Nghiên cứu mô hình dự báo xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng

• Tác giả: Phoutsadee Sida
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Phi
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Dự Báo Xâm Nhập Mặn Cho Nông Nghiệp Vùng Ven Biển Đồng Bằng Sông Hồng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn trên thế giới
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về dự báo xâm nhập mặn tại Việt Nam
• 1.3. Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 1.4. Tổng quan các công trình mô hình toán trong dự báo xâm nhập mặn
• 1.5. Tổng quan về đặc điểm tự nhiên xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 1.6. Tổng quan về đặc điểm yếu vùng nghiên cứu
• 1.7. Tổng quan về xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 1.8. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VÀ ÁP DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO XÂM NHẬP MẶN PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG VEN BIỂN VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
• 2.1. Phân tích lựa chọn mô hình dự báo xâm nhập mặn
• 2.2. Cơ sở khoa học của mô hình dự báo xâm nhập mặn
• 2.3. Thiết lập sơ đồ tính cho mô hình dự báo xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 2.4. Xây dựng sơ đồ thủy lực, xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 2.5. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực, xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 2.6. Xây dựng kịch bản và tính toán dự báo xâm nhập mặn vùng nghiên cứu
• 2.7. Kết quả tính toán các kịch bản xâm nhập mặn
• 2.8. Xây dựng quy trình dự báo mặn cho mô hình dự báo xâm nhập mặn
• 2.9. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM: DỰ BÁO, CẢNH BÁO MẶN TẠI CÁC CÔNG TRÌNH ĐẦU MỐI CỦA HỆ THỐNG THỦY LỢI NGHĨA HƯNG - NAM ĐỊNH
• 3.1. Phân tích hiện trạng vận hành lấy nước của hệ thống thủy nông Nghĩa Hưng
• 3.2. Hiện trạng công trình thủy nông Nghĩa Hưng
• 3.3. Hiện trạng vận hành lấy nước hệ thống thủy nông Nghĩa Hưng
• 3.4. Dự báo xâm nhập mặn (thí điểm) tại một số công trình đầu mối của Hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng cho vụ Đông Xuân
• 3.5. Đề xuất giải pháp lấy nước phục vụ sản xuất nông nghiệp đối với Hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng
• 3.6. Kết luận và kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện tượng xâm nhập mặn là một vấn đề nghiêm trọng tại các khu vực ven biển, đặc biệt là Đồng bằng Sông Hồng. Tác động của xâm nhập mặn không chỉ ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt mà còn đến sản xuất nông nghiệp, gây thiệt hại kinh tế cho người dân. Nghiên cứu này khẳng định rằng việc xây dựng mô hình dự báo xâm nhập mặn là cần thiết để quản lý nguồn nước hiệu quả hơn. Theo tác giả, "Mục tiêu chủ yếu của công tác nghiên cứu là nắm được quy luật của quá trình này để phục vụ các hoạt động kinh tế - xã hội". Sự suy giảm nguồn nước ngọt do xâm nhập mặn đã dẫn đến việc nhiều diện tích đất nông nghiệp không thể canh tác, ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Do đó, việc phát triển một hệ thống dự báo xâm nhập mặn là thiết yếu nhằm đảm bảo nguồn nước cho nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

II. Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu tổng quát của luận văn là xây dựng hệ thống dự báo và cảnh báo xâm nhập mặn, đồng thời đề xuất phương án vận hành hệ thống thủy lợi để đảm bảo cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp. Mục tiêu cụ thể bao gồm đánh giá tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn và ảnh hưởng của nó đến sản xuất nông nghiệp. Tác giả nhấn mạnh rằng "Xây dựng được bộ mô hình dự báo, cảnh báo diễn biến xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp khu vực ven biển vùng Đồng bằng Sông Hồng" là điều cần thiết. Mục tiêu này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp mà còn góp phần vào việc quản lý tài nguyên nước bền vững.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn tập trung vào xâm nhập mặn tại vùng ven biển Đồng bằng Sông Hồng, đặc biệt là các công trình lấy nước trong hệ thống thủy lợi. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định và Ninh Bình. Tác giả chỉ ra rằng "Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về tình hình xâm nhập mặn tại khu vực ven biển, từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của hiện tượng này". Việc xác định rõ đối tượng và phạm vi nghiên cứu sẽ giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Luận văn áp dụng cách tiếp cận tổng hợp và liên ngành để giải quyết vấn đề xâm nhập mặn. Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thu thập và phân tích các dữ liệu liên quan, khảo sát thực địa, và mô phỏng bằng các mô hình toán học. Tác giả nhấn mạnh rằng "Việc sử dụng các phần mềm hiện đại trong mô phỏng thủy lực và xâm nhập mặn sẽ giúp nâng cao độ chính xác của các dự báo". Cách tiếp cận này không chỉ đảm bảo tính khả thi mà còn tạo điều kiện cho sự tham gia của cộng đồng trong việc quản lý tài nguyên nước, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc ứng phó với xâm nhập mặn.

V. Tổng quan các vấn đề liên quan

Tổng quan về các nghiên cứu trước đây cho thấy xâm nhập mặn là một hiện tượng tự nhiên nhưng có tác động sâu rộng đến kinh tế và xã hội. Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng việc áp dụng các mô hình toán học trong dự báo xâm nhập mặn rất hiệu quả. Tác giả trích dẫn rằng "Mọi dự án phát triển tài nguyên nước hiện nay đều coi mô hình toán dòng chảy là một nội dung tính toán không thể thiếu". Những nghiên cứu này không chỉ cung cấp cơ sở lý thuyết mà còn làm nổi bật tầm quan trọng của việc áp dụng công nghệ hiện đại trong việc giải quyết vấn đề xâm nhập mặn tại Việt Nam.

Tổng quan nghiên cứu

Xâm nhập mặn là hiện tượng tự nhiên phổ biến tại các vùng cửa sông ven biển, đặc biệt tại Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) – khu vực có diện tích thấp, chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều và biến đổi khí hậu. Theo ước tính, khoảng 58,4% diện tích ĐBSH có cao trình thấp hơn 2m, trong đó hơn 72% diện tích thấp hơn 3m, khiến vùng này dễ bị xâm nhập mặn sâu vào nội địa, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và sinh kế người dân. Hiện tượng này diễn biến phức tạp, đặc biệt trong mùa kiệt (tháng 11 đến tháng 5 năm sau), khi lưu lượng nước ngọt từ thượng nguồn giảm mạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho nước mặn từ biển xâm nhập sâu vào hệ thống sông ngòi.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng ven biển ĐBSH, với điểm nhấn là hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định – vùng trọng điểm lúa chịu ảnh hưởng nặng nề của xâm nhập mặn. Mục tiêu cụ thể gồm đánh giá diễn biến xâm nhập mặn, xây dựng mô hình dự báo và đề xuất giải pháp vận hành hệ thống thủy lợi nhằm tối ưu hóa việc lấy nước, chống mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tỉnh ven biển Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định và Ninh Bình, trong giai đoạn từ năm 2011 đến 2018, dựa trên số liệu quan trắc thực tế và mô phỏng thủy lực.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng, giúp nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước, giảm thiểu thiệt hại do xâm nhập mặn, đồng thời góp phần phát triển bền vững nông nghiệp vùng ven biển ĐBSH.

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 lực hiện đại để mô phỏng dòng chảy và xâm nhập mặn trong hệ thống sông ngòi phức tạp. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Hệ phương trình Saint-Venant: Mô hình toán một chiều mô phỏng dòng chảy thủy lực trong hệ thống kênh sông, cho phép tính toán biến đổi mực nước, lưu lượng và vận tốc dòng chảy theo thời gian và không gian. Đây là nền tảng để mô phỏng sự lan truyền của nước mặn trong hệ thống sông.

• Phương trình khuếch tán và bảo toàn muối: Kết hợp với phương trình thủy lực để mô phỏng sự phân bố và biến đổi nồng độ muối trong dòng chảy, từ đó dự báo diễn biến xâm nhập mặn theo các điều kiện thủy văn và thủy triều.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: xâm nhập mặn, thủy triều nhật triều, lưu lượng kiệt, mô hình thủy lực một chiều, kịch bản biến đổi khí hậu, vận hành hệ thống thủy lợi, và cảnh báo sớm.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu quan trắc mực nước, lưu lượng, độ mặn tại các trạm thủy văn trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình giai đoạn 2011-2018; số liệu khí tượng thủy văn (nhiệt độ, mưa, gió, bức xạ); dữ liệu địa hình, địa chất và hiện trạng công trình thủy lợi vùng ven biển ĐBSH.

• Phương pháp phân tích: Áp dụng mô hình thủy lực MIKE 11 HD+AD để mô phỏng dòng chảy và xâm nhập mặn, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực tế tại các trạm đo. Phân tích kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng để đánh giá tác động đến xâm nhập mặn và vận hành hệ thống thủy lợi.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập và tổng hợp số liệu từ năm 2011-2018; xây dựng và hiệu chỉnh mô hình trong năm 2017; thực hiện dự báo thí điểm và đề xuất giải pháp vận hành hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng trong vụ Đông Xuân 2018-2019.

Phương pháp tiếp cận tổng hợp, liên ngành, kết hợp khảo sát thực địa, phân tích số liệu và mô phỏng toán học nhằm đảm bảo tính chính xác và thực tiễn của mô hình dự báo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Diễn biến xâm nhập mặn sâu và phức tạp: Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trên các sông chính vùng ven biển ĐBSH như sông Hồng đạt tới 35-40 km, sông Ninh Cơ 37-40 km, sông Trà Lý 39 km, sông Văn Úc 46 km trong các năm kiệt nước. Độ mặn tại cửa sông dao động từ 18 đến 32 g/l, trong khi tại vị trí cách cửa sông 22 km, độ mặn giảm xuống dưới 1 g/l, cho phép lấy nước phục vụ sản xuất.

2. Ảnh hưởng tiêu cực của biến đổi khí hậu và nước biển dâng: Kịch bản biến đổi khí hậu với mực nước biển dâng 0,6-1,0 m làm tăng sâu ranh giới xâm nhập mặn thêm 25-40 km, gây nhiễm mặn vượt ngưỡng 4‰ tại nhiều cống lấy nước quan trọng, làm giảm năng lực lấy nước phục vụ nông nghiệp khoảng 70% diện tích vùng ven biển.

3. Hạn chế năng lực vận hành hệ thống thủy lợi: Các công trình đầu mối thủy lợi Nghĩa Hưng có tuổi thọ trên 30 năm, khẩu độ cổng nhỏ, xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo năng lực lấy nước. Mực nước thấp trong mùa kiệt, kết hợp thủy triều dâng cao, làm giảm số giờ mở cửa lấy nước, gây thiếu nước tưới cho cây trồng.

4. Tác động đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản: Xâm nhập mặn làm giảm năng suất cây trồng do nước tưới có độ mặn cao, gây chết cây và giảm chất lượng sản phẩm. Nguồn nước ô nhiễm và thiếu nước ngọt cũng ảnh hưởng đến chất lượng nuôi trồng thủy sản, tăng nguy cơ dịch bệnh và thiệt hại kinh tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của diễn biến xâm nhập mặn sâu là do sự kết hợp của lưu lượng nước ngọt giảm mạnh trong mùa kiệt, tác động của thủy triều lớn tại Vịnh Bắc Bộ, và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu làm mực nước biển dâng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô hình dự báo cho thấy sự gia tăng đáng kể về chiều sâu xâm nhập mặn trong những năm gần đây, phù hợp với xu hướng toàn cầu về biến đổi khí hậu.

Việc vận hành các hồ chứa thượng nguồn chưa tối ưu, đặc biệt là việc tích nước phục vụ phát điện làm giảm lưu lượng xả mùa kiệt, góp phần làm mực nước hạ du thấp hơn mức trung bình nhiều năm, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn. Hệ thống công trình thủy lợi xuống cấp làm giảm khả năng lấy nước, gây khó khăn cho việc tưới tiêu và phòng chống mặn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ diễn biến độ mặn theo thời gian tại các vị trí cửa sông và km22, bảng so sánh khoảng cách xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu, và biểu đồ lưu lượng dòng chảy mùa kiệt so với mức trung bình nhiều năm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp, cải tạo hệ thống công trình thủy lợi đầu mối: Tăng khẩu độ cổng lấy nước, sửa chữa, thay thế các bộ phận bị ăn mòn, nâng cao tuổi thọ công trình nhằm đảm bảo năng lực lấy nước trong mùa kiệt. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, thời gian 2-3 năm.

2. Xây dựng và vận hành mô hình dự báo xâm nhập mặn thời gian thực: Áp dụng mô hình thủy lực MIKE 11 HD+AD để cảnh báo sớm, hỗ trợ quyết định vận hành hệ thống thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do mặn. Chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi, phối hợp với các địa phương, thời gian triển khai trong 1 năm.

3. Điều tiết lưu lượng hồ chứa thượng nguồn hợp lý: Phối hợp vận hành các hồ chứa lớn nhằm duy trì lưu lượng tối thiểu mùa kiệt, giảm thiểu xâm nhập mặn sâu vào nội địa. Chủ thể: Ban Quản lý hồ chứa, Bộ Tài nguyên và Môi trường, thời gian liên tục theo mùa vụ.

4. Tăng cường quản lý và bảo vệ nguồn nước: Kiểm soát ô nhiễm, giảm thiểu rác thải, chất thải công nghiệp và sinh hoạt đổ vào hệ thống sông, nâng cao chất lượng nguồn nước phục vụ sản xuất. Chủ thể: UBND các tỉnh, Sở Tài nguyên và Môi trường, thời gian liên tục.

5. Tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng: Khuyến khích người dân tham gia quản lý nguồn nước, vận hành hệ thống thủy lợi, áp dụng các biện pháp chống mặn hiệu quả. Chủ thể: Các tổ chức xã hội, chính quyền địa phương, thời gian liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách tài nguyên nước: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách vận hành hồ chứa, hệ thống thủy lợi, và quy hoạch sử dụng nước hiệu quả trong điều kiện biến đổi khí hậu.

2. Các kỹ sư thủy lợi và chuyên gia môi trường: Tham khảo mô hình thủy lực và phương pháp dự báo xâm nhập mặn để áp dụng trong thiết kế, vận hành và cải tạo công trình thủy lợi vùng ven biển.

3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, tài nguyên nước: Tài liệu chi tiết về đặc điểm tự nhiên, khí hậu, thủy văn vùng ĐBSH, cùng với phương pháp nghiên cứu và kết quả mô hình hóa thực tiễn.

4. Người dân và cộng đồng nông nghiệp vùng ven biển: Hiểu rõ tác động của xâm nhập mặn đến sản xuất, từ đó áp dụng các biện pháp phòng chống, bảo vệ mùa màng và nâng cao hiệu quả sử dụng nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Xâm nhập mặn ảnh hưởng như thế nào đến sản xuất nông nghiệp vùng ven biển?
   Xâm nhập mặn làm tăng độ mặn trong nước tưới, gây hạn chế hấp thu dinh dưỡng của cây trồng, làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm. Ví dụ, tại Nghĩa Hưng, nước mặn xâm nhập sâu khiến diện tích nông nghiệp phải rửa mặn 2-3 lần mỗi năm để duy trì canh tác.

2. Mô hình dự báo xâm nhập mặn được xây dựng dựa trên những dữ liệu nào?
   Mô hình sử dụng số liệu quan trắc mực nước, lưu lượng, độ mặn tại các trạm thủy văn, dữ liệu khí tượng thủy văn và địa hình vùng nghiên cứu, kết hợp với mô phỏng thủy lực bằng phần mềm MIKE 11 HD+AD.

3. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng ra sao đến xâm nhập mặn tại ĐBSH?
   Biến đổi khí hậu làm mực nước biển dâng cao, lượng mưa giảm, lưu lượng nước ngọt về hạ du giảm, tạo điều kiện cho nước mặn xâm nhập sâu hơn vào nội địa, làm tăng nguy cơ nhiễm mặn và thiệt hại sản xuất.

4. Giải pháp nào hiệu quả để giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn?
   Nâng cấp công trình thủy lợi, vận hành hồ chứa hợp lý để duy trì lưu lượng nước ngọt mùa kiệt, xây dựng hệ thống dự báo và cảnh báo sớm, quản lý nguồn nước và tuyên truyền cộng đồng là các giải pháp thiết thực.

5. Làm thế nào để vận hành hệ thống thủy lợi hiệu quả trong điều kiện xâm nhập mặn?
   Cần dựa trên mô hình dự báo để điều chỉnh thời gian mở cửa cống lấy nước, phối hợp vận hành hồ chứa thượng nguồn, đồng thời cải tạo công trình đầu mối để đảm bảo lấy nước đủ và kịp thời phục vụ sản xuất.

Kết luận

• Xâm nhập mặn tại vùng ven biển ĐBSH diễn biến sâu và phức tạp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.
• Biến đổi khí hậu và nước biển dâng làm gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn, đòi hỏi các giải pháp quản lý nguồn nước hiệu quả hơn.
• Mô hình dự báo thủy lực MIKE 11 HD+AD được xây dựng và hiệu chỉnh thành công, cung cấp công cụ hỗ trợ vận hành hệ thống thủy lợi.
• Hệ thống công trình thủy lợi Nghĩa Hưng cần được nâng cấp, cải tạo để đảm bảo năng lực lấy nước trong mùa kiệt.
• Các bước tiếp theo gồm triển khai mô hình dự báo thời gian thực, hoàn thiện quy trình vận hành, và mở rộng áp dụng cho các vùng ven biển khác.

Kêu gọi hành động: Các cơ quan quản lý, nhà khoa học và cộng đồng cần phối hợp chặt chẽ để ứng dụng kết quả nghiên cứu, nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước, bảo vệ sản xuất nông nghiệp và phát triển bền vững vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng.