LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình
nghiên cứu nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ
định rõ nguồn gốc.
Hải Phòng, ngày

tháng

Tác giả

Lê Minh Tân

i

năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
PGS. TS. Đào Văn Tuấn, người thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt
quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn:
* Ban Giám hiệu Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam; Viện đào tạo Sau Đại
học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình thuỷ, Trường Đại học Hàng Hải Việt
Nam.
* Lãnh đạo Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên khai thác công trình
thuỷ lợi Vĩnh Bảo cùng tập thể cán bộ nhân viên Công ty Trách nhiệm hữu hạn
Một thành viên khai thác công trình thuỷ lợi Vĩnh Bảo
Đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập,

2.1.2. Phương trình truyền mặn ..........................................................................28
2.2. Nguyên lý giải hệ phương trình cơ bản ........................................................31
2.3. Lựa chọn phần mềm tính toán .....................................................................32
2.3.1. Căn cứ để lựa chọn phần mềm ..................................................................32
2.3.2. Lựa chọn mô hình tính toán......................................................................33
2.4. Phương pháp thực hiện ...............................................................................33
Kết luận chương 2 .............................................................................................35
Chương 3. Đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực huyện Vĩnh Bảo, thành
phố Hải Phòng do biến đổi khí hậu và nước biển dâng ........................................36

iii


3.1 Điều kiện khu vực nghiên cứu ......................................................................36
3.1.1 Vị trí địa lý ...............................................................................................36
3.1.2. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội ............................................................36
3.1.3. Điều kiện địa chất ....................................................................................37
3.1.4. Điều kiện khí hậu, thuỷ văn ......................................................................38
3.1.5. Tài nguyên thiên nhiên .............................................................................45
3.2. Tình hình dân sinh, kinh tế - xã hội .............................................................47
3.2.1. Dân số:....................................................................................................48
3.2.2. Sự phân bố các loa ̣i diê ̣n ti ć h....................................................................48
3.2.3. Các ngành nghề khác ..............................................................................48
3.2.4. Giao thông vận tải...................................................................................49
3.2.5. Hệ thống cung cấp nước sinh hoạt ............................................................49
3.2.6. Điều kiện vệ sinh và sức khoẻ cộng đồng..................................................49
3.3 Hệ thống thủy lợi huyện Vĩnh Bảo ..............................................................50
3.3.1. Công trình đầu mối tưới ...........................................................................50
3.3.2. Công trình đầu mối tiêu nước ...................................................................50
3.3.3. Hệ thống kênh dẫn trục chính ...................................................................51

IPPC

Giải thích
Ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu

BĐKH

Biến đổi khí hậu

NBD

Nước biển dâng

ADB

Ngân hàng phát triển châu Á

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số bảng

Tên bảng

Trang


3.6

Mực nước thực đo trạm Hòn Dấu từ năm 1988-2007

42

3.7

Hiện trạng phân bố các loại diện tích huyện Vĩnh Bảo

48

3.8

Mô tả các kịch bản phát thải

54

3.9

Sự thay đổi nhiệt độ, mưa và ở Việt Nam theo các kịch bản
phát thải

54

3.10

Nước biển dâng theo các kịch bản biến đổi khí hậu


Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Khu vực hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình

5

1.2

Dòng chảy xoắn tại đoạn sông cong

13

1.3

Sự chêch hướng của vận tốc và ứng xuất tiếp

14

1.4

Lưới tính toán được sử dụng trọng Mike 21 C

14


2.3

Sơ đồ giải theo phương pháp sai phân 6 điểm

32

3.1

Vị trí khu vực nghiên cứu

36

3.2

Biểu đồ phân phối nhiệt độ ẩm không khí trong năm

39

3.3

Biểu đồ phân bốc hơi trung bình nhiều năm

39

3.4

Biểu đồ phân phối số giờ nắng trung bình nhiều năm

40



3.10

Kết quả kiểm định HD tại trạm Chanh Chử trên sông Luộc

60

3.11

Kết quả kiểm định AD tại trạm Ngũ Thôn trên sông Trà Lý

60

3.12

Sơ đồ hệ thống Sông Hồng – Sông Thái Bình

61

3.13

Diễn biến xâm nhập mặn theo các kịch bản nước biển dâng

62

viii


MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài

Quỳnh Phụ, Thái Thụy và Vĩnh Bảo - Hải Phòng. Làm ranh giới tự nhiên giữa
Thái Bình và Hải Phòng.
Trong những năm gần đây, chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi như sự
cạn kiệt nước từ thượng nguồn, diễn biến bất thường về lượng mưa trên lưu vực,
hiện tượng nước biển dâng cao… nên về mùa kiệt, mặn tiến sâu vào các cửa sông
Hóa, sông Thái Bình và các cửa sông khác, làm ảnh hưởng đến tình hình lấy nước
phục vụ sản xuất nông nghiệp tại các địa phương như Vĩnh Bảo, Tiên Lãng (Hải
Phòng), Thái Thụy, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Kiến Xương (Thái Bình). Theo kết quả
quan trắc của các trạm thuỷ văn thì tình hình xâm nhập mặn ở các khu vực nêu
trên ngày càng gia tăng.
Vì vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá tình hình xâm
nhập mặn khu vực cửa sông Hoá - sông Thái Bình trong điều kiện biến đổi
khí hậu và nƣớc biển dâng” với mục đích nghiên cứu chế độ dòng chảy, đánh giá
tình hình xâm nhập mặn, mô phỏng các kịch bản xâm nhập mặn và đề xuất các giải
pháp cấp nước, kiểm soát mặn phục vụ công tác tưới tiêu vùng đồng bằng lưu vực
sông Hoá- sông Thái Bình trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đây
là việc nghiên cứu hết sức cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu tình hình nhiễm mặn khu vực cửa sông Hoá- sông Thái Bình
- Xây dựng các kịch bản xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu.
-

Đánh giá mức độ xâm nhập mặn theo các kịch bản, từ đó đề xuất các giải

pháp đáp ứng.
3. Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, phân tích hiện trạng nhiễm mặn khu vực đồng bằng vùng cửa
sông Hóa- sông Thái Bình;
- Áp dụng các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng, tính toán và
đánh giá khả năng nhiễm mặn tại khu vực đồng bằng hai cửa sông Hoá và Thái

3


CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NHIỄM MẶN
KHU VỰC CỬA SÔNG HÓA – SÔNG THÁI BÌNH
1.1 Giới thiệu về hệ thống sông Thái Bình
Hệ thống sông Thái Bình là hợp lưu của các con sông Thương, sông Cầu,
sông Lục Nam, sông Đuống gặp nhau tại thị trấn Phả Lại, huyện Chí Linh, tỉnh Hải
Dương. Từ đây phân thành hai nhánh là sông Kinh Thầy và sông Thái Bình. Sông
Thái Bình dài 93km, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam qua tỉnh Hải Dương.
Sông Thái Bình đoạn trên có tên là sông Hàm Giang chảy qua làng Hàm
Giang, thuộc thành phố Hải Dương, đến huyện Cẩm Giàng nhận nước sông Nghĩa
Trụ chảy qua Kẻ Sặt, qua huyện Tứ Kỳ gọi là sông Quý Cao. Đoạn hạ lưu dài
35km, chảy qua thành phố Hải Phòng, làm ranh giới giữa hai huyện Vĩnh Bảo và
huyện Tiên Lãng, rồi đổ ra biển ở cửa biển Thái Bình[6].
Sông Thái Bình nối với sông Hồng thông qua sông Luộc ở phía Nam và sông
Đuống ở phía Bắc tạo thành hệ thống sông Hồng - Thái Bình, giúp phân nước sông
Hồng vào mùa lũ. Gần cửa Thái Bình có sông Hóa tách từ sông Luộc chảy vào
sông Thái Bình.
Hệ thống sông Thái Bình là tên gọi của một hệ thống sông gồm sông Thái
Bình cùng các phụ lưu và chi lưu của nó. Các phụ lưu gồm sông Cầu, sông Thương
và sông Lục Nam ở thượng nguồn với tổng chiều dài khoảng 1.650 km và diện tích
lưu vực khoảng 10.000 km². Ngoài ra, hệ thống sông này còn nhận một phần dòng
chảy của sông Hồng, để đổ ra biển Đông. Hệ thống sông Thái Bình nối với sông
Hồng bởi sông Đuống (ở thượng lưu) và sông Luộc (ở hạ lưu) nên đôi khi người ta
còn gọi hệ thống này là hệ thống sông Hồng-Thái Bình và nó tạo ra khu vực đồng
bằng Bắc Bộ. Hệ thống này giúp phân nước sông Hồng khi mùa lũ, làm giảm thiệt
hại ở hạ lưu sông Hồng.
Sông Hóa, một con sông nhỏ thuộc hệ thống sông Thái Bình, chảy trong tỉnh

nuôi trồng thủy sản ven biển hoảng 10.000 ha[5].
Trên sông Hóa, mặn xâm nhập sâu đến cống Hệ và cống Đoài, là cống tưới ở
vị trí gần cửa sông nhất, trong đó cống Hệ có diện tích tưới lớn nhất của sông Hóa
(2600ha). Cụ thể, tại cống Hệ và cống Đoài, độ mặn trung bình lớn nhất thuỷ trực
đạt 0,73 ‰ đến 1,5 ‰.
Từ giữa đến cuối mùa khô, lượng nước từ thượng lưu đổ về ngày một giảm
cũng là thời kì xâm nhập mặn nội địa đạt cực đại: độ mặn 10/00, chiều sâu xâm
nhập mặn từ 25km đến 40km tính từ cửa biển tùy theo đặc điểm từng sông và sự
điều tiết của các hồ chứa vào thời kỳ này.
Theo kết quả thống kê của Viện Nước Tưới tiêu & Môi trường, liên tiếp trong
các năm từ 2004 – 2006, nước mặn đã lấn sâu vào sông trên địa bàn tỉnh Nam
Định. Ranh giới mặn 10/00 đã xâm nhập ngày càng sâu vào các sông Hồng, sông
Ninh Cơ và sông Đáy. Đặc biệt, trong tháng 1/2006, trên tất cả 3 vùng cửa sông,
mặn đã xâm nhập sâu đến mức kỷ lục: trên sông Hồng mặn lấn đất sâu đến cửa
cống Hạ Miêu I với độ mặn 7,20/00 cách biển 26km; trên sông Ninh Cơ, mặn lấn
sâu đến cửa cống Múc 2 với độ mặn 1,70/00, cách biển tới 37km; trên sông Đáy
mặn đã đến cửa cống Bình Hải I với độ mặn 50/00, cách biển 18km.
Bên cạnh đó, trên các sông thuộc hệ thống sông Thái Bình mặn đã xâm nhập
vào đất liền sâu hơn các sông thuộc hệ thống sông Hồng và xu hướng lấn sâu vào
đất liền năm sau sâu hơn năm trước. Độ mặn tại các cống lấy nước tưới vùng cửa
sông ven biển vào mùa cạn vượt quá mức cho phép.
Nguyên nhân dẫn đến xâm nhập mặn là do hiện tượng biến đổi khí hậu – nhiệt
độ tăng và nước biển dâng. Theo thống kê, nước biển dâng cao 1m sẽ có 1.668 km2
đất thuộc Đồng bằng sông Hồng bị ngập, 1.874.011 người bị ảnh hưởng.
Theo kịch bản thấp nhất của Bộ Tài nguyên và Môi trường đưa ra, vào năm
2020 vùng đồng bằng Bắc bộ nhiệt độ sẽ tăng 0,60C, mực nước biển dâng cao hơn
0,11m; lượng mưa về mùa khô giảm ở hầu hết các vùng khí hậu nước ta và lượng
mưa thời kỳ từ tháng 3 đến tháng 5 sẽ giảm từ 3 – 6%[4]. Điều đó có nghĩa rằng,

6

tác của tỉnh Thái Bình. Do vậy khi có công trình ngăn mặn sẽ ngăn nước biển

7


dâng không gây ngập lụt mà không cần đầu tư tôn cao hệ thống đê điều toàn tỉnh.
Như vậy sẽ không phải đầu tư với kinh phí rất lớn và giảm được các ảnh hưởng tác
động nhiều mặt về kinh tế, xã hội.
Việc xây dựng công trình ngăn mặn khu vực cửa sông Hóa- sông Thái Bình có
những lợi ích:
- Dâng, giữ nước mở rộng diện tích tưới tự chảy của lưu vực, tiết kiệm chi phí
tưới rất lớn.
- Tạo điều kiện thực hiện Chủ trương chuyển đổi cơ cấu kinh tế, cơ cấu cây
trồng, thay đổi cơ cấu mùa vụ, cơ cấu cây con vật nuôi mới, cũng như vấn đề phát
triển đô thị, công nghiệp và ô nhiễm môi trường của tỉnh.
- Không cho mặn xâm nhập vào sông Hóa, sông Thái Bình làm ngọt hóa cả
nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm hạ lưu sông Hóa, sông Thái Bình, giải quyết
tốt nguồn nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho vùng ven biển hạ du sông Hóa,
sông Thái Bình.
- Tiết kiệm tài nguyên nước của quốc gia không để chảy tự do ra biển đảm
bảo phục vụ yêu cầu sản xuất và đời sống tốt hơn
1.3. Các nghiên cứu thủy lực vùng cửa sông ven biển
Việc giải bài toán thủy lực vùng cửa sông cũng như bài toán xâm nhập mặn là
vô cùng phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của diễn biến khí hậu và rất nhiều yếu tố
khác. Chính vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra rất nhiều mô hình
tính toán để giúp đơn giản hóa quá trình tính toán. Có thể sơ lược một số mô hình
như sau:
1.3.1 Các mô hình tính toán:
1.3.1.1 Mô hình MIKE 11 và MIKE21
MIKE là mô hình thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lợi Đan Mạch

tràn. Nó được dùng để mô phỏng sự biến động của mực nước và lưu lượng ứng với
các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ và các vùng chảy tràn. Mực nước và
lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa khu vực nghiên cứu khi có dữ
liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió...
Phiên bản chuẩn của mô hình MIKE 21 dựa trên lưới tính hình chữ nhật. Đối
với việc mô phỏng vùng biển hở và phần lớn những ứng dụng vùng bờ, vùng cửa

9


sông, những lưới như vậy cho độ chính xác vừa đủ. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng
trong sông, yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đòi hỏi
việc sử dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc (dạng các phần tử hữu hạn). Lưới cong
có những ưu điểm vượt trội lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đồ tính toán nhanh hơn rất
nhiều. Ích lợi của việc sử dụng lưới cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số
điểm lưới ít hơn, mô phỏng đường bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ
chính xác cao. Trong mô hình lưới cong, có thể sử dụng bước thời gian dài hơn và
độ phân giải được cải thiện hơn bởi vì đường lưới luôn bám sát theo đường dòng
chảy. Và cuối cùng, khi chạy mô hình lưới cong, do số điểm được định nghĩa và lưu
trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ. Lưới cong trực giao được sử dụng trong
MIKE 21 C có được từ việc giải hệ phương trình[11]:

(1.1)

Trong đó:
x, y: toạ độ Đề các
s, n :

toạ độ cong (ngược chiều kim đồng hồ)


trong đó:
s, n

Toạ độ trong hệ toạ độ cong

p, q

Lưu lượng theo hướng s và n

H

Cao trình mực nước

h

Độ sâu

g

Gia tốc trọng trường

C

Hệ số Sêdi

Rs, Rn Bán kính cong của đường s và n

11



Hình 1.2. Dòng chảy xoắn tại khúc sông cong
Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa
gây nên sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên
sự chệch hướng của ứng suất tiếp đáy (xem hình 1.2). Sự trệch hướng này (định
nghĩa bằng góc lệch  s) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng
chảy, và đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính
như sau:
Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa
gây nên sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên
sự chệch hướng của ứng suất tiếp đáy (xem hình 1.2). Sự trệch hướng này (định
nghĩa bằng góc lệch  s) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng
chảy, và đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính
như sau:
tan  s   

(1.5)

h
Rs

trong đó:
 s:

Góc lệch giữa ứng suất tiếp và ứng suất chính.

h:

Độ sâu dòng chảy

Rs:

bằng. Phạm vi thích ứng của của dòng chảy vòng () phụ thuộc vào độ sâu dòng
chảy và độ nhám:


(1.7)

1.2hC
g

Trong đó:  Phạm vi trong đó dòng chảy vòng biến đổi để đạt trạng thái cân bằng
h Độ sâu dòng chảy
C: hệ số Sêdi

Hình 1.3. Sự trệch hướng của vận tốc và ứng suất tiếp do tác động của dòng
chảy vòng tại khúc sông cong

Hình 1.4. Lưới tính toán được sử dụng trong MIKE 21 C
14


Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng được thể hiện khi
mô phỏng hiệu ứng Reynolds. Hệ phương trình được giải bằng kĩ thuật sai phân ẩn
với các biến được định nghĩa trên lưới tính toán so le (hình 1.4).
3.1.1.2 Mô hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS

Hình 1.5. Mạng lưới sông và mặt cắt ngang trong mô hình HEC-RAS
Để tính toán thuỷ lực trong hệ thống sông (lòng dẫn hở và các công trình),
có thể sử dụng hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant. Hệ phương trình vi phân đạo
hàm riêng này không có nghiệm giải tích và thường được giải bằng phương pháp
số. Những phần mềm máy tính như VRSAP của cố GS Nguyễn Như Khuê, GS

(1.9)

Bảo toàn động lượng cho đoạn sông: tất cả các lực thành phần tác động lên
đoạn sông cân bằng với suất biến đổi động lượng. Đây là phương trình áp dụng
theo hướng x. Thông lượng có hướng trùng với hướng của véc tơ vận tốc theo
chiều dòng chảy. Ba lực sẽ được xem xét là: áp suất, trọng lực và lực ma sát

16


Hình 1.7. Mặt cắt ngang
Áp suất: Hình 1.7 giải thích trường hợp tổng quát của một mặt cắt không đều.
Phân bố áp suất giả thiết là thủy tĩnh (thay đổi tuyến tính theo độ sâu) và tổng áp
suất là toàn bộ áp suất trên diện tích mặt cắt. áp suất tại một điểm bất kỳ có thể viết
như sau:
(1.10)

trong đó h là độ sâu, y là khoảng cách trên đáy kênh, và T(y) là hàm của chiều
rộng, liên hệ bò rộng mặt cắt với khoảng cách ở trên đáy kênh. Nếu F p là áp lực
theo hướng x ở giữa đoạn sông, thì lực ở phía thượng lưu của đoạn sông có thể
viết:
(1.11)

và ở phía hạ lưu:
(1.12)

Do đó tæng các lực áp suất tác động lên đoạn sông có thể viết:

(1.13)