CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2. Diễn biến xâm nhập mặn theo mô hình MIKE11
3.2.2. Số liệu tính toán mô hình
3.2.2.1. Số liệu về địa hình
Tài liệu địa hình bao gồm mặt cắt ngang, trắc dọc toàn bộ hệ thống sông tại khu vực nghiên cứu, số liệu đƣợc đo trong khoảng từ 1999-2000 thuộc dự án phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng của Viện Khoa học Thủy lợi. Số liệu tại một số mặt cắt tại một số vị trí cũng đã đƣợc cập nhật mới cho phù hợp với tình hình thay đổi hiện nay. Nhìn chung các tài liệu có độ tin cậy cao và đã đƣợc các cơ quan sử dụng trong các dự án thuộc đồng bằng sông Hồng.
Đây là bộ số liệu khá hoàn chỉnh và đồng bộ, khoảng cách đo đạc giữa các mặt cắt ngang biến đổi trong phạm vi từ 2-4 km. Tất cả các mặt cắt đã đƣợc kiểm tra về mốc cao độ và vị trí. Dƣới đây là bảng thống kê tài liệu và số lƣợng mặt cắt địa hình lòng dẫn mạng sông sử dụng trong mô hình.
Bảng 3.2. Số lƣợng mặt cắt địa hình lòng dẫn sông
STT Tên sông Số mặt cắt Năm đo
1 Sông Hồng 112 2017
2 Sông Đào 18 2011
3 Sông Ninh Cơ 27 2011
3.2.2.2. Số liệu về thủy văn
Thời gian số liệu thủy văn đƣợc lấy vào những tháng nƣớc kiệt nhất là tháng 1 và tháng 2. Do một số yếu tố cấu thành sau:
Hạ du của 3 cửa sông thuộc địa bàn tỉnh Nam Định phụ thuộc lớn vào lƣu lƣợng nƣớc từ thƣợng nguồn, trong đó tính ở đây là sông Hồng. Theo số liệu thu thập đƣợc, lƣu lƣợng nƣớc Sông Hồng trong những năm gần đây đang có xu hƣớng suy giảm nghiêm trọng, dẫn tới mực nƣớc tại các khu vực hạ du cũng suy giảm theo. Nhƣng điểm chung trong nhƣng năm kiệt thì tháng kiệt nhất tập trung vào tháng 1 và tháng 2. Trong đó tháng 2 là tháng có tần suất kiệt hầu hết Hmin là dƣới 200 cm [8].
Bảng 3.3. Tỷ lệ lƣu lƣợng dòng chảy tại các trạm so trạm Sơn Tây năm 1998 -1999
Trạm Lƣu lƣợng bình quân
mùa kiệt Qk (m3/s) Tỷ lệ % so với Qk Sơntây Tần suất Pk% tƣơng ứng
Hoà Bình 535 37 84
Yên Bái 294 21 80
Vụ Quang 343 24 93
Sơn Tây 1434 80
Hình 3.7. Đƣờng quá trình mực nƣớc Hà Nội từ tháng I – XII từ năm 2002-2009 [8]
Do ảnh hƣởng của các hồ chứa thƣợng nguồn đến khả năng cấp nƣớc hạ du. - Thƣợng nguồn sông Hồng bắt nguồn từ phía Trung Quốc, trong những năm gần đây, đặc biệt từ 2006 đến nay có rất nhiều các nhà máy thủy điện đƣợc xây dựng bên phía nƣớc bạn. Điều này đã làm biến đổi chế độ dòng chảy bên phía Việt Nam.
Hình 3.8. Các hồ chứa đã và đang xây dựng phía Trung Quốc trên lƣu vực sông Hồng –Thái Bình [8]
Vào thời kỳ cấp nƣớc khẩn trƣơng tháng 1-2 và thời kỳ dòng chảy mùa cạn suy thoái nhất tháng 3, các hồ chứa Trung Quốc trên sông Đà giảm phát điện tới mức thấp nhất từ 22/3-6/4 trong các năm 2005-2008. Vào thời kỳ này, dòng chảy thƣợng nguồn sông Đà chỉ khoảng 10-30 m3/s, điều này ảnh hƣởng đến việc cấp nƣớc hạ du.
- Hồ Hòa Bình và vấn đề điều tiết hồ Hòa Bình: Vào những năm có dòng chảy bình quân mùa kiệt có tần suất nằm trong khoảng từ 65% ÷85% lƣu lƣợng xả lớn nhất xuống hạ du bình quân tháng I II của hồ Hoà Bình không vƣợt quá giá trị từ 800 m3/s đến 850 m3/s, lớn hơn lƣu lƣợng đảm bảo cùng thời kỳ không quá khoảng 150 m3/s. Việc tăng lƣu lƣợng xả xuống hạ du trong thời kỳ này lên trên 950 m3/s chỉ tồn tại trong vài ngày. Từ năm 2005 đến nay, do áp lực từ Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn, hồ Hòa Bình mới gia tăng cấp nƣớc và xả lƣu lƣợng lớn hơn lƣu lƣợng đảm bảo phát điện.
Hình 3.9. Biểu đồ quá trình mực nƣớc tại Hà Nội và lƣu lƣơng xả qua nhà máy thuỷ điện Hoà Bình (thời đoạn giờ) mùa kiệt năm 2010 [8]
Do ảnh hƣởng của việc hạ thấp mực nƣớc sông, việc hạ thấp mực nƣớc trên sông Hồng, sông Đào, sông Ninh Cơ đã làm ảnh hƣởng đến viêc lấy nƣớc, mặn tiến sâu vào trong sông, số giờ lấy nƣớc bị giảm. Nguyên nhân của việc hạ thấp đáy sông có thể là do tác động của hệ thống hồ chứa thƣợng nguồn đã giữ lại phù sa bồi đắp sông, do BĐKH, một phần do thủy điện giữ nƣớc để phát điện khiến nƣớc về hạ du ít đi, một phần do việc khai thác cát trên sông hoặc nạo vét lòng sông, làm mất cân bằng bùn cát phía hạ du gây xói lở lòng sông, hoặc do lƣợng nƣớc ngầm bị khai thác cạn kiệt.
Hình 3.10. Quá trình mực nƣớc Hà Nội từ 2001-2009 [8]
Hình 3.11. Quá trình mực nƣớc Nam Định từ 2001-2010 [8]
Ngoài ra còn do một số các yếu tố khác nhƣ ảnh hƣởng của việc phân lƣu lƣu lƣợng sông Hồng qua sông Đuống hay do biến đổi khí hậu đã dẫn tới suy giảm lƣu lƣợng nƣớc từ thƣợng nguồn các con sông và mực nƣớc tại hạ du.
Căn cứ vào các tài liệu và số liệu thu thập đƣợc từ các đề tài dự án từ quá trình đi điều tra khảo sát. Luận văn đã chọn bộ số liệu đo đƣợc đăng trong báo cáo của Vũ Việt Đức 2017 để lấy làm số liệu thủy văn của mô hình. Bộ số liệu thủy văn của luận văn dùng để tính toán gồm:
- Biên trên: Các số liệu lƣợng dòng chảy m3/s đƣợc đo tại trạm khống chế phía thƣợng lƣu Q t . Số liệu biên trên gồm 04 vị trí: Sông Hồng tại mặt cắt nơi độ dài là 154113 m, cách cửa Ba Lạt 82,6 km và sông Đáy tại vị trí 156745 m, cách cửa Đáy khoảng 79,6 km.
- Biên dưới: Các số liệu mực nƣớc triều m tại các trạm khống chế phía hạ lƣu H t . Số liệu biên dƣới gồm 3 vị trí: Sông Đáy tại vị trí mặt cắt 236310 m, sông Ninh Cơ tại vị trí mặt cắt 52212 m và sông Hồng cửa Ba Lạt tại vị trí mặt cắt 236757 m. Số liệu mực nƣớc trƣớc khi cho vào mô hình để tính toán đã đƣợc hiệu chỉnh theo kịch bản BĐKH và NBD (2016) RCP 4.5. Các năm chạy tƣơng ứng với 08 thập kỉ từ 2020 đến 2100.
- Biên mặn: Các số liệu về độ mặn %o đƣợc thu thập trong khoảng đầu tháng 1, ứng với đúng một trong hai tháng kiệt nhất. Số liệu mặn đƣợc lấy từ các mặt cắt dọc theo các con sông tại khu vực nghiên cứu.
Điều kiện ban đầu của mô hình đƣợc mô phỏng tại tất cả các nút bao gồm mực nƣớc và độ mặn tại thời điểm bắt đầu tính toán là 1 giờ ngày 05 tháng 1 năm 2010. Các số liệu thủy văn đƣa vào mô hình đều với tần suất 1 giờ/lần nên có sự đồng bộ giữa các số liệu.
Nhìn chung bộ số liệu thủy văn trên đã đƣợc qua sàng lọc, kiểm định và xử lý. Có nguồn gốc từ Sở Tài nguyên và Môi trƣờng tỉnh Nam Định. Nên đảm bảo chất lƣợng tốt, độ tin cậy cao có thể áp dụng vào tính toán.
3.2.2.3. Dự tính diễn biến xâm nhập mặn theo kịch bản biến đổi khí hậu
Kịch bản NBD chỉ xét đến sự thay đổi mực nƣớc biển trung bình do BĐKH, mà không xét đến ảnh hƣởng của các yếu tố khác gây nên sự dâng cao của mực nƣớc biển nhƣ: nƣớc dâng do bão, nƣớc dâng do gió mùa, thủy triều, quá trình nâng/hạ địa chất và các quá trình khác. Theo Kịch bản NBD đƣợc xây dựng cho các tỉnh ven biển, 7 khu vực ven biển, quần đảo Hoàng Sa, và quần đảo Trƣờng Sa. Thì mực nƣớc biển dâng trung bình ven biển Việt Nam có khả năng cao hơn mực nƣớc biển trung bình toàn cầu. Nhìn chung các vùng đều tăng cao hơn so với thời kì cơ sở năm 1986 – 2005, mức độ ảnh hƣởng s tăng dần theo hƣớng Bắc Nam.
Theo báo cáo Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng năm 2016 thì có 04 kịch bản đƣợc đƣa ra dựa theo kết quả nghiên cứu mới nhất của IPCC trong báo cáo AR5 là kịch bản
phát thải thấp RCP 2.6 , trung bình thấp RCP 4.5 , trung bình cao RPC 6.0 và cao là RCP 8.5) [34]. Trong nghiên cứu này, học viên chỉ chạy duy nhất với một kịch bản trung bình thấp RCP 4.5 do khả năng xảy ra của kịch bản này là cao nhất và dễ xảy ra nhất. Việc chạy mô hình với kịch bản RCP 4.5 s đánh giá ảnh hƣởng của BĐKH và NBD đến diễn biến mực nƣớc và quá trình XNM tại các cửa sông trong vùng nghiên cứu. Từ đó đƣa ra bức tranh tổng quát về các yếu tố ảnh hƣởng tới XNM.
Theo kịch bản trung bình thấp RCP 4.5, mực nƣớc biển dâng trung bình cho khu vực Hòn Dấu – Đ o Ngang đến năm 2030 là 13 cm 8 – 18 cm ; năm 2040 là 17 cm (10 – 24 cm ; năm 2050 là 22 cm 13 – 31 cm ; năm 2100 là 53 cm 32 – 75 cm) [4].
Bảng 3.4. Mực nƣớc biển dâng theo kịch bản RCP 4.5 [4]
Năm Kịch bản BĐKH - NBD 2016 (Kịch bản RCP 4.5) 2030 2050 2100 Mực nƣớc dâng (cm) 13 23 55
Để hiệu chỉnh số liệu mực nƣớc tại các cửa sông cộng thêm giá trị mực nƣớc dâng trung bình theo kịch bản RCP 4.5 ở bảng trên. Sau khi hiệu chỉnh, số liệu mới đƣợc đƣa vào để tính toán trong mô hình.
Do nhiều yếu tố từ số liệu cũng nhƣ khối lƣợng tính toán lớn. Trong trƣờng hợp tính toán cho tƣơng lai, học viên giả định rằng lƣu lƣợng tại đầu nguồn là không thay đổi. Việc đánh giá biến động dòng chảy thƣợng nguồn là rất khó khăn. Nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố từ cả trong và ngoài nƣớc nhƣ dự tính lƣu lƣợng xả của các nhà máy thủy điện, dự tính lƣu lƣợng từ đầu nguồn hay sự thay đổi lƣu lƣợng do quy hoạch xây dựng, đặc biệt là xây dựng các hồ chứa và thủy điện công suất lớn,
3.2.3. Kiểm định mô hình
Để kiểm định mô hình luận văn đã trích số liệu lúc 12 giờ của 15 ngày đo để đƣa vào tính toán. Kết quả tính toán kiểm định mô hình cho hệ số tƣơng quan tƣơng khá tốt. Dƣới đây là bảng trích kết quả tính toán.
Bảng 3.5. Chỉ số đánh giá độ tƣơng quan
Tên sông Sông
Hồng Sông Ninh Cơ Sông Đáy Hệ số tƣơng quan 0,73 0,79 0,76
Với bộ thông số này ta có thể sử dụng để tính toán độ mặn tại khu vực nghiên cứu theo các kịch bản BĐKH.
3.2.4. Các bước thiết lập mô hình
Bước 1: Tạo mạng lưới sông
Phần mềm MIKE 11 cung cấp các tính năng/ tiện ích chỉnh sửa đối với việc xác định dữ liệu của mạng sông, nhƣ: số hóa các điểm và nối kết các nhánh sông; định nghĩa đập, cống, và các công trình thủy lực khác; định nghĩa lƣu vực kết nối mô hình sông với mô hình dòng chảy. Sau khi số hóa mạng sông bằng thanh công cụ trên cửa sổ River Network thì ta s đƣợc kết quả nhƣ hình 17, file mạng lƣới sông s có dạng *.nwk11.
Hình 3.12. Mạng lƣới sông vùng nghiên cứu sau khi đƣợc số hóa
Bước 2: Tạo mặt cắt ngang sông
Số liệu mặt cắt đƣợc nhập trong tập tin mặt cắt thông qua công cụ Cross Section Editor, file mặt cắt ngang sông có dạng *.xns11. Dƣới đây là một số hình ảnh mặt cắt số với ID 27 thu thập năm 2017 khi đƣợc nhập bằng công cụ.
Hình 3.13. Nhập số liệu mặt cắt ngang sông
Hình 3.14. Sơ đồ mặt cắt ngang sông thuộc mạng lƣới
Bước 3: Tạo file số liệu biên
Biên của mô hình bao gồm chuỗi thời gian và các biên mực nƣớc, lƣu lƣợng, độ mặn. Các thông số này đƣợc đƣa vào cửa sổ biên và kiểm tra nhằm xác định điều kiện biên của mô hình trong MIKE 11.
Sau khi thiết lập điều kiện biên của mô hình, tiếp đến ta thiết lập chuỗi thời gian cho mô hình bằng công cụ “Time series editor”. Dựa trên số liệu thủy văn thu thập đã đƣợc nói ở 2.2, thời gian để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, tiến hành thiết lập các file chuỗi thời gian mực nƣớc và lƣu lƣợng tại các trạm tƣng ứng với thời gian dùng để mô phỏng. File chuỗi thời gian đƣợc lƣu dƣới dạng *.dfs0. Các điều kiện biên trong MIKE 11 đƣợc xác định bằng cách sử dụng phối hợp dữ liệu chuỗi thời gian trong công cụ “Time Series Editor” và mô tả tại các vị trí các điểm biên và dạng biên,
trong công cụ tạo biên “Boundary Editor”. Dƣới đây là hình ảnh về số liệu biên của mô hình mà học viên thiết lập.
Hình 3.15. Nhập chuôi dữ liệu đầu vào cho mô hình
Bước 4: Thiết lập mô đun thủy lực
Thanh công cụ “Parameter File Editors” trong MIKE 11 có mục đích phục vụ tính toán thủy động lực học. Vì vậy đây là dữ liệu bắt buộc phải có trƣớc khi chạy mô đun AD tính XNM. Để tạo HD parameter file vào File menu chọn HD parameters trong mục New file. Trong tab Initical là nơi thiết lập thông số mực nƣớc ban đầu, và mực nƣớc ban đầu trong chuỗi số liệu HD của luận văn là 0 m. Từ bài toán mà luận văn đặt ra và qua trao đổi với các chuyên gia, học viên đã sử dụng nhám đáy để xử lý cho mô hình. Hệ số nhám đáy có ba dạng khác nhau, nhƣng trong quá trình chạy s thiết lập về dạng “Manning n ”. Sau khi lƣu file HD s có dạng *.dh11. Dƣới đây là hình ảnh cửa sổ HD Parameters do học viên thiết lập.
Bước 5. Thiết lập mô đun AD
Thiết lập mô đun AD là bƣớc thiếp lập nhằm tính toán XNM cho khu vực nghiên cứu. Trong mục New file chọn MIKE11, mô đun AD s có tên AD Parameters. Tại cửa sổ Editor AD, ta khai báo tên trong tad Component và chọn đơn vị của độ mặn là PSU. Sau đó nhập các giá trị thời gian và số liệu độ mặn theo thời gian vào cột độ mặn trong bảng chọn của cửa sổ Editor. Sau đó lƣu file, file cài đặt AD s có đuôi dạng *.ad11.
Hình 3.17. Cài đặt mô đun khuếch tán
Bước 6. Chạy mô phỏng
Bƣớc này nhằm tạo lập các file tính toán cho mô hình. Công cụ Simulation Editor quản lý, liên kết các file dữ liệu khác trong MIKE 11 nhƣ mạng sông (Editor River Network); mặt cắt ngang sông Cross Section); điều kiện biên Boundary); các thông số mô hình Parameters); , đồng thời dùng để mô phỏng quá trình tính toán thủy lực trong mạng sông.
Các dạng files đầu vào cần thiết cho mô phỏng là các file cài đặt đã đƣợc thiết lập ở các bƣớc trƣớc. Trong tab input ta s chọn các file đầu vào tƣơng ứng. Trong tab simulation là phần cài đặt thời gian, thời gian khai báo phải đồng nhất với các file đƣợc đƣa vào. Tab results là nơi chọn đầu ra sau khi mô phỏng và ta có thể thiết lập thời gian cho file đầu ra đó, học viên thiết lập thời gian cho file đầu ra là 1 giờ để đồng bộ với dữ liệu đầu vào nhằm mục đích so sánh. Sauk hi thiết lập xong ta sang tab Start và bắt đầu quá trình mô phỏng. Kết thúc ta s có 2 file đầu ra là HD và AD, file đầu ra s có định dạng *.RES11.
Hình 3.18. Cài đặt file kết quả
3.2.5. Phân tích diễn biến xâm nhập mặn qua kết quả mô hình
Theo một số tài liệu thu thập, đặc biệt là tài liệu thu thập của FAO 2005 đã chỉ ra rằng nông nghiệp khi nƣớc có độ mặn lớn hơn 1.5%0 s gây ảnh hƣởng đến hoạt động sản xuất [32]. Do vậy để đánh giá tác động của XNM tại khu vực nghiên cứu. Luận văn s tập trung đánh giá nồng độ mặn trong nƣớc. Trong đó nồng độ mặn đánh giá s đƣợc trích ra từ mô hình mô phỏng.
Trên thực tế số liệu đƣa vào mô hình thay đổi liên tục theo thời gian. Trong khi đó nguồn số liệu thu thập đƣợc có hạn, nên trƣớc khi chạy mô hình học viên giả sử mặt cắt ngang sông và lƣu lƣợng đầu vào tại vùng nghiên cứu là không đổi. Số liệu về