Tổng quan nghiên cứu

Kiên Giang, một tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long, nằm ven biển phía Tây Nam Việt Nam, đang phải đối mặt với nhiều thách thức liên quan đến biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn. Theo ước tính, các vùng đất phèn ngập lũ, nhiễm mặn và đất yếu ven biển đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến ngành nông nghiệp và đời sống người dân. Công trình cống Kênh Cụt tại thành phố Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang, được xây dựng nhằm kiểm soát thủy triều, ngăn mặn và tiêu thoát nước, tuy nhiên, do đặc điểm địa chất nền yếu và ảnh hưởng phức tạp của thủy triều, công trình đang gặp phải hiện tượng xói lở nghiêm trọng ở hạ lưu.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích chế độ thủy lực thượng hạ lưu công trình cống Kênh Cụt, từ đó đề xuất các giải pháp tiêu năng phòng xói hiệu quả, đảm bảo an toàn và bền vững cho công trình. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi công trình cống Kênh Cụt và khu vực hạ lưu, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn trước năm 2017. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu xói lở, nâng cao tuổi thọ công trình và góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững cho vùng ven biển Kiên Giang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết thủy lực liên quan đến chế độ nối tiếp dòng chảy thượng hạ lưu công trình, bao gồm:

  • Nối tiếp chảy đáy và nối tiếp chảy mặt: Phân tích các dạng nước nhảy (nước nhảy tại chỗ, nước nhảy phóng xa, nước nhảy ngập) và ảnh hưởng của chúng đến tiêu năng và xói lở.
  • Tiêu năng dòng chảy đáy, mặt và phóng xa: Các biện pháp tiêu năng nhằm giảm năng lượng thừa của dòng chảy, bao gồm bể tiêu năng, tường tiêu năng và tiêu năng phóng xa.
  • Mô hình thủy lực và mô hình toán học: Sử dụng mô hình vật lý và mô hình toán Mike 21/3 Coupled để mô phỏng dòng chảy, vận chuyển bùn cát và diễn biến xói lở.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng thừa, dòng chảy xoáy, vận tốc dòng chảy phân bố không đều, ứng suất tiếp địa, và các dạng xói cục bộ thượng hạ lưu công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực địa, số liệu thủy văn, địa chất và vận tốc dòng chảy tại công trình cống Kênh Cụt. Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Mô hình vật lý: Thí nghiệm mô hình thủy lực tỷ lệ 1/35 tại phòng thí nghiệm, nhằm quan sát trực tiếp diễn biến dòng chảy và xói lở.
  • Mô hình toán học: Sử dụng phần mềm Mike 21/3 Coupled với các module thủy động lực và vận chuyển bùn cát để mô phỏng đa kịch bản vận hành cửa van và điều kiện thủy lực khác nhau.
  • Phân tích số liệu: So sánh kết quả mô hình vật lý và mô hình toán để kiểm định độ chính xác, từ đó đánh giá hiệu quả các giải pháp tiêu năng.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các tổ hợp kịch bản vận hành cửa van với lưu lượng từ 64 m³/s đến 482 m³/s, lựa chọn dựa trên điều kiện thực tế vận hành công trình. Phương pháp chọn mẫu là chọn các tổ hợp mực nước và lưu lượng đặc trưng nhằm phản ánh các trạng thái thủy lực bất lợi và thuận lợi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế độ thủy lực phức tạp tại hạ lưu cống Kênh Cụt: Mô hình vật lý và mô hình toán cho thấy dòng chảy sau cống có vận tốc lớn, phân bố không đều, xuất hiện dòng xoáy và dòng chảy ngoằn nghèo. Vận tốc trung bình tại các điểm quan trắc dao động từ 0,64 m/s đến 4,82 m/s tùy theo kịch bản vận hành.

  2. Hiện tượng xói lở cục bộ nghiêm trọng: Xói lở tập trung tại chân công trình và vùng chuyển tiếp giữa phần gia cố và lòng dẫn tự nhiên, với độ sâu xói lở có thể lên đến khoảng 11 mét tại một số công trình tương tự trong khu vực. Quá trình xói diễn ra nhanh trong giai đoạn đầu và kéo dài chậm trong giai đoạn sau.

  3. Ảnh hưởng của tổ hợp mực nước và vận hành cửa van: Các tổ hợp mực nước thượng lưu và hạ lưu cùng với lưu lượng vận hành cửa van tạo ra các trạng thái thủy lực khác nhau, trong đó có những tổ hợp gây bất lợi về mặt thủy lực, làm tăng nguy cơ xói lở. Ví dụ, khi mực nước hạ lưu thấp hơn độ sâu giới hạn thứ nhất, dòng chảy phóng xa dễ gây xói lở mạnh.

  4. Hiệu quả của các giải pháp tiêu năng: Mô hình vật lý và mô hình toán đã kiểm nghiệm các giải pháp tiêu năng như bể tiêu năng kết hợp tường tiêu năng, ngưỡng tiêu năng và bố trí gờ chắn dòng chảy. Kết quả cho thấy các giải pháp này có thể giảm vận tốc dòng chảy tại hạ lưu từ 20% đến 40%, đồng thời giảm đáng kể mức độ xói lở.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở là do năng lượng thừa của dòng chảy sau cống chưa được tiêu hao hiệu quả, kết hợp với nền địa chất yếu và sự biến đổi phức tạp của mực nước thủy triều. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả nghiên cứu phù hợp với các mô hình thủy lực phức tạp tại các công trình vùng triều như ở Hà Lan và Mỹ, nơi cũng áp dụng các giải pháp tiêu năng tương tự.

Việc mô phỏng bằng mô hình vật lý và mô hình toán cho phép biểu diễn trực quan qua các biểu đồ vận tốc dòng chảy, bản đồ phân bố áp lực và hình ảnh diễn biến xói lở theo thời gian. Điều này giúp đánh giá chính xác hiệu quả của từng giải pháp tiêu năng và lựa chọn phương án tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế và xây dựng bể tiêu năng kết hợp tường tiêu năng: Động từ hành động: xây dựng; Target metric: giảm vận tốc dòng chảy hạ lưu ít nhất 30%; Timeline: trong vòng 2 năm; Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và nhà thầu xây dựng.

  2. Bố trí ngưỡng tiêu năng và gờ chắn dòng chảy hợp lý: Động từ hành động: lắp đặt; Target metric: hạn chế xói lở cục bộ tại chân công trình; Timeline: 1 năm; Chủ thể thực hiện: Trung tâm Thủy công & Thủy lực.

  3. Áp dụng mô hình toán Mike 21/3 Coupled để giám sát và điều chỉnh vận hành cửa van: Động từ hành động: vận hành và giám sát; Target metric: duy trì mực nước và lưu lượng trong phạm vi an toàn; Timeline: liên tục; Chủ thể thực hiện: Ban quản lý vận hành công trình.

  4. Tăng cường khảo sát địa chất và theo dõi diễn biến xói lở định kỳ: Động từ hành động: khảo sát và giám sát; Target metric: phát hiện sớm các vùng xói lở mới; Timeline: 6 tháng/lần; Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để thiết kế các công trình tiêu năng phòng xói hiệu quả.

  2. Nhà quản lý dự án và vận hành công trình thủy lợi: Giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn công trình và cách vận hành tối ưu.

  3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy lợi: Là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình thủy lực, mô hình toán và phương pháp nghiên cứu thủy lực vùng triều.

  4. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Hỗ trợ trong việc đánh giá tác động môi trường và xây dựng các giải pháp bền vững cho vùng ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu chế độ thủy lực thượng hạ lưu công trình cống?
    Chế độ thủy lực ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và tuổi thọ công trình, đặc biệt là hiện tượng xói lở hạ lưu do năng lượng thừa của dòng chảy chưa được tiêu hao hiệu quả.

  2. Mô hình vật lý và mô hình toán có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    Mô hình vật lý giúp quan sát trực tiếp hiện tượng thủy lực và xói lở, trong khi mô hình toán cho phép mô phỏng đa kịch bản vận hành, hỗ trợ đánh giá và lựa chọn giải pháp tối ưu.

  3. Giải pháp tiêu năng nào được đề xuất hiệu quả nhất?
    Kết hợp bể tiêu năng và tường tiêu năng được đánh giá là giải pháp hiệu quả, giảm vận tốc dòng chảy và hạn chế xói lở cục bộ.

  4. Làm thế nào để kiểm soát xói lở sau công trình trong điều kiện thủy triều phức tạp?
    Cần thiết kế kết cấu tiêu năng phù hợp, vận hành cửa van hợp lý và theo dõi diễn biến xói lở định kỳ để điều chỉnh kịp thời.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các công trình khác không?
    Có, các kết quả và phương pháp nghiên cứu có thể tham khảo cho các công trình cống vùng triều có điều kiện địa chất và thủy lực tương tự.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được đặc điểm phức tạp của chế độ thủy lực thượng hạ lưu công trình cống Kênh Cụt, với các dạng nối tiếp chảy đáy và chảy mặt đa dạng.
  • Hiện tượng xói lở cục bộ nghiêm trọng tại hạ lưu được phân tích chi tiết, làm rõ nguyên nhân và diễn biến theo thời gian.
  • Các giải pháp tiêu năng như bể tiêu năng kết hợp tường tiêu năng và ngưỡng tiêu năng được đề xuất và kiểm nghiệm hiệu quả qua mô hình vật lý và mô hình toán.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế, vận hành và quản lý công trình thủy lợi vùng triều, góp phần bảo vệ an toàn công trình và phát triển bền vững.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai xây dựng giải pháp tiêu năng, giám sát vận hành và mở rộng nghiên cứu cho các công trình tương tự.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp tiêu năng, đồng thời áp dụng mô hình toán để giám sát và điều chỉnh vận hành nhằm đảm bảo hiệu quả lâu dài cho công trình cống Kênh Cụt và các công trình vùng triều khác.