Luận án tiến sĩ Kỹ thuật địa chất: Nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất khu vực kênh quan chánh bố và kênh tắt trong quá trình vận hành tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu

Yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến xói lở và bồi lắng gồm cấu trúc địa chất dọc bờ, chế độ dòng chảy thay đổi và sóng do tàu thuyền được nghiên cứu và đề xuất các giải pháp phát t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU SƠN

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC KÊNH QUAN CHÁNH BỐ VÀ KÊNH TẮT TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG TÀU BIỂN TẢI TRỌNG

LỚN VÀO SÔNG HẬU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU SƠN

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC KÊNH QUAN CHÁNH BỐ VÀ KÊNH TẮT TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG TÀU BIỂN TẢI TRỌNG

LỚN VÀO SÔNG HẬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật địa chất

Mã số chuyên ngành: 9520501

Phản biện độc lập: PGS.TS Huỳnh Ngọc Sang

Phản biện độc lập: PGS.TS Tạ Đức Thịnh

Phản biện: PGS.TS Phạm Trung Hiếu

Phản biện: PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ

Phản biện: TS Phan Chu Nam

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Đậu Văn Ngọ

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất

kỳ một nguồn nào, dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Hữu Sơn

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án này là kết quả nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt trong quá trình vận hành tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu Yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến xói lở và bồi lắng gồm cấu trúc địa chất dọc bờ, chế độ dòng chảy thay đổi và sóng do tàu thuyền được nghiên cứu và

đề xuất các giải pháp phát triển bền vững được trình bày trong luận án này

Cấu trúc địa chất đường bờ có hàm lượng cát, bụi và sét được đánh giá theo thang tỷ lệ

“ROM” với năm cấp độ xói lở “nguy kịch”, “rất cao”, “cao”, “trung bình” và “thấp” ở các độ sâu khác nhau và tính toán ứng suất cắt tới hạn của vật liệu đường bờ dựa trên hàm lượng sét – bụi Chế độ dòng chảy trước và sau khi vận hành tuyến luồng được mô phỏng theo mô hình MIKE 21/3 tích hợp để đánh giá mức độ thay đổi về thủy động lực học, vận chuyển bùn cát và quá trình bồi xói Sóng do tàu thuyền là yếu tố quan trọng được đo đạc tính toán ứng suất ảnh hưởng đến ổn định đường bờ Đề xuất các giải pháp phát triển bền vững, kế hoạch duy tu nạo vét tuyến luồng trong quá trình vận hành Luận

án cũng giới thiệu, trình bày phương pháp thực hiện và kết quả nghiên cứu của ba yếu

tố trên ảnh hưởng chính đến quá trình vận hành tuyến luồng được 5 năm từ năm 2016 Kết quả phân tích cho thấy, cấu trúc địa chất đoạn kênh Quan Chánh Bố là ổn định theo thang đánh giá “ROM” ở cấp độ xói lở “thấp”, đoạn kênh Tắt đánh giá theo thang tỷ lệ

“ROM” ở cấp độ xói lở “nguy kịch” ở một số đoạn với các độ sâu khác nhau Tốc độ dòng sau khi có kênh Tắt tăng lên khoảng 0,5 – 0,7m/s, đạt cực đại khoảng 1,3 – 1,5m/s Sóng gây ra bởi tàu thuyền được đo đạc có chiều cao khoảng 0,3 – 1,4m, tùy thuộc vào điều kiện tải trọng tàu, tốc độ di chuyển của tàu và thủy triều Đường bờ kênh Quan Chánh Bố hiện hữu có khả năng chịu đựng được ứng suất tới hạn khoảng 19,6 – 22,4N/m2, tương ứng với áp lực gây ra bởi sóng do tàu thuyền có độ lớn khoảng 0,68 – 0,74m Tương tự, đoạn bờ kênh Tắt là 5,9 – 18,2N/m2, áp lực gây ra bởi sóng do tàu thuyền khoảng 0,45 – 0,69m tùy theo cấu trúc địa chất từng đoạn

Môi trường địa chất khu vực nghiên cứu đoạn kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt chịu tác động của các yếu tố tự nhiên – nhân tạo trong quá trình vận hành cần phải đề xuất các giải pháp phát triển bền vững nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của tuyến luồng

Các giải pháp dựa trên mức độ ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc địa chất, thủy lực dòng chảy và tác động sóng do tàu thuyền Sáu giải pháp bảo vệ bờ áp dụng cụ thể cho từng đoạn tuyến luồng với hai giải pháp phi công trình bằng cách trồng cây giảm sóng và bốn giải pháp công trình với các mức độ kiên cố khác nhau

Kết quả phân tích ổn định với hai giải pháp phi công trình có hệ số ổn định dao động từ 1,29 và 1,32 có chi phí khái toán từ 5.095.000 đồng/m đến 28.173.000 đồng/m Đối với đoạn đã xói lở, có nguy cơ xói lở cao cần áp dụng giải pháp công trình dựa trên nguyên tắc kết hợp giữa hai giải pháp làm giảm lực gây trượt và làm tăng lực kháng Kết quả phân tích ổn định của với bốn giải pháp công trình có hệ số ổn định dao động từ 1,23 đến 1,74 có chi phí khái toán từ 34.182.000 đồng/m đến 67.932.000 đồng/m Tuy nhiên,

để chọn các phương áp phù hợp cho từng đoạn luồng nhằm giảm chi phí đầu tư xây dựng, cần khảo sát bổ sung số liệu, quan trắc ổn định công trình để có giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng này đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

Duy tu bảo dưỡng luồng sẽ phụ thuộc vào kết quả tính toán bồi lắng dọc theo tuyến luồng từ kênh Quan Chánh Bố đến tuyến kênh Tắt Mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát và bồi xói được tính toán cho trường hợp nạo vét luồng hàng năm với ba kịch bản thấp, trung bình đến cao qua 11 mặt cắt tương ứng là 872.342,48; 1.204.065,68 và 1.535.788,88m3/năm cho đoạn tuyến luồng dài 20,77km Đề xuất kế hoạch nạo vét định

kỳ hàng năm, hai năm và đại tu tuyến luồng sau 05 năm qua các mặt cắt nạo vét khác nhau nhằm đảm bảo hoạt động thông suốt và phát triển bền vững tuyến luồng

ABSTRACT

This doctorate dissertation studies geological environment the changes on the environment at Quan Chanh Bo and Tat Canals during the operation of the entrance navigation route to Hau River The objectives of this study are to determine the role of natural and artificial factor including geological structures along the shore, flow regime changes and ship-induced waves… which effect on the erosion and deposition processes to propose the sustainable mitigating solutions

geo-The geology structure of river banks compounded with sand, silk and clay is categorized on the “ROM” scale with five erosion levels such as “Critical”, “Very High”, “High”,

“Medium” and “Low” in depths varying and critical shear stress of the shoreline material based on clay-silk content The pre-operated and post-operated channel flow mode was simulated by the integrated MIKE 21/3 coupled to evaluate the change in hydrodynamics, sediment transport and erosion process Waves caused by vessels are an important factor in the operation process, which is measured to the stress affecting on the stability of the river bank It is proposing sustainable development solutions, planning for maintenance and dredging activities during the operation The study has also introduced and presented the implementation methods and study results of the three above factors influenced on the operation of the channel for 5 years since 2016

Study results show that, the inherent geological structure of the QCB is fall into the “low” region benchmarked the ROM scale Meanwhile, the Tat canal is assessed to be non-stable state Maximum severity is fallen into “Critical” level as per ROM scale in various depths

in respective Due to artificial canal, simulated current velocity is increased 0.5 – 0.7 m/s, maximum of 1.3 – 1.5 m/s Moreover, measured ship-generated wave height varies in 0.3 – 1.4m The height of ship wave depends on loading condition, vessel speed and tidal condition River banks of QCB channel withstands the critical shearstress of 19.6 – 22.4 N/m2, in respect of shearstress generated by ship wave height of 0.68 – 0.74m In addition, natural bank structure of Tat canal withstands the shearstress of 5.9 – 18.2 N/m2 which is equal the impact by ship wave height of 0.45 – 0.69m

The geo-environment at study area is impacted by the natural and human factors During the operating of the channel, it is necessary to propose the preventive and mitigating

measures to ensure the effectiveness operation of the channel The controlled measures are based on geological structure, hydrodynamic condition, and ship-generated wave impacts

As results, there are total six (06) protection measures including two (02) non-structure measures (vegetation planting) and four (04) structures have been proposed to apply for every section of the channel

The slope stable analysis applied for two non-structured measures which has the estimated cost at 5,095,000VND/m to 28,173,000VND/m has provided the stable factor varying on the 1.29 and 1.32 Due to the risk level, it is recommended to applied the combined measure with aims to reduce the skid pressure and increase the skid-resistance pressure at the eroded sections Besides, stable analysis results of four structured measures (estimation cost of 34,182,000VND/m to 67,932,000VND/m) is in range of 1.23 – 1.74 However, it is necessary to carry out additional site survey and monitoring to provide the basis on selecting

of mitigation measure with purpose of ensure the sustainable developing and effectiveness operation of the channel both technically and financially

The maintenance and dredging activities of the channel is based on the simulation of deposition model As results, the scenario of Low, Medium and High applied for the 11 cross sections of 20.77km of channel provide the total deposited volume of 872,342.48; 1,204,065.68 and 1,535,788.88m3/year in respectively Finally, it is proposed the annual, bi-yearly and 5-year of maintenance plan to ensure the smoothly operation and sustainable development of the channel

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Đậu Văn Ngọ đã quan tâm giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu tham khảo giúp tác giả hoàn thành

luận án tiến sĩ

Tác giả xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô giảng viên Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa

kỹ thuật Địa chất và Dầu khí đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong thời gian làm luận án tiến sĩ

Chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa kỹ thuật Địa chất và Dầu khí, Bộ môn Địa kỹ thuật, Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ

MỤC LỤC

MỤC LỤC viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT 8

1.1 Tổng quan về nghiên cứu môi trường địa chất 8

1.1.1 Tình hình nghiên cứu môi trường địa chất 8

1.1.2 Nhu cầu nghiên cứu về biến đổi môi trường địa chất 11

1.2 Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến luận án 12

1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 13

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.3 Những vấn đề tồn tại trong nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất 20

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 22

1.5 Cách tiếp cận và phương pháp luận nghiên cứu 23

1.5.1 Phương pháp luận nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất 23

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu 25

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 28

2.1 Vị trí vùng nghiên cứu và quy mô tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn 28

2.1.1 Vị trí vùng nghiên cứu 28

2.1.2 Quy mô tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu 29

2.2 Đặc điểm môi trường địa chất khu vực nghiên cứu 31

2.2.1 Đặc điểm địa hình, địa mạo và tân kiến tạo 31

2.2.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất 37

2.2.3 Đặc điểm khí tượng và thủy hải văn 39

2.3 Các yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến quá trình vận hành tuyến luồng tàu biển vào sông Hậu 53

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG 56

3.1 Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến sự xói lở và bồi lắng tuyến luồng 56

3.1.1 Cấu trúc và tính chất vật lý của đất nền 56

3.1.2 Đặc điểm chế độ dòng chảy 58

3.1.3 Đặc điểm sóng do tàu 59

3.1.4 Hiện trạng xói lở và bồi lắng dọc theo tuyến luồng 61

3.2 Đánh giá cấu trúc địa chất ảnh hưởng đến mức độ xói lở đường bờ 63

3.2.1 Phương pháp đánh giá mức độ xói lở 64

3.2.2 Đánh giá mức độ xói lở của cấu trúc địa chất bờ 67

3.2.3 Bản đồ phân vùng mức độ xói lở cấu trúc địa chất theo độ sâu 72

3.3 Đánh giá ảnh hưởng của chế độ dòng chảy đến ổn định đường bờ 82

3.3.1 Xây dựng mô hình dòng chảy tuyến luồng trong quá trình vận hành 82

3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy đến ổn định đường bờ 93

3.4 Đánh giá ảnh hưởng của sóng do tàu thuyền đến ổn định đường bờ 96

3.4.1 Chiều cao sóng và ứng suất gây ra bởi hoạt động của sóng do tàu thuyền 96

3.4.2 Đo đạc, quan trắc sóng gây ra bởi tàu thuyền 96

3.4.3 Đánh giá ảnh hưởng của sóng gây ra bởi tàu thuyền 99

CHƯƠNG 4 DỰ BÁO KHẢ NĂNG BỒI LẮNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG AN TOÀN VÀ HIỆU QUẢ 104

4.1 Quản lý và vận hành hiệu quả tuyến luồng tàu biển 104

4.1.1 Vận hành tuyến luồng tàu biển vào sông Hậu 104

4.1.2 Quan điểm và phương pháp dự báo vận hành hiệu quả tuyến luồng 104

4.2 Dự báo khả năng bồi lắng tuyến luồng trong quá trình vận hành 106

4.2.1 Tốc độ biến đổi và ứng suất đáy thay đổi trong quá trình vận hành 106

4.2.2 Dự báo khối lượng bồi lắng tuyến luồng 109

4.3 Đề xuất giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng ổn định vận hành 116

4.3.1 Lựa chọn giải pháp thích hợp ổn định bờ tuyến luồng 116

4.3.2 Giải pháp phi công trình bảo vệ bờ tuyến luồng 121

4.3.3 Giải pháp công trình kè kiên cố 126

4.3.4 Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ tuyến luồng 132

4.3.5 Đề xuất kế hoạch duy tu nạo vét tuyến luồng đảm bảo vận hành ổn định 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 145

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 0.1 Sơ đồ tuyến luồng cho tàu tải trọng lớn vào sông Hậu 3

Hình 0.2 Phạm vi nghiên cứu tuyến luồng 5

Hình 1.1.Thành phần của môi trường địa chất 9

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả môi trường địa chất trong cấu trúc Trái đất 9

Hình 1.3 Các quá trình xảy ra trong môi trường địa chất 10

Hình 2.1 Vị trí vùng nghiêng cứu 29

Hình 2.2 Mặt bằng tổng thể luồng sông Hậu 29

Hình 2.3 Mặt cắt dọc đoạn luồng kênh Quan Chánh Bố 34

Hình 2.4 Địa hình đoạn luồng kênh Tắt 35

Hình 2.5 Phân vùng các đơn vị cấu trúc hiện đại 35

Hình 2.6 Mặt cắt địa chất bờ phải - bờ trái kênh Quan Chánh Bố 38

Hình 2.7 Mặt cắt địa chất bờ phải - bờ trái kênh Tắt 39

Hình 2.8 Mực nước tại các cửa sông vào mùa lũ 40

Hình 2.9 Mực nước tại các cửa sông vào mùa kiệt 41

Hình 2.10 Mực nước lúc triều lên –Mùa lũ 41

Hình 2.11 Mực nước lúc triều xuống – Mùa lũ 41

Hình 2.12 Mực nước lúc triều lên –Mùa kiệt 41

Hình 2.13 Mực nước lúc triều xuống – Mùa kiệt 41

Hình 2.14 Vị trí các điểm tính toán 42

Hình 2.15 Trường phân bố dòng chảy lúc triều lên – Mùa lũ 43

Hình 2.16 Trường phân bố dòng chảy lúc triều xuống – Mùa lũ 43

Hình 2.17 Trường phân bố dòng chảy lúc triều lên – Mùa kiệt 44

Hình 2.18 Trường phân bố dòng chảy lúc triều xuống – Mùa kiệt 44

Hình 2.19 Hoa sóng – Mùa gió tây Nam 46

Hình 2.20 Trường sóng tây Nam phân bố lúc triều lên 46

Hình 2.21 Trường sóng tây Nam phân bố lúc triều xuống 46

Hình 2.22 Hoa sóng – Mùa gió đông Bắc 47

Hình 2.23 Trường sóng Đông Bắc phân bố lúc triều lên 47

Hình 2.24 Trường sóng Đông Bắc phân bố lúc triều xuống 47

Hình 2.25 Lưu lượng dòng chảy lớn nhất các cửa sông Mê kông năm 2011 48

Hình 2.26 Lưu lượng bùn cát lớn nhất tại các cửa sông Mê kông năm 2011 49

Hình 2.27 Lưu lượng bùn cát và lưu lượng lớn nhất 49

Hình 2.28 Phân bố ứng suất ma sát đáy – Mùa gió tây Nam 50

Hình 2.29 Phân bố ứng suất ma sát đáy – Mùa gió đông Bắc 50

Hình 2.30 Tốc độ bồi xói địa hình đáy mùa gió tây Nam 51

Hình 2.31 Tốc độ bồi xói địa hình đáy mùa gió đông Bắc 51

Hình 2.32 Tác động qua lại giữa các yếu tố tự nhiên - nhân tạo đến hoạt động tuyến luồng và ảnh hưởng của tuyến luồng đến môi trường địa chất 54

Hình 3.1 Hình ảnh xói lở do tác động của dòng chảy 58

Hình 3.2 Các yếu tố chính vùng ven bờ (US Army Engineering Corp, 2008) 59

Hình 3.3 Tác động của sóng gây xói lở bờ 60

Hình 3.4 Mô hình sóng và dòng chảy do tàu điển hình trong một kênh hẹp của thiết kế hình thang được minh họa theo Quân đoàn kỹ sư Hoa Kỳ 2006 60

Hình 3.5 Hiện trạng xói lở và bồi lắng dọc theo tuyến luồng 62

Hình 3.6 Quá trình xói mòn và vận chuyển trầm tích trong sông 63

Hình 3.7 Thành phần hạt của mẫu đất lấy dọc tuyến luồng 65

Hình 3.8 Thu thập mẫu hiện trường và phân tích vật liệu cấu tạo bờ 65

Hình 3.9 Ứng suất cắt tới hạn ước tính từ phần trăm bụi-sét 67

Hình 3.10 Phần trăm xói lở bờ tuyến luồng kênh Tắt theo thang tỷ lệ ROM 69

Hình 3.11 Cấp độ xói lở theo chiều sâu dọc theo tuyến luồng 69

Hình 3.12 Mức độ xói lở theo thang tỷ lệ ROM 71

Hình 3.13 Mức độ xói lở đoạn kênh Tắt theo thang tỷ lệ ROM 71

Hình 3.14 Mối quan hệ giữa ứng suất cắt tới hạn và thang tỷ lệ “ROM” 72

Hình 3.15 Kết quả phân tích thành phần hạt đường bờ kênh Quan Chánh Bố 73

Hình 3.16 Tương quan hàm lượng sét và ứng suất cắt tới hạn của vật liệu kênh Quan Chánh Bố 73

Hình 3.17 Kết quả phân tích thành phần hạt đường bờ Kênh Tắt 74

Hình 3.18 Tương quan hàm lượng sét và ứng suất cắt tới hạn của vật liệu Kênh Tắt 74 Hình 3.19 Tọa độ vị trí hố khoan dọc theo tuyến luồng tàu biển 76

Hình 3.20 Bản đồ phân vùng cấp độ xói lở theo thang tỷ lệ “ROM” ở độ sâu 1,5m 77

Hình 3.21 Bản đồ phân vùng cấp độ xói lở theo thang tỷ lệ “ROM” ở độ sâu 3,5m 78

Hình 3.22 Bản đồ phân vùng cấp độ xói lở theo thang tỷ lệ “ROM” ở độ sâu 5,5m 79

Hình 3.23 Bản đồ phân vùng cấp độ xói lở theo thang tỷ lệ “ROM” ở độ sâu 7,5m 80

Hình 3.24 Bản đồ phân vùng tổng hợp cấp độ xói lở độ sâu thang tỷ lệ “ROM” 81

Hình 3.25 Quy trình xây dựng mô hình mô phỏng 82

Hình 3.26 Vùng nghiên cứu mở rộng 83

Hình 3.27 Lưới tính chi tiết 84

Hình 3.28 Lưới tính chi tiết cho kịch bản mô phỏng 84

Hình 3.31 Kiểm định mực nước tại sông Cổ Chiên 89

Hình 3.32 So sánh giá trị lưu lượng tính toán và thực đo qua mặt cắt tại cửa sông Cổ Chiên 89

Hình 3.33 Sơ đồ các vị trí tính toán 91

Hình 3.34 Sơ đồ các các mặt cắt tính toán 92

Hình 3.35 So sánh trường dòng chảy do ảnh hưởng của dự án 93

Hình 3.36 Kết quả mô phỏng trường vận chuyển bùn cát sau khu có dự án 94

Hình 3.37 Trầm tích đổ ra biển Đông thông qua kênh Tắt (Ảnh Landsat 8) 94

Hình 3.38 Sơ đồ vị trí các điểm quan trắc sóng và thiết lập cấu hình quan trắc đặc trưng sóng bằng máy đo sóng AWH-Infinity 98

Hình 3.39 Ảnh vệ tinh quan sát vệt nước nhiễu động do hoạt động của tàu thuyền qua tuyến luồng 98

Hình 3.40 Hình ảnh tàu 5000DWT di chuyển quan luồng Quan Chánh Bố 98

Hình 3.41 Sóng gây ra bởi hoạt động của tàu 5000 tấn khi đầy tải 99

Hình 3.42 Đặc trưng sóng quan trắc tại trạm SK01 99

Hình 3.43 Đặc trưng sóng quan trắc tại trạm QCB01 100

Hình 3.44 Mối tương quan giữa chiều cao sóng và ứng suất gây ra bởi hoạt động của tàu thuyền tại trạm SK01 101

Hình 3.45 Mối tương quan giữa chiều cao sóng và ứng suất gây ra bởi hoạt động của tàu thuyền tại trạm QCB01 102

Hình 3.46 Mối tương quan giữa chiều cao sóng, ứng suất và dòng chảy gây ra bởi hoạt động của tàu thuyền 102

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng tốc độ bồi xói hàng năm 107

Hình 4.2 Tốc độ bồi lắng hàng năm tại các vị trí tính toán 107

Hình 4.3 Phân bố ứng suất đáy lúc triều lên - Mùa lũ 108

Hình 4.4 Phân bố ứng suất đáy lúc triều xuống - Mùa lũ 108

Hình 4.5 Phân bố ứng suất đáy lúc triều xuống - Mùa kiệt 108

Hình 4.6 Phân bố ứng suất đáy lúc triều lên - Mùa kiệt 108

Hình 4.7 Tác động của chân vịt đến quá trình xáo trộn bùn đáy 109

Hình 4.8 Sơ đồ mặt cắt tính toán lưu lượng trầm tích vận chuyển 110

Hình 4.9 Lưu lượng trầm tích di chuyển qua các mặt cắt tính toán 111

Hình 4.10 Biến đổi địa hình đáy sau 1 năm tại mặt cắt 4-4 111

Hình 4.11 Biến đổi địa hình đáy sau 1 năm tại mặt cắt 8-8 111

Hình 4.12 Biến đổi địa hình đáy sau 1 năm tại mặt cắt 11-11 112

Hình 4.13 Kết quả tính toán mô phỏng tốc độ bồi / xói hàng năm (m) 113

Hình 4.14 Hình ảnh quan trắc đo sâu hồi âm tuyến luồng 114

Hình 4.15 Mặt cắt đo sâu dọc tuyến kênh Tắt năm 2016 - 2021 115

Hình 4.16 Mặt cắt đo sâu dọc tuyến kênh Quan Chánh Bố năm 2016 - 2021 115

Hình 4.17 Các mặt cắt ngang đo sâu tuyến luồng năm 2016 - 2021 116

Hình 4.18 Tác động của sóng tàu lên mái bờ Kênh 117

Hình 4.19 Xác định hệ số an toàn dựa trên phương pháp phân mảnh 120

Hình 4.20 Hệ thống hóa các giải pháp chống sạt lở phù hợp công trình 120

Hình 4.21 Tác động của đa dạng thực vật ven bờ đến sự ổn định đường bờ 122

Hình 4.22 Mặt cắt công trình bảo vệ bờ - Phương án đề xuất 1 (DX1) 123

Hình 4.23 Ổn định kè phương án đề xuất 1 (DX1) 123

Hình 4.24 Mặt cắt công trình bảo vệ bờ - Phương án đề xuất 2 (DX2) 124

Hình 4.25 Ổn định kè phương án đề xuất 2 (DX2) 124

Hình 4.26 Mặt cắt công trình bảo vệ bờ - Phương án đề xuất 3 (DX3) 127

Hình 4.27 Ổn định kè phương án đề xuất 2 (DX2) 127

Hình 4.28 Mặt cắt công trình bảo vệ bờ - Phương án đề xuất 4 (DX4) 128

Hình 4.29 Ổn định kè phương án đề xuất 4 (DX4) 128

Hình 4.30 Mặt cắt công trình bảo vệ bờ - Phương án đề xuất 5 (DX5) 129

Hình 4.31 Ổn định kè phương án đề xuất 5 (DX5) 129

Hình 4.32 Mặt cắt công trình bảo vệ bờ - Phương án đề xuất 6 (DX6) 130

Hình 4.33 Ổn định kè phương án đề xuất 6 (DX6) 130

Hình 4.34 Mặt bằng kè bảo vệ bờ đoạn kênh Quan Chánh Bố và cửa Đại An 135 Hình 4.35 Mặt bằng kè bảo vệ bờ đoạn kênh Tắt và đoạn nối tiếp 136 Hình 4.36 Thống kê khối lượng nạo vét luồng Định An qua các thời kỳ 137

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Bảng thông số tàu qua luồng 30

Bảng 2.2 Thông số tuyến luồng thiết kế 30

Bảng 2.3 Chiều rộng luồng tại đoạn kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt 31

Bảng 2.4 Chiều sâu chạy tàu tại đoạn kênh Quan Chánh Bố 31

Bảng 2.5 Mực nước trung bình tại các vị trí tính toán (m) 42

Bảng 2.6 Vận tốc dòng chảy khu vực nghiên cứu 44

Bảng 2.7 Phân bố hàm lượng bùn cát lơ lửng ven bờ biển Trà Vinh (g/m3) 49

Bảng 2.8 Tốc độ bồi xói trung bình trong các mùa trong năm (cm/ngày) 51

Bảng 3.1: Hàm lượng cát, bột và sét tuyến Luồng 57

Bảng 3.2: Thông số một số chỉ tiêu cơ lý dọc tuyến luồng 57

Bảng 3.3 Bảng đánh giá cấp độ xói lở theo thang tỷ lệ “ROM” 65

Bảng 3.4 Phần trăm chiếm giữ của sét, bột và cát của đoạn Kênh Quan Chánh Bố 68

Bảng 3.5 Phần trăm chiếm giữ của sét, bột và cát của đoạn Kênh Tắt 68

Bảng 3.6 Chỉ số đánh giá câp độ xói lở và ứng suất tới hạn bờ phải tuyến luồng 70

Bảng 3.7 Chỉ số đánh giá câp độ xói lở và ứng suất tới hạn bờ trái tuyến luồng 70

Bảng 3.8 Thông tin các kịch bản mô phỏng 86

Bảng 3.9 Các thông số đầu vào cho mô hình thủy lực 87

Bảng 3.10 Các giá trị đầu vào cho mô hình vận chuyển bùn cát 88

Bảng 3.11 Các vị trí tính toán 91

Bảng 3.12 Vị trí các mặt cắt tính toán 92

Bảng 3.13 So sánh trường dòng chảy vị trí tính toán trước và sau khi có dự án 93

Bảng 3.14 So sánh biến đổi lượng trầm tích bồi lắng tại các vị trí tính toán 95

Bảng 3.14 Lượng trầm tích qua các mặt cắt (m3/năm) 95

Bảng 3.15 Thông số quan trắc đặc trưng sóng gây ra bởi tàu thuyền 97

Bảng 3.16 Vận tốc dòng chảy và ứng suất sinh ra bởi sóng do tàu thuyền 100

Bảng 4.1 Tốc độ bồi lắng hàng năm khi tuyến luồng vận hành 107

Bảng 4.2 Kết quả tính toán khối lượng trầm tích bồi lắng hàng năm (m3/năm) 112

Bảng 4.3 Kết quả tính toán mô phỏng tốc độ bồi / xói hàng năm (m) 113

Bảng 4.4 Các thông số về vật liệu và địa chất tính toán 118

Bảng 4.5 So sánh các giải pháp phi công trình (DX1 và DX2) và công trình (DX3) 125 Bảng 4.6 So sánh các giải pháp công trình (DX4, DX5 và DX6) 131

Bảng 4.7 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố lên ổn định đường bờ tuyến luồng 133 Bảng 4.8 Bảng phân tích lựa chọn giải pháp gia cố bờ đoạn kênh Quan Chánh Bố 133 Bảng 4.9 Bảng phân tích lựa chọn giải pháp gia cố bờ đoạn kênh Tắt 134 Bảng 4.10 Đề xuất kế hoạch duy tu, nạo vét tuyến luồng 137 Bảng 4.11 Khối lượng nạo vét tuyến luồng dự báo 138

ĐCMT : Địa chất môi trường

ĐHTN-KT : Địa hệ tự nhiên - kỹ thuật

MTĐC : Môi trường địa chất

ROM : Đặt theo tên nhà nghiên cứu, Roslan và Mazidah

TGTLN : Tổng giá trị lớn nhất

Vmax : Vận tốc lớn nhất

VNĐ : Đồng tiền Việt Nam

Vtb : Vận tốc trung bình

MỞ ĐẦU

1 Tóm tắt về công trình nghiên cứu

Luồng tàu biển cho ngành vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là nhiệm vụ cấp thiết, trong đó luồng cho tàu biển trọng tải lớn vào sông Hậu có vai trò rất quan trọng Đây là con đường vận tải thủy huyết mạch với quy hoạch nhóm Cảng biển số 6 mà Chính phủ đã phê duyệt nhằm tập trung đầu tư xây dựng và phát triển cảng Cần Thơ nói riêng và hệ thống cảng biển tại khu vực ĐBSCL và một số vùng kinh tế trọng điểm phía nam, là nơi vận chuyển gần như 80% lượng hàng hóa xuất khẩu của ĐBSCL Luồng qua cửa Định An thường xuyên

bị bồi lấp rất khó cải tạo, vì vậy cần mở luồng vào sông Hậu qua kênh Quan Chánh

Bố cho phép tàu 10.000DWT đầy tải và tàu 20.000DWT giảm tải ra vào các cảng trên sông Hậu

Thời gian gần đây, cùng với tốc độ phát triển kinh tế cao của vùng, hoạt động giao thương hàng hóa, mật độ tàu thuyền lớn với tốc độ cao qua lại trên luồng ngày càng tăng lên nhanh chóng Những hoạt động đó làm ảnh hưởng đến xói lở và bồi lắng tuyến luồng nghiêm trọng, làm mất đất canh tác và xây dựng, đe dọa ổn định nhà cửa

và công trình ở ven bờ, ảnh hưởng khai thác hiệu quả, chi phí nạo vét, duy tu của tuyến luồng trong tương lai Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố tự nhiên và nhân tạo trong quá trình vận hành tuyến luồng tàu tải trọng lớn vào sông Hậu, các nhóm yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến diễn biến xói lở và bồi lắng là những tai biến có thể phòng ngừa, chống giảm thiểu thiệt hại ở mức độ khác nhau Cấu trúc địa chất đường bờ có hàm lượng cát, bụi và sét được đánh giá theo thang tỷ lệ “ROM” với năm cấp độ xói lở “nguy kịch”, “rất cao”, “cao”, “trung bình”

và “thấp” ở độ sâu 1,5m, 3,5m, 5,5m và 7,5m và ứng suất cắt tới hạn của vật liệu đường bờ được tính toán dựa trên hàm lượng sét và bụi Chế độ dòng chảy trước và sau khi vận hành tuyến luồng được ứng dụng mô hình Mike 21/3 tích hợp để đánh giá mức độ thay đổi về thủy động lực học, vận chuyển bùn cát và quá trình bồi xói Sóng do tàu thuyền là yếu tố quan trọng trong quá trình vận hành được đo đạc tính toán ứng suất ảnh hưởng đến ổn định đường bờ Qua đó, đề xuất các giải pháp phát triển bền vững, kế hoạch duy tu nạo vét tuyến luồng trong quá trình vận hành

Trong nghiên cứu này, tác giả đã kết hợp các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

về đánh giá mức độ xói lở cấu trúc địa chất, chế độ dòng chảy, vận chuyển trầm tích, sóng do tàu thuyền và ảnh hưởng của các công trình bảo vệ bờ (đê chắn sóng, công trình chỉnh trị, ) nhằm tìm ra nguyên nhân xói lở và bồi lắng tuyến luồng Môi trường địa chất khu vực nghiên cứu đoạn kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt chịu tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo trong quá trình vận hành cần phải đề xuất các giải pháp phát triển bền vững nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của tuyến luồng Trong những giải pháp đáp ứng yêu cầu trên, tác giả đề xuất sáu giải pháp bảo vệ bờ áp dụng

cụ thể cho từng đoạn tuyến luồng dựa trên mức độ ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc địa chất, thủy lực dòng chảy và tác động sóng do tàu thuyền Trong đó, có hai giải pháp phi công trình bằng cách trồng cây giảm sóng và bốn giải pháp công trình với các mức độ kiên cố khác nhau

Duy tu và nạo vét bảo dưỡng luồng sẽ phụ thuộc vào kết quả tính toán bồi lắng dọc theo tuyến luồng từ kênh Quan Chánh Bố đến tuyến kênh Tắt Mô hình vận chuyển bùn cát và bồi xói được tính toán cho trường hợp nạo vét luồng hàng năm với ba kịch bản thấp, trung bình đến cao thông qua 11 mặt cắt cho đoạn tuyến luồng dài 20,77km

và đề xuất kế hoạch nạo vét định kỳ hàng năm, hai năm và đại tu tuyến luồng sau năm năm qua các mặt cắt nạo vét khác nhau nhằm đảm bảo hoạt động thông suốt và phát triển bền vững tuyến luồng

2 Lý do lựa chọn luận án

Sông Tiền và sông Hậu là hai tuyến đường thủy cho các tàu biển quốc tế lưu thông

từ biển Đông đến tận Camphuchia đều đi qua khu vực ĐBSCL Cửa vào của cả hai tuyến này đều vướng phải trở ngại do hiện tượng bồi lắng tại các cửa sông Sông Hậu

có nhiều điều kiện thuận lợi hơn để tiếp nhận tàu trọng tải lớn Tuy nhiên, sông Hậu cũng trở ngại đối với giao thông thuỷ do cửa Định An liên tục bị bồi lắng, khó có khả năng cải tạo Hơn 20 năm qua, công việc nạo vét được thực hiện định kỳ tại vùng cửa sông Hậu để tạo ra luồng vào trên sông tới khu cảng Cần Thơ Việc nạo vét này cũng chỉ là tạm thời và sau một mùa mưa các bãi bồi lại trở lại tình trạng như cũ Do đó, việc nghiên cứu mở ra luồng tàu mới, thay thế cho luồng tàu qua cửa Định An là cần thiết cho phép tàu 10.000DWT đầy tải và tàu 20.000DWT giảm tải ra vào các cảng

trên sông Hậu Toàn bộ tuyến luồng dài khoảng 40km, được chia ra làm 04 đoạn, đoạn luồng sông Hậu dài 6km, đoạn kênh Quan Chánh Bố dài 19km, đoạn Kênh Tắt dài 9km, đào mới hoàn toàn và đoạn luồng Biển dài 6km Đoạn Kênh Tắt được đào mới đi qua các xã Long Toàn, Long Khánh và Dân Thành, đầu kênh nối vào kênh Quan Chánh Bố, đầu kia thông ra biển Bờ tả thuộc địa phận xã Long Toàn và xã Dân Thành.Bờ hữu thuộc địa phận xã Long Khánh và xã Dân Thành Hình 0.1 thể hiện sơ

đồ tuyến luồng tàu tải trọng lớn vào sông Hậu [55]

Hình 0.1 Sơ đồ tuyến luồng cho tàu tải trọng lớn vào sông Hậu

Sau khi công trình đưa vào khai thác vận hành được 5 năm từ năm 2016, chế độ dòng chảy thay đổi do khai thông đoạn kênh Tắt, cấu trúc địa chất bờ bị xáo trộn do nạo vét, đào mới mở rộng và sóng tàu thuyền do gia tăng giao thông thủy tác động biến đổi môi trường địa chất khu vực tuyền luồng dẫn tới mức độ xói lở, bồi lắng của tuyến luồng gia tăng mạnh mẽ, cản trở hoạt động giao thông thủy Những hoạt động đó gây hậu quả làm mất cân bằng chế độ dòng chảy, xói lở và bồi lắng bờ nghiêm trọng ảnh hưởng khai thác hiệu quả tuyến luồng và cần phải có dự báo, đề xuất các giải pháp trong tương lai

Vì vậy, nghiên cứu đánh giá sự biến đổi môi trường địa chất tác động đến hệ thống luồng tàu vào sông Hậu trong quá trình vận hành là cơ sở khoa học để đề ra biện pháp

khai thác hợp lý và bảo vệ môi trường có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn, có tình cấp thiết cao Đây là lý do lựa chọn đề tài luận án nghiên cứu

Luận án làm rõ thành phần, tính chất và cấu trúc môi trường địa chất từ đoạn kênh Quan Chánh Bố đến hết đoạn kênh Tắt Làm sáng tỏ tác động của chế độ dòng chảy, sóng tàu do giao thông thủy làm mất ổn định và thúc đấy quá trình xói lở bờ Đánh giá tác động xói lở và bồi lắng hệ thống tuyến luồng tàu sau 5 năm vận hành từ năm

2016, đồng thời dự báo khối lượng bồi lắng hàng năm, kế hoạch nạo vét và đề xuất giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng trong quá trình vận hành

3 Câu hỏi nghiên cứu

Vận hành hệ thống tuyến luồng tác động nhiều mặt tới môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt, trong khuôn khổ luận án này, tác giả tập trung làm sáng tỏ và trả lời những câu hỏi nghiên cứu sau:

Câu hỏi 1: Các yếu tố tự nhiên và nhân tạo chính nào làm gia tăng mức độ xói lở - bồi lắng trong quá trình vận hành tuyến luồng tàu biển vào sông Hậu đoạn từ kênh Quan Chánh Bố đến đoạn kênh Tắt (luồng tự nhiên và nhân tạo) và mức độ ảnh hưởng đến tuyến luồng?

Câu hỏi 2: Làm thế nào để giảm thiểu tác động tiêu cực và dự báo duy tu nạo vét tuyến luồng nhằm đảm bảo vận hành ổn định tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu hiệu quả trong tương lai?

4 Mục đích của luận án

Làm sáng tỏ tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến ổn định tuyến luồng trong quá trình vận hành công trình tuyến luồng kênh Quan Chánh Bố đến hết kênh Tắt

Làm sáng tỏ các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến quá trình xói lở và mức độ bồi lắng dọc theo tuyến luồng tàu trong quá trình vận hành

Dự báo và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng, đảm bảo ổn định lâu dài cho tàu tải trọng lớn 10.000DWT đầy tải và tàu 20.000DWT giảm tải ra vào các cảng trên sông Hậu

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

5.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh

Bố và kênh Tắt Đó là hệ thống tuyến luồng đoạn kênh Quan Chánh Bố được nạo vét

mở rộng đến hết đoạn kênh Tắt được đào mới hoàn toàn đã đưa vào vận hành làm biến đổi môi trường địa chất Trong đó, ba yếu tố tự nhiên và nhân tạo chính là cấu trúc địa chất bờ, chế độ dòng chảy và sóng do tàu thuyền làm gia tăng xói lở - bồi lắng là đối tượng tập trung nghiên cứu

5.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn bởi môi trường địa chất khu vực tuyến luồng kênh Quan Chánh Bố đến hết đoạn kênh Tắt, chiều dài tuyến luồng khoảng 20,77 Km, bề rộng tuyến luồng khoảng 200m, chiều sâu đáy luồng khoảng 7,5m đã vận hành được

5 năm từ năm 2016, trên quan điểm xem đây là địa hệ tự nhiên – kỹ thuật và được phân tích đánh giá bằng lý thuyết hệ thống Hình 0.2 thể hiện phạm vi nghiên cứu đoạn kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt [55]

Hình 0.2 Phạm vi nghiên cứu tuyến luồng

6 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết mục đích, câu hỏi nghiên cứu của luận án đặt ra, các phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng gồm:

Phương pháp phân tích lịch sử tự nhiên (phương pháp địa chất): làm sáng tỏ sự hình thành và đặc điểm cấu trúc địa chất, thành phần và tính chất của môi trường địa chất khu vực nghiên cứu

Phương pháp phân tích hệ thống: dự báo các tương tác trong địa hệ tự nhiên – kỹ thuật và các quá trình thay đổi dòng chảy, địa chất công trình do kết quả của tương tác này

Phương pháp mô hình toán: sử dụng mô hình thủy động lực MIKE 21/3 tích hợp đánh giá tác động và dự báo quá trình dòng chảy, vận chuyển bùn cát, bồi xói và cân bằng vật chất tại vùng nghiên cứu, và phân tích ổn định tổng thể bằng phương pháp cân bằng giới hạn (GLE) các giải pháp ổn định tuyến luồng

Phương pháp khảo sát thực địa, lấy mẫu, đo thực: để theo dõi diễn biến các quá trình địa chất công trình tại các vùng môi trường địa chất không ổn định và hiệu chỉnh, kiểm định thông tin sử dụng trong các mô hình toán

Trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã tiến hành khảo sát thực địa, đo thực các vị trí điển hình để bổ sung số liệu và kiểm định các thông tin thu thập được

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

7.1 Ý nghĩa khoa học

Vận hành hệ thống tuyến luồng hợp lý và bảo vệ môi trường địa chất là nhiệm vụ quan trọng và nặng nề của khoa học địa chất công trình, sự biến đổi sâu sắc, gây ra những tổn thất nghiêm trọng mang tính khu vực do ảnh hưởng của một tập hợp tác động nhân tạo trong quá trình vận hành Các kết quả và kinh nghiệm nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất của hệ thống tuyến luồng tàu khi xem xét các tương tác các yếu tố tự nhiên và nhân tạo là những đóng góp tích cực về lĩnh vực này

Các kết quả nghiên cứu quá trình xói lở - bồi lắng và mất ổn định bờ tuyến luồng do ảnh hưởng của hiện tượng vật lý về vận chuyển trầm tích, chế độ dòng chảy, chế độ bùn cát, chế độ sóng tác động lên công trình là cơ sở khoa học quan trọng để quản lý qui hoạch, phòng chống mất ổn định công trình và khai thông dòng chảy

Tối ưu các địa hệ tự nhiên - kỹ thuật từ các thông số khảo sát, thiết kế ổn định, dự báo thành lập khi thiết kế, chỉnh sửa giải pháp thiết kế từ các thông tin địa chất công trình, quan trắc trạng thái công trình trong quá trình thi công, hiệu quả trong vận hành

an toàn đảm bảo không vượt quá giới hạn quy định trong thiết kế

7.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở giúp các nhà quản lý đề ra chiến lược và biện pháp ứng phó với xói lở - bồi lắng, nguyên nhân chính ảnh hưởng đến mất ổn định đường bờ, sóng của giao thông thủy gây ra để quản lý tốc độ cho phép của tàu thuyền

và áp dụng các giải pháp thích hợp bảo vệ từng đoạn bờ nhằm phát triển bền vững tuyến luồng trong quá trình vận hành

Kết quả sử dụng mô hình Mike 21/3 tích hợp đáp ứng được các yêu cầu về dòng chảy, vận chuyển bùn cát – bồi/xói và cân bằng vật chất tại vùng nghiên cứu có đối sánh với số liệu quan trắc thực tế Kết quả nghiên cứu có giá trị tham khảo khi xây dựng

hệ thống tuyến luồng tàu có môi trường địa chất tương tự có ảnh hưởng do xói lở - bồi lắng trong quá trình vận hành ở các địa phương khác

8 Cơ sở tài liệu của luận án

Luận án kế thừa và sử dụng những các kết quả đã được nghiên cứu từ các đề tài nghiên cứu khoa học, các báo cáo và bài báo khoa học đã được công bố trong các hội nghị khoa học, trên các tạp chí trong và ngoài nước Tác giả đã tham khảo và phân tích các tài liệu lưu trữ của nhiều tổ chức và cá nhân các nhà khoa học trong và ngoài nước

9 Cấu trúc của luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về biến đổi môi trường địa chất

Chương 2: Đặc điểm môi trường địa chất khu vực nghiên cứu

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố tự nhiên và nhân tạo đến quá trình vận hành tuyến luồng

Chương 4: Dự báo khả năng bồi lắng và đề xuất giải pháp đảm bảo vận hành tuyến luồng an toàn và hiệu quả

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT

1.1 Tổng quan về nghiên cứu môi trường địa chất

1.1.1 Khái quát về môi trường địa chất

Môi trường địa chất phát sinh và phát triển trong sự tác động qua lại với quyển khí, quyển nước, thạch quyển và những quyển bên trong của Trái Đất Môi trường địa chất (MTĐC) là các điều kiện vây quanh chúng ta tương tác với khí quyển, thủy quyển và các quyển bên trong của Trái Đất Mối tương tác đó diễn ra trong suốt lịch

sử phát triển của vỏ Trái Đất, tạo nên sự cân bằng nhất định trên bề mặt cũng như trong lòng đất với quy mô toàn cầu, khu vực hoặc cục bộ Nhưng cũng chính sự tương tác đó đã tạo ra những mâu thuẫn và là nguyên nhân tất yếu làm nảy sinh và phát triển các quá trình địa chất dẫn đến sự thay đổi hoặc phá hủy MTĐC và tạo ra một bộ mặt mới [1], [2]

MTĐC là lớp đất đá hay thổ nhưỡng tạo nên phần trên cùng của thạch quyển, là một

hệ thống nhiều thành phần chịu tác động từ các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người làm thay đổi quá trình địa chất tự nhiên và làm xuất hiện các quá trình địa chất mới Hình 1.1 thể hiện các thành phần của môi trường địa chất [3] Trên quan điểm được hiểu là một phần của môi trường tự nhiên, là phần trên cùng của thạch quyển cấu tạo từ các thể rắn, thể lỏng và thể khí cùng với tất cả các tài nguyên chứa trong

đó và các trường vật lý vốn có của nó, là nơi cư trú và thực hiện các hoạt động sống của loài người, nơi diễn ra tác dụng tương hỗ giữa thạch quyển với khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và quyển kỹ thuật [4] Do đó, nhiệm vụ chính hiện nay là tìm ra những cơ sở lý luận khoa học đúng đắn để dự báo và điều chỉnh các quá trình địa chất theo hướng cần thiết để phòng ngừa, giảm thiểu và ngăn chặn các mặt tiêu cực do con người gây ra

Như vậy, MTĐC được hiểu là một tập hợp các yếu tố của môi trường tự nhiên, phần trên cùng của vỏ Trái Đất, nơi con người sinh sống, khám phá để phát triển và tiến hành các hoạt động cho nhu cầu phát triển xã hội, bị chi phối, điều tiết một cách tự nhiên bởi các yếu tố, quá trình địa chất, tạo nên thuận lợi hoặc trở ngại cho hoạt động

nhân sinh Do đó, MTĐC là nền tảng và hợp phần quan trọng nhất của môi trường tự nhiên – kỹ thuật, gồm thạch quyển, thổ quyển, thủy quyển, khí quyển dưới mặt đất

và sinh quyển, và là đối tượng nghiên cứu, điều tra và đánh giá của khoa học Kỹ thuật địa chất Hình 1.2 thể hiện môi trường địa chất trong cấu trúc Trái đất [3] Trên quan điểm đó nhiệm vụ chính nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất hiện nay là vạch

ra những cơ sở khoa học cho việc dự báo và điều khiển các quá trình địa chất theo hướng cần thiết cho con người phòng ngừa, hạn chế và ngăn chặn các quá trình hoạt động địa chất bất lợi

Hình 1.1.Thành phần của môi trường địa chất

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả môi trường địa chất trong cấu trúc Trái đất

Mục tiêu của khoa học Kỹ thuật địa chất (KTĐC) là nghiên cứu, xây dựng các giải pháp nhằm phát huy tốt, sử dụng hợp lý các chức năng của MTĐC, đồng thời đề xuất các giải pháp bảo vệ để phát triển bền vững Các hoạt động kinh tế công trình của con người mang những mâu thuẫn, vừa hoạt động có tính chất sáng tạo lại có tính chất làm mất cân bằng tự nhiên, gây nên sự phát triển các quá trình và hiện tượng địa chất, làm thay đổi hoặc phá hoại, do vậy sử dụng hợp lý MTĐC là cần thiết MTĐC là bộ phận đặc biệt của môi trường tự nhiên, nhạy cảm với sự thay đổi không ngừng của các quá trình tự nhiên và hoạt động nhân sinh Trong MTĐC có quá trình tự điều chỉnh và tự cân bằng (các quyển trong MTĐC sẽ tương tác, điều chỉnh để luôn cân bằng động) Hình 1.3 thể hiện các quá trình xảy ra trong MTĐC ngày càng được mở rộng và toàn diện hơn [4]

Hình 1.3 Các quá trình xảy ra trong môi trường địa chất

Kỹ thuật địa chất dựa trên kiến thức khoa học của các bộ môn địa chất khác nhau như địa chất cấu trúc, địa hóa, địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa bàn học, địa vật

lý học, thổ nhưỡng học,…không chỉ là những hỗn hợp đơn thuần các khái niệm và phương pháp của khoa học đó, mà có xem xét một cách thích đáng và tổng hợp có định hướng những qui luật đã biết [3] KTĐC áp dụng thông tin địa chất để giải quyết tất cả các vấn đề tương tác giữa con người với môi trường vật lý, tự nhiên, là khoa học ứng dụng các nguyên lý của địa chất học để giải quyết về vấn đề môi trường [3]

Ở Việt Nam, KTĐC có rất nhiều công trình, dự án, đề tài nghiên cứu như thành lập bản đồ đới ven biển, địa chất đô thị, địa chất tai biến, đánh giá tác động của các hoạt động nhân sinh như đắp đê, hồ thủy điện, khai thác khoảng sản tới môi trường,…góp

phần tích cực cho sự phát triển của Kỹ thuật địa chất ở Việt Nam

1.1.2 Nhu cầu nghiên cứu về biến đổi môi trường địa chất

Cùng với hệ thống tự nhiên, luôn tồn tại các hệ thống mà các hợp phần của chúng gồm các đối tượng tự nhiên và nhân tạo Chính vì thế đã xảy ra một quá trình tương tác giữa hai yếu tố tự nhiên và kỹ thuật Sự tương tác giữa các đối tượng nhân tạo và các bộ phận thuộc quyển của Trái Đất – các địa quyển đòi hỏi phải xem xét các đối tượng tương tác này như là các hệ thống Các vật thể tự nhiên và đối tượng nhân tạo

là một hệ thống gồm hai hợp phần tương tác chính được gọi là địa hệ tự nhiên - kỹ thuật (ĐHTN-KT)

ĐHTN-KT là cấu trúc không gian thời gian của các hợp phần tương tác bao gồm các hợp phần nhân tạo có thể là các hoạt động sản xuất và các phối hợp phần tự nhiên bị biến đổi do hoạt động của con người ĐHTN-KT có tính chất là một hệ thống và là một hệ thống mở, nghĩa là một hệ thống luôn sẵn sàng đón nhận mọi sự hoạt động tương tác của các yếu tố tự nhiên và kỹ thuật Trạng thái của địa hệ tự nhiên - kỹ thuật thay đổi theo thời gian vật lý và yếu tố kỹ thuật ngày càng một lớn chi phối đáng kể vào hệ thống Các tương tác ở địa hệ tự nhiên – kỹ thuật này là tương tác điều khiển được, loại và đặc điểm tương tác tùy thuộc vào loại, kết cấu và chế độ vận hành công trình

Động thái của địa hệ tự nhiên - kỹ thuật không cân bằng hoặc giả ổn định phụ thuộc vào quá trình tương tác như xây dựng mới một tuyến luồng vào giai đoạn đầu quá trình xói lở có thể được xem là kết thúc nhờ các giải pháp công trình, nhưng qua một thời gian vận hành các quá trình xói lở tăng dần, phát sinh thêm các hiện tượng xói

lở - bồi lắng gia tăng làm ảnh hưởng đến vận hành tuyến luồng và dẫn đến địa hệ mất trạng thái cân bằng ổn định và không ít các trường hợp bị bồi lắng trầm trọng ĐHTN-KT đơn vị là hệ thống gồm các hợp phần, về kỹ thuật là một công trình riêng

lẻ, đoạn tuyến luồng, còn về tự nhiên là quyển tương tác của môi trường địa chất với công trình ĐHTN-KT địa phương được hình thành, vận động do tương tác của một

tập hợp các công trình với môi trường địa chất và được cấu tạo từ các ĐHTN-KT đơn

vị Các địa hệ đơn vị trong hệ địa phương phải tiếp giáp với nhau hoặc chờm lên nhau, ảnh hưởng lẫn nhau và như thế thì vùng môi trường địa chất của hệ địa phương

là một vùng liên tục ĐHTN-KT khu vực bao gồm một khu vực trong đó có các ĐHTN-KT địa phương và các ĐHTN-KT đơn vị nằm trong đó Địa hệ khu vực có các địa hệ địa phương nằm cạnh nhau không liên kết với nhau tạo thành một không gian liên tục nên không tương tác trực tiếp lẫn nhau mà chỉ tương tác gián tiếp Như vậy, trong ĐHTN-KT khu vực các địa hệ địa phương không quyết định cấu trúc của địa hệ khu vực và việc phân chia này không phụ thuộc vào diện tích và qui mô của các địa hệ

Địa hệ tự nhiên kỹ thuật bao gồm rất nhiều yếu tố tự nhiên như sự phân bố của các lớp đất đá, thành phần, kiến trúc, cấu tạo và các tính chất của chúng, sự phân bố các tầng chứa nước dưới đất, các điều kiện về khí tượng thủy văn, qui luật vận động của

hệ thống sông, kênh, suối,…khi con người tác động vào môi trường địa chất với các thể nhân tạo Trong luận án này, sự vận động của địa hệ tự nhiên – kỹ thuật chủ yếu

là do tương giữa thể nhân tạo và tự nhiên thể hiện qua các quá trình kỹ thuật địa chất gồm yếu tố nền địa chất, tác động dòng chảy và xói lở

Con người trong quá trình thiết kế công trình đã đặt ra vần đề là phải dự báo được về

sự biến đổi của hệ thống này trong thời gian vận hành nó Dự báo sự thay đổi của hệ thống theo thời gian Vì thế nên ngay từ khi thiết kế chúng ta cần phải tối ưu hóa tính chất cấu trúc của ĐHTN-KT ngay từ khi bắt đầu công tác xây dựng, địa hệ này cứ phát triển dần và cấu trúc của hệ được hình thành sau khi xây dựng công trình một thời gian nào đó Dự báo sự vận động của ĐHTN-KT đơn vị thường được thực hiện nhờ các phương pháp được trình bày trong các môn học như địa chất công trình, cơ học đất, chế độ dòng chảy, tính toán lún, trượt, thấm ĐHTN-KT địa phương và khu vực là vấn đề của địa chất công trình hiện đại để dự báo, khai thác hợp lý và bảo vệ môi trường địa chất Đây là vấn đề và nhu cầu cần nghiên cứu về MTĐC đang gặp rất nhiều khó khăn và cần phải hướng tới giải quyết

1.2 Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến luận án

Môi trường địa chất có mức độ chạy cảm, dễ bị tổn thương khi chịu tác động tiêu cực của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo MTĐC là một hệ thống cân bằng động, có khả năng tự điều chỉnh về các trạng cân bằng gần nhất nếu mức độ ảnh hưởng của yếu tố

tự nhiên và nhân tạo dưới mức chịu đứng của địa hệ Khi MTĐC bị khai thác quá mức, các yếu tố địa hệ bị rối loạn, làm nảy sinh nhiều vấn đề, xung đột giữa con người với MTĐC ảnh hưởng đến mất ổn định đường bờ gây ra xói lở và bồi lắng đến quá trình vận hành tuyến luồng

1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Hoạt động giao thông bằng đường thủy trên thế giới đã góp phần quan trọng trong việc lưu thông hàng hóa, thương mại vận chuyển bằng đường thủy được dự báo ngày càng tăng cao Để đảm bảo hoạt động giao thông được xuyên suốt và thuận lợi, các tuyến luồng cần thường xuyên được nâng cấp và mở rộng

Trên sông Watts Branch các dữ liệu đo đạc sự biến đổi ở các mặt cắt trong vòng 02 năm cho thấy, sự bất ổn định về bờ sông, dựa trên kết quả quan trắc của hệ thống cọc dọc theo bờ sông có hiện tượng xói lở bờ xảy ra do sự tác động tổng hợp của nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo khác nhau [5] Quá trình xói lở bờ sông Devon ở nước Anh được tiến hành quan sát trong vòng 2,5 năm, các mốc quan trắc đã được thiết lập tại các vị trí dọc theo bờ sông nhằm xác định tốc độ bồi xói qua từng thời điểm Bên cạnh đó, các dữ liệu về khí tượng thủy văn được thu thập, tổng hợp và tiến hành đánh giá mô phỏng bằng mô hình số [6] Tại Malaysia, nồng độ trầm tích lơ lửng trung bình ở các con sông do xói lở đất tăng gần 34% vào năm 1998 Trong suốt mùa mưa, các trầm tích và đất xói lở đã rửa trôi xuống hạ lưu, kết quả là ở hạ lưu trở nên nông hơn và nước trở nên đục hơn [7] Ở Hoa Kỳ, lượng trầm tích phù sa phổ biến ở sông

có thành phần vật liệu cấu tạo đường bờ chiếm khoảng 80% tổng lượng trầm tích lơ lửng Kết quả cho thấy, đường bờ bị xói khoảng 2,96m trong quá trình mô phỏng (trong khi giá trị thực tế quan sát được là 3,18m) [8]

Sự tách rời đất làm cuốn theo các hạt lơ lửng ở phần bờ sông khởi nguồn từ hai quá trình chính là sự xói mòn thủy lực và sự xói gần mặt đất Sự đào khoét và vét đáy do dòng chảy có thể gây ra những xói lở bờ sông tại phần chân bờ được gọi là xói lở thuỷ lực Một yếu tố khác nữa góp phần vào sự tách rời đất là sự xói lở gần mặt đất

do các ảnh hưởng của độ ẩm đất và thành phần kết cấu đất đóng vai trò chính trong việc làm suy yếu và phong hoá vật liệu bờ [9] Mô phỏng quá trình xói lở và bồi lắng trong thời gian dài bằng mô hình số cho các dạng đường bờ khác nhau với các mô hình thủy lực, vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy và bờ sông đã góp phần làm sáng

tỏ các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến xói lở và bồi lắng [10] Ở miền Bắc Missisipi, hàm lượng phù sa của các dòng suối được nghiên cứu bằng mô hình và đo thực nhằm đánh giá khả năng kháng xói và mô hình hóa dữ liệu thu thập được Kết quả cho thấy

sự tương đồng giữa kết quả tính toán mô phỏng và kết quả thực tế [11]

Gió và nước được xem là hai tác nhân làm gia tăng xói Trong đó, nước được xem là tác nhân chính làm xói lở đất do đặc điểm cấu trúc địa chất bờ, địa hình và đường bờ Đất xói lở làm hạt đất vận chuyển từ nơi cao và lắng đọng ở những nơi thấp hơn [12]

Dự báo được tốc độ xói lở giúp các nhà quản lý hoạch định chiến lược, đặc biệt đối với các vùng thiếu hụt trầm tích Sử dụng các mô hình hóa được áp dụng để tính toán tốc độ bồi xói và truyền tải lượng trầm tích nhằm phục vụ cho công tác quyết định chiến lược quản lý đất đai [13] Lượng trầm tích xói lở phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy, nếu ứng suất cắt gây ra bởi dòng chảy vượt quá ứng suất cắt hạt vật liệu thì các hạt bắt đầu di chuyển, lắng đọng ở phần hạ lưu do dòng chảy chậm lại làm bồi lắng tại các cửa sông Nghiên cứu về đất kết dính và các công thức tính khác nhau trong ứng suất cắt tới hạn liên quan đến các thuộc tính vật lý, hoá học, cơ học, các yếu tố sinh học và môi trường được quan tâm đặc biệt các mối quan hệ gián tiếp liên quan đến tính ổn định của các bờ sông đối với sự đào cắt và xói lở Sự hiểu biết về ứng suất cắt ở các bờ sông và ứng suất cắt tới hạn giúp cung cấp những ước tính trong tính ổn định bờ sông [14]

Tác động của sóng, dòng chảy cho thấy không chỉ độ lớn sóng và độ dốc bờ sông mà liên quan đến độ sâu mực nước, vận tốc dòng, chiều dài sóng, độ xiên sóng và chu kỳ sóng là những thông tin quan trọng để dự đoán và thiết kế các biện pháp bảo vệ bờ [15] Sóng do tàu đánh vào bờ tạo ra góc khác nhau, thường khác với sóng phát sinh bởi gió được xác định bởi hướng gió và chiều dài sóng Hơn nữa, trong môi trường nước chiều dài sóng bị hạn chế, độ cao, chu kỳ và năng lượng của sóng tàu có thể thường vượt quá sóng do gió ở bờ Vì thế, sự thay đổi đường bờ gây ra bởi sóng tàu

có thể bằng hoặc vượt quá sự gây ra bởi sóng tự nhiên Các ảnh hưởng do sóng tàu phải được xem xét như tác nhân tiềm ẩn của sự làm thay đổi và gây xói lở đường bờ Chúng được xem là một dạng lượng năng lượng sóng và tốc độ sóng tác động lên đường bờ được xem rất quan trọng, khi năng lượng sóng lớn hơn ứng suất cắt của vật liệu sẽ gây ra xói đường bờ

Khi một con tàu chạy trên bề mặt nước, sự khác nhau về áp suất giữa mặt phân cách nước và không khí tạo ra một dãy sóng Kết quả của sự tương tác phức tạp từ vận tốc của dòng chảy qua thân tàu, hình dạng tàu, khoảng trống giữa thân tàu, bờ kênh và đáy làm gia tăng cường độ ứng suất sóng do tàu, các luồng nước Thời gian, hướng truyền của sóng phụ thuộc vào tốc độ tàu và độ sâu nước [16] Tàu lớn có xu hướng làm phát sinh sự hạ mực nước lớn và độ cao sóng nhỏ, trong khi những tàu nhỏ, như tàu du lịch, làm phát sinh sự hạ mực nước nhỏ và độ cao sóng lớn Thêm vào đó, sóng

do tàu ở một tốc độ nhất định có độ cao, thời gian lan truyền và mức năng lượng khác nhau Do đó, khó để dự đoán theo lý thuyết những đặc tính sóng đuôi cho một tàu cụ thể Dự đoán tác động, đặc tính và ảnh hưởng của sóng khi chúng tương tác với đường

bờ còn có nhiều vấn đề khó giải quyết [17]

Hầu hết các sinh vật trong hệ sinh thái đều bị ảnh hưởng bởi sóng do tàu thuyền từ việc khuấy động trầm tích, nguồn thức ăn, sinh vật phù du, [18] Nhằm làm sáng tỏ các tác động tiềm ẩn do hoạt động của tàu thuyền, các thí nghiệm phân tích về các hố xoáy gây ra bởi chân vịt tàu thuyền đến quá trình vận chuyển trầm tích bao gồm (1)

hố xoáy nhỏ nằm bên dưới chân vịt, (2) hố xoáy chính nằm ngay sau hố xoáy nhỏ và (3) hố xoáy nằm phía sau hố xoáy chính Các công thức thực nghiệm đã được chứng minh nhằm đánh giá ảnh hưởng các hố xoáy gây ra bởi chân vịt tàu [19] Sóng gây ra bởi tàu thuyền được nghiên cứu mô phỏng bằng mô hình toán 2 chiều và 3 chiều nhằm xác định hình dạng các xoáy nước gây ra bởi hoạt động của chân vịt bằng phương trình Breusers’ độc lập với thời gian [20]

Theo các kết quả phân tích hiện trường đối chiếu với các công thức thực nghiệm, tác động do chân vịt gây ra xói lở đã dự báo được khả năng xói lở Kết quả cho thấy độ sâu ảnh hưởng do hoạt động của chân vịt gây ra lớn nhất trong vòng 06 tháng đầu vận hành tuyến luồng mới [21] Mô hình 3 chiều phân tích ảnh hưởng của sóng do tàu

thuyền đến vấn đề xói lở đã được thực hiện cho thấy, có 03 cơ chế xói lở được nhận diện, bao gồm: (1) xói trên bề mặt dốc, (2) xói chân kè và (3) xói chân cột [22] Sóng

do tàu thuyền gây ra tác động đến cơ chế vận chuyển trầm tích dẫn đến ảnh hưởng đến quá trình bồi xói cục bộ tại khu vực ven bờ Ở hạ lưu sông Shuswap, British Columbia, kết quả cho thấy sóng do giao thông bằng thuyền cao tốc là nguyên nhân chính gây xói lở bờ sông bên cạnh các nguyên nhân khác như dòng chảy, hình thái sông [23] Các phương pháp thực nghiệm, phân tích và mô hình số để đánh giá ảnh hưởng của sóng do tàu thuyền gây ra, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu xói lở gây

ra do sóng tàu thuyền cũng được nhiều tác giả nghiên cứu ở bờ tuyến luồng do các hoạt động tự nhiên và nhân tạo Ở nhiều nơi sự xói lở rất nghiêm trọng, các quá trình xói lở và bồi lắng trong quá trình vận hành tuyến luồng đến nay vẫn đang diễn ra mạnh mẽ

Như vậy, cho thấy các nghiên cứu trên thế giới tập trung phân tích mất ổn định bờ sông qua nhiều hướng khác nhau, các yếu tố tự nhiên và nhân tạo, và nguyên nhân gây ra xói lở, bồi lắng do hình thái, địa hình sông, lưu lượng dòng chảy, sóng do gió, sóng do giao thông thủy, ứng suất cắt tới hạn của vật liệu bờ, tốc độ diễn biến xói lở

bờ sông do các hoạt động kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên, các yếu tố này không có tính quy luật mà phụ thuộc vào môi trường địa chất, địa hệ đơn vị, địa phương và khu vực của mỗi con sông, tuyến luồng đi qua Vì vậy, việc tổng hợp đánh giá là cần thiết, khu vực nghiên cứu khác nhau thì các nguyên nhân tác động đến môi trường địa chất

sẽ khác nhau cần phải nghiên cứu quá trình tương tác xói lở và bồi lắng do các yếu

tố tự nhiên và nhân tạo, và đề xuất các giải pháp giảm thiếu tác động tiêu cực đến quá trình vận hành

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Các công trình nghiên cứu về môi trường địa chất, địa mạo hầu hết đề cập đến lịch

sử phát triển địa chất và địa hình- địa mạo vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL)

từ trước Kainozoi đến Holocen ở ĐBSCL Các công trình nghiên cứu về xói lở và bồi lắng bờ sông vùng ĐBSCL được tiến hành kết hợp với các công trình khác bắt đầu từ năm 1976 đến nay [24], [25], [26], [27] Có nhiều công trình nghiên cứu độc lập về xói lở và bồi lắng bờ sông, trong đó chủ yếu đề cập đến xói lở - bồi tụ bờ sông Tiền,

sông Hậu từ năm 1995 đến nay, còn ít các công trình nghiên cứu về bồi lắng và xói

lở đánh giá định lượng các yếu tố tự nhiên và nhân tạo Tuy nhiên, những nghiên cứu

và phân tích về diễn biến xói lở và bồi tụ bờ sông liên quan đến môi trường địa chất trên phần lãnh thổ ĐBSCL vẫn được xem còn khá khiêm tốn do tác động kinh tế và

kỹ thuật [28], [29], [30]

Đối với các vùng cửa sông ven biển, quá trình xói lở và bồi lắng được xem là một trong những điểm đặc biệt cần quan tâm đối với hoạt động phát triển kinh tế và xã hội Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình xói lở và bồi lắng tại các khu vực cửa sông, bao gồm các quá trình tự nhiên như sóng, thủy triều và dòng chảy, địa hình, và quá trình nhân tạo Lụt bão, sóng biển làm xói lở bờ biển, làm biến dạng các cồn cát, đất cát di chuyển vào vùng trong, lấn dần thu hẹp đất canh tác, khu dân cư,…dẫn đến địa hình và độ phì nhiêu của đất biến đổi ngày càng bất lợi, gây nhiều thiệt hại về tài sản, đất đai luồng tàu qua các cửa biển quan trọng bị bồi lấp nặng và biến đổi thường xuyên gây nhiều thiệt hại cho giao thông vận tải, cũng như làm giảm khả năng thoát lũ của các cửa sông [31], [32] Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3000km đang chịu ảnh hưởng nặng nề xói lở, đây luôn là đề tài thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước Vùng biển từ Vũng Tàu đến Hà Tiên chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của hạ lưu sông Mekong, quá trình bồi xói diễn ra mạnh

mẽ và không đồng đều tại các khu vực khác nhau [33] Trong hệ sinh thái ven biển, rừng ngập mặn được xem là lá chắn sống giúp bảo vệ bờ biển của quá trình xâm thực của biển Rừng ngập mặn vừa đóng vai trò chống xói lở bờ, vừa có tác dụng gia tăng

sự lắng đọng phù sa, mở rộng diện tích, bảo vệ môi trường, bảo vệ đa dạng sinh học

và các hệ sinh thái Tuy nhiên, diện tích rừng ngập mặn tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long trong vài thập niên gần đây bị suy giảm [34], [35] Nguyên nhân suy giảm diện tích rừng ngập mặn bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân khác nhau, do các quá trình

tự nhiên, xói lở đường bờ hoặc có thể do các hoạt động nhân sinh [36]

Được xem là “vựa lúa của Việt Nam” đồng bằng sông Cửu Long hiện nay đang phải đối mặt với rất nhiều mối đe dọa từ hiện tượng biến đổi khí hậu, hạn hán diễn ra ngày càng khắt nghiệt hơn, các cơn bão lớn có xu hướng về phía Nam diễn ra thường xuyên hơn Bên cạnh đó, xói lở bờ sông cũng đang diễn ra ngày càng phức tạp hơn Các

sông chính ở đồng bằng sông Cửu Long, sông Tiền và sông Hậu là những dòng chính chuyên chở phù sa, góp phần to lớn cho việc phát triển nền kinh tế nông nghiệp cho vựa lúa lớn nhất cả nước Tuy nhiên, trong vài năm trở lại đây, hiện tượng xói lở bờ sông Tiền và sông Hậu đang diễn ra nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống kinh tế của người dân Xói lở bờ sông bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm đặc điểm cấu trúc địa chất, ảnh hưởng của chế độ thủy động lực, đặc điểm diễn biến hình thái lòng dẫn Bên cạnh các yếu tố tự nhiên, các nhà nghiên cứu cũng đã tập trung phân tích các nguyên nhân dẫn đến xói lở bờ sông do các hoạt động nhân sinh Trong quá trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu vật liệu xây dựng trở nên cần thiết

và cấp bách, chính vì lẽ đó, hoạt động khai thác cát đã diễn ra vô cùng phức tạp Khai thác cát làm biến đổi lòng dẫn bờ sông làm mất cân bằng trầm tích, gây xói lở bờ sông [37], [38]

Các hệ thống sông lớn trong khu vực như sông Tiền, sông Hậu, sông Đồng Nai, sông Sài Gòn, đã và đang góp phần quan trọng cho việc vận chuyển hàng hóa trong nước

và khu vực Các cửa sông tại đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là của Định An bị bồi lắng thường xuyên làm gián đoạn hoạt động giao thông thủy từ biển Đông vào sâu đất liền Nhằm đảm bảo việc lưu thông hàng hóa qua các tuyến luồng, việc nạo vét duy tu hàng năm là cần thiết Nạo vét các tuyến luồng sẽ mang lại không ít các tác động về môi trường, làm ảnh hưởng đến sinh vật đáy và xói lở bờ sông Bên cạnh các nghiên cứu về tác động đến môi trường do nạo vét, các nghiên cứu về quy luật bồi lắng, giải pháp chỉnh trị cũng đã được tập trung nghiên cứu [39], [40] Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra được các quy luật bồi lắng, tính toán lượng phù sa bồi lắng hàng năm và lập nên các kế hoạch nạo vét, duy tu tuyến luồng Ngoài tác động do bồi lắng, tác động do hoạt động của tàu thuyền cũng được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm trong vài năm trở lại đây Trong quá trình hoạt động, chân vịt tàu thuyền gây ra xáo trộn bùn cát và phân bố lại bùn cát trong phạm vi luồng tàu chạy gây nên bồi lắng trở lại luồng tàu ở các khu vực nước nông hơn trên tuyến luồng làm quá trình vận chuyển bùn cát do chân vịt tàu có thể ảnh hưởng tới biến đổi địa hình đáy và trầm tích lơ lửng [41] Nhằm làm sáng tỏ ảnh hưởng của sóng gây ra bởi chân vịt tàu, các

mô hình số về chuyển động của tàu trên luồng trong điều kiện khi chưa tính đến ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh cũng như tương tác thủy động học đến quá trình xói

lở bờ sông đã được nhóm tác giả chỉ ra được các nguyên nhân chính dẫn đến xói lở đường bờ Kết quả quan sát thực tế dữ liệu hoạt động của tàu thuyền, kết hợp với việc lấy mẫu phân tích và tính toán khả năng xói lở của vật liệu đường bờ cho thấy, đối với các tàu có tải trọng lớn, sóng do tàu thuyền gây ra ứng suất lớn làm phá vỡ cấu trúc đường bờ được cấu tạo bởi các thành phần hạt dính [42]

Các nghiên cứu mô hình hai chiều mô phỏng đặc tính thủy lực và tính toán bồi xói ở vùng cửa sông, kết quả tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo tính toán sự thay đổi địa mạo đáy sông cho các hệ thống cửa sông ở ĐBSCL và có xu hướng xói lở dọc bờ

Cù Lao Dung tại vùng cửa sông Định An [43] Cơ chế bồi lắng luồng tàu do sóng biển đã ứng dụng mô hình số Mike 21, kết quả cho thấy có thể áp dụng để tính cho bất cứ khu vực luồng tàu nào chịu ảnh hưởng của sóng biển có chiều cao lớn, những vùng không được che chắn [44] Có thể nhận thấy xói lở và bồi lắng đang xảy ra ở khắp mọi nơi vùng ven sông và ven biển Rõ ràng hiện tượng này xảy ra trên toàn cầu không phải riêng ở Việt Nam, trong đó các yêu tố tự nhiên và nhân tạo của mỗi vùng nghiên cứu sẽ ảnh hưởng khác nhau như cấu tạo địa chất bờ sông, đặc điểm địa hình

- địa mạo, hướng dòng chảy, lưu lượng dòng chảy, giao thông thủy Tốc độ diễn biến xói lở - bồi lắng bờ sông, tuyến luồng được xem là nguy cơ ngày càng gia tăng xảy

ra khu vực đồng bằng sông Cửu Long ảnh hưởng giao thông thủy, đất đai làm biến đổi môi trường địa chất do nguyên nhân từ các yếu tố tự nhiên và nhân tạo

Như vậy, quá trình xói lở - bồi lắng bờ sông, tuyến luồng tàu là một trong những đề tài thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Các cơ chế ảnh hưởng của yếu

tố tự nhiên và nhân tạo như chế độ dòng chảy, hình thái, địa hình sông, sóng, hoạt động xây dựng, khai thác cát và vận chuyển trầm tích, đến việc ổn định đường bờ

đã và đang được nghiên cứu Trong xu thế phát triển kinh tế của khu vực đồng bằng sông Cửu Long, hoạt động giao thông bằng đường thủy góp phần quan trọng trong việc lưu thông hàng hóa và đi lại của các phương tiện Bên cạnh các tuyến luồng hàng hải tự nhiên, tuyến luồng tự nhiên - nhân tạo chính tắc (được nạo vét khai thông và kênh đào mới) cũng được chú ý phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển bằng đường thủy Tuy nhiên, ngoài các yếu tố tích cực, hoạt động của các tuyến luồng mang lại, còn nhiều tác động tiêu cực đối với môi trường địa chất xung quanh Cho

đến nay, chưa có nghiên cứu nào tổng hợp đánh giá định lượng các yếu tố tự nhiên

và nhân tạo về mức độ xói lở - bồi lắng do cấu trúc địa chất theo độ sâu dọc tuyến luồng, chế độ dòng chảy thay đổi sau khi vận hành tuyến luồng và ảnh hưởng của sóng do tàu thuyền Đặc biệt, các tuyến luồng mới chính tắc được hình thành thì vấn

đề xói lở - bồi lắng quyết định tính hiệu quả trong quá trình vận hành, duy tu tuyến luồng Do đó, cần phải xác định nguyên nhân, dự báo và đề xuất các giải pháp ngăn ngừa, giảm thiểu tác động tiêu cực và phát triển bền vững tuyến luồng

Từ những phân tích trên, để làm sáng tỏ thêm mối quan hệ tương hỗ giữa các quá

trình địa chất môi trường và hoạt động tự nhiên – nhân tạo, đề tài luận án “Nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt trong quá trình vận hành hệ thống luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu”

tập trung vào các quá trình địa chất môi trường ảnh hưởng đến đoạn kênh Quan Chánh

Bố và đến hết đoạn kênh Tắt là tuyến luồng kết hợp giữa nạo vét mở rộng và đào mới hoàn toàn trong quá trình vận hành nhằm đánh giá tác động đến môi trường địa chất

do yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến xói lở - bồi lắng Việc hiểu rõ nguyên nhân ảnh hưởng tiêu cực giúp dự báo và đề xuất giải pháp ổn định bờ, đảm bảo sự ổn định bền vững, góp phần mang lại hiệu quả kinh tế, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành giao thông thủy nói riêng và sự phát triển của cả khu vực nói chung

1.3 Những vấn đề tồn tại trong nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất

Trong giai đoạn vận hành của tuyến luồng tàu tải trọng lớn, bến phà và bến sà lan gây nguy cơ xói lở hai bên bờ kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt Vận hành tuyến luồng

về lâu dài ảnh hưởng tới tình hình xói lở - bồi lắng, ngập lụt, xâm nhập mặn tại khu vực nghiên cứu Hoạt động của tàu thuyền, đặc biệt là hoạt động của các tàu trọng tải lớn tác động xấu tới chế độ thủy dòng chảy, cấu trúc địa chất bờ tại cửa ra vào tuyến luồng Việc đánh giá được thực hiện trên quan điểm phân tích hệ thống xem đối tượng tương tác là một chỉnh thể thống nhất, một địa hệ tự nhiện – kỹ thuật là một công việc khó, cho đến nay vẫn còn nhiều nghiên cứu đang triển khai Hệ thống tuyến luồng đã vận hành được 5 năm từ năm 2016, cơ chế ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo đến tuyến luồng đã hình thành và tương tác đã làm biến đổi chế độ dòng chảy và xói lở hai bên bờ Mặc dù đã có nhiều thành tựu nghiên cứu về xói lở - bồi lắng bờ

sông nhưng còn tồn tại nhiều vấn đề chưa có lời giải thấu đáo cho tuyến luồng mới này Trong đó, cấu trúc địa chất bờ bị xáo trộn do nạo vét và đào mới, chế độ dòng chảy thay đổi do hình thành tuyến luồng và sóng do tàu thuyền được đánh giá tác động trực tiếp đến quá trình vận hành làm xói lở - bồi lắng cần tính toán khối lượng bồi lắng hàng năm, đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực và biện pháp quản

lý vận hành ổn định tuyến luồng là những vấn đề còn tồn tại của tuyến luồng này cần được nghiên cứu

Xói lở bồi lắng dải ven bờ là một quá trình tự nhiên và nhân tạo phức tạp, là hệ quả tương tác giữa rất nhiều nhân tố Các yếu tố tác động đến quá trình xói lở bồi lắng bờ được phân làm hai nhóm là các yếu tố tự nhiên và tác động của con người Thông qua việc phân tích các số liệu sẵn có, kế thừa các nghiên cứu trước, cũng như sử dụng các

mô hình toán để nghiên cứu phân tích chế độ thủy động lực, cơ chế xói lở bồi lắng và vận chuyển bùn cát để xác định được các nguyên nhân chính gây ra xói lở bờ Xói lở

và bồi lắng tuyến luồng mới hình thành là một công việc khó, mặc dù đã có nhiều thành tựu, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề chưa có lời giải thấu đáo Để làm rõ thêm các vấn đề còn tồn tại nêu trên, luận án tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau: Nghiên cứu đặc điểm môi trường địa chất hệ thống tuyến luồng đoạn kênh Quan Chánh Bố đến hết đoạn kênh Tắt, phân chia các cấp độ xói lở dọc theo tuyến luồng theo các độ sâu khác nhau

Nghiên cứu các kịch bản hiện trạng trước và sau khi có hệ thống tuyến luồng, dự báo tốc độ bồi xói trong thời điểm mùa lũ và mùa kiệt

Nghiên cứu bản chất các hiện tượng vật lý về vận chuyển trầm tích, chế độ dòng chảy, chế độ bùn cát, chế độ sóng tác động lên đường bờ

Nghiên cứu dự báo khối lượng bồi lắng hàng năm, kế hoạch duy tu nạo vét đoạn kênh Quan Chánh Bố đến hết đoạn kênh Tắt dài 20,77km sau 5 năm vận hành

Lần đầu tiên hệ thống tuyến luồng tàu tự nhiên – nhân tạo (nạo vét khai thông, mở rộng kết hợp với đào mới) được nghiên cứu đánh giá một cách rõ ràng và xác định được các đặc điểm xói lở - bồi lắng và dự báo khối lượng nạo vét hàng năm trong 5

năm đầu tiên và các giai đoạn sau là cơ sở cho cơ quan quản lý luồng tàu đạt hiệu quả

về kinh tế và ổn định lâu dài Các kết quả khẳng định cơ sở khoa học phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về xây dựng hệ thống luồng tàu mới trong tương lai với môi

trường địa chất khu vực tương tự

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Từ các nghiên cứu tổng quan đã trình bày ở trên, trong khuôn khổ luận án, tác giả tập trung chủ yếu giải quyết các vấn đề sau:

Tìm hiểu điều kiện tự nhiên khu vực hiện trạng trước và sau khi hình thành tuyến luồng Trong đó, tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố làm thay đổi chế độ dòng chảy, vận chuyển bùn cát theo các kịch bản khác nhau

Nghiên cứu, đánh giá mức độ xói lở do cấu trúc địa chất dọc theo tuyến, chế độ dòng chảy và sóng do tàu thuyền ảnh hưởng đến đường bờ tuyền luồng Bên cạnh đó, dự báo quá trình vận chuyển bùn cát, bồi xói, khối lượng nạo vét hàng năm

Đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực và biện pháp quản lý vận hành ổn định tuyến luồng bằng những giải pháp phi công trình và công trình kiên cố cũng như đề xuất kế hoạch nạo vét, duy tu tuyến luồng đảm bảo phát triển bền vững

Luận án lấy phạm vi nghiên cứu được giới hạn bởi hệ thống tuyến luồng tàu từ đoạn kênh Quan Chánh Bố đến hết đoạn kênh Tắt dài 20,77km, bề rộng tuyến luồng khoảng 200m, chiều sâu khoảng 7,5m đã vận hành được 05 năm từ năm 2016, xem đây là địa hệ tự nhiên và kỹ thuật đơn vị trên quan điểm địa hệ tự nhiên – kỹ thuật và được phân tích đánh giá bằng lý thuyết hệ thống

Luận án chủ yếu quan tâm đến nguyên nhân xói lở - bồi lắng, dự báo khối lượng nạo vét hàng năm và các giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng Trong đó, ba yếu tố

tự nhiên và nhân tạo là cấu trúc địa chất dọc theo tuyến luồng, chế độ dòng chảy trước/sau khi hình thành tuyến luồng và sóng do tàu thuyền được nghiên cứu Luận án đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực, biện pháp quản lý vận hành, kế hoạch duy tu nạo vét đảm bảo ổn định tuyến luồng Trong đó, các giải pháp

bố trí không gian của công trình đề cập đến vị trí, kích thước mặt bằng, mức độ xói