TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Wen-Cheng Liu và cộng sự (2007) đã sử dụng mô hình thủy động lực học và lan truyền mặn MIKE 11 để mô phỏng tình trạng và diễn biến xâm nhập mặn tại hệ thống sông Danshuei và khu vực ven biển Đài Loan Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng lưu lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến xâm nhập mặn ở cửa sông, đồng thời thiết lập được mối tương quan giữa lưu lượng và khoảng cách xâm nhập mặn, từ đó cho phép dự báo hiện tượng xâm nhập mặn trong các điều kiện dòng chảy khác nhau.
- Cũng nghiên cứu về vấn đề xâm nhập mặn ở hệ thống cửa sông Danshuei, A Etemad-Shahidi và cộng sự (2008) đã áp dụng phương pháp mô hình hóa (MIKE
11) để mô phỏng hiện trạng và dự báo diễn biến của xâm nhập mặn ở hệ thống cửa sông Danshuei, kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưu lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến xâm nhập mặn ở hệ thống sông này và một phương trình đơn giản đã được đề xuất để dự báo ảnh hưởng của xâm nhập mặn dưới tác động của yếu tố lưu lượng ở các nhánh sông khác nhau của hệ thống
Wenping Gonga và cộng sự (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của xâm nhập mặn do nhật triều và bán nhật triều tại cửa sông Huangmaohai, Trung Quốc Nghiên cứu áp dụng phương pháp thu thập dữ liệu thực đo về độ mặn và mực nước, kết hợp với phần mềm thủy lực môi trường nước (EFDC) để mô phỏng tình trạng hiện tại Kết quả cho thấy xâm nhập mặn có sự biến đổi đáng kể trong mùa xuân, giảm khi có bán nhật triều và tăng khi có nhật triều.
Nghiên cứu của Darryn McEvoy và cộng sự (2014) tập trung vào việc đánh giá rủi ro và lựa chọn giải pháp ứng phó với biến đổi khí hậu tại hai thành phố Shatkhira ở Bangladesh và Huế ở Việt Nam Qua phương pháp tham vấn cộng đồng, nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp ứng phó và kiểm tra tính khả thi của chúng, cung cấp thông tin quan trọng để đối phó với các rủi ro cụ thể do biến đổi khí hậu gây ra.
Nghiên cứu toàn cầu cho thấy rằng hầu hết các nghiên cứu về xâm nhập mặn sử dụng phương pháp mô hình hóa, đặc biệt là mô hình thủy động lực học và lan truyền mặn như MIKE 11, để mô phỏng diễn biến mặn tại các khu vực sông và cửa sông Ngoài ra, việc kết hợp các phương pháp khác như tham vấn cộng đồng và khảo sát thực địa cũng rất quan trọng để làm rõ các yếu tố liên quan đến vấn đề này.
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu của Trần Ngọc Anh và cộng sự (2008) đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá tình hình xâm nhập mặn trên hệ thống sông Bến Hải và Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị Theo các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020, kết quả dự báo cho thấy hiện tượng xâm nhập mặn sẽ gia tăng, ảnh hưởng sâu vào nội đồng và gây tác động lớn đến hoạt động nông nghiệp trong khu vực.
Phạm Thế Vinh (2009) đã nghiên cứu tác động của lưu lượng thượng nguồn đến xâm nhập mặn tại lưu vực Vu Gia - Thu Bồn, tập trung vào ảnh hưởng của các hồ thủy điện Bằng phương pháp mô hình hóa, tác giả đã sử dụng các mô hình thủy lực và thủy văn như NAM, MIKE BASIN và MIKE để phân tích dòng chảy hạ lưu.
11 Kết quả nghiên cứu đã xây dựng một số kịch bản và tính toán được khả năng đẩy lũ và giảm mặn khi có các hồ thủy điện thượng lưu
Báo cáo của Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường (2010) đã thực hiện một nghiên cứu quy mô lớn về tác động của biến đổi khí hậu đối với nguồn nước tại Việt Nam Nghiên cứu tập trung vào 7 con sông chính, bao gồm sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông Thu Bồn, sông Ba, sông Đồng Nai và khu vực đồng bằng, đồng thời đề xuất các giải pháp thích ứng nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến nguồn nước.
Dự án nghiên cứu sông Cửu Long đã tổng hợp dữ liệu về nhiệt độ, lượng mưa và mực nước biển dâng từ năm 1980-1999 để dự báo sự thay đổi của các yếu tố này dưới tác động của biến đổi khí hậu trong tương lai Kết quả nghiên cứu đưa ra các kịch bản thấp, trung bình và cao cho nhiệt độ, lượng mưa và mực nước biển dâng vào các giai đoạn 2020-2039, 2040-2059 và 2080-2099.
Trong nghiên cứu của Ưng Ngọc Nam (2011), mô hình thủy văn, thủy lực và lan truyền mặn đã được áp dụng để tính toán xâm nhập mặn tại hạ lưu sông Sài Gòn Kết quả nghiên cứu cung cấp các kịch bản cho nhà máy nước Tân Hiệp, phân chia theo các giai đoạn ngắn hạn, trung hạn và dài hạn, với các công trình thượng lưu dự kiến vào năm 2020, trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Nghiên cứu của Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam Việt Nam (2012) đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để phân tích thủy lực khu vực Đông Nam Bộ Kết quả nghiên cứu cung cấp cái nhìn chi tiết về đặc điểm dòng chảy và sự biến đổi phân bố dòng chảy trong vùng nghiên cứu dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu Ngoài ra, nghiên cứu còn đánh giá các tác động tương lai của dòng chảy, bao gồm xâm nhập mặn, ngập lụt và hạn hán theo không gian và thời gian.
Trần Quốc Đạt và cộng sự (2012) đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng xâm nhập mặn tại đồng bằng Sông Cửu Long, tập trung vào tác động của mực nước biển dâng và suy giảm lưu lượng từ thượng nguồn, sử dụng phương pháp mô hình hóa MIKE 11 Nghiên cứu dựa trên dữ liệu thu thập từ hai năm 1998 và 2005, và kết quả từ các kịch bản đã cung cấp cái nhìn tổng quan về diễn biến xâm nhập mặn trong tương lai tại khu vực này.
Phân viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường phía Nam đã nghiên cứu lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, ứng dụng mô hình thủy lực và lan truyền mặn để mô phỏng tình trạng xâm nhập mặn và dự báo diễn biến của hiện tượng này dưới tác động của mực nước biển dâng tại tỉnh Quảng Nam Nghiên cứu đã đưa ra các kịch bản xâm nhập mặn cho các năm 2015, 2020 và 2030 với ba mức độ: cao, trung bình và thấp.
Viện nước và Công nghệ Môi trường (2013) đã tiến hành nghiên cứu tại hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai, nhằm mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực và xâm nhập mặn Nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 với các module tích hợp, bao gồm mưa - dòng chảy (NAM), thủy động lực học (HD) và tải-khuếch tán (AD), để phân tích tình hình hiện trạng từ năm.
2001 - 2011 và theo các kịch bản dự báo đến năm 2050 dưới tác động của biến đổi khí hậu
Dự án của Đại học Quốc gia Hà Nội và UN-HABITAT (2013) đã đánh giá khả năng dễ bị tổ thương của hệ thống đô thị Hội An trước các tai biến liên quan đến biến đổi khí hậu như ngập lụt, nhiễm mặn, và bão Để mô phỏng nguy cơ xâm nhập mặn, dự án áp dụng mô hình số độ cao địa hình kết hợp với mực thủy triều dâng cao nhất theo các kịch bản mực nước biển dâng ở Quảng Nam Kết quả nghiên cứu chỉ ra nguyên nhân và năng lực thích ứng hiện tại, đồng thời dự báo các tai biến trong tương lai cho Hội An Qua tổng quan tài liệu, nhận thấy hầu hết các nghiên cứu trong nước sử dụng mô hình thủy lực MIKE 11 để mô phỏng xâm nhập mặn, nhưng tại Hội An, chỉ mới áp dụng mô hình số độ cao mà chưa tính toán được nồng độ mặn hay ranh giới mặn trên các con sông khác nhau Các kịch bản dự báo xâm nhập mặn chủ yếu dựa vào kịch bản nước biển dâng của bộ Tài Nguyên Môi trường mà chưa tính đến yếu tố suy giảm lưu lượng thượng nguồn.
Nghiên cứu này áp dụng mô hình thủy lực và lan truyền mặn MIKE 11 để mô phỏng hiện tượng xâm nhập mặn Đồng thời, kịch bản mô phỏng sẽ xem xét diễn biến xâm nhập mặn dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, bao gồm cả tác động do suy giảm lưu lượng thượng nguồn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Biến đổi khí hậu
Theo Công ước khung của Liên Hiệp Quốc về Biến đổi Khí hậu (2012), biến đổi khí hậu được định nghĩa là sự thay đổi khí hậu do hoạt động của con người, ảnh hưởng đến thành phần khí quyển toàn cầu và làm gia tăng sự biến động khí hậu tự nhiên Biến đổi khí hậu được xác định thông qua sự khác biệt giữa các giá trị trung bình dài hạn của các tham số khí hậu, thường được tính trong khoảng thời gian vài thập kỷ.
Các biểu hiện của biến đổi khí hậu (IPCC, 2007), bao gồm:
- Nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng lên do sự nóng lên của bầu khí quyển toàn cầu
- Sự dâng cao mực nước biển do giãn nở vì nhiệt và băng tan
- Sự thay đổi thành phần và chất lượng khí quyển
- Sự di chuyển của các đới khí hậu trên các vùng khác nhau của trái đất
Sự thay đổi cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển ảnh hưởng đến chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hóa khác, dẫn đến những biến đổi quan trọng trong môi trường Những biến đổi này không chỉ tác động đến khí hậu mà còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sự phát triển bền vững của các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
- Sự thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần của thủy quyển, sinh quyển, địa quyển
Sự gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu và mực nước biển dâng là hai biểu hiện chính của biến đổi khí hậu.
Khí hậu bị biến đổi do 2 nhóm nguyên nhân:
Nhóm nguyên nhân khách quan do sự biến đổi tự nhiên bao gồm các yếu tố như sự biến đổi hoạt động của mặt trời, thay đổi quỹ đạo trái đất, sự thay đổi vị trí và quy mô của các châu lục, cùng với biến đổi của các dòng hải lưu và lưu chuyển trong hệ thống khí quyển.
Nguyên nhân chủ quan của vấn đề môi trường chủ yếu xuất phát từ sự thay đổi trong mục đích sử dụng đất và nguồn nước, cùng với sự gia tăng lượng phát thải khí CO2 và các khí nhà kính khác do các hoạt động của con người.
Trong gần 1 triệu năm trước cách mạng công nghiệp, nồng độ khí CO2 trong khí quyển dao động từ 170 đến 280 ppm Tuy nhiên, hiện nay con số này đã tăng lên 387 ppm và dự kiến sẽ tiếp tục gia tăng nhanh chóng Sự gia tăng nồng độ khí CO2 dẫn đến việc nhiệt độ trái đất tăng cao, gây ra biến đổi khí hậu do trái đất không thể hấp thụ hết lượng CO2 và các khí gây hiệu ứng nhà kính dư thừa trong khí quyển.
Xâm nhập mặn
3.2.1 Độ mặn Độ mặn hay độ muối được ký hiệu S (S viết tắt từ chữ salinity - độ mặn) và được định nghĩa là tổng lượng (tính theo gram) các chất hòa tan chứa trong 1 lít nước Độ mặn trong nước sông vùng ven biển chủ yếu do độ mặn nước biển xâm nhập vào Khi nước triều dâng cao, dòng triều chảy ngược mang nước biển có độ mặn vào các cửa sông Mức độ nhiễm mặn trên các sông phụ thuộc vào nhiều yếu tố: chế độ triều vùng cửa sông, độ dốc lòng sông, lưu lượng dòng chảy thượng nguồn, ngoài ra quá trình xâm nhập mặn vào các con sông còn chịu ảnh hưởng của các nhân tố như: chế độ gió, sóng và các công trình khai thác nước, điều tiết nước trên sông Độ mặn thường thay đổi theo từng giờ, từng ngày, từng tháng và từng mùa Dòng chảy sông ngòi có 2 mùa là mùa lũ và mùa cạn, dẫn đến độ mặn trong sông cũng có 2 mùa rõ rệt Trong 1 tháng có 2 k triều cường, diễn biến độ mặn trên sông cũng có 2 chu k tương ứng Đây là thời k độ mặn có khả năng xâm nhập sâu vào trong sông, còn 2 thời k triều kém độ mặn ít có khả năng xâm nhập sâu
Quá trình lan truyền mặn bao gồm hai cơ chế chính: truyền tải và khuếch tán Trong giai đoạn truyền tải, độ mặn di chuyển theo hướng của dòng chảy, trong khi ở giai đoạn khuếch tán, sự phân bố độ mặn tuân theo định luật Fick.
Tại các khu vực cửa sông và ven biển, sự tương tác giữa dòng chảy sông và động lực biển tạo ra tình trạng xâm nhập mặn, đặc biệt khi mực nước sông thấp do giảm lượng nước đầu nguồn hoặc sử dụng nước Trong những thời điểm triều cường, nước mặn có thể xâm nhập sâu vào các cửa sông và kênh rạch, hình thành vùng nước nhiễm mặn với nồng độ khác nhau theo không gian và thời gian Thời tiết và khí hậu cũng ảnh hưởng đến mức độ xâm nhập mặn Thông thường, hiện tượng này được chú ý nhiều hơn vào mùa kiệt, khi mà lượng nước đầu nguồn và mưa không đủ để đẩy lùi nước mặn ra khỏi vùng cửa sông.
Các ngu ên nh n g m nhập mặn trong ông rạch
Sự xâm nhập mặn trong các sông rạch chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: lưu lượng nước ngọt từ nguồn và chế độ thủy triều tại khu vực cửa sông.
Lượng nước ngọt từ thượng nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm biên độ triều và vận tốc dòng triều, giúp đẩy lùi sự xâm nhập mặn Tuy nhiên, trong điều kiện hạn hán, nước trong các hồ chứa thượng nguồn suy giảm, làm giảm khả năng điều tiết nước và tăng cường tác động của mặn trên sông rạch Sự xâm nhập mặn thường trở nên nghiêm trọng hơn vào mùa kiệt, trong khi vào mùa lũ, dòng chảy lớn có khả năng đẩy mặn ra xa hạ du hơn.
Thủy triều ven biển đóng vai trò quan trọng trong việc đưa nước biển xâm nhập vào các sông rạch nội đồng Theo chu kỳ triều cường nửa tháng, chúng ta có thể quan sát đỉnh mặn trên các sông rạch, thường trùng với đợt triều cường lớn nhất trong mùa kiệt.
Ngoài ra, sự xâm nhập mặn còn chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác như chế độ gió mùa, lượng nước bị khai thác ở hạ du, và sự thay đổi địa hình lòng dẫn sông rạch do tác động của con người.
3.2.3 Mặt lợi và h i của s m n mặn
Tác hại của nhi m mặn trong ông rạch
Nước mặn tràn vào đồng ruộng gây tác hại nghiêm trọng đến nông nghiệp, làm chết hàng loạt cây trồng và giảm năng suất ngay cả khi độ mặn chỉ dưới 1 g/l Đối với nuôi trồng thủy sản, nước mặn xâm nhập vào ao, đìa nước ngọt có thể dẫn đến giảm năng suất hoặc thất thu hoàn toàn, trong khi ao nuôi tôm nước mặn cũng bị ảnh hưởng bởi độ mặn cao Hơn nữa, nước mặn còn tác động tiêu cực đến hoa màu và cây ăn trái ở các khu vực trồng trọt ven sông.
Nước sinh hoạt tại các vùng dân cư chủ yếu được cung cấp từ nguồn nước ngọt trên sông rạch Tuy nhiên, khi nước mặn xâm nhập, tình trạng thiếu nước xảy ra, dẫn đến nguy cơ dịch bệnh do sử dụng nước không đảm bảo vệ sinh Ngưỡng độ mặn tiêu chuẩn cho các nhà máy cấp nước là 0,25 g/l; nếu nước sông có độ mặn vượt quá mức này, việc xử lý để làm ngọt nước lợ sẽ gặp nhiều khó khăn và tốn kém.
Mặt i của nhi m mặn trong ông rạch
Xâm nhập mặn ở nước ta, mặc dù gây ra nhiều tác động tiêu cực cho nông nghiệp truyền thống, nhưng cũng mang lại lợi ích đáng kể Việc xâm nhập mặn tạo ra vùng nước lợ với tiềm năng sinh học phong phú, cung cấp nguồn lợi thủy hải sản cho ngư dân Điều này mở ra cơ hội chuyển đổi từ trồng lúa chuyên canh sang nuôi thủy sản nước lợ, giúp tăng thu nhập cho người dân Hơn nữa, sự nhiễm mặn tại các cửa sông còn thúc đẩy sự phát triển của nghề làm ruộng muối.
3.2.4 P ươn á n iên ứu xâm nh p mặn Để nghiên cứu sự lan truyền mặn, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp như đo đạc thực tế, sử dụng các số liệu đo đạc để nội suy độ mặn trong vùng nghiên cứu, sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng quá trình lan truyền mặn Ở đây, luận văn này chỉ bàn đến vấn đề mô phỏng quá trình lan truyền mặn bằng phương pháp mô hình hóa Để mô phỏng quá trình lan truyền chất (mặn, ô nhiễm ) người ta giải phương trình truyền tải – khuếch tán (gồm các thành phần đối lưu, khuếch tán, nguồn bổ sung, nguồn tiêu tán…) để tìm sự phân bố nồng độ chất trong dòng chảy theo thời gian Quá trình thủy lực và truyền chất là một và giải đồng thời 3 phương trình vi phân đạo hàm riêng Tuy nhiên, để đơn giản hóa bài toán thủy lực – lan truyền, thông thường ta xem quá trình lan truyền chất là hệ quả và bỏ qua các tác động của nó tới quá trình thủy lực Đây chính là cơ sở cho việc phân tách quá trình lan truyền chất trong hệ thống sông kênh thành hai quá trình riêng biệt là quá trình thủy lực và quá trình lan truyền chất Trong đó bài toán thủy lực giải quyết việc xác định các đặc trưng về dòng chảy (lưu lượng, vận tốc, mực nước) và bài toán truyền chất giải trên nền nghiệm của bài toán thủy lực để xác định giá trị nồng độ trung bình mặt cắt chất hòa tan của dòng chảy
Trong bài toán lan truyền chất một chiều, phương trình truyền chất là cơ sở để mô tả quá trình lan truyền khi có xáo trộn Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng để giải phương trình truyền chất này.
Phương pháp phân rã cho phép chia phương trình truyền chất thành hai quá trình chính: truyền tải và khuếch tán Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là giúp đơn giản hóa việc giải quyết bài toán truyền chất.
Phương pháp đường đặc trưng biến bài toán giải phương trình lan truyền thành bài toán giải hệ phương trình vi phân toàn phần trên các đường đặc trưng trong không gian và thời gian Trên những đường cong này, phương trình đạo hàm riêng chuyển thành phương trình vi phân toàn phần Tuy nhiên, để đạt được điều này, cần đặt ra một số điều kiện, điều này đã làm cho phương pháp đường đặc trưng không mang lại kết quả thực tế.
Phương pháp sai phân hữu hạn là một trong những phương pháp số hiệu quả để giải các phương trình lan truyền Nguyên tắc của nó là sai phân phương trình đạo hàm riêng trên lưới tọa độ x – t, trong đó x đại diện cho trục khoảng cách và t cho trục thời gian.
Một số mô hình tính toán thủy lực và lan truyền mặn trong và ngoài nước:
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - KINH TẾ - XÃ HỘI
Điều kiện kinh tế - xã hội
Hội An, một đô thị nhỏ thuộc tỉnh Quảng Nam, đã ghi nhận mức tăng trưởng kinh tế trung bình 11,5% trong giai đoạn 2004-2010, vượt xa mức tăng trưởng chung của cả nước Tỷ trọng du lịch và dịch vụ thương mại đã tăng nhanh từ 50,5% năm 2003 lên 59,7% năm 2010, trong khi nông nghiệp giảm từ 5% xuống gần 3% trong cùng thời gian Mặc dù nông nghiệp đang giảm, ngư nghiệp vẫn chiếm tỷ trọng cao với 11,8% vào năm 2010.
Biểu đồ 1.1: Cơ cấu kinh tế Hội An năm 2003 – 2010
(Nguồn: Niên giám Thống kê Hội An, 2012)
Thống kê của Thành phố Hội An cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong đời sống kinh tế - xã hội giữa các xã phường Mặc dù chỉ 12% hộ gia đình có hoạt động nông nghiệp, tỷ lệ này cao hơn ở các xã như Cẩm Kim (25,5%), Cẩm Hà (37,7%) và Cẩm Châu (24,8%) Ngành công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp đóng góp khoảng 19% vào tổng giá trị gia tăng của thành phố, nhưng phân bổ không đồng đều Sản lượng công nghiệp bình quân đầu người giữa phường Sơn Phong và xã Tân Hiệp chênh lệch tới 15 lần Toàn thành phố chỉ có 10,7% lực lượng lao động làm việc trong lĩnh vực này, với phường Minh An có tỷ lệ cao nhất (19%) và phường Cửa Đại cùng Cẩm Châu thấp nhất (4,8%) Thanh Hà dẫn đầu về giá trị sản xuất công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp, chiếm hơn 20% tổng giá trị sản xuất, trong khi Cửa Đại có hoạt động này thấp nhất (1%).
Ngành kinh tế thương mại và du lịch đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế của thành phố, nhờ vào tiềm năng của một thành phố di sản và khu dự trữ sinh quyển thế giới.
Cù Lao Chàm nổi tiếng với những bãi biển đẹp như Cửa Đại và An Bàng, cùng với 1350 di tích văn hóa vật thể từ thế kỷ XVII vẫn được bảo tồn nguyên vẹn Di sản văn hóa phi vật thể phong phú, bao gồm các loại hình biểu diễn dân gian và lễ hội truyền thống, được thành phố kết hợp vào các sản phẩm du lịch, như khai thác phố cổ ban đêm và xây dựng các tuyến phố đi bộ thu hút du khách Các làng nghề lâu đời như gốm Thanh Hà, làng mộc Kim Bồng, làng rau Trà Quế và làng chài Thanh Nam, cùng với cảnh quan độc đáo của Rừng dừa Bảy Mẫu và cánh đồng Cẩm Châu, tạo nên những điểm du lịch sinh thái hấp dẫn Ngành du lịch đã mang lại nhiều cơ hội việc làm và thay đổi các doanh nghiệp địa phương.
Hình 1.3: Bản đồ du lịch Hội An
(Nguồn: Đ i ọ Quố Gia Hà Nội và UN-HABITAT, 2013)
Thành phố Hội An được phát triển theo mô hình đô thị sinh thái, văn hóa và du lịch, với các khu dân cư nông thôn ổn định và mới tại xã Cẩm Thanh, Cẩm Hà và Cẩm Kim Đặc biệt, xã Cẩm Thanh có khu bảo tồn làng quê truyền thống gắn liền với vùng ngập nước cửa sông Thu Bồn, nổi bật với kiến trúc nhà vườn, biệt thự và nhà ba gian truyền thống.
Hạ tầng kỹ thuật đã được đầu tư mới và nâng cấp đáng kể, với hơn 20 km tuyến đường cũ và 30 km tuyến mới được trải bê tông nhựa Thêm 39 km đường nông thôn cũng được trải bê tông xi măng, giúp kết nối cơ bản các tuyến đường trọng điểm giữa nông thôn và nội thành Giao thông đường thủy cũng được chú trọng, đặc biệt là tuyến Hội An.
- Cù Lao Chàm đã có các phương tiện tàu cao tốc
Bảng 1.1: Dân số thành phố Hội An qua các năm (2005 – 2009)
(Nguồn: Niên giám thống kê thành phố Hội An, 2009)
Bảng 1.1 thể hiện số liệu dân số của thành phố Hội An từ năm 2005 đến năm
2009, trong giai đoạn này dân số tăng đều qua các năm, năm 2005-2006 tăng nhanh hơn các năm còn lại (tăng 173.000 người), còn giai đoạn từ 2008-2009 chỉ tăng 448 người
Bảng 1.2: Đơn vị hành chính, diện tích và dân số thành phố Hội An năm 2009
TT Phường/xã Số thôn, khu phố
Diện tích (km 2 ) Dân số Mật độ dân số
(Nguồn: Ủy ban nhân dân thành phố Hội An, 2009)
Năm 2009, Hội An có 9 phường và 4 xã, với tổng dân số 90,150 người Phường Thanh Hà là phường lớn nhất về diện tích và dân số, với 6,406 km² và 11,246 người Đặc biệt, phường Minh Anh có diện tích nhỏ nhưng lại có mật độ dân số cao nhất thành phố, đạt 10,270 người/km².
Bảng 1.3: Tốc độ tăng dân số của thành phố Hội An
Năm Dân số Khách du lịch
Tổng số người ưu trú
Mật độ dân số (Người/km 2 )
(Nguồn: Ủy ban nhân dân thành phố Hội An, 2009)
Theo dự án xây dựng thành phố sinh thái Hội An năm 2009, dân số dự kiến sẽ đạt 92,873 người vào năm 2015, 97,610 người vào năm 2020 và 102,577 người vào năm 2025 Trong khoảng thời gian 15 năm từ 2009 đến 2025, Hội An dự báo sẽ tăng thêm 12,427 người, với mật độ dân số tăng 404 người/km².
Vấn đề cấp nước sinh hoạt tại thành phố Hội An
Bảng 1.4: Số liệu về tình hình cấp nước tại TP Hội An
STT Chỉ tiêu Đơn vị Năm
1 Tổng dân số TP Hội
2 Số dân được cấp nước Người 19.865 21.862 23.549
4 Tổng số đấu nối Khách hàng 4.425 4.927 5.323
5 Tổng lượng nước xuất xưởng m 3 1.974.17
6 Tổng lượng nước tiêu thụ m 3 1.457.22
7 Lượng nước trung bình cho sinh hoạt l/người.ngày 105 99 96
8 Tỉ lệ cấp nước cho công nghiệp, dịch vụ
9 Tỉ lệ cấp nước cho nhu cầu khác (% lượng nước sinh hoạt)
10 Tỉ lệ cấp nước cho nhu cầu công cộng, công viên (% lượng nước sinh hoạt)
11 Tỉ lệ hao hụt thất thoát, rò rỉ (% lượng nước tiêu thụ) % 26,2 25,97 28,8
(Nguồn: Xí nghiệp cấp thoát nước TP Hội An, 2012)
Theo số liệu từ thành phố Hội An, tỷ lệ cấp nước cho người dân đạt 25,9% vào năm 2012, tăng 3,6% so với năm 2010 Tuy nhiên, lượng nước sinh hoạt trung bình giảm từ 105 l/người/ngày năm 2010 xuống 96 l/người/ngày năm 2012, chủ yếu do dân số và nhu cầu sử dụng nước tăng, trong khi hạ tầng cấp nước không đáp ứng đủ Theo tiêu chuẩn cấp nước đô thị loại III của Bộ Xây dựng, mức nước cần thiết là 120 l/người/ngày vào năm 2010 và 150 l/người/ngày vào năm 2020 Do đó, nước sinh hoạt hiện tại vẫn chưa đạt tiêu chuẩn đô thị loại III.
Trong mùa kiệt, nguồn nước trở nên khan hiếm do xâm nhập mặn, làm nhiễm mặn nước mặt của hệ thống sông trong thành phố Theo bảng 1.5, độ mặn trung bình tại trạm Hội An từ ngày 28/4 đến 30/4 trong giai đoạn 2009-2011 cho thấy sự gia tăng rõ rệt, với độ mặn tăng từ 12,2 g/l năm 2009 lên 14 g/l năm 2011, tương ứng với mức tăng 2,2 g/l.
Bảng 1.5: Độ mặn trung bình tại trạm Hội An từ 28/4-30/4 năm 2009, 2010, 2011
Trạm Hội An 2009 2010 2011 Độ mặn (g/l) 12,2 13,4 14
Vào ngày 3/2/2005, UBND tỉnh Quảng Nam đã phê duyệt dự án nâng cấp và mở rộng nhà máy nước Hội An từ 6.000 m³/ngày đêm lên 21.000 m³/ngày đêm với tổng mức đầu tư 6,511 triệu USD, nhằm giải quyết vấn đề nước sinh hoạt cho thành phố Hội An Dự án sử dụng nguồn nước mặt từ sông Vĩnh Điện, với nước thô được dẫn về nhà máy qua đường ống D500 HDPE dài 11,13 km Nhà máy nước Hội An đã chính thức được khánh thành và đưa vào sử dụng vào ngày 12/5/2014.
Hình 1.4: Bản đồ dự kiến mạng lưới cấp nước sạch Hội An đến năm 2020
(N uồn: Đ i ọ Quố Gia Hà Nội và UN-HABITAT, 2013)
Theo bản đồ dự kiến mạng lưới cấp nước sạch ở thành phố Hội An đến năm
Đến năm 2020, hệ thống quy hoạch cấp nước cấp II sẽ được triển khai trên toàn bộ thành phố Hội An, bao gồm cả các phường ven biển như Cửa Đại, Cẩm Thanh và Cẩm An Trong khi đó, hệ thống quy hoạch cấp nước cấp I sẽ chỉ được đầu tư cho các phường trung tâm như Sơn Phong và Cẩm Châu.
Công trình khai thác nguồn nước
Bảng 1.6: Các hồ thủy điện lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn
Tên hồ thủ điện Công uất định mức (MW) Qtb (m 3 /s)
Theo tài liệu của công ty tư vấn Xây dựng Điện 3, hồ thủy điện sông Tranh 2 có lưu lượng trung bình 114 m³/s, ảnh hưởng lớn đến nguồn nước hạ lưu, đặc biệt là thành phố Hội An Do đó, chương đề xuất giải pháp sẽ tập trung vào việc sử dụng nguồn xả từ hồ thủy điện này để giảm thiểu tình trạng xâm nhập mặn trong mùa kiệt.
Hồ thủy điện Sông Tranh 2, khởi công năm 2006 và đi vào hoạt động năm 2010, có diện tích mặt nước 1.100 km², chiều cao 72 m và dài 610 m Công trình cấp II này có đặc trưng thủy văn với lưu lượng Q₀ đạt 109,2 m³/s và dung tích Wo là 2.917 triệu m³ Nước từ hồ chứa được dẫn qua đường hầm dài 190 m xuống nhà máy ở độ cao khoảng 70 m, tạo ra cột nước phát điện khoảng 90 m, cho công suất 135 MW và sản lượng điện hàng năm đạt 497,38 triệu kWh.
Vấn đề xâm nhập mặn ở TP Hội An
Trong khuôn khổ dự án ICI – SEA, Viện Công Nghệ Châu Á (AIT) phối hợp với Khoa Môi trường thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã tổ chức hội thảo nhằm nhận diện các rủi ro và xây dựng kế hoạch ứng phó hiệu quả.
Hội thảo "Biến đổi khí hậu đến hoạt động cấp nước và vệ sinh môi trường tại TP Hội An" được tổ chức vào ngày 09/08/2013, với sự tham gia của lãnh đạo các ban ngành có thẩm quyền liên quan đến việc xây dựng kế hoạch ứng phó với biến đổi khí hậu tại địa phương Mục đích của hội thảo là nhằm thảo luận và đưa ra giải pháp cho các vấn đề cấp nước và vệ sinh môi trường trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang diễn ra.
- Xác định các rủi ro tiềm năng ảnh hưởng của BĐKH đến các cơ sở hạ tầng cấp nước tại thành phố Hội An
- Định hướng các giải pháp ứng phó BĐKH đối với hoạt động cấp nước tại địa bàn Hội An trong tương lai
Biểu đồ 1.2: Các tác động do biến đổi khí hậu xảy ra ở TP Hội An
Biểu đồ 1.2 cho thấy mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tại thành phố Hội An, trong đó lũ lụt chiếm 30% và nhiễm mặn chiếm 22%, là hai tác động chính gây ảnh hưởng rộng rãi nhất.
Biểu đồ 1.3: Ảnh hưởng của nhiễm mặn đối với các thành phần kinh tế - xã hội ở TP Hội An
Biểu đồ 1.3 cho thấy tác động của nhiễm mặn đến các thành phần kinh tế - xã hội, với ảnh hưởng lớn nhất là đối với nông nghiệp (25%) và nuôi trồng thủy hải sản (23%) Các xã Cẩm Thanh, Cẩm Kim, Cẩm Châu và Cửa Đại chịu ảnh hưởng nặng nề từ hiện tượng xâm nhập mặn này.
Các xã phường ven biển đang chịu ảnh hưởng nặng nề từ tình trạng nhiễm mặn, chủ yếu do hoạt động sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy hải sản tại khu vực này.
GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE 11
Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 11
Mike 11 là sản phẩm phần mềm kỹ thuật chuyên môn được phát triển bởi các chuyên gia thuộc Viện kỹ thuật Tài nguyên nước và Môi trường Đan Mạch (DHI Water & Environment) Đây là phần mềm chuyên môn mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới…
Mike 11 dựa trên giao diện của Mike Zero bao gồm: giao diện người dùng, đồ họa tích hợp trong Windows Đây là công cụ lập mô hình động lực một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho hệ thống sông và kênh dẫn đơn giản hay phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, mô hình 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
Module thủy động lực (HD: Hydrodynamic) là thành phần chính trong hệ thống mô hình Mike 11, đóng vai trò quan trọng cho nhiều module khác như dự báo lũ (FF: Flood Forecast), truyền tải (AD: Advection-Dispersion), chất lượng nước (ECOLab), và module vận chuyển bùn cát không kết dính (ST: Sediment Transport).
2.2 Cơ ở lý thuyết mô hình Mike 11
2.2.1 Cơ ở lý thuyết cho bài toán thủy l c
- Hệ phương trình cơ bản
Mike 11 mô tả quá trình động lực học dọc theo chiều dài dòng chảy với sự kết hợp giữa phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint – Venant), với một số giả thuyết cơ bản sau:
Nước là chất lỏng đồng nhất và không nén được (khối lượng riêng của nước
Độ dốc đáy dọc theo chiều dài dòng chảy là nhỏ;
Chiều dài bước sóng lớn hơn độ sâu mực nước, cho phép mặt thoáng dòng chảy được xem như song song với đáy Điều này dẫn đến việc gia tốc dòng chảy theo chiều thẳng đứng có thể bỏ qua, và áp suất phân bố theo quy luật thủy tĩnh trên mặt cắt ngang.
Vật chất hòa tan được xáo trộn đều
Từ các giả thuyết trên, ta tiến hành giải hệ phương trình Saint – Venant với các biến Q(x,t) và h(x,t):
Trong phương trình (2.2), giả thuyết rằng dòng nhập bên trực giao với dòng chính nên trong phương trình động lượng mới triệt tiêu thành phần uqq
A: diện tích mặt cắt ướt (m 2 )
B: bề rộng mặt thoáng (m) n: hệ số nhám q: lưu lượng dòng nhập bên (m 3 /m/s) h: độ sâu dòng chảy (m)
: hệ số hiệu chỉnh động năng
- Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Điều kiện ban đầu: là điều kiện về lưu lượng và mực nước tại tất cả các mặt cắt ở thời điểm t = 0
Điều kiện biên là các yếu tố liên quan đến lưu lượng hoặc mực nước tại những vị trí biên Những điều kiện này có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng đến sự biến động của lưu lượng và mực nước.
Hệ phương trình Saint – Venant được sai phân trên lưới tính gồm những điểm
Lưu lượng Q và mực nước h được tính xen kẽ tại mỗi bước thời gian, như mô tả trong hình 2.1 Lưới tính sẽ tự động được tạo ra theo yêu cầu của người sử dụng, với khoảng cách giữa các điểm h có thể khác nhau Các điểm h này được xác định tại vị trí trùng với các cross-section trên mạng lưới đã được tạo Sơ đồ lưới tính sử dụng mô hình ẩn 6 điểm Abbott – Ionescu.
Hình 2.1: Lưới tính trên 1 đoạn kênh
Hình 2.2: Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm Abbott – Ionescu
- Các điều kiện ổn định của mô hình
Trong MIKE 11, không thể áp dụng một định luật tổng quát để xác định các tham số x và t cho mọi trường hợp, mà cần dựa vào giả thuyết về sự biến thiên tuyến tính của các biến số giữa các khoảng thời gian và điểm lưới Điều này đòi hỏi mỗi tiêu chuẩn cho x phải đủ lớn và t phải đủ nhỏ để có thể giải quyết các biến thời gian và không gian một cách chính xác Ví dụ, để mô tả sự biến thiên của thủy triều, khoảng thời gian cần thiết là từ 10 đến 30 phút nhằm đảm bảo mô tả đúng toàn bộ chu trình thủy triều Tương tự, sự thay đổi nhanh chóng về hình học của sông ngòi yêu cầu khoảng không gian nhỏ để có thể chính xác mô tả địa hình.
t t x h Q h Q h Q h cách chính xác Để mô hình mang tính ổn định và chính xác thì phải hoàn tất các điều kiện sau:
Địa hình và số liệu: Địa hình và số liệu phải đồng bộ, tốt nhất là cùng một thời gian đo đạc
Tiêu chuẩn Courant (Cr) là một hướng dẫn quan trọng trong việc xác định thời gian đồng bộ để đảm bảo các điều kiện tính toán được thỏa mãn Các giá trị Courant thường được chọn trong khoảng từ 10 đến 15, mặc dù có thể sử dụng những giá trị lớn hơn tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán.
Tốc độ của sự nhiễu loạn (sóng) nhỏ tại khu vực nước nông (nơi có độ sâu thấp) là yếu tố quan trọng Tuy nhiên, giả thiết này khó có thể thỏa mãn đối với sông và lòng dẫn, vì tại những khu vực này, tốc độ sóng thường rất nhỏ.
Tiêu chuẩn Courant được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu về sông và lòng dẫn, với hệ số Courant phản ánh số lượng điểm lưới trong một bước sóng Khi có một nhiễu loạn nhỏ phát sinh, nó sẽ di chuyển qua một khoảng thời gian nhất định.
Tiêu chuẩn lưu tốc quy định rằng khoảng thời gian t cần phải đủ chính xác để báo cáo sóng, với thời gian mô phỏng thủy triều khoảng 30 phút Điều này có thể giới hạn thời gian t trong trường hợp các mặt cắt ngang dao động nhanh Để đảm bảo không bị chuyển dời quá một điểm lưới trong mỗi khoảng thời gian, việc lựa chọn các giá trị x và t là rất quan trọng.
2.2.2 Cơ ở lý thuyết cho bài toán lan truyền
Là phương trình lan truyền chất 1 chiều dạng bảo toàn: q C x AKC
C : nồng độ chất (Kg/m 3 hay g/l)
A : diện tích mặt cắt ướt (m 2 )
K : hằng số phân rã (được chọn tuyến tính) (1/s)
C 2 : nồng độ nguồn bổ sung (kg/m 3 hay g/l) q : lưu lượng nhập bên (m 3 /m/s)
Phương trình (2.3) thể hiện 2 cơ chế vận chuyển:
Sự đối lưu dòng chảy chính : cơ chế truyền tải
Sự khuếch tán do chênh lệch nồng độ: cơ chế khuếch tán
Những giả thuyết chính của phương trình là:
+ Vật chất được xáo trộn hoàn toàn trong một mặt cắt, nghĩa là nguồn sẽ được trộn đều trên mặt cắt ngay lập tức
+ Chất hòa tan sẽ được bảo toàn hoặc phân rã bậc 1 Áp dụng định luật Fick, nghĩa là sự phân tán của vật chất tỷ lệ với hàm lượng
- Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Biên lỏng (thường cho dòng ra): 2 0
C bf out bf mim Trong đó Cbf : Hàm lượng tại biên lỏng
C out : Hàm lượng tại biên giới hạn ngay lúc hoán đổi dòng ra và dòng vào
K min : Thang giờ kết hợp với hỗn hợp trong nước tiếp nhận t min : Thời gian từ lúc thay đổi dòng chảy
Phương trình truyền chất được giải bằng sơ đồ sai phân ẩn, giúp giảm thiểu hệ số khuếch tán số và đảm bảo tính bảo toàn chất Sơ đồ này được xây dựng dựa trên việc phân tích lượng chất vào và ra trong ô trữ xung quanh điểm lưới j, với các biên là đáy sông, mặt nước tự do, và vị trí tại hai mặt cắt j-1/2 và j+1/2.
Hình 2.3: Ranh giới ô lưu trữ
- Các tiêu chuẩn ổn định của mô hình
Tính ổn định trong sơ đồ giải của mô hình đối lưu khuếch tán phụ thuộc vào hệ số Pelect: 2
x: Khoảng cách giữa 2 điểm tính toán (m) D: Hệ số phân tán (m 2 /s)
Trong tính toán truyền chất, cần giảm bước thời gian Δt xuống còn một nửa so với bước thời gian tính toán thủy lực Điều này giúp đảm bảo rằng quá trình tính toán thủy lực không bị giới hạn bởi điều kiện lưu tốc.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Mô hình MIKE 11 HD&AD được hiệu chỉnh qua hai bước dựa trên dữ liệu thủy văn và nồng độ mặn, bằng cách điều chỉnh các thông số trong mô hình, chủ yếu là hệ số nhám Manning trong module HD và hệ số khuếch tán trong module AD, cho đến khi kết quả mô hình phù hợp với số liệu thực đo.
Kiểm định mô hình là bước thiết yếu để xác nhận độ tin cậy của các tham số trong mô hình mô phỏng, đảm bảo tính chính xác cho cả giai đoạn mô phỏng và hiệu chỉnh Để đánh giá hiệu quả của quá trình này, cần so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực đo từ các trạm thủy văn bằng hệ số Nash – Sutcliffe.
Q sim,i : lưu lượng mô phỏng tại thời gian i
Q obs,i : lưu lượng thực đo tại thời gian i
: lưu lượng trung bình thực đo
Theo WMO (World Meteorological Organization), tiêu chuẩn đánh giá như sau:
Bảng 3.2: Tiêu chuẩn đánh giá theo hệ số Nash – Sutcliffe
NSE 0.5 – 0.7 0.7 – 9 0.9 – 1 Đánh giá Đạt Khá Tốt
Điều kiện biên điều kiện ban đầu và hệ số nhám
Điều kiện biên: Gồm 2 biên lưu lượng và 4 biên mực nước
(1) Biên lưu lượng : Trạm Nông Sơn, Thành Mỹ
(2) Biên mực nước: Trạm Hội An, Tam K
Biên mực nước được thiết lập gần cửa biển, tuy nhiên, do không có trạm đo thủy văn tại các vị trí này, nên dữ liệu thực đo sẽ được lấy từ trạm gần nhất là trạm Hội An và Tam K Do đó, số liệu thực đo tại hai trạm Hội An và Tam K sẽ được sử dụng để tham khảo.
K được sử dụng để biên mực nước và hiệu chỉnh mô hình Trong quá trình hiệu chỉnh, tác giả tính toán lệch pha cho dữ liệu tại hai trạm này, điều chỉnh hai bước thời gian để đảm bảo tính chính xác với thực tế.
+ Giá trị mực nước ở thời điểm bắt đầu tính cho toàn mạng sông là 0
+ Bước thời gian (∆t) tính là 3 phút để thấy được sự thay đổi của mực nước hay lưu lượng theo giờ và đảm bảo cho mô hình chạy ổn định
Hệ số nhám của mạng sông thường tăng dần từ biển lên thượng nguồn, với lý thuyết cho rằng hệ số nhám (n) ở sông, kênh dao động trong khoảng 0.01-0.1 Tuy nhiên, tại đoạn sông Bàu Câu và Ba Ren, do địa hình dốc cao và nhiều đoạn uốn khúc, hệ số nhám thực tế được thiết lập cho khu vực này cao hơn, dao động từ 0.032-0.055.
+ Hệ số nhám chung cho toàn hệ thống sông là 0.033
+ Hệ số nhám thiết lập riêng cho từng đoạn sông từ 0.007 đến 0.055
Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy l c
Hiệu chỉnh mô hình thủy l c
Hình 3.4 đến 3.6 trình bày kết quả hiệu chỉnh mực nước tại các trạm Hội An, Câu Lâu và Tam K, với đường màu đỏ thể hiện mực nước mô phỏng và đường màu xanh là mực nước thực đo Trong mùa khô, mực nước tại các trạm này tương đối thấp, dao động từ -0,5 m đến 0,6 m, với hai lần triều lên và hai lần triều xuống mỗi ngày.
Hình 3.4: Mực nước thực đo và mô phỏng tại trạm Hội An năm 2011
Hình 3.5: Mực nước thực đo và mô phỏng tại trạm Câu Lâu năm 2011
Hình 3.6: Mực nước thực đo và mô phỏng tại trạm Tam K năm 2011
Kiểm định mô hình thủy l c
Nghiên cứu này thực hiện kiểm định mô hình thủy lực vào tháng 3 năm 2009, với kết quả thể hiện qua hình 3.7 và hình 3.8 Tại trạm Hội An, mực nước dao động từ -0,8 m đến 0,5 m, trong khi tại trạm Tam K, mực nước thấp hơn, chỉ từ -0,8 m đến 0,2 m Đường màu đỏ trên các hình ảnh biểu thị mực nước mô phỏng, còn đường màu xanh là mực nước thực đo.
Hình 3.7: Kiểm định mực nước tại trạm Hội An năm 2009
Hình 3.8: Kiểm định mực nước tại trạm Tam K năm 2009
Bảng 3.3: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực
Trạm Hội An Câu Lâu Tam K
Hiệu chỉnh (năm 2011) 0.966 (Tốt) 0.884 (Khá) 0.978 (Tốt)
Kiểm định (năm 2009) 0.968 (Tốt) - 0.934 (Tốt)
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mực nước tại các trạm Hội An, Câu Lâu, và Tam K cho thấy hệ số hiệu quả mô hình NSE đạt trên 0.8, phản ánh sự phù hợp giữa giá trị mô phỏng và thực đo Điều này chứng tỏ mô hình thủy động lực học MIKE 11HD có độ tin cậy cao trong việc tính toán và dự báo dòng chảy cho khu vực TP Hội An, đặc biệt là trong mùa kiệt.
3.3.2 Mô hình lan uyền mặn Đối với mô phỏng lan truyền mặn, việc hiệu chỉnh phức tạp hơn so với mô hình thủy động lực vì tài liệu thực đo mặn không liên tục và đôi khi không đảm bảo tính đặc trưng do công tác lấy mẫu còn hạn chế trong khi mặn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố thời tiết, các công trình khai thác và xả thải vào nguồn nước, v.v… Ngoài ra, hệ thống sông, kênh rạch hạ lưu hệ thống sông VG-TB rất phức tạp nên việc xác định chính xác giá trị của hệ số tải khuếch tán cho từng đoạn sông cụ thể gặp nhiều khó khăn
Điều kiện biên và hệ số khuyếch tán
Điều kiện biên: Biên mặn tại trạm Hội An, Tam K với dữ liệu thực đo từ 03/03/2011 đến 28/04/2011 Tại vị trí biên lưu lượng, độ mặn bằng 0
Bước thời gian ban đầu được thiết lập là 2 phút, với điều kiện mô hình thủy lực Tuy nhiên, trong mô hình lan truyền mặn, bước thời gian này được giảm khoảng một nửa để hạn chế ảnh hưởng của lưu tốc.
Hệ số khuyếch tán chung cho toàn bộ hệ thống sông được xác định là 150 m²/s Tuy nhiên, để đảm bảo tính chính xác, hệ số này sẽ được điều chỉnh dựa trên kết quả mô phỏng tại từng vị trí cụ thể, với các giá trị điều chỉnh dao động từ 0 đến 20 Việc hiệu chỉnh chủ yếu diễn ra tại các vị trí gần trạm Câu Lâu.
Hệ số khuyếch tán D = 150 m²/s được cho là quá cao so với giá trị thực tế, vì hệ số khuyếch tán của sông thường dao động từ 5 - 25 m²/s Nguyên nhân chính là do khoảng cách giữa hai mặt cắt - dx trong nhiều đoạn tính toán là khá lớn.
Hiệu chỉnh mô hình lan truyền mặn
Nghiên cứu này đã điều chỉnh mô hình xâm nhập mặn dựa trên dữ liệu nồng độ mặn thu thập tại trạm Hội An và Tam K trong tháng 3 và 4 năm 2011, đồng thời kiểm định tại trạm Hội An vào tháng 3 năm 2009 Kết quả so sánh giữa nồng độ mặn mô phỏng và số liệu thực đo cho thấy mô hình phù hợp cả về trị số lẫn xu thế tại các vị trí điều chỉnh, như thể hiện trong hình 3.9 đến hình 3.11.
Hình 3.9: Độ mặn thực đo và mô phỏng tại trạm Tam K năm 2011
Hình 3.10: Độ mặn thực đo và mô phỏng tại trạm Hội An năm 2011
Kiểm định mô hình lan truyền mặn
Hình 3.11: Kiểm định mặn tại trạm Hội An năm 2009 Bảng 3.4: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mặn
Hiệu chỉnh (năm 2011) 0.749 (Tốt) 0.713 (Khá)
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định độ mặn được trình bày trong bảng 3.4, với chỉ tiêu đánh giá hiệu quả mô hình dựa trên hệ số NSE (Nash và Sutcliffe, 1970) tại các trạm.
Mô hình lan truyền mặn MIKE 11AD đã được kiểm định và hiệu chỉnh tại Hội An và sông Tam K, cho thấy kết quả đạt yêu cầu, phản ánh chính xác sự phù hợp giữa giá trị mô phỏng và thực đo theo không gian và thời gian Điều này khẳng định độ tin cậy của mô hình trong việc tính toán và dự báo xâm nhập mặn dưới các kịch bản và bài toán khác nhau, đặc biệt là trong mùa kiệt.
Kịch bản Biến đổi khí hậu
Nghiên cứu của Bộ Tài nguyên Môi trường và Viện Khí tượng Thủy văn Môi trường chỉ ra rằng trong tương lai, mực nước biển có xu hướng tăng trong khi lưu lượng thượng nguồn giảm Tuy nhiên, các phương pháp dự báo của hai đơn vị này không đồng nhất; Bộ Tài nguyên Môi trường chỉ tập trung vào mực nước biển dâng, trong khi Viện Khí tượng Thủy văn Môi trường lại chú trọng đến mô phỏng lưu lượng dòng chảy thượng nguồn, dẫn đến việc thiếu cơ sở chung để kết hợp các kịch bản Vì vậy, nghiên cứu này sẽ chỉ đánh giá độ nhạy ban đầu khi có sự thay đổi về mực nước biển và lưu lượng thượng nguồn.
- Kịch bản A 0 : kịch bản hiện trạng xâm nhập mặn hệ thống sông VG-TB trong mùa khô (tháng 3 - 4) năm 2011
- Kịch bản A 1 : kịch bản có xét đến tác động nước biển dâng
Mô phỏng xâm nhập mặn dưới tác động của biến đổi khí hậu được thực hiện với các kịch bản mực nước biển tăng 10 cm, 20 cm và 30 cm Các thông số mô hình được thiết lập theo kịch bản hiện trạng A0.
- Kịch bản A 2 : kịch bản có xét đến tác động lưu lượng thượng nguồn giảm
Mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn dưới tác động của biến đổi khí hậu cho thấy ảnh hưởng rõ rệt khi lưu lượng giảm 5%, 10% và 15% Các thông số mô hình được thiết lập theo kịch bản hiện trạng A0, giúp phân tích sự thay đổi và dự đoán các tác động trong tương lai.
- Kịch bản A 3 : kịch bản có xét đến tác động mực nước biển tăng và lưu lượng thượng nguồn giảm
Mô phỏng diễn biến xâm nhập mặn dưới tác động của biến đổi khí hậu cho thấy trong kịch bản cực đoan với mực nước biển tăng 30 cm và lưu lượng giảm 15%, các thông số mô hình được thiết lập theo kịch bản hiện trạng A0.
Kết quả mô phỏng lan truyền mặn
Nghiên cứu cho thấy giá trị mặn trung bình trong mùa kiệt (tháng 3, tháng 4 năm 2011) cho cả kịch bản hiện trạng và kịch bản dưới tác động của biến đổi khí hậu Các ngưỡng mặn được xem xét bao gồm: ngưỡng 0,25g/l là nồng độ mặn tiêu chuẩn cho cấp nước sinh hoạt tại Việt Nam; ngưỡng 4g/l có thể sử dụng cho cấp nước sinh hoạt với công nghệ xử lý phù hợp; và ngưỡng 6g/l là giới hạn cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2008).
Tính trung bình vào tháng 3,4 trong năm hiện trạng, vị trí các ranh giới mặn như sau:
- Ranh giới mặn 0,25g/l - 4g/l xâm nhập vượt qua Hồ Lai Nghi và nhà máy nước Hội An 2,2 km, và xâm nhập sâu vào sông Vĩnh Điện 8 km
- Ranh giới mặn 4g/l - 6g/l xâm nhập từ cửa Đại vào đến địa phận thành phố
- Ranh giới mặn 6 g/l trở lên xâm nhập từ cửa Đại vào đến địa phận thành phố
Hình 3.12: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 0 tháng 3, tháng 4
Chế độ bán nhật triều gây ra hiện tượng có 2 lần triều lên và 2 lần triều xuống mỗi ngày, dẫn đến sự xuất hiện của 2 đỉnh mặn và chân mặn Đỉnh mặn lớn nhất trong tháng thường xảy ra vào các đợt triều cường, trong khi vào các đợt triều kém, đỉnh mặn tại các trạm sẽ có giá trị thấp Ví dụ, tại Hội An vào ngày 22/3/2011, đỉnh mặn đạt 9,181 g/l, trong khi tại Tam K vào ngày 14/03/2011, đỉnh mặn chỉ đạt 0,257 g/l.
Bảng 3.5: Độ mặn mô phỏng lớn nhất tại trạm Hội An và Tam K
Tên trạm Tên sông Đỉnh mặn Smax(g/l) Trung bình (g/l)
Theo thống kê của Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ, độ mặn cao nhất năm 2011 tại trạm Hội An ghi nhận là 9,4 g/l vào ngày 22/3, trong khi tại Tam K là 0,2 g/l vào ngày 14/3 So sánh giữa số liệu mô phỏng và thực đo cho thấy sự phù hợp với phân bố các ranh giới mặn trong kịch bản hiện trạng Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn phản ánh chính xác thực tế quan trắc mặn tại hạ lưu sông VG-TB.
Kết quả mô phỏng tình trạng xâm nhập mặn hạ lưu sông VG-TB cho thấy hầu hết diện tích thành phố Hội An bị ảnh hưởng bởi độ mặn từ 0,25 g/l trở lên, với các ngưỡng mặn 4 g/l và 6 g/l không chênh lệch nhau nhiều.
Hình 3.13: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 1 khi nước biển tăng 10cm
Hình 3.14: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 1 khi nước biển tăng 20cm
Hình 3.15: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 1 khi nước biển tăng 30cm Kịch bản A 1 mô phỏng xâm nhập mặn trong trường hợp mực nước biển tăng
Độ mặn xâm nhập ngày càng sâu tại sông Vĩnh Điện và sông Trường Giang, với mức độ mặn ở cửa Hàn (sông Vu Gia) và cửa Đại (sông Thu Bồn) vượt ngưỡng 6g/l Tại Hồ Lai Nghi, độ mặn dao động từ 0,25 g/l đến 4 g/l, cho phép sử dụng nước cho mục đích sinh hoạt nếu áp dụng công nghệ xử lý phù hợp.
Hình 3.16: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 2 khi lưu lượng giảm 5%
Hình 3.17: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 2 khi lưu lượng giảm 10%
Kịch bản A2 mô phỏng xâm nhập mặn khi lưu lượng thượng nguồn giảm 5%, 10% và 15% Ở sông Vĩnh Điện, độ mặn xâm nhập sâu hơn so với kịch bản A0, với ngưỡng mặn 0,25g/l - 4g/l tiến vào nội đồng thêm 0,8 km Tại các sông thuộc thành phố Hội An, ngưỡng mặn từ 4g/l - 6g/l cũng xâm nhập sâu vào nội đồng thêm 0,4 km.
Hình 3.19: Mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản A 3 khi mực nước biển tăng
Dự báo ranh giới mặn tháng 3 và 4 theo kịch bản A3 cho thấy biến đổi khí hậu đang làm gia tăng mức độ xâm nhập mặn trên sông Thu Bồn và sông Vĩnh Điện Độ mặn đã đạt ngưỡng từ 0,25 g/l đến 4 g/l, vượt qua hồ Lai Nghi và nhà máy nước Hội An tới 4,8 km, xâm nhập sâu vào nội đồng lên đến 15 km trên sông Vĩnh Điện.
Hình 3.12 đến 3.19 minh họa diễn biến xâm nhập mặn kịch bản A 0 , A 1 , A 2 ,
Trong kịch bản A3, nồng độ mặn tại sông Thu Bồn trong khoảng 0,25 g/l - 4 g/l đã xâm nhập sâu vào nội đồng, chỉ còn cách trạm bơm 3 km Hồ Lai Nghi có độ mặn dao động trong khoảng 0,25 g/l - 4 g/l, cho phép sử dụng nước từ tháng 10 đến tháng 12, và vào mùa khô (tháng 3, 4) cũng có thể sử dụng cho sinh hoạt nhưng cần công nghệ xử lý phù hợp Bảng 3.6 và 3.7 chỉ ra rằng nồng độ mặn tại trạm Hội An vào ngày 22/03/2011 có sự thay đổi qua các kịch bản A1, A2, A3 so với hiện trạng, với nồng độ mặn tăng 15% ở kịch bản A1 và 4% ở kịch bản A2, trong khi kịch bản A3 ghi nhận mức tăng cao nhất là 18% Những kết quả này cung cấp cái nhìn tổng quát về xu hướng xâm nhập mặn trong tương lai khi mực nước biển tăng và lưu lượng giảm.
Bảng 3.6: Nồng độ mặn (g/l) tại trạm Hội An thay đổi qua các kịch bản
Bảng 3.7: Nồng độ mặn thay đổi (%) tại trạm Hội An dưới tác động của BĐKH so với kịch bản A 0
Bảng 3.8 cho thấy chiều dài các ngưỡng mặn trên sông Thu Bồn từ cửa biển theo kịch bản hiện trạng và tác động của biến đổi khí hậu Dự báo cho thấy nước biển dâng sẽ đẩy ranh giới mặn vào sâu hơn từ 0,8 - 2,8 km Cụ thể, khi nước biển dâng 30 cm, ranh giới mặn 0,25g/l - 4g/l sẽ vào sâu hơn 1,2 km; khi lưu lượng giảm 15%, ranh giới này vào sâu hơn 0,8 km; và khi kết hợp cả hai yếu tố, ranh giới mặn sẽ vào sâu hơn 2,8 km Các ngưỡng mặn 4 g/l - 6g/l và 6 g/l trở lên ít thay đổi hơn so với ngưỡng mặn 0,25g/l.
Bảng 3.8: Khoảng cách xâm nhập mặn trên sông Thu Bồn tính từ cửa biển (km)