NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Ứng dụng mô hình TELEMAC-2D nghiên cứu tác động của nước biển dâng lên chế độ mực nước ven bờ biển phía nam Việt Nam : mực nước triều tăng nhằm dự đoán diễn biến nh
GIỚI THIỆU CHUNG
ĐẶT VẤN ĐỀ
Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) thuộc lãnh thổ Việt Nam và nằm trong lưu vực sông Mekong Sông Mekong dài 4.200 km, chảy qua 6 nước là Trung Quốc, Myanmar, Thái Lan, Lào, Campuchia và Việt Nam, có diện tích lưu vực 795.000 km 2 , trong đó vùng Châu thổ 49.367 km 2 ĐBSCL là phần cuối cùng của Châu thổ sông Mekong, bao gồm 13 tỉnh/thành là Long An, Tiền Giang, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Trà Vinh, Hậu Giang, Sóc Trăng, Bến Tre, An Giang, Kiên Giang, Bạc Liêu, Cà Mau và
TP Cần Thơ, với tổng diện tích tự nhiên khoảng 3,96 triệu ha, chiếm 79% diện tích toàn châu thổ và bằng 5% diện tích toàn lưu vực sông Mekong ĐBSCL có vị trí rất quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của cả nước Với tiềm năng nông nghiệp to lớn, trong những năm qua, ĐBSCL luôn đóng góp trên 50% tổng sản lượng lương thực, quyết định thực hiện thành công chiến lược an ninh lương thực Quốc gia và chiếm chủ đạo trong xuất khẩu gạo (hơn 90%), từ 2005 đến nay mỗi năm trung bình 4,5 – 6,0 triệu tấn Đồng thời, ĐBSCL cũng cung cấp khoảng 70% lượng trái cây, trên 40% sản lượng thủy sản đánh bắt và trên 74,6% sản lượng thủy sản nuôi trồng của cả nước
Song song với những lợi thế của thiên nhiên đã ưu đãi cho vùng đất Cửu Long, hiện ĐBSCL đang phải đối mặt với vấn đề nước biển dâng đã và đang ảnh hưởng tới chất lượng nước ngọt phục vụ đời sống và kinh tế nông nghiệp của người dân
Nước biển dâng (NBD) không chỉ còn là những lời mang tính cảnh báo mà thực tế đã và đang xảy ra, với mức độ ngày càng nghiêm trọng hơn Việc xây dựng một chiến lược phát triển thuỷ lợi ứng phó với NBD không chỉ mang tính cấp thiết của vấn đề đối với kinh tế-xã hội, đây còn là yêu cầu cơ bản để xác định các nội dung tiếp theo trong quy hoạch và đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, trước khi chúng trở nên quá muộn hoặc không thể sửa chữa
Nắm bắt và xử lý kịp thời về chế độ mực nước ven biển có ý nghĩa quan trọng trong công tác xây dựng, thiết kế, giao thông đường thủy, cấp thoát nước và phòng chống thiên tại Cao trình đê biển sẽ được thiết kế phù hợp với thực tế nếu dao động mực nước được xác định chính xác Triều cường ven bờ thường gây trở ngại việc thoát nước đô thị do mực nước ven bờ biển cao hơn mực nước trong sông đổ ra Nước biển dâng cộng với triều cường đưa sóng biển tiến sâu vào đất liền, dẫn đến nguy cơ xói lở và lắng đọng bờ biển cao hơn, xâm nhập mặn nhiều hơn
Nghiên cứu về phổ dao động của mực nước ven biển vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa thực tiễn, bởi biến động theo thời gian và không gian của mực nước biển là một hiện tượng tự nhiên có quy mô lớn ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh hoạt con người Số liệu về mực nước còn liên quan đến các dự án cơ sở hạ tầng có nguồn chi ngân sách khổng lồ, đặc biệt trong bối điển khí hậu toàn cầu
Theo ‘Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam’ của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường năm 2012 , nếu nước biển dâng 1 m vào cuối thế kỷ 21 sẽ có khoảng 39% diện tích ĐBSCL có nguy cơn bị ngập Do đó việc ‘Đánh giá tác động của nước biển dâng lên chế độ mực nước ven bờ biển phía Nam Việt Nam’ trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết vì từ những kết quả mô phỏng sẽ thu được các phổ dao động mực nước ven bờ tương ứng với những kịch bản nước biển dâng khác nhau từ đó làm cơ sở để nghiên cứu các quy mô thời gian của dao động mực nước và ước lượng các biên độ dao động nhằm phục vụ công tác dự báo mực nước ven biển.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tình hình chế độ mực nước ven biển vùng đồng bằng sông Cửu Long ứng với các kịch bản nước biển dâng khác nhau nhằm tìm ra đặc điểm của dao động mực nước nhằm hạn chế tối đa các tác động bất lợi của biến đổi khí hậu đến những khu vực trọng yếu ở khu vực ven biển phía Nam Việt Nam
Xây dựng kịch bản về mực nuớc ven biển theo kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài Nguyên Môi Trường ban hành năm 2012 dưới tác động của nước biển dâng, lưu lượng thượng nguồn giảm ứng với những kịch bản (KB) NBD: 0,25m ; 0,50m và 0,75m nhằm giải quyết và hiểu rõ quy luật dao động mực nước ven biển.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THƯC TIỄN
1.3.1 Ý nghĩa khoa học Đánh giá một cách tương đối những diễn biến mực nước ven biển trước những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: mực nước biển dâng, lưu lượng đầu nguồn giảm,… ảnh hưởng nghiêm trọng đến phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt là sản xuất nông nghiệp vùng ĐBSCL
Nhằm dự báo các khu vực có nguy cơ bị tác động trực tiếp trong điều kiện nước biển dâng trên khu vực nghiên cứu, đóng góp cơ sở khoa học cho việc xây dựng và phát triển khai kế hoạch hành động như: xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin thủy văn cơ bản phục vụ phòng chống lũ lụt và phát triển kinh tế - xã hội vùng ĐBSCL
Các kết quả nghiên cứu có thể sử dụng như cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc xác định cao độ thiết thiết tối ưu cho tất cả các công trình từ hệ thống đê biển đến cầu cảng, kho bãi, khu nghĩ dưỡng đến hạ tầng đô thị ven biển.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Diễn biến mực nước ven biển vùng ĐBSCL, những ảnh hưởng và tác động của nó đến quá trình sản xuất, đời sống của con người
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ĐBSCL nằm ở hạ lưu sông Mekong với hệ thống sông, kênh rạch lớn nhỏ đan xen, nên rất thuận lợi cung cấp nước ngọt quanh năm, với hai nhánh sông Tiền và sông Hậu mang lại tổng lượng nước cho sông Cửu Long khoảng 500 tỷ mét khối Trong đó sông Tiền chiếm 79% và sông Hậu chiếm 21% Chế độ thuỷ văn thay đổi theo mùa Mùa mưa nước sông mang nhiều phù sa bồi đắp cho đồng bằng Về mùa khô, lượng nước giảm nhiều, làm cho thuỷ triều lấn sâu vào đồng bằng làm vùng đất ven biển bị nhiễm mặn nghiêm trọng Chiều dài bờ biển 732 km với nhiều cửa sông và vịnh, chịu nhiều ảnh hưởng của triều cường.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp thống kê : nhằm thu thập và xử lý số liệu khí tượng thủy văn, số liệu địa hình, mạng lưới kênh sông, các số liệu về thủy triều…
Phương pháp kế thừa : được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu, xem xét, đánh giá và vận dụng các kết quả nghiên cứu đã có trước đây kể cả trong nước và ngoài nước
Phương pháp ứng dụng mô hình toán : được thực hiện trên cơ sở sử dụng tối đa phát triển của tin học trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển tài nguyên nước trong nước và thế giới, cụ thể là các mô hình toán mô phỏng
Trong luận văn sẽ ứng dụng mô hình Telemac2D để mô phỏng tác động của nước biển dâng đối với chế độ mực nước ven biển của ĐBSCL.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ THẾ GIỚI
[1] “Tác động của nước biển dâng đến chế độ thủy triều dọc bờ biển Việt Nam” của tác giả Trần Thục và Dương Hồng Sơn ( Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển T12(2012), số 1 , trang 10-16)
Trong bài báo này tác giả sử dụng hệ thống Mô hình Hải dương học khu vực (ROMS) để đánh giá tác động của các kịch bản nước biển dâng lên chế độ thủy triều dọc bờ biển Việt Nam Mô hình được kiểm định với chế độ thủy triều hiện tại và mô phỏng với các kịch bản nước biển dâng toàn cầu là 0.5m, 0.75m và 1m Khi nước biển dâng mà làm thay đổi độ sâu và quy mô của biển sẽ dẫn tới thay đổi các đặc trưng thủy triều Vào một thời điểm trong tương lai, dưới tác động của biến đổi khí hậu, mực nước trung bình toàn cầu có thể dâng lên 1 m so với hiện tại thì mực nước trung bình của các khu vực khác nhau trên đại dương thế giới không giống nhau do thay đổi của các hoàn lưu, nhiệt độ và độ muối Đồng thời, quá trình cộng hưởng sóng dài cũng thay đổi so với hiện tại do độ sâu tăng thêm khoảng 1 m và nhất là theo phương ngang, kích thước các vùng biển có xu hướng tăng lên
Sau khi tổng hợp và phân tích các số liệu về địa hình, khí tượng, thủy văn tiến hành đưa vào mô hình để tính toán và so sánh với mực nước thực đo tại các trạm đo thủy triều Kết quả tính toán về pha dao động mực nước tổng hợp khá phù hợp với số liệu thực đo, tuy nhiên về biên độ thủy triều, sai số bình phương trung bình vẫn còn khá lớn Kết quả nghiên cứu cho thấy với độ phân giải mịn hơn cho kết quả tốt hơn
Sau khi mô hình và tính toán áp dụng mô hình, tác giả đã rút ra kết luận ”nếu chỉ xét đến yếu tố địa hình và chế độ triều thì nước biển dân toàn cầu sẽ có ảnh hưởng
- 6 - khác nhau đối với các vùng biển khác nhau của Việt Nam” Nghiên cứu này cho thấy chỉ riêng thay đổi độ sâu vùng thềm lục địa theo các kịch bản nước biển dâng đã có thể làm thay đổi biên độ thủy triều dọc bờ biển Việt Nam tới 20%
[2] “Đánh giá sự biến dạng các yếu tố triều tại vùng biển ven bờ và cửa sông Nam Bộ do nước triều dâng” của tác giả Nguyễn Hữu Nhân ( Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy Lợi số 12/2012)
Trong bài báo, tác giả đã thực hiện phân tích kết quả nghiên cứu tác động của nước biển dâng đối với chế độ thủy triều khu vực Nam Bộ bằng phương pháp phân tích điều hòa để xử lý trực tiếp các chuỗi số liệu thực đo mực nước để nghiên cứu chế độ triều và tác động của nước biển dâng lên nó
Sử dụng số liệu đầu vào là chuỗi số liệu mực nước thực đo tại 10 trạm: Vũng Tàu, Nhà Bè, Vàm Kênh, Bình Đại, An Thuận, Bến Trại, Mỹ Thanh, Gành Hào, Ông Đốc và Xẻo Rô Sau khi tính toán bằng mô hình bằng phương pháp điều hòa, độ chính xác của bộ số liệu được tính toán có độ tin cậy khá cao, có sự phù hợp khá tốt về trị số, về pha, về hình dạng đường quá trình mực nước tính toán và thực đo
Dựa vào đường xu thế diễn biến của mực nước trung bình năm, mực nước bình quân đỉnh triều năm, mực nước bình quân chân triều năm, tác giả đã đánh giá mức độ biến đổi các đặc trưng dao động mực nước tại vùng bờ ven biển và cửa sông khu vực Nam Bộ
Căn cứ kết quả tính toán, tác giả chỉ ra rằng tác động của nước biến dâng đối với chế độ dao động mực nước tại vùng ven biển – cửa sông khu vực Nam bộ gây ra hiệu ứng ‘kép’: nâng mực nước trung bình cao thêm và làm biến dạng các yếu tố triều (thay đổi biên độ và pha các sóng triều, đặc biệt là các sóng bán nhật triều và các sóng triều nước nông) dẫn đến hệ quả là mực nước triều ngày càng đến sớm hơn, tốc độ gia tăng mực nước đỉnh triều lớn hơn rất nhiều so với tốc độ gia tăng mực nước chân triều
Tuy nhiên , tác giả cũng lưu ý rằng mô hình phương trình điều hòa chưa đủ mạnh để bóc tách sự riêng rẽ do NBD và tác động do thay đổi địa hình, địa vật lân vận
- 7 - vị trí các trạm đo Các đánh giá trên liệu có phù hợp trong tương lai 50 năm và 100 năm tới hay không?
[3] “Tidal dynamics in the South China Sea” của tác giả A.L.Ye và I.S.Robinson (Đại học Southampton)
Trong bài báo này tác giả đã xem xét chế độ động lực thủy triều của vùng biển phía Nam Trung Quốc bằng mô hình động lực học hai chiều Mô hình được hiệu chỉnh thông qua các điều kiện biên hở nhằm phù hợp với kết quả quan trắc triều khu vực vùng ven biển Các biểu đồ thủy triều sau khi tính toán được so sánh với biểu đồ có được dựa trên số liệu quan trắc thực tế Năng lượng của dòng triều cũng được nghiên cứu và nhận xét
Mô hình động lực học hai chiều có khả năng cung cấp các thành phần thông số M 2 và K 1 của thủy triều dựa trên các điều kiện về mực nước đã được quan trắc nhiều năm tại các trạm thủy văn ven biển phía Nam Trung Quốc Mô hình này cũng có thể được sử dụng để tính toán biên độ dòng triều và chế độ triều ở khu vực vùng ven biển chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ nhật triều khu vực vịnh Bắc Bộ và vịnh Thái Lan [4] “Tidal regime change due to the large scale of reclamation in the west coast of Korean Peninsula in the Yellow anh East China Seas” của tác giả Sok Kuh Kang, Kyung Tae Jung,Eun Jin Kim, Jae Kwi So và Jong Jin Park
Trong bài báo này tác giả đã thành lập mô hình toán số hai chiều để điều tra sự thay đổi của chế độ thủy triều do việc lấn biển ở quy mô lớn diễn ra ở phía tây bán đảo Triều Tiên đặc biệt là nghiên cứu sự thay đổi của biên độ và pha triều trước và sau khi xây dựng cống ngăn triều Saemankeum Hệ thống lưới được xây dựng để rời rạc hóa các khu vực duyên hải ven biển
Kết quả tính toán cho thấy, biên độ và pha triều có sự thay đổi trước và sau khi việc lấn biển được thực hiện Sự thay đổi thể hiện không chỉ ở toàn bộ khu vực biển Hoàng Hải mà còn lan đến thềm lục địa khu vực biển phía Đông Trung Quốc Biên độ sóng dọc theo phía Tây bán đảo Triều Tiên bị biến dạng và tốc độ lan truyền của thủy triều (ở chế độ bán nhật triều và nhật triều) gia tăng không chỉ xung quanh khu vực lấn
TỔNG QUAN VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
VỊ TRÍ ĐỊA LÝ
ĐBSCL là một bộ phận của châu thổ sông Mekong, có vị trí nằm liền kề với vùng Đông Nam Bộ, phía Bắc giáp Campuchia, phía Tây – Nam là vịnh Thái Lan và phía Đông – Nam là biển Đông, bao gồm 13 tỉnh với diện tích đất tự nhiên khoảng 39.734 km 2 , với đường bờ biển dài trên 700 km ĐBSCL chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội ở Việt Nam do có tiềm năng to lớn để phát triển nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lương thực, nuôi trồng và đánh bắt thuỷ sản, phát triển cây ăn trái… đem lại giá trị xuất khẩu cao cho cả nước cũng như mở rộng giao lưu với khu vực và thế giới Những năm gần đây, ĐBSCL luôn đóng góp hơn 50% sản lượng nông nghiệp, chiếm trên 90% lượng lương thực xuất khẩu và khoảng 70% trái cây và thủy sản của cả nước ĐBSCL có đặc điểm tự nhiên nổi bật ít có trên thế giới với gần một nửa diện tích bị ngập lũ từ 3-4 tháng mỗi năm, là hạn chế lớn đối với canh tác nông nghiệp, gây nhiều khó khăn cho cuộc sống của dân cư, song cũng đem lại nhiều ích lợi như gia tăng nguồn thuỷ sản tự nhiên, bổ sung phù sa cho đồng ruộng, vệ sinh làm sạch môi trường, thau chua, rửa mặn, bổ cập nguồn nước ngầm ĐBSCL có tiềm năng lớn về khí và dầu mỏ Tổng trữ lượng khí có thể thu hồi tại vùng biển Tây-Nam khoảng 123-125 tỷ m 3 để phát triển công nghiệp khí, điện, đạm cho cả nước ĐBSCL nằm trong khu vực có đường giao thông hàng hải và hàng không quốc tế quan trọng, giữa Nam Á và Đông Á cũng như Châu Úc và các quần đảo khác trong Thái Bình Dương Vị trí này hết sức quan trọng trong giao lưu và hợp tác quốc tế Trong tương lai không xa, khi kênh đào Kra của Thái Lan hoàn thành, vùng này càng gần hơn với đường hàng hải quốc tế
- 10 - ĐBSCL nằm trên địa hình tương đối bằng phẳng, mạng lưới sông ngòi, kênh rạch phân bố dày đặc, rất thuận lợi cho giao thông thuỷ.
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH
Theo tài liệu bình đồ cấy điểm 1/25.000 do Bộ Thủy lợi (cũ) lập năm 1984, ĐBSCL có địa hình bằng phẳng, phần lớn có cao độ trung bình từ 0,7 – 1,2m; ngoại trừ một số đồi núi cao ở phía Bắc Đồng bằng thuộc tỉnh An Giang Dọc theo biên giới Campuchia có địa hình cao hơn cả, cao trình từ 2,0 – 4,0m, sau đó thấp dần vào đến trung tâm đồng bằng ở cao trình 1,0 – 1,5m, và chỉ còn 0,3 – 0,7m ở khu vực giáp triều, ven biển Ở vùng Tả sông Tiền, do phù sa sông Tiền bồi đắp đã hình thành nên địa hình dạng lòng máng trũng có hướng dốc từ Tây Bắc xuống Đông – Nam Vùng giữa hai sông Tiền và sông Hậu, phù sa sông cũng bồi đắp hình thành nên hai dãy bờ sông cao rồi thấp dần vào nội đồng, tạo thành lòng máng trũng ở giữa Vùng Hữu sông Hậu nhìn chung có hướng dốc Đông Tây, từ phía sông Hậu thấp dần về phía biển Tây
Ven bờ biển thường do hoạt động của hải lưu, gió và phù sa sông, tạo thành các giồng cát cao ven biển có hình cung lồi ra phía biển, nằm xen kẽ các vùng trũng thấp ngập triều Vùng Bắc Đông Bo Bo, hạ lưu vực sông Cái Lớn – Cái Bé và U Minh Thượng, U Minh Hạ là những vùng đất thấp hơn cả, với cao độ từ 0,3 – 0,7m, luôn ngập do triều cao, nước mưa nội đồng và nước lũ thượng nguồn
MẠNG LƯỚI SÔNG NGÒI KÊNH RẠCH
Vùng ĐBSCL có mạng lưới sông khá phức tạp, trong đó chủ yếu là sông Cửu Long và các chi lưu của nó Ở thượng nguồn – trên Tân Châu ( Sông Tiền) và Châu Đốc (sông Hậu) – khi chảy vào đồng bằng, sông có bề rộng khoảng từ 60m đến 300m và dần dần mở rộng khi chảy về dưới hạ lưu, bề rộng sông khoảng 2 km khi ra đến biển, đoạn lớn nhất cửa sông Hậu, bề rộng sông lên đến 18 km Ra biển Đông, sông Tiền thoát bằng 6 cửa : Tiểu, Đại, Ba Lai, Hàm Luông, Cổ Chiên và Cung Hầu, sông Hậu thoát ra từ 2 cửa : Định An và Trần Đề
Các sông rạch tự nhiên như sông Vị Thanh, sông Gành Hào, Sông Đầm Dơi chảy ra biển Đông, các sông Cái Răng, rạch Đại Ngãi, rạch Long Phú,… đổ vào sông Hậu Các sông chảy ra vịnh Thái Lan bao gồm sông Cái Lớn, sông Ông Đốc , Sông Bảy Háp,…
Các kênh đào chủ yếu theo hướng Đông Bắc – Tây Nam như sông Xà No nối liền với sông Hậu với sông Cái Lớn, kênh Santa nối liền sông Hậu với sông Vị Thanh, kênh Hỏa Lựu – Phượng Hiệp nối giữa sông Gành Hào và sông Hậu, sông Gành Hào và sông Vị Thanh được nối bởi kênh Cà Mau – Bạc Liêu, Kênh Chắc Băng nối giữa sông Trẹm và sông Cái Lớn Ngoài ra còn một số kênh nối liền sông Cái Lớn và sông Gành Hòa theo hướng Tây Bắc – Đông Nam.
ĐẤT ĐAI
ĐBSCL có tiềm năng lớn về phát triển nông nghiệp, thuỷ sản và cây ăn trái do có hệ thống đất đai rộng lớn và rất phù hợp với nhu cầu phát triển nông nghiệp-thuỷ sản
Tuy nhiên, do những ràng buộc của điều kiện tự nhiên, đất đai ĐBSCL được chia thành các vùng lớn với những hạn chế chính gồm vùng ngập lũ khoảng 1,5 triệu ha, vùng bị xâm nhập mặn khoảng 1,8 triệu ha, vùng bị chua phèn khoảng 1,2 triệu ha và vùng thuận lợi về nguồn nước khoảng trên 1,0 triệu ha, trong đó có một số vùng vừa bị ngập lũ, vừa bị chua phèn, hoặc vừa bị chua phèn, vừa bị xâm nhập mặn…
Hiện trạng sử dụng đất 2008 vùng ĐBSCL cho thấy diện tích đất sản xuất nông nghiệp là 2,550 triệu ha, chiếm 64,2% tổng diện tích tự nhiên (trong đó đất trồng cây hàng năm 70%, đất trồng cây lâu năm 14% và đất nuôi trồng thủy sản 13,3%) Đất lâm nghiệp 331.480 ha, chiếm 8,12% tổng diện tích tự nhiên, trong đó 2/3 diện tích là rừng trồng (chủ yếu là tràm và bạch đàn), rừng tự nhiên còn gần 104.000 ha (gồm rừng phòng hộ ven biển, rừng ngập mặn tập trung, đước, mắm… có nhiều ở Nam Cà Mau,
U Minh Thượng, vườn Quốc gia Tràm Chim…) Đất chưa sử dụng đến năm 2008 còn
36.000 ha, gồm đất đồi núi (632 ha) và đất bằng chưa sử dụng (hơn 34.000 ha) nằm rải rác trong đất canh tác nông nghiệp, lâm nghiệp có hầu hết ở các tỉnh, song có nhiều ở
An Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Cà Mau và Kiên Giang
Các loại hình sử dụng đất cho nông nghiệp ở ĐBSCL chủ yếu là :
(i) Đất 3 vụ (gồm 3 vụ chuyên lúa, 2 vụ lúa +1 vụ màu hoặc 1 lúa+2 vụ màu), tập trung ở vùng ngập nông thuộc các tỉnh Tiền Giang, Long An, một phần Đồng Tháp, An Giang, Kiên Giang, Cần Thơ, Hậu Giang;
(ii) Đất 2 vụ (gồm hai vụ lúa theo loại hình Đông Xuân+Hè Thu) ở hầu hết các tỉnh thuộc vùng ngập sâu phía Bắc kênh Nguyễn Văn Tiếp (ĐTM), phía Bắc kênh Cái Sắn (TGLX), trung tâm Tây sông Hậu và phía Đông kênh Nàng Rền (BĐCM);
(iii) Đất một vụ lúa mùa rải rác ở các tỉnh trong vùng ngập lũ sâu, bị chua phèn kéo dài vào đầu mùa mưa, thiếu nguồn nước ngọt thuộc các huyện Tịnh Biên, Tri Tôn (An Giang), Kiên Lương, Hòn đất (Kiên Giang), vùng xa nguồn nước ngọt sản xuất nhờ nước mưa thuộc các tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu và các vùng ngập lũ thuộc tỉnh Hậu Giang;
(iv) Đất trồng cây lâu năm phân bố tập trung ở các tỉnh Bến Tre, Tiền Giang, Kiên Giang, Cà Mau, Vĩnh Long, Sóc Trăng… và ít nhất là An Giang.
ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG KHÍ HẬU
ĐBSCL nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với quanh năm nóng ẩm, nền nhiệt độ cao và ít thay đổi trong năm, số giờ nắng cao và mưa phân biệt thành hai mùa rõ rệt
Hàng năm, toàn vùng ảnh hưởng chung bởi hai mùa gió chính:
+ Gió mùa Đông – Bắc, thổi từ tháng XI/XII đến tháng IV/V năm sau, gió mùa Tây - Nam, thịnh hành từ tháng V/VI đến tháng X/XI
+ Gió mùa Tây – Nam, đóng vai trò quan trọng trong biến trình khí hậu trong toàn vùng nhờ độ ẩm cao, gây mưa lớn và liên tục trong suốt mùa mưa
Thời gian xuất hiện và cường độ ảnh hưởng của gió mùa quyết định tình hình khí hậu trong từng năm Nếu như phía Bắc nước ta, sự thay đổi trong năm của nhiệt độ đã tạo nên 4 mùa một cách rõ ràng, thì ở Nam Bộ, chế độ mưa lại quyết định sự phân mùa cho toàn vùng Nhìn chung, mùa mưa trùng với mùa gió Tây - Nam, từ tháng V -
XI, kéo dài 6 - 7 tháng, và mùa khô trùng với mùa gió mùa Đông – Bắc, từ tháng XII -
IV năm sau, cũng kéo dài 5-6 tháng
Nhiệt độ trung bình tháng trong toàn vùng thay đồi từ 25,3-27,0 o C, khá đều theo không gian và thời gian Nhiệt độ cao thường rơi vào tháng IV-V, từ 27,9-28,7 o C, và nhiệt độ thấp thường nằm trong khoảng từ tháng XII-I, từ 25,2-25,9 o C Nhiệt độ tối thấp ít khi xuống dưới 20 o C và nhiệt độ tối cao cũng hiếm khi vượt quá 38 o C
Vùng ĐBSCL có số giờ nắng rất cao, từ 2.200 – 2.400 giờ mỗi năm, trung bình
Hàng năm, lượng mưa trung bình toàn ĐBSCL vào khoảng 1.400 - 1.800 mm,vùng ven biển Tây của ĐBSCL lượng mưa lớn hơn (2.000-2.400 mm), ven biển Đông lượng mưa có xu thế nhỏ (1.400-1.600 mm) Tháng VIII-X là các tháng có lượng mưa lớn nhất trong năm, thường đạt từ 250-300 mm mỗi tháng Tháng I-III là các tháng có lượng mưa ít nhất trong năm, thường là không mưa hoặc mưa không đáng kể
Số ngày mưa trong năm đạt từ 100-140 ngày mưa, chủ yếu tập trung vào các tháng mùa mưa, với 15-20 ngày mỗi tháng ĐBSCL nhìn chung rất ít bão Theo thống kê bão đổ bộ vào bờ biển Đông trong gần 100 năm qua, chỉ khoảng 30% số trận bão là có ảnh hưởng đến vùng biển Nam Bộ, trong đó không quá 10% đổ bộ trực tiếp Ở ĐBSCL, các trận bão và mạnh lên của gió mùa Tây – Nam gây nên mưa và lũ lớn là năm 1934, 1937, 1947, 1961, 1966, 1978,
1984, 1991,1994, 1996 và 2000 So với phía Bắc và miền Trung, bão ảnh hưởng đến Nam Bộ chậm hơn, thường là từ tháng X trở đi, đôi khi đến tận tháng XII Tuy nhiên, mưa bão gây lũ ở ĐBSCL lại do bão ảnh hưởng vào vùng trung - hạ Lào nên thường xảy ra vào khoảng tháng VIII-IX
ĐẶC ĐIỂM THỦY VĂN – THỦY LỰC
Chế độ thủy văn ở ĐBSCL chịu tác động trực tiếp của dòng chảy thượng nguồn, chế độ triều biển Đông, một phần của triều vịnh Thái Lan, cùng chế độ mưa trên toàn đồng bằng Mùa lũ ở ĐBSCL bắt đầu chậm hơn so với thượng lưu một tháng và mùa mưa tại đồng bằng 2 tháng, vào khoảng tháng VI, VII và kết thúc vào tháng XI, XII, tiếp đến là mùa kiệt, thời gian mỗi mùa khoảng 6 tháng Từ Phnom Penh ra biển, sông Mekong đi vào ĐBSCL theo hai nhánh là sông Tiền và sông Hậu, có chế độ thủy văn khác hẳn phần thượng lưu, do tác động của thủy triều từ biển Nhờ điều tiết của Biển
Hồ, dòng chảy vào ĐBSCL điều hòa hơn so với tại Kratie, với mùa lũ có lưu lượng trung bình vào Việt Nam khoảng 28.000-30.000 m 3 /s (tháng lớn nhất 32.000-34.000 m 3 /s) và mùa kiệt từ 3.000-5.000 m 3 /s (tháng kiệt nhất từ 2.200-2.500 m 3 /s)
Chế độ thuỷ văn-thuỷ lực vùng ĐBSCL rất phức tạp Sự kết hợp ở các mức độ khác nhau giữa lũ-mưa-triều và ngọt-chua-mặn đan xen, tạo nên các hình thái môi trường nước phong phú với các hệ sinh thái đa dạng, vừa là những tài nguyên to lớn và quan trọng, vừa là những hạn chế và trở ngại không nhỏ cho quá trình phát triển, mà để giải quyết từng vấn đề và cho từng khu vực cụ thể đã và sẽ gặp không ít khó khăn
Căn cứ vào mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nguồn theo không gian và thời gian, về tổng quan chung, có thể chia ĐBSCL thành ba vùng thủy văn khác nhau là (a) vùng ảnh hưởng dòng chảy lũ là chính (phía Bắc đồng bằng, bao gồm 1 phần diện tích của hai tỉnh An Giang và Đồng Tháp, diện tích khoảng 300.000 ha); (b) vùng ảnh hưởng phối hợp lũ-triều (được giới hạn bởi sông Cái Lớn-rạch Xẻo Chít-kênh Lái Hiếu-sông Măng Thít-sông Bến Tre-kênh Chợ Gạo đến giới hạn vùng (a), với diện tích khoảng 1,6 triệu ha); và (c) vùng ảnh hưởng triều là chính (bao gồm toàn bộ vùng ven biển, với diện tích khoảng 2,0 triệu ha)
Mùa kiệt ở ĐBSCL được tính từ tháng I-VI hàng năm (khoảng 6 tháng), với chế độ dòng chảy chịu ảnh hưởng sâu sắc của thủy triều, tuy thuận lợi trong tiêu và cấp
- 16 - nước, song nhưng ngoài biên độ dao động mực nước thủy triều giảm nhanh từ cửa sông (2,3-2,8m) vào nội đồng (0,3-0,5m), thì việc hình thành các giáp nước và sự cạn kiệt dòng chảy khi triều rút và kỳ triều kém cũng gây không ít trở ngại cho phát triển Trong chu kỳ 15 ngày, những ngày triều cường là thời kỳ tích nước tạm thời trong kênh rạch nội đồng và làm tăng mực nước trung bình và ngược lại
Hàng năm, mùa lũ ở ĐBSCL bắt đầu từ tháng VII và kéo dài đến tháng XI, chậm hơn so với quá trình lũ ở thượng nguồn 1 tháng và mưa tại nội đồng 2 tháng Lũ lên xuống chậm, khá hiền hoà, cường suất lũ trung bình 10-15 cm/ngày, cao nhất cũng chỉ đạt 20 cm/ngày, biên độ toàn trận lũ chỉ từ 3-4 m và chênh lệch đỉnh lũ lớn-nhỏ cũng chỉ 0,5-1,0 m Tốc độ truyền lũ chậm, từ Phnom Penh đến Tân Châu mất 3 ngày (200 km), từ Long Xuyên, Chợ Mới ra biển, nếu gặp triều cường, tốc độ truyền lũ lại càng chậm hơn Biến động về thời gian và đỉnh lũ giữa các năm không lớn, tuy nhiên do đồng bằng bằng phẳng nên chỉ cần lũ lớn hơn bình thường là đã gây nên ngập lũ rộng và kéo dài Lũ ở ĐBSCL, bình thường chỉ có 1 đỉnh, xuất hiện vào cuối tháng IX, đầu tháng X, song loại 2 đỉnh cũng xuất hiện ở 1 số năm (1978, 2000 ), thường vào năm lũ lớn
Ba dạng lũ 2 đỉnh khác nhau của lũ 2000, 2001 và 2002:
ĐẶC ĐIỂM THỦY TRIỀU
Chế độ thủy văn ở ĐBSCL còn phụ thuộc vào sự ảnh hưởng của 2 nguồn triều biển Đông và biển Tây Triều biển Đông có chế độ bán nhật triều không đều và biển Tây có chế độ nhật triều không đều Thủy triều luôn giao động theo chu kỳ, từ ngắn (ngày) đến trung bình (nửa tháng, tháng) và dài (năm, nhiều năm) Do vậy, môi trường nước ở đây rất phong phú, tạo điều kiện cho phát triển đa dạng các hệ sinh thái
2.7.1 Đặc điểm thuỷ triều Biển Đông
Biển Đông là một biển lớn dạng kín, nằm trong Thái Bình Dương Thủy triều biển Đông có biên độ rộng (3,5-4,0 m), lên xuống ngày 2 lần (bán nhật triều), với hai đỉnh xấp xỉ nhau và hai chân lệch nhau khá lớn (nên thường có dạng chữ “M”) Thời gian giữa hai chân và hai đỉnh vào khoảng 12,0-12,5 giờ và thời gian một chu kỳ triều ngày là 24h 49p 48s
Hàng tháng, triều xuất hiện 2 lần nước cao (triều cường) và 2 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 Chênh lệch mực nước lớn nhất giữa 2 thời kỳ triều khoảng 1,5- 2,0 m, chênh lệch mực nước bình quân khoảng 0,5-0,6 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 Triều cũng có các dao động rất nhỏ theo chu kỳ nhiều năm (18 năm và 50-
Như vậy, thủy triều Biển Đông có thể xem là tổng hợp của nhiều dao động theo các sóng với chu kỳ ngắn (chu kỳ ngày), vừa (chu kỳ nửa tháng, năm), đến rất dài (chu kỳ nhiều năm)
Mực nước chân triều dao động lớn (1,6-3,0m), trong khi đó mực nước đỉnh triều dao động nhỏ hơn (0,8-1,0m) Kết quả là khoảng thời gian duy trì mực nước cao dài hơn khoảng thời gian duy trì mực nước thấp và đường mực nước trung bình nằm gần với mực nước đỉnh triều, làm hạn chế khả năng tiêu thoát những thuận lợi hơn cho tưới tự chảy
Thủy triều biển Đông truyền vào các kênh rạch nội đồng ĐBSCL thông qua hệ thống sông Cửu Long, hệ thống sông Vàm Cỏ, sông Mỹ Thanh và sông Gành Hào Dọc theo hệ thống sông Cửu Long, triều biển Đông ảnh hưởng vượt qua Tân Châu và Châu Đốc trong mùa kiệt Thậm chí ngay sau cả hợp lưu Mekong - Bassac và Prek Dam vẫn còn thấy dao động thuỷ triều
Hình 2.2 Dạng triều Biển Đông 2.7.2 Đặc điểm thủy triều Biển Tây
Triều biển Tây thuộc loại triều hỗn hợp, thiên về nhật triều Thời gian triều lên và triều xuống xấp xỉ nhau, thường kéo dài từ 11,3-12,0 giờ, với chu kỳ triều ngày 24,3 giờ Biên độ triều lớn nhất biến đổi từ 0,8-1,2 m
Mực nước chân triều dao động ít (0,2-0,4 m), trong khi đó mực nước đỉnh triều dao động nhiều hơn (0,6-0,8 m), nên thuỷ triều thường có dạng chữ “W” Kết quả là khoảng thời gian duy trì mực nước thấp dài hơn khoảng thời gian duy trì mực nước cao
- 19 - và đường mực nước bình quân ngày nằm gần với mực nước chân triều, khó có thể sử dụng đỉnh triều tưới tự chảy nhưng lại thuận lợi hơn cho tiêu thoát nước
Một chu kỳ triều trung bình 15 ngày, trong năm mực nước bình quân tháng cao nhất xảy ra vào tháng XI-XII, thấp nhất xảy ra vào tháng IV-V, trùng với thời kỳ mực nước thấp nhất trên sông Hậu
Thủy triều biển Tây truyền vào các kênh rạch nội đồng vùng BĐCM thông qua sông Cửa Lớn, Bảy Háp, Ông Đốc, Cái Lớn, Cái Bé, kênh Rạch Sỏi
Hình 2.3 Dạng triều Biển Tây
Những đặc điểm trên đây cho thấy: đối với thủy triều biển Đông ảnh hưởng tích cực đến việc lấy nước tưới trong các tháng II-III, tiêu chua trong các tháng VI-VII, nhưng bất lợi cho việc tiêu lũ (X-XI) và mặn xâm nhập mạnh trong tháng IV-V, trong khi đó thủy triều biển Tây thuận cho việc tiêu chua (V-VI) và tiêu lũ, nhưng bất lợi cho việc lấy nước tưới tháng II-III, mặn xâm nhập mạnh trong tháng III-IV
2.7.3 Đặc điểm triều trên sông chính
Thông thường từ cuối tháng XI, khi lượng nước lũ thượng nguồn chuyển về giảm, cùng với mưa ít dần, cũng là lúc thủy triều hoạt động mạnh và gây ảnh hưởng trở lại, dần quyết định chế độ thuỷ văn-thuỷ lực toàn bộ hệ thống sông/kênh ĐBSCL trong mùa kiệt Mực nước trên toàn đồng bằng dao động theo sự lên xuống của thuỷ triều, biên độ mực nước thường đạt giá trị lớn nhất vào tháng IV và tăng dần ra phía biển Sự lệch pha cực trị giữa mực nước thượng nguồn và thủy triều biển Đông làm cho mực nước (đỉnh, chân và trung bình) tháng thấp nhất xảy ra muộn dần từ thượng lưu đến
- 20 - khu vực cửa sông: Tháng IV đối với khu vực Tân Châu - Châu Đốc, tháng V đối với khu vực Cao Lãnh - Mỹ Thuận (sông Tiền) và Long Xuyên - Cần Thơ (sông Hậu), tháng VI đối với khu vực Mỹ Tho - Vĩnh Long (sông Tiền) và Đại Ngãi (sông Hậu) và vùng cửa sông là tháng VII, trước khi lũ về Độ dốc đường mực nước đỉnh triều thay đổi khá phức tạp theo chiều dài của sông Đầu mùa kiệt (XII - II) với độ dốc dương (+) giảm dần thượng nguồn ra cửa biển Giữa mùa kiệt (III - IV) với độ dốc âm (-), giảm dần từ cửa biển lên thượng lưu (trung bình -0,7 đến -9 cm/km) Cuối mùa kiệt (V - VI) độ dốc dương (+) trở lại, giảm dần từ thượng nguồn ra cửa biển, sau đó tăng dần theo sự gia tăng của nước từ thượng nguồn chuyển về cũng là lúc mực nước đỉnh triều vùng cửa biển hạ thấp (thấp nhất vào tháng VI - VII) Độ dốc đường mực nước bình quân và mực nước thấp nhất luôn luôn dương (+) trong suốt mùa kiệt (giảm dần từ thượng nguồn ra cửa biển) và theo thời gian giảm dần từ đầu mùa kiệt (XII), đạt giá trị nhỏ nhất vào IV, sau đó tăng trở theo sự gia tăng của nước thượng nguồn về và sự hạ thấp của triều biển Đông vào tháng VI - VII
Xu thế chung mực đỉnh triều và nước bình quân tháng IV ở sông Tiền cao hơn ở sông Hậu, tuy nhiên có sự khác nhau theo chiều dài dọc sông ra phía biển Ở khu vực phía Bắc Vàm Nao, sự chênh lệch mực nước trung bình tháng IV giữa Tân Châu và Châu Đốc không nhiều (Tân Châu 0,40 m, Châu Đốc 0,37 m), từ Vàm Nao đến Mỹ Tho (sông Tiền) và đến Cần Thơ (sông Hậu), sự chênh lệch này khá lớn (0,10-0,20 m), sau đó giảm nhanh ra tới khu vực cửa sông với sự chênh lệch không đáng kể Chính vì vậy các kênh nối giữa 2 sông càng lên phía thượng lưu càng có tác dụng dẫn nước và tiêu nước từ sông Tiền sang sông Hậu tốt hơn
BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU THƯỢNG LƯU SÔNG MEKONG
Hiện trên lưu vực Mekong có nhiều nghiên cứu và dự báo về biến đổi khí hậu Theo IPCC (Tổ chức liên chính phủ về biến đổi khí hậu), đến 2030, trên lưu vực Mekong, nhiệt độ trung bình tăng khoảng 0,79 o C, lượng mưa trung bình tăng 200 mm (15,3%), chủ yếu vào mùa mưa Lượng mưa mùa khô tăng ở phía Bắc lưu vực và giảm ở phía Nam lưu vực (bao gồm hầu hết hạ lưu vực Mekong) Tổng lượng dòng chảy năm tăng 21% Lũ tăng trên tất cả các vùng trong lưu vực, đặc biệt gây tác động lớn đến phía hạ lưu dòng chính Mekong Theo một nghiên cứu của chuyên gia Úc của ADB, đến 2050, tổng lượng dòng chảy xuống Kratie tăng khoảng 10% Một số nghiên cứu của các nước và tổ chức quốc tế khác như IWMI, Hà Lan… cho rằng đến sau năm
2070, lũ sông Mekong có thể tăng thêm 30-40% và dòng chảy kiệt giảm 20-30% Gần đây nhất, tháng 9/2009, Ủy hội sông Mekong đánh giá, do BĐKH, đến 2050, so với giai đoạn 1985-2000, trong khi dòng chảy lũ sẽ giảm 7-8% tại Stung Treng/Kratie thì dòng chảy kiệt lại tăng xấp xỉ 20% cũng tại 2 vị trí này Tuy nhiên, đối với Tân Châu và Châu Đốc, 2 vị trí cửa ngõ vào ĐBSCL cho thấy mùa lũ tăng 1-2% và mùa kiệt tăng khoảng 10%.
BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Theo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở Việt Nam” của Bộ Tài nguyên và Môi trường, tháng 6/2009, đối với vùng Nam bộ (trong đó có ĐBSCL), ứng với mức theo kịch bản phát thải trung bình, nhiệt độ đến 2020 tăng 0,4 o C, 2030 tăng 0,6 o C và 2050 tăng 1,0 o C Lượng mưa đến 2020 tăng 0,3%, năm 2030 tăng 0,4% và năm 2050 tăng 0,8% Đáng lưu ý lượng mưa trong các tháng mùa khô và đầu mùa mưa (từ tháng XII năm trước đến tháng V năm sau) giảm 5,8% vào năm 2020, 8,5% vào năm 2030 và 15,6% vào năm 2050 Như vậy, tuy lượng mưa cả năm có xu thế tăng nhưng lượng mưa đầu mùa mưa giảm là nguy cơ thiếu hụt nước tưới cho sản xuất vụ Hè-Thu, khiến nhu cầu nước lấy từ sông kênh lớn hơn
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH THỦY LỰC
Do Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng được tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước Tuy nhiên đây là mô hình thương mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan hay cá nhân nào cũng có điều kiện sử dụng
+ MIKE 21 & MIKE FLOOD: Là mô hình thuỷ động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới Mô hình MIKE21-HD là mô hình thuỷ động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy
MIKE21-HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều điều kiện được tính đến, bao gồm:
- Ngập và tiêu nước cho vùng tràn
- Dòng qua công trình thuỷ lợi
Tuy nhiên, MIKE 21 nếu độc lập cũng khó có thể mô phỏng tốt quá trình ngập lụt tại một lưu vực sông với các điều kiện ngập thấp Để có thể tận dụng tốt các ưu điểm và hạn chế những khuyết điểm của cả hai mô hình một chiều và hai chiều trên, DHI đã cho ra đời một công cụ nhằm tích hợp (coupling) cả hai mô hình trên; đó là công cụ MIKE FLOOD
MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn và các nghiên cứu về dâng nước do mưa bão Ngoài ra, MIKE FLOOD còn có thể nghiên cứu về tiêu thoát nước đô thị, các hiện tượng vỡ đập, thiết kế công trình thuỷ lợi và ứng dụng tính toán cho các vùng cửa sông lớn
3.1.2 Mô hình HydroGIS của TS Nguyễn Hữu Nhân Đây là phần mềm mới được xây dựng trong một số năm gần đây, phần nối công cụ GIS, demo kết quả và giao diện khá tốt HydroGis cũng giải hệ phương trình Saint- Venant một chiều bằng sơ đồ sai phân Preissmann, nhưng giải trực tiếp hệ sai phân bằng phương pháp lặp nên tốc độ tính chưa nhanh
Là bộ phần mềm được xem là đầu tiên cho tính toán thủy lực mạng kênh sông, do cố PGS Nguyễn Như Khuê phát triển VRSAP đã được Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam sử dụng cho nhiều dự án quy hoạch cả dự án trong nước và quốc tế VRSAP được nhóm mô hình của Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam hoàn thiện dần trong quá trình áp dụng Phần nâng cấp và hoàn thiện trong nối kết với GIS được giao cho GS Nguyễn Tất Đắc đảm nhiệm và đã có báo cáo qua một đề tài NCKH cấp bộ năm 2005, đã được nghiệm thu 2007 Đây là mô hình toán thủy lực – thủy văn 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
Phần mềm này do DELFT, Hà Lan phát triển gồm phần dòng chảy và tính toán một, hai chiều đã kết nối với công cụ GIS Sử dụng hệ phương trình Saint – Venant một chiều cho dòng chảy trên kênh sông (trong phương trình có kể đến số hạng gió và ảnh hưởng của góc nhập lưu) Sobek cũng sử dụng lược đồ sai phân xen kẽ giống như Mike 11, có (Q;H)
Các yếu tố ô nhiễm được mô phỏng bằng phương trình lan truyền chất một chiều có kể tới quá trình biến đổi sinh hóa của các chất ô nhiễm Phương trình lan truyền chất một chiều được giải bằng phương pháp sai phân, mặc dù có các lựa chọn các sơ đồ, nhưng do bản chất các lược đồ sai phân, kết quả tính vẫn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khuếch tán số.
GIỚI THIỆU MÔ HÌNH TELEMAC-2D
Phần mềm tính toán Telemac – 2D được xây dựng tại Ban nghiên cứu- Điện lực Pháp (EDF- DER, Hervouet 2007, Hervouet 2000) và là một công cụ trong bộ công cụ tích hợp nghiên cứu thủy lực và môi trường mô phỏng sông và biển Tập trung chủ yếu vào việc mô phỏng các dòng chảy có mặt thoáng và vận chuyển chất với khả năng kết nối với module chuyển tải Sisphyne Về cơ bản phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, nhưng cũng được mở rộng sang phương pháp thể tích hữu hạn, được viết bằng ngôn ngữ Fortran 90, dùng chuyên cho các dòng chảy của nước trong môi trường tự nhiên, cho chuyển động của đất bồi lắng và cho việc chuyển tải và khuếch tán các chất hòa tan TELEMAC bao gồm nhiều modules được xây dựng dựa trên các thuật toán mạnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn
Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác không có cấu trúc Nhờ vậy, TELEMAC có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại vị trí có địa hình hay địa mạo phức tạp Các ứng dụng của phần mềm này bao gồm từ việc dự báo lụt, thiết kế cầu và đê, bão dưỡng nền sông, dòng thủy triều, nước biển dâng, cho đến
- 25 - các dòng chất rắn và sự lan tỏa các chất gây ô nhiễm, vận chuyển cát và bồi lắng các dòng chảy ven bờ, xâm nhập mặn, phân bố nhiệt độ và độ mặn
Mô hình TELEMAC ngày nay đã có những cải thiệt đáng kể về tốc độ tính toán do hổ trợ các phương pháp tính toán song song để ứng dụng chạy trên các hệ thống máy chủ lớn Mô hình TELEMAC trước đây khi sử dụng phải trả tiền như các mô hình thương mại khác nhưng gần đây đã trở thành nguồn mở và hoàn toàn miễn phí.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH TELEMAC-2D
Mô hình Telemac - 2D giải phương trình dòng chảy mặt trung bình theo chiều sâu dựa trên phương trình Saint-Venant Kết quả chính tại mỗi nút của lưới tính toán là độ sâu của mực nước và các thành phần vận tốc trung bình theo chiều sâu Ứng dụng chính của Telemac - 2D để tính toán thủy lực trên sông hay ven bờ biển và có tính đến các hiện tượng như:
- Lan truyền sóng dài, bao gồm ảnh hưởng phi tuyến
- Ảnh hưởng của lực Coriolis
- Ảnh hưởng của các hiện tượng khí tượng như: ứng xuất không khí và gió
- Dòng chảy tới hạn và chưa tới hạn
- Tác động của nhiệt độ và độ mặn theo phương ngang đối với khối lượng riêng của nước
- Tọa độ vuông gốc Cartesian và tọa độ cầu đối với miền tính lớn
- Miền tính khô trong trường hợp mô phỏng: vùng ngập triều và vùng ngập lũ
- Sự tải và khuếch tán của chất tan bởi dòng chảy bao gồm các giai đoạn hình thành và phân rã
- Sử lý trường hợp đặc biệt như cống, đập, đê, si phoong …
- Bao gồm các lực kéo tạo ra bởi các công trình thẳng đứng
- Bao gồm hiện tượng thấm qua lổ rỗng
- Có xét đến sự hình thành sóng tức thời (liên kết với các mô đun ARTEMIS and TOMAWAC)
- Kết nối với chuyển tải bùn cát (Mô đun SISYPHE)
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 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 Ở đây đã giải hệ phương trình Saint – Venant với độ chính xác bậc hai theo không gian và thời gian, điều này cho phép thu được độ chính xác đáng kể.
PHƯƠNG TRÌNH DÒNG CHẢY MẶT HAI CHIỀU ỨNG DỤNG
- Phương trình động lượng theo phương x:
- Phương trình động lượng theo phương y: v+u (v)= - g 1 ( ) 3 t y t
Trong đó: h (m) : chiều sâu nước u,v (m/s) : thành phần vận tốc theo phương x và phương y
T (g/l hay o C) : thành phần các chất hay nhiệt độ g (m/s 2 ) : gia tốc trọng trường ν t , ν T : hệ số khuếch tán lượng và khuếch tán chất
Z (m) : cao trình mực nước t (s) : thời gian x,y : tọa độ theo phương x,y
S h (m/s) : lưu lượng đơn vị của nguồn (thành phần trong phương trình liên tục)
S x , S y (m/s 2 ) : các ngoại lực (ví dụ lực Coriolis,…) tác dụng trên một đơn vị khối lượng chiếu theo phương ngang x và y
ST (g/l/s) : lưu lượng chất khuếch tán của nguồn
Trong đó : h,u,v,T là các đại lượng chưa biết
Phương trình được thiết lập trong hệ tọa độ Cartesian và cũng có thể được chuyển sang hệ tọa độ cầu
Sx, Sy (m/s 2 ) là số hạng nguồn tượng trưng cho các thành phần như gió, lực Coriolis, ma sát đáy, nguồn thêm vào của phương trình động lượng trong miền tính Các thành phần khác trong phương trình được biến đổi qua một hoặc nhiều bước sau (trong trường hợp trung bình bằng các phương pháp đặc trưng):
- trung bình các đại lượng h, u, v và T
- các số hạng lan truyền, khuếch tán và nguồn của phương trình động lượng
- các số hạng khuếch tán và nguồn của phương trình chuyển tải
Tính nhớt rối có thể được cung cấp bởi người sử dụng hoặc có thể được xác định bằng mô hình mô phỏng sự chuyển tải của đại lượng rối k (động năng rối) và Epsilon (tiêu tán rối), phương trình như sau: t +u (k)= 1 ( ) kv 5 k k div h T k P P h
Các số hạng vế bên phải của phương trình thể hiện sự sinh ra và mất đi của số hạng rối (năng lượng).
MÔ HÌNH 2D
Các biến trạng thái của phương trình Saint – Venant hai chiều trong dạng bảo toàn là chiều cao cột nước h(t,x,y)≥0 và lưu lượng đơn vị q = hu Các phương trình này được viết như sau :
- q x , q y [m 2 /s]: các thành phần trục x,y của vectơ lưu lượng đơn vị
- ν e : khuếch tán tổng thể có tính tới nhớt rối và khuếch tán số [m 2 /s].
CÁC XẤP XỈ CỦA MÔ HÌNH SAINT – VENANT
Phương trình biến thiên động lượng của hệ phương trình Saint – Venant được viết dưới dạng bảo toàn:
U+ hu + gh ( ) 0 8 t gh S O S f hu hu x x
Số hạng đầu tiên ký hiệu I: biểu thị biến thiên động lượng theo thời gian
Số hạng thứ II : thành phần đối lưu
Số hạng thứ III: áp suất thủy tĩnh
Số hạng thức IV: ma sát đáy và biến thiên độ dốc địa hình
Hệ phương trình Saint – Venant chấp nhận nhiều xấp xỉ khác nhau: xấp xỉ sóng độ học chỉ lưu duy nhất số hạng IV, xấp xỉ sống khuếch tán chỉ lưu hai số III + IV, xấp xỉ cận dùng II+III+IV và xấp xỉ sóng trọng trường I+II+III (Delestre 2010).
XẤP XỈ SÓNG ĐỘNG HỌC
Phương trình [8] diễn giải sự cân bằng giữa nhiều thành phần khác nhau: quán tính, áp suất, trọng trường và ma sát Xấp xỉ sóng động học chỉ chú ý tới ảnh hưởng của ma sát và tổn thất thế năng (độ dốc)
Phương trình động lượng một chiều được viết dưới dạng: S 0 – S f = 0
R A : thành phần ma sát theo công thức Mainning
Tuy nhiên công thức Mainning – Strickler biểu diễn lưu lượng phụ thuộc vào hệ số Mainning n [m -1/3 s -1 ], mực nước h và ma sát S f dưới dạng:
n Biểu thức này cho phép viết u như một hàm số của u( )h như sau:
Thay vào hệ phương trình [9]:
Hạn chế của xấp xỉ này là sẽ không dung khi độ dốc bằng không.
XẤP XỈ SÓNG KHUẾCH TÁN
Xấp xỉ sóng khuếch tán dựa trên việc bỏ qua các số hạng biến thiên theo không gian và thời gian của động lượng Trong không gian một chiều, phương trình động lượng chỉ còn như sau: x S 0 S f h
Mô hình sóng khuếch tán thường được dùng để mô phỏng dòng chảy do mưa trên vùng canh tác nông nghiệp, là một mô hình raster được phát triển đặc biệt để tận dụng dữ liệu địa hình có độ phân giản cao
- A [m 2 ]: diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy
- q[m 3 /s]: thành phần lưu lượng nguồn
- n : hệ số ma sát Mainning
Trong trường hợp này kênh được giả thiết là rộng và nông, bán kính ướt xấp xỉ chiều rộng của kênh Hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng [10], có thể được sai phân đưa về hệ phương trình phi tuyết có thể giải số bằng sơ đồ Newton – Raphson.
CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ
Có nhiều phương pháp để rời rạc hệ phương trình Saint – Venant , trong đó có các phương pháp phổ biến nhất: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thể tích hữu hạn , và mới gần đây là phương pháp hạt SPH (Smoothed – Particule Hydrodynamics) Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng
Phương pháp phần tử hữu hạn được xây dựng dựa trên hai ý chính sau: một là nội suy và hai là biến phân được gọi là “ trọng dư” (EDF R&D – SOGREAH TELEMAC-2D / VALIDATION DOCUMENT [2010]) Trong phương pháp này người ta phân chia không gian thành các phần tử tam giác và tìm giá trị của các biến trạng thái (h,u,v) trên các đỉnh của tam giác Tuy nhiên phương pháp này sử dụng hệ phương trình dạng không bảo toàn không có tính hyperbol nên nó chỉ mô tả được những dòng chảy đủ trơn
Phương pháp thể tích hữu hạn rời rạc hệ phương trình Saint – Venant dạng bảo toàn vì nó có tính hyperbolic Phương pháp này cũng dưa trên việc phân chia không gian thành các phần tử tam giác (lưới không cấu trúc)
Thuật toán chúng ta nhận được sẽ có tính chất bảo toàn không những toàn cục mà có cả ở mức độ địa phương Đầu tiên ta tích phân hệ phương trình trên từng phần tử và chấp nhận giả thiết biến trạng thái được trung bình hóa trên chúng Việc còn lại là xấp xỉ các hàm dòng trao đổi giữa các phần tử tại các mặt Dòng trao đổi ra từ phần tử này sẽ chính là dòng vào của phần tử khác nên thuật toán có tính bảo toàn
3.9.1 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Phương pháp phần tử hữu hạn trở lại sử dụng phương trình [1] với biến h(x,y,t) và ( , , ) ( ) u t x y u v : hệ này được gọi là “vận tốc – độ sâu cột nước” và hệ này không bảo toàn:
(v) ( (v)) x e y e h u grad h hdiv u P I t u h Z u grad u g g F div hv grad u t x x h h Z u grad g g F div hv grad t y y h
Bước đầu tiên chỉ các số hạng đối lưu tương ứng với các thành phần tải của các biến h,u và v, trong trường hợp tính đến dòng rối và lan truyền nhiệt có thêm k, E và T được xử lý
Bước thứ hai, các số hạng còn lại được xử lý: bao gồm thành phần khuếch tán , các thành phần nguồn bằng sơ đồ nửa ẩn theo thời gian
Bước tiếp theo áp dụng các công thức biến phân và phương pháp rời rạc theo không gian của phương pháp phần tử hữu hạn, với cách rời rạc theo thời gian và không gian nêu trên các thành phần phi tuyến sẽ được tuyến tính hóa biến đổi hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng thành một hệ phương trình tuyến tính nơi mà các giá trị của h, u, v tại các nút là các biến cần tìm
Với mỗi bước thời gian, thu nhận một hệ phương trình tuyến tính để giải:
3.9.2 PHƯƠNG PHÁP THỂ TÍCH HỮU HẠN Ưu điểm lớn nhất của phương pháp thể tích hữu hạn là tính đơn giản của sơ đồ và khả năng ứng dụng tổng quát Thông qua hệ phương trình hypecbolic, bất biến Riemann, công thức bước nhảy Rankine- Hugoniot Chúng là nền tảng để xây dựng nhiều cách xấp xỉ của hàm dòng khác nhau Ở đây chỉ tập trung vào kiểu xấp xỉ sai phân ngược dòng nhằm đáp ứng tốt tính chất hypecbolic của phương trình Saint – Venant Xét hệ phương trình Saint - Venant dưới dạng bảo toàn:
Hệ phương trình Saint Venant là hệ quả của các định luật bảo toàn cho chất lỏng không nén được [7] là phương trình liên tục: phương trình này diễn đạt thể tích nước của một miền chỉ phụ thuộc vào dòng đi vào và dòng đi ra khỏi miền, [7.1] và [7.2] biểu diễn định luật hai Newton biến thiên động lượng
Ta có thể biến đổi hệ trên và dạng giả tuyết tính
Trong đó A(U), B(U) là các ma trận Jaccobi tương ứng với các hàm dòng F(U) và G(U)
Với c gh là độ truyền sóng kích động , U 1 =h, U 2 = q x ; U 3 =q y
Một hệ phương trình với các ma trận Jaccobi A(U) và B(U) được gọi là hyperbolic ma trận C(U) tổ hợp tuyến tính của hai ma trận A(U) và B(U): C= w 1 A + w 2 B
Có ba giá trị riêng là các số thực với mọi giá trị của vectơw ( ,w w 1 2 ) Hệ được gọi là hypecbolic mạnh nếu thõa các tính chất trên ngoài ra có ba giá trị riêng khác nhau từng đôi một Điều đó có nghĩa là một vectơ w ( ,w w 1 2 )bất kỳ, hàm dòng được tính bởi biểu thức F U( ) ( , ) F G w F U w ( ) 1 G U w( ) 2 : có ma trận Jaccobi U ( , )F G w chéo hóa được
Quay trở lại phương trình Saint Venant các giá trị riêng của ma trận Jaccobi C(U) như sau:
1 uw1 vw2 c w; 2 uw1 vw2; 3 uw1 vw2 c w
Vì vậy hệ sẽ có tính chất hypecbolic mạnh nếu h>0 Điều đó có nghĩa ma trận Jaccobi chéo hóa được
KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH
XÂY DỰNG MIỀN TÍNH TOÁN CHO MÔ HÌNH
4.1.1 Mô tả lưới tính toán
Miền nghiên cứu trong hệ tọa độ VN 2000 Với phần mềm hỗ trợ chia lưới phần tử Blue Kenue cùng với dữ liệu bản đồ DEM 30 của vùng ĐBSCL Miền tính được giới hạn phía thượng lưu là sông chính Mekong có vị trí khoảng 200km kể từ Châu Đốc Phía hạ lưu miền tính được lấy rộng ra khơi cánh bờ trung bình 60km để giảm thiểu ảnh hưởng của đáy biển vùng ven bờ lên triều thiên văn Diện tích miền tính khoảng 892011 km 2 Toàn bộ miền tính toán cho vùng nghiên cứu được mô hình hóa gồm có 89280 nút và 170856 phần tử Trong sông thì lưới tính với cạnh tam giáo khoảng 80-500m Lưới ngoài biển với cạnh tam giác khoảng 800 – 10000m
Hình 4.1 Sơ đồ lưới tính toán mô phỏng cho miền tính
4.1.2 Các dữ liệu sử dụng trong mô hình tính toán
Giá trị mực nước theo giờ từ ngày 1.3.2013 đến ngày 30.3.2013 [Nguồn số liệu: PGS TS Lê Song Giang – Trường Đại Học Bách Khoa – Tp Hồ Chí Minh]
Dữ liệu bảo đồ DEM 30 của vùng ĐBSCL [Nguồn: Viện Khí Tượng Thủy Văn và Biến Đổi Khí Hậu miền Nam]
Vị trí các trạm thủy văn và các điểm để kiểm định kết quả mô phỏng mô hình
Hình 4.2 Vị trí các trạm thủy văn sử dụng trong mô hình
4.1.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Miền nghiên cứu được giới hạn bởi 2 biên: biên Q(t) ở thượng nguồn sông Mekong và một biên triều thiên văn phía biển
4.1.3.1 Biên lưu lượng tại thượng nguồn sông Mekong
Miền nghiên cứu được giới hạn bởi 2 biên Một biên ở thượng nguồn sông MeKong và một biên phía biển
Biên triều thiên văn từ biển Đông
4.1.3.2 Biên lỏng trên biển (biên triều thiên văn)
Biên ngoài biển Đông và biển Tây lấy theo biên triều thiên văn
Cơ sở lý thuyết trong dự báo triều thiên văn: o i i Fi Fi i i i
- F i (M,t): thành phần độ sâu h, thành phần vận tốc theo phương ngang U,V
- Z mean : cao trình mực nước để hiệu chỉnh mực nước biển
- A Fi (M) và φ Fi (M) là các hằng số điều hòa biên độ và pha được đọc và từ dữ liệu triều thiên văn tương ứng với các thành phần h,U,V
- f i (t), u i -v i (t): là các hệ số suy biến và pha thiên văn ứng với từng phân triều thời điểm t=0
- Bộ dữ liệu dùng cho việc dự báo triều thiên văn cho biên lỏng trên biển được download từ trang http://voikov.oce.edu/tides/region.html
Chuyển động triều là hiện tượng chuyển động sóng Dưới tác động của lực tạo triều biến đổi hoàn toàn, trong biển xuất hện những chu kỳ tương ứng với của lực và những dao động này lan truyền trong biển, chịu tác động của những quá trình khác, dao động ở những điểm khác nhau trên biển sẽ khác nhau về cường độ và pha
Những hạt nước trong sóng triều chuyển động theo những quỹ đạo dạng ellip Người ta quan sát ghi nhận được quỹ đạo ấy thông qua hiện tượng biến thiên tuần hòa của độ cao mực nước thủy triều và các vectơ dòng triều Dòng triều có thể coi như là hình chiếu của quỹ đạo chuyển động lên mặt phẳng ngang, còn dao động mực nước – hình chiếu của quỹ đạo lên mặt phẳng thẳng đứng
Hiện tượng thủy triều biểu hiện dưới dạng biến đổi tuần hoàn của mực nước biển và dòng chảy Ở biển và đại dương các sóng thủy triều lan truyền trong những điều kiện hình học đường bờ và địa hình đáy biển phức tạp Ngày nay sự phát triển của phương pháp tính và kỹ thuật tính toán đã cho phép tính tới một cách đầy đủ những yếu tố chính trong các phương trình động lực thủy triều
Bộ dữ liệu dùng cho việc dự báo triều thiên văn cho biển lỏng trên biển được sử dụng trong luận văn tải từ trang website của Trường Oregon State University (OSU); trường đã cung cấp một giải pháp triều toàn cầu Phân tích điều hòa triều bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất Cho phép những chuỗi quan trắc thực hiện ở những thời điểm khác nhau tại một điểm Tận dụng độ phân giải trong khi quan trắc, nhất là đối với những chuỗi đo dòng chảy Trong sơ đồ chi tiết của phương pháp này tính tới cả sự biến đổi liên tục với thời gian của các tham số thiên văn, do đó nâng cao chính xác của các hằng số điều hòa và số lượng phân triều được phân tích không hạn chế Trong dữ liệu này bao gồm 11 phân triều (M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, M4, MS4 và MN4) hay 13 phân triều (thêm AO + Mf và Mm) Giải pháp này sẽ cung cấp biên độ và pha đối với cao triều và các thành phần vận tốc theo phương ngang U,V
Hình 4.3 Độ phân giải sóng triều thiên văn có độ phân giải 1/30 0 4.1.3.3 Điều kiện ban đầu
Thông qua hệ thống số liệu đầu vào:
Giá trị mực nước và lưu lượng theo thời gian ( từ ngày 1.3.2013 đến ngày 30.3.2013) [Nguồn số liệu: PGS.TS Lê Song Giang]
Giá trị mực nước và lưu lượng theo thời gian ( từ ngày 1.3.2014 đến ngày 30.3.2014) [Nguồn số liệu: Trung tâm khí tượng Thủy Văn Nam Bộ] Điều kiện ban đầu (tại thời điểm t=0) Giá trị ban đầu là chuỗi số liệu mực nước và lưu lượng.
HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH
Mô hình được hiệu chỉnh thông qua:
- Số liệu đo đạc của PGS TS Lê Song Giang [ Trường Đại học Bách Khoa TP
Hồ Chí Minh] Bước thời gian tính toán trong mô hình là 1 giờ Nhằm tìm hệ số nhám theo quy luật Chezyv C RJ với C = (40 – 60 m 0,5 /s).
- Bộ số liệu giá trị mực nước theo giờ từ ngày 1.3.2013 đến ngày 30.3.2013 [Nguồn số liệu: PGS TS Lê Song Giang – Trường Đại Học Bách Khoa – Tp Hồ Chí Minh] Nhằm đánh giá mức độ phù hợp các thông số bằng cách so sánh kết quả thu được từ mô hình với kết quả thực đo
4.2.2 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH THÔNG QUA BỘ SỐ LIỆU NĂM 2013
Bằng cách thử dần các thông số mô hình: kết quả cho thấy hệ số nhám theo quy luật Chezy biến thiên trong khoảng (55 – 70 m0,5/s) đã mang lại kết quả tương đối phù hợp
Hình 4.3 Bản đồ phân bố hệ số Chezy điển hình cho miền tính toán
Mô hình mô phỏng mực nước của một số trạm đo trong thời gian 7 ngày từ ngày 1/3/2013 đến 8/3/2013 tại các trạm Rạch Giá, Sông Đốc, Mỹ Thanh, Gành Hào
Hình 4.4 Mực nước tại trạm Rạch Giá giữa mô phỏng và thực đo vào tháng 3/2013
Hình 4.5 Mực nước tại trạm Sông Đốc giữa mô phỏng và thực đo vào tháng 3/2013
Hình 4.6 Mực nước tại trạm Mỹ Thanh giữa mô phỏng và thực đo vào tháng 3/2013
Hình 4.7 Mực nước tại trạm Mỹ Thanh giữa mô phỏng và thực đo vào tháng 3/2013
Nhận xét: Để đánh giá so sánh kết quả tính toán từ mô hình và số liệu quan trắc, một số tiêu chí đánh giá thích hợp (GOF) giữa kết quả tính toán từ mô hình và giá trị thực đo được thực hiện trong bảng 4.1:
Bảng 4.1 Một số tiêu chí so sánh GOF cho mực nước Z(m)
So sánh kết quả cho bởi mô hình và giá trị thực đo nêu trên cho thấy kết quả tính toán từ mô hình có khả năng mô phỏng khá tốt cho chế độ dòng chảy của khu vực miền tính toán trong chu kỳ tính toán
Tuy nhiên tại các trạm đo, dựa vào bảng đánh giá dựa theo tiêu chí GOF ta thấy kết quả mô hình và giá trị thực đo có sự chêch lệch đáng kể về đỉnh triều được đánh giá là do khả năng địa hình có sự biến động
Song đó ta nhận thấy độ chêch lệch mực nước rất thấp , không đáng kể , lương nước phân bổ không dư cũng không thiếu tại các trạm đo
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN CỦA MÔ HÌNH - 45 - 5.1 CÁC KỊCH BẢN CỦA MÔ HÌNH
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO KỊCH BẢN NƯỚC BIỂN DÂNG
Mô hình bài toán ứng với KB1, KB2, KB3 như sau:
Lưới tính toán: diện tích miền tính khoảng 892011 km 2 Toàn bộ miền tính toán cho vùng nghiên cứu được mô hình hóa gồm có 89280 nút và 170856 phần tử Trong sông thì lưới tính với cạnh tam giáo khoảng 80-500 m Lưới ngoài biển với cạnh tam giác khoảng 800 – 10000 m Điều kiện biên ban đầu:
Giá trị mực nước và lưu lượng theo thời gian ( từ ngày 1.3.2013 đến ngày 30.3.2013) [Nguồn số liệu: PGS.TS Lê Song Giang]
Giá trị mực nước và lưu lượng theo thời gian ( từ ngày 1.3.2014 đến ngày 30.3.2014) [Nguồn số liệu: Trung tâm khí tượng Thủy Văn Nam Bộ] Điều kiện ban đầu (tại thời điểm t=0) Giá trị ban đầu là chuỗi số liệu mực nước và lưu lượng
Mô hình rối (Turbulent model): Mô hình rối với hệ số nhớt rối là hằng số với ν t
= 10 -4 (m 2 /s) Đáy (Bottom): Sử dụng công thức của Chezy với hệ số ma sát từ 55 – 70 m 0,5 /s
Hình 5.1 Bản đồ phân bố hệ số Chezy điển hình cho miền tính toán
Dữ liệu thời gian: Thời gian mô phỏng kéo dài 7 ngày (604.800s) lấy kết quả mô hình 3 ngày cuối cùng Tiến hành chạy bài toán kịch bản nước biển dâng với thời gian mô phỏng là 7 ngày lấy kết quả 3 ngày cuối.
Kết quả mô phỏng cho kịch bản nước biển dâng
Lấy kết quả mô phỏng trong 3 ngày cuối của kịch bản nước biển dâng (KB1,KB2,KB3) so sánh với kịch bản gốc (kịch bản đã kiểm định ở trên) ta được kết quả so sánh sau:
Chọn 3 điểm biên miền tính điểm A, điểm B, điểm C (hình 4.1) với mục đích xem xét điều biên mực nước hạ lưu lấy theo biên triều thiên văn biển Đông và Biên Tây thay đổi ứng với từng kịch bản nước biển dâng như thế nào?
Hình 5.2 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại điểm biên A
Hình 5.3 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại điểm biên B
Hình 5.4 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại điểm biên C
STT Vị trí Z trung bình (m) Z tb tăng so với KBG
KBG KB1 KB2 KB3 KB1 KB2 KB3
Bảng 5.1 So sánh mực nước giữa KB1, KB2, KB3 tại các điểm tính toán Nhận xét : Qua biểu đồ và các bảng so sánh mực nước trên ta rút ra các kết luận sau:
+ Tại các vị trí điểm biên ngoài cùng miền tính điểm A, điểm B, điểm C cách các vị trí cửa sông của miền tính toán khoảng 300-500km mực nước biển trung bình trong KB1, KB2 và KB3 tăng lần luật là 0,25m; 0,5m và 0,75m so với KBG hoàn toàn trùng với kịch bản nước biển dâng đã nêu ra
+ Điều này ta nhận thấy với kịch bản nước biên dâng cao trong KB1, KB2 và KB3 thì tại vị trí các điểm biên ngoài cùng của miền tính toán trong mô hình mực nước tại điểm A, điểm B, điểm C dâng cao tương ứng
Tại các trạm thủy văn:
Hình 5.5 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại Rạch Giá
Hình 5.6 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại Sông Đốc
Hình 5.7 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại Mỹ Thanh
Hình 5.8 So sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại Gành Hào
TT Vị trí KBG KB1 KB2 KB3 Z tb so với KBG
Z tb Z max Z min Z tb Z max Z min Z tb Z max Z min Z tb KB1 KB2 KB3
Bảng 5.2 Tổng hợp kết quả so sánh mực nước giữa KB1, KB2 và KB3 tại các trạm thủy văn
Qua các biểu đồ và bảng so sánh mực nước nêu trên ta rút ra những nhận xét như sau:
Xu thế chung của các kịch bản là các mực nước trung bình của đáy và đỉnh đều gia tăng khi nước biển dâng theo xu thế của kịch bản
Tại trạm Rạch Giá trên sông Hậu cách cửa sông 80 km, trạm Sông Đốc trên sông Tiền cách sửa sông khoảng 100 km và 2 trạm Mỹ Thanh và Gành Hào sát bờ biển chịu tác động rõ rệt của nước biển dâng Mực nước biển dâng lần lượt 0,25m; 0,5m và
0,75m thì tại các trạm mực nước trung bình lần lượt khoảng 0,2m – 0,70m (khoảng 80
Qua đó với kịch bản nước biển dâng làm cho mực nước trên sông Tiền và sông
Hậu cũng tăng theo và càng về phía thượng lưu thì mức độ tăng mực nước càng giảm
Vì vậy các vùng ven biển gần cửa sông sẽ làm những vùng chịu ảnh hưởng rõ rệt của tác động nước biển dâng do biến đổi khí hậu
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua quá trình thực hiện luận văn đã đạt được những kết quả sau:
Luận văn đã thu thập, xử lý bộ dữ liệu về địa hình trên hệ thống sông Tiền và sông Hậu trong vùng ĐBSCL Đây là cơ sở dữ liệu quan trọng làm đầu vào cho mô hình tính toán, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho ĐBSCL sau này
Luận văn đã hiệu chỉnh, kiểm định tham số của mô hình thủy lực trong vùng ĐBSCL vào mùa kiệt tháng 3/2013 Kết quả tại một số vị trí kiểm tra cho thấy sự phù hợp khá tốt đạt kết quả tương đối cao với cao trình mực nước trên sông Tiền và sông Hậu
Với kịch bản biến đổi khí hậu của nước biển dâng tại các vùng khu vực ven biển sẽ chịu tác động tác động mạnh mẽ Nước biển dâng làm biên độ triều tăng lên, nước biển vào sâu hơn, mực nước trên dòng chính sông Tiền, sông Hậu cũng dâng cao và nguồn nước ngọt ở thượng lưu sẽ ngày càng giảm trong tương lai bởi các dự án thủy điển đã và đang tiếp tục triển khải nhằm khai thác tối đa tiềm năng về thủy điện trên sông Mekong vì vây nguy cơ xâm nhập mặn ngày càng tăng trong tương lai
NBD trên thực tế cho thấy đã diễn ra trong 1-2 thập kỷ cuối Thế kỷ 20 và thập kỷ đầu của Thế kỷ 21 và đã gây nên những tác động rõ ràng về:
+ Gây ngập lụt cho những vùng đất thấp nhất của ĐBSCL thông với biển và không có đê bảo vệ (như vùng đất mũi Cà Mau, Ngọc Hiển, Năm Căn…)
+ Hiện tượng sạt lở bờ biển, cửa sông, bờ sông diễn ra ngày càng phức tạp hơn
+ Gây xâm nhập mặn sâu vào các cửa sông Tiền, sông Hậu, đe dọa các cửa lấy nước tưới cho các vùng đất nông nghiệp các vùng cây ăn quả của các tỉnh Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu… (thành quả của công cuộc ngọt hóa)
Trong trường hợp NBD cao sẽ tác động sâu vào các vùng nội đồng thông qua các cửa sông lớn (sông Tiền, sông Hậu, Soài Rạp, Vàm Cỏ, Mỹ Thanh, Gành Hào, Cái
Lớn, Cái Bé), gây ngập nước các vùng trũng nội đồng, cản trở việc thoát lũ, thoát nước mưa Ngập lụt sẽ sâu hơn, kéo dài hơn, gây tác động lớn đến SXNN (mùa vụ, mô hình sản xuất, năng suất…), cản trở việc tiêu thoát nước cho các vùng đô thị, các khu dân cư, ảnh hưởng đến sự ổn định và an toàn của cơ sở hạ tầng Đây là những vấn đề bức xúc nhất và cũng là những nội dung quan trọng của quy hoạch
NBD cao kéo theo sự nâng cao của mốc xói mòn cơ bản, làm biến dạng sóng thủy triều, gia tăng năng lượng thủy triều, làm thay đổi cơ bản tương quan giữa các quá trình sông-biển, thay đổi cân bằng nước, vận chuyển và phân bổ bùn cát Xói mòn sâu sẽ giảm đi, xói mòn ngang sẽ gia tăng Khu vực nhạy cảm nhất là các vùng cửa sông và các thủy vực trong hệ thống sông - biển Môi trường vật lý, môi trường sinh học của tất cả các thủy vực sẽ thay đổi
Tuy nhiên luận văn vẫn còn những hạn chế và cần tiếp tục nghiên cứu sau: Độ chính xác và tính đầy đủ của cơ sở dữ liệu đầu vào còn hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu đặc biệt là nó thay đổi theo thời gian do đó bài toán vẫn chưa có lời giải thỏa đáng
Cần tiếp tục và bổ sung các số liệu địa hình đặc biệt là cao độ đáy sông vì cao độ đáy sông vì thành phần vận tốc dòng chảy sẽ được quyết định bởi địa hình đáy sông
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ gói gọn trong phạm vi tác động của nước biển dâng lên mực nước ven biển tại một số trạm đo ven biển, đánh giá sơ bộ những tác động đến dòng chính trong ĐBSCL, chưa nghiên cứu sự thay đổi địa mạo của lòng sông và xói lở bờ sông cũng như các khu vực lân cận
Hướng nghiên mở rộng tiếp theo của luận văn trong tương lai là tiếp tục nghiên cứu sự thay đổi địa mạo của lòng sông ở cả mùa kiệt và mùa lũ ở ĐBSCL Điều này có thể thực hiện với sự hổ trợ của module SISYPHE đi cùng với phần mềm TELEMAC Quá trình mô phỏng được COUPLING giữa 2 mô hình, kết quả thủy lực của TELEMAC-2D sẽ được SYSYPHE sử dụng để tính toán sự thay đổi của địa hình đáy
- 54 - sông và kết quả địa hình đáy sẽ được cập nhật trở lại cho TELEMAC-2D (quá trình tính toán giữa 2 mô hình diễn ra đồng thời)
[1] Nguyễn Thống Bài giảng Phương pháp số ứng dụng Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2008
[2] Huỳnh Thanh Sơn Bài giảng môn Thủy lực sông ngòi Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2008
[3] Huỳnh Thanh Sơn Bài giảng môn Động lực học sông biển Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2008
[4] Châu Nguyễn Xuân Quang Bài giảng môn Thủy văn nâng cao Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2008
[5] Riadh ATA telemac-2d_user_manual_en_v7p0 EDF,2014
[6] Nguyễn Hữu Nhân “Đánh giá sự biến dạng các yếu tố triều tại vùng biển ven bờ và cửa sông Nam Bộ do nước triều dâng” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy Lợi số 12/2012
[7] Nguyễn Tất Đắc , Lương Quang Xô và các cộng sự Nghiên cứu xác định biên tính toán thủy lực ĐBSCL Viện Quy hoạch Thủy Lợi Miền Nam
PHỤ LỤC 1: Kết quả tính toán mực nước tại trạm đo RẠCH GIÁ giữa thực đo và mô phỏng trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T(h) MP TĐ KB1 KB2 KB3 T(h) MP TĐ KB1 KB2 KB3
PHỤ LỤC 2: Kết quả tính toán mực nước tại trạm đo SÔNG ĐỐC giữa thực đo và mô phỏng trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T (h) MP TĐ KB1 KB2 KB3 T (h) MP TĐ KB1 KB2 KB3
PHỤ LỤC 3: Kết quả tính toán mực nước tại trạm đo MỸ THANH giữa thực đo và mô phỏng trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T(h) MP TĐ KB1 KB2 KB3 T(h) MP TĐ KB1 KB2 KB3
PHỤ LỤC 4: Kết quả tính toán mực nước tại trạm đo GÀNH HÀO giữa thực đo và mô phỏng trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T(h) MP TĐ KB1 KB2 KB3 T(h) MP TĐ KB1 KB2 KB3
PHỤ LỤC 5: Kết quả tính toán mực nước mô phỏng tại VỊ TRÍ ĐIỂM A trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T(h) MP KB1 KB2 KB3 T(h) MP KB1 KB2 KB3
PHỤ LỤC 6: Kết quả tính toán mực nước mô phỏng tại VỊ TRÍ ĐIỂM B trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T(h) MP KB1 KB2 KB3 T(h) MP KB1 KB2 KB3
PHỤ LỤC 7: Kết quả tính toán mực nước mô phỏng tại VỊ TRÍ ĐIỂM C trong 3 KB NBD từ ngày (6 – 8 /03/2013)
T(h) MP KB1 KB2 KB3 T(h) MP KB1 KB2 KB3
