Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Sài Gòn — Đồng Nai là vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Việt Nam, với diện tích khoảng 22.840 km², bao gồm nhiều tỉnh thành phát triển như TP. Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bà Rịa — Vũng Tàu, Long An và các khu vực lân cận. Vùng hạ lưu sông Sài Gòn — Đồng Nai chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ thủy triều bán nhật không đều với biên độ dao động từ 2 đến 3 mét, gây ra các hiện tượng ngập úng, xâm nhập mặn và ảnh hưởng đến sinh thái vùng cửa sông. Dự án đê biển Vũng Tàu — Gò Công được đề xuất nhằm mục tiêu chống ngập, kiểm soát xâm nhập mặn và phát triển kinh tế khu vực, với chiều dài tuyến đê chính khoảng 28 km, kết hợp công trình kiểm soát triều và thoát lũ.

Nghiên cứu tập trung ứng dụng mô hình toán số Telemac2D để đánh giá tác động của dự án đê biển này lên chế độ thủy triều trong lưu vực sông Sài Gòn — Đồng Nai. Mục tiêu chính là phân tích sự thay đổi các đặc trưng dòng triều như năng lượng, dòng chảy thủy triều, bản đồ thủy triều và elips dòng triều trước và sau khi xây dựng đê biển. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực hạ lưu sông Sài Gòn — Đồng Nai, với dữ liệu thu thập từ các trạm quan trắc thủy văn trong giai đoạn 2007 và địa hình cập nhật đến năm 2011. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực của công trình đến môi trường thủy lực, đồng thời hỗ trợ hoạch định chính sách quản lý tài nguyên nước và phát triển bền vững vùng cửa sông.

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 triều, trong đó:

  • Thuyết tĩnh học thủy triều (Newton): Giải thích hiện tượng dao động mực nước do lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời, đồng thời giải thích hiện tượng triều sai và các dạng thủy triều (bán nhật đều, bán nhật không đều, nhật không đều, nhật đều) dựa trên tỷ số các phân triều chính.

  • Hệ phương trình Saint-Venant: Là hệ phương trình thủy động lực học hai chiều trung bình theo chiều sâu, được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và truyền sóng thủy triều trong môi trường sông, biển và kênh hở.

  • Mô hình toán số Telemac2D: Giải hệ phương trình Saint-Venant bằng phương pháp phần tử hữu hạn và thể tích hữu hạn, cho phép mô phỏng dòng chảy 2 chiều với độ chính xác cao, xử lý địa hình phức tạp và các điều kiện biên đa dạng. Telemac2D còn tích hợp các thuật toán giải phương trình động lượng, khuếch tán lan truyền chất và các hiệu ứng lực Coriolis, ma sát đáy.

Các khái niệm chính bao gồm: mực nước triều, năng lượng thủy triều, elips dòng triều, hệ số nhớt rối, và các điều kiện biên thủy văn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa hình (được cập nhật đến năm 2011), số liệu thủy văn gồm mực nước triều, lưu lượng dòng chảy tại các trạm quan trắc như Tân An, Bến Lức, Nhà Bè, Phú An, Thủ Dầu Một, Biên Hòa, cùng số liệu khí tượng liên quan (lượng mưa, hướng và vận tốc gió).

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng miền tính toán rộng khoảng 2.284 km², mô hình hóa bằng 192.607 phần tử tam giác với kích thước phần tử nhỏ nhất 15 m, lớn nhất 1.500 m. Các biên thượng lưu và hạ lưu được xác định rõ ràng, bao gồm biên lưu lượng tại các hồ chứa Trị An, Dầu Tiếng và các trạm sông Vàm Cỏ Đông, Vàm Cỏ Tây; biên mực nước ngoài biển nội suy từ trạm Vũng Tàu và Vàm Kênh.

  • Timeline nghiên cứu: Mô phỏng và kiểm định mô hình trên dữ liệu thực đo trong 10 ngày mùa lũ năm 2007, hiệu chỉnh mô hình dựa trên so sánh kết quả mô phỏng và thực đo. Tiếp đó, mô phỏng các kịch bản xây dựng đê biển với các phương án cống khác nhau (bề rộng 1.000 m, cao trình ngưỡng từ -10 m đến -13 m) để đánh giá tác động lên chế độ thủy triều.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các trạm quan trắc đại diện cho vùng hạ lưu nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác mô hình Telemac2D: So sánh kết quả mô phỏng mực nước triều với số liệu thực đo tại các trạm Tân An, Bến Lức, Nhà Bè, Phú An, Thủ Dầu Một và Biên Hòa cho thấy sai số trung bình nhỏ, với độ lệch biên độ dao động mực nước dưới 0,2 m và sai số pha dao động rất thấp. Điều này khẳng định mô hình có độ tin cậy cao để mô phỏng chế độ thủy triều trong lưu vực.

  2. Ảnh hưởng của đê biển đến đỉnh triều: Mô phỏng các kịch bản xây dựng đê biển Vũng Tàu — Gò Công cho thấy đê biển có tác dụng giảm đỉnh triều tại các trạm quan trắc, với mức giảm đỉnh triều dao động từ 5% đến 15% tùy vị trí và phương án cống. Điều này góp phần giảm nguy cơ ngập úng do triều cường trong khu vực TP. Hồ Chí Minh và các vùng lân cận.

  3. Tác động đến mực nước chân triều và khả năng thoát nước: Kết quả cũng chỉ ra rằng đê biển làm tăng mực nước chân triều và rút ngắn thời gian duy trì mực nước chân triều thấp, dẫn đến giảm khả năng thoát nước tại chỗ trong khu vực bị ảnh hưởng. Mức tăng mực nước chân triều có thể lên đến 0,1–0,3 m, ảnh hưởng tiêu cực đến việc thoát lũ và kiểm soát ngập úng.

  4. Ảnh hưởng của các phương án cống khác nhau: So sánh các phương án cống với cao trình ngưỡng từ -10 m đến -13 m cho thấy phương án cống có cao trình ngưỡng thấp hơn giúp giảm thiểu tác động tiêu cực lên mực nước chân triều và khả năng thoát nước, đồng thời vẫn duy trì hiệu quả giảm đỉnh triều.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm đỉnh triều là do đê biển ngăn chặn một phần dòng triều từ biển vào lưu vực, làm giảm năng lượng sóng triều truyền vào hạ lưu. Tuy nhiên, việc tăng mực nước chân triều và rút ngắn thời gian duy trì mực nước thấp là hệ quả của việc thay đổi lưu thông nước trong vùng đê, làm giảm khả năng thoát nước tự nhiên và có thể gây ngập úng cục bộ.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy kết quả tương đồng với các báo cáo về tác động của công trình đê biển và các công trình ngăn triều khác trên thế giới, như nghiên cứu tại Indonesia và Bỉ, nơi các công trình tương tự cũng làm thay đổi chế độ thủy triều và ảnh hưởng đến hệ sinh thái vùng cửa sông.

Việc sử dụng mô hình Telemac2D đã chứng minh là công cụ mạnh mẽ, có khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng thủy lực phức tạp trong lưu vực lớn với địa hình đa dạng. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh mực nước mô phỏng và thực đo tại các trạm, bảng tổng hợp sai số và bản đồ phân bố mực nước triều trước và sau khi xây dựng đê biển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế cống kiểm soát triều tối ưu: Đề xuất xây dựng cống có cao trình ngưỡng thấp (khoảng -12 m đến -13 m) để giảm thiểu tác động tiêu cực lên mực nước chân triều và khả năng thoát nước, đồng thời duy trì hiệu quả giảm đỉnh triều. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn xây dựng đê biển. Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với các đơn vị tư vấn kỹ thuật.

  2. Xây dựng hệ thống thoát nước bổ sung: Thiết kế và thi công các công trình thoát nước bổ sung trong khu vực bị ảnh hưởng để cải thiện khả năng thoát nước, giảm ngập úng do mực nước chân triều tăng. Thời gian thực hiện: 1-3 năm sau khi hoàn thành đê biển. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương và các cơ quan quản lý tài nguyên nước.

  3. Giám sát và cập nhật mô hình thủy lực định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc mực nước, lưu lượng và các thông số thủy lực khác để cập nhật và hiệu chỉnh mô hình Telemac2D, đảm bảo dự báo chính xác và kịp thời các biến động thủy triều. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Thủy lợi và các trung tâm nghiên cứu liên quan.

  4. Đánh giá tác động môi trường và sinh thái: Tiến hành các nghiên cứu bổ sung về tác động của đê biển đến hệ sinh thái vùng cửa sông, đặc biệt là rừng ngập mặn Cần Giờ và nguồn lợi thủy sản, từ đó đề xuất các biện pháp bảo vệ và phục hồi môi trường. Thời gian thực hiện: song song với quá trình xây dựng và vận hành đê biển. Chủ thể thực hiện: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các tổ chức nghiên cứu môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách tài nguyên nước: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá tác động của công trình đê biển đến chế độ thủy triều, hỗ trợ ra quyết định về quy hoạch và quản lý vùng cửa sông.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia thủy lợi, xây dựng công trình thủy: Thông tin chi tiết về mô hình Telemac2D và phương pháp mô phỏng thủy lực giúp áp dụng trong thiết kế, thi công và vận hành các công trình thủy lợi, đê biển.

  3. Các nhà nghiên cứu môi trường và sinh thái vùng ven biển: Kết quả nghiên cứu tác động thủy lực hỗ trợ đánh giá ảnh hưởng đến hệ sinh thái, từ đó phát triển các giải pháp bảo vệ môi trường bền vững.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành xây dựng công trình thủy và tài nguyên nước: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình toán số trong nghiên cứu thủy lực, phương pháp thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Telemac2D có ưu điểm gì so với các mô hình thủy lực khác?
    Telemac2D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với khả năng xử lý địa hình phức tạp, mô phỏng dòng chảy 2 chiều chính xác, đồng thời là mã nguồn mở và miễn phí, giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh và áp dụng trong nhiều lĩnh vực như thủy lực, tài nguyên nước và biến đổi khí hậu.

  2. Tại sao cần mô phỏng tác động của đê biển lên chế độ thủy triều?
    Đê biển có thể làm thay đổi lưu thông nước, ảnh hưởng đến mực nước triều, gây ngập úng hoặc hạn chế thoát nước. Mô phỏng giúp dự báo các tác động này để thiết kế công trình phù hợp, giảm thiểu rủi ro và bảo vệ môi trường.

  3. Các kịch bản cống khác nhau ảnh hưởng thế nào đến kết quả mô phỏng?
    Kịch bản cống với cao trình ngưỡng thấp hơn giúp giảm tác động tiêu cực lên mực nước chân triều và khả năng thoát nước, trong khi vẫn duy trì hiệu quả giảm đỉnh triều. Ngược lại, cao trình ngưỡng cao hơn có thể làm tăng mực nước chân triều và giảm khả năng thoát nước.

  4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác của mô hình?
    Độ chính xác được nâng cao bằng cách sử dụng số liệu địa hình và thủy văn cập nhật, hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu thực đo tại các trạm quan trắc, và áp dụng các phương pháp nội suy số liệu phù hợp.

  5. Mô hình có thể áp dụng cho các lưu vực khác không?
    Telemac2D là mô hình linh hoạt, có thể áp dụng cho nhiều lưu vực sông và vùng ven biển khác nhau, miễn là có đủ dữ liệu đầu vào về địa hình, thủy văn và điều kiện biên phù hợp.

Kết luận

  • Mô hình Telemac2D được xây dựng và hiệu chỉnh thành công, có độ tin cậy cao trong mô phỏng chế độ thủy triều lưu vực sông Sài Gòn — Đồng Nai.
  • Dự án đê biển Vũng Tàu — Gò Công có tác dụng giảm đỉnh triều, góp phần giảm ngập úng do triều cường trong khu vực.
  • Tuy nhiên, đê biển cũng làm tăng mực nước chân triều và giảm khả năng thoát nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến lưu vực.
  • Các phương án cống với cao trình ngưỡng thấp hơn được khuyến nghị để cân bằng giữa giảm đỉnh triều và duy trì khả năng thoát nước.
  • Cần tiếp tục giám sát, cập nhật mô hình và nghiên cứu tác động môi trường để đảm bảo phát triển bền vững vùng cửa sông.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp thiết kế cống tối ưu, xây dựng hệ thống thoát nước bổ sung, đồng thời thiết lập chương trình giám sát thủy lực và môi trường định kỳ. Các nhà quản lý và chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để hỗ trợ hoạch định chính sách và quản lý tài nguyên nước hiệu quả.