Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu xu thế xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp nhằm dự báo và kiểm soát mặn trên sông Sài Gòn phục vụ cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp ( Tp. HCM)

Để chủ động cho việc khai thác cần phải nghiên cứu xây dựng kế hoạch dài hạn, trung hạn và ngắn hạn dựa trên tính toán dự báo xâm nhập mặn để chủ động sử dụng hiệu quả nguồn nước hồ Dầu

oOo

ƯNG NGỌC NAM

NGHIÊN CỨU XU THẾ XÂM NHẬP MẶN VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NHẰM DỰ BÁO VÀ KIỂM SOÁT MẶN TRÊN SÔNG SÀI GÒN PHỤC VỤ

CẤP NƯỚC CHO NHÀ MÁY NƯỚC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS HUỲNH THANH SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN THỐNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS HUỲNH CÔNG HOÀI

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 21 tháng 09 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Ưng Ngọc Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1983 Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy

Giới tính: Nam Nơi sinh : Quảng Ngãi Mã số : 60.58.40

1- TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu xu thế xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp nhằm dự báo và kiểm soát mặn trên sông Sài Gòn phục vụ cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp (Tp.HCM)

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

(i) Nghiên cứu tổng quan về thuỷ văn, thuỷ lực và xâm nhập mặn ở hạ du sông Sài Gòn

(ii) 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

(iii) Giới thiệu mô hình MIKE 11 về cơ sở lý thuyết và các điều kiện ổn định của mô hình thủy lực và xâm nhập mặn Ứng dụng thành công mô hình MIKE 11 để tính toán thuỷ lực và xâm nhập mặn ở hạ du sông Sài Gòn phục vụ nghiên cứu cũng như làm cơ sở phục vụ sản xuất thực tế

(iv) Xây dựng và tính toán một số kịch bản dự báo mặn cho nhà máy nước Tân Hiệp theo các giai đoạn (dài hạn, trung hạn và ngắn hạn), khi có các công trình thượng lưu năm 2020 có xét đến biến đổi khí hậu

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: THÁNG 06 NĂM 2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: THÁNG 6 NĂM 2011 5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS HUỲNH THANH SƠN

Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS HUỲNH THANH SƠN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS HUỲNH THANH SƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ quí báu của Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận cho tác giả trong suốt quá trình theo học và thực hiện luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đối với PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn

Xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo và cán bộ Phòng Sau Đại học, Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nước - Khoa Xây Dựng - Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình theo học cũng như trong thời gian làm luận văn

Xin chân thành cám ơn Ban Giám đốc và các cán bộ thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cũng như vật chất trong suốt quá trình theo học và thời gian làm luận văn

Xin cám ơn Dự án DANIDA - Chính phủ Đan Mạch đã cung cấp và và giúp đỡ tác giả các chương trình phần mềm, tài liệu để phục vụ việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn tác giả đã nhận được sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình của các cán bộ, đồng nghiệp trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước và mô hình toán đặc biệt là toàn thể anh chị em thuộc Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên nước - Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã giúp đỡ và cung cấp cho tác giả những số liệu quí báu và trao đổi những kinh nghiệm từ các đề tài nghiên cứu, dự án sản xuất Cuối cùng là sự cám ơn tới những người thân trong gia đình và bạn bè đã cổ vũ và động viên tác giả trong suốt quá trình theo học và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cám ơn !

triệu người dân TP.HCM Tuy nhiên, trong những năm gần đây, đặc biệt là mùa kiệt năm 2005 (năm hạn) do dòng chảy từ thượng lưu nhỏ kết hợp với mực nước triều dâng cao làm xâm nhập mặn lấn sau vào trong nội đồng và ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình cấp nước của nhà máy nước Tân Hiệp Trước tình hình này, Nhà máy nước Tân Hiệp phải yêu hồ chứa Dầu Tiếng xả nước đẩy mặn và xây dựng trạm đo mặn tại cửa lấy nước của trạm bơm Hòa Phú Đến thời điểm này, lượng nước yêu cầu xả từ hồ Dầu Tiếng chỉ được xác định theo định tính mà chưa có cơ sở tính toán cụ thể Việc này có thể gây lãng phí về nguồn nước cũng như là kinh phí nếu xả nhiều hơn cần thiết và chất lượng nước không đạt khi xả quá ít Để chủ động cho việc khai thác cần phải nghiên cứu xây dựng kế hoạch dài hạn, trung hạn và ngắn hạn dựa trên tính toán dự báo xâm nhập mặn để chủ động sử dụng hiệu quả nguồn nước hồ Dầu Tiếng khi cần

Mặt khác, sông Sài Gòn và Đồng Nai là nơi chịu tác động trực tiếp của triều ngoài biển Do vậy, mực nước biển dâng sẽ là một tác động không nhỏ tới xâm nhập

mặn trong vùng đặc biệt là các nhà máy cấp nước Do vậy việc nghiên cứu xu thế xâm nhập mặn và đề xuất các giải pháp nhằm dự báo và kiểm soát mặn trên sông Sài Gòn phục vụ cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp là rất cần thiết

Tan Hiep water supply factory with a capacity of 300,000 m/day, water supply for millions of people in Hochiminh City However, in recent years, especially in dry season in 2005 (drought year) due to small flow from upstream combined with rising water level next to salt water intrusion into the infield and seriously affected water supply to the process of Tan Hiep water supply factory In this situation, Tan Hiep water supply factory have to Dau Tieng reservoir requires water discharge to push salty and build salt stations in Hoa Phu pumping station At this time, the water discharge requirements from Dau Tieng only be determined by the properties that do not have specific computing facilities This can cause wastage of water as well as more funding if necessary discharge and water quality does not meet the discharge too little In order to exploit the initiative need to research long-term plans, medium term plans and short-term plans based on calculated forecasts salinization for active efficient use of water Dau Tieng as needed

On the other hand, the Saigon River and the Dong Nai river is directly affected by sea tides Therefore, sea level rise will not be a small impact to saltwater intrusion in the region especially the water supply factory So the research salinity trends and suggest solutions to predict and control of salinity on the Saigon River for water supply for Tan Hiep water supply factory is essential

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

I.  Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn 5 

II.  Mục đích của Luận văn 6 

III.  Các nghiên cứu có liên quan 6 

IV.  Phương pháp nghiên cứu và dự báo 7 

1.  Các phương pháp nghiên cứu đã và đang dùng cho việc nghiên cứu thủy lực và xâm nhập mặn 7 

2.  Phân tích và lựa chọn phương pháp nghiên cứu trong đề tài 8 

3.  Phương pháp dự báo 8 

V.  Các nội dung nghiên cứu của Luận văn 10 

VI.  Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 10 

VII.  Cấu trúc của Luận văn 11 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ THUỶ VĂN, THUỶ LỰC VÀ XÂM NHẬP MẶN Ở HẠ DU SÔNG SÀI GÒN - ĐỒNG NAI 12 

1.1  Tổng quan về lưu vực Sài Gòn - Đồng Nai 12 

1.1.1  Vị trí địa lý 12 

1.1.2  Hệ thống sông ngòi 12 

1.2  Tài liệu địa hình 17 

1.3  Tài liệu khí tượng thủy văn 20 

1.4  Diễn biến xâm nhập mặn vùng nghiên cứu 22 

1.4.1  Trước khi có hồ Dầu Tiếng 23 

1.4.2  Sau khi có hồ Dầu Tiếng 23 

1.4.3  Tình hình xâm nhập mặn những năm gần đây 24 

1.4.4  Quan hệ giữa xâm nhập mặn và lưu lượng xả của thượng lưu 24 

1.5  Yêu cầu nghiên cứu về thuỷ lực và xâm nhập mặn ở hạ du sông Sài Gòn 27 

1.6  Vai trò của hồ Dầu Tiếng trong việc đẩy mặn và cải thiện chất lượng nước cho sông Sài Gòn 28 

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN THỦY LỰC, TRUYỀN CHẤT VÀ MÔ HÌNH TÍNH 31 

2.1  Bài toán thủy lực một chiều 31 

2.1.1  Hệ phương trình vi phân cơ bản 31 

2.1.2  Điều kiên biên và điều kiện ban đầu 32 

2.1.3  Phương pháp giải bài toán thủy lực một chiều 33 

2.2  Bài toán truyền chất một chiều (cụ thể cho bài toán truyền mặn) 37 

2.2.1  Phương trình truyền chất một chiều 38 

2.1.1  Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 39 

2.1.2  Phương pháp sai phân giải bài toán truyền chất 1 chiều 40 

2.3  Một số Mô hình thuỷ lực và truyền chất được áp dụng ở Việt Nam 44 

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MIKE 11 47 

3.1  Giới thiệu mô hình toán 47 

3.2.2  Thuật toán giải 51 

3.2.3  Các điều kiện ổn định của mô hình 57 

3.3  Cơ sở lý thuyết và sơ đồ giải bài toán truyền chất 58 

3.3.1  Phương trình cơ bản 58 

3.3.2  Các điều kiện biên và điều kiện ban đầu 59 

3.3.3  Thuật toán giải 60 

3.3.4  Các điều kiện ổn định của mô hình 63 

3.4  Mô hình tính toán dòng chảy 64 

3.5  Mô phỏng phân bố nước 65 

3.6  Xây dựng sơ đồ thủy lực và xâm nhập mặn 66 

3.6.1  Phạm vi sơ đồ tính 66 

3.6.2  Biên sơ đồ tính 67 

3.6.3  Tính toán hiệu chỉnh mô hình 68 

3.6.4  Đánh giá nhận xét kết quả mô phỏng 76 

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN DỰ BÁO XÂM NHẬP MẶN CHO NHÀ MÁY NƯỚC TÂN HIỆP 77 

4.1  Các kịch bản tính toán 77 

4.1.1  Dự báo xâm nhập mặn phục vụ cho việc cấp nước 77 

4.1.2  Dự báo khi có tác động của biền đổi khí hậu 77 

4.2  Kết quả tính toán 77 

4.2.1  Dự báo dòng chảy đến 77 

4.2.2  Dự báo mực nước hồ 79 

4.2.3  Dự báo xâm nhập mặn phục vụ cho việc cấp nước 80 

4.2.4  Dự báo xâm nhập mặn có xét đến biến đổi khí hậu 87 

BẢNG BIỂU

Bảng 1: Mạng lưới trạm khí tượng dùng trong tính toán lưu vực sông Đồng Nai 20

Bảng 2: Mạng lưới trạm mưa bổ sung dùng trong tính toán lưu vực sông Đồng Nai 21

Bảng 3: Mạng lưới trạm thủy văn hạ lưu Đồng Nai - Sài gòn 21

HÌNH VẼ Hình 1 2 Bản đồ tổng thể khu vực nghiên cứu 1

Hình 1 3: Bản đồ cao độ số vùng hạ lưu Sài Gòn - Đồng Nai 17

Hình 1 4: Bản đồ cao độ số Thành phố Hồ Chí Minh 18

Hình 1 5: Một số mặt cắt đo đạc năm 2009 trong mô hình 18

Hình 1 6: Vị trí đo đạc mặt cắt ngang sông Đồng Nai 19

Hình 1 7: Mặt cắt sông Đồng Nai cập nhật mới trong mô hình 19

Hình 1 8: Sơ họa vị trí đo đạc khí tượng thủy văn 22

Hình 1 9: Mực nước thực đo tại Vũng Tàu 22

Hình 1 10: Số liệu mặn năm 2005 tại Lái Thiêu 24

Hình 1 11: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2005 25

Hình 1 12: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2006 25

Hình 1 13: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2006 26

Hình 1 14: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2006 26

Hình 1 15: Số liệu mặn năm 2006-2009 tại trạm bơm Hòa Phú 26

Hình 2 1 Miền xác định của hệ phương trình 33

Hình 2 2 Lưới đặc trưng 35

Hình 2 3 Sơ đồ các phương pháp số giải hệ phương trình Saint - Venant 36

Hình 2 4 Điều kiện biên và điều kiện đầu 39

Hình 2 5 Giải bài toán tải bằng đường đặc trưng 41

Hình 2 6 Nội suy Lagrange 43

Hình 3 1 Sơ đồ giải 52

Hình 3 2 Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình liên tục 52 

Hình 3 3 Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình động lượng 54 

Hình 3 4 Ranh giới cho ô trữ 60 

Hình 3 5 Sơ đồ tính truyền chất 60 

Hình 3 6 Phân chia lưu vực trong Mô hình NAM-Toàn lưu vực 64 

Hình 3 7 Phân chia lưu vực trong Mô hình NAM-Vùng hạ lưu 65 

Hình 3 8: Sơ đồ tính phân bổ nước MIKE BASIN 66 

Hình 3 9: Sơ đồ thủy lực hạ lưu Sài gòn Đồng Nai địa hình năm 2009 67 

Hình 3 10: Sơ họa vị trí các trạm thủy văn Quốc Gia 68 

Hình 3 11: Sơ họa vị trí các trạm thủy văn đo tăng cường năm 2008 69 

Hình 3 12: Mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm Phú An 70 

Hình 3 13: Mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm Thủ Dầu 1 70 

Hình 3 14: Mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm Biên Hòa 70 

Hình 3 15: Mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm Nhà Bè 71 

Hình 3 16: Lưu lượng thực đo và mô phỏng tại cửa sông Nhà Bè năm 2008 71 

Hình 3 17: Lưu lượng thực đo và mô phỏng tại cửa sông Lòng Tàu năm 2008 71 

Hình 3 18: Lưu lượng thực đo và mô phỏng tại sông Soài Rạp năm 2008 72 

Hình 3 19: Lưu lượng thực đo và mô phỏng tại cửa sông Vàm Cỏ năm 2008 72 

Hình 3 20: Kiểm định mực nước tại trạm Biên Hòa năm 2008 72 

Hình 3 21: Kiểm định mực nước tại trạm Bến Lức năm 2008 73 

Hình 3 22: Kiểm định mực nước tại trạm Nhà Bè năm 2008 73 

Hình 3 23: Kiểm định mực nước tại trạm Phú An năm 2008 73 

Hình 3 24: Kiểm định mực nước tại trạm Thủ Dầu 1 năm 2008 74 

Hình 3 25: Hiệu chỉnh mặn tại trạm Cát Lái năm 2005 74 

Hình 3 26: Hiệu chỉnh mặn tại trạm Thủ Thiêm năm 2005 74 

Hình 3 27: Hiệu chỉnh mặn tại trạm Lái Thiêu năm 2005 75 

Hình 3 28: Hiệu chỉnh mặn tại trạm Nhà Bè năm 2005 75 

Hình 3 29: Hiệu chỉnh mặn tại trạm bơm Hòa Phú năm 2007 75 

Hình 3 30: Hiệu chỉnh mặn tại trạm bơm Hòa Phú năm 2007 75 

Hình 4 1: Mực nước hồ Dầu Tiếng giữa thực đo và dự báo 80

Hình 4 2: Mực nước hồ Trị An giữa thực đo và dự báo 80

Hình 4 3: Nồng độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú giữa thực tế và không xả 81

Hình 4 4: Đường phân bố mặn lớn nhất trên sông Sài gòn giữa thực tế và không xả 81

Hình 4 5: Đường phân bố mặn lớn nhất trên sông Đồng Nai giữa thực tế và không xả 82

Hình 4 6: Nồng độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú giữa KB1-1 và KB1-2 83

Hình 4 7: Chi tiết nồng độ mặn tại trạm bơm Hòa Phú giữa các trường hợp tính 84

Hình 4 8: Triều dự báo năm 2010 84

Hình 4 9: Dự báo quá trình mặn tại nhà máy nước Tân Hiệp tháng 4 và 5 86

Hình 4 10: Dự báo quá trình mặn tại nhà máy nước Tân Hiệp tháng 4 86

Hình 4 11: Yêu cầu xả nước và quá trình mặn dự báo tại nhà máy nước Tân Hiệp tháng 4 87

Hình 4 12: Nồng độ mặn tại Lái Thiêu trên sông Sài Gòn 88

Hình 4 13: Nồng độ mặn tại Phú An trên sông Sài gòn 88

Hình 4 14: Nồng độ mặn tại Nhà Bè trên sông Đồng Nai 89

Hình 4 15: Đường phân bố mặn lớn nhất trên sông Đồng Nai 89

Hình 4 16: Đường phân bố mặn lớn nhất trên sông Sài gòn 90

MỞ ĐẦU

I Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn

Những năm gần đây, thực trạng xâm nhập mặn trên sông Sài Gòn và Đồng Nai khiến cho độ mặn vượt quá tiêu chuẩn cho phép, các nhà máy nước hoạt động luôn trong tình trạng “canh chừng” và phụ thuộc nhiều vào nồng độ mặn diễn biến trên các cửa lấy nước 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 sông Sài Gòn diễn biến phức tạp, độ mặn có chiều hướng gia tăng và ảnh hưởng trực tiếp đến Trạm bơm nước thô cấp nước sinh hoạt cho người dân vùng hạ lưu

Nhà máy nước Tân Hiệp được xây dựng và đưa vào vận hành từ tháng 07 năm 2004 sử dụng nguồn nước sông Sài Gòn và mua một phần lượng nước hồ Dầu Tiếng

nhiên, trong những năm gần đây, đặc biệt là mùa kiệt năm 2005 (năm hạn) do dòng chảy từ thượng lưu nhỏ kết hợp với mực nước triều dâng cao làm xâm nhập mặn lấn sau vào trong nội đồng và ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình cấp nước của nhà

kéo dài hơn Điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến việc cung cấp nước cho người dân TP.HCM Hiện tại, giải pháp trước mắt để hạn chế độ mặn của nước, Sawaco vẫn phải “nhờ” nguồn nước từ hồ Dầu Tiếng để pha loãng

Để đảm bảo cấp nước theo thiết kế, Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn (đơn vị chủ quản của nhà máy nước Tân Hiệp) đã phải yêu cầu hồ Dầu Tiếng xả thêm nước đẩy mặn và xây dựng trạm đo mặn tại cửa lấy nước của trạm bơm Hòa Phú Tuy nhiên, việc xả đẩy mặn của hồ Dầu tiếng chỉ là giải pháp tạm thời và việc sử dụng nước ngọt của hồ Dầu Tiếng xả đẩy mặn gây lãng phí nguồn nước Trong những năm gần đây, lượng nước yêu cầu chỉ được xác định theo định tính mà chưa có cơ sở tính toán cụ thể Việc này có thể gây lãng phí về nguồn nước cũng như là kinh phí nếu xả nhiều hơn cần thiết và chất lượng nước không đạt khi xả quá ít Để chủ động cho việc khai thác cần phải nghiên cứu xây dựng kế hoạch dài hạn, trung hạn và ngắn hạn dựa trên tính toán dự báo xâm nhập mặn để chủ động sử dụng hiệu quả nguồn nước hồ Dầu Tiếng khi cần

Mặt khác, sông Sài Gòn và Đồng Nai là nơi chịu tác động trực tiếp của triều ngoài biển Do vậy, mực nước biển dâng sẽ là một tác động không nhỏ tới xâm nhập mặn

trong vùng đặc biệt là các nhà máy cấp nước Do vậy việc nghiên cứu xu thế xâm nhập

mặn và đề xuất các giải pháp nhằm dự báo và kiểm soát mặn trên sông Sài Gòn phục vụ cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp là rất cần thiết

II Mục đích của Luận văn

Để chủ động cho việc khai thác cần phải nghiên cứu xây dựng kế hoạch dài hạn, trung hạn và ngắn hạn dựa trên tính toán dự báo xâm nhập mặn để chủ động sử dụng

nhập mặn và đề xuất các giải pháp nhằm dự báo và kiểm soát mặn trên sông Sài Gòn

quyết các yêu cầu đó

III Các nghiên cứu có liên quan

1 Đánh giá việc quản lý nguồn nước hợp biên bởi WB – ADB – FAO đã xác định lưu vực này là trọng điểm của cả nước về phương diện thiếu nguồn và nước về mùa khô rất hạn chế

2 Nghiên cứu qui hoạch tổng thể trên sông Đồng Nai và các lưu vực xung quanh đã đặt ra một khuôn khổ để quản lý và phát triển nguồn nước nhằm đáp ứng các nhu cầu của lưu vực

3 Năm 1999 – 2002, Công ty tư vấn Blak & Veatch nghiên cứu phương án chuyển nước từ lưu vực sông Bé sang hồ Dầu Tiếng để tăng cường cấp nước cho Tp HCM, các khu tưới ven sông Vàm Cỏ, với lưu lượng khoảng 50 m3/s

4 Nghiên cứu lập qui trình vận hành hồ Dầu Tiếng trong sự phối hợp với Trị An, Thác Mơ – Phước Hoà (hoàn thành tháng 12/1995) Nghiên cứu qui trình xả của hồ Dầu Tiếng xuống sông Sài Gòn để đáp ứng yêu cầu cấp nước cho nông nghiệp, dân sinh và cải thiện chất lượng nước cho sông Sài Gòn

5 Đánh giá tác động môi trường của hồ Phước Hoà đối với hạ du sông Sài Gòn và Vàm Cỏ (Hoàn thành tháng 12/1994)

6 Báo cuối kỳ của JICA về quy hoạch tổng hợp thủy lợi lưu vực sông Đồng Nai tháng 5/1996

7 Báo cáo nghiên cứu khả thi hệ thống thuỷ lợi tổng hợp Phước Hoà (hoàn thành năm 2001 do công ty Blak & Veatch thực hiện)

8 Quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước sông Sài Gòn – Phân Vện Kảo sát Quy hoạch Thủy lợi Nam Bộ

9 Nghiên cứu về xâm nhập mặn Sài Gòn - Đồng Nai của Viện Khoa học Thủy lợi Miền nam năm 1995, 1997,1999

10 Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm quản lý và phát triển bền vững hệ thống công trình Dầu Tiếng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng kinh tế trọng điểm phía Nam

11 Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam (2008), Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực thành phố Hồ Chí Minh

IV Phương pháp nghiên cứu và dự báo 1 Các phương pháp nghiên cứu đã và đang dùng cho việc nghiên cứu thủy

lực và xâm nhập mặn

Để nghiên cứu diễn biến thủy lực nói chung và mùa kiệt nói riêng có rất nhiều các tiếp cận khác nhau Trước đây việc đo đạc tại chỗ và sử dụng các mô hình thí nghiệm quy mô nhỏ là những phương tiện khảo sát duy nhất Sau này với việc phát triển của máy tính và phương pháp toán số thì việc giải bài toán thủy lực trở nên dễ dàng hơn dựa vào mô hình toán thủy lực từ phức tạp nhất 3D tới các mô hình đơn giản 1D và tất cả đều xuất phát từ PT Navier – Stokes trung bình

Mô hình toán học hiện nay trong và ngoài nước phát triển mạnh mẽ và đã ứng dụng giải những bài toán từ đơn giản tới phức tạp và đạt được những thành tựu đáng kể, ngày càng sát với tự nhiên hơn

Các mô hình toán trong nước: VRSAP (Nguyễn Như Khuê), TLUC (Nguyễn Tất Đắc), KOD 01 (Nguyễn Ân Niên) và mô hình HYDROGIS (Nguyễn Hữu Nhân)… và

thủy lực mùa kiệt

Các mô hình toán của nước ngoài như: SOBEK( Hà Lan), các mô hình trong họ HEC ( Hoa Kỳ), và các mô hình thuộc họ MIKE (Đan Mạch) …

Tất cả các mô hình này hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam trong các Đề tài nghiên cứu cũng như trong sản xuất và thường cho kết quả khá tốt

Trên cơ sở mô hình thuỷ động lực học ở trên, các modul mô phỏng xâm nhập mặn được thiết lập

2 Phân tích và lựa chọn phương pháp nghiên cứu trong đề tài

Để mô phỏng diễn biến thủy lực và xâm nhập mặn của hệ thống sông kênh vùng ảnh hưởng triều, công cụ hữu hiệu nhất hiện nay là dùng phương pháp mô hình toán như đã phân tích ở trên Mô hình toán hiện nay đã được lập trình tương đối hoàn hảo và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Qua phân tích ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của mô hình toán vào khu vực nghiên cứu của đề tài tôi dự kiến sử dụng mô hình MIKE11 làm công cụ nghiên cứu của đề tài

3 Phương pháp dự báo

Quá trình dự báo mặn có thể chia ra làm 3 giai đoạn dự báo (dài hạn, trung hạn và ngắn hạn), khi thời gian dự báo càng nhỏ thì mức độ sai khác càng ít do cập nhật được thêm số liệu cho mô hình

Dự báo dài hạn: Có thể dự báo cho một mùa kiệt (dự báo theo mùa) Dự báo trung hạn: Có thể dự báo cho một mùa tháng (dự báo theo tháng) Dự báo ngắn hạn: Có thể dự báo cho một chu kỳ triều hoặc nửa chu kỳ triều (dự báo theo ngày)

Để dự báo mặn cho vùng nghiên cứu, trước tiên phải dự báo được lưu lượng từ thượng lưu, dòng chảy trong vùng nghiên cứu và mực nước triều Vũng Tàu

+ Dự báo mực nước triều

- Đối với mực nước triều hạ lưu có thể biết trước được nhờ dự báo triều theo các năm cho từng trạm đo thủy triều Mức độ sai khác giữa dự báo và thực đo thường là không nhiều, khoảng chênh lệch giữa dự báo với thực đo dưới 10 cm

Tính toán dự báo dài hạn cho NMN

Tân Hiệp Dự báo lưu lượng

thượng lưu và vùng nghiên cứu

Dự báo và hiệu chỉnh mực nước triều Vũng Tàu

Cập nhật số

liệu mới về

mực nước lưu lượng và mặn

Hiệu chỉnh mô hình với các tài liệu thu thập

Tính toán dự

báo trung

hạn cho NMN

Tân Hiệp

Cập nhật số

liệu mới về

mực nước lưu lượng và mặn

Tính toán dự

báo ngắn

hạn cho NMN

Tân Hiệp

- Tuy nhiên, khoảng chênh lệch này có thể hiệu chỉnh giữa thực đo và dự báo cho chính xác hơn khi dự báo ngắn hạn do xu thế triều Vũng tàu luôn theo một xu thế nhất định trong 1 chu kỳ triều

Hình 1: Mực nước triều Vũng Tàu thực đo

+ Dự báo dòng chảy thượng lưu

- Đối với lưu lượng thượng lưu có thể dự báo theo mưa của mùa mưa năm trước Thông thường với lưu vực lớn, mùa mưa năm trước sẽ ảnh hưởng lớn tới dòng chảy mùa kiệt trong năm sau do mùa kiệt vùng nghiên cứu thường không có mưa

- Từ dòng chảy này, kết hợp với mực nước đã biết của các hồ chứa thượng lưu sẽ có kế hoạch vận hành công trình để phát điện và cấp nước cho hạ lưu trong mùa kiệt

+ Dự báo dòng chảy trong vùng

Tương tự đối với lưu lượng vùng hạ lưu cũng có thể dự báo theo mưa của mùa mưa năm trước Tuy nhiên, đối với những lưu vực nhỏ, trong mùa kiệt thông thường sẽ không còn dòng chảy

Quá trình tính toán được thể hiện như sau:

V Các nội dung nghiên cứu của Luận văn

Thu thập tài liệu địa hình vùng nghiên cứu Thu thập tài liệu khí tượng thủy văn và số liệu mặn vùng nghiên cứu Phân tích và xử lý tài liệu

Sơ bộ phân tích lựa chọn các phương pháp nghiên cứu Tập trung vào phương pháp nghiên cứu bằng mô hình toán Cơ sở lý thuyết

Lựa chọn mô hình tính Xây dựng sơ đồ tính toán Kiểm nghiệm mô hình tính theo tài liệu thực đo Nghiên cứu hiện trạng thủy lực và xâm nhập mặn vùng hạ du sông Sài Gòn Tính toán một số phương án xả của hồ Dầu Tiếng xuống hạ du sông Sài Gòn ứng với trường hợp mực nước biển dâng qua đó đánh giá về thủy lực và xâm nhập mặn Xây dựng những bản, biểu đồ phục vụ dự báo xâm nhập mặn

Nghiên cứu, dự báo và đề xuất các giải pháp nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nước hồ Dầu Tiếng cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp

VI Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu cho hạ du Sài Gòn - Đồng Nai trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu dự báo ảnh hưởng của xâm nhập mặn tới trạm bơm Hòa Phú trên sông Sài Gòn cấp nước cho nhà máy nước Tân Hiệp

Hình 2: Vị trí địa lý vùng nghiên cứu

VII Cấu trúc của Luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận - kiến nghị, nội dung nghiên cứu của luận văn được trình bày trong 5 chương:

(i) Chương 1 Tổng quan nghiên cứu thủy văn, thủy lực và xâm nhập mặn

ở hạ du sông Sài Gòn - Đồng Nai (ii) Chương 2 Tổng quan về bài toán thủy lực, truyền chất và mô hình tính (iii) Chương 3 Giới thiệu mô hình tính toán MIKE 11

(iv) Chương 4 Tính toán dự báo xâm nhập mặn cho nhà máy nước Tân

Hiệp (v) Chương 5 Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ THUỶ VĂN, THUỶ LỰC VÀ XÂM NHẬP MẶN Ở HẠ DU SÔNG SÀI GÒN - ĐỒNG NAI 1.1 Tổng quan về lưu vực Sài Gòn - Đồng Nai

1.1.1 Vị trí địa lý

Lưu vực Sài Gòn – Đồng Nai nằm ở miền Nam Việt Nam, vị trí 105o49’ - 108o44’ kinh độ đông và 10o19’ - 12o12’ vĩ độ bắc Hệ thống sông Đồng Nai bao gồm các sông chính như sông Đồng Nai, sông La Ngà, sông Bé, sông Sài Gòn, sông Vàm Cỏ với tổng diện tích lưu vực 40,683 km2 trong đó khoảng 10% diện tích lưu vực thuộc Campuchia Theo điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn dòng chảy có thể phân lưu vực Sài Gòn – Đồng Nai thành hai vùng đặc trưng (thượng lưu và hạ lưu)

Trong đó vùng hạ lưu (tính từ sau thác Trị An trên sông Đồng Nai và sau hồ Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn) đây là vùng đất thấp có hệ thống kênh rạch dày đặc nối kết các sông chính Đồng Nai–Sài Gòn–Vàm Cỏ như Rạch Chiếc, Cây Khô, Cần Giuộc, Chợ Đệm, Bến Lức, Rạch Tra, Thầy Kai, Ạn Hạ v.v Với địa hình bằng phẳng, lòng sông sâu và hệ thống sông kênh chịu tác động mạnh của thủy triều Về mùa kiệt, dòng chảy thượng nguồn giảm đã làm gia tăng ô nhiễm nguồn nước bởi các khu công nghiệp, các thành phố nằm dọc hai bên bờ sông Vào mùa mưa, vùng hạ lưu bị ngập úng do lũ thượng nguồn kết hợp thuỷ triều và mưa địa phương [1,12,15]

1.1.2 Hệ thống sông ngòi

• Dòng chính sông Sài Gòn: Bắt nguồn từ vùng đồi núi cao thuộc Campuchia và huyện Lộc Ninh (Bình Phước) chảy qua các tỉnh Tây Ninh, Bình Phước, Bình Dương và Tp Hồ Chí Minh rồi nhập vào sông Đồng Nai tại Tân Thuận (Q7, Tp Hồ Chí Minh) Sông có chiều dài khoảng 280km, diện tích lưu vực 5.105km2 trong đó phần đất Việt Nam là 4.550km2 Hiện tại trên sông đã xây dựng công trình thuỷ lợi Dầu Tiếng để tưới cho diện tích canh tác của lưu vực và lưu vực sông Vàm Cỏ

Đông thuộc 2 tỉnh Tây Ninh và Tp Hồ Chí Minh Đoạn sông từ sau đập hồ Dầu Tiếng về tới cửa sông có bề rộng biến đổi từ 150m ÷ 350m, độ sâu từ 10m ÷ 20m, độ dốc lòng sông từ 0,005 ÷ 0,0001

Trong lưu vực có một số phụ lưu khá lớn như sông Thị Tính với lưu vực 1.000km2 và rạch Cần Lê ở bên trái sông, suối Tha La , suối Ngô ở bên phải sông Các suối Tha La, suối Ngô và rạch Cần Lê đều nằm trong lưu vực của công trình thuỷ lợi Dầu Tiếng

Trong mối liên quan về chế độ thuỷ lực và cân bằng sử dụng nguồn nước, lưu vực sông Sài Gòn có liên hệ với các lưu vực khác thuộc hệ thống sông Đồng Nai là các dòng, dòng chính sông Đồng Nai, sông Vàm Cỏ và sông Bé

• Sông Đồng Nai: là sông lớn nhất vùng Đông Nam Bộ có nguồn nước dồi dào vừa làm nhiệm vụ cung cấp nước tưới, dân sinh, công nghiệp vừa làm nhiệm vụ tiêu thoát nước cho khu vực Sông Đồng Nai có tổng chiều dài 628km diện tích lưu vực khoảng 40.683km2, đoạn chảy qua vùng hạ lưu từ sau thác Trị An đến cửa sông dài khoảng 150km, bề rộng sông biến đổi từ 600m ÷ 2.000m, sâu từ 15m ÷ 25m, độ dốc nhỏ hơn 0,0001 Hiện tại chế độ dòng chảy cửa sông có nhiều sự thay đổi do trên dòng chính đã xây dựng công trình thủy điện Trị An

• Sông Vàm Cỏ: Là một chi lưu được hợp thành từ hai sông Vàm Cỏ Đông và Vàm Cỏ Tây đổ vào sông Đồng Nai tại Vàm Láng gần cửa Soài Rạp Sông Vàm Cỏ Đông có diện tích hứng nước 6.300km2, chiều dài 283km, bề rộng sông biến đổi từ 200m ÷ 300m, sâu từ 15m ÷ 20m, độ dốc nhỏ hơn 0,0001 Đây là con sông làm nhiệm vụ tưới tiêu kết hợp chảy qua phía Tây Bắc và Tây Nam của Tp Hồ Chí Minh Sông Vàm Cỏ Tây có diện tích lưu vực 6.000km2 dài 235km Trong những năm gần đây do xây dựng một số kênh ngang lấy nước từ sông Tiền nên trong mùa lũ sông Vàm Cỏ chịu nhiều ảnh hưởng của lũ sông Tiền tràn qua

• Sông Bé: Là phụ lưu lớn nhất của sông Đồng Nai có diện tích lưu vực tính đến cửa sông là 7.650km2, sông bắt nguồn từ cao nguyên Đắklắk, chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam đi qua các tỉnh Đắklắk, Bình Phước, Đồng Nai và Bình

Dương Hiện nay trên sông đã và đang xây dựng các nhà máy thủy điện như: Thác Mơ, Cần Đơn, công trình Phước Hoà cũng đang chuẩn bị xây dựng

• Hệ thống kênh rạch nội đồng Có nhiều kênh rạch ngang đổ vào sông Sài Gòn bao gồm: • Suối Bá Chiêm: Bắt nguồn từ đồi cao 67 ở Tân Đông (Tân Biên) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam qua các huyện Tân Biên, Dương Minh Châu rồi đổ vào sông Sài Gòn tại Bá Chiêm Chiều dài suối 33,2km diện tích lưu vực 260km2

• Suối Sanh Đôi: Bắt nguồn từ PhDang thuộc tỉnh CôngpôngChàm (Campuchia) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam đến Bà Hòa hợp với sông Sài Gòn, Chiều dài suối 73,2km diện tích lưu vực 500km2

• Suối Cầu Khởi: Bắt nguồn từ xóm Láng và chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam

nối với sông Sài Gòn bằng hai rạch: Bến Nghé và Kênh Tẻ đầu kia nối với sông Bến Lức (Chợ Đệm) bằng kênh Tàu Hũ và kênh Đôi Giữa kênh Tàu Hũ và kênh Đôi được nối với nhau bằng 4 kênh ngang số 1, 2, 3, 4 cầu Chữ Y là giao điểm của 4 kênh rạch (Kênh Đôi, Kênh Tàu Hũ, Kênh Tẻ và rạch Bến Nghé) Diện tích lưu vực của 2 rạch này là 5,559ha Hiện tại đây là nơi tiếp nhận nguồn nước thải chưa qua xử lý khá lớn từ phía Bắc Tp Hồ Chí Minh đổ ra Do chịu tác động của dòng chảy thượng nguồn và dòng triều nên tạo nên tại khu vực này vùng giáp nước • Rạch Nhiêu Lộc - Thị Nghè: Đây là rạch cụt, xuất phát từ khu vực sân bay Tân Sơn Nhất, chảy qua các quận Tân Bình, Q3,Q1 và quận Bình Thạnh rồi đổ ra sông Sài Gòn tại xưởng đóng tàu Ba Son, diện tích lưu vực khoảng 3,324ha

• Kênh Thày Cai - An Hạ - Rạch Tra: Đây là hệ thống kênh rạch nối liền giữa 2 sông Vàm Cỏ Đông và Sài Gòn theo hướng rạch Trảng bàng và kênh Xáng lớn Kênh Thày Cai có chiều dài 43,3km( cả rạch Trảng bàng), kênh An Hạ có chiều dài 17km, và rạch Tra dài 11km

• Rạch Bến Mương - Láng The: Đây là rạch bắt nguồn từ vùng ranh giới giữa Tây Ninh và Tp Hồ Chí Minh, chảy qua trung tâm huyện Củ Chi rồi đổ vào sông Sài Gòn tại xã Phú Hòa Đông, chiều dài rạch khoảng 20km

• Suối Tôn Le: Bắt nguồn từ Sróc Tra Tranh tỉnh Bình Phước, chảy theo hướng Đông Bắc – Tây Nam và đổ vào sông Sài Gòn ở Tôn Le

• Suối Préck - The Lea: Bắt nguồn từ An Lập tỉnh Bình Phước chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam đổ vào sông Sài Gòn tại Préck - The Lea

• Suối Sóc Tông Manh: Bắt nguồn từ Cây Đa tỉnh Bình Phước chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam đổ vào sông Sài Gòn tại Sóc Tông Manh

• Sông Thị Tính: là chi lưu lớn nhất của sông Sài Gòn bắt nguồn từ các nhánh suối phía nam huyện Bình Long (Bình Phước) và phía tây huyện Dầu Tiếng (Bình Dương) với diện tích lưu vực khoảng 1.000km2 Địa hình sông có hình lòng máng, sông có độ dốc nhỏ, phía hạ lưu chịu ảnh hưởng của thủy triều

• Rạch Chiếc - Rạch Ông Hồng - Rạch Trau Tráu: Đây là hệ thống rạch nối liền giữa sông Tắc và sông Sài Gòn với chiều dài tổng khoảng 11km [1,12,15]

1.2 Tài liệu địa hình

Địa hình mặt cắt sông toàn bộ sông kênh khu vực hạ lưu Sài Gòn - Đồng Nai của Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam thực hiện trong các dự án trước Nguồn tài liệu này chủ yếu được đo đạc từ năm 2006-2009.[25]

- Bản đồ cao độ số vùng hạ lưu Sài gòn Đồng Nai (DEM 90x90)

Hình 1 2: Bản đồ cao độ số vùng hạ lưu Sài Gòn - Đồng Nai

Hình 1 3: Bản đồ cao độ số Thành phố Hồ Chí Minh

Tài liệu địa hình các kênh trục được đo đạc mới trong tháng 6/2009

Hình 1 4: Một số mặt cắt đo đạc năm 2009 trong mô hình

Số liệu địa hình các mặt cắt khác như khu vực Sài Gòn, Đồng Nai, Cần Giờ, sông Lòng Tàu, Soài Rạp cũng được cập nhật với tài liệu đo đạc đầu năm 2009 thuộc dự án “Xác định mép bờ cao” do Viện KHTL Miền Nam thực hiện.[26]

Hình 1 5: Vị trí đo đạc mặt cắt ngang sông Đồng Nai

Hình 1 6: Mặt cắt sông Đồng Nai cập nhật mới trong mô hình

1.3 Tài liệu khí tượng thủy văn

Trong lưu vực nghiên cứu có khoảng 18 trạm đo khí tượng, trong đó đo các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, mưa, nắng, gió và bốc hơi Ngoài các trạm đo trên, trong lưu vực còn khoảng 87 trạm đo mưa từ những năm trước chiến tranh

Do các trạm đo mưa khá nhiều nên trong nghiên cứu này sẽ sử dụng các trạm trong bảng sau làm tài liệu tính toán

Bảng 1: Mạng lưới trạm khí tượng dùng trong tính toán lưu vực sông Đồng Nai

Bgi: Bốc hơi ngoài trời Bgi: Bốc hơi trong lều

Bảng 2: Mạng lưới trạm mưa bổ sung dùng trong tính toán lưu vực sông Đồng

Nai

Lưu vực sông Đồng Nai có khoảng 23 trạm đo thủy văn, trong đó tất cả các trạm đều đo mực nước, 11 trạm đo lưu lượng phân bố chủ yếu trên thượng lưu

Bảng 3: Mạng lưới trạm thủy văn hạ lưu Đồng Nai - Sài gòn

Phù sa

Hình 1 7: Sơ họa vị trí đo đạc khí tượng thủy văn

Hình 1 8: Mực nước thực đo tại Vũng Tàu 1.4 Diễn biến xâm nhập mặn vùng nghiên cứu

Hệ thống sông Sài Gòn là nguồn cung cấp nước chính cho TX Thủ Dầu Một, Tp Hồ Chi Minh… Hiện nay ngoài việc nguồn nước bị xâm nhập mặn thì vấn đề ô nhiễm do các chất thải công nghiệp và sinh hoạt đang diễn biến rất tiêu cực do sự phát triển bùng nổ của các ngành kinh tế trong vùng

Xâm nhập mặn là một yếu tố tự nhiên quan trọng cần phải được quan tâm đối với vùng hạ du sông Sài Gòn Diễn biến xâm nhập mặn ở hạ du phụ thuộc vào thuỷ triều, nguồn nước đến thượng nguồn và sự khai thác nguồn nước trong vùng hạ du Về mùa khô, đặc biệt là vào các tháng II, III và IV do lưu lượng đầu nguồn giảm, mặn có xu thế xâm nhập sâu Theo kết quả đo đạc trong những thời gian gần đây cho thấy việc vận hành hồ Dầu Tiếng vào năm 1984 cùng với hồ Trị An năm 1987 đã tác động đáng kể tới môi trường vùng hạ du mà trước hết là xâm nhập mặn Dưới đây là kết quả thu

1.4.1 Trước khi có hồ Dầu Tiếng

Khi chưa có các hồ chứa, hiện trạng về mặn phụ thuộc hoàn toàn vào lượng dòng chảy đến từ nguồn, thông thường mặn xâm nhập cao nhất vào tháng IV

Trên sông Đồng Nai do lượng dòng chảy về lớn hơn trên sông Sài Gòn cho nên giới hạn mặn 4%o dừng tại ngã ba Long Đại, độ mặn 1%o ở dưới Hoá An

Trên sông Sài Gòn mặn xâm nhập mạnh và sâu Giới hạn độ mặn 4 %o trên Lái Thiêu, độ mặn 1%o ở Thủ Dầu Một

Trên sông Vàm Cỏ Đông, giới hạn mặn 4%o vượt qua trạm thủy văn Hiệp Hoà, độ mặn 2%o lên trên quá trạm thủy văn Gò Dầu Hạ [1,10,12, 15,19]

1.4.2 Sau khi có hồ Dầu Tiếng

Trên sông Sài Gòn khi hồ chứa vận hành xả ổn định 20m³/s, dẫn đến việc giảm độ mặn trên sông Giới hạn mặn 4%o ổn định ở dưới Lái Thiêu Thời gian duy trì chỉ còn vào lúc triều cường tháng IV

Trên sông Đồng Nai độ mặn ít thay đổi Qua đợt xả thử nghiệm hồ Dầu Tiếng (1987) cho thấy tác động giảm độ mặn chỉ xảy ra nhanh chóng với những nơi xa cửa sông, từ Thủ Dầu Một tới Lái Thiêu, từ dưới Rạch Chiếc đến Phú An diễn biến mặn biến đổi chậm

Trên sông Vàm Cỏ Đông từ sau năm 1985 nhờ lượng nước hồi qui từ khu tưới kênh Đông, khu tưới kênh Tây và xả trực tiếp xuống sông Vàm Cỏ Đông qua kênh Phước Hội – Bến Đình, tình hình mặn trên sông Vàm Cỏ Đông được cải thiện rõ rệt, ranh giới mặn 4%o bị đẩy về hạ lưu dưới Phú Xuân [1,10,12, 15,19]

1.4.3 Tình hình xâm nhập mặn những năm gần đây

Như những mục trước đã đề cập, hiện nay hạ lưu Sài Gòn - Đồng Nai là một vùng kinh tế trọng điểm, tuy cùng với một mức xả đẩy mặn như trước đây nhưng việc phát triển các khu công nghiệp, các khu tưới… làm gia tăng lượng nước hồi quy làm cho nồng độ mặn vào mùa kiệt giảm đáng kể Kết quả phân tích diễn biến độ mặn trên mặt bằng được khảo sát đo đạc vào tháng IV năm 2003 cùng với đợt đo thuỷ văn và chất lượng nước [12]

Tình trạng nhiễm mặn xảy ra sớm hơn một tháng so với mọi năm do hạn hán gay gắt Ranh mặn đã vượt lên thượng lưu bán đảo Thanh Đa Ở quận 9, nước mặn đã “đổ bộ” vào hầu hết các kênh rạch nội đồng Tp Hồ Chí Minh phải đối đầu với khó khăn về nguồn nước sinh hoạt cho dân và sản xuất nông nghiệp nếu tình hình hạn hán tiếp tục kéo dài

Hình 1 9: Số liệu mặn năm 2005 tại Lái Thiêu 1.4.4 Quan hệ giữa xâm nhập mặn và lưu lượng xả của thượng lưu

Nhìn chung, quan hệ giữa xâm nhập mặn hạ du với lưu lượng xả của các hồ chứa khá phức tạp do mặn trong vùng không những ảnh hưởng của các lưu lượng thượng lưu mà còn phụ thuộc vào triều biển Đông

Hình 1 10: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2005

+ Tác động của xả các hồ chứa Trong năm 2005, do nhà máy nước Tân Hiệp mới đi vào hoạt động nên chưa có số liệu mặn Theo số liệu thực đo tại trạm Lái Thiêu cho thấy, vào ngày 18/3/2005 khi đỉnh triều thấp mà lưu lượng phát điện của Trị An thấp, hồ Dầu Tiếng không xả mặn vẫn rất cao Tuy nhiên, vào ngày 28/3/2005 khi đỉnh triều cao mà lưu lượng phát điện của Trị An ở mức cao, hồ Dầu Tiếng xả 40 m3/s mặn đã bị đẩy lùi còn 4,2g/l và thấp hơn giá trị 4.5 g/l trong ngày 18/3/2005

Hình 1 11: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2006

Vào ngày 25/2/2006 khi mặn tại Tân Hiệp vượt qua giới hạn cho phép và đạt trị số 0.25g/l, hồ Dầu Tiếng xả lưu lượng là 20 m3/s, hồ Trị An vẫn duy trì mức phát điện khoảng 400 m3/s tuy nhiên mặn vẫn dâng cao do đỉnh triều đang trong giai đoạn lên cao Do đó, vào các ngày tiếp theo hồ Dầu Tiếng đã phải tăng mức xả lên 40, 50 và 60 m3/s sau đó mặn đã giảm dần cho thấy tác động của Dầu Tiếng là

rất quan trọng Tuy nhiên, kể từ ngày 4/3/2006 khi mực nước triều bắt đầu vào giai đoạn kém, nồng độ mặn dưới mức cho phép thì hồ Dầu Tiếng lại vẫn duy trì lưu lượng xả là 30m3/s, điều này cho thấy hồ Dầu tiếng đã xả thừa trong giai đoạn này

Hình 1 12: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2006

Hình 1 13: Quan hệ mặn với lưu lượng thượng lưu và triều hạ lưu năm 2006

Hình 1 14: Số liệu mặn năm 2006-2009 tại trạm bơm Hòa Phú

Các kết quả thực đo cho thấy, hoạt động xả nước của hồ Dầu Tiếng là vô cùng quan trọng, tuy nhiên, để chủ động xả nước đẩy mặn, không gây lãng phí nước

trong tình trạng khan hiếm nước hiện nay cần phải chủ động nắm bắt kịp thời thông tin liên lạc về tình hình khí tượng thủy văn trong lưu vực Đặc biệt là dự báo mực nước triều biển Đông, sự phát điện của hồ Trị An, dòng chảy của Phước Hòa, mặn tại trạm bơm Hòa Phú để chủ động yêu cầu hồ Dầu Tiếng xả một lượng nước hợp lý về hạ du

1.5 Yêu cầu nghiên cứu về thuỷ lực và xâm nhập mặn ở hạ du sông Sài Gòn

Việc duy trì mức tăng trưởng cao về công nghiệp, dịch vụ và đáp ứng yêu cầu chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông nghiệp nông thôn đã tạo ra một thách thức lớn đối với việc quản lý và sử dụng nguồn nước của cả lưu vực SG-ĐN nói chung và đặc biệt là đối với sông Sài Gòn Tháng 5-1996 đã có hai tài liệu nêu bật sự cần thiết đối với việc quản lý nguồn nước ở lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn và đã nhận được sự quan tâm đặc biệt: (i) Đánh giá việc quản lý nguồn nước hợp biên bởi WB – ADB – FAO đã xác định lưu vực này là trọng điểm của cả nước về phương diện thiếu nguồn và nước về mùa khô rất hạn chế: (ii) Nghiên cứu qui hoạch tổng thể trên sông Đồng Nai và các lưu vực xung quanh (DNWRMP) đã đặt ra một khuôn khổ để quản lý và phát triển nguồn nước nhằm đáp ứng các nhu cầu của lưu vực Năm 1999 – 2002, Công ty tư vấn Blak & Veatch nghiên cứu phương án chuyển nước từ lưu vực sông Bé sang hồ Dầu Tiếng để tăng cường cấp nước cho Tp HCM, các khu tưới ven sông Vàm Cỏ Hiện tại Chính phủ Việt Nam chấp thuận nhiệm vụ cung cấp bổ sung từ hồ Phước Hoà cho hồ Dầu Tiếng về mùa khô với lưu lượng khoảng 50 m3/s Để phát huy hiệu quả đầu tư xây dựng công trình, tận dụng tối đa nguồn nước hiện có và nguồn nước bổ sung từ Phước Hoà thì việc xem xét tính toán cân bằng, sử dụng hợp lý nguồn nước, đặc biệt là việc tính toán các mức xả từ hồ Dầu Tiếng xuống sông Sài Gòn nhằm đáp ứng các yêu cầu về cấp nước cho dân sinh, công nghiệp, nông nghiệp và bảo vệ môi trường là một vấn đề hết sức cấp thiết Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu, tính toán chế độ thuỷ văn, thuỷ lực và diễn biến xâm nhập mặn ở hạ du ứng với các mức xả của hồ Dầu Tiếng trên nền điều tiết của Trị An, Thác Mơ và trong sự phối hợp với các công trình này, qua đó không những xác định được yêu cầu xả nước của hồ Dầu Tiếng qua mỗi thời kỳ

xuống sông Sài Gòn mà còn có cơ sở xây dựng qui trình quản lý vận hành công trình hồ Dầu Tiếng đảm bảo sử dụng nguồn nước hồ một cách hợp lý với hiệu quả cao [12,27, 29]

1.6 Vai trò của hồ Dầu Tiếng trong việc đẩy mặn và cải thiện chất lượng nước cho sông Sài Gòn

Công trình Dầu Tiếng được xây dựng trên sông Sài Gòn từ năm 1980 bằng vốn vay của ngân hàng thế giới (WB), tích nước từ năm 1983, hoàn công năm 1989, nay là công trình thuỷ nông vào loại lớn nhất ở Việt Nam Hiệu quả kinh tế của công trình đã được khẳng định qua các năm quản lý khai thác Nó đã làm thay đổi hẳn bộ mặt nông thôn của một vùng rộng lớn bao gồm Tây Ninh, Long An, Tp Hồ Chí Minh v.v… Hiện tại và tương lai của quá trình phát triển, nhu cầu nước trong khu vực ngày một tăng mà đặc biệt là nước cho các khu công nghiệp và dân sinh Nhiệm vụ ban đầu theo phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ trong quyết định 190/TTg ngày 18/5/1979 thì hệ thống thủy lợi Dầu Tiếng có nhiệm vụ tưới cho 172.000 ha thuộc các tỉnh Tây Ninh, Tp Hồ Chí Minh và Long An, trong đó 100.000 ha tưới bằng bơm

Do công trình nằm trên địa hình, địa chất phức tạp và tính toán lại khả năng nguồn nước nên năm 1993 Thủ tướng đã ký quyết định điều chỉnh nhiệm vụ của công trình (QĐ 498/TTg ngày 12/10/1993) như sau:

(i) Nhiệm vụ trước mắt (khi chưa có chuyển nước từ Phước Hòa)

- Tưới trực tiếp cho 64,830 ha (trong đó Tây Ninh 52,830 ha và Tp Hồ Chí Minh 12,000 ha)

- Bảo đảm có lưu lượng xả xuống sông Sài Gòn về mùa kiệt, giữ nguyên tình hình như chưa có hồ

- Cấp nước cho nhà máy nước Tp Hồ Chí Minh từ tháng 1 đến tháng 7 với lưu lượng khoảng 7 m3/s

- Cấp nước tạo nguồn ổn định cho hạ du đã hưởng lợi 40,140 ha (bao gồm Tây Ninh 16,640 ha, Long An 21,500 ha và Sông Bé 2,000 ha)

- Tạo nguồn để có thể tạo ra các dự án mới phía hạ du khoảng 25,000 ha bao gồm Tây Ninh 5,000 ha (khu Bến Cầu), Long An 5,000 ha (khu Lộc Giang) và Tp Hồ Chí Minh 15,000 ha (khu Hóc Môn – Bắc Bình Chánh, Bến Mương – Láng The)

(ii) Nhiệm vụ lâu dài (khi có Phước Hòa)

- Cấp nước tưới trực tiếp cho 93,390 ha (trong đó Tây Ninh 78,830 ha, Tp Hồ Chí Minh 14,560 ha)

- Cấp nước tạo nguồn ổn định cho khu hạ du đã hưởng lợi 40,140 ha - Cấp nước dân dụng, công nghiệp cho Tp Hồ Chí Minh

- Cấp nước tạo nguồn cho các dự án mới ở hạ du 25,000 ha và xả đẩy mặn, cải tạo môi trường nước v.v… do hồ Phước Hòa chuyển sang

So với nhiệm vụ ban đầu thì đã có những thay đổi về số lượng và chất lượng như: tần suất cấp nước nông nghiệp 75% nhưng tần suất cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp là 95%, lượng nước xả xuống sông Sài Gòn và Vàm Cỏ Đông để tạo nguồn cho các khu vực ven sông (Củ Chi, Bến Cát, Thuận An, Đức Hòa, Đức Huệ…) và đẩy mặn cải thiện môi trường

Từ đó đến nay nhà nước đã đầu tư nâng cao độ an toàn của công trình đầu mối, chống thất thoát nước, xây dựng và hoàn thiện hệ thống kênh chính, kênh cấp 1 và các kênh phân phối nước kể cả các công trình trên kênh Từ năm 2000 đến nay công trình đã đảm nhiệm được:

- Tưới trực tiếp cho 63,000 ha trong đó Tây Ninh 48,500 ha và Củ Chi (kể cả Bến Mương – Láng The) 14,500 ha Đang mở rộng hệ thống Tân Hưng để đạt được diện tích 10,700 ha

- Tạo nguồn cho 41,000 ha ven sông Sài Gòn và Vàm Cỏ Đông - Cấp nước dân dụng và công nghiệp khoảng 3.26 m3/s bao gồm nhà máy nước Thủ Dầu Một 0.26 m3/s, cấp nước dân dụng và cấp nước cho nhà máy đường, nhà máy mì ở Tây Ninh 3 m3/s

- Đẩy mạnh ranh giới mặn 4%o xuống dưới cửa rạch Tra trên sông Sài Gòn và dưới Xuân Khánh trên sông Vàm Cỏ Đông, pha loãng ô nhiễm trên sông Sài Gòn

Trong thời gian từ năm 1995 – 2002 đã có 4 năm (1995, 1998, 2000 và 2002) mực nước trên hồ cuối mùa khô xuống dưới mực nước chết Vấn đề cân bằng nước, sử dụng hợp lý nguồn nước và lập quy trình quản lý, vận hành là rất bức xúc với công trình Dầu Tiếng Thực tế cho thấy để nâng cao năng lực và mở rộng nhiệm vụ của hồ Dầu Tiếng thì việc nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật (nâng cao năng lực hiệu quả sử dụng nguồn nước sẵn có hoặc nghiên cứu bổ sung nguồn nước từ lưu vực khác) là những vấn đề cần được quan tâm Thời gian qua, Bộ NN & PTNT đã giao cho công ty tư vấn Blak & Veatch nghiên cứu phương án chuyển nước từ lưu vực sông Bé sang hồ Dầu Tiếng để tăng cường cấp nước cho Tp HCM, các khu tưới ven sông Vàm Cỏ Đông và Vàm Cỏ Tây Hiện nay, Chính phủ Việt Nam chấp thuận nhiệm vụ cung cấp bổ sung từ hồ Phước Hoà cho hồ Dầu Tiếng về mùa khô với lưu lượng khoảng 50 m3/s (hình 1.2) Như vậy, ở đây có sự phối hợp giữa việc khai thác nguồn nước sông Bé với nguồn nước hồ Dầu Tiếng hiện có Trong đó hồ Dầu Tiếng sẽ đóng vai trò trung tâm điều phối nguồn nước của cả sông Sài Gòn và sông Bé (đã được điều tiết qua Thác Mơ, Cần Đơn và Srokfumiêng) trong việc cấp nước cho nông nghiệp, dân sinh, công nghiệp và cải thiện chế độ xâm nhập mặn trên sông Sài Gòn và Vàm Cỏ [10,12,15,19,20,27,29]

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN THỦY LỰC, TRUYỀN CHẤT

VÀ MÔ HÌNH TÍNH 2.1 Bài toán thủy lực một chiều

2.1.1 Hệ phương trình vi phân cơ bản

Đó là hệ phương trình đạo hàm riêng Saint –Venant cổ điển có thể được biểu diễn tả dưới nhiều dạng khác nhau [2,3,4,8,9,11,13,14,24] Dưới đây là một vài dạng thường gặp

• Biến phụ thuộc Q(x,t), H(x,t)

Phương trình liên tục (PTLT)

qtAxQ

=∂∂+∂∂

Phương trình động lượng (PTĐL)

)(

2

x

igAxHgAA

QxtQ

−=

∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂

∂+∂∂

jx : Độ dốc thủy lực Đối với lòng dẫn lăng trụ: B = B(H) và A = A(h) ⇒

tHBtHhAtA

∂∂=∂∂∂∂=∂∂

Hệphương trình (2-1), (2-2) viết lại là

qtHBxQ

=∂∂+∂∂

(2-3)

)(

2

x

igAxHgAA

QxtQ

−=

∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂

∂+∂∂

(2-2)

• Biến phụ thuộc Q(x,t), h(x,t)

Cao độ mực nước h(x,t) = H(x,t) + d(x,t) với d(x,t) là cao độ đáy sông

qthBxQ

=∂∂+∂∂

(2-4)

x

gAjx

hgAA

Qxt

∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂

∂+∂

(2-5)

Độ dốc thủy lực jx được xác định như sau

RCA

QQRC

vvjx = |2 |= 2| 2 | (2-6) C: Hệ số Chezy

R: Bán kính thủy lực Thay jx vào phương trình (2-5) nhận được

0||

22

=+

∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂

∂+∂∂

RAC

QQgxhgAA

QxtQ

(2-7) Hệ phương trình Saint –Venant theo biến phụ thuộc Q(x,t), h(x,t) được dùng để xây dựng mô hình MIKE 11 trong luận văn này

2.1.2 Điều kiên biên và điều kiện ban đầu

Hệ phương trình Saint –Venant là hệ phương trình đạo hàm riêng cấp 1, giả tuyến tính lọai hyperbolic Để giải, cần phải đưa thêm vào điều kiện ban đầu và điều kiện biên thích hợp

Đó là các điều kiện cho trên miền D ta phân biệt: Trên bờ AB: t=to; xo ≤ x ≤ xo + L, cần cho các thời điểm ban đầu t = tovà ở mọi mặt cắt trên kênh, sông và gọi điều kiện bờ này là điều kiện ban đầu

Trên bờ AA’ điều kiện cho ở mặt cắt trên (x=xo) ở mọi thời điểm t≥to và gọi là điều kiện biên trên

Trên bờ BB’ cần cho điều kiện ở mặt cắt cuối (x=xo + L) ứng với mọi thời điểm t≥to và đó là điều kiện biên dưới

Chỉ qua phân tích định tính mới biết được cách thức và số điều kiện bờ cần có ở mỗi đoạn ∂D [2,3,4,8,9,11,13,14,24]

Hình 2 1 Miền xác định của hệ phương trình 2.1.3 Phương pháp giải bài toán thủy lực một chiều

a Tính phi tuyến của hệ phương trình

Hệ phương trình mang tính phi tuyến vì các hệ số phương trình lại phụ thuộc vào chính hàm ẩn

Các số hạng tự do là hàm phi tuyến của hàm ẩn

Tính phi tuyến của hệ phương trình làm cho không thể cộng các lời giải riêng rẽ để được kết quả tổng quát

Tính chất phi tuyến làm cho việc tìm phương pháp giải phức tạp hơn nhiều, không thể xây dựng lời giải giải tích, không dùng được các lời giải của rất nhiều bài toán tuyến tính

Tuy nhiên hệ phương trình không chứa các đạo hàm ở dạng lũy thừa bậc cao mà chỉ ở dạng đơn thuần những hệ như thế được gọi là hệ á tuyến Với hệ á tuyến cho phép ta tuyến tính hóa tức là trong một khoảng biến thiên nào đó của biến số ta có thể lấy hệ số của phương trình bằng hằng số, số hạng tự do cũng được tuyến tính theo những biểu thức nhất định

Từ việc tuyến tính hóa mà ta có thể có một số phương pháp giải khác nhau

Việc này gồm 4 phần:

• Rời rạc hoá miền D: Thay vì tính nghiệm ở thời điểm bất kỳ của miền D ta chỉ tìm nghiệm ở một lưới điểm rời rạc phủ tương đối đều miền D đó là các nút tính Khi giải ra các nghiệm ở các nút tính thì nghiệm tại một điểm bất kỳ trong miền D sẽ được nội suy từ các nút xung quanh

• Thay các đạo hàm riêng bằng mốt quan hệ nào đấy qua các trị số nghiệm ở các nút tính (Phương pháp sai phân hoặc phương pháp phần tử hữu hạn), tuyến tính hóa các quan hệ phi tuyến Kết quả là ta nhận được một hệ phương trình đại số là các đặc trưng cần tìm ở các nút tính

• Giải hệ phương trình đại số nhận được để tìm nghiệm tại các nút tính

• Nếu cần thiết quá trình tính toán sẽ được lặp lại cho tới khi nghiệm hội tụ Một mạng lưới điểm đơn giản nhất cho tính toán là các nút giao điểm của các đặc trưng gọi là lưới đặc trưng (hình 2.2.)