Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tác động xâm nhập mặn tại Sài Gòn - Đồng Nai sử dụng mô hình Telemac 2D

• Tác giả: Lê Quang Thanh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thống
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu tác động xâm nhập mặn khu vực Sài Gòn - Đồng Nai bằng mô hình toán số Telemac 2D
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Thu thập tài liệu cho đề tài
• 1.4.1. Tài liệu về hiện trạng phát triển dân sinh kinh tế
• 1.4.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.4.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.4.2.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VÙNG HẠ LƯU ĐỒNG NAI — SÀI GÒN
• 2.1. Địa hình địa mạo
• 2.2. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 2.2.1. Đặc điểm khí hậu
• 2.2.2. Đặc điểm thủy văn
• 2.2.3. Chế độ thủy triều — mặn
• 2.3. Đặc điểm phân bố chất
• 2.3.1. Đặc điểm phân bố theo không gian
• 2.3.2. Đặc điểm phân bố theo thời gian
• 2.3.3. Phân bố nguồn thải
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TELEMAC 2D
• 3.1. Giới thiệu một số mô hình thủy văn - thủy lực
• 3.1.1. Một số mô hình mưa - dòng chảy
• 3.1.2. Mô hình NAÏMM
• 3.1.3. Mô hình HEC — HMS
• 3.1.4. Mô hình Pelemac
• 3.1.5. Mô hình VRSAÁTPP
• 3.1.6. Mô hình KOD-O1 và KOID-Ô2
• 3.1.7. Mô hình WENDY
• 3.1.8. Mô hình HEC-RLA S
• 3.1.9. Mô hình MIKE
• 3.2. Nhận xét so sánh 2 mô hình thủy lực Mike và Telemac
• 3.3. Cơ sở lý thuyết Telemac 2D
• 3.3.1. Giới thiệu mô hình Telemac
• 3.3.2. Phạm vi ứng dụng Telemac 2D
• 3.3.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình Telemac 2D
• 3.3.4. Phương trình ứng dụng trong mô hình Telemac 2D
• 3.3.5. Thuật toán Telemac 2D
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI TOÁN XÂM NHẬP MẶN CHO VÙNG HẠ LƯU SÔNG SÀI GÒN — ĐỒNG NAI
• 4.1. Miền tính — lưới tính toán và điều kiện biên
• 4.1.1. Miền tính toán
• 4.1.2. Lưới tính toán
• 4.1.3. Điều kiện biên
• 4.2. Cao độ địa hình
• 4.3. Các thông số chính của mô hình
• 4.3.1. Mô phỏng hiện trạng năm 2008
• 4.3.2. Đặc điểm mùa kiệt
• 4.3.3. Kết quả mô phỏng hiện trạng năm 2008
• 4.3.4. Các kịch bản tính toán
• 4.3.4.1. Kịch bản 1 (KB1)
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN
• 5.1. Các thông số kỹ thuật hồ Dầu Tiếng và Trạm Bơm Hòa Phú
• 5.2. Kịch bản 1 (KB1)
• 5.3. Kịch bản 2 (KB2)
• 5.3.1. KB2 với trường hợp mực nước biển dâng 0.2 m
• 5.3.2. KB2 với trường hợp mực nước biển dâng 1.0 m
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về xâm nhập mặn khu vực Sài Gòn Đồng Nai

Xâm nhập mặn là một trong những vấn đề nghiêm trọng mà khu vực Sài Gòn - Đồng Nai đang phải đối mặt. Hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt mà còn tác động đến sản xuất nông nghiệp và sinh kế của người dân. Theo nghiên cứu, độ mặn trong nước sông Sài Gòn đã gia tăng đáng kể trong những năm gần đây, đặc biệt trong mùa khô. Việc sử dụng mô hình toán số Telemac 2D để nghiên cứu và đánh giá tác động của xâm nhập mặn là cần thiết để đưa ra các giải pháp hiệu quả.

1.1. Đặc điểm tự nhiên và thủy văn khu vực Sài Gòn Đồng Nai

Khu vực Sài Gòn - Đồng Nai có đặc điểm địa hình và khí hậu đa dạng, ảnh hưởng lớn đến dòng chảy và sự xâm nhập mặn. Đặc biệt, chế độ thủy triều từ biển Đông có biên độ lớn, tạo điều kiện cho nước mặn xâm nhập sâu vào nội địa.

1.2. Tình hình xâm nhập mặn hiện nay

Theo số liệu từ Viện Kỹ thuật Tài nguyên nước và Môi trường, độ mặn đã xâm nhập sâu vào các khu vực như Biên Hòa và Thủ Đức, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

II. Vấn đề và thách thức trong quản lý xâm nhập mặn

Quản lý xâm nhập mặn là một thách thức lớn đối với các cơ quan chức năng. Sự gia tăng độ mặn trong nước sông không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn làm giảm khả năng cung cấp nước cho các nhà máy nước. Các yếu tố như biến đổi khí hậu và khai thác nguồn nước thượng lưu đang làm tình hình trở nên nghiêm trọng hơn.

2.1. Tác động của biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu dẫn đến sự gia tăng mực nước biển, làm tăng khả năng xâm nhập mặn vào các vùng hạ lưu. Điều này đòi hỏi các biện pháp ứng phó kịp thời và hiệu quả.

2.2. Khai thác nguồn nước thượng lưu

Việc khai thác quá mức nguồn nước ở thượng lưu đã làm giảm lưu lượng nước chảy về hạ lưu, tạo điều kiện cho nước mặn xâm nhập sâu hơn vào sông Sài Gòn - Đồng Nai.

III. Phương pháp nghiên cứu xâm nhập mặn bằng Telemac 2D

Mô hình toán số Telemac 2D được sử dụng để mô phỏng và đánh giá tác động của xâm nhập mặn trong khu vực Sài Gòn - Đồng Nai. Phương pháp này cho phép phân tích sự lan truyền của nước mặn và đưa ra các kịch bản khác nhau để kiểm soát độ mặn trong nước.

3.1. Giới thiệu về mô hình Telemac 2D

Telemac 2D là một mô hình thủy lực mạnh mẽ, cho phép mô phỏng dòng chảy và sự phân bố của các chất ô nhiễm trong môi trường nước. Mô hình này đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu về xâm nhập mặn.

3.2. Quy trình xây dựng mô hình

Quy trình xây dựng mô hình bao gồm việc thu thập dữ liệu địa hình, thủy văn và các thông số môi trường cần thiết để mô phỏng chính xác tình hình xâm nhập mặn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ mô hình Telemac 2D cho thấy sự gia tăng độ mặn trong nước sông Sài Gòn - Đồng Nai, đặc biệt trong các kịch bản khí hậu khác nhau. Những kết quả này có thể được sử dụng để cải thiện quản lý nguồn nước và đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

4.1. Đánh giá tác động của xâm nhập mặn

Kết quả nghiên cứu cho thấy độ mặn đã xâm nhập sâu vào các khu vực hạ lưu, ảnh hưởng đến chất lượng nước và khả năng cung cấp nước cho người dân.

4.2. Giải pháp ứng phó với xâm nhập mặn

Các giải pháp như điều tiết lưu lượng nước từ các hồ chứa và cải thiện hệ thống cấp nước có thể giúp giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Nghiên cứu về xâm nhập mặn khu vực Sài Gòn - Đồng Nai bằng mô hình Telemac 2D đã chỉ ra những thách thức lớn trong quản lý nguồn nước. Tuy nhiên, với các giải pháp hợp lý và sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng, có thể giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu xâm nhập mặn

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn về xâm nhập mặn và các biện pháp ứng phó hiệu quả.

5.2. Vai trò của công nghệ trong quản lý nước

Công nghệ thông tin và các mô hình toán học sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và bảo vệ nguồn nước trước tác động của xâm nhập mặn.

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai là khu vực có tốc độ phát triển kinh tế cao và mật độ dân cư đông đúc nhất cả nước, với diện tích tự nhiên khoảng 452.000 ha, bao gồm các tỉnh Đồng Nai, Tây Ninh, Bình Dương, Long An và thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, vùng này đang đối mặt với vấn đề xâm nhập mặn nghiêm trọng, đặc biệt trong mùa khô, khi dòng chảy thượng nguồn giảm mạnh kết hợp với mực nước triều dâng cao. Hiện tượng xâm nhập mặn đã ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước thô cung cấp cho Nhà máy nước Tân Hiệp, với công suất thiết kế 300.000 m³/ngày đêm, gây gián đoạn cấp nước sinh hoạt cho hàng trăm nghìn người dân.

Mục tiêu chính của luận văn là ứng dụng mô hình toán số Telemac 2D để mô phỏng và đánh giá diễn biến xâm nhập mặn trên lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai, từ đó đề xuất các giải pháp kiểm soát độ mặn tại trạm bơm nước thô Hòa Phú thuộc Nhà máy nước Tân Hiệp. Nghiên cứu cũng xem xét tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt là mực nước biển dâng, đến khả năng đẩy mặn của hồ Dầu Tiếng – công trình thủy lợi quan trọng ở thượng nguồn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai, với dữ liệu thu thập từ năm 2008 và các kịch bản thủy lực khác nhau được xây dựng để mô phỏng.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý nguồn nước, bảo vệ môi trường và giảm thiểu tác động xâm nhập mặn, góp phần đảm bảo an ninh nguồn nước cho phát triển kinh tế – xã hội khu vực trọng điểm phía Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên cơ sở lý thuyết của mô hình toán số Telemac 2D, một công cụ mô phỏng thủy động lực học dòng chảy hai chiều, giải hệ phương trình Saint-Venant không bảo toàn. Mô hình này cho phép mô phỏng các hiện tượng truyền chất hòa tan, ảnh hưởng của thủy triều, ma sát đáy, lực Coriolis, và các yếu tố khí tượng như áp suất không khí và gió. Telemac 2D sử dụng hai phương pháp tính chính: phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích khối hữu hạn, giúp xử lý các bài toán phức tạp như dòng chảy xiết, sông có địa hình phức tạp, và hiện tượng đập.

Ngoài ra, nghiên cứu còn tham khảo các mô hình thủy lực khác như MIKE 11, HEC-RAS, và mô hình VRSAP để so sánh và đánh giá tính phù hợp của Telemac 2D trong việc mô phỏng xâm nhập mặn. Các khái niệm chính bao gồm: xâm nhập mặn, thủy triều bán nhật, lưu lượng thượng nguồn, và tác động của biến đổi khí hậu đến mực nước biển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các trạm thủy văn và quan trắc chất lượng nước trong vùng nghiên cứu, bao gồm mực nước, lưu lượng, độ mặn, và các thông số khí tượng thủy văn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm số liệu thực đo từ năm 2008 và các kịch bản thủy lực được xây dựng dựa trên các mức xả nước khác nhau từ hồ Dầu Tiếng, kết hợp với các kịch bản biến đổi khí hậu có mực nước biển dâng 0,5 m và 1,0 m.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán số Telemac 2D để mô phỏng lan truyền mặn trên lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai. Quá trình xây dựng mô hình bao gồm tạo lưới phi cấu trúc, thiết lập điều kiện biên thủy lực và mặn, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng số liệu thực tế tại các trạm như Biên Hòa, Nhà Bè, và Phú An. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, với các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện trạng xâm nhập mặn năm 2008: Độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú vượt ngưỡng cho phép 2‰ trong mùa khô, gây gián đoạn hoạt động cấp nước. Mặn xâm nhập sâu vào nội đồng, với độ mặn trung bình tại Mũi Nhà Bè lên đến 6,7‰, tại khu vực Bình Chánh từ 6-7‰, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

2. Ảnh hưởng của lưu lượng xả hồ Dầu Tiếng: Khi lưu lượng xả tăng, mức độ giảm mặn tại trạm bơm Hòa Phú được cải thiện rõ rệt. Ví dụ, với lưu lượng xả khoảng 100 m³/s, độ mặn giảm trung bình 30-40% so với kịch bản không xả nước. Tuy nhiên, lưu lượng xả phải cân đối với nhu cầu tưới tiêu và bảo vệ môi trường thượng nguồn.

3. Tác động của biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng: Với kịch bản mực nước biển dâng 0,5 m, việc đẩy mặn bằng xả nước hồ Dầu Tiếng vẫn có hiệu quả nhưng cần tăng lưu lượng và thời gian xả, gây tốn kém và khó khăn trong quản lý. Khi mực nước biển dâng 1,0 m, khả năng đẩy mặn giảm mạnh, biện pháp xả nước không còn hiệu quả, đòi hỏi nghiên cứu các giải pháp công trình như cống ngăn triều.

4. So sánh các kịch bản thủy lực: Kịch bản không biến đổi khí hậu cho thấy độ mặn giảm trung bình 25-35% tại trạm bơm khi xả nước hồ Dầu Tiếng. Trong khi đó, kịch bản biến đổi khí hậu với mực nước biển dâng 1,0 m cho thấy độ mặn giảm chỉ khoảng 10-15%, thể hiện sự suy giảm hiệu quả kiểm soát xâm nhập mặn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xâm nhập mặn sâu là do sự kết hợp giữa giảm lưu lượng thượng nguồn trong mùa khô và tác động của thủy triều biển Đông với biên độ lớn (3,5-4,0 m). Hồ Dầu Tiếng đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết dòng chảy và đẩy mặn, tuy nhiên, việc khai thác nước cho tưới tiêu và sinh hoạt làm giảm khả năng xả nước đẩy mặn. Kết quả mô phỏng bằng Telemac 2D phù hợp với số liệu thực tế, thể hiện qua biểu đồ độ mặn tại các trạm quan trắc.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này khẳng định tầm quan trọng của việc kết hợp các giải pháp công trình và phi công trình để kiểm soát xâm nhập mặn trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc sử dụng mô hình toán số như Telemac 2D giúp dự báo chính xác diễn biến mặn, hỗ trợ quản lý nguồn nước hiệu quả hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường xả nước hồ Dầu Tiếng trong mùa khô: Điều chỉnh lưu lượng xả nước hợp lý nhằm giảm độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú, đảm bảo nguồn nước thô cho Nhà máy nước Tân Hiệp. Thời gian thực hiện: hàng năm trong mùa khô (tháng 3-5). Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ Dầu Tiếng phối hợp với các đơn vị quản lý nguồn nước.

2. Xây dựng công trình cống ngăn triều tại cửa sông: Giải pháp công trình nhằm ngăn chặn xâm nhập mặn từ biển, đặc biệt khi mực nước biển dâng cao. Thời gian thực hiện: 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các cơ quan quản lý thủy lợi.

3. Phát triển hệ thống cảnh báo và dự báo xâm nhập mặn: Ứng dụng mô hình Telemac 2D để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, giúp các đơn vị vận hành hồ chứa và nhà máy nước chủ động điều chỉnh kế hoạch cấp nước. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Trung tâm Quan trắc môi trường.

4. Tăng cường quản lý và sử dụng tiết kiệm nguồn nước: Thực hiện các biện pháp tiết kiệm nước tưới tiêu, sinh hoạt nhằm giảm áp lực lên hồ Dầu Tiếng và lưu vực sông. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương, các hộ dân và doanh nghiệp trong vùng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý nguồn nước và thủy lợi: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng để quản lý hiệu quả nguồn nước, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn gia tăng.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy lợi: Tài liệu chi tiết về ứng dụng mô hình toán số Telemac 2D trong mô phỏng thủy lực và xâm nhập mặn, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

3. Các đơn vị vận hành nhà máy nước và công trình thủy lợi: Thông tin về diễn biến độ mặn và các kịch bản xả nước hỗ trợ trong việc lập kế hoạch vận hành, đảm bảo nguồn nước thô đạt chất lượng.

4. Các cơ quan hoạch định chính sách và quy hoạch phát triển kinh tế – xã hội: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích tác động của xâm nhập mặn đến phát triển bền vững vùng hạ lưu, hỗ trợ xây dựng các chính sách phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình Telemac 2D có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Telemac 2D là mô hình mã nguồn mở, miễn phí, có khả năng mô phỏng dòng chảy hai chiều với độ chính xác cao, xử lý được địa hình phức tạp và hiện tượng đập, phù hợp cho nghiên cứu xâm nhập mặn và thủy lực vùng cửa sông.

2. Xâm nhập mặn ảnh hưởng như thế nào đến Nhà máy nước Tân Hiệp?
   Độ mặn vượt ngưỡng cho phép (2‰) tại trạm bơm Hòa Phú làm gián đoạn cấp nước thô, gây ngưng hoạt động nhà máy trong nhiều giờ, ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước sinh hoạt của khoảng 300.000 người dân.

3. Biến đổi khí hậu tác động ra sao đến xâm nhập mặn ở lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai?
   Mực nước biển dâng làm tăng độ mặn xâm nhập sâu hơn vào nội địa, giảm hiệu quả đẩy mặn bằng xả nước hồ Dầu Tiếng, đòi hỏi phải có các giải pháp công trình bổ sung như cống ngăn triều.

4. Làm thế nào để kiểm soát xâm nhập mặn hiệu quả trong mùa khô?
   Tăng lưu lượng xả nước từ hồ Dầu Tiếng kết hợp với xây dựng công trình ngăn triều, đồng thời áp dụng các biện pháp tiết kiệm nước và quản lý nguồn nước tổng hợp.

5. Dữ liệu nào được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình Telemac 2D trong nghiên cứu?
   Số liệu mực nước, lưu lượng, độ mặn thu thập từ các trạm quan trắc như Biên Hòa, Nhà Bè, Phú An, Vũng Tàu, kết hợp với dữ liệu khí tượng thủy văn và các kịch bản xả nước hồ Dầu Tiếng.

Kết luận

• Ứng dụng mô hình toán số Telemac 2D thành công trong mô phỏng và đánh giá xâm nhập mặn tại lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai, phù hợp với số liệu thực tế.
• Xâm nhập mặn đang gia tăng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước thô cung cấp cho Nhà máy nước Tân Hiệp, đặc biệt trong mùa khô.
• Lưu lượng xả nước hồ Dầu Tiếng có vai trò quan trọng trong kiểm soát độ mặn, tuy nhiên hiệu quả giảm khi mực nước biển dâng cao.
• Cần kết hợp các giải pháp công trình (cống ngăn triều) và phi công trình (quản lý nguồn nước, cảnh báo sớm) để ứng phó với biến đổi khí hậu.
• Khuyến nghị triển khai các nghiên cứu tiếp theo về thiết kế công trình ngăn mặn và phát triển hệ thống dự báo xâm nhập mặn nhằm bảo vệ nguồn nước cho vùng hạ lưu.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời cập nhật dữ liệu và mô hình để nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng rõ nét.