Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Diễn Biến Cửa Sông Bến Tre Bằng Mô Hình Toán Và Đề Xuất Giải Pháp Chỉnh Trị

• Tác giả: Lê Văn Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Ứng dụng mô hình toán nghiên cứu quá trình diễn biến khu vực cửa sông tỉnh Bến Tre và đề xuất các giải pháp chỉnh trị
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• BẢN CAM KẾT
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của Đề tài
• 0.2. Mục đích của Đề tài
• 0.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Các kết quả dự kiến đạt được
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN KHU VỰC CỬA SÔNG
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu diễn biến cửa sông
• 1.1.1. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới
• 1.1.2. Tổng quan các nghiên cứu trong nước
• 1.2. Các phương pháp nghiên cứu diễn biến cửa sông
• 1.2.1. Phương pháp kinh nghiệm
• 1.2.2. Phương pháp viễn thám
• 1.3. Các kết quả dự kiến đạt được
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đặc điểm tự nhiên
• 2.1.1. Vị trí địa lý
• 2.1.2. Đặc điểm địa hình
• 2.1.3. Đặc điểm thổ nhưỡng
• 2.1.4. Đặc điểm khí tượng, thủy văn
• 2.1.5. Đặc điểm sông ngòi
• 2.1.6. Đặc điểm hải văn
• 2.2. Đặc điểm hiện trạng, diễn biến khu vực nghiên cứu
• 2.3. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH QUY LUẬT DIỄN BIẾN KHU VỰC CỬA SÔNG TỈNH BẾN TRE
• 3.1. Lựa chọn mô hình đánh giá diễn biến khu vực nghiên cứu
• 3.2. Giới thiệu mô hình MIKE21/3 FM COUPLE
• 3.3. Ứng dụng mô hình
• 3.4. Phạm vi nghiên cứu
• 3.5. Thiết lập lưới tính toán
• 3.6. Xác định điều kiện biên
• 3.7. Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình
• 3.8. Kết quả tính toán và nhận xét
• 3.9. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ KHU VỰC CỬA SÔNG TỈNH BẾN TRE
• 4.1. Cơ sở đề xuất các giải pháp ổn định cửa sông
• 4.2. Giải pháp phi công trình
• 4.3. Các giải pháp công trình
• 4.3.1. Phương án công trình đề xuất
• 4.3.2. Kết quả tính toán cho các giải pháp công trình
• 4.3.3. Thiết kế sơ bộ đập mỏ hàn
• 4.3.3.1. Giải pháp kết cấu
• 4.3.3.2. Các thông số thiết kế
• 4.3.3.3. Trọng lượng, kích thước yêu cầu của lớp phủ mái nghiêng
• 4.3.3.4. Kích thước đá lót dưới lớp phủ mái
• 4.3.3.5. Tính toán lớp thềm bảo vệ đầu mỏ hàn
• 4.3.3.6. Gia cố bờ, gốc mỏ hàn
• 4.3.3.7. Kiểm tra ổn định công trình
• 4.4. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình toán học trong nghiên cứu cửa sông

Mô hình toán học là công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu diễn biến cửa sông. Các mô hình như MIKE21/3 FM COUPLE được sử dụng để mô phỏng dòng chảy, vận tốc, và sự biến đổi địa hình đáy sông. Cửa sông Bến Tre được phân tích dựa trên các thông số thủy văn, hải văn, và điều kiện biên. Kết quả mô phỏng giúp dự báo xu hướng bồi lắng và xói lở, từ đó đề xuất các giải pháp chỉnh trị hiệu quả.

1.1. Ứng dụng mô hình MIKE21 3 FM COUPLE

Mô hình MIKE21/3 FM COUPLE được áp dụng để mô phỏng diễn biến cửa sông Bến Tre. Quá trình thiết lập lưới tính toán, xác định điều kiện biên, và kiểm định mô hình được thực hiện chi tiết. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi địa hình đáy sông và trường dòng chảy theo mùa, cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và chỉnh trị cửa sông.

1.2. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng từ mô hình toán học cho thấy sự biến đổi đáng kể tại các cửa sông như Cửa Đại, Cửa Hàm Luông, và Cửa Cổ Chiên. Các dữ liệu về vận tốc dòng chảy, nồng độ bùn cát, và sự thay đổi địa hình được phân tích để đánh giá xu hướng bồi lắng và xói lở. Những kết quả này là cơ sở để đề xuất các giải pháp chỉnh trị phù hợp.

II. Diễn biến cửa sông Bến Tre

Diễn biến cửa sông Bến Tre được nghiên cứu dựa trên các yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội. Khu vực này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều, sóng, và dòng chảy sông Mê Kông. Quá trình bồi lắng và xói lở diễn ra liên tục, đặc biệt tại các cửa sông như Cửa Ba Lai và Cửa Cổ Chiên. Nghiên cứu cửa sông này nhằm xác định quy luật diễn biến và đề xuất các giải pháp quản lý bền vững.

2.1. Đặc điểm tự nhiên khu vực cửa sông

Khu vực cửa sông Bến Tre có địa hình bằng phẳng, với hệ thống sông ngòi chằng chịt. Các yếu tố thủy văn như lượng mưa, thủy triều, và dòng chảy ảnh hưởng lớn đến quá trình bồi lắng và xói lở. Đặc biệt, sự tích tụ phù sa từ sông Mê Kông tạo nên các bãi bồi ven biển, mang lại lợi thế cho nuôi trồng thủy sản.

2.2. Hiện trạng diễn biến cửa sông

Hiện trạng diễn biến cửa sông Bến Tre cho thấy sự bồi lắng chiếm ưu thế, đặc biệt tại Cửa Ba Lai và Cửa Cổ Chiên. Tuy nhiên, hiện tượng xói lở cũng xảy ra tại một số khu vực, gây ảnh hưởng đến đời sống và kinh tế địa phương. Nghiên cứu cửa sông này cung cấp cơ sở khoa học để quản lý và phát triển bền vững khu vực này.

III. Giải pháp chỉnh trị cửa sông Bến Tre

Các giải pháp chỉnh trị được đề xuất dựa trên kết quả nghiên cứu và mô phỏng. Các giải pháp bao gồm cả công trình và phi công trình, nhằm ổn định dòng chảy, giảm thiểu xói lở, và tăng cường bồi lắng. Chỉnh trị cửa sông là yếu tố quan trọng để phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường tại Bến Tre.

3.1. Giải pháp công trình

Các giải pháp công trình như đập mỏ hàn, kè bảo vệ bờ, và gia cố đáy sông được đề xuất để ổn định cửa sông Bến Tre. Thiết kế sơ bộ các công trình này dựa trên kết quả tính toán từ mô hình toán học, đảm bảo hiệu quả và tính khả thi cao.

3.2. Giải pháp phi công trình

Các giải pháp phi công trình bao gồm quản lý bãi bồi, trồng rừng ngập mặn, và kiểm soát khai thác tài nguyên. Những giải pháp này góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững khu vực cửa sông Bến Tre.

IV. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý và phát triển bền vững khu vực cửa sông Bến Tre. Các kết quả từ mô hình toán học và nghiên cứu cửa sông cung cấp cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp chỉnh trị hiệu quả. Những giải pháp này không chỉ giúp ổn định dòng chảy mà còn góp phần phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường.

4.1. Giá trị khoa học

Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các phương pháp mô hình hóa cửa sông và phân tích cửa sông. Các kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà khoa học và nhà quản lý trong lĩnh vực thủy văn và chỉnh trị sông.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Các giải pháp chỉnh trị được đề xuất có thể áp dụng trực tiếp vào thực tế, giúp ổn định khu vực cửa sông Bến Tre. Những giải pháp này góp phần phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường, và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân địa phương.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Bến Tre, thuộc khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, có diện tích tự nhiên khoảng 2.315 km², được hình thành bởi phù sa của bốn nhánh sông lớn gồm sông Tiền, Ba Lai, Hàm Luông và Cổ Chiên. Theo thống kê trong 21 năm (1968 – 1989), tổng diện tích bồi tụ vùng ven biển Bến Tre đạt khoảng 61,170 km², với tốc độ bồi tụ bình quân hàng năm khoảng 2,33 km², tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, khu vực này cũng chịu ảnh hưởng phức tạp của quá trình xói lở bờ, bồi lắng lòng dẫn và biến đổi địa hình đáy sông, gây ảnh hưởng đến giao thông thủy, kinh tế và môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu quá trình diễn biến bồi tụ và xói lở tại các cửa sông tỉnh Bến Tre trong giai đoạn nhiều năm, nhằm xác định quy luật vận chuyển bùn cát và biến đổi lòng dẫn cửa sông. Mục tiêu cụ thể là đề xuất các giải pháp chỉnh trị phù hợp, ổn định cửa sông, góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các cửa sông chính như cửa Đại, cửa Ba Lai, cửa Hàm Luông và cửa Cổ Chiên, với dữ liệu thu thập từ các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn, địa hình và bùn cát trong khoảng thời gian từ 1968 đến 2014.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch giao thông thủy, bảo vệ môi trường và khai thác bãi bồi ven biển tỉnh Bến Tre, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên và phát triển kinh tế vùng cửa sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về động lực học dòng chảy, vận chuyển bùn cát và chỉnh trị cửa sông. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Lý thuyết vận chuyển bùn cát và bồi tụ: Mô tả quá trình vận chuyển bùn cát qua cửa sông dưới tác động của dòng chảy, sóng và thủy triều, dựa trên các nguyên lý của Bruun và Gerritsen (1959) về chuyển cát qua cửa sông thông qua dải cát ngầm và dòng triều.

• Mô hình thủy lực số và mô hình toán học: Sử dụng mô hình MIKE21/3 FM COUPLED để mô phỏng trường dòng chảy, sóng và vận chuyển bùn cát trong khu vực cửa sông phức tạp. Mô hình này dựa trên phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds, kết hợp với giả thiết Boussinesq và áp suất thủy tĩnh, cho phép mô phỏng dòng chảy 2D và 3D, vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: vận chuyển bùn cát, bồi tụ, xói lở, mô hình thủy lực số, mô hình toán, chỉnh trị cửa sông, và các loại công trình bảo vệ bờ như kè lát mái, mỏ hàn, đập chắn sóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa hình, khí tượng, thủy văn, bùn cát, và các tài liệu công trình chỉnh trị thu thập từ các trạm quan trắc và các đề tài nghiên cứu liên quan trong giai đoạn 1968-2014. Cỡ mẫu dữ liệu lớn, bao gồm số liệu mưa trung bình năm khoảng 1.500-1.600 mm, vận tốc dòng chảy trung bình 30-50 cm/s, biên độ triều trên 2 m, và biến động địa hình đáy sông qua nhiều năm.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán MIKE21/3 FM COUPLED với các module thủy động lực học (MIKE21/3 HD), phổ sóng (MIKE21/3 SW) và vận chuyển bùn cát (MIKE21/3 ST). Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên số liệu thực đo mực nước, vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát tại các trạm như Bình Đại, An Thuận, Bến Trại.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm: thu thập và phân tích số liệu, lựa chọn và thiết lập mô hình, hiệu chỉnh mô hình, mô phỏng diễn biến lòng dẫn cửa sông, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp chỉnh trị. Phương pháp nghiên cứu kết hợp viễn thám GIS, mô hình toán và phân tích tổng hợp nhằm đảm bảo tính toàn diện và chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Diễn biến bồi tụ và xói lở cửa sông: Qua 21 năm, tổng diện tích bồi tụ ven biển Bến Tre đạt khoảng 61,170 km², với tốc độ bồi tụ bình quân 2,33 km²/năm. Các cửa sông như cửa Ba Lai và cửa Cổ Chiên có quá trình bồi tụ chiếm ưu thế, trong khi cửa Đại và cửa Hàm Luông có sự xói lở cục bộ với chiều dài bờ bị xói từ 0,5 đến 2,25 km.

2. Biến động địa hình đáy sông: Độ sâu đáy sông tại cửa Đại dao động từ 5-9 m, cửa Hàm Luông từ 6-10 m, cửa Cổ Chiên từ 7-8 m. Mô hình MIKE21 mô phỏng chính xác biến động mực nước, vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát, với sai số dưới 10% so với số liệu thực đo.

3. Ảnh hưởng của thủy triều và gió: Biên độ triều tại cửa sông trung bình trên 2 m, có thể lên đến 4,2 m vào mùa lũ. Gió mùa Đông Bắc và Tây Nam với tốc độ trung bình 3,5-4,5 m/s ảnh hưởng mạnh đến dòng chảy ven bờ và vận chuyển bùn cát, góp phần vào quá trình bồi tụ và xói lở.

4. Hiệu quả mô hình toán: Mô hình MIKE21/3 FM COUPLED cho phép mô phỏng đồng thời các quá trình thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát, giúp dự báo chính xác diễn biến lòng dẫn cửa sông trong các điều kiện thủy văn khác nhau, hỗ trợ đề xuất giải pháp chỉnh trị hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự biến đổi lòng dẫn cửa sông Bến Tre chịu ảnh hưởng phức tạp của nhiều yếu tố tự nhiên như dòng chảy sông, thủy triều, sóng, gió và nguồn cung cấp bùn cát từ thượng nguồn. Sự bồi tụ mạnh tại cửa Ba Lai và Cổ Chiên phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vận chuyển bùn cát tại các cửa sông ven biển Đồng bằng sông Cửu Long.

Mô hình toán MIKE21/3 FM COUPLED đã chứng minh tính ứng dụng cao trong việc mô phỏng các quá trình thủy lực và bùn cát, tương tự như các nghiên cứu quốc tế và trong nước. Tuy nhiên, độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào chất lượng số liệu đầu vào và hiệu chỉnh mô hình, đặc biệt là các hệ số nhám đáy và vận chuyển bùn cát.

Việc kết hợp phương pháp viễn thám GIS và mô hình toán giúp đánh giá toàn diện diễn biến bờ biển và lòng dẫn cửa sông, đồng thời hỗ trợ lựa chọn các giải pháp chỉnh trị phù hợp, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và phát triển kinh tế bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng và hoàn thiện hệ thống quan trắc thủy văn, địa hình và bùn cát: Tăng cường thu thập số liệu định kỳ để cập nhật và hiệu chỉnh mô hình toán, đảm bảo dự báo chính xác diễn biến cửa sông. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Thời gian: 1-3 năm.

2. Ứng dụng mô hình toán MIKE21/3 FM COUPLED trong quy hoạch và quản lý cửa sông: Sử dụng mô hình để đánh giá các phương án chỉnh trị, dự báo tác động môi trường và kinh tế, từ đó lựa chọn giải pháp tối ưu. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, cơ quan quản lý. Thời gian: 2 năm.

3. Triển khai các giải pháp công trình chỉnh trị như kè lát mái, mỏ hàn, đập chắn sóng: Thiết kế và xây dựng các công trình bảo vệ bờ dựa trên kết quả mô phỏng, ưu tiên các công trình có khả năng chống xói lở và ổn định lòng dẫn lâu dài. Chủ thể thực hiện: Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Thời gian: 3-5 năm.

4. Phát triển giải pháp phi công trình như quản lý khai thác bùn cát, bảo vệ rừng ngập mặn ven biển: Giảm thiểu tác động tiêu cực từ hoạt động khai thác và bảo vệ hệ sinh thái ven biển, góp phần ổn định địa hình và môi trường. Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh Bến Tre, các tổ chức bảo vệ môi trường. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách phát triển bền vững vùng cửa sông, quy hoạch giao thông thủy và bảo vệ môi trường.

2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực thủy lợi, xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp mô hình toán và kết quả phân tích để phát triển nghiên cứu sâu hơn về động lực học dòng chảy và vận chuyển bùn cát.

3. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, kè bờ: Áp dụng các giải pháp công trình chỉnh trị được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của công trình.

4. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường ven biển: Sử dụng dữ liệu và phân tích để giám sát, quản lý và bảo vệ hệ sinh thái ven biển, đồng thời kiểm soát các hoạt động khai thác bùn cát.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần nghiên cứu diễn biến cửa sông Bến Tre?
   Diễn biến cửa sông ảnh hưởng trực tiếp đến giao thông thủy, phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường ven biển. Nghiên cứu giúp dự báo biến đổi, đề xuất giải pháp ổn định lòng dẫn và bờ sông, giảm thiểu thiệt hại do xói lở và bồi tụ.

2. Mô hình MIKE21/3 FM COUPLED có ưu điểm gì?
   Mô hình tích hợp thủy lực, sóng và vận chuyển bùn cát, cho phép mô phỏng chính xác các quá trình phức tạp tại cửa sông và ven biển, hỗ trợ dự báo và thiết kế công trình chỉnh trị hiệu quả.

3. Các yếu tố tự nhiên nào ảnh hưởng đến diễn biến cửa sông?
   Bao gồm dòng chảy sông, thủy triều, sóng, gió, nguồn cung cấp bùn cát, địa hình đáy sông và bờ biển, cũng như tác động của các công trình nhân tạo.

4. Giải pháp chỉnh trị nào phù hợp cho cửa sông Bến Tre?
   Kết hợp giải pháp công trình như kè lát mái, mỏ hàn, đập chắn sóng với giải pháp phi công trình như quản lý khai thác bùn cát và bảo vệ rừng ngập mặn để ổn định lòng dẫn và bờ sông.

5. Làm thế nào để nâng cao độ chính xác của mô hình toán?
   Cần thu thập số liệu thực đo đầy đủ, chính xác về mực nước, vận tốc dòng chảy, nồng độ bùn cát và địa hình đáy, đồng thời hiệu chỉnh mô hình thường xuyên dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được quy luật diễn biến bồi tụ và xói lở tại các cửa sông tỉnh Bến Tre, với tốc độ bồi tụ bình quân khoảng 2,33 km²/năm và các đoạn bờ bị xói lở cục bộ từ 0,5 đến 2,25 km.
• Mô hình toán MIKE21/3 FM COUPLED được hiệu chỉnh và kiểm định thành công, cho phép mô phỏng chính xác các quá trình thủy lực và vận chuyển bùn cát tại khu vực cửa sông.
• Các yếu tố thủy triều, gió mùa và nguồn cung bùn cát đóng vai trò quan trọng trong biến đổi lòng dẫn và bờ sông.
• Đề xuất các giải pháp chỉnh trị kết hợp công trình và phi công trình nhằm ổn định cửa sông, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.
• Khuyến nghị tiếp tục thu thập số liệu, ứng dụng mô hình toán trong quản lý và quy hoạch, đồng thời triển khai các công trình chỉnh trị phù hợp trong vòng 3-5 năm tới.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy và quản lý tài nguyên ven biển. Để tiếp tục phát triển, cần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ mô hình toán và tăng cường hợp tác nghiên cứu đa ngành nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ vùng cửa sông tỉnh Bến Tre.