Nghiên cứu cơ sở khoa học phân vùng hạn – mặn và đề xuất giải pháp thích ứng cho vùng đồng bằng ven biển sông mã

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ THƯỜNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC PHÂN VÙNG HẠN - MẶN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THÍCH ỨNG CHO VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN SÔNG MÃ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ THƯỜNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC PHÂN VÙNG HẠN - MẶN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THÍCH ỨNG CHO VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN SƠNG MÃ Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.PGS.TS HỒNG NGỌC QUANG GS.TS NGƠ ĐÌNH TUẤN HÀ NỘI, NĂM 2020 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Lê Thị Thường i LỜI CÁM ƠN Qua trình học tập nghiên cứu, luận án tác giả hoàn thành Những thành đạt nỗ lực, tâm thân, tác giả nhận nhiều giúp đỡ, động viên thầy giáo, cô giáo, đồng nghiệp, gia đình bạn bè Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Hồng Ngọc Quang, GS.TS Ngơ Đình Tuấn, thầy trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo môn Thủy văn Tài nguyên nước thầy cô khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo, trường Đại học Thủy Lợi hướng dẫn, tạo điều kiện cho tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn Khoa Khí tượng Thủy Văn, Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội tạo điều kiện cho NCS có thời gian tập trung học tập nghiên cứu Cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tác giả trình thực luận án Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình ln động viên, khuyến khích tiếp thêm nghị lực, tâm cho tác giả lúc khó khăn mà tưởng chừng vượt qua ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU…… 1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn .4 Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HẠN – MẶN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu hạn – mặn 1.1.1 Một số khái niệm định nghĩa sử dụng luận án 1.1.2 Tình hình nghiên cứu giới 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước 16 1.1.4 Tình hình nghiên cứu lưu vực sông Mã 22 1.2 Giới thiệu vùng nghiên cứu 24 1.2.1 Vị trí địa lý 24 1.2.2 Đặc điểm địa hình 25 1.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng 26 1.2.4 Chế độ mưa, dòng chảy 27 1.2.5 Đặc điểm mạng lưới sơng ngịi 29 1.2.6 Đặc điểm thủy triều tình hình hạn – mặn 31 1.2.7 Đặc điểm kinh tế - xã hội 37 1.2.8 Hồ chứa thủy lợi, thủy điện lưu vực sông Mã 38 1.3 Khoảng trống nghiên cứu hạn – mặn 40 1.4 Định hướng nghiên cứu 41 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG HẠN – MẶN VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN SÔNG MÃ 45 2.1 Cơ sở khoa học 45 2.1.1 Mối quan hệ hạn hán xâm nhập mặn 46 2.1.2 Sự biến đổi tổ hợp hạn – mặn theo không gian thời gian 64 iii 2.1.3 2.2 Nhu cầu khai thác sử dụng nước dọc sông khu vực nghiên cứu 66 Cơ sở thực tiễn 66 2.2.1 Thiệt hại hạn – mặn biện pháp phòng chống 67 2.2.2 Khả thích ứng hạn – mặn điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng… 70 2.3 Phương pháp tính tốn phân vùng hạn – mặn 72 2.3.1 Phương pháp thống kê, điều tra xã hội học 73 2.3.2 Phương pháp tích hợp đồ 74 2.3.3 Phương pháp chuyên gia 76 2.3.4 Phương pháp mơ hình tốn 76 2.4 Cơ sở phân vùng hạn – mặn 102 2.4.1 Tiêu chí phân vùng hạn – mặn 102 2.4.2 Cơ sở phân vùng hạn – mặn 104 CHƯƠNG PHÂN VÙNG HẠN – MẶN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THÍCH ỨNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG 109 3.1 Kết mô ranh giới hạn - mặn theo trường hợp trạng 109 3.2 Kết mô ranh giới mặn theo kịch biến đổi khí hậu 114 3.3 Phân vùng hạn - mặn vùng đồng ven biển sông Mã .116 3.3.1 Phân vùng hạn – mặn theo cách tiếp cận truyền thống 116 3.3.2 Phân vùng hạn – mặn theo nhu cầu khai thác sử dụng nước 120 3.3.3 Nhận xét, phân tích lựa chọn kết 132 3.4 Đề xuất giải pháp khai thác sử dụng nước 136 3.4.1 Cơ sở đề xuất giải pháp 136 3.4.2 Đề xuất giải pháp khai thác sử dụng nước 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 141 Những kết đạt luận án 141 Những đóng góp luận án 142 Tồn hướng phát triển luận án 142 Kiến nghị 143 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC…… 151 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sơng Mã vùng phụ cận 25 Hình 1.2 Bản đồ địa hình lưu vực sơng Mã [69] 26 Hình 1.3 Bản đồ mạng lưới sơng ngịi lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sơng Mã 29 Hình 1.4 Diễn biến mực nước triều cửa Hới sông Mã (11/2005) 32 Hình 1.5 Diễn biến mực nước triều cửa Lạch Trường (12/2004) 32 Hình 1.6 Diễn biến mực nước triều cửa Hới Lạch Sung (12/2004) 32 Hình 1.7 Hiện trạng sơ đồ hệ thống hồ chứa, trạm bơm lưu vực sơng Mã 39 Hình 1.8 Sơ đồ khối tổng thể trình nghiên cứu luận án 42 Hình 2.1 Đường trình mực nước, lưu lượng lưu tốc trạm Quảng Châu 48 Hình 2.2 Đường trình mực nước, lưu lượng lưu tốc trạm Quảng Châu 49 Hình 2.3 Đường trình mực nước, lưu lượng lưu tốc trạm Quảng Châu 52 Hình 2.4 Quan hệ lưu lượng nhỏ trạm Xuân Khánh độ mặn lớn trạm Hàm Rồng 55 Hình 2.5 Quan hệ lưu lượng nhỏ trạm Xuân Khánh độ mặn lớn trạm Nguyệt Viên 55 Hình 2.6 Quan hệ lưu lượng nhỏ trạm (Xuân Khánh + Sét Thôn) độ mặn lớn trạm Hàm Rồng 56 Hình 2.7 Quan hệ lưu lượng nhỏ trạm (Xuân Khánh + Sét Thôn) độ mặn lớn trạm Nguyệt Viên 56 Hình 2.8 Diễn biến trình lưu lượng nhỏ trạm Xuân Khánh độ mặn lớn trạm vùng hạ lưu sông Mã (2005-2016) 56 Hình 2.9 Diễn biến trình lưu lượng nhỏ trạm Sét Thôn độ mặn lớn trạm vùng hạ lưu sông Mã (2005-2016) 57 Hình 2.10 Diễn biến trình lưu lượng nhỏ trạm (Sét Thôn + Xuân Khánh) độ mặn lớn trạm vùng hạ lưu sông Mã (2005-2016) 57 Hình 2.11 Diễn biến độ mặn trạm dọc sông Mã tương ứng cấp lưu lượng (Sét Thôn + Xuân Khánh) 61 Hình 2.12 Diễn biến mực nước nhỏ độ mặn lớn trạm Giàng 62 Hình 2.13 Diễn biến mực nước nhỏ độ mặn lớn trạm Quảng Châu 62 Hình 2.14 Diễn biến mực nước độ mặn trạm Hoàng Hà (sơng Lạch Trường) .63 Hình 2.15 Diễn biến mực nước độ mặn trạm Vạn Ninh (sông Lạch Trường) 63 Hình 2.16 Diễn biến mực nước độ mặn trạm Cụ Thôn (sông Lèn) 63 Hình 2.17 Diễn biến mực nước độ mặn trạm n Ổn (sơng Lèn) 64 Hình 2.18 Phương pháp tích hợp đồ sử dụng cơng nghệ GIS .75 Hình 2.19 Sơ đồ ứng dụng mơ hình tốn mơ hạn – mặn 77 Hình 2.20 Diễn biến nhiệt độ, bốc trung bình tháng trạm Bái Thượng 78 v Hình 2.21 Q trình tính tốn xác định lượng nước xuống hạ lưu sau hồ chứa 84 Hình 2.22 Sơ đồ mơ mạng lưới sơng MIKE 11 trường hợp trạng 90 Hình 2.23 Sơ đồ bước tính tốn biên mơ hình kịch BĐKH 91 Hình 2.24 Sơ đồ mô mạng lưới sông Mike 11 kịch BĐKH 92 Hình 2.25 Sơ đồ trình thành lập đồ phân vùng hạn – mặn 107 Hình 3.1 Kết mơ hạn – mặn trường hợp trạng ứng với P=75% 110 Hình 3.2 Kết mô hạn – mặn trường hợp trạng ứng với P=80% 110 Hình 3.3 Kết mô hạn – mặn trường hợp trạng ứng với P=85% 111 Hình 3.4 Kết mơ hạn – mặn trường hợp trạng ứng với P=90% 111 Hình 3.5 Kết mơ hạn – mặn trường hợp trạng ứng với P=95% 111 Hình 3.6 Độ sâu xâm nhập mặn 1‰ sông ứng với tần suất thiết kế nguồn nước 113 Hình 3.7 Độ sâu xâm nhập mặn 4‰ sông ứng với tần suất thiết kế nguồn nước 113 Hình 3.8 Độ sâu xâm nhập mặn 10‰ sông ứng với tần suất thiết kế nguồn nước 113 Hình 3.9 Kết mô hạn – mặn kịch RCP 4.5 thời kì 2016-2035 114 Hình 3.10 Kết mô hạn – mặn kịch RCP 8.5 thời kì 2016-2035 .115 Hình 3.11 Kết mơ hạn – mặn kịch RCP 4.5 thời kì 2046-2065 115 Hình 3.12 Kết mơ hạn – mặn kịch RCP 8.5 thời kì 2046-2065 .115 Hình 3.13 Bản đồ phân vùng hạn – mặn trường hợp trạng chưa xét đến nhu cầu khai thác sử dụng nước 117 Hình 3.14 Bản đồ phân vùng hạn – mặn kịch RCP 4.5 chưa xét đến nhu cầu khai thác sử dụng nước 119 Hình 3.15 Bản đồ phân vùng hạn – mặn kịch RCP 8.5 chưa xét đến nhu cầu khai thác sử dụng nước 119 Hình 3.16 Bản đồ phân vùng hạn – mặn theo nhu cầu khai thác sử dụng nước trường hợp trạng 122 Hình 3.17 Bản đồ phân vùng hạn – mặn theo nhu cầu khai thác sử dụng nước kịch RCP4.5 131 Hình 3.18 Bản đồ phân vùng hạn – mặn theo nhu cầu khai thác sử dụng nước kịch RCP8.5 131 Hình 3.19 Xâm nhập mặn dọc sơng Mã tương ứng với kịch 134 Hình 3.20 Xâm nhập mặn dọc sơng Lạch Trường tương ứng với kịch .134 Hình 3.21 Xâm nhập mặn dọc sông Lèn tương ứng với kịch 135 Hình 3.22 Độ mặn vị trí sông tương ứng với trường hợp 135 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc trưng mưa năm lưu vự Bảng 1.2 Đặc trưng mực nước trạm Quả Bảng 1.3 Thơng số bậc thang thủy điện, thủy lợi dịng sơng Mã, Chu Bảng 2.1 Phân cấp mực nước lớn mùa cạn trạm Giàng Quảng Châu (1981-2018) 50 Bảng 2.2 Phân cấp mực nước lớn mùa cạn trạm Giàng Quảng Châu (1981-2018) – Bảng 2.3 Phân cấp mực nước nhỏ mùa cạn trạm Giàng Quảng Châu (1981-2018) 53 Bảng 2.4 Phân cấp mực nước nhỏ mùa cạn trạm Giàng Quảng Châu (1981-2018) – Bảng 2.5 Tiêu chí đánh giá chất lượng c Bảng 2.6 Trọng số trạm mưa Bảng 2.7 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh Bảng 2.8 Bộ thơng số mơ hình Mike - Nam cho tiểu lưu vực tính đến trạm khống chế Bảng 2.9 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định Bảng 2.10 Kịch nước biển dâng (cm) xét cho dải ven biển Việt Nam Bảng 2.11 Mực nước biển dâng khu vực Hòn Dáu – Đèo Ngang theo kịch RCP4.5 RCP 8.5 - (Đơn vị: cm) Bảng 2.12 Biến đổi lượng mưa mùa (%) so với thời kỳ sở Bảng 2.13 Tính tốn điều tiết hồ Trung Sơn trường hợp kịch RCP 4.5 thời kì 2016 – 2035 87 Bảng 2.14 Tính tốn điều tiết hồ Cửa Đạt trường hợp kịch RCP 8.5 thời kì 2046 2065 Bảng 2.15 Thống kê số liệu mặt cắt ngang Bảng 2.16 Kết hiệu chỉnh mực nước năm 2003 trạm thủy văn Bảng 2.17 Hệ số nhám sau hiệu chỉnh năm 2003 hệ thống sông Mã Bảng 2.18 Kết số Nash trạm thủy văn kiểm định HD năm 2009 Bảng 2.19 Kết số Nash trạm thủy văn kiểm định HD năm 2010 Bảng 2.20 Kết số Nash trạm thủy văn kiểm định HD năm 2011 Bảng 2.21 Kết hiệu chỉnh Bảng 2.22 Giá trị thông số Bảng 2.23 Kết kiểm định Bảng 2.24 Tổ hợp hạn – mặn theo mức độ hạn hán xâm nhập mặn trường hợp trạng Bảng 2.25 Tổ hợp hạn – mặn theo mức độ hạn hán xâm nhập mặn kịch BĐKH 104 vii Bảng 3.1 Giá trị độ mặn lớn cống lấy nước dọc sông trường hơp trạng 117 Bảng 3.2 Giá trị độ mặn lớn cống lấy nước dọc sông kịch BĐKH 118 Bảng 3.3 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo khả khai thác sử dụng nước dọc sông Mã trường hợp trạng 123 Bảng 3.4 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo khả khai thác sử dụng nước dọc sông Mã trường hợp trạng (tiếp theo) 124 Bảng 3.5 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo khả khai thác sử dụng nước dọc sông Lạch Trường trường hợp trạng 125 Bảng 3.6 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo khả khai thác sử dụng nước dọc sông Lạch Trường trường hợp trạng (tiếp theo) 126 Bảng 3.7 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo khả khai thác sử dụng nước dọc sông Lèn trường hợp trạng 127 Bảng 3.8 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo khả khai thác sử dụng nước dọc sông Lèn trường hợp trạng (tiếp theo) 128 Bảng 3.9 Phân cấp cấp độ hạn – mặn theo nhu cầu khai thác sử dụng nước kịch biến đổi khí hậu 130 Bảng 3.10 Đề xuất giải pháp khai thác sử dụng nước theo vùng hạn – mặn 139 Bảng 3.11 Đề xuất giải pháp khai thác sử dụng nước theo vùng hạn – mặn (tiếp theo) 140 Bảng 3.12 Đề xuất giải pháp khai thác sử dụng nước theo vùng hạn – mặn (tiếp theo) 141 Bảng 3.13 Đề xuất giải pháp khai thác sử dụng nước theo vùng hạn – mặn (tiếp theo) 142 viii 00:00:00 10-3-2011 00:00:00 11-3-2011 Kết kiểm định đường trình mực nước tính tốn (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Vạn Ninh (3/2011) 165 [meter] 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1.0 -1.1 00:00:00 00:00:00 10-3-2011 11-3-2011 Kết kiểm định đường q trình mực nước tính tốn (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Hàm Rồng (3/2011) [meter] 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1.0 00:00:00 17-3-2009 00:00:00 18-3-2009 Kết kiểm định đường q trình mực nước tính toán (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Cụ Thôn (3/2009) 00:00:00 19-3-2009 166 Phụ lục 2.7a: Kết hiệu chỉnh mơ đun khuyếch tán (AD) Q trình mặn tính tốn (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Nguyệt Viên sơng Mã Q trình mặn tính toán (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Phà Thắm sơng Lèn 167 Q trình mặn tính tốn (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Vạn Ninh sông Lạch Trường Phụ lục 2.7b: Kết kiểm định mơ đun khuyếch tán (AD) Q trình mặn tính toán (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Nguyệt Viên- S.Mã - 3/2011 168 [PSU] 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 00:00:00 00:00:00 10-3-2011 11-3-2011 Quá trình mặn tính tốn (màu đen) thực đo (màu xanh) trạm Phà Thắm – S.Lèn 3/2011 Q trình mặn tính tốn (màu đen) thực đo (màu xanh)trạm Yên Ổn – S.Lèn (3/2010) 169 Phụ lục 3.1: Danh sách cống lấy nước dọc sông khu vực nghiên cứu (NCS điều tra, khảo sát) TT Tên cống Địa điể Mộng giường I Tả sông Mộng giường II Tả sông Tứ Thôn Tả sông Lộc Động Hữu sông Cống Nguyễn Hữu sông Bái Trung Hữu sông Cẩm Lũ Hữu sô Lạch Trư Phú Địch Hoằng Châu Tả sông L Trườn Tả sông TT Tên cống Địa điể 10 Nhân Trạch 11 Bộ Đầu 12 Hoằng Khánh Tả sông 13 Quảng Châu Hữu sông 14 Sông Đơ Hữu sông 15 Âu Mai Chữ Hữu sông 16 Cổ Ngựa Hữu sông Tả sông Tả sông L Trườn 171 Phụ lục 3.2: Các tổ hợp hạn – mặn tương ứng với vùng thuộc 05 huyện khu vực nghiên cứu Ng Hoằng Trạch, Hoằng Hoằng Sơn, H Bắc Quảng Nga Thanh, Nga An, Nga Yê Phú Ba Đình, Nga Vịnh Hoằng Thanh, Hoằng N Hoằng Châu, Hoằng T 172 Hưng Lộc, Hòa Lộc, M Quảng Khê, Quảng Tr Nga Phú, Nga Đ Hoằng Hà, Hoằng Đứ Lon Phong Lộc, Qua Hoằng Phúc, Hoằng Văn Lộc, Tiến Lộ Quảng Nhân, Quảng Q Quảng Vinh, Quảng Quảng Lộc, Quảng L Nga Hoằng Xuân, Hoằng T Hoằng Ph 173 Quảng Trạch, Hoằng Lưu, Hoằng T TT Quảng Xương, Q 174 ... nước biển dâng Từ tìm khoảng trống nghiên cứu hạn – mặn đưa hướng nghiên cứu luận án Chương 2: Nghiên cứu sở khoa học phương pháp phân vùng hạn – mặn vùng đồng ven biển sông Mã: Cơ sở khoa học sở. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ THƯỜNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC PHÂN VÙNG HẠN - MẶN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THÍCH ỨNG CHO VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN SÔNG MÃ Ngành:... nước biển dâng cho vùng đồng ven biển sông Mã Với mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án bao gồm: (i) Nghiên cứu xác lập sở khoa học phân vùng hạn – mặn vùng đồng ven biển sông Mã trường hợp nước biển