Tài liệu Nghiên cứu dự báo xâm nhập mặn nước mặt tỉnh nam định

LỜI CẢM ƠN Sau gần 1 năm thực hiện, luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước với đề tài: “Nghiên cứu dự báo xâm nhập mặn nước mặt tỉnh Nam Định” đã được tác giả hoàn thành. Đây là sự thể hiện những kiến thức tác giả đã tiếp thu được từ các thầy, cô trong quá trình học tập tại trường. Tác giả xin bày tỏ long kính trọng, biết ơn chân thành đến thầy Nguyễn Cao Đơn, TS giảng viên Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước đã dành nhiều thời gian công sức tận tình trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong nhà trường đã đem hết tâm huyết truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong học tập cũng như trong quá trình làm luận văn giúp tác giả hoàn thành khóa học. Qua đây tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người than và bạn bè đồng nghiệp đã khích lệ, động viên tôi trong suất quá trình học tập và nghiên cứu. Đây chính là động lực to lớn giúp tôi hoàn thành khóa học này. Do thời gian và năng lực bản thân có hạn nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả kính mong các thầy cô, các đồng nghiệp và bạn bè đóng góp ý kiến để tác giả hoàn thiện thêm, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài. Xin trân trọng cảm ơn! Hà nội, ngày 2 tháng 3 năm 2012 TÁC GIẢ Sái Hồng Dương MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 3 T 4 T 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. 5 T 4 T 4 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 T 4 T 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 5 T 4 T 4 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn ..............................................5 T 4 T 4 1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước ....................................................................5 T 4 T 4 1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu xâm nhập mặn trong nước ........................8 T 4 T 4 CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN VÙNG NGHIÊN CỨU .......................... 15 T 4 T 4 2.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu ..............................................15 T 4 T 4 2.1.1. Vị trí địa lý ..............................................................................................15 T 4 T 4 2.1.2. Đặc điểm địa hình ...................................................................................15 T 4 T 4 2.1.3. Mạng lưới sông ngòi ...............................................................................17 T 4 T 4 2.2. Đặc trưng khí hậu và nguồn nước ..................................................................20 T 4 T 4 2.2.1. Đặc trưng khí hậu ....................................................................................20 T 4 T 4 2.2.2. Dòng chảy ...............................................................................................29 T 4 T 4 2.2.3. Thủy triều và xâm nhập mặn...................................................................31 T 4 T 4 2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu – nước biển dâng ...........................................35 T 4 T 4 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU DỰ BÁO XÂM NHẬP MẶN NƯỚC MẶT TỈNH T 4 NAM ĐỊNH .............................................................................................................. 36 T 4 3.1. Đánh giá hiện trạng tình xâm nhập mặn tỉnh Nam Định ...............................36 T 4 T 4 3.2 Xây dựng các phương án tính toán ................................................................. 37 T 4 T 4 Nhóm phương án 1 – Biến đổi lượng nước thượng nguồn (PA1) ........................38 T 4 T 4 Nhóm phương án 2 - Ảnh hưởng của thủy triều (PA2) ........................................41 T 4 T 4 Nhóm phương án 3 – Nước biển dâng do Biến đổi khí hậu (PA3).......................42 T 4 T 4 Một số ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ............................................................42 T 4 T 4 Kịch bản nước biển dâng ..................................................................................44 T 4 T 4 3.3 Ứng dụng mô hình MIKE11 tính toán dự báo xâm nhập mặn tỉnh Nam T 4 Định .......................................................................................................................... 46 T 4 3.2.1. Giới thiệu mô hình ..................................................................................46 T 4 T 4 3.2.2. Thuật toán giải hệ phương trình S.Venant trong mô hình MIKE11 .......48 T 4 T 4 3.2.4. Sơ đồ tính toán và tài liệu cơ bản ............................................................53 T 4 T 4 3.2.5. Mô phỏng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ..........................................59 T 4 T 4 3.4 Kết quả tính toán ứng với các phương án ...................................................... 66 T 4 T 4 Kết quả tính toán với nhóm phương án 1 (PA1) ...................................................66 T 4 T 4 Kết quả tính toán với nhóm phương án 2 (PA2) ...................................................69 T 4 T 4 Kết quả tính toán với nhóm phương án 3 (PA3) ...................................................74 T 4 T 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 81 T 4 T 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 83 T 4 T 4 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ......................................................................................... 85 T 4 T 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1. Bản đồ địa hình, sông suối hệ thống sông Hồng - sông Thái Bình..........16 TU 4 T 4 U Hình 3.1. Sơ đồ minh hoạ cân bằng nước khi thiết lập phương trình liên tục ..........48 TU 4 T 4 U Hình 3.4. Hệ thống sông và mặt cắt vùng nghiên cứu ..............................................56 TU 4 T 4 U Hình 3.5. Sơ đồ mạng lưới sông, mặt cắt hạ lưu vực sông Hồng - Thái Bình được TU 4 thiết lập trong mô hình Mike 11 ................................................................................59 T 4 U Hình 3.5. Quá trình dòng chảy trạm Như Tân ..........................................................61 TU 4 T 4 U Hình 3.6. Quá trình dòng chảy trạm Phú Lễ .............................................................61 TU 4 T 4 U Hình 3.7. Quá trình dòng chảy trạm Ba Lạt ..............................................................61 TU 4 T 4 U Hình 3.8. Quá trình dòng chảy trạm Định Cư ...........................................................62 TU 4 T 4 U Hình 3.9. Quá trình dòng chảy trạm Đông Xuyên ....................................................62 TU 4 T 4 U Hình 3.10. Quá trình dòng chảy trạm Quang Phục ...................................................62 TU 4 T 4 U Hình 3.11. Quá trình dòng chảy trạm Kiến An .........................................................63 TU 4 T 4 U Hình 3.12. Quá trình dòng chảy trạm Cửa Cấm .......................................................63 TU 4 T 4 U Hình 3.13. Quá trình dòng chảy trạm Do Nghi .........................................................63 TU 4 T 4 U Hình 3.14. Quá trình dòng chảy trạm Đôn Sơn ........................................................64 TU 4 T 4 U Hình 3.15. Quá trình dòng chảy trạm Cao Kênh ......................................................64 TU 4 T 4 U Hình 3.16. Quá trình dòng chảy trạm Trung Trang ..................................................64 TU 4 T 4 U Hình 3.17. Quá trình dòng chảy trạm Chanh Thử ....................................................65 TU 4 T 4 U Hình 3.18. Quá trình dòng chảy trạm Phả Lại ..........................................................65 TU 4 T 4 U Hình 3.19. Quá trình dòng chảy trạm Hưng Yên ......................................................65 TU 4 T 4 U Hình 3.20. Quá trình dòng chảy trạm Nam Định ......................................................66 TU 4 T 4 U Hình 3.21. Quá trình dòng chảy trạm Trực Phương .................................................66 TU 4 T 4 U Hình 1. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Đáy (PA1-a) ..........................98 TU 4 T 4 U Hình 2. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Ninh Cơ (PA1-a) ..................98 TU 4 T 4 U Hình 3. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Hồng (PA1-a) .......................99 TU 4 T 4 U Hình 4. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Đáy (PA1-b) .......................100 TU 4 T 4 U Hình 5. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Ninh cơ (PA1-b) .................100 TU 4 T 4 U Hình 6. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Hồng (PA1-b) .....................101 TU 4 T 4 U Hình 8. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Đáy (PA1-c) ........................101 TU 4 T 4 U Hình 7. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Ninh Cơ (PA1-c) ................102 TU 4 T 4 U Hình 9. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Hồng (PA1-c) .....................102 TU 4 T 4 U Hình 10. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Đáy (PA3a-20) ........................103 TU 4 T 4 U Hình 11. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Ninh cơ (PA3a-20) ..................103 TU 4 T 4 U Hình 12. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Hồng (PA3a-20) ......................104 TU 4 T 4 U Hình 13. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Đáy (PA3b-20) ........................105 TU 4 T 4 U Hình 14. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Ninh Cơ (PA3b-20) .................105 TU 4 T 4 U Hình 15. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Hồng (PA3b-20) ......................106 TU 4 T 4 U Hình 16. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Đáy (PA3c-20) ........................107 TU 4 T 4 U Hình 17. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Ninh Cơ (PA3c-20) .................107 TU 4 T 4 U Hình 18. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất sông Hồng (PA3c-20) ......................108 TU 4 T 4 U Hình 19. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Đáy (PA3_75_50_nd37) ...109 TU 4 T 4 U Hình 20. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Ninh Cơ (PA3_75_50_nd37) TU 4 T 4 U .................................................................................................................................109 Hình 21. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Hồng (PA3_75_50_nd37) 110 TU 4 T 4 U Hình 22. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Đáy (PA3_80_50_nd37) ...111 TU 4 T 4 U Hình 23. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Ninh Cơ (PA3_80_50_nd37) TU 4 T 4 U .................................................................................................................................111 Hình 24. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Hồng (PA3_80_50_nd37) 112 TU 4 T 4 U Hình 25. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Đáy (PA3_85_50_nd37) ...113 TU 4 T 4 U Hình 26. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Ninh Cơ (PA3_85_50_nd37) TU 4 T 4 U .................................................................................................................................113 Hình 27. Chiều dài xâm nhập mặn lớn nhất dọc sông Hồng (PA3_85_50_nd37) 114 TU 4 T 4 U DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Đặc trưng hình thái một số sông chính trong hệ thống sông Hồng - sông TU 4 Thái Bình ...................................................................................................................17 T 4 U Bảng 2.2. Nhiệt độ không khí trung bình năm ..........................................................21 TU 4 T 4 U Bảng 2.3. Độ ẩm trung bình tháng và năm theo các vùng trên lưu vực....................23 TU 4 T 4 U Bảng 2.4. Lượng bốc hơi ống (PICHE) trung bình tháng và năm theo các vùng trên TU 4 lưu vực.......................................................................................................................24 T 4 U Bảng 2.5. Tổng lượng mưa trung bình tháng và năm tại các trạm trên lưu vực .......26 TU 4 T 4 U Bảng 2.6. Độ mặn trung bình trên một số phân lưu hệ thống sông Hồng - sông Thái TU 4 Bình ...........................................................................................................................33 T 4 U Bảng 2.7: Khoảng cách xâm nhập mặn trung bình trên một số sông chính .............34 TU 4 T 4 U Bảng 2.8: Triết giảm độ mặn trên các triền sông ......................................................35 TU 4 T 4 U Bảng 1. Dòng chảy mùa kiệt ứng vơi các tần suất thiết kế tại Trạm Sơn Tây.........39 TU 4 T 4 U Bảng 2. Tổng lưu lượng yêu cầu của dòng chính vào các cụm lấy nước ................40 TU 4 T 4 U Bảng 3 Bảng tổng hợp các phương án tính toán trong nhóm phương án 1 .............41 TU 4 T 4 U Bảng 4 Các phương án tính toán trong nhóm phương án 2 .....................................42 TU 4 T 4 U Bảng 7. Mực nước biển dâng (cm) so với thời kỳ 1980-1999 ..................................44 TU 4 T 4 U Bảng 5. Chiều cao nước dâng do Biến đổi khí hậu ..................................................45 TU 4 T 4 U Bảng 6 Các phương án tính toán trong nhóm phương án 3 ......................................46 TU 4 T 4 U Bảng 3.4. Kết quả hiệu chỉnh mô hình ......................................................................60 TU 4 T 4 U Bảng 7. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn dọc hệ thống sông phương án PA1-a .67 TU 4 T 4 U Bảng 8. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn dọc hệ thống sông phương án PA1-b .67 TU 4 T 4 U Bảng 9. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn hệ thống sông phương án PA1-c ........68 TU 4 T 4 U Bảng 10. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều cường PA2a ...........69 TU 4 T 4 U Bảng 11. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều trung bình PA2a ....69 TU 4 T 4 U Bảng 12. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều kém PA2a ..............70 TU 4 T 4 U Bảng 13. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều cường PA2b ..........70 TU 4 T 4 U Bảng 14. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều trung bình PA2b ....71 TU 4 T 4 U Bảng 15. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều kém PA2b ..............71 TU 4 T 4 U Bảng 16. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều cường PA2c ...........72 TU 4 T 4 U Bảng 17. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều trung bình PA2c ....72 TU 4 T 4 U Bảng 18. Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trong kỳ triều kém PA2c ..............73 TU 4 T 4 U Bảng 19. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn hệ thống sông phương án PA3a-20 ..74 TU 4 T 4 U Bảng 20. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn hệ thống sông phương án PA3b-20 ..75 TU 4 T 4 U Bảng 21. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn hệ thống sông phương án PA3c-20 ..75 TU 4 T 4 U Bảng 22. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn theo phương án PA3_75_50_nd37 ...76 TU 4 T 4 U Bảng 23. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn theo phương án PA3_80_50_nd37 ...76 TU 4 T 4 U Bảng 24. Thống kê chiều dài xâm nhập mặn theo phương án PA3_80_50_nd37 ...77 TU 4 T 4 U Bảng 1. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Yên Hưng – Quảng Ninh ........................86 TU 4 T 4 U Bảng 2. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Thủy Nguyên – Hải Phòng......................87 TU 4 T 4 U Bảng 3. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống An Hải – Hải Phòng ................................88 TU 4 T 4 U Bảng 4. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Đa Độ – Hải Phòng .................................89 TU 4 T 4 U Bảng 5. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Tiên Lãng – Hải Phòng ...........................90 TU 4 T 4 U Bảng 6. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Vĩnh Bảo – Hải Phòng ............................91 TU 4 T 4 U Bảng 7. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Thái Thụy – Thái Bình ............................92 TU 4 T 4 U Bảng 8. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Tiền Hải – Thái Bình ..............................93 TU 4 T 4 U Bảng 9. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Giao Thủy – Nam Định ...........................94 TU 4 T 4 U Bảng 10. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Hải Hậu – Nam Định ............................95 TU 4 T 4 U Bảng 11. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Nghĩa Hưng – Nam Định ......................96 TU 4 T 4 U Bảng 12. Quan hệ Q ~ t đầu mối hệ thống Kim Sơn – Ninh Bình ...........................97 TU 4 T 4 U 1 MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Nam Định là tỉnh thuộc vùng duyên hải bắc bộ , nằm phía nam đồ ng bằng sông Hồng , trong khoảng từ 19°54′đến 20°40′độ vĩ bắc, và từ 105°55′ đến 106°45′ độ kinh đông. Nam Định tiếp giáp với tỉnh Thái Bình ở phía bắc, tỉnh Ninh Bình ở phía nam, tỉnh Hà Nam ở phía tây bắc, giáp biển (vịnh Bắc Bộ) ở phía đông . Tổng diện tích tự nhiên của toàn tỉnh là 1.669 km². Nam Định gồm có 1 Thành phố và 09 huyện, theo điều tra dân dố 01/04/2009 Nam Định có 1.825.771 người với mật độ dân số 1.196 người/km². Cơ cấu kinh tế hiện nay thì nông-lâm-thuỷ sản chiếm 41%; Công nghiệp-xây dựng: 21.5%; Dịch vụ: 38%. Nam Định có bờ biển dài 72 km có điều kiện thuận lợi cho chăn nuôi và đánh bắt hải sản, có khu bảo tồn thiên nhiên quốc gia rừng ngập mặn Xuân Thủy (huyện Giao Thủy). Vùng nghiên cứu chịu tác động chế độ thủy văn của 3 con sông lớn chảy qua là sông Hồng, sông Ninh Cơ và sông Đáy và hải văn của biển đông. Về địa hình, Nam Định chia thành 3 vùng gồm: (1) Vùng đồng bằng thấp trũng: gồm các huyện Vụ Bản, Ý Yên, Mỹ Lộc, Nam Trực, Trực Ninh, Xuân Trường. Đây là vùng có nhiều khả năng thâm canh phát triển nông nghiệp, công nghiệp dệt, công nghiệp chế biến, công nghiệp cơ khí và các ngành nghề truyền thống. (2) Vùng đồng bằng ven biển: gồm các huyện Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng đất đai phì nhiêu, có nhiều tiềm năng phát triển kinh tế tổng hợp ven biển. (3) Vùng trung tâm công nghiệp - dịch vụ thành phố Nam Định: có các ngành công nghiệp dệt may, công nghiệp cơ khí, công nghiệp chế biến, 2 các ngành nghề truyền thống, các phố nghề… cùng với các ngành dịch vụ tổng hợp, dịch vụ chuyên ngành hình thành và phát triển từ lâu. Cũng như các tỉnh trong vùng đồng bằng Bắc Bộ, Nam Định mang khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm. Nhiệt độ trung bình trong năm từ 23 - 24°C. Tháng lạnh nhất là các tháng 12 và 1, với nhiệt độ trung bình từ 16 - 17 °C. Tháng 7 nóng nhất, nhiệt độ khoảng trên 29°C. Lượng mưa trung bình trong năm từ 1.750 - 1.800 mm, chia làm 2 mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, mùa ít mưa từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau. Số giờ nắng trong năm: 1.650 - 1.700 giờ. Độ ẩm tương đối trung bình: 80 - 85%. Mặt khác, do nằm trong vùng vịnh Bắc Bộ nên hàng năm Nam Định thường chịu ảnh hưởng của bão hoặc áp thấp nhiệt đới, bình quân từ 4 - 6 cơn/năm. Thuỷ triều tại vùng biển Nam Định thuộc loại nhật triều, biên độ triều trung bình từ 1,6 - 1,7 m; lớn nhất là 3,31 m và nhỏ nhất là 0,11m. Sự phát triển kinh tế xã hội của vùng ven biển nói chung và Nam Định nói riêng phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước ngọt của các con sông lớn . Nước ngọt phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt thiết yếu của con người , cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và các ngành dùng nước khác . Theo tài liệu quan trắc của Trung tâm thủy lợi , môi trường ven biển và hải đảo từ năm 2004 đến nay cho thấy mức độ xâm nhập mặn trên các con sông lớn vùng ven biển bắc bộ ngày càng sâu vào đất liền . Mặn bắt đầu xâm nhập vào sâu đất liền dọc theo các con sông khi mùa mưa kết thúc , nhưng lúc này ở mức độ thấp . Từ giữa đến cuối mùa khô , lượng nước từ thượng lưu đổ về ngày một giảm cũng là thời kỳ xâm nhập mặn nội địa cũng đạt cực đại. Với độ mặn 1o/ oo , chiều sâu P P R R xâm nhập mặn từ 25 đến 40km tính từ cửa biển tùy theo đặc điểm từng sông và sự điều tiết của các hồ chứa vào thời kỳ này . Như vậy nguồn nước ngọt 3 trên các con sông lớn vùng ven biển bắc bộ ngày càng bị ảnh hưởng bở i xâm nhập mặn từ biển Đông, đồng nghĩa với việc ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống, sức khỏe, sản xuất, kinh tế xã hội, môi trường v.v vùng ven biển bắc bộ. Trước những bất lợi của xâm nhập mặn gây ra cần phải đi sâu ngh iên cứu đề xuất các giải pháp cho từng vùng với những đặc thù cụ thể khác nhau . Muốn vậy, phải nắm vững quy luật của xâm nhập mặn từ đó xây dựng luận cứ cho việc khai thác sử dụng hiệu quả tài nguyên đất , nước khí hậ u và bảo vệ môi trường phát triển bền vững. Vì vậy nghiên cứu dự báo xâm nhập mặn nước mặt tỉnh Nam Định nói riêng và toàn dải ven biển bắc bộ nói chung trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng là nhiệm vụ rất cần thiết và cấp bách. II. Mục tiêu đề tài Kết quả nghiên cứu nhằm giúp cho các cơ quan quản lý , các hộ dùng nước trong việc bảo vệ , khai thác và sử dụng tài nguyên nước khoa học , hợp lý và bền vững. Góp phần phát triển bền vững kinh tế, xã hội, môi trường tỉnh Nam Định trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng. III. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu dự báo xâm nhập mặn nước mặt của tỉnh Nam Định trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng. IV.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1. Cách tiếp cận: (1) Tiếp cận tổnghợp Xem khu vực nghiên cứu là một phần của lưu vực sông Hồng, sông Thái Bình, trong đó các điều kiện cấu thành hệ thống gồm: địa hình, địa chất, khí hậu, nước, sinh vật, con người, phương thức quản lý, khai thác .v.v…, là các thành phần của hệ tương tác có quan hệ ràng buộc, tác động lẫn nhau. (2) Tiếp cận hệ kinh tế – sinh thái – môi trường Mục tiêu cơ bản của việc dự báo xâm nhập mặn là quản lý , khai thác 4 và sử dụng tài nguyên phục vụ lợi ích con người và phát triển kinh tế. Tuy nhiên, việc khai thác tài nguyên sẽ tác động tới hệ sinh thái và môi trường. Vì vậy cách tiếp cận này bảo đảm nguyên tắc sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và đảm bảo cho sự phát triển bền vững. Đặc biệt với vùng nghiên cứu là vùng ven biển có hệ sinh thái rất nhậy cảm. (4) Tiếp cận kế thừa, phát triển các kết quả nghiên cứu và tiếp thu công nghệ + Tiếp cận các kết quả nghiên cứu về xâm nhập mặn ở trên thế giới và trong nước một cách chọn lọc. + Sử dụng các công cụ tiên tiến để triển khai thực hiện đề tài như : Sử dụng phần mềm Mike 11 và các phần mềm ứng dụng khác để phục vụ công tác tính toán, dự báo xâm nhập mặn khu vực ven biển bắc bộ. 2. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp kế thừa; - Phương pháp chuyên gia; - Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu; - Phương pháp phân tích, xử lý, đánh giá số liệu; - Phương pháp sử dụng mô hình toán. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn 1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước Hiện tượng xâm nhập triều, mặn là quy luật tự nhiên ở các khu vực, lãnh thổ có vùng cửa sông giáp biển. Do tính chất quan trọng của hiện tượng xâm nhập triều mặn có liên quan đến hoạt động kinh tế - xã hội của nhiều quốc gia nên vấn đề tính toán và nghiên cứu 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 như ở các nước như Mỹ, Nga, Hà Lan, Nhật, Trnng Quốc, Thái Lan… 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 trong 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. Chính nhờ sức mạnh của hệ phương trình Saint -Venant nên khi kỹ thuật tính sai phân và công cụ máy tính điện tử đáp ứng được thì việc mô phỏng dòng chảy sông ngòi là công cụ rất quan trọng để 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. Mọi dự án phát triển tài nguyên nước trên thế giới hiện nay đều coi mô hình toán dòng chảy là một nội dung tính toán không thể thiếu. 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 khuếch 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 6 của vật chất hoà tan và 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 cực nhanh trong thời 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. 7 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. Dưới đây thống kê một số mô hình mặn thông dụng trên thế giới đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu tham khảo : (1) Mô hình động lực cửa sông FWQA Mô hình FWQA thường được đề cập đến trong các tài liệu là mô hình ORLOB theo tên gọi của Tiến sỹ Geral T. Orlob. Mô hình đã được áp dụng trong nhiều vấn đề tính toán thực tế. Mô hình giải hệ phương trình Saint Venant kết hợp với phương trình khuếch tán và có xét đến ảnh hưởng của thuỷ triều thay vì bỏ qua như trong mô hình không có thuỷ triều. Mô hình được áp dụng đầu tiên cho đồng bằng Sacramento - San Josquin, Califorlia. (2) Mô hình thời gian thuỷ triều của Lee và Harleman và của Thatcher và Harleman Lee và Harleman (1971) và sau được Thatcher và Harleman cải tiến đã đề ra một cách tiếp cận khác, xây dựng lời giải sai phân hữu hạn đối phương trình bảo toàn mặn trong một sông đơn. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng để giải phương trình khuếch tán là sơ đồ ẩn 6 điểm. Mô hình cho kết quả tốt trong việc dự báo trạng thái phân phối mặn tức thời cả trên mô hình vật lý cũng như của sông ngòi thực tế. (3) Mô hình SALFLOW của Delf Hydraulics (Hà Lan) Một trong những thành quả mới nhất trong mô hình hoá xâm nhập mặn là mô hình SALFLOW của Delf Hydraulics (Viện Thuỷ lực Hà Lan) được xây dựng trong khuôn khổ hợp tác với Ban Thư ký Uỷ ban sông Mê Công từ năm 1987. (4) Mô hình MIKE 11 8 Là mô hình thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng. Đây thuộc lớp mô hình thuỷ lực và chất lượng nước loại một chiều (trường hợp riêng là xâm nhập mặn) và hai chiều có độ tin cậy rất cao, thích ứng với các bài toán thực tế khác nhau. Mô hình này đã được áp dụng rất phổ biến trên thế giới để tính toán, dự báo lũ, chất lượng nước và xâm nhập mặn. (5) Mô hình ISIS (Anh) Mô hình do các nhà thuỷ lực Anh xây dựng, thuộc lớp mô hình thuỷ lực một chiều kết hợp giải bài toán chất lượng nước và có nhiều thuận lợi trong khai thác. Mô hình cũng được nhiều nước sử dụng để tính toán xâm nhập mặn. (6) Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) Mô hình được cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (US EPA) phát triển từ năm 1980. Là mô hình tổng hợp dùng để tính toán thuỷ lực kết hợp với tính toán lan truyền chất 1,2,3 chiều. Mô hình có khả năng dự báo các quá trình dòng chảy, quá trình sinh, địa hoá và lan truyền mặn. 1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu xâm nhập mặn trong nước 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 và sông Cửu Long. Tuy nhiên, đối với đồng bằng sông Cửu Long 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 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. Khởi đầu là các công trình nghiên cứu, tính toán của Uỷ hội sông Mê Công (1973) về xác định ranh giới xâm nhập mặn theo phương pháp thống kê trong hệ thống kênh rạch thuộc 9 vùng cửa sông thuộc đồng bằng sông Cửu Long. Các kết quả tính toán từ chuỗi số liệu thực đo đã lập nên bản 9 đồ đẳng trị mặn với hai chỉ tiêu cơ bản 1%0 và 4%0 cho toàn khu vực đồng bằng trong các tháng từ tháng 12 đến tháng 4. Tiếp theo, nhiều báo cáo dưới các hình thức công bố khác nhau đã xây dựng các bản đồ xâm nhập mặn từ số liệu cập nhật và xem xét nhiều khía cạnh tác động ảnh hưởng các nhân tố địa hình, KTTV và tác động các hoạt động kinh tế đến xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Cửu Long. Việc đẩy nhanh công tác nghiên cứu xâm nhập mặn ở nước ta được đánh dấu vào năm 1980 khi bắt đầu triển khai dự án nghiên cứu xâm nhập mặn đồng bằng sông Cửu Long dưới sự tài trợ của Ban Thư ký Uỷ ban sông Mê Công. Trong khuôn khổ dự án này, một số mô hình tính xâm nhập triều, mặn đã được xây dựng như của Ban Thư ký Mê Công và một số cơ quan trong nước như Viện Quy hoạch và Quản lý nước, Viện Cơ học ... Các mô hình này đã được ứng dụng vào việc nghiên cứu quy hoạch phát triển châu thổ sông Cửu Long, tính toán hiệu quả các công trình chống xâm nhập mặn ven biển để tăng vụ và mở rộng diện tích nông nghiệp trong mùa khô, dự báo xâm nhập mặn dọc sông Cổ Chiên. Kỹ thuật chương trình của mô hình trên đã được phát triển thành một phần mềm hoàn chỉnh để cài đặt trong máy tính như một phần mềm chuyên dụng. Mô hình đã đựợc áp dụng thử nghiệm tốt tại Hà Lan và đã được triển khai áp dụng cho đồng bằng sông Cửu Long nước ta. Thêm vào đó, một số nhà khoa học Việt Nam điển hình là Cố Giáo sư 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 báo cáo trên chủ yếu tập trung xây dựng thuật toán tính toán quá trình xâm nhập mặn thích hợp với điều kiện địa hình, KTTV ở đồng bằng sông Cửu Long. 10 Kết quả được nhìn nhận khả quan và bước đầu một số mô hình đã thử nghiệm ứng dụng dự báo xâm nhập mặn. Trong khuôn khổ Chương trình Bảo vệ Môi trường và Phòng tránh thiên tai, KC - 08, Lê Sâm đã có các nghiên cứu tương đối toàn diện về tác động ảnh hưởng của xâm nhập mặn đến quy hoạch sử dụng đất cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Tác giả đã sử dụng các mô hình: SAL (Nguyễn Tất Đắc), VRSAP (Nguyễn Như Khuê), KOD (Nguyễn Ân Niên) và HydroGis (Nguyễn Hữu Nhân) để dự báo xâm nhập mặn cho một số sông chính theo các thời đoạn dài hạn (6 tháng), ngắn hạn (nửa tháng) và cập nhật (ngày). Kết quả của đề tài góp phần quy hoạch sử dụng đất vùng ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long và các lợi ích khác về kinh tế- xã hội. Nhìn chung các công tình nghiên cứu trên đây của các nhà khoa học trong nước đã có đóng góp xứng đáng về mặt khoa học, đặt nền móng cho vấn đề nghiên cứu mặn bằng phương pháp mô hình toán ở nước ta. Do sự phát triển rất nhanh của công nghệ tính toán thuỷ văn, thuỷ lực, hiện trên thế giới xuất hiện nhiều mô hình đa chức năng trong đó các mo đun tính sự lan truyền chất ô nhiểm và xâm nhập mặn là thành phần không thể thiếu. Trong số đó, nhiều mô hình được mua, chuyển giao dưới nhiều hình thức vào Việt Nam. Có thể nêu một số mô hình tiêu biểu: ISIS (Anh), MIKE 11 (Đan Mạch), HEC-RAS (Mỹ)... đều có các modun tính toán sự lan truyền xâm nhập mặn nhưng chưa hoặc sử dụng ở mức thử nghiệm. 1.1.3. Hiện trạng và tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Hồng - Thái Bình a) Khái quát quy lụât triều - mặn ở đồng bằng sông Hồng- Thái Bình Vịnh Bắc Bộ có chế độ nhật triều là chủ yếu có xen một ít chế độ nhật triều không đều. Tính chất nhật triều càng kém thuần nhất có xu hướng dịch dần xuống phía Nam. Độ lớn kỳ triều cường cực đại có thể đạt đến 4,50 m tại 11 Hòn Dấu (1986), kỳ nước cường có độ lớn triều trung bình vào khoảng 3,6 2,6 m và giảm dần xuống phía Nam. Vào kỳ triều kém, độ lớn thuỷ triều có thể không vượt quá 0,5 m. Triều mạnh nhất thường vào các tháng 1, 6, 7 và 12, trong khi triều yếu nhất vào các tháng 3, 4, 8 và 9 trong năm. Thuỷ triều truyền vào trong sông xa hay gần, mạnh hay yếu phụ thuộc tương đối rõ nét cho các sông. Điều kiện địa mạo lòng sông và chế độ nước sông quyết định tính đặc thù cho mỗi nhánh sông. Trên sông Hồng, ảnh hưởng thuỷ triều còn được ghi nhận đến trên Hà Nội 10 km, cách biển đến 185 km. Trên sông Đáy, khoảng cách ảnh hưởng triều lớn nhất đến Ba Thá Mai Lĩnh cách biển 207 km. Tốc độ truyền triều trên sông Hồng khoảng 15 20 km/ giờ và trên suốt đoạn sông có ảnh hưởng thuỷ triều chỉ có một đỉnh sóng và một chân sóng do chu kỳ triều gốc là nhật triều. Phạm vi và mức độ nhiễm mặn nước sông phụ thuộc độ lớn thuỷ triều, lưu lượng nước sông và điều kiện địa hình lòng và bãi sông. Độ mặn trong vịnh Bắc Bộ là trị số tương đối ổn định và dao động trong khoảng 32 - 33%o, trong khi độ mặn tự nhiên của nước sông chỉ vào khoảng 0,01 - 0,02%o. Tại Hòn Dấu, nơi còn chịu ảnh hưởng ít nhiều của nước sông nên độ mặn trung bình vào khoảng 29 - 30%o trong mùa kiệt và giảm xuống 9- 23%o trong mùa lũ. • Sự biến đổi của mặn theo thời gian Trong mùa cạn, do nước sông thượng nguồn đổ về nhỏ và tương đồi ổn định, nên chế độ mặn phụ thuộc chủ yếu vào chế độ triều. Hàng này, tương ứng với một con triều cũng xuất hiện một con mặn. Nhìn chung, đỉnh mặn xuất hiện sau đỉnh triều một giờ, còn chân mặn xuất hiện đồng thời cùng chân triều. Trong mỗi chu kỳ triều độ mặn nhỏ nhất xuất hiện vào những ngày triều kém, độ mặn lớn nhất xuất hiện vào những ngày triều cường. 12 • Sự biến đổi độ mặn theo dọc sông Độ dài và tốc độ mặn xâm nhập vào trong mạng lưới sông ngòi, kênh rạch phụ thuộc vào lượng nước, tốc độ nước từ thượng nguồn đổ về, độ lớn của thuỷ triều, đặc điểm địa hình, thuỷ lực lòng sông và cửa sông. Khi truyền vào trong sông, sóng triều bị biến dạng và tốc độ truyền triều giảm, thời gian triều lên ngắn đi nhưng thời gian triều rút tăng nên mặn truyền vào trong sông cũng giảm đáng kể. Theo thống kê tốc độ truyền đỉnh triều và đỉnh mặn như bảng 1.1. Bảng 1.1: Tốc độ truyền đỉnh triều và đỉnh mặn ở vùng cửa sông Sông Tốc độ km/giờ Đỉnh triều Đỉnh mặn Sông Hồng 11.2 12.5 Các sông khác 15-20 20-27 Như vậy, ở vùng cửa sông tuy có điều kiện thuận lợi để lấy nước ngọt bằng phương pháp tự chảy vào lúc đỉnh triều cường nhưng gặp khi nước mặn tiến sâu vào đất liền thì không thể lấy đủ nước ngọt cho sản xuất nông nghiệp. Mỗi kỳ triều cường trong chu kỳ nửa tháng, tuỳ từng nơi có thể mở cống lấy nước của 5- 7 con triều, mỗi con triều 2 - 8 giờ tuỳ tình hình thực tế diễn biến độ mặn. Rõ ràng việc nghiên cứu để tính toán được quá trình diễn biến độ mặn là hết sức cần thiết phục vụ cho việc mở cống lấy nước có hiệu quả. b)Tổng quan kết qủa tính toán và nghiên cứu xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Hồng- Thái Bình • Tổng quan một số kết qủa nghiên cứu chính So với đồng bằng sông Cửu Long, việc nghiên cứu và sử dụng mô hình để tính toán xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Hồng - Thái Bình ít được chú ý hơn. 13 Có thể tổng quan một số công trình nghiên cứu điển hình dưới đây: - Trong giai đoạn từ 1977 - 1985, sau khi thành lập Viện Khí tượng Thuỷ văn thuộc Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn, việc nghiên cứu xâm nhập mặn bắt đầu được quan tâm và Phòng Thuỷ văn Đồng bằng thuộc Viện được giao thực hiện chính. Nhiều báo cáo thống kê về tình hình xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Hồng (Vi Văn Vị ), Trần Thanh Xuân , ... đã được công bố. Các báo cáo trên căn cứ vào số liệu thực đo từ 1960 đã lập bản đồ xâm nhập mặn tỷ lệ 1:500.000 với các chỉ tiêu 1%o và 4%o ở đồng bằng sông Hồng - Thái Bình. Đồng thời bằng phương pháp kinh nghiệm, các báo cáo trên đã xác định ranh giới xâm nhâp mặn trung bình cho các tháng theo chiều dài sông với 2 chỉ tiêu nói trên. Vấn đề dự báo xâm nhập mặn chưa đặt ra. - Năm 1994-1995 trong khuôn khổ đề tài NCKH cấp Tổng cục do Trần Văn Phúc chủ trì, đã xây dựng mô hình SIMRR tính toán thử nghiệm xâm nhập mặn ở một số cửa sông ở đồng bằng Cửu Long và sông Hồng dưới tác động điều tiết dòng chảy cạn của hồ chứa Hoà Bình. Kết quả của đề tài đã chỉ ra mức độ xâm nhập mặn theo chiều dài sông phụ thuộc mức xả của hồ chứa Hoà Bình. - Cũng xét tác động điều tiết của hồ Hoà Bình, Trịnh Đình Lư đã có nhận xét: Lưu lượng trung bình mùa cạn hạ lưu sông Hồng do tác động điều tiết của hồ Hoà bình đã tăng 1,65 lần so với trước khi chưa có hồ nên độ mặn lớn nhất 4%o bị đẩy lùi gần biển khoảng 7- 9 km tính trung bình cho các sông. - Nhằm phục vụ cho công tác quy hoạch cấp nước cho vùng hạ du, trong các năm 90, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi và Viện Khoa học Thuỷ lợi (Bộ NN & PTNT) đã sử dụng mô hình VRSAP (Nguyễn Như Khuê) để tính toán xâm nhập mặn cho khu vực đồng bằng sông Hồng - Thái Bình. Tuy không được công bố rộng rãi, nhưng các kết quả thu được đã phục vụ cho quy