Tài liệu 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.

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: Chƣơng 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 học Liên ngành), Đại học Quốc gia Hà Nội cũng nhƣ thời gian thực hiện luận văn, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, học viên đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ hết sức quý báu. Học viên xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Ngọc Trực và PGS.TS. Vũ Văn Tích đã luôn tận tình hƣớng 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 ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo Khoa Các Khoa học Liên ngành, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện và hƣớng dẫn trong suốt quá trình 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 và những ngƣời 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 thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp từ các Thầy, Cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có hƣớng nghiên cứu tiếp theo. Học viên Vũ Việt Đức i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả thực hiện dƣới sự hƣớng 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 Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản luận văn của mình. Tác giả Vũ Việt Đức ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chƣơng 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 Chƣơng 2 PHƢƠNG 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 phƣơng 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 iii Chƣơng 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 Chƣơng 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 iv 4.2. Vấn đề quản lý xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp trong khu vực ...58 4 Căn cứ pháp lý ..............................................................................................58 4.2.2. Các giải pháp phi công trình ........................................................................58 4.2.3. Các giải pháp công trình ..............................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 67 1. Kết luận ..................................................................................................................67 2. Kiến nghị ................................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 69 v 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 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sự dịch chuy n của khối nước mặn vào tầng nước ngọt [26] ........................ 3 H nh Xu hướng nhiệt độ trung b nh năm tại Nam ịnh giai đoạn 1990-2009 .......9 H nh Xu hướng lượng mưa trung b nh năm tại Nam ịnh giai đoạn 1990-2009 ...9 Hình 1.4. Vị trí vùng nghiên cứu ..................................................................................11 Hình 2.1. Thiết bị đo độ mặn tại hiện trường ...............................................................17 Hình 2.2. Lấy mẫu nước tại cửa cống ..........................................................................17 Hình 2.3. Mặn xâm nhập khiến nhiều đốm lúa héo khô ...............................................24 H nh 4 ất suy thoái vì nhiễm mặn ..........................................................................25 H nh Sơ đồ xâm nhập mặn trên sông áy và sông Ninh Cơ năm 007 [21] ........28 H nh Sơ đồ các đi m lấy mẫu nước .......................................................................29 Hình 3.3. Mặt cắt ngang a) sông ào - b) sông áy - c) sông Ninh Cơ .....................31 H nh 4 Sơ đồ khu vực nghiên cứu bi u diễn trong MIKE 11 ...................................32 Hình 3.5. Cửa sổ Editor mạng lưới sông .....................................................................32 Hình 3.6. Cửa sổ editor các dữ liệu mặt cắt đã xử lí ...................................................33 Hình 3.7. Các mặt cắt ngang được thêm vào mạng lưới sông .....................................33 Hình 3.8. Số liệu các biên trong mô hình .....................................................................34 Hình 3.9. Cửa sổ editor hiệu chỉnh thông số độ nhám .................................................35 Hình 3.10. Cửa sổ editor thông số mặn ........................................................................35 Hình 3.11. Cửa sổ th hiện các file đầu vào cho mô hình ............................................36 Hình 3.12. Bi u đồ xâm nhập mặn năm 0 0 trên sông áy do mô h nh MIKE thiết lập .......................................................................................................................................38 Hình 3.13. Bi u đồ xâm nhập mặn năm 0 0 trên sông Ninh Cơ do mô h nh MIKE thiết lập .........................................................................................................................38 Hình 3.14. Xâm nhập mặn trên sông áy ( 0 6) so với số liệu năm 0 0 .................39 Hình 3.15. Xâm nhập mặn trên sông Ninh Cơ ( 0 6) so với số liệu năm 2010 ..........40 H nh 6 Sơ đồ xâm nhập mặn cho kịch bản RCP 4 5 năm 050 trong MIKE ....41 H nh 7 Sơ đồ xâm nhập mặn cho kịch bản RCP 4 5 năm ....41 H nh 8 ường quá tr nh độ mặn trên sông áy kịch bản RCP 4 5 năm 050 ......42 H nh 9 ường quá tr nh độ mặn trên sông Ninh Cơ kịch bản RCP 4 5 năm 050 43 00 trong MIKE Hình 3.20. Diễn biến xâm nhập mặn sông áy theo kịch bản RCP 4.5 ......................44 Hình 3.21. Diễn biến xâm nhập mặn sông áy theo kịch bản RCP 8.5 ......................46 vii 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 viii 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 gia ven biển trên toàn cầu đang phải chịu ảnh hƣởng nặng nề từ tác động của biến đổi khí hậu trong đó có Việt Nam. Kịch bản quốc gia về biến đổi khí hậu (theo mức phát thải trung bình – RCP 4.5) do Bộ Tài nguyên & Môi trƣờng xây dựng cảnh báo rằng, đến cuối thế kỷ nhiệt độ trung bình năm ở phía Bắc tăng chủ yếu từ 1,9÷2,4oC và ở phía Nam từ 1,7÷1,9oC. Về lƣợng mƣa: đến cuối thế kỷ này một số tỉnh ven biển Đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ và khu vực xung quanh có thể tăng trên 20%. Nƣớc biển sẽ dâng thêm 7.5 cm vào năm 2020 và 53 cm vào năm 2100 [2,3]. Nhƣ vậy, nguy cơ ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến các ngành kinh tế nƣớc ta là rõ rệt và nghiêm trọng. Là một nƣớc nông nghiệp với phần lớn dân số sống ở nông thôn, đối tƣợng sản xuất nông nghiệp lại nhạy cảm với các vấn đề môi trƣờng, do đó nông nghiệp 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 ở đồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long, do đó các khu vực này đƣợc cảnh báo là có nguy cơ cao về các ảnh hƣởng tiêu cực của biến đổi khí hậu nhƣ ngập lụt, nhiễm mặn, xói mòn, rửa trôi, hạn hán... Những hiện tƣợng cực đoan này đều là mối đe dọa to lớn đối với sản xuất nông nghiệp và đời sống ngƣời dân. Xuất phát từ tình hình thực tế đó, việc nghiên cứu đánh giá vùng bị ảnh hƣởng bởi 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 nông nghiệp 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 bằng sông 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. 1 - Đề xuất các giải pháp quản lý xâm nhập mặn phục vụ sản xuất nông nghiệp tại khu vực nghiên cứu. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu +) Đối tƣợng nghiên cứu: Diễn biến xâm nhập mặn nƣớc mặt tại sông Đáy và sông Ninh Cơ và ảnh hƣởng của quá trình xâm nhập mặn đến sản xuất nông nghiệp tại khu vực nghiên cứu: phía nam đồng bằng sông Hồng. +) Phạm vi nghiên cứu: khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng, cụ thể là khu vực 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 nhƣ sau: - Dự tính diễn biến xâm nhập mặn trong tƣơng lai theo các điều kiện liên quan đến biến đổi khí hậu, tạo bộ cơ sở dữ liệu để các tỉnh thuộc khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng định hƣớng phát triển nông nghiệp với điều kiện biến đổi khí hậu hiện 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 nông nghiệp tại khu vực phía nam đồng bằng sông Hồng để đảm bảo phát triển nông nghiệp bền vững. 5. Cấu trúc luận văn - Mở đầu. - Chƣơng 1: Tổng quan về xâm nhập mặn và khu vực nghiên cứu - Chƣơng 2: Phƣơng pháp luận, cơ sở khoa học và số liệu cho nghiên cứu về xâm nhập mặn phía nam đồng bằng sông Hồng - Chƣơng 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 - Chƣơng 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. 2 Chƣơng 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 nƣớc ngọt trong các tầng chứa nƣớc ở ven biển bằng nƣớc mặn do sự dịch chuyển của khối nƣớc mặn vào tầng nƣớc ngọt (hình 1.1). Xâm nhập mặn làm giảm nguồn nƣớc ngọt dƣới lòng đất ở các tầng chứa nƣớc ven biển do cả hai quá trình tự nhiên và con ngƣời gây ra [26]. Còn theo Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn: Xâm nhập mặn là hiện tƣợng nƣớc mặn với nồng độ mặn bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cƣờng, nƣớc biển dâng hoặc cạn kiệt nguồn nƣớc ngọt [16]. Đối với nông nghiệp, xâm nhập mặn tác động đến nguồn nƣớc lẫn đất trồng làm suy thoái tài nguyên đất và nƣớc gây ảnh hƣởng 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 Lƣơng Liên Hợp Quốc), nƣớc nhiễm mặn – nói đơn giản là nƣớc có hàm lƣợng muối hòa tan vƣợt quá quy định dẫn đến nƣớc có vị mặn hoặc lợ khó khăn trong sử dụng sinh hoạt, ăn uống và sản xuất [28]. Theo từ điển Bách khoa Việt Nam, nƣớc nhiễm mặn là tên gọi chung các loại nƣớc chứa lƣợng muối NaCl cao hơn nƣớc uống thông thƣờng (> 1‰) [9]. 3 - ất nhiễm mặn: Từ quan điểm nông nghiệp, đất nhiễm mặn là đất có tồn tại các loại muối hòa tan ở một nồng độ cao hơn bình thƣờng, gây ảnh hƣởng xấu đến cây trồng [14]. Ngoài ra, còn có một định nghĩa phổ biến hơn về đất mặn: là đất chứa nhiều muối hòa tan (1 – 1,5% hoặc hơn). Những loại muối tan thƣờng gặp trong đất là NaCl, Na2SO4, CaCl2, CaSO4, MgCl2, NaHCO3… Những loại muối này có nguồn gốc khác nhau (nguồn gốc lục địa, nguồn gốc biển, nguồn gốc sinh vật…), nhƣng nguồn gốc nguyên thủy của chúng là từ các thành phần khoáng của đá núi lửa. Trong quá trình phong hóa đá, những muối này bị hòa tan di chuyển tập trung ở những dạng đất trũng không thoát nƣớc [11]. 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 phƣơng pháp nghiên cứu xâm nhập mặn nƣớc mặt đƣợc sử dụng chủ yếu gồm có: phƣơng pháp thực nghiệm dựa trên số liệu quan trắc và phƣơng pháp mô phỏng quá trình sử dụng các mô hình toán. Việc mô phỏng quá trình dòng chảy trong sông ngòi bằng mô hình toán đƣợc bắt đầu từ khi Saint - Venant (1871) công bố hệ phƣơng trình mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong hệ thống kênh hở một chiều. Nhờ có hệ phƣơng trình này nên khi kỹ thuật tính sai phân và công cụ máy tính điện tử đáp ứng đƣợc yêu cầu tính toán đặt ra thì việc mô phỏng dòng chảy là công 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]. Giả thiết cơ bản của các mô hình này là các đặc trƣng dòng chảy và mật độ là đồng nhất trên mặt cắt ngang. Mặc dù điều này khó gặp trong thực tế nhƣng kết quả áp dụng mô hình lại có sự phù hợp khá tốt, đáp ứng đƣợc nhiều mục đích nghiên cứu và tính toán mặn. Ƣu thế đặc biệt của các mô hình loại một chiều là yêu cầu tài liệu vừa phải và nhiều tài liệu đã có sẵn trong thực tế. Prichard (1971) đã dẫn xuất hệ phƣơng trình 3 chiều để diễn toán quá trình xâm nhập mặn nhƣng nhiều thông số không xác định đƣợc. Vì thế các nhà khoa học đã giải quyết 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 4 trong đó mô hình một chiều có nhiều ƣu 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 Harleman; - Mô hình SALFLOW; - Mô hình MIKE 11; - Mô hình ISIS; - Mô hình EFDC. b Xâm nhập mặn nước ngầm Có thể chia các nghiên cứu về xâm nhập mặn nƣớc ngầm thành một số hƣớng nhƣ sau: - 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 đi trƣớc về xâm nhập mặn nƣớc ngầm để giải thích sự phân bố của các thể chứa nƣớc mặn, nhạt ở các vùng ven biển bằng các yếu tố cấu trúc địa chất và lịch sử phát triển địa chất, địa mạo; đồng thời phân ra một số kiểu nhiễm mặn và đề xuất các khả năng quản lý chất lƣợng nƣớc. Năm 2007, Narayan đã nghiên cứu và xác định ảnh hƣởng của khai thác nƣớc ngầm đến xâm nhập mặn ở đồng bằng Burdekin, Australia [31]. Nguyên nhân đƣợc chỉ ra chính là do khai thác nƣớc quá mức. Đây là công trình có ý nghĩa tham khảo với các nghiên cứu tại khu vực có điều kiện khai thác nƣớc dƣới đất tƣơng 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 hƣởng của quá trình khuếch tán đến sự phân bố độ mặn đồng bằng sông Fraser, Canada. Các tác giả đã đƣa ra mô hình về quá trình hình thành và phân bố độ mặn theo chiều thẳng đứng khu vực cửa sông: nƣớc mặn từ cửa sông xâm nhập vào tầng chứa nƣớc và từ tầng chứa nƣớc khuếch tán xuống lớp thấm nƣớc yếu bên dƣới [24]. Ngoài ra, một số học giả đã kết hợp sử dụng phƣơng pháp đồng vị trong quá trình nghiên cứu quá trình dịch chuyển vật chất nhƣ Groen, Velstra, Meesters [29] xác 5 định quá trình muối hóa tầng chứa nƣớc 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 tại ven 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 gốc xâm nhập mặn chính ở một số nơi là nƣớc biển hiện tại xâm nhập xuống các tầng chứa nƣớc. Bithin Datta và những ngƣời khác (2009) [23] đã kết hợp sử dụng mô hình FEMWATER để mô hình hóa và điều chỉnh xâm nhập mặn vùng Andhra Pradesh, Ấn Độ. Nhìn chung, từ các công bố khoa học về xâm nhập mặn nƣớc ngầm trên thế giới có thể đƣa ra nhận định: nguyên nhân gây nên xâm nhập mặn nƣớc ngầm ở mỗi khu vực khác nhau có thể khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, hiện trạng khai thác nƣớc ngầm cũng nhƣ lịch sử tiến hóa địa chất của từng khu vực. Các công trình nghiên cứu đã sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau để xác định cơ chế xâm nhập mặn nƣớc ngầm, dịch chuyển vật chất trong các tầng chứa nƣớc… Có thể phân thành 4 nhóm phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng bao gồm: - Nhóm phƣơng pháp thủy địa hóa/thủy động lực; - Nhóm phƣơng pháp đồng vị; - Nhóm phƣơng pháp địa vật lí; - Nhóm phƣơng pháp mô hình số. Qua các công bố khoa học nêu trên, rõ ràng bài toán xâm nhập mặn nƣớc ngầm không thể giải quyết tốt bằng một phƣơng pháp đơn lẻ mà cần phải sử dụng kết hợp các phƣơng pháp khác nhau để nghiên cứu. 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 nƣớc mặt, nƣớc ta đã tiến hành từ những năm 1960 với công tác quan trắc độ mặn ở đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long. Do đồng bằng sông Cửu Long là khu vực sản xuất nông nghiệp quan trọng nhất cả nƣớc, và đặc điểm địa hình khu vực không có đê bao nên đƣợc chú ý hơn cả. Vào những năm 80, các mô hình tính toán xâm nhập mặn đã đƣợc xây dựng và 6 ứng dụng vào việc nghiên cứu quy hoạch phát triển châu thổ sông Cửu Long. Kết quả đƣợc nhìn nhận khả quan và bƣớc đầu một số mô hình đã thử nghiệm ứng dụng dự báo xâm nhập mặn. Theo thời gian, do sự phát triển của công nghệ nên có nhiều mô hình tính toán xâm nhập mặn đƣợc chuyển giao vào Việt Nam nhƣ ISIS (Anh), MIKE 11 (Đan Mạch), HEC-RAS (Mỹ)... đều có các module tính toán lan truyền xâm nhập mặn. Đối với xâm nhập mặn nƣớc ngầm, Đặng Hữu Ơn (1996) đã đƣa ra tính toán, dự báo khả năng nhiễm mặn với công trình khai thác nƣớc ngầm ở Bà Rịa – Vũng Tàu bằng thí nghiệm bơm hút nƣớc [12]. Kết quả xác định đƣợc vận tốc dòng thấm trung bình từ biển và tính thời gian nƣớc mặn xâm nhập vào công trình. Năm 2007, Nguyễn Nhƣ Trung đã nghiên cứu dự báo xâm nhập mặn nƣớc dƣới đất vùng Hải Phòng bằng mô hình điện trở và địa chất thủy văn. Tác giả đã sử dụng phƣơng 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 nƣớc 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 nƣớc ngầm thƣờng đƣợc kết hợp trong các báo cáo đánh giá tài nguyên nƣớc dƣới đất, chủ yếu là lấy mẫu nƣớc và khảo sát địa vật lí để điều tra khảo sát ranh giới mặn nhạt và tính toán thời gian, tốc độ dịch chuyển ranh giới trên cơ sở điều kiện địa chất thủy văn của vùng nghiên cứu với lƣu lƣợng khai thác nƣớc dƣới đất yêu cầu. Các nghiên cứu đã đƣa ra đƣợc các cảnh báo về hiện tƣợng xâm nhập mặn vào các công trình khai thác. Các nhà khoa học trong nƣớc chủ yếu áp dụng 3 nhóm phƣơng pháp sau: +) Nhóm phƣơng pháp thủy địa hóa/thủy động lực; +) Nhóm phƣơng pháp địa vật lí; +) Nhóm phƣơng 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 Thái Bình vào tháng 3 [20]. Riêng với sông Ninh Cơ và sông Đáy (thuộc hệ thống sông Hồng) thì thời điểm có độ mặn lớn nhất giống nhƣ hệ thống sông Thái Bình. Nguyên nhân của hiện tƣợng này là do địa mạo, lƣợng nƣớc thƣợng nguồn và tình hình sử dụng nƣớc trong khu vực. Đỗ Trọng Sự và Phạm Quý Nhân (2003) đã xây dựng mô hình dòng chảy và 7 mô hình dịch chuyển các chất hòa tan trong nƣớc dƣới đất tại khu vực Nghĩa Hƣng – Hải Hậu tỉnh Nam Định để dự báo khả năng xâm nhập mặn cho khai thác nƣớc dƣới đất gây ra [13]. Trong báo cáo điều tra cơ bản “Dự án điều tra cơ bản khảo sát nhiễm mặn sông Hồng năm 2007”, cũng có đề cập trong giai đoạn 2006-2007 độ mặn xâm nhập vào các sông rất phức tạp [21]. Các nghiên cứu mực nƣớc biển dâng làm thay đổi các tính chất kỹ thuật của đất do xâm nhập mặn cũng đã đƣợc Nguyễn Ngọc Trực và những ngƣời khác nêu lên [18,33]. Gần đây, năm 2015 có đề tài “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thủy lợi kết hợp nông nghiệp để ứng phó với hạn hán và xâm nhập mặn tại các tỉnh ven biển đồng bằng sông Hồng” của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Nƣớc tƣới tiêu và môi trƣờng - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn do Vũ Thế Hải đứng đầu đã xây dựng bộ bản đồ chuyên đề khí tƣợng, 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 nông nghiệp ứng phó với hạn hạn, xâm nhập mặn cho khu vực các tỉnh ven biển đồng bằng sông 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 tƣợng trong giai đoạn 1990 – 2009 cho thấy: - Về nhiệt độ: phân tích các số liệu thuộc các trạm khí tƣợng thuộc khu vực tỉnh Nam Định trong thời gian 20 năm cho thấy nhiệt độ trong khu vực có xu hƣớng tăng. Phƣơng 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 và nƣớc biển dâng cho khu vực. Sự thay đổi của nhiệt độ là tiêu chí quan trọng để đánh giá về tình trạng biến đổi khí hậu. 8 Hình 1.2. Xu hướng nhiệt độ trung b nh năm tại Nam ịnh giai đoạn 1990-2009 - Về lƣợng mƣa: số liệu cho thấy lƣợng mƣa trung bình năm tại Nam Định có xu hƣớng giảm dần. Điều này thể hiện rõ qua các số liệu khí tƣợng của tỉnh và số liệu của các khu vực lân cận. Phƣơng trình xu thế lƣợng mƣa trung bình năm tại đây có dạng: y = -17.045x +1788.5 Mỗi năm trung bình có khoảng trên dƣới 150 ngày có mƣa. Lƣợng mƣa phân phối 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 9 - Về mực nƣớc biển dâng: Theo Kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu giai đoạn 2011-2015, tầm nhìn 2020 của Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định, mỗi năm mực nƣớc biển tại tỉnh Nam Định tăng lên khoảng 2,15mm. Ngoài ra, đƣờng bờ biển bị lấn vào trung bình 10m/năm [19]. Trong tƣơng lai, dựa theo Kịch bản biến đổi khí hậu và nƣớc biển dâng cho Việt Nam năm do Bộ Tài nguyên và môi trƣờng công bố, với kịch bản phát thải trung bình 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 hƣớng tăng dần ở tất cả các mùa trong năm. Theo kịch bản dự báo, trong giai đoạn 2016 – 2035, nhiệt độ trung bình năm tăng lên 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 nhƣ trên thì vào giữa thế kỷ, nhiệt độ trung bình năm trên địa bàn tỉnh khoảng 25,90C; đến cuối thế kỷ là 26,50C. - Về lƣợng mƣa: lƣợng mƣa bình quân năm tại tỉnh từ 1600 - 1700 mm. Lƣợng mƣa có xu thế tăng dần so với thời kỳ cơ sở 1986 - 2005, vào những năm 2016 – 2035, lƣợng mƣa trung bình tăng 16%, giai đoạn 2046 – 2065 tăng 21,1%, giai đoạn 2080 2099 tăng 27,5%. - Về mực nƣớc biển dâng: kịch bản RCP 4.5 cho thấy so với thời kì cơ sở 1986 – 2005, mực nƣớc 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 nƣớc biển dâng 50 cm thì diện tích bị ngập sẽ chiếm 26% diện tích [2,3]. 1.3. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 1.3.1. Vị trí địa lý Khu vực nghiên cứu của luận văn là phía Nam đồng bằng sông Hồng, cụ thể là khu vực sông Đáy và sông Ninh Cơ nằm trên địa bàn tỉnh Nam Định. Tỉnh Nam Định trải dài trong phạm vi 19°54′ - 20°40′ độ vĩ Bắc, 105°55′ - 106°45′ độ kinh Đông. Nam Định tiếp giáp với tỉnh Thái Bình ở phía bắc, tỉnh Ninh Bình ở phía tây, tỉnh Hà Nam ở phía tây bắc, giáp biển (vịnh Bắc Bộ) ở phía đông [22]. 10