Tổng quan nghiên cứu

Sông Đồng Nai, với diện tích lưu vực lớn thứ ba tại Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội khu vực Đông Nam Bộ. Đoạn sông qua xã Núi Tượng và Nam Cát Tiên, huyện Tân Phú, tỉnh Đồng Nai dài 12,44 km, chịu ảnh hưởng phức tạp của tiểu lưu vực sông Đồng Nai và phụ lưu sông La Ngà. Trong những năm gần đây, tình trạng xói lở bờ sông tại khu vực này diễn biến ngày càng nghiêm trọng, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt của khoảng 25 hộ dân và đe dọa tuyến đường giao thông huyết mạch đường 200. Nguyên nhân chủ yếu là do biến đổi thủy văn, vận hành các bậc thang thủy điện, cùng đặc điểm địa chất bờ sông gồm lớp sét mềm yếu và cát pha dễ bị xói lở.

Mục tiêu nghiên cứu là tính toán và dự báo diễn biến xói lở bờ và biến đổi lòng dẫn sông Đồng Nai đoạn qua xã Núi Tượng - Nam Cát Tiên bằng mô hình toán số Mike 21C, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý và phòng chống sạt lở. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực đo từ tháng 8 đến 9 năm 2017, kết hợp mô phỏng các kịch bản lũ với tần suất 5%, 2%, 1% và lũ cực hạn PMF. Kết quả dự báo sẽ giúp các nhà quản lý đưa ra các giải pháp bảo vệ bờ sông hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản, đồng thời góp phần phát triển bền vững khu vực ven sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai quan điểm chính về dự báo xói lở bờ sông: quan điểm vi mô tập trung vào cơ học đất và ổn định mái dốc (sử dụng phần mềm GEO-SLOPE, BSTEM), và quan điểm vĩ mô dựa trên mô hình toán số giải hệ phương trình thủy lực, vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái lòng sông (các mô hình MIKE 21C, HEC RAS, EFDC). Trong đó, mô hình Mike 21C được lựa chọn do ưu điểm tạo lưới cong trực giao, phù hợp với đoạn sông cong, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy vòng, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy sông và xói lở bờ.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Dòng chảy vòng (helical flow) ảnh hưởng đến hướng vận chuyển bùn cát và hình thái đáy sông.
  • Vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng, được mô phỏng riêng biệt để phản ánh chính xác quá trình bồi tụ và xói mòn.
  • Tốc độ xói bờ phụ thuộc vào vận chuyển bùn cát, độ sâu dòng chảy và biến đổi cao trình đáy sông.
  • Hệ số nhám Manning và hệ số nhớt Eddy được hiệu chỉnh phù hợp với đặc điểm địa hình và lớp phủ thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu thủy văn, địa hình, địa chất, vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát thu thập thực địa trong 7 ngày (8-15/9/2017) tại hai trạm VT1 và VT2 trên đoạn sông nghiên cứu. Dữ liệu này được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực 1D (Mike 11) và mô hình thủy lực 2D (Mike 21C).

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình thủy lực 1D Mike 11 để tính toán mực nước, lưu lượng làm điều kiện biên cho mô hình 2D.
  • Thiết lập lưới cong trực giao cho mô hình Mike 21C với 375 ô lưới dọc dòng chảy và 22 ô ngang, đảm bảo độ phân giải cao tại khu vực sạt lở.
  • Mô phỏng dòng chảy, vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái lòng sông theo các kịch bản lũ với tần suất 5%, 2%, 1% và lũ cực hạn PMF.
  • Kiểm định mô hình bằng hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) với kết quả NSE mực nước đạt 0,80 và lưu lượng đạt 0,91, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao.

Timeline nghiên cứu từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019, với các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và mô phỏng kịch bản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Diễn biến mực nước và lưu lượng: Mực nước lớn nhất tại trạm VT1 đạt 112,73 m, tại VT2 là 112,47 m; lưu lượng lớn nhất tại VT1 và VT2 lần lượt là 635 m³/s và 640 m³/s trong thời gian khảo sát. Mô hình Mike 21C mô phỏng chính xác dao động mực nước và lưu lượng với sai số trong giới hạn cho phép, hệ số NSE trên 0,8.

  2. Phân bố vận tốc dòng chảy: Vận tốc dòng chảy tại VT1 dao động từ 0,672 đến 0,892 m/s, tại VT2 từ 0,644 đến 0,834 m/s. Dòng chảy vòng tại khúc sông cong làm tăng vận tốc sát bờ lõm, gây xói lở mạnh. Phân bố vận tốc trên mặt cắt ngang cho thấy vận tốc lớn nhất tập trung gần bờ trái, phù hợp với hiện tượng xói lở quan trắc.

  3. Nồng độ bùn cát: Nồng độ bùn cát lơ lửng tại VT1 và VT2 dao động từ khoảng 50 đến 240 mg/l, với giá trị cao nhất vào ngày 11/9/2017. Mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát phù hợp với số liệu thực đo, phản ánh chính xác quá trình bồi tụ và xói mòn.

  4. Dự báo xói lở bờ sông: Mô hình dự báo biến đổi đường bờ và cao độ đáy sông trong 5, 10, 15 và 20 năm tới cho thấy xu hướng mở rộng lòng sông do xói lở bờ trái, đặc biệt tại khu vực sạt lở gần đường 200. Tốc độ xói bờ phụ thuộc vào tần suất lũ, với mức xói lở tăng dần theo tần suất lũ lớn hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của xói lở là sự mất cân bằng bùn cát do vận hành các bậc thang thủy điện giữ lại phù sa, kết hợp với dòng chảy vòng tại khúc sông cong làm tăng ứng suất tiếp đáy và vận tốc sát bờ. Đặc điểm địa chất gồm lớp sét mềm yếu và cát pha tạo hàm ếch, dễ bị sụp đổ khi bị xói sâu. Kết quả mô hình Mike 21C phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của dòng chảy vòng và địa chất bờ sông đến xói lở.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đường quá trình mực nước, lưu lượng, vận tốc phân bố trên mặt cắt ngang, và bản đồ biến đổi đường bờ theo thời gian, giúp trực quan hóa diễn biến xói lở và hỗ trợ ra quyết định quản lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng công trình bảo vệ bờ sông: Thiết kế và thi công kè chắn bờ tại các vị trí xói lở nghiêm trọng, đặc biệt gần đường 200, nhằm giảm tốc độ xói lở trong vòng 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương phối hợp với các đơn vị chuyên môn.

  2. Tăng cường giám sát và cảnh báo: Lắp đặt hệ thống quan trắc mực nước, lưu lượng và vận tốc dòng chảy tự động để theo dõi diễn biến xói lở, cảnh báo kịp thời cho người dân và nhà quản lý. Thời gian triển khai trong 1-2 năm.

  3. Quản lý vận hành thủy điện: Điều chỉnh chế độ vận hành các hồ chứa thủy điện nhằm giảm thiểu dao động mực nước hạ lưu, duy trì cân bằng bùn cát trong lòng sông. Chủ thể: Ban quản lý thủy điện phối hợp với cơ quan quản lý tài nguyên nước.

  4. Giải pháp phi công trình: Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng về tác hại của khai thác cát trái phép, hạn chế hoạt động này để bảo vệ lòng sông. Đồng thời, phát triển các giải pháp trồng cây chắn sóng, bảo vệ bờ tự nhiên. Thời gian thực hiện liên tục, có đánh giá định kỳ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý, phòng chống xói lở bờ sông hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại thiên tai.

  2. Các kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện: Áp dụng mô hình Mike 21C trong thiết kế và vận hành công trình, đánh giá tác động đến lòng sông và bờ sông.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp mô hình toán số kết hợp dữ liệu thực địa trong nghiên cứu biến đổi hình thái sông.

  4. Cộng đồng dân cư ven sông và các tổ chức phi chính phủ: Nắm bắt thông tin về nguyên nhân và diễn biến xói lở để tham gia bảo vệ môi trường và phòng tránh rủi ro thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Mike 21C có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    Mike 21C sử dụng lưới cong trực giao, phù hợp với đoạn sông cong, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy vòng, vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái lòng sông với độ chính xác cao hơn so với lưới chữ nhật truyền thống.

  2. Tại sao xói lở bờ sông lại nghiêm trọng ở đoạn sông này?
    Do sự kết hợp của dòng chảy vòng tại khúc sông cong làm tăng vận tốc sát bờ, đặc điểm địa chất gồm lớp sét mềm yếu và cát pha dễ bị xói, cùng với ảnh hưởng của các hồ thủy điện giữ lại phù sa làm mất cân bằng bùn cát.

  3. Dữ liệu thực địa được thu thập như thế nào?
    Dữ liệu gồm mực nước, lưu lượng, vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát được đo đạc trong 7 ngày liên tục tại hai trạm VT1 và VT2, cung cấp cơ sở hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu xói lở bờ sông hiệu quả?
    Kết hợp giải pháp công trình như xây kè chắn bờ với giải pháp phi công trình như quản lý vận hành thủy điện, giám sát cảnh báo và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường.

  5. Mô hình có thể dự báo diễn biến xói lở trong bao lâu?
    Mô hình Mike 21C có khả năng dự báo biến đổi hình thái và xói lở bờ sông trong các khoảng thời gian dài hạn như 5, 10, 15 và 20 năm, giúp lập kế hoạch quản lý bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình Mike 21C mô phỏng chính xác thủy lực, vận chuyển bùn cát và xói lở bờ sông đoạn qua xã Núi Tượng - Nam Cát Tiên.
  • Kết quả cho thấy dòng chảy vòng và đặc điểm địa chất là nguyên nhân chính gây xói lở nghiêm trọng tại khu vực nghiên cứu.
  • Mô hình dự báo diễn biến xói lở trong 20 năm tới với xu hướng mở rộng lòng sông và mất ổn định bờ trái.
  • Đề xuất các giải pháp kết hợp công trình và phi công trình nhằm giảm thiểu thiệt hại và bảo vệ bờ sông hiệu quả.
  • Khuyến nghị tiếp tục giám sát, cập nhật dữ liệu và mở rộng nghiên cứu để nâng cao độ chính xác dự báo và quản lý tài nguyên nước bền vững.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp bảo vệ bờ sông dựa trên kết quả mô hình, đồng thời phát triển hệ thống cảnh báo sạt lở để giảm thiểu rủi ro cho cộng đồng ven sông. Các nhà quản lý và chuyên gia kỹ thuật được khuyến khích áp dụng phương pháp nghiên cứu này cho các khu vực tương tự nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai.