Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn là hệ thống sông lớn nhất vùng Duyên hải Trung Trung Bộ với diện tích lưu vực hơn 10.000 km2. Nguồn nước mặt chịu sự chi phối gay gắt của chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa, trong đó lượng mưa mùa lũ kéo dài 4 tháng (từ tháng 9 đến tháng 12) chiếm tới 65% đến 80% tổng lượng mưa cả năm. Nhiều đợt mưa cực đoan có cường suất vượt trên 600 mm/ngày, ghi nhận thực tế tại trạm Thành Mỹ đạt 608 mm/ngày và trạm Hội An đạt 658 mm/ngày trong đợt lũ lịch sử tháng 11 năm 1999.

Sau các đợt lũ lớn liên tiếp giai đoạn 1999 – 2001, sông Quảng Huế xảy ra hiện tượng vỡ bờ cắt dòng tự nhiên tại khu vực xã Đại Cường, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam. Sự xuất hiện của nhánh sông Quảng Huế mới dài khoảng 4 km đã làm nhánh cũ dài 8 km bị bồi lấp gần như hoàn toàn chỉ sau 2 năm. Nhánh sông mới chảy thẳng và có góc phân lưu thuận hơn, làm gia tăng đột biến lượng nước chuyển từ sông Vu Gia sang sông Thu Bồn. Hệ quả là bờ hữu sông bị xói lở dữ dội, tạo ra lạch sâu mới từ 1 đến 4 m, cuốn trôi hàng trăm héc-ta đất canh tác tại các thôn 8, thôn 9, Ô Gia Bắc, làm đứt gãy tuyến giao thông liên huyện và hư hại mạng lưới điện 110 kV. Đồng thời, sự biến đổi dòng chảy này khiến hạ lưu sông Thu Bồn ngập lụt trầm trọng, trong khi hạ lưu sông Vu Gia bị kiệt nước và xâm nhập mặn sâu, đe dọa trực tiếp nguồn nước tưới cho 10.000 ha đất canh tác và nguồn nước sinh hoạt của hơn 1 triệu người dân tại thành phố Đà Nẵng.

Luận văn hướng tới mục tiêu đánh giá toàn diện chế độ thủy văn, thủy lực mùa lũ trên toàn hệ thống; mô phỏng các kịch bản dòng chảy nhằm xác định chính xác các thông số kỹ thuật phục vụ thiết kế tuyến kè bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế từ vị trí K0+782,4 đến K1+442,7 với chiều dài 660 m. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại ngã ba sông Quảng Huế và mở rộng tính toán thủy lực cho toàn bộ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn trên chuỗi dữ liệu thực đo từ năm 1995 đến 2010. Kết quả nghiên cứu là căn cứ khoa học trực tiếp hỗ trợ giải pháp ổn định bờ sông, bảo vệ tính mạng người dân và tối ưu hóa hiệu quả đầu tư dự án chỉnh trị trị giá 178 tỷ đồng do Ngân hàng Thế giới tài trợ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thủy động lực học dòng chảy không ổn định trong kênh hở một chiều (1D) thông qua hệ phương trình vi phân Saint-Venant toàn phần gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. Phương trình liên tục phản ánh định luật bảo toàn khối lượng giữa biến thiên lưu lượng theo không gian và biến thiên diện tích mặt cắt ướt theo thời gian. Phương trình động lượng biểu diễn sự cân bằng giữa các lực quán tính, lực trọng trường, độ dốc mặt nước và lực ma sát đáy kênh dựa trên công thức Chezy – Manning với hệ số nhám n dao động từ 0,01 đến 0,1.

Bên cạnh đó, đề tài kết hợp phương trình tải khuếch tán một chiều để mô tả quá trình chuyển tải khối lượng và lý thuyết cơ học đất ứng dụng trong tính toán ổn định mái dốc công trình thủy công. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: tần suất lũ thiết kế (P = 1%, 2%, 5%, 10%), lưu lượng đỉnh lũ thiết kế với giá trị P = 1% tại trạm Nông Sơn đạt 11.010 m3/s và trạm Thành Mỹ đạt 7.680 m3/s, đường bão hòa thấm trong thân đê kè, và hệ số an toàn trượt mái dốc nhỏ nhất Kmin trong điều kiện mực nước rút nhanh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập đồng bộ từ mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn quốc gia và các đợt khảo sát thực địa. Cụ thể, tài liệu hình học sử dụng 64 mặt cắt địa hình thực đo chi tiết dọc theo hệ thống sông được lập vào tháng 12 năm 2007. Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn bao gồm dữ liệu mưa ngày, mưa giờ tại các trạm Đà Nẵng, Ái Nghĩa, Thành Mỹ, Trà My và dữ liệu mực nước, lưu lượng giờ tại 5 trạm thủy văn chính: Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Giao Thủy và Câu Lâu.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm chuỗi số liệu quan trắc liên tục 15 năm (1995 – 2010), trong đó chọn lọc 5 trận lũ lớn điển hình có biên độ triều và lưu lượng đỉnh cao để tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các điểm nút phân lưu chiến lược và các trạm khống chế dòng chảy chính nhằm đảm bảo tính bao quát toàn diện của hệ thống thủy lực phức tạp.

Phương pháp phân tích trọng tâm là mô hình toán thủy lực MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, sử dụng sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu để giải hệ phương trình phi tuyến. Mô hình kết hợp modul NAM để tính toán dòng chảy từ 7 biên nhập lưu lưu vực (gồm lưu vực sông Bung 2.530 km2, sông Kôn 627 km2, cùng 5 khu vực nhập lưu phân tán). Độ chính xác của mô hình được đánh giá qua chỉ số Nash-Sutcliffe và phương pháp thử dần hệ số nhám. Sau khi xác định được các trường lưu tốc và mực nước thiết kế, kết quả được chuyển tiếp sang phần mềm Geoslope để phân tích độ ổn định mái kè theo phương pháp lát cắt giới hạn cân bằng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy lực và phân tích dữ liệu thực nghiệm đã chỉ ra các phát hiện cốt lõi về quy luật dòng chảy khu vực ngã ba sông Quảng Huế:

Thứ nhất, việc hình thành nhánh sông mới làm biến dạng mạnh mẽ quy luật phân lưu tự nhiên giữa sông Vu Gia và Thu Bồn. Nhánh Quảng Huế mới chảy thẳng đã rút ngắn khoảng cách truyền dòng tới 50% so với nhánh cũ, làm gia tăng tốc độ và tỷ lệ chuyển nước sang sông Thu Bồn trong mùa lũ. Thời gian truyền lũ trên đoạn sông Thu Bồn từ Sơn Tân đến Nông Sơn dài 19 km chỉ mất trung bình 3,5 giờ với tốc độ cực đại 9,5 km/h. Ngược lại, trên nhánh Vu Gia từ Thành Mỹ về Ái Nghĩa dài 47 km, thời gian truyền lũ trung bình là 7,8 giờ với tốc độ 5,2 đến 8,1 km/h; đoạn hạ lưu Ái Nghĩa – Cẩm Lệ dài 23 km có thời gian truyền lũ kéo dài tới 15,6 giờ và vận tốc giảm xuống chỉ còn 1,5 đến 2,3 km/h.

Thứ hai, trường lưu tốc tại tuyến công trình tăng cao đột biến trong các kịch bản lũ lớn. Trong mùa kiệt, lưu tốc dòng chảy tại tuyến ngã ba dao động từ 0,59 m/s đến 0,94 m/s ứng với tần suất từ 95% về 10%. Tuy nhiên, trong các trận lũ thiết kế tần suất P = 1% và P = 5%, vận tốc dòng chảy dọc bờ hữu vượt xa vận tốc không xói của nền đất phù sa bãi bồi, thúc đẩy quá trình xói sâu từ 1 đến 4 m sát chân bờ thượng lưu cầu Quảng Huế.

Thứ ba, sự bất đối xứng giữa chế độ dòng chảy mùa lũ và mùa kiệt tạo ra rủi ro kép cho vùng hạ du. Lũ trên hai sông chính xảy ra gần như đồng pha, kết hợp tổng lượng dòng chảy mùa kiệt chỉ chiếm 30% đến 40% cả năm, trong khi mùa lũ chiếm trên 80%. Điều này lý giải mức độ ngập lụt diện rộng với cao trình mực nước vượt ngưỡng +10 m đến +11 m tại khu dân cư Đại Cường trong các năm 1998, 1999, 2007 và 2009, gây thiệt hại kinh tế lên đến 1.700 tỷ đồng năm 2007 và hơn 3.000 tỷ đồng năm 2009.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự mất ổn định hình thái lòng dẫn tại ngã ba Quảng Huế là do cấu tạo địa chất bãi bồi chứa tới 70% là cát mịn và phù sa bở rời, rất dễ bị cuốn trôi khi gặp dòng chảy xiết. Kết quả tính toán cho thấy khi nhánh sông mới mở rộng, gradient độ dốc mặt nước tăng mạnh, kéo theo năng lượng dòng chảy tập trung khoét sâu bờ hữu.

Trên các đồ thị quá trình mực nước thực đo và mô phỏng tại 5 trạm kiểm định (Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Giao Thủy, Câu Lâu), đường cong tính toán bám rất sát đỉnh lũ thực đo với chỉ số Nash đạt độ tương quan cao. Khi tổng hợp kết quả thủy lực qua bảng số liệu tại 5 mặt cắt đặc trưng (từ C40 đến C57), sự biến thiên mực nước và lưu tốc cục bộ thể hiện rõ nét tác động của các công trình đập khóa và kè mỏ hàn.

So sánh với các giải pháp công trình tạm giai đoạn 2001 – 2005 cho thấy việc đắp đập tạm không có tính toán thủy lực tổng thể đã thất bại sau trận lũ năm 2006. Việc xây dựng 2 đập khóa ở cao trình +7,0 m và +7,5 m kết hợp 7 kè mỏ hàn đã kiểm soát hiệu quả lưu lượng lũ tràn. Khi phân tích ổn định trên phần mềm Geoslope cho 5 mặt cắt C40, C50, C53, C55, C57, hệ số ổn định trượt Kmin trong trường hợp mực nước lũ rút nhanh đều đạt yêu cầu kỹ thuật cho phép khi bố trí kết cấu mái nghiêng lát cấu kiện bê tông đúc sẵn kết hợp chân khay đá đổ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán thủy lực và kiểm tra ổn định công trình, 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình được đề xuất thực hiện:

Thứ nhất, thi công kiên cố hóa 660 m tuyến kè bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế (từ K0+782,4 đến K1+442,7). Thân kè được thiết kế theo dạng mái nghiêng lát tấm bê tông đúc sẵn hoặc đá hộc trong khung giằng bê tông cốt thép, chân kè gia cố bằng lăng thể đá đổ và thảm đá chống xói sâu cục bộ. Mục tiêu đạt hệ số an toàn trượt Kmin ≥ 1,2 trong điều kiện mực nước rút nhanh, hoàn thành trong 18 tháng do Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi chủ trì.

Thứ hai, hoàn thiện và duy trì ổn định hệ thống công trình phân lưu tổng thể. Tiếp tục duy trì cao trình đập khóa số 1 ở mức +7,5 m, đập khóa số 2 ở mức +7,0 m và cao trình hoành triệt cửa ra đạt +6,5 m. Giải pháp này đảm bảo duy trì lưu lượng kiệt thiết kế từ 37 m3/s đến 45 m3/s chảy về hạ lưu Vu Gia, đáp ứng nước sinh hoạt cho thành phố Đà Nẵng qua trạm bơm Cầu Đỏ. Chi cục Thủy lợi tỉnh Quảng Nam thực hiện kiểm tra định kỳ hàng năm.

Thứ ba, thiết lập hệ thống giám sát thủy văn và cảnh báo ngập lụt sớm dựa trên mô hình số MIKE 11. Ứng dụng mô hình để cập nhật chuỗi số liệu mưa giờ từ 7 biên nhập lưu, nâng cao độ chính xác dự báo lũ trước 12 đến 24 giờ cho vùng hạ lưu huyện Đại Lộc và thị xã Điện Bàn. Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp Đài Khí tượng Thủy văn khu vực triển khai trong vòng 2 năm.

Thứ tư, triển khai quy hoạch nạo vét khơi thông luồng lạch kết hợp bảo vệ sinh thái bờ sông. Thực hiện nạo vét định kỳ bãi bồi lòng sông Quảng Huế cũ và trồng tre chắn sóng bảo vệ bãi trên chiều dài 2.050 m bờ sông nhằm tiêu tán năng lượng dòng chảy lũ, giao UBND xã Đại Cường quản lý trực tiếp theo kế hoạch 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tư liệu khoa học và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư tư vấn, thiết kế công trình thủy lợi và giao thông thủy: Tham khảo phương pháp ứng dụng mô hình MIKE 11 để tính toán thủy lực dòng chảy xiết, cách xác định lưu tốc, cao trình đỉnh kè và sử dụng phần mềm Geoslope để kiểm tra trượt mái kè trong điều kiện địa chất bãi bồi phức tạp.
  2. Cán bộ quản lý quy hoạch tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng các số liệu về lưu lượng lũ thiết kế (7.680 m3/s đến 11.010 m3/s) và lưu lượng kiệt (37 m3/s đến 82 m3/s) để xây dựng quy chế điều tiết nguồn nước liên lưu vực, ứng phó hạn mặn và lũ lụt cho tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng.
  3. Giảng viên, nghiên cứu viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật công trình thủy: Kế thừa khung phương pháp luận kết hợp giữa mô hình thủy văn NAM, mô hình thủy lực 1D Saint-Venant và mô hình cơ học đất để phát triển các nghiên cứu chuyên sâu về chỉnh trị sông ngòi miền Trung.
  4. Lãnh đạo chính quyền địa phương và các Ban quản lý dự án xây dựng: Có cơ sở dữ liệu xác thực để xây dựng phương án di dời dân cư vùng sạt lở nguy hiểm, bảo vệ mạng lưới điện 110 kV và quản lý hiệu quả nguồn vốn đầu tư công trình bảo vệ bờ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nhánh sông Quảng Huế mới hình thành lại gây xói lở nghiêm trọng bờ hữu?
    Nhánh Quảng Huế mới có chiều dài chỉ 4 km, ngắn hơn một nửa so với nhánh cũ 8 km nên có độ dốc lòng dẫn lớn và góc phân lưu thẳng. Khi lũ lớn tràn qua, dòng chảy tập trung với vận tốc cao khoét sâu chân bờ từ 1 đến 4 m, gây sập đổ mái đất bồi tích ven bờ hữu xã Đại Cường.

  2. Mô hình MIKE 11 đóng vai trò gì trong việc thiết kế kè bờ sông Quảng Huế?
    Mô hình giải hệ phương trình Saint-Venant trên 64 mặt cắt địa hình thực tế, giúp xác định chính xác mực nước dâng cao trình +10 m đến +11 m và trường lưu tốc thiết kế. Các kết quả này cung cấp số liệu đầu vào chuẩn xác để tính toán cao trình đỉnh kè, chiều sâu chân khay và độ ổn định mái dốc.

  3. Vì sao các công trình chỉnh trị tạm thời trước năm 2006 không phát huy được hiệu quả lâu dài?
    Các công trình trước năm 2006 được đắp tạm cục bộ và chọn cao trình đỉnh đập chưa phù hợp do thiếu tính toán thủy động lực học toàn hệ thống. Khi gặp các trận mưa lũ lớn kéo dài, dòng nước vẫn dồn mạnh về nhánh mới, làm vỡ đập tạm và bồi lấp hoàn toàn nhánh sông cũ.

  4. Tốc độ truyền lũ giữa sông Vu Gia và Thu Bồn có sự chênh lệch như thế nào?
    Tốc độ truyền lũ trên sông Thu Bồn nhanh hơn đáng kể so với sông Vu Gia. Tại đoạn Sơn Tân – Nông Sơn trên sông Thu Bồn, lũ di chuyển với vận tốc cực đại 9,5 km/h, trong khi tại đoạn Ái Nghĩa – Cẩm Lệ ở hạ lưu Vu Gia, tốc độ truyền lũ giảm mạnh chỉ còn 1,5 đến 2,3 km/h.

  5. Việc kiểm tra ổn định mái kè bằng phần mềm Geoslope dựa trên kịch bản nguy hiểm nào?
    Kịch bản nguy hiểm nhất được tính toán là khi mực nước sông rút nhanh đột ngột sau đỉnh lũ kết hợp đất nền thân kè ở trạng thái bão hòa nước hoàn toàn. Geoslope phân tích cung trượt cung tròn tại 5 mặt cắt hiểm yếu để đảm bảo hệ số ổn định trượt Kmin luôn đạt chuẩn an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công mô hình thủy động lực học 1D MIKE 11 cho toàn hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn với 64 mặt cắt địa hình và 7 biên nhập lưu chi tiết.
  • Xác định chuẩn xác các đặc trưng thủy văn, thủy lực phục vụ thiết kế với lưu lượng lũ P = 1% tại Nông Sơn đạt 11.010 m3/s và Thành Mỹ đạt 7.680 m3/s.
  • Làm rõ cơ chế xói lở và đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu cho 660 m tuyến kè bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế từ K0+782,4 đến K1+442,7.
  • Kiểm chứng an toàn trượt mái kè thành công bằng phần mềm Geoslope tại 5 mặt cắt trọng yếu trong điều kiện bất lợi nhất của dòng chảy.
  • Cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn phục vụ quản lý và vận hành hiệu quả dự án chỉnh trị sông quy mô 178 tỷ đồng của ngành nông nghiệp.

Lộ trình tiếp theo trong 12 tháng tới cần tập trung quan trắc diễn biến bùn cát thực tế và mở rộng mô phỏng 2D cho các vùng xoáy phức tạp. Các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn hãy áp dụng ngay bộ thông số thủy lực từ nghiên cứu này để hoàn thiện hồ sơ thiết kế và nâng cao năng lực ứng phó thiên tai cho vùng hạ du.