Luận án tiến sĩ quản lý tài nguyên và môi trường xây dựng mô hình thủy động lực vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở đồng bằng sông cửu long

Luận án tiến sĩ về mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy ở ĐBSCL. Nghiên cứu ứng dụng hệ tọa độ cong, quản lý tài nguyên môi trường.

• Tác giả: Trần Thị Kim
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng
• Trường học: Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Quản Lý Tài Nguyên và Môi Trường
• Đề tài: Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong - Áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng Sông Cửu Long
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Ứng dụng các mô hình tọa độ cong 2D
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
• 1.5. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU
• 2.1. Khung phương pháp luận
• 2.2. Phương pháp GIS
• 2.3. Phương pháp mô hình toán
• 2.3.1. Cơ sở lý thuyết phương trình thủy lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trên hệ tọa độ vuông góc
• 2.3.2. Các biến đổi trong hệ tọa độ cong
• 2.3.3. Chuyển đổi các phương trình cơ bản sang tọa độ cong
• 2.3.4. Sơ đồ giải các mô hình
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kiểm tra module thủy động lực và vận chuyển bùn cát
• 3.1.1. Kiểm tra module thủy động lực trong tọa độ cong
• 3.1.2. Kiểm tra module vận chuyển bùn cát
• 3.2. Kiểm tra module sóng
• 3.3. Ứng dụng mô hình để tính toán hình thái đáy cho đoạn sông Tiền chảy qua thị trấn Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát
• 3.3.1. Giới thiệu về phạm vi tính toán
• 3.3.2. Thiết lập mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.3.3. Mô phỏng diễn biến đáy đoạn sông Tiền chảy qua thị trấn Tân Châu
• 3.4. Ứng dụng mô hình để tính toán dòng chảy vùng ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều
• 3.4.1. Tổng quan về khu vực tính toán
• 3.4.2. Thiết lập mô hình
• 3.4.3. Cân bằng năng lượng triều cho sóng
• 3.4.4. Dòng chảy vùng ven bờ tỉnh Sóc Trăng
• 3.5. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• TỔNG HỢP CÁC PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Mô Hình Thủy Động Lực Bùn Cát ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đang đối mặt với nhiều thách thức liên quan đến xói lở bờ sông, bồi tụ cửa sông và sự thay đổi hình thái đáy. Quá trình này gây ảnh hưởng lớn đến kinh tế - xã hội và đời sống của người dân trong khu vực. Các yếu tố thủy động lực, vận chuyển bùn cát, và tác động của con người đóng vai trò quan trọng trong diễn biến này. Việc nghiên cứu và ứng dụng các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát là hết sức cần thiết để hiểu rõ các quy luật tự nhiên và đưa ra các giải pháp quản lý bền vững.

1.1. Tầm quan trọng của mô hình thủy động lực ĐBSCL

Các mô hình thủy động lực đóng vai trò then chốt trong việc mô phỏng các quá trình dòng chảy, mực nước, và lan truyền sóng. Chúng giúp các nhà khoa học và nhà quản lý hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học dòng chảy và cân bằng bùn cát ở Đồng bằng sông Cửu Long. Theo nghiên cứu của Trần Thị Kim (2023), mô hình thủy động lực giúp đánh giá được tác động của các công trình xây dựng và biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn của khu vực.

1.2. Vai trò của vận chuyển bùn cát trong biến đổi địa mạo

Vận chuyển bùn cát là một quá trình tự nhiên quan trọng, góp phần hình thành và thay đổi địa hình đáy sông và ven biển. Ở Đồng bằng sông Cửu Long, quá trình này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như lưu lượng dòng chảy, thành phần bùn cát, và hoạt động khai thác cát. Việc mô phỏng và dự báo vận chuyển bùn cát giúp đưa ra các giải pháp quản lý sạt lở và bồi lắng hiệu quả.

II. Thách Thức Xói Lở Bờ Sông Bồi Tụ Cửa Sông Tại ĐBSCL

Xói lở bờ sông và bồi tụ cửa sông là hai vấn đề nhức nhối tại Đồng bằng sông Cửu Long, đe dọa đến đất đai, cơ sở hạ tầng và an toàn của người dân. Các tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt là nước biển dâng, càng làm gia tăng mức độ nghiêm trọng của các vấn đề này. Việc nghiên cứu và ứng dụng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát giúp xác định các khu vực có nguy cơ cao và đề xuất các biện pháp phòng ngừa, ứng phó kịp thời.

2.1. Tác động của khai thác cát đến cân bằng bùn cát

Hoạt động khai thác cát quá mức đã làm phá vỡ cân bằng bùn cát tự nhiên ở Đồng bằng sông Cửu Long, gây ra tình trạng xói lở bờ sông nghiêm trọng. Nghiên cứu của Trần Thị Kim chỉ ra rằng, việc khai thác cát có thể làm thay đổi địa hình đáy sông và ảnh hưởng đến dòng chảy, dẫn đến xói lở ở hạ lưu và bồi lắng ở thượng lưu. Cần có các quy định chặt chẽ và giám sát hiệu quả để hạn chế tác động tiêu cực của hoạt động này.

2.2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tới xói lở bờ biển ĐBSCL

Biến đổi khí hậu và nước biển dâng làm gia tăng nguy cơ xói lở bờ biển ở Đồng bằng sông Cửu Long. Mực nước biển dâng cao làm tăng áp lực lên bờ biển, kết hợp với các yếu tố như sóng và dòng chảy, gây ra xói lở nghiêm trọng. Các mô hình thủy động lực có thể giúp dự báo mức độ xói lở trong tương lai và đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ bờ biển.

2.3. Ảnh hưởng của các công trình thủy lợi đến chế độ dòng chảy

Các công trình thủy lợi có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến chế độ dòng chảy của các con sông, đồng thời thay đổi lưu lượng và hướng đi của dòng nước. Sự thay đổi dòng chảy này có thể ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển bùn cát, tăng nguy cơ sạt lở, bồi lắng.

III. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Thủy Động Lực Tọa Độ Cong

Việc xây dựng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát trong hệ tọa độ cong là một phương pháp tiên tiến, cho phép mô phỏng chính xác hơn các quá trình thủy động lực ở các khu vực có địa hình phức tạp như Đồng bằng sông Cửu Long. Phương pháp này giúp giảm thiểu sai số so với việc sử dụng hệ tọa độ vuông góc truyền thống, đặc biệt là ở các khu vực ven bờ và cửa sông.

3.1. Ưu điểm của hệ tọa độ cong so với tọa độ vuông góc

Hệ tọa độ cong cho phép mô phỏng chính xác hơn hình dạng bờ sông và đáy sông, đặc biệt là ở những khu vực có đường bờ phức tạp. Điều này giúp cải thiện độ chính xác của mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát. Theo Trần Thị Kim (2023), kết quả tính toán vận tốc sát bờ bằng mô hình trên hệ tọa độ cong tối ưu hơn so với hệ tọa độ Đề Các.

3.2. Các phương trình cơ bản trong mô hình thủy động lực tọa độ cong

Mô hình thủy động lực trong hệ tọa độ cong dựa trên các phương trình Reynolds trung bình theo chiều sâu, được biến đổi để phù hợp với hệ tọa độ cong. Các phương trình này mô tả sự bảo toàn khối lượng và động lượng của dòng chảy, cũng như quá trình vận chuyển bùn cát và diễn biến đáy.

3.3. Lựa chọn mô hình số phù hợp cho ĐBSCL MIKE 21 Delft3D

Việc lựa chọn mô hình số phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả mô phỏng chính xác và đáng tin cậy. Các mô hình như MIKE 21 và Delft3D là những lựa chọn phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về thủy động lực và vận chuyển bùn cát ở Đồng bằng sông Cửu Long. Cần xem xét các yếu tố như tính năng của mô hình, độ chính xác, và khả năng tích hợp với các dữ liệu đầu vào sẵn có.

IV. Ứng Dụng Đánh Giá Diễn Biến Đáy Sông Tiền Tân Châu

Việc ứng dụng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát vào đánh giá diễn biến đáy sông Tiền, đoạn qua thị trấn Tân Châu, cho thấy rõ tác động của hoạt động khai thác cát đến cân bằng bùn cát và hình thái đáy sông. Mô hình giúp mô phỏng các kịch bản khác nhau và đưa ra các khuyến nghị quản lý khai thác cát bền vững.

4.1. Mô phỏng diễn biến đáy sông Tiền không khai thác cát

Mô phỏng diễn biến đáy sông Tiền trong điều kiện không có khai thác cát cho thấy quá trình bồi tụ và xói lở diễn ra tự nhiên, tuân theo các quy luật thủy động lực. Kết quả này là cơ sở để so sánh với các kịch bản có khai thác cát và đánh giá tác động của hoạt động này.

4.2. Tác động của khai thác cát đến hình thái đáy sông Tiền

Mô phỏng diễn biến đáy sông Tiền khi có khai thác cát cho thấy sự thay đổi đáng kể về hình thái đáy sông, đặc biệt là ở khu vực khai thác và hạ lưu. Việc khai thác cát làm gia tăng xói lở và thay đổi dòng chảy, gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và đời sống của người dân.

4.3. So sánh các kịch bản khai thác cát khác nhau tìm giải pháp bền vững

Nghiên cứu so sánh các kịch bản khai thác cát khác nhau, từ đó đánh giá tác động của từng kịch bản và đưa ra các giải pháp quản lý khai thác cát bền vững, đảm bảo cân bằng bùn cát và bảo vệ hình thái đáy sông.

V. Ứng Dụng Tính Toán Dòng Chảy Ven Biển Sóc Trăng Do Sóng Gió

Ứng dụng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát vào tính toán dòng chảy ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều cho thấy sự phức tạp của các yếu tố thủy động lực tác động lên khu vực này. Kết quả mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành và thay đổi bờ biển, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ và quản lý bờ biển hiệu quả.

5.1. Ảnh hưởng của thủy triều và gió mùa đến dòng chảy ven biển

Thủy triều và gió mùa là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dòng chảy ven biển Sóc Trăng. Thủy triều tạo ra các dòng chảy mạnh, trong khi gió mùa thay đổi hướng và cường độ dòng chảy theo mùa. Sự kết hợp của hai yếu tố này tạo ra một hệ thống dòng chảy phức tạp, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển bùn cát và diễn biến bờ biển.

5.2. Vai trò của sóng trong quá trình vận chuyển bùn cát ven biển

Sóng đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển bùn cát ven biển. Sóng làm xáo trộn lớp bùn cát đáy biển, tạo điều kiện cho dòng chảy vận chuyển chúng đi xa. Các mô hình thủy động lực có thể mô phỏng tác động của sóng đến quá trình này và dự báo sự thay đổi bờ biển.

5.3. Dự báo xói lở và bồi tụ bờ biển Sóc Trăng từ mô hình

Việc kết hợp mô hình thủy động lực với các dữ liệu về sóng, gió và thủy triều cho phép dự báo xói lở và bồi tụ bờ biển Sóc Trăng. Kết quả dự báo giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định phù hợp để bảo vệ bờ biển và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng Phát Triển Mô Hình Ở ĐBSCL

Nghiên cứu và ứng dụng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát trong hệ tọa độ cong có tiềm năng to lớn trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến xói lở, bồi tụ và quản lý tài nguyên nước ở Đồng bằng sông Cửu Long. Cần tiếp tục phát triển và hoàn thiện các mô hình này để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn.

6.1. Các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện mô hình

Các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tích hợp các yếu tố khác như thảm thực vật, hoạt động của con người, và biến đổi khí hậu vào mô hình. Đồng thời, cần cải thiện độ chính xác của mô hình bằng cách sử dụng các dữ liệu đầu vào có độ phân giải cao và áp dụng các phương pháp hiệu chỉnh tiên tiến.

6.2. Đề xuất giải pháp quản lý tổng hợp tài nguyên nước

Cần có một giải pháp quản lý tổng hợp tài nguyên nước ở Đồng bằng sông Cửu Long, kết hợp giữa các giải pháp công trình và phi công trình. Các giải pháp này cần dựa trên các kết quả nghiên cứu khoa học và mô hình thủy động lực, đảm bảo bền vững và hài hòa lợi ích của các bên liên quan.

6.3. Ứng dụng mô hình vào quy hoạch và dự báo dài hạn

Các mô hình thủy động lực có thể được ứng dụng vào quy hoạch và dự báo dài hạn, giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định chiến lược về sử dụng đất, phát triển kinh tế - xã hội, và ứng phó với biến đổi khí hậu. Việc tích hợp mô hình vào quy trình ra quyết định sẽ giúp đảm bảo bền vững và giảm thiểu rủi ro cho Đồng bằng sông Cửu Long.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự tương tác phức hợp giữa các yếu tố thủy thạch động lực học và các hoạt động nhân sinh đang làm gia tăng nghiêm trọng hiểm họa xói lở bờ sông và sạt lở bờ biển tại các đồng bằng châu thổ trên thế giới, đặc biệt là hạ lưu lưu vực sông Mekong. Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường (mã số: 9850101) của nghiên cứu sinh Trần Thị Kim, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Nguyễn Kỳ Phùng và GS.TS. Nguyễn Văn Phước tại Viện Môi trường và Tài nguyên – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (2023), mang tiêu đề: "Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – Áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng sông Cửu Long". Nghiên cứu đặt trọng tâm giải quyết điểm nghẽn phương pháp luận cốt lõi trong mô hình hóa thủy văn số: sự suy giảm độ chính xác ở vùng biên sát bờ khi áp dụng hệ tọa độ Descartes truyền thống và sự thiếu vắng biến thiên động học của nguồn khai thác cát theo thời gian trong các mô hình diễn biến lòng dẫn 2 chiều hiện nay.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) then chốt xuất phát từ thực tế hình học sông uốn khúc tự nhiên. Khi giải hệ phương trình nước nông hai chiều (2D Shallow Water Equations) trên lưới trực giác Descartes $(x, y)$, việc chia bậc thang biên bờ làm triệt tiêu vận tốc dòng chảy tại các ô sát bờ ($u = 0, v = 0$), gây sai số nghiêm trọng trong việc xác định trường vận tốc dòng chảy thứ cấp và ứng suất cắt đáy ven bờ (Papanicolaou et al., 2008). Đồng thời, các mô hình hình thái đáy tiên tiến trên thế giới (như MIKE 21C, CCHE2D, TELEMAC-Gaia) phần lớn chỉ mô phỏng bồi xói dưới tác động tự nhiên hoặc cấu hình hố khai thác tĩnh, chưa tích hợp được hàm nguồn khai thác cát biến động không gian - thời gian $S_m(x, y, t)$ (Zolghadr, 2021).

Luận án thiết lập và kiểm định 3 câu hỏi nghiên cứu (RQ) cùng 3 giả thuyết khoa học (H) tương ứng:

• RQ1: Làm thế nào để chuyển đổi và giải số hệ phương trình thủy động lực Navier-Stokes 2D trung bình theo độ sâu kết hợp sóng - gió - triều sang hệ tọa độ cong $(\xi, \eta)$ nhằm bảo toàn trường vận tốc sát bờ? $\rightarrow$ H1: Lưới cong trực giao bám sát đường bờ tự nhiên sẽ duy trì vận tốc tiếp tuyến sát bờ khác 0, triệt tiêu sai số biên bậc thang của lưới Descartes.
• RQ2: Việc tích hợp hàm nguồn khai thác cát theo thời gian $S_m(t)$ vào phương trình liên tục bùn cát đáy ảnh hưởng thế nào đến độ chính xác mô phỏng địa hình đáy tại các khúc sông uốn cong? $\rightarrow$ H2: Tích hợp $S_m(t)$ cho phép tái hiện chính xác quá trình hạ thấp đáy cục bộ và sự dịch chuyển trục động lực xói lở về phía hạ lưu.
• RQ3: Xu thế tương tác giữa dòng chảy sóng ven bờ, trường gió mùa và sóng triều biển Đông định hình thủy động lực ven biển Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) như thế nào? $\rightarrow$ H3: Sự đồng pha hoặc lệch pha giữa dòng triều và dòng chảy ven bờ do sóng/gió theo mùa gió Đông Bắc (GMĐB) và Tây Nam (GMTN) là nhân tố chi phối biên độ dòng tổng hợp.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp phương trình Reynolds trung bình theo độ sâu (Depth-Averaged RANS), phương trình chuyển tải - khuếch tán bùn cát lơ lửng, lý thuyết biến hình lòng dẫn Exner kết hợp hàm nguồn xói/lắng đọng (Krone, 1962; Partheniades, 1965; Van Rijn, 1984), mô hình sóng phổ phi tuyến (Battjes & Janssen, 1978) và tiếp cận Quasi-3D (Reniers et al., 2004).

Phạm vi không gian và thời gian của nghiên cứu bao gồm: (1) Đoạn sông Tiền uốn cong hiểm trở dài 15 km qua thị trấn Tân Châu (An Giang) với mỏ cát Tân An (diện tích 91 ha, công suất cấp phép 200.000 m³/năm, khối lượng thực tế 220.000 m³/13 tháng), chuỗi số liệu thủy văn lũ lịch sử 1999–2002; và (2) Vùng biển ven bờ Sóc Trăng với quy mô lưới tính dài 300 km, rộng 160 km ra khơi Biển Đông, phân tích 8 thành phần sóng triều cơ bản ($M_2, S_2, K_1, O_1, N_2, K_2, P_1, Q_1$) và trường gió mùa 2017.

Literature Review và Positioning

Phân tích tổng quan y văn quốc tế cho thấy sự tiến hóa mạnh mẽ của các công cụ mô phỏng 2 chiều tích hợp dòng chảy và bùn cát:

1. Dòng mô hình thương mại và mã nguồn mở: DHI phát triển hệ thống MIKE 21/MIKE 21C (Danish Hydraulic Institute, 1993); Deltares xây dựng DELFT-2D/3D (Walstra et al., 1998); Tập đoàn Điện lực Pháp (EDF) phát triển chuỗi TELEMAC-2D/SISYPHE/Gaia (Hervouet, 1987; Tassi et al., 2021); Trung tâm Thí nghiệm Đường thủy Hoa Kỳ (WES) và US Army Corps of Engineers phát triển SMS-SED2D (Ariathurai, 1974; Krone & Davis, 1977); Trường Đại học Mississippi phát triển CCHE2D (Jia & Wang, 1999).
2. Dòng mô hình thủy văn - thủy lực nội địa: Mô hình 1D phân lưu VRSAP (Nguyễn Như Khuê), mô hình 2D dòng ngập lũ F28 (Lê Song Giang), mô hình lòng dẫn sông cong TREM (Nguyễn Tiền Giang & Izumi, 2011), mô hình tăng tốc GPU đa thành phần HYDIST (Nguyễn Thị Bảy et al., 2021).

Các tranh luận khoa học lớn trong y văn tập trung vào hai trường phái:

• Tranh luận về cấu trúc lưới tính: Trường phái lưới Descartes/lưới phi cấu trúc tam giác nhấn mạnh tính thuận tiện trong nội suy địa hình GIS tự động, nhưng vấp phải hiện tượng tiêu tán năng lượng số học và sai số vận tốc biên bờ (Morianou, 2016). Ngược lại, trường phái lưới cong trực giao $(\xi, \eta)$ chứng minh sự vượt trội trong việc khử hiện tượng giả tạo dòng biên, khớp chính xác biên cong hình học tự nhiên của lạch sâu và bờ dốc sông (Spasojevic & Holly, 1990; Lee et al., 1997).
• Tranh luận về mô hình hóa bùn cát và tác động nhân sinh: Phần lớn các công trình mô phỏng lòng dẫn xem khai thác cát là một dạng địa hình cố định được cập nhật lại qua các kỳ đo đạc DEM (Chang, 1998; Thomas & McAnally, 1985). Tuy nhiên, các khảo sát quốc tế khẳng định khai thác cát là một quá trình liên tục có tính chu kỳ, làm thay đổi căn bản độ dốc thủy lực và tạo các "bẫy trầm tích" động (Bravard et al., 2013; Hackney et al., 2020).

So sánh trực tiếp với 2 nghiên cứu quốc tế điển hình:

• Nghiên cứu của Giasemi G. Morianou (2016) trên sông Koiliaris (Crete, Hy Lạp): Khi so sánh mô hình lưới vuông MIKE 21 và lưới cong trực giao MIKE 21C, hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($NSE$) của MIKE 21 chỉ đạt $-7,6$, sai số $RSR = 2,92$ và $PBias = -23%$; trong khi MIKE 21C đạt $NSE = 0,71$, $RSR = 0,53$ và $PBias = -4,09%$. Điều này cung cấp bằng chứng thực nghiệm vững chắc cho luận án trong việc lựa chọn tọa độ cong để tối ưu hóa trường thủy lực ven bờ.
• Nghiên cứu của Abedin Mohammad-Hosseinpour (2022) và Masih Zolghadr (2021) trên sông Helleh: Sử dụng CCHE2D và MIKE 21C đánh giá hố khai thác sỏi tĩnh làm thay đổi cao trình đáy mố cầu đến 1,27 m sau chu kỳ lũ 25 năm, nhưng khẳng định hạn chế là chưa xây dựng được phương trình mô phỏng sự suy giảm thể tích đáy liên tục theo thời gian thực của các xáng cạp.

Luận án định vị tiên phong bằng việc tự lập trình giải thuật số học khép kín từ hệ phương trình gốc sang hệ tọa độ cong, tích hợp tường minh số hạng nguồn khai thác cát $S_m(\xi, \eta, t)$ vào mô hình 2D, giải quyết triệt để bài toán biến đổi địa hình đáy dưới tác động hỗn hợp của lũ thượng nguồn và can thiệp nhân sinh.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng nền tảng lý thuyết cơ học chất lưu môi trường và hình thái sông ngòi thông qua 4 đóng góp cốt lõi:

1. Mở rộng hệ phương trình nước nông 2 chiều trên tọa độ cong trực giao: Chuyển đổi toàn diện hệ phương trình Reynolds bảo toàn động lượng và phương trình liên tục từ không gian vật lý $(x, y)$ sang không gian tính toán chuẩn tắc $(\xi, \eta)$ thông qua các hệ số Lamé ($g_{11}, g_{22}$) và định thức Jacobian ($J = \sqrt{g_{11}g_{22}}$). Giải thuật duy trì sự tồn tại của vector vận tốc tiếp tuyến $u_\xi$ tại các ô biên tiếp giáp thành bờ dốc, khắc phục nhược điểm triệt tiêu vận tốc của hệ Descartes: $$\text{Evidence: } u_\xi \neq 0 \text{ tại biên bờ, trong khi } u_x = u_y = 0 \text{ trên lưới vuông}$$
2. Thiết lập phương trình cân bằng hình thái đáy mở rộng: Bổ sung hàm nguồn âm mô tả tốc độ bốc dỡ trầm tích cơ giới $S_m(t)$ [m/s] vào phương trình liên tục bùn cát đáy Exner: $$\frac{\partial z_b}{\partial t} + \frac{1}{1 - \varepsilon_0} \left( D_b - E_b \right) + S_m(\xi, \eta, t) = 0$$ Trong đó $\varepsilon_0$ là độ rỗng của lớp trầm tích đáy, $D_b$ là tốc độ lắng đọng, $E_b$ là tốc độ xói bốc hạt lơ lửng từ đáy.
3. Mô hình hóa tương tác phi tuyến sóng - triều - gió Quasi-3D: Xác định sự biến điệu của trường ứng suất đáy dưới tác động kết hợp của dòng triều và sóng bức xạ biển nông (Radiation Stresses $S_{xx}, S_{xy}, S_{yy}$) trên lưới cong mở rộng vùng thềm lục địa.
4. Mô hình lý thuyết diễn biến lòng dẫn phân lưu Mekong: Định lượng vai trò thống trị của nhánh sông Tiền khi cung cấp tới 85% tổng lượng bùn cát đáy kiến tạo hình thái toàn ĐBSCL trước khi chia dòng qua kênh Vàm Nao sang sông Hậu (cung cấp bằng chứng củng cố lý thuyết của Nguyễn Nghĩa Hùng et al., 2022).

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liên hoàn 5 module tính toán số học (từ Cal1 đến Cal5):

• Module HD (Hydrodynamic): Tính toán dao động mực nước $\zeta(\xi, \eta, t)$ và các thành phần lưu tốc trung bình độ sâu $u_\xi, u_\eta$.
• Module Wave & Wind: Tính toán phổ sóng 2D, suy giảm năng lượng sóng vỡ do ma sát đáy theo tiếp cận Battjes & Janssen (1978).
• Module ST (Sediment Transport): Tính toán nồng độ phù sa lơ lửng $C(\xi, \eta, t)$ qua phương trình tải - khuếch tán với hàm nguồn xói/lắng bùn cát hạt mịn và cát mịn.
• Module MOBED (Bed Morphology): Xác định biến thiên cao độ đáy $\Delta z_b$ theo từng bước thời gian $\Delta t$, tự động cập nhật lại độ sâu ngập nước $H = h + \zeta$ cho module HD.
• Module Sand Mining Dynamics: Module con quản lý không gian và lịch trình khai thác tại các mỏ cát cấp phép.

Điều kiện biên và giới hạn ứng dụng (Boundary conditions): Mô hình áp dụng biên mở lưu lượng $Q(t)$ hoặc mực nước $\zeta(t)$ theo chuỗi quan trắc thực đo; biên cứng thỏa mãn điều kiện không trượt hoặc trượt tự do theo phương tiếp tuyến; giới hạn trong chế độ dòng chảy cận tới hạn ($Fr < 1$) và trầm tích đáy hạt rời không kết dính đến hỗn hợp kết dính nhẹ vùng cửa sông.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ triết lý nghiên cứu thực chứng nghiêm ngặt (Positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism). Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level numerical design) tích hợp mô hình toán giải tích, mô hình số sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM), công nghệ hệ thông tin địa lý (GIS) và dữ liệu đo đạc trắc đạc thủy văn thực địa.

Quy trình giải bài toán được xây dựng trên hệ thống lưới cong trực giao cấu trúc (Structured Curvilinear Grid), tạo ra từ việc biến đổi tọa độ giải tích và nội suy trơn mượt các đường đẳng sâu bathymetry.

Quy trình nghiên cứu và chuẩn hóa công cụ

Dữ liệu địa hình và thủy văn được thu thập, xử lý và làm sạch qua hệ thống kiểm chuẩn nghiêm ngặt:

• Địa hình: Bình đồ đo sâu lòng dẫn sông Tiền tỷ lệ 1:5.000 và 1:10.000 qua các mốc thời gian 1999, 2001, 2002, 2006 và 2019 do Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam quan trắc; dữ liệu DEM địa hình ven biển Sóc Trăng trích xuất từ hải đồ và ảnh vệ tinh.
• Thủy văn và trầm tích: Chuỗi số liệu lưu lượng $Q$, mực nước $H$ và nồng độ bùn cát lơ lửng thực đo tại trạm thủy văn quốc gia Tân Châu (sông Tiền) trong mùa lũ 1999, 2001, 2002; số liệu mực nước triều trích xuất tại các trạm hải văn Vũng Tàu, Côn Đảo, Mỹ Thanh.
• Dữ liệu mỏ cát: Hồ sơ cấp phép số 1697/QĐ-UBND của UBND tỉnh An Giang, tọa độ và công suất mỏ cát Tân An (Doanh nghiệp tư nhân Vĩnh An) với độ sâu nạo vét thiết kế $-15\text{ m}$.

Sơ đồ sai phân bán ẩn Alternating Direction Implicit (ADI) được áp dụng để giải hệ phương trình đạo hàm riêng phân rã trên lưới cong, đảm bảo điều kiện ổn định Courant-Friedrichs-Lewy ($CFL \le 1$). Quy trình kiểm định mô hình được tiến hành tuần tự qua 3 bài toán giải tích và thực nghiệm kinh điển:

1. Bài toán dao động mực nước và vận tốc trong kênh phẳng hẹp kín.
2. Bài toán trường lưu tốc trong kênh uốn khúc chữ U $180^\circ$ theo thí nghiệm vật lý của Shukry (1950).
3. Bài toán vận chuyển bùn cát và xói lắng trong kênh nhân tạo so sánh với nghiệm giải tích (TH1A, TH1B, TH1C).

Dữ liệu và phân tích hiệu chỉnh - kiểm định

Quá trình hiệu chỉnh (Calibration) và kiểm định (Validation) mô hình tại thực địa đạt các chỉ tiêu thống kê xuất sắc:

• Giai đoạn hiệu chỉnh tại trạm Tân Châu (15/05/1999 – 31/12/1999): Đỉnh lũ ngày 24/09/1999 đạt lưu lượng $Q_{\max} = 22.700\text{ m}^3/\text{s}$. Hệ số nhám Manning đáy sông $n$ được hiệu chỉnh trong khoảng $0,022 - 0,032\text{ s/m}^{1/3}$. Hệ số tương quan $R^2$ giữa lưu lượng tính toán và thực đo đạt $> 0,92$; mực nước đạt $R^2 > 0,95$; nồng độ bùn cát lơ lửng bám sát diễn biến lũ.
• Giai đoạn kiểm định tại trạm Tân Châu (29/06/2001 – 31/12/2001): Đỉnh lũ ngày 22/09/2001 đạt $Q_{\max} = 20.980\text{ m}^3/\text{s}$. Kết quả kiểm định mực nước, lưu lượng và vận chuyển bùn cát cho thấy độ khớp nối cao, sai số tương đối $< 5%$.
• Kiểm chuẩn module sóng triều ven biển Sóc Trăng: Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng sóng triều cho 4 thành phần chính ($M_2, S_2, K_1, O_1$): $$(W + D) - E_t = 0$$ Trong đó $W$ là thông lượng năng lượng truyền qua biên lỏng, $D$ là năng lượng tiêu tán do ma sát đáy và sóng vỡ, $E_t$ là biến thiên động năng - thế năng trong miền tính. Kết quả kiểm định tại trạm Mỹ Thanh, Vũng Tàu, Côn Đảo đạt độ tương quan tuyến tính $R^2$ từ $0,89$ đến $0,94$.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Nghiên cứu mang lại 5 phát hiện khoa học mang tính đột phá với bằng chứng thực nghiệm rõ ràng:

1. Khắc phục triệt để sai số vận tốc biên bờ trên hệ tọa độ cong: Trong kênh cong chữ U và đoạn sông Tân Châu, mô hình lưới cong tái hiện chính xác cấu trúc dòng chảy xiết áp sát bờ lõm và dòng chảy chậm ở bờ lồi. So với mô hình Descartes làm triệt tiêu vận tốc ven bờ, mô hình tọa độ cong xác định vector vận tốc dọc bờ đạt $0,45 - 1,2\text{ m/s}$, khớp chính xác với số liệu thí nghiệm của Shukry (1950) và bình đồ đo sâu thực tế.
2. Khủng hoảng thâm hụt bùn cát và tác động khuếch đại của khai thác cát: Tổng lượng cát tự nhiên đổ về ĐBSCL chỉ đạt $6,17 \pm 2,01\text{ triệu tấn/năm}$, thấp hơn gấp 8 lần so với tổng tốc độ khai thác cát ước tính $50\text{ triệu tấn/năm}$ trong toàn vùng (Anthony et al., 2015; WWF, 2011). Trích dẫn trực tiếp từ dữ liệu luận án:

   "Trong những năm gần đây, tổng lượng cát đổ vào Đồng Bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) (6,17 triệu tấn/năm $\pm$ 2,01 triệu tấn/năm) thấp hơn nhiều so với tốc độ khai thác cát hiện tại (50 triệu tấn/năm)."

3. Cơ chế khoét sâu lòng dẫn và dịch chuyển trục động lực xói lở do mỏ cát Tân An: Tại đoạn sông Tiền qua thị trấn Tân Châu, mô phỏng mùa lũ 2002 theo các kịch bản: Kịch bản KB1 (1999–2001 không khai thác), KB2a (2002 không khai thác), KB2b (2002 có khai thác cát theo thời gian với lưu lượng $200.000\text{ m}^3/\text{năm}$). Dữ liệu đo đạc và mô phỏng chỉ ra rằng:

   "Vào thời kỳ mỏ cát Tân An đã đi vào hoạt động, kết quả đo đạc địa hình cho thấy luồng xói tại khu mỏ cát Tân An đã phát triển thêm 11 m, đạt đến cao trình -23 m tại mặt cắt 1-1 đến năm 2006... Tốc độ xói lở ở đây nhanh hơn giai đoạn trước; tốc độ xói lở trung bình hơn 3 m/năm." Hố sâu tại đoạn uốn cong Tân Châu từ $-32\text{ m}$ (năm 1999) dù được xử lý công trình lấp hố xói năm 2003 giảm còn $-29,5\text{ m}$ (2006), nhưng do hoạt động xáng cạp thượng lưu đã bị khoét sâu xuống mức kỷ lục $-41\text{ m}$ vào năm 2019. Lòng dẫn phía hạ lưu mỏ cát bị hạ thấp nghiêm trọng, cù lao Béo (dài 2,26 km) bị biến mất hoàn toàn vào năm 2006.

4. Quy luật tương tác thủy động lực ven biển Sóc Trăng theo mùa gió: Dòng tổng hợp ven bờ chịu sự chi phối áp đảo của tương tác triều - sóng - gió:
   • Mùa gió Đông Bắc (GMĐB): Dòng triều dâng hướng Đông Bắc – Tây Nam cùng hướng với dòng chảy ven bờ do sóng/gió tạo ra, làm gia tăng biên độ vận tốc dòng tổng hợp trong cả pha triều dâng và triều rút (vận tốc đạt cực đại $> 0,85\text{ m/s}$), gây xói lở bờ biển dữ dội.
   • Mùa gió Tây Nam (GMTN): Dòng triều dâng Đông Bắc – Tây Nam đối kháng trực tiếp với dòng ven bờ Tây Nam – Đông Bắc, làm triệt tiêu động năng, dòng tổng hợp suy giảm, tạo điều kiện thuận lợi cho phù sa mịn bồi tụ rừng ngập mặn.
   • Thành phần dòng chảy thuần túy do gió cục bộ đóng góp tỷ trọng không đáng kể vào trường lưu tốc tổng hợp ven bờ.
5. Hiệu ứng bảo vệ cục bộ của hệ thống công trình kè mỏ hàn: Đoạn kè 4 km tại bờ Đồng Tháp và 3 km tại bờ An Giang xây dựng từ 2002–2003 đã giữ ổn định hình học đường bờ dốc tại đoạn uốn cong Tân Châu đến năm 2019, tuy nhiên lại chuyển hướng ứng suất cắt đáy xuống lòng dẫn sâu, kích thích xói sâu đáy cục bộ giữa lòng sông.

Implications đa chiều

• Về mặt học thuật và lý thuyết: Cung cấp công cụ toán số giải bài toán thủy thạch động lực học trên hệ tọa độ cong tự lập trình, giải phóng sự phụ thuộc vào các phần mềm thương mại đắt tiền (như MIKE 21C trị giá hàng chục nghìn USD) nhưng vẫn đảm bảo độ hội tụ cao và khả năng can thiệp thuật toán nguồn.
• Về phương pháp luận ứng dụng: Thiết lập quy trình chuẩn tích hợp hàm số khai thác cát biến đổi $S_m(t)$ vào mô hình hình thái đáy, mở ra phương pháp đánh giá định lượng tác động môi trường (ĐTM) cho các dự án nạo vét luồng hàng hải và khai thác khoáng sản lòng sông.
• Về quản trị tài nguyên và chính sách công:
  • Quy hoạch mỏ cát dựa trên sức tải thủy lực: Đề xuất UBND tỉnh An Giang và Đồng Tháp không cấp phép gia hạn các mỏ cát nằm tại đầu các cù lao ngầm và đoạn uốn cong có độ sâu $> -15\text{ m}$.
  • Cơ chế kiểm soát sản lượng theo mùa: Cấm tuyệt đối hoạt động khai thác cát trong thời gian đỉnh lũ (tháng 9 – tháng 11) khi ứng suất tiếp đáy tự nhiên vượt ngưỡng tới hạn xói $\tau > \tau_{ce}$.
  • Chiến lược bảo vệ bờ biển Sóc Trăng – Bạc Liêu: Bố trí các công trình giảm sóng ngoài khơi đón đầu hướng sóng GMĐB nhằm phá vỡ sự cộng hưởng gia tăng dòng chảy ven bờ.

Limitations và Future Research

Tác giả thẳng thắn chỉ ra 4 giới hạn nghiên cứu xuất phát từ điều kiện tính toán và dữ liệu biên:

1. Mô hình giả định nồng độ bùn cát đáy đồng nhất một cấp hạt đại diện ($d_{50}$), chưa mô phỏng phân đoạn đa cấp hạt (graded sediment transport) và quá trình phân tầng mật độ bùn cát kết dính sâu.
2. Chưa tích hợp thuật toán sạt lở bờ dốc tự động (Bank failure geotechnical module) dựa trên cơ học đất (trượt cung tròn/phẳng) khi chân bờ bị xói rỗng hàm ếch.
3. Bước lưới vùng biển ven bờ Sóc Trăng còn tương đối lớn ở ngoài khơi, chưa chi tiết hóa trường sóng vỡ cục bộ quanh các dải rừng ngập mặn bãi triều hẹp.
4. Nguồn số liệu khai thác cát thực tế phải ước tính dựa trên công suất cấp phép và tài liệu quan trắc gián đoạn, do thiếu hệ thống giám sát AIS/GPS tự động trên các phương tiện khai thác cát lậu.

Chương trình nghiên cứu tiếp theo (Future Research Agenda) định hướng:

• Mở rộng mô hình lên hệ tọa độ cong 3 chiều ($\xi, \eta, \sigma$) để mô tả chi tiết hoàn lưu thứ cấp thẳng đứng.
• Tích hợp trí tuệ nhân tạo (PINNs - Physics-Informed Neural Networks) để tối ưu hóa thời gian tính toán mô phỏng thời gian thực phục vụ hệ thống cảnh báo sớm sạt lở bờ sông ĐBSCL.

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng học thuật: Đặt nền móng cho các nhóm nghiên cứu thủy văn tính toán tại Việt Nam làm chủ mã nguồn mô hình 2D tọa độ cong; dự kiến đóng góp vào các công bố quốc tế thuộc danh mục Scopus/WoS trong lĩnh vực Journal of Hydrology hoặc Coastal Engineering.
• Chuyển đổi công nghiệp và tư vấn R&D: Cung cấp công cụ mô phỏng hỗ trợ các Tổng công ty tư vấn thiết kế giao thông thủy, Viện Quy hoạch Thủy lợi tối ưu hóa vị trí nạo vét luồng tàu và thiết kế đê kè kè mềm giảm sóng.
• Tác động chính sách cấp vùng: Cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp cho Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng chống thiên tai và UBND các tỉnh ĐBSCL triển khai Nghị quyết 120/NQ-CP về phát triển bền vững ĐBSCL thích ứng với biến đổi khí hậu.
• Lợi ích kinh tế – xã hội: Giảm thiểu thiệt hại hàng trăm tỷ đồng mỗi năm do sạt lở cuốn trôi nhà cửa, cơ sở hạ tầng giao thông dọc bờ sông Tiền và đường bờ biển Sóc Trăng.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tiếp cận hệ phương trình vi phân biến đổi trên hệ tọa độ cong trực giao và mã nguồn giải thuật số học bán ẩn ADI mẫu mực.
• Các nhà khoa học cao cấp chuyên ngành Thủy lực – Địa kỹ thuật: Sử dụng bộ dữ liệu kiểm chứng và kịch bản mô phỏng tương tác xáng cạp - hình thái đáy để phát triển các lý thuyết cân bằng động lòng sông.
• Kỹ sư công trình thủy và tư vấn nạo vét: Ứng dụng quy trình tính toán xác định quy mô khai thác cát an toàn không gây sụp đổ bờ luồng dẫn.
• Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Nông nghiệp & PTNT, Bộ Tài nguyên & Môi trường): Có công cụ khách quan để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và cấp phép mỏ khoáng sản lòng sông.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng hệ phương trình biến hình lòng dẫn Exner truyền thống bằng cách thiết lập số hạng nguồn khai thác cát động $S_m(\xi, \eta, t)$ trên hệ tọa độ cong trực giao. Mô hình đã chuẩn hóa mối quan hệ giữa tốc độ khai thác cơ giới và tốc độ phục hồi tự nhiên của đáy sông, chứng minh rằng sự thâm hụt trầm tích cục bộ sẽ tái phân bố ứng suất cắt dòng chảy, gây ra hiện tượng sụt hạ đáy lan truyền về phía hạ lưu.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây?

So với mô hình TREM của Nguyễn Tiền Giang & Izumi (2011) vốn dùng sơ đồ ẩn dễ phân kỳ khi có phân lưu/nhập lưu, và mô hình tọa độ cong của Nguyễn Thị Bảy (1996) chỉ giải với biên mực nước hằng số và bùn cát không kết dính, luận án đã: (a) Phát triển sơ đồ giải ADI phân kỳ ổn định với mọi điều kiện biên lưu lượng biến thiên $Q(t)$, (b) Tích hợp đồng thời 3 module sóng - gió - dòng chảy, và (c) Tự động hóa quá trình bù trừ lưới biến dạng khi lòng đáy sụt sâu tới 11 m.

3. Phát hiện bất ngờ và phản trực giác nhất từ dữ liệu thực nghiệm?

Phát hiện bất ngờ nhất là hoạt động xây dựng công trình kè bờ kiên cố tại Tân Châu (4 km kè Đồng Tháp, 3 km kè An Giang năm 2002–2003) dù bảo vệ thành công hình học đường bờ không bị xói lùi, nhưng lại gián tiếp "khóa chặt" mặt cắt ngang, kết hợp với các hố xáng cạp thượng lưu làm hội tụ dòng xiết, khoét sâu lòng dẫn từ $-32\text{ m}$ xuống $-41\text{ m}$ (năm 2019). Công trình kè bảo vệ bờ trên đất liền vô tình làm trầm trọng thêm nguy cơ mất ổn định cung trượt ngầm dưới lòng sông sâu.

4. Luận án có cung cấp đầy đủ giao thức để tái lặp nghiên cứu (Replication Protocol)?

Có. Luận án trình bày chi tiết toàn bộ ma trận hệ số biến đổi Lamé, công thức sai phân hữu hạn cho từng nút lưới, sơ đồ khối tính toán tường minh từ Cal1 đến Cal5, bộ thông số nhám Manning ($n = 0,025 - 0,032$), hệ số nhớt rối Smagorinsky, tọa độ trích xuất điểm đo (VT1, VT2, VT3) và bảng dữ liệu biên đầu vào tại trạm Tân Châu và vùng biển Sóc Trăng.

5. Khung chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình ra sao?

Khung nghiên cứu 10 năm tập trung vào: (1) Xây dựng hệ thống Digital Twin (Bản sao số) thời gian thực cho toàn bộ mạng lưới sông Tiền – sông Hậu, (2) Tích hợp dữ liệu vệ tinh Radar InSAR quan trắc biến dạng bờ sông với mô hình thủy thạch động lực học 3D, và (3) Đánh giá tổng thể tác động của chuỗi 11 đập thủy điện dòng chính Mekong kết hợp biến đổi khí hậu toàn cầu đến hình thái đồng bằng châu thổ ĐBSCL.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Thị Kim là một công trình khoa học công phu, chuẩn mực và mang tính đột phá cao trong lĩnh vực cơ học tính toán tài nguyên nước và quản lý môi trường bờ sông - bờ biển tại Việt Nam.

Tóm lược 5 đóng góp học thuật và thực tiễn cốt lõi:

1. Xây dựng thành công bộ công cụ mô hình toán 2D thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trên hệ tọa độ cong trực giao $(\xi, \eta)$, giải quyết triệt để sai số vận tốc biên bờ dốc.
2. Tích hợp tiên phong hàm nguồn khai thác cát biến đổi theo thời gian $S_m(t)$ vào phương trình liên tục bùn cát đáy, tái hiện chính xác diễn biến xói lở hạ lưu mỏ cát Tân An với tốc độ xói vượt $3\text{ m/năm}$.
3. Xác lập bản chất tương tác giữa trường gió mùa và sóng triều tại vùng ven biển Sóc Trăng, giải thích cơ chế xói mòn mạnh trong mùa GMĐB và bồi tụ lắng đọng trong mùa GMTN.
4. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu mô phỏng thủy văn - bùn cát chi tiết qua các trận lũ lịch sử 1999, 2001 và 2002 tại trạm Tân Châu với các chỉ số kiểm định $R^2 > 0,92$.
5. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách quản lý quy hoạch khai thác cát bền vững, góp phần trực tiếp vào công tác bảo vệ bờ và phòng chống thiên tai sạt lở tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRÀN THỊ KIM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC, VẬN CHUYÊN BÙN CÁT VÀ HÌNH THÁI ĐÁY TRONG HỆ TỌA ĐỘ CONG - ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT SÓ TRƯỜNG HỢP Ở ĐÒNG BANG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIEN SĨ KỸ THUẬT TP. HO CHÍ MINH, NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH VIEN MOI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYEN TRAN THỊ KIM XAY DUNG MO HINH THUY DONG LUC, VAN CHUYEN BUN CAT VA HÌNH THAI DAY TRONG HE TOA ĐỘ CONG - ÁP DUNG TÍNH TOÁN CHO MOT SO TRƯỜNG HOP Ở DONG BANG SONG CUU LONG Ngành: Quản lý tai nguyên và môi trường Mã ngành: 9850101 NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC: 1. NGUYEN KỲ PHÙNG 2. NGUYEN VAN PHƯỚC Cán bộ hướng dẫn 1 Cán bộ hướng dẫn 2 GS.TS NGUYÊN KỲ PHÙNG GS.TS NGUYEN VĂN PHƯỚC TP.

HO CHÍ MINH, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ — Xây dung mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ toa độ cong — Ap dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng sông Cửu Long” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chưa được công bố trong bat kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, được phân tích theo các phương pháp tiêu chuân có cơ sở khoa học và độ tin cậy cao. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dan và tham chiếu đầy đủ. Kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố theo đúng quy định trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín.

HCM, năm 2023 Nghiên cứu sinh Trần Thị Kim ii LOI CAM ON Đề hoàn thành luận án tiến sĩ này, tôi xin bay tỏ lòng biết ơn chân thành đến Quý Thầy Cô và các cán bộ, công nhân viên Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. HCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi. Tôi xin bày tỏ long cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy GS. Nguyễn Kỳ Phùng, GS.

Nguyễn Văn Phước và PGS. Nguyễn Thị Bảy. Các thầy cô là người đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và đốc thúc tiễn độ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Luận án này không thé thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và động viên vô cùng to lớn từ gia đình tôi, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn to lớn đến những người thân trong gia đình.

Cuối cùng, đối với bạn bè, đồng nghiệp của tôi ở đơn vị công tác và những nơi khác, tôi xin ghi lòng những góp ý hữu ích trong chuyên môn và những chia sẻ trong cuộc sống. HCM, năm 2023 Nghiên cứu sinh Trần Thị Kim 11 TÓM TẮT Luận án này tập trung vào xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyên bùn cát và hình thái đáy trong tọa độ cong và áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng bằng sông Cửu Long, cụ thé: Mô hình thủy động lực trong tọa độ cong với ba module (dòng chảy, sóng và gid) được xây dựng dựa trên hệ phương trình Reynolds trung bình theo chiều sâu, sau một số phép biến đổi trên tọa độ cong. Sau khi mô hình được xây dựng đã tiễn hành kiểm định khi tính toán trong kênh hẹp, kênh chữ U và có so sánh với kết quả khi tính trên hệ tọa độ đề các. Kết quả cho thấy khi tính toán bằng mô hình thủy động lực trên hệ tọa độ đề các, kết quả vận tốc sát bờ không tối ưu bằng tính trên hệ tọa độ cong.

Mô hình vận chuyên bùn cát và hình thái đáy được thiết lập dựa trên hệ phương trình chuyền tải bùn cát, có tính đến hàm số nguồn, mô tả tốc độ bốc lên hay lắng xuống của hạt trên hệ tọa độ cong với hai module: module phù sa lơ lửng và module diễn biến đáy (có nguồn khai thác cát). Hon vậy, một diém mới mà mô hình đã phát triển được là nguồn khai thác cát biến động theo thời gian dé kết quả tính toán diễn biến đáy phù hợp với thực tế hon mà hiện nay hau hét các mô hình van chưa có nguôn này. Đề thấy rõ ứng dụng nguồn khai thác cát, mô hình tọa độ cong được thiết lập sẽ áp dụng dé tính toán diễn biến đáy cho khu vực Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát với 3 kịch bản: diễn biến đáy từ năm 1999 đến năm 2001 trong điều kiện không có khai thác cát, diễn biến đáy năm 2002 khi có và không có hoạt động khai thác cát. Kết quả cho thấy, khi có hoạt động khai thác cát, lòng dẫn về phía hạ nguồn sẽ bị tác động rất lớn.

Mô hình tiếp tục áp dung dé tính toán dòng chảy tong cộng ven bờ tỉnh Sóc Trăng, là khu vực ven biển, nơi có ảnh hưởng của thủy triều, sóng, gió. Kết quả cho thấy vào mùa gió Đông Bắc, dòng triều lên từ phía Đông Bắc — Tây Nam, có hướng cùng với dòng ven bờ chảy, dẫn đến dòng tổng hợp tăng khi triều lên và triều xuống. Tương tự vậy trong mùa gió Tây Nam, dòng triều có hướng từ Đông Bac — Tây Nam có hướng ngược với dòng ven bờ chảy từ Tây Nam — Đông Bac, dẫn đến dòng tổng hợp giảm khi triều lên và triều xuống. Dòng chảy gió ảnh hưởng đến khu vực là không đáng ké.

iv ABSTRACT This thesis focuses on building hydrodynamic, sediment transport and bed change models on curvilinear coordinate system and applying to some cases in the Mekong Delta. In more detailed, the hydrodynamic model with three modules: flow module, wind module and wave module is built based on the depth-averaged Reynolds equation system, after some transformations on curvilinear coordinates. After coding, it has been verified by some problems in narrow channels, U-shaped channels and compared with the problem on Cartesian coordinate system. The results show that on Cartesian coordinate system, the velocities of nearshore are not as optimal as simulated on curvilinear coordinate system.

The sediment transport and bed change model is established based on a system of sediment transport and bed change equations, integrated the source function which is the rate of rising or settling of particles on a curved coordinate system. The model has two modules: the sediment transport and bed change modules (with sand mining function). Furthermore, the model including the sand mining function over time simulates the bed change more consistent with the reality. To identify the application of the sand mining function, the model will be applied to simulate the bed change for Tan Chau area under the influence of sand mining with 3 scenarios: bed change from 1999 to 2001 and that in 2002 with and without sand mining.

The results show that the bed-change in downstream will be greatly affected when there is sand mining. When simulating the total flow along the coast of Soc Trang province under the influence of tides, waves and winds, the tidal currents rise from the northeast to the southwest, which have same direction as the coastal current. This is a cause leading to an increase in the combined current at high tide and low tide in the northeast monsoon season. Similarly, during the southwest monsoon season, the tidal current from Northeast to Southwest has the opposite direction to the coastal current from Southwest to Northeast, leading to a decrease in the combined current during high tide and low tide.

Wind flow affecting the area is negligible. i 098/9 0), ee ii TOM 06/0057. V DANH MỤC CHỮ VIET TAT. 5- << S22 £s£ se se sessesesessesersee viii.

x DANH MUC HINH. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu Mghién CỨU. Mục tiêu tổng quất.

Muc ấu iu 0. Nội dung nghiên CỨU. Đối tượng và phạm Vi nghiên cứu .-- 5< s- se sssessssssse=sssssssessessess 5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu.

Tính mới của luận AN .d << <6 89 594 99894 9894999999994899596988969996 7 CHUONG 1 TONG QUAN VE TINH HÌNH NGHIÊN CỨU. 8 11 Tinh hình nghiên cứu ngoai nC .1 Sự phát triển của mô hình 2DD.- ¿2 + s+SE+EE+E£+E£+EeEEeEEerxersrrerreee 8 1.2 Ứng dung các mô hình tọa độ cong 2D vi.2 Tình hình nghiên cứu trong TƯỚC.--- +: 5£ £+SE£EE£EE2EEEE1271212112117111711 2111110.2 Ứng dung các mô hình tọa độ cong.---¿---¿-s¿++x++zxzxx+zx+srxs 23 VI 1. Các nghiên cứu về thủy động lực và diễn biến bùn cát đáy ở Đồng bằng SONG 0ì8009),: 1171777.3 Nhận xét chung.1 Những thành tựu dat ẨƯỢC.2 Những vấn đề tồn tại.4 _ Đặt van đề nghiên cứu của luận án.1 Vấn để nghiên cứu.2 Trường hợp ứng dỤụng.- «+ HH TH HH ngư40 1.5 Kết luận chương .---s-s°-scscssssssessessersetssessrrserssrsssse 42 CHUONG 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VA SỐ LIỆU .1 Khung phương pháp luận.1 Dit Hu thu thap oe .2 Phương pháp GIS.-- --- 11v TH HH TH ket 47 2. Phương pháp mô hình toán.2 Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trên hệ f0a dO CON .1 Cơ sở lý thuyết phương trình thủy lực, vận chuyên bùn cát và hình thái đáy trên hệ tọa độ vuÔng BÓC.2 Các biến đổi trong hệ tọa độ cong.3 Chuyên đôi các phương trình cơ bản sang tọa độ cong.4 Sơ đồ giải các mô hình.-- 2-2 ¿+ +E+EE£EE2EE+E2EEEEEEEEEerkerkerkerkee 71 2.3 Kết luận chương .s-scsscs©csecsscsseesessersersersserserssrssesee 92 CHUONG 3 : KET QUÁ VÀ THÁO LUẬN .1 Kiểm tra module thủy động lực và vận chuyển bùn cát.1 Kiểm tra module thủy động lực trong tọa độ cong.2 Kiểm tra module vận chuyền bùn cát.-- 2-2-5 sz+sz+s+zxezseex 98 3.3 Kiểm tra module SOng.2 Ứng dung mô hình để tính toán hình thái đáy cho đoạn sông Tiền chảy qua thị tran Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát.1 Giới thiệu về phạm Vi tính toán.2 Thiết lập mô hình.

Hiệu chỉnh va kiểm định mô hình .4 Mô phỏng diễn biến đáy đoạn sông Tiền chảy qua thi tran Tân Chau. Ứng dụng mô hình để tính toán dòng cháy vùng ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hướng của sóng, gió và thủy triỀu.1 Tổng quan về khu vực tính toán .2 Thiết lập mô hình.3 Cân bằng năng lượng triều cho 8 sóng.----:-2cc+cc+cccse+ 35 3. Dòng chảy vùng ven bờ tinh Sóc Trăng.4 _ Kết luận chương.---seese+ec++vsettrvxseetrrrssrrrrreesee 155 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ .--+°©CCV22vveeseetervvzvxesssrrororre 156 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ CÓ LIÊN QUAN ĐÉN LUẬN ÁN. TÀI LIEU THAM KHAO .---s°2s£2+esevEE2Sseevvvveseerrrxesrerrsee 162 TONG HỢP CÁC PHU LỤC.cccc5s5cc© tESEESEEEEEEEEEEvvvrvrerrsssrsee 171 Vili DANH MUC CHU VIET TAT ADCIRC : Advanced Circulation (M6 hinh tuan hoan) CSDL : Cơ sở đữ liệu ĐBSCL : Đồng Bằng Sông Cửu Long DHQG-HCM : Đại học Quốc gia Thanh phố Hồ Chi Minh DHTL : Dai hoc Thuy loi GIS : Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) GMĐB : Gió mùa Đông Bắc GMTN : Gió mùa Tây Nam HD : Hydrodynamic Module (Mô đun thủy động lực) MOBED : Mobile Bed KBI : Kịch bản 1 KB2a : Kịch bản 2a KB2b : Kịch bản 2b KTTV : Khí tượng thủy văn NSE: : Nash — Sutcliffe coefficient (Chi số Nash — Sutcliffe) Ng.