Tổng quan nghiên cứu

Vùng cửa sông Cửa Tùng thuộc lưu vực sông Bến Hải, tỉnh Quảng Trị, là khu vực giao thoa phức tạp giữa các quá trình động lực sông – biển. Với chiều dài bờ biển khoảng 75 km và lưu vực sông Bến Hải rộng 809 km², vùng nghiên cứu có vai trò quan trọng trong tiêu thoát lũ, giao thông thủy và phát triển kinh tế xã hội ven biển. Theo số liệu quan trắc từ các trạm thủy văn Gia Vòng, Thạch Hãn, Cửa Việt và Đông Hà, lưu lượng trung bình năm của sông Bến Hải đạt khoảng 43,4 m³/s, trong khi lượng mưa năm dao động từ 2000 đến 2800 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 12.

Trong những năm gần đây, sự xuất hiện của các công trình thủy lợi như cầu Tùng Luật, cảng cá Cửa Tùng và kè chắn cát đã tác động mạnh mẽ đến chế độ động lực học vùng cửa sông. Những thay đổi này ảnh hưởng đến dòng chảy, vận chuyển bùn cát, sóng và thủy triều, từ đó làm biến đổi hình thái vùng cửa sông, gây ra hiện tượng xói lở, bồi tụ và ảnh hưởng đến hoạt động kinh tế – xã hội. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích chế độ động lực học vùng cửa sông Cửa Tùng dưới tác động của các công trình thủy lợi, đánh giá ảnh hưởng của chúng đến các yếu tố thủy lực và đề xuất giải pháp quản lý hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung từ ngã ba hợp lưu sông Bến Hải và sông Cánh Hòm đến vùng ven biển Cửa Tùng, với độ sâu vùng biển ven bờ từ 0 đến 15 m. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc quy hoạch chỉnh trị, giảm thiểu thiệt hại thiên tai và phát triển bền vững vùng ven biển Quảng Trị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn – thủy lực hiện đại để nghiên cứu chế độ động lực học vùng cửa sông. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết động lực học sông – biển: Phân tích sự tương tác giữa dòng chảy sông, thủy triều, sóng biển và vận chuyển bùn cát trong vùng cửa sông. Khái niệm về vùng cửa sông, phân vùng cửa sông (đoạn gần cửa, đoạn cửa sông, vùng biển nông trước cửa sông) và các đặc trưng thủy văn – hải văn được sử dụng để xác định phạm vi và tính chất nghiên cứu.

  • Mô hình thủy lực số trị: Sử dụng mô hình MIKE 11 (mô hình thủy lực 1 chiều) và MIKE 21-FM (mô hình thủy lực 2 chiều) để mô phỏng dòng chảy, sóng và vận chuyển bùn cát. Các khái niệm chính bao gồm: dòng chảy thuận – nghịch, dao động mực nước thủy triều, vận chuyển bùn cát, và ảnh hưởng của công trình thủy lợi đến trường thủy động lực.

Các khái niệm chuyên ngành như biên độ triều, dòng triều bán nhật, vận tốc dòng chảy, xói lở – bồi tụ bờ biển, và xâm nhập mặn cũng được phân tích chi tiết để làm rõ cơ chế biến đổi vùng cửa sông.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  • Phân tích xác suất thống kê: Thu thập và xử lý số liệu khí tượng – thủy văn từ 7 trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh Quảng Trị, bao gồm lượng mưa, mực nước, lưu lượng dòng chảy, sóng biển và gió. Thời gian số liệu từ năm 1976 đến nay đảm bảo độ tin cậy cao cho việc phân tích biến động theo mùa và năm.

  • Mô hình toán thủy lực: Áp dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới sông Bến Hải, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo tại các trạm Gia Vòng, Thạch Hãn và Đông Hà. Mô hình MIKE 21-FM được sử dụng để mô phỏng trường sóng và dòng chảy 2 chiều vùng cửa sông và ven biển Cửa Tùng, giúp đánh giá ảnh hưởng của sóng và công trình thủy lợi đến biến động bờ biển.

  • Phân tích tổng hợp: Kết hợp kết quả mô hình với phân tích hiện trạng công trình thủy lợi (cầu Tùng Luật, cảng cá, kè chắn cát) và điều kiện tự nhiên để đánh giá tác động tổng thể đến chế độ động lực học vùng cửa sông. Phương pháp này giúp xác định quy luật biến đổi dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát và đề xuất giải pháp quản lý phù hợp.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2010-2013, với cỡ mẫu số liệu khí tượng – thủy văn trên phạm vi toàn tỉnh Quảng Trị và các điểm đo thực địa tại vùng cửa sông Cửa Tùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của công trình thủy lợi đến dòng chảy vùng cửa sông: Mô hình MIKE 11 cho thấy sau khi xây dựng cầu Tùng Luật và kè chắn cát, lưu lượng dòng chảy tại cửa sông giảm khoảng 15% vào mùa lũ, trong khi vận tốc dòng chảy tại các đoạn hẹp tăng lên 10-12%. Điều này làm thay đổi cơ cấu dòng chảy, gây tích tụ bùn cát ở một số khu vực và xói lở ở các đoạn khác.

  2. Biến động sóng và tác động đến bờ biển: Mô hình MIKE 21-FM xác định sóng mùa đông có độ cao trung bình 0,7-0,8 m, với sóng lớn nhất lên đến 6 m, chủ yếu từ hướng Đông Bắc và Bắc. Sóng này tác động vuông góc với bờ biển Cửa Tùng, gây xói lở mạnh ở các đoạn không có kè chắn. Mùa hè sóng thấp hơn (0,6-0,7 m) và hướng chủ yếu Đông Bắc, tạo điều kiện bồi tụ cát.

  3. Ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái cửa sông: Dòng chảy giảm lưu lượng kết hợp với sóng mạnh làm tăng hiện tượng bồi tụ phía Bắc cửa sông và xói lở phía Nam. Tỷ lệ bồi tụ tăng khoảng 20% so với trước khi có công trình, trong khi xói lở tăng 15%, gây mất cân bằng bùn cát và làm thay đổi hình thái cửa sông.

  4. Tác động đến hoạt động kinh tế – xã hội: Các công trình thủy lợi đã cải thiện giao thông thủy và phát triển kinh tế ven biển, nhưng cũng gây ra ngập úng cục bộ do dòng chảy bị cản trở, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Ví dụ, khu vực gần cầu Tùng Luật có hiện tượng ngập lụt kéo dài hơn 10% thời gian mùa mưa so với trước đây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến đổi trên là do sự thay đổi cơ học trong dòng chảy và sóng do công trình thủy lợi gây ra. So với các nghiên cứu tương tự ở vùng cửa sông ven biển miền Trung, kết quả này phù hợp với xu hướng biến đổi dòng chảy và bồi tụ – xói lở do công trình nhân tạo. Biểu đồ so sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau công trình tại trạm Gia Vòng minh họa rõ sự giảm lưu lượng vào mùa lũ, trong khi biểu đồ vận tốc dòng chảy tại các điểm gần công trình cho thấy sự gia tăng cục bộ.

So với các vùng cửa sông khác như Cửa Việt, vùng Cửa Tùng có đặc điểm địa hình dốc và bờ biển hở nên tác động của sóng và dòng chảy mạnh hơn, làm cho biến động bờ biển diễn ra nhanh và phức tạp hơn. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy sự cần thiết của việc kết hợp mô hình thủy lực 1D và 2D để mô phỏng chính xác các quá trình động lực học đa chiều trong vùng cửa sông.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để quản lý và quy hoạch các công trình thủy lợi, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và phát triển bền vững vùng cửa sông Cửa Tùng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nạo vét luồng lạch định kỳ nhằm duy trì lưu lượng dòng chảy và giảm ngập úng, đặc biệt vào mùa mưa. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý Đê điều và Phòng chống lụt bão tỉnh Quảng Trị, với kế hoạch thực hiện hàng năm.

  2. Xây dựng và cải tạo hệ thống kè chắn cát tại các đoạn bờ bị xói lở nghiêm trọng, ưu tiên khu vực phía Nam cửa sông. Thời gian thực hiện trong vòng 3 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn chủ trì phối hợp với các đơn vị tư vấn.

  3. Ứng dụng mô hình thủy lực số trị để dự báo biến động dòng chảy và sóng phục vụ công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên ven biển. Cần thành lập nhóm chuyên gia nghiên cứu liên ngành, cập nhật dữ liệu quan trắc liên tục.

  4. Phát triển hệ thống quan trắc thủy văn – hải văn tự động tại vùng cửa sông để theo dõi biến động mực nước, lưu lượng, sóng và xâm nhập mặn, giúp cảnh báo sớm và điều chỉnh các hoạt động khai thác. Chủ thể là Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh, phối hợp với Viện Địa lý.

  5. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng về tác động của các công trình thủy lợi và biến đổi môi trường ven biển, khuyến khích tham gia bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên bền vững. Thời gian triển khai liên tục, do các cấp chính quyền địa phương và tổ chức xã hội thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và quy hoạch thủy lợi, giao thông thủy: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích chi tiết về tác động của công trình thủy lợi đến chế độ động lực học vùng cửa sông, giúp hoạch định chính sách và kế hoạch phát triển bền vững.

  2. Các nhà nghiên cứu thủy văn – thủy lực và môi trường ven biển: Cung cấp phương pháp mô hình hóa kết hợp MIKE 11 và MIKE 21-FM, cùng với phân tích số liệu thực địa, làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về động lực học cửa sông và biến đổi môi trường.

  3. Các kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, kè chắn bờ: Thông tin về ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy, sóng và vận chuyển bùn cát giúp thiết kế các công trình phù hợp, giảm thiểu tác động tiêu cực và tăng hiệu quả khai thác.

  4. Cộng đồng dân cư và doanh nghiệp hoạt động ven biển: Hiểu rõ tác động của các công trình thủy lợi đến môi trường sống và hoạt động kinh tế, từ đó có biện pháp thích ứng và tham gia bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu chế độ động lực học vùng cửa sông Cửa Tùng?
    Vùng cửa sông là khu vực giao thoa phức tạp giữa sông và biển, chịu tác động của nhiều yếu tố thủy lực và công trình nhân tạo. Nghiên cứu giúp hiểu rõ quy luật biến đổi, từ đó quản lý và phát triển bền vững vùng ven biển, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

  2. Mô hình MIKE 11 và MIKE 21-FM có vai trò gì trong nghiên cứu?
    MIKE 11 mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới sông, còn MIKE 21-FM mô phỏng dòng chảy và sóng 2 chiều vùng cửa sông và ven biển. Kết hợp hai mô hình giúp mô phỏng chính xác các quá trình thủy lực đa chiều và đánh giá tác động công trình.

  3. Các công trình thủy lợi đã ảnh hưởng như thế nào đến dòng chảy và sóng?
    Công trình làm giảm lưu lượng dòng chảy mùa lũ khoảng 15%, tăng vận tốc dòng chảy cục bộ 10-12%, đồng thời sóng mùa đông với độ cao lên đến 6 m tác động mạnh gây xói lở bờ biển, làm thay đổi hình thái cửa sông.

  4. Giải pháp nào được đề xuất để giảm thiểu tác động tiêu cực?
    Các giải pháp gồm nạo vét luồng lạch định kỳ, xây dựng kè chắn cát, ứng dụng mô hình dự báo, phát triển hệ thống quan trắc tự động và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm quản lý hiệu quả vùng cửa sông.

  5. Ai là đối tượng chính nên sử dụng kết quả nghiên cứu này?
    Nhà quản lý quy hoạch thủy lợi, nhà nghiên cứu thủy văn – thủy lực, kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, cộng đồng dân cư và doanh nghiệp ven biển đều có thể ứng dụng kết quả để phát triển bền vững và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết chế độ động lực học vùng cửa sông Cửa Tùng dưới tác động của các công trình thủy lợi, sử dụng mô hình MIKE 11 và MIKE 21-FM kết hợp số liệu quan trắc thực tế.
  • Kết quả cho thấy công trình thủy lợi làm thay đổi lưu lượng dòng chảy, vận tốc, sóng và vận chuyển bùn cát, gây biến đổi hình thái cửa sông và ảnh hưởng đến hoạt động kinh tế – xã hội.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm duy trì cân bằng động lực học, giảm thiểu xói lở, bồi tụ và ngập úng vùng cửa sông.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho quy hoạch chỉnh trị và phát triển bền vững vùng ven biển Quảng Trị trong giai đoạn tiếp theo.
  • Khuyến nghị tiếp tục cập nhật số liệu quan trắc, ứng dụng mô hình tiên tiến và tăng cường hợp tác liên ngành để nâng cao hiệu quả quản lý vùng cửa sông.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu đánh giá tác động lâu dài của biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội đến vùng cửa sông Cửa Tùng. Các nhà quản lý và chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch phát triển bền vững và phòng chống thiên tai hiệu quả.