ỨNG DỤNG CÔNG CỤ GAMA ĐỂ MÔ PHỎNG TÌNH TRẠNG NƯỚC BIỂN DÂNG TẠI TỈNH BẠC LIÊU TRONG GIAI ĐOẠN TỪ NAY ĐẾN NĂM 2050

Quá trình ngập địa hình do nước biển dâng được mô phỏng trên bề mặt và diện tích địa hình của tỉnh Bạc Liêu chạy trên nền công cụ mô phỏng GAMA.. Lập trình ứng dụng từ hệ thống thông tin

ỨNG DỤNG CÔNG CỤ GAMA ĐỂ MÔ PHỎNG TÌNH TRẠNG NƯỚC BIỂN DÂNG TẠI TỈNH BẠC LIÊU TRONG GIAI ĐOẠN TỪ NAY ĐẾN

NĂM 2050

ThS Hoàng Ngọc Hiển Khoa Công nghệ Thông tin

Trong bài báo này, từ tình hình nước biển dâng diễn biến phức tạp hiện nay Chúng tôi xây dựng một mô hình mô phỏng hiện trạng ngập địa hình do nước biển dâng ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, thí điểm tại tỉnh Bạc Liêu Quá trình ngập địa hình do nước biển dâng được mô phỏng trên bề mặt và diện tích địa hình của tỉnh Bạc Liêu chạy trên nền công cụ mô phỏng GAMA Kết quả mô phỏng cho ra các bản

đồ ngập và bản đồ nguy cơ ngập, thống kê diện tích ngập Mô phỏng quá trình ngập địa hình do nước biển dâng qua các giai đoạn trong quá khứ (từ năm 1992 đến năm 2012) Đưa ra kịch bản mô phỏng ngập địa hình do nước biển dâng trong tương lai (từ năm 2013 đến năm 2050)

Từ khóa: Mô hình, nước biển dâng, bản đồ nguy cơ ngập, diện tích ngập

1 GIỚI THIỆU

Biến đổi khí hậu là hiện tượng trái đất nóng dần lên do hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt

độ ở các đại dương tăng dần lên, làm tan băng ở các vùng cực đới, dẫn tới khí hậu của trái đất biến đổi, hạn hán bão lũ xảy ra ngày càng nhiều hơn, nước biển ngày một dâng cao Hiện nay, tình trạng nước biển dâng đang là mối hiểm họa toàn cầu, nước biển dâng đang tác động và ảnh hưởng mạnh mẽ tới tài nguyên thiên nhiên, con người, kinh tế - xã hội, vv…ở nhiều quốc gia trên thế giới, nhất các quốc gia có biển và các vùng ven biển Các quốc gia trên thế giới đang cùng nhau chung sức nghiên cứu đưa ra các biện pháp, xây dựng các mô hình nhằm giảm thiệt hại của nước biển dâng

Tỉnh Bạc Liêu nằm trong vùng bán đảo Cà Mau thuộc Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là một tỉnh ven biển chịu ảnh hưởng thuỷ triều sâu sắc của biển Đông Nền kinh tế ở tỉnh Bạc Liêu chủ yếu là nuôi trồng thủy sản, đánh bắt cá, trồng lúa, làm muối, Nước biển dâng dẫn đến tình trạng nước mặn xâm nhập[20], diện tích đất bị thu hẹp ngày càng ảnh hưởng đến đời sống, định cư, sinh hoạt, kinh tế, sản xuất,…của con người Biến đổi khí hậu làm cho những diễn biến thời tiết ngày càng xấu đi đã và đang tác động ngày càng nặng nề lên khu vực ĐBSCL

Trong bài viết này, chúng tôi thu thập và phân tích số liệu thực tế từ đó xây dựng mô hình toán cho mô hình ngập địa hình do nước biển dâng gần giống với thực tế Lập trình ứng dụng từ hệ thống thông tin địa lý (GIS), mô hình hóa và mô phỏng dựa trên nền công cụ mô phỏng GAMA để xây dựng thiết lập được hệ thống thông tin mô phỏng về hiện trạng ngập địa hình do nước biển dâng ở vùng ĐBSCL giai đoạn trong quá khứ (từ năm 1992 đến năm 2012)

và trong tương lai (từ năm 2013 đến năm 2050) Kết quả mô phỏng của mô hình ngập địa hình

do nước biển dâng cho ra các bản đồ ngập và bản đồ nguy cơ ngập, thống kê diện tích ngập

Từ đó phân tích đánh giá thực nghiệm đưa ra những quyết định hỗ trợ phù hợp nhằm giảm thiệt hại của nước biển dâng

2 MÔ HÌNH NƯỚC BIỂN DÂNG

2.1 Số liệu mực nước biển

Số liệu mực nước biển được đo lấy ở các trạm đo Số liệu là số liệu đo mực nước giờ và trung bình ngày ở các trạm thủy văn với đơn vị tính cm Với số liệu đo chi tiết theo từng giờ trong ngày và tất cả các ngày trong tháng

Hình 1 Số liệu mực nước đo ở trạm thủy văn

2.2 Độ cao địa hình

Địa hình ở đây tương đối bằng phẳng, chủ yếu nằm ở độ cao trên dưới 1,2 m so với mặt biển, còn lại là những giồng cát và một số khu vực trũng ngập nước quanh năm Địa hình có xu hướng dốc từ bờ biển vào nội đồng, từ Đông Bắc xuống Tây Nam

Hình 2 Hướng độ dốc địa hình tỉnh Bạc Liêu

2.3 Độ thấm địa hình

Khi nước biển dâng cao (hay thủy triều dâng lên) theo các sông và kênh tiến vào sâu trong nội đồng nước sẽ thấm vào đất sẽ làm lượng nước giảm dần dần ta xem đây là độ thấm địa hình Địa hình và sông/kênh được chia ra cứ khoảng 5km thực tế sẽ mang một độ thấm địa hình Khu vực gần sát biển có độ thấm thấp và cao dần khi đi vào sâu trong nội đồng Khu vực

gần sông hoặc kênh có độ thấm thấp, còn khu vực xa sông hoặc kênh có độ thấm cao

Hình 3 Xây dựng độ thấm địa hình

2.4 Phương trình tính toán cho mô hình nước biển dâng

Từ thực tế nước biển dâng chịu ảnh hưởng của các yếu tố chính như: mực nước biển, độ cao địa hình, độ thấm địa hình Chúng tôi đã đề xuất phương trình cho nước biển dâng, sau đó

áp dụng phương trình đó vào mô phỏng cho nước biển dâng trong quá khứ bằng cách thực nghiệm và kiểm thử, nếu đúng chúng tôi sẽ mô phỏng cho các năm tiếp theo và tương lai

Hình 4 Sơ đồ xây dựng phương trình

Đây là mô hình chỉ giải quyết từ những yếu tố cơ bản để xây dựng cho ra mô hình cơ bản

mô phỏng nước biển dâng Trong mô hình chúng tôi tính toán mức độ nước biển dâng cho từng tháng trong năm nên chỉ quan tâm tới các yếu tố tác động đến độ ngập nước Xây dựng phương trình tính toán cho mô hình nước biển dâng có các thông số đầu vào là: Mực nước biển

w (cm) Độ cao địa hình h (cm) Độ thấm địa hình f (cm)

Ngoài ra còn các yếu tố khác do không có số liệu coi như không tác động đến quá trình nước biển dâng (giá trị bằng 0) như: vận tốc, độ sâu, nước bốc hơi, sức gió, …

Xây dựng một hàm y và phương trình đề xuất cho mô hình nước biển dâng:

f h w

y   

Như vậy, phương trình được tính cho độ ngập địa hình với mức độ ngập tính bằng đơn vị

cm Điểm nổi bật của phương trình đề xuất cho mô hình nước biển dâng ở đây là phương trình

vẫn áp dụng được cho dù không đủ số liệu của tất cả các yếu tố mã vẫn cho ra kết quả chấp nhận được từ các yếu tố có số liệu

3 MÔ PHỎNG NƯỚC BIỂN DÂNG

3.1 Khu vực nghiên cứu

Tiến hành mô phỏng hiện trạng ngập địa hình do nước biển dâng trong khu vực ĐBSCL, chúng tôi đã chọn tỉnh Bạc Liêu làm thí điểm Bạc Liêu là tỉnh nằm ở phía tây nam của Việt Nam, trong khu vực ĐBSCL, với tọa độ từ 9000‟00‟‟ đến 9037‟30‟‟ vĩ độ Bắc và từ 105015‟00”

đến 105052‟30” kinh độ Đông Nơi có địa hình thấp, tiếp giáp với biển, hệ thống sông và kênh rạch chằng chịt, bờ biển dài 56 km Cho nên vùng này ảnh hưởng nghiêm trọng bởi tình hình nước biển dâng

3.2 Dạng thức và tính toán số liệu

Số liệu là số liệu mực nước giờ và trung bình ngày ở trạm thủy văn Gành Hào (Bạc Liêu) Với số liệu đo chi tiết theo từng giờ trong ngày và tất cả các ngày trong tháng Tính tổng, trung bình, cao nhất, thấp nhất theo ngày Số liệu đo được ghi trên file Excel từ năm 1992 đến năm 2012

Hình 5 Số liệu mực nước giờ và trung bình ngày ở trạm thủy văn Gành Hào

Mục tiêu chúng tôi nghiên cứu là mô phỏng nước biển dâng chạy theo từng tháng Nên chúng tôi đã xử lý bằng cách:

+ Số liệu trong quá khứ từ năm 1992 đến năm 2012: Từ số liệu mực nước theo giờ trong

từng ngày, trích xuất và tính toán các số liệu đặc trưng theo từng tháng

a Trích xuất các giá trị Max tháng 1-1992 (chuỗi A)

b Từ chuỗi A tiếp tục tính: Chọn giá trị cao nhất Max của chuỗi; Chọn giá trị thấp nhất Min của chuỗi; Tính giá trị trung bình Avg của chuỗi

c Tính toán như trên cho các tháng còn lại của năm và cho toàn bộ bảng số liệu

d Dùng các số liệu theo bảng đã tính toán để làm số liệu đầu vào cho mô hình mô phỏng

độ ngập mức thấp/ trung bình/cao

e Kiểm tra tính toán cho mô hình

+ Số liệu trong tương lai từ năm 2013 đến năm 2050: Tính trung bình cho từng tháng

của số liệu mô phỏng cho mức thấp/ trung bình/cao ở phần tính toán 1992 - 2012, rồi lấy số

liệu của 12 tháng đó cộng thêm số liệu mực nước biển dâng thêm trong bảng Bảng 3.4 Nước

biển dâng theo kịch bản phát thải thấp (cm)/Bảng 3.5 Nước biển dâng theo kịch bản phát thải trung bình (cm)/ Bảng 3.6 Nước biển dâng theo kịch bản phát thải cao (cm)( Climate change,

sea level rise scenarios of Vietnam Ministry of Natural Resources and Environment, Vietnam, 2009/2012), sẽ tính được cho các năm tiếp theo, đây là số liệu mô phỏng cho mức thấp/trung bình/cao

3.3 Công cụ GIS

Xây dựng và thiết kế các tác tử sông/kênh cho tất cả các con sông/kênh trên địa bàn tỉnh Bạc Liêu Xây dựng và thiết kế các tác tử cho hệ thống cống ngăn mặn trên địa bàn tỉnh Bạc Liêu

Hình 6 Hệ thống sông/kênh và hệ thống cống trên sông ở Bạc Liêu

Xây dựng và thiết kế các tác tử gán cho các cell (bản đồ được chia thành các cell nhỏ) Trong cơ sở dữ liệu GIS có độ thấm địa hình, chia vùng khác nhau, đơn vị huyện được gán cho tác tử cell và được lưu trữ

Hình 7 Tác tử cell và cơ sở dữ liệu GIS

3.4 Giải thuật cho mô hình

Mô phỏng cho mô hình nước biển dâng trên nền mô phỏng GAMA Các yếu tố đầu vào: Database: mực nước biển (mức thấp, mức trung bình, mức cao); GIS: bản đồ địa hình(đã chia cell), bản đồ sông ngòi, hệ thống cống và đập; DataGIS: độ thấm địa hình, độ cao địa hình, vùng cấp huyện

Hình 8 Sơ đồ thực hiện xử lý mô phỏng

3.5 Công cụ lập trình

Quá trình mô phỏng được thực hiện trên nền công cụ GAMA với bước đầu tiên là nạp dữ liệu bản đồ tỉnh Bạc Liêu (địa lý, hệ thống sông ngòi, cống ngăn mặn) được xây dựng từ GIS Bản đồ lưu trữ dữ liệu độ cao địa hình, độ thấm địa hình được tính toán và phân chia hợp lí cho các vùng khác nhau, các đơn vị huyện khác nhau

Hình 9 Đưa dữ liệu bản đồ GIS vào GAMA

Tiếp theo phải khai báo lấy các trường từ dữ liệu là độ cao địa hình, độ thấm địa hình chính là các biến, được phân chia các khu vực nhỏ theo hệ thống đê, hệ thống cống ngăn mặn (đóng hoặc mở) và các đơn vị huyện

Hình 10 Trường từ dữ liệu GIS

Chuyển phương trình thành giải thuật phương trình cụ thể của lập trình với các thông số

là các biến được nạp vào từ dữ liệu GIS và cơ sở dữ liệu Phương trình sẽ tính kết quả khi chạy

mô phỏng theo thời gian để cho ra kết quả là các mức độ ngập nước

Hình 11 Áp dụng phương trình trong GAMA

Xuất các kết quả đầu ra cho mô phỏng ngập địa hình do nước biển dâng Đầu ra kết quả bản đồ ngập và nguy cơ ngập theo từng tháng diễn biến trong từng năm ở 3 mức thấp, trung bình, cao Tương ứng theo đó là bản thống kê diện tích bị ngập ở 3 mức thấp, trung bình, cao cho các đơn vị huyện và tỉnh Bạc Liêu

Hình 12 Hiện thị các kết quả đầu ra trong GAMA

4 THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG

4.1 Hiện trạng nước biển dâng từ năm 1992 đến năm 2012

Qua tính toán số liệu từ năm 1992 đến năm 2012 chúng tôi chọn các mốc thời gian đại diện là năm 2000 và 2010 Qua mô phỏng bản đồ ngập cho thống kê diện tích ngập theo tháng cho năm 2000 và năm 2010, thống kê được bảng:

Bảng 1 Diện tích ngập cho mốc thời gian 2000 và 2010 (%)

Hình 13 Thống kê diện tích bị ngập từ năm 1992 đến năm 2012

Qua kết quả thống kê diện tích bị ngập mức cao biên độ thống kê càng đi lên cao cho thấy những năm gần đây do biến đổi khí hậu, nước biển ngày càng dâng cao thêm làm cho diện tích ngập ngày càng tăng Từ năm 2000 đến nay biên độ thống kê diện tích bị ngập mức trung bình đã thể hiện và nâng lên Thống kê diện tích ngập (mức cao) của các đơn vị huyện từ năm

1992 đến năm 2012

Hình 14 Thống kê diện tích ngập (mức cao) của các huyện từ năm 1992 đến năm 2012

Qua kết quả thống kê diện tích ngập (mức cao) của các đơn vị huyện cho thấy các huyện ven biển luôn bị ngập ở mức cao hơn so với các huyện phía trong Do tỉnh cũng đã xây dựng

hệ thống cống, hệ thống đê nên các vùng bên trong đê cũng bớt được sự ảnh hưởng Các vùng ven biển như thành phố Bạc Liêu, huyện Đông Hải, huyện Hòa Bình do kimh tế chủ yếu là nuôi thủy sản nên việc lấy nguồn nước biển thường xuyên phải mở thêm nhiều kênh rạch làm cho nước biển đi vào sâu phía trong được thuận lợi Các vùng phía trong quốc lộ 1A như huyện Giá Rai, huyện Phước Long mấy năm gần đây do người dân tự ý chuyển đổi từ trồng lúa qua nuôi tôm phá vỡ việc vận hành của hệ thống cống ngăn mặn Từ đó càng làm cho nước biển vào sâu trong nội đồng nguy cơ ngập ngày càng thể hiện rõ diện tích ngập tăng lên

4.2 Kịch bản nước biển dâng từ năm 2013 đến năm 2050

Qua tính toán số liệu từ nay đến năm 2050 chúng tôi chọn các mốc thời gian chẵn đại diện là năm 2020, 2030, 2040 và 2050 Qua mô phỏng bản đồ nguy cơ ngập theo kịch bản mức

(thấp – trung bình – cao) và thống kê diện tích ngập theo tháng cho các mốc thời gian năm

2020, 2030, 2040, 2050 thống kê được bảng:

Bảng 2 Diện tích ngập (%) theo các kịch bản

Hình 15 Thống kê diện tích bị ngập từ năm 2013 đến năm 2050

Qua kết quả thống kê diện tích bị ngập mức cao biên độ thống kê càng đi lên cao cho thấy những năm càng về sau do biến đổi khí hậu, nước biển càng dâng cao thêm đây là tình hình cả thế giới đang quan tâm Các mốc thời gian thể hiện biên độ thống kê diện tích ngập đi lên theo chiều gần như thẳng đứng cho thấy nguy cơ ngập tăng lên rất nghiêm trọng đáng báo động cho tỉnh Bạc Liêu và cả vùng ĐBSCL

Hình 16 Thống kê diện tích ngập các huyện từ 2013 đến 2050 theo kịch bản mức cao

Với tình trạng nguy cơ ngập chung cho tỉnh Bạc Liêu thì các khu vực huyện trong tỉnh cũng sẽ bị ảnh hưởng Trong tương lai nếu quy hoạch hệ thống đê và đập hợp lí sẽ làm giảm sự ảnh hưởng không tốt của tình trạng nước biển dâng Các vùng ven biển như thành phố Bạc Liêu, huyện Đông Hải, huyện Hòa Bình hầu như bị ngập hết diện tích Nước sẽ dâng cao lấn vào nội đồng phía trong quốc lộ 1A và ngập theo chiều từ hướng Tây Nam lên Đông Bắc các huyện sẽ lần lượt ảnh hưởng là huyện Giá Rai, huyện Phước Long, huyện Hồng Dân và huyện Vĩnh Lợi Do vậy, mỗi địa phương thuộc cấp huyện cần đề ra và xây dựng hướng giải quyết ứng phó với tình trạng nước biển dâng

5 KẾT LUẬN

Chúng tôi đã nghiên cứu mô phỏng mô hình ngập địa hình do nước biển dâng trên địa bàn khu vực ĐBSCL trong bối cảnh vùng ĐBSCL chịu tác động mạnh của biến đổi khí hậu Hướng ngập địa hình do nước biển dâng được xác định theo hướng từ biển vào nội đồng có gắn với hệ thống sông, hệ thống đê và hệ thống cống Trên cơ sở kết quả mô phỏng, nghiên cứu cũng đã tiến hành xây dựng bản đồ số thể hiện quá trình ngập địa hình do nước biển dâng thông qua bản đồ ngập/nguy cơ ngập theo thời gian Các thống kê về diện tích ngập theo thời gian theo từng đơn vị hành chính (cấp tỉnh, cấp huyện) trên địa bàn một tỉnh được chọn thí điểm (tỉnh Bạc Liêu) trên địa bàn khu vực ĐBSCL cũng đã được mô tả chi tiết trên cơ sở các kịch bản ngập địa hình do nước biển dâng trong quá khứ và cho các giai đoạn trong tương lai Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ mở rộng nghiên cứu mô phỏng các mô hình toán biến đổi khí hậu cho khu vực ĐBSCL và các khu vực khác của Việt Nam

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bạc Liêu đã cấp và hỗ trợ kính phí, Trung tâm Khí tượng Thủy văn Bạc Liêu đã hỗ trợ và cung cấp số liệu cần thiết cho chúng tôi

để hoàn thành nghiên cứu này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Climate change, sea level rise scenarios of Vietnam Ministry of Natural Resources and Environment, Vietnam, 2009/2012

Drogoul, A., Ferber, J Multi-Agent Simulation as a Tool for Modeling Societies: Application to Social Differentiation in Ant Colonies, 2002

Drogoul, A., Vanbergue, D., Meurisse, T Multi-Agent Based Simulation: Where are the Agents ? Proceedings of MABS'02, 2002

Drogoul, A., Vo, D.A., Amouroux, E., Chu, T.Q., Nguyen, N.D “Agent‐based simulation: definition, applications and perspectives”, 2008

GAMA-platform http://code.google.com/p/gama-platform/

Hoang N.H, Huynh X.H, Nguyen H.T Simulation of Salinity Intrusion in the Context of the Mekong Delta Region (Vietnam) RIVF – IEEE, 2011

Le, A.T , Tran, T.T and Kakonen, M “Challenges of water resources management for downstream livelihood of the Lower Mekong Delta, Vietnam” The fourth International Symposium on Southeast Asian Water Environment AIT, Bangkok, Thailand, 6-8 December, 2006

Nguyen, V.N Wetland mapping in the Mekong Delta and Tram Chim area using Geographical Information Systems (GIS) Proceedings of a workshop on balancing economic development with environmental conservation, Safford, R.J., D V Ni, E Maltby and V T Xuan (eds.), RHIER, London University, UK 1997:87-93pp, 1997

Pang, C., Zhao, E and Yang, Y Numerical simulation on the process of saltwater intrusion and its impact

on the suspended sediment concentration in the Changjiang (Yangtze) estuary Chinese Journal of Oceanology and Limnology (2010) 28, 609-619, 2010

Pham, T.T H and Furukawa, M Impact of sea level rise on coastal zone of Vietnam Bull Fac Sci., Uni Ryukyus, 84:45-59, 2007

Phan, H.C., Huynh, X.H., Drogoul, A.: An agent-based approach to the simulation of Brown Plant Hopper (BPH) invasions in the Mekong Delta (L) RIVF , 2010

Railsback, S.F., Lytinen, S.L., Jackson S.K Agent-based Simulation Platforms: Review and Development Recommendations Simulation 2007

Shannon, R.E “Introduction to simulation” WSC '92 Proceedings of the 24th conference on Winter simulation, 1992

Taillandier, P., Drogoul, A From GIS Data to GIS Agents, Modeling with the GAMA simulation platform, 2010

Taillandier, P., Drogoul, A., Vo, D.A., Amouroux, E.: GAMA: a simulation platform that integrates geographical information data, agent-based modeling and multi-scale control Paper to appear in „The 13th International Conference on Principles and Practices in Multi-Agent Systems (PRIMA)‟, India ,2010

Treuil, J-P., Drogoul, A., Zucker, J-D Modeling and simulation-based agents: Examples commented, computer tools and theoretical questions, 2008

Tuladhar, A.M Lechture note on Spatial Data Models and Structure in GIS, ITC, the Netherlands, 1996

Vo, M.Q Geographical Information System (GIS), Can Tho University, 2005