Chuyên đề 4: NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG, HÌNH THÁI SÔNG VÀ LOẠI HÌNH LÒNG DẪN HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN doc

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM Chương trình bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP NHÀ NƯỚC – MÃ SỐ KC-08.29

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

Chương trình bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP NHÀ NƯỚC – MÃ SỐ KC-08.29

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KHCN ĐỂ ỔN ĐỊNH LÒNG DẪN HẠ DU HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI - SÀI GÒN PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN

KINH TẾ - XÃ HỘI VÙNG ĐÔNG NAM BỘ

Chuyên đề 5:

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO TỐC ĐỘ XÓI LỞ, BỒI TỤ, HOẠCH ĐỊNH HÀNH LANG ỔN ĐỊNH ĐỂ KHAI THÁC VÀ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI-SÀI GÒN

Chủ nhiệm chuyên đề: ThS Nguyễn Đức Vượng

5982-6

21/8/2006

II.2 Kết quả dự báo xói sâu sau các hồ Trị An, Dầu Tiếng bằng mô

hình MIKE 11 18

II.2.1 Giới thiệu mô hình toán MIKE 11 với mô đun bùn cát ST 18

II.2.2 Thiết lập sơ đồ tính toán 18

II.2.2.1 Dữ liệu sử dụng 18

1 Dữ liệu địa hình 18

2 Dữ liệu thủy văn 19

3 Dữ liệu bùn cát 19

II.2.2.2 Sơ đồ hóa mạng lưới sông 19

II.2.2.3 Điều kiện biên của mô hình 20

1 Biên thủy lực 20

2 Biên bùn cát 20

II.2.2.4 Các tham số sử dụng trong mô hình 20

1 Các tham số thủy lực 20

2 Các tham số bùn cát 21

II.2.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực 21

II.2.3.1 Hiệu chỉnh lưu lượng nước 21

II.2.3.2 Hiệu chỉnh mực nước 25

II.2.4 Kết quả tính toán dự báo xói sâu cho các khu vực trọng điểm 27

II.2.4.1 Xác định biểu đồ dòng chảy cho giai đoạn dự báo 27

II.2.4.2 Một số kết quả tính toán dự báo 27

Chương iii: dự báo xu thế biến đổi lòng dẫn hạ du sông đồng nai - sài gòn 33

iii.1 dự báo từ tài liệu thực đo - công thức kinh nghiệm 33

iii.2 dự báo xói lở theo kết quả khảo sát địa vật lý 35

III.2.1 Phương pháp radar xuyên đất (GPR) .35

1 Cơ sở vật lý - địa chất của phương pháp GPR 35

2 Dị thường radar trên hang và mặt ranh giới 36

3 Thiết bị khảo sát .37

4 Phương pháp khảo sát 38

5 Xử lý số liệu 38

III.2.2 Phương pháp thăm dò điện 38

1 Cơ sở lý thuyết 38

2 Phân tích tài liệu: 39

3 Thiết bị khảo sát 40

4 Khu vực Tân Uyên bên bờ hữu sông Đồng Nai 56

5 Khu vực Mương Chuối 57

6 Khu vực ngã ba sông Nhà Bè với Soài Rạp 58

III.3 dự báo biến đổi lòng dẫn theo phương pháp phân tích tài liệu không ảnh, ảnh viễn thám 60

Chương IV: tính toán dự báo biến đổi lòng dẫn hạ du đồng nai - sài gòn bằng mô hình toán hai chiều mike 21c 71

iv.1 Giới thiệu mô hình toán MIKE 21C 71

iv.1.1 Giới thiệu mô hình toán MIKE 21C 71

1.Tổng hợp lưới cong 71

2 Mô đun tính toán thủy lực 72

3.Dòng chảy vòng 74

4 Mô đun tính toán vận chuyển bùn cát 76

5 Một số công thức tính toán bùn cát lơ lửng (Ssl) 77

6 Một số công thức tính toán bùn cát đáy (Sbl) 77

7 Mô đun tính toán hình thái sông 78

iv.1.2.Trình tự tính toán mô hình cho các khu vực: 79

IV.2 ứng dụng mike 21c Dự báo biến đổi lòng dẫn sông Sài Gòn khu vực Thanh Đa, thành phố Hồ Chí Minh 80

IV.2.1 Thiết lập, hiệu chỉnh mô hình 80

1 Giới thiệu đoạn sông nghiên cứu 80

2 Dữ liệu địa hình 81

3 Dữ liệu thủy văn 81

4 Dữ liệu bùn cát 81

5 Lưới tính toán 82

6 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực 82

7 Kết quả kiểm định mô hình hình thái sông 83

IV.2.2 Tính toán, dự báo biến đổi lòng dẫn 84

1 Tính toán biến đổi lòng dẫn với kịch bản năm lũ lớn tương tự 2000 84

2 Dự báo biến đổi lòng dẫn đến năm 2010 87

IV.3 ứng dụng MIKE 21C Dự báo biến đổi lòng dẫn sông Đồng Nai khu vực thành phố Biên Hòa 94

IV.3.1 Thiết lập, hiệu chỉnh mô hình 94

1 Giới thiệu đoạn sông nghiên cứu 94

2 Dữ liệu địa hình 96

3 Dữ liệu thủy văn 96

4 Dữ liệu bùn cát 97

5 Lưới tính toán 97

6 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực 98

7 Kết quả kiểm định mô hình hình thái sông 101

V.3.2 Tính toán, dự báo biến đổi lòng dẫn 104

1 Tính toán biến đổi lòng dẫn với kịch bản năm lũ lớn tương tự 2000 104

2 Dự báo biến đổi lòng dẫn đến năm 2010 109

iv.4 ứng dụng mike 21c Dự báo biến đổi lòng dẫn sông NHà Bè 115

IV.4.1 Thiết lập, hiệu chỉnh mô hình 115

3 Kiến nghị 126

Chương v: Xác định hành lang AN TOàN ven SÔNG hạ du sông đồng nai - sài gòn phục vụ phát triển kinh tế - x∙ hội vùng đông nam bộ 130

V.1 đặc điểm sạt lở hạ du hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn .127

V.1.2 Đặc điểm sạt lở bờ sông hạ du sông Đồng Nai - Sài Gòn 128

V.2 Mục đích xác định hành lang an toàn ven sông 131

V.2.1 Khái niệm về hành lang an toàn ven sông 131

V.2.2 Mục đích xác định hành lang an toàn ven sông 132

V.3 Tính toán xác định chiều rộng an toàn cho các khu vực trọng điểm hạ du sông Đồng Nai - Sài Gòn .132

V.3.1 Xác định chiều rộng an toàn theo công thức kinh nghiệm 132

V.3.2 Xác định chiều rộng xói dự báo theo phần mềm GEO-Slope 134

V.4 đề nghị hành lang an toàn ven sông các khu vực trọng điểm hạ du đồng nai-sàI gòn 143

V.5 dự báo xói lở bồi tụ cho các khu vực hạ du hệ thống sông đồng nai-sàI gòn 143

Chương vI: công nghệ dự báo xói bồi hạ du đồng nai-sài gòn 152

Vi.1 MụC ĐíCH, YÊU CầU 152

VI.2 MộT Số ĐặC ĐIểM CHíNH CủA xói lở bờ sông Hạ DU ĐồNG NAI-SàI GòN 152

VI.3 CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO SạT Lở 153

VI.4 CƠ Sở KHOA HọC XÂY DựNG QUI TRìNH CÔNG NGHệ Dự BáO 154

VI.5 QUI TRìNH CÔNG NGHệ Dự BáO XóI Lở BồI Tụ ở CáC KHU VựC TRọNG ĐIểM Hạ DU ĐồNG NAI - SàI GòN 156

VI.6 TRìNH Tự CáC BƯớC THựC HIệN TRONG QUI TRìNH CÔNG NGHệ Dự BáO XóI Lở BồI Tụ ở CáC KHU VựC TRọNG ĐIểM Hạ DU ĐồNG NAI - SàI GòN 157

Chương viI : kết luận và kiến nghị 159

VIi.1 Kết luận: 159

vii.2 KIếN NGHị: 159

TàI LIệU THAM KHảO 160

Chương i: mở đầu

I.1 Đặt vấn đề

Dọc theo hai bên bờ các sông rạch thuộc HDSĐNSG tập trung hầu hết những khu đô thị lớn và hàng chục thị xã, thị trấn, thị tứ, khu dân cư đông đúc, cơ sở hạ tầng quan trọng

Trong khi chúng ta rất cần sự ổn định các điều kiện hạ tầng cơ sở để nâng cao và tăng nhanh tốc độ phát triển kinh tế, thực hiện nhanh bước chỉnh trang đô thị thì hiện tượng sạt lở bờ sông đã xảy ra liên tiếp và nghiêm trọng, xói lở, bồi tụ lòng sông diễn

ra ngày càng phức tạp, dọc theo 2 bên bờ sông Đồng Nai - Sài Gòn, làm sụp đổ, nhấn chìm nhiều nhà cửa, ruộng vườn và cơ sở hạ tầng làm thiệt mạng nhiều người ảnh hưởng trực tiếp đến các khu dân cư, đến quy hoạch và phát triển dân sinh, kinh tế, xã hội và môi trường đã làm chậm lại tốc độ đô thị hóa và tốc độ tăng trưởng kinh tế của khu vực

Thiên tai do bão, lũ lụt được cảnh báo, dự báo trước đã phòng, tránh, giảm nhẹ thiên tai cho Nhà nước và nhân dân Chính vì vậy, việc dự báo sạt lở bờ sông, xác định hành lang an toàn để phục vụ khai thác phát triển bền vững ở HDSĐNSG rất cần thiết

để các cấp chính quyền địa phương và người dân chủ động di dời Đây là một trong các nội dung mà đề tàI KC-08.29 “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp KHCN để ổn định lòng dẫn HDSĐNSG phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Đông Nam Bộ” phải thực hiện thông qua báo cáo chuyên đề: “Nghiên cứu dự báo tốc độ xói lở bờ, bồi tụ, hoạch

định hành lang ổn định để khai thác và phát triển bền vững HDSĐNSG”

I.2 Mục đích, phạm vi nghiên cứu

1 Mục đích nghiên cứu

- Xác định các công thức kinh nghiệm, bán kinh nghiệm tính toán dự báo biến đổi lòng dẫn

- ứng dụng các công cụ: địa vật lý, công nghệ GIS, mô hình toán Mike 11, Mike 21C để nghiên cứu dự báo xói bồi lòng dẫn HDSĐNSG

- Xác định hành lang ổn định để phát triển bền vững HDSĐNSG

- Đưa ra công nghệ dự báo xói bồi HDSĐNSG

2 Phạm vi nghiên cứu

trọng điểm HDSĐNSG theo các phương pháp:

+ Phương pháp 1: theo công thức kinh nghiệm dựa theo tài liệu thực đo;

+ Phương pháp 2: theo mô hình toán hai chiều (xói bồi lòng dẫn và bờ sông)

Đối với bộ mô hình toán họ MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch, có hai mô hình có khả năng tính toán xói bồi lòng dẫn cho bùn cát không kết dính, đó là mô hình MIKE11 và MIKE21C Mỗi mô hình có những ưu điểm và hạn chế khác nhau

+ Phương pháp 3: tính dựa theo phạm vi xâm lấn của cung trượt sâu (Phương

pháp Geo - Slope) dựa theo đặc điểm lòng dẫn, địa chất, dòng chảy trong sông

+ Phương pháp 4: tổng hợp, phân tích kết quả từ 3 phương pháp trên kết hợp

với điều tra thực tế, phân tích giải đoán ảnh hàng không+ảnh viễn thám, kết quả khảo sát địa vật lý (công nghệ không phá huỷ)

I.4 Tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài ngước

I.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

ở miền Nam sau năm 1975, công tác nghiên cứu diễn biến lòng sông và công trình chỉnh trị mới bắt đầu triển khai chủ yếu ở Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam và một phần ở các cơ quan thuộc Bộ Nông nghiệp & PTNT, Tổng cục Địa chính, Tổng cục

Địa chất, Đại học Bách khoa TP.HCM và Trung tâm Công nghệ quốc gia, thông qua các đề tài nghiên cứu, các dự án cấp Tỉnh, cấp Thành phố, cấp Bộ và cấp Nhà nước:

- Các công trình nghiên cứu về thủy lực sông ngòi của các tác giả: Nguyễn Ân Niên, Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Sinh Huy

- Các công trình nghiên cứu về hình thái sông Cửu Long, Đồng Nai – Sài Gòn của các tác giả: Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu

- Các công trình nghiên cứu về quy luật diễn biến lòng sông, diễn biến đường bờ sông Cửu Long, sông Đồng Nai – Sài Gòn của các tác giả: Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu, Tô Quang Thịnh, Hoàng Văn Huân,

- Các công trình nghiên cứu dự báo sạt lở bờ sông Cửu Long của các tác giả: Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu, Nguyễn Ân Niên, Lê Mạnh Hùng

- Trong năm 1999 – 2000 với chương trình nghiên cứu dự báo sạt lở bờ sông, bờ biển, các đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước:

• Nghiên cứu dự báo phòng chống sạt lở bờ sông Hồng, sông Thái Bình do Trần Xuân Thái chủ trì

• Nghiên cứu dự báo phòng chống sạt lở bờ các sông miền Trung do Đỗ Tất Túc

Tuy nhiên vấn đề qui luật xói bồi, biến hình lòng sông cũng như dự báo qui luật

đó là những vấn đề hết sức phức tạp xảy ra trong một không gian rộng với những đặc thù riêng, đặc biệt là đối với sông vùng triều Kết quả nghiên cứu các qui luật này còn quá ít,

do đó đây vẫn là vấn đề nan giải của thế giới, cho nên cần phải tiếp tục nghiên cứu

Một số đoạn sông Cửu Long đã được Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam ứng dụng mô hình toán MIKE 21C trong các đề tài nghiên cứu như:

+ Đoạn Long Xuyên trên sông Hậu: diễn tả quá trình xói bồi, đặc biệt là bồi lắng nhánh trái cù lao Ông Hổ

+ Đoạn Tân Châu - Hồng Ngự trên sông Tiền đã được xem xét diễn biến trong giai đoạn 200442007 cho thấy xói lở nhánh Long Khánh tiếp tục gia tăng và bồi lắng nhánh Hồng Ngự có xu thế làm thoái hoá nhánh Hồng Ngự Kè Tân Châu cũng được

đưa vào xem xét diễn biến trước và sau công trình kè Kết quả cho thấy kè có nguy cơ

bị xói lở đặc biệt ở phần hạ lưu Một vài phương án công trình kè mỏ hàn được đưa ra

để duy trì sự phân phối lưu lượng hợp lý giữa hai nhánh Long Khánh và Hồng Ngự (tỷ

lệ 50% mỗi nhánh)

I.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài ngước

Nhiều nhà khoa học về sông ngòi trên thế giới đã đi xây dựng những công thức kinh nghiệm để phục vụ tính toán, lượng hóa được sạt lở bờ sông Điển hình như Pôpốp, Ibadzade và Turin, Abduraopop, Rozobski và Irmukhamedop Tuy nhiên,

lớn cho nhiều ngành khoa học, phục vụ đời sống

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, mô hình MIKE 21C đã được ứng dụng nghiên cứu động lực và diễn biến xói bồi lòng sông, đặc biệt ở châu á trong các dự án sau:

- Dự án xây dựng cầu qua sông Bramaputra - Jamura ở Bangladesh Kết quả đã

dự báo xói diễn biến lòng sông khu vực xây dựng cầu trong giai đoạn ngắn hạn 3 năm

và dài hạn 30 năm

- Dự án ổn định nút thắt nhập lưu Chatomuk giữa các sông Bassac, Mekong, Tonlesap của Campuchia Kết quả đã mô phỏng được đặc trưng thủy lực và biến động hình thái trong khu vực và đề xuất được các giải pháp ổn định khu vực này

- Henrik Garsdal, Carsten Staub & Hans Enggrob (1999) mô phỏng vùng ngã ba sông Gorai, Bangladesh Trong vòng một thập kỷ, dòng chảy sông bị suy thoái một cách đáng kể và gần như khô cạn trong mùa khô Mô hình MIKE 21C mô phỏng diễn biến thủy lực, bùn cát và hình thái sông trước và sau khi nạo vét với nhiều kịch bản khác nhau về dòng chảy và phạm vi nạo vét Từ đó đề xuất những vị trí cần nạo vét thường xuyên và thời điểm thích hợp để bắt đầu nạo vét Kết quả cho thấy MIKE 21C

là một công cụ thích hợp để mô phỏng những điều kiện môi trường phức tạp

Chương ii nghiên cứu dự báo XóI SÂU

II.1 Nghiên cứu dự báo xói sâu theo công thức kinh nghiệm

II.1.1 Giới thiệu

Khi dòng chảy qua những đoạn sông cong, dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm sẽ có dòng chảy vòng hướng ngang, làm cho ở dưới đáy dòng nước chuyển động từ

bờ lõm sang bờ lồi, còn ở trên mặt dòng chảy hướng từ bờ lồi sang bờ lõm Dòng chảy vòng hướng ngang này kết hợp với dòng chảy chính tạo ra dòng chảy xoắn và là nguyên nhân chủ yếu khiến cho bên bờ lõm bị xói và bên bờ lồi bị bồi ứng suất tiếp lớn nhất của dòng chảy tại chỗ cong có thể lớn gấp hai hay hơn ứng suất tiếp trên đáy sông Sông càng cong thì hố xói bên bờ lõm càng sâu và bờ sông nơi đó càng dễ mất

ổn định

Một số biểu thức kinh nghiệm tính chiều sâu hố xói sẽ được áp dụng vào đoạn sông Sài Gòn từ cầu Bình Phước đến cầu Sài Gòn và so sánh với chiều sâu thực đo trong những năm 1998, 2000 và 2001 Sự phân tích dữ liệu đo đạc cho phép đề xuất một số biểu thức tính chiều sâu hố xói trong đoạn sông nói trên

II.1.2 Một số biểu thức kinh nghiệm tính chiều sâu hố xói ở đoạn sông cong:

Hố xói ở đoạn sông cong có thể được ước tính nhanh nhờ hai phương pháp sau:

* Phương pháp từ tài liệu địa hình đo đạc: hố xói tại đoạn sông cong ổn định sẽ cho biết chiều sâu hố xói tương ứng với dòng chảy tạo ra hố xói đó Một cách ước tính sơ bộ có thể thích hợp với những đoạn sông cong vừa phải là xem rằng chiều sâu hố xói xấp xỉ bằng chiều sâu nước ngay trước và sau đoạn sông cong đó

* Phương pháp tính toán nhờ những biểu thức kinh nghiệm Dưới đây là một số biểu thức đã được đề nghị [1], [2]:

1 Biểu thức của Chatley (1931)

hmb/hb = 1 + 2(B/Ro) (2.1)

Trong đó:

hmb (m) : chiều sâu nước lớn nhất trong đoạn sông cong

(tính từ mặt nước đến điểm sâu nhất của hố xói)

3 Biểu thức của Thorne (1988)

Biểu thức này thích hợp với lòng dẫn có đường kính hạt trung bình từ 0,3ữ63mm:

d/hu = 1,07 - log(Rc/B - 2) với 2 < Rc/B < 22 (2.3)

Trong đó:

d (m): chiều sâu lớn nhất của hố xói tính từ đáy đoạn sông cong đang xét

hu (m): chiều sâu dòng chảy trung bình ở ngay phía trước đoạn sông cong

Rc (m): bán kính cong trung bình của đoạn sông cong

4 Biểu thức của Hội kỹ sư công binh Mỹ (USACE) (1994)

hmb/hu = 3,37 - 1,52 log(Rc/B) (2.4)

5 Biểu thức của Maynord (1996)

Biểu thức này thích hợp với lòng dẫn là cát:

hmb/hu = 1,8 - 0,051 (Rc/B) + 0,0084 (B/hu) (2.5) Biểu thức (2.5) được xây dựng từ dữ liệu đo đạc trên 215 lòng dẫn là cát với những dòng chảy có chu kỳ lập lại từ 1 đến 5 năm và sẽ không được áp dụng khi chu

kỳ lập lại lớn hơn xảy ra làm cho dòng chảy tràn bờ vượt quá 20% chiều sâu lòng dẫn Cũng lưu ý rằng không có hệ số an toàn nào được đưa vào biểu thức (2.5), nghĩa là chiều sâu hố xói trung bình dựa trên số liệu đo đạc thực tế Maynord đề nghị bổ sung một hệ số an toàn = 1,08

Biểu thức (2.5) được dùng với 1,5 < Rc/B < 10 (lấy Rc/B = 1,5 khi < 1,5) và bị giới hạn đến 20 < B/hu < 125 (lấy B/hu = 20 khi < 20)

6 Công thức kinh nghiệm ABDURAOPOP

Abduraopop đã đưa ra 2 sơ đồ dự báo xói lở: tính xói sâu khi bờ cong được bảo

vệ và tính xói ngang khi bờ không bảo vệ

* Bờ cong được bảo vệ:

Trong đó:

HP: chiều sâu bờ lõm

H1: chiều sâu trung bình vùng sông thẳng

Vθ, Vx: vận tốc dòng tia ban đầu và vận tốc giới hạn không xói

* Bờ cong không được bảo vệ

P∆t = γd B∆R (1+∆h)

Trong đó:

γd: trọng lượng riêng của đất bờ

P: lưu lượng bùn cát bão hòa

Có hai thông số chưa biết trong công thức trên là ∆t và ∆R, cho trước một thông

số sẽ tính được thông số kia

II.1.3 So sánh chiều sâu hố xói thực đo và theo các biểu thức kinh nghiệm

Xem xét đoạn sông Sài Gòn từ cầu Bình Phước đến cầu Sài Gòn, trong đó đã có 22 mặt cắt ngang sông được đo vào những năm 1998, 2000 và 2001 [6]

Kết quả tính chiều sâu hố xói từ số liệu thực đo và theo các biểu thức kinh nghiệm đối với từng mặt cắt được trình bày trong các bảng 2.1, 2.2, 2.3 và các hình 2.1, 2.2, 2.3 tương ứng Các bảng còn cho sai số tương đối giữa chiều sâu hố xói thực

đo và theo từng biểu thức

Có thể nhận thấy rằng sai số lớn nhất thuộc về biểu thức kinh nghiệm do USACE đề xuất, còn sai số nhỏ nhất thuộc về biểu thức kinh nghiệm của Chatley Điều này cũng có nghĩa là biểu thức Chatley khá phù hợp

mb c b

a b

h = + B (2.7) Các hệ số a và b được ghi trong bảng 2.4 và các đường thẳng xấp xỉ được trình bày trên hình 2.4

- 2,470

- 0,738 0,206

- 0,163 0,537

II.1.5 Kết luận

1 Các biểu thức kinh nghiệm trình bày trên thường ở dưới dạng đơn giản, chỉ xét đến các yếu tố của lòng dẫn Muốn xây dựng công thức có xem xét cả yếu tố lòng dẫn và các yếu tố của dòng chảy như lưu lượng, bùn cát thì cần liệt số liệu quan trắc

đồng bộ và nhiều năm

2 Biểu thức được đề nghị (2.7) được thiết lập trên cơ sở dữ liệu có được của đoạn sông Sài Gòn khu vực Thanh Đa Những hệ số a và b trong (2.7) được xác định trên các số liệu, tài liệu ngắn, vì vậy cần thiết phải tiếp tục đo đạc để có các hệ số tối ưu hơn

II.2 Kết quả dự báo xói sâu sau các hồ Trị An, Dầu Tiếng bằng mô hình MIKE 11

II.2.1 Giới thiệu mô hình toán MIKE 11 với mô đun bùn cát ST

MIKE 11 là phần mềm kỹ thuật chuyên dụng để mô phỏng dòng chảy một chiều trên sông suối, hệ thống tưới, kênh dẫn và ao hồ Mô đun thủy động lực (HD), trên cơ

sở giải hệ phương trình Saint Venant gồm “phương trình liên tục (bảo toàn lượng tích lũy) và phương trình động lượng (bảo toàn động lượng)” là nòng cốt của họ mô hình MIKE 11 và thiết lập nền tảng cho các mô đun khác như:

- Mô đun dự báo lũ và vận hành hồ chứa (FF)

- Mô đun tải khuyếch tán, dự báo xâm nhập mặn (AD)

- Mô đun tính toán vận chuyển bùn cát (ST)

Về căn bản, các mô hình tính toán thủy lực (HD) và vận chuyển bùn cát (ST)

đều có cấu trúc và các dữ liệu đầu vào và đầu ra tương đối giống nhau

Mô hình MIKE11 có thể mô phỏng đối với hệ thống sông, rạch phức tạp trong thời gian dài hàng chục năm, với chiều dài của các nhánh sông rạch hàng trăm kilômét Tuy nhiên, vì là mô hình một chiều, cho nên các yếu tố về hình thái sông trên mặt bằng chưa xét đến, chẳng hạn như các đoạn sông cong, gấp khúc, ảnh hưởng của các phân nhập lưu Các yếu tố thủy lực cũng chỉ là các yếu tố trung bình trên mặt cắt ngang Xói bồi lòng dẫn cũng chỉ xét đến trên tuyến lạch sâu của sông, còn về xói lở ngang, mô hình MIKE11 không đáp ứng được

Với mục đích mô phỏng chế độ thủy lực và hàm lượng bùn cát cho các đoạn sông thuộc hạ du hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn theo các điều kiện tự nhiên vốn có, trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng mô hình MIKE 11 với mô đun ST để từ đó xác định và đưa ra những đánh giá về mức độ xói lở, bồi lắng cho một số khu vực trọng

điểm Ngoài ra, các kết quả tính toán từ MIKE11 như lưu lượng nước và lưu lượng (hoặc tổng lượng) bùn cát tại một số vị trí còn được sử dụng làm điều kiện biên đầu vào cho mô hình MIKE21C (sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của báo cáo này)

II.2.2 Thiết lập sơ đồ tính toán

II.2.2.1 Dữ liệu sử dụng

1 Dữ liệu địa hình

+ Bản đồ ảnh vệ tinh năm 2004

+ Các mặt cắt ngang mạng lưới sông, trung bình khoảng 1,4 km/mặt cắt năm 2001-2005

+ Đường kính hạt cát đáy và cấp phối hạt bùn cát năm 2003-2005 trên hầu hết các tuyến sông lớn Sài Gòn, Đồng Nai, Vàm Cỏ, Lòng Tàu, Soài Rạp, Thị Vải

II.2.2.2 Sơ đồ hóa mạng lưới sông

Sơ đồ thuỷ lực bao gồm 70 nhánh sông (hình 2.4), trên các nhánh sông được gắn một số mặt cắt thực đo để hình thành lòng dẫn trong sông Các mặt cắt được chọn sao cho có thể đại diện cho đoạn sông đó làm cho lòng dẫn trong mô hình gần sát với kích thước thực tế của sông trong vùng nghiên cứu Còn một số ít sông rạch nhánh nhỏ vì không có tài liệu nên chưa được mô phỏng trong mô hình Tổng chiều dài sông, rạch

được mô phỏng là 1.334 km, gồm 580 mặt cắt ngang và 4.114 nút tính toán

Hình 2.4: Sơ đồ mạng lưới sông và vị trí các biên tính toán

Gề DẦU DẦU TIẾNG

II.2.2.3 Điều kiện biên của mô hình

1 Biên thủy lực

+ Biên lưu lượng:

Sơ đồ thủy lực bao gồm 9 biên lưu lượng nước kiểu mở (Open boundary type) ở thượng lưu trong đó có 4 biên ảnh hưởng lớn tới kết quả của mô hình là: biên lưu lượng nước tại Gò Dầu, Trị An, Dầu Tiếng và Phước Hòa (sông Bé) Còn lại các biên khác có trị số lưu lượng không đáng kể

Ngoài các biên lưu lượng trên, để mô hình mang tính thực tế hơn, chúng tôi đưa thêm một số biên lưu lượng kiểu nguồn (Point source boundary type) trên dòng chính Sài Gòn và Vàm Cỏ để mô tả dòng hồi quy từ khu tưới nằm kẹp giữa 2 sông này với hệ số hồi quy là 25%

+ Biên mực nước:

Lưu vực sông Đồng Nai - Sài Gòn là lưu vực gần như khép kín với cửa chính đổ ra biển tại Soài Rạp, Lòng Tàu và một số cửa sông khác Do vậy, chúng tôi bố trí 5 biên mực nước hạ lưu gồm: Tân An, Soài Rạp, Đồng Tranh, Lòng Tàu và Cái Mép

2 Biên bùn cát

Vì không có số liệu về vận chuyển bùn cát ở đầu vào và ra của mô hình, chúng tôi

đã sử dụng biên bùn cát đúng bằng sức tải cát (Sediment supply) với giả thiết là địa hình mặt cắt tại các biên luôn ổn định Vị trí các biên bùn cát cũng giống như biên thủy lực nêu trên

II.2.2.4 Các tham số sử dụng trong mô hình

1 Các tham số thủy lực

- Điều kiện ban đầu: đây là điều kiện do người sử dụng đặt ra cho các trị số lưu lượng và mực nước tại từng điểm trên lòng dẫn Điều kiện ban đầu này có thể phù hợp hơn nếu người sử dụng dùng các trị số lưu lượng và mực nước của các file kết quả trước (Hostart file)

- Tốc độ gió: tốc độ gió cũng ảnh hưởng đến kết quả của mô hình nhưng trong lần nghiên cứu này vì không có số liệu nên chúng tôi đã bỏ qua

- Hệ số nhám Manning (M): đây là hệ số rất quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến kết quả nghiên cứu Các giá trị sử dụng trong mô hình được rút ra từ các thí nghiệm mô

giả thiết 90% tổng lượng bùn cát trong sông là bùn cát lơ lửng

II.2.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực

II.2.3.1 Hiệu chỉnh lưu lượng nước

Trong mô hình, có một số rất ít số liệu về phân chia lưu lượng tại một số tuyến đo ADCP trên hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn cuối tháng X năm 2003 (hình 2.5) Các số liệu này được sử dụng để hiệu chỉnh độ nhám lòng dẫn trên các nhánh sông theo nguyên tắc hệ số nhám M của sông càng lớn thì lưu lượng càng lớn và ngược lại Kết quả hiệu chỉnh lưu lượng thể hiện trên hình 2.6 đến hình 2.10 (màu xanh = thực đo, màu đen = tính toán)

Hình 2.5: Vị trí các tuyến đo lưu lượng nước sông Đồng Nai- Sài Gòn 2003

Hình 2.6: Kết quả kiểm định lưu lượng nước tại SG03 từ 26-29/X/2003

Hình 2.7: Kết quả kiểm định lưu lượng nước tại MC2 1 từ 26-29/X/2003

Hình 2.8: Kết quả kiểm định lưu lượng nước tại SG07 từ 26-29/X/2003

Hình 2.9: Kết quả kiểm định lưu lượng nước tại LT từ 26-29/X/2003

Hình 2.10: Kết quả kiểm định lưu lượng nước tại SR từ 26-29/X/2003

Hình 2.11: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Bến Lức giai đoạn 2001-2002

Hình 2.12: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Biên Hòa giai đoạn 2001-2004

Hình 2.13: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Thủ Dầu Một 2001-2004

Hình 2.14: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Phú An giai đoạn 2001-2004

Hình 2.15: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Nhà Bè giai đoạn 2001-2004

cho hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn bằng chuỗi biểu đồ dòng chảy 2000-2004

II.2.4.2 Một số kết quả tính toán dự báo

Kết quả tính toán dự báo xói sâu cho các khu vực trọng điểm là các sông chính trong lưu vực (Đồng Nai, Sài Gòn) được thể hiện trên các hình từ 2.16 đến hình 2.23 và bảng 2.5 (màu xanh = xói lở, màu đỏ = bồi tụ)

Biến đổi đường lạch sâu giữa tính toán và thực đo về giá trị tuyệt đối còn có sự khác nhau Tuy nhiên về xu thế xói bồi trên các đoạn sông thì tương đối phù hợp

Ví dụ cắt dọc tuyến lạch sâu sông Sài Gòn khu vực bán đảo Thanh Đa cho thấy cao trình tuyến lạch sâu thay đổi trong khoảng -22 mét đến -14 mét Mặt cắt dọc có dạng răng cưa, tại những khu vực sông càng cong thì cao trình tuyến lạch sâu càng hạ thấp,

đặc biệt tại khu vực rạch ông Ngũ (MC8) theo chiều tuyến lạch sâu khoảng 400m (khoảng hai lần chiều rộng sông) cao trình tuyến lạch sâu hạ thấp từ -14 m xuống -22 m Tại khu vực đỉnh cong sau mặt cắt MC3 cũng hạ thấp đến 8 m, thể hiện phần nào địa chất mềm yếu của lòng dẫn sông Sài Gòn khu vực bán đảo Thanh Đa Các vị trí của hố xói cục bộ thường ở vị trí cách trung tâm đỉnh cong về phía hạ lưu từ một đến hai lần chiều rộng sông, theo số liệu có thể minh chứng các điểm sâu sau các mặt cắt MC1, MC2, MC3, hoặc tại vị trí đỉnh cong (MC7)

Bảng 2.5: Dự báo xói sâu các sông chính HDSĐNSG đến 2010 bằng MIKE 11

Tốc độ xói (bồi) (m/5năm)

4 Khu vực từ cuối cù lao Bạch Đằng

5 Khu vực từ cuối cù lao Rùa đến

6 Khu vực lạch phải cù lao Phố (đoạn

7 Khu vực lạch trái cù lao Phố

8

Khu vực từ cuối cù lao Phố đến ngã

ba sông Tắc (đầu cù lao Long

Phước)

biến đổi

10 Khu vực từ cù lao Long Phước đến

hợp lưu sông Đồng Nai - Sài Gòn Đồng Nai 80.440-93.112

Bồi nhẹ (<0.05)

11 Khu vực từ đập Dầu Tiếng đến ngã

12 Khu vực từ ngã ba sông Thị Tính

Không biến đổi

13 Khu vực từ ngã ba rạch Tra đến

14 Khu vực từ ngã ba Tham Lương

đến ngã ba cửa vào kênh Thanh Đa Sài Gòn 112.309-114.794 0.15

15 Khu vực lạch phải bán đảo Bình

Quới (nhánh kênh Thanh Đa)

22 Khu vực từ ngã ba sông Lòng Tàu -

Hình 2.16: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Sài Gòn

Hình 2.17: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Sài Gòn

Hình 2.18: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Sài Gòn

Hình 2.19: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Sài Gòn

Hình 2.20: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Đồng Nai

Hình 2.21: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Đồng Nai

Hình 2.22: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Đồng Nai

Hình 2.23: Dự báo biến đổi cao trình tuyến lạch sâu sông Đồng Nai

1 Công thức Pôpốp (sử dụng với đoạn sông thẳng)

Công thức Pôpốp tính xói vùng bờ cong, với giả thiết đáy sông càng sâu lở

càng mạnh có dạng:

0 max

0 max

Z Z

Z Z T

Zmax: độ sâu max tại mặt cắt có Cmax

Z0: chiều sâu trung bình ở vùng sông thẳng

βi: chiều rộng xói dự báo ở mặt cắt i T: thời gian tính toán

Các bước tiến hành:

- Chia đoạn sông bị xói lở ra nhiều mặt cắt

- Xác định mặt cắt có tốc độ xói lở lớn nhất Cmax

- Địa chất bờ tại các mặt cắt giống nhau hoặc gần giống nhau

Lúc đó tốc độ xói lở bờ phụ thuộc chủ yếu vào bán kính tương đối của từng mặt

cắt (δI):

δ αβ

0. ư

Trong đó:

βi: tốc độ xói dự báo cho mặt cắt i (1 năm)

β0: tốc độ xói lớn nhất của mặt cắt đã quan sát được (1năm) α: hệ số phản ánh điều kiện tự nhiên được tính:

2 1

2

1 ln ln

δδ

ββ

α

ư

ư

Trong đó: β1,β2 : tốc độ xói của năm 1 và năm 2 ở cùng mặt cắt i

δ1, δ2: bán kính cong tương đối ở mặt cắt i của năm 1 và năm 2 Khi βo và α được xác định, tốc độ xói các năm tiếp theo được tính theo các bước:

Bước 1: Vẽ đường trung gian (đường giữa sông) Bước 2: Xác định mặt cắt tính toán

Bước 3: Xác định Ri, Bi ở từng mặt cắt tính δi

Bước 4: Tính βi cho các mặt cắt đánh dấu lên bản đồ

Bước 5: Nối các điểm đánh dấu, được giới hạn dự báo xói lở

Phương pháp IBADZADE và TURIN đã được áp dụng tính cho một số đoạn sông cong trên sông Hồng và đoạn Sa Đéc trên sông Cửu Long cho kết quả tương đối sát với thực tế

3, Trên cơ sở tài liệu cơ bản thu thập được, áp dụng công thức dự báo:

) /

(

L T

F

Trong đó: F: diện tích bị xói trong T năm (m2)

L: chiều dài vùng xói (m) T: thời gian (năm)

C: tốc độ xói lở trung bình (m/năm)

phản xạ quay trở lại mặt đất và được ăngten thu ghi lại Tín hiệu của sóng phản xạ phản

ánh thông tin của môi trường địa chất ở phía dưới như mặt phản xạ, những dị vật như hang hốc nằm dưới mặt đất Do sóng điện từ ở dải tần số cao nên phương pháp GPR có

độ phân giải cao và đủ độ nhạy để phát hiện các dị vật tương đối nhỏ

1 Cơ sở vật lý - địa chất của phương pháp GPR

Do các sóng phản xạ được tạo ra từ những mặt ranh giới trong môi trường địa chất thường liên quan đến những điều kiện thành tạo trong cấu trúc địa chất như: Ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm tích có tính chất vật lý khác nhau chứa vật liệu sét, những hang hốc, các khe nứt nẻ, các khối xâm thực cũng như các vật thể bị chôn vùi nhân tạo hoặc các khối bê tông, các lỗ rỗng liên quan đến vị trí hàm ếch, tổ mối Đó là các đối tượng được phát hiện bằng phương pháp radar

Độ sâu thẩm thấu của phương pháp phụ thuộc vào tần số của ăngten phát thu và tính chất vật lý của môi trường địa chất trong đó hằng số điện môi (εr) và độ dẫn điện (σ) là chủ yếu Tần số càng cao, độ dẫn điện và hằng số điện môi càng lớn thì chiều sâu khảo sát càng nhỏ

Các đại lượng vật lý của sóng điện từ được dùng trong phương pháp radar như: Vận tốc truyền sóng (v), bước sóng (λ), hệ số suy giảm (α), hằng số điện môi (εr), độ

từ thẩm (àr), độ dẫn điện (σ)

Sở dĩ phương pháp radar xuyên đất có thể phát hiện được các đối tượng nêu trên

là do trong các môi trường địa chất nói chung, đặc biệt trong địa chất công trình chúng luôn tồn tại các ẩn họa như hang cactơ, khối bất đồng nhất, đới tơi xốp và các hang rỗng , đây là những vùng có tính chất vật lý khác biệt so với môi trường địa chất xung quanh Tại những ranh giới giữa các ẩn họa và môi trường xung quanh sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ sóng điện từ, với hệ số phản xạ được tính theo công thức sau:

2 1

2 1

ε ε

ε ε

+

ư

=

R

Trong đó : ε1 -Là hằng số điện môi của môi trường thứ nhất

ε2 - Là hằng số điện môi của môi trường thứ hai

Như vậy ranh giới các môi trường vật chất càng khác nhau về hằng số điện môi

thì áp dụng phương pháp radar xuyên đất càng có hiệu quả Sau đây là bảng tổng hợp

hằng số điện môi của một số vật chất thường gặp trong tự nhiên:

Tín hiệu radar có hai dạng cơ bản sau: Các mặt phản xạ trên

đối tượng có dạng khối, tương tự như hang sẽ được ghi lại dưới dạng hypecbol Còn đối với các mặt phản xạ phẳng sẽ được phản

ảnh tương tự như dạng tự nhiên của chúng (hình 3.1)

pháp phụ thuộc vào tần số trung tâm

của ăngten và hằng số điện môi của

môi trường đất đá Với cùng một môi

trường khảo sát ăngten có tần số càng

thấp thì chiều sâu nghiên cứu càng

lớn nhưng độ phân giải càng thấp,

còn đối với ăngten tần số càng cao thì

ngược lại Sau đây là bảng thống kê

Trong điều kiện khảo sát địa chất hệ thống sông Đồng Nai là khu vực mà có điện trở suất thấp, vì vậy lựa chọn ăng ten khảo sát là ăng ten có tần số 80Mhz và 40Mhz

4 Phương pháp khảo sát

Trong phương pháp Radar có nhiều biện pháp khảo sát như: mặt cắt sóng phản xạ, đo truyền xuyên qua (phương pháp chiếu sóng), đo điểm sâu chung Sử dụng biện pháp mặt cắt sóng phản xạ, đây là phương pháp thường dùng nhất trong khảo sát với việc kéo ăngten theo một tuyến thì kết quả cho ra một mặt cắt mô phỏng, mặt cắt địa tầng ở phía dưới theo phương thẳng đứng Trong quá trình đo ăngten luôn luôn phát và thu

5 Xử lý số liệu

Tài liệu đo được chuyển vào máy tính PC rồi xử lý bằng phần mềm chuyên dụng Radan for Windows, qua phần mềm tài liệu thô sau khi đo được lọc nhiễu bằng các bộ lọc và các phép biến đổi như: bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn , đáp ứng xung vô hạn, bộ lọc ngược, phép biến đổi Hilbert, phép biến đổi các hàm mũ, hàm Logarit

vv Qua một loạt các phép xử lý kết quả thu được các tín hiệu nhiễu đã bị loại bỏ và tài liệu có thể được biểu diễn dưới 3 dạng: Wiggle (dạng sóng), O-Scope và Linescan (dạng ảnh), kết quả biểu diễn ở dạng sóng vì tài liệu ở dạng này dễ nhận biết hơn cho các loại ẩn hoạ có dạng hình thể là dạng khối gần như hang có trong môi trường

III.2.2 Phương pháp thăm dò điện

Cơ sở vật lý của phương pháp thăm dò điện nói chung là sự khác biệt về điện trở suất của các loại đất đá khác nhau

1 Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của phương pháp điện trở dựa trên bài toán vật lý về mối quan

hệ giữa sự phân bố mật độ dòng điện trong môi trường từ một nguồn điện phát vào môi trường đó với độ dẫn điện của môi trường Nó được mô tả bằng phương trình toán học như sau:

Trong đó: div, grad là các ký hiệu toán học (toán tử); σ - là hàm số mô tả sự phân bố độ dẫn điện (trong thực tế thường dùng tham số điện trở suất là giá trị ngược của độ dẫn ρ = 1/σ đo bằng đơn vị ôm.mét -Ohmm) trong môi trường theo toạ độ x, y,

V

I z y x gradU z

y x

∆

=

thực địa Còn hàm phân bố độ dẫn điện của môi trường σ là điều ta cần biết có thể xác

định được bằng cách giải phương trình trên khi đã biết các tham số I, U

2 Phân tích tài liệu:

Số liệu đo thực địa là giá trị điện trở suất biểu kiến nhận được bằng phép đo trên mặt đất bao gồm các hiệu ứng tổng cộng của nhiều yếu tố cấu trúc khác nhau trong môi trường Để xác định được phân bố điện trở suất thực của môi trường cần thiết phải thực hiện một quy trình phân tích tài liệu, thực chất là tìm lời giải (bài toán ngược) phương trình cơ bản nêu trên bằng cách so sánh -lựa chọn tham số mô hình lý thuyết phù hợp với số liệu thực tế Việc thực hiện quy trình phân tích này cần một khối lượng tính toán rất lớn trên máy tính điện tử Phần mềm xử lý phân tích này được sản xuất ở các nước Châu Âu và Mỹ được phổ biến rộng rãi và sử dụng thuận tiện nhất Với kỹ thuật hiện nay, kết quả phân tích được thể hiện ở dạng ảnh màu mô tả đặc trưng phân

bố điện trở suất của môi trường dưới

tuyến khảo sát Dựa vào đặc trưng

điện trở suất và đặc điểm của đất đá

trong vùng khảo sát có thể nhận biết

sự biểu hiện các yếu tố địa chất -kiến

tạo (lớp trầm tích, đới giập vỡ, đá gốc

rắn chắc, đứt gãy kiến tạo,…) và đối

tượng cần quan tâm (tầng chứa nước

ngầm, vùng thấm, nứt, rò rỉ,…) Liên

kết, tổng hợp thông tin từ các tuyến

khảo sát có thể xác định, dự báo diện

phân bố của các yếu tố cấu trúc và

đối tượng cần quan tâm Hình 3.3: Thiết bị điện đa cực SuperSting