MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN ĐỒNG BẰNG
SÔNG CỬU LONG DƯỚI TÁC ĐỘNG MỰC NƯỚC
BIỂN DÂNG VÀ SỰ SUY GIẢM LƯU LƯỢNG TỪ THƯỢNG NGUỒN
TÓM TẮT
Xâm nhập mặn là một trong những vấn đề lớn ở đồng bằng
sông Cửu Long và nó có xu hướng trầm trọng hơn trong tương lai do mực nước biển
dâng và lưu lượng từ thượng nguồn suy giảm. Trong nghiên cứu này, xâm nhập mặn
ở đồng bằng sông Cửu Long được mô
phỏng cho những kịch bản khác nhau của mực nước biển dâng và lưu lượng thượng
nguồn giảm bằng mô hình MIKE11. Mô hình được xây dựng dựa trên cở sỡ dữ liệu
của hai năm 1998 và 2005. Kết quả mô phỏng xâm nhập mặn năm 1998 được chọn kịch
gốc so sánh với bốn kịch bản xâm nhập mặn vào các năm 2020 và 2030. Bốn kịch bản
này được xây dựng dựa trên kịch bản CRES B2, kịch bản tăng diện tích nông
nghiệp và kịch bản diện tích nông nghiệp không đổi. Hai kịch bản đầu là khi mực
nước biển dâng 14 cm và lưu lượng thượng nguồn giảm 11% và 22%. Kịch bản số ba
và bốn là khi mực nước biển dâng 20cm và lưu lượng thượng nguồn giảm 15%. Kết
quả mô phỏng cho thấy rằng độ mặn 2.5g/l xâm nhập 14km sâu hơn kịch bản gốc năm
1998. Ngoài ra xâm nhập mặn củng tác đông hầu hết các dự án ngăn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long.
Hình 1: Hệ thống công trình ngăn mặn trước năm 1998
(Nguồn: SIWRR, 2006)
Hình 2: Hệ
thống công trình ngăn mặn sau năm 2005 (Nguồn: SIWRR, 2006)
2
PHƯƠNG PHÁP
2.1 Mô hình
MIKE11 là mô hình thủy động lực học một chiều cho mô phỏng dòng chảy không đều trên kênh, sông. MIKE11 được
Viện thủy lực Đan Mạch phát triển trong đó module thủy lực là module chính
(DHI, 2007). Module thủy lực (HD) dùng tính dòng chảy, Module tải khuếch tán
(AD) dùng tính lan truyền chất (mặn,…). Để tính dòng chảy trong kênh sông, mô
hình MIKE11 sử dụng phương trình St.Venant (phương trình bảo toàn động lượng và
bảo toàn chất) một chiều và áp dụng sơ đồ sai phân 6 điểm xen kẽ Q,H của Abbott, and Ionescu, (1976)
¶Q + ¶A = q
(1)
¶x
¶Q +
¶t
æ
¶çça
è
Q2 ö
|
A ÷÷ ¶h gQ Q
+ gA + = 0
(2)
¶t ¶x ¶x C 2 AR
Module AD dựa trên phương
trình bảo toàn chất hòa tan
143
¶ ¶ ¶ æ ¶ ö
(3)
AC +
QC -
ç AD
C
÷ = - AKC + C q
¶t
Trong đó:
¶x ¶x è
¶x ø 2
Q = lưu lượng (m3/s);
A = mặt cắt ướt (m2); q = dòng gia nhập dòng chảy (m2/s); x = khoảng cách dọc dòng chảy (m); t = thời
gian (s); C = nồng độ chất hòa tan
(g/l); R = bán kính thủy lực (m); h = mực nước so với độ cao chuẩn (m);
g = gia tốc trọng trường (m2/s); D = hệ số khuếch tán; C2 = nồng độ dòng gia
nhập (g/l).
2.2 Thành
lập mô hình
Trong nghiên cứu này, hai module
trong MIKE11 được sử dụng để mô phỏng mặn (HD và AD). Trong module HD, hai nhóm
số liệu đầu vào bao gồm: (i) Số liệu theo không gian gồm hệ thống kênh sông và
mặt cắt ngang của chúng, hệ thống công trình ngăn mặn (ii) số liệu theo thời gian gồm số liệu mực nước và lưu lượng
theo thời gian, điều kiện ban đầu tại các biên tính toán. Biên trong mô hình gồm 6
biên lưu lượng trên thượng lưu (hai trong số đó nằm trên dòng chính sông
Mekong) và 82 biên mực nước ở Biển Đông và Biển Tây. Bước thời gian tính toán trong mô hình là Dt=2 phút. Khoảng cách tối đa giữ các điểm tính toán là
Dx=750m.
Mô hình còn bao gồm toàn bộ hệ thống công trình ngăn mặn được hoàn thiện trước từ năm 2005.
2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Mô hình
được hiệu chỉnh qua 2 bước với số liệu thủy văn và nồng độ mặn năm 1998 bằng
cách thay đổi các thông số trong mô hình (hệ số nhám Manning trong module HD và
hệ số khuếch tán trong module AD) cho đến khi kết quả mô hình phù hợp với kết
quả thực đo. Sau đó mô hình được kiểm định bằng bộ cơ sở dữ liệu năm 2005.
Hình 3: Vị trí các trạm đo mặn và thủy văn được sử
dụng trong mô hình
Bước thứ nhất, hiệu chỉnh mô hình HD thông qua việc thay đổi hệ nhám Manning trong khoảng 0.03-0.018. Hình 4a và 5a thể hiện kết quả đại diện cho hai trạm Cao
Lãnh (CL) và Đại Ngãi (ĐN). Kết quả chỉ ra rằng kết quả mô hình phù hợp với
144
thực
đo cả về trị số lẫn xu thế. Kiểm định mô hình với cơ sở dữ liệu năm 2005,
kết quả thể hiện trong hình 4b và 5b.
|
m
(a)
1.0 mô hình thực
đo, R=0.97
0.5
0.0
-0.5
1-4-1998 6-4-1998 11-4-1998 16-4-1998
21-4-1998 26-4-1998 1-5-1998
|
m
(b)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
mô hình
thực đo, R=0.96
1-4-2005 6-4-2005 11-4-2005
16-4-2005 21-4-2005 26-4-2005
1-5-2005
Hình 4: So
sánh kết quả thực đo và mô hình tại trạm Cao Lãnh năm 1998 và năm 2005
|
m
(a) 1.5 mô hình thực đo,
R=0.95
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
1-4-1998
6-4-1998 11-4-1998 16-4-1998
21-4-1998 26-4-1998 1-5-1998
|
m
1.5 mô hình thực đo,
R=0.98
(b) 1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
1-4-2005 6-4-2005 11-4-2005 16-4-2005
21-4-2005 26-4-2005 1-5-2005
Hình 5: So sánh kết quả thực đo và mô hình tại trạm
Đại Ngãi năm 1998 và năm 2005
Tiếp theo, hiệu chỉnh mô hình AD thông qua việc thay đổi hệ tải khuếch tán trong
khoảng 700-300 cho sông chính và từ 125-50 cho các sông khác. Hình 6 và 7 thể
hiện kết quả đại diện cho hai trạm Cao Lãnh và Đại Ngãi. Kiểm định mô hình với cơ sỡ dữ liệu năm 2005, kết quả thể
hiện trong hình 6 và 7. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình lan truyền mặn phức tạp
hơn so với mô hình thủy lực vì mặn chịu
145
ảnh hưởng của nhiều yếu tố
như gió mùa (mô hình không xét đến), nhu cầu dùng nước, qui luật vận hành các
công trình ngăn mặn,… Hơn nữa kết quả của module AD rất nhạy với hệ số tải
khuếch tán. Ngoài ra, hệ thống sông kênh rạch đồng bằng sông Cửu Long rất phức
tạp không thể xác định giá trị của hệ số khuếch tán chính xác cho từng đoạn sông cụ thể. Hơn thế nữa, thiếu số liệu cho hiệu chỉnh và kiểm định mô hình xâm nhập mặn. Đặc
biệt trong năm 1998 số liệu mặn không được thu thập liên tục. Mặc dù vậy so sánh từ kết quả mô hình và thực đo cho thấy
kết quả mô hình phù hợp với thực đo cả về trị số lẫn xu thế, đây chính là cơ sở cho
việc dự báo mặn trong tương lai.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
[g/l] 14.0
12.0
10.0
|
8.0
6.0
 |
 |
||
4.0
2.0
1-4-1998 11-4-1998 21-4-1998 1-5-1998 11-5-1998
[g/l] 6.0
5.0
mô hình thực
đo, R=0.87
4.0
3.0
2.0
1.0
21-4-1998 26-4-1998
1-5-1998 6-5-1998 11-5-1998
16-5-1998 21-5-1998
Hình 6: So
sánh kết quả thực đo và mô hình tại trạm Đại Ngãi và Mỹ Tho năm 1998
[g/l]
3.0
2.5
mô hình
thực đo, R=0.83
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
2-3-2005 7-3-2005 12-3-2005 17-3-2005 22-3-2005
[g/l]
10.0
8.0
mô hình
thực đo, R=0.84
6.0
4.0
2.0
0.0
20-2-2005 2-3-2005 12-3-2005 22-3-2005
Hình 7: So
sánh kết quả thực đo và mô hình tại trạm Mỹ Tho năm 2005
2.4
Các kịch bản mô phỏng
2.4.1 Kịch bản gốc
Trong
nghiên cứu này xâm nhập mặn năm 1998 được chọn làm kịch bản xâm nhập mặn
gốc vì mặn năm 1998 xâm nhập sâu nhất trong vài thập niên trở lại đây (Sam,
146
2006). Hơn nữa năm 1998 có
đủ số liệu cho điều kiện biên cho mô phỏng xâm nhập mặn.
2.4.2 Phỏng đoán mực nước biển dâng và lượng lưu lượng mùa kiệt thượng nguồn giảm
Nijissen et al., (2002) phân tích độ nhạy các yếu
tố thủy văn và biến đổi khí hậu trên các con sông lớn trên thế giới trong giai
đoạn 2025-2045. Nghiên cứu chỉ ra rằng lưu lượng sông Mekong sẽ tăng trong mùa
mưa và giảm trong mùa khô. Hoanh et al., (2003) đánh giá mức độ thay đổi
của lưu lượng sông Mekong ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu (IPPC, 2007) và
khả năng mở rộng diện tích nông nghiệp trên lưu vực sông Mekong.
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ứng với kịch
bản biến đổi khí hậu B2 lưu lượng mùa kiệt trên sông Mekong
có thể giảm từ 15%-33% trong giai đoạn 2010-2039 so với giai đoạn 1961-1990 tùy mức độ thay
đổi nhu cầu dùng nước cho các hoạt động của con người trên lưu vực sông Mekong.
Theo báo cáo lần thứ 4 của Ủy Ban Liên Chính Phủ Về Biến Đổi Khí Hậu (IPCC, 2007), đến giữa 2090s,
mực nước biển sẽ tăng lên 43cm ứng với kịch bản biến đổi khí
hậu B2, trung
bình mực nước biển dâng 5.6mm/năm so với mực nước biển của
1990s. Có nghĩa là mực nước biển có thể dâng lên khoảng 20cm vào năm 2030 so với
giai đoạn 1980-1999.
Trong nghiên cứu này, bốn
kịch bản mực nước biển dâng và suy giảm lưu lượng vào mùa kiệt của sông Mekong
được thành lập như bảng 1 với mục đích là ước đoán mức độ xâm nhập mặn trong
tương lai khi các yếu tố bất lợi cho xâm nhập mặn xảy ra.
Bảng 1: Tổng hợp các kịch bản
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Kịch bản Năm
phỏng đoán
3
KẾT QUẢ THẢO LUẬN
3.1 Khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất trên các dòng chính sông Mekong
Trong nghiên cứu này giá trị
độ mặn 2,5g/l được chọn bằng giá trị giới hạn có thể tác động xấu đến năng suất cây trồng, làm giảm 25% năng suất lúa (Grattan
et al., 2002). Chiều sâu xâm nhập mặn trên các dòng chính sông
Tiền và Hậu (Hình 8) chỉ ra rằng trong tương lai (năm 2030) nếu mực nước biển
dâng cao 20cm và lưu lượng mùa kiệt giảm 22%, xâm nhập mặn trên sông chính của
đồng bằng sông Cửu Long sâu hơn 14km so với kịch bản gốc và diện tích xâm nhập mặn mở rộng
ra hầu hết các vùng được ngọt hóa thuộc
các dự án ngăn mặn như hình 10.
147
Hình 8: Chiều sâu xâm nhập mặn (2,5g/l) trên các
sông chính
3.2
g/l g/l g/l
g/l g/l
Diện tích xâm nhập mặn
|
g/l g/l g/l
g/l g/l
|
Hình 9: Diện tích xâm nhập mặn cho các kịch bản.
(a) kịch bản gốc (b) kịch bản số 1
Kết quả xâm nhập mặn ở kịch
bản gốc cho ta thấy rằng trong năm 1998, mặn ảnh hưởng hầu hết bán đảo Cà Mau,
tỉnh Trà Vinh, một phần tỉnh Vĩnh Long và tỉnh Bến Tre. Diện tích xâm nhập mặn
ở các kịch bản số 1 và 2 giảm đi mặc dù ở các kịch bản này mực nước biển tăng lên và lưu lượng mùa khô giảm,
điều này có thể
giải thích do từ năm 1999 hệ thống công trình ngăn mặn từ Biển Đông và Biển Tây
đã được thực hiện để ngăn mặn cho 534.860 ha (Hình 10f), bao gồm các dự án Nam
Măng Thít, Quản Lộ Phụng Hiệp, Ô Môn-Xà No (World Bank, 2008). Hơn thế nữa, kết
quả ở các kịch bản số 3 và 4 chỉ ra rằng ngay cả khi tất cả hệ thống công trình
ngăn mặn hiện thời vận hành đúng như thiết kế mặn vẫn xâm nhập sâu vào nội đồng và ảnh hưởng đến hầu hết các vùng được bảo vệ bởi dự án xâm nhập
mặn như hình 10d, 10e, 10f.
4
KẾT LUẬN
Xâm nhập mặn của đồng bằng
sông Cửu Long được dự đoán dựa trên bốn kịch bản được hình thành
từ giá trị mực nước biển dâng theo kịch bản biến đổi khí hậu
B2 và lưu lượng thượng nguồn mùa kiệt suy giảm theo các kịch bản sử dụng nước từ thượng nguồn. Kết quả các kịch bản
cho ta thấy bức tranh toàn cảnh về xâm nhập mặn ở ĐBSCL vào mùa khô có thể xảy
ra trong tương lai. Đặc biệt ở 2 kịch bản cuối cho thấy rằng,
mặn có thể xâm nhập vào nội đồng ở hầu hết các diện tích
được bảo vệ bởi các dự án ngăn mặn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, mô hình
148
xâm nhập mặn chưa bao gồm hết tất cả các yếu tố tác
động đến xâm nhập mặn ở ĐBSCL trong hiện tại cũng như trong tương lai như gió
mùa, nhu cầu dùng nước cho thay đổi trên lưu vực sông Mekong, thời gian và
cường độ của lũ,…
Hình
10: Diện tích xâm nhập mặn cho các kịch bản và diện tích ngọt hóa của các dự án
xâm nhập mặn. (c) kịch bản số 2, (d) kịch bản số 3, (e) kịch bản số 4, (f) diện
tích ngọt hóa của các dự án xâm nhập mặn ở ĐBSCL
Kết quả của nghiên cứu này
hữu ích cho quy hoạch tài nguyên nước ở ĐBSCL trong tương lai trong điều kiện
mực nước biển dâng và các nước thượng nguồn sông Mekong tăng cường sử dụng
nguồn nước của sông Mekong.
Chế độ thủy lực thủy văn của
ĐBSCL rất phức tạp vì vậy mô hình chưa thể cho một kết quả chính xác nhất về
xâm nhập mặn cho ĐBSCL. Đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và thay đổi ở thượng
nguồn sông Mekong.
Mô hình cần được
hiệu chỉnh với tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập mặn của vùng và nhiều
kịch bản hơn nữa nên được thành lập để có cái nhìn toàn diện hơn về vấn đề xâm
nhập mặn của khu vực ĐBSCL.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Abbott, M. B. and Ionescu, F. 1967. On the numerical
computation of nearly horizontal flows. Journal of Hydraul Res, 5:97–117.
DHI. 2007. A Modelling System
for River and Chanels-Mike 11 User
Manual.
Grattan, S. R.,
Zeng, L., Shamnon, M. C., and Robert, S. R. 2002 . Rice is more sensitivity
than previous thought. California Agriculture, 56: 189-195.
149
Hung, N. N., Thinh, L. V., and Trung, N. H. 2001. Macro-level
perspective on water use in the dry season in Mekong Delta, Can Tho University.
Hoanh, C. T., Guttuman, H., Droogers, P., and Aerts, J. 2003.
Water, Climate, Food, and Environment in the Mekong basin in South Asia. Final
Report , contribution to the Adaption strategies to changing environment ADAPT
project.
IPCC. 2007. Fourth Assessment Report: Climate Change. 2007.
Working Group I Report “The Physical Science Basis”.
Khang, D. N., Kotera, A., Sakamoto, T., and Yokozawa, M.
2008. Sensitivity of Salinity Intrusion to Sea Level Rise and River Flow Change
in Vietnamese Mekong Delta- Impacts on
Availability of Irrigation Water for Rice Cropping. Journal of Agricultural and
Meteorological, 64 : 167-176.
Kite, G. 2001. Modelling the Mekong: hydrological simulation
for environmental impact studies. Journal of Hydrology, 253: 1-13.
Mekong River Commission
(MRC). 2005. Overview of the Hydrology of the Mekong Basin.
Mekong River Commission, Vientiane.
Nhan, D.K., Be, N.V., and Trung, N.H. 2007. Water Use and
Competition in the Mekong Delta, Vietnam. Challenges to Sustainable Development
in the Mekong Delta: Regional and National Policy Issues and research Needs.
The Sustainable Mekong Research Network: 143-188.
Nijssen, B.,
O’Donnell, G. M., Hamlet, A. F., and Lettenmaier, D. P. 2001. Hydrologic
sensitivity of global rivers to climate change. Climate Change, 50 : 143-175.
Sam, L. 2006.
Results of study on salinity intrusion for socio-economic development in the
Mekong Delta. Results of Science and Technology. Agriculture Press: 104-112.
Sunada, K. 2009. Study on Asian River Basin. CREST Asian
River Basins: Water Policy Study Team.
Tuan, L. A., Hoanh, C. T., Miller, F., and Sinh, B. T. 2007.
Flood and Salinity Management in the Mekong Delta, Vietnam. Challenges to
sustainable development in the Mekong Delta: Regional and national policy
issues and research needs: Literature
analysis.
Bangkok, Thailand: The Sustainable Mekong
Research Network (Sumernet): 15-68.
World Bank. 2008. Vietnam Mekong Delta Water Resources
Project Implementation Completion And Results Report.
150