- ĐỘNG THÁI XÂM NHẬP MẶN TRÊN HỆ THỐNG SÔNG CHÍNH. - 2 Viện Nghiên cứu Biến đổi Khí hậu, Trường Đại học Cần Thơ. - Mô hình thủy lực một chiều, động thái dòng chảy, xâm nhập mặn, nước biển dâng, HEC-RAS, cống Ba Lai. - Xâm nhập mặn là hiện tượng tự nhiên xảy ra thường xuyên ở sông Tiền do vị trí địa lý tiếp giáp với biển Đông. - Trong những năm gần đây, cùng với việc chuyển đổi cơ cấu sản xuất (từ trồng lúa sang nuôi tôm chuyên canh hoặc bán thâm canh) ở vùng ven biển nhằm sử dụng hiệu quả vùng đất canh tác một cách tự phát đã làm cho tình trạng xâm nhập mặn càng trở nên phức tạp. - Trong nghiên cứu này, mô hình thủy lực một chiều (HEC-RAS) được sử dụng để xem xét động thái dòng chảy vùng hạ lưu sông Tiền dưới tác động của công trình cống Ba Lai đồng thời dự báo tình hình xâm nhập mặn với các kịch bản khác nhau về mực nước biển dâng và lưu lượng nước thượng nguồn giảm. - Kết quả mô phỏng thủy lực cho thấy cống Ba Lai chỉ làm thay đổi động thái dòng chảy trên sông Ba Lai và sông An Hóa mà ít làm ảnh hưởng đến động thái dòng chảy các nhánh sông khác. - Ngoài ra, với độ mặn 4 g/L trên sông Hàm Luông xâm nhập sâu hơn 25 km so với kịch bản gốc năm 2010. - Kết quả của nghiên cứu góp phần khẳng định khả năng ứng dụng mô hình toán vào công tác dự báo động thái dòng chảy và xâm nhập măn, phục vụ công tác quản lý và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt tại vùng ven biển Đồng bằng Sông Cửu Long.. - Xâm nhập mặn là hiện tượng tự nhiên xảy ra thường xuyên ở sông Tiền do vị trí địa lý tiếp giáp với biển Đông (Lê Sâm, 2007). - Cùng với việc chuyển đổi mạnh cơ cấu sản xuất từ trồng lúa sang nuôi tôm chuyên canh hoặc bán thâm canh ở vùng ven biển nhằm sử dụng hiệu quả vùng đất canh tác một cách tự phát đã làm cho tình trạng xâm nhập mặn càng trở nên phức tạp (Lê Sâm, 2007). - Vào mùa khô xâm nhập mặn là một vấn đề nan giải ở vùng ven biển ĐBSCL (Hung et al., 2001. - Khi xâm nhập mặn kéo dài sẽ ảnh hưởng đến đời sống kinh tế - xã hội (KTXH) như thiếu nước ngọt cho sản xuất nông nghiệp, nguồn cung cấp nước cho sinh hoạt, từ đó gây tổn hại đến hệ sinh thái nước ngọt và đe dọa đến đa dạng sinh học, ảnh hưởng tiêu cực đến sinh kế của người dân (Đặng Kiều Nhân et al., 2007). - Thêm vào đó, xâm nhập mặn còn ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm, theo một nghiên cứu của (Lê Anh Tuấn,. - 2003), thì hầu hết các lớp nước ngầm vùng ven biển đều bị nước mặn xâm nhập.. - Kết quả tất yếu của các tác động trên sẽ dẫn tới sự suy giảm lưu lượng nước từ thượng nguồn (Hoanh et al., 2003) và thiếu nước vào mùa khô từ tháng tư đến tháng năm hàng năm (Sunada, 2009). - Do đó, vấn đề được đặt ra là phải có giải pháp quản lý thích hợp cũng như việc nắm rõ động thái dòng chảy và biết được quy luật xâm nhập mặn của vùng, nhằm kiểm soát và giải quyết các vấn đề vệ sinh môi trường nước mặt sao cho phù hợp, đảm bảo được chất lượng nước sinh hoạt, sản xuất, tưới tiêu cho người dân nơi đây là rất cần thiết. - Trong nghiên cứu này mô hình thủy lực một chiều (HEC-RAS) được sử dụng để mô phỏng đặc tính thủy lực và động thái xâm nhập mặn vùng hạ lưu sông Tiền. - 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình HEC-RAS Mô hình HEC-RAS được xây dựng và phát triển nhằm mô phỏng thủy lực dòng chảy, chất lượng nước và sự thay đổi địa mạo đáy sông (HEC, 2010). - Ngoài ra, hệ số nhám thủy lực Manning’s n cũng được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình (công thức 2.3).. - Q: Lưu lượng (m 3 /s);. - 2.2 Các bước xây dựng mô hı̀nh. - Bước 1: Xây dựng mạng lưới sông vùng nghiên cứu.. - Dữ liệu thời gian được thu thập từ Trung tâm thủy văn sông Cửu Long và Trung tâm Quan trắc Môi trường tỉnh Bến Tre bao gồm các số liệu sẵn có về thủy lực: số liệu về lưu lượng và mực nước được đo theo giờ trong hai năm (năm 2010 và năm 2011) dùng để xác định điều kiện biên trên Q (t), biên dưới H (t), cũng như cung cấp bộ thông tin cần thiết để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.. - Bước 2: Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho mô hình.. - Do hạn chế về mặt số liệu nên nghiên cứu này chỉ thực hiện trong bốn tháng mùa khô (từ ngày đến ngày . - Dữ liệu thủy văn dùng làm điều kiện biên cho mô hình gồm có một biên lưu lượng tại Mỹ Thuận (biên trên) và 6 biên mực nước tại các trạm đo mực nước ở biển Đông (biên dưới) (bắt đầu từ ngày đến hết ngày . - Điều kiện ban đầu là giá trị lưu lượng ở mỗi mặt cắt được tính toán trong mô hình ISIS-1D.. - Bước 3: Hiệu chỉnh mô hình. - Mô hình được hiệu chỉnh (với bộ số liệu thủy lực từ ngày 01/3/2010 đến ngày 31/3/2010 ở 4 trạm Trà Vinh, Chợ Lách, Mỹ Tho và Hòa Bình) bằng việc thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n. - Quá trình này được thực hiện thông qua phương pháp thử sai cho đến khi kết quả mô phỏng mực nước tại mỗi mặt cắt trong mô hình phù hợp với kết quả thực đo.. - Sai số giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực đo được đánh giá thông qua hai chỉ số: (i) Nash-Sutcliffe (E) (Nash and Sutcliffe, 1970) (công thức 2.4). - ii) hệ số tương quan R (Correlation Coeffcient) (Lê Anh Tuấn, 2008) (công thức 2.5).. - Q m : giá trị mô phỏng tại thời điểm t. - Hệ số E càng tiến gần đến 1 thì độ tin cậy của mô hình càng cao (Hoàng Thái Bình, 2009. - Trong đó: X và Y : giá trị trung bình của các trị quan trắc và các trị mô phỏng. - x i vày i : giá trị quan trắc và trị mô phỏng được ở thời điểm thứ i;. - Hệ số tương quan R càng gần tiến đến ±1 thì mức đồng tương quan càng lớn. - Bước 4: Kiểm định mô hình. - Kiểm định mô hình được thực hiện nhằm đánh giá mức độ phù hợp của mô hình đã được hiệu chỉnh có phù hợp với thực tế hay không thông qua việc vận hành mô hình cho 1 bộ số liệu đầu vào khác trong quá khứ. - Khi kiểm định mô hình, các thông số của mô hình sẽ được giữ nguyên và không sử dụng lại chuỗi số liệu đã dùng để hiệu chỉnh mà tiến hành kiểm định trên chuỗi số liệu có thời gian và đặc trưng khác.. - Trong nghiên cứu này, việc kiểm định mô hình được thực hiện dựa trên bộ số liệu thủy lực thực đo năm 2011 (từ 0 giờ ngày 01/3/2011 đến 23 giờ ngày 31/3/2011). - Vị trí kiểm định và hiệu chỉnh mô hình được thể hiện trong Hı̀nh bao gồm các trạm: Trà Vinh (A). - Sau khi đã hoàn thiện và ổn định thủy lực trong phần mô phỏng về thủy lực, bước tiếp theo là tiến hành mô phỏng xâm nhập mặn.. - Bước 5: Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho mô hình xâm nhâ ̣p mă ̣n. - Điều kiện biên của mô phỏng xâm nhập mặn là chuỗi số liệu các nồng độ mặn được đo liên tục tại các điểm quan trắc mặn.. - Bước 6: Hiê ̣u chı̉nh mô hı̀nh xâm nhâ ̣p mă ̣n. - Tương tự như viê ̣c hiệu chỉnh thủy lực.. - Trong nghiên cứu này, mô hình được hiệu chỉnh với bộ số liệu mặn thực đo (từ ngày 1/4/2010 đến ngày tại 3 trạm đo mặn Mỹ Long trên sông Hàm Luông. - Do hạn chế về mặt số liệu nên trong nghiên cứu này, đề tài không thực hiện bước kiểm định mô hình mặn mà chỉ tiến hành hiệu chỉnh mô hình xâm nhập mặn và sau đó là chạy các kịch bản (KB) được xây dựng.. - 2.3 Xây dựng ki ̣ch bản và dự báo xâm nhâ ̣p mă ̣n Việc xây dựng các KB mô phỏng xâm nhập mặn trong mô hình dựa trên KB BĐKH và nước biển dâng (NBD). - Do vậy, trong nghiên cứu này, các KB được xây dựng dựa trên sự suy giảm lưu lượng thượng nguồn và NBD nhằm dự đoán tình hình xâm nhập mặn trong tương lai ở khu vực nghiên cứu. - Trong nghiên cứu này, KB xâm nhập mặn năm 2010 được chọn làm KB gốc để so sánh với các KB xây dựng vì năm 2010 là năm đề tài có số liệu đầy đủ nhất so với các năm khác và hơn nữa, vào thời gian này cống Ba Lai đã được đưa vào hoạt động. - Các KB xây dựng trong mô hình được thể hiện ở Bảng 1.. - mă ̣n trong mô hı̀nh. - Bảng 1: Các kịch bản xây dựng mô phỏng động thái xâm nhập mặn trong mô hình. - Kịch bản Mực nước biển. - Với hệ số nhám thủy lực Maning’sn = 0,027 (phù hợp với các nghiên cứu trước đây ở các sông tự nhiên ở đồng bằng trên nền phù sa, chịu tác. - Kết quả mực nước mô phỏng được được đánh giá thông qua hệ số tương quan R 2 (Hı̀nh 3) và hệ số Nash-Sutcliffe E (Bảng 2) (trên 93%) cho từng vị trí trong A, B, C và D. - Hı̀nh 3: Quan hệ tuyến tính giữa mực nước thực đo và mực nước mô phỏng tại trạm Trà Vinh (A), Chợ Lách (B), Mỹ Tho (C), Hòa Bình (D). - Bảng 2: Phân tích hệ số Nash-Sutcliffe của hiệu chỉnh mô hình thủy lực. - STT Vị trí hiệu chỉnh Hệ số Nash-Sutcliffe 1 Trạm Trà Vinh E=0,98. - 3.2 Kết quả hiệu kiểm định mô hình. - Kết quả kiểm định mô hình cho thấy mực nước. - thực đo với mực nước mô phỏng khá phù hợp nhau cả về giá trị và pha dao động. - Sai số giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực đo trong quá trình kiểm định còn được đánh giá bằng hệ số tương quan mực nước thực đo và mực nước mô phỏng R 2 . - Hệ số Nash-Sutcliffe E cũng được sử dụng để đánh giá kết quả kiểm định tại 4 trạm đo kể trên. - Giá trị hệ số tương quan R 2 và hệ số Nash-Sutcliffe E lần lượt được thể hiện qua Hı̀nh 4 và Bảng 3.. - Hı̀nh 4: Quan hệ tuyến tính giữa mực nước thực đo và mực nước mô phỏng tại trạm Trà Vinh (A), Chợ Lách (B) Mỹ Tho (C), Hòa Bình (D). - Bảng 3: Phân tích hệ số Nash-Sutcliffe E của kiểm định mô hình thủy lực. - STT Vị trí hiệu chỉnh Hệ số Nash-Sutcliffe 1 Trạm Trà Vinh E=0,96. - Như vậy, với việc đánh giá mô hình được xây dựng dựa trên hệ số tương quan R 2 và hệ số Nash- Sutcliffe E cùng với việc phân tích các kết quả mô phỏng cho thấy rằng mô hình đã xây dựng cho kết quả mô phỏng trong phần hiệu chỉnh và kết quả. - của phần kiểm định mô hình là tương đối tốt, đảm bảo được độ tin cậy để thực hiện mô phỏng cho phần xâm nhập mặn.. - 3.3 Kết quả mô phỏng xâm nhâ ̣p mă ̣n Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn được hiệu chỉnh tại ba trạm đo mặn: Mỹ Long (A). - Qua quá trình hiệu chỉnh với hệ số phân tán cho toàn mô hình được xác định là D = 570 m 2 s -1 phù hợp với các nghiên cứu trước đây. - Kết quả hiệu chỉnh được thể hiện qua các Hı̀nh 5 A. - Hı̀nh 5: Kết quả hiệu chỉnh độ mặn giữa thực đo và mô phỏng tại trạm Mỹ Long (A), Phú Khánh (B) và Long Đi ̣nh (C). - Việc phân tích các kịch bản xâm nhập mặn nhằm xem xét động thái nồng độ mặn trong nước theo thời gian và không gian. - Kết quả dự báo này được xây dựng thông qua sự thay đổi giá trị lưu. - Kết quả dự báo xâm nhập mặn theo các kịch bản được thể hiện ở Hı̀nh 6 A. - Hı̀nh 6: Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn theo các kịch bản tại trạm đo Mỹ Long (A), Phú Khánh (B). - Với các kịch bản đã xây dựng có thể nhận thấy rằng, nồng độ mặn trong nước phụ thuộc rất nhiều vào lượng nước ngọt từ thượng nguồn đổ về, lượng nước thượng nguồn càng lớn, mặn càng bị đẩy ra xa và ngược lại lượng nước thượng nguồn càng giảm (ở KB2 và KB3) xâm nhập mặn càng lấn sâu vào nội đồng. - Hı̀nh 7: Chiều sâu xâm nhập mặn (4g/L) trên các sông chính theo các KB Kết quả dự báo cho thấy rằng, ứng với KB1 tức. - vào năm 2020 (lưu lượng nước ở thượng nguồn giảm 20%, mực nước biển tăng thêm 14 cm) thì chiều dài xâm nhập mặn ở các sông so với kịch bản gốc lần lượt là 10 km đối với sông Cửa Tiểu, Cửa Đại, Hàm Luông. - Về mô phỏng thủy lực: Mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS đã được xây dựng nhằm mục tiêu mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy cho hệ thống sông chính vùng hạ lưu sông Tiền. - Mô hình được hiệu chỉnh với bộ số liệu thủy lực thực đo. - năm 2010 và đã được kiểm định cho bộ số liệu thủy lực trong mùa khô năm 2011. - Về mô phỏng xâm nhập mặn: Mô hình được hiệu chỉnh với bộ số liệu mặn thực đo năm 2010.. - Mô hình cũng dự báo được chiều sâu xâm nhập 4 g/L cho các kịch bản trong tương lai trên các sông chính. - Kết quả dự báo cho thấy rằng, vào năm 2020, ứng với lưu lượng nước thượng nguồn giảm 20%. - Kết quả có được từ các kịch bản này rất hữu ích cho các nhà quy hoạch tài nguyên nước vùng hạ lưu sông Tiền trong điều kiện tác động BĐKH hiện nay.. - Nghiên cứu chỉ tiến hành mô phỏng đặc tính thủy lực và động thái xâm nhập mặn trên hệ thống sông chính trong khi khu vực nghiên cứu có một mạng lưới kênh/sông khá chằng chịt và phức tạp.. - Mặt khác, nghiên cứu này chỉ tập trung đi sâu vào đặc tính thủy lực và diễn biến xâm nhập mặn mà chưa đi sâu nghiên cứu sự thay đổi địa mạo, bồi lắng và xói lở dọc bờ sông trong khi những năm gần đây bồi lắng và xói lỡ cũng là những vấn đề rất được quan tâm.. - Về xâm nhập mặn, trong mô hình chỉ mới xét đến lịch vận của cống Ba Lai mà chưa xét đến một số các yếu tố khác như gió mùa, nhu cầu sử dụng nước, vì thế mô hình chưa phản ánh hết bức tranh về xâm nhập mặn cho toàn khu vực. - Do đó, mô hình nên được hiệu chỉnh đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập mặn để có cái nhìn toàn diện hơn về xâm nhập mặn trên toàn hệ thống sông chính vùng hạ lưu sông Tiền.. - Hệ số nhám thủy lực và hệ số khuếch tán sử dụng trong mô hình là hệ số nhám (Manning’s n) và hệ số khuếch tán (Dispersion Coefficients) chung cho cả mạng lưới sông chính. - Do đó, việc hiệu chỉnh hệ số nhám và hệ số khuếch tán cho từng đoạn sông khác nhau là rất cần thiết để thực hiện trong các nghiên cứu tiếp theo.. - “Ứng Dụng Mô Hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông nhuệ - đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội.” Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội (37-43).. - “Kết quả nghiên cứu xâm nhập mặn phục vụ kinh tế xã hội ĐBSCL.”. - “Mô phỏng xâm nhập mặn Đồng bằng sông Cửu Long dưới tác động mực nước biển dâng và sự suy giảm lưu lượng từ thượng nguồn.” Đại học Cần Thơ 2012:21b(141-150).