Tổng quan nghiên cứu
Lưu vực sông Ba là một trong những hệ thống sông lớn nhất vùng Nam Trung Bộ với tổng diện tích tự nhiên đạt 14.132 km² và chiều dài dòng chính khoảng 374 km. Vùng cửa sông Đà Diễn (hay còn gọi là cửa Đà Rằng, thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên) giữ vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng, là trung tâm dịch vụ hậu cần nghề cá và nơi neo đậu thường xuyên của gần 900 tàu thuyền khai thác hải sản xa bờ, câu cá ngừ đại dương. Tuy nhiên, khu vực này đang đối mặt với tình trạng biến động hình thái lòng dẫn phức tạp do hiện tượng bồi lấp nghiêm trọng vào mùa khô và xói lở dữ dội vào mùa mưa bão. Tình trạng bồi lắng tạo nên doi cát cách bờ trên 100 m, làm tắc nghẽn luồng tàu, gây thiệt hại hàng trăm triệu đồng cho ngư dân do chìm tàu và mắc cạn, đồng thời làm xói lở bờ biển kéo dài trên 400 m, ăn sâu vào đất liền 80 m. Chi phí nạo vét khẩn cấp hàng năm tiêu tốn khoảng 600 triệu đồng nhưng không mang lại hiệu quả bền vững.
Trước thực trạng cấp bách đó, luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Thủy văn học của tác giả Phạm Quốc Sỹ, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Thọ Sáo tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã thực hiện đề tài nhằm đánh giá định lượng tác động tương hỗ giữa dòng chảy hạ lưu sông Ba, trường sóng và chế độ thủy triều đến diễn biến bồi lấp luồng lạch. Phạm vi nghiên cứu trải dài từ trạm thủy văn Củng Sơn (cách cửa biển 40 km) đến vùng biển ven bờ Tuy Hòa trong giai đoạn quan trắc chi tiết 2015–2016 kết hợp chuỗi dữ liệu nhiều năm. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc cung cấp cơ sở khoa học chính xác, giúp giảm thiểu 30% đến 40% chi phí nạo vét định kỳ và hỗ trợ công tác quy hoạch chỉnh trị bờ biển bền vững.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp các lý thuyết thủy động lực học hiện đại và cơ chế vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển:
- Lý thuyết dòng chảy một chiều không ổn định: Dựa trên hệ phương trình vi phân Saint-Venant gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng, giải quyết bài toán biến đổi mực nước và lưu lượng dọc theo 40 km dòng chính từ trạm Củng Sơn về hạ lưu.
- Lý thuyết thủy động lực học hai chiều dòng nông (2D Shallow Water Equations): Ứng dụng hệ phương trình Navier-Stokes trung bình theo độ sâu kết hợp lực Coriolis và ma sát đáy trong mô-đun MIKE 21 FM HD để mô phỏng trường dòng chảy tổng hợp tại vùng cửa sông và dải ven bờ.
- Lý thuyết sóng trọng lực và phổ sóng gió: Mô-đun MIKE 21 SW giải phương trình cân bằng mật độ tác động sóng trên hệ tọa độ Descartes và tọa độ cầu, mô tả quá trình lan truyền sóng, khúc xạ, nhiễu xạ và tiêu tán năng lượng do sóng vỡ ven bờ.
- Lý thuyết vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy biển: Sử dụng mô hình vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST theo công thức Bijker và hệ thống STP của DHI nhằm xác định thông lượng vận chuyển tải đáy, tải lơ lửng dưới tác động kết hợp của dòng chảy và trường sóng phi tuyến.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình toán số trị liên hoàn 1D-2D với quy trình thu thập và xử lý dữ liệu chặt chẽ:
- Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu quan trắc: Dữ liệu thủy văn bao gồm chuỗi đo lưu lượng và mực nước thực đo từ năm 1976 đến 2016 tại trạm Củng Sơn, Sông Hinh và trạm mực nước Phú Lâm (từ năm 1977). Số liệu địa hình đáy chi tiết được lấy mẫu tại 2 thời điểm đặc trưng là tháng 3/2016 (cuối mùa khô) và tháng 9/2016 (trước mùa lũ). Dữ liệu hải văn gồm vận tốc gió, chu kỳ sóng và mực nước triều ghi nhận tại các trạm Tuy Hòa, trạm đo biển D và trạm F trong giai đoạn 2015–2016.
- Phương pháp chọn mẫu và thiết lập lưới tính: Lựa chọn phương pháp chia lưới phi cấu trúc tam giác (Flexible Mesh) với mật độ lưới dày tại khu vực cửa sông và thưa dần ra ngoài khơi xa, kết hợp lưới 1D phân đoạn theo các mặt cắt ngang sông thực tế.
- Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc liên kết mô hình MIKE 11 (tính toán biên lưu lượng thượng lưu) với mô hình MIKE 21 (tính toán sóng, dòng chảy 2D và biến đổi đáy) cho phép giải quyết toàn diện bài toán tương tác sông – biển phức tạp với độ chính xác cao và tối ưu hóa thời gian tính toán.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Quá trình mô phỏng các kịch bản theo mùa và theo hướng sóng đã đưa ra các kết quả định lượng rõ ràng:
- Sự tương phản sâu sắc của chế độ dòng chảy thượng nguồn: Trong mùa lũ (tháng 10 đến tháng 12), lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất trung bình nhiều năm tại Củng Sơn đạt 7.020 m³/s (trận lũ lịch sử năm 1993 đạt tới 20.700 m³/s), dòng chảy xiết cuốn trôi bãi bồi và mở rộng cửa sông. Ngược lại, vào mùa cạn kéo dài 8 tháng, lưu lượng dòng chảy trung bình tháng nhỏ nhất chỉ còn 48,2 m³/s, chỉ chiếm khoảng 6,4% so với lưu lượng tháng lớn nhất (741,7 m³/s).
- Quy luật vận chuyển bùn cát theo mùa: Hàm lượng bùn cát lơ lửng mùa lũ tại Củng Sơn lên đến gần 300 g/m³, cao gấp 15 lần so với mùa kiệt (chỉ đạt 20 g/m³). Lượng bùn cát mịn đổ ra cửa biển bị sóng đẩy ngược lại lắng đọng tạo thành các cồn cát ngầm chắn ngang lối ra vào cảng.
- Ảnh hưởng quyết định của trường sóng đến sự bồi lấp: Giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 4, hướng sóng thịnh hành là Đông Bắc (NE) với chiều cao sóng trung bình 1,0 m và cực đại lên tới 4,0 m. Khi mô phỏng kịch bản liên tục trong 15 ngày, đáy cửa sông bị bồi dày từ 0,5 m đến 1,2 m. Hướng sóng Đông (E) và Đông Bắc (NE) tạo ra dòng vận chuyển cát dọc bờ hướng từ Bắc xuống Nam, gây bồi lấp mạnh mẽ mũi cát phía Bắc cửa sông.
Thảo luận kết quả
Diễn biến hình thái cửa sông Đà Diễn là kết quả của sự cạnh tranh động lực giữa sông và biển. Vào mùa kiệt, động lực sông suy giảm nghiêm trọng khi lượng nước chỉ chiếm 25% đến 30% tổng lượng dòng chảy năm. Lúc này, năng lượng sóng biển và dòng triều (biên độ triều dao động từ 0,78 m đến 0,98 m) chiếm ưu thế áp đảo, vận chuyển cát từ bãi biển lân cận vào bồi lấp lòng dẫn.
Dữ liệu mô phỏng được tổng hợp chi tiết qua các bảng ma trận so sánh 9 kịch bản hướng sóng (từ kịch bản 1 đến kịch bản 9) và bản đồ đẳng cao độ địa hình đáy 2D. Kết quả cho thấy sau chu kỳ 10 ngày chịu tác động của sóng Đông Bắc mùa đông, luồng chạy tàu bị thu hẹp đáng kể về phía bờ Nam. So sánh với các nghiên cứu tại cửa Thuận An (Thừa Thiên Huế) hay cửa Đại (Quảng Nam), quy luật bồi lấp tại cửa Đà Diễn có tính đột biến cao hơn do độ dốc lưu vực sông Ba lớn (độ dốc bình quân hạ lưu khoảng 1‰) và sự điều tiết của các bậc thang thủy điện làm suy giảm nguồn lũ xả đáy tự nhiên.
Đề xuất và khuyến nghị
Dựa trên kết quả mô hình hóa số trị, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể:
- Xây dựng hệ thống đê chắn sóng và mỏ hàn chỉnh trị hướng dòng: Tiến hành xây dựng tuyến đê hàn phía Bắc dài khoảng 350 m và kéo dài đê chắn sóng phía Nam nhằm ngăn chặn dòng cát dọc bờ từ hướng Đông Bắc. Target metric: Đảm bảo duy trì cao trình luồng tàu ổn định ở mức tối thiểu -3,5 m cho tàu công suất trên 90 CV ra vào 24/24h. Timeline: Giai đoạn 2025–2027. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các công trình Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Phú Yên.
- Quy chế vận hành điều tiết xả dòng chảy môi trường từ các hồ chứa: Yêu cầu các hồ thủy điện bậc trên (như thủy điện Sông Ba Hạ, Sông Hinh) duy trì lưu lượng xả đáy tối thiểu từ 60 m³/s đến 80 m³/s trong các tháng cao điểm mùa khô (tháng 3 đến tháng 7). Target metric: Tạo lưu tốc dòng chảy tại cửa sông đạt trên 0,8 m/s để hạn chế bồi lắng cát mịn. Timeline: Ban hành và áp dụng từ quý I năm 2025. Chủ thể thực hiện: Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Phú Yên.
- Nạo vét khơi thông luồng lạch định kỳ có quy hoạch: Thực hiện hút cát tại các vị trí cồn cát ngầm trước mùa khai thác hải sản chính. Target metric: Khối lượng nạo vét từ 150.000 m³ đến 200.000 m³/năm, tái sử dụng 100% cát nạo vét làm vật liệu san nền để giảm 25% chi phí ngân sách. Timeline: Định kỳ tháng 2 và tháng 3 hàng năm. Chủ thể thực hiện: Ủy ban nhân dân Thành phố Tuy Hòa.
- Lắp đặt hệ thống trạm quan trắc hải văn tự động: Bố trí 2 trạm đo sóng và mực nước tự động tại khu vực ngoài khơi cửa sông Đà Diễn. Target metric: Cung cấp dữ liệu cảnh báo bồi xói thời gian thực với độ trễ dưới 15 phút và sai số dưới 5%. Timeline: Hoàn thành lắp đặt trong năm 2026. Chủ thể thực hiện: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:
- Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Thủy văn, Hải dương học: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình liên kết mô hình 1D (MIKE 11) và 2D (MIKE 21 FM, SW, ST), cung cấp bộ thông số nhám đáy, hệ số khuếch tán và hiệu chỉnh biên thực nghiệm cho dải ven biển miền Trung.
- Cán bộ quản lý tại các Sở, Ban, Ngành (Sở Nông nghiệp và PTNT, Sở TN&MT Phú Yên): Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để phê duyệt các báo cáo đánh giá tác động môi trường, xây dựng kế hoạch phòng chống thiên tai và quy hoạch không gian dải ven biển dài 198 km của tỉnh.
- Kỹ sư và chuyên gia tư vấn thiết kế công trình thủy lực, chỉnh trị bờ sông bờ biển: Ứng dụng trực tiếp số liệu trường sóng cực đại (4,0 m), vận tốc dòng chảy mùa lũ (lên tới hơn 3,0 m/s) và cao trình bồi xói để tính toán kết cấu đê kè, cầu cảng, âu thuyền tránh bão.
- Ban quản lý cảng cá Tuy Hòa và Nghiệp đoàn nghề cá địa phương: Giúp nắm bắt chu kỳ bồi lấp theo từng tháng trong năm để lập lịch trình điều tiết tàu thuyền xuất bến an toàn, hạn chế tối đa nguy cơ tai nạn hàng hải.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao cửa sông Đà Diễn lại bị bồi lấp nghiêm trọng nhất vào mùa khô?
Vào mùa khô, lưu lượng dòng chảy từ sông Ba giảm mạnh xuống chỉ còn 48,2 m³/s tại Củng Sơn (chỉ bằng 6,4% so với mùa mưa). Năng lượng dòng chảy không đủ sức đẩy lùi tác động của sóng Đông Bắc với chiều cao trung bình 1,0 m đến 4,0 m, khiến cát ven bờ bị bồi tụ dồn dập vào lòng dẫn.
Bộ mô hình MIKE 11 và MIKE 21 đóng vai trò gì trong luận văn?
Mô hình MIKE 11 tính toán diễn toán thủy lực 1 chiều trên 40 km chiều dài sông Ba để cung cấp điều kiện biên lưu lượng chính xác tại cầu Đà Rằng. Dữ liệu này được chuyển tiếp vào MIKE 21 để mô phỏng trường sóng 2D, dòng chảy mặt và lượng bồi xói đáy biển với độ chính xác cao.
Hướng sóng nào gây bồi lấp cửa Đà Rằng mạnh nhất?
Kết quả mô phỏng số trị cho thấy hướng sóng Đông Bắc (NE) và hướng Đông (E) thịnh hành từ tháng 1 đến tháng 4 gây bồi lấp đáy mạnh nhất. Sau 15 ngày mô phỏng liên tục, cao độ bồi lắng tại khu vực trước cửa sông tăng thêm từ 0,5 m đến 1,2 m.
Các hồ chứa thủy điện ở thượng lưu sông Ba ảnh hưởng thế nào đến cửa sông?
Hệ thống hồ chứa giữ lại phần lớn lượng bùn cát thô và làm suy giảm các đỉnh lũ nhỏ thường xuyên. Việc suy giảm lưu lượng dòng chảy mùa kiệt xuống dưới mức tự nhiên làm mất khả năng tự xả cát của dòng sông, đẩy nhanh tốc độ bồi lấp luồng tàu.
Giải pháp công trình nào được đánh giá là tối ưu nhất cho cửa Đà Diễn?
Giải pháp tối ưu là xây dựng đê chắn sóng kết hợp mỏ hàn hướng dòng phía Bắc dài khoảng 350 m. Công trình này giúp cản luồng cát di chuyển dọc bờ từ phía Bắc xuống, ổn định luồng chạy tàu đạt độ sâu thiết kế tối thiểu -3,5 m cho tàu thuyền đánh bắt xa bờ.
Kết luận
- Luận văn đã thiết lập thành công mô hình số trị liên hoàn MIKE 11 và MIKE 21 mô phỏng chính xác tương tác dòng chảy, sóng và bùn cát tại hạ lưu sông Ba và cửa Đà Diễn.
- Xác định nguyên nhân cốt lõi gây bồi lấp là do sự suy kiệt dòng chảy mùa khô (chỉ đạt 48,2 m³/s) kết hợp với năng lượng sóng Đông Bắc mạnh mẽ (cao tới 4,0 m).
- Cung cấp bức tranh định lượng chi tiết về mức độ bồi dày đáy từ 0,5 m đến 1,2 m qua các kịch bản sóng mùa khô.
- Đề xuất hệ thống giải pháp công trình đê kè kết hợp điều tiết xả lũ hồ chứa mang tính khả thi và bền vững cao.
- Đóng góp nguồn cơ sở dữ liệu thủy hải văn quý báu phục vụ công tác quy hoạch kinh tế biển tỉnh Phú Yên.
Kế hoạch tiếp theo đòi hỏi các cơ quan chức năng sớm triển khai khảo sát chi tiết để thi công hệ thống đê chỉnh trị trong giai đoạn 2025–2027. Hãy tải ngay toàn văn luận văn thạc sĩ khoa học của tác giả Phạm Quốc Sỹ để nắm bắt trọn vẹn phương pháp tính toán và ứng dụng thực tiễn cho các dự án chỉnh trị cửa sông ven biển!