Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của nghiên cứu sinh Đặng Đình Đoan, bảo vệ năm 2014 tại Trường Đại học Thủy lợi (Hà Nội), thuộc chuyên ngành Chỉnh trị sông và bờ biển (mã số 62 44 94 01), tập trung nghiên cứu quá trình biến đổi hình thái vùng cửa sông Thu Bồn — một trong những cửa sông lớn ở miền Trung Việt Nam — và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu tác động bất lợi phục vụ phát triển kinh tế xã hội khu vực.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quảng Nam có bờ biển dài hơn 125 km, hệ thống sông ngòi gồm hai sông lớn là Thu Bồn và Trường Giang, với hai cửa sông lớn là cửa Đại (Hội An) và cửa An Hòa (Núi Thành). Vùng cửa sông Thu Bồn đóng vai trò trung chuyển giao thông thủy, cảng thương mại, đánh bắt hải sản và du lịch đường thủy giữa Quảng Nam, Đà Nẵng và các tỉnh lân cận. Tuy nhiên, trong những năm qua, khu vực này chịu diễn biến phức tạp: xói lở cửa sông và dải ven biển, di động đảo phía trong cửa sông, dịch chuyển và bồi lấp cửa cản trở tàu thuyền ra vào — đặc biệt trong thời kỳ triều thấp. Rừng đầu nguồn bị chặt phá khiến độ che phủ chỉ còn trên 10%, dòng sông cạn kiệt về mùa khô, lũ lụt tăng cả về tần số lẫn độ lớn, thiệt hại lên tới hàng chục nghìn tỷ đồng. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trước đó, song chưa có công trình nào kết hợp đồng thời phân tích viễn thám/GIS và mô hình toán để định lượng toàn diện diễn biến hình thái cửa sông Thu Bồn theo cả chiều dọc bờ và ngang bờ, đồng thời đề xuất "hành lang thoát lũ" cho vùng phía trong cửa sông.

Mục tiêu của luận án

  1. Nghiên cứu tương tác của các yếu tố thủy thạch động lực, làm sáng tỏ các nguyên nhân và lượng hóa mức độ ảnh hưởng gây diễn biến hình thái khu vực cửa sông Thu Bồn.
  2. Đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu các tác động bất lợi đến quá trình diễn biến hình thái khu vực cửa sông, phục vụ phát triển kinh tế xã hội của khu vực.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các quá trình diễn biến vùng cửa sông bao gồm thủy động lực, vận chuyển bùn cát, xói lở — bồi tụ bờ sông, bờ biển, cửa sông và biến động địa hình đáy vùng ngay phía trong cửa sông và đáy biển ven bờ trước cửa sông. Phạm vi không gian: phía trong sông từ Giao Thủy (điểm hợp lưu sông Thu Bồn và sông Quảng Huế) đến cửa sông; phía ngoài biển đến độ sâu 10 m, mở rộng 20 km về hai phía cửa sông dọc bờ biển. Phạm vi thời gian chủ yếu từ năm 1973 đến 2013.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới được tác giả điểm lại

Luận án điểm qua các công trình nghiên cứu về động lực học dòng sông và chỉnh trị sông từ thế kỷ XIX, trong đó nêu tên nhà khoa học Pháp Du Boys về chuyển động bùn cát, Barrede Saint-Venant về dòng không ổn định, L. Fargue về hình thái đoạn sông uốn khúc. Đầu thế kỷ XX, nhà khoa học Liên Xô Lotchin V. có nhiều nghiên cứu về chỉnh trị sông. Những năm 60, các nhà khoa học Tây Âu như Meyer-Peter và Muller, Kennedy R.G., cùng các nhà khoa học Mỹ như Einstein H., Van te Chow, Ning Chien nghiên cứu về dòng chảy và chuyển động bùn cát. Về ảnh hưởng của công trình xây dựng trên sông, luận án dẫn các nghiên cứu của Tiền Ninh, Đậu Quốc Nhân, Lý Bảo Chấn (Trung Quốc); Hickin và Nason, Vannon (Mỹ); các nghiên cứu mức độ dâng nước thượng lưu cầu của Bradley (1970), Neil (1973), Karaki (1974). Về động lực vùng cửa sông ven biển, luận án đề cập N. Volker (1966), Bijker E., Jean-François Desprats et al. (2010) với ứng dụng viễn thám và GIS cảnh báo hiểm họa cho người dân vùng ven bờ. Về mô hình toán, luận án đề cập MIKE11, HEC-RAS (1D), DELFT3D (Hà Lan), MECCA (Mỹ) (2D, 3D). Tại Mỹ, trong 26/58 cửa sông đã xây dựng hệ thống kè hướng dòng, và tại Nhật Bản 72/139 cửa sông có luồng tàu được xây dựng đê chắn cát.

Các nghiên cứu về biến đổi cửa sông ở Việt Nam

Tại Việt Nam, luận án điểm lại lịch sử nghiên cứu từ các công trình đắp đê triều đại phong kiến nhà Trần (1248), nhà Lê (1708), nhà Nguyễn, đến công cuộc khai khẩn nổi tiếng do Nguyễn Công Trứ lãnh đạo (1828–1830). Các tác giả trong nước được nhắc đến: Vũ Tất Uyên, Lưu Công Đào, Nguyễn Văn Cư, Lê Ngọc Bích, Hoàng Hữu Văn, Trịnh Việt An, Nguyễn Bá Quỳ, Đỗ Tất Túc, Phạm Thị Hương Lan (nghiên cứu sông miền Bắc); Ngô Đình Tuấn, Lương Phương Hậu, Nguyễn Văn Tuần, Trần Văn Túc (diễn biến cửa sông miền Trung); Lê Ngọc Bích, Nguyễn Ân Niên, Lê Mạnh Hùng, Lê Xuân Thuyên (thủy động lực đồng bằng sông Cửu Long). Các đề tài cấp Nhà nước tiêu biểu được kể đến: đề tài KC-09-05, KC-08-07 (Trường ĐH Thủy lợi, 2006–2010), sử dụng bộ mô hình MIKE-21, SEDTRA, STWAVE-WABED, DELFT-3D, GENESIS; đề tài KT-02-01 do Viện Địa Lý thực hiện; đề tài KT-03-14 "Nghiên cứu phòng chống xói lở bờ biển Hải Hậu, Cảnh Dương, Gò Công" (1990–1995). Các nghiên cứu về cửa sông Thu Bồn riêng biệt được nhắc đến: Đặng Văn Bào, Nguyễn Vi Dân (1996); Vũ Văn Phái (1996); Phạm Quang Sơn và nhóm nghiên cứu (1996) về "Đặc điểm động thái vùng cửa sông Thu Bồn và khu vực phố cổ Hội An"; Báo cáo đề tài cấp Nhà nước "Nghiên cứu nguyên nhân và các biện pháp chống xói lở các sông miền Trung" (1999–2000) do Trường ĐH Thủy lợi thực hiện; Dự án điều tra hiện trạng cửa sông Thu Bồn và kiến nghị các giải pháp bảo vệ (Dự án 47) do Viện Khoa học Thủy lợi thực hiện (2009–2010).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tác giả xác định: chưa có quy trình thống nhất trong khảo sát đo đạc dòng bồi tích và quá trình vận chuyển bùn cát vùng ven bờ, cửa sông; chưa có quy trình công nghệ dự báo quá trình bồi tụ, xói lở tích hợp cho khu vực Thu Bồn; mối quan hệ giữa các quá trình thủy động lực tại cửa sông với các hoạt động khai thác bề mặt lưu vực (chặt phá rừng, xây hồ thủy lợi, thủy điện) chưa được nghiên cứu chi tiết; chưa xét đến tác động của biến đổi khí hậu tới biến động cửa sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung khái niệm và lý thuyết

Luận án sử dụng khái niệm vùng cửa sông theo quan điểm của các tác giả Nguyễn Văn Cư, Hoa Mạnh Hùng, Nguyễn Bá Quỳ, Xamoilov, và Baidin. Giới hạn phía trong cửa sông xác định tại điểm không còn dao động của thủy triều (∆h = 0); giới hạn phía ngoài đến nơi dòng chảy lũ lịch sử đạt tới. Vùng cửa sông Thu Bồn được xác định giới hạn phía trong tại Giao Thủy, giới hạn phía ngoài đến độ sâu 10 m. Cửa sông được phân thành ba đoạn theo quan điểm Xamoilov: đoạn thuộc sông (phía trên), cửa sông và vùng biển ven bờ trước cửa sông.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp hỗn hợp gồm ba hướng tiếp cận chính:

  • Phân tích tư liệu lịch sử và thực địa: Thu thập, khảo sát bổ sung, chỉnh lý các tư liệu về sóng, gió, dòng chảy sông và biển; tài liệu địa hình, bùn cát từ các cơ quan Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng; Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ.
  • Phân tích viễn thám và GIS: Sử dụng ảnh máy bay, ảnh vệ tinh Landsat (NASA) và bản đồ địa hình từ những năm bảy mươi của thế kỷ 20 đến nay. Tiến hành nắn chỉnh lưới tọa độ, nắn chỉnh hình học, chiết xuất thông tin lập bản đồ chuyên đề, tính toán và đánh giá diễn biến hình thái khu vực nghiên cứu theo không gian và thời gian.
  • Mô hình toán: Ứng dụng phần mềm MIKE21 (Đan Mạch) để mô phỏng diễn biến đáy sông và đáy biển trước cửa sông; phần mềm Litpack (gồm module Litlines và Litprof) để mô phỏng sự thay đổi đường bờ biển và mặt cắt ngang bãi. Các kịch bản tính toán ký hiệu từ E1, E2 và các mặt cắt Mc1 đến Mc5.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu đầu vào gồm: chuỗi số liệu thực đo mực nước tại trạm Sơn Trà, trạm cửa Đại; lưu tốc thực đo tại cửa Đại; hằng số điều hòa dòng triều vùng trong sông và ven bờ tháng IX/2009; kết quả quan trắc dòng chảy ven bờ biển cửa Đại (3/10/2010); thông số sóng do các cơn bão ngoài khơi vùng bờ Hội An gây ra; dòng vệ tinh Landsat từ năm 1973 đến 2013.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến vùng cửa sông ảnh hưởng triều

Chương này trình bày khái niệm cơ bản về vùng cửa sông, phân vùng cửa sông theo các tiêu chí thủy văn (∆h = 0), thủy hóa (độ mặn 0,5‰ đến 30–32‰) và hình thái. Cửa sông được phân làm hai dạng: dạng kín (đang phát triển giai đoạn đầu) và dạng hở (trao đổi tự do giữa nước sông và nước biển). Luận án tổng kết tình hình nghiên cứu cửa sông trên thế giới và Việt Nam, chỉ rõ các thành tựu đã đạt được (phân đoạn, phân loại cửa sông; hình thành bar chắn; nghiên cứu biến đổi lòng dẫn; bồi lắng luồng; mô hình hóa thủy thạch động lực), đồng thời xác định các hạn chế còn tồn tại và hướng tiếp cận của luận án. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu (Hình 1-1), sơ đồ nghiên cứu của phương pháp viễn thám (Hình 1-3) và mô hình toán (Hình 1-4) được trình bày rõ trong chương này.

Chương 2: Đặc điểm tự nhiên, hiện trạng, nguyên nhân và các nhân tố ảnh hưởng đến diễn biến hình thái vùng cửa sông Thu Bồn

Chương này cung cấp bức tranh toàn diện về đặc điểm tự nhiên lưu vực: mạng lưới sông Thu Bồn, chế độ thủy văn với các đặc trưng dòng chảy sông được tổng hợp tại Bảng 2-1; lưu lượng lũ thiết kế ứng với các tần suất quy định (Bảng 2-3); đặc trưng mực nước và độ lớn triều tại Hội An (Bảng 2-7); thông số sóng do các cơn bão (Bảng 2-8, 2-9); hằng số điều hòa dòng triều tháng IX/2009 (Bảng 2-10, 2-11, 2-12); kết quả quan trắc dòng chảy ven bờ cửa Đại ngày 3/10/2010 (Bảng 2-13).

Về hiện trạng diễn biến hình thái, luận án thống kê các vị trí xói lở trên khu vực cửa sông Thu Bồn (Bảng 2-14) và tổng hợp nguyên nhân gây xói lở tại các vị trí trong sông (Bảng 2-15). Các hình ảnh thực địa mô tả: hố xói ông Phật trước lũ 1999 với diện tích 250 m², sâu 2–3 m, đến nay là 4.000 m², sâu 7–10 m tại thôn An Hà (5/2009); xói lở do dòng chảy dồn vào sông nhánh Vĩnh Điện (Điện An) trên đoạn bờ dài hơn 1 km; sạt lở bờ biển khu vực bờ phải cửa Đại do sóng xiên góc với đường bờ (Golden Sand Resort Hội An, tháng 10/2010). Các nguyên nhân nhân sinh được phân tích gồm: đốt rừng làm nương ở Quế Sơn, khai thác khoáng sản ở Phước Sơn, xây dựng thủy điện Sông Bung 2, nuôi trồng thủy sản trên sông và canh tác trên bãi bồi khu vực hạ lưu.

Chương 3: Nghiên cứu diễn biến vùng cửa sông Thu Bồn bằng phương pháp phân tích viễn thám, GIS và mô hình toán

Đây là chương kỹ thuật trung tâm của luận án. Về phân tích viễn thám và GIS, luận án sử dụng dòng vệ tinh Landsat (NASA) (Bảng 3-1) để theo dõi diễn biến lòng dẫn sông Thu Bồn giai đoạn 1973–2013 (Hình 3-2). Các kết quả chính gồm:

  • Sự di chuyển của dòng chủ lưu tại đoạn Giao Thủy (Hình 3-6), đoạn Duy Châu/Duy Xuyên (Hình 3-7), đoạn Phú Đông - Điện Quang (Hình 3-8), đoạn thôn Nhị Dinh (Hình 3-11, 3-12).
  • Diễn biến đoạn bờ gần cửa sông từ 1973 đến 2013 (Hình 3-13 đến 3-19).
  • Diễn biến đoạn cửa Đại năm 1999 đến 2013 qua ảnh vệ tinh (Hình 3-18).

Về mô hình toán MIKE21, sau khi số hóa địa hình lưới tính miền lớn (Hình 3-20) và địa hình chi tiết khu vực cửa Đại (Hình 3-22), luận án tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Sơn Trà và trạm cửa Đại (Hình 3-23, 3-25, 3-26) cho tương quan tốt giữa số liệu thực đo và mô phỏng; hiệu chỉnh lưu tốc tại cửa Đại (Hình 3-28, 3-29). Kết quả mô phỏng biến đổi địa hình đáy cho các mặt cắt Mc1–Mc5 (Hình 3-37 đến 3-46) và tọa độ các mặt cắt chiết xuất kết quả (Bảng 3-2) cung cấp cơ sở định lượng về bồi/xói theo kịch bản. Cân bằng bùn cát trung bình năm (m³/năm) bờ biển cửa sông Thu Bồn được tổng hợp tại Bảng 4-2.

Về mô hình Litpack, sau khi mô hình hóa đường bờ (Hình 3-50) và mặt cắt ngang đại diện (Hình 3-51), luận án hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Litline (Hình 3-52). Kết quả mô phỏng đường bờ biển sau 10 năm có thêm 2 đập hướng dòng tại cửa (Hình 3-55) và diễn biến đường bờ tự nhiên (không kè bảo vệ bờ) được trình bày tại Bảng 3-5. Diễn biến cao độ đáy Mc2 và Mc3 ứng với các kịch bản E1, E2 (Hình 3-58, 3-59) cung cấp thông tin dự báo theo kịch bản.

Chương 4: Đề xuất giải pháp có tính định hướng phòng tránh, giảm nhẹ xói lở, bồi tụ vùng cửa sông Thu Bồn

Từ kết quả các chương 2 và 3, luận án đề xuất hai nhóm giải pháp:

  • Giải pháp cho đoạn sông từ Giao Thủy tới cửa Đại: Tổng hợp các giải pháp áp dụng cho các vị trí xói lở trên sông (Bảng 4-1), bao gồm kè kết hợp các loại vải địa kỹ thuật và bằng thực vật (Hình 4-1), mỏ hàn nghiêng với dòng chảy (Hình 4-4a).
  • Giải pháp cho cửa sông và bờ biển kề cận 2 bên cửa sông: Phân đoạn diễn biến đường bờ biển (Hình 4-5), mặt cắt điển hình kiểu kè mái nghiêng (Hình 4-6) và giải pháp tổng thể bảo vệ bờ khu vực nghiên cứu (Hình 4-7).

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự nêu ba đóng góp mới như sau:

  1. Về làm sáng tỏ cơ chế: Luận án đã phân tích, đánh giá được các yếu tố tác động, làm sáng tỏ nguyên nhân cơ chế gây diễn biến hình thái vùng cửa sông Thu Bồn, bao gồm cả nhóm yếu tố nội động lực, nhóm yếu tố thủy động lực tự nhiên và nhóm yếu tố nhân sinh.

  2. Về xác lập xu thế diễn biến định lượng: Luận án xác lập được xu thế diễn biến đường bờ biển, cửa sông một cách định lượng và chi tiết cho từng tiểu vùng theo cả chiều dọc bờ và ngang bờ, phục vụ xây dựng định hướng quy hoạch chỉnh trị.

  3. Về đề xuất hành lang thoát lũ: Bước đầu đề xuất được "hành lang thoát lũ" cho vùng phía trong cửa sông làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp có tính định hướng phòng chống xói lở, bồi tụ, ổn định bờ sông và cửa sông, tăng khả năng thoát lũ và thông luồng ra vào cảng phía trong sông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Luận án gián tiếp chỉ ra một số hạn chế qua phần tổng quan: số liệu quan trắc vừa ngắn, vừa không đồng bộ, độ chính xác không cao, chưa phản ánh được sự biến động theo các chu kỳ triều, chu kỳ mùa và chu kỳ năm. Mô hình 2D và 3D gặp trở ngại do khối lượng tính toán lớn trong khi tốc độ tính toán của máy tính thông thường chưa đủ — ví dụ, việc mô phỏng trường dòng chảy thực 3 chiều cho một năm cần thời gian chạy máy tới 6–7 tháng. Ngoài ra, tác động của biến đổi khí hậu tới biến động cửa sông và ven biển chưa được đưa vào phạm vi nghiên cứu của luận án này.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo đối với các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và nhà khoa học chuyên ngành chỉnh trị sông, thủy động lực ven biển, địa mạo cửa sông: các chương 2 và 3 cung cấp quy trình kết hợp viễn thám/GIS và mô hình toán (MIKE21, Litpack) để phân tích diễn biến hình thái theo thời gian dài.
  • Kỹ sư thiết kế công trình bảo vệ bờ sông và bờ biển tại các tỉnh miền Trung: chương 4 trình bày các giải pháp kỹ thuật có tính định hướng với hình ảnh và mặt cắt điển hình.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và quy hoạch tỉnh Quảng Nam, thành phố Đà Nẵng: kết quả xác lập xu thế diễn biến đường bờ và hành lang thoát lũ là đầu vào cho quy hoạch chỉnh trị và phát triển cảng.
  • Cán bộ Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ: phần tổng hợp số liệu thủy thạch động lực và bảng thống kê xói lở là tài liệu tham chiếu hữu ích.

Câu hỏi thường gặp

1. Giới hạn không gian nghiên cứu của luận án được xác định như thế nào? Phía trong sông từ Giao Thủy (điểm hợp lưu sông Thu Bồn và sông Quảng Huế) đến cửa sông; phía ngoài biển đến độ sâu 10 m; dọc theo bờ biển mở rộng 20 km tính từ tim lòng dẫn cửa sông về phía Nam và phía Bắc cửa sông.

2. Phần mềm mô hình toán nào được sử dụng và dùng để tính toán gì? Luận án sử dụng MIKE21 để mô phỏng diễn biến đáy sông và đáy biển trước cửa sông theo các kịch bản (Mc1–Mc5, kịch bản E1 và E2); sử dụng Litpack (module Litlines và Litprof) để mô phỏng sự thay đổi đường bờ biển và mặt cắt ngang bãi.

3. Dữ liệu viễn thám được sử dụng trong khoảng thời gian nào và từ nguồn nào? Luận án sử dụng ảnh vệ tinh Landsat của NASA (Bảng 3-1), kết hợp ảnh máy bay và bản đồ địa hình, chủ yếu từ năm 1973 đến 2013, để theo dõi biến động lòng dẫn sông Thu Bồn và đường bờ biển.

4. Hố xói ông Phật tại thôn An Hà đã thay đổi như thế nào theo thời gian? Theo số liệu trong luận án: trước lũ 1999, hố xói có diện tích 250 m², sâu 2–3 m; đến tháng 5/2009, diện tích đã mở rộng lên 4.000 m² và sâu 7–10 m.

5. Ba đóng góp mới của luận án là gì? (1) Làm sáng tỏ nguyên nhân và cơ chế gây diễn biến hình thái vùng cửa sông Thu Bồn; (2) Xác lập xu thế diễn biến đường bờ biển và cửa sông một cách định lượng và chi tiết cho từng tiểu vùng theo cả chiều dọc bờ và ngang bờ; (3) Bước đầu đề xuất "hành lang thoát lũ" cho vùng phía trong cửa sông làm cơ sở định hướng cho các giải pháp chỉnh trị.

Kết luận

Luận án của Đặng Đình Đoan là công trình nghiên cứu liên ngành kết hợp phân tích tư liệu lịch sử, công nghệ viễn thám/GIS và mô hình toán số để nghiên cứu diễn biến hình thái vùng cửa sông Thu Bồn trong giai đoạn 1973–2013. Luận án đã định lượng xu thế biến đổi đường bờ và địa hình đáy theo không gian và thời gian, xác định các nguyên nhân tự nhiên (sóng, triều, dòng chảy lũ, bùn cát) lẫn nhân sinh (chặt phá rừng, khai thác khoáng sản, thủy điện, nuôi trồng thủy sản) gây ra những biến động này. Từ kết quả nghiên cứu, luận án đề xuất nhóm giải pháp kỹ thuật có tính định hướng — trong đó nổi bật là khái niệm "hành lang thoát lũ" — phục vụ quy hoạch chỉnh trị cửa sông, ổn định bờ và phát triển cảng thương mại phía trong sông của tỉnh Quảng Nam.