CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu xâm nhập mặn 1.1 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn trên thế giới Hiện tượng xâm nhập triều, mặn là quy luật tự nhiên ở các khu vực, lãnh thổ có vùng cửa sông giáp biển. Hiện tượng xâm nhập triều mặn có liên quan đến hoạt động kinh tế - xã hội của nhiều quốc gia nên việc nghiên cứu và tính toán đã được đặt ra từ lâu. Mục tiêu chủ yếu của công tác nghiên cứu là nắm được quy luật của quá trình này để phục vụ các hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng vùng cửa sông. Các phương pháp cơ bản được thực hiện bao gồm thực nghiệm (dựa trên số liệu quan trắc) và mô phỏng quá trình bằng các mô hình toán.
Việc mô phỏng quá trình dòng chảy sông ngòi bằng mô hình toán được bắt đầu từ khi Saint - Vennant (1871) công bố hệ phương trình mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong hệ thống kênh hở một chiều nổi tiếng mang tên ông và với sự phát triển mạnh mẽ của các kỹ thuật tính toán và tốc độ tính toán ngày càng nhanh của máy tính điện tử thì việc mô phỏng dòng chảy sông ngòi nhanh chóng và chi tiết hơn phục vụ nghiên cứu, xây dựng quy hoạch khai thác tài nguyên nước, thiết kế các công trình cải tạo, dự báo và vận hành hệ thống thuỷ lợi. Tiếp theo đó, việc mô phỏng dòng chảy bằng các phương trình thuỷ động lực đã tạo tiền đề giải bài toán truyền mặn khi kết hợp với phương trình khuyếch tán. Cùng với phương trình bảo toàn và phương trình động lực của dòng chảy, còn có phương trình khuyếch tán chất hoà tan trong dòng chảy cũng có thể cho phép - tuy ở mức độ kém tinh tế - mô phỏng cả sự diễn biến của vật chất hoà tan trôi theo dòng chảy như nước mặn xâm nhập vào vùng cửa sông, chất chua phèn lan truyền từ đất ra mạng lưới kênh sông và các loại chất thải sinh hoạt và công nghiệp xả vào dòng nước. Cụ thể hơn, vấn đề tính toán và nghiên cứu triều mặn bằng mô hình đã được nhiều nhà nghiên cứu ở các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Anh quan tâm từ khoảng 40-50 năm trở lại đây.
Với thành tựu của khoa học và công nghệ được phát triển nhanh trong thời 5 gian gần đây, công nghệ tin học, thuỷ lực học và thuỷ văn học hiện đại đã gặp lại nhau ở nhiều mặt, mặc dù chưa phải là hoàn toàn đồng nhất. Các phương pháp tính toán xâm nhập mặn đầu tiên thường sử dụng bài toán một chiều khi kết hợp với hệ phương trình Saint - Venant. Những mô hình mặn 1 chiều đã được xây dựng do nhiều tác giả trong đó có Ippen và Harleman (1971). Giả thiết cơ bản của các mô hình này là các đặc trưng dòng chảy và mật độ là đồng nhất trên mặt cắt ngang.
Mặc dù điều này khó gặp trong thực tế nhưng kết quả áp dụng mô hình lại có sự phù hợp khá tốt, đáp ứng được nhiều mục đích nghiên cứu và tính toán mặn. Ưu thế đặc biệt của các mô hình loại một chiều là yêu cầu tài liệu vừa phải và nhiều tài liệu đã có sẵn trong thực tế. 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. 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. Sanker và Fischer, Masch (1970) và Leendertee (1971) đã xây dựng các mô hình 2 chiều và 1 chiều trong đó mô hình 1 chiều có nhiều ưu thế trong việc giải các bài toán phục vụ yêu cầu thực tế tốt hơn. Các nhà khoa học cũng thống nhất nhận định rằng, các mô hình 1 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.2 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn ở Việt Nam Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công cụ máy tính điện tử cũng như công nghệ tin học cùng với nhu cầu thực tế về tính toán chi tiết hơn chính xác hơn đối với ngành nước, các mô hình thủy văn thủy lực ngày càng đa dạng hơn, phong phú hơn và ngày càng mô phỏng chính xác hơn hệ thống dòng chảy trên lưu vực.
Việc nghiên cứu, tính toán xâm nhập mặn ở nước ta đã được quan tâm từ những năm 60 khi bắt đầu tiến hành quan trắc độ mặn ở hai vùng đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và sông Cửu Long. Tuy nhiên, đối với ĐBSCL do đặc điểm địa hình (không có đê bao) và mức độ ảnh hưởng có tính quyết định đến sản xuất nông nghiệp ở vựa lúa quan trọng 6 nhất toàn quốc nên việc nghiên cứu xâm nhập mặn ở đây được chú ý nhiều hơn. Đặc biệt là thời kỳ sau năm 1976. Một số nhà khoa học Việt Nam như Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên, Nguyễn Tất Đắc, Nguyễn Văn Điệp, Nguyễn Minh Sơn, Trần Văn Phúc, Nguyễn Hữu Nhân,.
đã xây dựng thành công các mô hình thuỷ lực mạng sông kết hợp tính toán xâm nhập triều, mặn như VRSAP, MEKSAL, FWQ87, SAL, SALMOD, HYDROGIS,. Các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung xây dựng thuật toán tính toán quá trình xâm nhập mặn thích hợp với điều kiện địa hình, khí tượng thủy văn ở ĐBSCL. Kết quả được nhìn nhận khả quan và bước đầu một số mô hình đã thử nghiệm ứng dụng dự báo xâm nhập mặn. Nhìn chung, các công trình nghiên cứu trước đây đã có đóng góp đáng kể về mặt khoa học, đặt nền móng cho vấn đề nghiên cứu mặn bằng mô hình toán ở nước ta.
Trong giai đoạn 1977-1985, dựa trên số liệu thực đo từ năm 1960 Viện Khí tượng Thủy văn đã thành lập bản đồ xâm nhập mặn tỷ lệ 1/500.000 với các độ mặn 1‰ và 4‰ cho các sông vùng ven biển ĐBSH. Tuy nhiên, vấn đề dự báo xâm nhập mặn chưa được đặt ra. Cuối năm 1978, cố Giáo sư Nguyễn Như Khuê cho ra đời phần mềm KRSAL. Đây là chương trình tính đối với hệ thống sông và hồ chứa.
Trong thời gian này, chỉ có hai chương trình tính KRSAL và KOD1 của Giáo sư Nguyễn Ân Niên có khả năng giải được bài toán lũ tràn ở đồng bằng sông Cửu Long. Đến năm 1983, Giáo sư Nguyễn Tất Đắc có thêm chương trình tính TLUC (sau này nâng cấp lên được gọi là phần mềm DELTA) có khả năng giải được bài toán dòng chảy lũ ở đồng bằng sông Cửu Long. Đến năm 1984, sau nhiều lần nâng cấp, đặc biệt nâng cấp phần nhập số liệu đầu vào, chương trình của cố Giáo sư Nguyễn Như Khuê mang tên VRSAP. Phần mềm này là công cụ chủ yếu để tính lũ và quy hoạch thủy lợi.
Chương trình VRSAP giải hệ phương trình Saint- Vernant theo sơ đồ ẩn, còn chương trình KOD dùng sơ đồ sai phân hiện. Cả hai chương trình này liên tục được bổ sung, hoàn thiện để tính toán cho mạng lưới sông, tính truyền lũ, tính truyền mặn và tính toán phục vụ quản lý vận hành hệ thống công trình thủy lợi. VRSAP được Viện Quy hoạch Thủy lợi ở cả miền Bắc và miền Nam ứng dụng rất rộng rãi. Trong khí đó, KOD1 và KOD2 của Giáo sư Nguyễn Ân Niên lại được Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi ưa thích sử dụng.
Sau năm 1990, các phần mềm nhập từ nước ngoài thông qua các dự án tài trợ, hoặc tải 7 miễn phí từ mạng Internet, dòng mô hình (MIKE 11. MIKE 21, UNET, CANAMAN, HEC-RAS, DUFLOW v. Đây là những phần mềm thương mại có giao diện thân thiện với người sử dụng và được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. Nhờ ưu điểm của các phần mềm HEC-RAS và MIKE 11, MIKE 21, các bài toán về tính toán vận chuyển bùn cát được giải quyết một cách có hệ thống và hiệu quả.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển công nghệ tin học, kỹ thuật GIS và kỹ thuật viễn thám, ứng dụng các phần mềm trên được phát triển trong việc xây dựng bản đồ ngập lụt, bản đồ rủi ro lũ quét, giải bài toán vỡ đập. Phần mềm iRIC - một phần mềm giao diện kết nối các bài toán dòng chảy không ổn định 1 chiều, 2 chiều (theo chiều dòng chảy & phương nằm ngang và theo chiều dòng chảy & phương thẳng đứng) cũng đang được nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam. Năm 2000-2001, Lã Thanh Hà và Đỗ Văn Tuy đã cải tiến mô hình SALMOD từ mô hình SIMRR với mục đích dự báo thử nghiệm xâm nhập mặn cho sông Văn Úc thuộc thành phố Hải Phòng [1]. Năm 2006, trong khuôn khổ đề tài “Đánh giá đặc điểm tài nguyên nước mặt các sông chính qua tỉnh Nam Định” tác giả Lã Thanh Hà cũng đã tiến hành xây dựng phương án tính toán và dự báo xâm nhập mặn thử nghiệm cho các sông Hồng (từ Hà Nội), sông Đào, sông Ninh Cơ và sông Đáy (từ Ninh Bình) thuộc phạm vi tỉnh Nam Định bằng mô hình MIKE 11 [2].
Viện Khoa học khí tượng thủy văn và môi trường thực hiện đề tài “Xây dựng chương trình dự báo xâm nhập mặn cho khu vực Đồng bằng sông Hồng – Thái Bình” năm 2010, KS. Đoàn Thanh Hằng. Văn phòng DHI Việt Nam đã thực hiện dự án “Tính toán xâm nhập mặn trên các sông thuộc tỉnh Thái Bình và đề xuất giải pháp thích ứng” năm 2012. Phạm Tất Thắng và nnk (2012) thực hiện đề tài “Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu - nước biển dâng đến xâm nhập mặn dải ven biển đồng bằng Bắc Bộ” [3].
Phan Văn Trường (2012) đã tiến hành “Đánh giá hiện trạng nhiễm mặn và khả năng khai thác nguồn nước phục vụ phục vụ phát triên kinh tế - xã hội khu vực ven biển thành phố Hải Phòng” [4]. Năm 2011-2012, trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp kiểm soát mặn phục vụ phát triển kinh tế xã hội cho khu vực hạ lưu sông Mã” GS Vũ Minh Cát và Nguyễn Thị Hằng đã đưa ra được một số các đề xuất trong việc nghiên cứu và kiểm soát mặn vùng hạ du lưu vực sông Mã [5]. 8 Có thể thấy rằng, sự xâm nhậm mặn, có mối quan hệ chặt chẽ với các yếu tố thuỷ văn ở phần hạ du.
