Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của nbd do bđkh đến xâm nhập mặn sông trà lý và nhiễm mặn nước ngầm từ sông trà lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI ỨNG QUỐC KHANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NBD DO BĐKH ĐẾN XÂM NHẬP MẶN SÔNG TRÀ LÝ VÀ NHIỄM MẶN NƯỚC NGẦM TỪ SÔNG TRÀ LÝ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.44.90 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Phạm Thị Hương Lan Hà Nội - 8/2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian học tạp, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng và cô giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Thị Hương Lan đã luôn tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đi đầu tiên xây dựng ý tưởng nghiên cứu, cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận văn. Thầy, cô đã luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, các bạn cùng lớp cao học 19V và các anh chị đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ, các anh chị và các em, những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh tác giả, động viên tác giả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận văn của mình. TÁC GIẢ… . Ứng Quốc Khang LỜI CAM ĐOAN Tôi là Ứng Quốc Khang. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. TÁC GIẢ…... Ứng Quốc Khang i MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v MỞ ĐẦU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 3 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................. 3 1.4 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 3 Chương 1 . TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 5 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới................................................................. 5 1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước ............................................................... 6 1.2.1 Khái quát chung ........................................................................................6 Chương 2 . GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 14 2.1 Vị trí địa lý ................................................................................................... 14 2.2 Đặc điểm địa hình ........................................................................................ 15 2.3 Đặc điểm khí hậu ......................................................................................... 15 2.3.1 Chế độ gió ...............................................................................................15 2.3.2 Chế độ nhiệt ............................................................................................16 2.3.3 Độ ẩm và bốc hơi ....................................................................................16 2.3.4 Chế độ mưa .............................................................................................17 2.4 Mạng lưới sông suối..................................................................................... 19 2.5 Chế độ dòng chảy trên khu vực nghiên cứu................................................. 21 2.6 Chế độ mực nước trên khu vực nghiên cứu ................................................. 22 2.7 Tóm lược ảnh hưởng của nước biển dâng đến KT-XH tỉnh Thái Bình.. ..... 24 ii 2.7.1 Ảnh hưởng của nước biển dâng tới chế độ thủy triều ............................24 2.7.2 Tác động của nước biển dâng .................................................................24 Chương 3 . ỨNG DỤNG MÔ HÌNH EFDC ĐÁNH GIÁ XÂM NHẬP MẶN SÔNG TRÀ LÝ 28 3.1 Phương trình cơ bản ..................................................................................... 28 3.2 Phương pháp sai phân hữu hạn .................................................................... 30 3.3 Mô hình EFDC ............................................................................................. 33 3.3.1 Giới thiệu chung về mô hình EFDC .......................................................33 3.3.2 Cấu trúc mô hình EFDC .........................................................................34 3.3.3 Mô hình thủy động lực học và bài toán lan truyền nhiệt, mặn ...............35 3.3.4 Một số đặc điểm tính năng của phần mềm .............................................35 3.4 Miền mô hình và địa hình. ........................................................................... 36 3.5 Thiết lập điều kiện ban đầu và biên mô hình. .............................................. 37 3.6 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực......................................... 38 3.7 Kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu ............................................. 40 3.8 Kết quả xâm nhập mặn nước sông Trà Lý theo các kịch bản ...................... 43 3.8.1 Kịch bản chưa có nước biển dâng ..........................................................43 3.8.2 Kịch bản khi nước biển dâng 50cm ........................................................49 Chương 4 . ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN XÂM NHẬP MẶN NƯỚC NGẦM 57 4.1 Hệ thống các tầng chứa nước tỉnh Thái Bình .............................................. 57 4.2 Phương trình mô tả chuyển động NDĐ trong tầng chứa nước .................... 61 4.3 Phương trình mô tả lan truyền mặn trong nước ngầm ................................. 63 4.4 Mô hình đánh giá ảnh hưởng NBD đến xâm nhập mặn nước ngầm khu vực sông Trà Lý .................................................................................................. 65 iii 4.4.1 Mô hình phần tử hữu hạn........................................................................68 4.4.2 Lựa chọn điều kiện mô hình đánh giá: ...................................................71 4.4.3 Kết quả mô hình về mực nước dưới đất .................................................75 4.4.4 Kết quả mô hình phần tử hữu hạn lan truyền mặn nước ngầm ..............76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 Kết luận .................................................................................................................. 84 Kiến nghị................................................................................................................ 84 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Hệ số biến động Cv tại một số trạm trên địa bàn tỉnh Thái Bình ..................... 17 Bảng 2.2 Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm tại một số trạm (mm) ...................... 18 Bảng 2.3 Tổng hợp diện tích thấp hơn MNB các kịch bản NBD [4] ............................... 25 Bảng 3.1 So sánh kết quả mô hình năm 2010 và thực đo-sông Trà Lý......................... 40 Bảng 3.2 Mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải thấp (B1) ................................... 41 Bảng 3.3 Mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải trung bình (B2) ......................... 41 Bảng 3.4 Mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải cao (A1F1) ................................ 42 Bảng 3.5 Thời gian nước sông Trà Lý có hàm lượng muối dưới 1g/l tại các vị trí ......... 48 Bảng 3.6 Thời gian nước sông Trà Lý có hàm lượng muối dưới 1g/l tại các vị trí ......... 53 Bảng 3.7 So sánh thời gian nước sông Trà Lý có hàm lượng muối dưới 1g/l tại các vị trí ở kịch bản hiện tại và NBD 50cm ...................................................................................... 55 Bảng 4.1 Mực nước ngày (cm) sông Trà Lý khu vực mô hình tần suất 85% .................. 72 Bảng 4.2 Lượng mưa TB tháng (mm) thời kỳ 1990-2009................................................. 74 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1.Vị trí địa lý tỉnh Thái Bình.................................................................................. 14 Hình 2.2. Bản đồ mạng lưới sông suối địa phận tỉnh Thái Bình ..................................... 21 Hình 2.3. Đồ thị tỷ lệ diện tích theo độ cao của toàn tỉnh ................................................ 25 Hình 3.1. Cấu trúc cơ bản mô hình EFDC ....................................................................... 34 Hình 3.2. Cấu trúc mô hình thủy động lực học EFDC..................................................... 34 Hình 3.3 Cấu trúc mô hình chất lượng nước .................................................................... 35 Hình 3.4. Miền mô hình sông Trà Lý và vị trí các mặt cắt địa hình ................................ 37 Hình 3.5. Địa hình lòng sông Trà Lý miền mô hình và lưới mô hình minh họa ............ 37 Hình 3.6. Bản đồ vị trí các trạm quan trắc mặn sông Trà Lý........................................... 39 Hình 3.7. Nồng độ muối thực đo và theo MH tại trạm Định Cư-sông Trà Lý ................ 40 Hình 3.8. Vị trí các điểm thể hiện diễn biến mặn theo thời gian...................................... 43 Hình 3.9. Diễn biến mặn theo thời gian tại một số vị trí................................................... 47 Hình 3.10. Thời gian nước sông có hàm lượng muối nhỏ hơn 1g/l tại các vị trí ............ 49 Hình 3.11. Diễn biến mặn theo thời gian tại một số vị trí ứng với kịch bản giả định NBD 50cm..................................................................................................................................... 53 Hình 3.12. Thời gian nước sông có hàm lượng muối nhỏ hơn 1g/l tại các vị trí ............ 54 Hình 3.13. Số ngày trong năm nước sông có hàm lượng muối nhỏ hơn 1g/l tại các vị trí ở chế độ thủy văn sông có tần suất 85% ............................................................................ 56 Hình 4.1. Ranh giới mặn nhạt 2 tầng chứa nước Holocen trên (qh2) và qp ................... 61 Hình 4.2. Bản đồ ranh giới mặt nhạt tầng qh2 và vị trí mặt cắt ĐCTV ........................... 66 Hình 4.3. Mặt cắt ĐCTV qua khu vực huyện Thái Thụy ................................................. 67 Hình 4.4. Mặt cắt ĐCTV qua khu vực huyện Tiền Hải .................................................... 67 Hình 4.5. Lưới phần tử hữu hạn ....................................................................................... 70 Hình 4.6. Minh họa số thứ tự các nút một phần lưới mô hình ........................................ 71 Hình 4.7. Lượng mưa tháng TB thời kỳ 1990-2009 tại Thái Bình .................................. 74 vi Hình 4.8. Kết quả mực nước ngầm tại một số nút tính toán ............................................ 75 Hình 4.9. Nồng độ muối nước ngầm tầng Holocen trên dưới ảnh hưởng xâm nhập mặn nước sông Trà Lý ................................................................................................................ 77 Hình 4.10. Nồng độ muối theo thời gian tại một số vị trí gần sông Trà Lý ..................... 79 Hình 4.11. Nồng độ muối nước ngầm tầng Holocen trên dưới ảnh hưởng xâm nhập mặn nước sông Trà Lý trong điều kiện nước biển dâng50cm .......................................... 80 Hình 4.12. Biến đổi nồng độ muối theo thời gian do nước biển dâng tại một số vị trí gần sông Trà Lý ......................................................................................................................... 82 Hình 4.13. Chênh lệch nồng độ muối theo thời gian do nước biển dâng trung bình trên toàn miền mô hình .............................................................................................................. 83 vii 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Mặn xâm nhập sâu vào trong các vùng cửa sông làm ảnh hưởng đến quá trình lấy nước ngọt phục vụ các ngành kinh tế, trước mắt cho sản xuất nông nghiệp. Xâm nhập mặn là hiện tượng tự nhiên đối các vùng cửa sông nhưng nếu nắm được quy luật diễn biến theo không gian và thời gian thì có thể chủ động kiểm soát quá trình lấy nước, tránh những thiệt hại đáng tiếc khi lấy nước không đảm bảo yêu cầu chất lượng về nồng độ muối. Việc nghiên cứu và xây dựng phương pháp dự báo xâm nhập mặn ba chiều trong môi trường nước mặt và xâm nhập mặn nước mặt và nước ngầm có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao do tính phức tạp của quá trình này ở các vùng cửa sông nước ta nói chung và của sông Trà Lý nói riêng. Nội dung cụ thể của luận văn này bao gồm: - Tính cần thiết của dự báo mặn cho khu vực cửa sông, đặc biệt trong bối cảnh nước biển dâng do biến đổi khí hậu (BĐKH); - Phân tích đặc điểm địa hình, mạng lưới sông, hiện trạng xâm nhập mặn trên địa bàn khu vực nghiên cứu, xác lập các phương án mô hình (MH) mô phỏng; - Áp dụng mô hình phầm mềm thủy lực môi trường chất lỏng (EFDC) và hiệu chỉnh thông số mô hình; - Thực hiện mô hình dự báo xâm nhập mặn trên sông Trà Lý tỉnh Thái Bình theo một số kịch bản, trong đó có kịch bản nước biển dâng (NBD); - Thực hiện mô hình phần tử ữu hạn đánh giá xác định xâm nhập mặn nước ngầm từ nước sông Trà Lý của các kịch bản. Việc nghiên cứu tương tác giữa dòng chảy sông và triều ở vùng cửa sông luôn luôn đặt ra cho các nhà khoa học một sự thách thức vì đây là một khoa học tổng hợp có liên quan đến nhiều lĩnh vực như diễn biến bồi xói cửa sông, sinh thái vùng ngập mặn, nước dâng, trong đó vấn đề xâm nhập triều, mặn có tính đặc thù cho mỗi cửa sông. Do tác động ảnh hưởng đồng thời của nước sông từ thượng lưu, yếu tố địa hình và chế độ thuỷ triều, ranh giới xâm nhập mặn biến đổi theo không gian và thời gian rất dễ thấy theo thời đoạn (giờ, ngày). Hơn nữa, đối với khu vực đồng bằng ven biển nói chung và khu vực tỉnh Thái Bình nói riêng xâm nhập mặn nước sông còn có nguy cơ dẫn đến xâm nhập mặn một số tầng nước ngầm nhạt có quan hệ thủy lực với sông. Vì vậy, việc dự báo xâm nhập mặn nước ngầm do xâm 2 nhập mặn nước sông cũng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong lĩnh vực tài nguyên nước và môi trường. Do vậy, cần thiết phải nghiên cứu quá trình xâm nhập mặn với sự trợ giúp của các công cụ tính toán công nghệ cao để từng bước khám phá quy luật chung và đặc thù về xâm nhập mặn vùng cửa sông và các tầng chứa nước ngầm, trước mắt áp dụng cho sông Trà Lý và tầng chứa nước ngầm nhạt ven sông Trà Lý thuộc hệ thống sông Hồng -Thái Bình. Kết quả của nghiên cứu trên sẽ làm cơ sở cho việc khai thác sử dụng tài nguyên nước vùng cửa sông về mặt lợi và hạn chế tác động có hại của quá trình xâm nhập mặn vào các vùng đồng bằng cửa sông và vào các tầng chứa nước nhạt khu vực sông ven biển nước ta. Như đã biết, hàng ngày thủy triều lên xuống đưa nước biển xâm nhập vào các cửa sông, tiến sâu vào trong nội địa gây không ít khó khăn cho sản xuất, nông công nghiệp. Các thông tin dự báo diễn biến độ mặn để các hộ sử dụng nước quyết định thời điểm lấy nước với nồng độ mặn cho phép phục vụ sản xuất nông nghiệp và thuỷ sản hàng năm. Ngoài ra thông tin dự báo nguy cơ xâm nhập mặn tầng chứa nước ngầm do xâm nhập mặn nước sông mà không ít hộ dân khu vực hiện đang khai thác sử dụng mục đích sinh hoạt sẽ có ý nghĩa thực tế lớn cho công tác qui hoạch cấp nước sinh hoạt nông thôn trong tương lai dưới ảnh hưởng của biến đổi khsi hậu. Xâm nhập mặn là quá trình tự nhiên nên nếu nắm được quy luật trên có thể dự báo quá trình này phục vụ cho việc lấy nước tuới theo mùa vụ cây trồng và trong thời đoạn dài có thể bố trí thời vụ gieo trồng hợp lý để hạn chế tối đa tác động của xâm nhập mặn. Đồng thời, mặn cũng là một điều kiện thuận lợi cho các khu nuôi trồng thuỷ sản, hệ sinh thái ngập nước ven sông. Đây cũng là mục tiêu cơ bản của việc nghiên cứu xâm nhập triều mặn phục vụ các hoạt động kinh tế-xã hội vùng cửa sông đồng bằng sông Hồng - Thái Bình nói riêng và các vùng cửa sông nước ta nói chung. Từ những phân tích trên, tính cần thiết của công tác dự báo trước diễn biến độ mặn để giải đáp các vấn đề thực tế đang đặt ra dưới đây: - Hệ thống đê khống chế toàn bộ vùng cửa sông nên đối với khu vực cửa sông thuộc Thái Bình mặn không xâm nhập vào trong đồng nhưng gây khó khăn lớn đối với quá trình lấy nước từ sông, chủ yếu phục vụ cho nông nghiệp trên một phạm vi rộng lớn của đồng bằng vào các tháng kiệt. - Do không dự báo trước tình hình xâm nhập mặn nên nhiều địa phương rất lúng túng khi quyết định thời điểm lấy nước cho nông nghiệp và nuôi trồng thuỷ sản, đặc biệt trong vụ Đông Xuân. - Sự suy giảm dòng chảy vào mùa khô trên các triền sông Hoá, sông Trà Lý và sông Hồng, cùng với sự biến đổi khí hậu, đã khiến nước mặn từ biển Thái Bình 3 ngày càng lấn sâu vào nội tỉnh, khiến cho vụ xuân mấy năm qua, hai huyện Thái Thụy và Tiền Hải bị ảnh hưởng nặng nề. Hàng năm, Thái Bình thường xuyên có từ 10 - 20 ngàn héc-ta vụ xuân, tức là 10 - 20% diện tích gieo cấy, bị hạn thường xuyên và khoảng 30 ngàn héc-ta khó khăn về nước tưới, chưa kể diện tích nuôi trồng thuỷ sản ven biển khoảng 10 ngàn héc-ta nữa. Việc mở cống lấy nước từ các đập, cống ngăn triều cho nông nghiệp và thuỷ sản có độ mặn hoặc vượt quá (với cây trồng) hoặc thấp hơn (thuỷ sản) nồng độ cho phép đã gây thiệt hại không nhỏ đến năng suất cây trồng. Theo kết quả đánh giá sơ bộ của Viện Quy hoạch Thủy lợi về tác động của biến đổi khí hậu đến lưu vực sông Hồng, Thái Bình cho thấy, biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ tác động mạnh mẽ đến toàn bộ hệ thống lưu vực sông Hồng – Thái Bình. Cụ thể đối với cấp nước: Hệ thống cống bị mặn như Ngô Đồng, Nguyệt Lâm, Lịch Bài, Thái Học trên sông Hồng, Thuyền Quang, Dục Dương, Sa Lung, Ngữ trên sông Trà Lý, Hệ trên sông Hoá, Đồng Câu, Mới, Rỗ trên sông Văn Úc, Hệ, Ba, Đồng, Lý Xã, Cao Nội trên sông Thái Bình, Cống Thốp trên sông Ninh Cơ. Vì vậy việc xem xét đánh giá xâm nhập mặn sông Trà Lý và nhiễm mặn nước ngầm từ sông Trà Lý đặc biệt trong bối cảnh nước biển dâng do biến đổi khí hậu là rất cần thiết. 1.2 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu xây dựng mô hình thủy lực cửa sông Trà Lý bằng phần mềm thủy lực-môi trường chất lỏng EFDC nghiên cứu và đánh giá mức độ xâm nhập mặn sông Trà Lý dưới ảnh hưởng của các kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn nước ngầm do xâm nhập mặn sông Trà Lý tỉnh Thái Bình. Trên cơ sở đó, nghiên cứu đề xuất các giải pháp kiểm soát mặn, lấy nước phục vụ phát triển kinh tế xã hội. 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là môi trường nước sông Trà Lý khu vực cửa sông chịu ảnh hưởng của nước biển dâng và nước ngầm tầng Holocen; Phạm vi nghiên cứu là đoạn sông Trà Lý thuộc tỉnh Thái Bình từ thôn Thượng Đạt (xã Đông Dương-huyện Đông Hưng) đến cửa Trà Lý và tầng chứa nước Holocen từ TP. Thái Bình đến xã Lê Lợi-huyện Kiến Xương nằm ở phía Nam sông Trà Lý. 1.4 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu sau đây sẽ được sử dụng trong đề tài: - Thu thập nghiên cứu tổng quan các công trình khoa học và thực tế về nước mặt và nước ngầm khu vực tỉnh Thái Bình; 4 - Phương pháp phân tích thống kê; - Phương pháp mô hình sai phân hữu hạn thuỷ văn-thuỷ lực nước mặt;; - Phương pháp mô hình phần tử hữu hạn chuyển động nước ngầm và lan truyền mặn trong nước ngầm; - Hệ thông tin địa lý (GIS); - Phương pháp chuyên gia. Cấu trúc luận văn Chương 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực của đề tài. Chương 2 Giới thiệu về khu vực nghiên cứu Giới thiệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội, ảnh hưởng của NBD do BĐKH đến kinh tế xã hội tỉnh Thái Bình. Chương 3 Ứng dụng mô hình EFDC đánh giá xâm nhập mặn sông Trà Lý Trình bày tổng quan về lý thuyết cơ học chất lỏng, lan truyền mặn nước mặt, phương pháp sai phân hữu hạn, phầm mềm mô hình EFDC được sử dụng trong nghiên cứu. Trong chương này, trình bày chi tiết các bước thiết lập mô thủy lực và lan truyền mặn bằng phần mềm EFDC theo các kịch bản lựa chọn, trong đó có kịch bản NBD. Phân tích đánh giá xâm nhập mặn nước sông Trà Lý ở chế độ thủy văn ứng với tần suất 85%, ảnh hưởng của NBD đến xâm nhập mặn trong sông Trà Lý. Chương 4 Đánh giá ảnh hưởng của nước biển dâng đến xâm nhập mặn nước ngầm. Trình bày cơ sở lý thuyết chuyển động và lan truyền mặn trong nước ngầm, điều kiện địa chất thủy văn và nước ngầm khu vực tỉnh Thái Bình, phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng chuyển động nước ngầm và lan truyền mặn trong nước ngầm, kết quả lan truyền mặn của kịch bản không có và có NBD. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị 5 CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng biến đổi khí hậu (BĐKH) đã được các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới tiến hành từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước. Sự nóng lên của trái đất làm cho băng tuyết của các dãy Himalaya, vùng Nam Cực, Bắc Cực và các khu vực có băng tuyết khác tan chảy. Ví dụ ở Nam Cực, tháng 3/2002, các nhà khoa học tận mắt chứng kiến khối băng 500 tỷ tấn tan rã thành hàng nghìn mảnh; ở Bắc Cực, mùa hè 2002, lượng băng tan ở Greenland cao gấp đôi so với 1992, diện tích băng tan đã lên tới 655.000 m2. Hơn 110 sông băng và những cánh đồng băng vĩnh cửu ở bang Montana đã biến mất trong vòng 100 năm qua. Nếu độ tan chảy duy trì như hiện nay thì các sông băng sẽ hầu như biến mất khỏi dãy Alpes vào năm 2050. Mùa hè 2002, các nhà khoa học ghi nhận một khối băng 3,5 triệu tấn tách ra, gây ra lũ băng từ dãy núi Mali trên đỉnh Kavkaz thuộc Nga. Trong vòng 13 năm gần đây, số băng tan ở châu Âu tăng gấp đôi so với lượng băng tan của 30 năm trước (1961-1990). Các số liệu quan trắc mực nước biển thế giới cho thấy trong khoảng thời gian 40 năm (1962-2003), mực nước biển đã tăng thêm 7,2 cm (trung bình mỗi năm tăng 1,8 mm), riêng 10 năm cuối của khoảng thời gian nêu trên (1993-2003) các số liệu đo đạc của vệ tinh NASA cho thấy xu thế biển dâng đang gia tăng rất nhanh mực nước biển trung bình tăng thêm 3,1 cm (mỗi năm tăng 3,1 mm). Trước nguy cơ này các nhà khoa học thế giới đã mô phỏng tính toán 6 kịch bản dự báo tăng nhiệt độ và mực nước biển. Theo kịch bản số 4, nếu hàm lượng phát thải khí nhà kính năm 2100 bằng 850 ppm thì nhiệt độ trung bình toàn cầu của bề mặt trái đất sẽ tăng 2,8 0C so với năm 2000 và mực nước biển sẽ dâng từ 0,21 cm đến 0,48 m, gây một thảm hoạ không lường trước cho nhân loại, đó là chưa kể từ nay đến lúc đó BĐKH sẽ tạo ra bão lụt, hạn hán, sụt lở đất, nhiễm mặn, bệnh tật…cho bao nhiêu cư dân trên hành tinh ở các vùng đất thấp, mà trước hết đối tượng dễ bị tổn thương nhất là các nước kém phát triển và người nghèo là đại bộ phận của nhân loại [11]. 6 Ngày 11/5/2008 tại cuộc họp của các Bộ trưởng khối G8 gồm Anh, Canada, Pháp, Đức, Italia, Nhật Bản, Nga và Mỹ diễn ra tại thành phố cảng Niigata (Nhật Bản), vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu đã được chọn làm chủ đề chính trong chương trình. Tại Hội nghị thượng đỉnh G8 diễn ra tại Hokkaido (Nhật Bản) từ ngày 7 đến 9/7/2008, các nước công nghiệp phát triển đã thỏa thuận đầu tư hơn 10 tỉ USD cho hoạt động nghiên cứu và phát triển công nghệ chống nguy cơ nóng lên toàn cầu. Theo đó, những cuộc nghiên cứu chôn khí CO2 vào lòng đất được các nhà khoa học trên thế giới chính thức thông qua. Cũng tại hội nghị G8 nói trên, mục tiêu giảm thiểu khí nhà kính được đặt ra cho từng quốc gia từ năm 2013. Chính vì vậy việc xây dựng một "Chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với BĐKH và nước biển dâng" là vấn đề hết sức cấp thiết, mà các quốc gia, trong đó có Việt Nam phải chung tay ứng phó. Trong các nghiên cứu của IPCC, UNDP [37, 40] về các kịch bản BĐKH thì hệ thống các mô hình toán khí động học khí quyển, mô hình thủy động lực học cho các đại dương được xây dựng và sử dụng để đánh giá định lượng tác động của BĐKH đến khí hậu toàn cầu, mực nước các đại dương trên thế giới. Với từng vùng lãnh thổ, từng quốc gia trên cơ sở các kịch bản BĐKH toàn cầu sẽ có các nghiên cứu chi tiết đánh giá tác động của BĐKH đến từng yếu tố khí tượng (nhiệt độ, mưa, độ ẩm, bốc hơi…), điều kiện thủy văn, hải văn (dòng chảy trong sông, dao động triều, biến đổi mực nước biển). Mô hình toán được sử dụng trong trường hợp này thường là mô hình thủy động lực học HEC (Mỹ), SOBEK (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch), ISIS (Anh). 1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 1.2.1 Khái quát chung Theo kết quả đánh giá sơ bộ của Viện Quy hoạch Thủy lợi về tác động của biến đổi khí hậu đến lưu vực sông Hồng, Thái Bình cho thấy, biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ tác động mạnh mẽ đến toàn bộ hệ thống lưu vực sông Hồng – Thái Bình. Cụ thể đối với cấp nước: Hệ thống cống bị mặn như Ngô Đồng, Nguyệt Lâm, Lịch Bài, Thái Học trên sông Hồng, Thuyền Quang, Dục Dương, Sa Lung, Ngữ trên sông Trà 7 Lý, Hệ trên sông Hoá, Đồng Câu, Mới, Rỗ trên sông Văn Úc, Hệ, Ba, Đồng, Lý Xã, Cao Nội trên sông Thái Bình, Cống Thốp trên sông Ninh Cơ. Như đã biết, hàng ngày thủy triều lên xuống đưa nước biển xâm nhập vào các cửa sông, tiến sâu vào trong nội địa gây không ít khó khăn cho sản xuất, nông công nghiệp. Các thông tin dự báo diễn biến độ mặn để các hộ sử dụng nước quyết định thời điểm lấy nước với nồng độ mặn cho phép phục vụ sản xuất nông nghiệp và thuỷ sản hàng năm. Ngoài ra thông tin dự báo nguy cơ xâm nhập mặn tầng chứa nước ngầm do xâm nhập mặn nước sông mà không ít hộ dân khu vực hiện đang khai thác sử dụng mục đích sinh hoạt sẽ có ý nghĩa thực tế lớn cho công tác qui hoạch cấp nước sinh hoạt nông thôn trong tương lai dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Một số công trình khoa học liên quan đến xâm nhập mặn ở Việt Nam 1. Nghiên cứu, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu tới tỉnh Thái Bình, đề xuất các giải pháp thích ứng, giảm thiểu thiệt hại. (Đề tài hợp tác giữa Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam với UBND tỉnh Thái Bình năm 2010-2012) [4]. Các kết quả của đề tài có hàm lượng khoa học cao được thể hiện qua sự phân tích đánh giá định lượng các tài liệu đã thu thập cùng các yếu tố tác động để xây dựng ra các mô hình tính toán phù hợp, có các phân tích đánh giá khoa học để xác định mô hình phù hợp (mô hình xâm nhập mặn nước mặn 3 chiều bằng phần mềm của Cục môi trường Mỹ); các nghiên cứu phân tích tính toán độ ổn định bờ sôngbiển, đê sông-biển được tiến hành một cách khoa học bài bản với các số liệu triều quan trắc tại khu vực và các chỉ tiêu cơ đặc trưng, mực nước dâng được tính toán bằng mô hình đáng tin cậy; bổ sung nhân tạo làm nhạt hóa nước ngầm bằng mô hình giải tích chính xác, xâm nhập mặn nước ngầm bằng mô hình phần tử hữu hạn hiện đại. + Thứ tự về nguy cơ ngập úng từ cao xuống thấp của các huyện, thành phố tỉnh Thái Bình như sau: 1) Thái Thụy và Tiền Hải; 2) Kiến Xương; 3) Quỳnh Phụ; 4) TP. Thái Bình và huyện Đông Hưng; 5) Hưng Hà. + Với điều kiện DCST là 211m3/s thì chiều dài xâm nhập mặn vào sông Hồng ứng với điều kiện mực nước biển hiện tại và NBD thấp (0,5m) không khác nhau nhiều. 8 Tuy nhiên khi mực nước biển ứng với NBD TB (0,75m) và cao (1m) thì chiều dài xâm nhập mặn tăng lên đáng kể (gần 9km) so với mực nước biển hiện tại nếu lấy vị trí nồng độ muối 1g/l. Theo xu thế quan hệ giữa mực nước biển dâng và chiều dài xâm nhập mặn thì chiều dài xâm nhập mặn ứng với nồng độ muối 4g/l có dạng gần tuyến tính, nhưng ứng với nồng độ muối 1g/l thì có dạng hàm mũ, tức là chiều dài xâm nhập mặn sẽ tăng nhanh hơn nhiều. Nếu mực nước biển dâng cao 1,5m thì chiều dài xâm nhập mặn 1g/l đạt tới khoảng 38km, lớn gần gấp đôi so với mực nước biển dâng 1m. + NBD dẫn đến thời gian xâm nhập mặn các công trình khai thác nước ngầm tầng Pleistocen khu vực ven biển tăng nhanh. Ở điều kiện với mực nước biển hiện tại, xâm nhập mặn xảy ra theo thời gian và theo dự báo thì khoảng 30 năm sau xâm nhập mặn vào các lỗ khoan ở cách bờ biển khoảng trên dưới 1km, và ở kịch bản NBD=1m chiều sâu xâm nhập mặn tăng lên khoảng 1,7 lần so với điều kiện mực nước biển hiện tại. Bổ sung nhân tạo nước ngầm tầng Holocen trên tại một số khu vực bằng nguồn nước mưa và nước mặt là khả thi nhằm thay thế nước ngầm mặn-lợ và tăng nguồn nước nhạt đảm bảo cấp nước sinh hoạt cho người dân địa phươngtới trên 200m3/ngày. + Với điều kiện địa chất tự nhiên của nền đê và bờ sông biển nhạy cảm với dao động gia tăng mực nước sông biển và mực nước ngầm, dễ bị phá hủy dưới những tác động nhất định dẫn đến pha hủy chính thân đê. Trong các sông trên địa bàn tỉnh Thái Bình thì bờ sông Hồng có mức độ nguy cơ trượt lở ở điều kiện tự nhiên cao hơn các sông khác do lòng sông sâu và bờ sông dốc. Tại các vị trí có bờ sông có nguy cơ trượt lở cao, ứng với mực nước biển dâng ở KB3 độ ổn định trượt giảm ít nhất là 2%, TB khoảng 5% và lớn nhất có thể đạt 8% phụ thuộc vào hình thái bờ sông. Vì vậy nhất định đòi hỏi các biện pháp gia cố nhằm tăng cường độ ổn định. Đồng thời NBD dẫn đến sự thay đổi các thông số đầu vào sử dụng trong thiết kế đê theo như tiêu chuẩn ngành yêu cầu. 2. Nghiên cứu xâm nhập mặn nước dưới đất trầm tích đệ tứ vùng Nam Định. (Luận án tiến sĩ địa chất- Hoàng Văn Hoan) [12]. 9 Luận án đã góp phần làm sáng tỏ quá trình hình thành, nguồn gốc và nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt. Xác định cơ chế XNM và vai trò của các cơ chế trong quá trình XNM. Tác giả đã thiết lập được các phương trình tương quan giữa các thông số Địa chất thủy văn với thông số địa vật lý và đồng vị, là cơ sở áp dụng cho vùng nghiên cứu và các vùng có điều kiện địa chất thủy văn tương tự. Luận án đã xác định được hiện trạng phân bố mặn-nhạt nước dưới đất, đánh giá và dự báo diễn biến xâm nhập mặn ở vùng nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý, quy hoạch tài nguyên nước, các nhà hoạch định chính sách và các nhà khoa học nhằm phục vụ khai thác và sử dụng bền vũng nguồn tài nguyên nước dưới đất quý giá này. 3. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu – Nước biển dâng đến tình hình xâm nhập mặn dải ven biển đồng bằng Bắc Bộ. (Phạm Tất Thắng). Đề tài ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng tính toán dòng chảy kiệt và xâm nhập mặn vùng nghiên cứu. Kết quả tính toán từ mô hình cho biết tình hình diễn biến mực nước, lưu lượng và xâm nhập mặn dọc theo các sông. Sông Đáy: Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất ứng với kịch bản BĐKH-NBD đến năm 2030 (>1‰) lên đến 45km, tức là lớn hơn so với kịch bản hiện trạng 15km. Từ Km số 10 đến km số 45 độ mặn tại cùng một vị trí mặt cắt ở 2 kịch bản chênh lệch nhau trung bình là 3,5‰. Sông Hồng: Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất ứng với kịch bản BĐKH-NBD đến năm 2030 (>1‰) là 47km, tăng lên hơn so với hiện trạng khoảng 5km. Tại cùng một vị trí độ mặn tăng lên trung bình khoảng 2-3,5‰ Các sông Trà Lý, Thái Bình, Đá Bạc, Cấm, Lạch Tray chiều dài xâm nhập mặn và độ lớn lưỡi mặn không có sự khác nhau đáng kể giữa 2 trường hợp. Chiều dài xâm nhập mặn tương ứng với kịch bản năm 2030 tăng lên 2-3 km. Kết quả này cho thấy trong tương lại độ mặn tại các cửa cống lấy nước ven sông sẽ vượt quá giới hạn cho phép, không thể lấy nước tưới phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Điều này cho thấy mức độ căng thẳng về nguồn nước ngày càng tăng và sự 10 cấp thiết phải tìm ra các giải pháp công trình và phi công trình để cải thiện việc cấp nước trong mùa kiệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng. 4. Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định nguyên nhân, để xuất giải pháp ứng phó với xâm nhập mặn trong điều kiện BĐKH ở vùng ĐBSCL. (Đề tài do Cục Quản lý Tài nguyên nước chủ trì năm 2012-2013). Đề tài đã nghiên cứu xâm nhập mặn vào các sông do BĐKH và NBD, cụ thể như sau: Độ mặn l%: Trong thời kỳ nền, chiều dài xâm nhập mặn ở các cửa sông Cửu Long khoảng 62-63km và trên sông Vàm Cỏ Tây là 120km. + Theo kịch bản A2: Giai đoạn 2020-2039: Ở cửa sông Hậu, Cổ Chiên, Mỹ Tho, chiều dài xâm nhập mặn từ 67-70km. So với giai đoạn nền, mức tăng từ 4,8-7,1km, trong đó tăng ít nhất trên sông Hậu (4,8km) và cao nhất trên sông Mỹ Tho (y.lkm). Trên sông Vàm cỏ Tây: Chiểu dài xâm nhập mặn tới 124,5km, tức là tăng 4,6km so với thời kỳ nền nhưng nhỏ hơn so với các cửa sông Cửu Long. Giai đoạn 2040-2059: Ớ cửa sông Hậu, Cổ Chiên, Mỹ Tho, chiều dài xâm nhập mặn từ 71-73km, tăng từ 8,8-9,9. Tương tự như giai đoạn 2020-2039, mức tăng trên sông Hậu nhỏ nhất (8,3km) và cao nhất trên sông Mỹ Tho (9,9km). Trên sông Vàm cỏ Tây: Chiều dài xâm nhập mặn tới 129,3km, tức là tăng 9,3km, xấp xỉ so với mức tăng ở các cửa sông Cửu Long. + Theo kịch bản B2: Chiều dài xâm nhập mặn và mức gia tăng đều nhỏ hơn so với kịch bản A2, nhưng không đáng kể trong cả 2 giai đoạn ở tất cả các cửa sông. Độ mặn 4‰: