Ảnh hưởng của một sốyếu tốkhí tượng tới các quá trình thủy lực vùng cửa sông Hồng - Thái Bình

Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ  25, Số 1S (2009) 140‐144 140 _______ Ảnh hưởng của một số yếu tố khí tượng tới các quá trình thủy lực vùng cửa sông Hồng - Thái Bình Phạm Văn Vỵ* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Ngày nhận 02 tháng 01 năm 2009 Tóm tắt. Hiện nay, vùng cửa sông đang được khai thác với nhiều mục đích khác nhau như nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản, giao thông vận tải... Đặc biệt vùng cửa sông Hồng - Thái Bình đang phát triển nuôi trồng thủy sản mặn - lợ rất mạnh mẽ, song việc đánh giá và dự báo biến động môi trường vùng ven bờ cửa sông còn ít được nghiên cứu. Bài báo đề cập đến việc đánh giá ảnh hưởng của gió và mưa đến các quá trình thủy lực và xâm nhập mặn các cửa sông Văn Úc, Ba Lạt và Đáy. Kết quả tính toán cho thấy, vào mùa khô khi tốc độ gió 7- 10 m/s thổi ổn định từ 3-6 giờ dọc sông từ biển vào đã làm cho mực nước tăng trung bình 5-7cm, lưu lượng thay đổi 5- 8%, mặn xâm nhập sâu vào trong sông hơn 1- 1,5 km vào những ngày triều cường; với cửa Văn Úc là gió hướng đông và đông bắc, với cửa Ba Lạt là gió hướng đông nam và với cửa Đáy là gió nam. Khi có mưa trên lưu vực, với lượng mưa 20-30mm, đã làm thay đổi đáng kể bức tranh động lực và xâm nhập mặn vùng cửa sông. Từ khoá: Cửa sông, mực nước, vận tốc, lưu lượng, gió, mưa, xâm nhập mặn. 1. Đặt vấn đề ∗ Ở nước ta hiện nay, vùng ven bờ cửa sông đang được khai thác và sử dụng một cách ồ ạt với nhiều mục đích khác nhau. Vùng cửa sông Việt nam nói chung và vùng cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình nói riêng đang được quy hoạch sử dụng diện tích mặt nước, chuyển đổi từ diện tích trồng lúa sang nuôi trồng thủy sản mặn - lợ phát triển rất mạnh ở Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Phòng. Nhưng diễn biến của các quá trình thủy lực: dao động mực nước, biến đổi lưu lượng,... cùng với những biến đổi của chất lượng nước (mặn, các yếu tố dinh dưỡng...) theo thời gian (ngày đêm, con nước triều, mùa) và không gian (dọc sông) lại chưa được nghiên cứu đánh giá đầy đủ, đặc biệt là khi có ảnh hưởng của gió và mưa đến các quá trình cửa sông lại rất ít được xem xét. Vì vậy, vấn đề được đặt ra là tính toán diến biến của mực nước và độ mặn ở các cửa sông Văn Úc, Ba Lạt, Đáy dưới ảnh hưởng của gió và mưa tại lưu vực, để từ đó đề xuất giải pháp lấy nước ngọt cho đời sống và sản xuất nông nghiệp và lấy nước mặn - lợ cho nuôi trồng thủy sản tại các vùng cửa sông này. ∗ ĐT: 84-4-38584943. E-mail: Vypv@vnu.edu.vn 2. Phương pháp nghiên cứu a) Ảnh hưởng của gió và mưa đến các quá trình cửa sông được tính toán theo mô hình phân tích chất lượng nước WASP5. Hệ phương trình cơ bản của mô hình gồm: + Phương trình chuyển động P.V. Vỵ / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 140‐144 141 (1)g f w U UU a a a t x λ λ ∂ ∂= + + +∂ ∂ Trong đó: −∂ ∂ t U gia tốc địa phương; −∂ ∂ x UU gia tốc đối lưu; gia tốc do trọng trường dọc theo trục kênh; gia tốc do ma sát; gia tốc do gió dọc theo trục kênh; −λga −fa −λwa −x khoảng cách dọc theo trục kênh; −t thời gian, tốc độ dòng chảy dọc theo trục kênh, −U 2 4/3; ; . g f d a w w H gna g a u u x R C Wa Rλ λ ρ ρ ∂=− = ⋅∂ = + Phương trình liên tục: , (A Q t x ∂ ∂= −∂ ∂ 2) Trong đó: diện tích mặt cắt ngang; lưu lượng. −A −Q Đối với kênh chữ nhật có chiều rộng B không đổi, phương trình liên tục có dạng: 1 (3)H Q t B x ∂ ∂= −∂ ∂ Trong đó: −B chiều rộng kênh; −H cao trinh mặt nước; −∂ ∂ t H tốc độ thay đổi cao trình mặt nước; −∂ ∂ x Q B 1 tỉ lệ giữa sự thay đổi dung tích nước theo quãng đường cho mỗi đơn vị chiều rộng. b) Để thiết lập điều kiện tính toán và phân tích kết quả, đã thu thập, xử lý số liệu về địa hình, mực nước, lưu lượng, độ mặn vào mùa khô tại các vùng cửa sông Văn Úc, Ba Lạt, Đáy. 3. Kết quả và thảo luận Sông Văn Úc là một chi lưu của sông Thái Bình và cửa Văn Úc hiện nay là cửa thoát nước chính của sông Thái Bình, cửa Ba Lạt là cửa thoát nước của sông Hồng, cửa Đáy là cửa thoát nước của sông Đáy. Các cửa sông này đều khá rộng và địa hình vùng cửa tương đối bằng phẳng [1]. Ở đây, chế độ khí tượng thủy văn có những đặc điểm chính như sau: Chế độ gió: Vùng nghiên cứu có chế độ gió theo mùa. Gió mùa đông bắc từ tháng XI đến tháng IV năm sau, hướng gió thịnh hành là NE, N và E, vào cuối mùa có gió E và SE. Trung bình mỗi tháng có từ 3-4 đợt gió với tốc độ 3-5 m/s (tần suất 70-80%), tốc độ gió trên 7 m/s khá phổ biến (khoảng 20%) [2]. Gió mùa tây nam từ tháng V đến tháng X, có hướng thịnh hành là S, SE và SW. Tốc độ gió trung bình 4-5 m/s, gió mạnh có thể đạt tới 25-30 m/s đặc biệt là trong áp thấp nhiệt đới và bão. Chế độ mưa: Mưa trên vùng nghiên cứu cũng theo chế độ mùa. Mùa mưa bắt đầu vào tháng V và kết thúc vào tháng X, song cũng có những năm bắt sớm hơn và kết thúc muộn hơn 15 đến 30 ngày. Lượng mưa chiếm khoảng 80% lượng mưa cả năm, tháng mưa nhiều nhất là tháng VIII. Mùa khô kéo dài từ tháng XI đến tháng IV năm sau, tổng lượng mưa chỉ chiếm khoảng 10-15% lượng mưa năm, tháng mưa ít nhất là tháng XII. Chế độ dòng chảy: dòng chảy sông của các sông thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình hàng năm dao động theo mùa, phù hợp với mùa mưa và mùa khô và có lưu lượng phân phối không đều. Mùa lũ bắt đầu vào tháng V nhưng đôi khi có thể bắt đầu từ tháng IV và kết thúc vào tháng IX hoặc tháng X, trong khoảng 4 tháng (tháng VI-IX) lượng nước chiếm khoảng 75-85% lượng nước cả năm. Mùa kiệt vào khoảng từ tháng XI đến tháng IV năm sau. Giai đoạn ổn định của mùa kiệt có lượng dòng chảy khá nhỏ, giai đoạn này kéo dài 3 tháng (tháng I- III), lượng dòng chảy cả 3 tháng này chỉ bằng 7-8% lượng dòng chảy cả năm, đây là thời kỳ mặn có điều kiện xâm nhập sâu vào lục địa. Thủy triều: Chế độ thủy triều của vùng nghiên cứu thuộc chế độ nhật triều của vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ, trung bình trong một tháng có hai kỳ nước cường với độ lớn 3-4m. Xâm nhập mặn: Xâm nhập mặn thường P.V. Vỵ / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 142‐144 142 xuất hiện vào các tháng cuối mùa khô, khoảng cách xâm nhập mặn lớn nhất vào những ngày triều cường trên sông Văn Úc là 25-35 km (hình 1), trên sông Hồng là 20-23 km, trên sông Đáy là 15-17 km phụ thuộc vào thủy triều và lưu lượng nước sông. Hình 1. Thay đổi ranh giới mặn theo thời gian và không gian Vùng cửa sông Văn Úc từ ngày 18/12 - 27/12/1998. Số liệu đầu vào của mô hình: các vùng cửa sông nghiên cứu là những vùng chịu tác động mạnh của thủy triều, tính toán được tiến hành vào mùa khô. Cửa Văn Úc: độ dài 30 km với 37 mặt cắt; biên phía biển là mực nước và độ mặn tại trạm Ba Gian, biên thượng lưu là lưu lượng tại trạm Cẩm Vân, số liệu kiểm tra lấy tại trạm Quang Phục tháng 12 năm 1998. Cửa Ba Lạt: độ dài 64 km với 51 mặt cắt; biên phía biển là mực nước và độ mặn tại trạm Ba Lạt, biên thượng lưu là lưu lượng tại trạm Nam Định, số liệu kiểm tra lấy tại trạm Ngô Đồng tháng 3 năm 2000. Cửa sông Đáy: độ dài 16 km với 15 mặt cắt, biên phia biển là mực nước và độ mặn tại trạm Nghĩa Điền, biên thượng lưu là lưu lượng tại trạm Quỹ Nhất, số liệu kiểm tra lấy tại trạm Ngọc Lâm tháng 3 năm 1996. Tốc độ gió lấy bằng 0 m/s, 5 m/s, 7 m/s và 10 m/s theo các hướng NE, E, SE và S. Lượng mưa lấy bằng 20mm và 30 mm. Kết quả tính toán: Kết quả tính toán cho một con nước 15 ngày cho thấy vào những ngày triều kém gió không có ảnh hưởng đáng kể đến cửa sông. Trong những ngày triều trung và triều cường với trường gió thổi dọc sông từ biển vào với tốc độ 7-10 m/s ảnh hưởng của gió là đáng kể tới cửa sông. Ở cửa sông Văn Úc là gió hướng E và NE; cửa Ba Lạt gió hướng SE, cửa Đáy gió hướng S, mực nước thay đổi 5-7 cm, vận tốc 5-10 cm/s và lưu lượng biến động 5-8% (bảng 1, 2, 3). Bảng 1. Biến đổi của các yếu tố thủy lực với vận tốc gió khác nhau ở cửa Văn Úc Ngày Gió Triều trung Triều cường Mực nước (m) Vận tốc (cm/s) Lưu lượng (m3/s) Mực nước (m) Vận tốc (cm/s) Lưu lượng (m3/s) 0 m/s 1,40 59 1780 1.49 69 1810 5 m/s 1,42 60 1783 1,51 69,2 1830 10 m/s 1,45 65 1810 1,57 77,0 1867 P.V. Vỵ / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 140‐144 143 Bảng 2. Biến đổi của các yếu tố thủy lực với vận tốc gió khác nhau ở cửa Ba Lạt Ngày Gió Triều trung Triều cường Mực nước (m) Vận tốc (cm/s) Lưu lượng (m3/s) Mực nước (m) Vận tốc (cm/s) Lưu lượng (m3/s) 0 m/s 1,30 55 1815 1.37 58 1850 5 m/s 1,33 57 1822 1,40 61 1865 10 m/s 1,36 65 1841 1,45 68 1887 Bảng 3. Biến đổi của các yếu tố thủy lực với vận tốc gió khác nhau ở cửa Đáy Ngày Gió Triều trung Triều cường Mực nước (m) Vận tốc (cm/s) Lưu lượng (m3/s) Mực nước (m) Vận tốc (cm/s) Lưu lượng (m3/s) 0 m/s 1,12 40 345 1.25 50 380 5 m/s 1,14 43 349 1,26 51 391 10 m/s 1,17 47 365 1,33 58 408 Trong những điều kiện như vậy, khoảng cách xâm nhập mặn ở các cửa sông tăng thêm, ở cửa Văn Úc và cửa Ba Lạt là 0,8- 1,5 km, ở cửa Đáy là 0,5- 1,0 km. Khi có mưa trên lưu vực với lượng mưa 20- 30 mm, mực nước tăng thêm 3-5 cm, lưu lượng biến động 5-7% và khoảng cách xâm nhập mặn cũng thay đổi. Như vậy, việc lấy nước cho các mục đích sử dụng khác nhau trong vùng cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình phải căn cứ vào vị trí, điều kiện thời tiết, vị trí trên từng cửa sông. Hiện nay việc lấy nước ngọt cho sản suất nông nghiệp, nước mặn - lợ cho nuôi trồng thủy sản thường thông qua các cống từ biển vào theo hình thức tự chảy. Do đó chất lượng nước cần sử dụng hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện đóng mở cống [3]. Trong điều kiên phát triển kinh tế hiện nay, nuôi trồng thủy sản mặn-lợ ở vùng cửa sông ven biển thuộc Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình với các vật nuôi có giá trị kinh tế cao. Do đó, yêu cầu đặt ra là phải hạn chế biến động về môi trường sống của vật nuôi [4]. Muốn vậy cần phải theo dõi sát biến động của mực nước trong điều kiện bình thường cũng như khi có gió mạnh và mưa trên khu vực. Khi có gió mạnh thổi dọc sông từ biển vào, độ mặn tăng lên, thời gian duy trì mặn lâu hơn nên thời gian lấy nước mặn cũng tăng lên. Khi có mưa trên lưu vực, độ mặn sẽ giảm nên thời gian lấy nước mặn giảm đi. Tùy theo diện tích đầm nuôi, vị trí khu vực nuôi và vật nuôi mà quy hoạch và thiết kế hệ thống cống máng lấy nước cho hợp lý để thỏa mãn nhu cầu cho từng đối tượng nuôi trồng. 4. Kết luận Các vùng cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình có diễn biến của các quá trình thủy lực và độ mặn khá phức tạp, nhất là vào mùa khô khi lưu lượng nước sông nhỏ, triều có ảnh hưởng mạnh vào sâu trong lục địa. Mực nước và độ mặn biến đổi theo từng giờ, từng ngày trong một con nước triều và dọc theo sông phụ thuộc vào các quá trình thủy văn, hải văn và khí tượng; vào những ngày triều trung và triều cường khí có gió mạnh thổi dọc sông từ biển vào khoảng cách xâm nhập mặn tăng lên, còn khi có mưa trên lưu vực thì độ mặn sẽ giảm đi. Do vậy, để khai thác có hiệu quả nguồn nước cửa sông cho sản xuất nông nghiệp hay nuôi trồng thủy sản cần phải có quy hoạch khai thác phù hợp với từng khu vực cụ thể với vùng cửa sông này. P.V. Vỵ / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 142‐144 144 Công trình được thực hiện dưới sự tài trợ của đề tài NCKH mã số QG-08-11. Tài liệu tham khảo [1] Lương Phương Hậu, Trịnh Việt An, Lương Phương Hợp, Diễn biến cửa sông vùng đồng bằng Bắc Bộ, 2002. [2] Phạm Ngọc Toàn, Phan Tất Đắc, Khí hậu Việt Nam, NXB Khí tượng Thủy văn, Hà Nội, 1993. [3] Phạm Văn Vỵ, Vấn đề trao đổi nước của các đầm nuôi thủy sản ở vùng cửa sông ven biển, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Phụ trương ngành Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, T.XIX, No1 (2003) 118. [4] Đặng Ngọc Thanh và nnk, Đặc trưng hệ sinh thái vùng triều cửa sông Bắc Việt Nam và khả năng sử dụng cho nuôi trồng thủy sản, Tuyển tập báo cáo: Hội thảo khoa học quốc gia "Nghiên cứu và quản lý vùng ven biển Việt Nam", 1993. The Influence of the wind and the rain on the estuary processes in the Red - Thaibinh rivers system Pham Van Vy Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, College of Science, VNU The data collected from the surveys in the estuary and coastal area of the Red - Thaibinh rivers system is processed and canculated. The results prove that hydraulics processes, tidal propagation and salt intrusion in the Estuary area of the Red - Thaibinh rivers system (Van Uc, Ba Lat, Day) are very complex, it changes due to season in the year. In dry season, a height rate of water level in the Estuary is 3,0-4,0 m, a length of the salt intrusion is 25-35km in Van Uc estuary, 20-23km in Ba Lat estuary and 15-17km in Day estuary due to processes of river and marine. The wind and the rain have a significant influence on the processes of tidal and salt propagation in the Estuary. The water regulation for agriculture and aquaculture in the estuary and the coastal area of Red - Thaibinh rivers system is concerned. Keywords: Estuary, water level, velocity, discharge, wind, rainfall, Salinity intrusion.