhưng nhiều thông số không xác định được. Hơn nữa mô hình 3 chiều yêu cầu lượng tính toán lớn, yêu cầu số liệu quá chi tiết trong khi kiểm nghiệm nó cũng cần có những số liệu đo đạc chi tiết tương ứng. Vì vậy các nhà nghiên cứu buộc phải giải quyết bằng cách trung bình hoá theo 2 chiều hoặc 1 chiều [16].
Sanker và Fischer, Masch (1970) và Leendertee (1971) đã xây dựng các mô hình 2 chiều và 1 chiều trong đó mô hình 1 chiều có nhiều ưu thế trong việc giải các bài toán phục vụ yêu cầu thực tế tốt hơn về đánh giá xâm nhập mặn [16]. 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 lan truyền mặn thông dụng trên thế giới đã được áp dụng cho nhiều khu vực: (i) Mô hình động lực cửa sông FWQA thường được đề cập đến trong các tài liệu là mô hình ORLOB theo tên gọi của 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 [13].
(ii) Mô hình thời gian thuỷ triều của 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 7 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 ngòi thực tế [14]. (iv) Mô hình MIKE 11 là mô hình thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng. Đây là loại mô hình thuỷ lực và chất lượng nước một chiều (trường hợp riêng là xâm nhập mặn) và hai chiều có độ tin cậy rất cao, thích ứng với các bài toán thực tế khác nhau.
Mô hình này đã được áp dụng rất phổ biến trên thế giới để tính toán, dự báo lũ, chất lượng nước và lan truyền mặn vào sông [16]. (v) Mô hình ISIS (Anh) do các nhà thuỷ lực Anh xây dựng, thuộc lớp mô hình thuỷ lực một chiều kết hợp giải bài toán chất lượng nước và có nhiều thuận lợi trong khai thác. Mô hình cũng được nhiều nước sử dụng để tính toán lan truyền mặn [14]. (vi) Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) được cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (US EPA) phát triển từ năm 1980.
Đây là mô hình tổng hợp dùng để tính toán thuỷ lực kết hợp với tính toán lan truyền chất 1, 2, 3 chiều. Mô hình có khả năng dự báo các quá trình dòng chảy, quá trình sinh, địa hoá và lan truyền mặn [16]. Bên cạnh công cụ mô hình toán, nhiều nghiên cứu đã ứng dụng ảnh vệ tinh, các video chụp từ máy bay và các máy đo quang phổ mặt đất để theo dõi và đánh giá nhiễm mặn, phần lớn dựa vào quan hệ giữa phản xạ phổ trên nước nhiễm mặn và nồng độ mặn đo đạc (Long and Nielsen, 1987; Everitt et al., 1988; Csillag et al., 1993; Verma et al.