NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM -🙞🙞🙞🙞🙞 - ĐỖ ĐẮC HẢI NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2022 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG ĐỖ ĐẮC HẢI NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC MÃ NGÀNH: 58 02 12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HUỲNH THANH SƠN GS.TSKH NGUYỄN ÂN NIÊN Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2022 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các thông tin, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, trích dẫn theo quy định Kết nghiên cứu luận án tơi thực hiện, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Nghiên cứu sinh Đỗ Đắc Hải NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, lời tác giả xin gửi lời cảm ơn đến hai thầy hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn GS.TSKH Nguyễn Ân Niên tận tâm hướng dẫn nghiên cứu sinh từ bước xây dựng ý tưởng suốt trình nghiên cứu thực hoàn thiện luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Cơ sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên Nước, Lãnh đạo đồng nghiệp Viện động viên hỗ trợ tạo điều kiện giúp đỡ tác giả để hoàn thành nghiên cứu luận án Đồng thời xin cám ơn giúp đỡ quý báu nhà khoa học, bạn đồng nghiệp sở đào tạo Tác giả xin gửi lời cám ơn tới PGS.TS Nguyễn Nghĩa Hùng, người động viên, giúp đỡ nhiệt tình trình thực đặc biệt trình khảo sát trường cung cấp nhiều số liệu, tài liệu giúp nghiên cứu sinh hoàn thành nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình ln động viên, cổ vũ, khích lệ suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận 4.2 Phương pháp nghiên cứu 5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Những đóng góp luận án 7 Cấu trúc luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan xâm nhập mặn đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) 1.1.1 Các hướng xâm nhập mặn vào vùng ĐBSCL [14] 10 1.1.2 Vùng cửa sông Cửu Long [14] 12 1.1.3 Vùng bán đảo Cà Mau [14] 13 1.1.4 Vùng Tứ giác Long Xuyên (TGLX) 14 1.1.5 Đánh giá chung diễn biến xâm nhập mặn ĐBSCL [14] 15 1.2 Tổng quan nghiên cứu nước ngồi 16 1.2.1 Phân loại cửa sơng 17 1.2.1.1 Một số định nghĩa khái niệm vùng cửa sông 17 1.2.1.2 Phân loại cửa sông theo chế độ dịng chảy (tương tác mặn, ngọt) 19 1.2.2 Tính chất nước vùng cửa sơng ven biển (phương trình trạng thái) [22] 21 1.2.3 Các yếu tố tác động đến chế xâm nhập mặn vùng cửa sông 23 1.2.4 Các nghiên cứu liên quan đến cửa sông phân tầng hồn tồn 25 1.2.4.1 Các đặc tính cửa sông phân tầng (nêm mặn) [32] 25 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 1.2.4.2 Chuyển động triều lên cửa sông phân tầng (nêm mặn) [32] 26 1.2.4.3 Chuyển động triều xuống cửa sông phân tầng [18], [32] 27 1.2.4.4 Các nghiên cứu mặt phân cách cửa sông phân tầng [24], [27], [32], [38]29 1.2.5 Các nghiên cứu liên quan đến cửa sông phân tầng phần [25], [32], [40], [42], [43], [44]… 30 1.2.6 Một số nghiên cứu tính tốn điển hình chế xâm nhập mặn 33 1.3 Các nghiên cứu nước 34 1.3.1 Các nghiên cứu lý thuyết thủy lực xâm nhập mặn 35 1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng thực tế xâm nhập mặn 38 1.3.3 Các nghiên cứu cơng trình kiểm sốt mặn hớt 43 1.4 Kết luận Chương 45 CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÂN TẦNG VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CHO VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 47 2.1 Cơ chế cấu tạo chung nêm mặn vùng cửa sông [17], [19], [20], [23], [34] 47 2.2 Các tham số kinh nghiệm xác định phân tầng cửa sông 53 2.3 Ứng dụng tham số kinh nghiệm sơ xác định chế phân tầng vùng cửa sơng ĐBSCL 57 2.3.1 Tính tốn cho nhánh sông dựa tham số Simmons (η) 58 2.3.1.1 Kết tính tốn cho nhánh sơng 60 2.3.1.2 Đánh giá chung kết tính tốn sơ phân tầng theo η nhánh sông Cửu Long 62 2.3.2 Tính tốn phân tầng theo tham số n 64 2.3.2.1 Kết tính tốn (n) cho nhánh Định An 65 2.3.2.2 Kết tính tốn (n) cho nhánh Trần Đề 68 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 2.3.2.3 Đánh giá chung cho nhánh sơng 71 2.3.3 Xác định tiêu chí phù hợp cho cửa sơng ĐBSCL 71 2.4 Mơ hình tốn số nghiên cứu xâm nhập mặn 72 2.4.1 Mô hình chiều (1D) 73 2.4.2 Mơ hình chiều (2D) 73 2.4.3 Mơ hình ba chiều (3D) 74 2.5 75 Lựa chọn phương pháp, công cụ nghiên cứu 2.6 Kết luận Chương 76 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN VỀ CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN TẠI VÙNG CỬA SƠNG HẬU 78 3.1 Lựa chọn mơ hình đối tượng nghiên cứu điển hình 78 3.2 Xây dựng mơ hình nghiên cứu tính tốn 78 3.2.1 Sơ đồ tính 78 3.2.2 Các số liệu đầu vào 79 3.2.2.1 Số liệu địa hình 79 3.2.2.2 Điều kiện biên mơ hình 80 3.2.2.3 Thiết lập thơng số sóng gió 84 3.2.2.4 Thiết lập thơng số mơ hình 85 3.2.3 Hiệu chỉnh mơ hình 86 3.2.3.1 Số liệu hiệu chỉnh mơ hình 86 3.2.3.2 Kết hiệu chỉnh mơ hình 89 3.3 Kết tính tốn thảo luận 95 3.3.1 Kết tính tốn phân tích mặn theo thời kỳ mùa kiệt 95 3.3.1.1 Thời kỳ phân tích đánh giá 95 3.3.1.2 Tuyến trích xuất kết 96 3.3.1.3 Thời kỳ triều thấp 97 3.3.1.4 Thời kỳ triều cao 100 3.3.2 Kết tính tốn phân tích mặn dọc theo hai nhánh sông 103 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 3.3.2.1 Thời điểm phân tích kết 103 3.3.2.2 Đánh giá diễn biến xâm nhập mặn triều 105 3.3.2.3 Thời kỳ thủy triều từ ngày 2-5/3 109 3.3.2.4 Thời kỳ triều trung bình từ ngày 7-8/3 113 3.3.2.5 Thời kỳ triều cao từ ngày 10-13/3 116 3.3.2.6 Đánh giá chung kết tính tốn, phân tích dọc theo sơng 120 3.3.3 Kết phân bố mặn mặt cắt ngang sông 122 3.3.4 Kết phân bố mặn theo mặt theo lớp chiều sâu 126 3.3.5 Kết tính tốn trường hợp nước biển dâng mùa kiệt 129 3.3.5.1 Kết phân tích đánh giá cho nhánh Định An 129 3.3.5.2 Kết phân tích đánh giá cho nhánh Trần Đề 132 3.3.6 Kết tính tốn cho mùa lũ 134 3.3.7 Đánh giá tác động yếu tố địa hình tới xâm nhập mặn 137 3.4 Kết luận Chương 138 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG CƠ SỞ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG… 140 4.1 Khác biệt kết nghiên cứu so với tính toán xâm nhập mặn 140 4.2 Lựa chọn khả lấy nước theo không gian thời gian 141 4.2.1 Lựa chọn thời điểm lấy nước 141 4.2.2 Khả lấy nước theo chiều dọc chiều sâu 142 4.2.3 Lựa chọn vị trí lấy nước mặt 142 4.2.4 Khả lấy nước mặt cắt ngang 143 4.3 Ứng dụng vào thiết kế, vận hành cơng trình 144 4.3.1 Ứng dụng vào thiết kế, nâng cấp vận hành cống kiểm soát mặn 144 4.3.2 Ứng dụng vào thiết kế trạm bơm lấy nước phục vụ sản xuất 145 4.4 Kết luận Chương 146 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 147 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHAI THÁC NƯỚC HỢP LÝ CHO VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Kết luận 147 Kiến nghị 148 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 150 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 151 PHẦN PHỤ LỤC 156 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Chiều sâu xâm nhập mặn lớn năm 2016, 2020 TBNN [14] 15 Bảng 2-1: Một số tiêu chí xác định khả phân tầng mặn vùng cửa sông 57 Bảng 2-2: Các nhánh sơng phân tích tính tốn 60 Bảng 2-3: Tổng hợp so sánh hệ số η nhánh sông Cửu Long 63 Bảng 2-4: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Định An (ngày 31/3/2016) triều lên (HWS) 65 Bảng 2-5: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Định An (ngày 01/4/2016) triều lên (HWS) 66 Bảng 2-6: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Định An (ngày 31/3/2016) triều xuống (LWS) 67 Bảng 2-7: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Định An (ngày 01/4/2016) triều xuống (LWS) 67 Bảng 2-8: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Trần Đề (ngày 31/3/2016) triều lên (HWS) 68 Bảng 2-9: Kết đo đạc tính toán tham số n - nhánh Trần Đề (ngày 01/4/2016) triều lên (HWS) 69 Bảng 2-10: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Trần Đề (ngày 31/3/2016) triều xuống (LWS) 69 Bảng 2-11: Kết đo đạc tính tốn tham số n - nhánh Trần Đề (ngày 01/4/2016) triều xuống (LWS) 70 Bảng 3-1: Tổng hợp thông số thiết lập mô hình chiều 86 Bảng 3-2: Kết tính tốn tương quan R² NSE hiệu chỉnh mơ hình 95 Bảng 3-3: Các thời điểm trích kết mùa kiệt 96 Bảng 3-4: Các thời điểm trích kết mùa kiệt 104 Bảng 3-5: Một số tóm tắt kết phân tầng mặn theo chiều dọc sơng 121 (PL67) Điều kiện biên mặt thống đáy sau: Tại σ = 1: (PL68) Tại σ = 0: 1.4 Ứng suất đáy Ứng suất đáy → (τ bx ,τby (PL69) ) xác định quy luật ma sát bậc hai: τb = (PL70) Trong đó: cf hệ số ma sát; 🙞 ub = (ub ,νb ) : vận tốc dịng chảy phía đáy Vận tốc ma sát kết hợp với ứng suất đáy cho (PL71) Đối với tính tốn khơng gian ba chiều, ub vận tốc khoảng cách Δzb phía đáy hệ số ma sát xác định cách giả định hàm lôgarit đáy điểm Δzb phía đáy: (PL72) Trong đó: κ = 0,4 số von Karman zo thang đo độ nhám đáy Khi bề mặt biên nhám, zo phụ thuộc vào chiều cao gồ ghề ks (độ nhám Nikuradse): zo = mks (PL73) đó: m ≅ 1/30; Lưu ý: số Manning ước tính từ ks cách sử dụng cơng thức: (PL74) 1.5 Ứng suất gió (bề mặt) τ s = (τ phủ, ứng suất bề mặt, Trong khu vực băng bao → sx ,τ ) sy xác định gió bề mặt Ứng suất bề mặt xác định theo quan hệ thực nghiệm sau đây: (PL75) Trong đó: ρa khối lượng riêng qui chuẩn khơng khí cd hệ số giãn nở khơng khí tốc độ gió cao mặt biển 10 m Vận tốc ma sát kết hợp với ứng suất bề mặt xác định sau: (PL76) Hệ số ma sát bề mặt số phụ thuộc vào tốc độ gió Cơng thức thực nghiệm đề xuất Wu (1980, 1994) sử dụng cho tham số hệ số ma sát: (PL77) Trong đó: ca, cb, wa wb hệ số thực nghiệm w 10 vận tốc gió cao mặt thống 10 m Giá trị mặc định cho hệ số thực nghiệm c a = 1,255x103, cb = 2,425 x 103, wa = m/s wb = 25 m/s Những kết cho kết tốt cho vùng biển hở Đo đạc thực địa hệ số ma sát thu thập hồ kín cho thấy hệ số ma sát lớn liệu đại dương (Geemaert Plant (1990)) Phương pháp giải số 2.1 Sự rời rạc hóa theo khơng gian Miền tính tốn rời rạc hóa nhờ phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method), cách phân chia liên tục miền không gian thành ô/phần tử không chồng chéo Trong trường hợp ba chiều, lớp lưới sử dụng: miền ngang lưới phi cấu trúc sử dụng, trong miền thẳng đứng lưới có cấu trúc sử dụng (Hình PL2) Lưới dọc dựa tọa độ sigma tọa độ sigma/z kết hợp Đối với tọa độ lưới sigma/z phẳng, lưới sigma sử dụng từ bề mặt tự đến độ sâu tọa độ z định sử dụng bên Các loại lưới dọc khác minh họa (Hình PL3) Các phần tử miền sigma miền cấp độ z lăng kính với sở đa giác mặt mặt Do đó, mặt nằm ngang hình tam giác phần tử tứ giác Các phần tử hồn tồn thẳng đứng tất lớp có cấu trúc liên kết giống hệt Hình PL2: Lăng thể mắt lưới sử dụng hệ tọa độ Sigma Lưới sigma Lưới sigma / z kết hợp với điều chỉnh độ sâu đơn giản: Đường màu đỏ hiển thị giao diện miền cấp z miền cấp sigma Hình PL3: Minh họa lưới dọc khác Lợi quan trọng sử dụng tọa độ sigma khả biểu diễn xác độ sâu cung cấp độ phân giải phù hợp gần đáy Tuy nhiên, tọa độ sigma gặp phải sai số đáng kể gradient áp suất ngang, số hạng đối lưu xáo trộn khu vực có thay đổi địa hình đột ngột Những lỗi làm phát sinh dịng chảy khơng thực tế Việc sử dụng tọa độ z-level cho phép tính tốn đơn giản gradient áp suất ngang, điều kiện đối lưu xáo trộn, nhược điểm tính khơng xác chúng đại diện cho độ sâu biểu diễn nấc độ sâu dẫn đến vận tốc dịng chảy khơng thực tế gần đáy Cấu trúc lưới theo phương đứng bao gồm lưới sigma tiêu chuẩn lưới sigma/z kết hợp Đối với tọa độ sigma, lưới sigma/z sử dụng từ bề mặt tự đến độ sâu z σ, cịn z-phẳng định sử dụng phía Cần có lớp sigma phép thay đổi độ cao bề mặt - Lưới Sigma Trong miền sigma, lớp số N σ sử dụng lớp sigma phần cố định tổng chiều sâu lớp sigma h σ hσ = η-max (zb, zσ) Việc cấu trúc miền sigma đưa số cấp độ rời rạc lớp σ - phẳng {σi, i = 1, (Nσ +1)} Trong σ biến đổi từ σ1 = lớp đáy lớp sigma thấp tới σNσ+1 = mặt thoáng Biến đổi hệ tọa độ sigma theo hướng rời rạc hóa thu hệ tọa độ theo phương đứng thực Song Haidvogel (1994) Đầu tiên cấu trúc (equidistant) hệ tọa độ s (-l