Luận án Đặc tính thủy động lực và môi trường vùng triều ứng dụng cho hệ thống nuôi trồng thủy sản ven biển

Nội dung tài liệu: Luận án Đặc tính thủy động lực và môi trường vùng triều ứng dụng cho hệ thống nuôi trồng thủy sản ven biển

1. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO – BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM -------------------- NGUYỄN ĐÌNH VƯỢNG ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ MÔI TRƯỜNG VÙNG TRIỀU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN VEN BIỂN Chuyên ngành : Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số : 62 58 02 12 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017
2. Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM Người hướng dẫn Khoa học: 1. GS.TS. Tăng Đức Thắng 2. GS.TS. Lê Sâm Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Thế Hùng Phản biện 2: PGS.TS. Lê Văn Nghị Phản biện 3: PGS.TS. Lê Thị Kim Cúc Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam 658 Võ Văn Kiệt, Phường 1, Quận 5, Tp. Hồ Chí Minh Vào hồi . giờ . phút, ngày tháng năm 2017 Có thể tìm đọc luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam
3. - 1 - MỞ ĐẦU 1./ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) được xem là “vựa” tôm nước mặn lợ vùng triều lớn nhất của cả nước, với diện tích nuôi khoảng 600.000 ha ven biển,[39]. Thế nhưng nhiều năm qua, vùng nuôi tôm trọng điểm này vẫn phải đối đầu với nạn ô nhiễm nguồn nước do hệ thống thủy lợi phục vụ cho NTTS không đồng bộ. Hầu hết các công trình thủy lợi phục vụ cho NTTS ở vùng này hiện nay chủ yếu là của các vùng sản xuất nông nghiệp trước đây để lại. Điều này dẫn đến một số bất cập gây khó khăn trong việc phát triển tôm nuôi hiện nay. Trên thực tế, thường thì một đường mương, một con kênh phải đảm nhận cùng lúc 2 chức năng là vừa cấp nước ao nuôi và vừa thoát nước ô nhiễm. Đây cũng là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng tôm nuôi trong nhiều năm qua chết hàng loạt trên diện rộng, ô nhiễm dịch bệnh lây lan. Xuất phát từ các vấn đề cấp thiết của thực tiễn, trong khi quy trình công nghệ nuôi như yêu cầu về kỹ thuật nuôi, giống và thức ăn,.... đã được nghiên cứu và phổ biến tương đối rộng rãi, thì hầu như chưa có nhiều các nghiên cứu về đặc tính nguồn nước trong hệ thống NTTS. Hơn nữa, quy mô của các công trình thủy lợi vùng NTTS phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nước hệ thống, điển hình là chế độ thủy triều và khả năng cấp thoát nước chủ động. Trong điều kiện như vậy cần thiết phải nghiên cứu các đặc tính thủy động lực và môi trường nguồn nước trong hệ thống kênh dẫn vùng triều, làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế và quản lý vận hành các hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS vùng ven biển. 2./ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN Mục đích chung của luận án là nghiên cứu đặc tính thủy động lực và môi trường trong các hệ thống kênh dẫn vùng triều ứng dụng cho hệ
4. - 2 - thống NTTS ven biển. Các mục đích cụ thể của luận án là : (i) Xác định được cơ chế lan truyền các nguồn nước, quy luật triết giảm nguồn nước trong hệ thống kênh dẫn vùng ảnh hưởng triều; (ii) Xác định được các đặc tính thủy động lực môi trường vùng triều cho một số sơ đồ mẫu hệ kênh điển hình làm căn cứ cho việc thiết kế hệ thống thủy lợi hợp lý phục vụ NTTS ven biển. 3./ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (i) Trên cơ sở điều tra khảo sát thực tế các hệ thống NTTS ven biển, luận án đã khảo cứu lý thuyết các sơ đồ mẫu cơ bản điển hình cho các hệ kênh dẫn vùng triều để tìm nguyên lý, xác định quy luật thủy động lực nguồn nước ứng dụng trong các hệ thống NTTS ven biển; (ii) Luận án sử dụng phương pháp mô hình toán áp dụng lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước kết hợp với phần mềm thủy lực 1 chiều (MIKE 11) để tính toán phân tích đặc tính và quy luật thủy động lực môi trường nguồn nước các hệ thống NTTS ven biển. 4./ CÁC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN (1) Tổng quan đặc điểm các hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS, đánh giá các công trình đã có liên quan đến nguồn nước và môi trường vùng NTTS ven biển và xác định vấn đề cần nghiên cứu của luận án; (2) Nghiên cứu đặc tính thủy động lực môi trường trong các hệ thống kênh dẫn vùng triều điển hình cho các hệ thống NTTS (hệ kênh đơn cơ bản, hệ kênh dạng cành cây gồm kênh chính và kênh nhánh các cấp, hệ kênh có nhiều vòng kín, hệ kênh có cống điều khiển); (3) Ứng dụng lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước kết hợp với mô hình toán phần mềm thủy lực MIKE 11 để nghiên cứu đặc tính thủy động lực môi trường nguồn nước (chẳng hạn nguồn nước mang mầm bệnh thủy sản,...) cho 2 hệ thống thực tế NTTS ven biển ĐBSCL (vùng ảnh hưởng triều biển Ðông và triều biển Tây).
5. - 3 - 5./ ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của luận án là vấn đề thủy động lực – môi trường trong hệ thống kênh dẫn các vùng NTTS ảnh hưởng triều. Phạm vi giới hạn nghiên cứu của luận án là các hệ thống sông kênh, hệ thống công trình thủy lợi phục vụ NTTS vùng ven biển ảnh hưởng triều biển Đông và triều biển Tây ở ĐBSCL. 6./ Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN a) Ý nghĩa khoa học Luận án đã phân tích làm rõ cơ chế thủy động lực lan truyền các nguồn nước trong hệ thống kênh dẫn vùng NTTS ảnh hưởng triều (nguồn nước nhiễm bẩn, nguồn nước mang mầm bệnh thủy sản, nguồn nước mặn, nguồn nước ngọt sạch cấp cho các vùng nuôi,...); Đã nghiên cứu đặc tính thủy động lực môi trường vùng triều cho một số sơ đồ mẫu hệ kênh điển hình từ các hệ thống NTTS thực tế ven biển. Giải quyết được về mặt khoa học một số bài toán về chất lượng nước và môi trường trong các hệ thống NTTS mà lý thuyết truyền thống còn thực hiện rất hạn chế hoặc chưa giải quyết được. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất làm cơ sở để thiết kế hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS vùng ven biển ĐBSCL và các vùng khác có điều kiện tương tự; Một số giải pháp bố trí hệ thống công trình mang tính định hướng nhưng cũng có thể coi là các hướng dẫn sơ bộ cho các cơ quan quản lý ngành và địa phương khi thiết kế quy hoạch các hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS ven biển ở ĐBSCL. 7./ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN (1). Luận án đưa ra khái niệm mới (có tính quy ước), với tên gọi là “nguồn nước quan tâm” hay “TPNquan-tâm”, nhờ đó việc nghiên
6. - 4 - cứu lan truyền các nguồn nước trong hệ thống NTTS được tiến hành theo thể thức lan truyền từng “TPNquan-tâm” điển hình, đã làm cho bài toán hệ thống NTTS chịu các nguồn nước tác động trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Cách giải bài toán ở đây thay vì tính nồng độ nguồn nước ta sẽ tính tỷ lệ pquan tâm,i (t) của nguồn nước quan tâm, biểu thị theo %. Kết quả khảo cứu động thái các “TPNquan-tâm” trong hệ thống NTTS góp phần làm rõ cơ chế lan truyền, quy luật vận động, quá trình triết giảm của các nguồn này, từ đó đánh giá được tác động của từng loại nguồn và phương pháp khoa học quản lý chúng; (2). Luận án đã phát triển phương pháp luận ứng dụng lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước kết hợp với phần mềm thủy động lực một chiều hệ sông kênh (chẳng hạn MIKE 11) làm rõ cơ chế lan truyền “TPNquan-tâm” giữa kênh chính và kênh nhánh trong hệ thống NTTS theo các pha triều. Với các kênh nhánh, phía đầu kênh tiếp nhận nhanh nguồn nước từ sông /kênh chính nên dễ bị nhiễm nước bẩn, nước ô nhiễm, nước mang mầm bệnh thủy sản từ các vùng khác trong hệ thống. Trong khi đó ở cuối kênh thì tiếp nhận nguồn nước khó khăn hơn và cũng chậm hơn nên khó bị nhiễm nước bẩn, nước mang mầm bệnh. Tuy nhiên khi gặp sự cố môi trường, việc thau rửa ở phần cuối kênh (nhất là kênh cụt) khó khăn hơn rất nhiều so với đầu kênh; (3). Kết quả nghiên cứu của luận án về đặc tính thủy động lực các “TPNquan-tâm” (nước mặn, ngọt, nước bẩn, nước mang mầm bệnh thủy sản, ) trong các hệ thống NTTS có thể mở ra hướng phát triển công cụ dự báo được nguồn nước (chất và lượng) cho các vùng nuôi trồng khác nhau trong hệ thống, từ đó có được kế hoạch thích hợp cho việc lấy nước (cấp mặn, ngọt), xả thải, thau rửa hệ thống NTTS và quản lý dịch bệnh thủy sản vùng nuôi;
7. - 5 - (4). Kết quả luận án đã chỉ ra rằng các hệ thống NTTS cần phải căn cứ vào hệ đặc tính vận động (lan truyền) các nguồn nước để thiết kế và vận hành, trong đó cần chú ý: (a) Hạn chế tối đa bố trí kênh cụt; (b) Vị trí và quy mô kênh chính, kênh nhánh các cấp có vai trò quan trọng trong việc phân bố tỷ lệ các nguồn nước trong hệ thống, cần được nghiên cứu kỹ khi thiết kế theo quan điểm tạo được nguồn nước tốt, tránh lưu cữu, hạn chế lan rộng các nguồn nước có chất lượng kém và xử lý sự cố môi trường nhanh. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ HTTL PHỤC VỤ NTTS VEN BIỂN 1.1.1. Đặc điểm các hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS Đặc điểm chung về HTTL phục vụ NTTS ven biển: (i) Hệ thống luôn chịu nhiều nguồn nước tác động, do hệ thống chịu ảnh hưởng trực tiếp của thủy triều nên thuận lợi trong việc cấp mặn để nuôi tôm; (ii) Các hệ thống trước đây phục vụ cho nông nghiệp, do chỉ cần hệ số cấp, thoát nhỏ nên quy mô không lớn. Khi chuyển sang NTTS, ngoài yêu cầu cấp thoát các loại nguồn nước còn có yêu cầu thau rửa, trao đổi nước rất lớn; (iii) Khả năng tiêu thoát, thau rửa của hệ thống kênh còn chưa cao, một số vùng bố trí kênh chưa hợp lý, cá biệt có vùng lại bố trí nhiều kênh cụt. Nước lưu cữu lâu dài trong hệ thống, dễ sinh ra chất lượng kém; (iv) Nhiều hệ thống kiểm soát chế độ nước còn thấp, rất hạn chế trong việc tạo ra nguồn nước có chất lượng thích hợp cho thủy sản; (v) Hệ thống kênh rạch đan xen và thường nối thông suốt với nhau, nhiều vùng không có cống điều tiết, kiểm soát nên rất khó khăn trong việc ngăn chặn dịch bệnh, lan truyền theo đường nước, nhất là trong các hệ thống có kênh cấp và thoát chung. 1.1.2. Những tồn tại và hạn chế của HTTL phục vụ NTTS Hệ thống công trình thuỷ lợi đã xây dựng trước đây với mục đích chủ yếu là phục vụ SXNN, nay chuyển sang phục vụ NTTS mặc dù
8. - 6 - trong thời gian qua hệ thống thủy lợi bước đầu đã phát huy hiệu quả cho NTTS, nhưng đứng trước đòi hỏi của thời kỳ mới, thủy lợi chưa đáp ứng được yêu cầu của NTTS, vẫn còn tồn tại các vấn đề chính như sau : (i) Các hệ thống trước đây chỉ thiết kế cho nông nghiệp (trồng lúa) nay chuyển sang phục vụ NTTS không còn phù hợp nữa, cả quy mô và cấu trúc, bố trí công trình; (ii) Phần lớn bố trí không hợp lý, nhất là kênh cấp và kênh thoát (chưa phân biệt vùng nào dùng chung, vùng nào cấp thoát tách rời); (iii) Chính cách bố trí chưa hợp lý như vậy dẫn đến nguồn nước trong nhiều vùng của hệ thống bị ô nhiễm. Khi gặp các sự cố môi trường không xử lý được, hoặc là xử lý hiệu quả thấp; (iv) Chủ yếu lấy hệ thống thủy lợi cho nông nghiệp trước đây phục vụ NTTS do vậy quy mô cả cống và kênh đều còn nhỏ dẫn đến khả năng trao đổi nước kém, khả năng vận hành công trình lấy mặn rất hạn chế. Hình 1-6: Hiện trạng HTTL vùng trồng lúa nay phục vụ NTTS ở Trà Vinh Công tác thủy lợi phục vụ NTTS vẫn còn chưa tương xứng với những lợi ích do NTTS mang lại và còn thấp xa so với yêu cầu để phát triển NTTS hiệu quả cao hơn theo hướng thâm canh. Tóm lại HTTL phục vụ NTTS ven biển chứa đựng nhiều vấn đề phức tạp, trong số nhiều vấn đề còn tồn tại, cần được giải quyết thì vấn đề nghiên cứu đặc tính nguồn nước trong hệ thống trên quan điểm xem xét các thành phần nguồn nước quan tâm (nước ô nhiễm, nước mang mầm bệnh thủy sản, khả năng cấp mặn, ngọt, ) sẽ là chủ đề chính xuyên suốt luận án này.
9. - 7 - 1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ĐẾN NGUỒN NƢỚC VÀ MÔI TRƢỜNG VÙNG NTTS 1.2.1. Các nghiên cứu đã có liên quan đến nguồn nƣớc (số lƣợng, chất lƣợng nƣớc) và môi trƣờng các vùng NTTS ven biển Các công trình khoa học nghiên cứu trước đây về vùng ven biển nói chung và chất lượng, môi trường nước trong các hệ thống thủy sản ven biển nói riêng đã có khá nhiều, chủ yếu bởi các cơ quan nghiên cứu, các trường đại học và một vài tổ chức quốc tế, được triển khai trong các đề tài khoa học, dự án quy hoạch, thiết kế các hệ thống thủy lợi cho thủy sản, nội dung chủ yếu là đánh giá chất lượng nước (qua khảo sát hiện trường), ngoài ra một số nghiên cứu phát triển sâu hơn ở bậc tiến sĩ, thạc sĩ,... Các nghiên cứu đã có liên quan mật thiết với đề tài luận án đã giải quyết được một số mặt về giải pháp công trình thủy lợi cho NTTS, chất lượng môi trường nước vùng nuôi cũng đã được xem xét, tuy vậy các vấn đề về đặc tính nguồn nước trong các hệ thống NTTS chưa được làm rõ, đề tài luận án sẽ làm sáng tỏ hơn động thái các nguồn nước thông qua việc ứng dụng lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước kết hợp với phần mềm thủy lực 1 chiều để nghiên cứu các đặc tính thủy động lực môi trường trong hệ thống. 1.2.2. “Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nƣớc”, công cụ nghiên cứu về nguồn nƣớc các hệ thống NTTS vùng triều Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước (lý thuyết TPN) đã được trình bày trong nhiều tài liệu. Đây là một tiếp cận mới đánh giá nguồn nước dựa vào sự lan truyền các nguồn nước thành phần, được xem là công cụ mạnh, có nhiều ưu điểm và giải quyết được nhiều vấn đề mà ở các phương pháp truyền thống chưa đề cập. Hiện nay lý thuyết này đang được tiếp tục phát triển và là công cụ kết hợp với phần mềm thủy lực 1 chiều (chẳng hạn MIKE11) để nghiên cứu rất hiệu quả trong thực tế nhiều vùng liên quan đến nguồn nước và môi trường,
10. - 8 - nhất là áp dụng cho các hệ thống NTTS ven biển. Luận án sẽ ứng dụng lý thuyết này làm phương pháp luận và công cụ nghiên cứu đặc tính thủy động lực môi trường trong các hệ thống NTTS vùng triều. 1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Đã tổng quan chung về hiện trạng, đặc điểm riêng của hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS ven biển ĐBSCL, trong đó nhấn mạnh vấn đề môi trường nước hệ thống gắn với việc giải quyết các nội dung của luận án. Từ hiện trạng cho thấy khả năng trao đổi nước trong các hệ thống NTTS ven biển là rất kém, nhiều vùng chưa có đủ công trình kiểm soát nguồn nước nên khi có dịch bệnh thủy sản xảy ra thì khả năng lây lan dịch theo đường nước là rất nhanh và trên phạm vi rộng. Đã đánh giá một số kết quả nghiên cứu đã có liên quan về nguồn nước, chất lượng môi trường nước các vùng NTTS ven biển. Luận án đặt vấn đề áp dụng lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước kết hợp với phần mềm thủy lực 1 chiều để nghiên cứu đặc tính thủy động lực và môi trường hệ sông kênh các vùng NTTS ven biển. Chương 2: ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC MÔI TRƢỜNG CHO MỘT SỐ SƠ ĐỒ HỆ KÊNH ĐIỂN HÌNH VÙNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN VEN BIỂN 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các hệ thống NTTS vùng ven biển có nhiều loại nguồn nước tác động. Mỗi nguồn nước được sinh ra và lan truyền trong hệ thống theo những cách khác nhau, đặc tính thủy động lực khác nhau. Trong đề tài luận án này, sự tác động của các loại nguồn nước vào hệ thống NTTS vùng ven biển cũng sẽ được khảo cứu theo các nguồn nước thành phần của nó, các nguồn nước thành phần trong hệ thống được gọi chung là “THÀNH PHẦN NƯỚC QUAN TÂM” - “TPNquan-tâm”. TPN quan tâm được nghiên cứu đề cập trong luận án này là các TPN lan truyền trong hệ thống NTTS (nước ô nhiễm - nước bẩn, nước