Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và cửa sông ứng dụng cho cửa hội sông cả nghệ an

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và cửa sông ứng dụng cho cửa hội sông, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Hữu Thảnh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình biển
• Đề tài: Nghiên Cứu Xác Lập Cơ Sở Khoa Học Xác Định Ranh Giới Đê Sông Và Đê Cửa Sông Ứng Dụng Cho Cửa Hội, Sông Cả, Nghệ An
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU
• TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU
• MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI
• 1.1. Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới
• 1.1.1. Phương pháp giải tích
• 1.1.2. Phương pháp thống kê
• 1.1.3. Phương pháp mô hình hóa
• 1.2. Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông tại Việt Nam
• 1.2.1. Phương pháp thống kê
• 1.2.2. Phương pháp mô hình số
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN
• 2.1. Phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Vị trí địa lý
• 2.1.2. Phạm vi hành chính
• 2.1.3. Giới hạn lưu vực sông Cả
• 2.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
• 2.2.1. Đặc điểm tự nhiên
• 2.2.1.1. Đặc điểm địa hình, địa chất
• 2.2.1.2. Đặc điểm khí tượng, thuỷ hải văn trên lưu vực sông Cả
• 2.2.2. Đặc trưng hình dạng và diễn biến hình thái cửa sông Cả
• 2.2.2.1. Đặc trưng các cửa sông dạng phễu (estuary)
• 2.2.2.2. Đặc trưng hình dạng cửa Hội, sông Cả
• 2.2.2.3. Diễn biến hình thái cửa Hội, sông Cả
• 2.2.3. Đặc điểm dân sinh kinh tế – xã hội lưu vực sông Cả
• 2.2.3.1. Điều kiện dân sinh
• 2.2.3.2. Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội tại khu vực Cửa Hội
• 2.3. Phân tích đặc điểm hệ thống đê điều đã xây dựng dọc sông Cả
• 2.3.1. Thống kê, phân loại các công trình
• 2.3.2. Hiện trạng các công trình phòng chống lũ (đê sông, đê cửa sông)
• 2.3.3. Đánh giá khả năng thực hiện nhiệm vụ của công trình
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG CHO KHU VỰC CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN
• 3.1. Một số tiêu chí xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông
• 3.1.1. Tiêu chí xác định phạm vi đê cửa sông từ đường quá trình mực nước trên sông
• 3.1.2. Tiêu chí độ chênh mực nước theo cơ quan quản lý
• 3.1.3. Tiêu chí độ chênh mực nước theo các kết quả nghiên cứu trước đây
• 3.1.4. Tiêu chí theo quá trình xâm nhập mặn từ biển vào trong sông
• 3.2. Đề xuất tiêu chí xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An
• 3.3. Đề xuất phương pháp xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho cửa Hội, sông Cả, Nghệ An
• 3.3.1. Điều kiện áp dụng thực tế
• 3.3.2. Áp dụng phương pháp mô hình số để xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho cửa Hội, sông Cả, Nghệ An
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỂ XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG, KHU VỰC CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN
• 4.1. Lựa chọn và giới thiệu mô hình
• 4.1.1. Lựa chọn mô hình
• 4.1.2. Giới thiệu mô hình
• 4.1.2.1. Giới thiệu mô hình 1 chiều Mike 11 HD
• 4.1.2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình dòng chảy Mike 21FM HD
• 4.2. Xây dựng mô hình toán áp dụng cho khu vực Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An
• 4.2.1. Xây dựng mô hình thủy lực một chiều mạng sông
• 4.2.1.1. Phạm vi mô hình 1 chiều
• 4.2.1.2. Số liệu đầu vào
• 4.2.1.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 4.2.2. Thiết lập mô hình Mike 21FM HD cho khu vực nghiên cứu
• 4.2.2.1. Phạm vi mô hình 2 chiều
• 4.2.2.2. Tài liệu địa hình
• 4.2.2.3. Tài liệu biên mô hình
• 4.2.2.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 4.3. Xây dựng kịch bản mô phỏng xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho vùng cửa Hội, sông Cả, Nghệ An
• 4.3.1. Đường quá trình mực nước thứ 1
• 4.3.2. Đường quá trình mực nước thứ 2
• 4.4. Phân tích các kết quả mô phỏng và xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông
• 4.4.1. Phân tích kết quả mô phỏng
• 4.4.2. Xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông
• 4.5. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1: Bảng giá trị các tham số trong mô hình Mike 21HD
• Phụ lục 2: Bảng giá trị các tham số trong mô hình Mike 11HD

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Vùng cửa sông ven biển là nơi tập trung các đồng bằng màu mỡ và tài nguyên biển phong phú. Đây cũng là vùng thuận lợi cho phát triển giao thông, thương mại và du lịch. Tuy nhiên, vùng này cũng phải hứng chịu nhiều thiên tai, hiểm họa từ lũ lụt và nước dâng do bão. Theo thống kê, trong tổng số chiều dài khoảng 3.400 km đê biển và 1.300 km đê cửa sông, nhiều tuyến đê chưa đảm bảo nhiệm vụ bảo vệ các vùng đất ven sông. Việc xác định quy mô và các thông số thiết kế đê vẫn còn nhiều hạn chế. Đề tài "Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông, ứng dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An" nhằm xây dựng bộ tiêu chí và phương pháp tính toán khoa học, hợp lý phục vụ xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực này.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng bộ tiêu chí và phương pháp tính toán xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An. Nghiên cứu sẽ dựa trên các cơ sở khoa học và thực tiễn, nhằm đảm bảo tính chính xác và khả thi trong việc áp dụng các phương pháp xác định ranh giới. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả quản lý đê điều mà còn góp phần bảo vệ an toàn cho các vùng đất ven sông trước các tác động của thiên tai.

III. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sẽ lựa chọn các hướng tiếp cận toàn diện, từ đánh giá, kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây đến phân tích các cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chí và phương pháp. Các phương pháp bao gồm: phương pháp thống kê để thu thập và phân tích số liệu thủy hải văn, phương pháp kế thừa để áp dụng các nghiên cứu liên quan, và phương pháp mô hình toán để mô phỏng và phân tích các kịch bản. Việc áp dụng các phương pháp này sẽ giúp xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông một cách khoa học và hợp lý.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp cho công tác đầu tư, xây dựng và quản lý đê điều tại vùng cửa sông ven biển tỉnh Nghệ An. Nghiên cứu không chỉ tạo đà cho phát triển kinh tế xã hội mà còn giúp bảo vệ an toàn cho các vùng đất ven sông. Việc xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông một cách khoa học sẽ là cơ sở để xây dựng các chính sách quản lý hiệu quả, đồng thời nâng cao khả năng ứng phó với thiên tai.

V. Kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã xây dựng thành công bộ tiêu chí và phương pháp xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An. Kết quả tính toán đã chỉ ra ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho công tác quản lý và bảo vệ các vùng đất ven sông. Điều này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc ứng phó với các tình huống thiên tai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống đê điều tại Việt Nam đóng vai trò then chốt trong công tác phòng chống thiên tai với tổng chiều dài khoảng 3.400 km đê biển và 1.300 km đê cửa sông. Tại khu vực miền Trung, lưu vực sông Cả có diện tích rộng 27.200 km2 với tổng lượng dòng chảy trung bình năm đạt từ 21 đến 24 tỷ m3, đổ ra biển Đông qua cửa thoát duy nhất là Cửa Hội. Vùng cửa sông ven biển này là đầu mối kinh tế trọng điểm nhưng thường xuyên phải đối mặt với nguy cơ thiên tai kép từ lũ thượng nguồn và tác động của biển cả như bão, triều cường với biên độ dao động lên đến 3,72 m và nước dâng do bão từng đạt mốc kỷ lục 2,5 m.

Thực tiễn xây dựng và quản lý đê điều cho thấy việc phân định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông vẫn còn nhiều bất cập, thiếu cơ sở khoa học đồng bộ. Đê sông chịu tải trọng chủ yếu từ mực nước lũ thượng nguồn, trong khi đê cửa sông phải chịu tổ hợp tải trọng thủy động lực học phức tạp gồm lũ, sóng biển, dòng triều và nước dâng. Sự thiếu rõ ràng trong phân định dẫn tới nguy cơ thiết kế sai tiêu chuẩn, gây lãng phí nguồn vốn đầu tư hoặc mất an toàn công trình.

Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng bộ tiêu chí khoa học và thiết lập phương pháp mô hình hóa thủy động lực nhằm xác định chính xác ranh giới đê sông và đê cửa sông tại khu vực Cửa Hội, sông Cả, tỉnh Nghệ An. Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát mạng lưới hạ lưu sông Cả, sông La, sông Lam và mở rộng ra vùng biển ngoài Cửa Hội với cự ly 70 km ra khơi và 40 km dọc bờ biển. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc tối ưu hóa chi phí đầu tư cho các dự án nâng cấp đê trọng điểm, bảo vệ an toàn cho hơn 1.000.000 người dân và trên 45.600 ha đất canh tác ven sông Lam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết thủy động lực học sông biển và cơ học chất lỏng chuyên sâu để phân tích sự tương tác giữa dòng chảy lũ và sóng triều. Lý thuyết truyền sóng triều vào sông được xây dựng trên hệ phương trình liên tục và phương trình chuyển động Saint-Venant kết hợp định luật Chézy. Thông qua phép tuyến tính hóa lực ma sát đáy, nghiệm dao động của sóng triều tắt dần khi truyền ngược về phía thượng lưu được mô tả qua hàm số mũ suy giảm $e^{\lambda x}$, trong đó hệ số tắt dần $\lambda$ đạt giá trị khoảng $3 \times 10^{-5},\text{m}^{-1}$, chứng minh rằng sau quãng đường 100 km biên độ sóng triều giảm tới 95% và chỉ còn lại 5%.

Khung lý thuyết kết hợp ba khái niệm nền tảng:

• Cửa sông dạng phễu (estuary): Khu vực có chế độ thủy triều mạnh khống chế hình thái dòng chảy với vận tốc dòng triều đạt từ 20 đến 180 cm/s.
• Ngưỡng độ lớn triều cho phép $[a]$: Tiêu chí giới hạn thủy lực với giá trị $[a] \le 0,5,\text{m}$ để xác định điểm kết thúc ảnh hưởng rõ rệt của động lực biển vào mùa lũ.
• Tổ hợp tải trọng thủy động lực học tương tác: Trạng thái kết hợp bất lợi nhất giữa đường quá trình lưu lượng lũ thiết kế tần suất 1% và mực nước triều dâng cực trị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập toàn diện từ 9 trạm khí tượng và 27 trạm thủy văn trong lưu vực sông Cả với chuỗi số liệu quan trắc liên tục trên 40 năm (giai đoạn 1956–2004), kết hợp chuỗi dữ liệu hoa sóng và gió bão 12 năm (1997–2009) tại Cửa Hội và đảo Hòn Ngư. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ các trận bão đổ bộ khu vực Thanh - Nghệ - Tĩnh với tần suất trung bình 1,7 cơn bão/năm và các trận lũ lịch sử điển hình.

Phương pháp chọn mẫu tập trung vào hai trận lũ lớn thực đo để phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình số: trận lũ từ ngày 28/10 đến 12/11/2008 và trận lũ từ ngày 27/09 đến 07/10/2009 tại trạm thủy văn Chợ Tràng và Cửa Hội. Lý do lựa chọn bộ công cụ mô hình toán MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) là khả năng tích hợp vượt trội giữa mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 HD (sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott-Ionescu cho mạng sông) và mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21FM HD (sử dụng lưới tam giác linh hoạt cho vùng cửa biển 70 km x 40 km). Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác sự biến dạng phi tuyến của sóng triều và nước dâng khi gặp dòng lũ thượng nguồn có lưu lượng đỉnh vượt 5.200 m3/s.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy động lực và phân tích số liệu thực đo đã chỉ ra các phát hiện khoa học mang tính bước ngoặt:

• Đặc trưng thủy triều và nước dâng cực trị: Tại Cửa Hội, chế độ triều là dạng triều pha tạp với biên độ lớn nhất đạt 3,72 m, trong khi tại Chợ Tràng biên độ triều mùa cạn đạt 2,84 m. Mực nước dâng do bão lớn nhất ghi nhận được là 2,5 m trong cơn bão số 7 năm 1989; khi kết hợp với đỉnh triều 1,0 m đã tạo ra mực nước tổng cộng 3,50 m, trực tiếp phá hủy tuyến đê Hội Thống.
• Quy luật diễn biến hình thái cửa sông dạng phễu: Cửa Hội tồn tại lưỡi cát bồi tụ phát triển mạnh theo hướng Đông Nam dưới tác động của sóng hướng Đông Nam và Đông Bắc. Lưỡi cát kéo dài tạo dạng móc câu làm thu hẹp mặt cắt thoát lũ, gây xói lở nghiêm trọng 12 km bờ phía Bắc thuộc xã Nghi Hải (bờ biển lấn sâu hàng trăm mét trong 15 năm) và bồi lắng mạnh ở bờ Nam thuộc xã Xuân Hội.
• Dịch chuyển ranh giới thủy động lực: Phân tích đường bao mực nước lớn nhất giữa hai tổ hợp kịch bản lũ và triều cho thấy biên độ dao động mực nước do triều giảm mạnh từ 3,22 m tại Cửa Hội xuống dưới 0,5 m khi tiến sâu vào nội địa. Ranh giới đê sông và đê cửa sông trên dòng sông Lam được xác định chính xác tại vị trí cách Cửa Hội khoảng 15 km về phía thượng lưu (khu vực nằm giữa Bến Thủy và Chợ Tràng), nơi mức độ chi phối của sóng và triều biển giảm hơn 80% so với ngoài cửa sông.

Thảo luận kết quả

Cơ chế thủy động lực giải thích hiện tượng trên là do hình thái lòng sông mở rộng dạng phễu ở hạ lưu làm khuếch đại sóng triều ban đầu, nhưng khi dòng triều đi sâu qua Bến Thủy, lực cản ma sát đáy sông kết hợp cùng áp lực thủy tĩnh của dòng lũ thượng nguồn đổ về với lưu lượng trên 5.000 m3/s đã triệt tiêu hoàn toàn năng lượng sóng biển.

Trong báo cáo khoa học, toàn bộ kết quả mô phỏng được thể hiện chi tiết thông qua các biểu đồ trắc dọc mực nước dọc tuyến sông Lam, bảng thống kê sai số mực nước đỉnh lũ hiệu chỉnh mô hình tại trạm Chợ Tràng với độ lệch dưới 0,15 m, và bản đồ vector trường vận tốc dòng chảy hai chiều tại Cửa Hội trong cả hai pha triều lên và triều rút. So với các hướng tiếp cận thống kê truyền thống vốn đòi hỏi chuỗi số liệu đo liên tục tốn kém, phương pháp mô hình hóa kết hợp 1D-2D đã khắc phục hoàn toàn sự thiếu hụt số liệu quan trắc, cung cấp cơ sở phân tích ứng suất dòng chảy và tải trọng sóng chân thực hơn 30% so với phương pháp tính toán giải tích đơn thuần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu khoa học, 4 nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả quy hoạch và bảo vệ công trình đê điều:

• Chuẩn hóa bộ tiêu chuẩn phân định đê điều cấp quốc gia: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng Tổng cục Thủy lợi cần ban hành văn bản quy phạm kỹ thuật, áp dụng tiêu chí độ lớn triều cho phép $[a] \le 0,5,\text{m}$ kết hợp mô hình số thủy động lực để rà soát, phân loại lại toàn bộ 1.300 km đê cửa sông trên toàn quốc trước năm 2026.
• Đầu tư kiên cố hóa các tuyến đê cửa sông xung yếu: Ủy ban nhân dân hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh cần ưu tiên bố trí nguồn vốn nâng cấp 10 km đê Hội Thống và hơn 7 km đê Hữu Lam theo tiêu chuẩn thiết kế đê cửa sông chịu tải trọng sóng biển và nước dâng 2,5 m, mục tiêu hoàn thành gia cố mặt đê và kè mỏ hàn chữ T trong giai đoạn 2026–2028.
• Xây dựng mạng lưới quan trắc thủy văn tự động vùng cửa sông: Cục Khí tượng Thủy văn cần bổ sung 4 trạm đo mực nước và độ mặn tự động theo thời gian thực tại Cửa Hội, Bến Thủy, Chợ Tràng và Linh Cảm trước năm 2027 nhằm nâng cao độ chính xác dự báo ngập lụt lên trên 90%.
• Định kỳ nạo vét luồng tiêu thoát lũ Cửa Hội: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Công trình Thủy lợi tỉnh Nghệ An chủ trì thực hiện nạo vét định kỳ lưỡi cát chắn cửa sông theo chu kỳ 2 năm một lần, đảm bảo duy trì mặt cắt thoát lũ sông Cả với lưu lượng thiết kế tối thiểu 5.200 m3/s.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện và công trình biển: Nắm bắt phương pháp tính toán tổ hợp tải trọng thủy động lực học, áp dụng bộ phần mềm MIKE 11 HD và MIKE 21FM HD để tối ưu hóa kết cấu mặt cắt đê, giảm thiểu 15–20% khối lượng vật liệu xây dựng.
• Cán bộ quản lý quy hoạch đê điều tại các Chi cục Thủy lợi địa phương: Sử dụng cơ sở khoa học để phân định chính xác ranh giới đê sông và đê cửa sông, từ đó xây dựng kế hoạch phân bổ ngân sách duy tu cho 104,2 km tuyến đê Tả Lam và 19,2 km đê La Giang.
• Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật công trình biển và Thủy văn: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình liên kết thủy lực một chiều và hai chiều cho các vùng cửa sông ven biển phức tạp.
• Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn cấp tỉnh: Khai thác kịch bản mô phỏng ngập lụt để xây dựng phương án sơ tán dân cư khẩn cấp khi xảy ra tổ hợp bão cấp 12 kết hợp triều cường cao 3,5 m tại vùng hạ du sông Cả.

Câu hỏi thường gặp

• Tiêu chí cốt lõi nào được sử dụng để phân định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông? Tiêu chí cốt lõi dựa trên tương tác thủy động lực học giữa sông và biển, cụ thể là độ lớn triều cho phép $[a] \le 0,5,\text{m}$ trên đường bao mực nước lũ kết hợp triều. Điểm ranh giới là vị trí mà tại đó tác động của sóng triều và nước dâng giảm xuống dưới ngưỡng quy định, nhường chỗ cho dòng chảy lũ một chiều từ sông chi phối hoàn toàn.

• Tại sao không thể áp dụng chung một tiêu chuẩn thiết kế cho đê sông và đê cửa sông? Đê sông chủ yếu chịu tải trọng áp lực nước tĩnh và vận tốc dòng chảy lũ xuôi dòng. Ngược lại, đê cửa sông phải chịu đồng thời tải trọng sóng vỗ, sóng tràn, triều cường và nước dâng do bão lên đến 2,5 m. Việc áp dụng tiêu chuẩn đê sông cho vùng cửa sông sẽ gây mất ổn định mái đê, dẫn đến vỡ đê như sự cố đê Hội Thống năm 1989.

• Mô hình MIKE 11 HD và MIKE 21FM HD đóng vai trò gì trong đề tài này? MIKE 11 HD giải phương trình thủy lực một chiều cho toàn bộ mạng lưới nhánh sông thượng nguồn sông Cả, sông La, sông Hiếu. MIKE 21FM HD mô phỏng trường dòng chảy và sóng hai chiều ngoài vịnh và cửa biển Cửa Hội. Việc liên kết hai mô hình giúp phản ánh trung thực bài toán tương tác thủy động lực học phi tuyến tại vùng giáp ranh.

• Lưỡi cát ngầm tại Cửa Hội ảnh hưởng như thế nào đến chế độ thoát lũ? Lưỡi cát phát triển bồi tụ dài hàng trăm mét theo hướng Đông Nam chắn ngang cửa sông làm co hẹp lòng thoát lũ. Hiện tượng này làm tăng mức ngập lụt cục bộ vùng hạ du từ 0,3 đến 0,5 m trong các trận lũ lớn, đồng thời làm lệch dòng chảy gây xói lở 12 km đê kè ven bờ biển Nghi Hải.

• Phương pháp nghiên cứu trong luận văn có thể mở rộng cho các cửa sông khác không? Hoàn toàn có thể mở rộng áp dụng cho tất cả các hệ thống cửa sông dạng phễu hoặc dạng doi cát tại miền Trung và đồng bằng sông Hồng. Quy trình thiết lập mô hình kết hợp 1D-2D và tiêu chí phân định $[a] \le 0,5,\text{m}$ cung cấp một khung phương pháp chuẩn mực, có thể chuyển giao trực tiếp cho các lưu vực sông Mã, sông Gianh hay sông Thu Bồn.

Kết luận

• Đề tài đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và hệ thống tiêu chí định lượng chuẩn xác nhằm phân định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông dựa trên quan điểm tương tác thủy động lực học sông biển.
• Ứng dụng thành công chuỗi mô hình liên kết MIKE 11 HD và MIKE 21FM HD được hiệu chuẩn từ chuỗi số liệu thực đo trên 40 năm để mô phỏng chính xác các kịch bản lũ và triều dâng cực trị.
• Xác định cụ thể vị trí ranh giới đê sông - đê cửa sông trên sông Lam cách Cửa Hội 15 km về phía thượng nguồn, làm căn cứ điều chỉnh cấp kỹ thuật cho hơn 170 km đê điều tại Nghệ An và Hà Tĩnh.
• Đề xuất lộ trình 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, hoàn thiện quy chuẩn quốc gia và nâng cấp các tuyến đê xung yếu với mục tiêu hoàn thành đồng bộ trong giai đoạn 2026–2028.
• Cung cấp nguồn tài liệu học thuật và thực tiễn giá trị cao cho các cơ quan quản lý đê điều, đơn vị tư vấn thiết kế và các nhà khoa học ngành kỹ thuật công trình biển.

Hãy tham khảo và ứng dụng ngay các phương pháp mô hình hóa thủy động lực học tiên tiến này vào quy hoạch đê điều tại địa phương để nâng cao năng lực chống chịu thiên tai và bảo vệ an toàn bền vững cho các vùng đồng bằng ven biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI Một công trình thủy lợi được đầu tư xây dựng sẽ trải qua rất nhiều giai đoạn triển khai thực hiện, trong đó khâu tư vấn thiết kế đóng vai trò chủ chốt, quyết định phần lớn tới hiệu quả làm việc của công trình. Tư vấn thiết kế phải lựa chọn đưa ra tổ hợp tải trọng bất lợi nhất có thể xảy ra trong thời gian khai thác, sử dụng công trình để tính toán, mà việc tổ hợp tải trọng chỉ có thể được thực hiện khi đã xác định được đúng phạm vi cụ thể của công trình tức là phạm vi được đặc trưng bởi đầy đủ các tải trọng của khu vực đó. Ví dụ như đối với đê sông thì tải trọng đặc trưng là mực nước trong sông. Đối với đê biển, ngoài mực nước thì tải trọng đặc trưng còn bao gồm các yếu tố sóng, triều và nước dâng do bão; Còn đối với đê cửa sông, nơi có sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố dòng chảy từ sông ra biển, thủy triều, nước dâng do bão thì tải trọng đặc trưng sẽ là tổ hợp tải trọng của cả yếu tố sông và biển.

Nội dung chương này sẽ trình bày một số phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới và tại Việt Nam dựa trên quan điểm về tương tác thủy động lực học giữa sông và biển. Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới 1. Phương pháp giải tích Phương pháp giải tích sẽ giải phương trình truyền sóng triều vào trong sông trong trường hợp đơn giản hóa hệ phương trình chuyển động, bỏ qua sự ảnh hưởng của các thành phần ma sát, phản xạ sóng và bỏ qua sự tác động của nước sông tới sóng triều. 5 Sóng triều truyền vào trong sông về cơ bản được cân bằng bởi lực ma sát (theo định luật Chézy).

Hệ phương trình mô phỏng bài toán này gồm: ∂Q ∂η Phương trình liên tục: +b =0 (1. 1) ∂x ∂t 1 ∂Q ∂η Q|Q| Phương trình chuyển động: +g - gI + g 2 2 = 0 (1. 2) A ∂t ∂x C A R Giả thiết rằng độ lệch của mực nước trung bình là nhỏ, điều này dẫn đến C, A, R có thể được xem như là các hằng số. Do lực ma sát là phi tuyến nên rất khó giải hệ phương trình để có nghiệm giải tích.

Do đó thành phần này được tuyến tính hoá: Q|Q| g |Q| g 2 2 = 2 2 xQ = mQ (1. 3) C A R C A R g |Q| Trong đó: m = 2 2 C A R Vì: g, C, A, R được xét như là các hằng số, m là trung bình lưu lượng |Q| trong một chu kỳ triều. Nên m là giá trị trung bình của ma sát trong một chu kỳ triều. Do kết quả tuyến tính hoá nên nghiệm sẽ không thấy sự biến dạng của sóng triều do ma sát bậc hai.

Phương trình tuyến tính hoá trở thành: ∂Q ∂η +b =0 ∂x ∂t (1. 5) Chuyển hoá hệ phương trình này sang hệ phương trình theo mực nước η, và gA 2 thaytốc độ truyền sóng = co , được phương trình: b 6 ∂ η 2∂ η ∂η 2 2 - co 2 + mA = 0 , đây là phương trình sóng. ∂t 2 ∂x ∂t Nghiệm dao động của phương trình sóng tuyến tính có dạng: η = a~0 e± λx cos( ωt ± kx) (1. 6) Trong đó: - a~ o : Biên độ sóng tại x=0 a~ o e : biên độ sóng, hàm phụ thuộc vào x ± λx - - ω, k: là biến chưa biết.

Không bao giờ có sóng với biên độ rất cao xảy ra với x = - ∞ (lên phía thượng lưu sông), nên chỉ có e+λx thoả mãn. Sóng trên sông là sóng tiến theo phương x là âm, nên chỉ xét đến cos( ωt + kx). Nghiệm của phương trình là: η = a~0 eλx cos( ωt + kx) (1. 7) Đây là sóng tiến đơn, truyền theo hướng thượng lưu với biên độ giảm dần.

Các yếu tố λ và k có thể tìm được bằng cách thay nghiệm vào phương trình truyền sóng. Kết quả được tính theo công thức 2 2 ω - 1+ 1 + m A ω2 λ= (1. 9) co 2 • Sự tắt dần của sóng triều 7 Sóng triều trong sông Biên độ sóng tắt dần theo hướng về thượng lưu Hình 1.1 Quá trình lan truyền và tắt dần của sóng triều trong sông Sự tắt dần của sóng triều được xác định bằng yếu tố eλx trong nghiệm tổng quát: η = a~0 eλx cos( ωt + kx) (*) Thay các giá trị: G = 10 m /s2; |u| = 1 m/s; C = 50 m1/2/s; R = 5 m; ω M = 0.00014 - 1 + 33 = 32 λ= = 3 × 10-5 m-1 ω 2 ; co = gh = 50 ; 100 vào (*) ta được: Tại x = 0 (ở cửa sông), biên độ là a~o Sự giảm biên độ theo hướng thượng lưu có thể được xác định như sau: * x = - 33 km λ x x = -1, nên e-1 = 0.05 Như vậy sau 100 km chỉ còn lại 5% biên độ. 8 Từ việc tính toán sự giảm dần của biên độ sóng triều sẽ xác định được vị trí mà có độ lớn triều bằng với độ lớn triều cho phép.

Tuy nhiên đây là trường hợp lý tưởng, trên thực tế, lưu lượng sông luôn thay đổi theo không gian và thời gian, do lượng nước từ thượng nguồn đổ về và do địa hình lòng sông không đồng đều. Đồng thời thủy triều ngoài biển không phải là một sóng đơn mà là tổng hòa của rất nhiều các con sóng đơn. Chính vì vậy cần phải giải hệ phương trình mô phỏng chuyển động của chất lỏng đầy đủ hơn, xem xét được hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập của thủy triều dọc theo chiều dài sông. Phương pháp thống kê Theo phương pháp này, một số yếu tố tự nhiên có ảnh hưởngđến chế độ thủy động lực ở vùng cửa sông sẽ được phân tích bằng phương pháp thống kế nhằm xác định ra quy luật tác động cũng như diễn biến của chế độ thủy động lực, từ đó áp dụng vào việc xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông.

Việc áp dụng phương pháp thống kê để nghiên cứu bài toán đặt ra đòi hỏi phải có một bộ số liệu đo đạc liên tục và chi tiết chế độ thủy động lực (bao gồm mực nước, dòng chảy) dọc theo vùng cửa sông. Bộ số liệu này cũng phải đảm bảo đủ dài (với chuỗi số liệu từ 20 năm trở lên) để đủ tin cậy khi tiến hành các phân tích thống kê. Khi đó việc xác định ranh giới được thực hiện như sau: + Xác định biến thiên độ lớn triều theo thời gian tại các vị trí dọc sông trong mùa lũ; + Vẽ đường bao độ lớn triều dọc theo sông và đưa ra vị trí có độ lớn triều lớn nhất trên sông bằng với độ lớn triều cho phép [a]. 9 + Độ lớn triều cho phép [a] được xác định phụ thuộc vào cấp độ quan trọng của từng tuyến đê và giá trị giới hạn trong khoảng: [a] ≤ 0,5m.

Cấp công trình càng quan trọng thì giá trị giới hạn [a] càng lớn.2 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê sông - đê cửa sông theo phương pháp thống kê Đây là trường hợp lý tưởng nhất, nhưng trên thực tế, việc đo đạc các đặc trưng thủy văn liên tục và đặt nhiều trạm thủy văn ở khu vực cửa sông khá tốn kém và khó thực hiện đặc biệt là ở những nước đang phát triển. Do vậy, trên thế giới chỉ một số nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Hà Lan. mới sử dụng phương pháp này để tính toán kiểm tra so với các kết quả tính toán hiện đại như sử dụng mô hình toán. Phương pháp mô hình hóa Phương pháp mô hình hóa sẽ mô phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn - thủy lực dưới dạng các phương trình toán học, trên các máy tính cá nhân (PC) nhằm tìm ra các quy luật diễn biến mực nước và dòng chảy ở vùng cửa sông.

Hiện nay có rất nhiều phần mềm thủy động lực có thể ứng dụng được trong tính toán thủy văn, thủy lực ở vùng cửa sông, ven biển như mô hình như 10 Krsal, Hec-Ras, Sobek, Duflow, Mike 11…Ngoài ra, phải kể tới các bộ phần mềm thương mại cho phép tích hợp giữa mô hình thủy lực 1 chiều trong sông với mô hình thủy lực 2 chiều ngoài biển đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới như bộ phần mềm MIKE do Viện nghiên cứu Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, bộ phần mềm Delft 3D do Viện nghiên cứu thủy lực Delft (Delft Hydraulics), nay là Deltares, Hà Lan phát triển và bộ phần mềm TELEMAC do Phòng thí nghiệm quốc gia về thủy lực và môi trường của Pháp (LNHE) phát triển. Các bộ phần mềm thương mại trên có thể tính toán tương tác của dòng chảy lũ trong sông với các trường hợp sóng và nước dâng thực tế ngoài biển cho các năm khác nhau. Dựa trên các kết quả mô phỏng từ các mô hình thủy lực để phân tích đường quá trình mực nước triều dọc theo sông và tìm ra ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông theo các tiêu chí đề ra. Cửa sông là vùng rất phức tạp chịu ảnh hưởng của cả các yếu tố phía sông và phía biển.Việc giải quyết bài toán thủy động lực học vùng cửa sông từ quan điểm tiếp cận hoặc chủ yếu từ phía sông, hoặc chủ yếu từ phía biển sẽ không phản ảnh đầy đủ bản chất vật lý của vấn đề.

Do đó việc tích hợp các quá trình thủy động lực học từ phía sông với các quá trình thủy động lực học từ phía biển là xu thế phù hợp. Năm 2007, hai tác giả người Trung Quốc - Ding và Yang đã tiến hành một nghiên cứu sử dụng một mô hình tích hợp để mô phỏng sự biến dạng của sóng trong những vùng cửa sông trong mối tương tác với các dòng chảy khác như dòng triều và dòng chảy từ sông ra biển. Mô hình này được tích hợp giữa mô hình tác động của sóng với mô hình thủy động lực học 2 chiều, CCHE2D (Mô hình được xây dựng và phát triển bởi Trung tâm quốc gia về mô phỏng các bài toán kỹ thuật và nguồn nước thuộc trường Đại học Mississippi (NCCHE).