Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) và nước biển dâng (NBD) đang là những thách thức lớn đối với các vùng cửa sông ven biển, đặc biệt là tại đồng bằng sông Hồng - Thái Bình. Theo số liệu quan trắc trong 40 năm (1962-2003), mực nước biển trung bình toàn cầu đã tăng thêm khoảng 12 cm, với tốc độ tăng nhanh hơn trong 10 năm cuối (1993-2003) đạt 3,1 mm/năm. Tại tỉnh Thái Bình, vùng nghiên cứu của luận văn, diện tích đất thấp hơn mực nước biển theo các kịch bản NBD có thể chiếm từ 50% đến gần 60% diện tích toàn tỉnh, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của người dân. Mùa kiệt kéo dài từ tháng 10 đến tháng 5 năm sau, với lưu lượng dòng chảy giảm chỉ còn khoảng 31-36% tổng lượng nước năm, làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn sâu vào nội đồng.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến quá trình xâm nhập mặn nước sông Trà Lý và nước ngầm khu vực tỉnh Thái Bình. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình thủy lực và mô hình lan truyền mặn bằng phần mềm EFDC, kết hợp mô hình phần tử hữu hạn để đánh giá xâm nhập mặn nước ngầm, từ đó đề xuất các giải pháp kiểm soát mặn và khai thác nguồn nước hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm đoạn sông Trà Lý từ thôn Thượng Đạt đến cửa Trà Lý và tầng chứa nước Holocen từ TP. Thái Bình đến xã Lê Lợi, huyện Kiến Xương.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, giúp dự báo diễn biến xâm nhập mặn trong bối cảnh nước biển dâng, hỗ trợ quản lý tài nguyên nước, bảo vệ sản xuất nông nghiệp và phát triển kinh tế xã hội bền vững tại vùng cửa sông ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thủy động lực học chất lỏng không nén: Giải các phương trình động lượng, bảo toàn khối lượng và truyền nhiệt, truyền mặn trong môi trường nước mặt ba chiều, sử dụng hệ tọa độ biến dạng sigma theo chiều đứng.
  • Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code): Mô hình thủy lực tổng hợp, mô phỏng dòng chảy, lan truyền mặn, truyền nhiệt và các quá trình sinh - địa - hóa trong sông, hồ, vùng cửa sông và đới bờ. EFDC sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn bậc hai trong không gian và thời gian, có khả năng mô phỏng chính xác các quá trình thủy động lực học phức tạp.
  • Mô hình phần tử hữu hạn: Áp dụng để mô phỏng chuyển động nước ngầm và lan truyền mặn trong tầng chứa nước Holocen, giúp đánh giá ảnh hưởng của xâm nhập mặn nước sông đến nước ngầm khu vực.
  • Các khái niệm chính: Xâm nhập mặn, nước biển dâng, biến đổi khí hậu, thủy triều, lưu lượng dòng chảy, tầng chứa nước Holocen, mô hình thủy lực, mô hình lan truyền mặn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu mực nước, lưu lượng dòng chảy, nồng độ muối thực đo tại các trạm thủy văn trên sông Trà Lý và các sông phụ lưu; số liệu địa hình lòng sông, khí hậu, mưa, độ ẩm; dữ liệu địa chất thủy văn tầng chứa nước ngầm Holocen; các kịch bản nước biển dâng do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình EFDC để mô phỏng thủy động lực và xâm nhập mặn nước mặt theo các kịch bản nước biển dâng khác nhau, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo năm 2010 và 2012. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng lan truyền mặn trong nước ngầm, đánh giá ảnh hưởng của xâm nhập mặn nước sông đến tầng chứa nước.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu từ năm 2010 đến 2012; xây dựng và hiệu chỉnh mô hình trong năm 2013; mô phỏng các kịch bản nước biển dâng và phân tích kết quả trong năm 2014; đề xuất giải pháp và hoàn thiện luận văn vào tháng 8/2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chiều dài xâm nhập mặn tăng theo mực nước biển dâng: Với kịch bản nước biển dâng cao 1 m, chiều dài xâm nhập mặn với nồng độ muối 1 g/l có thể đạt tới khoảng 38 km, gần gấp đôi so với điều kiện hiện tại. Ở nồng độ muối 4 g/l, chiều dài xâm nhập mặn cũng tăng đáng kể, ảnh hưởng sâu vào nội đồng.
  2. Thời gian xâm nhập mặn kéo dài và sâu hơn trong mùa kiệt: Mùa kiệt, lưu lượng dòng chảy giảm chỉ còn khoảng 11-13 m³/s, tạo điều kiện thuận lợi cho nước biển xâm nhập sâu vào sông Trà Lý và các tầng chứa nước ngầm. Thời gian nước sông có nồng độ muối dưới 1 g/l giảm đáng kể, gây khó khăn cho việc lấy nước ngọt phục vụ nông nghiệp.
  3. Ảnh hưởng xâm nhập mặn đến nước ngầm: Mô hình phần tử hữu hạn cho thấy xâm nhập mặn nước sông Trà Lý làm tăng nồng độ muối trong tầng chứa nước Holocen trên và dưới, với mức tăng nồng độ muối trung bình trên toàn miền mô hình khoảng 0,35 g/l. Xâm nhập mặn nước ngầm có xu hướng lan truyền sâu hơn theo các kịch bản nước biển dâng.
  4. Ảnh hưởng kinh tế - xã hội nghiêm trọng: Khoảng 14% diện tích đất nông nghiệp tỉnh Thái Bình có độ cao thấp hơn mực nước biển dâng 1 m, dẫn đến thiệt hại ước tính khoảng 18% sản lượng lương thực. Diện tích đất bị ngập mặn và ngập úng tăng lên, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản ven biển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng xâm nhập mặn là do mực nước biển dâng kết hợp với lưu lượng dòng chảy giảm trong mùa kiệt, làm giảm áp lực đẩy nước mặn ra biển. Kết quả mô hình EFDC và mô hình phần tử hữu hạn phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước về tác động của biến đổi khí hậu đến xâm nhập mặn vùng cửa sông. Biểu đồ thể hiện chiều dài xâm nhập mặn theo các kịch bản nước biển dâng và bảng số liệu so sánh nồng độ muối thực đo với mô hình minh họa tính chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc dự báo xâm nhập mặn để chủ động trong quản lý nguồn nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp. Việc kết hợp mô hình thủy lực và mô hình nước ngầm giúp đánh giá toàn diện hơn về ảnh hưởng xâm nhập mặn, từ đó đề xuất các giải pháp thích ứng hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo xâm nhập mặn tự động: Sử dụng mô hình EFDC kết hợp dữ liệu quan trắc thực tế để dự báo diễn biến xâm nhập mặn theo thời gian thực, giúp các địa phương chủ động điều chỉnh kế hoạch lấy nước. Thời gian triển khai trong 1-2 năm, chủ thể là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Bình.
  2. Tăng cường quản lý và bảo vệ tầng chứa nước ngầm: Áp dụng các biện pháp bổ sung nhân tạo nước ngọt từ nguồn nước mưa và nước mặt để giảm thiểu xâm nhập mặn nước ngầm, bảo vệ nguồn nước sinh hoạt. Thực hiện trong 3-5 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và chính quyền địa phương.
  3. Cải tạo và nâng cấp hệ thống đê điều, cống ngăn mặn: Đầu tư nâng cấp các công trình thủy lợi nhằm kiểm soát triều cường và ngăn chặn xâm nhập mặn sâu vào nội đồng, đặc biệt trong mùa kiệt. Thời gian thực hiện 5 năm, chủ thể là Ban Quản lý dự án thủy lợi tỉnh.
  4. Tuyên truyền và hướng dẫn kỹ thuật lấy nước hợp lý cho nông dân: Cung cấp thông tin về thời điểm lấy nước với nồng độ muối cho phép, giúp giảm thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Triển khai liên tục, chủ thể là các trung tâm khuyến nông và chính quyền địa phương.
  5. Nghiên cứu và áp dụng các mô hình dự báo nâng cao: Phát triển mô hình tích hợp thủy lực - thủy văn - nước ngầm để nâng cao độ chính xác dự báo xâm nhập mặn, phục vụ quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và chính quyền địa phương: Hỗ trợ hoạch định chính sách, xây dựng kế hoạch ứng phó với xâm nhập mặn và biến đổi khí hậu, đảm bảo an ninh nguồn nước cho phát triển kinh tế xã hội.
  2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, môi trường: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp mô hình và dữ liệu thực tiễn để phát triển nghiên cứu sâu hơn về xâm nhập mặn và biến đổi khí hậu.
  3. Các kỹ sư và chuyên gia thủy lợi: Áp dụng kết quả mô hình và đề xuất giải pháp kỹ thuật trong thiết kế, vận hành các công trình thủy lợi, cống ngăn mặn, hệ thống cấp nước.
  4. Nông dân và cộng đồng vùng ven biển: Nhận thức về tác động của xâm nhập mặn, biết cách điều chỉnh thời điểm lấy nước, áp dụng các biện pháp giảm thiểu thiệt hại trong sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xâm nhập mặn là gì và tại sao nó lại quan trọng?
    Xâm nhập mặn là hiện tượng nước biển xâm nhập vào các vùng nước ngọt, làm tăng nồng độ muối trong nước sông và nước ngầm. Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

  2. Mô hình EFDC có ưu điểm gì trong nghiên cứu xâm nhập mặn?
    EFDC là mô hình thủy lực tổng hợp, có khả năng mô phỏng dòng chảy, lan truyền mặn và các quá trình sinh - địa - hóa trong môi trường nước mặt ba chiều với độ chính xác cao. Mô hình này phù hợp để dự báo xâm nhập mặn trong các vùng cửa sông phức tạp như sông Trà Lý.

  3. Ảnh hưởng của nước biển dâng đến xâm nhập mặn như thế nào?
    Nước biển dâng làm tăng mực nước biển trung bình, kéo dài và sâu hơn chiều dài xâm nhập mặn vào nội đồng. Ví dụ, với mực nước biển dâng 1 m, chiều dài xâm nhập mặn có thể tăng gần gấp đôi so với hiện tại, gây thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp và nguồn nước ngọt.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn đến nước ngầm?
    Có thể bổ sung nhân tạo nước ngọt từ nguồn nước mưa và nước mặt vào tầng chứa nước ngầm, đồng thời kiểm soát chặt chẽ khai thác nước ngầm để tránh làm tăng nồng độ muối. Các biện pháp kỹ thuật và quản lý cần được phối hợp thực hiện.

  5. Tại sao cần dự báo xâm nhập mặn theo thời gian thực?
    Dự báo xâm nhập mặn giúp các địa phương và người dân chủ động điều chỉnh thời điểm lấy nước, tránh lấy nước khi nồng độ muối vượt ngưỡng cho phép, giảm thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt. Hệ thống cảnh báo còn hỗ trợ quản lý tài nguyên nước hiệu quả trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình thủy lực EFDC và mô hình phần tử hữu hạn để đánh giá ảnh hưởng của nước biển dâng đến xâm nhập mặn nước sông Trà Lý và nước ngầm tỉnh Thái Bình.
  • Kịch bản nước biển dâng 1 m làm tăng đáng kể chiều dài và thời gian xâm nhập mặn, ảnh hưởng sâu đến nguồn nước ngọt và sản xuất nông nghiệp.
  • Xâm nhập mặn nước sông làm tăng nồng độ muối trong tầng chứa nước Holocen, đe dọa nguồn nước sinh hoạt và sản xuất.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm kiểm soát xâm nhập mặn, bảo vệ nguồn nước và phát triển kinh tế xã hội bền vững.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mô hình tích hợp thủy lực - thủy văn - nước ngầm, phục vụ quản lý tài nguyên nước trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Next steps: Triển khai hệ thống cảnh báo xâm nhập mặn tự động, nâng cấp công trình thủy lợi, tăng cường quản lý nước ngầm và tiếp tục nghiên cứu mô hình dự báo nâng cao.

Call to action: Các cơ quan quản lý, nhà khoa học và cộng đồng cần phối hợp chặt chẽ để ứng phó hiệu quả với thách thức xâm nhập mặn và biến đổi khí hậu tại vùng cửa sông ven biển.