Tổng quan nghiên cứu

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, tỉnh Quảng Nam, đặc biệt khu vực ven biển sông Trường Giang, thường xuyên chịu ảnh hưởng nghiêm trọng từ các hiện tượng thiên tai như lũ lụt và bồi lấp lòng sông. Đợt lũ lịch sử năm 2020 đã gây thiệt hại nặng nề cho toàn vùng, làm gián đoạn phát triển kinh tế - xã hội. Sông Trường Giang dài 67 km, nối liền TP. Hội An với các huyện Duy Xuyên, Thăng Bình, Núi Thành, đóng vai trò quan trọng trong giao thông thủy, nuôi trồng thủy sản và nông nghiệp ven biển. Tuy nhiên, hiện tượng bồi lấp lòng sông diễn ra nghiêm trọng, làm thu hẹp bề rộng sông còn khoảng 30 m, chiều sâu luồng tàu chỉ còn khoảng 1 m, gây cản trở giao thông thủy và thoát lũ.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá chế độ thủy động lực sông Trường Giang bằng mô hình toán học mã nguồn mở, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến biến động lòng sông, từ đó đề xuất các giải pháp chỉnh trị nhằm đảm bảo giao thông thủy và phát triển bền vững kinh tế vùng. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên đoạn sông Trường Giang từ ngã ba An Lạc đến đầm An Hòa, tỉnh Quảng Nam, với dữ liệu thu thập chủ yếu trong các năm gần đây, đặc biệt là năm 2019. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do bồi lấp và xói lở, đồng thời nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và phát triển kinh tế khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết chính: lý thuyết thủy động lực học và mô hình toán học mô phỏng dòng chảy sông ven biển. Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) được lựa chọn do tính mở, khả năng mô phỏng thủy triều, dòng chảy, sóng và vận chuyển bùn cát trong môi trường 3 chiều. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Chế độ thủy động lực: mô tả vận tốc, lưu lượng, áp suất và các lực tác động trong dòng chảy sông.
  • Mô hình toán học mã nguồn mở: cho phép hiệu chỉnh tham số, mô phỏng tương tác phức tạp giữa sông và biển.
  • Bồi lấp và xói lở: quá trình vận chuyển và tích tụ bùn cát làm thay đổi hình thái lòng sông.
  • Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: các tham số đầu vào như mực nước triều, lưu lượng sông, gió và sóng ảnh hưởng đến mô hình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu đo đạc thủy văn, khí tượng, địa hình và ảnh vệ tinh trong các năm 2017-2019, đặc biệt là các đợt khảo sát tháng 8 và 11 năm 2019 tại các trạm ARP01, ARP02, TAMHAI, TAMHOA, KYHA. Cỡ mẫu gồm hơn 80.000 ô lưới trong mô hình EFDC, với kích thước ô lưới từ 2,5 m đến 340 m, tập trung chi tiết tại vùng cửa sông và đầm An Hòa.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình EFDC để mô phỏng chế độ thủy động lực trong các mùa lũ và kiệt, hiệu chỉnh mô hình bằng các tham số như hệ số nhám Manning, hệ số kéo gió, hệ số khuếch tán rối, đánh giá độ chính xác qua chỉ số RMSE và hệ số xác định R2. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2019 đến 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và đề xuất giải pháp chỉnh trị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng bồi lấp và biến động lòng sông: Bề rộng sông Trường Giang giảm còn khoảng 30 m, chiều sâu luồng tàu chỉ còn khoảng 1 m tại nhiều đoạn, đặc biệt từ cầu Bình Đào đến đập Cổ Linh và cầu Hạ Thanh đến cầu Tam Tiến. Biến động bề mặt nước giai đoạn 1984-2020 cho thấy xu hướng bồi lấp nghiêm trọng.

  2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình EFDC: Mô hình đạt độ chính xác cao với RMSE mực nước tại trạm SMS là 0,074 và R2 là 0,958 trong tháng 8/2019; RMSE tại trạm TAMHAI là 0,091 và R2 là 0,94 trong tháng 11/2019. Vận tốc dòng chảy mô phỏng phù hợp với thực đo, chỉ số NASH đạt khoảng 71%.

  3. Chế độ thủy động lực mùa lũ: Lưu lượng tại hai đầu sông lớn, giảm dần về giữa sông, với lưu lượng tại Cửa Lở dao động từ -200 đến 250 m3/s, vận tốc dòng chảy tại đây đạt tới 1 m/s, gây xói lở nghiêm trọng. Tại giữa sông, lưu lượng gần bằng 0, vận tốc thấp, là nguyên nhân chính gây bồi lấp.

  4. Chế độ thủy động lực mùa kiệt: Tương tự mùa lũ, lưu lượng lớn ở hai đầu sông, giảm về giữa sông. Lưu lượng tại Cửa Lở biến động mạnh do ảnh hưởng thủy triều, trong khi giữa sông lưu lượng gần 0, vận tốc thấp, làm tăng nguy cơ bồi lấp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng bồi lấp là do chế độ thủy động lực không đồng đều, với vùng giữa sông có lưu lượng và vận tốc thấp, tạo điều kiện cho bùn cát lắng đọng. Kết quả mô hình EFDC cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của thủy triều và đầm An Hòa đến lưu lượng và vận tốc dòng chảy, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vùng cửa sông ven biển. Việc mô hình đạt độ chính xác cao về mực nước và vận tốc dòng chảy chứng tỏ tính khả thi của phương pháp mô phỏng trong việc dự báo biến động lòng sông và đề xuất giải pháp chỉnh trị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hộp râu thể hiện phân bố lưu lượng tại các mặt cắt dọc sông, biểu đồ biến thiên vận tốc và lưu lượng theo thời gian tại các vị trí khảo sát, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt chế độ thủy động lực giữa các khu vực trong sông.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống công trình kè tường đứng và kè mái nghiêng nhằm ổn định bờ sông, giảm thiểu xói lở tại các vị trí có vận tốc dòng chảy lớn như khu vực Cửa Lở. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do UBND tỉnh Quảng Nam phối hợp với Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

  2. Áp dụng giải pháp kè mềm sinh thái kết hợp trồng cây dừa nước, cây bần để tăng cường khả năng chống xói lở và cải thiện môi trường sinh thái ven sông. Giải pháp này nên triển khai trong vòng 1-2 năm, do các tổ chức môi trường và địa phương thực hiện.

  3. Nạo vét định kỳ lòng sông tại các đoạn bị bồi lấp nghiêm trọng, đặc biệt từ cầu Bình Đào đến đập Cổ Linh, nhằm duy trì chiều sâu luồng tàu tối thiểu 2 m, đảm bảo giao thông thủy thông suốt. Thời gian thực hiện hàng năm, do Ban Quản lý Đường thủy nội địa tỉnh chủ trì.

  4. Tăng cường giám sát và cập nhật mô hình thủy động lực sử dụng phần mềm EFDC để theo dõi biến động lòng sông, đánh giá hiệu quả các giải pháp chỉnh trị và điều chỉnh kịp thời. Công tác này nên được thực hiện liên tục, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và giao thông thủy: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch quản lý, bảo vệ và phát triển hệ thống sông Trường Giang, đảm bảo an toàn giao thông thủy và phòng chống thiên tai.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp xây dựng và hiệu chỉnh mô hình thủy động lực EFDC, áp dụng cho các nghiên cứu tương tự về sông ven biển.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản và phát triển kinh tế ven sông: Hiểu rõ tác động của bồi lấp và xói lở đến hoạt động sản xuất, từ đó có kế hoạch đầu tư và khai thác bền vững.

  4. Các tổ chức môi trường và cộng đồng địa phương: Nắm bắt các giải pháp kè mềm sinh thái và biện pháp bảo vệ môi trường ven sông, góp phần duy trì hệ sinh thái và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mô hình EFDC được chọn cho nghiên cứu này?
    Mô hình EFDC là mã nguồn mở, cho phép hiệu chỉnh tham số linh hoạt, mô phỏng được các quá trình thủy triều, dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong môi trường 3 chiều, phù hợp với đặc điểm phức tạp của sông Trường Giang.

  2. Hiệu quả của các giải pháp chỉnh trị được đánh giá như thế nào?
    Hiệu quả được đánh giá dựa trên mô phỏng thủy động lực sau khi áp dụng các công trình kè và nạo vét, kết hợp với phân tích thực tế về giảm thiểu bồi lấp và cải thiện lưu thông tàu thuyền.

  3. Nguyên nhân chính gây bồi lấp lòng sông Trường Giang là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do lưu lượng và vận tốc dòng chảy thấp ở khu vực giữa sông, kết hợp với ảnh hưởng của thủy triều và hoạt động nuôi trồng thủy sản, tạo điều kiện cho bùn cát lắng đọng.

  4. Phạm vi áp dụng của kết quả nghiên cứu có giới hạn không?
    Nghiên cứu tập trung trên đoạn sông Trường Giang từ ngã ba An Lạc đến đầm An Hòa, tuy nhiên phương pháp và mô hình có thể áp dụng cho các sông ven biển có đặc điểm tương tự.

  5. Làm thế nào để duy trì hiệu quả các giải pháp chỉnh trị trong dài hạn?
    Cần có kế hoạch giám sát, bảo trì định kỳ, cập nhật mô hình thủy động lực và phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan quản lý, cộng đồng và nhà khoa học để điều chỉnh kịp thời các biện pháp.

Kết luận

  • Mô hình thủy động lực EFDC đã được xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm định thành công cho sông Trường Giang, đạt độ chính xác cao về mực nước và vận tốc dòng chảy.
  • Chế độ thủy động lực cho thấy lưu lượng và vận tốc dòng chảy thấp ở giữa sông là nguyên nhân chính gây bồi lấp nghiêm trọng.
  • Các giải pháp chỉnh trị gồm kè tường đứng, kè mái nghiêng, kè mềm sinh thái và nạo vét định kỳ được đề xuất nhằm cải thiện lưu thông giao thông thủy và bảo vệ môi trường.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong quản lý tài nguyên nước, phòng chống thiên tai và phát triển kinh tế bền vững khu vực ven sông.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm các giải pháp, giám sát hiệu quả và cập nhật mô hình để điều chỉnh chính sách quản lý phù hợp.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ và phát triển bền vững sông Trường Giang – nguồn sống của vùng ven biển Quảng Nam!