Ơ lƣới có kích thƣớc trung bình dọc theo sơng là 180m và ngang sơng là 80m (Hình 3.4).
3.1.4. Lựa chọn kiểu điều kiện biên và giá trị biên
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên đƣợc xác định cho khoảng thời gian mơ hình nhƣ sau:
- Điều kiện ban đầu về mực nƣớc trên miền mơ hình đƣợc xác định bằng cách sau: Tại cửa Gianh có mực nƣớc lấy bằng mực nƣớc biển trung bình trong khoảng thời gian mơ hình. Mực nƣớc tại thƣợng lƣu miền mơ hình đƣợc nội suy theo mực nƣớc tại trạm thủy văn Đồng Tâm và vị trí thƣợng lƣu miền mơ hình. Mực nƣớc sơng Gianh trên tồn bộ đoạn sơng mơ hình đƣợc nội suy từ 3 giá trị mực nƣớc tại trạm Đồng Tâm, Tân Hóa và Tân Mỹ sẽ cho mực nƣớc ban đầu.
- Điều kiện biên thủy lực: thƣợng lƣu có dịng chảy vào đã biết hoặc mực nƣớc đã biết và mực nƣớc hạ lƣu ứng với mực nƣớc biển trong thời gian mơ hình. Trong mơ hình này sử dụng điều kiện biên thƣợng lƣu là lƣu lƣợng trung bình năm là 64m3/s và điều kiện biên hạ lƣu giáp biển là mực nƣớc đã biết năm 2013.
Điều kiện biên hạ lƣu đƣợc lấy là điều kiện mực nƣớc xác định bằng mực nƣớc biển có dao động triều. Trong mơ hình hiệu chỉnh mực nƣớc biển có dao động triều là năm 2010, cịn trong mơ hình dự báo xâm nhập mặn hiện tại là năm 2013 và đối với các kịch bản nƣớc biển dâng khác nhau, biên hạ lƣu này cũng lấy là dữ liệu triều năm 2013 đƣợc tịnh tiến tƣơng ứng với các giá trị mực nƣớc biển dâng.
Hình 3.5. Dao động triều năm 2013 tại biên hạ lưu
Điều kiện ban đầu về mực nƣớc (và chiều dày cột nƣớc) trên từng phần tử đƣợc nội suy bằng môdun nội suy trong EFDC explorer. Mọi phần tử ở biên thƣợng lƣu đƣợc gán cho điều kiện biên có lƣu lƣợng vào đã biết tỷ lệ theo diện tích thẳng đứng của từng phần tử theo hƣớng vng góc với dịng chảy (thực hiện tự động bằng EFDC explorer).
Nồng độ muối ban đầu trên tồn miền mơ hình đƣợc lấy bằng 0,1g/l theo Molly Hunt, Elizabeth Herron and Linda Green (2015) [34] trên cơ sở cho rằng nƣớc sông tự nhiên từ thƣợng nguồn chảy xuống có hàm lƣợng clo bằng khoảng 0,07g/l (tƣơng đƣơng với hàm lƣợng muối ăn 0,1g/l) là nƣớc sơng hồ ít bị nhiễm thêm clo từ môi trƣờng xung quanh.
Các phần từ biên hạ lƣu có mực nƣớc đã biết đúng bằng mực nƣớc tại biển và có nồng độ muối bằng 30g/l (là giá trị trung bình đối với nƣớc biển ven bờ khu vực Quảng Bình) đƣợc lựa chọn dựa trên cơ sở các công bố sau đây:
Độ muối của khu vực nghiên cứu khá cao, dao động trong khoảng từ 29‰ đến 33‰, trung bình 31‰, nƣớc thuộc loại nƣớc mặn (Nguyễn Thị Thế Nguyên, 2013) [13].
Ở các khu vực các cửa sông nên Cồn Cỏ chịu ảnh hƣởng bởi lƣu lƣợng nƣớc lục địa. vì vậy, độ muối nƣớc biển khu vực cồn cỏ có sự dao động khá mạnh. trong 2 đợt khảo sát mùa mƣa (tháng 9/2011 – 8/2012), độ muối tại đây dao động mạnh trong khoảng giá trị thấp, tại tầng mặt dao động từ khoảng 21,5-28,3‰ (Lê Xuân Tuấn, 2013). Trong khi đó có sự phân tầng về nồng độ muối khu vực cửa sông nên nồng độ muối trong nƣớc biển ở khu vực sẽ cao hơn hẳn các giá trị này, tức là ở lớp nƣớc biển sâu nồng độ muối sẽ cao hơn và ở giá trị trên dƣới 30g/l [9].
Nƣớc biển ở vùng nƣớc ven bờ miền trung trong cả năm hầu nhƣ ở trong khoảng cho phép để nuôi tôm hùm, ngoại trừ khu vực nƣớc trồi Ninh Thuận – Bình Thuận độ mặn tối thấp nhỏ hơn mức cho phép (< 30 ‰) vào các tháng 6, 7, 8 và 9. vùng nƣớc Quảng Bình cũng có độ mặn thấp hơn mức cho phép vào các tháng 10, 11 và 12. Các kết quả vừa nêu chỉ phản ánh độ muối nƣớc biển ở vùng biển hở theo chuỗi số liệu nhiều năm. Thực tế ảnh hƣởng độ muối còn phụ thuộc yếu tố mƣa lũ vào mùa mƣa ở vùng ven bờ. Kết quả phân tích đã cho thấy, độ muối giảm thấp vào mùa mƣa thƣờng xảy ra ở bờ tây ở các vũng vịnh ven bờ miền trung gây bất lợi cho hoạt động nuôi tôm hùm. Về độ mặn của nƣớc biển khu vực Quảng Bình đƣợc cho là có nồng độ muối trung bình 30g/l thích hợp cho ni tơm hùm theo tiêu chí về độ mặn (Viện nghiên cứu ni trồng thủy sản III, 2015) [37].
Bƣớc thời gian mơ hình đƣợc lựa chọn theo u cầu của độ chính xác của mơ hình số mà EFDC explorer đã đƣợc chọn là 8s.
Hình 3.6. Bước thời gian tối ưu của mơ hình 3.1.5. Hiệu chỉnh mơ hình
Về ngun lý, mơ hình số thủy lực cần đƣợc tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình trƣớc khi thực hiện mơ hình dự báo. Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá mức độ xâm nhập mặn (nồng độ muối ăn bằng 4g/l) nƣớc sông Gianh do nƣớc biển dâng do biến đổi khí hậu, có sử dụng các số liệu địa hình lịng sơng, lƣu lƣợng nƣớc sơng phía thƣợng lƣu miền mơ hình, dao động mực nƣớc biển phía hạ lƣu mơ hình và nồng độ muối trong nƣớc ở miền hạ lƣu mơ hình. Vì vậy liên quan đên hiệu chỉnh thơng số của mơ hình có thể trình bày một số khía cạnh sau:
- Mơ hình quan tâm đến phân bố nồng độ muối ở dải tƣơng đối thô (lớn hơn 4g/l và nhỏ hơn 4g/l). Trong khi đó nồng độ muối lớn hơn 4g/l có thể đạt tới giá trị trên dƣới 30g/l. Vì vậy việc hiệu chỉnh mơ hình để đáp ứng yêu cầu sai số nồng độ muối nhỏ, chẳng hạn 0,5g/l có thể nói là khơng cần thiết cho các bài tốn thực tế. Nếu hiệu chỉnh mơ hình để đạt sai số 1,0g/l chẳng hạn, thì lại quá lớn về ý nghĩa của cơng tác chỉnh lý mơ hình.
- Xâm nhập mặn nƣớc sông chủ yếu do cơ chế chênh lệch tỷ trọng và chênh lệch mực nƣớc, trong mơ hình ở đây là mực nƣớc thƣợng lƣu và mực nƣớc triều hạ
lƣu. Hai đại lƣợng này là giá trị thực tế nên hầu nhƣ khó có lý do hiệu chỉnh mơ hình qua hai giá trị này.
- Thành phần phân tán trong lan truyền mặn phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy và là đại lƣợng rất nhỏ so với thành phần đối lƣu, hơn nữa trƣờng vận tốc phụ thuộc đáng kể vào biến đổi địa hình lịng sơng, trong khi địa hình lịng sơng cũng rất khó để thực hiện hiệu chỉnh.
Để chạy mơ hình xâm nhập mặn trong sơng tốt nhất nên chọn thời kỳ tính tốn vào mùa kiệt, tuy nhiên tiến trình xâm nhập mặn từ sông diễn ra theo cả 2 hƣớng xâm nhập mặn vào mùa kiệt và nhạt hóa vào mùa lũ.
Kết quả nồng độ muối theo mơ hình và quan trắc có thể nói là đồng bộ, có sai số trong mức độ cho phép đối với giá trị nồng độ dao động tƣơng đối lớn trên thực tế cũng nhƣ trong mơ hình. Hơn nữa, nếu thay đổi hiệu chỉnh các thông số mơ hình để sai số tại điểm đo này nhỏ đi thì hàng loạt các giá trị chênh lệch khác sẽ tăng vọt lên, dẫn đến mơ hình có kết quả sai số rất lớn với các mẫu quan trắc khác.
3.2. Đánh giá xâm nhập mặn sông Gianh theo các kịch bản nƣớc biển dâng
3.2.1. Kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu
Ở Việt Nam, xu thế biến đổi của nhiệt độ và lƣợng mƣa là rất khác nhau trên các vùng. Trong 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,50C trên phạm vi cả nƣớc và lƣợng mƣa có xu hƣớng giảm ở phía Bắc và tăng ở phía Nam lãnh thổ. Mức thay đổi nhiệt độ cực đại trên toàn Việt Nam nhìn chung dao động trong khoảng từ -30C đến 30C. Mức thay đổi nhiệt độ cực tiểu chủ yếu dao động trong khoảng -50C đến 50C. Xu thế chung của nhiệt độ cực đại và cực tiểu là tăng, tốc độ tăng của nhiệt độ cực tiểu nhanh hơn so với nhiệt độ cực đại, phù hợp với xu thế chung của biến đổi khí hậu tồn cầu.
Số liệu mực nƣớc quan trắc tại các trạm hải văn ven biển Việt Nam cho thấy xu thế biến đổi mực nƣớc biển trung bình năm khơng giống nhau. Hầu hết các trạm có xu hƣớng tăng, tuy nhiên, một số ít trạm lại khơng thể hiện rõ xu hƣớng này. Xu thế biến đổi trung bình của mực nƣớc biển dọc bờ biển Việt Nam là khoảng 2,8mm/năm.
Số liệu mực nƣớc đo đạc từ vệ tinh từ năm 1993 đến 2010 cho thấy, xu thế tăng mực nƣớc biển trên tồn Biển Đơng là 4,7mm/năm, phía Đơng của Biển Đơng có xu thế tăng nhanh hơn phía Tây. Chỉ tính cho dải ven bờ Việt Nam, khu vực ven biển Trung Trung Bộ và Tây Nam Bộ có xu hƣớng tăng mạnh hơn, trung bình cho tồn dải ven biển Việt Nam tăng khoảng 2,9mm/năm.
Nhƣ vậy, xu thế mực nƣớc biển cho khu vực ven biển từ số liệu thực đo tại trạm quan trắc hải văn và từ vệ tinh là gần bằng nhau. Kết quả so sánh cho thấy có sự tƣơng đồng cao về pha và biên độ dao động của mực nƣớc trung bình cũng nhƣ tƣơng quan giữa chúng.
Theo kịch bản biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng cho Việt Nam đƣợc Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng xây dựng, công bố năm 2012 các kịch bản phát thải khí nhà kính đƣợc lựa chọn để xây dựng kịch bản nƣớc biển dâng cho Việt Nam là kịch bản phát thải thấp (kịch bản B1), kịch bản phát thải trung bình của nhóm các kịch bản phát thải trung bình (kịch bản B2) và kịch bản phát thải cao nhất của nhóm các kịch bản phát thải cao (kịch bản A1FI). Các kịch bản nƣớc biển dâng đƣợc xây dựng cho bảy khu vực bờ biển của Việt Nam, bao gồm: (1) Khu vực bờ biển từ Móng Cái đến Hịn Dấu; (2) Khu vực bờ biển từ Hòn Dấu đến Đèo Ngang; (3) Khu vực bờ biển từ Đèo Ngang đến đèo Hải Vân; (4) Khu vực bờ biển từ Đèo Hải Vân đến Mũi Đại Lãnh; (5) Khu vực bờ biển từ Mũi Đại Lãnh đến Mũi Kê Gà; (6) Khu vực bờ biển từ Mũi Kê Gà đến Mũi Cà Mau; và (7) Khu vực bờ biển từ Mũi Cà Mau đến Hà Tiên.
- Theo kịch bản phát thải thấp (B1): Vào giữa thế kỷ 21, trung bình trên tồn
Việt Nam, nƣớc biển dâng trong khoảng từ 18 đến 25cm. Đến cuối thế kỷ 21, nƣớc biển dâng cao nhất ở khu vực từ Cà Mau đến Kiên Giang trong khoảng từ 54 đến 72cm; thấp nhất ở khu vực từ Móng Cái đến Hịn Dấu trong khoảng từ 42 đến 57cm. Trung bình tồn Việt Nam, nƣớc biển dâng trong khoảng từ 49 đến 64cm.
Bảng 3.1. Mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải thấp (B1)
- Theo kịch bản phát thải trung bình (B2): Vào giữa thế kỷ 21, trung bình trên tồn Việt Nam, nƣớc biển dâng trong khoảng từ 24 đến 27cm. Đến cuối thế kỷ 21, nƣớc biển dâng cao nhất ở khu vực từ Cà Mau đến Kiên Giang trong khoảng từ 62 đến 82cm; thấp nhất ở khu vực từ Móng Cái đến Hịn Dấu trong khoảng từ 49 đến 64cm. Trung bình tồn Việt Nam, nƣớc biển dâng trong khoảng từ 57 đến 73cm.
Bảng 3.2. Mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải trung bình (B2)
- Theo kịch bản phát thải cao (A1FI): Vào giữa thế kỷ 21, trung bình trên
tồn Việt Nam, nƣớc biển dâng trong khoảng từ 26 đến 29cm. Đến cuối thế kỷ 21, nƣớc biển dâng cao nhất ở khu vực từ Cà Mau đến Kiên Giang trong khoảng từ 85
đến 105cm; thấp nhất ở khu vực từ Móng Cái đến Hịn Dấu trong khoảng từ 66 đến 85cm. Trung bình tồn Việt Nam, nƣớc biển dâng trong khoảng từ 78 đến 95cm.
Bảng 3.3. Mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải cao (A1F1)
Để đánh giá ảnh hƣởng của nƣớc biển dâng đến xâm nhập mặn nƣớc sơng Gianh tỉnh Quảng Bình, ta cần lựa chọn điều kiện thủy hải văn để mơ hình hóa. Nhƣ đã biết, ở chế độ khí hậu chƣa bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng biến đổi khí hậu, hoặc điều kiện khí hậu hiện tại, chế độ xâm nhập mặn vào sông phụ thuộc vào chế độ thủy triều, mực nƣớc sông, lƣu lƣợng dịng chảy trong sơng...Và nhƣ vậy, hiện tƣợng xâm nhập mặn (nồng độ mặn theo không gian và thời gian) trong hai trƣờng hợp 1) khi chƣa có hiện tƣợng biến đổi khí hậu và 2) khi có hiện tƣợng biến đổi khí hậu (nƣớc biển dâng) tƣơng tự nhau hồn tồn có thể xảy ra (mặc dù xác xuất vô cùng nhỏ). Nhƣ vậy để đánh giá ảnh hƣởng của NBD đến xâm nhập mặn so với khi khơng có hiện tƣợng NBD cần lựa chọn điều kiện nhất định để đánh giá so sánh.
Một trong các hậu quả của biến đổi khí hậu là thay đổi chế độ mƣa, bốc hơi và nƣớc biển dâng. Tuy nhiên lựa chọn chế độ mƣa trong tƣơng lai BĐKH là vơ cùng khó khăn và là vấn đề cần rất nhiều nghiên cứu. Vì vậy sẽ sử dụng điều kiện thủy văn sông nhƣ nhau, và ứng với một tần suất nào đó hiện nay. Xâm nhập mặn hiện nay diễn ra chủ yếu khi thủy triều lên và vào mùa khô, thời kỳ dịng chảy trong sơng nhỏ. Trong thủy lợi, thƣờng sử dụng tần suất mƣa, dịng chảy... là 85% để tính
tốn các cơng trình thủy lợi và hiện tƣơng xâm nhập mặn tới các nguồn nƣớc thủy lợi.
3.2.2. Mơ hình đánh giá mức độ xâm nhập mặn sông Gianh theo kịch bản nước biển chưa dâng
Sử dụng mơ hình với các số liệu cụ thể về mực nƣớc biển (có dao động triều) có thể đánh giá một cách hiệu quả mức độ xâm nhập mặn vào sông theo không gian và thời gian nhằm mục đích khai thác nƣớc sơng Gianh phục vụ nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và sinh hoạt. Luận văn đã tiến hành mơ hình đối với số liệu mực nƣớc biển có dao động triều năm 2013, với chế độ thủy lực của sơng Gianh là có lƣu lƣợng phía thƣợng lƣu tƣơng ứng với tần suất 85% là tần suất đƣợc qui phạm thủy lợi đƣa ra đối với khai thác các cơng trình thủy lợi.
Sau khi lựa chọn, xây dựng miền mơ hình nhƣ đã đề cập ở trên, với các điều kiện ban đầu về mực nƣớc và nồng độ muối trên tồn miền mơ hình, các điều kiện biên thủy lực, độ mặn tại vị trí thƣợng lƣu, hạ lƣu và nhánh sơng Son đổ vào sông Gianh…đã đƣợc xác định rõ ràng và đầy đủ, ta tiến hành chạy mơ hình EFDC để mơ phỏng q trình lan truyền mặn.
Kết quả chƣơng trình đã chạy cho thấy mức độ mặn xâm nhập lên thƣợng nguồn miền mơ hình sau vài ngày và có xu thế gần ổn định. Phần mềm xử lý số liệu đầu vào và đầu ra cho phép thể hiện mức độ xâm nhập mặn do nƣớc biển dâng trên sơng địa hình sơng Gianh.
Hình 3.7. Mực nước triều tại thời điểm hiện tại
Hình 3.8. Xâm nhập mặn ở điều kiện bình thường (triều cường năm 2013) sau 11 ngày: dải nồng độ muối từ 0,1g/l đến 30g/l
Qua các kết quả thu đƣợc khi chạy mơ hình, ta có thể thấy rõ q trình lan truyền mặn từ phía cửa sơng Gianh xâm nhập dần vào sâu trong sông theo không gian và thời gian.
- Trong những ngày đầu tiên, đối với dải nồng độ muối từ 0,1g/l đến 30g/l, quá trình xâm nhập mặn diễn ra khá chậm, càng đi sâu vào trong chênh lệch độ mặn càng giảm, lƣu lƣợng nƣớc từ thƣợng lƣu đƣa về có vận tốc cao hơn nên quá trình xâm nhập mặn tuy vẫn diễn ra nhƣng có chiều hƣớng xâm nhập mặn chậm dần từ ngày thứ 3.
Hình 3.9. Xâm nhập mặn ở điều kiện bình thường (triều cường năm 2013) sau 3 ngày: dải nồng độ muối từ 0,1g/l đến 30g/l
Hình 3.10. Xâm nhập mặn ở điều kiện bình thường (triều cường năm 2013) sau 5 ngày: dải nồng độ muối từ 0,1g/l đến 30g/l
Hình 3.11. Xâm nhập mặn ở điều kiện bình thường (triều cường năm 2013) sau 9 ngày: dải nồng độ muối từ 0,1g/l đến 30g/l
- Mức độ xâm nhập mặn tăng dần từ ngày thứ 6 và đến ngày thứ 11, chiều dài xâm nhập mặn đạt hơn 15km do ảnh hƣởng của thủy triều đến thủy lực dòng chảy cửa