Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Kỳ Lộ có tổng diện tích tự nhiên khoảng 2.058 km2 với chiều dài dòng chính đạt 102 km, trong đó đoạn chảy qua địa phận tỉnh Phú Yên dài 76 km. Đây là một trong những trục tiêu thoát nước và cung cấp tài nguyên nước trọng yếu của khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ, với tổng lượng dòng chảy hàng năm đổ ra biển ước tính đạt 1,56 tỷ m3. Mặc dù sở hữu tiềm năng thủy văn lớn, khu vực hạ lưu sông Kỳ Lộ thường xuyên trở thành tâm điểm của các trận thiên tai ngập lụt ác liệt. Điển hình như đợt lũ lịch sử năm 2009, mực nước tại trạm thủy văn Hà Bằng đạt đỉnh 13,47 m (vượt mức báo động III tới 3,97 m), làm ngập sâu tới 4,7 m trên diện tích 198 km2, cướp đi sinh mạng của 73 người và gây thiệt hại kinh tế hơn 2.405 tỷ đồng.

Vấn đề nghiên cứu then chốt xuất phát từ sự tương phản địa hình sâu sắc kết hợp với hiện tượng bồi lấp, dịch chuyển doi cát thu hẹp cửa biển Tiên Châu, làm suy giảm nghiêm trọng khả năng thoát lũ. Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng mô hình toán thủy động lực hai chiều hiện đại để mô phỏng, đánh giá chế độ dòng chảy lũ, từ đó đề xuất và thiết kế sơ bộ giải pháp chỉnh trị tối ưu nhằm tăng cường khả năng thoát lũ cho hạ lưu sông Kỳ Lộ. Phạm vi không gian nghiên cứu trải dài từ trạm Hà Bằng ra đến cửa Tiên Châu (giới hạn phía Nam bởi đường Trần Hưng Đạo và phía Bắc bởi Quốc lộ 1A), dựa trên chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn giai đoạn 1995-2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn cấp bách, hướng tới mục tiêu hạ thấp mực nước ngập lũ từ 0,35 m đến 0,50 m, bảo vệ an toàn tính mạng và sinh kế cho hơn 228.206 người dân tại huyện Tuy An và thị xã Sông Cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết thủy khí động lực học dòng sông và hệ phương trình nước nông hai chiều suy dẫn từ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds tích phân theo độ sâu. Khung lý thuyết này thiết lập mối quan hệ tương tác giữa phương trình liên tục và phương trình chuyển động vi phân hai chiều, phản ánh chính xác các yếu tố động lượng, độ dốc thủy lực, ma sát đáy lòng dẫn, ứng suất gió mặt thoáng và lực Coriolis.

Bên cạnh đó, đề tài vận dụng lý thuyết chỉnh trị sông ngòi và động lực học vùng cửa sông ven biển, tập trung vào các khái niệm then chốt như: hình thái động lực lòng sông, quá trình vận chuyển bùn cát bồi xói đáy và cơ chế thoát lũ vùng cửa sông chịu tác động hỗn hợp của lũ thượng nguồn và chế độ nhật triều không đều từ biển Đông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm chuỗi số liệu thủy văn 25 năm liên tục (1995-2019) tại trạm thủy văn Hà Bằng, chuỗi mực nước triều 19 năm (2002-2020) trích xuất từ dữ liệu hải văn quốc tế IHO tại Quy Nhơn, kết hợp mô hình số độ cao DEM ALOS độ phân giải cao 12,5 m. Cỡ mẫu khảo sát thực địa bổ sung gồm 11 mặt cắt ngang lòng sông Kỳ Lộ, bình đồ địa hình tỷ lệ 1/5.000 khu vực cửa Tiên Châu, bình đồ 1/10.000 khu vực ven biển và 2 đợt đo đạc hải văn chuyên đề liên tục vào tháng 6 và tháng 10 năm 2019 tại trạm C và trạm D.

Phương pháp chọn mẫu áp dụng nguyên tắc chọn mẫu chuỗi thời gian tiêu chuẩn ngành khí tượng thủy văn kết hợp chọn mẫu có chủ đích tại các vị trí xung yếu về mặt hình thái như khúc uốn sông Phú Ngân, các tuyến đập dâng Tam Giang, Hà Yến, Đồng Kho và doi cát cửa sông. Lý do lựa chọn bộ công cụ mô hình toán MIKE 21 Flow Model FM của Viện Thủy lực Đan Mạch với phương pháp thể tích hữu hạn trên lưới phi cấu trúc (hơn 16.000 nút tính toán, diện tích mắt lưới lòng dẫn dưới 500 m2) là khả năng mô phỏng chi tiết trường vận tốc hai chiều, tái hiện chính xác mức độ ngập lụt bãi tràn và phản ánh sát thực tác động của các công trình chỉnh trị phức tạp mà mô hình một chiều truyền thống không đáp ứng được. Quá trình tính toán, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được hoàn thành trong giai đoạn 2019-2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu phát hiện sự phân bố dòng chảy năm trên lưu vực sông Kỳ Lộ có sự chênh lệch sâu sắc: 4 tháng mùa lũ (tháng 9 đến tháng 12) chiếm tới 70-75% tổng lượng 1,56 tỷ m3 nước cả năm, trong khi 8 tháng mùa khô chỉ chiếm khoảng 20-25%. Tổng dung tích hữu ích của cả 3 hồ chứa lớn ở thượng nguồn (hồ Kỳ Châu 3,52 triệu m3, hồ Phú Xuân 12 triệu m3, hồ Đồng Tròn 19 triệu m3) chỉ đạt 35 triệu m3, tương đương chưa đầy 2,3% tổng lượng dòng chảy năm, cho thấy năng lực cắt giảm lũ của hệ thống hồ chứa là rất hạn chế.

Thứ hai, kết quả mô phỏng thủy lực xác định tính chất lũ sông Kỳ Lộ lên xuống rất nhanh với biên độ dao động tại trạm Hà Bằng đạt từ 6 đến 7 m và cường suất lũ cực đại từ 2,0 đến 2,5 m/giờ. Trong kịch bản lũ thiết kế tần suất 5%, diện tích ngập lụt hạ du lên tới 198 km2 với độ sâu ngập lớn nhất ghi nhận đạt 4,7 m, chia cắt giao thông và cô lập nhiều khu dân cư.

Thứ ba, nghiên cứu chỉ ra rằng cửa Tiên Châu bị bồi lấp nghiêm trọng làm thu hẹp khẩu độ thoát nước, kết hợp với các công trình kè bảo vệ bờ hiện hữu dài 814,2 m tại tả sông Ngân Sơn, kè dài 2.304,65 m qua cầu Ngân Sơn và đập Tam Giang (dài 141 m, cao 2,35 m) tạo thành vật cản thủy lực cục bộ, khiến mực nước dâng cao thêm từ 0,30 m đến 0,60 m ở khu vực thượng lưu công trình trong thời gian đỉnh lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gốc rễ của tình trạng ngập úng kéo dài là do độ dốc lưu vực thượng nguồn rất lớn (trung bình 2,8%, cá biệt nhánh Ea Tiouan đạt 20%) tạo thời gian truyền lũ ngắn, trong khi vùng hạ lưu có địa hình bằng phẳng với cao trình chỉ từ 3 đến 8 m (vùng quanh đầm Ô Loan chỉ từ 0,5 đến 3,0 m) và cửa thoát biển bị bồi lấp tạo thành nút thắt cổ chai.

Các kết quả nghiên cứu thủy lực được biểu diễn trực quan thông qua bảng thống kê cao trình ngập lụt, biểu đồ biến trình mực nước theo thời gian và sơ đồ phân bố vectơ vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt trích xuất. Biểu đồ tương quan giữa bề rộng cửa thoát lũ và lưu lượng xả cho thấy rõ khi mở rộng khẩu độ cửa Tiên Châu thêm từ 100 m đến 200 m, lưu lượng thoát lũ đỉnh tăng từ 15% đến 22%, qua đó làm suy giảm đáng kể phạm vi ngập úng hạ du.

Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các nghiên cứu chỉnh trị cửa sông Trà Khúc, sông Lại Giang ở miền Trung và phù hợp với kinh nghiệm quốc tế từ chương trình tạo không gian cho dòng sông của Hà Lan, khẳng định việc can thiệp mở rộng cửa thoát lũ kết hợp nạo vét khơi thông luồng là hướng đi đúng đắn, có cơ sở khoa học vững chắc.

Đề xuất và khuyến nghị

Trên cơ sở kết quả mô phỏng thủy lực và tính toán ổn định công trình, đề tài đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  1. Thi công nạo vét khơi thông lòng dẫn kết hợp mở rộng cửa Tiên Châu: Triển khai nạo vét mở rộng mặt cắt cửa thoát lũ thêm từ 100 m đến 200 m về phía doi cát bờ hữu bằng tổ hợp tàu hút xén thổi và tàu hút bụng. Target metric đặt ra là tăng lưu lượng thoát lũ từ 15% đến 25% ứng với trận lũ tần suất 5%, hạ thấp mực nước ngập lụt hạ lưu từ 0,35 m đến 0,50 m; timeline thực hiện trong giai đoạn 2024-2026 do UBND tỉnh Phú Yên chủ trì phối hợp Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

  2. Nâng cấp hệ thống kè chỉnh trị và hiện đại hóa quy trình điều tiết công trình đập: Gia cố toàn diện 2.304,65 m tuyến kè chống sạt lở sông Kỳ Lộ và 814,2 m kè bờ tả sông Ngân Sơn đạt hệ số ổn định trượt cho phép lớn hơn hoặc bằng 1,15; thay thế cửa van đập Tam Giang và Hà Yến sang cơ chế đóng mở thủy lực tự động để mở khẩu độ xả lũ tối đa khi xuất hiện lũ sớm; timeline thực hiện trong giai đoạn 2025-2027 do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Thủy lợi tỉnh đảm nhận.

  3. Xây dựng kênh thoát lũ phụ qua doi cát và đê ngầm giảm sóng: Thiết kế một tuyến kênh xả lũ phụ có chiều dài 100 m kết hợp đê ngăn cát giảm sóng ngoài cửa sông nhằm cố định luồng xả và ngăn ngừa bồi lấp ngược vào mùa khô; timeline thực hiện trong giai đoạn 2026-2028 do Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam tư vấn kỹ thuật.

  4. Thiết lập mạng lưới quan trắc tự động và hệ thống cảnh báo sớm: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo mực nước và lưu lượng tự động kết nối dữ liệu từ trạm Hà Bằng đến cửa biển Tiên Châu; target metric là kéo dài thời gian dự báo cảnh báo ngập lụt trước từ 6 đến 12 giờ cho cộng đồng; timeline hoàn thành trong giai đoạn 2024-2025 do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và sản phẩm của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai tỉnh Phú Yên: Sử dụng số liệu ngập lụt và bản đồ thủy động lực làm căn cứ kỹ thuật để phê duyệt quy hoạch thoát lũ tổng thể, bố trí ngân sách đầu tư công trình chỉnh trị và xây dựng phương án sơ tán dân cư an toàn cho 228.206 người dân địa phương.

  2. Kỹ sư tư vấn thiết kế và doanh nghiệp thi công công trình thủy lợi, cảng đường thủy: Khai thác trực tiếp các thông số kỹ thuật mặt cắt nạo vét, cấu tạo thân kè, hệ số mái dốc kè và định mức vận hành đội tàu hút phục vụ lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công cho các dự án chỉnh trị cửa sông tương tự.

  3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học: Tiếp cận khung phương pháp luận kết hợp mô hình số độ cao DEM ALOS 12,5 m với bộ công cụ mô hình 2D MIKE 21 Flow Model FM trên lưới phần tử hữu hạn phi cấu trúc hơn 16.000 nút để giải quyết các bài toán thủy động lực phức tạp.

  4. Cộng đồng dân cư ven sông và các hợp tác xã nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản hạ lưu sông Kỳ Lộ: Nắm bắt bức tranh toàn cảnh về quy luật dâng lũ, độ sâu ngập lụt và vận tốc dòng chảy để chủ động điều chỉnh lịch thời vụ sản xuất, bảo vệ hạ tầng nuôi trồng và phương tiện tàu thuyền trong mùa bão lũ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hạ lưu sông Kỳ Lộ thường ngập sâu và kéo dài dù độ dốc vùng thượng nguồn rất lớn? Độ dốc thượng nguồn đạt 2,8% khiến dòng lũ tập trung nhanh với cường suất 2,0-2,5 m/giờ dồn về hạ lưu trũng thấp có cao trình chỉ 3-8 m. Cửa Tiên Châu bị bồi lấp tạo nút nghẽn dòng khiến nước không kịp tiêu thoát ra biển, gây ngập sâu tới 4,7 m như đợt lũ năm 2009.

Tại sao nghiên cứu lại chọn mô hình 2D MIKE 21 FM thay vì mô hình 1D thông thường? Mô hình 2D MIKE 21 FM giải hệ phương trình nước nông trên hơn 16.000 phần tử lưới linh hoạt, giúp xác định chuẩn xác trường vận tốc hai chiều, đường ngập lụt bãi tràn và hiện tượng co hẹp dòng chảy tại các khúc cong quanh kè Phú Ngân, điều mà mô hình 1D không thể hiện được.

Hệ thống các hồ chứa nước hiện có trên lưu vực sông Kỳ Lộ có thể cắt giảm đỉnh lũ lớn hay không? Không thể. Tổng dung tích hữu ích của 3 hồ chứa lớn (Kỳ Châu, Phú Xuân, Đồng Tròn) chỉ đạt 35 triệu m3, chiếm chưa tới 2,3% tổng lượng dòng chảy năm là 1,56 tỷ m3, do đó các hồ chỉ có tác dụng điều tiết phục vụ tưới tiêu và cắt các trận lũ nhỏ cục bộ.

Hiệu quả giảm ngập lụt của phương án nạo vét mở rộng cửa Tiên Châu được định lượng như thế nào? Theo kết quả mô phỏng kịch bản lũ tần suất 5%, việc mở rộng cửa sông từ 100 m đến 200 m kết hợp nạo vét lòng dẫn giúp tăng lưu lượng xả lũ từ 15% đến 25%, hạ thấp mực nước ngập vùng dân cư từ 0,35 m đến 0,50 m và rút ngắn thời gian ngâm lũ.

Làm thế nào để duy trì độ sâu luồng dẫn và chống tái bồi lấp sau khi nạo vét cửa Tiên Châu? Cần kết hợp giải pháp nạo vét lòng dẫn với việc xây dựng đê ngầm ngăn cát giảm sóng dài 100 m, đồng thời duy trì kế hoạch quan trắc trắc đạc định kỳ theo mùa để nạo vét duy tu luồng lạch trước mỗi mùa mưa lũ hàng năm.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và thực tiễn về tiêu thoát lũ hạ lưu sông Kỳ Lộ với 5 đóng góp nổi bật: • Thiết lập thành công mô hình thủy động lực 2 chiều MIKE 21 FM với hơn 16.000 nút lưới, mô phỏng chính xác trường dòng chảy phức tạp. • Xác định và lượng hóa các đặc trưng ngập lụt cực đoan với diện tích ngập 198 km2 và độ sâu ngập tới 4,7 m ứng với kịch bản lũ tần suất 5%. • Đánh giá định lượng tác động cản lũ của các công trình hiện hữu và hiện tượng sa bồi co hẹp tại cửa Tiên Châu. • Đề xuất giải pháp nạo vét mở rộng cửa sông từ 100 m đến 200 m, chứng minh hiệu quả giảm ngập từ 0,35 m đến 0,50 m cho hạ lưu. • Hoàn thiện hồ sơ thiết kế sơ bộ và lộ trình công nghệ khả thi với các giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ giai đoạn 2024-2028.

Các kết quả nghiên cứu là luận cứ kỹ thuật chuẩn xác, kêu gọi các cơ quan quản lý và đơn vị chuyên môn sớm đưa phương án nạo vét chỉnh trị cửa Tiên Châu vào danh mục đầu tư trọng điểm nhằm bảo vệ cuộc sống bình yên cho nhân dân tỉnh Phú Yên.