NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ XÂM NHẬP MẶN KHU VỰC SÔNG SÀI GÒN – ĐỒNG NAI BẰNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ TELEMAC 2D

Luận văn nghiên cứu xâm nhập mặn sông Sài Gòn - Đồng Nai bằng mô hình Telemac 2D. Giải pháp kỹ thuật xây dựng, đánh giá tác động môi trường, tài nguyên nước.

• Tác giả: Nguyễn Đức Vũ
• Người hướng dẫn: Phó Giáo Sư- Tiến Sĩ Nguyễn Thống
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu Đánh giá Xâm nhập Mặn Khu vực Sông Sài Gòn – Đồng Nai Bằng Mô Hình Toán Số Telemac 2D
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Xâm Nhập Mặn Sông Sài Gòn Đồng Nai

Hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều biển Đông, với biên độ lớn. Thủy triều truyền sâu vào sông, ảnh hưởng đến cả chân thác Trị An. Xâm nhập mặn là vấn đề quan trọng, nhạy cảm với khai thác nguồn nước. Nước mặn xâm nhập sâu vào mùa khô, gây khó khăn cho sản xuất và sinh hoạt. Trên sông Đồng Nai, mặn 1 g/l có thể lên đến cầu Đồng Nai. Trong những năm gần đây, xâm nhập mặn tiếp tục tăng, uy hiếp nguồn nước cho nông nghiệp và sinh hoạt tại TP.HCM.

1.1. Tác Động Của Thủy Triều Đến Xâm Nhập Mặn Sông Sài Gòn

Thủy triều từ biển Đông có biên độ lớn (3,50-4,00 m) và tần suất hai lần mỗi ngày, tạo điều kiện cho nước mặn xâm nhập sâu vào sông. Đặc điểm lòng sông sâu và độ dốc thấp cũng góp phần vào quá trình này. Nghiên cứu diễn biến mực nước triều tại trạm Phú An từ 1960-2017 cho thấy sự biến động đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến xâm nhập mặn.

1.2. Ảnh Hưởng Của Lưu Lượng Nguồn Đến Xâm Nhập Mặn

Diễn biến dòng chảy từ thượng lưu đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát xâm nhập mặn. Sự thay đổi lưu lượng theo mùa quyết định ranh mặn. Hồ Trị An có tác động lớn đến chế độ mặn trên sông Đồng Nai, đẩy lùi ranh mặn xuống hạ lưu. Cần nghiên cứu thêm về mối liên hệ giữa lưu lượng xả từ hồ Dầu Tiếng và mức độ xâm nhập mặn.

II. Thực Trạng Thách Thức Xâm Nhập Mặn Sông Sài Gòn Đồng Nai

Lưu vực hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai có tốc độ phát triển kinh tế cao, tập trung dân cư đông. Tuy nhiên, nguồn nước phụ thuộc vào điều tiết từ thượng nguồn. Khai thác quá mức ở thượng nguồn làm giảm dòng chảy, tăng xâm nhập mặn vào sông. Biến đổi khí hậu toàn cầu đe dọa nghiêm trọng nguồn nước sông. Xâm nhập mặn ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến cấp nước cho đô thị lớn như TP.HCM. Bài toán thủy lực về xâm nhập mặn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học.

2.1. Mức Độ Xâm Nhập Mặn Hiện Nay Trên Hệ Thống Sông

Theo Viện Kỹ thuật Tài nguyên nước và Môi trường, xâm nhập mặn đang diễn biến phức tạp. Tại Mũi Nhà Bè, độ mặn tăng cao, đạt trung bình 6,71g/l. Hệ sông Nhà Bè – Đồng Nai bị nhiễm mặn 4g/l quanh cửa sông. Hệ sông Sài Gòn nhiễm mặn 0,5-2g/l từ cửa Rạch Tra đến Thủ Thiêm. Khu vực Bình Chánh chịu xâm nhập mặn 6-7g/l, ảnh hưởng đến kênh Tàu Hũ. Cần có giải pháp kiểm soát xâm nhập mặn hiệu quả.

2.2. Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu Nước Biển Dâng

Biến đổi khí hậu và nước biển dâng là những yếu tố làm gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn. Mực nước biển dâng cao đẩy nước mặn sâu hơn vào sông, ảnh hưởng đến các nhà máy cấp nước. Các kịch bản biến đổi khí hậu cần được xem xét để dự báo và ứng phó với xâm nhập mặn. Cần có các giải pháp thích ứng với biến đổi khí hậu để bảo vệ nguồn nước.

III. Cách Mô Hình Toán Số Telemac 2D Dự Báo Xâm Nhập Mặn

Bài toán thủy lực về xâm nhập mặn đã được phát triển từ lâu. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và tin học, việc nghiên cứu bài toán xâm nhập mặn bằng mô hình toán số đã trở nên rất phổ biến. Telemac 2D là một trong những công cụ được sử dụng rộng rãi. Mô hình này cho phép mô phỏng dòng chảy và lan truyền chất, giúp dự báo xâm nhập mặn và đánh giá hiệu quả của các giải pháp.

3.1. Cơ Sở Lý Thuyết Của Mô Hình Telemac 2D Trong Thủy Văn

Mô hình Telemac 2D dựa trên các phương trình dòng chảy mặt hai chiều. Mô hình sử dụng thuật toán số để giải các phương trình này, cho phép mô phỏng quá trình lan truyền chất trong môi trường nước. Telemac 2D có khả năng mô phỏng các hiện tượng thủy lực phức tạp, bao gồm cả xâm nhập mặn.

3.2. Phạm Vi Ứng Dụng Mô Hình Telemac 2D Trong Nghiên Cứu

Telemac 2D được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về thủy văn và thủy lực. Mô hình này có thể được sử dụng để mô phỏng dòng chảy sông, lũ lụt, xâm nhập mặn, và các hiện tượng khác. Telemac 2D cũng được sử dụng để đánh giá tác động của các công trình thủy lợi đến môi trường.

IV. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Xâm Nhập Mặn Với Telemac 2D

Để xây dựng mô hình xâm nhập mặn bằng Telemac 2D, cần xác định miền tính toán, lưới tính toán và điều kiện biên. Dữ liệu địa hình, thủy văn, khí tượng là cần thiết cho việc thiết lập mô hình. Sau đó, mô hình cần được hiệu chỉnh và kiểm định để đảm bảo độ chính xác. Kịch bản tính toán mô phỏng được xây dựng dựa trên các yếu tố biến đổi khí hậu và lưu lượng xả từ hồ chứa.

4.1. Thu Thập Dữ Liệu Đầu Vào Cho Mô Hình Telemac 2D

Dữ liệu địa hình, thủy văn và khí tượng là các yếu tố quan trọng cho việc xây dựng mô hình Telemac 2D. Dữ liệu địa hình xác định hình dạng của lòng sông và khu vực xung quanh. Dữ liệu thủy văn cung cấp thông tin về dòng chảy, mực nước và độ mặn. Dữ liệu khí tượng bao gồm thông tin về mưa, gió và nhiệt độ.

4.2. Hiệu Chỉnh Kiểm Định Mô Hình Telemac 2D Đảm Bảo Độ Tin Cậy

Sau khi thiết lập, mô hình Telemac 2D cần được hiệu chỉnh và kiểm định để đảm bảo độ chính xác. Hiệu chỉnh là quá trình điều chỉnh các tham số mô hình để khớp với dữ liệu thực tế. Kiểm định là quá trình đánh giá độ chính xác của mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế độc lập.

4.3. Xây Dựng Kịch Bản Xâm Nhập Mặn Các Bước Thực Hiện

Xây dựng các kịch bản xâm nhập mặn rất quan trọng để dự báo các tình huống có thể xảy ra. Các kịch bản này cần bao gồm các yếu tố như biến đổi khí hậu, lưu lượng xả từ các hồ chứa và các hoạt động khai thác nguồn nước. Các kịch bản này sau đó được sử dụng để chạy mô hình Telemac 2D và đánh giá tác động của xâm nhập mặn.

V. Kết Quả Mô Phỏng Đánh Giá Xâm Nhập Mặn Bằng Telemac 2D

Kết quả mô phỏng cho thấy Telemac 2D có khả năng mô phỏng chính xác quá trình xâm nhập mặn. Kết quả này được sử dụng để xây dựng phương trình thể hiện mối quan hệ giữa độ giảm mặn tương đối với lưu lượng xả ngọt và chiều dài dòng chảy. Các kết quả tính toán cho phép rút ra các nhận xét quan trọng về tác động của xâm nhập mặn.

5.1. Mức Độ Giảm Mặn Tương Đối Theo Lưu Lượng Xả Từ Hồ Dầu Tiếng

Kết quả mô phỏng cho thấy mức độ giảm mặn tương đối phụ thuộc vào lưu lượng xả từ hồ Dầu Tiếng. Lưu lượng xả càng lớn, mức độ giảm mặn càng cao. Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa độ giảm mặn tương đối, lưu lượng xả ngọt và chiều dài dòng chảy được xây dựng dựa trên kết quả mô phỏng.

5.2. So Sánh Diễn Biến Mặn Tại Các Vị Trí Khảo Sát Thực Tế

Kết quả mô phỏng diễn biến mặn tại các vị trí khảo sát được so sánh với dữ liệu thực tế. Sự so sánh này cho thấy Telemac 2D có khả năng mô phỏng chính xác diễn biến mặn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu đầu vào và quá trình hiệu chỉnh mô hình.

VI. Hướng Ứng Dụng Phát Triển Mô Hình Xâm Nhập Mặn Telemac 2D

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý nguồn nước và ứng phó với xâm nhập mặn. Mô hình Telemac 2D có thể được sử dụng để dự báo xâm nhập mặn, đánh giá tác động của các giải pháp và quy hoạch sử dụng đất. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình để nâng cao độ chính xác và mở rộng phạm vi ứng dụng.

6.1. Ứng Dụng Telemac 2D Vào Quy Hoạch Quản Lý Nguồn Nước

Telemac 2D có thể được sử dụng để đánh giá tác động của các công trình thủy lợi đến xâm nhập mặn. Mô hình này cũng có thể được sử dụng để quy hoạch sử dụng đất và quản lý nguồn nước một cách hiệu quả. Các kết quả mô phỏng có thể giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định sáng suốt để bảo vệ nguồn nước.

6.2. Đề Xuất Giải Pháp Thích Ứng Giảm Thiểu Tác Động Xâm Nhập Mặn

Kết quả mô phỏng Telemac 2D có thể được sử dụng để đề xuất các giải pháp thích ứng và giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn. Các giải pháp này có thể bao gồm xây dựng các công trình thủy lợi, thay đổi phương thức canh tác và sử dụng các giống cây chịu mặn tốt hơn. Cần có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, nhà quản lý và người dân để triển khai các giải pháp này một cách hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Giới Thiệu Chung - 10 -  Thu thập, đánh giá phân tích những ảnh hưởng của xâm nhập mặn đến các ngành kinh tế chính trong khu vực. Thu thập tài liệu quy hoạch tổng thể và định hướng phát triển kinh tế – xã hội  Định hướng, quy hoạch phát triển kinh tế – xã hội của vùng nghiên cứu.  Thu thập quy hoạch của các ngành kinh tế chính gồm: nông nghiệp và nông thôn, thuỷ sản, lâm nghiệp, giao thông – vận tải, dân cư – đô thị, công nghiệp, du lịch, dịch vụ.  Thu thập về quy hoạch không gian, phân bố dân cư và định hướng phát triển các khu đô thi trong vùng nghiên cứu.

Thu thập, phân tích đánh giá hiện trạng khai thác và sử dụng nguồn nước trong vùng nghiên cứu  Thu thập tài liệu hiện trạng khai thác, sử dụng nguồn nước mặt phục vụ sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, du lịch và các mục đích khác;  Tình hình trữ nước, vận hành cấp nước của một số công trình chính trên phạm vi vùng nghiên cứu.  Các vị trí lấy nước chính trên sông Sài Gòn, Đồng Nai.  Phân tích tác động của xâm nhập mặn  Kết quả của mô hình được đánh giá, kiểm nghiệm thông qua các số liệu đo đạc thực tế. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.

Nghiên cứu trong nước : a. Phân tích mối quan hệ giữa lượng nước xả xuống sông sài gòn từ hồ Dầu Tiếng với hiệu quả đẩy mặn : Tác giả: Ths. Nguyễn Bình Dương, Ts. Đinh Công Sản, Ths.

Phạm Đức Nghĩa (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam) Bài báo này tác giả trình bày nghiên cứu về quản lý và phát triển bền vững hệ thống công trình Dầu Tiếng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng kinh tế trọng Chương 1 : Giới Thiệu Chung - 11 - điểm phía Nam, nhóm nghiên cứu bước đầu đã tiến hành ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng xâm nhập mặn hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai từ số liệu thực đo giai đoạn 2000 – 2006. Trên cơ sở đó, một số kịch bản có sự tham gia xả nước của các hồ Dầu Tiếng, Trị An, Phước Hoà và nước biển dâng để xả đẩy mặn trên sông Sài Gòn đã được tính toán. Mục tiêu của bài toán là tối ưu hoá hiệu quả đẩy mặn với sự phối hợp xả nước từ các hồ thượng nguồn, phục vụ phát triển kinh tế vùng trọng điểm phía Nam. Bài báo đạt được:  Xâm nhập mặn trên sông Sài Gòn phụ thuộc vào các yếu tố chính như: mức độ sử dụng nước dọc theo sông, thuỷ triều (nước biển dâng) và đặc biệt là lưu lượng xả nước xuống hạ lưu từ các hồ thượng nguồn;  Hồ Dầu Tiếng tuy có lưu lượng xả kém hồ Trị An nhiều lần nhưng khả năng đóng góp vào việc đẩy mặn trên sông Sài Gòn lại rất lớn.

Do vậy, trong việc xả nước đẩy mặn trên sông Sài Gòn, hồ Dầu Tiếng có thể là công cụ hữu hiệu để đối phó với nguy cơ xâm nhập mặn  Trong tương lai, nếu xảy ra trường hợp bất lợi như: nước biển dâng cao, hồ Dầu Tiếng không đủ nước để xả xuống sông Sài Gòn thì mặn có thể xâm nhập rất sâu trên sông Sài Gòn làm cho các nhà máy nước hiện tại trên sông Sài Gòn không thể hoạt động trong suốt mùa khô. Trong trường hợp này cần nghiên cứu để xác định vị trí đặt trạm bơm cấp nước thô cho các nhà máy tương lai hợp lý hoặc phải nghiên cứu các giải pháp công trình hạ lưu (như cống ngăn mặn…. Nối ghép mô hình một chiều trong sông với mô hình hai chiều ngang trên biển cho tính toán thủy lực và mặn đồng bằng sông cửu long khi kể tới biến đổi thượng lưu, khai thác trên đồng bằng và các điều kiện khí tượng thủy văn ngoài biển. Tác giả: PGS-TS Nguyễn Tất Đắc, ThS-NCS Lương Quang Xô ( Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam ) Chương 1 : Giới Thiệu Chung - 12 - Báo cáo này trình bày một mô hình ghép nối mô hình thủy lực một chiều trong sông với mô hình 02 chiều ngang trên biển dùng trong tính toán dòng chảy và mặn của các phương án quy hoạch, khai thác và sử dụng tài nguyên nước trên ĐBSCL khi kể tới biến đổi dòng chảy ở thượng lưu, sự phát triển của Đồng bằng và các thay đổi ngoài biển như gió chướng, nước dâng.

Một sơ đồ cụ thể cho Đồng bằng và vùng cửa sông ĐBSCL đã được xây dựng và đã được tính thử cho điều kiện thực tháng 3-4/2004. Kết quả tính toán cho thấy mô hình đã phản ánh khá hợp lý bản chất vật lý của hiện tượng cần mô phỏng. Về mặt học thuật báo cáo giới thiệu cách xây dựng mới mô hình 02 chiều ngang trên biển bằng phương pháp phần tử hữu hạn lưới tam giác và cách sử dụng kết quả của mô hình chiều đã có với một số cải biên để có thể ghép nối được 02 mô hình với nhau theo điều kiện bảo toàn lưu lượng ở cửa sông. Tính toán xâm nhập mặn hệ thống sông Đồng Nai Tác giả: Đậu Văn Ngọ (ĐH Bách Khoa TP.

Hồ Chí Minh) Bài báo này nêu lên quá trình xâm nhập mặn ở hệ thống sông Đồng Nai phụ thuộc nhiều yếu tố và diễn biến khá phức tạp. Một trong những yếu tố quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nhiễm mặn của sông là chế độ thủy lực do công trình thủy điện Trị An gây ra. Vì thế cần phải nghiên cứu dự báo và điều khiển ranh giới mặn thông qua điều tiết nước ở thuỷ điện Trị An. Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu diễn biến xâm nhập mặn trên sông Đồng Nai bằng mô hình “Tính toán lũ và tải chất trong sông” (mô hình MK4).

Kết quả tính toán mực nước bằng mô hình có biên độ hơi nhỏ hơn so với số liệu đo thực tế. Nhưng đặc biệt là có sự trùng pha và tương đồng khá tốt giữa kết quả tính toán bằng mô hình và số liệu đo. Qua xem xét quá trình nhiễm mặn hệ thống lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai, nhận thấy chế độ nhiễm mặn của lưu vực khá nhạy cảm với chế độ thủy lực của sông, nhất là về mùa khô. Mà về mùa khô thì chế độ thủy lực của hệ thống sông này hoàn toàn phụ thuộc vào chế độ điều tiết của đập thủy điện Trị An.

Do vậy, có Chương 1 : Giới Thiệu Chung - 13 - thể dựa vào chế độ điều tiết của thủy điện Trị An để dự báo hoặc điều tiết chế độ nhiễm mặn của lưu vực sông Đồng Nai (về mùa khô) bằng mô hình MK4. Nghiên cứu cơ sở tính toán cho việc lựa chọn xây dựng cống – đập Soài Rạp của PGS TS Nguyễn Tất Đắc Tác giả: PGS-TS Nguyễn Tất Đắc (Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam) Với sơ đồ và chương trình tính DELTA, PGS TS Nguyễn Tất Đắc đã đề xuất việc xây dựng cống – đập Soài Rạp trên sông Soài Rạp tại vị trí ngã ba Nhà Bè – Soài Rạp – Vàm Cỏ khoảng 3 km, cách cửa biển khoảng 20 km, chiều rộng cống dưới đập tối đa 1km và được vận hành theo từng thời kỳ như dự kiến dưới đây sẽ giảm ngập triều và xâm nhập mặn:  Từ tháng 1 đến hết tháng 5 (mùa khô) mở cống thông thương với chiều rộng 400 – 500 m nhằm giảm cả mực nước và độ mặn cho toàn hệ thống (gồm cả Gò Công, Long An) và ít ảnh hưởng tới xâm nhập mặn cho khu vực Tiền Giang (chấp nhận tăng tại Mỹ Tho không quá 0,05 g/l).  Từ tháng 6 đến hết tháng 8 (hoặc thêm một số ngày đầu tháng 9): mở cống thông thương với chiều rộng 200 m để tạo mực nước thấp trong hệ thống khi mùa lũ tới. Dự Tính xâm nhập mặn trên các sông chính tỉnh Quảng Trị theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến 2020.

Tác giả: Trần Ngọc Anh, Nguyễn Tiền Giang, Nguyễn Thanh Sơn et.al (Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN) Mô hình MIKE 11 được áp dụng để dự báo tình hình xâm nhập mặn đến 2020, các điều kiện biên được kết hợp giữa việc dự báo tình hình sử dụng nước thượng nguồn, kết hợp với các kịch bản nước biển dâng. Kết quả mô phỏng bằng Chương 1 : Giới Thiệu Chung - 14 - mô hình cho thấy, đến năm 2020 mặn có thể xâm nhập khá sâu vào đồng bằng. Điều đó sẽ đặt ra những thách thức cho các hoạt động canh tác cây nông nghiệp sử dụng nguồn nước tưới từ sông nhưng đồng thời cũng tạo ra thời cơ tăng diện tích sản xuất cho ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ… Từ kết quả nghiên cứu đưa ra kết luận như sau:  Tính đến năm 2020, kể cả trong trường hợp bất lợi nhất, sự dâng nước biển do hiện tượng ấm lên toàn cầu chưa có ảnh hưởng đáng kể đến tình hình xâm mặn ở các khu vực sông chính tỉnh Quảng Trị…  Trong mùa kiệt, độ mặn tại một số vị trí lên cao, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng và khai thác vật liệu xây dựng.  Đánh giá được ranh mặn tại các vị trí cần nghiên cứu v.

Nghiên cứu dự báo mặn trên sông Sài Gòn. TS Huỳnh Thanh Sơn, KS Ưng Ngọc Nam (ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh) Trong nghiên cứu này, tác giả đề cập đến : “lượng nước yêu cầu xả từ hồ Dầu Tiếng đẩy mặn cho nhà máy nước Tân Hiệp chỉ được xác định theo định tính mà chưa có cơ sở tính toán cụ thể. Việc này có thể gây lãng phí về nguồn nước cũng như là kinh phí nếu xả nhiều hơn cần thiết và chất lượng nước không đạt khi xả quá ít”.

Do vậy, việc nghiên cứu dự báo và kiểm soát mặn trên sông Sài Gòn phục vụ cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp, nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nước xả của hồ Dầu Tiếng là cấp thiết của thực tế sản xuất. Kết quả chỉ ra rằng, nếu không xét đến biến đổi khí hậu làm mực nước dâng cao, nồng độ mặn trên hạ lưu sông Sài Gòn - Đồng Nai có xu hướng giảm dần vào năm 2020 do bên nhánh sông Đồng Nai các công trình thủy điện đã được hoàn tất làm gia tăng dòng chảy về hạ lưu. Trên nhánh sông Sài Gòn tác động này vẫn còn nhưng nồng độ mặn giảm không nhiều do nguồn nước hồ Dầu Tiếng hầu như không thay đổi. Chương 1 : Giới Thiệu Chung - 15 - 1.

Nghiên cứu ngoài nước a.