Nghiên cứu đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực cửa sông hoá sông thái bình trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng

Trong những năm gần đây, chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi như sự cạn kiệt nước từ thượng nguồn, diễn biến bất thường về lượng mưa trên lưu vực, hiện tượng nước biển dâng cao… nên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ định rõ nguồn gốc

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Lê Minh Tân

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo

PGS TS Đào Văn Tuấn, người thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt

quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn:

* Ban Giám hiệu Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam; Viện đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình thuỷ, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

* Lãnh đạo Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên khai thác công trình thuỷ lợi Vĩnh Bảo cùng tập thể cán bộ nhân viên Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên khai thác công trình thuỷ lợi Vĩnh Bảo

Đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình thuỷ, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn

Cám ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè, người thân và gia đình đã động viên giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và học tập

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Các chữ viết tắt trong luận văn vi

Danh mục bảng biểu vii

Danh mục hình vẽ viii

Chương 1 Tổng quan về tình hình nhiễm mặn khu vực cửa sông Hoá- sông Thái Bình 1

1.1 Giới thiệu về hệ thống sông Thái Bình 4

1.2 Tình hình nhiễm mặn khu vực hạ lưu cửa sông Hoá– sông Thái Bình 5

1.3 Các nghiên cứu thủy lực vùng cửa sông ven biển 8

1.4 Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến khả năng nhiễm mặn khu vực cửa sông Hóa – sông Thái Bình 21

1.5 Tình hình nghiên cứu 23

Kết luận Chương 1 24

Chương 2 Cơ sở lý thuyết đánh giá xâm nhập mặn khu vực cửa sông do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu 25

2.1 Các phương trình cơ bản 25

2.1.1 Các phương trình động lực học tổng quát 25

2.1.2 Phương trình truyền mặn 28

2.2 Nguyên lý giải hệ phương trình cơ bản 31

2.3 Lựa chọn phần mềm tính toán 32

2.3.1 Căn cứ để lựa chọn phần mềm 32

2.3.2 Lựa chọn mô hình tính toán 33

2.4 Phương pháp thực hiện 33

Kết luận chương 2 35

Chương 3 Đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực huyện Vĩnh Bảo, thành phố Hải Phòng do biến đổi khí hậu và nước biển dâng 36

3.1 Điều kiện khu vực nghiên cứu 36

3.1.1 Vị trí địa lý 36

3.1.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội 36

3.1.3 Điều kiện địa chất 37

3.1.4 Điều kiện khí hậu, thuỷ văn 38

3.1.5 Tài nguyên thiên nhiên 45

3.2 Tình hình dân sinh, kinh tế - xã hội 47

3.2.1 Dân số: 48

3.2.2 Sự phân bố các loa ̣i diê ̣n tích 48

3.2.3 Các ngành nghề khác .48

3.2.4 Giao thông vận tải 49

3.2.5 Hệ thống cung cấp nước sinh hoạt 49

3.2.6 Điều kiện vệ sinh và sức khoẻ cộng đồng 49

3.3 Hệ thống thủy lợi huyện Vĩnh Bảo 50

3.3.1 Công trình đầu mối tướ i 50

3.3.2 Công trình đầu mối tiêu nước 50

3.3.3 Hệ thống kênh dẫn trục chính 51

3.4 Nghiên cứu, phân tích các quá trình nhiễm mặn tại Khu vực huyện Vĩnh Bảo, thành phố Hải Phòng 51

3.5 Các kịch bản BĐKH và NBD, đề xuất các kịch bản tính toán .53

3.5.1 Các kịch bản biến đổi khí hậu được lựa chọn cho Việt Nam 53

3.5.2 Các kịch bản nước biển dâng được lựa chọn cho Việt Nam 55

3.5.3 Đề xuất lựa chọn các kịch bản tính toán 56

3.6 Sơ đồ tính và kết quả tính toán 56

3.6.1 Sơ đồ tính toán và kiểm nghiệm mô hình 56

3.6.2 Kết quả tính toán 61

3.6.3 Tác động của BĐKH và NBD đến khu vực huyện Vĩnh Bảo, thành phố Hải Phòng 63

3.7 Đề xuất các giải pháp đáp ứng áp dụng cho khu vực huyện Vĩnh Bảo,

thành phố Hải Phòng 71

3.7.1 Các giải pháp chung thích ứng với BĐKH và NDB 71

3.7.2 Giải pháp quản lý tổng hợp vùng ven biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng 73

Kết luận và kiến nghị 77

1 Kết luận 77

2 Kiến nghị 77

Tài liệu tham khảo 79

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

IPPC Ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu BĐKH Biến đổi khí hậu

ADB Ngân hàng phát triển châu Á

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

DANH MỤC BẢNG BIỂU

3.1 Tỷ lệ diện tích phân bố theo độ cao của khu vực tiêu 37 3.2 Phân phối nhiệt độ không khí tương đối trong năm 39 3.3 Phân phối độ ẩm tương đối trung bình trong năm 39 3.4 Phân phối tổng lượng bốc hơi trung bình nhiều năm 40 3.5 Tốc độ gió trung bình nhiều năm tại trạm Phù Liễn 42 3.6 Mực nước thực đo trạm Hòn Dấu từ năm 1988-2007 42 3.7 Hiện trạng phân bố các loại diện tích huyện Vĩnh Bảo 48

DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1 Khu vực hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình 5

1.3 Sự chêch hướng của vận tốc và ứng xuất tiếp 14 1.4 Lưới tính toán được sử dụng trọng Mike 21 C 14 1.5 Mang lưới sông và mặt cắt ngang trong mô hình HEC- RAS 15 1.6 Đoạn sông cơ bản để dẫn ra các phương trình liên tục 16

2.1 Các phương và mặt phẳng tác dụng của các ứng suất tiếp 26 2.2 Sơ đồ biểu diễn các đại lượng trong hệ phương trình SV 27 2.3 Sơ đồ giải theo phương pháp sai phân 6 điểm 32

3.2 Biểu đồ phân phối nhiệt độ ẩm không khí trong năm 39 3.3 Biểu đồ phân bốc hơi trung bình nhiều năm 39 3.4 Biểu đồ phân phối số giờ nắng trung bình nhiều năm 40 3.5 Biểu đồ phân phối số giờ nắng trung bình nhiều năm 41 3.6 Hoa gió tổng hợp nhiều năm-Trạm Hòn Dấu 41

3.9 Sơ đồ mạng lưới hệ thống sông Hồng – Sông Thái Bình

được thiết lập trong mô hình Mike 11

57

3.10 Kết quả kiểm định HD tại trạm Chanh Chử trên sông Luộc 60 3.11 Kết quả kiểm định AD tại trạm Ngũ Thôn trên sông Trà Lý 60 3.12 Sơ đồ hệ thống Sông Hồng – Sông Thái Bình 61 3.13 Diễn biến xâm nhập mặn theo các kịch bản nước biển dâng 62

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Việt Nam được dự báo là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của hiện tượng biến đổi khí hậu mà đặc biệt là hiện tượng nước biển dâng cao, trong đó một trong hai vựa lúa lớn nhất của cả nước là Đồng bằng sông Hồng - nơi chiếm gần 50 % tổng sản lượng lúa của cả nước là nới bị tác động mạnh mẽ của biến đổi khí hậu và nước biển dâng

Khi mực nước biển dâng cao, vấn đề xâm nhập mặn càng diễn ra gay gắt ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lúa ở ĐBSH,

đe doạ nghiêm trọng đến an ninh lương thực quốc gia và làm giảm kim ngạch xuất khẩu gạo cùng các mặt hàng nông, thuỷ sản

Vùng đồng bằng thuộc hạ lưu sông Thái Bình là một trong những vùng sản xuất lúa gạo chủ yếu của miền Bắc Đây là khu vực thuộc hạ lưu của sông Thái Bình Hệ thống sông Thái Bình bao gồm sông chính Thái Bình cùng các nhánh dòng chảy phụ của nó Các nhánh phụ bao gồm sông Cầu, sông Thương và sông Lục Nam ở thượng nguồn với chiều dài khoảng 1.600 km và diện tích lưu vực khoảng 10.000 km² Ngoài ra, hệ thống sông này còn nhận một phần dòng chảy của sông Hồng, để đổ ra biển Đông Hệ thống sông Thái Bình có nối với sông Hồng bởi sông Đuống (ở thượng lưu) và sông Luộc (ở hạ lưu) nên đôi khi người ta còn gọi hệ thống này là hệ thống sông Hồng-Thái Bình và nó tạo ra khu vực đồng bằng Bắc Bộ Hệ thống này giúp phân nước sông Hồng khi mùa lũ, làm giảm thiệt hại ở hạ lưu sông Hồng

Sông Hóa, là một nhánh sông thuộc hệ thống sông Thái Bình Sông được tách

ra từ sông Luộc tại địa phận xã An Khê, Quỳnh Phụ, Thái Bình chảy theo hướng Đông Nam, đến địa phận xã Thụy Ninh, Thái Thụy, Thái Bình sông đổi hướng chảy ngoằn ngoèo theo hướng Tây Đông và hợp lưu với sông Thái Bình tại địa phận xã Thụy Tập (Thái Thụy) cách cửa Thái Bình khoảng 7 km về hướng Đông Bắc Sông có tổng chiều dài khoảng 35 km, đi qua các địa phương như huyện

Quỳnh Phụ, Thái Thụy và Vĩnh Bảo - Hải Phòng Làm ranh giới tự nhiên giữa Thái Bình và Hải Phòng

Trong những năm gần đây, chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi như sự cạn kiệt nước từ thượng nguồn, diễn biến bất thường về lượng mưa trên lưu vực, hiện tượng nước biển dâng cao… nên về mùa kiệt, mặn tiến sâu vào các cửa sông Hóa, sông Thái Bình và các cửa sông khác, làm ảnh hưởng đến tình hình lấy nước phục vụ sản xuất nông nghiệp tại các địa phương như Vĩnh Bảo, Tiên Lãng (Hải Phòng), Thái Thụy, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Kiến Xương (Thái Bình) Theo kết quả quan trắc của các trạm thuỷ văn thì tình hình xâm nhập mặn ở các khu vực nêu trên ngày càng gia tăng

Vì vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực cửa sông Hoá - sông Thái Bình trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng” với mục đích nghiên cứu chế độ dòng chảy, đánh giá

tình hình xâm nhập mặn, mô phỏng các kịch bản xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp cấp nước, kiểm soát mặn phục vụ công tác tưới tiêu vùng đồng bằng lưu vực sông Hoá- sông Thái Bình trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đây

là việc nghiên cứu hết sức cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn

2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu tình hình nhiễm mặn khu vực cửa sông Hoá- sông Thái Bình

- Xây dựng các kịch bản xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu

- Đánh giá mức độ xâm nhập mặn theo các kịch bản, từ đó đề xuất các giải pháp đáp ứng

3 Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu, phân tích hiện trạng nhiễm mặn khu vực đồng bằng vùng cửa sông Hóa- sông Thái Bình;

- Áp dụng các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng, tính toán và đánh giá khả năng nhiễm mặn tại khu vực đồng bằng hai cửa sông Hoá và Thái Bình;

- Đề xuất các giải pháp thích ứng cho khu vực

- Phạm vi nghiên cứu là đồng bằng hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận;

- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn;

- Phương pháp thống kê;

- Phương pháp chuyên gia

- Sử dụng mô hình toán (Mike 11)để tính toán thuỷ động lực học

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Tổng hợp, đánh giá hiện trạng tình hình xâm nhập mặn vùng đồng bằng ven biển thuộc hạ lưu hai cửa sông Hoá và sông Thái Bình

- Dự báo được khả năng xâm nhập mặn trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng theo các kịch bản mà Bộ tài nguyên và Môi trường đã công bố, đây cũng là xu hướng nghiên cứu mới và mang tính thời sự

6 Bố cục của Luận văn

Luận văn gồm có các phần sau đây

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NHIỄM MẶN KHU VỰC CỬA SÔNG HÓA – SÔNG THÁI BÌNH 1.1 Giới thiệu về hệ thống sông Thái Bình

Hệ thống sông Thái Bình là hợp lưu của các con sông Thương, sông Cầu, sông Lục Nam, sông Đuống gặp nhau tại thị trấn Phả Lại, huyện Chí Linh, tỉnh Hải Dương Từ đây phân thành hai nhánh là sông Kinh Thầy và sông Thái Bình Sông Thái Bình dài 93km, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam qua tỉnh Hải Dương Sông Thái Bình đoạn trên có tên là sông Hàm Giang chảy qua làng Hàm Giang, thuộc thành phố Hải Dương, đến huyện Cẩm Giàng nhận nước sông Nghĩa Trụ chảy qua Kẻ Sặt, qua huyện Tứ Kỳ gọi là sông Quý Cao Đoạn hạ lưu dài 35km, chảy qua thành phố Hải Phòng, làm ranh giới giữa hai huyện Vĩnh Bảo và huyện Tiên Lãng, rồi đổ ra biển ở cửa biển Thái Bình[6]

Sông Thái Bình nối với sông Hồng thông qua sông Luộc ở phía Nam và sông Đuống ở phía Bắc tạo thành hệ thống sông Hồng - Thái Bình, giúp phân nước sông Hồng vào mùa lũ Gần cửa Thái Bình có sông Hóa tách từ sông Luộc chảy vào sông Thái Bình

Hệ thống sông Thái Bình là tên gọi của một hệ thống sông gồm sông Thái Bình cùng các phụ lưu và chi lưu của nó Các phụ lưu gồm sông Cầu, sông Thương

và sông Lục Nam ở thượng nguồn với tổng chiều dài khoảng 1.650 km và diện tích lưu vực khoảng 10.000 km² Ngoài ra, hệ thống sông này còn nhận một phần dòng chảy của sông Hồng, để đổ ra biển Đông Hệ thống sông Thái Bình nối với sông Hồng bởi sông Đuống (ở thượng lưu) và sông Luộc (ở hạ lưu) nên đôi khi người ta còn gọi hệ thống này là hệ thống sông Hồng-Thái Bình và nó tạo ra khu vực đồng bằng Bắc Bộ Hệ thống này giúp phân nước sông Hồng khi mùa lũ, làm giảm thiệt hại ở hạ lưu sông Hồng

Sông Hóa, một con sông nhỏ thuộc hệ thống sông Thái Bình, chảy trong tỉnh Thái Bình Sông được tách ra từ sông Luộc tại địa phận xã An Khê, Quỳnh Phụ,

Thái Bình sông đổi hướng chảy ngoằn ngoèo theo hướng Tây Đông và hợp lưu với sông Thái Bình tại địa phận xã Thụy Tập (Thái Thụy) cách cửa Thái Bình khoảng

7 km về hướng Đông Bắc Sông có tổng chiều dài khoảng 35 km, đi qua các địa phương như huyện Quỳnh Phụ, Thái Thụy và Vĩnh Bảo - Hải Phòng Làm ranh giới tự nhiên giữa Thái Bình và Hải Phòng[6]

Hình 1.1: Khu vực hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình

1.2 Tình hình nhiễm mặn khu vực hạ lưu cửa sông Hoá– sông Thái Bình

Trong những năm gần đây, chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi như sự cạn kiệt nước từ thượng nguồn diễn biến bất thường về lượng mưa trên lưu vực, ảnh hưởng của nước biển dâng…nên về mùa kiệt, mặn tiến sâu vào các cửa sông Hóa, sông Thái Bình và các cửa sông khác, làm ảnh hưởng đến tình hình lấy nước phục vụ sản xuất nông nghiệp tại các địa phương như Vĩnh Bảo, Tiên Lãng (Hải Phòng), Thái Thụy, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Kiến Xương (Thái Bình) Theo báo cáo của các Công ty trách nhiệm hữu hạn Một thành viên khai thác công trình thủy lợi tại địa phương thì tình hình xâm nhập mặn ở các khu vực nêu trên ngày càng trở nên trầm trọng và diễn biến phức tạp

Hằng năm tỉnh Thái Bình vẫn còn khoảng 10 đến 20 nghìn hecta vụ xuân bị hạn thường xuyên do mực nước nguồn xuống thấp lưu lượng qua các cống tưới giảm nhiều so với thiết kế Vụ xuân các năm 1999, 2004, 2005, 2007, 2008 mực nước trên sông Hồng xuống rất thấp, mặn xâm nhập sâu, toàn tỉnh có khoảng 30

nghìn ha khó khăn về nguồn nước tưới nhất là giai đoạn đổ ải chưa kể diện tích nuôi trồng thủy sản ven biển hoảng 10.000 ha[5]

Trên sông Hóa, mặn xâm nhập sâu đến cống Hệ và cống Đoài, là cống tưới ở

vị trí gần cửa sông nhất, trong đó cống Hệ có diện tích tưới lớn nhất của sông Hóa (2600ha) Cụ thể, tại cống Hệ và cống Đoài, độ mặn trung bình lớn nhất thuỷ trực đạt 0,73 ‰ đến 1,5 ‰

Từ giữa đến cuối mùa khô, lượng nước từ thượng lưu đổ về ngày một giảm cũng là thời kì xâm nhập mặn nội địa đạt cực đại: độ mặn 10/00, chiều sâu xâm nhập mặn từ 25km đến 40km tính từ cửa biển tùy theo đặc điểm từng sông và sự điều tiết của các hồ chứa vào thời kỳ này

Theo kết quả thống kê của Viện Nước Tưới tiêu & Môi trường, liên tiếp trong các năm từ 2004 – 2006, nước mặn đã lấn sâu vào sông trên địa bàn tỉnh Nam Định Ranh giới mặn 10/00 đã xâm nhập ngày càng sâu vào các sông Hồng, sông Ninh Cơ và sông Đáy Đặc biệt, trong tháng 1/2006, trên tất cả 3 vùng cửa sông, mặn đã xâm nhập sâu đến mức kỷ lục: trên sông Hồng mặn lấn đất sâu đến cửa cống Hạ Miêu I với độ mặn 7,20/00 cách biển 26km; trên sông Ninh Cơ, mặn lấn sâu đến cửa cống Múc 2 với độ mặn 1,70/00, cách biển tới 37km; trên sông Đáy mặn đã đến cửa cống Bình Hải I với độ mặn 50/00, cách biển 18km

Bên cạnh đó, trên các sông thuộc hệ thống sông Thái Bình mặn đã xâm nhập vào đất liền sâu hơn các sông thuộc hệ thống sông Hồng và xu hướng lấn sâu vào đất liền năm sau sâu hơn năm trước Độ mặn tại các cống lấy nước tưới vùng cửa sông ven biển vào mùa cạn vượt quá mức cho phép

Nguyên nhân dẫn đến xâm nhập mặn là do hiện tượng biến đổi khí hậu – nhiệt

độ tăng và nước biển dâng Theo thống kê, nước biển dâng cao 1m sẽ có 1.668 km2 đất thuộc Đồng bằng sông Hồng bị ngập, 1.874.011 người bị ảnh hưởng

Theo kịch bản thấp nhất của Bộ Tài nguyên và Môi trường đưa ra, vào năm

2020 vùng đồng bằng Bắc bộ nhiệt độ sẽ tăng 0,60C, mực nước biển dâng cao hơn 0,11m; lượng mưa về mùa khô giảm ở hầu hết các vùng khí hậu nước ta và lượng mưa thời kỳ từ tháng 3 đến tháng 5 sẽ giảm từ 3 – 6%[4] Điều đó có nghĩa rằng,

nếu không có những biện pháp kịp thời, diện tích ngập mặn sẽ tiếp tục tăng trong thời gian tới

Sự xâm nhập mặn và mực nước trên sông Hồng, sông Hóa cũng như các sông vùng hạ du Thái Bình lại phụ thuộc phần lớn vào sự điều tiết của hồ chứa Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang Thực tế theo dõi nhiều năm trở lại đây nước mặn ngày càng lấn sâu hơn vào khu vực nội tỉnh: hai huyện Thái Thụy, Tiền Hải những năm qua vụ xuân bị ảnh hưởng của mặn trên triền sông Hóa lên tới khu vực cầu Nghìn Trong giai đoạn đổ ải thời gian mở cống rất hạn chế, diện tích các vùng Nam, Bắc quốc lộ 10 (vùng Tân Đệ) của huyện Vũ Thư, vùng Tiến Đức, Hồng An, Phú Sơn …Quỳnh Hoảng, Quỳnh Ngọc, Quỳnh Phụ…do thiếu nguồn nước hàng loạt máy bơm trơ giỏ phải ngừng bơm Vùng tự chảy thường xuyên thuộc các huyện Quỳnh Phụ, Kiến Xương không lấy được tự chảy nên rất bị động về tưới, đã ảnh hưởng tiến độ gieo cấy lúa xuân

Theo kết quả tính toán của Quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước lưu vực sông Hồng- sông Thái Bình, mực nước điều tiết tại Hà Nội phải đạt từ 2,5 m trở lên thì mới đảm bảo mực nước cho các cống vùng hạ du của các tỉnh, trong đó Thái Bình hoạt động bình thường Tuy nhiên mấy năm gần đây mực nước tại Hà Nội đều thấp hơn 2,5m[6]

Thực tế điều hành nước trong những năm qua cho thấy mực nước các sông Hóa, sông Thái Bình ngày càng cạn kiệt hơn, không đáp ứng đủ yêu cầu đổ ải vụ xuân và càng khó khăn hơn do không có nguồn nước để thau chua rửa mặn cho vùng đất chua mặn của tỉnh Hai năm qua về vụ xuân tỉnh không điều tiết xả tiêu nước thau chua mặn vì không có đủ nguồn nước Do vậy hạn chế rất lớn đến việc cải tạo đất và thâm canh Trong khi đó tài nguyên nước lại tự do chảy ra biển do không có công trình ngăn mặn ngăn giữ

Tỉnh Thái Bình nằm ngay cửa biển, có 204 km đê sông, 4 tuyến đê biển: đê số

5, đê số 6, đê số 7 và đê số 8 với tổng chiều dài 158, 7km, trong đó 56,2 km đê trực diện với biển Khi mực nước biển dâng sẽ gây ngập lụt cho phần lớn diện tích canh tác của tỉnh Thái Bình Do vậy khi có công trình ngăn mặn sẽ ngăn nước biển

dâng không gây ngập lụt mà không cần đầu tư tôn cao hệ thống đê điều toàn tỉnh Như vậy sẽ không phải đầu tư với kinh phí rất lớn và giảm được các ảnh hưởng tác động nhiều mặt về kinh tế, xã hội

Việc xây dựng công trình ngăn mặn khu vực cửa sông Hóa- sông Thái Bình có những lợi ích:

- Dâng, giữ nước mở rộng diện tích tưới tự chảy của lưu vực, tiết kiệm chi phí tưới rất lớn

- Tạo điều kiện thực hiện Chủ trương chuyển đổi cơ cấu kinh tế, cơ cấu cây trồng, thay đổi cơ cấu mùa vụ, cơ cấu cây con vật nuôi mới, cũng như vấn đề phát triển đô thị, công nghiệp và ô nhiễm môi trường của tỉnh

- Không cho mặn xâm nhập vào sông Hóa, sông Thái Bình làm ngọt hóa cả nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm hạ lưu sông Hóa, sông Thái Bình, giải quyết tốt nguồn nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho vùng ven biển hạ du sông Hóa, sông Thái Bình

- Tiết kiệm tài nguyên nước của quốc gia không để chảy tự do ra biển đảm bảo phục vụ yêu cầu sản xuất và đời sống tốt hơn

1.3 Các nghiên cứu thủy lực vùng cửa sông ven biển

Việc giải bài toán thủy lực vùng cửa sông cũng như bài toán xâm nhập mặn là

vô cùng phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của diễn biến khí hậu và rất nhiều yếu tố khác Chính vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra rất nhiều mô hình tính toán để giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Có thể sơ lược một số mô hình như sau:

1.3.1 Các mô hình tính toán:

1.3.1.1 Mô hình MIKE 11 và MIKE21

MIKE là mô hình thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lợi Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute - DHI) xây dựng Đây thuộc lớp mô hình thuỷ lực và chất lượng một 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 mặt Hiện nay bộ mô hình bộ MIKE là

công cụ mạnh và được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam để tính toán, dự báo dòng chảy cả về chất và lượng và hỗ trợ quản lý tổng hợp lưu vực sông ở nước ta

MIKE 11 là một hệ thống mô hình một chiều gồm rất nhiều các mô đun liên kết chặt chẽ với nhau và tuỳ vào khả năng nguồn số liệu hiện có mà người sử dụng

có thể sử dụng các môđun được lập hoặc liên kết với nhau Một điểm rất thuận lợi khi sử dụng hệ thống mô hình này là có phần giao diện khá hoàn chỉnh và thân thiện với người sử dụng cũng như trình diễn kết quả

MIKE là một họ phần mềm gồm nhiều modul khác nhau, từ việc tính toán cân bằng nước (MIKE BASIN), mưa- dòng chảy (MIKE NAM), dòng một chiều (MIKE 11), hai chiều lưới thẳng (MIKE 21), hai chiều lưới cong (MIKE 21C), lưới bất kỳ (MIKE 21 FM) và ba chiều (MIKE 3); mô hình kết hợp một và hai chiều MIKE FLOOD Hiện nay, MIKE là bộ phần mềm được sử dụng khá rộng rãi, với khả năng bao trùm tất cả các vấn đề về quản lý khai thác tài nguyên nước, thích ứng với các bài toán thực tế khác nhau

MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mề m dùng để mô phỏng dòng chảy, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới thủy lợi MIKE 11 là mô hình động lực một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho sông cũng như 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

MIKE 21 HD là một mô đun thủy lực học dùng để mô hình hóa dòng chảy tràn Nó được dùng để mô phỏng sự biến động của mực nước và lưu lượng ứng với các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ và các vùng chảy tràn Mực nước và lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa khu vực nghiên cứu khi có dữ liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió

Phiên bản chuẩn của mô hình MIKE 21 dựa trên lưới tính hình chữ nhật Đối với việc mô phỏng vùng biển hở và phần lớn những ứng dụng vùng bờ, vùng cửa

sông, những lưới như vậy cho độ chính xác vừa đủ Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong sông, yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đòi hỏi việc sử dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc (dạng các phần tử hữu hạn) Lưới cong

có những ưu điểm vượt trội lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đồ tính toán nhanh hơn rất nhiều Ích lợi của việc sử dụng lưới cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số điểm lưới ít hơn, mô phỏng đường bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ chính xác cao Trong mô hình lưới cong, có thể sử dụng bước thời gian dài hơn và

độ phân giải được cải thiện hơn bởi vì đường lưới luôn bám sát theo đường dòng chảy Và cuối cùng, khi chạy mô hình lưới cong, do số điểm được định nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ Lưới cong trực giao được sử dụng trong MIKE 21 C có được từ việc giải hệ phương trình[11]:

trình Saint Venant) một cách tổng hợp và hoàn toàn động học theo 2 hướng Khi mô hình được sử dụng cho sông, những ảnh hưởng sau đây có thể đưa vào hệ phương trình:

Dòng chảy cong và dòng chảy vòng

Việc sử dụng lưới cong làm tăng thêm một số đại lượng trong hệ phương trình sai phân Hệ phương trình được sử dụng trong MIKE 21C như sau[11]

(1.3)

(1.4)

trong đó:

s, n Toạ độ trong hệ toạ độ cong

p, q Lưu lượng theo hướng s và n

RHS: Phần bên phải, mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do gió, áp lực không khí

Dòng chảy vòng là hiện tượng dòng chảy thứ cấp trong sông Trong khi không có ảnh hưởng mạnh lên dòng chảy chính trong các sông có tỉ lệ giữa độ rộng

và độ sâu lớn, thì nó lại có ảnh hưởng đáng kể đến hướng vận chuyển bùn cát và vì thế ảnh hưởng đến sự thay đổi về hình thái sông Do đó, việc tính toán dòng chảy vòng gắn liền với việc mô phỏng vận chuyển bùn cát khi tiến hành mô hình hoá hình thái sông trên qui mô lớn Nó là một thành phần vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển xói vòng, xói hợp lưu, nghiên cứu cồn cát dạng điểm cũng như cồn cát di động

Trong sông thiên nhiên, ngoài phương chuyển động chung dọc theo lòng dẫn, dòng nước còn có các chuyển động theo các phương khác gọi chung là dòng thứ cấp Dòng thứ cấp dễ nhận thấy trực quan là dòng xoáy trục đứng, xuất hiện tại các nơi có chiều rộng lòng sông thay đổi đột ngột Những vùng xuất hiện dòng xoáy đứng thường được gọi là khu nước vật Dòng thứ cấp xuất hiện nơi mặt cắt dọc lòng dẫn đột biến, các phần tử nước chuyển động theo quỹ đạo quay quanh trục ngang, được gọi là cuộn xoáy ngang Đây là những dòng thứ cấp điạ hình, sản sinh

ra do sự thay đổi cục bộ đột ngột của địa hình

Ngoài dòng thứ cấp địa hình, còn tồn tại một loại dòng thứ cấp theo phương ngang, trục dọc Hình chiếu của nó trên mặt cắt ngang là một hoặc nhiều vòng khép kín, nên thường gọi là hoàn lưu, hay là dòng chảy vòng Dòng chảy vòng không chỉ xuất hiện ở khúc sông cong mà còn xuất hiện ở các đoạn sông khác, thậm chí ở các đoạn sông thẳng Sông uốn khúc không phải là nguyên nhân của dòng chảy vòng mà là hậu quả của nó Sự uốn khúc của lòng sông chỉ làm dòng chảy vòng mạnh lên và ổn định thêm Dòng chảy vòng kết hợp với dòng chính tạo thành dòng chảy xoắn ốc dọc theo lòng dẫn (Hình 1.2)[1]

Hình 1.2 Dòng chảy xoắn tại khúc sông cong

Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa gây nên sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên

sự chệch hướng của ứng suất tiếp đáy (xem hình 1.2) Sự trệch hướng này (định nghĩa bằng góc lệch s) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng chảy, và đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính như sau:

Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa gây nên sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên

sự chệch hướng của ứng suất tiếp đáy (xem hình 1.2) Sự trệch hướng này (định nghĩa bằng góc lệch s) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng chảy, và đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính như sau:

s s

Rs: Bán kính sông cong (hay độ cong của đường dòng)

: Hệ số được tính như sau:

với là hằng số van Karman, C hệ số Sêdi, và  là hằng số kiểm định mô hình

Trước khi vào khúc sông cong, trong dòng chảy đã xuất hiện dòng chảy vòng nhưng với cường độ yếu Sau khi vào khúc sông cong dòng chảy vòng lớn dần lên và đạt trị số cực đại tại vùng đỉnh cong, sau đó lại bắt đầu giảm nhỏ Quá trình này được gọi là sự thích ứng của dòng chảy vòng nhằm tiến tới trạng thái cân bằng Phạm vi thích ứng của của dòng chảy vòng () phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy và độ nhám:

g

hC

2 1

Hình 1.3 Sự trệch hướng của vận tốc và ứng suất tiếp do tác động của dòng

chảy vòng tại khúc sông cong

Hình 1.4 Lưới tính toán được sử dụng trong MIKE 21 C

Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng được thể hiện khi

mô phỏng hiệu ứng Reynolds Hệ phương trình được giải bằng kĩ thuật sai phân ẩn với các biến được định nghĩa trên lưới tính toán so le (hình 1.4)

3.1.1.2 Mô hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS

Hình 1.5 Mạng lưới sông và mặt cắt ngang trong mô hình HEC-RAS

Để tính toán thuỷ lực trong hệ thống sông (lòng dẫn hở và các công trình),

có thể sử dụng hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant Hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng này không có nghiệm giải tích và thường được giải bằng phương pháp

số Những phần mềm máy tính như VRSAP của cố GS Nguyễn Như Khuê, GS Nguyễn Ân Niên được sử dụng khá hiệu quả ở Việt Nam Với thành tựu tin học và máy tính, thế giới công bố nhiều phần mềm có ứng dụng tương tự Trong đề tài này sử dụng chương trình HEC-RAS, là một môđun của SMS

HEC-RAS được phát triển bởi Trung tâm Thuỷ văn Công trình (The Hydrology Engineering Center - HEC), Bộ Quốc phòng Mỹ HEC-RAS tính toán trạng thái ổn định hoặc không ổn định để xác định mực nước và vận tốc dòng chảy,

có thể bổ sung các công trình: cầu, cống, các trạm bơm dọc sông…Việc giải phương trình dòng chảy không ổn định được phỏng theo mô hình UNET của Tobert L Barkau Thành phần dòng chảy không ổn định được xây dựng chủ yếu cho các tính toán chế độ dòng chảy dưới phân giới

Các quy luật vật lý chi phối dòng chảy trong sông là: định luật bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục) và định luật bảo toàn động lượng (phương trình chuyển

động) Các quy luật này được biểu diễn toán học theo dạng các phương trình vi phân đạo hàm riêng

(1.9) (1.8)

Hình 1.7 Mặt cắt ngang

Áp suất: Hình 1.7 giải thích trường hợp tổng quát của một mặt cắt không đều Phân bố áp suất giả thiết là thủy tĩnh (thay đổi tuyến tính theo độ sâu) và tổng áp suất là toàn bộ áp suất trên diện tích mặt cắt áp suất tại một điểm bất kỳ có thể viết như sau:

trong đó h là độ sâu, y là khoảng cách trên đáy kênh, và T(y) là hàm của chiều rộng, liên hệ bò rộng mặt cắt với khoảng cách ở trên đáy kênh Nếu Fp là áp lực theo hướng x ở giữa đoạn sông, thì lực ở phía thượng lưu của đoạn sông có thể viết:

và ở phía hạ lưu:

Do đó tæng các lực áp suất tác động lên đoạn sông có thể viết:

trong đó FPn là áp lực tác động lên đoạn sông và FB là lực tác động bởi các bờ sông theo hướng x lên chất lỏng

z gA x

V Q t

Q

trong đó V- vận tốc dòng chảy , Sf - độ dốc thuỷ lực

Đối với các phương trình vi phân 1 chiều, sử dụng thuật toán sai phân để đưa các phương trình vi phân nói trên về các phương trình sai phân, ở đây chỉ đưa ra các toán tử sai phân chính theo không gian và thời gian

Bước đầu tiên để thiết lập một sơ đồ HECRAS là tạo ra mô hình nhận thức xác định mạng lưới sông (sơ đồ thuỷ lực và các đặc điểm), vị trí mặt cắt ngang trên

các sông lạch và sông chính, vị trí bờ, và chia thành khu vực đặc trưng

1.3.2 Mô hình trong nước

Hiện nay, ở nước ta có một số mô hình thủy lực và chất lượng nước (trong đó chủ yếu là tính độ mặn) khá tốt, đã được ứng dụng trong cả nước đặc biệt là ở ĐBSCL Mô hình đã có chiều dày sử dụng và nhiều thử thách là SAL (GS.TS Nguyễn Tất Đắc), VRSAP (Cố PGS.TS Nguyễn Như Khuê), KOD (GS.TSKH Nguyễn Ân Niên) HYDROGIS (TS Nguyễn Hữu Nhân)

Hiện nay, tất cả các mô hình đều dựa vào hệ phương trình cơ bản là hệ phương trình thủy động lực Saint Venant và phương trình tải- khuếch tán một chiều mô tả xâm nhập mặn, vốn đã trở thành kinh điển Chi tiết về học thuật, các công cụ sử dụng trong mô hình, tiện ích có thể xem trong các báo cáo chuyên đề nghiên cứu xâm nhập sử dụng mô hình tính toán

SAL là chương trình thủy lực và xâm nhập mặn một chiều, được sử dụng rộng rãi ở nước ta, nhất là ĐBSCL, và Ủy ban Mekong quốc tế cũng đã nhiều lần chọn chương trình này trong nghiên cứu của mình

Đối với tính mặn, SAL sử dụng phương pháp sai phân, trước tiên giải phương trình tải thuần túy (bằng phương pháp đường đặc trưng), sau đó giải phương trình khuếch tán thuần túy (bằng phương pháp sai phân) SAL là một chương trình tính mặn có tính bảo tồn cao

Hiện nay SAL đã không ngừng được cải tiến và đã có phiên bản mới SAL2000, không hạn chế về kích thước, đang tin học hóa mạnh hơn cho chương trình để nâng cao các tiện ích và khả năng khai thác của chương trình

VRSAP

Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:

+ Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lưu lượng Q và mực nước Z tại từng mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hưởng của thủy triều + Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nước trên các hệ thống công trình thủy lợi vùng đồng bằng và ven biển

+ Lập các phương án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lưu vực sông nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi

+ Tính truyền tiêu và truyền mặn trên các hệ thống sông

Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên từ đó nhiều tác giả đã cải tiến

để mô hình có thể tính được truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nước đô thị Các loại

mô hình này hiện cũng đang được ứng dụng ở nước ta và cho kết quả tốt Một số ứng dụng của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông

Nhật Lệ, sông Hương, sông Thu Bồn, sông Cửu Long Đều đạt kết quả đáng tin cậy

VRSAP là chương trình thủy lực- mặn một chiều đã và đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam, đặc biệt là ở ĐBSCL, trong các dự án quốc tế, với các quy

mô khác nhau, không bị hạn chế về kích cỡ

Hiện nay VRSAP đang được cải tiến tăng cường sử dụng các kỹ thuật hiện đại của tin học nhằm phát huy tốt hơn việc khai thác chương trình

KOD01 là một phần mềm thủy lực và truyền chất một chiều, ra đời từ rất sớm đầu những năm 1970, được ứng dụng rộng rãi trong nước, cho các hệ thống sông kênh, ô đồng ngập lũ trong các châu thổ sông lớn, độ phức tạp không hạn chế Trong định hướng phát triển thành một phần mềm tổng hợp, KOD đang phát triển để tính các thành phần nguồn nước và tính các chỉ tiêu chất lượng khác

Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS TSKH Nguyễn Ân Niên dùng để tính thủy lực dòng chảy hở một và hai chiều trên hệ thống sông có công trình điều tiết

và đồng ruộng Hệ phương trình Saint-Venant được sử dụng ở dạng rút gọn Sơ đồ tính là sơ đồ hiện tam giác hỗn hợp Sơ đồ tính cho phép giải các bải toán dòng không ổn định một chiều như tính toán truyền triều, truyền lũ, phân phối nước, tiêu nước cho mạng lưới sông, ô chứa, công trình điều tiết với độ phức tạp bất kỳ Sơ

đồ tính có thể phục vụ tính toán quy hoạch dự báo lũ và phân phối nước, phục vụ thiết kế và quản lý hệ thống kênh tưới tiêu và các mục đích khác trong công tác thủy lợi ở nước ta

HYDROGIS là một phần mềm thủy lực và truyền chất một chiều, có khả năng mô phỏng thủy lực và mặn Đây là một mô hình được tin học hóa rất cao, thuận tiện cho người sử dụng

Do sẵn có mô hình dự báo triều trong lõi chương trình, HYDROGIS khá thuận lợi cho dự báo mặn nền Đây cũng là mặt mạnh và độc đáo của chương trình này

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng nhiễm mặn khu vực cửa sông Hóa – sông Thái Bình

Lãnh thổ Việt Nam từ Bắc đến Nam có hệ thống sông ngòi dày đặc Hầu hết

hệ thống sông lớn như: sông Hồng, sông Mã, sông Cửu Long đều bắt nguồn từ ngoài lãnh thổ Việt Nam cùng với hệ thống sông nhánh đổ ra biển Đông Khoảng 60% nước mặt ở Việt Nam phụ thuộc vào nguồn nước chảy từ các nước láng giềng Chính vì lẽ đó những năm gần đây cùng với việc Công nghiệp hóa ở Trung Quốc, việc điều tiết không tốt ở đầu nguồn cùng với việc giữ nước vào mùa kiệt trên các hồ chứa nước ở thượng nguồn đã gây ra hiện tượng thiếu nước nặng nề ở

hạ lưu, đó là một trong những nguyên nhân chính gây mặn

Nhiều năm qua liều thuốc giúp "trị bệnh" ô nhiễm và xâm nhập mặn trên các sông là nhờ vào việc xả nước từ các hệ thống hồ chứa ở thượng nguồn để làm loãng nồng độ và đẩy mặn ra xa Nhưng ngày nay, "liều thuốc" đó trở nên khan hiếm khi mà nước từ các hồ chứa đầu nguồn của các nước láng giềng làm cho nguồn nước vốn đã khan hiếm nay còn khan hiếm hơn Mặt khác sự biến đổi của khí hậu toàn cầu đã, đang và sẽ tác động mạnh mẽ đến tài nguyên nước Theo đánh giá bước đầu, vào khoảng năm 2070[4], với kịch bản nhiệt độ không khí tăng thêm 2,5- 4,5 độ C, lượng dòng chảy sông ngòi cũng sẽ biến đổi tùy theo mức độ biến đổi của lượng mưa, nếu lượng mưa giảm 10% thì dòng chảy năm có thể giảm 17-53% đối với kịch bản nhiệt độ không khí tăng 2,5 độ C và giảm 26-90% với kịch bản nhiệt độ không khí tăng 4,5 độ C Điều đó khiến lượng nước xả xuống hạ du ngày càng ít và không đều nên nước mặn từ các cửa sông ven biển ngày càng lấn sâu vào đất liền gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với nền nông nghiệp

Đất đai khu vực hạ lưu Sông Hoá - SôngThái Bình được hình thành về cơ bản là do sự bồi đắp phù sa của hệ thống sông lớn: Sông Hồng, sông Trà Lý (1 chỉ lưu của sông Hồng), sông Luộc (cũng là một chi nhánh của sông Hồng), sông Thái Bình

Sự bồi tụ được tiến hành từ từ trong thời gian dài, tạo ra một châu thổ khá bằng phẳng, độ cao trên dưới 2m so với mực nước biển Đất là tổng hợp các yếu tố

tự nhiên: Địa chất, địa hình, khí hậu, thủy văn, các loài sinh vật (thực vật) và có sự tác động tích cực của con người Đất khu vực Vĩnh Bảo, Tiên Lãng, thành phố Hải Phòng và các huyện Ven viên của tỉnh Thái Bình chủ yếu được thành tạo từ các trầm tích phù sa cổ, phù sa mới và xác các loài thực vật trôi dạt từ thượng nguồn

về, cây cối mọc lên hình thành sự trao đổi chất hai chiều giữa cây và đất Đất cung cấp cho cây nguồn dinh dưỡng khoáng, cây sau một thời gian sinh trưởng, chu kỳ sống thì trả lại cho đất xác của chúng, làm cho đất ngày càng màu mỡ

Khí hậu nhiệt đới ẩm, làm cho quá trình phong hóa trong lưu vực diễn ra mạnh Mưa tập trung theo mùa mang theo khối lượng phù sa lớn từ thượng nguồn về bồi tụ cho đồng bằng Sông Hồng Sự nóng, ẩm, mưa nhiều, mực nước ngầm cao làm cho quá trình phân hủy chất hữu cơ mạnh, tạo thêm độ phì cho đất

Bàn tay và sức lao động sáng tạo của con người đã cải tạo đất bằng nhiều biện pháp khác nhau: (Thủy lợi, chọn đối tượng trồng trọt phù hợp với từng loại đất) thâm canh làm cho tính chất hóa lý của đất được cải thiện, dẫn đến mùa màng bội thu

Trong qua trình bồi tụ, tuy nói là địa hình khu vực Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định là bằng phẳng, song thực vật phù sa bồi tụ tạo nên địa hình chỗ cao, chỗ thấp khác nhau, sự chênh lệch độ cao của các vùng không lớn Các vùng có độ cao

từ 0,3m hoặc thấp hơn đã hình thành các vùng ngập nước quanh năm, những vùng này đất bị yếm khí Các khoáng chất có trong đất: Fe, Mg bị khử ôxy, tan và chảy theo dòng nước rồi tụ lại thành tầng gley trong đất Diện tích này chiếm tỷ lệ không nhiều

Vùng đất bãi bồi ven biển chịu tác động của thủy triều, nước mặn thường thâm nhập vào đất liền thông qua các cửa sông, cửa cống tiêu nước, làm cho đất bị nhiễm mặn Vùng này bao gồm các xã ven biển của hai huyện Tiên Lãng và Vĩnh Bảo của Hải Phòng và Thái Thụy, Tiền Hải của tỉnh Thái Bình Nếu đào sâu xuống khoảng 1-3m, thường gặp nước hơi mặn (nước lợ)

Xâm nhập mặn là vấn đề quan trọng ở vùng ven biển tỉnh Thái Bình và Hải Phòng nói riêng và Đồng bằng Sông Hồng nói chung Hiện nay, dù đã xây dựng

nhiều hệ thống thủy lợi để ngăn mặn nhưng độ mặn trong môi trường đất, nước vẫn ảnh hưởng đến tài nguyên, sinh vật và hoạt động sống của con người nơi đây Trong những năm gần đây, tình trạng xâm nhập mặn cả về nồng độ lẫn chiều sâu vào nội địa các tỉnh ven biển đang là vấn đề nóng và cần phải được quan tâm giải quyết cũng như có biện pháp phòng tránh để phục vụ sản xuất và nguồn nước sinh hoạt ở địa phương

1.5 Tình hình nghiên cứu

Trên thế giới, việc nghiên cứu đánh giá mức độ nhiễm mặn đã có từ lâu Tuy nhiên, trong những thập kỷ đầu của thế kỷ 21 với sự tác động của sự ấm nên toàn cầu đặc biệt là sự ảnh hưởng mạnh mẽ của hiện tượng biến đổi khí hậu và nước biển dâng đã gây ra nhiều hệ lụy cảu nó mà trong đó có hiện thượng xâm nhậm mặn tiến sâu và đất liền

Ở Việt Nam, sau khi Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố các kịch bản biến đối khí hậu vào năm 2012 thì cũng đã có rất nhiều các nghiên cứu về tình hình xâm nhập mặn tại các khu vực cửa sông ven biển được lồng ghép vào trong các kịch bản được công bố Đặc biệt là khu vực ĐBSH và ĐBSCL, đây là hai khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của hiện tượng BĐKH mà đặc biệt là NBD Khu vực hạ lưu sông Thái Bình và sông Hóa cũng là một trong nhưng vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu và nước biển dâng, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, tác giả chỉ nghiên cứu, đánh giá mức độ xâm nhập mặn khu vực cửa sông Hóa – sông Thái Bình theo một số kịch bản nước biển dâng mà các nhà khoa học đã khuyến cáo cho áp dụng cho Việt Nam

Kết luận Chương 1

Hạ lưu sông Hoá, sông Thái Bình là một phần của vùng đồng bằng Bắc Bộ Đây là khu vực cửa sông ven biển chịu sự xâm nhập mặn sâu của nước biển Có hai nguyên nhân chủ yếu gây nhiễm mặn đó là: sự thiếu hụt nghiêm trọng nguồn nước từ thượng nguồn không đủ để đẩy mặn tiến ra xa và xu thế dâng cao của mực nước biển do biến đổi khí hậu Việc nghiên cứu, đánh giá và dự báo khả năng nhiễm mặn tại các khu vực của sông đã được nghiên cứu từ lâu trên thế giới thông qua các mô hình toán học và mô hình số trị Ở Việt Nam, cũng đã có nhiều nghiên cứu về diễn biến xâm nhập mặn tại khu vực của sông, ven biển và đã thu được những kết quả bước đầu Trong những năm gần đây, các hiện tượng thời tiết cực trị

do biến đổi khí hậu và đặc biệt là hiện tượng nước biển dâng làm cho hiện tượng xâm nhập mặn ngày càng gia tăng đang là một thác thức rất lớn với với các hoạt động sản xuất nông ngiệp và tác động xấu đến đời sống của cộng đồng dân cư ven biển Việc nghiên cứu, dự báo tình hình xâm nhập mặn trong điều kiện BĐKH và NBD để từ đó có những giải pháp thích ứng trong tương lai là điều cần thiết và sớm phải được triển khai

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ XÂM NHẬP MẶN KHU VỰC CỬA SÔNG DO ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 2.1 Các phương trình cơ bản

Ta đã biết nguyên nhân của xâm nhập mặn theo sông là do quá trình truyền triều và truyền mặn từ biển vào cửa sông và vùng sông ảnh hưởng của thủy triều Quá trình truyền triều và truyền mặn theo diễn biến rất phức tạp Tuy nhiên để giải bài toán truyền mặn trong thực tế ta cần phải lượng hóa các quy trình đó bằng những mô hình toán học Việc mô hình hóa các quá trình truyền triều vùng cửa sông được thiết lập trên cơ sở giản hóa các phương trình chuyển động và phương trình liên tục Việc mô hình hóa quá trình truyền mặn dựa trên cơ sở giản hóa phương trình truyền chất và khuếch tán (phương trình truyền mặn) Sau đây trình bày các phương trình trên

2.1.1 Các phương trình động lực học tổng quát

2.1.1.1 Dạng tổng quát

Phương trình động lực học bao gồm phương trình chuyển động và phương trình liên tục Dạng tổng quát của các phương trình này được viết trong hệ tọa độ Đềcác Các trục x, y, z được chọn sao cho trục x trùng với phương lòng dẫn, trục y vuông góc với trục x còn trục z được chọn theo phương thẳng đứng từ dưới lên Dạng tổng quát của các phương trình viết cho các phương x, y, z như sau[7]:

a) Phương trình động lượng:

x zx yx

t t t t t t

z y

x

P z

u w y

u v x

u u t

1

(2.1)

y zy yx

t t t t t t

z x

y

P z

v w y

v v x

v u t

1

z zy xz

t t t t t t

y x

z

P z

w w y

w v x

w u t

v x

Trong đó:

+ ut (x, y, z, t), vt (x, y, z, t), wt (x, y, z, t) : là các thành phần tốc độ tức thời tại một điểm theo các phương x, y, z là hàm số của 4 biến x, y, z, t

+ : khối lượng đơn vị của chất lỏng

+ ax, ay, az: là các thành phần của lực thể tích tác dụng lên một đơn vị thể tích chất lỏng theo các phương x, y, z Các lực này bao gồm trọng lực, Coriolit

Nếu chỉ kể đến lực do trọng lực gây ra thì ax = ay = 0 và az = -g, trong đó g là gia tốc trọng trường

+ P: áp suất đơn vị tác dụng lên khối chất lỏng

+ Các thành phần  trong các phương trình trên là các ứng suất tiếp theo các phương x, y, z tác dụng lên mặt phẳng giới hạn của khối chất lỏng song song với các mặt tọa độ (xem hình 2-1)

Hình 2.1: Các phương và mặt phẳng tác dụng của các ứng suất tiếp 2.1.1.2 Dạng giản hóa của các phương trình chuyển động

Dòng chảy vùng sông ảnh hưởng triều là dòng chảy không ổn định có cấu trúc rất phức tạp do tồn tại của chế độ dòng chảy hai chiều ( chiều từ sông ra biển và sóng triều truyền vào sông) Mô hình hóa các quá trình truyền triều vùng cửa sông được thiết lập trên cơ sở giản hóa các phương trình chuyển động và phương trình liên tục Ở đây chỉ xét dạng giản hóa một chiều

Hệ phương trình Saint Venant là hệ gồm 2 phương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng được viết dưới dạng giản hóa cho bài toán một chiều không gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dòng

Phương trình liên tục : q

t

A x

Q gQ x

h gA x

A Q t

(2.6)

Phương trình động lượng Phương trình liên tục

Hình 2.2: Sơ đồ biểu diễn các đại lượng trong hệ phương trình S -V

Trong đó:

B: Chiều rộng mă ̣t nước ở thời đoa ̣n tính toán (m)

h: Cao trình mực nước ở thời đoa ̣n tính toán (m)

t: Thờ i gian tính toán (giây)

Q: Lưu lượng dòng chảy qua mă ̣t cắt (m3

/s) X: Tọa độ (dọc theo dòng chảy) (m)

A: Diện tích mă ̣t cắt ướt (m2

) q: Lưu lượng ra nhâ ̣p do ̣c theo đơn vi ̣ chiều dài (m2

/s) C: Hệ số Chezy, được tính theo công thức: y

R n

C 1 n: Hệ số nhám

R: Bán kính thuỷ lực (m)

y: Hệ số, theo Maning y = 1/6

: Hệ số đô ̣ng năng

2.1.2 Phương trình truyền mặn

2.1.2.1 Phương trình truyền mặn tổng quát

Phương trình truyền mặn vùng sông ảnh hưởng thủy triều được thiết lập bằng cách sử dụng định luật bảo toàn vật chất Sau quá trình biến đổi phương trình truyền mặn tổng quát được viết như sau[7]:

) ( ) ( ) (

z

S z

y

S y

x

S x z

S w y

S v x

S u t

S

z y

x t

+ S: nồng độ chất khuếch tán

+ x, y, z: là các hệ số khuếch tán rối theo phương x, y, z

+ Hệ tọa độ 3 chiều x, y, z được chọn sao cho trục x trùng với phương của lòng dẫn, trục y vuông góc với trục x, trục z theo phương thẳng đứng hướng từ dưới lên trên

+ Các đại lượng có dấu gạch ngang trên đầu là các giá trị bình quân

Từ phương trình (2.7) rút ra kết luận là hiện tượng truyền chất, ngoài khuếch tán phân tử sẽ có hai quá trình nữa là quá trình truyền tải (đối lưu) và quá trình khuếch tán rối Các số hạng từ số hạng thứ 2 của vế trái (2.7) là thành phần chuyển tải, còn các số hạng bên phải phương trình (2.7) là thành phần khuếch tán của quá trình truyền mặn theo các phương Phương trình (2.7) là dạng tổng quát nhất được

sử dụng giải bài toán 3 chiều để tìm phân bố độ mặn theo không gian và thời gian Trong thực tế việc giải bài toán dạng (2.7) là rất khó khăn, do đó người ta đưa

về các dạng đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được yêu cầu thực tế Các dạng giản hóa được áp dụng cho từng trường hợp cụ thể sau khi đã phân tích đầy đủ cấu trúc truyền mặn và ảnh hưởng của điểu kiện địa hình dòng sông

2.1.2.2 Phương trình truyền mặn khi bỏ qua hiện tượng khuếch tán theo phương thẳng đứng

Đối với những đoạn sông có độ sâu dòng chảy nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng sông (H<<B), gradien của muối theo phương thẳng đứng nhỏ hơn so với phương ngang và phương dọc của dòng sông Khi đó ta có thể thực hiện phép lấy bình quân theo phương thẳng đứng các giá trị ut, vt và S Sau khi biến đổi ta có phương trình truyền mặn tính cho trường hợp này như sau[7]:

] ( [

] ( [

) (

) ( )

y

E y

HS x

E x S

HV y

HU x

2.1.2.3 Phương trình truyền mặn khi không xét đến hiện tượng khuếch tán theo phương ngang

Trong trường hợp lòng sông có bề rộng không lớn lắm so với độ sâu dòng chảy, hoặc là trường hợp có sự chênh lệch độ mặn không lớn theo phương ngang, người ta có thể lấy bình quân theo hướng ngang (trục y) các đặc trưng trong phương trình (2.7) sau đó biến đổi ta được phương trình truyền mặn trong trường hợp này như sau[7]:

] ( [

] ( [

) (

) ( )

z

E y

BS x

E x S

BW z

BU x

+ ExB = x + xB, EzB = z + zB gọi là các hệ số khuếch tán tổng hợp theo các phương x và z cũng có thể gọi là các hệ số khuếch tán hữu ích vì nó phản ảnh cả sự chuyển tải không đều theo phương x và z khi lấy bình quân các đặc trưng tính toán theo độ sâu nước trong sông

2.1.2.4 Phương trình truyền chất một chiều

Trong nhiều bài toán thực tế, việc giải các phương trình (2.7), (2.8), (2.9) gặp không ít khó khăn, bởi vậy cần tìm cách đưa dạng tổng quát (2.7) về dạng chỉ có một biến không gian x và t Từ phương trình (2.7) nếu ta thay tốc độ ut bằng giá trị bình quân mặt cắt U và S t bằng S và bỏ qua các thành phần tốc độ theo các phương còn lại, sau khi biến đổi ta được:

] [

) ( ) (

x

S AE x

AUS x t

+ E = x + Ex, ở đây Ex là hệ số kể đến sự phân bố không đều của tốc độ so với trị số không đều mặt cắt, nó phản ánh sự chuyển tải không đều theo mặt cắt ngang nếu tốc độ theo phương ngang là không đáng kể, E là hệ số khuếch tán, nó phản ánh cả hiện tượng khuếch tán rối (thông qua x) và sự chuyển tải không đều theo mặt cắt ngang (Ex) E còn gọi là hệ số khuếch tán hữu ích của bài toán một chiều

A: diện tích ướt của mặt cắt ngang là một hàm của biến x và t

2.1.2.5 Phương trình truyền chất một chiều tổng quát

Các phương trình (2.7), (2.8), (2.9), (2.10) là các phương trình truyền mặn được thiết lập dựa trên cơ sở giả thiết rằng: trong quá trình truyền chất không có nguồn bổ sung hoặc lấy đi trên toàn bộ đoạn sông xem xét Giả thiết thứ 2 là không xảy ra quá trình phân hủy các chất hòa tan trong quá trình truyền chất, điều đó chỉ đúng với chất lan truyền là muối ( ít bị phân hủy) Phương trình tổng quát phải được kể đến thành phần phân hủy hoặc bổ sung dọc tuyến truyền chất của nó Đối với bài toán một chiều phương trình truyền chất dạng đầy đủ được viết như sau:

) ( ]

[ ) ( ) (

C F R

C AE AUC

Trong đó:

C: là ký hiệu tổng quát để chỉ nồng độ bất kỳ

R = R(x,t) là tổng lưu lượng các nguồn chất bổ sung trên tuyến truyền chất F(C): là hàm số biểu thị quy luật phân hủy của chất lan truyền phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của chất lan truyền mà có các dạng khác nhau

2.2 Nguyên lý giải hệ phương trình cơ bản

Nguyên tắc chung của phương pháp tính toán các đặc tính của dòng chảy và xâm nhập mặn tại khu vực sông Thái Bình và Văn Úc là:

- Sử dụng các công thức giới hạn khác nhau với bốn điểm Preissman chế độ

ẩn cho các đoạn trong mỗi nhánh sông và 6 điểm với tên gọi Abbott- Ionescu

- Sử dụng các công thức truy toán để loại trừ những điểm lưới giữa, và do đó xây dựng một hệ thống hàm tuyến tính về mực nước và mặn tại tất cả các nút của toàn bộ hệ thống, sử dụng điều kiện biên và việc bảo toàn khối lượng tại điểm giao

- Kết quả của những phương trình được tìm ra bởi phương pháp Gauss cổ Sau đó các công thức hồi quy được sử dụng để tính toán mực nước lưu lượng độ mặn tại các điểm lưới giữa

- Mực nước trong những vùng đất bằng và lưu lượng trao đổi giữa sông và vùng đất bằng phẳng được tính toán một các rõ ràng tại mỗi bước thời gian sau khi

có kết quả mực nước sông và sẽ được sử dụng trong tính toán hệ thống sông tại bước thời gian tiếp theo

Mạng lưới sông được mô hình được chia thành các nhánh sông, liên kết tại các nút (điểm giao) Mỗi nhánh được chia thành các đoạn bởi các mặt cắt Các mặt cắt ngoài là mặt cắt biên cung cấp mực nước hoặc lưu lượng và sự tập trung mặn Những vùng đất phẳng liên kết, những vùng được liên kết với sông bởi những dòng hoặc cống lấy nước cũng được tính tới

Giải hệ phương trình vi phân Saint Vernant theo phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Ionescu 6-point) sẽ xác định được giá trị lưu lượng , mực

nước ta ̣i mọi đoạn sông , mọi mặt cắt ngang trong mạng sông và mọi thời điềm trong khoảng thời gian nghiên cứu

Hình 2.3: Sơ đồ giải theo phương pháp sai phân 6 điểm

Theo phương pháp này thì ma ̣ng sông nghiên cứu được chia thành các đoa ̣n sông đơn bằng các mă ̣t cắt ngang, các đoạn sông được nối tiếp với nhau theo đúng trạng thái tự nhiên , bằng phương pháp trên và quá trình sai phân tuyến tính hoá sẽ thu được hê ̣ phương trình sai phân viết cho toàn ma ̣ng sông thông qua mắt lưới sai phân, giải hệ phương trình sai phân sẽ thu được nghiệm cần tìm tại các mắt lưới , cụ thể là tìm được cao trình mực nước ta ̣i các vi ̣ trí có mă ̣t cắt và vi ̣ trí có mă ̣t cắt + 2*dx Lưu lượng ta ̣i các vi ̣ trí mă ̣t cắt + dx và các vi ̣ trí công trình như cống, đâ ̣p trên toàn bô ̣ ma ̣ng sông sau mỗi bước thời gian tính Như vâ ̣y sau mỗi bước tính toán sẽ thu được giá trị lưu lượng Q (m3/s) và cao trình mực nước Z (m) tại các vị trí đã nêu trên

2.3 Lựa chọn phần mềm tính toán

2.3.1 Căn cứ để lựa chọn phần mềm

Như đã nêu trong phần tổng quát về giải bài toán xâm nhập mặn thì hiện nay các phần mềm sử dụng tính toán xâm nhập mặn rất phong phú Khi chọn lựa phần mềm tính toán cho trường hợp cụ thể cần phải xét các yếu tố sau:

+ Phần mềm đó phải có khả năng mô phỏng hiện tượng xâm nhập mặn rất phức tạp