Nghiên Cứu Sự Biến Đổi Hình Thái Đáy Sông Soài Rạp Do Các Hoạt Động Trực Tiếp Thay Đổi Đáy Và Nước Biển Dâng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI ĐÁY SƠNG SỒI RẠP DO CÁC HOẠT ĐỘNG TRỰC TIẾP THAY ĐỔI ĐÁY VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số chuyên ngành: 62580212 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: PGS.TS NGUYỄN THỐNG Người hướng dẫn 2: TS LÊ ĐÌNH HỒNG Phản biện độc lập: PGS.TS Nguyễn Đăng Tính Phản biện độc lập: PGS.TS Đào Ngun Khơi Phản biện: GS.TS Nguyễn Thế Hùng Phản biện: PGS.TS Lê Trung Thành Phản biện: PGS.TS Nguyễn Thị Bảy Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp Phòng 401-B4, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, vào lúc 30 ngày 03 tháng 06 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạp chí quốc tế N A Le et al., "Drastic variations in estuarine morphodynamics in Southern Vietnam: Investigating riverbed sand mining impact through hydrodynamic modelling and field controls," Journal of Hydrology, vol 608, 2022, doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.127572 Tạp chí nước N A Lê and T T Hoàng, "Tác động nước biển dâng đến vận chuyển phân phối nguồn bùn cát cửa sông Sồi Rạp," Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Mơi trường, vol 74, pp 120-127, 2021 N A Lê, T T Hồng, and B C Ngơ, "Thiết lập mơ hình vận chuyển bùn cát hỗn hợp theo khơng gian mơ diễn biến hình thái lịng dẫn cửa sơng Sồi Rạp," Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, vol 69, pp 175-181, 2020 N A Lê and X L Lưu, "Tác động nước biển dâng đến chế độ dịng chảy cửa sơng Sồi Rạp," Tài Nguyên Nước, vol Số chuyên đề, pp 3038, 2017 N A Lê, T V A Vũ, and T Nguyễn, "Đánh giá tác động biến đổi khí hậu lên dịng chảy lưu vực sơng Đồng Nai," Khí Tượng Thủy Văn, vol 656, pp 1-8, 2015 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu Những thay đổi hình thái cửa sơng ven biển gây ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp nguồn tài nguyên, chất lượng nước, môi trường hệ sinh thái vùng đất ngập vùng cửa sông Trong ba thập niên qua, hình thái cửa sơng Sồi Rạp liên tục thay đổi Giai đoạn đầu (1982 – 2008), hoạt động khai thác tài nguyên sông chưa nhiều, đáy lịng dẫn sơng Sồi Rạp xảy xu hướng bồi; giai đoạn từ 2009 – đến nay, kinh tế phát triển nóng, xuất tình trạng xói lở nhanh, phức tạp có xu hướng lan rộng lên phía thượng lưu H cho thấy thay đổi đáy sơng Sồi Rạp từ 1982 – 2012 H 1: Biến đổi đáy sơng Sồi Rạp từ 1982 – 2012 Những thay đổi kết điều chỉnh tương ứng thay đổi điều kiện dòng chảy lượng bùn cát có liên quan đến hoạt động người nước biển dâng Trong luận án này, biến đổi hình thái lịng dẫn cửa sơng Soài Rạp tác động hoạt động người nước biển dâng cần phải làm sáng tỏ Nghiên cứu sở cho việc tìm giải pháp nhằm ổn định lịng dẫn vùng HLĐNSG phục vụ cho việc xây dựng chiến lược quản lý, khai thác bảo vệ tài nguyên thiên nhiên theo hướng phát triển bền vững cho vùng H trình bày hệ thống cơng trình khai thác nguồn nước phía thượng nguồn sơng Đồng Nai H 2: Các cơng trình khai thác thủy điện dịng sơng Đồng Nai 1.2 Tình hình nghiên cứu Các nghiên cứu hình thái lịng dẫn cửa sơng Sồi Rạp thực có giá trị nghiên cứu cao, cung cấp thông tin q trình thủy động lực hình thái cửa sơng Sồi Rạp Tuy nhiên, số vấn đề cịn tồn khái quát điểm sau:  Chưa làm rõ chế vận chuyển bùn cát cửa sơng Sồi Rạp cách hệ thống đầy đủ Thứ nhất, tổng hòa yếu tố động lực tương tác chế độ dòng chảy theo mùa với dòng triều, sóng gió Thứ hai, mối quan hệ phân phối nguồn bùn cát khu vực thượng lưu, cửa sông biển Đông  Đánh giá tác động từ hoạt động người hình thái cửa sơng Sồi Rạp hoạt động nạo vét luồng lạch, hoạt động khai thác cát chưa xem xét ảnh hưởng hoạt động phân phối nguồn bùn cát khu vực khác nhau, mức độ ảnh hưởng khu vực  Mặc dù số nghiên cứu có đề cập đến tác động nước biển dâng đến thay đổi chế độ thủy lực vận chuyển bùn cát, phân phối lại nguồn bùn cát khu vực khác điều kiện nước biển dâng cửa sơng Sồi Rạp chưa xem xét đến  Do giới hạn phương pháp tốn khả phần cứng máy tính nên nghiên cứu thường xây dựng miền tính nhỏ để chi tiết hóa cho khu vực cục nên chưa thể làm rõ trao đổi nguồn bùn cát khu vực  Phương pháp mô trình vận chuyển bùn cát thường bùn rời bùn dính chưa phù hợp với đặc tính bùn cát biến đổi phức tạp theo không gian vùng cửa sơng Sồi Rạp 1.3 Câu hỏi mục tiêu nghiên cứu luận án Để nghiên cứu q trình thay đổi hình thái đáy sơng, phân phối nguồn bùn cát khu vực khác có liên quan đến điều kiện tự nhiên tác động người câu hỏi nghiên cứu đặt là: (1) Câu hỏi nghiên cứu (RQ1): Cơ chế vận chuyển bùn cát ảnh hưởng yếu tố động lực tổ hợp yếu tố thể mối quan hệ phân phối bùn cát khu vực HLĐNSG biểu diễn quan hệ nào? (2) Câu hỏi nghiên cứu (RQ2): Chế độ thủy lực, trình biến đổi hình thái phân phối lại tổng lượng bùn cát khu vực HLĐNSG diễn biến tác động trực tiếp thay đổi đáy sông hoạt động khai thác cát, nạo vét luồng Soài Rạp? (3) Câu hỏi nghiên cứu (RQ3): Chế độ thủy lực, trình biến đổi hình thái phân phối lại tổng lượng bùn cát khu vực HLĐNSG diễn biến điều kiện nước biển dâng? (4) Câu hỏi nghiên cứu (RQ4): Mức độ ảnh hưởng yếu tố từ hoạt động người nước biển dâng đến khu vực khác thuộc HLĐNSG nào, khu vực chịu ảnh hưởng lớn nhất? Để trả lời câu hỏi nghiên cứu mục tiêu cụ thể luận án sau: (1) Làm sáng tỏ điều kiện chế độ thủy động lực chế vận chuyển bùn cát, diễn biến hình thái đáy sơng phân phối tổng lượng bùn cát khu vực cửa sông Soài Rạp; (2) Đánh giá tác động từ hoạt động tác động người trực tiếp đến đáy sông hoặt động nạo vét, khai thác cát sơng đến q trình biến đổi hình thái đáy sơng/biển vùng cửa sơng Sồi Rạp; (3) Đánh giá tác động nước biển dâng đến chế độ thủy động lực với biến đổi hình thái đáy sơng/biển, phân phối lại tổng lượng bùn cát khu vực cửa sơng Sồi Rạp 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học Làm sáng tỏ chế vận chuyển bùn cát; đánh giá tác động hoạt động người nước biển dâng thay đổi hình thái cửa sơng Sồi Rạp Trong nghiên cứu này, phương pháp mơ q trình vận chuyển bùn cát với đặc tính bùn hỗn hợp thay đổi theo khơng gian tỏ phù hợp với thay đổi tính chất lý vật liệu đáy lòng dẫn Ý nghĩa thực tiễn Những hiểu biết chế vận chuyển bùn cát cửa sơng Sồi Rạp với tác động người đến hình thái lịng dẫn sở cho việc tìm giải pháp nhằm ổn định lòng dẫn; xây dựng chiến lược quản lý, khai thác bảo vệ tài nguyên sông, biển theo hướng phát triển bền vững cho vùng hạ lưu hệ thống sông ĐNSG Phương pháp nghiên cứu Xây dựng công thức quan hệ (ES1, ES2) = f(f1, f2, n, ES) để áp đặt cách ứng xử mô vận chuyển bùn cát theo bùn hỗn hợp sơng bùn rời phía ngồi biển, ứng dụng vào mơ hình mã nguồn mở TELEMAC-2D cho vùng nghiên cứu 1.4.1 Mơ hình vận chuyển bùn cát hỗn hợp (Sisyphe – Mixed sediment) a) Các phương trình Phương trình vận chuyển bùn cát hai chiều nồng độ bùn cát lơ lửng trung bình theo phương thẳng đứng C = C(x, y, t) có dạng sau: ∂hCk ∂ ( hUCk ) ∂ ( hVCk ) ∂  ∂C + + = hε s k  ∂t ∂x ∂y ∂x  ∂x (E k − Dk ) Zref ∂Ck  ∂   + ∂y  hε s ∂y   ( = ωs C eqk − C refk  k k +E −D  ) (1.1) (1.2) Hệ số k đại diện cho thành phần hạt k = 1, đại diện cho hạt cát bùn Trong đó: h = Zs – Zf ≈ Zs – Zref chiều sâu nước, giả thiết chiều dày lớp bùn cát đáy mỏng; (U, V) vận tốc trung bình theo phương x, y; E: suất xói lở; D: suất bồi tụ, (E – D) lượng trữ trầm tích lơ lửng; Ceq nồng độ bùn cát trạng thái cân sát đáy; Cref nồng độ bùn cát sát đáy Sự phân phối hàm lượng bùn cát lơ lửng tuân theo quy luật Rouse: C ( z ) = CZ ref ws  z−h a  số Rouse   với R = κ u*  z a−h R (1.3) Giá trị Cref tính tốn dựa vào mối quan hệ nồng độ trung bình theo chiều sâu nồng độ sát đáy Cref = F.C ( )  −1 B R − B (1− R ) ⇔ R ≠ = F (1 − Z ) Với   F −1 = − B log B ⇔ R =  Với B = Z ref / h (1.4) Sự thay đổi đáy lịng dẫn tính tốn dựa cân khối lượng lưu lượng bồi/xói sau: (1 − λ ) ∂zb + ( E − D )z=Z = ref ∂t (1.5) Trong đó: λ hệ số độ rổng, zb cao trình đáy Ứng xử mô vận chuyển bùn cát hỗn hợp Trong vận chuyển bùn cát hỗn hợp, tỷ lệ phần trăm khối lượng bùn ( ) lớp f j M s2j / M s1j + M s2j sử dụng để xác định ứng suất đáy tới hạn trung = bình lớp τ ce j lưu lượng bồi/xói tương ứng Ứng suất đáy tới hạn trung bình - Với f j ≤ 30% (cát chiếm tỷ lệ lớn), vận chuyển bùn cát dựa đặc tính rời (non-conhesive sediment), τ ce j = τ 1ce (với τ ce ứng suất tới hạn cát) j - Với f j ≥ 50% (bùn chiếm tỷ lệ lớn), vận chuyển bùn cát dựa đặc tính ứng suất tới hạn dính bùn (conhosive sediment), τ ce j = τ ce2 j (với τ ce bùn) - Với 30% ≤ f j ≤ 50% thể đặc tính bùn hỗn hợp: τ= τ ce j ce j (f + 2j )( − 0,3 τ ce2 j − τ ce j ) 0,5 − 0,3 (1.6) Lưu lượng xói trung bình lớp E j  Với f j ≤ 30% :  w Ceq f1 ;(τ b > τ ce ) j j  s = E= E  j j 0;(τ b ≤ τ ce j ) Với f1 j phần trăm thể tích cát chứa lớp, τ b ứng suất tổng đáy tính theo τ b 0,5 ρ C f (U + V ) ; Cf hệ số ma sát tổng =  (1.7) Với f j ≥ 50% :      M  τ b  − 1 ;(τ b > τ ce )   τ   j E= E=   ce j   j j  0;(τ b ≤ τ ce j ) (1.8) Với M(kg/m2/s) số xói Krone-Partheniades  Với 30% ≤ f j ≤ 50% : E= E j j (f + 2j ) − 0,3 ( E 2j − E1j ) 0,5 − 0,3 (1.9) Lưu lượng bồi thành phần cát bùn  Đối với cát: D1 = w s1 T2 (1.10) Với T2 tỷ số hàm lượng bùn cát sát đáy hàm lượng bùn cát trung bình tính tính theo quy luật Rouse   T 2   Đối với bùn:= D w s 1 −  cr1     u*mud   (1.11) Với u*crmud (m/s) vận tốc tới hạn bồi sát đáy bùn T1 = τ b / ρ 1.4.2 Xây dựng công thức quan hệ (ES1, ES2) = f(f1, f2, n, ES) Trong nghiên cứu này, miền tính chia thành phần, phía sơng thể đặc tính bùn cát hỗn hợp (Mixed sediment) với điều kiện; phía ngồi biển thể đặc tính bùn cát rời (non-conhesive sediment) (xem H 4) Để áp đặt đặc tính bùn cát theo khơng gian cần thiết phải áp đặt giá trị f với tỷ lệ thay đổi theo không gian Tuy nhiên giá trị f phụ thuộc vào chiều dày lớp cát lớp bùn layer H mô tả thành phần hạt cát bùn khối đất Có thể thấy tổng chiều dày lớp bùn cát hổn hợp ES = ES1+ES2 (với ES1: chiều dày lớp cát, ES2: chiều dày lớp bùn) Bài toán cần đặt cho trước giá trị f1 , f ( f1 + f = ) xác định ES1 + ES2 Công cụ Dữ liệu vào Điều kiện biên (2014): lưu lượng TL (Q), mực nước hạ lưu (H), Vận tốc (U,V) Dữ liệu vật lý: mạng lưới sông/biển, cao độ đáy (2012), đặc tính bùn cát, cấu trúc đáy… Thơng số: sóng, gió (2014), ma sát đáy, ma sát hạt, ứng suất tới hạn xói/bồi, vận tốc lắng… Dữ liệu Telemac-2D – Sisyphe Tomawac Telemac-2D: mơ hình thủy động lực trung bình theo phương thẳng đứng Sisyphe: mơ hình vận chuyển bùn cát hình thái sơng/biển (bùn hỗn hợp Tomawac: mơ hình sóng Thủy động lực: mực nước, vận tốc dịng chảy sơng theo mùa, theo chu kỳ triều, thay đổi chế độ triều Vận chuyển bùn cát: biến đổi hình thái sơng/biển, phân phối tổng lượng bùn cát theo khu vực HLĐNSG Kịch Kết KQ1 RQ1 Kịch KB0 mô • Ảnh hưởng chế độ dịng chảy mang tính chất mùa • Ảnh hưởng thủy triều biển Đơng • Ảnh hưởng chế độ gió mùa biển Đơng • Phương trình biểu diễn phân phối nguồn bùn cát khu vực S ài R RQ2: kịch nạo vét (KB1: -9,5m, KB2: -11,0m); KB3: khai thác RQ3 ự HLĐNSG biể Đô (4 4) • Tác động nạo vét luồng Soài Rạp đến chế độ thủy động lực, hình KQ2 thái sơng tổng lượng bùn cát khu vực HLĐNSG • Tác động khai thác cát đến chế độ thủy động lực, hình thái sơng tổng lượng bùn cát khu vực HLĐNSG KQ3 NBD+0,5m (KB4); NBD+1,0m (KB5) RQ4 ới kh • Sự thay đổi chế độ thủy lực khu vực HLĐNSG điều kiện nước biển dâng • Sự thay đổi hình thái sơng/biển, phân phối lại tổng lượng bùn cát khu vực HLĐNSG điều kiện nước biển dâng KQ4 Mức độ ảnh hưởng yếu tố bao gồm hoạt động người nước biển dâng H 5: Sơ đồ nghiên cứu 10 CHƯƠNG CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN VÀ PHÂN PHỐI BÙN CÁT TẠI CỬA SƠNG SỒI RẠP 2.1 Ảnh hưởng chế độ dòng chảy mùa Do trao đổi vùng cát vùng thay đổi theo mùa với thay đổi chế độ dịng chảy nên q trình bồi/xói vùng khác Khu vực KV1, vào mùa kiệt, dịng chảy sơng suy yếu nên bùn cát có xu hướng bồi với tốc độ nhanh, đường tổng lượng bùn cát (TLBC) lũy tích dốc; vào mùa lũ, dịng chảy sơng mạnh đẩy lượng bùn cát dịch chuyển dần phía cửa sơng, bùn cát có xu hướng xói, đường lũy tích xuống giảm dần Khu vực KV2, nằm trung gian đón nhận nguồn bùn cát từ thượng nguồn dịng chảy sơng từ biển dòng triều mang đến nên xu hướng bồi chủ đạo Khu vực KV3 vùng cửa biển, nơi đón nhận lượng bùn cát từ thượng lưu, diễn biến bồi/xói theo mùa thể rõ rệt Vào mùa kiệt, lượng bùn cát từ thượng lưu ít, diễn biến bồi/xói dịng chảy triều chi phối, bồi/xói biến động chậm (đường lũy tích bùn cát gần nằm ngang TLBC tích lũy khu vực xem H H 6: TLBC tích lũy khu vực theo mùa 11 2.2 Ảnh hưởng thủy triều biển Đông Khu vực KV1, vào mùa kiệt, kỳ triều cường, vận chuyển bùn cát vào cân bằng, lượng bùn tích lũy chu kỳ triều khơng lớn khoảng 2.929m3; vào kỳ triều kém, vận tốc dòng chảy giảm nên lượng bùn cát lắng đọng có xu hướng tăng hơn, TLBC tích lũy chu kỳ triều 16.026m3 Trong mùa lũ, vận tốc dòng chảy tăng lên đáng kể làm cho tốc độ trao đổi bùn cát diễn mạnh so với mùa kiệt; nhìn chung xu hướng xói chủ đạo chu kỳ triều lượng xói mang đến vùng cửa sơng Vào kỳ triều cường, TLBC tích lũy chu kỳ triều khoảng -97.222m3; vào kỳ triều kém, TLBC tích lũy chu kỳ triều khoảng 54.299m3 Khu vực KV2, mùa kiệt, vào kỳ triều cường, TLBC tích lũy chu kỳ triều khoảng 36.151m3; vào kỳ triều kém, lượng bùn cát vào cân bằng, đường lũy tích gần chạm đáy cuối chu kỳ triều, TLBC tích lũy khoảng 511m3 Trong mùa lũ, xu hướng bồi chiếm ưu nguồn bùn cát từ biển đem vào, TLBC tích lũy khoảng 45.883m3 kỳ triều cường 157.476m3 kỳ triều Khu vực KV3, mùa kiệt, vào kỳ triều cường, TLBC tích lũy chu kỳ triều khoảng 114.093m3; vào kỳ triều kém, vận chuyển bùn cát chủ yếu biển làm thiếu hụt lượng bùn cát đây, TLBC tích lũy -48.012m3 Trong mùa lũ, lượng bùn cát dòng chảy biển mang vào lớn, TLBC tích lũy chu kỳ triều khoảng 357.751m3 kỳ triều cường 448.082m3 kỳ triều 2.3 Ảnh hưởng chế độ gió mùa biển Đơng Vào thời kỳ gió mùa Tây Nam, lượng bùn cát tăng thêm 1,72 tr.m3 (tương ứng với 10% so với trường hợp khơng có gió) giảm 1,56 tr.m3 (tương ứng 9,3%) thời kỳ gió mùa Tây Bắc Có thể nói, chế độ gió mùa yếu tố động lực phụ làm tăng cường giảm bớt trình vận chuyển bùn từ biển Đông vào Vịnh Gành Rái Động lực gây nên dịng vận chuyển bùn 12 cát chủ đạo dịng triều, chế độ gió mùa tham gia vào trình vận chuyển bùn cát thể hai mặt: (1) tăng cường triết giảm động lực dòng chảy biển, (2) gây dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ sóng 2.4 Mối quan hệ cân phân phối nguồn bùn cát khu vực cửa Soài Rạp với khu vực HLĐNSG biển Đông Cơ chế vận chuyển bùn cát tổng hợp tất yếu tố động lực bao gồm dịng chảy theo mùa sơng, dịng triều, sóng gió mùa Sự tương tác yếu tố theo hai chiều thuận nghịch xảy không giống khu vực dẫn đến chế cân phân phối lại bùn cát khu vực Bằng phương pháp phân tích tương quan dựa lượng bùn cát tích lũy khu vực thời điểm khác nhau, mối quan hệ biểu diễn phương trình tương quan sau: 𝐘𝐘 = −𝟒𝟒, 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 × 𝐗𝐗𝐗𝐗 + 𝟎𝟎, 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 × 𝐗𝐗𝐗𝐗 + 𝟔𝟔, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 Với: X1 (106m3): TLBC tích lũy KV1; X2 (106m3): TLBC tích lũy khu vực biển Đơng; Y (106m3): TLBC tích lũy KV3 Kết phân tích tương quan cho thấy có mối quan hệ chặt tổng lượng bùn cát khu vực Vịnh Gành Rái với HLĐNSG Biển Đông Hệ số tương quan R2 = 0,986, giá trị P-value biến độc lập đạt giá trị nhỏ 5% Giá trị P-test mặt ý nghĩa khẳng định qui luật mà bác bỏ giải thuyết nghịch (H0), tức bác bỏ giả thiết khu vực khơng có mối quan hệ mặt trao đổi bùn cát; gián tiếp khẳng định mối quan hệ có ý nghĩa mặt thống kê Phương trình tương quan cho thấy rằng, tổng lượng bùn cát tích lũy khu vực KV3 có mối quan hệ nghịch biến với KV1 đồng biến với khu vực biển Đông Điều cho thấy phù hợp với quy luật dòng chảy vận chuyển bùn cát vùng cửa sơng Sồi Rạp 13 CHƯƠNG SỰ BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI ĐÁY SƠNG SỒI RẠP DO CÁC HOẠT ĐỘNG TRỰC TIẾP THAY ĐỔI ĐÁY VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG 3.1 Tác động hoạt động thay đổi trực tiếp đáy lòng dẫn 3.1.1 Tác động cơng trình nạo vét luồng Sồi Rạp Để đánh giá ảnh hưởng hoạt động nạo vét luồng Soài Rạp đến chế độ thủy động lực bùn/cát, hai kịch tính tốn mơ gồm KB1 (-9,5m), KB2 (-11,0m), chi tiết xem Bảng Bảng 1: Các kịch nạo vét đoạn Đoạn Đoạn PA KB0 Zmax -6,1 B (bề rộng đáy) KB1 -9,5 -11,0 130 Thể tích nạo (10 m ) 3.1.1.1 KB0 4,1 KB1 KB2 -9,5 -11,0 130 170 170 5 10 10 -1,3 -3,6 -39,1 -70 m (mái) KB2 Thay đổi chế độ thủy lực Trong kỳ triều cường, triều lên, vận tốc dòng chảy kênh tăng so với trường hợp chưa nạo vét; đoạn phía cửa sơng có mức tăng lớn 0,2m/s Khi triều xuống, vận tốc dịng chảy phía cuối kênh tăng cao so với đoạn đầu kênh so sánh phương án nạo vét với KB0, mức tăng có H 7: Tuyến nạo vét luồng Sồi Rạp thể lên đến 0,35 m/s Trong kỳ triều kém, triều lên, phía đầu kênh, vận tốc dịng chảy khơng thay đổi nhiều; phía cuối kênh, vận tốc dịng chảy giảm so với trường hợp chưa nạo vét, giảm 0,13m/s Khi triều xuống, vào mùa lũ vận 14 tốc không thay đổi nhiều; vào mùa kiệt, vận tốc dịng chảy phía cuối kênh tăng nhiều hơn, tăng thêm 0,3m/s so với trường hợp không nạo vét Cùng với thay đổi vận tốc dịng chảy hoạt động nạo vét luồng Sồi Rạp, chế độ triều có thay đổi Kết phân tích cho thấy rằng, phương án nạo vét làm cho độ lớn triều tăng lên so với KB0; phương án KB2 gây thay đổi lớn so với phương án KB1, độ lớn triều tăng thêm 15cm kỳ triều cường; thay đổi độ lớn triều phía hạ lưu lớn so với phía thượng lưu sơng 3.1.1.2 Thay đổi hình thái lịng dẫn Sự biến động tổng lượng bùn cát kênh dẫn Đánh giá khả tích tụ bùn cát kênh dẫn sau năm, kết cho thấy rằng: đoạn 1, TLBC bồi kênh sau năm khoảng 513.680m3 (KB1), 344.111m3 (KB2); đoạn 2, TLBC kênh dẫn sau năm khoảng 3.842.871m3 (KB1), -4.165.835m3 (KB2) Sự biến động tổng lượng bùn cát khu vực Q trình biến đổi đáy sơng hoạt động nạo vét hệ phân phối lại nguồn bùn cát khu vực khác Kết mô cho thấy, khu vực KV1 TLBC giảm, TLBC bồi khoảng 2,1 tr.m3 giảm 18% (KB1), 1,6 tr.m3 giảm 36% (KB2) Khu vực KV2, TLBC khoảng 11,5 tr.m3 tăng 6% (KB1), 12,2 tr.m3 tăng 13% (KB2) Khu vực 3, TLBC khoảng 33,1 tr.m3 giảm 5% (KB1), 31,2 tr.m3 giảm 10% (KB2) 3.1.2 Ảnh hưởng hoạt động khai thác cát Những thay đổi dòng chảy So với kịch nền, vận tốc dịng chảy tăng lên 1,5m/s khu vực thượng lưu (KV1), tập trung bờ sông đoạn sông cong Khu vực KV2 có thay đổi nhỏ thương lưu, vận tốc tăng thêm 0,6m/s thường phân bố đoạn sông cong lân cận mỏ khai thác cát Khu vực KV3, có thay đổi vận tốc so với khu vực thượng lưu, vận tốc tăng thêm 15 0,4m/s so với kịch Tại vị trí mỏ khai thác, vận tốc tăng lên đến 0,20÷0,25m/s hoạt động khai thác cát tạo hố cát với độ dốc lớn Những thay đổi hình thái lịng dẫn Hoạt động khai thác cát mỏ hình thức bơm hút trực tiếp cát đáy sơng tạo thành hố, phát triển hố lớn sâu dần theo thời gian tạo điểm gãy làm gián đoạn dòng bùn cát di đáy Phần lớn dòng bùn cát di đáy bị giữ lại hố khai thác dẫn đến gây xói khu vực khác thiếu lượng cát bổ xung Kết mô cho thấy, hoạt động khai thác cát làm gia tăng tình trạng xói bồi khơng mỏ khai thác cát mà nơi khác Khu vực xung quanh mỏ khai thác có thay đổi lịng dẫn mạnh so với khơng có hoạt động khai thác Sau năm mơ phỏng, có vị trí có mức độ xói tăng thêm (so với không khai thác cát) từ 0,10÷0,15m thường nằm phía bờ lõm số đoạn sơng cong; chí, đoạn sơng tương đối thẳng, mức độ xói tăng mạnh Sự phân phối lại bùn cát khu vực khả tái bồi mỏ cát Với lưu lượng khai thác cát lớn so với khả cung cấp cát tự nhiên sông, mỏ khai thác tái phục hồi bị đào sâu, hình thành điểm gãy làm cho trình vận chuyển bùn cát di đáy bị liên tục Sự cân bùn cát diễn gián đoạn vận chuyển bùn cát làm cho khu vực hạ lưu bị “đói” cát dẫn đến phân phối lại TLBC khu vực Kết mô cho thấy, KV1 KV3 khu vực có lượng cát cao sản lượng khai thác, khác với KV2 có lượng cát so với sản lượng khai thác Tổng lượng cát tích lũy khu vực xem Bảng Bảng 2: Tổng lượng cát lũy tích khu vực Khu vực KV1 KV2 KV3 Đvt: tr.m3 Tổng khai thác Không khai thác Khai thác 4,300 2,600 -1,900 12,000 10,800 -0,144 5,600 34,900 28,700 16 Do thay đổi dòng chảy diễn khác khu vực hoạt động khai thác cát nên khả tái bồi mỏ khai thác không giống Kết mô rằng, phần lớn mỏ cát khu vực KV1 khơng có khả tái bồi Tại KV2, sản lượng khai thác vượt mức đáp ứng sông, mỏ cát khơng phục hồi được, có mỏ bị đào sâu -3,2m Tại KV3, hàng năm nhận lượng cát khoảng 34 tr.m3 chủ yếu từ biển Đông, đường lũy tích theo tháng mỏ cho thấy tiềm khai thác cát lớn 3.2 Tác động nước biển dâng biến đổi hình thái cửa sơng Sồi Rạp 3.2.1 Thay đổi chế độ thủy lực Kết ra, NBD làm tăng biên độ hầu hết phân triều Đối với thành phần sóng bán nhật, sóng M2 (sóng mặt trăng chính) có biên độ tăng lớn +2,49cm (NBD+0,5m), +4,43cm (NBD+1,0m) sớm pha 7,5 phút (NBD+0,5m), 14,1 phút (NBD+1,0m) so với kịch (NBD+0,0m) Đối với thành phần sóng tồn nhật, sóng K1 (lệch góc mặt trăng – mặt trời) có biên độ tăng 1,4cm (NBD+0,5m), 2,45cm (NBD+1,0m) sớm pha 9,1 phút (NBD+0,5m), 17,0 phút (NBD+1,0m) so với kịch (NBD+0,0m) Hầu hết thành phần sóng nước nơng có biên độ giảm, sóng M4 có biên độ giảm 0,24m (NBD+0,5m), -0,51cm (NBD+1,0m) Biên độ triều sóng cửa sơng Soài Rạp tăng lên ảnh hưởng NBD dẫn đến thay đổi vận tốc dòng chảy hệ thống sơng vùng biển ngồi cửa sơng Vận tốc truyền triều sóng tồn nhật có xu hướng nhanh so với sóng bán nhật Các sóng triều xem sóng dài, vận tốc truyền triều biểu diễn theo công thức V = g h (h: chiều sâu nước), trường hợp nước biển dâng h tăng lên V tăng sóng truyền nhanh sớm pha Những thay đổi tính chất triều có liên quan chặt chẽ tới trình vận chuyển bùn cát vùng cửa sơng Sồi Rạp Kết mơ rằng, vận tốc dòng chảy trường hợp nước biển dâng có xu hướng tăng lên khu vực nước 17 nơng trước cửa sơng phía ngồi biển Sơng Sồi Rạp chia thành hai phần, đoạn từ P1÷P4 (bên ngồi cửa sơng) vận tốc có xu hướng giảm; đoạn từ P4 trở lên bên cửa sơng vận tốc có xu hướng tăng lên trường hợp nước biển dâng Với kịch NBD+0,5m, khu vực nước nơng bên ngồi cửa sơng tăng từ 0,01÷0,3 m/s; bên cửa sơng, vận tốc tăng từ 0,02÷0,20 m/s; khu vực bên ngồi cửa sơng, vận tốc giảm từ -0,04÷-0,10 m/s Với kịch NBD+1,0m, khu vực nước nơng bên ngồi cửa sơng tăng từ 0,02÷0,37 m/s; bên cửa sơng, vận tốc tăng từ 0,03÷0,50 m/s; khu vực bên ngồi cửa sơng, vận tốc giảm từ -0,05÷-0,22 m/s 3.2.2 Vận chuyển phân phối lại nguồn bùn cát NBD ảnh hưởng đến trình vận chuyển bùn cát khu vực khác Đối với khu vực KV1, NBD làm giảm lượng bùn cát bồi lắng đây, mùa lũ ảnh hưởng lớn so với mùa kiệt Đối với khu vực KV2, NBD làm giảm lượng bùn cát lắng động mùa kiệt lại làm gia tăng lượng bùn cát lắng đọng mùa lũ, gia tăng bù đắp thiếu hụt mùa kiệt nên năm TLBC không thay đổi nhiều điều kiện NBD Đối với khu vực KV3, NBD làm gia tăng lượng bùn cát tích lũy năm, vào mùa lũ gia tăng lớn so với mùa kiệt Các khu vực biển Đơng, NBD có xu hướng làm giảm lượng bùn cát; riêng khu vực BĐ2 (vùng biển bên ngồi cửa sơng Tiền), NBD làm gia tăng thêm lượng bùn cát TLBC tích lũy khu vực xem Bảng NBD gây thay đổi chế độ dòng chảy khu vực khác làm cho hình thái sơng thay đổi tương ứng Kết mô cho thấy rằng, khu vực nước nông, khu vực cửa sơng khu vực lịng sơng phía thượng lưu chịu tác động mạnh NBD Các khu vực nước nơng vùng cửa sơng, NBD có xu hướng làm gia tăng bồi lắng; đó, phía thượng lưu, NBD làm gia tăng khả xói lở lịng sơng bờ sơng Sự thay đổi hình thái đáy sơng khu vực cửa Sồi Rạp ứng với kịch NBD thể H 18 Bảng 3: TLBC tích lũy khu vực ứng với trường hợp NBD đvt:1000m3 KV1 KV2 KV3 Tháng 0,0m 0,5m 1,0m 0,0m 0,5m 1,0m 0,0m 0,5m 1,0m Mùa kiệt 4.142 4.049 4.067 5.755 5.419 4.883 2.915 3.651 4.489 Mùa lũ -1.540 -2.026 -2.378 5.058 5.461 5.728 31.996 34.805 37.391 Năm 2.602 2.023 1.689 10.813 10.880 10.611 34.911 38.456 41.879 (NBD+0,5m) – (NBD+0,0 m) (NBD+1,0m) – (NBD+0,0 m) H 8: So sánh mức độ biến đổi đáy sau năm cửa Soài Rạp 19 CHƯƠNG KẾT LUẬN Kết luận Những mục tiêu nghiên cứu là: (1) làm sáng tỏ điều kiện chế độ thủy động lực chế vận chuyển bùn cát, qui luật cân bùn cát khu vực cửa sơng Sồi Rạp; (2) đánh giá tác động từ hoạt động người gây đến q trình biến đổi hình thái cửa sơng Sồi Rạp; (3) đánh giá tác động nước biển dâng đến chế độ thủy động lực với biến đổi hình thái lịng dẫn Những mục tiêu nội dung luận án khái quát điểm sau: Thiết lập mơ hình tốn thủy động lực vận chuyển bùn cát hỗn hợp với đặc tính bùn cát thay đổi theo không gian Sự phức tạp mô trình thủy động lực vận chuyển bùn cát vùng cửa sơng Sồi Rạp thể ở: (1) tương tác chế độ dòng chảy sơng mang tính chất mùa với yếu tố động lực biển dịng triều, sóng gió; (2) thay đổi đặc tính bùn cát theo khơng gian thể đặc tính bùn hỗn hợp sơng bùn rời phía ngồi biển; (3) trao đổi bùn cát khu vực thượng lưu, vùng cửa sông biển Đông  Đối với yêu cầu thứ thứ hai, miền tính phải đủ rộng để mô tương tác động lực sông biển; điều kiện đầu vào bao gồm điều kiện biên phía thượng lưu phía biển, q trình vật lý gió, sóng cần đầy đủ; thời gian mô đủ dài  Đối với yêu cầu thứ ba, dựa vào tính mở mơ hình Telemac (open source), nghiên cứu bổ xung thuật toán xác định chiều dày ES1 (cát) ES2 (bùn) cách chứng minh mối quan hệ (ES1, ES2) = f(f1, f2, ES, n) Trong đó: f1 tỷ lệ khối lượng cát, f2 tỷ lệ khối lượng bùn, ES tổng chiều dày lớp, n: độ rỗng hạt 20 ES ρ f (1 − n ) C f1 ES ; ES1 ES = C f1 + ρ f (1 − n ) C f1 + ρ f (1 − n ) Làm sáng tỏ điều kiện chế độ thủy động lực chế vận chuyển bùn cát, qui luật cân bùn cát khu vực với diễn trình biến đổi hình thái cửa sơng Sồi Rạp Chế độ thủy lực tương tác thuận nghịch dịng chảy theo mùa dịng triều có liên hệ với chế vận chuyển bùn cát tóm tắt điểm sau:  Vận chuyển bùn cát chịu ảnh hưởng dòng chảy theo mùa Khu vực thượng lưu (KV1) chịu ảnh hưởng mùa sâu sắc, mùa kiệt có xu hướng bồi mùa lũ có xu hướng xói, lượng bùn cát chủ yếu từ lưu vực thượng lưu tích lũy mùa kiệt di chuyển nhiều xuống hạ lưu vào mùa lũ Khu vực Sồi Rạp (KV2) có động lực bùn cát cân bằng, TLBC tích lũy cân mùa kiệt mùa lũ Khu vực Vịnh Gành Rái (KV3) khu vực chịu chi phối triều biển Đơng, TLBC tích lũy năm lớn nhất, nguồn bùn cát phần lớn dòng chảy biển mang vào  Triều biển Đông ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát tạo tích lũy bùn cát khu vực khác Kết rằng, KV1, vào mùa kiệt, TLBC tích lũy chu kỳ triều 2.929 m3 (triều cường), 16.026 m3 (triều kém); vào mùa lũ, TLBC tích lũy -97.222 m3 (triều cường), 54.299 m3 (triều kém) Tại KV2, vào mùa kiệt, TLBC tích lũy chu kỳ triều 36.151 m3 (triều cường), 511 m3 (triều kém); vào mùa lũ 45.883 m3 (triều cường), 157.476 m3 (triều kém) Tại KV3, vào mùa kiệt, TLBC tích lũy chu kỳ triều 114.093 m3 (triều cường), -48.012 m3 (triều kém); vào mùa lũ 357.751 m3 (triều cường), 448.082 m3 (triều kém)  Do ảnh hưởng gió mùa kết hợp với đường bờ biển có hình dạng phát triển 21 theo hướng Tây Nam – Đông Bắc nên Vịnh Gành Rái đón nhận dịng bùn cát từ hướng Tây Nam – Đông Bắc nhiều so với hướng ngược lại từ Đông Bắc – Tây Nam Vào thời kỳ gió mùa Tây Nam, TLBC tích lũy Vịnh Gành Rái tăng thêm 1,78 tr.m3 (tương ứng với 10%) giảm 1,56 tr.m3 (tương ứng 9,3%) thời kỳ gió mùa Đơng Bắc  Cuối cùng, chế vận chuyển bùn cát tổng hợp tất yếu tố động lực bao gồm dịng chảy theo mùa sơng, dịng triều, sóng gió mùa Sự tương tác yếu tố theo hai chiều thuận nghịch xảy không giống khu vực, dẫn đến chế cân phân phối lại bùn cát khu vực Mối quan hệ cân khu vực biểu diễn phương trình tương quan sau: 𝐘𝐘 = −𝟒𝟒, 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 × 𝐗𝐗𝐗𝐗 + 𝟎𝟎, 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 × 𝐗𝐗𝐗𝐗 + 𝟔𝟔, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 Với X1 (106 m3): TLBC tích lũy KV1, X2 (106 m3): TLBC tích lũy khu vực biển Đơng, Y (106 m3): TLBC tích lũy KV3 Đánh giá tác động từ hoạt động người gây đến q trình biến đổi hình thái cửa sơng Sồi Rạp Các hoạt động gián tiếp xây dựng đập, hồ chứa, cơng trình chuyển nước giữ lại bùn cát làm thay đổi dòng chảy hạ lưu dẫn đến suy giảm lượng bùn cát hạ lưu Hoạt động nạo vét gây thay đổi chế độ thủy lực, biên độ triều cửa sơng tăng thêm 15cm kỳ triều cường Đối với khả tái bồi kênh, đoạn có xu hướng bồi sau năm khoảng 513.680m3 (KB1), 344.111m3 (KB2); đoạn có xu hướng xói -3.842.871m3 (KB1), 4.165.835m3 (KB2) Khi xem xét diện rộng, hoạt động nạo vét làm cho lượng bùn cát tích lũy phía thượng lưu (KV1) giảm 18% (KB1), 36%(KB2); 22 khu vực Sồi Rạp (KV2) có lượng bùn cát tăng 6% (KB1), 13% (KB2); Khu vực Vịnh Gành Rái (KV3) giảm 5% (KB1), giảm 10% (KB2) Hoạt động khai thác cát tạo mỏ, bùn cát bị giữ lại hố, gây liên tục dòng dịch chuyển bùn cát, dẫn đến thiếu hụt nguồn bùn cát khu vực TLBC tích lũy khu vực -1,9 tr.m3/năm (KV1), 144.000 m3/năm (KV2), 28,7 tr.m3/năm (KV3) Về khả tái bồi mỏ khai thác cát, khu vực KV1 khu vực có nhu cầu khai thác cát lớn gần khơng có khả tái bồi sản lượng khai thác vượt mức đáp ứng sông; khu vực sơng Sồi Rạp (KV2) khu vực cửa biển (KV3) chủ yếu cát san lấp, có khả tái bồi cao nguồn bùn cát lớn từ biển đưa vào Đánh giá tác động nước biển dâng đến chế độ thủy động lực trình vận chuyển bùn cát, biến đổi hình thái lịng dẫn vùng cửa sơng Sồi Rạp Sự tăng lên NBD gây thay đổi đổi với chế độ triều vùng HLĐNSG Biên độ sóng triều tăng lên với gia tăng mực nước biển; chiều sâu nước tăng lên kéo theo vận tốc truyền triều tăng pha sóng có xu hướng nhanh pha Sóng M2 có biên độ tăng lớn +2,49 cm (NBD+0,5m), +4,43 cm (NBD+1,0m) nhanh pha 7,5 phút (NBD+0,5m), 14,1 phút (NBD+1,0m) so với kịch (NBD+0,0m) Vận tốc dòng chảy cửa sơng có thay đổi dáng kể, với kịch NBD+1,0m, khu vực nước nơng bên ngồi cửa sơng tăng từ 0,02÷0,37 m/s; bên cửa sơng, vận tốc tăng từ 0,03÷0,50 m/s; khu vực bên ngồi cửa sơng, vận tốc giảm từ -0,05÷-0,22 m/s Khu vực thượng lưu (KV1), TLBC tích lũy năm có xu hướng giảm đi, cụ thể 2,6 tr.m3 (NBD+0,0m), 2,0 tr.m3 (NBD+0,5m) 1,7 tr.m3 (NBD+1,0m) Đối với khu vực KV2, NBD làm giảm lượng bùn cát lắng động mùa kiệt lại làm gia tăng lượng bùn cát lắng đọng mùa lũ, 23 gia tăng bù đắp thiếu hụt mùa kiệt nên năm, TLBC không thay đổi nhiều điều kiện NBD Đối với khu vực KV3, NBD làm gia tăng lượng bùn cát tích lũy năm, cụ thể sau: 32,0 tr.m3 (NBD+0,0m), 34,8 tr.m3 (NBD+0,5m) 37,4 tr.m3 (NBD+1,0m) Các khu vực biển Đơng có TLBC giảm đi, tổng lượng cát tích lũy biển Đông 335,2 tr.m3 (NBD+0,0m), 325,4 tr.m3 (NBD+0,5m) 313,4 tr.m3 (NBD+1,0m) Đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố khu vực khác cửa sơng Sồi Rạp Dựa đồ thị thấy, KV1, hoạt động khai thác cát gây thiếu hụt bùn cát lớn với TLBC bị thiếu hụt 176%, hoạt động nạo vét (KB2) gây thiếu hụt 36%, yếu tố NBD (KB5) gây thiếu hụt 35% Đối với KV2, tác động hoạt động khai thác cát gây thiếu hụt lớn nhất, TLBC thiếu hụt khoảng 100%, hoạt động khác nhìn chung khơng ảnh hưởng nhiều Đối với KV3, hoạt động khai thác cát gây thiếu hụt bùn cát khoảng 17%, hoạt động nạo vét gây thiếu hụt 10% (KB2) Đối với khu vực này, điều kiện nước biển dâng, nguồn bùn cát bổ xung thêm chủ yếu từ biển Đông gây bồi Có thể thấy rằng, KV1 khu vực nhạy cảm có thay đổi chế độ thủy động lực hoạt động người điều kiện nước biển dâng Mặc dù có vị trí xa cửa sơng, mức độ thiếu hụt bùn cát lớn tác động hoạt động người NBD KV2 khu vực trung gian, có trạng thái tương đối cân bằng, mức độ ảnh hưởng thấp khả phục hồi tốt so với KV1 chịu tác động hoạt động nạo vét khai thác cát Điều KV2 nằm vị trí trung gian nên đón nhận dịng bùn cát từ thượng lưu xuống từ biển đưa vào nên nhanh chóng tái bồi thời gian ngắn KV3 khu vực bị tác động tác động người điều kiện NBD 24 ... CÁC HOẠT ĐỘNG TRỰC TIẾP THAY ĐỔI ĐÁY VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG 3.1 Tác động hoạt động thay đổi trực tiếp đáy lịng dẫn 3.1.1 Tác động cơng trình nạo vét luồng Soài Rạp Để đánh giá ảnh hưởng hoạt động nạo... hoặt động nạo vét, khai thác cát sơng đến q trình biến đổi hình thái đáy sơng /biển vùng cửa sơng Sồi Rạp; (3) Đánh giá tác động nước biển dâng đến chế độ thủy động lực với biến đổi hình thái đáy. .. sơng Sồi Rạp; (2) đánh giá tác động từ hoạt động người gây đến trình biến đổi hình thái cửa sơng Sồi Rạp; (3) đánh giá tác động nước biển dâng đến chế độ thủy động lực với biến đổi hình thái lịng