Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ chuyên ngành Thủy văn học (mã số: 9 44 02 24) với đề tài "Nghiên cứu đặc điểm phân bố nước ngọt trên dòng chính vùng cửa sông Cửu Long – trường hợp sông Cổ Chiên" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đặng Hòa Vĩnh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đào Đình Châm và TS. Lê Ngọc Thanh, bảo vệ tại Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2023.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Vùng cửa sông (VCS) là môi trường chuyển tiếp nhạy cảm, nơi diễn ra quá trình pha trộn giữa dòng nước ngọt lục địa và nguồn nước mặn từ biển. Đây là khu vực tập trung hơn một nửa các đô thị lớn trên thế giới nằm trong phạm vi cách bờ biển dưới 50 km với mật độ dân số cao gấp 2,6 lần nội địa. Tại đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), tình trạng xâm nhập mặn (XNM) và khan hiếm nước ngọt trong mùa khô tác động trực tiếp đến sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp của cư dân ven biển. Việc khai thác quá mức nguồn nước dưới đất (NDĐ) đã dẫn đến hiện tượng suy giảm tầng chứa nước, sụt lún mặt đất và gia tăng ô nhiễm. Trong khi đó, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung phân tích độ mặn cực đại ($S_{max}$) nhằm phục vụ công tác phòng chống mặn mà chưa khảo sát đầy đủ quy luật xuất hiện của nguồn nước ngọt trong mùa kiệt theo chu kỳ triều và không gian dòng chảy. Do đó, việc chuyển đổi hướng tiếp cận sang "tìm kiếm các thời điểm có nước ngọt trong vùng nhiễm mặn" là yêu cầu cấp thiết để bổ sung nguồn cấp nước mặt cho khu vực.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Nhận dạng được các đặc điểm phân bố nước ngọt trong mối tương tác sông – biển tại VCS Cửu Long (nghiên cứu điển hình cho sông Cổ Chiên);
- Đánh giá, dự báo được sự biến động nước ngọt VCS Cửu Long trong tương lai dưới tác động của thay đổi dòng chảy thượng lưu;
- Đề xuất được giải pháp khai thác nguồn nước mặt cung cấp cho các đối tượng dùng nước ở khu vực nghiên cứu.
Để thực hiện các mục tiêu trên, luận án triển khai 4 nhiệm vụ:
- Nghiên cứu các đặc điểm phân bố nước ngọt ở VCS Cửu Long theo thời gian, theo phương dọc và theo phương đứng;
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nước ngọt VCS Cửu Long, bao gồm các yếu tố dòng chảy thượng lưu và các yếu tố thủy triều từ phía biển;
- Nghiên cứu dự báo sự biến động nước ngọt VCS Cửu Long dưới tác động của thay đổi dòng chảy thượng lưu đến năm 2030;
- Nghiên cứu các giải pháp khai thác nước ngọt phục vụ đáp ứng nhu cầu dùng nước cho khu vực dân sinh VCS Cửu Long, điển hình cho hệ thống sông Cổ Chiên.
Câu hỏi nghiên cứu và Luận điểm bảo vệ
Luận án tập trung giải quyết 3 câu hỏi nghiên cứu:
- (i) Nước ngọt phân bố ở VCS Cửu Long như thế nào?
- (ii) Ảnh hưởng của các yếu tố dòng chảy thượng lưu và yếu tố thủy triều từ phía biển đến phân phối nước ngọt ra sao?
- (iii) Làm thế nào để khai thác nước ngọt ở VCS?
Tác giả xây dựng 3 luận điểm bảo vệ:
- Luận điểm 1: Nguồn nước ngọt đảm bảo tiêu chuẩn sử dụng cho sinh hoạt vẫn luôn tồn tại ở VCS Cửu Long và được phân bố theo không gian, thời gian với quy luật nhất định.
- Luận điểm 2: Các đặc trưng của nước ngọt ở VCS Cửu Long có mối quan hệ với dòng chảy từ thượng lưu; dòng chảy sông Mekong vào Việt Nam có xu thế gia tăng vào cuối mùa kiệt dẫn đến gia tăng lượng nước ngọt ở VCS, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác.
- Luận điểm 3: Nguồn nước ngọt VCS Cửu Long có thể khai thác hiệu quả phục vụ cấp nước cho yêu cầu dân sinh khi có các giải pháp công trình và phi công trình phù hợp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Đặc điểm phân bố nước ngọt trên sông chính (nguồn nước mặt); dự báo biến động và các giải pháp kỹ thuật khai thác nước ngọt vùng cửa sông.
- Phạm vi không gian: Vùng cửa sông Cửu Long gồm các cửa sông chính: Cửa Tiểu, Cửa Đại, Ba Lai, Hàm Luông, Cổ Chiên, Cung Hầu, Định An, Trần Đề. Chi tiết chuyên sâu áp dụng cho hệ thống sông Cổ Chiên gồm 2 cửa: Cổ Chiên (thuộc Bến Tre) và Cung Hầu (thuộc Trà Vinh).
- Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu phân tích phân bố nước ngọt VCS thu thập trong giai đoạn 1996–2021; chuỗi số liệu dòng chảy thượng lưu và mực nước biển khảo sát trong khoảng thời gian 1980–2019; mốc dự báo biến động nước ngọt được tính toán đến năm 2030.
- Phạm vi khoa học: Tập trung đánh giá động lực học nước mặt dòng chính theo các trục không gian và thời gian; phân tích tác động của việc điều tiết hồ chứa thượng nguồn kết hợp biến đổi khí hậu (BĐKH) và nước biển dâng (NBD); đề xuất các giải pháp kỹ thuật thu trữ nước quy mô hộ gia đình, trạm cấp nước nhỏ và quy mô cấp nước đô thị.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây
-
Nghiên cứu quốc tế và Ủy ban sông Mekong (MRC):
- Về quá trình xáo trộn thủy lực cửa sông, Pritchard (1955) đã phân loại mức độ pha trộn dựa trên tỷ số giữa lượng dòng triều từ biển ($W_T$) và lượng nước nguồn thượng lưu ($W_S$): $W_T/W_S \le 1$ (phân tầng rõ rệt, nêm mặn đáy), $1 < W_T/W_S \le 10$ (xáo trộn vừa), và $W_T/W_S > 10$ (xáo trộn mạnh hoàn toàn).
- Nghiên cứu tương tác lục địa - biển (LOIS) do NERC (1992) đề xướng; các công trình tính toán động lực học hải dương của G. Kagan (1984), Klaus Wyrtki (1961) về thủy triều và hoàn lưu Biển Đông.
- Báo cáo IPCC (1992) về xu thế NBD toàn cầu từ 32–64 cm.
- Các chương trình WUP, BDP, EP của MRC cùng dự án của Ngân hàng Thế giới (2004) thiết lập hệ thống công cụ hỗ trợ ra quyết định (DSF) gồm mô hình SWAT, IQQM và ISIS để mô phỏng dòng chảy kiệt và kịch bản phát triển thượng lưu.
-
Nghiên cứu trong nước về tài nguyên nước và xâm nhập mặn ĐBSCL:
- Nguyễn Sinh Huy (1993, 1998, 2012, 2014), Lê Sâm (1996, 2008) khảo sát chi tiết chế độ truyền triều, động thái mặn trên sông Tiền và sông Hậu, ghi nhận tháng 4 là thời điểm mặn vào sâu nhất (Cửa Tiểu đạt 57 km với nồng độ 4‰; Cửa Định An đạt 40 km).
- Tổng cục Thủy lợi (2016) phân tích hạn mặn lịch sử năm 2016, xác định ranh mặn 4‰ lấn sâu thêm 10–25 km vào nội đồng.
- Về cấu trúc phân tầng độ mặn, Nguyễn Phương Mai (2022) công bố kết quả đo đạc thực tế tại Đại Ngãi, Cầu Quan và Láng Thé ghi nhận trạng thái xáo trộn vừa trong kỳ triều cường; Đỗ Đức Hải (2022) sử dụng mô hình 3D chỉ ra hiện tượng phân tầng mặn xuất hiện rõ nét trên sông Hậu vào thời kỳ triều kém.
- Nguyễn Quang Kim (2009), Tô Quang Toản và Tăng Đức Thắng (2013), DHI (2015) phân tích chuỗi dòng chảy qua trạm Kratie và Tân Châu, chỉ rõ việc hình thành các hồ chứa lớn ở thượng nguồn (đặc biệt là hồ Tiểu Loan năm 2010 và Nọa Trác Đồ năm 2014) làm thay đổi quy luật dòng chảy kiệt về ĐBSCL.
- Các nghiên cứu về quy hoạch khai thác tài nguyên nước của NEDECO (1993), Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, Phân viện Khảo sát Quy hoạch Thủy lợi Nam Bộ và Dự án Phát triển Thủy lợi ĐBSCL (WB).
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Phần lớn các công trình trước đây tập trung vào việc mô tả lan truyền mặn cực đại và các giải pháp công trình kiểm soát mặn (ngăn mặn triệt để). Luận án của Đặng Hòa Vĩnh đã định vị và giải quyết các khoảng trống:
- Chưa có nghiên cứu hệ thống về quy luật phân bố nước ngọt trong không gian 3 chiều và chuỗi thời gian tại vùng cửa sông Cửu Long.
- Thiếu các dẫn liệu quan trắc thực tế về hiện tượng phân tầng mặn – ngọt (dòng chảy nước ngọt tầng mặt khi nêm mặn đáy xâm nhập) tại cửa sông Cổ Chiên trong mùa kiệt.
- Chưa lượng hóa sự dịch chuyển thời gian xuất hiện nước ngọt và số giờ có nước ngọt trong tháng dưới tác động gia tăng lưu lượng xả cuối mùa khô từ các hồ chứa thủy điện thượng nguồn Mekong.
- Thiếu các giải pháp kỹ thuật thích ứng linh hoạt để khai thác nước ngọt tầng mặt ở quy mô hộ gia đình/trạm nhỏ và phương án tích trữ nước ngọt quy mô đô thị dựa vào các nhánh sông bỏ cụt tại vùng ven biển.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
Luận án ứng dụng lý thuyết động lực học chất lỏng vùng cửa sông, lý thuyết lan truyền đối lưu – khuếch tán chất tan và cơ chế pha trộn khối nước theo tỷ số $W_T/W_S$.
Để định lượng diễn biến nguồn nước ngọt, tác giả xây dựng hệ thống các chỉ số đặc trưng khoa học:
- $FWA$ (Non-salinity boundary): Ranh giới luôn có nước ngọt.
- $FWD$ (Daily freshwater boundary): Ranh giới có nước ngọt xuất hiện hàng ngày trong mùa kiệt.
- $FW4$ (The boundary of freshwater in April): Ranh giới có nước ngọt trong tháng IV (tháng kiệt nhất).
- $FW2$ (The boundary of freshwater in February): Ranh giới có nước ngọt trong tháng II.
- $FWN$ (The non-freshwater boundary in the dry season): Ranh giới không có nước ngọt trong suốt mùa khô.
- $FWE$ (The end date of freshwater): Ngày kết thúc mùa có nước ngọt liên tục.
- $FWS$ (The start date of freshwater): Ngày bắt đầu mùa có nước ngọt trở lại.
- $NFW$ (The number of hours each month with freshwater): Tổng số giờ xuất hiện nước ngọt trong một tháng.
- $DFW$ (The largest number of days without freshwater): Số ngày liên tục dài nhất không xuất hiện nước ngọt trong năm.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích thống kê: Xử lý chuỗi số liệu thủy văn, mực nước, lưu lượng và nồng độ mặn nhiều năm; phân tích tương quan tuyến tính và đa biến giữa lưu lượng thượng nguồn (Kratie, Tân Châu) với các chỉ tiêu $NFW$, $DFW$, $FWE$, $FWS$.
- Phương pháp đo đạc khảo sát hiện trường: Bố trí 5 trạm quan trắc mặt cắt độ sâu trên sông Cổ Chiên (ký hiệu TV1, TV2, TV3, TV4, TV5) trong các thời kỳ triều cường và triều kém để đo phân bố độ mặn thẳng đứng, xác định sự hình thành nêm mặn và phân tầng dòng chảy.
- Phương pháp mô hình toán: Ứng dụng bộ mô hình thủy lực và chất lượng nước 1 chiều MIKE 11 (DHI) để mô phỏng quá trình truyền triều, lan truyền mặn và phân bố nước ngọt trên toàn mạng lưới sông ĐBSCL; đánh giá độ tin cậy mô hình thông qua hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($NSE$) và tỷ lệ sai số phần trăm ($PBIAS$).
- Phương pháp tổng hợp địa lý: Phân tích tương tác không gian giữa chế độ thủy văn sông, dao động triều biển Đông và các yếu tố khí tượng – kinh tế xã hội vùng ven biển.
Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng
- Dữ liệu thủy văn - mặn quan trắc: Chuỗi số liệu lưu lượng tại Kratie (Campuchia), Tân Châu và Châu Đốc (1980–2019); chuỗi mực nước và độ mặn tại các trạm Vũng Tàu, Bến Trại, Trà Vinh, Láng Thé (1996–2021).
- Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu lượng mưa năm giai đoạn 1987–2017 tại các trạm khí tượng thuộc 6 tỉnh ven biển ĐBSCL (Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau).
- Dữ liệu địa chất thủy văn: Số liệu điều tra trữ lượng và chất lượng 8 tầng chứa nước dưới đất từ Dự án Đánh giá tác động BĐKH đến tài nguyên NDĐ của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2014) và Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền Nam.
- Dữ liệu khảo sát chuyên đề: Các đợt đo đạc phân tầng độ sâu độ mặn thực tế trên sông Cổ Chiên do tác giả thực hiện năm 2018–2019.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu
Chương 1 tổng hợp các điều kiện tự nhiên, tài nguyên nước và lịch sử khai thác tại ĐBSCL. Lưu vực sông Mekong có diện tích $795.000\text{ km}^2$, tổng lượng dòng chảy đạt khoảng 500 tỷ $\text{m}^3/\text{năm}$, trong đó dòng chảy mùa lũ (tháng 6–11) chiếm 90%, dòng chảy mùa kiệt (tháng 12–5) chỉ chiếm 10%. Biển Hồ (Tonle Sap) với dung tích $85\text{ tỷ m}^3$ đóng vai trò điều tiết tự nhiên quan trọng, bổ sung dòng chảy kiệt cho hạ du ĐBSCL.
Bảng 1: Kết quả tính toán lưu lượng mùa kiệt ($m^3/s$) tại trạm Kratie giai đoạn 1970–2009
| Đặc trưng |
Tháng I |
Tháng II |
Tháng III |
Tháng IV |
Tháng V |
Tháng VI |
| Số năm quan trắc |
40 |
40 |
40 |
40 |
40 |
40 |
| Lưu lượng bình quân ($Q_{bq}$) |
3.460 |
2.410 |
1.820 |
1.580 |
2.580 |
8.870 |
Bảng 2: Thống kê lượng mưa năm (mm) các tỉnh ven biển ĐBSCL chuỗi số liệu 1987–2017
| Thông số thống kê |
Tiền Giang |
Bến Tre |
Trà Vinh |
Sóc Trăng |
Bạc Liêu |
Cà Mau |
Toàn vùng |
| Lượng mưa trung bình (mm) |
1.439 |
1.485 |
1.584 |
1.716 |
1.921 |
2.247 |
1.860 |
| Lượng mưa thấp nhất (mm) |
1.118 |
1.159 |
1.251 |
1.290 |
1.543 |
1.908 |
1.556 |
| Lượng mưa lớn nhất (mm) |
1.835 |
1.858 |
2.108 |
2.339 |
2.566 |
2.906 |
2.427 |
| Hệ số biến thiên ($C_v$) |
0,14 |
0,13 |
0,13 |
0,13 |
0,13 |
0,11 |
0,11 |
| Hệ số thiên lệch ($C_s$) |
0,17 |
0,12 |
0,54 |
0,67 |
0,54 |
1,43 |
0,82 |
Chương này cũng tổng hợp thực trạng tài nguyên NDĐ trong 6 tầng chứa chính (gồm $qp_3$, $qp_{2-3}$, $qp_1$, $n_2^2$, $n_2^1$, $n_1^3$), chỉ rõ tầng Pleistocene giữa - trên ($qp_{2-3}$) đang bị khai thác vượt mức an toàn, gây sụt lún và suy thoái chất lượng nước. Về chế độ biển, vùng biển trước cửa sông Cửu Long chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều với biên độ triều lớn từ 2,5–4,0 m trong kỳ triều cường và 1,2–2,5 m trong kỳ triều kém. Mực nước biển tại trạm Vũng Tàu ghi nhận tốc độ dâng trung bình đạt 3,18 mm/năm.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và dữ liệu sử dụng
Chương 2 trình bày chi tiết khung lý thuyết, cách tiếp cận hệ thống - toàn diện - cộng đồng, thiết lập mô hình thủy lực MIKE 11 và các chỉ tiêu phân bố nước ngọt.
Bảng 3: Định nghĩa các tiêu chí xác định đặc trưng nước ngọt vùng cửa sông
| Ký hiệu |
Tên gọi đầy đủ |
Tiêu chí và định nghĩa xác định |
| $FWA$ |
Non-salinity boundary |
Vị trí trên sông luôn duy trì độ mặn $\le 1‰$ trong suốt năm |
| $FWD$ |
Daily freshwater boundary |
Vị trí có xuất hiện độ mặn $\le 1‰$ vào thời điểm triều rút của tất cả các ngày trong mùa khô |
| $FW4$ |
Freshwater boundary in April |
Vị trí xa nhất về phía biển còn ghi nhận được nước ngọt ($\le 1‰$) trong tháng IV |
| $FW2$ |
Freshwater boundary in February |
Vị trí xa nhất về phía biển ghi nhận được nước ngọt ($\le 1‰$) trong tháng II |
| $FWN$ |
Non-freshwater boundary |
Vị trí hoàn toàn không xuất hiện nước ngọt ($\le 1‰$) trong suốt thời kỳ mùa khô |
| $NFW$ |
Number of freshwater hours |
Tổng số giờ trong tháng có độ mặn đo được $\le 1‰$ tại một vị trí trạm |
| $DFW$ |
Days without freshwater |
Chuỗi số ngày liên tục lớn nhất trong mùa kiệt không có giờ nào xuất hiện nước ngọt |
Quy trình khảo sát thực địa đo đạc độ mặn theo tầng sâu được thiết kế tại 5 điểm trạm trên sông Cổ Chiên (từ TV1 đến TV5) kết hợp đo đạc vận tốc dòng chảy và mực nước thực tế. Bộ mô hình MIKE 11 sau khi cân chỉnh và kiểm định đạt chỉ số $NSE > 0,80$ và $|PBIAS| < 10%$, đảm bảo độ tin cậy để mô phỏng diễn biến mặn và phân bố nước ngọt trên toàn mạng lưới sông Cửu Long.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương 3 tập trung phân tích các quy luật phân bố nước ngọt và tác động của các yếu tố thượng nguồn, hải văn.
-
Quy luật phân bố nước ngọt:
- Theo chiều đứng: Kết quả đo đạc tại TV1–TV5 chỉ ra hiện tượng phân tầng mặn xuất hiện rõ nét nhất trong các ngày triều kém. Nước ngọt có tỷ trọng nhỏ hơn chảy nổi ở tầng mặt khi triều rút, trong khi nêm mặn có tỷ trọng lớn di chuyển áp sát đáy sông. Trong các ngày triều cường, dòng chảy bị xáo trộn mạnh ($W_T/W_S > 10$), hiện tượng phân tầng bị triệt tiêu.
- Theo phương dọc: Ranh giới nước ngọt rút dần về phía thượng lưu từ tháng I đến tháng IV và bắt đầu mở rộng trở lại về phía biển từ tháng V. Vị trí ranh mặn thấp nhất mùa kiệt năm 2005 dọc theo sông Cổ Chiên, Cửa Tiểu, Cửa Đại, Hàm Luông, Định An, Trần Đề cho thấy phạm vi xuất hiện nước ngọt tầng triều rút có thể kéo dài ra xa hơn ranh mặn cực đại từ 10 đến 25 km.
-
Tác động của biến động dòng chảy thượng nguồn:
- Chuỗi số liệu quan trắc sau năm 2014 (khi hồ Nọa Trác Đồ đi vào vận hành) cho thấy lưu lượng dòng chảy mùa kiệt tại trạm Kratie và Tân Châu có xu thế gia tăng rõ rệt vào các tháng cuối mùa kiệt (tháng III và tháng IV), đạt mức tăng từ 500–800 $\text{m}^3/\text{s}$ so với giai đoạn trước năm 2010.
- Phân tích tương quan chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa lưu lượng trung bình tháng tại Tân Châu ($Q_{TC}$) với các đặc trưng nước ngọt tại Trà Vinh: $Q_{TC}$ tỷ lệ thuận với số giờ có nước ngọt trong tháng ($NFW$) và tỷ lệ nghịch với chuỗi ngày liên tục không có nước ngọt ($DFW$).
-
Kết quả dự báo phân bố nước ngọt năm 2030 (Phương án PA2030):
- Kịch bản năm 2030 xét đến việc các hồ chứa thượng nguồn tích và điều tiết khoảng 100 tỷ $\text{m}^3$ (chiếm 18% tổng lượng năm) kết hợp mực nước biển dâng thêm 12 cm tại Vũng Tàu.
- Mô phỏng cho thấy lưu lượng xả mùa kiệt gia tăng từ các hồ chứa giúp cải thiện tổng lượng nước ngọt tại VCS Cửu Long vào cuối mùa khô, rút ngắn số ngày không có nước ngọt ($DFW$) tại khu vực Trà Vinh và Bến Tre, dù mực nước đỉnh triều có xu hướng dâng cao hơn.
Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu đề xuất giải pháp khai thác nước ngọt vùng cửa sông Cửu Long
Chương 4 hiện thực hóa các kết quả nghiên cứu thành giải pháp kỹ thuật công trình và quy trình vận hành:
-
Thiết bị thu/chứa nước ngọt linh hoạt quy mô hộ gia đình và trạm cấp nước nhỏ:
- Đề xuất mô hình thiết bị thu nước ngọt tầng mặt gồm: hệ thống phao bè nổi định vị trên sông, cụm ống thu nước tầng mặt, van một chiều và túi chứa nước chuyên dụng chìm/nổi bằng phao hơi.
- Quy trình vận hành 4 bước: (a) Đưa hệ thống phao và túi rỗng ra vị trí khai thác khi bắt đầu pha triều rút; (b) Đánh chìm túi chứa xuống vị trí khai thác; (c) Khi cảm biến đo độ mặn báo nước đạt chuẩn ngọt ($\le 1‰$), mở miệng túi để nước ngọt tầng mặt tự chảy đầy túi; (d) Dùng phao hơi nâng miệng túi lên mặt nước và kéo túi nước ngọt về bờ hoặc bơm trữ vào bể.
-
Quy trình xác định thời điểm khai thác nước ngọt:
- Thiết lập bảng hướng dẫn tra cứu ngày và khung giờ xuất hiện nước ngọt tại từng phân đoạn sông Cổ Chiên dựa trên quy luật truyền pha triều và lưu lượng thượng nguồn Tân Châu, giúp các trạm cấp nước chủ động lịch vận hành bơm lấy nước.
-
Giải pháp cấp nước quy mô lớn – Hồ chứa nước Láng Thé (TP. Trà Vinh):
- Đề xuất tận dụng đoạn sông nhánh/sông cụt Láng Thé (nối với sông Cổ Chiên) để xây dựng hồ trữ nước ngọt dung tích lớn phục vụ cấp nước sinh hoạt cho thành phố Trà Vinh.
- Tính toán cân bằng nước trong điều kiện khắc nghiệt của năm hạn mặn 2016: Xác định công suất lấy nước bổ sung tối thiểu của trạm bơm trong từng giờ xuất hiện nước ngọt ($NFW$), kết hợp xây dựng hồ phụ lắng lọc và chuyển nước từ sông Cổ Chiên vào hồ Láng Thé nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước đô thị.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về lý luận và khoa học
- Luận án đã xây dựng và hoàn thiện phương pháp luận nhận dạng quy luật phân bố nước ngọt vùng cửa sông thông qua hệ thống các chỉ số khoa học định lượng ($FWA, FWD, FW4, FW2, FWN, FWE, FWS, NFW, DFW$).
- Cung cấp dẫn liệu thực nghiệm về cấu trúc phân tầng độ mặn thẳng đứng trên sông Cổ Chiên, xác định được điều kiện thủy lực hình thành dòng nước ngọt tầng mặt khi nêm mặn đáy xâm nhập trong các thời kỳ triều kém mùa khô.
- Xác lập các phương trình tương quan định lượng giữa dòng chảy thượng nguồn Mekong (trạm Kratie, Tân Châu) với các chỉ tiêu nước ngọt ($NFW, DFW, FWE, FWS$) tại vùng cửa sông Cửu Long.
- Làm rõ xu thế gia tăng dòng chảy mùa kiệt tại hạ du ĐBSCL do hoạt động điều tiết của hệ thống hồ chứa thượng nguồn, chứng minh sự gia tăng cơ hội lấy nước ngọt ở các tháng cuối mùa khô (tháng III–IV).
- Xây dựng bản đồ dự báo phân bố nước ngọt vùng cửa sông Cửu Long đến năm 2030 (PA2030) dưới tác động tổng hợp của phát triển thủy điện thượng lưu và nước biển dâng.
Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất
- Đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết bị thu chứa nước ngọt linh hoạt dạng phao bè – túi chìm/nổi tầng mặt, cho phép các hộ dân và trạm cấp nước nhỏ khai thác nước ngọt ngay trong vùng nhiễm mặn vào các thời điểm triều rút.
- Xây dựng bộ hướng dẫn tra cứu thời gian xuất hiện nước ngọt theo ngày và theo giờ cho vùng cửa sông Cổ Chiên, tối ưu hóa quy trình đóng/mở công trình lấy nước.
- Đề xuất quy hoạch và tính toán thông số thủy lực - dung tích công trình hồ chứa nước ngọt Láng Thé trên đoạn sông nhánh Cổ Chiên, cung cấp cơ sở kỹ thuật để UBND tỉnh Trà Vinh phê duyệt và triển khai dự án cấp nước sinh hoạt an toàn cho thành phố Trà Vinh.
- Đề xuất chuyển đổi phương thức quản lý tài nguyên nước vùng ven biển: giảm dần khai thác NDĐ để chuyển sang vai trò nguồn dự phòng chiến lược, đẩy mạnh khai thác nước mặt có chọn lọc theo giờ triều và nhân rộng các mô hình hồ trữ nước tự nhiên ven sông.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Dữ liệu khảo sát thực địa về phân tầng độ mặn theo chiều sâu mới chỉ thực hiện tập trung tại 5 mặt cắt trên hệ thống sông Cổ Chiên trong một số đợt triều năm 2018–2019, chưa bao phủ toàn diện chuỗi đo đồng thời trên tất cả các cửa sông khác của ĐBSCL.
- Các tính toán về thiết bị thu/chứa nước ngọt dạng túi chìm/nổi mới dừng lại ở mức thiết kế định hình nguyên lý, quy trình vận hành và tính toán sơ bộ, chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế dài ngày trên các điều kiện sóng, dòng chảy phức tạp.
- Mô hình MIKE 11 sử dụng là mô hình 1 chiều, do đó việc mô phỏng hiện tượng phân tầng mặn 3 chiều chỉ được phân tích gián tiếp thông qua số liệu thực địa và các lý thuyết thủy lực pha trộn.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng mạng lưới quan trắc tự động liên tục độ mặn theo tầng sâu tại các cửa sông Tiền, Cửa Đại, Hàm Luông và Định An để cập nhật bức tranh phân tầng mặn toàn vùng.
- Ứng dụng các mô hình thủy động lực học không gian 3 chiều (3D) kết hợp mô hình chất lượng nước chi tiết cho toàn bộ mạng lưới cửa sông ĐBSCL.
- Chế tạo thử nghiệm thực tế và hoàn thiện kết cấu cơ khí – vật liệu của hệ thống thu chứa nước ngọt bằng túi nổi/chìm quy mô hộ gia đình để chuyển giao ứng dụng cho cộng đồng dân cư ven biển.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng cao cho các nhóm đối tượng:
- Cơ quan quản lý nhà nước và quy hoạch tài nguyên nước: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, Sở NN&PTNT và Sở TN&MT các tỉnh ven biển ĐBSCL (Trà Vinh, Bến Tre, Tiền Giang, Sóc Trăng) trong việc lập quy hoạch cấp nước sinh hoạt, điều chỉnh lịch vận hành các hệ thống thủy lợi ngăn mặn lấy ngọt.
- Đơn vị cấp nước đô thị và nông thôn: Trung tâm Nước sạch & Vệ sinh môi trường nông thôn, các Công ty Cổ phần Cấp thoát nước tại ĐBSCL tham khảo phương án vận hành lấy nước theo giờ triều và thiết kế hồ trữ nước sông cụt tương tự mô hình Láng Thé.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Biến đổi khí hậu tham khảo về phương pháp luận thiết lập hệ chỉ số phân bố nước ngọt và phương pháp tích hợp mô hình thủy lực với chuỗi số liệu thực địa.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng những chỉ số khoa học nào để định lượng đặc trưng phân bố nước ngọt tại vùng cửa sông?
Luận án thiết lập hệ thống 9 chỉ số đặc trưng: $FWA$ (ranh giới luôn ngọt), $FWD$ (ranh giới có ngọt hàng ngày), $FW4$ (ranh giới ngọt tháng IV), $FW2$ (ranh giới ngọt tháng II), $FWN$ (ranh giới không có ngọt suốt mùa khô), $FWE$ (ngày kết thúc mùa ngọt), $FWS$ (ngày bắt đầu mùa ngọt), $NFW$ (tổng số giờ có nước ngọt trong tháng) và $DFW$ (số ngày liên tục dài nhất không có nước ngọt).
2. Dòng chảy thượng nguồn Mekong tác động như thế nào đến khả năng lấy nước ngọt tại VCS Cổ Chiên trong mùa khô?
Lưu lượng dòng chảy từ Tân Châu ($Q_{TC}$) có mối quan hệ tương quan chặt chẽ với chế độ nước ngọt tại hạ lưu: $Q_{TC}$ tăng làm tăng tổng số giờ có nước ngọt trong tháng ($NFW$) và rút ngắn số ngày liên tục không có nước ngọt ($DFW$). Sau năm 2014, hoạt động xả nước mùa kiệt của các thủy điện lớn ở thượng nguồn (như Nọa Trác Đồ, Tiểu Loan) đã làm tăng lưu lượng dòng kiệt tháng III–IV về Việt Nam từ 500–800 $\text{m}^3/\text{s}$, tạo điều kiện xuất hiện nước ngọt nhiều hơn vào cuối mùa khô tại VCS Cổ Chiên.
3. Hiện tượng phân tầng độ mặn (nước ngọt chảy phía trên nêm mặn đáy) xuất hiện trong điều kiện nào trên sông Cổ Chiên?
Hiện tượng phân tầng độ mặn xuất hiện rõ rệt nhất trong các thời kỳ triều kém (biên độ triều nhỏ từ 1,2–2,5 m), khi tỷ số giữa thể tích dòng triều và lưu lượng sông nhỏ ($W_T/W_S \le 10$). Lúc này, nước ngọt nhẹ hơn chảy tràn trên mặt sông khi triều rút, trong khi nêm mặn nằm sát đáy. Ngược lại, trong kỳ triều cường (biên độ triều 2,5–4,0 m), dòng chảy bị xáo trộn mạnh ($W_T/W_S > 10$), làm đồng nhất độ mặn theo toàn bộ mặt cắt độ sâu.
4. Giải pháp cấp nước quy mô lớn cho TP. Trà Vinh được luận án tính toán cụ thể qua công trình nào?
Luận án đề xuất và tính toán phương án sử dụng đoạn sông nhánh/sông cụt Láng Thé (nối với sông Cổ Chiên) làm hồ trữ nước ngọt dung tích lớn. Công trình được tính toán khả năng cấp nước và cân bằng nước chi tiết dựa trên dữ liệu năm hạn mặn cực đoan 2016, xác định công suất bơm bổ sung trong các khung giờ có nước ngọt ($NFW$) trên sông Cổ Chiên để cung cấp ổn định cho nhà máy nước TP. Trà Vinh.
5. Thiết bị thu chứa nước ngọt quy mô hộ gia đình được thiết kế với cơ chế hoạt động như thế nào?
Hệ thống gồm phao bè nổi định vị trên sông, ống thu nước tầng mặt có van một chiều và túi chứa chìm/nổi bằng phao hơi. Khi triều rút và nồng độ mặn tầng mặt đạt chuẩn ngọt ($\le 1‰$), miệng túi mở để nước ngọt tự chảy vào túi dìm dưới nước; sau khi lấy đủ nước, hệ thống phao hơi nâng miệng túi lên để kéo về bờ hoặc bơm lên bể trữ, tránh bị nhiễm mặn trở lại khi triều lên.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Đặng Hòa Vĩnh đã giải quyết bài toán cấp nước sinh hoạt cho vùng ven biển ĐBSCL thông qua việc chuyển đổi từ tư duy ngăn mặn thụ động sang chủ động nhận dạng và khai thác các thời điểm xuất hiện nước ngọt trong mùa khô. Bằng sự kết hợp giữa đo đạc thực tế cấu trúc phân tầng mặn – ngọt, mô phỏng MIKE 11 và phân tích chuỗi thủy văn thượng nguồn nhiều năm, luận án đã làm sáng tỏ các quy luật phân bố nước ngọt theo không gian 3 chiều và thời gian trên hệ thống sông Cổ Chiên. Các phát hiện về sự gia tăng dòng chảy cuối mùa kiệt từ thượng nguồn cùng giải pháp công trình hồ chứa Láng Thé và thiết bị túi chứa nổi/chìm đã mang lại cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc quản lý, khai thác bền vững tài nguyên nước mặt tại vùng cửa sông Cửu Long.