Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đánh giá xâm nhập mặn khu vực sông Sài Gòn-Đồng Nai bằng mô hình tính toán số Telemac 2D

Trong các năm kiệt, dù chưa đến mùa khô nhưng hiện tượng xâm nhập mặn đã ở mức báo động, tình hình nhiễm mặn trên hệ sông Sài Gòn – Đồng Nai diễn biến phức tạp, độ mặn có chiều hướng

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

GIỚI THIỆU CHUNG GIỚI THIỆU CHUNG

Hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều biển Đông có biên độ lớn (3,50-4,00 m), lên xuống ngày 02 lần, với hai đỉnh xấp xỉ nhau và hai chân lệch nhau khá lớn Thời gian giữa hai chân và hai đỉnh vào khoảng 12,0-12,5 giờ và thời gian một chu kỳ triều ngày là 24,83 giờ

Hàng tháng, triều xuất hiện 02 lần nước cao (triều cường) và 02 lần nước thấp (triều kém) theo chu kỳ trăng Dạng triều lúc cường và lúc kém cũng khác nhau, và trị số trung bình của các chu kỳ ngày cũng tạo thành một sóng có chu kỳ 14,5 ngày với biên độ 0,30-0,40 m

Trong năm, đỉnh triều có xu thế cao hơn trong thời gian từ tháng XII-I và chân triều có xu thế thấp hơn trong khoảng từ tháng VII-VIII Đường trung bình của các chu kỳ nửa tháng cũng là một sóng có trị số thấp nhất vào tháng VII-VIII và cao nhất vào tháng XII-I

Nhờ có biên độ cao tạo năng lượng lớn, lòng sông sâu và độ dốc thấp, thủy triều từ biển truyền vào rất sâu trên sông Trên sông Đồng Nai, thủy triều ảnh hưởng đến chân thác Trị An, cách biển 152 km Cửa sông Bé nằm dưới thác Trị An 06 km cũng bị thủy triều ảnh hưởng vào chừng 10 km

Xâm nhập mặn là hiện tượng quan trọng và đáng quan tâm hơn cả ở phần hạ lưu sông Sài Gòn - Đồng Nai Xâm nhập mặn cũng lại rất nhạy cảm với các hoạt động khai thác nguồn nước cả ở thượng và hạ lưu

Với đặc điểm tự nhiên thuận lợi, như lòng sông sâu, độ dốc thấp, biên độ triều lớn, nước mặn từ biển theo dòng triều xâm nhập rất sâu trên sông về phía thượng lưu, đặc biệt là trong các tháng giữa và cuối mùa khô (tháng III-V) Mặn xâm nhập sâu trong mùa kiệt xảy ra đồng thời với mùa khô không mưa kéo dài gây khó khăn cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của người dân vùng hạ lưu

Trong điều kiện tự nhiên, trên sông Đồng Nai, mặn 1 g/l trung bình hàng năm có thể lên đến cầu Đồng Nai (117 km từ cửa), mặn 0,3 g/l có thể lên đến Biên Hòa và mặn 0,1 g/l có thể vượt qua trạm bơm Hóa An vài km

Trong những năm gần đây, xâm nhập mặn tiếp tục tăng trên các sông Sài Gòn – Đồng Nai và các sông rạch phía tây thuộc huyện Bình Chánh đang uy hiếp nguồn nước cho nông nghiệp và sinh hoạt trên địa bàn TP.HCM

Theo kết quả đo đạc của Viện Kỹ thuật Tài nguyên nước và Môi trường, hiện nay mặn đã xâm nhập mạnh và chuyển dần về phía thượng lưu:

- Tại Mũi Nhà Bè độ mặn tăng cao đạt giá trị trung bình 6,71g/l

- Hệ sông Nhà Bè – Đồng Nai: mặn ở mức 4g/l đã xâm nhập quanh vùng cửa sông Sài Gòn Đồng Nai;

- Hệ sông Sài Gòn: từ cửa Rạch Tra đến vùng Thủ Thiêm bị nhiễm mặn 0,5-2g/l;

- Khu vực Bình Chánh: xâm nhập mặn 6-7g/l qua khu vực cầu Ông Thìn, đi sâu vào vùng phía nam huyện Bình Chánh, độ mặn 2-3 g/l vào đến vùng kênh Tàu Hũ Đối với hiện tượng xâm nhập mặn, diễn biến của dòng chảy từ thượng lưu đóng vai trò quan trọng Chính sự thay đổi lưu lượng thượng lưu theo mùa đã quyết định ranh mặn trong mùa lũ và kiệt trên các triền sông Không những thế, sự nhạy cảm của mặn với lưu lượng thượng lưu còn thể hiện cả ở năm có mùa kiệt nhiều hay ít nước Sự dao động ranh xâm nhập mặn do thay đổi dòng nguồn lớn hơn nhiều so với các nguyên nhân khác như sự biến đổi của thủy triều, gió chướng hay mưa hạ lưu

Hồ Trị An có tác động đến chế độ mặn trên sông Đồng Nai rất lớn Các kết quả khảo sát mặn trong những năm qua cho ta thấy ranh mặn 4 g/l đã bị đẩy lùi xuống hạ lưu 20-25 km (trên Cát Lái 3-5 km) và mặn 1 g/l luôn dưới Long Tân (cách Bến Gỗ 10 km)

Lưu vực hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai là nơi có tốc độ phát triển kinh tế cao và là nơi tập trung dân cư đông nhất so với cả nước.Tuy nhiên, là lưu vực nằm

Chương 1 : Giới Thiệu Chung ở hạ lưu nên nguồn nước phụ thuộc rất nhiều vào việc điều tiết các công trình ở thượng nguồn.Trong khi đó các công trình khai thác nguồn thượng lưu chủ yếu được xây dựng từ sau năm 1975, đến nay nhiều công trình đã đưa vào vận hành được 20-30 năm Trải qua một thời gian dài như vậy, mức độ phát triển kinh tế và đô thị hóa ngày càng cao dẫn đến nguồn nước thượng lưu bị khai thác quá mức, dòng chảy kiệt càng giảm và xâm nhập mặn có xu hướng tăng và xâm nhập sâu vào sông Sài Gòn, Đồng Nai thậm chí là các kênh rạch trong nội thành

Hiện tại và trong tương lai gần, tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu đã và đang ngày càng được thể hiện rõ nét, đe dọa nghiêm trọng đến nguồn nước sông

Xâm nhập mặn ngày càng nghiêm trọng, sâu và ảnh hưởng trực tiếp đến nhu cầu nước đặc biệt là vấn đề cấp nước đối với các đô thị đặc biệt quan trọng như

Bài toán thủy lực về xâm nhập mặn ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về khai thác và quản lý nguồn nước, bảo vệ môi trường,… nhất là trong tình hình có thể xảy ra các biến cố thủy văn cực hạn do biến đổi khí hậu hiện nay Về mặt lý thuyết, bài toán thủy lực về xâm nhập mặn đã được phát triển từ lâu, xuất phát từ hệ phương trình Saint-Venant 1D (dòng chảy một phương) Nhiều nhà khoa học đã cố gắng giải hệ phương trình đó bằng phương pháp giải tích Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và tin học, việc nghiên cứu bài toán xâm nhập mặn bằng mô hình toán số đã trở nên rất phổ biến, từ trường hợp 1D đến trường hợp 2DH (dòng chảy hai phương nằm ngang)

TỔNG QUAN VỀ VÙNG HẠ LƯU ĐỒNG NAI – SÀI GÒN TỔNG QUAN VỀ VÙNG HẠ LƯU ĐỒNG NAI – SÀI GÒN

Vùng hạ lưu Sài Gòn - Đồng Nai thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, là nơi tập trung dân cư đông đúc, phát triển công nghiệp cao, tốc độ đô thị hóa nhanh, hệ thống giao thông trung tâm Trong điều kiện sản xuất thủy điện thượng nguồn tăng, xả thải công nghiệp chưa được quản lý hiệu quả, các vấn đề về phòng chống thiên tai, bảo vệ môi trường được đặt ra gay gắt: ngập lụt đô thị, xâm nhập mặn, ô nhiễm môi trường sông, biển và không khí, mất đa dạng sinh học v.v Vùng cửa sông Sài Gòn - Đồng Nai hiện nay và trong tương lai sẽ là môi trường hoạt động kinh tế, xã hội nhộn nhịp với các công trình xây dựng, các nhà máy, các thành phố lớn có nhiều ảnh hưởng đến vùng cửa sông này Để có thể giải quyết những vấn đề trên, cần thiết phải hiểu rõ chế độ thủy động lực, cũng như sự lan truyền ô nhiễm trong môi trường sông biển vùng cửa sông này một cách sâu sắc

Các quá trình động lực và chất lượng nước vùng cửa sông sẽ đóng vai trò chủ yếu trong quá trình hình thành chế độ thủy lực và trạng thái môi trường tại khu vực này Ngoài ra, các đánh giá định lượng đặc điểm thủy động lực và các chỉ tiêu môi trường ở đây có thể được sử dụng trong việc xây dựng các phương án đầu tư cho các công trình kinh tế - xã hội trên vùng cửa sông này

Hạ lưu sông Đồng Nai được kể từ sau thác Trị An đến cửa Soài Rạp có chiều dài 150 km, từ hợp lưu sông Bé đến Nhà Bè dài 76 km, rộng khoảng 180 – 1.400 m với độ sâu từ 6,6 – 17m, sau Nhà Bè sông Đồng Nai rẽ thành hai phân lưu cách biển 76 km: sông Nhà Bè rộng 1.000 – 3.000m với độ sâu 10 – 20m, sông Lòng Tàu rộng 300 – 450m với độ sâu 30 – 40m, đây là tuyến thủy lộ quan trọng từ Tp Hồ Chí Minh đi các tỉnh và ra nước ngoài Do sông đi qua vùng đồng bằng, lòng sông khá rộng, sâu, có độ dốc nhỏ nên thủy triều ảnh hưởng đến tận chân thác Trị An Các phụ lưu chính chảy vào sông Đồng Nai bên phải có sông Bé, sông Sài

Chương 2: Tổng Quan Về Vùng Hạ Lưu Đồng Nai – Sài Gòn

Gòn, sông Vàm Cỏ, bên trái đáng kể có sông Lá Buông Sông Thị Vải dài 30 km đổ trực tiếp ra Vịnh Gành Rái

Sông Sài Gòn nằm trong vùng miền Đông Nam bộ và lưu vực hệ thống sông Đồng Nai, với chiều dài khoảng 280 km và diện tích lưu vực 4.530 km2 Sông bắt nguồn từ sườn đồi thấp phía Nam Campuchia, chảy theo hướng Đông Bắc-Tây Nam qua 03 tỉnh Tây Ninh, Bình Phước, Bình Dương, hợp lưu với sông Đồng Nai tại mũi Đèn Đỏ thuộc địa phận thành phố Hồ Chí Minh rồi cùng chảy ra biển Đông, với đa phần diện tích lưu vực thuộc đất nước Việt Nam

Trên sông Sài Gòn đã xây dựng công trình thủy lợi Hồ Dầu Tiếng, là một hồ nước nhân tạo lớn nhất của Việt Nam và Đông Nam Á Hồ Dầu Tiếng nằm chủ yếu trên địa phận huyện Dương Minh Châu và một phần nhỏ trên địa phận huyện Tân Châu, thuộc tỉnh Tây Ninh nằm cách thị xã Tây Ninh 25 km về hướng đông, với diện tích mặt nước là 270 km² và 45,6 km² đất bán ngập nước, dung tích chứa 1,58 tỷ m³ nước Được khởi công xây dựng vào ngày 29/4/1981 và hoàn thành vào ngày 10/01/1985 Ngoài mục đích chứa nước, hồ Dầu Tiếng còn có chức năng cân bằng môi trường sinh thái, phục vụ giao thông đường thủy, khai thác du lịch và một phần là khai thác điện cung cấp cho sinh hoạt, cho sản xuất

Trên lưu vực sông Sài Gòn đã và đang hình thành nhiều trung tâm công nghiệp và khu dân cư tập trung lớn Phía hạ lưu, thành phố Hồ Chí Minh là một trong những trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá và khoa học kỹ thuật lớn nhất nước Bên cạnh đó, thị xã Thủ Dầu Một và huyện Thuận An (tỉnh Bình Dương) với các khu chế xuất được phát triển nhanh chóng giúp cho bộ mặt vùng Kinh tế trọng điểm phía Nam (bao gồm 8 tỉnh/thành là TP.HCM, Bình Dương, Bà Rịa-Vũng Tàu, Đồng Nai, Tây Ninh, Bình Phước, Long An và Tiền Giang) có tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh và đứng đầu cả nước trong nhiều năm qua

2.2 Đặc điểm vùng tự nhiên

Vùng cửa sông Sài Gòn – Đồng Nai bao gồm Vịnh Gành Rái và các đoạn sông sau:

 Đoạn sông Đồng Nai từ Biên Hòa đến sông Nhà Bè,

Chương 2: Tổng Quan Về Vùng Hạ Lưu Đồng Nai – Sài Gòn

 Đoạn sông Sài Gòn từ Thủ Dầu Một đến nhập lưu vào sông Nhà Bè,

 Sông Nhà Bè đến phân lưu Lòng Tàu – Soài Rạp, Hệ thống sông Ngã Bảy, có chiều rộng trung bình 700 m và sâu nhất tới 28 m; là đoạn hạ lưu chảy ra biển của hệ thống sông Đồng Nai gồm các sông lớn như sông Lòng Tàu, sông Dừa nối sông Đồng Tranh với sông Lòng Tàu, sông Đồng Tranh, Tắc Ô Cu nối sông Đồng Tranh với sông Gò Gia và các sông nhỏ

Hệ thống sông Cái Mép, là hợp lưu của ba con sông: sông Thị Vãi dài 30 km, rộng nhất tới 780 m và sâu nhất tới 60 m, sông Gò Gia dài 19 km, rộng nhất

850 m, sâu nhất tới 30 m và sông Ngã Tư là môt sông nhỏ, rộng bình quân 80 m và sâu từ 3 – 5 m,

Vịnh Gành Rái là một bộ phận của Biển Đông ăn sâu vào đất liền Vịnh Gành Rái có cửa rộng nhất từ mũi Nghinh Phong đến Mũi Đồng Tranh khoảng 22 km và bề rộng từ mũi Sao Mai đến mũi Cần Giờ khoảng 9 km Độ sâu của vịnh không đều nhau trên luồng tàu thuộc mũi Vũng Tàu tới cửa sông Cái Mép, có độ sâu trên 15 m, nơi sâu nhất lên tới trên 40 m

2.3 Địa hình địa mạo Địa hình trung du với cao độ từ vài mét đến vài chục mét, thoải dần về phía đồng bằng ven biển Địa hình đồng bằng với cao độ từ 1 – 2 m Địa hình đồng bằng ven biển tại các dãi đất hẹp dọc biển, tại các cửa sông, có cao độ từ 1 – 2,5 m

2.4 Đặc điểm khí tượng thủy văn

2.4.1 Đặc điểm khí hậu Đặc điểm khí hậu khu vực nghiên cứu là khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo; một năm có 02 lần Mặt trời qua thiên đỉnh (lần thứ 1 vào ngày 19-23/4 và lần thứ 2 vào ngày 22-27/8) Năng lượng bức xạ Mặt trời phong phú; nhiệt độ trung bình quanh năm cao; chịu tác động của 2 hệ thống gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam; có 2 mùa mưa và khô

Chế độ dòng chảy của vùng cửa sông Sài Gòn - Đồng Nai phụ thuộc nhiều vào chế độ mưa và thủy triều Biển Đông Dòng chảy biến đổi không đều trong năm

Chương 2: Tổng Quan Về Vùng Hạ Lưu Đồng Nai – Sài Gòn phụ thuộc vào mưa và sự điều tiết của các hồ chứa thượng nguồn Do lưu lượng mưa phân bố không đều và do chế độ dòng chảy, trên lưu vực sông cũng phân chia ra làm hai mùa: mùa lũ và mùa kiệt Mùa lũ bắt đầu từ một hoặc hai tháng sau mùa mưa, khoảng tháng 6, tháng 7 hàng năm, kết thúc vào tháng 11 và chiếm khoảng 70-80% tổng lưu lượng cả năm Chế độ triều vùng cửa sông Đồng Nai mang tính chất bán nhật triều không đều

2.4.3 Chế độ thủy triều – mặn :

Thủy triều là yếu tố quan trọng về mặt thủy động lực biển, đồng thời cũng là yếu tố có ảnh hưởng đến các điều kiện tự nhiên của các dải đất ven biển và cửa sông

Mực nước triều thường khá cao, đôi khi cao hơn cả các đồng bằng ven biển và dọc theo sông, vì thế dễ bị nhiễm mặn đất và nước sông, chế độ thủy văn vùng sông ảnh hưởng triều rất phức tạp, bởi mỗi giọt nước ở đây luôn chịu sự chi phối ở các mức độ khác nhau bởi: Chế độ dòng chảy tự nhiên ở thượng lưu, chế độ thủy triều biển Đông, và cách khai thác của con người có liên quan đến nguồn nước ở thượng và hạ lưu Việc nghiên cứu chế độ triều mặn ở vùng sông ảnh hưởng triều có một ý nghĩa quan trọng a Chế độ nước triều:

Thủy triều truyền vào sông theo hai dạng: dạng dòng và dạng sóng

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô hình tính toán mưa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao đổi lượng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm trong lưu vực và bốc hơi Tuy nhiên mô hình này chỉ ứng dụng cho lưu vực vừa và nhỏ

3.1.1.2 Mô hình NAM : Được xây dựng năm 1982 tại khoa thủy văn viện kỹ thuật thủy lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch Mô hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng đứng và hồ chứa tuyến tính

Là mô hình mưa dòng chảy của trung kỹ thuật thủy văn quân đội Hoa Kỳ được phát triển từ mô hình Hec-1

3.1.2 Một số mô hình thủy lực : 3.1.2.1 Mô hình Telemac :

 Cấu trúc của hệ thống TELEMAC : Thủy động lực học :

 TELEMAC-2D : mô hình tính dòng chảy 2 chiều, giải hệ phương trình Saint Venant (bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền các chất hòa tan) TELEMAC- 2D có hai phiên bản khi dùng hai phương pháp tính khác biệt :

 Phiên bản dùng Phần tử hữu hạn : trong phiên bản này, hệ phương trình Saint-Venant viết dưới dạng không bảo toàn sẽ được giải bằng phương pháp chiếu (Projection Method) khi dùng sơ đồ ẩn Phương pháp này có tính ổn định cao với tốc độ tính rất nhanh

 Phiên bản dùng thể tích khối hữu hạn không có cấu trúc : trong phiên bản này, hệ phương trình Saint-Venant viết dưới dạng bảo toàn sẽ được giải bằng phương pháp Godunov (xấp xỉ bất biến Riemann) khi dùng sơ đồ hiện Phương

Chương 3: Cơ Sở Lý Thuyết pháp này cho phép tính sóng gián đoạn ngay cả khi địa hình phức tạp (bài toán vỡ đập) với tốc độ tính rất nhanh

 TELEMAC-3D : mô hình tính dòng chảy 3 chiều, giải hệ phương trình Navier-Stokes (bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền các chất hòa tan có hoặc không tham gia phản ứng hóa học)

 ARTEMIS :tính sóng biển có xét đến các hiện tượng vật lý như phản xạ, nhiễu xạ, khuyếch tán của sóng biển khi truyền vào vùng nước nông trước và trong cảng biển

 TOMAWAC : Tính truyền sóng trong vùng ven bờ

 SISYPHE : giải bài toán tải bùn cát và biến hình lòng dẫn 2 chiều Mô hình này phân miền tính toán thành hai phần :

 Phần dòng chảy phía trên đáy : tính tải bùn cát lơ lửng (suspended) hay sát đáy (bed load), dính và không dính, với nhiều cấp hạt khác nhau

 Phần dưới đáy giả định : giải bài toán nén sụt (sedimentation) và cứng hóa (consolidation) của bùn cát dưới đáy Hai phần sẽ trao đổi bùn cát tương tác nhau

 SEDI-3D : Giải bài toán tải bùn cát 3 chiều

Bộ xử lý trước và sau tính toán (pre- post processing)

 RUBENS: vẽ kết quả tính toán (graphical post-processor)

 POTEL-3D: Vẽ các lát cắt 2-D từ kết quả 3-D Ưu điểm của mô hình : Ưu điểm vượt trội cả hệ thống TELEMAC là tất cả các mô hình thành phần đều được song hành hóa việc tính toán (parallelisation) Khi chạy TELEMAC trên các hệ thông máy có nhiều processors, TELEMAC cho thời gian tính nhanh

Hạn chế của mô hình :

Chương 3: Cơ Sở Lý Thuyết

Bản thân mô hình Telemac cũng giống như nhiều mô hình khác là chưa xác định được độ tin cậy của bài toán Thông thường các số liệu đầu vào và điều kiện biên sai ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính toán Giải pháp khắc phục cần nghiên cứu có thể giả định độ tin cậy theo phần trăm rồi tính chuyển vào trong miền tính toán Ví dụ như giả định độ tin cậy 60% ở Vũng Tàu, ta tính được độ tin cậy ở Phú An là bao nhiêu

Tiền thân là mô hình KRSAL do cố PGS.TS Nguyễn Như Khuê xây dựng và được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong vòng 25 năm trở lại đây Đây là mô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực của dòng chảy một chiều (1D) trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác Dòng chảy trong các đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông qua cống điều tiết Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như các khu chứa thông thường

3.1.2.3 Mô hình KOD-01 và KOD-02

Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển dựa trên kết quả giải hệ phương trình Saint-Venant dạng rút gọn, phục vụ tính toán thủy lực, dự báo lũ

Do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn

Do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ xây dựng được áp dụng để tính toán thủy lực cho hệ thống sông Phiên bản mới hiện nay đã được bổ sung thêm module tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán Mô hình HEC-RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ Khi mực nước trong sông

XÂY DỰNG BÀI TOÁN XÂM NHẬP MẶN CHO VÙNG XÂY DỰNG BÀI TOÁN XÂM NHẬP MẶN CHO VÙNG

HẠ LƯU SÔNGSÀI GÒN – ĐỒNG NAI

Vùng nghiên cứu hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn (ĐN-SG) là vùng đất được tính từ sau thác Trị An trên sông Đồng Nai, từ sau đập Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn và giới hạn đến hết bờ tả kênh Mỹ Bình – Bo Bo Diện tích tự nhiên toàn vùng khoảng

452.000 ha, bao gồm phần đất thuộc địa phận các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Long An và thành phố Hồ Chí Minh

4.1 Miền tính – lưới tính toán và điều kiện biên

Miền nghiên cứu được giới hạn phía thượng lưu kể từ sau các hồ chứa Trị An, Phước Hoà, Dầu Tiếng và các nhánh sông Vàm Cỏ Đông đến vị trí Trạm Gò Dầu Hạ và Vàm Cỏ Tây đến vị trí trạm đo Mộc Hóa Để giảm thiểu ảnh hưởng của đáy biển vùng ven bờ, giá trị triều thiên văn sẽ được áp dụng xem như điều kiện biên cho vùng biên hở ngoài biển, phía hạ lưu miền tính được mở rộng ra biển Đông với vị trí xa nhất cách cửa sông Soài Rạp khoảng 35 km Tổng diện tích mặt thoáng miền tính khoảng 2.537 km 2 (hình 4.1) Miền tính 2D theo phương nằm ngang được mô hình hoá với 82.052 phần tử tam giác phi cấu trúc với phần tử tam giác nhỏ nhất có cạnh khoảng 20m mô tả hai chiều trong vùng sông rạch và phần tử lớn nhất có cạnh khoảng 4.000m mô tả phần tử ngoài vùng biển của miền tính

Chương 4: Xây dựng bài toán Xâm Nhập Mặn cho vùng hạ lưu Sông Sài Gòn – Đồng Nai

Hình 4.1: Lưới miền tính 2D (82.052 phần tử tam giác)

4.1.2 Điều kiện biên và địa hình miền nghiên cứu

Miền nghiên cứu được giới hạn bởi 05 biên ở thượng lưu và 01 biên ở hạ lưu cụ thể như sau:

- Biên Q(t) sau hồ chứa Trị An - Biên Q(t) sau hồ chứa Phước Hòa - Biên Q(t) sau hồ chứa Dầu Tiếng - Biên Q(t) tại trạm Gò Dầu Hạ - Biên Q(t) tại trạm Mộc Hoá - Biên Z(t) ngoài biển xác định từ cơ sở dữ liệu của triều thiên văn

Chương 4: Xây dựng bài toán Xâm Nhập Mặn cho vùng hạ lưu Sông Sài Gòn – Đồng Nai Địa hình khu vực đất liền lấy từ bản đồ DEM có khoảng cách giữa các điểm đo là 25 m Địa hình đáy biển lấy từ cơ sở dữ liệu ETOPO1 có khoảng cách trung bình giữa các điểm đo là 1.800 m

Nội dung nghiên cứu là đánh giá xem xét chế độ thủy động lực học và lan truyền mặn trong khu vực Mô hình sẽ được hiệu chỉnh và kiểm định cho các thời đoạn vào mùa khô và mùa mưa Trên cơ sở số liệu quan trắc được, mô hình sẽ được hiệu chỉnh trong thời kỳ từ 8/3/2005 đến 12/3/2005 Các trạm đo mực nước Z tại Phú

An, Nhà Bè, Biên Hòa, Tân An được so sánh với kết quả tính từ mô hình trong cùng thời kỳ Điều kiện biên cho thời kỳ mô phỏng như sau:

- Q xả Trị An = 300m 3 /s - Q xả Phước Hòa = 10m 3 /s

- Q xả Dầu Tiếng = 90 m 3 /s - Q Gò Dầu Hạ = 20m 3 /s - Q Mộc Hóa = 20m 3 /s Mực nước Z trên biên hở tại vị trí ngoài khơi biển Đông lấy theo triều thiên văn cùng thời kỳ được lấy với 11 sóng chính (M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, M4, MS4 và MN4) từ cơ sở dữ liệu tiều TPXO có độ phân giải 1/300 Độ mặn biên thượng lưu bằng 0 và hạ lưu (biển) là 33g/l

Quy luật ma sát đáy được lấy theo quy luật Chézy Giá trị thay đổi theo thời gian và không gian phụ thuộc vào chiều sâu nước tại vị trí xem xét thay đổi trong khoảng (50-90)m0,5/s

Mô hình được hiệu chỉnh thông qua chuỗi giá trị mực nước thực đo tại một số vị trí điển hình trong thời kỳ 04 ngày kể từ 8h ngày 8/3/2005 đến 8h ngày 12/3/2005

Kết quả được trình bày trên các đồ thị sau:

Hình 4.2: Kết quả hiệu chỉnh thông qua chuỗi giá trị mực nước thực đo tại một số vị trí điển hình trong thời kỳ 4 ngày kể từ 8h ngày 8/3/2005 đến 8h ngày 12/3/2005 Để so sánh đánh giá kết quả tính từ mô hình và số liệu quan trắc, chỉ số Nash-

Sutcliffe R 2 và một số tiêu chí đánh giá độ thích hợp (GOF) giữa kết quả tính từ mô hình và giá trị quan trắc được thực hiện trong bảng 3:

Q obsgiá trị trung bình giá trị quan trắc, i cal i obs , Q Q chỉ giá trị quan trắc và giá trị tính của mô hình vào thời điểm i

Bảng 4.1: Một số chỉ tiêu so sánh GOF (hiệu chỉnh)

Trạm Sai biệt đỉnh TB

Hình 2: Mực nước tại Phú An Hình 2: Mực nước tại Biên Hòa

Hình 4: Mực nước tại Nhà Bè Hình 5: Mực nước tại Tân An

Trạm Sai biệt đỉnh TB

So sánh kết quả cho bởi mô hình và giá trị quan trắc nêu trên cho thấy kết quả tính từ mô hình có khả năng mô phỏng khá tốt chế độ dòng chảy của khu vực trong chu kỳ tính toán xem xét Các thông số về độ lệch chuẩn  của chuỗi số liệu quan trắc và mô phỏng cho thấy sự phân tán quanh giá trị trung bình của biến xem xét là không có sự thay đổi nhiều Về chỉ số Nash-Sutcliffe R 2 đánh giá mức độ phù hợp giữa giá trị quan trắc và giá trị tính từ mô hình là khá cao (được đánh giá là tốt, >0.75, theo bảng tiêu chuẩn đánh giá hệ số R 2 của tổ chức WHO)

Kết quả hiệu chỉnh nồng độ mặn trong 3 ngày từ 8h ngày 8/3/2005 đến 8h ngày 11/3/2005:

Hình 4.3: Kết quả hiệu chỉnh nồng độ mặn trong 3 ngày từ 8h ngày 8/3/2005 đến 8h ngày 11/3/2005

Chỉ số R 2 lần lượt cho các vị trí đo độ mặn tại Lái Thiêu, Phú An và Nhà Bè lần lượt là: 0,65; 0,27 và 0,48 Kết quả cho thấy giá trị quan trắc và mô phỏng tại trạm Phú An là kém nhất Biên độ dao động của giá trị độ mặn quan trắc tại trạm Nhà Bè lớn hơn giá trị cho bởi mô phỏng Xét về mặt định tính là sự thay đổi của giá trị mặn ghi nhận bởi quan trắc tại vị trí trạm này là chưa hợp lý lắm, ví dụ so với trạm Phú An hay Lái Thiêu Lý do là về lý thuyết, tại vị trí trạm Nhà Bè số hạng khuếch tán sẽ khống chế số hạn đối lưu vì lưu lượng nước ngọt về từ thượng lưu sẽ tương đối nhỏ so

Chương 4: Xây dựng bài toán Xâm Nhập Mặn cho vùng hạ lưu Sông Sài Gòn – Đồng Nai với lưu lượng qua mặt cắt (ảnh hưởng chủ yếu do mực nước triều) Do đó về lý thuyết, càng về hạ lưu biên độ dao động của độ mặn sẽ nhỏ dần với giả thiết lưu lượng nước ngọt vào biên thượng lưu là không đổi trong thời kỳ mô phỏng

Trên cơ sở mô hình đã được hiệu chỉnh nêu trên, thực hiện bước kiểm định để đánh giá khả năng mô phỏng lại chế độ thủy động lực học trong khu vực Giai đoạn kiểm định mô hình được thực hiện trong khoảng thời gian từ 12/10/2009 đến 18/10/2009 Số liệu mực nước và lưu lượng tại 02 vị trí C1 và C2 (hình 1) trên sông Sài Gòn được so sánh Điều kiện biên cho thời kỳ mô phỏng như sau:

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN

5.1 Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn: được thể hiện tại hình 5.6 đến 5.14

5.2 Xây dựng Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa độ giảm mặn tương đối với lưu lượng xả ngọt và chiều dài dòng chảy Để đánh giá tác động của việc xả nước hồ Dầu Tiếng lên độ mặn ở khu vực hạ lưu sông Sài Gòn, năm kịch bản khác nhau đã được xem xét, bao gồm một kịch bản độ mặn hiện trạng khi chưa xả nước và bốn kịch bản có lưu lượng xả lần lượt tăng dần

20 m 3 /s, 30 m 3 /s, 40 m 3 /s và 50 m 3 /s Thời gian mô phỏng trong vòng 10 ngày, bắt đầu từ ngày 02/05/2017 đến ngày 12/05/2017

Một số vị trí trên sông Sài Gòn sẽ được chọn làm đại biểu để xem xét độ mặn Hình 5.1 thể hiện giá trị độ mặn hiện trạng của khu vực và các vị trí xem xét:

Hòa Phú, ngã ba Rạch Tra, Thủ Thiêm, Cát Lái và kênh Xáng vào lúc 19h ngày 11/05/2017

Chương 5: Kết Quả Mô Phỏng Xâm Nhập Mặn

Hình 5.1: Độ mặn khu vực vào lúc 19h ngày 11/05/2017 Dễ dàng nhận thấy rằng càng lui về phía hạ lưu, độ mặn càng lớn do ảnh hưởng tăng dần của xâm nhập mặn Tại một vị trí, giá trị độ mặn cũng thay đổi liên tục do ảnh hưởng của triều Hình 5.2 thể hiện giá trị độ mặn tại một số vị trí đại biểu trong khoảng thời gian mô phỏng Nhận xét rằng khu vực chịu ảnh hưởng rõ nét của chế độ bán nhật triều không đều với hai đỉnh mặn diễn ra trong cùng một ngày Giá trị đỉnh mặn tại trạm bơm Hòa Phú chỉ xấp xỉ 0,3 g/L, nhỏ hơn 10 lần so với giá trị độ mặn tại khu vực phà Cát Lái

Hình 5.3 thể hiện giá trị độ mặn tại Hòa Phú ứng với các kịch bản xả hồ Dầu Tiếng khác nhau

Hình 5.2: Độ mặn tại một số vị trí đại biểu trong khoảng thời gian từ ngày 02/05/2017 đến ngày 12/05/2017

Hình 5.3: Độ mặn tại Hòa Phú ứng với các kịch bản xả nước khác nhau trong khoảng thời gian từ ngày 02/05/2017 đến ngày 12/05/2017

Chương 5: Kết Quả Mô Phỏng Xâm Nhập Mặn Độ giảm mặn tương đối ∆S được xác định như sau: trong đó, Sht là độ mặn hiện trạng tại vị trí xem xét, Si là độ mặn mô phỏng được tại vị trí đó ứng với kịch bản xả nước đẩy mặn cụ thể

Hình 5.4 cho thấy mức độ giảm mặn tương đối (∆S - %) theo chiều dài dòng chảy (L – km) cho các trường hợp lưu lượng xả khác nhau (Q – m3/s) tại hồ Dầu Tiếng Vị trí bắt đầu xem xét (L=0 km) là tại trạm bơm Hòa Phú của nhà máy nước Tân Hiệp Lưu ý rằng mặc dù vị trí bắt đầu xả nước là tại hồ Dầu Tiếng, nhưng vị trí L = 0 không được đặt tại đây vì độ mặn ở đây rất nhỏ nên độ giảm mặn không thể tính chính xác Các vị trí xem xét tiếp theo lần lượt là ngã ba Rạch Tra (L= 10km), Thủ Thiêm (L = 40km) và Cát Lái (L = 55 km) Nhận xét rằng lưu lượng thượng nguồn càng lớn thì mức độ giảm mặn càng hiệu quả Càng đi sâu về phía hạ lưu, khả năng đẩy mặn càng giảm và sự khác biệt giữa các kịch bản lưu lượng thượng nguồn cũng kém đi Điều này được giải thích là do độ mặn tăng dần về phía hạ lưu Mặc dù xu hướng đẩy mặn giảm dần khi hạ lưu lượng xả ngọt thượng lưu hoặc khi đi xa dần về phía hạ lưu là có thể dễ dàng dự đoán được, một điểm đáng lưu ý ở đây là mức độ giảm mặn thay đổi một cách tuyến tính với lưu lượng xả tại cùng một vị trí xem xét Điều này thể hiện rõ trên hình 5.4 với trục tung của biểu đồ là tỷ lệ giữa độ giảm mặn tương đối và lưu lượng xả nước tại hồ Dầu Tiếng

Hình 5.4: Mức độ giảm mặn tương đối ∆S theo chiều dài dòng chảy L cho các trường hợp lưu lượng xả khác nhau Q tại hồ Dầu Tiếng

Theo đó, có một sự tương đồng chặt chẽ giữa các kịch bản lưu lượng xả nước khác nhau về khả năng giảm mặn theo chiều dài dòng chảy Với mọi giá trị lưu lượng xả, chúng ta đều nhận thấy trong khoảng 10 km đầu từ Hòa Phú đến ngã ba Rạch Tra, mức độ hiệu quả đẩy mạnh bị giảm khá nhanh, sau đó dần chậm lại ở phía thượng lưu và xu thế này có thể được biểu diễn một cách tương đối hợp lý theo hàm E (exponent)

Hình 5.5: Biểu đồ quan hệ ∆S/Q theo chiều dài dòng chảy L cho các trường hợp lưu lượng xả khác nhau Q tại hồ Dầu Tiếng Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa độ giảm mặn tương đối với lưu lượng xả ngọt và chiều dài dòng chảy:

Phương trình thiết lập này cho phép ước tính được độ giảm mặn (%) so với kịch bản gốc tại một vị trí bất kỳ ứng với lưu lượng xả nước xác định Lưu ý rằng L là khoảng cách được tính từ trạm bơm Hòa Phú đến điểm xem xét về phía hạ lưu, đơn vị km Ứng dụng thực tế của phương trình cho phép xác định lưu lượng cần xả tại hồ Dầu Tiếng để đạt được độ mặn cụ thể tại vị trí xác định: trong đó, S1 là độ mặn cần đạt được và Sht là độ mặn hiện trạng khi chưa xả ngọt

Các hệ số trong phương trình lần lượt là , Phương trình giảm mặn được xây dựng với một số đặc điểm sau:

 Các kịch bản đều được xét trong một thời điểm cụ thể (từ 02 - 12/05/2017), tức là ứng với điều kiện biên lưu lượng và biên mực nước xác định

Khi các điều kiện biên thay đổi, các hệ số A và B cũng sẽ thay đổi theo Các nghiên cứu tiếp theo cần đưa thêm mối quan hệ của các hệ số này với giá trị biên lưu lượng thượng lưu và mực nước tại biên hạ lưu

 Ảnh hưởng của lưu lượng trên sông Đồng Nai và lưu lượng xả từ hồ Trị An chưa được xét đến Mặc dù kết quả mô phỏng ứng với một lưu lượng xả nước tương đương 60 m 3 /s từ hồ Trị An cho thấy độ mặn tại Hòa Phú gần như không thay đổi, độ mặn tại các vị trí xa hơn phía hạ lưu như Cát Lái vẫn chịu ảnh hưởng Do đó, một phương trình tổng quát hơn sẽ cần xét thêm yếu tố này để gia tăng độ chính xác

5.3 Kết quả tính toán trình bày nêu trên cho phép rút ra một số nhận xét chính sau đây:

 Trên cơ sở kết quả mô phỏng diễn biến mặn tại 5 vị trí khảo sát, cho kết quả phù hợp với xu thế chung

 Kết quả độ mặn trung bình, max và min đều giảm khi lưu lượng xả từ hồ Dầu Tiếng tăng và tác động này giảm dần khi đi về hạ lưu sông Sài Gòn Kết quả này có thể giải thích do ảnh hưởng của lưu lượng triều càng lớn khi về hạ lưu

 Sự gia tăng độ mặn có xu hướng giảm dần khi càng đi sâu vào thượng nguồn hệ thống sông

 Với các kịch bản lưu lượng khác nhau được xả từ hồ Dầu Tiếng, ta có thể xác định được ranh mặn, nồng độ mặn, và mức độ giảm mặn theo từng cấp lưu lượng tại các vị trí cần khảo sát Qua đó có thể khẳng định vai trò việc xả nước đẩy mặn trên sông Sài Gòn từ hồ Dầu Tiếng

 Ảnh hưởng của triều tác động đến xâm nhập mặn là chủ yếu và rõ nét, việc dự báo mặn cho hạ lưu lưu vực sông Sài Gòn Đồng Nai nói chung và cho nhà máy nước Tân Hiệp nói riêng là tương đối phức tạp do khu vực nghiên cứu không những chịu tác động của thủy triều vùng cửa sông, mưa trong lưu vực và dòng chảy

Chương 5: Kết Quả Mô Phỏng Xâm Nhập Mặn từ thượng lưu mà còn phải xét đến các công trình khai thác nguồn nước trên lưu vực

 Việc xả hồ Trị An trên sông Đồng Nai hầu như không tác dụng giảm mặn trên song Sài Gòn tại vị trí Hòa Phú cũng việc xả hồ Dầu Tiếng đối với trạm

Luận văn đã nghiên cứu giải quyết những vấn đề sau:

 Nghiên cứu tổng quan về thuỷ văn, thuỷ lực và xâm nhập mặn ở hạ du sông Sài Gòn – Đồng Nai, trong đó tập trung vào nghiên cứu tình hình xâm nhập mặn tại nhà máy nước Tân Hiệp và vùng hạ du sông Sài Gòn - Đồng Nai;

 Xem xét một số nghiên cứu về thuỷ lực và truyền chất trên hệ thống sông kênh cả về lý thuyết cũng như kết quả tính toán