Tổng quan nghiên cứu

Trong vòng 20 năm qua, hệ thống đê bao (levee) với tổng chiều dài hàng nghìn km đã được xây dựng tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Việt Nam nhằm mục đích phòng chống lũ lụt, bảo vệ sinh kế và tăng cường sản xuất nông nghiệp. ĐBSCL là vùng đồng bằng ngập lũ rộng lớn, có diện tích khoảng 39.000 km², nơi sinh sống của hơn 17 triệu người và đóng góp hơn 50% sản lượng lúa gạo quốc gia, chiếm 2,4% sản lượng lúa gạo toàn cầu (FAO, 2017). Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống đê bao đã làm thay đổi đáng kể chế độ thủy văn và vận chuyển trầm tích tự nhiên, dẫn đến gia tăng nguy cơ lũ lụt ở các vùng hạ lưu và làm suy giảm nguồn phù sa bồi đắp cho đồng ruộng.

Nghiên cứu tập trung vào sông Vàm Nao, một đoạn sông nối liền hai nhánh chính của sông Mekong là sông Tiền và sông Hậu, thuộc tỉnh An Giang. Khu vực này có chiều dài khoảng 7 km, chiều rộng trung bình 700 m và độ sâu lòng sông trên 17 m, đồng thời là điểm nóng về sạt lở bờ sông và sụt lún đất với nhiều vụ sạt lở nghiêm trọng trong những năm gần đây, điển hình là vụ sạt lở ngày 22/4/2017 gây thiệt hại lớn về nhà cửa và hạ tầng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá chi tiết tác động của hệ thống đê bao đến chế độ dòng chảy và quá trình bồi lắng, xói mòn tại sông Vàm Nao thông qua mô hình thủy động lực 3D tích hợp, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên nước phù hợp nhằm giảm thiểu rủi ro sạt lở và bảo vệ sinh kế người dân. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thủy văn, trầm tích và địa hình thu thập trong giai đoạn 1992-2011, tập trung phân tích ba mùa lũ điển hình nhằm phản ánh biến động dòng chảy và trầm tích trong các điều kiện khác nhau.

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 động lực học và vận chuyển trầm tích trong hệ thống sông ngòi, bao gồm:

  • Lý thuyết dòng chảy sông: Sử dụng phương trình Saint-Venant cho mô hình 1D và phương trình thủy động lực 2D, 3D để mô phỏng dòng chảy trong lòng sông, kênh và vùng ngập lũ. Các phương trình này mô tả sự bảo toàn khối lượng và động lượng của dòng chảy, tính đến các lực ma sát, lực Coriolis và các yếu tố ngoại lực khác.

  • Mô hình vận chuyển trầm tích: Áp dụng các phương trình cân bằng trầm tích, bao gồm vận chuyển trầm tích tầng đáy (bed load) và trầm tích huyền phù (suspended load). Mô hình tính toán sự tương tác giữa vận tốc dòng chảy, kích thước hạt trầm tích và nồng độ trầm tích để xác định quá trình xói mòn và bồi tụ.

  • Khái niệm chính:

    • Đê bao (levee): công trình bảo vệ chống lũ, ngăn dòng chảy tràn vào vùng đồng bằng.
    • Xói mòn bờ sông: quá trình mất đất do dòng chảy làm yếu nền đất bờ sông.
    • Bồi tụ trầm tích: sự tích tụ trầm tích tại các vùng có vận tốc dòng chảy giảm.
    • Mô hình thủy động lực tích hợp 1D-2D-3D: kết hợp mô hình dòng chảy 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều để mô phỏng chính xác các đặc tính thủy lực và vận chuyển trầm tích trong hệ thống sông phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:

    • Dữ liệu thủy văn, trầm tích và địa hình sông Vàm Nao giai đoạn 1992-2011.
    • Dữ liệu khảo sát hiện trường gồm mẫu trầm tích, quan trắc dòng chảy và quan sát sạt lở.
    • Tài liệu nghiên cứu, báo cáo khoa học liên quan đến ĐBSCL và các mô hình thủy lực.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xây dựng mô hình thủy động lực tích hợp 1D-2D-3D sử dụng phần mềm F28, mô phỏng dòng chảy và vận chuyển trầm tích trong sông Vàm Nao và vùng lân cận.
    • Thiết lập hai kịch bản mô phỏng: có đê bao và không có đê bao để so sánh tác động của hệ thống đê.
    • Hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu thực tế để đảm bảo độ chính xác.
    • Phân tích kết quả mô phỏng về thay đổi vận tốc dòng chảy, mực nước, độ sâu lòng sông và quá trình bồi tụ, xói mòn.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Thu thập và xử lý dữ liệu: 6 tháng.
    • Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình: 8 tháng.
    • Phân tích kết quả và đề xuất giải pháp: 4 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thay đổi dòng chảy do đê bao:

    • Vận tốc dòng chảy tại các vị trí cửa sông Vàm Nao tăng trung bình 15-23% trong mùa lũ khi có đê bao so với kịch bản không có đê bao.
    • Mực nước đỉnh lũ tại các điểm đo như Tân Châu và Châu Đốc tăng từ 0,2 đến 0,6 m trong các năm lũ lớn 1992, 1998 và 2011 khi có đê bao.

  2. Biến động độ sâu lòng sông:

    • Độ sâu lòng sông tại hai mặt cắt chính giảm trung bình 0,5-1,2 m do bồi tụ trầm tích tích lũy trong kịch bản có đê bao, đặc biệt rõ rệt trong mùa lũ năm 2011.
    • Sự tích tụ trầm tích tập trung chủ yếu tại khu vực cửa sông và các vùng hợp lưu với sông Tiền và sông Hậu.

  3. Quá trình bồi tụ và xói mòn:

    • Nồng độ trầm tích huyền phù tăng khoảng 10-18% trong mùa lũ khi có đê bao, dẫn đến gia tăng bồi tụ tại các vùng hạ lưu.
    • Tỷ lệ xói mòn bờ sông tăng lên đến 6 m/năm ở các đoạn sông gần đê bao, đặc biệt tại bờ trái sông Vàm Nao.

  4. Ảnh hưởng đến nguy cơ sạt lở:

    • Mô hình cho thấy sự gia tăng vận tốc dòng chảy và thay đổi chế độ trầm tích làm giảm sự ổn định bờ sông, góp phần làm gia tăng nguy cơ sạt lở và lở đất tại khu vực nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình cho thấy hệ thống đê bao đã làm thay đổi đáng kể chế độ thủy lực và vận chuyển trầm tích tại sông Vàm Nao, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tác động của đê bao tại ĐBSCL. Việc tăng vận tốc dòng chảy trong lòng sông do thu hẹp mặt cắt dòng chảy làm tăng khả năng xói mòn bờ sông, đồng thời giảm lượng phù sa bồi đắp cho vùng ngập lũ, ảnh hưởng tiêu cực đến độ phì nhiêu đất và sinh kế nông nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế về tác động của đê bao tại các đồng bằng sông ngòi lớn như sông Amazon và sông Ganges-Brahmaputra, kết quả cũng cho thấy xu hướng tương tự về gia tăng rủi ro lũ lụt hạ lưu và suy giảm trầm tích bồi tụ. Các biểu đồ vận tốc dòng chảy và mực nước mô phỏng có thể minh họa rõ sự khác biệt giữa hai kịch bản đê bao và không đê bao, giúp trực quan hóa tác động của công trình này.

Ngoài ra, sự gia tăng xói mòn bờ sông cũng liên quan đến các hoạt động khai thác cát và thay đổi sử dụng đất, làm phức tạp thêm vấn đề ổn định bờ sông. Do đó, việc quản lý tổng hợp các yếu tố này là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quản lý và giám sát hệ thống đê bao

    • Thiết lập hệ thống quan trắc tự động vận tốc dòng chảy, mực nước và trầm tích tại các vị trí trọng yếu.
    • Mục tiêu: giảm thiểu rủi ro sạt lở và lũ lụt trong vòng 3 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý đê điều tỉnh An Giang.

  2. Xây dựng và triển khai các giải pháp bảo vệ bờ sông bền vững

    • Áp dụng kỹ thuật gia cố bờ sông bằng vật liệu tự nhiên kết hợp với trồng cây chắn sóng.
    • Mục tiêu: giảm tốc độ xói mòn bờ sông xuống dưới 3 m/năm trong 5 năm tới.
    • Chủ thể thực hiện: UBND các huyện ven sông, các tổ chức cộng đồng.

  3. Điều chỉnh quy hoạch và nâng cấp hệ thống đê bao

    • Rà soát, điều chỉnh chiều cao và vị trí đê bao phù hợp với mô hình thủy lực mới, đảm bảo cân bằng giữa phòng chống lũ và duy trì dòng chảy tự nhiên.
    • Mục tiêu: hoàn thành trong 7 năm, giảm thiểu tác động tiêu cực đến dòng chảy và trầm tích.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các đơn vị tư vấn chuyên môn.

  4. Phát triển mô hình mô phỏng thủy lực và trầm tích liên tục

    • Cập nhật dữ liệu và mô hình định kỳ để dự báo và quản lý rủi ro sạt lở, lũ lụt hiệu quả.
    • Mục tiêu: vận hành mô hình thường xuyên, hỗ trợ ra quyết định trong 3 năm đầu.
    • Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các trường đại học liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và đê điều

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của hệ thống đê bao đến dòng chảy và trầm tích, từ đó xây dựng chính sách quản lý hiệu quả.
    • Use case: Lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp đê bao phù hợp với điều kiện thực tế.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường

    • Lợi ích: Nắm bắt phương pháp mô hình thủy động lực tích hợp 1D-2D-3D và ứng dụng trong nghiên cứu thực tiễn.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến biến đổi dòng chảy và trầm tích.

  3. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư ven sông

    • Lợi ích: Hiểu rõ nguyên nhân và hậu quả của sạt lở, từ đó tham gia vào các hoạt động bảo vệ bờ sông và phòng chống thiên tai.
    • Use case: Tổ chức các chương trình nâng cao nhận thức và thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường.

  4. Các nhà hoạch định chính sách phát triển nông nghiệp và đô thị

    • Lợi ích: Đánh giá tác động của đê bao đến sinh kế và phát triển bền vững vùng ĐBSCL.
    • Use case: Xây dựng các kế hoạch phát triển phù hợp với điều kiện thủy văn và địa chất khu vực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống đê bao ảnh hưởng như thế nào đến dòng chảy sông Vàm Nao?
    Hệ thống đê bao làm thu hẹp mặt cắt dòng chảy, tăng vận tốc dòng chảy lên trung bình 15-23% trong mùa lũ, dẫn đến thay đổi mực nước và phân bố trầm tích, làm gia tăng nguy cơ xói mòn bờ sông.

  2. Tại sao sạt lở bờ sông lại gia tăng sau khi xây dựng đê bao?
    Đê bao ngăn dòng chảy tràn vào vùng ngập lũ, làm giảm lượng phù sa bồi đắp tự nhiên và tăng vận tốc dòng chảy trong lòng sông, gây mất cân bằng trầm tích và làm yếu nền đất bờ sông, dẫn đến sạt lở.

  3. Mô hình thủy động lực 3D tích hợp có ưu điểm gì so với mô hình truyền thống?
    Mô hình tích hợp 1D-2D-3D cho phép mô phỏng chính xác hơn các đặc tính dòng chảy và vận chuyển trầm tích trong hệ thống sông phức tạp, bao gồm các vùng hợp lưu, kênh và vùng ngập lũ, giúp đánh giá tác động của công trình thủy lợi hiệu quả hơn.

  4. Giải pháp nào hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực của đê bao?
    Các giải pháp bao gồm tăng cường giám sát, gia cố bờ sông bằng vật liệu tự nhiên, điều chỉnh quy hoạch đê bao phù hợp và phát triển mô hình dự báo thủy lực liên tục nhằm quản lý rủi ro sạt lở và lũ lụt.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng đồng bằng sông ngòi khác không?
    Có, phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để đánh giá tác động của đê bao và các công trình thủy lợi tại các đồng bằng sông ngòi lớn khác như sông Amazon, sông Ganges-Brahmaputra, giúp xây dựng các giải pháp quản lý bền vững.

Kết luận

  • Hệ thống đê bao tại ĐBSCL đã làm thay đổi đáng kể chế độ dòng chảy và vận chuyển trầm tích, làm tăng vận tốc dòng chảy và mực nước đỉnh lũ tại sông Vàm Nao.
  • Quá trình bồi tụ trầm tích gia tăng tại các vùng cửa sông, đồng thời xói mòn bờ sông cũng trở nên nghiêm trọng hơn, làm gia tăng nguy cơ sạt lở đất.
  • Mô hình thủy động lực 3D tích hợp là công cụ hiệu quả để đánh giá tác động của đê bao và hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước.
  • Cần triển khai các giải pháp quản lý tổng hợp, bao gồm giám sát, gia cố bờ sông và điều chỉnh quy hoạch đê bao nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc phát triển bền vững vùng ĐBSCL trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế.

Hành động tiếp theo: Cập nhật mô hình với dữ liệu mới, triển khai hệ thống quan trắc tự động và xây dựng kế hoạch quản lý đê bao linh hoạt, đồng thời tăng cường hợp tác giữa các bên liên quan để bảo vệ sinh kế người dân vùng ĐBSCL.