Luận án tiến sĩ: Vai trò bãi triều đến mực nước và lưu lượng sông Sài Gòn - Đồng Nai (Phạm Thế Vinh)

• Tác giả: Phạm Thế Vinh
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Ân Niên
• Trường học: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên cứu vai trò của bãi triều đến mực nước và lưu lượng sông Sài Gòn - Đồng Nai
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vai trò bãi triều sông Sài Gòn Đồng Nai

Luận án tiến sĩ của Phạm Thế Vinh (2021) thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam nghiên cứu chuyên sâu về vai trò của bãi triều đến mực nước và lưu lượng sông Sài Gòn - Đồng Nai. Hệ thống sông này đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế khu vực phía Nam. Bãi triều là vùng đất ngập nước chịu tác động trực tiếp của thủy triều biển Đông. Khu vực nghiên cứu trải dài từ thượng lưu đến hạ lưu hệ thống sông, nơi chế độ thủy văn-thủy lực phức tạp. Thủy triều biển Đông có biên độ rộng, thời kỳ triều cường đạt 3,5-4,0 mét, triều kém khoảng 1,5-2,0 mét. Dạng triều bán nhật triều, lên xuống ngày hai lần. Nghiên cứu sử dụng phương trình St. Venant để mô hình hóa quá trình truyền sóng thủy triều. Kết quả cho thấy bãi triều có vai trò điều tiết đáng kể đối với mực nước và lưu lượng dòng chảy. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong quản lý tài nguyên nước và phòng chống ngập úng.

1.1. Đặc điểm hệ thống sông Sài Gòn Đồng Nai

Hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai là lưu vực lớn nhất vùng Đông Nam Bộ. Sau Nhà Bè, sông Đồng Nai chia thành hai phân lưu chính: sông Nhà Bè rộng 1.500-2.000 mét nhưng nông, sông Lòng Tàu hẹp 200-400 mét nhưng sâu 30-40 mét. Mạng lưới sông kênh chằng chịt nối hai phân lưu. Vùng Tây-Nam TP.HCM có hệ thống sông Sài Gòn-Vàm Cỏ Đông, sông Bến Lức-kênh Đôi-kênh Tẻ đóng vai trò quan trọng trong giao thông thủy và tiêu thoát nước.

1.2. Đặc tính thủy triều khu vực nghiên cứu

Cửa sông Đồng Nai chịu tác động mạnh mẽ từ thủy triều biển Đông. Biên độ triều thay đổi theo chu kỳ trăng, xuất hiện hai lần nước cao và hai lần nước thấp mỗi tháng. Trị số trung bình các chu kỳ ngày tạo thành sóng có chu kỳ 14,5 ngày với biên độ 0,30-0,40 mét. Dạng triều bán nhật triều với hai đỉnh xấp xỉ nhau, hai chân lệch nhau lớn. Thời gian giữa hai chân và hai đỉnh khoảng 12,0-12,5 giờ.

II. Phân tích ảnh hưởng bãi triều đến chế độ thủy lực dòng sông

Bãi triều đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết chế độ thủy lực hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai. Nghiên cứu phân tích mối quan hệ giữa hình dạng mặt cắt ngang sông và quá trình truyền sóng thủy triều. Khi triều lên, nước tràn vào bãi triều làm tăng diện tích trữ nước. Khi triều rút, nước từ bãi triều chảy ngược trở lại lòng sông. Quá trình này tạo ra hiệu ứng hãm sóng, giảm biên độ triều và làm chậm thời gian truyền sóng. Phương trình St. Venant được áp dụng để mô tả quá trình này. Tỷ lệ bề rộng mặt cắt sông tính cả bãi triều trên bề rộng lòng sông là tham số quan trọng. Gần cửa sông, nơi có bãi bồi rộng, tỷ lệ này đáng kể, ảnh hưởng lớn đến dòng chảy. Nghiên cứu chỉ ra rằng bãi triều hoạt động như bộ đệm tự nhiên, giảm thiểu tác động của triều cường đến khu vực thượng lưu.

2.1. Vai trò điều tiết mực nước của bãi triều

Bãi triều ảnh hưởng trực tiếp đến mực nước trong hệ thống sông. Khi triều cường, bãi triều hoạt động như vùng trữ nước tạm thời, giảm đỉnh lũ triều tại các trạm thượng lưu. Nghiên cứu sử dụng số liệu từ các trạm thủy văn để phân tích mối tương quan giữa diện tích bãi triều và biên độ triều. Kết quả cho thấy tại các đoạn sông có bãi triều rộng, biên độ triều giảm rõ rệt so với đoạn sông không có bãi. Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng trong mùa mưa kết hợp triều cường.

2.2. Tác động đến lưu lượng dòng chảy

Lưu lượng sông Sài Gòn - Đồng Nai chịu ảnh hưởng kép từ thượng nguồn và thủy triều. Bãi triều làm thay đổi phân bố lưu lượng theo thời gian và không gian. Trong pha triều lên, một phần lưu lượng được chuyển hướng vào bãi triều, giảm lưu lượng chảy xuôi. Phân tích bằng mô hình thủy lực cho thấy bãi triều có thể giảm lưu lượng đỉnh từ 10-30% tùy thuộc vào diện tích và hình dạng. Hiện tượng này ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy, quá trình lắng đọng phù sa và khả năng tiêu thoát nước.

III. Phương pháp mô hình hóa vai trò bãi triều bằng St

3.1. Hệ phương trình St. Venant cho vùng có bãi triều

Hệ phương trình St. Venant được tuyến tính hóa để giải bài toán truyền sóng thủy triều trong cửa sông hình lăng trụ. Phương trình thứ nhất mô tả quá trình chuyển động, thể hiện động lượng dòng chảy dưới tác động trọng lực và ma sát. Phương trình thứ hai mô tả quá trình liên tục, tính đến toàn bộ diện tích trữ nước bao gồm bãi triều. Các yếu tố như diện tích mặt cắt A, lưu lượng Q và tỷ lệ rS được xác định chính xác dựa trên dữ liệu khảo sát.

3.2. Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình số

Mô hình số được xây dựng dựa trên dữ liệu địa hình chi tiết hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai. lưới tính toán được thiết lập với khoảng cách phù hợp để đảm bảo độ chính xác. Điều kiện biên phía biển sử dụng dữ liệu triều thực đo, biên phía thượng nguồn sử dụng lưu lượng dòng chảy. Quá trình hiệu chỉnh mô hình thực hiện bằng cách so sánh kết quả tính toán với số liệu quan trắc tại các trạm thủy văn. Sai số cho phép đạt yêu cầu kỹ thuật quy định.

IV. Kết luận và ứng dụng nghiên cứu bãi triều sông Sài Gòn

Nghiên cứu đã chứng minh vai trò quan trọng của bãi triều trong việc điều tiết mực nước và lưu lượng hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai. Bãi triều hoạt động như vùng đệm tự nhiên, giảm biên độ triều và lưu lượng đỉnh trong mùa mưa bão. Kết quả mô hình hóa cho thấy tại các khu vực có bãi triều rộng, mực nước cao nhất giảm từ 0,2-0,5 mét so với kịch bản không có bãi. Phát hiện này có giá trị khoa học và thực tiễn cao. Về mặt lý thuyết, nghiên cứu bổ sung kiến thức về cơ chế tương tác giữa bãi triều và dòng triều trong điều kiện Việt Nam. Về mặt ứng dụng, kết quả hỗ trợ công tác quy hoạch, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai. Chính quyền địa phương có thể sử dụng kết quả để đánh giá tác động của các dự án lấn biển, nạo vét luồng lạch đến chế độ thủy lực tự nhiên. Bảo tồn bãi triều là giải pháp bền vững thích ứng với biến đổi khí hậu.

4.1. Ý nghĩa khoa học của luận án tiến sĩ

Luận án đóng góp quan trọng vào khoa học thủy lợi Việt Nam. Nghiên cứu là công trình đầu tiên áp dụng phương trình St. Venant có xét đến bãi triều cho hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai. Kết quả cung cấp cơ sở khoa học để hiểu rõ cơ chế điều tiết của bãi triều trong điều kiện thủy triều bán nhật triều. Nghiên cứu cũng đề xuất phương pháp xác định tỷ lệ rS phù hợp với đặc điểm hình thái học của hệ thống sông khu vực phía Nam.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong quản lý tài nguyên nước

Kết quả nghiên cứu có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Mô hình thủy lực được xây dựng có thể sử dụng để dự báo ngập úng, tính toán dòng chảy phục vụ quy hoạch đô thị. Dữ liệu về vai trò bãi triều hỗ trợ đánh giá tác động môi trường các dự án phát triển hạ tầng ven sông. Nhà quản lý có thể áp dụng để đề xuất giải pháp bảo vệ bãi triều tự nhiên, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và biến đổi khí hậu tại khu vực TP.HCM.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM ------------------------------ PHẠM THẾ VINH NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA BÃI TRIỀU ĐẾN MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG SÔNG SÀI GÒN - ĐỒNG NAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM ------------------------------ PHẠM THẾ VINH NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA BÃI TRIỀU ĐẾN MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG SÔNG SÀI GÒN - ĐỒNG NAI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC MÃ SỐ: 9-58-02-12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. NGUYỄN ÂN NIÊN GS. TĂNG ĐỨC THẮNG TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2021 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Phạm Thế Vinh -ii- LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập nghiên cứu thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS. TSKH Nguyễn Ân Niên, người hướng dẫn khoa học của luận án. Sự giúp đỡ, động viên hết sức tận tình của Thầy là sự khích lệ lớn lao để tác giả hoàn thành luận án này. Đặc biệt, Thầy là người đã định hướng, gợi ý cho tác giả không những kiến thức đã trình bày trong luận án mà còn là người đã đưa ra các ý tưởng có liên quan đến công tác nghiên cứu về thủy văn, thủy lực trong khu vực Nam Bộ. Tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc GS.TS Tăng Đức Thắng, người hướng dẫn khoa học của luận án. Thầy đã tận tình chỉ dạy cho tác giả về cách giải quyết các nội dung của luận án. Trong công tác nghiên cứu, Thầy là tấm gương sáng để cho tác giả học hỏi không những về kiến thức mà còn cả trong tác phong nghiên cứu cũng như sự đam mê nghiên cứu khoa học. Tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Tất Đắc, đã tạo điều kiện cho tác giả được tham gia học tập các môn học trong quá trình nghiên cứu. Trong quá trình làm luận án, Thầy cũng đã có những ý kiến quý báu cho các nội dung trong luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Phú Quỳnh, TS Trịnh Thị Long đã tạo điều kiện cho tác giả về thời gian cũng như những kinh nghiệm thực tế để tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình công tác, cập nhật và trao đổi thông tin số liệu phục vụ nghiên cứu. Cuối cùng, không thể thiếu được, là sự cảm ơn tới gia đình tác giả bởi sự động viên, khuyến khích, và là chỗ dựa tinh thần để tác giả vượt qua những khó khăn thử thách trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập. Xin chân thành cảm ơn! -iii- MỤC LỤC MỞ ĐẦU . TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN . MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU . ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU . Đối tượng nghiên cứu . Phạm vi nghiên cứu . PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Ý NGHĨA VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN . Ý nghĩa khoa học . Ý nghĩa thực tiễn. Những đóng góp mới của luận án. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN . 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU . GIỚI THIỆU CHUNG . Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu . Hiện trạng ngập và các nguyên nhân . VẤN ĐỀ QUAN TÂM CỦA LUẬN ÁN . Nhận định về sự gia tăng đỉnh triều . Khái niệm về đất ngập nước và bãi triều . Phân loại về đất ngập nước và bãi triều . Mối liên hệ giữa sông và bãi triều trong vùng nghiên cứu . Vấn đề quan tâm của luận án . CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY . Nghiên cứu trên thế giới . Nghiên cứu trong nước . Những vấn đề còn tồn tại trong các nghiên cứu trước . KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 . 44 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU . CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ QUAN HỆ CỦA BÃI TRIỀU ĐẾN MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG . Cơ sở phân tích khoa học . Tác động của bãi triều đến mực nước . Tác động của bãi triều đến lưu lượng . Tác động của mặt cắt lòng dẫn đến mực nước và lưu lượng . TÀI LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU . Tài liệu địa hình . Tài liệu khí tượng thủy văn . Tài liệu sử dụng đất . Tài liệu ảnh viễn thám . CÔNG CỤ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU . Công cụ trong phân tích về cơ cấu sử dụng đất . Công cụ trong mô phỏng bãi triều . Xây dựng mô hình thủy lực thử nghiệm. Xây dựng mô hình thuỷ lực cho hạ lưu sông SG-ĐN . DIỄN BIẾN SỬ DỤNG ĐẤT KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG SG-ĐN . Diễn biến sử dụng đất dựa trên tài liệu thu thập của các tỉnh . Diễn biến sử dụng đất dựa trên tài liệu phân tích ảnh vệ tinh . KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 . 75 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN . KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VỀ BIẾN ĐỘNG MỰC NƯỚC TRÊN SÔNG DỰA VÀO TÀI LIỆU THỰC ĐO . Biến động mực nước lớn nhất năm . Biến động mực nước lớn nhất trong tháng 5. Hình dạng đường mặt nước dọc sông . KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUY LUẬT THAY ĐỔI CỦA BÃI TRIỀU ĐẾN MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG DỰA TRÊN MÔ PHỎNG MÔ HÌNH THỦY LỰC THỬ NGHIỆM . Luận giải các trường hợp tính . Kết quả nghiên cứu trường hợp mở rộng bãi triều ven sông . Kết quả nghiên cứu trường hợp thay đổi diện tích bãi triều . Kết quả nghiên cứu trường hợp thay đổi vị trí bãi triều . Kết quả nghiên cứu trường hợp thay đổi độ sâu bãi triều . Kết quả nghiên cứu trường hợp thay đổi diện tích mặt cắt sông . KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA BÃI TRIỀU ĐẾN MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG HẠ LƯU SÔNG SÀI GÒN – ĐỒNG NAI . Luận giải các kịch bản tính toán . Tác động của các khu sản xuất nông nghiệp thuộc hạ lưu sông SG-ĐN . Tác động của các khu đất xây dựng thuộc hạ lưu sông SG-ĐN. Tác động tích hợp của đất xây dựng và nông nghiệp hạ lưu sông SG-ĐN . Dự báo gia tăng mực nước khi mất các bãi triều trên hạ lưu sông SG-ĐN. Dự báo gia tăng mực nước khi xét đến biến đổi khí hậu. Tác động của việc phát triển Khu Nam Sài Gòn . Giải pháp giảm thiểu tác động của gia tăng mực nước đỉnh triều . KẾT QUẢ XÂY DỰNG TƯƠNG QUAN GIỮA DIỆN TÍCH VÀ VỊ TRÍ BÃI TRIỀU VỚI MỰC NƯỚC LỚN NHẤT TRÊN SÔNG . Luận giải các trường hợp tính toán. Kết quả nghiên cứu phân tích. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 . 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 130 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO . 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 134 -vi- DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU THUẬT NGỮ KHOA HỌC Ký hiệu Viết đầy đủ / Ý nghĩa Các tổ chức quốc tế và trong nước JICA Cơ quan Hợp tác quốc tế Nhật Bản NGO Tổ chức phi chính phủ UN Liên hợp quốc WB Ngân hàng thế giới MRC Ủy ban sông Mê Công Các thuật ngữ viết tắt BĐKH Biến đổi khí hậu NBD Nước biển dâng KB Kịch bản TH Trường hợp PTLT Phương trình liên tục PTĐL Phương trình động lượng KTTV Khí tượng thủy văn nnk Những người khác SG-ĐN Sài Gòn - Đồng Nai ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long TPHCM Thành Phố Hồ Chí Minh QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Các mô hình và công cụ phân tích ENVI Phần mềm phân tích ảnh vệ tinh GIS Hệ thống thông tin địa lý MIKE 11 Phần mềm tính toán thủy lực 1 chiều (của DHI) MIKE 21 Phần mềm tính toán thủy lực 2 chiều (của DHI) MIKE FLOOD Phần mềm tính toán thủy lực kết hợp 1 và 2 chiều (của DHI) NAM Phần mềm tính toán mưa - dòng chảy (của DHI) KOD Phần mềm tính toán thủy lực (của Nguyễn Ân Niên) -vii- Ký hiệu Viết đầy đủ / Ý nghĩa VRSAP Phần mềm tính toán thủy lực (của Nguyễn Như Khuê) SAL Phần mềm tính toán thủy lực (của Nguyễn Tất Đắc) TELEMAC Phần mềm tính toán thủy lực (của Tập đoàn Điện lực Pháp) Các ký kiệu khoa học Q Lưu lượng mặt cắt q Lưu lượng đơn vị, dòng nhập lưu A Diện tích mặt cắt F Diện tích bãi triều H Độ sâu mực nước Z Cao trình mực nước ∆Z Độ giảm mực nước ix Độ dốc đáy jx Độ dốc thủy lực t Thời gian Bc Bề rộng mặt cắt sông và bãi B Bề rộng mặt cắt sông Bbãi Bề rộng mặt cắt bãi η Biên độ sóng ω Tần số góc (ω = 2π/T) c Vận tốc truyền sóng (c=L/T= ω/k) k Số sóng (k= 2π/L) T Chu kỳ sóng L Chiều dài sóng g Gia tốc trọng trường rb Tỷ lệ giữa bề rộng sông và bề rộng sông tính cả bãi triều (rb = B ) B  Bbãi βb Tỷ lệ giữa độ giảm biên độ sóng và biên độ sóng khi có bãi triều  r (βb =  ) 1 -viii- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Hệ thống phân loại đất ngập nước của Uỷ ban sông Mê Công . 17 Bảng 3-1: Mức độ gia tăng mực nước lớn nhất năm tại các trạm thủy văn . 77 Bảng 3-2: Các kịch bản tính trong mô hình thủy lực thử nghiệm . 82 Bảng 3-3: Cơ cấu sử dụng đất thuộc khu vực Nam Sài Gòn năm 2015 . 104 Bảng 3-4: Các kịch bản tính toán cho hạ lưu sông SG-ĐN. 106 Bảng 3-5: Tác động của các khu nông nghiệp đến mực nước lớn nhất tại các vị trí . 107 Bảng 3-6: Tác động của khu đất xây dựng đến mực nước lớn nhất các vị trí . 108 Bảng 3-7: Tác động của thay đổi cơ cấu sử dụng đất đến mực nước lớn nhất . 109 Bảng 3-8: Kết quả kịch bản nghiên cứu về ảnh hưởng của các khu trũng còn lại đến mực nước lớn nhất các vị trí . 112 Bảng 3-9: Các trường hợp giảm thiểu tác động của gia tăng mực nước đỉnh triều .