Tổng quan nghiên cứu

Xói lở bờ sông là một trong những hiện tượng tự nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản, đất đai và môi trường sống, đặc biệt tại các khu vực có công trình thủy lợi lớn. Tại khu vực xã Tân An, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai, đoạn sông Đồng Nai sau thuỷ điện Trị An đã xuất hiện tình trạng xói lở kéo dài khoảng 15-20 km, làm mất từ 4 đến 5 ha đất canh tác trong giai đoạn 2016-2017. Hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến đời sống người dân mà còn đe dọa an toàn các công trình thủy lợi và hạ tầng giao thông ven sông.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá sự biến đổi dòng chảy thủy lực và biến dạng lòng sông, từ đó dự báo xu hướng xói lở bờ sông tại khu vực xã Tân An bằng mô hình toán học HEC-RAS 2D kết hợp với mô hình BSTEM. Phạm vi nghiên cứu bao gồm đoạn sông Đồng Nai dài khoảng 32 km, từ ngã ba Hiếu Liêm đến ngã ba Tân Uyên, với dữ liệu khảo sát thực địa và đo đạc thủy lực thu thập trong năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ dự báo chính xác, hỗ trợ công tác quản lý, bảo vệ bờ sông và phát triển bền vững vùng hạ lưu thủy điện Trị An. Kết quả mô hình cho thấy xu hướng dòng chảy và vận tốc tại khu vực giữa sông là lớn nhất, đặc biệt tại bờ trái sông cong bị xói sâu, trong khi bờ phải có hiện tượng bồi tụ. Đây là cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu thiệt hại do xói lở gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình toán học chính:

  • Mô hình HEC-RAS 2D: Phát triển bởi U.S. Army Corps of Engineers, mô hình này mô phỏng dòng chảy thủy lực hai chiều, tính toán vận tốc, mực nước và phân bố áp lực trong lòng sông. HEC-RAS sử dụng phương trình Saint-Venant 2D, giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy phức tạp tại các đoạn sông cong, vùng sạt lở.

  • Mô hình BSTEM (Bank Stability and Toe Erosion Model): Được phát triển bởi Trung tâm nghiên cứu bùn cát quốc gia Mỹ, mô hình này đánh giá sự ổn định bờ sông và quá trình xói chân bờ dựa trên các thông số địa chất, thủy lực và cơ học đất. BSTEM tích hợp với HEC-RAS để dự báo biến đổi bờ sông theo thời gian.

Các khái niệm chính bao gồm: vận tốc dòng chảy, mực nước, áp lực thủy lực, bán kính thủy lực, hệ số nhám Manning, hệ số an toàn bờ sông (Fs), ứng suất cắt tới hạn, và quá trình xói lở chân bờ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm:

  • Dữ liệu địa hình lòng sông và bờ sông thu thập từ 33 mặt cắt ngang khảo sát thực địa với khoảng cách 1 km/mặt cắt.
  • Dữ liệu thủy lực gồm vận tốc dòng chảy, mực nước đo tại 5 trạm quan trắc trong giai đoạn tháng 7-8/2017.
  • Dữ liệu địa chất gồm kết cấu lớp đất, tính chất cơ học đất lấy từ 4 lỗ khoan khảo sát tại khu vực nghiên cứu.

Phương pháp phân tích:

  • Thiết lập mô hình HEC-RAS 2D dựa trên dữ liệu địa hình và thủy lực, hiệu chỉnh mô hình bằng dữ liệu quan trắc thực tế.
  • Áp dụng mô hình BSTEM để tính toán ổn định bờ sông và dự báo xói chân bờ dựa trên kết quả mô phỏng dòng chảy.
  • Phân tích kết quả mô hình với tần suất lũ thiết kế P=2% nhằm đánh giá xu hướng biến đổi lòng sông và bờ sông.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2019 đến tháng 12/2019, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xu hướng dòng chảy và vận tốc: Mô hình HEC-RAS 2D cho thấy vận tốc dòng chảy tại khu vực giữa sông đạt giá trị lớn nhất, trung bình khoảng 1.2 m/s, trong khi vận tốc tại bờ trái (bờ lõm) là khoảng 0.9 m/s và bờ phải (bờ lồi) thấp hơn, khoảng 0.6 m/s. Sự phân bố này phù hợp với nguyên lý dòng chảy trong sông cong, gây xói lở bờ lõm và bồi tụ bờ lồi.

  2. Biến dạng lòng sông: Kết quả mô phỏng cho thấy chiều sâu sông tại bờ trái giảm trung bình 0.5-1.0 m so với hiện trạng, tương ứng với chiều dài sạt lở khoảng 15-20 km, làm mất từ 4 đến 5 ha đất canh tác. Bờ phải có hiện tượng bồi tụ với chiều sâu tăng khoảng 0.3-0.6 m.

  3. Ổn định bờ sông: Mô hình BSTEM tính toán hệ số an toàn bờ sông Fs tại bờ trái dao động từ 0.8 đến 1.0, cho thấy bờ này đang trong trạng thái không ổn định hoặc rất dễ bị xói lở. Trong khi đó, bờ phải có Fs từ 1.2 đến 1.5, tương đối ổn định.

  4. Ảnh hưởng của thủy điện Trị An: Việc vận hành thủy điện làm thay đổi chế độ dòng chảy và vận chuyển bùn cát, làm giảm trầm tích bồi đắp tự nhiên, góp phần làm gia tăng xói lở bờ sông tại khu vực nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở là do sự thay đổi dòng chảy thủy lực sau khi xây dựng thủy điện Trị An, làm tăng vận tốc dòng chảy tại bờ lõm, gây áp lực lớn lên bờ sông. Kết quả mô hình phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước về tác động của công trình thủy lợi đến biến đổi lòng sông.

Việc sử dụng mô hình HEC-RAS 2D kết hợp BSTEM đã cung cấp cái nhìn toàn diện về quá trình biến đổi lòng sông và bờ sông, giúp dự báo chính xác các khu vực có nguy cơ xói lở cao. Dữ liệu mô hình có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố vận tốc dòng chảy, bản đồ biến dạng lòng sông và bảng hệ số an toàn bờ sông theo từng mặt cắt ngang.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc lập kế hoạch bảo vệ bờ sông, thiết kế các công trình chống xói lở và quản lý khai thác tài nguyên nước hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng công trình bảo vệ bờ sông: Thiết kế và thi công các công trình kè, đê chắn sóng tại các đoạn bờ trái có hệ số an toàn Fs thấp (<1.0) nhằm giảm thiểu xói lở trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và chính quyền địa phương.

  2. Tăng cường quan trắc và thu thập dữ liệu dài hạn: Thiết lập hệ thống quan trắc thủy lực và địa hình bờ sông định kỳ hàng năm để cập nhật mô hình và dự báo chính xác hơn. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể: Viện nghiên cứu thủy lợi và Sở Tài nguyên Môi trường.

  3. Quản lý vận hành thủy điện hợp lý: Điều chỉnh chế độ xả nước thủy điện Trị An nhằm giảm áp lực dòng chảy cao đột ngột, hạn chế xói lở bờ sông. Thời gian thực hiện: ngay lập tức và duy trì lâu dài, chủ thể: Công ty thủy điện Trị An.

  4. Phục hồi và trồng cây chắn bờ: Thực hiện trồng cây xanh ven bờ tại các khu vực xói lở để tăng cường sự ổn định đất và giảm tác động của dòng chảy. Thời gian thực hiện trong 3 năm, chủ thể: UBND xã Tân An phối hợp với các tổ chức môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý thủy lợi và tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch bảo vệ bờ sông, điều chỉnh vận hành công trình thủy điện và quản lý khai thác tài nguyên nước hiệu quả.

  2. Chuyên gia kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi: Áp dụng mô hình HEC-RAS và BSTEM trong thiết kế các công trình chống xói lở, đảm bảo an toàn và bền vững.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy văn, môi trường: Tham khảo phương pháp mô hình toán học kết hợp dữ liệu thực địa để nghiên cứu biến đổi lòng sông và tác động môi trường.

  4. Chính quyền địa phương và cộng đồng dân cư ven sông: Hiểu rõ nguyên nhân và mức độ nguy hiểm của xói lở để phối hợp thực hiện các biện pháp phòng chống và phục hồi môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình HEC-RAS 2D có ưu điểm gì so với mô hình 1D?
    HEC-RAS 2D mô phỏng dòng chảy theo hai chiều không gian, cho phép thể hiện chính xác hơn sự phân bố vận tốc và mực nước tại các khu vực phức tạp như sông cong, vùng sạt lở. Ví dụ, tại xã Tân An, mô hình 2D đã phản ánh rõ sự khác biệt vận tốc giữa bờ lõm và bờ lồi.

  2. BSTEM giúp dự báo gì trong nghiên cứu này?
    BSTEM đánh giá sự ổn định bờ sông và dự báo quá trình xói chân bờ dựa trên các thông số địa chất và thủy lực. Kết hợp với HEC-RAS, BSTEM cung cấp công cụ dự báo biến đổi bờ sông theo thời gian, hỗ trợ thiết kế biện pháp bảo vệ.

  3. Tại sao xói lở bờ sông lại nghiêm trọng sau khi xây thủy điện?
    Thủy điện thay đổi chế độ dòng chảy và giảm lượng trầm tích bồi đắp tự nhiên, làm tăng vận tốc dòng chảy tại một số khu vực, đặc biệt bờ lõm, gây xói lở nghiêm trọng. Đây là hiện tượng phổ biến được ghi nhận tại nhiều công trình thủy điện.

  4. Dữ liệu khảo sát thực địa có vai trò thế nào trong mô hình?
    Dữ liệu địa hình, thủy lực và địa chất thực địa là cơ sở để xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình, đảm bảo kết quả mô phỏng phản ánh đúng thực tế. Ví dụ, 33 mặt cắt ngang khảo sát đã giúp mô hình hóa chính xác lòng sông Đồng Nai đoạn xã Tân An.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm xói lở bờ sông?
    Kết hợp các giải pháp kỹ thuật như xây kè chắn, điều chỉnh vận hành thủy điện, trồng cây chắn bờ và tăng cường quan trắc là cách tiếp cận toàn diện và hiệu quả nhất. Mỗi giải pháp bổ trợ cho nhau nhằm duy trì sự ổn định bờ sông lâu dài.

Kết luận

  • Xói lở bờ sông Đồng Nai đoạn xã Tân An kéo dài khoảng 15-20 km, làm mất 4-5 ha đất canh tác, gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và môi trường.
  • Mô hình HEC-RAS 2D kết hợp BSTEM đã mô phỏng chính xác dòng chảy và dự báo biến đổi bờ sông, xác định bờ trái sông cong là khu vực xói lở nghiêm trọng nhất.
  • Hệ số an toàn bờ sông Fs tại bờ trái dao động từ 0.8 đến 1.0, cho thấy nguy cơ mất ổn định cao.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành thủy điện nhằm giảm thiểu xói lở trong vòng 2-3 năm tới.
  • Tiếp tục thu thập dữ liệu dài hạn và cập nhật mô hình là bước quan trọng để nâng cao độ chính xác dự báo và hiệu quả quản lý bờ sông.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ kỹ thuật thiết thực cho công tác bảo vệ bờ sông Đồng Nai, góp phần phát triển bền vững vùng hạ lưu thủy điện Trị An. Đề nghị các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu tiếp tục ứng dụng và phát triển mô hình trong các nghiên cứu tương lai.