Nghiên cứu diễn biến xâm nhập mặn phía nam đồng bằng sông hồng liên quan đến biến đổi khí hậu phục vụ phát triển nông nghiệpluận văn ths chuyên ngành biến đổi khí hậu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘIKHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VŨ VIỆT ĐỨC NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN XÂM NHẬP MẶN PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LIÊN QUAN ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NÔNG NGHI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH

VŨ VIỆT ĐỨC

NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN XÂM NHẬP MẶN PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LIÊN QUAN ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ

HẬU PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

HÀ NỘI - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH

VŨ VIỆT ĐỨC

NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN XÂM NHẬP MẶN PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LIÊN QUAN ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ

HẬU PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Trực

PGS.TS Vũ Văn Tích

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại Khoa Sau đại học (nay là Khoa Các Khoa họcLiên ngành), Đại học Quốc gia Hà Nội cũng như thời gian thực hiện luận văn, bêncạnh sự nỗ lực của bản thân, học viên đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ hết sức quýbáu Học viên xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Ngọc Trực và PGS.TS Vũ Văn Tích

đã luôn tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức chuyên môn, tạo điều kiện

để học viên có đủ cơ sở dữ liệu để thực hiện luận văn Học viên xin bày tỏ lòng biết ơnsâu sắc tới các Thầy, Cô giáo Khoa Các Khoa học Liên ngành, Đại học Quốc gia HàNội đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện và hướng dẫn trong suốt quátrình học tập và thực hiện luận văn

Và cuối cùng, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, bạn bè vànhững người luôn động viên, khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Do kiến thức và kỹ năng vẫn còn hạn chế, luận văn không tránh khỏi những thiếusót, tác giả mong nhận được các ý kiến đóng góp từ các Thầy, Cô giáo và các bạnđồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có hướng nghiên cứu tiếp theo

Học viên

Vũ Việt Đức

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả thực hiệndưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Ngọc Trực và PGS.TS Vũ Văn Tích,không sao chép các công trình nghiên cứu khác Các số liệu, kết quả nêu trong Luậnvăn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản luận văn củamình

Tác giả

Vũ Việt Đức

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XÂM NHẬP MẶN VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3

1.1 Một số khái niệm 3

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn 4

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới 4

1.2.2 Nghiên cứu về xâm nhập mặn trong nước 6

1.2.3 Vấn đề biến đổi khí hậu khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng 8

1.3 Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 10

1.3.1 Vị trí địa lý 10

ặc đi m địa h nh 11

ặc đi m khí hậu 12

4 ặc đi m sông ngòi, thủy văn 12

1.3.5 Thuỷ triều và xâm nhập mặn 13

6 ặc đi m kinh tế - xã hội 13

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN, CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ SỐ LIỆU CHO NGHIÊN CỨU VỀ XÂM NHẬP MẶN PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG 15 2.1 Cách tiếp cận 15

2.1.1 Tiếp cận hệ thống 15

2.1.2 Tiếp cận lịch sử 15

2.1.3 Tiếp cận liên vùng – liên ngành 15

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 16

2.2.1 Khảo sát thực địa, lấy mẫu và thí nghiệm hiện trường 16

Phân tích độ mặn trong phòng thí nghiệm 18

2.2.3 Xử lý thống kê và phân tích số liệu 20

2.2.4 Mô hình số mô phỏng xâm nhập mặn 20

2.3 Cơ sở khoa học và số liệu 24

2.3.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu về xâm nhập mặn 24

2.3.2 Cơ sở số liệu 26

Chương 3 PHÂN TÍCH HIỆN TRẠNG VÀ DỰ TÍNH DIỄN BIẾN XÂM NHẬP MẶN KHU VỰC PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG THEO MÔ HÌNH

MIKE 11 27

3.1 Diễn biến xâm nhập mặn khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng qua số liệu khảo sát 27

3.1.1 Nhiễm mặn theo thời gian 27

3.1.2 Nhiễm mặn theo không gian 27

3.1.3 Kết quả khảo sát phân tích xâm nhập mặn trên sông áy và sông Ninh Cơ 29 3.2 Phân tích diễn biến xâm nhập mặn theo mô hình MIKE 11 30

3.2.1 Số liệu đầu vào mô hình 30

Các bước thiết lập mô hình 32

3.2.3 Dự tính diễn biến xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu 36

3.2.4 Phân tích xâm nhập mặn năm 0 0 trên sông áy và sông Ninh Cơ trên mô hình MIKE 11 37

3.2.5 Ki m định mô hình 39

3.3 Phân tích kết quả mô hình 40

3.3.1 Kết quả dự tính xâm nhập mặn sông áy theo kịch bản RCP 4.5 44

3.3.2 Kết quả dự tính xâm nhập mặn sông áy theo kịch bản RCP 8.5 45

3.3.3 Kết quả dự tính xâm nhập mặn sông Ninh Cơ theo kịch bản RCP 4.5 47

3.3.4 Kết quả dự tính xâm nhập mặn sông Ninh Cơ theo kịch bản RCP 8.5 49

3.4 Thảo luận 50

Chương 4 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP QUẢN LÝ XÂM NHẬP MẶN PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG 53 4.1 Tác động của xâm nhập mặn đến sản xuất nông nghiệp và nguy cơ nhiễm mặn tại khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng 53

4.1.1 Hiện trạng sản xuất nông nghiệp tại khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng 53

4 Tác động của xâm nhập mặn tới sản xuất nông nghiệp tại khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng 53

4 Nguy cơ nhiễm mặn tại khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng 56

4.2 Vấn đề quản lý xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp trong khu vực

4 Căn cứ pháp lý .

4.2.2 Các giải pháp phi công trình .

4.2.3 Các giải pháp công trình .

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1.Kết luận

2.Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Vị trí các đi m đo 17

Bảng 2.2 Phân loại nước mặn theo FAO [28] 25

Bảng ộ mặn đặc trưng tháng (‰) tại vị trí cách bi n 10 km 27

Bảng 3.2 Giới hạn xâm nhập mặn theo Sđỉnh max (km so với cửa sông) 27

Bảng 3.3 Kết quả đo mặn ngoài thực địa 29

Bảng 3.4 Mực nước bi n dâng theo các kịch bản biến đổi khí hậu – nước bi n dâng năm 0 và 0 6 [ , ] 37

Bảng 3.5 Cự ly xâm nhập mặn tại sông áy theo kịch bản RCP 4 5 qua các năm 45

Bảng 3.6 Cự ly xâm nhập mặn tại sông áy theo kịch bản RCP 8 5 qua các năm 46

Bảng 3.7 Cự ly xâm nhập mặn tại sông Ninh Cơ theo kịch bản RCP 4 5 qua các năm 48 Bảng 3.8 Cự ly xâm nhập mặn tại sông Ninh Cơ theo kịch bản RCP 8 5 qua các năm 50 Bảng 4 Nguy cơ ngập đối với tỉnh Nam ịnh theo mức độ nước bi n dâng [3] 57

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sự dịch chuy n của khối nước mặn vào tầng nước ngọt [26]

H nh Xu hướng nhiệt độ trung b nh năm tại Nam ịnh giai đoạn 1990-2009 H nh Xu hướng lượng mưa trung b nh năm tại Nam Hình 1.4 Vị trí vùng nghiên cứu .

Hình 2.1 Thiết bị đo độ mặn tại hiện trường .

Hình 2.2 Lấy mẫu nước tại cửa cống .

Hình 2.3 Mặn xâm nhập khiến nhiều đốm lúa héo khô H nh 4 ất suy thoái vì nhiễm mặn .

H nh Sơ đồ xâm nhập mặn trên sông H nh Sơ đồ các đi m lấy mẫu nước .

Hình 3.3 Mặt cắt ngang a) sông ào - b) sông H nh 4 Sơ đồ khu vực nghiên cứu bi u diễn trong MIKE 11 Hình 3.5 Cửa sổ Editor mạng lưới sông .

Hình 3.6 Cửa sổ editor các dữ liệu mặt cắt đã xử lí .

Hình 3.7 Các mặt cắt ngang được thêm vào mạng lưới sông Hình 3.8 Số liệu các biên trong mô hình .

Hình 3.9 Cửa sổ editor hiệu chỉnh thông số độ nhám .

Hình 3.10 Cửa sổ editor thông số mặn .

Hình 3.11 Cửa sổ th hiện các file đầu vào cho mô hình .

Hình 3.12 Bi u đồ xâm nhập mặn năm 0 0 trên sông

Hình 3.13 Bi u đồ xâm nhập mặn năm thiết lập .

Hình 3.14 Xâm nhập mặn trên sông áy ( 0 6) so với số liệu năm 0 0 .

Hình 3.15 Xâm nhập mặn trên sông Ninh Cơ ( 0 6) so với số liệu năm 2010 .

Hình 3.20 Diễn biến xâm nhập mặn sông

Hình 3.21 Diễn biến xâm nhập mặn sông

Hình 3.22 Diễn biến xâm nhập mặn sông Ninh Cơ theo kịch bản RCP 4.5 47

Hình 3.23 Diễn biến xâm nhập mặn sông Ninh Cơ theo kịch bản RCP 8.5 49

Hình 4.1 Bản đồ nguy cơ ngập úng ứng với mực nước bi n dâng 100 cm tỉnh Nam ịnh [3] 57

Hình 4.2 Hệ thống giám sát mặn tự động tại huyện Giao Thủy 63

Hình 4.3 Giao diện trang web cập nhật số liệu quan trắc mặn 63

Hình 4.4 Bảng khẩu hiệu tuyên truyền ứng ph biến đổi khí hậu ở huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam ịnh 64

H nh 4 5 ê bi n bị gặm mòn bởi muối 65

H nh 4 6 Mô h nh đê ngăn mặn 65

Hình 4.7 Công trình cống đập ngăn mặn tại a ai ( ến Tre) 66

Hình 4.8 Cấu tạo đập trụ 66

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Theo cảnh báo của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu [30], các quốc giaven biển trên toàn cầu đang phải chịu ảnh hưởng nặng nề từ tác động của biến đổi khíhậu trong đó có Việt Nam Kịch bản quốc gia về biến đổi khí hậu (theo mức phát thảitrung bình – RCP 4.5) do Bộ Tài nguyên & Môi trường xây dựng cảnh báo rằng, đếncuối thế kỷ nhiệt độ trung bình năm ở phía Bắc tăng chủ yếu từ 1,9÷2,4oC và ở phíaNam từ 1,7÷1,9oC Về lượng mưa: đến cuối thế kỷ này một số tỉnh ven biển Đồngbằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ và khu vực xung quanh có thể tăng trên20% Nước biển sẽ dâng thêm 7.5 cm vào năm 2020 và 53 cm vào năm 2100 [2,3].Như vậy, nguy cơ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến các ngành kinh tế nước ta là rõrệt và nghiêm trọng Là một nước nông nghiệp với phần lớn dân số sống ở nông thôn,đối tượng sản xuất nông nghiệp lại nhạy cảm với các vấn đề môi trường, do đó nôngnghiệp sẽ là ngành chịu tác động nặng nề nhất do tác động của biến đổi khí hậu

Việt Nam có một bờ biển dài và hầu hết diện tích đất nông nghiệp đều nằm ởđồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long, do đó các khu vực nàyđược cảnh báo là có nguy cơ cao về các ảnh hưởng tiêu cực của biến đổi khí hậu nhưngập lụt, nhiễm mặn, xói mòn, rửa trôi, hạn hán Những hiện tượng cực đoan này đều

là mối đe dọa to lớn đối với sản xuất nông nghiệp và đời sống người dân

Xuất phát từ tình hình thực tế đó, việc nghiên cứu đánh giá vùng bị ảnh hưởngbởi xâm nhập mặn có liên quan đến biến đổi khí hậu phục vụ sản xuất nông nghiệp là

một nhiệm vụ có tính cấp thiết cao Do đó, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu diễn biến xâm nhập mặn phía nam đồng bằng sông Hồng liên quan đến biến đổi khí hậu phục vụ phát triển nông nghiệp” nhằm đánh giá, dự tính diễn biến xâm nhập mặn tại

khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng giúp hạn chế các thiệt hại cho sản xuất nôngnghiệp trong điều kiện biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ

2.Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá thực trạng tình hình xâm nhập mặn của khu vực phía nam đồng bằngsông Hồng (cụ thể là khu vực sông Đáy và sông Ninh Cơ)

- Dự tính diễn biến xâm nhập mặn tại khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng, xem xét sự liên quan đến biến đổi khí hậu

- Đề xuất các giải pháp quản lý xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp tạikhu vực nghiên cứu.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+) Đối tượng nghiên cứu: Diễn biến xâm nhập mặn nước mặt tại sông Đáy vàsông Ninh Cơ và ảnh hưởng của quá trình xâm nhập mặn đến sản xuất nông nghiệp tạikhu vực nghiên cứu: phía nam đồng bằng sông Hồng

+) Phạm vi nghiên cứu: khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng, cụ thể là khuvực sông Ninh Cơ và sông Đáy thuộc tỉnh Nam Định

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Luận văn có những ý nghĩa khoa học như sau:

- Dự tính diễn biến xâm nhập mặn trong tương lai theo các điều kiện liên quanđến biến đổi khí hậu, tạo bộ cơ sở dữ liệu để các tỉnh thuộc khu vực phía nam đồngbằng sông Hồng định hướng phát triển nông nghiệp với điều kiện biến đổi khí hậuhiện tại

-Là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về xâm nhập mặn tại khu vực

Về ý nghĩa thực tiễn, luận văn có đóng góp:

- Đề xuất các giải pháp quản lý xâm nhập mặn phục vụ cho sản xuất nôngnghiệp tại khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng để đảm bảo phát triển nông nghiệpbền vững

5.Cấu trúc luận văn

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về xâm nhập mặn và khu vực nghiên cứu

-Chương 2: Phương pháp luận, cơ sở khoa học và số liệu cho nghiên cứu về xâm nhập mặn phía nam đồng bằng sông Hồng

- Chương 3: Phân tích hiện trạng và dự tính diễn biến xâm nhập mặn khu vực phía

- Chương 4: Đề xuất các giải pháp quản lý xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng

- Kết luận và Kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XÂM NHẬP MẶN VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Một số khái niệm

- Xâm nhập mặn:

Xâm nhập mặn là quá trình thay thế nước ngọt trong các tầng chứa nước ởven biển bằng nước mặn do sự dịch chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt(hình 1.1) Xâm nhập mặn làm giảm nguồn nước ngọt dưới lòng đất ở các tầng chứanước ven biển do cả hai quá trình tự nhiên và con người gây ra [26]

Còn theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, Bộ Nông nghiệp vàPhát triển Nông thôn: Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn với nồng độ mặn bằng4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc cạn kiệtnguồn nước ngọt [16]

Đối với nông nghiệp, xâm nhập mặn tác động đến nguồn nước lẫn đất trồnglàm suy thoái tài nguyên đất và nước gây ảnh hưởng đến sản xuất

Hình 1.1 Sự dịch chuy n của khối nước mặn vào tầng nước ngọt [26]

- Nước nhiễm mặn:

Theo FAO (Tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc), nước nhiễm mặn – nóiđơn giản là nước có hàm lượng muối hòa tan vượt quá quy định dẫn đến nước có vịmặn hoặc lợ khó khăn trong sử dụng sinh hoạt, ăn uống và sản xuất [28]

Theo từ điển Bách khoa Việt Nam, nước nhiễm mặn là tên gọi chung các loạinước chứa lượng muối NaCl cao hơn nước uống thông thường (> 1‰) [9]

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về xâm nhập mặn

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

a Xâm nhập mặn nước mặt

Trên thế giới các phương pháp nghiên cứu xâm nhập mặn nước mặt được sửdụng chủ yếu gồm có: phương pháp thực nghiệm dựa trên số liệu quan trắc và phươngpháp mô phỏng quá trình sử dụng các mô hình toán Việc mô phỏng quá trình dòngchảy trong sông ngòi bằng mô hình toán được bắt đầu từ khi Saint - Venant (1871)công bố hệ phương trình mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong hệ thống kênh hởmột chiều Nhờ có hệ phương trình này nên khi kỹ thuật tính sai phân và công cụ máytính điện tử đáp ứng được yêu cầu tính toán đặt ra thì việc mô phỏng dòng chảy làcông cụ rất quan trọng để nghiên cứu về xâm nhập mặn và thủy lợi nói chung

Ippen và Harleman (1971) đã xây dựng các mô hình mặn một chiều [17] Giảthiết cơ bản của các mô hình này là các đặc trưng dòng chảy và mật độ là đồng nhấttrên mặt cắt ngang Mặc dù điều này khó gặp trong thực tế nhưng kết quả áp dụng môhình lại có sự phù hợp khá tốt, đáp ứng được nhiều mục đích nghiên cứu và tính toánmặn Ưu thế đặc biệt của các mô hình loại một chiều là yêu cầu tài liệu vừa phải vànhiều tài liệu đã có sẵn trong thực tế

Prichard (1971) đã dẫn xuất hệ phương trình 3 chiều để diễn toán quá trình xâmnhập mặn nhưng nhiều thông số không xác định được Vì thế các nhà khoa học đã giảiquyết bằng cách trung bình hoá theo hai chiều hoặc một chiều Sanker và Fischer,Masch (1970) và Leendertee (1971) đã xây dựng các mô hình hai chiều và một chiều

trong đó mô hình một chiều có nhiều ưu thế trong việc giải các bài toán phục vụ yêu cầu thực tế tốt hơn [17].

Một số mô hình nghiên cứu xâm nhập mặn phổ biến trên thế giới gồm có:

- Mô h nh động lực cửa sông FWQA;

- Mô h nh thời gian thủy triều của ee và Harleman và của Thatcher và

- ánh giá hiện trạng và xác định nguyên nhân

De Vries [25] và Zubari [34] đã kế thừa kết quả nghiên cứu của các học giả đitrước về xâm nhập mặn nước ngầm để giải thích sự phân bố của các thể chứa nướcmặn, nhạt ở các vùng ven biển bằng các yếu tố cấu trúc địa chất và lịch sử phát triểnđịa chất, địa mạo; đồng thời phân ra một số kiểu nhiễm mặn và đề xuất các khả năngquản lý chất lượng nước

Năm 2007, Narayan đã nghiên cứu và xác định ảnh hưởng của khai thác nướcngầm đến xâm nhập mặn ở đồng bằng Burdekin, Australia [31] Nguyên nhân đượcchỉ ra chính là do khai thác nước quá mức Đây là công trình có ý nghĩa tham khảo vớicác nghiên cứu tại khu vực có điều kiện khai thác nước dưới đất tương tự

- Nghiên cứu cơ chế dịch chuy n vật chất, ảnh hưởng của tỷ trọng

D W Bridger và D M Allen (2006) đã chỉ ra ảnh hưởng của quá trình khuếchtán đến sự phân bố độ mặn đồng bằng sông Fraser, Canada Các tác giả đã đưa ra môhình về quá trình hình thành và phân bố độ mặn theo chiều thẳng đứng khu vực cửasông: nước mặn từ cửa sông xâm nhập vào tầng chứa nước và từ tầng chứa nướckhuếch tán xuống lớp thấm nước yếu bên dưới [24]

Ngoài ra, một số học giả đã kết hợp sử dụng phương pháp đồng vị trong quátrình nghiên cứu quá trình dịch chuyển vật chất như Groen, Velstra, Meesters [29] xác

định quá trình muối hóa tầng chứa nước ven biển qua việc phân tích thành phần đồng

vị 37Cl và mô hình khuếch tán

- Dự báo và đánh giá xâm nhập mặn bằng mô hình số

Phatcharasak Arlai (2007) [32] đã mô hình hóa các cơ chế xâm nhập mặn tạiven biển vịnh Thái Lan bằng phần mềm SEAWAT-2000 và MODFLOW/MT3DMS.Với việc đánh giá điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, tác giả đã xác định nguồn gốcxâm nhập mặn chính ở một số nơi là nước biển hiện tại xâm nhập xuống các tầng chứanước

Bithin Datta và những người khác (2009) [23] đã kết hợp sử dụng mô hìnhFEMWATER để mô hình hóa và điều chỉnh xâm nhập mặn vùng Andhra Pradesh, ẤnĐộ

Nhìn chung, từ các công bố khoa học về xâm nhập mặn nước ngầm trên thếgiới có thể đưa ra nhận định: nguyên nhân gây nên xâm nhập mặn nước ngầm ở mỗikhu vực khác nhau có thể khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa chất thủyvăn, hiện trạng khai thác nước ngầm cũng như lịch sử tiến hóa địa chất của từng khuvực Các công trình nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để xác định

cơ chế xâm nhập mặn nước ngầm, dịch chuyển vật chất trong các tầng chứa nước…

Có thể phân thành 4 nhóm phương pháp chính được sử dụng bao gồm:

- Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực;

1.2.2 Nghiên cứu về xâm nhập mặn trong nước

a Các nghiên cứu về xâm nhập mặn ở Việt Nam

Về nghiên cứu xâm nhập mặn nước mặt, nước ta đã tiến hành từ những năm

1960 với công tác quan trắc độ mặn ở đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long Dođồng bằng sông Cửu Long là khu vực sản xuất nông nghiệp quan trọng nhất cả nước,

và đặc điểm địa hình khu vực không có đê bao nên được chú ý hơn cả

Vào những năm 80, các mô hình tính toán xâm nhập mặn đã được xây dựng và

ứng dụng vào việc nghiên cứu quy hoạch phát triển châu thổ sông Cửu Long Kết quảđược nhìn nhận khả quan và bước đầu một số mô hình đã thử nghiệm ứng dụng dự báoxâm nhập mặn Theo thời gian, do sự phát triển của công nghệ nên có nhiều mô hình tínhtoán xâm nhập mặn được chuyển giao vào Việt Nam như ISIS (Anh), MIKE 11 (ĐanMạch), HEC-RAS (Mỹ) đều có các module tính toán lan truyền xâm nhập mặn.

Đối với xâm nhập mặn nước ngầm, Đặng Hữu Ơn (1996) đã đưa ra tính toán,

dự báo khả năng nhiễm mặn với công trình khai thác nước ngầm ở Bà Rịa – Vũng Tàubằng thí nghiệm bơm hút nước [12] Kết quả xác định được vận tốc dòng thấm trungbình từ biển và tính thời gian nước mặn xâm nhập vào công trình Năm 2007, NguyễnNhư Trung đã nghiên cứu dự báo xâm nhập mặn nước dưới đất vùng Hải Phòng bằng

mô hình điện trở và địa chất thủy văn Tác giả đã sử dụng phương pháp địa vật lí và

mô hình số để nghiên cứu hiện trạng và dự báo xâm nhập mặn cho vùng Hải Phòng.Các kết quả cho thấy tầng chứa nước tại khu vực bị suy thoái nghiêm trọng, tác giả chỉ

ra các khu vực nên giảm khai thác nhằm hạn chế xâm nhập mặn [17]

Nhìn chung ở Việt Nam, các nghiên cứu xâm nhập mặn nước ngầm thườngđược kết hợp trong các báo cáo đánh giá tài nguyên nước dưới đất, chủ yếu là lấymẫu nước và khảo sát địa vật lí để điều tra khảo sát ranh giới mặn nhạt và tính toánthời gian, tốc độ dịch chuyển ranh giới trên cơ sở điều kiện địa chất thủy văn của vùngnghiên cứu với lưu lượng khai thác nước dưới đất yêu cầu Các nghiên cứu đã đưa rađược các cảnh báo về hiện tượng xâm nhập mặn vào các công trình khai thác Các nhàkhoa học trong nước chủ yếu áp dụng 3 nhóm phương pháp sau:

+) Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động

lực; +) Nhóm phương pháp địa vật lí; +) Nhóm

phương pháp mô hình số

b Nghiên cứu về xâm nhập mặn tại phía nam đồng bằng sông Hồng

Tác giả Vi Văn Vị trong nghiên cứu “Xâm nhập mặn ở đồng bằng ắc ộ” chỉ ra

rằng hệ thống sông Hồng có độ mặn lớn nhất vào tháng 1, trên hệ thống sông TháiBình vào tháng 3 [20] Riêng với sông Ninh Cơ và sông Đáy (thuộc hệ thống sôngHồng) thì thời điểm có độ mặn lớn nhất giống như hệ thống sông Thái Bình Nguyênnhân của hiện tượng này là do địa mạo, lượng nước thượng nguồn và tình hình sửdụng nước trong khu vực

Đỗ Trọng Sự và Phạm Quý Nhân (2003) đã xây dựng mô hình dòng chảy và

mô hình dịch chuyển các chất hòa tan trong nước dưới đất tại khu vực Nghĩa Hưng –Hải Hậu tỉnh Nam Định để dự báo khả năng xâm nhập mặn cho khai thác nước dướiđất gây ra [13].

Trong báo cáo điều tra cơ bản “Dự án điều tra cơ bản khảo sát nhiễm mặn sôngHồng năm 2007”, cũng có đề cập trong giai đoạn 2006-2007 độ mặn xâm nhập vào cácsông rất phức tạp [21] Các nghiên cứu mực nước biển dâng làm thay đổi các tính chất

kỹ thuật của đất do xâm nhập mặn cũng đã được Nguyễn Ngọc Trực và những ngườikhác nêu lên [18,33] Gần đây, năm 2015 có đề tài “Nghiên cứu đề xuất các giải phápthủy lợi kết hợp nông nghiệp để ứng phó với hạn hán và xâm nhập mặn tại các tỉnhven biển đồng bằng sông Hồng” của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Nước tưới tiêu vàmôi trường - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn do Vũ Thế Hải đứng đầu đã xâydựng bộ bản đồ chuyên đề khí tượng, thủy văn, xâm nhập mặn phục vụ công tác quản

lý hạn hán; lập hồ sơ thiết kế mô hình ứng dụng các giải pháp thủy lợi kết hợp nôngnghiệp ứng phó với hạn hạn, xâm nhập mặn cho khu vực các tỉnh ven biển đồng bằngsông Hồng [7]

1.2.3 Vấn đề biến đổi khí hậu khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng

Từ số liệu tại các trạm khí tượng trong giai đoạn 1990 – 2009 cho thấy:

- Về nhiệt độ: phân tích các số liệu thuộc các trạm khí tượng thuộc khu vực tỉnhNam Định trong thời gian 20 năm cho thấy nhiệt độ trong khu vực có xu hướng tăng.Phương trình xu thế nhiệt độ trung bình năm tại Nam Định có dạng:

y = 0.0278x + 23.574

Xu thế này phù hợp với các dự báo nhiệt độ của kịch bản về biến đổi khí hậu vànước biển dâng cho khu vực Sự thay đổi của nhiệt độ là tiêu chí quan trọng để đánhgiá về tình trạng biến đổi khí hậu

Hình 1.2 Xu hướng nhiệt độ trung b nh năm tại Nam ịnh giai đoạn 1990-2009

- Về lượng mưa: số liệu cho thấy lượng mưa trung bình năm tại Nam Định có

xu hướng giảm dần Điều này thể hiện rõ qua các số liệu khí tượng của tỉnh và số liệucủa các khu vực lân cận Phương trình xu thế lượng mưa trung bình năm tại đây códạng:

y = -17.045x +1788.5Mỗi năm trung bình có khoảng trên dưới 150 ngày có mưa Lượng mưa phânphối rất không đều theo thời gian trong năm

Hình 1.3 Xu hướng lượng mưa trung b nh năm tại Nam ịnh giai đoạn 1990-2009

- Về mực nước biển dâng: Theo Kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khíhậu giai đoạn 2011-2015, tầm nhìn 2020 của Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định, mỗinăm mực nước biển tại tỉnh Nam Định tăng lên khoảng 2,15mm Ngoài ra, đường bờbiển bị lấn vào trung bình 10m/năm [19].

Trong tương lai, dựa theo Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng choViệt Nam năm do Bộ Tài nguyên và môi trường công bố, với kịch bản phát thải trungbình thấp RCP 4.5, tình hình khí hậu tỉnh Nam Định sẽ có những biến đổi cụ thể là:

- Về nhiệt độ: nhiệt độ trung bình có xu hướng tăng dần ở tất cả các mùa trong

năm Theo kịch bản dự báo, trong giai đoạn 2016 – 2035, nhiệt độ trung bình năm tănglên 0,70C và đến giai đoạn 2046-2065 mức tăng là 1,60C; đến những năm 2080-2099

sẽ tăng lên 2,20C so với thời kỳ cơ sở 1986 - 2005 Với mức tăng nhiệt độ như trên thìvào giữa thế kỷ, nhiệt độ trung bình năm trên địa bàn tỉnh khoảng 25,90C; đến cuối thế

kỷ là 26,50C

- Về lượng mưa: lượng mưa bình quân năm tại tỉnh từ 1600 - 1700 mm Lượng

mưa có xu thế tăng dần so với thời kỳ cơ sở 1986 - 2005, vào những năm 2016 –

2035, lượng mưa trung bình tăng 16%, giai đoạn 2046 – 2065 tăng 21,1%, giai đoạn

2080 - 2099 tăng 27,5%

- Về mực nước biển dâng: kịch bản RCP 4.5 cho thấy so với thời kì cơ sở 1986

– 2005, mực nước biển sẽ dâng cao 13 cm vào năm 2030; 22 cm vào năm 2050 và 53

cm vào cuối thế kỷ Cùng với đó, nếu mực nước biển dâng 50 cm thì diện tích bị ngập

10

Địa hình tỉnh có thể chia thành 3 vùng:

- Vùng đồng bằng thấp trũng: gồm các huyện Vụ Bản, Ý Yên, Mỹ Lộc, NamTrực, Trực Ninh, Xuân Trường Đây là vùng có nhiều khả năng thâm canh phát triểnnông nghiệp, công nghiệp dệt, công nghiệp chế biến, công nghiệp cơ khí và các ngành nghề truyền thống

- Vùng đồng bằng ven biển: gồm các huyện Giao Thủy, Hải Hậu và NghĩaHưng; đất đai phì nhiêu, có nhiều tiềm năng phát triển kinh tế tổng hợp ven biển

- Vùng trung tâm công nghiệp – dịch vụ thành phố Nam Định: có các ngànhcông nghiệp dệt may, công nghiệp cơ khí, các ngành nghề truyền thống… cùng vớicác ngành dịch vụ tổng hợp, dịch vụ chuyên ngành hình thành và phát triển từ lâu

Nam Định có bờ biển dài 72 km có điều kiện thuận lợi cho chăn nuôi và đánhbắt hải sản Ở đây có khu bảo tồn thiên nhiên quốc gia Xuân Thủy (huyện Giao Thủy)

là khu RAMSAR đầu tiên tại Việt Nam đang cần được bảo vệ [22]

1.3.3 ặc điểm khí hậu

Cũng như các tỉnh trong vùng đồng bằng Bắc Bộ, Nam Định mang khí hậu cậnnhiệt đới ấm, số giờ nắng trong năm: 1650 – 1700 giờ Nhiệt độ trung bình năm từ 23– 25°C Nhiệt độ trung bình 3 tháng mùa nóng: 28,5 – 30,8°C với tháng 7 nóng nhất,nhiệt độ khoảng trên 29°C Nhiệt độ trung bình trong 3 tháng mùa lạnh là: 12,5 –19,5°C, lạnh nhất là các tháng 12 và 1, với nhiệt độ trung bình từ 16 – 17°C Biên độdao động ngày đêm của nhiệt độ tương đối nhỏ

Độ ẩm trung bình năm tại Nam Định khoảng 84-85%, là một trong những vùng

có trị số cao nhất cả nước

Lượng mưa trung bình trong năm từ 1750 – 1800 mm, theo lượng mưa có thểchia làm 2 mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, mùa ít mưa từ tháng 11 đếntháng 2 năm sau Vào mùa mưa thường có mưa rào và gió Đông Nam, bão và áp thấpnhiệt đới Vào mùa khô có gió mùa Đông Bắc và mưa phùn Lượng mưa trung bình ởNam Định vào mùa mưa thường từ 435,5 - 1197 mm

Tỉnh có điều kiện khí hậu thuận lợi cho phát triển nông nghiệp và sinh hoạt.Tuy nhiên do điều kiện địa lí gần biển nên thường xuyên bị ảnh hưởng của các hiệntượng thời tiết cực đoan (bình quân hàng năm tỉnh chịu ảnh hưởng của 4-6 cơn bão/ápthấp nhiệt đới) [19]

1.3.4 ặc điểm sông ngòi, thủy văn

Mạng lưới sông ngòi của tỉnh Nam Định thuộc phần hạ lưu của hệ thống sôngHồng, chịu ảnh hưởng của sự chi phối rất phức tạp của chế độ sông, biển của toàn hệthống sông Hồng – sông Thái Bình và thủy triều biển Đông Toàn tỉnh có 530km sôngngòi, trong đó có 16 sông dài trên 10 km, 4 con sông lớn là sông Hồng, sông Đáy,Ninh Cơ, sông Sò dài 251 km Mật độ chung của sông ngòi đạt 0,33km/km2 Bốn cửasông đổ ra biển là: Ba Lạt (sông Hồng), cửa sông Đáy, cửa Lạch Giang (sông Ninh Cơ)

và cửa Hà Lạn (sông Sò) [19]

1.3.5 Thuỷ triều và xâm nhập mặn

+ Chế độ thuỷ triều: Thuỷ triều vùng biển Nam Định có chế độ nhật triều

đều

Độ lớn triều lớn nhất đạt đến gần 3,31m và nhỏ nhất là 0,11m, thuỷ triều biến thiên có quyluật theo thời gian: ngày, nửa tháng, mùa, nhiều năm Triều mạnh nhất thường vào cáctháng 1, 6, 7 và 12, trong khi triều yếu nhất vào các tháng 3, 4, 8 và 9 trong năm

Thuỷ triều truyền vào trong sông xa hay gần, mạnh hay yếu phụ thuộc tươngđối rõ nét cho các sông Điều kiện địa mạo lòng sông và chế độ nước sông quyết địnhtính đặc thù cho mỗi nhánh sông Tốc độ truyền triều trên sông Hồng khoảng 15 - 20km/h và trên suốt đoạn sông có ảnh hưởng thuỷ triều chỉ có một đỉnh sóng và mộtchân sóng do chu kỳ triều gốc là nhật triều

Hệ thống sông ngòi, kênh mương trong chế độ nhật triều đã giúp thau chua rửamặn trên đồng ruộng tuy nhiên vẫn còn một số diện tích bị nhiễm mặn

+ Xâm nhập mặn: Phạm vi và mức độ nhiễm mặn nước sông trên địa bản tỉnh

phụ thuộc độ lớn thuỷ triều, lưu lượng nước sông và điều kiện địa hình lòng và bãisông Hàng năm có khoảng 10 đến 20% diện tích đất nông nghiệp vụ xuân bị hạn hoặckhó khăn về nguồn nước tưới Kết quả quan trắc cho thấy vào mùa kiệt nước phục vụcho sản xuất nông nghiệp có độ mặn vượt quá nồng độ cho phép Dòng chảy trên cácsông ngày càng cạn kiệt, lượng nước dưới đất khai thác vượt khả năng cung cấp làmcho mặn xâm nhập sẽ trở nên rộng và sâu hơn

Trong năm độ mặn thay đổi theo mùa lũ và mùa cạn một cách rõ nét Khi nướcsông lớn vào mùa lũ giúp đẩy nước mặn ra xa bờ nên độ mặn vùng cửa sông thường lànhỏ Đến mùa cạn lượng nước từ thượng lưu đổ về nhỏ và tương đối ổn định nên độmặn phụ thuộc chủ yếu vào chế độ triều, khi nước biển tiến sâu vào nội địa sẽ làmtăng độ mặn Nhìn chung, đỉnh mặn xuất hiện sau đỉnh triều một giờ, còn chân mặnxuất hiện đồng thời cùng chân triều Trong mỗi chu kỳ triều độ mặn nhỏ nhất xuất hiệnvào nhưng ngày triều kém, độ mặn lớn nhất xuất hiện vào những ngày triều cường

Thông thường độ mặn lớn nhất là vào tháng I đến tháng III, nhỏ nhất vào thángVII hoặc tháng VIII [19]

1.3.6 ặc điểm kinh tế - xã hội

- Dân số

Theo điều tra dân số ngày 01/04/2010 tỉnh có 2.005.771 người với mật độ dân

số 1.196 người/km², là một trong 6 tỉnh đông dân nhất trong cả nước Các huyện ven

biển có mật độ trung bình trên 1000 người/km2 Dân cư chủ yếu là dân tộc Kinh, theohai tôn giáo chính là Phật giáo và Thiên chúa giáo Phần lớn dân cư làm nông nghiệp(chiếm 87,6%) tạo ra sản phẩm kinh tế chiếm 40% GDP của toàn tỉnh [22].

- Kinh tế

Tỉnh Nam Định thuộc vùng hạ lưu của nhiều con sông, nên thích hợp phát triểnkinh tế tổng hợp, nhiều loại hình sản xuất đều phát triển tại đây: nông nghiệp, lâmnghiệp, nuôi trồng thủy sản, công nghiệp…

Nông nghiệp: Nam Định là tỉnh trọng điểm nông nghiệp của đồng bằng sông

Hồng có diện tích đất nông nghiệp là 1.066.700 ha chiếm 65% diện tích tự nhiên Nằmgiữa 2 con sông lớn là sông Hồng và sông Đáy có lợi thế về nước tưới và lượng phù

sa bồi đắp hàng năm nên đất đai màu mỡ tạo điều kiện tốt cho trồng trọt, trong đó lúa

là cây lương thực chủ đạo Sản lượng lương thực mỗi năm xấp xỉ 1 triệu tấn, năngsuất bình quân đạt trên 12 tấn/ha, cá biệt đến 16 tấn/ha Tốc độ tăng trưởng nôngnghiệp bình quân trong những năm gần đây đạt 3,8%, cùng với việc thay đổi cơ cấutrong đó tỷ trọng trồng trọt giảm xuống, chăn nuôi tăng dần

Công nghiệp: ngành công nghiệp hình thành từ khá sớm, từ cuối thế kỷ 19, khi

đó các cơ sở sản xuất: dệt, tơ, rượu… ra đời Các nhà máy ra đời trước đây chủ yếutập trung thành phố Nam Định, hiện nay đang hình thành các khu công nghiệp dọctheo đường 10, đường 21 như: Hoà Xá, An Xá, Mỹ Trung Các sản phẩm công nghiệpchủ đạo là từ ngành dệt may, tiếp theo là công nghiệp thực phẩm, khai khoáng, cơ khí,giầy da… [15]

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN, CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ SỐ LIỆU CHO NGHIÊN CỨU VỀ XÂM NHẬP MẶN PHÍA NAM ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

2.1 Cách tiếp cận

2.1.1 Tiếp cận hệ thống

Các đối tượng nghiên cứu được xem xét như những hệ thống bao gồm các yếu tốcấu thành (phụ hệ thống) có liên hệ chặt chẽ, có cấu trúc thứ bậc, có tính tổ chức và thốngnhất cao Hoạt động của hệ thống được quyết định bởi sự tương tác giữa các yếu tố trong

hệ thống, hoặc giữa các yếu tố của hệ thống với các yếu tố của môi trường xung quanh vàđều chịu sự chi phối bởi các quy luật có tính nhân quả theo nguyên tắc hoạt động của một

hệ thống hoàn chỉnh Chúng ta đi từ cách nhận diện các thành phần trong hệ thống, nhữngđơn vị trong hệ thống là gì, sự ảnh hưởng của những tác nhân trong hệ thống, thay đổi từ

hệ thống này sang hệ thống khác ra sao để tìm ra được quy luật của vấn đề, từ đó rút racác kết luận cần thiết trong nghiên cứu khoa học

2.1.3 Tiếp cận liên vùng – liên ngành

Với đối tượng và khu vực nghiên cứu là hiện tượng xâm nhập mặn chịu ảnhhưởng từ nhiều yếu tố nên cần có một cách xem xét phù hợp để đánh giá đúng, đủ cácđiều kiện tác động đến đối tượng Cụ thể, học viên xem xét khu vực phía Nam đồngbằng sông Hồng trong mối liên hệ với các khu vực xung quanh (liên vùng): khu vựcthượng nguồn sông Hồng và các hồ chứa thủy điện có tác động đến nhiễm mặn quacác hoạt động xả nước; và đánh giá từ nhiều góc độ, lĩnh vực liên quan (liên ngành)như: các hoạt động dân sinh khai thác nước sinh hoạt, các hoạt động kinh tế: khai thácnước cho nông nghiệp và các hoạt động công nghiệp: tích nước hoặc xả lũ tại các đậpthủy điện

2.2 Các phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu về xâm nhập mặn, trên thế giới có rất nhiều phương pháp khácnhau Tuy nhiên trong quá trình thực hiện luận văn, học viên lựa chọn một số phươngpháp sau:

2.2.1 Khảo sát thực địa, lấy mẫu và thí nghiệm hiện trường

Đây là phương pháp rất cần thiết đối với các nghiên cứu khoa học thực tiễn,được thực hiện nhằm so sánh, đối chiếu các khu vực khác nhau; kiểm định và khẳngđịnh những kết quả đạt được từ quá trình phân tích hay tính toán, thu thập, đo đạc bổsung các số liệu, tài liệu thực tế tại các khu vực thiếu số liệu hay các vùng trọng điểm.Trên cơ sở tài liệu có được, tiến hành điều tra, thu thập thêm những số liệu mới vềdiễn biến ranh giới mặn của nước theo thời gian và không gian, cần xác định quy môcủa quá trình xâm nhập mặn

Các công tác ngoài thực địa bao gồm:

- Khảo sát thực địa, bố trí các điểm lấy mẫu hợp thành tuyến theo hướng dòngchảy

- Thu thập các mẫu nước trên sông theo độ sâu và mặt cắt ngang

- Đo độ mặn tại hiện trường

- Khảo sát hoạt động nhân sinh và các tác động do nguồn nước nhiễm mặn

- Thu thập thông tin, phỏng vấn người dân sống xung quanh khu vực

Nhằm kiểm tra và chi tiết hóa một phần của diễn biến xâm nhập mặn của hạ lưusông Đáy và sông Ninh Cơ học viên đã tiến hành khảo sát thực địa, lấy mẫu nước trênsông Đáy và sông Ninh Cơ Tổng cộng có 48 mẫu nước (tại 16 điểm, mỗi vị trí lấy 3tầng nước khác nhau 0,2H; 0,5H và 0,8H)

Từ các mẫu lấy được sẽ tiến hành đo độ mặn và tính độ mặn trung bình tại mỗi

vị trí theo công thức

S 

S 0,2H  2S

0,5H S 0,8H

4Với: S: độ mặn trung bình tại vị trí đo

S0,2H; S0,5H; S0,8H là độ mặn tại các chiều sâu 0,2 ; 0,5 và 0,8H

H: độ sâu lòng sông

Bảng 2.1 Vị trí các đi m đo

Sông Ninh Cơ

Điểm khảo sát

NC1NC4NC6NC8NC9NC10NC11

a b Hình 2.1.

Thiết bị đo độ mặn tại hiện trường

Hình 2.2 Lấy mẫu nước tại cửa cống

2.2.2 Phân tích độ mặn trong phòng thí nghiệm

Để xác định độ mặn trong phòng thí nghiệm, tác giả xác định độ Clo và độmuối bằng phương pháp chuẩn độ Bạc Nitrat (phương pháp Knudsen) [4]

Trong nước biển tổng hàm lượng của 11 thành phần chính (các ion và phân tử

là Cl-, SO42-, (HCO3- + CO32-), Br-, F-, H3BO3, Na+, Mg2+, Ca2+, K+, Sr2+) chiếm99.99% tổng lượng khoáng chất hoà tan Tức là trị số độ muối nước biển chính bằngtổng hàm lượng các thành phần này, trong đó đáng kể nhất là Cl- (55.04%) và Na+(30.61%), sau đó là SO42- (7.68%) và Mg2- (3.69%)

Tuy rằng độ muối nước biển có khả năng biến đổi trong những giới hạn khárộng, nhưng tỉ lệ giữa các thành phần chính hầu như không đổi ở mọi vùng biển Chỉtrừ tại các vùng cửa sông, đầm phá, vũng, vịnh kín và các khu vực biển ít trao đổinước với các đại dương khác [4]

Từ đây có thể thấy được rằng để xác định độ muối của nước biển, ta chỉ cầnxác định hàm lượng một thành phần chính nào đó, sau đó tính toán theo mối quan hệ

đã biết sẽ tính được giá trị độ mặn Thông thường lựa chọn ion Cl- để tính toán vì Cltrong nước biển có nồng độ lớn nhất, việc này đảm bảo cho việc xác định nhanh chóng

-và chính xác bằng phương pháp hoá học đơn giản (nồng độ trung bình của Cl- trong 1lit nước trên mặt biển là 19,35 g/kg)

Theo phương pháp Knudsen, cho dung dịch Bạc Nitrat (AgNO3) có nồng độbiết trước tác dụng với một thể tích mẫu nước để xác định hàm lượng ion Cl-, lúc nàyion Cl- bị kết tủa (AgCl màu trắng sữa) Tuy nhiên, trong mẫu nước biển có cả cáchalogen khác (F-, Br-, I-) nên kết tủa trắng sữa có thể có cả AgF, AgBr và AgI Do đó,

"hàm lượng ion Clo" xác định được thực chất là tổng hàm lượng các halogen có trongnước biển - độ Clo Vì thế để xác định độ mặn được cần phải xác định độ Clo Tức làdùng dung dịch Bạc Nitrat (AgNO3) có nồng độ đã biết trước để chuẩn độ một thể tíchmẫu nước biển (thường là 15 ml) cho tới khi các halogen bị kết tủa ở dạng muối Bạcmàu trắng sữa Phản ứng của quá trình này như sau (ví dụ với Clo):

Ag+ + Cl- → AgCl↓ (trắng sữa) (2.1)Khi đã biết được thể tích dung dịch AgNO3 đã sử dụng (lượng dung dịch sửdụng do học viên khống chế) để kết tủa các halogen, có thể xác định được hàm lượngcủa chúng, tức là độ Clo của mẫu nước biển thí nghiệm [4]

Nhằm xác định một cách chính xác thời điểm các halogen bị kết tủa hết: tức làthời điểm không còn có các ion halogen tự do trong mẫu nước đang chuẩn độ nữa, họcviên sẽ sử dụng dung dịch Kali Cromat (K2CrO4) để chỉ thị màu Thêm vài giọt KaliCromat vào mẫu nước rồi đem chuẩn độ thì sẽ hình thành kết tủa màu da cam(Ag2CrO4) cùng với kết tủa trắng sữa Tuy nhiên Ag2CrO4 vốn kém bền vững nên nólại phân ly và các ion Bạc mới tách ra sẽ lại kết hợp với các halogen tự do, nghĩa là kếttủa màu da cam lại mất đi Kết tủa màu cam sẽ chỉ ổn định và không biến mất khi vàchỉ khi quá trình kết tủa các halogen thực sự kết thúc Phản ứng của quá trình hìnhthành kết tủa màu cam như sau:

CrO4

Có hai điểm cần phải chú ý khi sử dụng phương pháp Knudsen:

Thứ nhất: Định lượng của phản ứng (2.1) phụ thuộc vào pH của mẫu nước biển Nếu mẫu nước quá kiềm tính (nhiều OH-) thì lượng dung dịch AgNO3 tiêu haokhi chuẩn độ mẫu sẽ nhiều hơn một chút so với lượng AgNO3 thực sự để kết tủa hếtcác halogen, theo cơ chế:

2Ag+ + 2OH- → 2AgOH → Ag2O + H2OQua thực nghiệm thấy rằng, phương pháp Knudsen áp dụng tốt nhất khi pH củamẫu nước nằm trong khoảng 7.5 - 8.6 Đây là khoảng pH của nước biển và đại dương

ở đa số vùng trên thế giới (chỉ trừ một số vùng đặc biệt) nên có thể sử dụng phươngpháp Knudsen trong mọi trường hợp

Thứ hai: Phương pháp Knudsen được xây dựng trên cơ sở quy luật cơ bản của

Hoá học hải dương Bởi vậy nó chỉ đúng với nước biển khơi, các biển, vịnh hoặc vùngnước lưu thông tốt với biển khơi và các khu vực ít chịu ảnh hưởng của nước lục địa.Các vùng nước cửa sông, vũng vịnh kín, đầm phá ven biển có thành phần ion rấtkhác với nước biển và do đó không có tính hằng định về tỷ lệ nồng độ các hợp phầnchính, sẽ không áp dụng được phương pháp [4]

2.2.3 Xử lý thống kê và phân tích số liệu

Quá trình xử lý, thống kê tài liệu nhằm tổng hợp, trình bày, tính toán các số đo;

kế thừa các kết quả có sẵn và bổ sung những dữ liệu và thông tin còn thiếu trong trongquá trình nghiên cứu xâm nhập mặn Nguồn tài liệu được tổng hợp từ các giáo trình,tài liệu, sách tham khảo có liên quan đến nội dung nghiên cứu về đặc điểm tự nhiên,kinh tế xã hội, các vấn đề xâm nhập mặn Sưu tầm thu thập thông tin từ những bàibáo, tạp chí, internet, các bài báo cáo nghiên cứu…có liên quan đến nội dung đề tài.Trên cơ sở đó tiến hành phân tích, tổng hợp số liệu theo mục đích của luận văn Các tàiliệu này được phân loại, sắp xếp, xử lý có trình tự và được định hướng để đánh giáxâm nhập mặn tại khu vực nghiên cứu

2.2.4 Mô hình số mô phỏng xâm nhập mặn

Với mục tiêu nghiên cứu diễn biến xâm nhập mặn tại khu vực phía Nam đồngbằng sông Hồng, luận văn lựa chọn mô hình MIKE 11 làm công cụ thiết lập dự tínhcho tình hình xâm nhập mặn trong tương lai, từ đó đánh giá diễn biến và đề xuất cácgiải pháp phòng chống phù hợp

- Giới thiệu mô hình MIKE 11

Phần mềm tạo mô hình mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước có tínhthương mại rất phổ biến trên thế giới là bộ phần mềm MIKE, trong đó có MIKE11(với module thủy lực HD, modul tính mặn, chất lượng nước AD, ECOLAB…) Đây làsản phẩm của viện Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển được ứng dụng, nghiêncứu cho dự án quy hoạch và quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai tạinhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Thái Lan, Bangladesh… Phần mềm là công cụlập mô hình động lực, một chiều thân thiện với người dùng nhằm phân tích chi tiết,thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản hay phức tạp.Với môi trường đặc biệt thân thiện, có tính linh hoạt và tốc độ tính toán cao, MIKE 11cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước,quản lý chất lượng nước và các ứng dụng phục vụ cho quy hoạch

Một số ưu điểm chính của MIKE 11 như:

+ Liên kết với GIS

+ Liên kết với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE như: Mô hình mưa rào-dòng chảy NAM; Mô hình thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21

Đặc trưng cơ bản của MIKE 11 là cấu trúc module tổng hợp với nhiều loại

module được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông.

Ngoài ra, MIKE còn bao gồm các module bổ sung đối với:

+ Thủy văn (Mike – NAM);

+ Tải khuyếch tán;

+ Các mô hình về chất lượng nước (Mike – WQ);

+ Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính) (Mike – ST);

+ Vận chuyển bùn cát không có cố kết (không có tính dính) (Mike – ST) [6]

- Modun tính toán về xâm nhập mặn

Đối với MIKE 11, trong tính toán (1 chiều) các quá trình xâm nhập mặn cóliên quan đến ảnh hưởng của các quá trình thủy văn, thủy lực của dòng chảy Do vậy,

để giải quyết vấn đề phải sử dụng kết hợp module HD và module AD

Module thủy động lực (HD) là trọng tâm của hệ thống mô hình MIKE 11 và làhình thành cơ sở cho hầu hết các module bao gồm: dự báo lũ, truyền tải khuyếch tán,chất lượng nước và các module vận chuyển bùn lắng không cố kết Module HD giảicác phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toànđộng lượng (momentum), nghĩa là giải hệ phương trình Saint Venant

Module HD bao gồm có các ứng dụng:

+ Dự báo lũ và vận hành hồ chứa;

+ Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ;

+ Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt;

+ Nghiên cứu sóng triều và nước dâng do mưa ở sông và cửa sông

Module AD là module tính toán về lan truyền chất trong đó có mặn Một số ứngdụng liên quan bao gồm:

+ Nghiên cứu truyền tải vật chất một chiều như quá trình xâm nhập mặn;

+ Chất lượng nước;

+ Hiện tượng phì dưỡng trong sông

Trong module AD đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho phương trìnhlan truyền chất một chiều, vì thế thường gặp hiện tượng khuếch tán số ảnh hưởng đến

độ chính xác của kết quả như nồng độ có khi bị âm hoặc không có nguồn chất trongmiền mà nồng độ trong miền cao hơn giá trị ở biên…

Về cơ bản, khi tính toán MIKE 11 sử dụng hệ phương trình thủy động lực baogồm:

Trong đó: B: Chiều rộng mặt nước ở thời đoạn tính toán (m);

h: Cao trình mực nước ở thời đoạn tính toán (m);

t: Thời gian tính toán (giây);

Q: Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3/s);

V: Tốc độ nước chảy qua mặt cắt ngang sông;

X: Không gian (dọc theo dòng chảy) (m);

: Hệ số phân bố lưu tốc không đều trên mặt cắt;

Ngoài ra, dùng cho tính toán khuếch tán và lan truyền chất (ở đây là xâm nhập

mặn), có thêm phương trình khuyếch tán như sau [6]:

Trong đó:

C: nồng độ chất hòa tan;

A: diện tích mặt cắt ngang;

C2: nồng độ của nguồn gia nhập/ra khỏi của hệ thống.

Phương trình phản ánh hai quá trình diễn ra đồng thời:

1 Quá trình vận chuyển bình lưu theo dòng chảy

2 Quá trình khuyếch tán do sự chênh lệch về nồng độ chất hòa tan.Phương trình (2.6) được xây dựng dựa trên cơ sở các giả thiết: chất hòa tanxáo trộn toàn bộ và xem là có mật độ đồng nhất trên tất cả mọi điểm thuộc mặt cắtngang, đồng nghĩa với việc xem rằng các nguồn vào hay ra đều ngay lập tức được xáotrộn đều trên toàn mặt cắt ngang, chất hòa tan đó được xem là bảo toàn hoặc nếu có tựphân hủy thì quá trình phân hủy đó là tuyến tính và định luật khuyếch tán của Fickđược áp dụng ở đây, nghĩa là sự vận chuyển do khuyếch tán tỷ lệ với gradient về nồngđộ

Module truyền tải khuếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển mộtchiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trênphương trình để trữ tích lũy với giả thiết các chất này được hòa tan trộn lẫn Nghĩa làkhông có thay đổi hay biến động trong cùng một mặt cắt và dòng chảy không phântầng

Phương trình truyền tải – khuếch tán

Phương trình (2.7) thể hiện 2 cơ chế truyền tải:

- Truyền tải đối lưu do tác dụng của dòng chảy

- Truyền tải khuếch tán do gradien nồng độ gây ra

Sự khuếch tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối và

sự khuếch tán Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hưởng của chảy rối lớn hơn rất nhiều

so với sự phân tán hỗn loạn của các phân tử đơn lẻ Về mặt trị số, thành phần khuếchtán rối lớn hơn nhiều so với thành phần khuếch tán phân tử Sự phân bố của thànhphần khuếch tán rối trong dòng chảy là không đồng đều, nó phụ thuộc vào hướng củatốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do đó hệ số khuếch tán rối khác nhautheo các hướng khác nhau Quá trình truyền tải khuếch tán tuân theo định luật Fick

Hệ số khuếch tán được xác định như là một hàm của dòng chảy trung bình:

D n j1 a

Trong đó: a, b: các hằng số do người dùng xác định

Hệ số khuếch tán không đổi thu được bằng cách chọn b=0

2.3 Cơ sở khoa học và số liệu

2.3.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu về xâm nhập mặn

Như đã nói ở phần 1.1 Một số khái niệm, xâm nhập mặn tác động đến sảnxuất nông nghiệp thông qua ảnh hưởng đến chất lượng nước và đất trồng Trước hết,xâm nhập mặn tác động đến nguồn nước tưới trong nông nghiệp Nước được đưa lênbởi rễ của thực vật thông qua quá trình thẩm thấu, trong đó bao gồm sự di chuyển củanước từ nơi có nồng độ muối thấp đến nơi có nồng độ muối cao (bên trong các tế bào

rễ gốc) Khi nồng độ muối trong nước cao, sự chuyển động của nước vào gốc cây bịchậm lại Khi nồng độ muối trong môi trường cao hơn bên trong các tế bào gốc, nước

từ rễ sẽ bị rút ra, và cây sẽ héo và chết Đây là cách thức cơ bản mà nước nhiễm mặnảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp [27]

Hình 2.3 Mặn xâm nhập khiến nhiều đốm lúa héo khô

Ngoài ra, xâm nhập mặn cũng gây ảnh hưởng đến đất bằng cách thay đổi cáctính chất cơ lý và tính chất hóa học của đất, từ đó ảnh hưởng tới cây trồng:

- Hàm lượng muối trong đất cao sẽ làm áp suất thẩm thấu của đất tăng, khiến hạt khó nảy mầm, cây sinh trưởng chậm

24

dính trở thành cấu trúc phân tán

- Tỉ lệ Na/K, Na/Ca, Na/Mg bị mất cân đối khi đất bị nhiễm mặn sẽ làm cây

trồng giảm sự hấp thu các ion Ca2+, K+ làm rối loạn quá trình sinh lý, sinh hóa của

cây; các ion Na+, Cl-, HCO3-, SO42-… gây ngộ độc cho cây [10]

Hình 2.4 ất suy thoái v nhiễm mặn

Tính thích hợp của nước nhiễm mặn dùng cho tưới tiêu phụ thuộc nhiều vào

các điều kiện sử dụng, bao gồm cây trồng, khí hậu, đất, phương pháp tưới và phương

thức quản lý, phân loại chất lượng nước Cách phân loại được đưa ra trong Bảng 2.2

về nồng độ muối là cơ sở để để sử dụng nước cho cây trồng Hầu hết cây trồng thông

thường có thể sinh trưởng ở những vùng mà nồng độ muối trong nước tưới không

vượt quá 0,5-1,5‰ Chỉ có một số cây trồng có thể sử dụng nước tưới có nồng độ

1,5-7‰ Rất ít khi nước tưới trong sản xuất nông nghiệp có nồng độ quá 1,5‰ Nhiều loại

nước, bao gồm cả tầng nước ngầm nằm dưới mặt đất được sử dụng để tưới tiêu, nằm

trong khoảng 1,5-7‰ Những nguồn nước đó đều là nguồn cung dồi dào cho nhiều

vùng đất có tiềm năng sản xuất nông nghiệp [28]

ảng

Loại nước

Không mặnMặn ítMặn vừaMặnRất mặn

Thực tế với loại nước có độ mặn dưới 1,5‰ (nước không mặn và mặn ít theo FAO) mới có thể sử dụng cho mục đích tưới tiêu và ăn uống Cụ thể nước khôngmặn được dùng cho nhu cầu ăn uống; nước mặn ít có thể phục vụ tưới tiêu Các loạinước có độ mặn lớn hơn đều không thể sử dụng cho hoạt động nông nghiệp nên luậnvăn sẽ tiến hành đánh giá xâm nhập mặn với ngưỡng 1,5‰.

-Phương pháp đánh giá nhiễm mặn theo FAO trong điều kiện Việt Nam, phục

vụ các mục đích khác nhau theo yêu cầu của các địa phương, như: phục vụ quy hoạch

sử dụng đất; phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng; phục vụ phát triển một số cây đặcsản, cây có giá trị hàng hóa cao, v.v

2.3.2 Cơ sở số liệu

Để tiến hành nghiên cứu về xâm nhập mặn tại khu vực nghiên cứu, học viên đã

sử dụng các số liệu thu thập được từ các nguồn: số liệu của các trạm thủy văn, trungtâm quan trắc trong địa bàn tỉnh Nam Định; số liệu từ Sở Tài nguyên và Môi trườngtỉnh Nam Định; số liệu từ các báo cáo, đề tài, dự án khác:

- Số liệu xâm nhập mặn tại các trạm thủy văn dọc sông Ninh Cơ và sông Đáy

- Số liệu về các mặt cắt địa hình lòng sông Đáy và sông Ninh Cơ

- Số liệu lưu lượng tại thượng nguồn (biên trên) của 2 sông Đáy và Ninh Cơ

-Số liệu đường mực nước (biên dưới) tại cửa sông Đáy và cửa sông Ninh Cơ Kết hợp với các số liệu thu thập được từ các sở, ban, ngành, là các số liệu phântích mẫu nước thu thập được trong quá trình lấy mẫu ngoài thực địa trong thời gian tháng 3 năm 2016 (thời gian cao điểm mặn trong năm)