CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂM NHẬP MẶN VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan xâm nhập mặn ở các vùng châu thổ lớn và Việt Nam 1.1 Khái niệm về xâm nhập mặn Xâm nhập mặn hay nhiễm mặn là quá trình tích tụ quá nhiều muối hoà tan (chủ yếu là NaCl) trong đất hoặc trong nước, gây ảnh hưởng tới khả năng canh tác của đất cũng như ảnh hưởng tới các quá trình khai thác, sử dụng đất và nước cho các hoạt động sinh hoạt, sản xuất. Xâm nhập mặn là hiện tượng nước biển xâm nhập vào vùng nước ngọt của lòng sông hoặc các tầng chứa nước ngọt dưới đất. Hiện tượng này diễn ra phổ biến tại các vùng cửa sông – nơi tiếp giáp với biển.
Vào mùa kiệt, lượng nước ngọt từ sông đổ ra biển giảm thấp, nước biển lấn sâu vào trong lục địa và làm cho nước sông bị nhiễm mặn, độ mặn sẽ giảm dần theo hướng vào đất liền [4][5]. Theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn: Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn có nồng độ mặn bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc khi cạn kiệt nguồn nước ngọt [6]. Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn tới xâm nhập mặn, như: (i) sự bất cân bằng trong quá trình phát triển tự nhiên của đất, (ii) khai thác quá mức nguồn nước ngầm ven biển khiến xâm nhập mặn từ nước biển vào các mạch nước ngầm, (iii) ảnh hưởng của các quá trình nhân tạo, hoạt động khai thác sử dụng nước cho các hệ thống thuỷ lợi, thủy nông cũng như sử dụng phân bón hóa học, (iv) xâm lấn mặn trên các vùng hạ lưu, cửa sông do suy giảm dòng chảy mùa kiệt. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của luận văn này, xâm nhập mặn chỉ được xem xét dưới góc độ xâm lấn mặn trên các vùng hạ lưu, cửa sông do suy giảm dòng chảy trong mùa kiệt cùng với các tác động cộng hưởng của nước biển dâng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.2 Tổng quan xâm nhập mặn trên thế giới Nghiên cứu và mô phỏng lan truyền mặn cũng như xác định ranh giới mặn trong các vùng châu thổ sử dụng phương pháp mô hình toán đã được nhiều nhà nghiên cứu ở các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Anh quan tâm cách đây khoảng 40-50 năm.
Các mô 5 hình toán mô phỏng xâm nhập mặn đầu tiên thường là các mô hình một chiều. Điển hình trong số đó có thể kể đến mô hình mặn 1 chiều do Ippen và Harleman [7] xây dựng và phát triển. Giả thiết cơ bản của các mô hình một chiều này là các đặc trưng dòng chảy và độ mặn là đồng nhất trên toàn bộ mặt cắt ngang. Mặc dù điều này khó thỏa mãn trong thực tế.
Tuy nhiên, ưu thế đặc biệt của các mô hình một chiều là yêu cầu dữ liệu vừa phải và không quá chi tiết. Do đó, các mô hình một chiều vẫn được sử dụng để mô phỏng lan truyền mặn trong nhiều ứng dụng và tính toán thực tế. Các phương pháp cơ bản được thực hiện bao gồm: Thực nghiệm và mô phỏng quá trình bằng các mô hình toán. Mô hình vật lý mô tả quá trình thủy lực theo tỷ lệ thu nhỏ và trong phòng thí nghiệm.
Để có mô hình này cần phải có thời gian, kinh phí, địa điểm xây dựng mô hình. Loại mô hình này thường ít linh hoạt và tốn kinh phí đầu tư lớn. Mô hình toán học, nhờ tính linh hoạt, thích ứng cho nhiều bài toán với kịch bản khác nhau, khối lượng lời giải lớn trong điều kiện và thời gian khác nhau. Đặc biệt thích hợp cho bài toán qui hoạch và thiết kế.
Với sự phát triển của công nghệ thông tin như hiện nay, mô hình toán học thực sự là công cụ đắc lực cho các nhà nghiên cứu. Quá trình thủy lực: Xử lý phương trình bảo toàn chất lỏng và phương trình bảo toàn động lượng. Quá trình lan truyền chất: Xử lý quá trình bảo toàn chất lan truyền mặn khi đã biết các đặc trưng thủy lực của dòng chảy. 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 được [8].
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 Trong các mô hình toán một, hai, và ba chiều nói chung, mô hình một chiều có nhiều ưu thế trong việc giải các bài toán phục vụ yêu cầu thực tế tốt hơn [9]. Các nhà khoa học cũng thống nhất nhận định rằng, các mô hình một 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.
6 Năm 2017, nghiên cứu “Ứng dụng mô hình số thể tích hữu hạn 3D không có cấu trúc cho các dòng chảy và động lực độ mặn ở đồng bằng Vịnh San Francisco” đã sử dụng mô hình Lưới linh hoạt Delft3D được sử dụng trong nỗ lực này cho động lực học thủy động lực học 3D để mô phỏng độ mặn, nhiệt độ và trầm tích và chất lượng nước cũng như liên kết với mô hình phù hợp với môi trường sống, các động thái thủy triều, theo mùa và hàng năm của mực nước, dòng chảy của sông và độ mặn trong các điều kiện môi trường và cơ sở hạ tầng trong quá khứ. Kết quả mô hình đã được định lượng bằng cách sử dụng một số thước đo đánh giá mô hình và được trực quan hóa thông qua các sơ đồ mục tiêu. Các số liệu này chỉ ra rằng mô hình đã ước tính chính xác mực nước, dòng chảy và độ mặn qua các điều kiện thủy triều và phù sa trên diện rộng, và mô hình có thể được sử dụng để điều tra lưu thông chi tiết và các mô hình độ mặn trên khắp vùng cửa sông ven biển [1]. Nhóm tác giá Maleki Tirabadi và cộng sự đã sử dụng mô đun mặn của mô hình SWAT để phát triển mô hình mô phỏng quá trình mặn tự nhiên trong môi trường làm đầu vào cho các hệ thống đầu nguồn [10].
Năm 2013, nhóm tác giả trường đại học Mansutra đã tiến hành mô phỏng quá trình thuỷ động lực học và quá trình xâm nhập mặn của hồ El-Burullus thuộc đồng bằng sông Nile phía Bắc Ai Cập bằng mô hình Delft3D. Kết qủa mô phỏng đã đưa ra được nồng độ muối trong từng thời kỳ, và từ đó chỉ ra được nguyên nhân gây mặn hồ và các giải pháp giảm thiểu [11]. Năm 2012, nghiên cứu “Mô phỏng và phân tích số lượng độ dài xâm nhập của nước mặn ở đồng bằng sông Châu Giang, Trung Quốc” đã sử dụng mô hình một chiều với 328 điểm tiếp cận và 5108 mặt cắt ngang, và bước thời gian là 300 giây đối với mô hình thủy động lực học và 30 giây đối với mô hình độ mặn trên cơ sở điều kiện Courant – Friedrichs – Lewy. Các kết quả ước tính phù hợp hợp lý với dữ liệu quan sát, cho thấy rằng mô hình đủ mạnh để mô phỏng chuyển động của dòng chảy và độ mặn trong mạng lưới sông Châu Giang.
Đường đẳng mặn 0,5 phần nghìn mô phỏng trong mạng lưới sông Châu Giang hiển thị hình dạng tương tự như chữ “S” và nghiêng về bên phải, cho thấy chiều dài xâm nhập mặn tối đa xảy ra tại cửa xả Humen. Năm 2005, chiều dài xâm nhập mặn xâm nhập xa thượng nguồn với chiều dài trung bình 32,4 km tính từ tám cửa xả, 7 gần gấp hai lần so với năm 2001. Bốn dòng chảy thượng nguồn đại diện cũng được mô phỏng để có được kiến thức định lượng về phản ứng của xâm nhập mặn đối với phóng điện. Cuối cùng, dữ liệu lịch sử đã được thu thập để so sánh tình hình xâm nhập mặn của các mạng lưới sông trong những năm 1960 và 2005 [1].
Nghiên cứu “Mô hình thủy động lực học 1D – 3D được kết hợp với ứng dụng cho Đồng bằng sông Châu Giang” đã ứng dụng kết hợp hệ thống mô hình thủy động lực học 3D cho vùng nước ven biển (Delft3D) với hệ thống mô hình hóa 1D cho thủy lực sông (SOBEK) trực tuyến cho vùng nước ven biển Châu Giang. Hệ thống 1D – 3D kết hợp được sử dụng để lập mô hình các dòng chảy ở Đồng bằng sông Châu Giang (Quảng Đông, Trung Quốc), được xác định bởi sự tương tác của mạng lưới thượng nguồn sông Châu Giang và vùng nước mở của Biển Đông. Mạng lưới sông ở thượng nguồn rất phức tạp được mô hình hóa trong 1D, mô phỏng lưu lượng sông cho các thời kỳ gió mùa khô và ẩm ướt. Mô hình ven biển 3D mô phỏng dòng chảy do lực ép thủy triều tuần hoàn bên ngoài (đại dương), sự phân bố độ mặn cho cả mùa khô và mùa mưa, cũng như mực nước dư (dị thường mực nước biển) bắt nguồn từ Biển Đông.
Kết quả hiệu chỉnh kiểm định dựa trên các phép đo thực địa, dẫn đến sai số bình phương trung bình căn bậc hai (RMS) dưới 6% đối với mực nước trên toàn bộ Đồng bằng sông Châu Giang [14, p. Xâm nhập mặn trên thế giới đã được nghiên cứu từ rất lâu. Xâm nhập mặn trong nước ngầm và nước tưới tiêu ảnh hưởng đến khoảng 16% diện tích nông nghiệp của Úc và 67% diện tích đất có khả năng bị nhiễm mặn theo mùa do nước tưới bị nhiễm mặn [15]. Xâm nhập mặn gia tăng gây ảnh hưởng đến nguồn cấp nước ngọt ở đông bắc Hoa Kỳ.
Nghiên cứu của nhóm tác giả đã chỉ ra rằng nồng độ Clorua trong suối Marylan, New York và New Hampshire cao gấp 25% nồng độ trong nước biển và cao hơn khoảng 100 lần so với các dòng suối trong rừng không bị xâm nhập mặn. Nghiên cứu chỉ ra rằng nếu độ mặn tiếp tục tăng với tốc độ như vậy thì nhiều vùng nước mặt sẽ không thể sử dụng cho mục đích tưới tiêu và sinh hoạt [16].3 Tổng quan xâm nhập mặn tại Việt Nam Công tác nghiên cứu, tính toán xâm nhập mặn ở Việt nam bắt đầu khá sớm, từ những năm 1960 khi tiến hành quan trắc độ mặn ở hai vùng đồng bằng sông Hồng và sông Cửu 8 Long.