Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng xói lở bờ sông và bồi lắng lòng dẫn tại Đồng bằng sông Cửu Long trong những thập niên qua đã gây ra những tổn thất đặc biệt nghiêm trọng. Theo số liệu thống kê của các cơ quan quản lý đê điều, toàn vùng đã ghi nhận 32 người thiệt mạng và mất tích, 5 dãy phố bị sụp đổ hoàn toàn xuống dòng nước, 6 làng mạc bị xóa sổ và hơn 2.200 căn hộ bị phá hủy buộc phải di dời khẩn cấp. Trong số các địa phương chịu ảnh hưởng, tỉnh An Giang được xác định là điểm nóng với hơn 40 vị trí sạt lở nguy hiểm dọc theo các tuyến sông chính. Riêng báo cáo của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh An Giang cho thấy hàng năm có trên 3,7 triệu m3 đất bị cuốn trôi, gây thiệt hại ước tính hơn 16 tỷ đồng mỗi năm. Đỉnh điểm trong năm 2011, sạt lở đã làm mất 66.850 m2 diện tích đất bờ sông, làm đổ sập 7 căn nhà, buộc 628 hộ dân phải di dời và đặt 322 hộ dân khác vào tình trạng báo động đỏ, gây tổn thất tài sản lên tới 67,3 tỷ đồng.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là sự tương tác phức tạp giữa hình thái sông phân lạch tự nhiên và tác động nhân vi từ các hoạt động khai thác cát quá mức trên sông Hậu đoạn chảy qua thành phố Long Xuyên. Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm việc xác định nguyên nhân cơ bản dẫn đến hiện tượng xói lở bờ hữu và bồi lấp nhánh tả; ứng dụng mô hình thủy động lực học hai chiều để đánh giá định lượng các kịch bản khai thác bùn cát; từ đó đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình tối ưu nhằm bảo vệ bờ sông. Phạm vi không gian nghiên cứu trải dài từ kênh Chắc Cần Đạo đến đuôi Cù lao Ông Hổ (nằm trong tọa độ từ 10°22’ đến 10°27’ vĩ độ Bắc và 105°24’ đến 105°28’ kinh độ Đông), sử dụng chuỗi số liệu khảo sát địa hình và thủy văn trong giai đoạn từ năm 2007 đến năm 2010. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc bảo vệ tính mạng cho hàng ngàn người dân đô thị, giữ vững các tuyến giao thông thủy huyết mạch và định hướng quy hoạch khai thác khoáng sản bền vững cho tỉnh An Giang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của các lý thuyết động lực học dòng sông kinh điển và các mô hình toán học thủy lực hiện đại. Trọng tâm lý thuyết bao gồm hệ phương trình Saint-Venant hai chiều tích phân theo chiều sâu mô tả dòng chảy không ổn định vùng nước nông, kết hợp với phương trình Navier-Stokes hiệu chỉnh ứng suất tiếp Reynolds nhằm mô phỏng chính xác trường dòng chảy và hiện tượng dòng chảy thứ cấp tại các đoạn sông cong phân nhánh. Bên cạnh đó, lý thuyết vận chuyển bùn cát không kết dính của Engelund - Hansen và Engelund - Fredsoe được áp dụng để xác định thông lượng bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng dưới tác động đồng thời của dòng chảy triều và sóng mặt trời.

Về mặt hình thái học sông ngòi, đề tài kế thừa lý thuyết chế độ ổn định của Altunin và Velikanov để phân tích tính cân bằng động của lòng dẫn phân lạch. Các khái niệm khoa học cốt lõi được vận dụng xuyên suốt gồm: trục động lực dòng chảy (vị trí tập trung năng lượng dòng xiết lớn nhất), vận tốc khởi động bùn cát (vận tốc tới hạn làm dịch chuyển hạt cát đáy có đường kính trung bình 0,15 mm), tỷ lệ phân lưu lòng dẫn (tỷ số lưu lượng giữa các nhánh sông qua bãi bồi giữa dòng) và cơ chế mất ổn định mái dốc trượt sâu do hạ thấp cao trình đáy cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập toàn diện từ các đợt khảo sát thực địa của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, bao gồm bình đồ địa hình chi tiết năm 2007 và 2010 với 13 mặt cắt ngang lòng sông đại diện, chuỗi số liệu quan trắc lưu lượng và mực nước thực đo tháng 12 năm 2010, cùng dữ liệu địa chất từ 6 hố khoan sâu từ 28 m đến hơn 40 m dọc bờ hữu thành phố Long Xuyên. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu là phương pháp chọn mẫu có chủ đích tại các vị trí phân lạch xung yếu và các khu vực có hoạt động khai thác cát mật độ cao (trạm LX-1, LX-2, LX-3) nhằm nắm bắt đầy đủ hiện tượng lệch dòng thủy lực.

Công cụ phân tích chính là mô hình toán thủy động lực hai chiều MIKE 21FM do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, tích hợp phân hệ dòng chảy HD và phân hệ biến hình lòng dẫn ST. Lý do lựa chọn MIKE 21FM xuất phát từ khả năng chia lưới tam giác phi cấu trúc linh hoạt gồm 9.001 phần tử và 5.294 nút tính toán, cho phép mô phỏng chính xác các góc uốn phức tạp quanh cù lao mà lưới có cấu trúc thông thường không làm được. Điều kiện biên thượng lưu (lưu lượng) và hạ lưu (mực nước) của mô hình 2D được trích xuất trực tiếp từ kết quả tính toán của mô hình mạng lưới thủy lực MIKE 11. Toàn bộ quá trình mô phỏng thủy lực và biến hình lòng dẫn được thực hiện liên tục cho chuỗi thời gian mùa lũ từ tháng 6 năm 2010 đến tháng 12 năm 2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã lượng hóa được sự mất cân bằng phân lưu dòng chảy cực kỳ nghiêm trọng giữa hai nhánh sông Hậu qua Cù lao Ông Hổ. Kết quả hiệu chỉnh mô hình và số liệu thực đo lúc 04h ngày 14 tháng 12 năm 2010 cho thấy nhánh phải (chảy sát đô thị Long Xuyên) chiếm tới 74% đến 75% tổng lưu lượng dòng chảy (đạt từ 2.072 m3/s đến 2.324 m3/s trên tổng lưu lượng 2.803 m3/s đến 3.099 m3/s), trong khi nhánh trái chỉ nhận 25% đến 26% lưu lượng (dao động từ 731 m3/s đến 774,3 m3/s). Tình trạng phân lưu lệch tâm này làm cho nhánh phải luôn chịu ứng suất cắt đáy cực đại.

Thứ hai, hoạt động khai thác cát không kiểm soát là tác nhân nhân tạo trực tiếp thúc đẩy xói lở. Mặc dù toàn tỉnh chỉ có 58 tổ chức được cấp phép với hơn 100 phương tiện cơ giới, thực tế có hàng ngàn tàu hút cát tự chế hoạt động trái phép ngày đêm. Tại khu vực nghiên cứu, việc khai thác cát quá mức tại nhánh phải đã tạo ra các hố xói sâu nhân tạo từ 2 m đến 4 m dưới đáy sông, hạ thấp đường trắc dọc lòng dẫn, làm gia tăng độ dốc bờ sông và kích hoạt vận tốc dòng chảy vượt ngưỡng khởi động bùn cát hạt mịn (đường kính 0,15 mm).

Thứ ba, cấu trúc địa chất yếu kết hợp hiện tượng gia tải mép bờ tạo điều kiện cho sạt lở bùng phát. Kết quả phân tích từ 6 hố khoan địa chất chỉ ra rằng tầng đất bờ sông gồm 3 lớp yếu: lớp cát mịn trên cùng dày 1 m, lớp sét bột dẻo mềm dày 2,5 m đến 3,0 m, và lớp bùn sét màu xám nâu trạng thái chảy nằm sâu từ 8 m đến hơn 40 m. Khi chân mái dốc bị xói rỗng do khai thác cát, cộng với áp lực sóng tàu thuyền và tải trọng xây dựng nhà xưởng lấn chiếm sát bờ, khối đất bờ bị trượt sụp dạng cung trượt sâu liên hoàn.

Thứ tư, mô phỏng các kịch bản nạo vét phân lưu chứng minh hiệu quả giảm tải rõ rệt. Khi áp dụng kịch bản khai thác cát chỉnh trị toàn bộ nhánh trái (KTC3), lưu lượng phân bổ sang nhánh trái tăng mạnh từ 25% lên 35% - 37%, giúp phân bớt dòng chảy và làm giảm vận tốc dòng chảy sát bờ hữu tại mặt cắt MC2 và MC8 từ trên 1,2 m/s xuống dưới 0,85 m/s.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng xói lở bờ sông Hậu tại thành phố Long Xuyên là kết quả của sự cộng hưởng giữa quy luật hình thái tự nhiên và can thiệp nhân tạo tiêu cực. Do nhánh trái bị bồi lắng tự nhiên tạo thành nhiều bãi nổi bồi ép tiết diện từ 1.000 m xuống còn 200 m, dòng chảy buộc phải dồn sang nhánh phải có dạng mặt cắt chữ V không đối xứng rộng từ 400 m đến 700 m. Việc tập trung khai thác cát thương mại tại nhánh phải vô tình tạo thành phễu hút lưu lượng, khiến trục động lực ép sát mép bờ đô thị Long Xuyên.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, diễn biến này hoàn toàn tương đồng với các phát hiện trên sông Loire (Pháp) giai đoạn 1900 - 1990, nơi việc khai thác cát gần các đô thị lớn như Tours và Ancenis đã làm hạ thấp mực nước mùa kiệt từ 1,5 m đến hơn 3,0 m và gây sụp đổ hàng loạt công trình lấy nước. Tại Trung Quốc, trên 800 đơn vị khai thác cát trên sông Dương Tử trước năm 2001 cũng đã gây mất ổn định hàng trăm kilomet đê điều và buộc chính phủ phải ban hành lệnh cấm khai thác hoàn toàn trong 3 năm.

Các dữ liệu nghiên cứu của luận văn có thể được trình bày một cách trực quan và khoa học thông qua hệ thống bảng so sánh phân lưu lưu lượng giữa các phương án chỉnh trị, biểu đồ quan hệ lưu tốc dòng chảy theo thời gian đo bằng thiết bị ADCP, cùng sơ đồ bình đồ trường vận tốc hai chiều và các bản vẽ mặt cắt trắc ngang biến hình lòng dẫn từ mặt cắt MC1 đến MC13.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích thủy lực và địa chất chuyên sâu, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược có tính khả thi cao:

  1. Khơi thông và chỉnh trị luồng nhánh trái Cù lao Ông Hổ: Triển khai dự án nạo vét cát chỉnh trị theo kịch bản KTC3 trên toàn bộ nhánh trái, nhằm tăng cường khả năng thoát nước, nâng tỷ lệ phân chia lưu lượng nhánh trái từ mức 25% hiện nay lên mức mục tiêu 35% - 40%, qua đó giảm lưu tốc xói lở cho bờ thành phố Long Xuyên xuống dưới 0,85 m/s. Thời gian thực hiện từ năm 2016 đến năm 2018, chủ thể thực hiện là Ủy ban nhân dân tỉnh An Giang phối hợp cùng Cục Đường thủy nội địa Việt Nam.

  2. Xây dựng kiên cố hóa công trình bảo vệ bờ hữu: Tiến hành thiết kế và thi công hoàn thiện tuyến kè bảo vệ bờ sông Hậu đoạn từ Hải Quân đến rạch Long Xuyên. Kết cấu sử dụng giải pháp kết hợp: chân kè ngập nước gia cố bằng lăng thể đá đổ bọc rọ thép hoặc thảm bê tông tự chèn bơm trong nước chống xói chân, phần thân kè lát tấm bê tông đúc sẵn và đỉnh kè kết hợp đường dạo công viên đô thị. Mục tiêu giữ ổn định tuyệt đối cho 100% tuyến bờ xung yếu, hoàn thành giai đoạn 2016 - 2020 do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh An Giang làm chủ đầu tư.

  3. Thiết lập quy chế kiểm soát và cấp phép khai thác cát lòng sông: Rà soát, đình chỉ 100% các điểm khai thác cát trái phép; chỉ cho phép khai thác tại các bãi bồi nhánh trái theo quy hoạch chỉnh trị dòng chảy. Bắt buộc 58 doanh nghiệp khai thác phải lắp đặt thiết bị định vị vệ tinh GPS, thiết bị đo độ sâu đáy sông và giới hạn công suất khai thác tối đa. Thời hạn hoàn thành trước quý IV năm 2016, do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh An Giang chủ trì kiểm tra, giám sát.

  4. Quy hoạch không gian dân cư và di dời giải tỏa tải trọng mép bờ: Tiến hành di dời dứt điểm 322 hộ dân đang sinh sống trong vùng cảnh báo sạt lở nguy hiểm đến các khu tái định cư an toàn; cưỡng chế tháo dỡ các công trình nhà ở, kho bãi xây cất lấn chiếm và chất tải nặng trên mép bờ sông; thiết lập hành lang an toàn hành lang bảo vệ nguồn nước tối thiểu 50 m tính từ mép bờ tự nhiên. Giai đoạn triển khai từ năm 2016 đến năm 2019 do Ủy ban nhân dân thành phố Long Xuyên trực tiếp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và phòng chống thiên tai: Bao gồm Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh An Giang cũng như các tỉnh vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng bản đồ cảnh báo nguy cơ sạt lở, lập quy hoạch cấp phép mỏ khoáng sản và ban hành chính sách quản lý dòng sông bền vững.

  2. Các đơn vị tư vấn thiết kế và kỹ sư công trình thủy lợi, giao thông thủy: Cung cấp tài liệu thiết kế mẫu mực về tính toán thủy lực công trình kè bờ, thông số kỹ thuật chân kè chịu dòng xiết và giải pháp thi công kè thảm bê tông trong điều kiện địa chất bùn sét yếu ngập nước sâu từ 20 m đến 40 m.

  3. Cộng đồng học thuật, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo giá trị cho các chuyên ngành Công trình Thủy, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Địa kỹ thuật và Chỉnh trị sông; minh họa quy trình chuẩn mực trong việc ứng dụng mô hình số trị MIKE 21FM kết hợp số liệu khảo sát thực địa để giải quyết bài toán biến hình lòng dẫn phức tạp.

  4. Các doanh nghiệp nạo vét và khai thác khoáng sản đường thủy: Giúp các đơn vị nắm vững các yêu cầu kỹ thuật nạo vét thông luồng kết hợp tận thu bùn cát, tránh các hoạt động khai thác sai quy chuẩn gây sạt lở bờ sông và phá hủy môi trường sinh thái thủy vực.

Câu hỏi thường gặp

Hoạt động khai thác cát tác động như thế nào đến sự phân chia lưu lượng sông Hậu qua thành phố Long Xuyên? Việc khai thác cát không quy hoạch tại nhánh phải làm đáy sông bị hạ thấp cục bộ từ 2 m đến 4 m, tạo các hố xói sâu nhân tạo. Hiện tượng này thu hút dòng chảy và làm tăng tỷ lệ phân lưu của nhánh phải lên tới 74% - 75% tổng lượng nước sông Hậu (hơn 2.072 m3/s), làm tăng ứng suất cắt và gây xói lở dữ dội cho bờ hữu đô thị.

Tại sao bờ hữu sông Hậu đoạn qua Long Xuyên lại có nguy cơ sạt lở cao hơn hẳn nhánh tả? Nhánh phải chịu sự kết hợp bất lợi của 3 yếu tố: gánh tới 3/4 tổng lưu lượng sông Hậu trong mùa lũ, địa tầng có lớp bùn sét yếu ở trạng thái chảy dày trên 30 m, và áp lực gia tải công trình xây dựng kèm sóng tàu thuyền lớn. Ngược lại, nhánh trái có xu thế bồi lắng bãi cát tự nhiên nên vận tốc dòng chảy chỉ dưới 0,6 m/s.

Mô hình MIKE 21FM mang lại ưu thế gì vượt trội trong tính toán biến hình lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu? MIKE 21FM ứng dụng mạng lưới phi cấu trúc với 9.001 phần tử tam giác linh hoạt, giải quyết trọn vẹn hình thái bờ sông uốn khúc quanh Cù lao Ông Hổ. Mô hình tích hợp giải hệ phương trình Saint-Venant 2 chiều và mô-đun vận chuyển trầm tích ST, cho phép mô phỏng chính xác tương tác dòng chảy và hạt cát d50 = 0,15 mm trong suốt 6 tháng mùa lũ năm 2010.

Điều kiện địa chất công trình bờ sông Long Xuyên có đặc điểm gì đáng chú ý? Qua 6 hố khoan khảo sát, địa chất khu vực gồm 3 lớp rõ rệt: lớp cát mịn trên cùng dày khoảng 1 m, lớp sét bột dẻo mềm dày 2,5 m đến 3,0 m và lớp bùn sét xám nâu trạng thái chảy nằm sâu từ 8 m đến hơn 40 m. Cấu trúc địa tầng hạt mịn kém kết dính này rất dễ bị sạt trượt khi chân mái dốc bị xói mòn và mực nước triều rút nhanh.

Giải pháp nạo vét thông luồng nhánh trái (kịch bản KTC3) có thể thay thế hoàn toàn việc xây dựng kè bờ không? Không thể thay thế hoàn toàn mà phải kết hợp hỗ trợ lẫn nhau. Kịch bản KTC3 giúp tái cân bằng phân lưu dòng chảy và hạ thấp vận tốc dòng xiết nhánh phải xuống dưới 0,85 m/s, nhưng công trình kè kiên cố bằng đá đổ và thảm bê tông vẫn là thành phần bắt buộc để trực tiếp bảo vệ chân bờ trước tác động xâm thực của sóng và dòng triều.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ hiện tượng sạt lở bờ sông Hậu tại thành phố Long Xuyên là hệ quả tương tác giữa quy luật sông phân lạch tự nhiên, địa tầng bùn sét yếu dày hơn 30 m và hoạt động khai thác cát quá mức.
  • Dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng khẳng định nhánh phải gánh tải từ 74% đến 75% tổng lưu lượng toàn tuyến (đạt trên 2.072 m3/s), làm xói sâu chân bờ hữu đô thị.
  • Ứng dụng thành công mô hình hai chiều MIKE 21FM để mô phỏng 9.001 phần tử lưới, chứng minh kịch bản nạo vét nhánh trái (KTC3) giúp chia sẻ từ 35% đến 37% lưu lượng cho nhánh chính.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp tổng thể kết hợp công trình kè mềm ngập nước, kè bảo vệ bờ kiên cố với các chế tài quản lý, giám sát định vị 100% tàu khai thác cát.
  • Lộ trình thực hiện cần được các cơ quan chức năng tỉnh An Giang tập trung giải ngân và triển khai đồng bộ trong giai đoạn 2016 - 2020 để bảo vệ an toàn tính mạng cho 322 hộ dân nguy cơ cao.
  • Đóng góp chính của công trình là thiết lập cơ sở khoa học định lượng vững chắc và mô hình tính toán chuẩn mực cho công tác quy hoạch chỉnh trị sông tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý quan tâm đến chi tiết số liệu thủy lực và bản vẽ thiết kế công trình kè bảo vệ bờ có thể tra cứu toàn văn luận văn thạc sĩ tại Thư viện Trường Đại học Thủy lợi.