Tổng quan nghiên cứu

Sông Tiền là một trong hai nhánh chính tạo nên hệ thống sông ngòi, kênh rạch dày đặc tại Đồng bằng sông Cửu Long, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của vùng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, khu vực sông Tiền chảy qua tỉnh Đồng Tháp đang phải đối mặt với tình trạng xói lở bờ sông ngày càng nghiêm trọng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống người dân và phát triển bền vững của địa phương. Theo ước tính, chiều dài dòng chính sông Tiền tại Đồng Tháp khoảng 122,9 km, với nhiều đoạn bị xói lở nghiêm trọng, đặc biệt tại khu vực xã An Hiệp, huyện Châu Thành.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm phân tích chi tiết đặc điểm thủy lực dòng chảy trên sông Tiền qua khu vực nghiên cứu, xác định ảnh hưởng của các yếu tố dòng chảy đến quá trình xói lở bờ sông, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật giảm thiểu xói lở bờ sông tái diễn. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2008 đến 2017, sử dụng mô hình toán học MIKE 21 để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát, từ đó đánh giá biến động lòng sông và hiệu quả các công trình bảo vệ bờ sông.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý tài nguyên và môi trường, giúp giảm thiểu thiệt hại do xói lở gây ra, đồng thời góp phần bảo vệ an sinh xã hội và phát triển kinh tế bền vững tại Đồng bằng sông Cửu Long. Các chỉ số đánh giá mô hình như NSE, RSR đều đạt giá trị cao, chứng tỏ độ tin cậy của mô hình trong việc mô phỏng dòng chảy và vận chuyển phù sa tại khu vực nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực dòng chảy, vận chuyển bùn cát và quá trình xói lở bờ sông, bao gồm:

  • Lý thuyết thủy lực dòng chảy 2 chiều (2D Hydrodynamic Theory): Mô hình Mike 21 Flow Model HD FM áp dụng phương trình Navier-Stokes hai chiều, mô phỏng vận tốc dòng chảy, áp lực và biến đổi mực nước theo thời gian và không gian.

  • Mô hình vận chuyển phù sa (Sediment Transport Model): Mike 21 Flow Model MT FM tính toán quá trình vận chuyển bùn cát, bao gồm các thành phần phù sa keo dính và không dính, dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng và động lực học.

  • Khái niệm xói lở bờ sông (Bank Erosion): Xói lở bờ sông là quá trình mất cân bằng giữa lực dòng chảy và sức kháng của bờ sông, dẫn đến sự phá hủy kết cấu bờ và làm thay đổi hình thái lòng sông.

  • Các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở: Bao gồm đặc điểm dòng chảy (vận tốc, hướng dòng), hình thái lòng sông, đặc tính địa chất bờ sông, tác động của công trình xây dựng và biến đổi khí hậu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thủy văn, địa hình, địa chất, vận tốc dòng chảy, mực nước và thành phần bùn cát được thu thập từ các trạm đo tại khu vực Đồng Tháp, đặc biệt là trạm Mũi Thuận và Cao Lãnh trong giai đoạn 2008-2017. Dữ liệu địa hình lòng sông được cập nhật từ khảo sát thực địa và ảnh vệ tinh.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô hình hóa thủy lực MIKE 21 của DHI, kết hợp mô hình thủy lực 2 chiều (HD FM) và mô hình vận chuyển phù sa (MT FM) để mô phỏng dòng chảy và biến động lòng sông. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu thực tế với các chỉ số đánh giá như NSE (khoảng 0.85), RSR (khoảng 0.3), đảm bảo độ chính xác cao.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 3/2018 đến tháng 8/2020, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động dòng chảy sau khi xây dựng kè bảo vệ: Mô hình cho thấy dòng chảy tại khu vực nghiên cứu có xu hướng dịch chuyển về giữa lòng sông sau khi xây dựng kè, làm giảm vận tốc dòng chảy gần bờ và giảm nguy cơ xói lở bờ sông. Cụ thể, vận tốc dòng chảy gần bờ giảm khoảng 15-20% so với trước khi có kè.

  2. Sự thay đổi địa hình lòng sông: Qua mô phỏng, lòng sông tại khu vực An Hiệp - Cần Lĩnh có sự biến đổi rõ rệt với độ sâu trung bình giảm từ 15 m xuống còn khoảng 10-12 m, đồng thời xuất hiện các vùng bồi tụ phù sa mới với diện tích tăng khoảng 8% so với giai đoạn trước.

  3. Ảnh hưởng của vận chuyển bùn cát: Lượng phù sa vận chuyển trong dòng chảy giảm khoảng 12% tại khu vực bờ sông sau khi có công trình kè, góp phần làm giảm tốc độ xói lở và ổn định bờ sông. Tuy nhiên, tại một số đoạn cong sông, vận tốc dòng chảy vẫn cao, gây xói lở cục bộ với tốc độ lên đến 0,3 m/năm.

  4. Hiệu quả mô hình trong dự báo xói lở: Mô hình Mike 21 đã mô phỏng chính xác các hiện tượng xói lở và bồi tụ tại khu vực nghiên cứu, với sai số trung bình dưới 10% so với quan trắc thực tế, cho phép dự báo xu hướng biến đổi lòng sông trong tương lai.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dòng chảy dịch chuyển về giữa lòng sông sau khi xây dựng kè là do sự thay đổi hình thái dòng chảy và áp lực thủy lực tại bờ sông, làm giảm lực xói tác động lên bờ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tác động của công trình bảo vệ bờ sông tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Sự giảm vận tốc dòng chảy gần bờ và lượng phù sa vận chuyển góp phần làm giảm xói lở, tuy nhiên vẫn cần lưu ý các đoạn cong sông có vận tốc dòng chảy cao, dễ xảy ra xói lở cục bộ. Điều này cho thấy cần có các biện pháp bổ sung như gia cố bờ bằng vật liệu mềm hoặc trồng cây chắn sóng.

Kết quả mô hình cũng cho thấy sự biến động địa hình lòng sông là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Việc sử dụng mô hình toán học kết hợp dữ liệu thực tế giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo và quản lý tài nguyên sông ngòi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc dòng chảy trước và sau khi xây dựng kè, bản đồ biến động địa hình lòng sông và bảng thống kê lượng phù sa vận chuyển theo thời gian, giúp minh họa rõ nét các phát hiện chính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và duy trì hệ thống kè bảo vệ bờ sông: Tiếp tục đầu tư xây dựng kè cứng tại các đoạn sông có nguy cơ xói lở cao, đồng thời bảo trì, nâng cấp các công trình hiện có để đảm bảo hiệu quả lâu dài. Mục tiêu giảm vận tốc dòng chảy gần bờ ít nhất 15% trong vòng 5 năm tới, do UBND tỉnh Đồng Tháp chủ trì.

  2. Áp dụng giải pháp kỹ thuật mềm: Kết hợp trồng cây chắn sóng, sử dụng vật liệu sinh học để gia cố bờ sông, giảm thiểu tác động môi trường và tăng cường khả năng chống xói lở. Thực hiện thí điểm tại 3 khu vực trọng điểm trong 3 năm, do Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các viện nghiên cứu thực hiện.

  3. Giám sát và cập nhật mô hình định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc dòng chảy, mực nước và biến động lòng sông để cập nhật dữ liệu cho mô hình Mike 21, nâng cao độ chính xác dự báo và kịp thời điều chỉnh các biện pháp quản lý. Thực hiện hàng năm, do Trung tâm Quan trắc và Dự báo tài nguyên nước đảm nhiệm.

  4. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Phối hợp với chính quyền địa phương tổ chức các chương trình tuyên truyền về tác hại của xói lở bờ sông và vai trò của các công trình bảo vệ, khuyến khích người dân tham gia bảo vệ môi trường sông nước. Triển khai liên tục, do UBND các huyện và xã chủ động thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô hình để đánh giá và quản lý xói lở bờ sông, hỗ trợ ra quyết định chính sách bảo vệ tài nguyên nước.

  2. Các kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi và bảo vệ bờ sông: Tham khảo các giải pháp kỹ thuật và mô hình mô phỏng dòng chảy, vận chuyển phù sa để thiết kế và thi công công trình hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý tài nguyên và môi trường: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về thủy lực dòng chảy, vận chuyển bùn cát và ứng dụng mô hình toán học trong nghiên cứu môi trường.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ hoạt động trong lĩnh vực bảo vệ môi trường: Hiểu rõ nguyên nhân và tác động của xói lở bờ sông, từ đó tham gia tích cực vào các hoạt động bảo vệ và phục hồi môi trường sông nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Mike 21 có ưu điểm gì trong nghiên cứu xói lở bờ sông?
    Mike 21 là mô hình thủy lực 2 chiều, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy và vận chuyển phù sa theo không gian và thời gian, giúp dự báo chính xác biến động lòng sông và xói lở bờ sông. Ví dụ, mô hình đã được hiệu chỉnh với dữ liệu thực tế tại Đồng Tháp, đạt chỉ số NSE khoảng 0.85, chứng tỏ độ tin cậy cao.

  2. Nguyên nhân chính gây xói lở bờ sông tại khu vực nghiên cứu là gì?
    Xói lở chủ yếu do sự mất cân bằng giữa lực dòng chảy và sức kháng của bờ sông, ảnh hưởng bởi vận tốc dòng chảy cao, hình thái sông cong, đặc tính địa chất yếu của bờ và tác động của các công trình xây dựng. Ngoài ra, biến đổi khí hậu và thủy triều cũng góp phần làm tăng nguy cơ xói lở.

  3. Các giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để giảm thiểu xói lở?
    Bao gồm xây dựng kè cứng bảo vệ bờ, áp dụng kỹ thuật mềm như trồng cây chắn sóng, sử dụng vật liệu sinh học gia cố bờ, kết hợp giám sát và cập nhật mô hình định kỳ để điều chỉnh biện pháp phù hợp.

  4. Dữ liệu nào được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình?
    Dữ liệu vận tốc dòng chảy, mực nước, thành phần bùn cát và địa hình lòng sông thu thập từ các trạm quan trắc tại Đồng Tháp trong giai đoạn 2008-2017, cùng với khảo sát thực địa và ảnh vệ tinh.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Có, phương pháp và mô hình được áp dụng có thể điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa phương khác, đặc biệt tại các vùng sông ngòi có đặc điểm tương tự về thủy lực và địa chất, giúp quản lý và giảm thiểu xói lở hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích chi tiết đặc điểm thủy lực và vận chuyển phù sa trên sông Tiền qua tỉnh Đồng Tháp, xác định rõ ảnh hưởng của dòng chảy đến quá trình xói lở bờ sông.
  • Mô hình Mike 21 được hiệu chỉnh và kiểm định với dữ liệu thực tế, cho kết quả mô phỏng chính xác, hỗ trợ dự báo biến động lòng sông và xói lở.
  • Công trình kè bảo vệ đã làm giảm vận tốc dòng chảy gần bờ khoảng 15-20%, góp phần giảm thiểu xói lở bờ sông hiệu quả.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật kết hợp kè cứng và kỹ thuật mềm, cùng với giám sát định kỳ và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm bảo vệ bờ sông bền vững.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thí điểm giải pháp kỹ thuật mềm, mở rộng giám sát và cập nhật mô hình, đồng thời nhân rộng nghiên cứu sang các khu vực khác trong Đồng bằng sông Cửu Long.

Hành động ngay: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất để bảo vệ bờ sông, giảm thiểu thiệt hại do xói lở gây ra, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho vùng Đồng bằng sông Cửu Long.