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

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• DANH SÁCH HÌNH
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.1.1. Mục tiêu chung
• 1.1.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. 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. Thu thập các tài liệu cơ bản về điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu
• 1.4.2. Tài liệu về hiện trạng phát triển dân sinh kinh tế
• 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.5.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.5.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VÙNG HẠ LƯU ĐỒNG NAI – SÀI GÒN
• 2.1. Đặc điểm vùng tự nhiên
• 2.1.1. Địa hình địa mạo
• 2.1.2. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 2.1.2.1. Đặc điểm khí hậu
• 2.1.2.2. Đặc điểm thủy văn
• 2.1.2.3. Chế độ thủy triều – mặn
• 2.2. Đặc điểm chất lượng nước
• 2.2.1. Đặc điểm phân bố theo không gian
• 2.2.2. Đặc điểm phân bố theo thời gian
• 2.2.3. 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. Một số mô hình thủy lực
• 3.2. Cơ sở lý thuyết Telemac 2D
• 3.2.1. Giới thiệu mô hình Telemac
• 3.2.2. Phạm vi ứng dụng Telemac 2D
• 3.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình Telemac 2D
• 3.2.3.1. Phương trình dòng chảy mặt hai chiều được ứng dụng trong mô hình Telemac 2D
• 3.2.3.2. 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. Điều kiện biên và địa hình miền nghiên cứu
• 4.2. Hiệu chỉnh mô hình
• 4.3. Kiểm định mô hình
• 4.4. Kịch bản tính toán mô phỏng (từ 02 tháng 5 năm 2017 đến 12 tháng 5 năm 2017)
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN
• 5.1. Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn
• 5.2. 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
• 5.3. Kết quả tính toán trình bày nêu trên cho phép rút ra một số nhận xét chính sau

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực hạ lưu hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai là trung tâm kinh tế phát triển năng động nhất cả nước với diện tích tự nhiên khoảng 452.000 ha, là nơi tập trung hơn 10 triệu dân cư cùng hàng loạt khu công nghiệp trọng điểm. Tuy nhiên, chất lượng và trữ lượng nguồn nước ngọt tại đây đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng do tác động kép từ biến đổi khí hậu, nước biển dâng và việc suy giảm lưu lượng kiệt từ thượng nguồn. Số liệu quan trắc mực nước đỉnh triều tại trạm Phú An đã ghi nhận mức lịch sử đạt 1,71 m, khiến ranh mặn lấn sâu vào hệ thống sông nội đồng. Nồng độ mặn trung bình tại Mũi Nhà Bè thường xuyên chạm mức 6,71 g/l, trực tiếp đe dọa nguồn cung nước thô của Nhà máy nước Tân Hiệp – đơn vị giữ vai trò sống còn cung cấp 300.000 m3/ngày-đêm cho Thành phố Hồ Chí Minh.

Vấn đề cấp bách đặt ra là Trạm bơm nước thô Hòa Phú (huyện Củ Chi) thường xuyên phải ngừng vận hành nhiều giờ liên tục trong mùa khô khi độ mặn vượt quá ngưỡng kỹ thuật cho phép 2,0 g/l. Mặc dù biện pháp xả nước ngọt từ Hồ Dầu Tiếng (dung tích thiết kế 1,58 tỷ m3) được áp dụng để đẩy mặn, nhưng việc điều tiết trước đây chủ yếu dựa vào kinh nghiệm định tính, tiềm ẩn nguy cơ làm cạn kiệt dung tích hồ và ảnh hưởng tới nhiệm vụ tưới tiêu cho hơn 85.300 ha đất nông nghiệp tại Tây Ninh và TP.HCM. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng mô hình toán số hai chiều Telemac 2D để mô phỏng chính xác bài toán thủy lực lan truyền mặn trong phạm vi từ hạ lưu đập Dầu Tiếng và thủy điện Trị An đến kênh Mỹ Bình – Bo Bo, đồng thời thiết lập phương trình quan hệ định lượng giữa lưu lượng xả của hồ Dầu Tiếng với độ giảm mặn tương đối tại các vị trí lấy nước trọng yếu. Ý nghĩa nghiên cứu mang tính thực tiễn cao khi cung cấp công cụ dự báo khoa học, giúp các nhà quản lý tối ưu hóa quy trình xả đẩy mặn, tiết kiệm hơn 140 triệu m3 nước mỗi mùa khô mà vẫn đảm bảo an toàn nguồn nước sinh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học dòng chảy nước nông hai chiều trung bình theo chiều sâu (2DH) kết hợp với phương trình lan truyền - khuếch tán chất tan (Advection - Diffusion). Hai khung lý thuyết trụ cột bao gồm: Hệ phương trình Saint-Venant hai chiều mô tả trường lưu tốc, độ sâu dòng chảy dưới tác động của lực quán tính, trọng lực, ma sát đáy lòng dẫn, lực Coriolis và ma sát gió; cùng lý thuyết vận chuyển nồng độ chất hòa tan bảo toàn để mô tả cơ chế lan truyền muối trong môi trường sông chịu ảnh hưởng triều.

Mô hình nghiên cứu cốt lõi là bộ công cụ mã nguồn mở Telemac 2D kết hợp module xử lý lưới phi cấu trúc Blue Kenue. Các khái niệm học thuật then chốt được lượng hóa bao gồm:

1. Chế độ bán nhật triều không đều của biển Đông với chu kỳ ngày 24,83 giờ và chu kỳ nửa tháng 14,5 ngày.
2. Lăng trụ triều và biên độ dao động triều từ 3,50 m đến 4,00 m tạo động lực đẩy mặn ngược dòng.
3. Ranh mặn giới hạn tiêu chuẩn 1,0 g/l (nước sinh hoạt) và 4,0 g/l (nước tưới tiêu).
4. Hệ số giảm mặn tương đối xác định theo tỷ lệ suy giảm nồng độ muối so với khoảng cách và lưu lượng nguồn bổ cập.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập đồng bộ từ mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn quốc gia và dữ liệu địa hình số DEM 30 kết hợp bình đồ đo sâu thực tế. Biên động lực hạ lưu sử dụng chuỗi mực nước và độ mặn thực đo tại các trạm Vũng Tàu, Vàm Kênh; biên lưu lượng thượng nguồn lấy từ đập Dầu Tiếng (sông Sài Gòn), hồ Trị An (sông Đồng Nai) và đập Phước Hòa (sông Bé). Dữ liệu kiểm định nội đồng sử dụng chuỗi quan trắc tại các trạm Phú An, Nhà Bè, Thủ Dầu Một, Cát Lái và Thủ Thiêm.

Phương pháp phân tích dựa trên kỹ thuật giải số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) và thể tích khối hữu hạn không cấu trúc, giải quyết hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng trên lưới tam giác phi cấu trúc. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm chuỗi thời gian liên tục với hơn 1.200 bước thời gian quan trắc thực tế theo giờ. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích tập trung vào các thời đoạn khô hạn cực đoan nhất trong năm (từ tháng 3 đến tháng 5) và các chuỗi số liệu thủy lực điển hình: giai đoạn hiệu chỉnh mô hình kéo dài 4 ngày (từ 08/03/2005 đến 12/03/2005), giai đoạn kiểm định kéo dài 6 ngày (từ 12/10/2009 đến 18/10/2009) và kịch bản mô phỏng kiểm chứng diễn biến mặn từ ngày 02/05/2017 đến 12/05/2017. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích 2D trên Telemac thay vì mô hình 1D truyền thống là vì hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai có hình thái lòng dẫn phân nhánh uốn khúc phức tạp, mặt cắt rộng từ 180 m đến 1.400 m và độ sâu thay đổi đột ngột từ 6,6 m đến 40 m, đòi hỏi mô hình 2D để mô tả chính xác sự phân bố gradient độ mặn theo phương ngang và hiện tượng dòng chảy quẩn tại các ngã ba sông. Độ tin cậy của mô hình được đánh giá khắt khe qua chỉ tiêu mức độ phù hợp Goodness of Fit (GOF).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu thông qua mô phỏng toán số Telemac 2D đã rút ra các phát hiện cốt lõi mang tính định lượng rõ rệt:

1. Phân bố không gian và quy luật xâm nhập mặn bất đối xứng: Nồng độ mặn cực đại tại Mũi Nhà Bè đạt tới 6,71 g/l; ranh mặn 4,0 g/l bao phủ toàn bộ vùng ngã ba sông Nhà Bè – Đồng Nai; đoạn sông Sài Gòn từ Rạch Tra đến Thủ Thiêm dao động từ 0,5 g/l đến 2,0 g/l; khu vực phía nam huyện Bình Chánh qua cầu Ông Thìn bị mặn 6,0 - 7,0 g/l uy hiếp và xâm nhập sâu vào kênh Tàu Hũ với nồng độ 2,0 - 3,0 g/l.
2. Hiệu quả đẩy mặn vượt trội nhưng phi tuyến tính của Hồ Dầu Tiếng: Khi tăng lưu lượng xả từ 20 m3/s lên 50 m3/s, độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú giảm từ 25% đến 45% so với kịch bản hiện trạng không xả, giúp kéo giảm độ mặn tại cửa lấy nước thô về dưới ngưỡng an toàn 2,0 g/l trong các thời điểm đỉnh triều.
3. Vai trò giữ nhịp thủy lực của Hồ Trị An: Việc duy trì lưu lượng xả tối thiểu sau thủy điện Trị An không dưới 100 m3/s trong mùa kiệt (so với lưu lượng kiệt tự nhiên khoảng 40 m3/s trước khi có đập) đã đẩy lùi ranh mặn 4,0 g/l về phía hạ lưu từ 20 km đến 25 km, khống chế ranh mặn 1,0 g/l luôn nằm dưới khu vực Long Tân (cách Bến Gỗ 10 km).
4. Xây dựng thành công phương trình suy giảm mặn thực nghiệm: Thiết lập công thức toán học xác định quan hệ giữa mức độ giảm mặn tương đối ΔS theo khoảng cách truyền dòng L và lưu lượng xả Q từ hồ Dầu Tiếng, cho phép xác định chính xác cấp xả tối ưu từ 20 m3/s đến 30 m3/s tương ứng với từng pha triều.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng độ mặn tại hạ lưu là do tác động cộng hưởng giữa biên độ bán nhật triều lớn (3,50 - 4,00 m) với vận tốc dòng triều chảy ngược lên tới 1,5 m/s, trong khi lưu lượng dòng chảy ngọt tự nhiên trong mùa khô giảm mạnh. Phân tích chuỗi số liệu chỉ ra rằng đỉnh mặn luôn xuất hiện chậm hơn đỉnh triều từ 2 đến 3 giờ do độ trễ truyền pha của sóng triều và quán tính khối nước. Độ mặn có sự phân hóa rõ rệt trên cùng một mặt cắt ngang: độ mặn ở tim sông cao hơn hai bờ khoảng 10%, và tầng đáy cao hơn tầng mặt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình MIKE 11 một chiều của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam hay mô hình MK4, kết quả của mô hình Telemac 2D thể hiện sự vượt trội về khả năng mô phỏng trường nồng độ mặn tại các khúc uốn và ngã ba sông lớn. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các bảng chỉ tiêu so sánh GOF đạt hệ số tương quan cao, cùng hệ thống biểu đồ quan hệ phi tuyến ΔS/Q theo chiều dài dòng dẫn L và bản đồ đẳng trị nồng độ mặn 2D tại 5 trạm khảo sát trọng điểm (Hòa Phú, Rạch Tra, Thủ Thiêm, Cát Lái, Kênh Xáng). Các biểu đồ cho thấy rõ độ dốc suy giảm mặn diễn ra mạnh nhất trong phạm vi 15 km đầu tính từ điểm xả, sau đó thoải dần về phía hạ lưu do tác động hòa trộn của khối nước triều.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng, 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình được đề xuất cụ thể:

1. Thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa thông minh và linh hoạt: Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi 9 cùng Công ty TNHH MTV Khai thác Thủy lợi Dầu Tiếng - Phước Hòa và Công ty Thủy điện Trị An cần áp dụng phương trình suy giảm mặn để điều chỉnh lịch xả đón triều. Chủ động xả nước từ hồ Dầu Tiếng với lưu lượng 20 - 50 m3/s trước khi đỉnh triều xuất hiện từ 12 đến 24 giờ, nhằm mục tiêu cắt giảm 30% - 40% nồng độ mặn đỉnh tại trạm Hòa Phú, thực hiện định kỳ trong giai đoạn mùa kiệt 2024 - 2026.
2. Nâng cấp mạng lưới quan trắc tự động và hệ thống cảnh báo sớm: Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM phối hợp với Chi cục Thủy lợi lắp đặt bổ sung 10 trạm đo mặn và mực nước tự động truyền dữ liệu trực tuyến theo chu kỳ 15 phút/lần tại các vị trí nhạy cảm (Hòa Phú, Cầu Bình Triệu, Mũi Nhà Bè, Cầu Ông Thìn), hoàn thành đưa vào vận hành trước năm 2025.
3. Quy hoạch dịch chuyển công trình thu nước thô và nâng cấp công nghệ lọc: Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) triển khai dự án dịch chuyển vị trí thu nước thô cho Nhà máy nước Tân Hiệp lên phía thượng lưu sông Sài Gòn cách vị trí trạm Hòa Phú hiện tại khoảng 10 - 15 km, hoặc đầu tư module khử mặn cục bộ để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công suất cấp nước 300.000 m3/ngày-đêm, lộ trình thực hiện từ năm 2025 đến 2030.
4. Đẩy nhanh tiến độ các cụm công trình kiểm soát triều và ngăn mặn: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các Công trình Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn TP.HCM hoàn thiện hệ thống cống kiểm soát triều vùng ven, đồng thời nghiên cứu khả thi dự án cống - đập Soài Rạp với khẩu độ mở 400 - 500 m trong mùa khô nhằm mục tiêu giảm 15% - 20% biên độ mặn thâm nhập vào vùng bán đảo Bình Chánh - Nhà Bè, tầm nhìn 2026 - 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và môi trường: Chi cục Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh TP.HCM, Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh sử dụng dữ liệu mô phỏng để xây dựng quy hoạch phân bổ nguồn nước mặt, lập kế hoạch phòng chống hạn mặn và ban hành chính sách bảo vệ lưu vực sông bền vững.
2. Các doanh nghiệp sản xuất và phân phối nước sạch đô thị: Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) và Ban điều hành Nhà máy nước Tân Hiệp ứng dụng trực tiếp phương trình độ giảm mặn tương đối để chủ động lịch vận hành trạm bơm Hòa Phú, giảm thiểu tối đa thời gian gián đoạn cấp nước thô.
3. Đơn vị quản lý, khai thác công trình thủy lợi và thủy điện: Công ty TNHH MTV Khai thác Thủy lợi Dầu Tiếng – Phước Hòa và Nhà máy Thủy điện Trị An tham khảo biểu đồ xả tối ưu để điều tiết xả đẩy mặn khoa học, tránh lãng phí hàng trăm triệu mét khối nước dự trữ cho nông nghiệp.
4. Cộng đồng nghiên cứu khoa học, giảng viên và học viên cao học: Các nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy, Thủy văn, Môi trường sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về ứng dụng mô hình số Telemac 2D mã nguồn mở và kỹ thuật tạo lưới tam giác phi cấu trúc Blue Kenue trong giải bài toán lan truyền chất hai chiều.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình Telemac 2D có ưu thế gì vượt trội so với các mô hình 1D truyền thống trong bài toán xâm nhập mặn?
Telemac 2D sử dụng lưới tam giác phi cấu trúc giải hệ phương trình Saint-Venant 2 chiều, cho phép mô phỏng chính xác sự biến đổi độ mặn theo cả chiều dọc và chiều ngang lòng dẫn. Mô hình phản ánh được sự khác biệt nồng độ mặn giữa tim sông và mép bờ lên tới 10%, điều mà mô hình 1D hoàn toàn bỏ qua.

Lưu lượng xả từ Hồ Dầu Tiếng ở mức bao nhiêu là tối ưu để đẩy mặn cho Trạm bơm Hòa Phú?
Kết quả tính toán kịch bản cho thấy lưu lượng xả tối ưu dao động từ 20 m3/s đến 30 m3/s. Mức xả này giúp giảm độ mặn tại Hòa Phú từ 25% đến 35%, duy trì nồng độ muối dưới ngưỡng cho phép 2,0 g/l mà vẫn tiết kiệm dung tích trữ cho 85.300 ha đất nông nghiệp.

Thủy điện Trị An đóng vai trò như thế nào trong việc kiềm chế xâm nhập mặn trên sông Đồng Nai?
Hồ Trị An duy trì lưu lượng xả tối thiểu mùa kiệt trên 100 m3/s, cao hơn 2,5 lần so với dòng chảy kiệt tự nhiên 40 m3/s trước đây. Chế độ xả ổn định này đẩy lùi ranh mặn 4,0 g/l xuống hạ lưu từ 20 km đến 25 km, bảo vệ an toàn các trạm bơm nước vùng Biên Hòa và Hóa An.

Thời điểm nồng độ mặn đạt đỉnh tại hạ lưu có trùng với đỉnh triều hay không?
Không trùng nhau. Do quán tính dòng chảy và hiện tượng khuếch tán chất tan, đỉnh mặn luôn xuất hiện trễ hơn đỉnh triều từ 2 đến 3 giờ. Đây là cơ sở then chốt để các nhà máy nước xác định khung giờ lấy nước thô an toàn sau mỗi chu kỳ triều cường.

Phương trình suy giảm mặn tương đối thiết lập trong luận văn có thể áp dụng vào thực tế ra sao?
Phương trình cho phép kỹ sư vận hành nhập trực tiếp lưu lượng xả dự kiến của hồ Dầu Tiếng và khoảng cách dòng chảy để tính toán nhanh mức độ suy giảm nồng độ muối tại Hòa Phú, giúp đưa ra quyết định đóng mở cống tự động mà không cần chạy lại toàn bộ mô hình số phức tạp.

Kết luận

• Luận văn đã lượng hóa toàn diện bức tranh xâm nhập mặn phức tạp trên diện tích 452.000 ha lưu vực hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai với độ mặn Mũi Nhà Bè đạt 6,71 g/l và đỉnh triều Phú An đạt 1,71 m.
• Làm chủ và ứng dụng thành công mô hình toán số hai chiều mã nguồn mở Telemac 2D kết hợp lưới phi cấu trúc Blue Kenue, đạt độ tin cậy cao qua các chỉ số kiểm định GOF trong chuỗi số liệu thực đo 2005 - 2017.
• Xác định quy luật lan truyền mặn hai chiều với sự chênh lệch nồng độ giữa tim sông và bờ lên tới 10%, đồng thời chứng minh đỉnh mặn xuất hiện sau đỉnh triều từ 2 đến 3 giờ.
• Thiết lập phương trình thực nghiệm suy giảm mặn tương đối, chứng minh mức xả 20 - 30 m3/s từ hồ Dầu Tiếng giúp giảm 25% - 45% độ mặn tại Hòa Phú, bảo vệ nguồn cấp nước 300.000 m3/ngày-đêm của Nhà máy nước Tân Hiệp.
• Đề xuất hệ thống giải pháp liên hồ chứa kết hợp dịch chuyển điểm thu nước thô và công trình ngăn mặn đồng bộ, định hướng triển khai hiệu quả trong giai đoạn 2024 - 2030.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một công cụ khoa học chuẩn xác, chuyển dịch phương thức điều tiết tài nguyên nước từ bị động, định tính sang chủ động, định lượng. Các cơ quan quản lý nhà nước, doanh nghiệp cấp nước và viện nghiên cứu cần nhanh chóng tích hợp phương trình toán số này vào hệ thống điều hành thông minh nhằm bảo đảm an ninh nguồn nước bền vững cho toàn vùng kinh tế trọng điểm phía Nam.

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.