Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) chiếm khoảng 12% diện tích và 19% dân số cả nước, là trung tâm sản xuất nông nghiệp lớn nhất Việt Nam, đóng góp 50% sản lượng lúa, 65% sản lượng nuôi trồng thủy sản và 70% các loại trái cây. Tuy nhiên, vùng này đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của xâm nhập mặn, đặc biệt trong các năm hạn hán như 2015 và 2016. Độ mặn tại các cửa sông Tiền và Hậu đã vượt mức trung bình nhiều năm từ 3,2 đến 12,4 g/l, với phạm vi xâm nhập mặn sâu hơn từ 10 đến 25 km so với bình thường. Xâm nhập mặn gây thiệt hại nặng nề cho sản xuất nông nghiệp, đời sống dân sinh và kinh tế xã hội vùng ĐBSCL.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng mô hình thủy động lực 2 chiều MIKE 21 để mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn tại hai nhánh sông Tiền và sông Hậu, dự báo xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến năm 2050, đồng thời đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động xâm nhập mặn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực ĐBSCL từ trạm Tân Châu, Châu Đốc đến bảy cửa sông chính, với dữ liệu thu thập từ các trạm thủy văn cấp I và III trong giai đoạn 2015-2016.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ hiện tượng xâm nhập mặn bằng mô hình hai chiều, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong quản lý, khai thác và phân bổ nguồn nước, góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững cho vùng ĐBSCL.

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 động lực học, bao gồm:

  • Hệ phương trình Saint-Venant hai chiều: Giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong dòng chảy sông nước nông, mô tả phân bố vận tốc và chiều sâu dòng chảy.
  • Phương trình lan truyền mặn: Mô phỏng sự lan truyền và phân bố độ mặn trong môi trường nước dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, kết hợp vận tốc dòng chảy và hệ số khuếch tán.
  • Mô hình MIKE 21: Bộ mô hình thủy động lực hai chiều kết hợp module tính toán dòng chảy (HD) và module lan truyền chất (AD), sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình vi phân phi tuyến.

Các khái niệm chính bao gồm: xâm nhập mặn, độ mặn (đơn vị g/l hoặc ‰), hệ số nhám Manning, hệ số khuếch tán, và các chỉ tiêu đánh giá sai số như RMSE, MAE, hệ số tương quan (r), NASH và BIAS.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu địa hình, khí tượng thủy văn và thủy văn từ các trạm cấp I và III thuộc Đài Khí tượng Thủy văn Nam Bộ, bao gồm các trạm Mỹ Thuận, Vàm Nao, Tân Châu, Châu Đốc, Bình Đại, Bến Trại, An Thuận, Cần Thơ, Đại Ngãi, v.v. Dữ liệu được thu thập trong các năm 2015 và 2016, giai đoạn có hạn hán và xâm nhập mặn nghiêm trọng.

Phương pháp phân tích thống kê được sử dụng để kiểm định tính đồng nhất của chuỗi số liệu trước khi đưa vào mô hình. Phương pháp GIS được áp dụng để khai thác dữ liệu địa hình, xây dựng bản đồ phân vùng xâm nhập mặn. Mô hình MIKE 21 với hai module thủy động lực và lan truyền chất được thiết lập trên lưới tam giác không đều, giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ vùng ĐBSCL với phạm vi tính toán từ trạm Tân Châu, Châu Đốc đến bảy cửa sông chính. Phương pháp chọn mẫu dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế và các kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng được xây dựng dựa trên kịch bản gốc năm 2015. Timeline nghiên cứu tập trung vào giai đoạn 2015-2016 để hiệu chỉnh mô hình, sau đó dự báo đến các năm 2030, 2040 và 2050.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Diễn biến xâm nhập mặn năm 2015-2016: Độ mặn tại các cửa sông Tiền và Hậu tăng cao hơn trung bình nhiều năm từ 3,2 đến 12,4 g/l. Phạm vi xâm nhập mặn sâu hơn từ 10 đến 25 km so với bình thường, với chiều dài xâm nhập mặn 4‰ đạt 45-60 km tùy khu vực.

  2. Dự báo xâm nhập mặn theo kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng: Mô hình dự báo độ mặn sẽ tăng lên đáng kể đến năm 2050, với phạm vi xâm nhập mặn có thể mở rộng thêm 10-15 km so với hiện tại, đặc biệt trong mùa khô. Mực nước biển dâng 30 cm sẽ làm tăng độ mặn và kéo dài thời gian xâm nhập mặn trong năm.

  3. Đánh giá sai số mô hình: Các chỉ tiêu RMSE, MAE, hệ số tương quan r đều cho thấy mô hình mô phỏng phù hợp với số liệu thực đo, với sai số RMSE dưới 1,5 g/l và hệ số tương quan r trên 0,85 tại các trạm chính như Vàm Nao, Mỹ Thuận và Cần Thơ.

  4. Ảnh hưởng của xâm nhập mặn đến sản xuất và dân sinh: Khoảng 50% diện tích ĐBSCL bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn, gây thiệt hại khoảng 139.000 ha lúa vụ đông xuân 2015-2016, hơn 100.000 ha cây ăn trái và hàng nghìn ha rau màu bị ảnh hưởng. Hơn 400.000 hộ dân thiếu nước sinh hoạt, với chi phí mua nước ngọt tăng cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của xâm nhập mặn là sự suy giảm lưu lượng nước ngọt từ thượng nguồn do khai thác nước và biến đổi khí hậu, kết hợp với mực nước biển dâng và thủy triều biển Đông, biển Tây. Mô hình hai chiều MIKE 21 cho phép mô phỏng chi tiết biến động dòng chảy và độ mặn theo không gian và thời gian, thể hiện rõ sự lan truyền mặn trong các kênh rạch phức tạp của ĐBSCL.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả mô phỏng của luận văn tương đồng với các báo cáo của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam và các nghiên cứu quốc tế về mô hình thủy động lực học 2D. Việc sử dụng dữ liệu thực đo năm 2015-2016 làm kịch bản gốc giúp mô hình phản ánh chính xác các hiện tượng xâm nhập mặn cực đoan, từ đó nâng cao độ tin cậy của dự báo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường đẳng mặn, bản đồ phân bố độ mặn theo thời gian và không gian, cũng như bảng so sánh sai số mô hình với số liệu thực đo tại các trạm thủy văn. Các biểu đồ này minh họa rõ xu hướng tăng độ mặn và phạm vi xâm nhập mặn mở rộng theo các kịch bản biến đổi khí hậu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quản lý và điều tiết nguồn nước thượng nguồn: Chủ động phối hợp với các quốc gia thượng nguồn để điều tiết lưu lượng nước, giảm thiểu tác động suy giảm dòng chảy mùa khô, nhằm hạn chế xâm nhập mặn. Thời gian thực hiện: ngay lập tức và liên tục; chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, Ủy hội sông Mekong.

  2. Xây dựng và nâng cấp hệ thống cống ngăn mặn và trữ nước ngọt: Triển khai các công trình thủy lợi tại các cửa sông và vùng nội đồng để kiểm soát xâm nhập mặn, đồng thời tích trữ nước ngọt phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Thời gian: 5-10 năm; chủ thể: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các địa phương.

  3. Phát triển mô hình dự báo và cảnh báo sớm xâm nhập mặn: Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình thủy động lực để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, giúp người dân và chính quyền chủ động ứng phó. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi, Đài Khí tượng Thủy văn Nam Bộ.

  4. Khuyến khích chuyển đổi cơ cấu cây trồng và mô hình sản xuất thích ứng: Hướng dẫn nông dân chuyển đổi sang các loại cây trồng chịu mặn, phát triển nuôi trồng thủy sản phù hợp với điều kiện xâm nhập mặn, giảm thiểu thiệt hại kinh tế. Thời gian: liên tục; chủ thể: Sở Nông nghiệp các tỉnh, các tổ chức nông dân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Nhận diện rõ các tác động của xâm nhập mặn và các giải pháp kỹ thuật, từ đó xây dựng chính sách quản lý nguồn nước và phát triển nông nghiệp bền vững.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành Khoa học Môi trường, Thủy lợi: Tham khảo phương pháp mô hình hóa thủy động lực 2 chiều, ứng dụng mô hình MIKE 21 trong nghiên cứu xâm nhập mặn và biến đổi khí hậu.

  3. Các kỹ sư và chuyên gia thủy lợi, quy hoạch tài nguyên nước: Áp dụng kết quả mô phỏng và đề xuất kỹ thuật trong thiết kế, vận hành các công trình thủy lợi, cống ngăn mặn tại vùng ĐBSCL.

  4. Người dân và tổ chức nông nghiệp tại ĐBSCL: Hiểu rõ tác động của xâm nhập mặn đến sản xuất và sinh hoạt, từ đó chủ động điều chỉnh mô hình sản xuất, bảo vệ nguồn nước và đất đai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xâm nhập mặn là gì và tại sao nó lại nghiêm trọng ở ĐBSCL?
    Xâm nhập mặn là hiện tượng nước biển xâm nhập vào vùng nước ngọt, làm tăng độ mặn trong đất và nước, ảnh hưởng đến canh tác và sinh hoạt. Ở ĐBSCL, do vị trí địa lý thấp, lưu lượng nước ngọt giảm và mực nước biển dâng, xâm nhập mặn ngày càng nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn cho nông nghiệp và dân sinh.

  2. Mô hình thủy động lực 2 chiều MIKE 21 có ưu điểm gì trong nghiên cứu xâm nhập mặn?
    MIKE 21 mô phỏng chi tiết dòng chảy và phân bố độ mặn theo không gian hai chiều, phù hợp với hệ thống sông kênh phức tạp như ĐBSCL. Mô hình cho phép dự báo chính xác hơn so với mô hình một chiều, hỗ trợ quản lý nguồn nước hiệu quả.

  3. Các kịch bản biến đổi khí hậu được sử dụng trong nghiên cứu như thế nào?
    Nghiên cứu sử dụng các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng dựa trên dữ liệu thực tế năm 2015 làm kịch bản gốc, sau đó dự báo đến các năm 2030, 2040 và 2050 với mức nước biển dâng 30 cm, nhằm đánh giá xu hướng xâm nhập mặn trong tương lai.

  4. Ảnh hưởng của xâm nhập mặn đến sản xuất nông nghiệp ra sao?
    Xâm nhập mặn làm giảm năng suất lúa, cây ăn trái và rau màu do nước mặn phá hủy cấu trúc đất, gây sốc mặn cho cây trồng. Năm 2015-2016, khoảng 139.000 ha lúa bị thiệt hại, nhiều diện tích cây ăn trái và thủy sản cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

  5. Giải pháp nào hiệu quả để giảm thiểu xâm nhập mặn tại ĐBSCL?
    Các giải pháp bao gồm quản lý lưu lượng nước thượng nguồn, xây dựng công trình ngăn mặn, phát triển hệ thống cảnh báo sớm, và chuyển đổi cơ cấu cây trồng thích ứng với điều kiện mặn. Sự phối hợp đồng bộ giữa các cấp chính quyền và người dân là yếu tố then chốt.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công mô hình thủy động lực 2 chiều MIKE 21 để mô phỏng và dự báo xâm nhập mặn tại sông Tiền và sông Hậu, vùng ĐBSCL.
  • Kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu thực đo năm 2015-2016, phản ánh chính xác diễn biến xâm nhập mặn và tác động của biến đổi khí hậu.
  • Dự báo cho thấy xâm nhập mặn sẽ ngày càng nghiêm trọng đến năm 2050, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật và quản lý hiệu quả.
  • Đề xuất các giải pháp bao gồm quản lý nguồn nước thượng nguồn, xây dựng công trình ngăn mặn, cảnh báo sớm và chuyển đổi mô hình sản xuất.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các nhà quản lý, chuyên gia và người dân trong việc ứng phó với xâm nhập mặn tại ĐBSCL.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, cập nhật mô hình với dữ liệu mới, mở rộng nghiên cứu sang các vùng cửa sông khác và tích hợp các yếu tố môi trường khác.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, bảo vệ bền vững nguồn nước và phát triển kinh tế xã hội vùng ĐBSCL.