Nghiên cứu quá trình xâm nhập mặn tại khu vực đồng bằng bắc bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Diệu Thúy NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XÂM NHẬP MẶN TẠI KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Diệu Thúy NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XÂM NHẬP MẶN TẠI KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 8440228.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Huấn Hà Nội - Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Luận văn hồn thành mơn Khoa học Cơng nghệ biển, khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, hướng dẫn PGS TS Nguyễn Minh Huấn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc hướng dẫn tận tình Thầy suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tác giải xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Đồng Bắc Bộ, tập thể anh chị em đồng nghiệp phòng Dự báo Khí tượng Thủy văn, phòng Quản lý lưới trạm quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trình học tập, nghiên cứu đảm bảo yêu cầu nội dung chất lượng nghiên cứu luận văn Cảm ơn đề tài KC.09.14116.20 GS TS Đinh Văn Ưu chủ nhiệm hỗ trợ tơi hồn thành luận văn thạc sỹ Tác giả xin gửi lòng biết ơn đến gia đình bạn thân, người đồng hành tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Mặc dù cố gắng nhiều, luận văn không tránh khỏi thiếu sót; em mong nhận thơng cảm ý kiến đóng góp q thầy cơ, nhà khoa học đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Phạm Thị Diệu Thúy MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC BẢNG MỤC LỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2.3 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn Việt Nam 1.2.4 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn đồng sông Hồng - Đáy 1.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực nghiên cứu 10 1.2.1 Vị trí địa lý 10 1.2.2 Địa hình lưu vực sơng Hồng - Đáy 11 1.2.3 Đặc điểm khí hậu lưu vực sông Hồng - Đáy 11 1.2.4 Mạng lưới sông suối đặc điểm thủy văn 12 1.2.5 Mạng lưới trạm đo khí tượng thủy văn 13 1.2.6 Mạng lưới quan trắc độ mặn tình hình số liệu 13 1.2.7 Tình hình thu thập liệu, số liệu địa hình, KTTV khảo sát, đo đạc bổ sung số liệu mặn 14 1.2.8 Đặc điểm dòng chảy sơng ngòi 15 Dòng chảy mùa lũ 15 Dòng chảy mùa kiệt 15 Đặc trưng chế độ thủy văn vùng triều 15 1.3.1 Đánh giá trạng cấp nước cơng trình thủy lợi nhu cầu tin dự báo xâm nhập mặn đồng sông Hồng - Đáy 17 1.3.2 Đánh giá trạng cấp nước công trình thủy lợi lưu vực sơng Hồng - Đáy 18 1.3.3 Nhu cầu cần tin dự báo xâm nhập mặn vùng cửa sông lưu vực sông Hồng - Đáy 18 1.3.4 Hiện trạng cơng trình hồ chứa lợi dụng tổng hợp 18 1.3.5 Hiện trạng cấp nước nhu cầu dự báo mặn cho nuôi trồng thủy sản 19 1.3.6 Kiến nghị lấy nước cho sản xuất nuôi trồng thủy sản 19 1.3.7 Thủy triều xâm nhập mặn 19 1.3.8 Đánh giá trang xâm nhập triều mặn vùng đồng sông Hồng - Đáy 20 1.3.9 Độ triết giảm độ mặn vào nhánh sông 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH MIKE 28 2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE11 28 2.1.1 Giới thiệu mơ hình MIKE11 28 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO KHU VỰC VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ 32 3.1 Sơ đồ dự báo xâm nhập mặn vùng đồng sông Hồng - Đáy 32 3.2 Lựa chọn công cụ 32 Giới thiệu tổng quan 32 3.3 Hiệu chỉnh kiểm định thông số mô hình MIKE 11 33 3.3.1 Chọn sơ đồ mạng sông 33 3.3.2 Thiết lập điều kiện biên 36 3.3.3 Thiết lập điều kiện ban đầu 37 3.3.4 Hiệu chỉnh thơng số cho mơ hình 37 3.3.5 Kiểm nghiệm thông số cho mơ hình 40 3.4 Lập phương án dự báo xâm nhập mặn cho sông Hồng - Đáy 43 3.4.1 Chọn sơ đồ mạng sông cho phương án dự báo mặn 52 3.4.2 Các phương án dự báo biên: 53 3.4.3 Dự báo xâm nhập mặn 59 Áp dụng dự báo thử nghiệm cho mùa kiệt 2015, 2016 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 MỤC LỤC BẢNG Bảng Các trạm đo mặn thuộc khu vực Đồng Bắc 14 Bảng Độ triết giảm độ mặn vào nhánh sông Hồng 21 Bảng Độ triết giảm độ mặn vào nhánh sông Ninh Cơ 22 Bảng Độ triết giảm độ mặn vào nhánh sông Trà Lý 22 Bảng Bảng phân cấp lưu lượng trạm thủy văn Sơn Tây năm 2014 24 Bảng Kết hệ só nhám trung bình sông 37 Bảng Kết đánh giá sai số tính tốn thực đo số trạm kiểm tra 38 Bảng Kết đánh giá sai số độ mặn tính tốn thực đo vị trí kiểm tra hệ thống sông Hồng - Đáy cho tháng năm 2015 39 Bảng Kết đánh giá sai số tính tốn thực đo số trạm kiểm tra hệ thống sông Hồng - Đáy tháng năm 2015 40 Bảng 10 Kết đánh giá sai số độ mặn tính tốn thực đo vị trí kiểm tra hệ thống sơng Hồng - Đáy cho tháng năm 2016 41 Bảng 11 Trị số mực nước, lưu lượng nhỏ năm trạm Sơn Tây 1956-2019 44 MỤC LỤC HÌNH Hình Lưu vực sơng Hồng - Đáy phần Việt Nam 15 Hình Địa hình lưu vực sơng Hồng - Thái Bình - Phần Việt Nam 16 Hình Bản đồ mạng lưới sơng khu vực đồng Bắc - trạm đo mặn 17 Hình Độ mặn cửa sơng năm 2014-2015 21 Hình Mực nước Sơn Tây - Hà Nội - Thượng Cát 2015 26 Hình Lưu lượng Sơn Tây - Hà Nội 2015 26 Hình Sơ đồ mạng sơng Hồng - Đáy 34 Hình Sơ đồ thủy lực mạng lưới sông Hồng - Đáy 35 Hình Đường trình mực nước, lưu lượng nhỏ năm trạm Sơn Tây 44 Hình 10 Đường Tần suất mực nước nhỏ năm trạm Sơn Tây 1961-2019 49 Hình 11 Đường tần suất lưu lượng nhỏ năm trạm Sơn Tây 1956-2018 50 Hình 12 Sơ đồ mạng sơng Hồng - Đáy MIKE11 52 Hình 13 Mực nước trạm đo triều 2014 53 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Hiện tượng xâm nhập triều, mặn quy luật tự nhiên khu vực, lãnh thổ có vùng cửa sơng giáp biển Trong tương tác sơng biển, hai dòng nước mặn giao hội với Việc xâm nhập triều mặn có tác động đến hoạt động kinh tế - xã hội nhiều quốc gia nên vấn đề tính tốn nghiên cứu đặt từ lâu Mục tiêu chủ yếu công tác nghiên cứu nắm quy luật trình để phục vụ hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng vùng cửa sơng Việt Nam quốc gia có bờ biển dài, nhiều sơng đổ biển, vùng đất ven biển thấp nên diện tích bị ảnh hưởng xâm nhập mặn lớn Trong có vùng cửa sơng đồng sơng Hồng - Đáy Mục tiêu: Là dự báo viên cơng tác Phòng Dự báo - Đài KTTV khu vực Đồng Bắc bộ, chuyên Thủy Văn - Hải Văn, để gắn việc nghiên cứu với công việc thực tế đơn vị, học viên tiến hành xây dựng đề tài " Nghiên cứu xâm nhập mặn ven biển khu vực đồng Bắc bộ" làm luận văn tốt nghiệp với mục tiêu nghiên cứu xâm nhập mặn - nguyên nhân ảnh hưởng dự báo xâm nhập mặn mơ hình MIKE11 Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu: Xây dựng phương án dự báo xâm nhập mặn cho vùng cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng - Đáy trọng tâm đưa tin dự báo theo quy định Tổng cục Khí tượng thủy văn phục vụ công tác vận hành hệ thống thủy lợi cung cấp nước tưới cho sản xuất nông nghiệp nuôi trồng thuỷ sản mùa cạn hàng năm Sử dụng mơ hình MIKE 11 dự báo xâm nhập mặn cho vùng ven biển khu vực Đồng Bắc Bộ (đồng sông Hồng - Đáy) để bước đưa mô hình vào dự báo nghiệp vụ Đưa kết mơ hình kết hợp với thực tế thống kê thực trạng xâm nhập mặn nhiều năm khu vực dự báo xâm nhập mặn thời hạn vừa dài công quy hoạch phát triển kinh tế xã hội vùng ven biển tác động Biến đổi khí hậu nước biển dâng Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Ý nghĩa khoa học: Góp phần bổ sung sở lý luận cho việc nghiên cứu hoàn thiện sở khoa học mối quan hệ xâm nhập mặn triều cường kết hợp với trình vận hành hồ thủy điện khai thác lòng bờ sơng bối cảnh Biến đổi khí hậu nước biển dâng Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu đẩy mạnh công tác dự báo nghiệp vụ cụ thể dự báo xâm nhập mặn Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Đồng Bắc Bộ Quy luật nguyên nhân ảnh hưởng đến xâm nhập mặn để đưa cảnh báo sớm phục vụ đời sống nhân dân phát triển công tác nuôi trồng thủy hải sản địa phương Phạm vi nghiên cứu: Về khoa học: Tập trung phân tích biến đổi độ mặn theo không gian thời gian, nguyên nhân ảnh hưởng tính tốn dự báo, cảnh báo xâm nhập mặn mơ hình MIKE11 Về khơng gian: Các trạm thuộc cửa sông vùng ven biển Đồng Bắc Bộ Cơ sở tài liệu: Sử dụng chuỗi số liệu mực nước, lưu lượng, độ mặn đo đạc nhiều năm Đài Khí tượng thủy văn khu vực Đồng Bắc Bộ kết hợp với số liệu đo đạc mặt cắt ngang tồn hệ thống sơng Hồng - Đáy sử dụng mơ hình từ kết đo đạc năm 1999 - 2000 chương trình Phòng chống lũ sơng Hồng Thái Bình NN&PTNT chủ trì Cấu trúc luận văn: Trên sở nội dung thực báo cáo tổng kết luận văn phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo bố cục thành chương: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE11 Chương 3: Ứng dụng thực tiễn cho khu vực ven biển Đồng Bắc Bộ Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo - Độ mặn tính tốn theo mơ hình độ mặn trung bình tồn mặt cắt độ mặn thực đo vị trí (gần sơng) tính theo trung bình thuỷ trực Như dẫn đến sai số khách quan xuất kết tính tốn có mức tin cậy cao Sai số lớn mức độ xâm nhập triều yếu tạo dạng đường bao hình nêm vào cửa sơng Do thời gian thực thời gian ngắn, đồng thời số liệu thu thập để kiểm định thẩm tra lớn nên chọn vị trí điển hình cho sơng vị trí có u cầu dự báo Kết tính tốn kiểm tra cho thấy, mức độ phù hợp cho vị trí có khác mức độ phù hợp tất vị trí chọn giới hạn cho phép Mặc dù sai khác tính tốn thực đo phù hợp cách tương đối đường trình mực nước, lưu lượng, độ mặn tính tốn thực đo cho mùa kiệt năm 2015 2016 Với kết mô đạt mức tin cậy toán thuỷ lực, xâm nhập mặn, với thông số đánh giá tốt cho hầu hết sơng mơ hình MIKE 11 tiếp tục áp dụng cho tốn tính tốn xâm nhập mặn cho kịch khác cơng cụ để phục vụ tốn dự báo xâm nhập mặn khu vực khác cho hệ thống sông Hồng - Đáy 3.4.3 Dự báo xâm nhập mặn Áp dụng dự báo thử nghiệm cho mùa kiệt 2015, 2016 Trên sở thông số mô hình hiệu chỉnh kiểm nghiệm, biên dự báo với thời gian dự kiến 24 dự báo độ mặn tất vị trí vùng cửa sơng hồn tồn đảm bảo thời gian dự kiến 48 Đối với biên lưu lượng Gián Khẩu, vào mùa kiệt dòng chảy nhỏ biên độ dao động nhỏ nên mô hình MIKE 11 với cơng cụ dự báo hồn tồn tăng thời gian dự kiến Vì thời gian dự kiến cho dự báo mặn cửa sơng tăng lên 72 59 Dưới bảng thống kê số vị trí chọn để dự báo mặn thử nghiệm cho cửa sông thuộc vùng đồng sông Hồng – Đáy Kết dự báo thử nghiệm vị trí đo mặn sau Kết thử nghiệm dự báo biên làm đầu vào a, Dự báo biên Sơn Tây Kết dự báo thử nghiệm mùa cạn 2015 - 2016 theo mơ hình MIKE 11 Sơn Tây Đánh giá chất lượng dự báo Sơn Tây mùa cạn 2015 – 2016 với thời gian dự kiến 24 giờ, 48 giờ, 72 sau: Bảng 17 Kết đánh giá sai số dự báo trạm Sơn Tây Tên trạm Sơn Tây Thời gian dự kiến 24h 48h 72h 90% 75% 60% b, Dự báo biên Gián Khẩu Chất lượng dự báo trạm Gián Khẩu mùa cạn 2015 – 2016 với thời gian dự kiến Bảng 18 Kết đánh giá sai số dự báo trạm Gián Khẩu Tên trạm Gián Khẩu Thời gian dự kiến 24h 48h 72h 85% 72% 61% 3.4.4 Kết thử nghiệm dự báo mặn cửa sông Sử dụng kết dự báo lưu lượng biên kết dự báo mực nước triều cửa sông kéo dài tận biển, tiến hành dự báo mặn thử nghiệm cho hai giai đoạn từ 15/12 đến 16/12/2015 từ 6/03 đến 9/03/2016 Dưới bảng tổng hợp kết hình vẽ kết dự báo 60 Bảng 19 So sánh kết dự báo thực đo vị trí trạm Thời gian 15/12 - 18/12/2015 Tt Trạm Sơng Smax Smax tính Sai số Chênh lệch thực toán lệch tgian xhiện đo(%o) (%o) (%o) đỉnh (giờ) Ba Lạt Hồng 18.0 15.2 2.8 Phú Lễ Ninh Cơ 24.85 22.1 2.75 3 Đông Quý Trà Lý 17.6 17.4 0.2 Như Tân Đáy 16.0 15.1 0.9 Bảng 20 So sánh kết dự báo thực đo vị trí trạm Thời gian 06/3-09/3/2016 Tt Trạm Sông Smax Smax Sai số Chênh lệch thực đo tính lệch tgian xhiện (%o) tốn (%o) đỉnh (giờ) (%o) Ba Lạt Hồng 21.2 19.0 2.2 Phú Lễ Ninh Cơ 30.1 28.1 2.0 3 Đông Quý Trà Lý 18.1 16.7 1.4 Như Tân Đáy 14.2 15.3 1.1 Từ bảng kết dự báo thử nghiệm cho hai gian đoạn cho thấy mặn nhìn chung bắt đỉnh thời gian giá trị đỉnh Tại trạm cửa sông hệ thống sông Hồng - Đáy thời gian lệch đỉnh dự báo thực đo không sai khác nhiều, giá trị đỉnh mặn trạm cửa sông nằm giới hạn cho phép Như sử dụng mơ hình cho tốn dự báo mặn thực tế Bảng 21 Kết dự báo độ mặn lớn vị trí trạm thời gian 16/12/201531/3/2016 TT Trạm Sơng 61 Smax(%o) dự báo Ba Lạt Hồng 21.2 Đông Quý Trà Lý 30.1 Phú Lễ Ninh Cơ 18.1 Như Tân Đáy 16.0 Bảng 22 Kết dự báo độ mặn số vị trí đo mặn thời gian 16/12/201531/3/2016 TT Trạm Sông Smax(%o) dự báo Dương Liễu Hồng 13.1 Ngũ Thôn Trà Lý 11.0 Phúc Khê - 0.3 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bộ thơng số mơ hình MIKE 11 hiệu chỉnh, kiểm nghiệm Độ mặn thử nghiệm thời gian xuất đỉnh mặn sai khác khoảng 1-3 Giá trị đỉnh mặn cửa sơng có sai số nằm giới hạn cho phép (độ mặn tính tốn theo mơ hình trung bình) kết cho thấy có tính khả thi thực tế phục vụ cho mơ dự báo mặn cho hệ thống sông Hồng – Đáy Mơ hình MIKE 11 tính tốn xâm nhập mặn thời gian hạn ngắn hạn vừa Độ mặn có xu hướng tăng dòng sơng Hồng Khả bổ sung lưu lượng thời kỳ xả nước phục vụ vụ Đơng Xn hồ chứa Hồ Bình cải thiện tình hình xâm nhập mặn Là mơ hình chiều nên MIKE 11 phản ánh tốt phần chảy xi dòng nước sơng, cần kết hợp với mơ hình khác MIKE 21… để mơ tả dòng chảy hai chiều nước biển xâm nhập cho kết tốt Kết mơ hình MIKE 11 sản phẩm quan trọng phương án phục vụ cho công tác dự báo tác nghiệp, nhiên số liệu địa hình cũ với q trình khai thác cơng trình thủy lợi dọc sơng phức tạp nên việc ứng dụng mơ hình cho cơng tác dự báo cần phải cập nhật liên tục để kết dự báo gần với thực tế Để nâng cao độ xác dự báo quy luật xâm nhập mặn cần phải bổ sung trạm đo mặn tiến hành điều tra khảo sát nhiều Đồng thời liên tục cập nhật thông số cho mơ hình cho mùa dự báo 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Viện Quy hoạch Thuỷ lợi (2006) Báo cáo tính tốn thủy lực mùa cạn lưu vực sơng Hồng - Thái Bình, Dự án quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước sông Hồng - Thái Bình Viện khoa học Khí tượng Thủy văn (2010) Xây Dựng chương trình xâm nhập mặn khu vực đồng sồng Hồng - Thái Bình Vũ Hoàng Hoa (2007) Nghiên cứu, dự báo xu diễn biến xâm nhập mặn nước biển dâng cho vùng cửa sơng ven biển Bắc Nguyễn Văn Hồng (2013) Nghiên cứu xây dựng mơ hình đánh giá dự báo xâm nhập mặn nước sông Trà Lý Tiếng Anh Mike11 by DHI 2014 Modelling system for Rivers and Channels 64 PHỤ LỤC Mặt cắt sông Hồng Sơn Tây Mặt cắt sông Hồng Hà Nội 65 Mặt cắt sông Đuống Thượng Cát Mặt cắt sông Đáy Ba Thá 66 Mặt cắt sông Ninh Cơ Phú Lễ Mặt cắt sông Trà Lý Đông Quý 67 Mực nước sông Ninh Cơ: thực đo tính tốn Mực nước Sơn Tây-Hà Nội-Thượng Cát năm 2014 68 Lưu lượng Sơn Tây-Hà Nội-Thượng Cát năm 2014 Mực nước dự báo Sơn Tây-Hà Nội-Thượng Cát năm 2015 69 Độ mặn trạm Như Tân sông Đáy năm 2015 Độ mặn trạm Đông Quý sông Trà Lý năm 2015 70 Độ mặn trạm Ba Lạt sông Hồng năm 2015 Độ mặn trạm Phú Lễ sông Ninh Cơ năm 2015 71 Mực nước Sơn Tây-Hà Nội-Thượng Cát năm 2016 Lưu lượng Sơn Tây-Hà Nội-Thượng Cát năm 2016 72 Mực nước triều trạm năm 2016 Độ mặn 04 trạm cửa sông 2016 73 ... xây dựng đề tài " Nghiên cứu xâm nhập mặn ven biển khu vực đồng Bắc bộ" làm luận văn tốt nghiệp với mục tiêu nghiên cứu xâm nhập mặn - nguyên nhân ảnh hưởng dự báo xâm nhập mặn mơ hình MIKE11... VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2.3 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn Việt Nam 1.2.4 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn đồng sông... Đáy VỊNH BẮC BỘ Hình Địa hình lưu vực sơng Hồng - Thái Bình - Phần Việt Nam 16 Hình Bản đồ mạng lưới sông khu vực đồng Bắc - trạm đo mặn 1.3 Đánh giá trạng xâm nhập mặn khu vực nghiên cứu Đồng sông