Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn là một lưu vực sông lớn tại vùng duyên hải miền Trung Việt Nam, có diện tích lưu vực khoảng 10.350 km², trải dài qua tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng. Lưu vực này đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của khu vực, cung cấp nước tưới cho khoảng 10.000 ha đất canh tác và sinh hoạt cho hàng triệu người dân. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, khu vực ngã ba sông Quảng Huế, nơi giao nhau giữa sông Vu Gia và sông Thu Bồn, đã xuất hiện nhiều vấn đề phức tạp về chế độ thủy văn và thủy lực, đặc biệt là hiện tượng sạt lở bờ sông, bồi lấp lòng sông và ngập lụt nghiêm trọng.

Sau các trận lũ lớn năm 1999 và 2000, sông Quảng Huế bị cắt dòng, hình thành nhánh sông mới cách cửa sông cũ khoảng 1,7 km, dẫn đến bồi lấp nhánh cũ và mở rộng nhánh mới. Hiện tượng này gây ra sạt lở nghiêm trọng, làm mất đất canh tác, hư hại cơ sở hạ tầng và đe dọa tính mạng người dân. Mùa lũ kéo dài từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm trên 80% tổng lượng dòng chảy năm, với lưu lượng lũ thiết kế tại trạm Nông Sơn lên tới 11.010 m³/s và tại trạm Thành Mỹ là 7.670 m³/s. Mưa lớn, đặc biệt trong các tháng 10 và 11, có thể lên tới trên 600 mm/ngày, làm gia tăng nguy cơ lũ lụt và xói mòn.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá chế độ thủy văn, thủy lực khu vực ngã ba sông Quảng Huế, mô phỏng dòng chảy theo các kịch bản thiết kế nhằm xác định các thông số phục vụ thiết kế kè bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế, từ K0+782,4 đến K1+442,7, bảo vệ tài sản và đời sống nhân dân xã Đại Cường, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam. Nghiên cứu có phạm vi tính toán mở rộng toàn bộ lưu vực Vu Gia - Thu Bồn, với dữ liệu thu thập từ các trạm thủy văn, khí tượng và địa hình trong giai đoạn nhiều năm gần đây. Kết quả nghiên cứu góp phần giảm thiểu thiệt hại do lũ, ổn định dòng chảy và bảo vệ bờ sông trong khu vực trọng điểm này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết và mô hình chính trong nghiên cứu thủy văn và thủy lực:

  1. Hệ phương trình Saint-Venant: Đây là hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả quy luật biến đổi của mực nước và lưu lượng dòng chảy theo không gian một chiều dọc theo dòng sông. Hệ gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng, được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm trung tâm, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy trong mạng lưới sông phức tạp.

  2. Mô hình thủy lực MIKE 11: Phần mềm thương mại do DHI Water & Environment phát triển, sử dụng hệ phương trình Saint-Venant để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, vận tốc, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát trong hệ thống sông, kênh và cửa sông. MIKE 11 có ưu điểm kết nối với GIS, mô hình mưa-dòng chảy MIKE NAM, mô hình 2 chiều MIKE 21 và các mô hình thành phần khác, giúp phân tích chi tiết và thiết kế công trình thủy lợi.

Các khái niệm chính được sử dụng bao gồm: lưu lượng dòng chảy (Q), mực nước (h), vận tốc dòng chảy (v), hệ số nhám Manning (n), bán kính thủy lực (R), và các thông số thiết kế kè bờ như cao trình đỉnh kè, chỉ tiêu ổn định mái kè.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm:

  • Dữ liệu thủy văn: lưu lượng, mực nước tại các trạm Nông Sơn, Thành Mỹ, Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Giao Thủy, Câu Lâu, thu thập trong nhiều năm.
  • Dữ liệu khí tượng: lượng mưa ngày và giờ tại các trạm Đà Nẵng, Thành Mỹ, Ái Nghĩa, Trà My.
  • Dữ liệu địa hình: 64 mặt cắt sông được đo đạc chi tiết với hệ cao độ quốc gia.
  • Dữ liệu công trình thủy lợi hiện hữu và các công trình chỉnh trị sông Quảng Huế.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích thống kê các đặc trưng dòng chảy, lưu lượng lũ và kiệt, vận tốc dòng chảy theo tần suất thiết kế.
  • Mô hình toán thủy văn và thủy lực một chiều bằng phần mềm MIKE 11, sử dụng hệ phương trình Saint-Venant, kết hợp mô hình mưa-dòng chảy MIKE NAM để mô phỏng các kịch bản lũ.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo tại các trạm thủy văn, sử dụng chỉ số Nash để đánh giá độ chính xác mô hình.
  • Tính toán ổn định mái kè bằng phần mềm Geoslope dựa trên các thông số thủy lực thu được từ mô hình.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2007 đến 2014, bao gồm thu thập số liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng và thiết kế công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế độ dòng chảy và lưu lượng lũ: Lưu lượng trung bình lũ thiết kế tại trạm Nông Sơn (sông Thu Bồn) đạt 11.010 m³/s (tần suất 1%), tại trạm Thành Mỹ (sông Vu Gia) là 7.670 m³/s. Lưu lượng kiệt thiết kế chiếm khoảng 30-40% tổng lượng dòng chảy năm, với lưu lượng nhỏ nhất vào các tháng 4 và 6. Vận tốc dòng chảy tại ngã ba sông Quảng Huế dao động từ 0,59 đến 0,94 m/s tùy theo tần suất thiết kế.

  2. Tốc độ truyền lũ nhanh: Thời gian truyền lũ từ thượng nguồn đến hạ lưu dao động từ 10 đến 23 giờ, với tốc độ truyền lũ trên sông Thu Bồn nhanh hơn sông Vu Gia. Tốc độ truyền lũ giảm dần từ thượng lưu về hạ lưu, đặc trưng cho các sông miền Trung có địa hình dốc và hẹp.

  3. Hiện tượng cắt dòng và hình thành nhánh sông mới: Sau các trận lũ lớn năm 1999-2000, sông Quảng Huế bị cắt dòng, hình thành nhánh mới cách cửa sông cũ khoảng 1,7 km, dẫn đến bồi lấp nhánh cũ gần như hoàn toàn trong vòng 2 năm. Nhánh mới ngày càng mở rộng, gây sạt lở bờ sông nghiêm trọng, làm mất hàng trăm ha đất canh tác và hư hại cơ sở hạ tầng.

  4. Hiệu quả công trình chỉnh trị: Các công trình kè bờ, đập khóa và nạo vét bãi bồi được xây dựng từ năm 2001 đến 2011 đã góp phần ổn định dòng chảy, bảo vệ bờ sông và giảm thiểu thiệt hại do lũ. Trong trận lũ tháng 11/2010, mực nước tại cửa vào sông Quảng Huế mới đạt +9,6 m nhưng toàn bộ công trình vẫn an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng phức tạp thủy lực tại ngã ba sông Quảng Huế là do sự thay đổi tự nhiên của dòng chảy kết hợp với tác động của các trận lũ lớn và hoạt động chỉnh trị chưa đồng bộ. Việc hình thành nhánh sông mới làm thay đổi chế độ dòng chảy, tăng lưu lượng chuyển từ sông Vu Gia sang sông Thu Bồn, gây ngập lụt mở rộng và sạt lở bờ sông.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc sử dụng mô hình MIKE 11 một chiều đã chứng minh hiệu quả trong mô phỏng dòng chảy phức tạp của hệ thống sông có nhiều công trình thủy lợi. Kết quả mô hình phù hợp với số liệu thực đo, chỉ số Nash đạt giá trị cao tại các trạm kiểm tra, cho thấy độ tin cậy của mô hình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng và mực nước theo thời gian tại các trạm, bảng thống kê lưu lượng lũ và kiệt theo tần suất thiết kế, cũng như bản đồ phân bố vận tốc dòng chảy và khu vực sạt lở bờ sông trước và sau khi xây dựng công trình chỉnh trị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và cập nhật số liệu thủy văn: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động tại các vị trí trọng yếu trên sông Vu Gia - Thu Bồn để cập nhật liên tục lưu lượng, mực nước và vận tốc dòng chảy, phục vụ hiệu chỉnh mô hình và dự báo lũ chính xác hơn. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp & PTNT Quảng Nam, thời gian: 1-2 năm.

  2. Hoàn thiện và mở rộng hệ thống công trình kè bờ: Xây dựng thêm các đoạn kè kiên cố tại các vị trí sạt lở nghiêm trọng, đặc biệt là bờ hữu sông Quảng Huế thượng lưu cầu Quảng Huế, với cao trình thiết kế phù hợp theo kết quả mô phỏng thủy lực. Chủ thể: Ban Quản lý Đầu tư Xây dựng Thủy lợi, thời gian: 3-5 năm.

  3. Phát triển mô hình thủy lực đa chiều: Nghiên cứu áp dụng mô hình 2 hoặc 3 chiều cho khu vực ngã ba sông Quảng Huế để mô phỏng chi tiết hơn các hiện tượng dòng chảy phức tạp, từ đó tối ưu hóa thiết kế công trình và giải pháp chỉnh trị. Chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi, thời gian: 2-3 năm.

  4. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, tập huấn cho người dân và chính quyền địa phương về phòng chống thiên tai, quản lý tài nguyên nước và bảo vệ bờ sông nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ và sạt lở. Chủ thể: UBND huyện Đại Lộc, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn để xây dựng chính sách quản lý nguồn nước, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

  2. Chuyên gia và kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi: Thông tin về chế độ thủy văn, thủy lực và các thông số thiết kế kè bờ hữu ích cho việc thiết kế, thi công và vận hành các công trình bảo vệ bờ sông hiệu quả.

  3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy lợi, môi trường: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình toán MIKE 11 trong nghiên cứu thủy lực sông phức tạp, cũng như phương pháp phân tích số liệu thủy văn.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ hoạt động trong lĩnh vực quản lý rủi ro thiên tai: Giúp hiểu rõ nguyên nhân, tác động và giải pháp giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và sạt lở bờ sông, từ đó phối hợp hiệu quả trong công tác phòng chống thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn mô hình MIKE 11 cho nghiên cứu này?
    Mô hình MIKE 11 là mô hình thủy lực một chiều hiện đại, được sử dụng rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam. Nó phù hợp với hệ thống sông có nhiều công trình thủy lợi phức tạp, cho phép mô phỏng chính xác lưu lượng, mực nước và vận tốc dòng chảy. Ví dụ, mô hình đã được áp dụng thành công trong dự báo lũ sông Hồng - Thái Bình.

  2. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình thủy lực?
    Hiệu chỉnh mô hình chủ yếu dựa trên việc điều chỉnh hệ số nhám Manning cho từng mặt cắt sông, kết hợp so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo tại các trạm thủy văn. Chỉ số Nash được sử dụng để đánh giá độ chính xác, với giá trị gần 1 cho thấy mô hình phù hợp.

  3. Nguyên nhân chính gây sạt lở bờ sông Quảng Huế là gì?
    Nguyên nhân chính là sự thay đổi dòng chảy do hình thành nhánh sông mới sau các trận lũ lớn, làm tăng lưu lượng chuyển từ sông Vu Gia sang sông Thu Bồn, kết hợp với đặc điểm địa hình dốc, lòng sông không ổn định và tác động của các công trình chỉnh trị chưa đồng bộ.

  4. Các công trình chỉnh trị đã mang lại hiệu quả như thế nào?
    Các công trình kè bờ, đập khóa và nạo vét bãi bồi đã góp phần ổn định dòng chảy, giảm thiểu bồi lấp và sạt lở. Trong trận lũ tháng 11/2010, công trình vẫn đảm bảo an toàn khi mực nước đạt +9,6 m, chứng tỏ hiệu quả trong bảo vệ bờ sông và tài sản người dân.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các lưu vực sông khác không?
    Có thể áp dụng phương pháp mô hình hóa và phân tích thủy lực tương tự cho các lưu vực sông có đặc điểm địa hình và chế độ thủy văn tương đồng. Tuy nhiên, cần điều chỉnh các thông số mô hình và dữ liệu đầu vào phù hợp với từng khu vực cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá chi tiết chế độ thủy văn, thủy lực khu vực ngã ba sông Quảng Huế, xác định các thông số dòng chảy phục vụ thiết kế kè bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế.
  • Mô hình MIKE 11 một chiều được hiệu chỉnh và kiểm định thành công, cho kết quả phù hợp với số liệu thực đo tại nhiều trạm thủy văn trong lưu vực.
  • Hiện tượng cắt dòng và hình thành nhánh sông mới đã làm thay đổi chế độ dòng chảy, gây sạt lở bờ sông nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống người dân.
  • Các công trình chỉnh trị đã góp phần ổn định dòng chảy, bảo vệ bờ sông và giảm thiểu thiệt hại do lũ, tuy nhiên cần tiếp tục hoàn thiện và mở rộng.
  • Đề xuất các giải pháp giám sát, xây dựng công trình, phát triển mô hình đa chiều và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm đảm bảo phát triển bền vững lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, cập nhật dữ liệu quan trắc, nghiên cứu mô hình đa chiều và mở rộng ứng dụng kết quả nghiên cứu cho các khu vực tương tự.

Call to action: Các nhà quản lý, chuyên gia và cộng đồng cần phối hợp chặt chẽ để thực hiện các biện pháp bảo vệ bờ sông, giảm thiểu rủi ro thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội bền vững.