Luận văn Nghiên cứu, đánh giá diễn biến xâm nhập mặn ở vùng hạ lưu sông Mã trong bối cảnh biến đổi khí hậu

số liệu thì 2010 xâm nhập mặn vùng cửa sông ven biển đã gia tăng mạnh mẽ, một số tuyến sông như dòng chính sông Mã, sông Lèn độ mặn xâm nhâp đạt mức cao nhất lịch sử. 30 Trên hệ thống sông Mã, độ mặn lớn nhất tại các trạm trong đợt điều tra 2010 phổ biến ở mức lớn hơn so với trung bình nhiều năm cùng kỳ (những năm có thống kê số liệu) cũng như so với cùng kỳ 2009. Đặc biệt trên dòng chính sông Mã, sông Lèn, sông Lạch Trường độ mặn lớn nhất xâm nhập vào sông đã đạt mức cao nhất từ trước đến nay: tại Giàng (sông Mã) tới 6.1‰; tại Cự Thôn (sông Lèn) tới 7.1‰ Trong khi đó, độ mặn nhỏ nhất tại các trạm phổ biến ở mức xấp xỉ đến lớn hơn so với trung bình nhiều năm và lớn hơn so với cùng kỳ năm 2009. Tình trạng khô hạn và xâm nhập mặn năm 2010 ở Thanh Hóa đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của nhân dân 4 huyện ven biển gồm: Nga Sơn, Hà Trung, Hậu Lộc, Hoằng Hóa. 1.3.4 Tình hình hồ chứa trên lưu vực sông Mã Trên lưu vực sông Mã có gần 80 hồ chứa đang và đã xây dựng với tổng dung tích 2.590 triệu m3, trong đó có gần 70 hồ đang vận hành với tổng dung tích 1.639 triệu m3, 5 hồ đang xây dựng với tổng dung tích 888 triệu m3. Trên lưu vực có 3 hồ lớn là Trung Sơn, Cửa Đạt, Hủa Na tổng dung tích của 3 hồ này gần 2.245 triệu m3 chiếm gần 87% dung tích toàn lưu vực. Các hồ này có nhiệm vụ cắt giảm lũ bảo vệ hạ lưu, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, kết hợp phát điện và bổ sung nước mùa kiệt cho hạ lưu sông Mã. Nó có tác động to lớn đến điều tiết dòng chảy và tình hình xâm mặn ở hạ du lưu vực sông Mã.[9] Kết luận chương 1 Như vậy, chương 1 của luận văn này đã trình bày một cách tổng quan về các vấn đề nghiên cứu xâm nhập mặn trên thế giới và ở Việt Nam nói chung, trên vùng hạ lưu sông Mã nói riêng và các điều kiện tự nhiên cũng như phát triển kinh tế của khu vực hạ lưu sông Mã. Qua đó có thể thấy một cách khái quát rằng đã có nhiều phương pháp nghiên cứu xâm nhập mặn được nhiều tác giả trong và ngoài nước sử dụng nhưng mô hình toán là một phương pháp hiện đại, thuận tiện và hiệu quả. Mô hình MIKE 11 với những ưu thế vượt trội đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Đã có một số nghiên 31 cứu về chế độ dòng chảy, bùn cát, xâm nhập mặn lưu vực sông Mã nhưng chưa có nghiên cứu xâm nhập mặn vùng hạ lưu sông Mã trong bối cảnh BĐKH theo kịch bản mới Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2016. Vùng hạ lưu sông Mã có tầm quan trọng đặc biệt đối với phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Thanh Hóa đã và đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng của xâm nhập mặn. Do đó, luận văn sẽ sử dụng phương pháp mô hình toán (MIKE 11) để tính toán và nghiên cứu diễn biến mặn hạ lưu sông Mã và đề xuất các giải pháp sử dụng hiệu quả nguồn nước mùa kiệt. 32 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN MẶN SÔNG MÃ 2.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 11 tính toán xâm nhập mặn MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng (phương trình Saint Venant). Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE 11 HD bao gồm: + Dự báo lũ và vận hành hồ chứa + Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ +Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước mặt + Thiết kế các hệ thống kênh dẫn + Nghiên cứu sóng triều và dòng chảy do mưa ở sông và cửa sông Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. Ngoài các mô đun thuỷ lực đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô đun bổ sung đối với: + Thuỷ văn + Tải khuyếch tán + Các mô hình chất lượng nước + Vận chuyển bùn cát có cấu kết 33 + Vận chuyển bùn cát không cấu kết b. Các phương trình cơ bản a) Phương trình cơ bản cho tính toán thuỷ lực Hệ phương trình cơ bản của MIKE 11 là hệ phương trình Saint Venant viết cho trường hợp dòng chảy một chiều trong lòng kênh dẫn hở, bao gồm: + Phương trình liên tục là: q t A x Q       (2.1) + Phương trình động lượng có dạng:  t Q   + x  ( A Q 2 ) + gA x h   + g RA2C |Q|Q = 0 (2.2) Trong đó: Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) A: Diện tích mặt cắt ướt (m2) x: Chiều dài theo dòng chảy (m) t: Thời gian tính toán (s) q: Lưu lượng nhập lưu : Hệ số động năng : Hệ số phân bố lưu tốc g: Gia tốc trọng trường g= 9.81 m/s2 C: Hệ số Sê-di R: Bán kính thủy lực Phương pháp giải: Mô hình MIKE 11 sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott. Để giải hệ phương trình Saint-Venant. Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm như sau (hình 2.1; 2.2): Hình 2.1 Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott Hình 2.2 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t 34 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: Điều kiện biên: Các điều kiện biên gồm có điều kiện mực nước theo thời gian và lưu lượng theo thời gian tại vị trí các mặt cắt khống chế cửa ra và cửa vào của đoạn sông tính toán. Điều kiện ban đầu: Các điều kiện ban đầu bao gồm các điều kiện về mực nước, lưu lượng trên khu vực nghiên cứu (thường lấy lưu lượng bằng 0, mực nước bằng mực nước trung bình). Điều kiện ổn định: Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau: - Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng. Giá trị tối đa cho phép đối với x phải được chọn trên cơ sở này. - Bước thời gian t phải đủ nhỏ để cho ta một thể hiện chính xác về sóng. Chẳng hạn bước thời gian tối đa để mô phỏng thủy triều nói chung khoảng 30 phút. - Điều kiện Courant dưới đây có thể dùng như một hướng dẫn để chọn bước thời gian sao cho đồng thời thoả mãn được các điều kiện trên. Giá trị của Cr là 10 đến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã được sử dụng: x ghVt Cr    )( (2.3) Trong đó: V : vận tốc; h : độ sâu dòng chảy. Cr thể hiện tốc độ nhiễu động sóng tại nước nông (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lưới trong một bước sóng, phát sinh từ một nhiễu động nhỏ, sẽ di chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm ẩn Abbott), cho phép số Courant từ 10 – 20, nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1). Tính toán với số Courant bằng 250 cho kết quả có sai số nhỏ hơn 2% trong một số trường hợp đặc biệt. b) Phương trình cơ bản tính toán xâm nhập mặn 35 Mô đun khuếch tán bình lưu (AD) dựa trên phương trình 1 chiều về bảo toàn khối lượng của chất hoà tan hoặc lơ lửng, nó sử dụng các kết quả tính toán của mô hình thuỷ lực. Mô hình AD giải theo sơ đồ sai phân ẩn, mà về nguyên tắc là ổn định vô điều kiện. Phương trình khuếch tán: qCAKC x C AD xx QC t AC 2                 (2.4) Trong đó: C-nồng độ; D-hệ số khuếch tán A-diện tích mặt cắt ngang; K-hệ số phân huỷ tuyến tính; C2-nồng độ nguồn q-dòng gia nhập; x-khoảng cách; t-thời gian. Phương trình phản ánh 2 cơ chế vận chuyển: - Vận chuyển bình lưu/ đối lưu bởi dòng chảy trung bình, - Vận chuyển khuếch tán bởi gradient nồng độ. * Các giả thiết: - Vật chất và nguồn hoàn toàn xáo trộn trong mặt cắt ngang, - Vật chất bảo toàn theo định luật khuếch tán bậc nhất Fick, tức là vận chuyển khuếch tán tỷ lệ với gradient nồng độ. Điều kiện biên: Chảy ra khỏi biên hở: 0 2 2    x C (2.5) Chảy vào biên hở: Nồng độ tại biên được xử lý như đối với lưu lượng và mực nước. Khi dòng đổi hướng ra thành vào biên, điều kiện biên xác định theo: tmixKmix bfoutbf eCCCC  )( (2.6) Trong đó: 36 Cbf-nồng độ làm đầu vào tại biên Cout-nồng độ tại biên ngay sau khi dòng chảy đổi hướng Kmix-quy mô thời gian, tmix-thời gian kể từ khi dòng chảy đổi hướng. Biên đóng kín Lúc này lưu lượng Q=0 và: 0   x C (2.7) Phương pháp giải bằng số: Phương trình khuếch tán bình lưu giải theo sơ đồ sai phân ẩn trung tâm để tối giản các nhiễu loạn số. Tính ổn định: Sơ đồ tính toán trong mô hình khuếch tán bình lưu sẽ ổn định thậm chí đối với số Peclet lớn, tức là: 2   D x vPe (2.8) Trong đó: v-vận tốc ; x-khoảng cách giữa các điểm lưới; D-hệ số khuếch tán. Bước thời gian và không gian cũng chọn sao cho số Courant đối lưu Cr nhỏ hơn 1. 2    x t vCr (2.9) x trong môđun AD là khoảng cách giữa các nút kể cả h và Q, tức là x trong AD bằng 0.5 x trong tính toán thuỷ lực HD. Do vậy nếu bước thời gian trong HD bị hạn chế bởi chỉ tiêu vận tốc, cần giảm đi 2 lần trong tính toán AD. 2.2. Ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng diễn biến mặn sông Mã Về mặt nguyên tắc, để ứng dụng bất cứ một mô hình nào đều phải qua ba bước: +) Xây dựng mô hình: trong bước này ta thiết lập sơ đồ hệ thống vớí hệ thống các mặt cắt phản ảnh đúng điều kiện ngoài thực tế, các biên và sau đó chạy 37 mô hình với một năm cụ thể để tìm bộ thông số cho bài toán (bước hiệu chỉnh mô hình) +) Kiểm định mô hình: trong bước này ta xác nhận tính khả thi của mô hình. +) Sử dụng mô hình tính toán mô phỏng các phương án khác nhau cho hệ thống. Việc xây dựng mạng thủy lực hệ thống sông Mã bằng cách ứng dụng mô hình MIKE 11 được thực hiện theo các bước cụ thể sau: - Thu thập tài liệu địa hình và tài liệu thủy văn của hệ thống sông - Đánh giá độ tin cậy và xử lí số liệu - Thiết lập mạng sông Cả bằng mô hình MIKE 11 - Vào mặt cắt cho các sông - Nối các sông - Lập biên lưu lượng và mực nước - Chạy thông mô hình với các điều kiện ban đầu giả thiết và ∆t phù hợp - Hiệu chỉnh mô hình (chọn thời gian kiệt đồng bộ năm 2003) o Giả thiết các điều kiện ban đầu cho hệ thống o Chọn bước thời gian phù hợp o Giả thiết nhám cho các mặt cắt o So sánh kết quả thực đo và tính toán ở các biên kiểm tra -Kiểm định mô hình (chọn thời đoạn kiệt từ 1/1/2005 đến 31/8/2005 để kiểm định bộ thông số của mô hình) -Ứng dụng mô hình mô phỏng thuỷ lực với các biên kiệt ứng với tần suất P = 75%; 90% 38 Hình 2.3: Sơ đồ khối tính toán thuỷ lực MIKE11 2.2.1. Thiết lập sơ đồ mạng lưới 2.2.1.1. Thiệt lập mạng lưới sông Sơ đồ mạng sông được thiết lập cho mô h́nh thủy lực được thể hiện trên hình 2.1 - Nhập dữ liệu mặt cắt vào cho đoạn sông và khoảng cách các mặt cắt. 39 - Xác định vị trí các nút biên đầu vào: biên dưới là đường quá trình mặt nước tại vị trí cửa sông, biên trên là quá trình lưu lượng thực đo tại mặt cắt phía thượng nguồn của con sông. - Từ tài liệu thủy văn thu thập được chọn ra các biên kiểm tra, xác định vị trí trạm biên kiểm tra. Trong mô hình thủy lực, để đánh giá quá trình mô phỏng ta thường lựa chọn một số nút kiểm tra tại các vị trí mặt cắt trùng với các trạm đo thủy văn trên sông để kiểm tra kết quả tính toán của mô hình. Hình 2.4 Sơ đồ tính toán thủy lực sông Mã 2.2.1.2. Tài liệu địa hình Hệ thống được mô phỏng gồm 273 mặt cắt. Tài liệu mặt cắt được đo đạc vào năm 1999 có hệ cao độ thống nhất và đủ độ tin cậy cho tính toán. 40 2.2.1.3. Tài liệu thủy văn Như đã trình bày ở trên, tài liệu thủy văn gồm các trạm biên và trạm kiểm tra chi tiết và đồng bộ về mặt thời gian. *) Điều kiện biên Biên trên: Với mạng sông tính toán đã được xác định ở trên, biên trên của mô hình là quá trình lưu lượng theo thời gian Q = f(t), cụ thể như sau: trên sông Mã tại trạm thủy văn Cẩm Thuỷ; trên sông Chu tại trạm thủy văn Cửa Đạt; trên sông Bưởi tại trạm thủy văn Thạch Lâm. Biên dưới: là quá trình mực nước theo thời gian H = f(t) tại cửa sông Mã là trạm Hoàng Tân; cửa sông Lèn là trạm Lạch Sung; cửa sông Lạch Trường là trạm Lạch Trường; sông Báo Văn là trạm Hòa Thuận. Biên mặn: giá trị độ mặn = 0 tại các biên trên; giá trị độ mặn = 28‰ tại biên phía cửa biển. *) Các trạm kiểm tra Tài liệu thủy văn tại các trạm kiểm tra gồm tài liệu thực đo của các trạm: - Quá trình H ~ t tại trạm Giàng trên sông Mã (t = giờ). - Quá trình H ~ t tại trạm Hàm Rồng trên sông Mã (t = giờ). - Quá trình H ~ t tại trạm Nguyệt Viên trên sông Mã (t = giờ). - Quá trình H ~ t tại trạm Cự Đà trên sông Lạch Trường (t = giờ). - Quá trình H ~ t tại trạm Vạn Ninh trên sông Lạch Trường (t = giờ). - Quá trình H ~ t tại trạm Phong Mục trên sông Lèn (t = giờ). - Quá trình H ~ t tại trạm Phà Thắm trên sông Lèn (t = giờ). Đây là cơ sở cho việc hiệu chỉnh và xác nhận bộ thông số cũng như tính toán các đặc trưng thuỷ văn, thuỷ lực khu vực nghiên cứu. *) Xử lý số liệu - Nguyên tắc chung là các số liệu thủy văn bao gồm mực nước và lưu lượng quan trắc tại các trạm thủy trạm phải được qui chuẩn về hệ cao độ Quốc gia. Do nhiều lý do khác nhau mà chuỗi tài liệu thuỷ văn trên hệ thống đo không đồng pha, 41 chính vì vậy cũng chỉ chọn được một số ít năm để kiểm định và đánh giá tính ổn định của bộ thông số mô hình. - Vì là nghiên cứu dòng chảy mùa cạn, khi mà ảnh hưởng mưa kiệt không lớn nữa và dòng chảy trong sông chủ yếu do nước ngầm từ lưu vực cung cấp hoặc nước xả xuống từ các hồ chứa (Sau năm 2010 mới thực sự có các hồ chưa lớn xả xuống hạ lưu nhằm bổ sung thêm nguồn nước cho các hoạt động kinh tế xã hội và đẩy mặn. Chính vì vậy, chuỗi số liệu (H,Q) được sử dụng để tính toán. - Do nội dung chính của luận văn là ứng dụng MIKE11 để mô phỏng diễn biến xâm mặn nên bước kiểm định yêu cầu tài liệu phải rất chính xác và đồng bộ, nhưng khi mô phỏng các kịch bản thì chỉ xem xét cho một số trường hợp mà chưa thể xem xét hết các trường hợp được. Chính vì vậy, đầu vào của các phương án chỉ mang tính chất định hướng (đôi khi ta chỉ mô phỏng cho một năm cụ thể nào cũng có thể chấp nhận được) 2.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định thông số mô hình MIKE 11 cho sông Mã 2.2.2.1. Hiệu chỉnh bộ thông số cho mô hình a. Hiệu chỉnh bộ thông số cho mô đun thủy lực Việc hiệu chỉnh thông số mô hình chủ yếu được tiến hành bằng cách thay đổi bộ thông số thủy lực và thông số mô tả chất lượng nước đồng thời kiểm tra tính hợp lý tại các điều kiện biên. Trong trường hợp tính toán xâm nhập mặn chủ yếu xét tới dòng chảy kiệt, dòng chảy chủ yếu trong lòng sông, nên việc hiệu chỉnh bộ thông số chủ yếu là thay đổi độ nhám của lòng dẫn. Hệ số nhám được tính riêng cho từng đoạn sông tuỳ theo điều kiện thực tế của từng mặt cắt theo công thức kinh nghiệm và thường dao động trong khoảng 0.02 – 0.05, được hiệu chỉnh trong quá trình hiệu chỉnh mô hình kết hợp tham khảo thông tin điều tra thực địa. Quá trình hiệu chỉnh có thể tóm tắt thành các bước sau đây: - Bước 1: Giả thiết bộ thông số (chủ yếu là độ nhám), điều kiện ban đầu. - Bước 2: Sau khi đã có bộ thông số giả thiết, tiến hành chạy mô hình. - Bước 3: So sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu đo đạc lưu lượng và mực nước. 42 Việc so sánh này có thể tiến hành bằng trực quan (so sánh hai đường quá trình tính toán và thực đo trên biểu đồ), đồng thời kết hợp chỉ tiêu Nash để kiểm tra. Nash = 1 -        2 2 , ,, XoiXo iXsiXo Trong đó: Xo,i – Giá trị thực đo. Xs,i - Giá trị tính toán hoặc mô phỏng. Xo - Giá trị thực đo trung bình - Bước 4: Nếu kết quả so sánh tốt thì dừng hiệu chỉnh và lưu bộ thông số. Nếu kết quả không đạt, tiến hành phân tích đánh giá sai lệch, sau đó tiếp tục hiệu chỉnh lại bộ thông số. Quá trình hiệu chỉnh thông số được trình bày trong sơ đồ dưới đây: Hình 2.5. Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định thực hiện cho trạm kiểm tra Giàng. a. Hiệu chỉnh bộ thông số cho mô đun thủy lực Việc hiệu chỉnh mô hình được tính toán cho 2 khoảng thời gian từ 17/3/2010 đến 30/03/2010 và 09/3/2011 đến 21/3/2011. Kết quả hiệu chỉnh mô hình được thể (2.10) 43 hiện dưới dạng biểu đồ so sánh kết quả tính toán và thực đo tại vị trí trạm thủy văn kiểm tra trên mạng sông đã nói ở trên và chỉ số kiểm định Nash tương ứng tại trạm đó. Bảng 2.1 Kết quả hiệu chỉnh tại một số trạm kiểm tra Thời gian Trạm Sông Chỉ số NASH 17/3-30/3/2010 Giàng Mã 0.89 Cự Đà Lạch Trường 0.88 Phà Thắm Lèn 0.80 09/3-21/3/2011 Giàng Mã 0.9 Cự Đà Lạch Trường 0.89 Phà Thắm Lèn 0.81 Hình 2.6. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Giàng trên sông Mã năm 2010 M ự c n ư ớ c H ( m ) Thời gian t (giờ) 44 Hình 2.7. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Giàng trên sông Mã năm 2011 Hình 2.8. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Cự Đà trên sông Lạch Trường năm 2010 M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) 45 Hình 2.9. Kết quả hiệu chỉnh mực nước trạm Cự Đà trên sông Lạch Trường năm 2011 Hình 2.10. Kết quả hiệu chỉnh mực nước trạm Phà Thắm trên sông Lèn năm 2010 M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) 46 Hình 2.11 Kết quả hiệu chỉnh mực nước trạm Phà Thắm trên sông Lèn năm 2011 Từ Bảng 2.1 và Hình 2.4 – 2.9 ta có thể thấy đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại các trạm kiểm tra khá phù hợp. Đường quá trình mực nước tính toán bám sát đường quá trình thực đo với chỉ số NASH từ 0.80- 0.9, sai số lệch đỉnh của các trạm cũng đảm bảo tiêu chuẩn cho phép. Như vậy quá trình hiệu chỉnh mô hình cho bộ thông số thủy lực đưa ra kết quả các chỉ tiêu đánh giá (NASH, sai số lệch đỉnh) nằm trong giới hạn cho phép. Vậy, bộ thông số của mô đun được chấp nhận và sử dụng để kiểm định cho mùa cạn năm 2012. b. Kiểm định bộ thông số cho mô đun thủy lực Kiểm định mô hình thực hiện cho khoảng thời gian từ 11/03/2012 đến 23/03/2012. Kết quả kiểm định mô hình cũng được thể hiện trên biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo tại trạm kiểm tra trên mạng, kết hợp với chỉ tiêu kiểm định Nash tương ứng. M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) 47 Hình 2.12. Kết quả kiểm định mực nước trạm Giàng trên sông Mã năm 2012 Hình 2.13. Kết quả kiểm định mực nước trạm Cự Đà trên sông Lạch Trường năm 2012 M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) 48 Hình 2.14. Kết quả kiểm định mực nước trạm Phà Thắm trên sông Lèn năm 2012 Bảng 2.2 Kết quả kiểm định hệ số Nash tại các trạm kiểm tra Thời gian Trạm Sông Chỉ số NASH 11/3-23/3/2012 Giàng Mã 0.85 Cự Đà Lạch Trường 0.89 Phà Thắm Lèn 0.81 Bảng 2.3 Hệ số nhám của mô đun thủy lực TT Sông Khoảng cách Hệ số nhám TT Sông Khoảng cách Hệ số nhám 1 songma 0 0.034 17 songchu 79200 0.028 2 songma 38185 0.034 18 baovan 509 0.023 3 songma 38532 0.034 19 baovan 7039 0.023 4 songma 38861 0.034 20 baovan 9500 0.023 M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) 49 TT Sông Khoảng cách Hệ số nhám TT Sông Khoảng cách Hệ số nhám 5 songma 54753 0.032 21 songlen 0 0.023 6 songma 59172 0.032 22 songlen 12370 0.023 7 songma 67369 0.032 23 songlen 30410 0.023 8 songma 69874 0.032 24 songlen 37607 0.023 9 songma 70200 0.032 25 LachTruong 0 0.023 10 songma 77577 0.032 26 LachTruong 4787 0.023 11 songma 86120 0.032 27 LachTruong 24517 0.023 12 songchu 0 0.028 28 songbuoi 48234 0.025 13 songchu 30836 0.028 29 songbuoi 64329 0.025 14 songchu 49254 0.028 30 songbuoi 72175 0.025 15 songchu 49891 0.028 31 baovan 0 0.023 16 songchu 49537 0.028 c. Hiệu chỉnh bộ thông số cho mô đun khuếch tán – lan truyền mặn Việc hiệu chỉnh hệ số khuếch tán cũng tiến hành tương tự như việc hiệu chỉnh các thông số thủy lực. Ở đây ta thay bộ thông số hệ số khuếch tán. Việc hiểu chỉnh được thực hiện cho các trạm kiểm tra Giàng trên sông Mã, trạm Cự Đà trên sông Lạch Trường, trạm Phà Thắm trên sông Lèn và thực hiện tính toán cho khoảng thời gian từ 17/03/2010 đến 30/03/2010. Quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình dựa trên sự phù hợp giữa tính toán và thực đo tại trạm kiểm tra, cụ thể là sự phù hợp về giá trị đỉnh mặn. Chỉ tiêu đánh giá về đỉnh dựa trên sai số đỉnh và thời gian xuất hiện đỉnh mặn. Dưới đây là bảng kết quả đánh giá sai số và thời gian xuất hiện đỉnh tại vị trí các trạm kiểm tra. 50 Bảng 2.4 Kết quả đánh giá sai số độ mặn tính toán và thực đo tại vị trí kiểm tra TT Trạm Sông Smax tính toán Smax thực đo Sai số lệch đỉnh Chênh lệch thời gian xuất hiện đỉnh(giờ) Nash (o/oo) (o/oo) 1 Giàng Mã 6.31 6.1 0.21 1 0.72 2 Cự Đà Lạch Trường 5.62 5.6 0.02 7 0.7 3 Phà Thắm Lèn 23.9 23.5 0.4 3 0.82 Hình 2.15.Kết quả hiệu chỉnh độ mặn tính toán và thực đo tại trạm Giàng trên sông Mã M ự c n ư ớ c H (m ) Thời gian t(giờ) Đ ộ m ặ n S (% 0 ) 51 Hình 2.16. Kết quả hiệu chỉnh độ mặn tính toán và thực đo tại trạm Cự Đà trên sông Lạch Trường Hình 2.17. Kết quả hiệu chỉnh độ mặn tính toán và thực đo tại trạm Phà Thắm trên sông Lèn Thời gian t(giờ) Thời gian t(giờ) Đ ộ m ặ n S (% 0 ) Đ ộ m ặ n S (% 0 ) 52 Qua kết quả cho thấy đỉnh mặn tính toán và thực đo có sự phù hợp tốt, thời gian xuất hiện tính toán đỉnh không chênh lệch nhiều so với thời gian xuất hiện đỉnh mặn thực đo. Quá trình độ mặn tính toán và thực đo tại các vị trí nhìn chung khá phù hợp. Bảng 2.5 Hệ số mô đun khuếch tán – lan truyền mặn Tên sông Mặt cắt Hệ số khuyếch tán D Dmin Dmax Tên sông Mặt cắt Hệ số khuyếch tán D Dmin Dmax songma 82570 500 100 1000 songlen 19041 1500 100 2000 songma 77742 490 100 1000 songlen 14802 1500 100 2000 songma 74697 480 100 1000 songlen 10218 1500 100 2000 songma 70029 470 100 1000 songlen 5152 1500 100 2000 songma 58852 460 100 1000 songlen 1040 1500 100 2000 songma 51912 450 100 1000 songchu 79200 500 100 1000 songma 45360 440 100 1000 songchu 65980 500 100 1000 songma 39832 430 100 1000 songchu 52690 500 100 1000 songma 24123 420 100 1000 songchu 20850 500 100 1000 songma 20515 410 100 1000 BAOVAN 9500 450 100 1000 songma 16133 400 100 1000 BAOVAN 8500 450 100 1000 songma 13145 390 100 1000 BAOVAN 7500 450 100 1000 songma 10738 380 100 1000 BAOVAN 4000 450 100 1000 songma 8501 370 100 1000 BAOVAN 2000 450 100 1000 songma 7287 360 100 1000 LachTruong 1807 1000 100 1000 songma 4810 350 100 1000 LachTruong 4810 1000 100 1000 songma 3010 340 100 1000 LachTruong 7885 1000 100 1000 songma 600 330 100 1000 LachTruong 12539 1000 100 1000 songlen 37607 1500 100 2000 LachTruong 18931 1000 100 1000 songlen 31140 1500 100 2000 LachTruong 23524 1000 100 1000 songlen 24197 1500 100 2000 53 Bộ thông số của mô hình cho hai mô đun thủy lực và khuếch tán đã được xác định bằng việc so sánh kết quả tính toán và thực đo tại vị trí kiểm tra. Các thông số cho mô đun thủy lực và khuếch tán đều nằm trong phạm vi cho phép của mô hình và có tính chất đặc trưng cho đoạn sông. Đây là bộ thông số sẽ được sử dụng cho kiểm định xâm nhập măn cho thời đoạn từ 11/3/2011 đến 21/3/2011. d. Kiểm định bộ thông số cho mô đun khuếch tán – lan truyền mặn Qua quá trình hiệu chỉnh mô hình (thủy lực và mặn) ta đã có được bộ thông số phù hợp, dùng bộ thông số này tiến hành chạy kiểm tra cho thời đoạn kiệt từ 11/3/2011 đến 21/3/2011. Dưới đây là bảng, hình vẽ kết quả kiểm nghiệm bộ thông số mô hình. Bảng 2.6 Kết quả đánh giá sai số độ mặn tính toán và thực đo tại vị trí kiểm tra TT Trạm Sông Smax tính toán Smax thực đo Sai số lệch đỉnh Chênh lệch thời gian xuất hiện đỉnh(giờ) Nash 1 Giàng Mã 0,66 0,7 0,04 1 0,75 2 Phà Thắm Lèn 16,2 15,1 1,1 0 0,73 Qua kết quả tính toán truyền mặn cho thấy, tại vị trí kiểm tra đỉnh mặn tính toán và thực đo có sự phù hợp khá tốt, thời gian xuất hiện tính toán đỉnh không chênh lệch nhiều so với thời gian xuất hiện đỉnh mặn thực đo. Quá trình độ mặn tính toán và thực đo tại hầu hết các vị trí nh́n chung khá phù hợp. 54 Hình 2.18.Kết quả hiệu chỉnh độ mặn tính toán và thực đo tại trạm Giàng trên sông Mã Hình 2.19. Kết quả hiệu chỉnh độ mặn tính toán và thực đo tại trạm Phà Thắm trên sông Lèn Thời gian t(giờ) Đ ộ m ặ n S (% 0 ) Thời gian t(giờ) Đ ộ m ặ n S (% 0 ) 55 Kết luận Bộ thông số của mô hình cho sông Mã đã được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bằng số liệu thực đo của ba thời kỳ là tháng 3/2010, 3/2011 và tháng 3/2012. Qua đó cho một số kết luận như sau: - Mô hình đã mô phỏng tốt cho mùa kiệt của sông Mã thông qua kết quả đánh giá sai số về mặt thủy lực và mặn, nhìn chung đạt kết quả tốt. - Quá trình triều và mặn xảy ra đồng pha, đỉnh mặn xuất hiện gần với đỉnh triều, thời gian xuất hiện đỉnh mặn giữa tỉnh toán và thực đo lệch ít giờ. - Qua kết quả tính toán thủy lực và truyền mặn cho thấy, tại vị trí kiểm tra quá trình mực nước giữa tính toán và thực đo tương đối phù hợp, quá trình mặn tính toán và thực đo tại các vị trí mặt cắt nhìn chung khá phù hợp. -Từ kết quả hiệu chỉnh, kiểm định hệ số nhám và hệ số khuếch tán của mô hình cho hai mô đun thủy lực và lan truyền mặn cho thấy các kết quả mô phỏng khá phù hợp với quan trắc và các hệ số này sẽ được sử dụng tính toán mô phỏng mặn cho các kịch bản được trình bày trong chương 3. 56 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN XÂM NHẬP MẶN THEO CÁC KỊCH BẢN VÀ ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIẾU Sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô hình đảm bảo độ chính xác cần thiết như đã thực hiện trong chương 3, trong chương này, luận văn sẽ tiến hành mô phỏng các kịch bản nhằm đánh giá diễn biến dòng chảy, quá trình xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp kiểm soát mặn cho hạ lưu sông Mã. 3.1. Lựa chọn các kịch bản tính toán xâm nhập mặn 3.1.1. Cơ sở lựa chọn kịch bản 3.1.1.1. Kịch bản nước biển dâng cho tỉnh Thanh Hóa Theo Báo cáo Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2016 nhằm cung cấp những thông tin mới nhất về diễn biến, xu thế biến đổi của khí hậu và nước biển dâng trong thế kỷ 21 ở Việt Nam. Ở báo cáo Kịch bản nước biển dâng trong khoảng đầu thế kỷ 21, xu thế tăng của mực nước biển dâng theo cả 4 kịch bản RCP không có sự khác biệt nhiều. Đến năm 2030, mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam theo RCP2.6 là 13 cm (8 cm ÷18 cm), theo RCP4.5 là 13 cm (8 cm ÷ 18 cm), theo RCP6.0 là 13 cm (8 cm ÷ 18 cm) và theo RCP8.5 là 13 cm (9 cm ÷ 18 cm). Trong khoảng giữa thế kỷ 21, đã bắt đầu có sự khác biệt về xu thế tăng của mực nước biển. Đến năm 2050, mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam theo kịch bản RCP2.6 là 21 cm (13 cm ÷ 32 cm), theo RCP4.5 là 22 cm (14 cm ÷ 32 cm), theo RCP6.0 là 22 cm (14 cm ÷ 32 cm) và theo RCP8.5 là 25 cm (17 cm ÷ 35 cm). Đến cuối thế kỷ 21, sự khác biệt về xu thế tăng của mực nước biển theo các kịch bản là rất rõ rệt. Đến năm 2100, mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam theo kịch bản RCP2.6 là 44 cm (27 cm ÷ 66 cm), theo RCP4.5 là 53 cm (32 cm ÷ 76 cm), theo RCP6.0 là 56 cm (37 cm ÷ 81 cm) và theo RCP8.5 là 73 cm (49 cm ÷ 103 cm). 57 Bảng 3.1 Mực nước biển dâng theo các kịch bản RCP cho dải ven biển Việt Nam (cm) Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 RCP2.6 13 (8 ÷ 19) 17 (10 ÷ 25) 21 (13 ÷ 32) 26 (16 ÷ 39) 30 (18 ÷ 45) 35 (21 ÷ 52) 40 (24 ÷ 59) 44 (27 ÷ 66) RCP4.5 13 (8 ÷ 18) 17 (10 ÷ 25) 22 (14 ÷ 32) 28 (17 ÷ 40) 34 (20 ÷ 48) 40 (24 ÷ 57) 46 (28 ÷ 66) 53 (32 ÷ 76) RCP6.0 13 (8 ÷ 17) 17 (11 ÷ 24) 22 (14 ÷ 32) 27 (18 ÷ 39) 34 (22 ÷ 48) 41 (27 ÷ 58) 48 (32 ÷ 69) 56 (37 ÷ 81) RCP8.5 13 (9 ÷ 18) 18 (12 ÷ 26) 25 (17 ÷ 35) 32 (22 ÷ 46) 41 (28 ÷ 58) 51 (34 ÷ 72) 61 (42 ÷ 87) 73 (49 ÷ 103) Theo kịch bản RCP2.6: Vào cuối thế kỷ 21, mực nước biển dâng cao nhất ở khu vực Hòn Dáu - Đèo Ngang 65cm, thấp nhất là 27cm và trung b́nh là 44 cm (27 cm ÷ 65 cm) (Bảng 3.2). Bảng 3.2 Mực nước biển dâng theo kịch bản RCP2.6 (cm) Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Hòn Dáu- Đèo Ngang 13 (8÷19) 17 (10÷25) 21 (13÷ 31) 25 (16÷38) 30 (18÷44) 34 (21÷51) 39 (24÷58) 44 (27÷65) Theo kịch bản RCP4.5: Vào cuối thế kỷ 21, mực nước biển dâng cao nhất ở khu vực Hòn Dấu - Đèo Ngang 75cm, thấp nhất là 32cm và trung bình là 53 cm (32 cm ÷ 75 cm) (Bảng 3.3). Bảng 3.3 Mực nước biển dâng theo kịch bản RCP4.5 (cm) Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Hòn Dáu- Đèo Ngang 13 (8÷18) 17 (10÷ 4) 22 (13÷31) 27 (16÷39) 33 (20÷47) 39 (24÷56) 46 (28÷65) 53 (32÷75 ) 58 Theo kịch bản RCP6.0: Vào cuối thế kỷ 21, mực nước biển dâng cao nhất ở khu vực Hòn Dáu - Đèo Ngang 78cm, thấp nhất là 35cm và trung bình là 54 cm (35 cm ÷ 78 cm) (Bảng 3.4). Bảng 3.4 Mực nước biển dâng theo kịch bản RCP6.0 (cm) Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Hòn Dáu- Đèo Ngang 12 (8÷17) 16 (11÷24) 21 (14÷31) 27 (17÷39) 33 (21÷ 48) 39 (25÷ 57) 46 (30÷67) 54 (35 ÷ 78) Theo kịch bản RCP8.5: Vào cuối thế kỷ 21, mực nước biển dâng cao nhất ở khu vực Hòn Dáu - Đèo Ngang 101cm, thấp nhất là 49cm và trung bình là 72 cm (49 cm ÷ 101 cm) (Bảng 3.5). Bảng 3.5 Mực nước biển dâng theo kịch bản RCP8.5 (cm) Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Hòn Dáu- Đèo Ngang 13 (9÷18) 18 (12÷ 26) 25 (17÷ 35) 32 (22 ÷ 45) 40 (28 ÷ 57) 50 (34 ÷ 71) 60 (41÷85) 72 (49÷101) Trong luận văn này do những giới hạn về thời gian và khả năng kiến thức còn hạn chế, luận văn này sẽ tính toán diễn biến xâm nhập mặn trên sông Mã dựa trên cơ sở kịch bản nước biển dâng theo kịch bản RCP2.6 và kịch bản RCP8.5. Kịch bản nước biển dâng này chỉ xét đến sự thay đổi mực nước biển trung bình, cao do biến đổi khí hậu, mà không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố khác gây nên sự dâng cao của mực nước biển như: nước dâng do bão, nước dâng do gió mùa, thủy triều, quá trình nâng/hạ địa chất và các quá trình khác và độ mặn ngoài khơi vẫn được giả định là không thay đổi so với thời kỳ nền. Luận văn sẽ dựa trên những kết quả này để tiến hành mô phỏng xâm nhập mặn cho các kịch bản trong tương lai. 59 3.1.2. Các kịch bản tính toán Tiến hành xây dựng các kịch bản mô phỏng quá trình xâm nhập mặn dựa trên cơ sở kịch bản nước biển dâng ở trên. Lựa chọn mô phỏng phương án: mô phỏng xâm nhập mặn trong thời kỳ tháng kiệt nhất trong năm, lựa chọn tháng III để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn. Như đã trình bày ở trên, do điều kiện thời gian và kiến thức còn hạn chế, luận văn sẽ chỉ xây dựng kịch bản tính xâm nhập mặn dựa trên mực nước biển dâng qua các khoảng thời gian. Các điều kiện về các yếu tố khí tượng khác và sự thay đổi về nguồn nước do con người gây ra như sự khai thác nước không họp lý trong sinh hoạt và các hoạt động kinh tế xã hội sẽ không được xét đến trong luận văn này. Cụ thể sự thay đổi của dòng chảy và mực nước biển dâng theo từng kịch bản tính toán được trình bày trong Bảng 3.6 dưới đây. Bảng 3.6 Tổng hợp các kịch bản mô phỏng Kịch bản Yếu tố biến đổi Giá trị Kịch bản 1A – Năm 2030 Mực nước biển (cm) 13 Kịch bản 2A –Năm 2050 Mực nước biển (cm) 21 Kịch bản 3A – Năm 2100 Mực nước biển (cm) 44 Kịch bản 1B – Năm 2030 Mực nước biển (cm) 13 Kịch bản 2B –Năm 2050 Mực nước biển (cm) 25 Kịch bản 3B – Năm 2100 Mực nước biển (cm) 72 Theo đó, luận văn sẽ dựa vào những giá trị thay đổi về mực nước này, chuỗi số liệu lưu lượng dòng chảy năm 2010 tại trạm Cẩm Thủy, Cửa Đạt và chuỗi số liệu mực nước năm 2010 tại trạm thủy văn, thay đổi mực nước biên dưới trong mô hình MIKE 11 nhằm mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn trong mỗi kịch bản. Cụ thể như sau, đối với kịch bản 1A cho năm 2030, luận văn sẽ điều chỉnh chuỗi số liệu mực nước biên dưới tăng lên 13cm. Tương tự như vậy, ở kịch bản 2A cho năm 2050, mực nước biên dưới tăng lên 21cm. Kịch bản 3A cho năm 2100, mực nước biên 60 dưới tăng lên 44cm, tương tự kịch bản 1B mực nước biến dưới tăng lên 13cm, kịch bản 2B mực nước biến dưới tăng lên 25cm, kịch bản 3B mực nước biên dưới tăng lên 72cm. 3.2. Kết quả tính toán mô phỏng xâm nhập mặn sông Mã theo các kịch bản 3.2.1. Kết quả mô phỏng Diễn biến mặn lớn nhất theo dọc sông Mã cho kịch bản A trong bảng và hình Bảng 3.7. Chiều dài xâm nhập mặn 4‰ trên sông Mã theo các kịch bản nước biển dâng Kịch bản Hiện trạng Năm 2030 Năm 2050 Năm 2100 Kịch bản 1A Kịch bản 2A Kịch bản 3A Khoảng cách xâm nhập mặn (km) 26,3 27,2 29,8 33,5 Hình 3.1: Diễn biến độ mặn theo dọc sông Mã năm 2010 và theo các kịch bản tính toán 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 Qu?ng Châu Nguy?t Viên Hàm R?ng Giàng Smax%o n?m 2010 Smax%o K?ch b?n 1 Smax%o K?ch b?n 2 Smax%o K?ch b?n 3 Đ ộ m ặ n S (% 0 ) Khoảng cách từ cửa biển vào sông (km) 61 62 Bảng 3.8. Chiều dài xâm nhập mặn 4‰ trên sông Lèn theo các kịch bản nước biển dâng Kịch bản Hiện trạng Năm 2030 Năm 2050 Năm 2100 Kịch bản 1A Kịch bản 2A Kịch bản 3A Khoảng cách xâm nhập mặn (km) 23,1 24,2 27,0 >35,0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 0 5 10 15 20 25 30 35 S(%o) Khoảng cách tính từ cửa biển vào sông (km) DIỄN BIẾN ĐỘ MẶN THEO CHIỀU DỌC SÔNG LÈN NĂM 2010 VÀ CÁC KỊCH BẢN Lạch Sung Phà Thắm Cụ Thôn Smax%o năm 2010 Smax%o Kịch bản 3 Smax%o Kịch bản 2 Smax%o Kịch bản 1 Hình 3.2: Diễn biến độ mặn theo dọc sông Lèn năm 2010 và theo các kịch bản tính toán Kịch bản A: Kết quả mô phỏng cho thấy, ứng với giai đoạn 2030, trên sông Mã, độ mặn 4‰ vào sâu nhất khoảng 27,2 km. Trên sông Lèn độ mặn 4‰ vào sâu nhất vào khoảng 24,2 km. Kịch bản A: Ứng với giai đoạn 2050, trên sông Mã, độ mặn 4‰ vào sâu nhất khoảng 29,8 km. Trên sông Lèn độ mặn 4‰ vào sâu nhất vào khoảng 27,0 km. Đ ộ m ặ n S (% 0 ) Khoảng cách từ cửa biển vào sông (km) 63 Kịch bản A: Ứng với giai đoạn 2100, trên sông Mã, độ mặn 4‰ vào sâu nhất khoảng 33,5 km. Trên sông Lèn độ mặn 4‰ vào sâu nhất vào trên 35,0 km. Diễn biến mặn lớn nhất theo dọc sông Mã cho kịch bản B trong bảng và hình Bảng 3.9. Chiều dài xâm nhập mặn 4‰ trên sông Mã theo các kịch bản nước biển dâng Kịch bản Hiện trạng Năm 2030 Năm 2050 Năm 2100 Kịch bản 1B Kịch bản 2B Kịch bản 3B Khoảng cách xâm nhập mặn (km) 26,3 27,2 30,9 >35 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 S (%o) Khoảng cách tính từ cửa biển vào trong sông (km) DIỄN BIẾN ĐỘ MẶN THEO CHIỀU DỌC SÔNG MÃ NĂM 2010 VÀ CÁC KỊCH BẢN Quảng Châu Nguyệt Viên Hàm Rồng Giàng Smax%o năm 2010 Smax%o Kịch bản 1B Smax%o Kịch bản 2B Smax%o Kịch bản 3B Hình 3.3: Diễn biến độ mặn theo dọc sông Mã năm 2010 và theo các kịch bản tính toán Bảng 3.10. Chiều dài xâm nhập mặn 4‰ trên sông Lèn theo các kịch bản nước biển dâng Kịch bản Hiện trạng Năm 2030 Năm 2050 Năm 2100 Kịch bản 1B Kịch bản 2B Kịch bản 3B Đ ộ m ặ n S (% 0 ) Khoảng cách từ cửa biển vào sông (km) 64 Khoảng cách xâm nhập mặn (km) 23,1 24,2 28,7 Toàn bộ sông 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 0 5 10 15 20 25 30 35 S(%o) Khoảng cách tính từ cửa biếnvào sông (km) DIỄN BIẾN ĐỘ MẶN THEO CHIỀU DỌC SÔNG LÈN NĂM 2010 VÀ CÁC KỊCH BẢN Lạch Sung Phà Thắm Cụ Thôn Smax%o năm 2010 Smax%o Kịch bản 3B Smax%o Kịch bản 2B Smax%o Kịch bản 1B Hình 3.4: Diễn biến độ mặn theo dọc sông Lèn năm 2010 và theo các kịch bản tính toán Kịch bản 1B: Kết quả mô phỏng cho thấy, ứng với giai đoạn 2030, trên sông Mã, độ mặn 4‰ vào sâu nhất khoảng 27,2 km. Trên sông Lèn độ mặn 4‰ vào sâu nhất vào khoảng 24,2 km. Kịch bản 2B: Ứng với giai đoạn 2050, trên sông Mã, độ mặn 4‰ vào sâu nhất khoảng 30,9 km. Trên sông Lèn độ mặn 4‰ vào sâu nhất vào khoảng 28,7 km. Kịch bản 3B: Ứng với giai đoạn 2100, trên sông Mã, độ mặn 4‰ vào sâu nhất trên 35 km. Trên sông Lèn độ mặn 4‰ toàn bộ sông. 3.2.2. Nhận xét kết quả tính toán Biến đổi khí hậu, nước biển dâng thực sự đã ảnh hưởng rõ rệt tới diễn biến xâm nhập mặn trên lưu vực sông Mã tỉnh Thanh Hóa. Theo các giai đoạn 2030, 2050 và 2100, ứng với ranh mặn 4‰ độ sâu xâm nhập mặn càng lớn hơn so với Đ ộ m ặ n S (% 0 ) Khoảng cách từ cửa biển vào sông (km) 65 kịch bản hiện trạng. Nếu tính theo % cấp độ xâm nhập sâu của ranh mặn 4‰ thì so với hiện trạng, bị xâm nhập sâu hơn từ 3 đến 5% vào giai đoạn 2030, từ 10 đến 12% vào giai đoạn 2050 và từ 12 đến 50% vào giai đoạn 2100. Với các kết quả nghiên cứu trên, có thể là các dự báo ứng dụng hữu ích cho người dân địa phương trong việc lấy nước nuôi trồng thủy hải sản, hoặc nước tưới cho đồng ruộng để tránh những thiệt hại do nước mặn ở các vùng tương ứng này 3.3. Đề xuất các giải pháp giảm thiểu 3.3.1. Các cơ sở đề xuất giải pháp cụ thể Với những kết quả mô phỏng ranh giới xâm nhập mặn ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu, có thể nhận thấy dưới tác động của thời tiết cực đoan, mặn càng ngày càng đi sâu vào trong sông. Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến nền sản xuất nhất là sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của người dân các huyện thị ven biển. Trước tình hình đó, bài toán cấp thiết cần giải quyết là giảm thiểu tối đa tác động xâm nhập mặn đến đời sống của các hộ dân ven sông. Có nhiều cách tiếp cận để thực hiện các giải pháp hạn chế và phục hồi nhưng quan điểm chung phải thực hiện đó là: Giải pháp đạt được phải có tính đa mục tiêu: có tính đến lợi ích bền vững của các thành phần kinh tế và lĩnh vực có liên quan trong đó chú trọng đến du lịch, giao thông thủy và đánh bắt hải sản cũng như tầm quan trọng về an ninh quốc gia và chủ quyền trên biển của khu vực. Giải pháp đề xuất phải đảm bảo không hoặc ít ảnh hưởng đến các công trình hiện có và tác động đến môi trường. Trong khuôn khổ luận văn, tác giả đã nghiên cứu và đánh giá các giải pháp theo các nhóm (giải pháp công trình và phi công trình) và trên quan điểm nêu trên sẽ đề xuất một số giải pháp thích hợp cho khu vực nghiên cứu. Nhìn chung, các giải pháp công trình tuy tốn kém, phức tạp nhưng có tác dụng trực tiếp và tức thời. Tuy nhiên, giải pháp công trình ít nhiều cũng tác động đến môi trường. Các giải pháp phi công trình có thể có tác động gián tiếp nhưng mang tính lâu dài và hướng đến tính bền vững, và đặc biệt môi trường khu vực 66 không bị tác động khi lựa chọn giải pháp này. Do vậy, tùy theo từng điều kiện thực tế để lựa chọn thực hiện một trong hai giải pháp trên hoặc lựa chọn giải pháp kết hợp công trình và phi công trình. Tuy nhiên, để thực hiện các giải pháp này, Ủy ban nhân dân Tỉnh phải đầu tư cho các nghiên cứu sâu rộng và chi tiết cho từng khu vực và đối tượng cụ thể. Mỗi một đối tượng cần phải có những tính toán, phân tích khả năng giảm thiểu cho từng hạng mục giải pháp. Trên cơ sở hiện trạng xâm nhập mặn cũng như các kịch bản xâm nhập mặn tại khu vực nghiên cứu trong tương lai, bước đầu các giải pháp ứng phó với quá trình xâm nhập mặn được đề xuất dưới đây. 3.3.2. Các giải pháp cụ thể a. Giải pháp công trình Lưu lượng nước đến từ thượng lưu và xả từ hồ có vai trò rất lớn làm thay đổi mực nước và độ mặn ở hạ lưu các sông. Chính vì vậy nếu trong thời kỳ kiệt có thêm lượng nước xả từ hồ thì mặn sẽ xâm nhập ít hơn. Hiện tại chúng ta đã có hồ Cửa Đạt thì tình hình hạ thấp mực nước, dẫn tới xâm nhập mặn vào các cửa sông sẽ được cải thiện đáng kể. - Cải thiện hệ thống cống lấy nước trực tiếp từ sông phục vụ các hoạt động kinh tế xã hội - Hiện nay có ý tưởng xây dựng các đập ngăn mặn tại cửa sông với mục đích giữ ngọt, ngăn mặn. Đây là giải pháp khá triệt để cải thiện tình hình nguồn nuớc của khu vực sông chịu ảnh hưởng triều. Tuy nhiên, giải pháp này sẽ rất tốn kém và ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường sinh thái. Cần được tiếp tục nghiên cứu và xây dựng khi có đủ luận cứ xác đáng. - Khi đập mở: + Thuỷ triều lên thì dòng chảy mặn sẽ đi vào trong sông gây ra hiện tượng nhiễm mặn + Thuỷ triều rút thì nước trong sông chảy ra biển làm cho mực nước trong sông hạ thấp. Việc lấy nước gặp khó khăn. 67 - Khi đập đóng + Thuỷ triều lên: Dòng chảy từ biển vào sông được đập ngăn mặn chặn lại, chỉ khi mực nước biển vượt qua ngưỡng của đập thì mới có dòng chảy vào sông. Do đó nồng độ mặn trong sông giảm rất nhiều + Khi thuỷ triều xuống: Nước trong sông chảy ra biển, nhưng khi đập đóng thì nước trong sông được giữ lại và mực nước không bị hạ thấp. Do các tác dụng khi đóng và mở cửa đập, ta thấy: trong mùa lũ nên mở đập để tăng khả năng thoát lũ còn trong mùa kiệt nên đóng đập để ngăn mặn và giữ ngọt cho sông. Hiệu quả đẩy mặn của đập ngăn mặn phụ thuộc vào chiều cao của đập. Chiều cao của đập càng lớn thì hiệu quả ngăn mặn càng cao. Nhưng trong thực tế việc xây dựng đập gặp rất nhiều khó khăn về kĩ thuật và chi phí nên khi thiết kế đập phải tính toán để đưa ra chiều cao đập hợp lí nhất. Đập ngăn mặn có vai trò rất lớn trong việc giảm thiểu nồng độ mặn trong sông. Khi tăng dòng chảy đầu nguồn thì nồng độ muối có giảm nhưng vẫn chưa đạt được yêu cầu đặt ra. Do đó cần thiết phải xây dựng đập ngăn mặn ở hạ lưu để ngăn mặn giữ ngọt. Đập có thể vận hành đóng hoặc mở tuỳ theo từng thời kì và theo mục đích b. Giải pháp phi công trình - Thay đổi cơ cấu cây trồng theo hướng trồng cây yêu cầu nước ít, chịu mặn tốt nhưng có hiệu quả kinh tế cao - Các biện pháp lấy nước Việc lấy nước ở hạ du dòng sông cũng ảnh hưởng đáng kể đến sự xâm nhập mặn vào trong sông. Có các h́nh thức lấy nước như sau: + Lấy nước theo chu kì triều Theo kết quả nghiên cứu về diễn biến đường mặt nước trong sông như trên ta thấy có thể lợi dụng chu kì triều để lấy nước 68 Khi đỉnh triều: mực nước trong sông dâng cao nhưng ở phía hạ lưu nồng độ muối tăng cao. Do đó trong thời kì này nên lấy nước ở phía thượng lưu, dưới hạ lưu thì có thể khai thác tầng nước mặt mỏng trong trường hợp cần thiết. Khi chân triều: mực nước trong sông hạ thấp nhưng nồng độ muối ở vùng gần cửa sông giảm nhỏ. Vào thời kì này nên ưu tiên lấy nước cho vùng hạ du + Lấy nước luân phiên Trong thời kì kiệt, nhìn chung mực nước trong sông hạ thấp, dòng chảy trong sông nhỏ. Nếu thực hiện việc lấy nước đồng thời trong thời kì kiệt thì sẽ không đảm bảo được lưu lượng sinh thái vùng cửa sông. Do vậy các hộ dùng nước nên lấy nước luân phiên theo thứ tự ưu tiên - Các biện pháp khác Bên cạnh những giải pháp chung như đã đề xuất ở trên thì mỗi hộ dùng nước lại có những biện pháp riêng để giảm lượng nước lấy trong thời kì kiệt như: + Tái sử dụng nước trong nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. + Trồng các loại cây có nhu cầu nước thấp + Xây dựng các nhà máy nước để xử lí nước cấp cho sinh hoạt - Tăng dòng chảy đến Khi dòng chảy đến tăng lên thì nêm mặn sẽ được đẩy ra xa hơn. Để tăng dòng chảy ở thượng lưu thì có các biện pháp sau: - Trồng rừng: Trồng rừng đầu nguồn là biện pháp phi công trình có tác dụng điều tiết dòng chảy tự nhiên. Khi có rừng thì lượng dòng chảy ngầm trong mùa kiệt tăng lên. Đây là biện pháp tiết kiệm được chi phí thực hiện và có lợi ích nhiều mặt. - Xây dựng hồ chứa: Các hồ chứa được xây dựng với mục đích lợi dụng tổng hợp. Dung tích hồ chứa càng lớn thì lượng nước xả trong mùa kiệt càng tăng. Việc xây dựng các hồ chứa rất tốn kém nhưng có lợi ích tổng hợp lâu dài Tóm lại để đối phó với hiện tượng xâm nhập mặn gia tăng và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu thì đã có rất nhiều giải pháp có hiệu quả. Tuy nhiên để giảm thiểu xâm nhập mặn cần phải kết hợp các giải pháp phi công trình với các giải pháp công trình để quy hoạch cụ thể cho vùng nhiễm mặn đảm bảo phát triển bền vững. 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Các kết quả đã thực hiện được của luận văn Luận văn đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết và áp dụng thành công mô hình MIKE 11 để tính toán thủy lực và tính xâm nhập măn cho sông Mã, qua đó nhận thấy: - Với trường hợp bình thường, giới hạn mặn 4‰ đã xâm nhập sâu vào sông Mã và sông Lèn vào mùa kiệt đến trên 23km tính từ của sông. - Khi xét đến các yếu tố cực đoan của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, biên mặn 4‰ trên tiến sâu đến trên 33km. - Luận văn đã đề xuất một số giải pháp để ứng phó với xâm nhập mặn trên sông, bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình. Các giải pháp phi công trình cần được nghiên cứu và triển khai trong một thời gian dài và hiệu quả thường là không triệt để nên thường được xem xét như là một giải pháp kết hợp. Các giải pháp công trình, loại cống ngăn mặn và điều tiết có thể triển khai trong thời gian ngắn hơn, có tác dụng rõ rệt hơn đối với từng vùng cụ thể. Các kết quả nghiên cứu của luận văn là đáng tin cậy và có thể tham khảo trong quá trình xây dựng các giải pháp ứng phó với BĐKH và qui hoạch phát triển KTXH tỉnh Thanh Hóa. Tuy nhiên quá trình thực hiện luận văn tác giả nhận thấy có một số vấn đề hạn chế như sau: - Địa hình sông Mã sử dụng trong luận văn là số liệu đo đạc xử lý năm 1999, vì vậy không phản ánh chính xác được điều kiện địa hình hiện tại và ở điều kiện trong tương lai có NBD; - Mô hình chưa xét đến đầy đủ điều kiện khí tượng, thủy văn, thủy lực trong điều kiện BĐKH trong tương lai; - Chưa xét đến tác động điều tiết của hệ thống hồ chứa ở thượng lưu. 2. Kiến nghị 70 - Cần có dữ liệu địa hình sông Mã vào thời gian hiện tại để có thể phản ánh đúng thực tế hiện nay; - Cần thu thập đầy đủ hơn các số liệu về nồng độ mặn tại một số vị trí để có thể hiệu chỉnh và kiểm định mô hình phục vụ các mô hình đánh giá hịên trạng và dự báo; - Nghiên cứu các biện pháp khai thác phù hợp nước sông Mã vào các thời điểm thủy triều rút và thấp sao cho không xảy ra quá trình pha trộn mặn nước được khai thác; - Sự biến đổi khí hậu, mực nước biển dâng đã và đang diễn biến rất phức tạp nên cần phải có những theo dõi và phân tích cụ thể và thường xuyên cập nhận những tình huống biến đổi khí hậu mới nhất để dự báo tốt hơn tình hình xâm nhập mặn ở các sông vùng triều. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Các báo của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa về Kết quả điều tra triều – mặn hạ lưu hệ thống sông Mã, sông Yên và sông Bạng từ năm 2010- 2015 [2] Định hướng quy hoạch phát triển cấp thoát nước đô thị Thanh Hóa đến năm 2020. [3] Hoa Mai (2011), Chống hạn và xâm nhập mặn ở Thanh Hóa. [4] Hoàng Ngọc Quang (2002), Báo cáo Nghiên cứu quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Mã. [5] Lã Văn Chú (2009), Xây dựng chương trình dự báo xâm nhập mặn cho đồng bằng sông Hồng – Thái Bình, đề tài cấp Bộ, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu. [6] Lương Ngọc Chung (2016), Nghiên cứu, đánh giá tác động của biến đổi dòng chảy kiệt đến xâm nhập mặn khu vực hạ du sông Mã và sông Cả. [7] Nguyễn Quang Trung (2012), Nghiên cứu đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng dòng chảy kiệt phục vụ sản xuất nông nghiệp, thủy sản vùng hạ du sông Cả và sông Mã, đề tài cấp Nhà nước. [8] Nguyễn Thanh Hùng (2016), Nghiên cứu đánh giá tác động của các hồ chứa thượng nguồn đến biến động lòng dẫn hạ du, cửa sông ven biển hệ thống sông Mã và đề xuất giải pháp hạn chế tác động bất lợi nhằm phát triển bền vững, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. [9] Quyết định số 214/QĐ-TTg năm 2018 của Thủ tướng Chính Phủ về Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Mã. [10] Trần Mạnh Linh (2011), Nghiên cứu chế độ thủy lực sông Mã và thiết kế các giải pháp ngăn mặn (kịch bản II), Đại học Thủy Lợi. 72 [11] Tô Quang Toản (2014), Nghiên cứu các khả năng phát triển thượng lưu tác động đến chế độ dòng chảy và xâm nhập mặn mùa khô ở Đồng bằng sông Cửu Long, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam. [12] Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu (2012), Báo cáo thu thập, chỉnh lý số liệu đo mặt cắt hiện có trên hệ thống sông Mã. [13] Viện Quy hoạch Thủy lợi (2010), Quy hoạch sử dụng tổng hợp và bảo vệ nguồn nước lưu vực sông Mã. [14] Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, Kịch bản Biến đổi khí hậu và nước biển dâng, 2012 và 2016 73 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên: Trịnh Thế Thành Ngày tháng năm sinh: 08/12/1985 Nơi sinh: Thanh Hóa Địa chỉ liên lạc: Số nhà 45, đường Đinh Liệt, phường Lam Sơn, thành phố Thanh Hóa, tỉnh Thanh Hóa Quá trình đào tạo: 11/2009 – 6/2014. Đại học – Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội 12/2016 – 9/2018. Thạc sĩ – Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Quá trình công tác: 01/2011 – 07/2015. Quan trắc viên – Trạm Thủy văn Cẩm Thủy – Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ 07/2015 – nay. Dự báo viên – Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Thanh Hóa - Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ 74 XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN NỘP LƯU CHIỂU CHỦ NHIỆM KHOA (BỘ MÔN) QUẢN LÍ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS. Nguyễn Kiên Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS. Hoàng Ngọc Quang 75 18,26,39,43-48,50,51,60-63 1-17,19-25,27-38,40-42,49,52-59,62-73