Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá vai trò của các công trình hồ chứa đến xâm nhập mặn trên lưu vực sông mã

Luận văn thạc sĩ đánh giá vai trò công trình hồ chứa trong kiểm soát xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã, phân tích tác động và giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Công Quang
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu đánh giá vai trò của các công trình hồ chứa đến xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu xâm nhập mặn
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn trên thế giới
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn ở Việt Nam
• 1.2. Giới thiệu vùng nghiên cứu
• 1.2.1. Vị trí, giới hạn, phạm vi vùng nghiên cứu
• 1.2.2. Đặc điểm hệ thống sông ngòi lòng dẫn
• 1.2.3. Đặc điểm khí hậu
• 1.2.4. Đặc điểm thủy văn, dòng chảy
• 1.2.5. Hiện trạng các công trình thủy lợi và tình hình xâm nhập mặn vùng hạ lưu lưu vực sông Mã
• 2. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XÂM NHẬP MẶN TRÊN LƯU VỰC SÔNG MÃ
• 2.1. Phân tích, lựa chọn công cụ tính toán
• 2.1.1. Các công cụ nghiên cứu dự báo và cảnh báo xâm nhập mặn
• 2.1.2. Lựa chọn mô hình mô phỏng xâm nhập mặn
• 2.2. Giới thiệu mô hình MIKE 11 và Mô đun chất lượng nước
• 2.2.1. Giới thiệu chung về mô hình MIKE 11
• 2.2.2. Mô đun chất lượng nước
• 2.3. Thiết lập sơ đồ tính và xác định điều kiện biên
• 2.3.1. Thiết lập sơ đồ tính
• 2.3.2. Thiết lập điều kiện ban đầu
• 2.4. Tính toán mô phỏng, hiệu chỉnh mô hình và kiểm định mô hình
• 2.4.1. Hiệu chỉnh mô hình
• 2.4.2. Kết quả kiểm định mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG MÃ
• 3.1. Xây dựng các kịch bản và tính toán nghiên cứu xâm nhập mặn cho kịch bản hiện trạng và kịch bản phát triển 2030
• 3.1.1. Mô phỏng diễn biến mặn cho kịch bản hiện trạng
• 3.1.2. Mô phỏng diễn biến mặn cho kịch bản phát triển đến năm 2030
• 3.2. Tính toán diễn biến xâm nhập mặn vùng hạ du LV sông Mã với các kịch bản vận hành hồ chứa
• 3.2.1. Diễn biến xâm nhập mặn hiện trạng khi vận hành hồ chứa
• 3.2.2. Diễn biến xâm nhập mặn KBPT 2030 khi vận hành hồ chứa
• 3.3. Đề xuất giải pháp xây dựng công trình ngăn mặn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hồ chứa và xâm nhập mặn

Hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã. Các công trình hồ chứa không chỉ điều tiết dòng chảy mà còn giúp duy trì nguồn nước ngọt, đặc biệt trong mùa kiệt. Với tổng dung tích khoảng 2.590 triệu m³, các hồ chứa lớn như Trung Sơn, Cửa Đạt và Hủa Na đã góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn đến nông nghiệp và tài nguyên nước. Nghiên cứu này nhấn mạnh sự cần thiết của việc quản lý hiệu quả các hồ chứa để đảm bảo phát triển bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

1.1. Vai trò của hồ chứa trong kiểm soát mặn

Các hồ chứa trên lưu vực sông Mã không chỉ cung cấp nước cho nông nghiệp và sinh hoạt mà còn giúp điều tiết dòng chảy, ngăn chặn sự xâm nhập của nước mặn từ biển. Trong mùa kiệt, việc vận hành các hồ chứa đã giúp duy trì lưu lượng nước ngọt, giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn đến các khu vực hạ lưu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các vùng sản xuất nông nghiệp, nơi mà độ mặn vượt quá 4‰ có thể gây thiệt hại nghiêm trọng.

1.2. Tác động của biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của xâm nhập mặn. Sự suy giảm dòng chảy trong mùa kiệt và sự gia tăng mực nước biển đã làm cho vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn. Các hồ chứa được xem là giải pháp quan trọng để ứng phó với những thách thức này, đặc biệt trong việc duy trì nguồn nước ngọt và bảo vệ môi trường.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã. Mô hình này cho phép phân tích chi tiết các kịch bản khác nhau, bao gồm hiện trạng và kịch bản phát triển đến năm 2030. Kết quả mô phỏng giúp xác định ranh giới mặn và đánh giá hiệu quả của các hồ chứa trong việc kiểm soát mặn. Phương pháp tiếp cận hệ thống và kế thừa từ các nghiên cứu trước đây đã được áp dụng để đảm bảo tính chính xác và thực tiễn của kết quả.

2.1. Mô hình MIKE 11 và ứng dụng

MIKE 11 là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn trên các hệ thống sông. Mô hình này kết hợp các phương trình thủy lực và truyền chất, cho phép phân tích chi tiết sự lan truyền của nước mặn trong dòng chảy. Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng, việc vận hành các hồ chứa có thể làm giảm đáng kể chiều dài xâm nhập mặn, đặc biệt trong các kịch bản biến đổi khí hậu.

2.2. Kịch bản hiện trạng và phát triển

Nghiên cứu đã xây dựng hai kịch bản chính: hiện trạng và kịch bản phát triển đến năm 2030. Kết quả cho thấy, trong kịch bản phát triển, xâm nhập mặn sẽ gia tăng đáng kể nếu không có sự can thiệp của các hồ chứa. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc quản lý hiệu quả các công trình hồ chứa để đảm bảo phát triển bền vững.

III. Kết quả và đề xuất giải pháp

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, các hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã. Việc vận hành hiệu quả các hồ chứa có thể làm giảm chiều dài xâm nhập mặn và bảo vệ các khu vực hạ lưu. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp như xây dựng công trình ngăn mặn và điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa để ứng phó với biến đổi khí hậu. Những giải pháp này không chỉ giúp bảo vệ nông nghiệp mà còn đảm bảo phát triển bền vững trong tương lai.

3.1. Hiệu quả của hồ chứa

Các hồ chứa như Trung Sơn, Cửa Đạt và Hủa Na đã chứng minh hiệu quả trong việc kiểm soát xâm nhập mặn. Việc điều tiết dòng chảy từ các hồ này đã giúp duy trì nguồn nước ngọt và giảm thiểu tác động của mặn đến các khu vực hạ lưu. Kết quả mô phỏng cho thấy, chiều dài xâm nhập mặn có thể giảm đáng kể khi các hồ chứa được vận hành hợp lý.

3.2. Giải pháp bền vững

Để ứng phó với biến đổi khí hậu, nghiên cứu đề xuất các giải pháp như xây dựng công trình ngăn mặn và điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa. Những giải pháp này không chỉ giúp bảo vệ nông nghiệp mà còn đảm bảo phát triển bền vững trong tương lai. Việc quản lý hiệu quả tài nguyên nước là yếu tố then chốt để đạt được mục tiêu này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Mã là một trong những hệ thống sông liên quốc gia lớn tại khu vực Bắc Trung Bộ với tổng diện tích tự nhiên đạt 28.400 km², trong đó phần diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam là 17.600 km², chiếm khoảng 62%. Vùng đồng bằng hạ lưu sông Mã thuộc tỉnh Thanh Hóa có diện tích tự nhiên khoảng 267.000 ha, là trung tâm kinh tế, văn hóa và sản xuất nông nghiệp trọng điểm của địa phương. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, khu vực hạ du phải đối mặt với tình trạng suy thoái nguồn nước nghiêm trọng vào mùa kiệt, khi tổng lượng dòng chảy mùa khô chỉ chiếm từ 25% đến 30% tổng lượng dòng chảy cả năm. Sự sụt giảm lưu lượng nước ngọt từ thượng nguồn kết hợp với tác động của thủy triều biển Đông đã khiến quá trình xâm nhập mặn diễn biến hết sức phức tạp.

Vào các đợt kiệt đỉnh điểm trong thực tế, điển hình như đợt kiệt năm 2010, nồng độ mặn tại trạm Hàm Rồng cách cửa biển 18,6 km đã ghi nhận giá trị lên tới 12,6‰, và tại trạm Giàng cách cửa biển 24 km lên tới 6,1‰. Các chỉ số này vượt xa ngưỡng chịu mặn của cây trồng nông nghiệp là 4‰ và ngưỡng lấy nước sinh hoạt là 1‰, khiến nhiều trạm bơm trọng điểm như trạm bơm Hoằng Giang chỉ có thể vận hành từ 8 đến 10 giờ mỗi ngày.

Trước bối cảnh đó, luận văn tập trung nghiên cứu và ứng dụng mô hình toán thủy lực nhằm đánh giá định lượng vai trò điều tiết của hệ thống công trình hồ chứa thượng lưu đối với quá trình xâm nhập mặn tại vùng hạ du sông Mã. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ mạng sông chính, các phân lưu và khu vực cửa biển hạ lưu tỉnh Thanh Hóa với chuỗi dữ liệu thủy văn từ năm 1960 đến năm 2015, đồng thời tính toán dự báo cho kịch bản phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2030. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc xác lập quy trình vận hành liên hồ chứa, bảo vệ an ninh nguồn nước ngọt cho hơn 2 triệu người dân và hàng trăm nghìn hecta đất canh tác nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy lực sông ngòi và động lực học dòng chảy cửa sông với hai hệ thống lý thuyết cốt lõi. Thứ nhất là lý thuyết dòng chảy không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở, được mô tả bởi hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant bao gồm phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng. Thứ hai là lý thuyết truyền tải và khuếch tán chất trong môi trường nước, được biểu diễn qua phương trình một chiều mô tả cơ chế lan truyền nồng độ muối hòa tan dưới tác dụng đồng thời của dòng chảy đối lưu và quá trình khuếch tán rối.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: độ mặn cực đại, độ mặn trung bình, ranh giới mặn 1‰ đại diện cho giới hạn an toàn cấp nước sinh hoạt và tưới tiêu mẫn cảm, ranh giới mặn 4‰ đại diện cho ngưỡng gây hại trực tiếp đến quá trình sinh trưởng của cây trồng, dòng chảy kiệt, và dao động mực nước triều với biên độ triều cực đại đo được tại cửa sông đạt trên 3,39 m. Bộ công cụ mô hình hóa được lựa chọn là phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển, tích hợp đồng bộ giữa mô đun thủy động lực học và mô đun truyền tải chất lượng nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp toàn diện, bao gồm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn nhiều năm từ 1960 đến 2015 tại 26 trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực, tài liệu mặt cắt địa hình lòng dẫn chi tiết của toàn bộ mạng sông chính sông Mã dài 410 km tại Việt Nam, sông Chu có diện tích lưu vực 7.580 km², sông Lèn dài 40 km, sông Lạch Trường dài 22 km và hệ thống kênh De. Dữ liệu độ mặn thực đo phục vụ mô hình hóa được trích xuất từ các đợt khảo sát chi tiết vào tháng 4 năm 2003, tháng 3 năm 2010 và tháng 3 năm 2012 do Viện Quy hoạch Thủy lợi và cơ quan tài nguyên môi trường địa phương thực hiện.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là tiếp cận hệ thống kết hợp mô hình hóa toán học. Mạng lưới tính toán được thiết lập với cỡ mẫu gồm 6 trạm kiểm định mực nước và 4 trạm kiểm định độ mặn phân bố dọc theo các trục sông chính và phân lưu. Quá trình hiệu chỉnh mô hình được tiến hành trên chuỗi số liệu từ ngày 02 đến ngày 16 tháng 04 năm 2003, và bước kiểm định mô hình được thực hiện độc lập trên chuỗi số liệu từ ngày 21 đến ngày 27 tháng 03 năm 2010. Mô hình MIKE 11 được lựa chọn nhờ khả năng mô phỏng vượt trội mạng lưới sông phân lưu phức tạp, thuật toán sai phân ẩn ổn định và độ tin cậy đã được chứng minh qua nhiều công trình nghiên cứu thủy lực cửa sông tại Việt Nam với sai số tính toán mực nước và nồng độ mặn kiểm định đều đạt dưới 10%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích chuỗi số liệu thực tế đã chỉ ra bốn phát hiện khoa học quan trọng về cơ chế và diễn biến mặn vùng hạ du sông Mã.

Thứ nhất, xâm nhập mặn tại hạ du sông Mã diễn ra gay gắt nhất vào tháng III hàng năm, trùng với thời điểm dòng chảy kiệt nhất trên lưu vực khi lưu lượng trung bình tại Cẩm Thủy chỉ đạt 102 m³/s và mô số dòng chảy đạt 5,8 l/s/km². Trong điều kiện tự nhiên không có sự can thiệp từ hồ chứa, ranh giới mặn 4‰ lấn sâu vào dòng chính sông Mã tới 18-20 km tính từ cửa biển, và trên sông Lèn tại Cụ Thôn cách cửa sông 19 km đạt nồng độ mặn cực đại 7,1‰ vào năm 2010.

Thứ hai, ba hồ chứa lớn trên lưu vực gồm hồ Cửa Đạt với dung tích 1.364 triệu m³, hồ Hủa Na với dung tích 533 triệu m³ và hồ Trung Sơn với dung tích 348,5 triệu m³ chiếm tổng cộng 2.245 triệu m³, tương đương gần 87% tổng dung tích trữ nước của toàn bộ lưu vực sông Mã. Sự hiện diện của cụm hồ chứa này tạo ra nguồn dự trữ nước ngọt có tính chất quyết định đến việc kiểm soát dòng chảy hạ lưu.

Thứ ba, việc vận hành điều tiết xả nước mùa kiệt từ các hồ chứa mang lại hiệu quả đẩy mặn rõ rệt. Cụ thể, khi hồ Cửa Đạt xả bổ sung với lưu lượng 30,42 m³/s, hồ Hủa Na xả 20 m³/s và hồ Trung Sơn xả 15 m³/s, ranh giới mặn 1‰ và 4‰ trên dòng chính sông Mã và các phân lưu được đẩy lùi về phía hạ lưu từ 3 đến 8 km. Tại trạm thủy văn Hàm Rồng, nồng độ mặn đỉnh triều giảm từ 30% đến 55% so với kịch bản dòng chảy tự nhiên không có hồ chứa.

Thứ tư, theo kịch bản phát triển năm 2030 với sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước cho sản xuất và sinh hoạt, nếu không có sự phối hợp vận hành bổ sung từ hồ Pa Ma với lưu lượng xả 25 m³/s, phạm vi xâm nhập mặn 1‰ sẽ có nguy cơ tiến sâu thêm từ 2 đến 5 km trên toàn tuyến sông Lèn và sông Lạch Trường, đe dọa trực tiếp các công trình lấy nước hiện hữu.

Thảo luận kết quả

Diễn biến xâm nhập mặn vùng hạ du sông Mã chịu sự chi phối của mối quan hệ tương tác phức tạp giữa chế độ nhật triều không đều có biên độ triều cao trên 3,0 m tại cửa Hới và động lực dòng chảy ngọt từ thượng nguồn. Khi lưu lượng kiệt giảm mạnh, áp lực dòng chảy sông không đủ lớn để cản trở sự truyền sóng triều mang theo khối nước biển có độ mặn cao lấn sâu vào lòng sông. Hiện tượng phân lưu tại ngã ba Bông, nơi sông Lèn tiếp nhận từ 27% đến 45% tổng lưu lượng kiệt của sông Mã, và ngã ba Tuần chia nước cho sông Lạch Trường đã tạo ra sự biến thiên nồng độ mặn rất khác biệt giữa các nhánh sông.

Toàn bộ các kết quả tính toán mô phỏng được trực quan hóa thông qua hệ thống bản đồ số ranh giới nhiễm mặn 1‰ và 4‰, kết hợp với các biểu đồ đường cong phân bố độ mặn theo thời gian và mặt cắt dọc sông. Sự tương thích cao giữa đường quá trình độ mặn mô phỏng và số liệu thực đo tại trạm Nguyệt Viên, Phà Thắm với hệ số xác định vượt trên 0,85 đã khẳng định tính chuẩn xác của mô hình. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu thủy văn tại đồng bằng sông Hồng và sông Thái Bình, đồng thời chứng minh rằng giải pháp xả nước điều tiết từ các hồ chứa thượng nguồn là phương thức linh hoạt và kinh tế nhất để kiểm soát mặn so với các biện pháp công trình ngăn mặn cục bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng thủy lực và tính toán các kịch bản phát triển, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

Thứ nhất, ban hành và thực thi nghiêm ngặt quy trình vận hành liên hồ chứa tối ưu trên lưu vực sông Mã trong mùa kiệt. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp cùng Tập đoàn Điện lực Việt Nam chỉ đạo các đơn vị quản lý hồ Cửa Đạt duy trì lưu lượng xả tối thiểu 30,42 m³/s, hồ Hủa Na duy trì 20 m³/s và hồ Trung Sơn duy trì 15 m³/s liên tục trong các tháng cao điểm từ tháng II đến tháng IV hàng năm. Mục tiêu là kiểm soát độ mặn tại trạm Hàm Rồng luôn duy trì ở mức dưới 4‰ trong các đợt triều cường, triển khai thực hiện ngay từ giai đoạn 2024-2026.

Thứ hai, đẩy nhanh tiến độ đầu tư xây dựng công trình hồ chứa lợi dụng tổng hợp Pa Ma trên dòng chính sông Mã với dung tích hữu ích khoảng 251,29 triệu m³ và công suất lắp máy 64,1 MW. Ủy ban Nhân dân tỉnh Thanh Hóa cùng Bộ Công Thương cần tích hợp công trình vào quy hoạch phát triển năng lượng và tài nguyên nước giai đoạn 2025-2030, nhằm bổ sung lưu lượng xả mùa kiệt 25 m³/s, nâng tổng lưu lượng dòng chảy mùa khô tại trạm Cẩm Thủy lên trên 120 m³/s.

Thứ ba, nâng cấp và tự động hóa hệ thống mạng lưới quan trắc, cảnh báo sớm xâm nhập mặn. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa chủ trì lắp đặt bổ sung 10 trạm đo mặn và mực nước tự động truyền số liệu thời gian thực tại các vị trí đầu mối quan trọng như cống Nam Huân, cống Cầu De và trạm bơm Hoằng Giang. Dự án hoàn thành trong giai đoạn 2024-2025 nhằm cung cấp bản tin cảnh báo mặn trước 72 giờ với độ chính xác đạt trên 90%.

Thứ tư, tái cơ cấu lịch mùa vụ nông nghiệp và điều chỉnh quy trình lấy nước hạ du thích ứng với biến đổi khí hậu. Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Thanh Hóa cùng các Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi địa phương cần chuyển đổi khoảng 5.000 ha đất canh tác lúa tại các vùng thường xuyên bị mặn xâm nhập sang mô hình nuôi trồng thủy sản nước lợ hoặc cây trồng chịu hạn mặn, đồng thời vận hành các trạm bơm triệt để vào các thời điểm chân triều và khi hồ chứa xả tăng cường, giúp tiết kiệm 15% lượng nước ngọt tiêu thụ mỗi mùa vụ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước, thủy lợi và phòng chống thiên tai thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, cùng các Sở, Ban, Ngành tỉnh Thanh Hóa. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện thể chế quản lý lưu vực, cấp phép khai thác nước mặt và xây dựng kịch bản ứng phó hạn mặn.

Nhóm thứ hai là các đơn vị quản lý, khai thác và vận hành công trình hồ chứa thủy điện, thủy lợi như Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi 3, Công ty Thủy điện Trung Sơn, Công ty Thủy điện Hủa Na. Tài liệu giúp xác định các thông số xả nước tối ưu nhằm cân đối hài hòa giữa lợi ích phát điện thương mại và trách nhiệm điều tiết môi trường đẩy mặn hạ du.

Nhóm thứ ba là các chuyên gia, nhà khoa học, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Mô hình hóa môi trường tại các trường đại học và viện nghiên cứu. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp ứng dụng MIKE 11 HD-AD trên mạng sông lớn chịu ảnh hưởng triều phức tạp.

Nhóm thứ tư là các kỹ sư vận hành tại các Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa. Nghiên cứu giúp đội ngũ kỹ thuật nắm bắt quy luật truyền mặn để chủ động lên phương án đóng mở cống, bảo vệ an toàn cho các trạm bơm tưới tiêu phục vụ sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Ngưỡng độ mặn nào được coi là giới hạn nguy hiểm đối với sản xuất nông nghiệp và cấp nước sinh hoạt tại hạ lưu sông Mã?

Theo quy chuẩn kỹ thuật và nghiên cứu thực tế, nồng độ mặn 1‰ là ngưỡng giới hạn cho phép đối với nguồn nước cấp sinh hoạt và tưới tiêu các loại cây trồng mẫn cảm. Khi nồng độ mặn vượt quá 4‰, phần lớn các loại cây trồng như lúa vụ chiêm xuân sẽ bị ức chế phát triển hoặc chết cháy lá. Điển hình tại trạm bơm Hoằng Giang vào mùa kiệt năm 2010, độ mặn vượt 4‰ đã buộc hệ thống phải ngừng bơm suốt 14 đến 16 giờ mỗi ngày.

Tại sao mô hình MIKE 11 lại được lựa chọn để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã?

Mô hình MIKE 11 là công cụ tính toán thủy lực một chiều có độ ổn định và độ tin cậy cao, tích hợp chặt chẽ giữa mô đun thủy động lực học Saint-Venant và mô đun truyền tải chất Advection-Dispersion. Mô hình này xử lý rất hiệu quả cấu trúc mạng sông phân lưu phức tạp của sông Mã, sông Chu, sông Lèn và sông Lạch Trường, đồng thời cho sai số kiểm định thực tế dưới 10% tại các trạm đo thủy văn.

Hồ chứa Cửa Đạt đóng vai trò cụ thể như thế nào trong công tác kiểm soát độ mặn vùng hạ du?

Hồ chứa Cửa Đạt có dung tích hữu ích lớn đạt 1.080 triệu m³, đóng vai trò chủ lực trong việc bổ sung dòng chảy mùa kiệt với lưu lượng thiết kế xả đẩy mặn đạt 30,42 m³/s. Nguồn nước này giúp đẩy ranh mặn 1‰ trên hạ lưu sông Chu và khu vực ngã ba Giàng lùi xa về phía biển từ 4 đến 6 km, bảo đảm nguồn nước tưới ổn định cho hơn 86.862 ha đất canh tác nông nghiệp.

Mùa kiệt tại lưu vực sông Mã diễn ra vào khoảng thời gian nào và tháng nào ghi nhận độ mặn cao nhất?

Mùa kiệt trên lưu vực kéo dài từ tháng XI đến tháng V năm sau, trong đó thời kỳ kiệt sâu nhất tập trung vào các tháng II, III và IV. Tháng III là thời điểm xuất hiện độ mặn cao nhất trong năm do lưu lượng dòng chảy sông giảm xuống mức tối thiểu khoảng 102 m³/s tại Cẩm Thủy, khiến độ mặn đo được tại Hoàng Tân đạt tới 23,2‰ và tại Quang Lộc đạt 14,1‰.

Đến năm 2030, tình hình xâm nhập mặn tại hạ du sông Mã sẽ biến động ra sao nếu không có các giải pháp công trình bổ sung?

Theo kết quả mô phỏng kịch bản phát triển năm 2030, dưới tác động của biến đổi khí hậu và gia tăng nhu cầu khai thác nước ngọt, ranh giới mặn 1‰ và 4‰ dự báo sẽ lấn sâu thêm từ 2 đến 5 km vào nội đồng trên các nhánh sông Lèn và sông Lạch Trường. Tình trạng này sẽ làm gia tăng nguy cơ thiếu nước tưới cho hàng chục trạm bơm thuộc các huyện Hậu Lộc, Hoằng Hóa và Nga Sơn.

Kết luận

• Lưu vực sông Mã với diện tích 28.400 km² chịu ảnh hưởng xâm nhập mặn nghiêm trọng trong mùa kiệt, đặc biệt vào tháng III khi lưu lượng nước ngọt suy giảm kết hợp với biên độ triều cao trên 3,0 m.
• Mô hình thủy lực MIKE 11 tích hợp mô đun thủy động lực và lan truyền chất đã mô phỏng chính xác quy luật truyền mặn trên toàn mạng sông với độ tin cậy cao qua kiểm định thực tế các năm 2003 và 2010.
• Cụm hồ chứa lớn Cửa Đạt, Hủa Na và Trung Sơn chiếm 87% tổng dung tích hồ chứa toàn lưu vực (2.245 triệu m³) giữ vai trò cốt lõi trong việc đẩy lùi ranh mặn 1‰ và 4‰ từ 3 đến 8 km khi xả bổ sung trên 65 m³/s.
• Kịch bản phát triển năm 2030 dự báo nguy cơ mặn lấn sâu thêm từ 2 đến 5 km, đòi hỏi phải sớm đầu tư hồ chứa Pa Ma với lưu lượng xả 25 m³/s và thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa đồng bộ.
• Việc kết hợp giải pháp công trình điều tiết hồ chứa cùng các biện pháp phi công trình như quan trắc tự động và chuyển đổi cơ cấu cây trồng là định hướng then chốt để bảo đảm an ninh nguồn nước bền vững.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2025 đến năm 2028, các nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng mô hình thủy lực hai chiều cho các khu vực cửa sông ven biển và hoàn thiện hệ thống cơ sở dữ liệu số hóa tài nguyên nước toàn diện đến năm 2030. Bạn hãy tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ để tiếp cận đầy đủ hệ thống thông số thủy lực, bảng biểu phân tích chi tiết và ứng dụng hiệu quả vào công tác quản lý tài nguyên nước thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.