Tổng quan nghiên cứu

Khu vực cửa sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình, là một vùng trọng điểm kinh tế biển với các hoạt động thủy sản, giao thông, hàng hải và quốc phòng. Vị trí địa lý phức tạp cùng sự tác động của các yếu tố tự nhiên như sóng biển, thủy triều, dòng chảy sông, bão, áp thấp nhiệt đới và biến đổi khí hậu toàn cầu đã tạo nên một trường thủy động lực đa dạng và biến động mạnh mẽ. Theo thống kê, lượng mưa trung bình năm tại Quảng Bình đạt khoảng 2.200 mm, với mùa mưa kéo dài từ tháng 8 đến tháng 11 chiếm tới 70-80% tổng lượng nước năm. Hệ thống sông Nhật Lệ chịu ảnh hưởng trực tiếp của các cơn bão với trung bình 1-2 cơn bão đổ bộ mỗi năm, gây ra hiện tượng ngập úng và khó khăn trong tiêu thoát lũ.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng và tái hiện trường thủy động lực khu vực cửa sông Nhật Lệ trong các điều kiện khác nhau, từ đó đánh giá khả năng thoát lũ và đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực cửa sông Nhật Lệ với chiều dài 3 km về phía Bắc và 5 km về phía Nam, cùng lưu vực sông Nhật Lệ kéo dài đến cầu Quán Hàu. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên nước, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững khu vực ven biển Quảng Bình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn thủy lực hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Mô hình thủy văn NAM: Mô hình mưa-dòng chảy với cấu trúc bể chứa đa tầng, mô phỏng quá trình tích trữ và thoát nước trên lưu vực sông, bao gồm các thành phần như bể chứa tuyết tan, bể chứa mặt, tầng rễ cây và tầng ngầm. Mô hình này giúp mô phỏng chính xác dòng chảy mặt và thấm sâu trong đất.

  • Mô hình thủy lực MIKKE 11 HD: Giải các phương trình Saint-Venant cho dòng chảy một chiều trong sông và kênh, đảm bảo bảo toàn khối lượng và động lượng, phù hợp với địa hình sông hẹp và dốc như lưu vực Nhật Lệ.

  • Mô hình phổ sóng MIKKE 21 SW: Mô phỏng sự phát triển, suy giảm và biến đổi của sóng gió, sóng lừng ven bờ và ngoài khơi, dựa trên lưới phi cấu trúc và các phương trình bảo toàn năng lượng sóng.

  • Mô hình tích hợp MIKKE 21/3 Coupled FM: Kết hợp mô hình thủy lực và mô hình sóng để mô phỏng tương tác giữa sóng và dòng chảy, vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình cửa sông.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt, phổ sóng, thủy triều bán nhật không đều, và tương tác sóng-dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa hình đo đạc chi tiết năm 2018 tại khu vực cửa sông Nhật Lệ, số liệu thủy động lực thực đo bằng thiết bị AWAC và ADCP trong các tháng 5/2018 và 12/2019, cùng số liệu thủy văn lưu vực từ các trạm quan trắc Đông Hới, Lệ Thủy, Kiến Giang và Tám Lu.

Phương pháp phân tích gồm khảo sát hiện trường, thống kê thủy văn khí tượng, và mô hình hóa số trị bằng phần mềm MIKKE 21 Coupled FM với hai module thủy lực (HD) và sóng (SW). Quá trình mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng chỉ số Nash-Sutcliffe, đảm bảo độ chính xác phù hợp với số liệu thực đo.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2020, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng các kịch bản và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh mô hình thủy động lực: Chỉ số Nash-Sutcliffe cho lưu lượng đạt 0,61, độ cao sóng 0,8 và vận tốc dòng chảy 0,6, cho thấy mô hình mô phỏng sát thực tế. Sai số lưu lượng tại cửa sông thấp, phù hợp với xu hướng quan trắc.

  2. Đặc điểm trường thủy động lực hiện trạng: Vận tốc dòng chảy tại vị trí hẹp nhất cửa sông đạt 1,4 m/s trong pha triều rút, độ cao sóng ngoài khơi lên đến hơn 2 m với hướng chủ đạo Đông Bắc và Đông. Sóng khi vào cửa giảm mạnh còn khoảng 1 m, phù hợp với đặc điểm địa hình hẹp và sâu.

  3. Ảnh hưởng của các kịch bản sóng và lũ: Mô phỏng các kịch bản sóng tần suất 10% với hướng sóng Đông Bắc, Đông và Đông Nam cho thấy sự biến đổi rõ rệt về mực nước và vận tốc dòng chảy, trong đó sóng hướng Đông Bắc tạo dòng dọc bờ ngược chiều so với sóng hướng Đông và Đông Nam. Lũ 10% kết hợp với các pha triều khác nhau làm tăng mực nước và vận tốc dòng chảy đột biến, đặc biệt khi lũ gặp đỉnh triều gây khó khăn cho thoát lũ.

  4. Khả năng thoát lũ khu vực cửa Nhật Lệ: Lưu lượng tại cửa sông không tăng nhiều so với lưu lượng tại cầu Quán Hàu, cho thấy khả năng thoát lũ hiện tại khá kém. Đặc điểm địa hình hẹp cửa sông (khoảng 50 m) và hiện tượng bồi tụ làm giảm khả năng tiêu thoát lũ, dễ gây ngập úng khi có lũ lớn và bão.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của khả năng thoát lũ kém là do địa hình cửa sông hẹp, sự bồi tụ cát tại khu vực cầu cảng biên phòng Nhật Lệ và tác động của các công trình xây dựng ven bờ, gây cản trở dòng chảy. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy mô hình MIKKE 21 Coupled FM phù hợp và có độ chính xác cao trong mô phỏng trường thủy động lực tại cửa sông ven biển Việt Nam.

Kết quả mô phỏng cũng phản ánh rõ sự tương tác phức tạp giữa sóng, thủy triều và dòng chảy sông, đặc biệt trong các điều kiện thời tiết cực đoan như bão và lũ lớn. Việc mô phỏng các kịch bản khác nhau giúp dự báo chính xác hơn các hiện tượng ngập úng và đề xuất các biện pháp phòng chống hiệu quả.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ mực nước, vận tốc dòng chảy, và bản đồ trường dòng chảy, giúp trực quan hóa các biến động thủy động lực trong khu vực nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quan trắc thủy động lực: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động tại cửa sông Nhật Lệ để cập nhật liên tục dữ liệu sóng, dòng chảy và mực nước, phục vụ hiệu chỉnh mô hình và cảnh báo sớm. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường Quảng Bình.

  2. Nạo vét và duy trì luồng lạch cửa sông: Thực hiện nạo vét định kỳ khu vực cửa sông và bãi bồi tụ để mở rộng luồng thoát lũ, giảm thiểu nguy cơ ngập úng. Thời gian thực hiện: 3-5 năm; Chủ thể: Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng tỉnh.

  3. Quản lý và kiểm soát xây dựng ven bờ: Ban hành quy định nghiêm ngặt về xây dựng công trình ven sông, hạn chế các công trình gây cản trở dòng chảy, đồng thời khuyến khích phát triển mô hình kinh tế bền vững. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: UBND tỉnh Quảng Bình, các địa phương.

  4. Phát triển mô hình cảnh báo và ứng phó thiên tai: Áp dụng mô hình thủy động lực đã hiệu chỉnh để xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt, phối hợp với các ngành liên quan để nâng cao hiệu quả ứng phó. Thời gian thực hiện: 2 năm; Chủ thể: Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả mô phỏng để xây dựng chính sách quản lý, quy hoạch phát triển và phòng chống ngập lụt hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy văn, thủy lực: Tham khảo phương pháp mô hình hóa thủy động lực hiện đại, ứng dụng thực tiễn tại khu vực cửa sông ven biển.

  3. Các đơn vị thiết kế và thi công công trình thủy lợi, đê điều: Áp dụng dữ liệu và mô hình để thiết kế các công trình phù hợp với điều kiện thủy động lực thực tế, giảm thiểu tác động tiêu cực.

  4. Cơ quan dự báo khí tượng thủy văn và cảnh báo thiên tai: Nâng cao độ chính xác trong dự báo lũ, sóng và ngập úng, phục vụ công tác cảnh báo sớm và giảm thiểu thiệt hại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKKE 21 có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    Mô hình MIKKE 21 sử dụng lưới phi cấu trúc, mô phỏng chính xác địa hình phức tạp ven bờ, kết hợp đồng thời mô hình thủy lực và sóng, giúp mô phỏng tương tác sóng-dòng chảy hiệu quả. Ví dụ, mô hình đã được hiệu chỉnh sát với số liệu thực đo tại cửa sông Nhật Lệ.

  2. Tại sao khả năng thoát lũ cửa sông Nhật Lệ lại kém?
    Nguyên nhân chính là do địa hình cửa sông hẹp (khoảng 50 m), hiện tượng bồi tụ cát và các công trình xây dựng ven bờ gây cản trở dòng chảy, làm tăng nguy cơ ngập úng khi có lũ lớn và bão.

  3. Các kịch bản mô phỏng lũ và sóng được xây dựng như thế nào?
    Nghiên cứu xây dựng các kịch bản dựa trên sóng tần suất 10% với các hướng sóng đặc trưng (Đông Bắc, Đông, Đông Nam), kết hợp với các pha triều khác nhau và kịch bản bão điển hình (bão Doksuri 2017) để đánh giá biến động trường thủy động lực.

  4. Dữ liệu quan trắc được sử dụng trong nghiên cứu có độ tin cậy ra sao?
    Dữ liệu được thu thập từ các trạm quan trắc thủy văn, khí tượng và thiết bị đo sóng, dòng chảy hiện đại (AWAC, ADCP) trong các năm 2018 và 2019, được hiệu chỉnh và kiểm định bằng chỉ số Nash-Sutcliffe với kết quả phù hợp cao.

  5. Nghiên cứu có thể hỗ trợ gì cho công tác phòng chống thiên tai tại Quảng Bình?
    Kết quả mô phỏng giúp dự báo chính xác các hiện tượng ngập úng, đề xuất các giải pháp nạo vét, quản lý xây dựng và cảnh báo sớm, từ đó giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và bão gây ra.

Kết luận

  • Đã tổng hợp và phân tích chi tiết các đặc điểm thủy văn, khí tượng và địa hình khu vực cửa sông Nhật Lệ, Quảng Bình.
  • Thiết lập thành công bộ mô hình MIKKE 21 Coupled FM với hai module thủy lực và sóng, hiệu chỉnh sát với số liệu thực đo.
  • Mô phỏng các kịch bản sóng, lũ và bão cho thấy sự biến động phức tạp của trường thủy động lực, ảnh hưởng lớn đến khả năng thoát lũ.
  • Đánh giá khả năng thoát lũ hiện tại còn hạn chế do đặc điểm địa hình và bồi tụ, cần có các giải pháp quản lý và cải tạo phù hợp.
  • Khuyến nghị tiếp tục bổ sung dữ liệu, mở rộng nghiên cứu và ứng dụng mô hình trong công tác quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai.

Next steps: Triển khai hệ thống quan trắc tự động, thực hiện nạo vét luồng lạch, xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt và phát triển các mô hình dự báo nâng cao.

Call to action: Các cơ quan quản lý và nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, góp phần phát triển bền vững và an toàn khu vực cửa sông Nhật Lệ.