Nghiên cứu sạt lở bờ sông do ảnh hưởng của các hoạt động khai thác

Trong th ời gian thực hiện luận văn, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cơ quan và các bạn bè đồng nghiệp, luận văn thạc sỹ: “Nghiên c ứu sạt lở bờ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

-

VŨ TRUNG THÀNH

ĐỘNG KHAI THÁC CÁT TRÊN SÔNG HẬU ĐOẠN ĐI QUA THÀNH PHỐ LONG XUYÊN VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BẢO VỆ, PHÒNG

CH ỐNG SẠT LỞ

LU ẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

-

VŨ TRUNG THÀNH

ĐỘNG KHAI THÁC CÁT TRÊN SÔNG HẬU ĐOẠN ĐI QUA THÀNH PHỐ LONG XUYÊN VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BẢO VỆ, PHÒNG

CH ỐNG SẠT LỞ

Chuyên ngành: Công trình Th ủy

Mã số: Mã số: 60- 58- 40

LU ẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Lê Mạnh Hùng

2 TS Đinh Anh Tuấn

Hà Nội – 2015

Trong th ời gian thực hiện luận văn, với sự nỗ lực của bản thân cùng với

sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cơ quan và các bạn bè đồng nghiệp, luận văn thạc sỹ: “Nghiên c ứu sạt lở bờ sông do ảnh hưởng của các hoạt động khai thác cát trên sông H ậu đoạn đi qua Thành Phố Long Xuyên và lựa chọn giải pháp bảo vệ, phòng ch ống sạt lở” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô Khoa công trình, Ban đào tạo Trường Đại học Thủy lợi đã giảng dạy, giúp đỡ nhiệt tình trong

su ốt quá trình học tập, trang bị những kiến thức mới nhất mới nhất và tiên tiến

nh ất về khoa học kỹ thuật công trình thủy lợi, đồng thời giúp tôi thêm vững tin hơn khi làm công tác nghiên cứu khoa học

Tác giả chân thành cảm ơn Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Đặc biệt xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS

TS Lê Mạnh Hùng, TS Đinh Anh Tuấn - những người đã trực tiếp chỉ bảo những kiến thức khoa học trong suốt thời gian làm luận văn

Lu ận văn sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ về mọi mặt

c ủa đồng nghiệp thuộc Bộ môn Đông Nam Bộ thuộc Phòng nghiên cứu công trình trạm – Viện bơm và Thiết bị thủy lợi

Tác gi ả

Vũ Trung Thành

Kính gửi: Ban giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi

Khoa công trình, khoa Đào tạo Đại học và sau Đại học trường Đại

học Thuỷ lợi

Bộ môn công nghệ và quản lý xây dựng trường Đại học Thuỷ lợi Tên tôi là: Vũ Trung Thành

Ngày tháng năm sinh: 18/ 08/ 1983

Học viên cao học lớp: CH19C21, trường Đại học Thuỷ lợi

Tôi viết bản cam kết này xin cam kết rằng đề tài luận văn : “Nghiên cứu sạt lở

b ờ sông do ảnh hưởng của các hoạt động khai thác cát trên sông Hậu đoạn đi qua Thành Ph ố Long Xuyên và lựa chọn giải pháp bảo vệ, phòng chống sạt lở”

là công trình nghiên cứu của cá nhân mình Tôi đã nghiêm túc đầu tư thời gian và công sức dưới sự hướng dẫn của PGS TS Lê Mạnh Hùng và TS Đinh Anh Tuấn

để hoàn thành đề tài theo đúng quy định của nhà trường Nếu những điều cam kết

của tôi có bất kỳ điểm nào không đúng, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và cam

kết chịu những hình thức kỷ luật của nhà trường

Hà Nội, ngày 27 tháng 11 năm 2015

Cá nhân cam k ết

Vũ Trung Thành

VŨ TRUNG THÀNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2015

M ỤC LỤC

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 T ỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Các nghiên cứu trên thế giới 5

1.1.1 Nghiên c ứu về xói lở lòng sông và chỉnh trị sông: 5

1.1.2 Nghiên c ứu về khai thác cát: 7

1.2 Các nghiên cứu trong nước 11

1.2.1 Nghiên c ứu động lực học dòng sông: 11

1.2.2 Nghiên c ứu khai thác cát: 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI PHÁP BẢO VỆ, PHÒNG CH ỐNG SẠT LỞ BỜ SÔNG 17

2.1 Các giải pháp phòng chống xói lở 17

2.1.1 T ổng hợp các giải pháp phòng chống xói lở 17

2.1.2 Khái quát một số giải pháp phòng chống xói lở đã được ứng dụng 18

2.2 Lựa chọn mô hình toán 21

2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 21FM 22

2.2.2 Xây dựng mô hình Mike 21FM khu vực nghiên cứu 26

2.3 Kết luận chương 2 30

CHƯƠNG 3 TH ỰC TRẠNG KHAI THÁC CÁT VÀ DIỄN BIẾN LÒNG D ẪN ĐOẠN SÔNG HẬU KHU VỰC THÀNH PHỒ LONG XUYÊN 31

3.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên đoạn song Hậu khu vực tp Long Xuyên 31

3.1.1 V ị trí địa lý 31

3.1.2 Đặc điểm khí hậu 32

3.1.3 Địa chất khu vực nghiên cứu 35

3.1.4 Đặc điểm thủy văn 36

3.2 Hoạt động khai thác cát của tỉnh An Giang và khu vực nghiên cứu 38

3.2.1 Th ực trạng khai thác cát tỉnh An Giang 38

3.2.2 Th ực trạng khai thác cát tại khu vực nghiên cứu 42

3.3 Diễn biến long dẫn đoạn sông Hậu khu vực TP Long Xuyên 43

3.3.1 Xu thế diễn biến xói lở đoạn sông Hậu khu vực nghiên cứu 49

3.4 Nguyên nhân gây xói lở bờ sông Hậu khu vực thành phố Long Xuyên 60

3.4.1 S ạt lở do khai thác cát 61

3.4.2 Sạt lở do yếu tố hình thái sông phân lạch 62

3.4.3 Sạt lở bờ do Sóng 64

3.4.4 Sạt lở do gia tải quá mức lên mép bờ sông 65

3.5 Kết luận chương 3 66

CHƯƠNG 4 K ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG

XÓI LỞ SÔNG HẬU – KHU VỰC THÀNH PHỐ LONG XUYÊN 67

4.1 Đề xuất giải pháp chỉnh trị tổng thể phòng chống xói lở sông Hậu khu vực thành phố Long Xuyên 67

4.1.1 Mục tiêu chỉnh trị 67

4.1.2 Đề xuất các phương án chỉnh trị 68

4.1.3 Đánh giá các giải pháp chỉnh trị trên mô hình toán 71

4.2 Thiết kế sơ bộ công trình bảo vệ bờ cho một đoạn sông 87

4.2.1 Các thông s ố thiết kế 87

4.2.2 Bi ện pháp xây dựng và tiến độ xây dựng công trình 89

4.3 Giải pháp phi công trình 94

4.3.1 Nâng cao hi ệu lực quản lý Nhà nước về tài nguyên cát lòng sông 94

4.3.2 Các gi ải pháp về kỹ thuật 94

4.3.3 Gi ải pháp đào tạo và nâng cao chất lượng nguồn nhân lực 95

4.3.4 Cơ chế, chính sách 95

4.3.5 Các v ấn đề về thị trường 97

4.3.6 V ấn đề vốn đầu tư 97

4.3.7 T ổ chức kiểm tra, giám sát thực hiện quy hoạch 98

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

1 Kết luận 99

2 Những tồn tại trong quá trình thực hiện luận văn 100

3 Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo 100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Kết quả hiệu chỉnh phân chia lưu lượng thực đo và tính toán 30

Bảng 3-1: Bảng số liệu về nhiệt độ và độ ẩm không khí năm 1995 33

Bảng 3-2: Bảng lượng mưa trung bình tháng(Nguồn VHKHTLMN) 33

Bảng 3-3: Bảng phân bố gió mùa hàng năm(Nguồn VHKHTLMN) 35

Bảng 3-4: Bảng trị số các đặc trưng cơ lý (Nguồn VHKHTLMN) 36

Bảng 3-5: Danh sách các đơn vị khai thác cát sông trên khu vực nghiên cứu 41

Bảng 3-6: Kết quả tính toán vận tốc khởi động bùn cát lòng dẫn nhánh phải c ù lao Ông Hổ - sông Hậu 63

Bảng 4-1: Bảng tính toán phân chia lưu lượng hai nhánh của các phương án 73

Bảng 4-2: Kết quả tính toán phân lưu với các phương án khai thác cát 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình1.1– Khu vực nghiên cứu hậu quả khai thác cát trên sông Loire 8

Hình1.2– Đường quan hệ lưu lượng và mức nước sông Loire ở thành phố Tours 9

Hình1.3– Biến đổi cao độ lòng sông và mực nước trên sông Loire đo bởi CMB 9

Hình1.4: M ột số hoạt động khai thác cát trên các tuyến sông 14

Hình2.1 Sơ đồ các giải pháp phòng chống xói lở [6] 17

Hình 2.2: H ệ thống lưới phi cấu trúc trong mô hình Mike 21FM 22

Hình 2.3.Lưới tính tóan của mô hình MIKE 21FM cho khu vực nghiên cứu 26 Hình 2.4- Địa hình lòng dẫn khu vực sông Hậu đoạn đi qua thành phố Long Xuyên[] 27

Hình 2.5- Biên lưu lượng thượng lưu được xác định bằng mô hình Mike 11 27 Hình 2.6- Biên mực nước hạ lưu được xác định bằng mô hình Mike 11 28

Hình 2.7- Vị trí quan trắc lưu lượng mực nước tháng 12 năm 2010 29

Hình 2.8- So sánh lưu lượng tính toán và thực đo tại LX-2 29

Hình2.9- So sánh lưu lượng tính toán và thực đo tại LX-3 30

Hình3.1 V ị trí khu vực nghiên cứu 31

Hình3.2 : Mặt cắt địa chất khu vực nghiên cứu(Nguồn VHKHTLMN) 35

Hình3.3 : Ho ạt động khai thác cát trên sông Tiền khu vực Tân Châu 40

Hình 3.4 : Vị trí khai thác cát trên khu vực nghiên cứu 43

Hình3.5 S ạt lở bờ khu vực thành phố Long Xuyên 44

Hình3.6 S ạt lở bờ cù lao Phó Ba – khu vực thành phố Long Xuyên 44

Hình 3.7 Hư hỏng công trình kè Long Xuyên – An Giang(2005) 44

Hình 3.8 Bãi bồi lạch trái đoạn sông chảy qua thành phố Long Xuyên 45

Hình 3.9 Bãi bồi cuối cù lao Ông Hổ - thành phố Long Xuyên 45

Hình 3.10.M ột số hình ảnh sạt lở bờ sông Hậu 46

Hình 3.11.Hiện trạng kè khu vực Văn phòng Tỉnh ủy An Giang giáp rạch Cầu Mây 48 Hình 3.12 Kè Long Xuyên đoạn Hải Quân đến Rạch Long Xuyên được khởi công xây d ựng từ năm 2002 (nhìn từ hạ lưu Sông Hậu) 48 Hình3.13 - Diễn biến đường bờ sông Hậu, khu vực thành phố Long Xuyên giai đoạn năm 1966 đến 2007 51 Hình3.14 Di ễn biến tuyến lạch sâu nhánh trái sôngHậu khu vực cù lao Ông

Hổ – Thành phố Long Xuyên 52 Hình3.15 Di ễn biến tuyến lạch sâu nhánh trái sôngHậu khu vực cù lao Ông

Hổ – Thành phố Long Xuyên 53 Hình3.16 – Sơ hoạ vị trí mặt cắt lòng dẫn sông khu vực nghiên cứu 54 Hình3.17- Di ễn biến lòng dẫn ở mặt cắt số 1 54 Hình3.18 – Di ễn biến lòng dẫn ở mặt cắt số 3 - nhánh phải cù lao Ông Hổ 55 Hình3.19– Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 4 - nhánh phải cù lao Ông Hổ 56 Hình3.20– Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 5 - nhánh phải cù lao Ông Hổ 56 Hình3.21– Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 6 – nhánh phải cù lao Phó Ba 57 Hình3.22– Diễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 7 – nhánh trái cù lao Phó Ba 57 Hình3.23 – Bi ến đổi lòng dẫn tại mặt cắt số 8- nhánh trái cù lao Ông Hổ 58 Hình3.24 – Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 10 - nhánh trái cù lao Ông Hổ 58 Hình3.25 – Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 11 – nhánh trái cù lao Ông Hổ 59 Hình3.26 – Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 12 – nhánh trái cù lao Ông Hổ 59

Hình3.27 – Diễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 13 – cuối đoạn sông phân lạch

60

Hình3.28 – Di ễn biến lòng dẫn tại mặt cắt số 13 – cuối đoạn sông phân lạch 60

Hình3.29 - Bi ểu đồ vận tốc trung bình mặt cắt đo ADCP nhánh phải tại Long Xuyên 64

Hình3.30 Nhà c ửa xây cất, chất hàng hóa lấn ra lòng sông Hậu - Long Xuyên 65

Hình4.1 B ố trí các phương án công trình chỉnh trị 70

Hình 4.2 Phạm vi khai thác cát đoạn đầu nhánh trái kịch bản KTC1 và KTC2 71

Hình 4.3 Ph ạm vi khai thác cát toàn bộ nhánh trái (KTC3) 71

Hình 4.4 Đường quá trình vận tốc các phương án tai mặt cắt MC2 73

Hình 4.5 Đường quá trình vận tốc các phương án tai mặt cắt MC8 74

Hình 4.6 Trường dòng chảy theo phương án công trình PA1 75

Hình 4.7 Trường dòng chảy theo phương án công trình PA2 76

Hình4.8 Trường dòng chảy theo phương án công trình PA3 77

Hình 4.9 Trường dòng chảy theo phương án công trình PA4 77

Hình4.10 Trường dòng chảy theo kịch bản khai thác cátKTC3 81

Hình 4.11 Di ễn biến hình thái kịch bản khai thác cát KTC3 83

Hình 4.12 Di ễn biến bồi, xói tại mặt cắt M3 85

Hình 4.13 Di ễn biến bồi, xói tại mặt cắt M6 85

Hình 4.14 Di ễn biến bồi, xói tại mặt cắt M8 86

Hình 4.15 Diễn biến bồi, xói tại mặt cắt M10 86

Hình 4.16 Gi ải pháp chỉnh trị đề xuất 87

Hình4.17 – Cắt ngang công trình kè Long Xuyên 89

M Ở ĐẦU

1 TÍNH C ẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Mekong là con sông có chiều dài đứng thứ 12 thế giới với chiều dài 4500 km,

xuất phát từ vùng núi cao tỉnh Thanh Hải (Trung Quốc), chảy qua Tây Tạng, theo

suốt chiều dài tỉnh Vân Nam rồi chảy qua các nước Myanmar, Thái Lan, Lào, Campuchia trước khi vào Việt Nam Trên lãnh thổ Việt Nam sông Mekong được gọi là sông Cửu Long với chiều dài khoảng 250 km tính từ biên giới Việt Nam – Campuchia tới biển Đông

Dòng sông là nguồn sống của khoảng 60 triệu người dân các nước nằm ở hạ nguồn như: Lào, Thái Lan, Campuchia và Việt Nam Phần lớn họ sống nhờ vào nguồn tài nguyên thiên nhiên: tôm, cá và dựa vào nước, phù sa để trồng lúa, cây trái và hoa màu Dòng sông còn là trục giao thông chính của toàn khu vực nó chảy qua Với 1.245 loại cá, Mekong là sông có nhiều tôm cá thứ nhì thế giới sau sông Amazon ở Nam Mỹ Có nhiều loại cá quý hiếm như cá bông lau khổng lồ nặng đến

300 kg và cá heo sống ở nước ngọt Hàng năm có đến 1,8 triệu tấn cá đánh được ở các quốc gia hạ nguồn [9]

Trên lãnh thổ Việt Nam, sông Mekong chia thành hai nhánh là sông Tiền và sông Hậu, đổ ra biển bằng 9 cửa nên còn có tên gọi là sông Cửu Long Sông Tiền

đổ ra các cửa: cửa Đại, cửa Tiểu, cửa Hàm Luông, cửa Cổ Chiên, cửa Cung Hầu và cửa Ba Lai Sông Hậu đổ ra biển qua ba cửa:cửa Định An, cửa Trần Đề và cửa Ba Sắc (Cửa Ba sắc trên sông Hậu đã bị bồi lắp và cửa Ba Lai trên sông Tiền nay đã bị

chặn bởi hệ thống cống đập ngăn nước mặn từ biển chảy vào )

Sông Cửu Long là con sông đã mang lại phù sa bồi đắp cho vùng đồng bằng Tây Nam Bộ của Việt Nam, vì thế vùng đất này còn gọi là Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) Đây là vựa lúa lớn nhất của cả nước, đồng thời nổi tiếng với nhiều

loại trái cây đặc sản như: sầu riêng, măng cụt, bưởi, cam

Sông Cửu Long là nguồn cung cấp nước phục vụ sinh hoạt, công nông nghiệp; tuyến tiêu thoát lũ chính đồng thời là mạng lưới giao thông thủy quan trọng; nơi

cung cấp vật liệu xây dựng, cung cấp các loài thủy sản nước ngọt, nước mặn và nước lợ phong phú

Bên cạnh những lợi ích to lớn mà sông Cửu Long đã mang lại là những tai họa không nhỏ do chính nó gây ra, như: tình trạng lũ lụt, xâm nhập mặn, chua phèn nhiễm bẩn, tình trạng sạt lở bờ, bồi lắng lòng dẫn sông rạch, vv…

Trong đó tình trạng sạt lở bờ, bồi lắng lòng dẫn sông Cửu Long đang là hiện tượng gây bức xúc, làm xôn xao dư luận trong những năm gần đây Sạt lở bờ, bồi

lắng lòng dẫn đã và đang gây ra những tổn thất rất lớn, là mối đe dọa nghiêm trọng đến tính mạng, tài sản của nhà nước và nhân dân vùng ven sông, gây mất ổn định khu dân cư, ảnh hưởng đến quy hoạch phát triển dân sinh, kinh tế, xã hội, môi trường vùng ĐBSCL

Những tổn thất do xói lở bờ sông đã xảy ra ở ĐBSCL trong những thập niên qua là rất nặng nề Với số liệu thống kê chưa đầy đủ đã có[]

 32 người bị thiệt mạng và mất tích;

 05 dãy phố bị đổ xuống sông;

 06 làng bị xóa sổ, trên 2200 căn hộ bị sụp đổ và buộc phải di dời;

 Nhiều cầu, đường giao thông, bến phà và nhiều trụ sở cơ quan, bệnh viện trường học, cơ sở kinh tế, công trình kiến trúc, công trình văn hóa, cơ sở

hạ tầng bị sụp đổ xuống sông;

 Một thị xã tỉnh lỵ phải di dời đi nơi khác (Sa Đéc);

 Hiện nay 01 thành phố, 02 thị xã, 04 thị trấn đang trong tình trạng xói lở

mạnh;

 Tuyến giao thông thủy quốc tế sang Campuchia đã bị bồi nhiều đoạn dẫn

tới hiện tượng tàu vận tải mắc cạn, thậm chí nhiều tháng mùa khô đường

thủy không được thông thương Cửa sông Định An là cửa ngõ tuyến giao thông thủy vào cảng Cần Thơ… bị bồi lắng nghiêm trọng gây nên thiệt

hại hàng năm do phải nạo vét luồng lạch lên đến hàng chục tỷ đồng;

 Hiện tượng bồi lắng hệ thống sông ở ĐBSCL mấy năm gần đây đã phần nào ảnh hưởng tới khả năng thoát lũ, tăng đỉnh lũ, kéo dài thời gian ngập

Hậu đoạn chảy qua thành phố Long Xuyên

Thiệt hại do sạt lở bờ và bồi lắng lòng dẫn sông Cửu Long gây ra ở An Giang là rất nặng nề Theo số liệu của Sở Tài nguyên - Môi trường và Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão và tìm kiếm cứu nạn tỉnh An Giang, hàng năm có trên 3,7 triệu

m3 đất bị cuốn xuống dòng sông, ước tính thiệt hại trên 16 tỷ đồng Chỉ tính riêng trong năm 2011 toàn tỉnh có 66.850 m2 diện tích đất bị sạt lở; 7 căn nhà bị sập

xuống sông, 628 hộ phải di dời, 322 hộ đang nằm trong vùng có thể bị sạt lở sẽ phải

di dời Ước tính thiệt hại khoảng 67,3 tỷ đồng Đối với vấn đề bồi lắng lòng dẫn sông chưa có những số liệu thống kê đánh giá cụ thể, nhưng những thiệt hại do hiện tượng này gây ra có thể nhận thấy như: làm chậm quá trình tiêu thoát lũ, gây úng

ngập cao hơn, cản trở đến giao thông thủy, làm thay đổi chế độ dòng chảy gây xói

gây ra Đây cùng chính là sự cần thiết của việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu sạt lở

b ờ sông do ảnh hưởng của các hoạt động khai thác cát trên sông Hậu đoạn đi qua Thành Ph ố Long Xuyên và lựa chọn giải pháp bảo vệ, phòng chống sạt lở”

2 M ỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Làm rõ được nguyên nhân gây xói lở, bồi lắng đoạn sông Hậu khu vực thành phố Long Xuyên

- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp bảo vệ và phòng chống sạt lở bờ sông

- Phân tích, lựa chọn giải pháp phù hợp với đoạn sông nghiên cứu

3 CÁCH TI ẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu

- Điều tra, thu nhận cập nhật các thông tin thường xuyên từ địa phương

- Kế thừa những kết quả nghiên cứu từ những đề tài, dự án trước đây có liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài

- Mô phỏng các quá trình thủy động lực và diễn biến hình thái sông bằng

mô hình toán (Mike 21)

CHƯƠNG 1 T ỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Các nghiên c ứu trên thế giới

1.1.1 Nghiên c ứu về xói lở lòng sông và chỉnh trị sông:

Những nghiên cứu liên quan tới vấn đề xói lở bờ sông, bồi lắng lòng dẫn như: xác định rõ nguyên nhân, cơ chế, xác định quy luật diễn biến lòng dẫn, nghiên

cứu đề xuất các giải pháp phòng chống giảm nhẹ thiệt hại do xói lở bờ, bồi lắng lòng dẫn gây ra, đều là các lĩnh vực khoa học liên quan tới động lực học dòng sông, chuyển động bùn cát và chỉnh trị sông

Trên thế giới khoa học về động lực dòng sông, được phát triển mạnh trong

nửa thế kỷ thứ XIX ở các nước Âu Mỹ Những nghiên cứu của các nhà khoa học Pháp như Du Boys về chuyển động bùn cát, Barré de Saint - Venant về dòng không

ổn định, L Fargue về hình thái sông uốn khúc vẫn giữ nguyên giá trị sử dụng cho đến ngày nay

Vào những năm đầu thế kỷ XX, với những đóng góp lớn của các nhà khoa

học Xô Viết, những tên tuổi gắn liền với các thành tựu khoa học lớn là Lotchin V.M

về tính ổn định của lòng sông; của Bernadski N.M về chuyển động hai chiều; của Makkavêep V.M về dòng thứ cấp; của Velikanôp M.A., về quá trình diễn biến lòng sông của Gôntrarôp V.N và Lêvi I.I., về chuyển động bùn cát; của Altunin S.T., của Grisanin K.B., của Kariukin S.N về chỉnh trị sông v.v… Chính trong thời gian đó

đã nổ ra những cuộc tranh luận gay gắt giữa lý thuyết khuếch tán và lý thuyết trọng

lực, giữa hai trường phái ngược nhau khi đánh giá tổn thất năng lượng trong dòng

chảy có và không mang bùn cát, giữa các chỉ tiêu khởi động của bùn cát và giữa các

chỉ tiêu ổn định của lòng dẫn Tham gia gián tiếp vào các cuộc tranh luận đó, từ

những năm 50 đến giữa những năm 60, có các nhà khoa học Trung Quốc như Trương Thụy Cẩn, Tiền Ninh, Tạ Giám Hoành, Đậu Quốc Nhân, Sa Ngọc Thanh v.v… Trong thời gian này, ở Tây Âu có những công trình về chuyển động bùn cát

của E Meyer Peter và Muller; về hình thái lòng sông ổn định có các nhà khoa học Anh Kennedy R.G., Lindley E.S và Laccy G với "Lý thuyết chế độ" (Regime

theory) nổi tiếng Các nhà khoa học Mỹ như Einstein H.A., Ven-te-Chow, chien … có nhiều công trình nghiên cứu về dòng chảy và chuyển động bùn cát

Ning-Từ những năm 60 thế kỷ XX đến nay, do ứng dụng những tiến bộ khoa học

kỹ thuật và đặc biệt là những tiến bộ trong kỹ thuật tính toán, động lực học dòng sông có những bước phát triển mới, sâu sắc trong việc hoàn thiện mô hình hoá các

hiện tượng thủy lực phức tạp Một số mô hình tóan, mô phỏng dòng chảy một chiều 1D, hai chiều 2D, mô phỏng quá trình diễn biến lòng dẫn như Mike 11, Mike 21 và Mike 21C cho kết quả tính tóan dòng chảy, dự báo biến hình lòng dẫn khá chính xác Về nghiên cứu thực địa đã có những thiết bị đo đạc hiện đại, nhanh chóng, chính xác Có thể nhân được trường vận tốc dòng chảy ở độ sâu khác nhau, có thể xác định được độ sâu lòng dẫn cùng với tọa độ địa lý mong muốn Đã thu được kết

quả khả quan trong việc ứng dụng kỹ thuật hiện đại khảo sát đường đi của hạt bùn cát bằng chất đồng vị phóng xạ khi nghiên cứu bồi lắng lòng dẫn tại các vùng cửa sông Nghiên cứu biến hình lòng dẫn trên mô hình vật lý đã có những tiến bộ vượt

bậc đã thực hiện được những tiêu chuẩn tương tự khó, trên cơ sở xây dựng mô hình lòng động với các chất liệu mô phỏng bùn cát đáy, bùn cát lơ lửng bằng vât liệu mới đảm bảo độ chính xác cao Ngòai ra trong mấy thập niên gần đây các nhà khoa học

đã ứng dụng GIS vào việc nghiên cứu dự báo biến hình ngang lòng dẫn …

Bên cạnh những tên tuổi mới xuất hiện như Cunge J.A (Pháp), Borgadi J.L (Hungari), Hâncu Simion (Rumani), Mamak W (Ba lan), Grisanihin K.V (Liên Xô) v.v… đã xuất hiện những công trình của tập thể tác giả hoặc tên của một cơ quan nghiên cứu như Bureau of Reclamation (Mỹ), SOGREAN (Pháp), VNIIG (Liên Xô), DELFT (Hà Lan), DHI (Đan Mạch), Đ H Vũ Hán (Trung Quốc)

Về công trình chỉnh trị sông đã có bước tiến khá ấn tượng trong những năm

gần đây, đặc biệt vào thời kỳ công nghệ mới vật liệu mới phát triển, những công trình chỉnh trị sông không còn nặng nề, phức tạp như trước đây Về kết cấu đã gọn

nhẹ hơn nhưng hiệu quả hơn như hệ dàn phao hướng dòng thay cho kè mỏ hàn,

thảm bê tông bơm trực tiếp trong nước thay cho rồng tre, rọ đá v.v

1.1.2 Nghiên c ứu về khai thác cát:

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, cát là một loại vật liệu quan trọng được

sử dụng nhiều trong xây dựng, san nền, gia cố nền móng trên nền đất yếu… Nhu

cầu sử dụng cát là rất lớn, đặc biệt trong những năm gần đây tốc độ đô thị hóa gia tăng đòi hỏi khối lượng cát khai thác càng lớn Cát thường được khai thác từ các mỏ cát lộ thiên, từ các bãi biển, nạo vét từ lòng sông, suối…

Trên thế giới, nhất là ở các nước đang phát triển đang diễn ra hết sức phức

tạp chủ yếu do chưa có quy hoạch, khả năng quản lý còn nhiều bất cập, ý thức của

cộng đồng còn kém Ngoài một số nước có các mỏ cát lộ thiên, việc khai thác cát

chủ yếu diễn ra trên các hệ thống sông suối

Khai thác cát là một trong những nguyên nhân trực tiếp gây ra xói lở bờ sông, làm biến đổi lòng dẫn, hạ thấp mực nước sông, suối gây ảnh hưởng tới các công trình trên tuyến Khai thác cát cũng là một trong số những nguyên nhân ảnh hưởng

tới hệ sinh thái ví dụ như rùa biển thường vào những bãi cát để làm tổ, khai thác cát làm cho cá sấu Garial ở Ấn Độ dần đến tuyệt chủng Xáo trộn của cát dưới nước khi khai thác sẽ làm tăng độ đục trong nước có hại cho các sinh vật cần ánh sáng mặt

trời Khai thác cát cũng làm ảnh hưởng tới ngành thủy sản gây ảnh hưởng tới sinh

kế của ngư dân Khai thác cát được quy định bởi pháp luật ở nhiều nơi nhưng tình

trạng khai thác cát bất hợp pháp vẫn lien tục xảy ra

Nh ững tác động bất lợi của việc khai thác cát:

Dòng sông Loire là một con sông dài nhất của Pháp, còn lưu giữ được nhiều nét tự nhiên nhất Nghiên cứu được thực hiện bởi Sở Thủy lực Trung tâm Pháp vào năm 1994 Đã thu thập số liệu về địa hình lòng sông, về quan hệ mực nước và lưu lượng của 50 trạm thủy văn, trên 450 Km chiều dài sông, nằm giữa Allier và Acenis, như trên Hình1.1

Hình1.1– Khu vực nghiên cứu hậu quả khai thác cát trên sông Loire

Kết quả so sánh mực nước mùa khô nhiều năm, cho thấy sự hạ thấp mực nước rất lớn trong suốt chiều dài đoạn sông nghiên cứu Mức nước hạ thấp không đồng đều dọc theo sông, thường lớn nhất ở gần các thành phố lớn: Ở Orlean hạ thấp 1,50 m, ở Tours 2,00 m và Ancenis trên 3,00 m Giá cát phụ thuộc chủ yếu vào chi phí vận chuyển, nhu cầu xây dựng ở các khu đô thị rất lớn, nên thường khai thác cát

tập trung vào đoạn sông gần đô thị Hình1.2 là đường quan hệ lưu lượng và mực nước sông đoạn chảy qua thành phố Tours Quan sát hình 1.2 cho thấy, nếu xét với

một lưu lượng dòng chảy Q, vào năm 1970 mực nước song cao hơn rất nhiều so với năm 1975 và 1977, điều này dẫn tới hiệu quả thấp, thậm chí là không còn khả năng

lấy nước của các công trình lấy nước xây dựng dọc song Điều gì đã dẫn tới tình

trạng hạ thấp mực nước dọc song như vậy? Đó là tình trạng hạ thấp cao trình đáy,

mà trong đó khai thác cát quá mức là một trong những nguyên nhân chính Hình 1.3

cho chúng ta thấy mức độ biến đổi cao độ lòng sông Loire từ năm 1900 đến 1990

Hình1.2– Đường quan hệ lưu lượng và mức nước sông Loire ở thành phố Tours

Hình1.3– Biến đổi cao độ lòng sông và mực nước trên sông Loire đo bởi CMB

Tại Trung Quốc: Hậu quả không tốt xảy ra do tình trạng khai thác cát quá

mức, không có quy hoạch trên sông Yangtze, là một thí dụ điển hình Khai thác cát trên sông Yangtze bắt đầu từ đầu những năm 1970, trên cả chiều dài sông Quy mô,

khối lượng, tốc độ khai thác cát trên sông gắn liền với tốc độ phát triển đô thị hóa

của khu vực Vì thu được lợi nhuận cao nên nhiều công ty khai thác cát hợp pháp và

bất hợp pháp thi nhau cải tiến kỹ thuật, mua sắm trang thiết bị với công suất lớn đến

500 tấn/giờ

Tính đến năm 2000, số điểm khai thác cát trên sông Yangtze đã vượt con số

70, với hơn 800 đơn vị khai thác lớn, nhỏ Tình trạng khai thác cát trên sông đã hết

khả năng kiểm soát của chính quyền địa phương, hậu quả đem lại là: nhiều đoạn đê

chống lũ vùng cửa sông bị đổ bể, gây thiệt hại hàng trăm triệu USD, đặt các vùng đất thấp phía hạ du vào tình trạng nguy hiểm [13]

Cùng với những thiệt hại lớn do ngập lũ, do sạt lở bờ sông vì lòng dẫn diễn

biến xói bồi bất quy luật, là những vấn đề xã hội rất bức xúc diễn ra thường xuyên như tranh chấp vị trí khai thác, cạnh tranh thị trường, tai nạn giao thông thủy v.v… Trước tình trạng phức tạp đó, chính phủ Trung Quốc đã phải ban hành lệnh cấm khai thác cát dưới mọi hình thức trên sông Yangtze trong vòng 3 năm kể từ năm

2001 Nhưng giải pháp ngưng khai thác cát trên sông không phải là giải pháp tối ưu

vì đã đẩy giá cát lên mức không thể chấp nhận được, một số lượng lớn người lao động bị mất việc, nhiều máy móc thiết bị bị hư hỏng theo thời gian, cản trở tốc độ phát triển kinh tế xã hội khu vực v.v…

Một điển hình khác về hậu quả không như mong muốn của việc khai thác cát trên sông, đó là những gì đã xảy ra trên 50 km chiều dài lòng sông Nilwala, miền Nam Sri Lanka [11] Có thể nói dọc theo chiều dài sông cứ trung bình 3 - 4 km có

một vùng mỏ khai thác cát với hàng trăm phương tiện thiết bị máy móc Thực trạng khai thác cát không có quy hoạch, khai thác quá mức trên sông đã gây ra nhiều vấn

đề môi trường như: Xói lở bờ sông, làm nhiều nhà cửa, cầu cống, công trình kiến trúc lâu đời bên sông bị dòng nước cuốn đi, gia tăng xâm nhập mặn, gây ô nhiễm môi trường nước, tác động bất lợi đến hệ sinh thái sông (Dulmini, 2009) Để giải quyết những vấn đề bức xúc về môi trường đang diễn ra trên sông Nilwala, chính

phủ Sri Lanka đã phải ban quyết định hành cấm hoàn toàn việc khai thác cát trên sông Đây lại là một quyết định bị động, thiếu tính khả thi vì rất khó thực hiện, do yêu cầu phát triển đất nước

Trên bước đường xây dựng và phát triển đất nước có thể chỉ ra hàng loạt các

quốc gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia đang và chậm phát triển đều gặp

phải những mâu thuẫn chưa thể giải quyết giữa lợi ích và những thiệt hại về kinh tế,

xã hội, môi trường do khai thác cát gây ra như Ấn Độ, Malaysia , Thái Lan, Lào v.v…Về việc khai thác cát sông không được kiểm soát đã đe dọa Ấn Độ, cát sông là quan trọng cho phúc lợi của con người Sông dài thứ hai Bharathappuzha của Ấn

Độ đã trở thành một nạn nhân của sự khai thác cát bừa bãi Các tạp chí Ấn Độ cùng nhau gần đây báo cáo, "Mặc dù rất nhiều điều cấm và các quy định, khai thác cát

vẫn tiếp tục phát triển nhanh chóng trên lòng sông của Bharathapuzha này Mực nước ngầm đã giảm đáng kể, và một vùng đất một thời được biết đến với thu hoạch lúa dồi dào của nó bây giờ phải đối mặt với sự khan hiếm nước Trong các làng và

thị trấn bên sông, mức nước ngầm đã giảm mạnh, giếng nước gần như quanh năm khô" Những lòng sông không được kiểm soát việc khai thác cát trong thập kỷ qua

đã làm thiếu hụt nguồn nước uống cho khoảng 700.000 người tại 175 làng mạc và

một số thị trấn

1.2 Các nghiên c ứu trong nước

1.2.1 Nghiên c ứu động lực học dòng sông:

Ở Việt Nam, nghiên cứu động lực học dòng sông được bắt đầu vào cuối

những năm 60 thế kỷ trước với các công trình phòng chống lũ lụt, giao thông thủy

và chống bồi lắng cửa lấy nước tưới ruộng trên các sông miền Bắc Các nghiên cứu ban đầu thường được tiến hành trong các phòng thí nghiệm của Viện Khoa học

Thủy lợi, Viện Thiết kế Giao thông Vận tải, Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại

học Thủy lợi Cách đây vài chục năm, các nghiên cứu trên mô hình toán mới được phát triển, với sự tham gia của các nhà khoa học thuộc Viện Cơ học Việt Nam, Viện Khí tượng Thủy văn Những vấn đề của động lực học dòng sông và chỉnh trị sông cũng được đưa vào đề tài trong các chương trình trọng điểm cấp nhà nước

Những nghiên cứu về dòng chảy sông ngòi, nổi bật có các công trình về chuyển động không ổn định của Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên, Lương Phương Hậu và sau này là Nguyễn Văn Điệp,

Trịnh Quang Hoà, Nguyễn Tất Đắc Những nghiên cứu về chuyển động bùn cát có các công trình của Lưu Công Đào, Vi Văn Vị, Hoàng Hữu Văn, Võ Phán

Trong giai đoạn 1970 đến 2001, xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về

diễn biến lòng sông và chỉnh trị sông Các vấn đề của các sông vùng đồng bằng Bắc

bộ xuất hiện nhiều trong các nghiên cứu của Vũ Tất Uyên, Lương Phương Hậu, Nguyên Văn Toán, Trần Xuân Thái, Trịnh Việt An, Trần Đình Hợi, Tôn Thất Vĩnh, Nguyễn Văn Phúc Các vấn đề của các sông vùng ĐBSCL được Lê Ngọc Bích,

Lương Phương Hậu, Nguyễn An Niên, Nguyễn Sinh Huy, Hòang Văn Huân, Lê

Mạnh Hùng, Lê Xuân Thuyên, nghiên cứu nhiều trong mười năm gần đây, các vấn

đề sông ngòi miền Trung có các nghiên cứu của Ngô Đình Tuấn, Đỗ Tất Túc, Nguyễn Bá Quỳ, Lương Phương Hậu, Trịnh Việt An, Nguyễn Văn Tuần

Hiện nay, nhà nước đang đầu tư các cơ sở nghiên cứu thí nghiệm chuyên sâu như phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực sông biển, phòng thí nghiệm phòng chống thiên tai Hoà Lạc, phòng thí nghiệm Động lực và Chỉnh trị sông của

Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, tại Bình Dương v.v… Về nhân lực, một lực lượng cán bộ khoa học trẻ được đào tạo trong nước và ngoài nước, đã nắm bắt được

một số thành tựu khoa học - công nghệ tiên tiến trên thế giới, chắc chắn sẽ có những đóng góp tích cực cho sự phát triển ngành khoa học động lực học dòng sông và

chỉnh trị sông ở nước ta

Đoạn sông Hậu – khu vực thành phố Long Xuyên trong những năm trước đã có những dự án, đề tài, điều tra cơ bản như đề tài cấp nhà nước KC.08.15 năm 2004,

(Lê Mạnh Hùng & nnk) “Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng lòng dẫn và đề xuất các bi ện pháp phòng chống cho hệ thống sông ở Đồng bằng sông Cửu Long”,Viện

KHTL miền Nam Đề tài đã sơ bộ xác định nguyên nhân xói bồi và bước đầu đưa ra giải pháp chỉnh trị cho đoạn sông Hậu khu vực Long Xuyên.Thiết kế “Công trình

Kè thành phố Long Xuyên ” được xây dựng năm 2004-2005; Điều tra cơ bản

thường xuyên, (Lê Thanh Chương) “ Đo đạc giám sát diễn biến sạt lở, bồi lấp lòng dẫn sông Cửu Long ( Từ Sa Đéc đến biên giới Việt Nam – Campuchia)”, đã thực

hiện đo đạc giám sát diễn biến lòng dẫn khu vực nghiên cứu năm 2007 và 2010

Điều tra cơ bản năm 2009, ( Đinh Công Sản) “Điều tra đánh giá các công trình

b ảo vệ bờ trên hệ thống sông Cửu Long và hệ thống sông Sài Gòn- Đồng Nai”,

nghiên cứu nguyên nhân và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố công trình kè tại thành phố Long Xuyên

1.2.2 Nghiên c ứu khai thác cát:

Nước ta mỏ cát trên cạn không nhiều, nhưng nhu cầu sử dụng cát làm vật liệu xây dựng, tôn nền, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng trên nền đất mềm

yếu rất lớn, vì thế hàng năm trên hệ thống sông suối của cả nước, hàng trăm triệu

m3 cát vẫn được khai thác Đặc biệt trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa gia tăng trên phạm vi cả nước, đòi hỏi khối lượng cát khai thác trên hệ thống sông suối càng lớn

Cũng như tình hình chung ở các nước đang phát triển trên thế giới, hoạt động khai thác cát trên các sông suối ở nước ta còn nhiều bất cập:

- Chưa có quy hoạch khai thác cát trên toàn tuyến sông, chưa xác định được tiêu chí ràng buộc, chưa xác định được các thông số kỹ thuật của từng vị trí khai thác cát (khối lượng, quy mô, vị trí, thời gian, quy trình, kỹ thuật khai thác);

- Chưa phân định rõ trách nhiệm quản lý khai thác giữa các cơ quan cấp trung ương và địa phương;

- Cơ chế chính sách quản lý, chế tài thưởng phạt trong hoạt động khai thác cát chưa đầy đủ, không thống nhất trên cả nước;

- Ý thức tự giác của cộng đồng bảo đảm quyền lợi chung của tập thể, của quốc gia còn kém, chính vì vậy, tình trạng khai thác cát bừa bãi, trên hệ thống sông suối cả nước, với đủ các loại phương tiện thô sơ, hiện đại, tự chế, tự cải tiến v.v… nhằm tận thu đến mức tối đa nguồn tài nguyên “trời cho” cát sông mà không nghĩ tới những

hậu quả xấu xảy ra

Thuy ền khai thác trên sồng Hồng Khai thác cát trên sông Yên - Đà Nẵng

Khai thác cát trên sông H ậu - Trà Ôn Vĩnh Long

Hình1.4: M ột số hoạt động khai thác cát trên các tuyến sông

Hoạt động khai thác cát trái phép trên sông Hồng đã trở thành vấn nạn, nhiều địa phương và các cơ quan chức năng đã cố gắng rất nhiều nhưng vẫn chưa giải quyết dứt điểm được nạn “cát tặc” Hậu quả của việc khai thác cát không có tổ chức trên sông Hồng đã tạo ra nhiều hố xói sâu, ghềnh cạn, thậm chí còn tạo ra những

Khai thác cát trên sông Tiền

khu v ục Tân Châu

Khai thác cát trên sông Tiền Phía dưới cầu Mỹ Thuận

hầm ếch lớn sát chân đê, tạo ra những xoáy nước lớn, mạch động lưu tốc cao, gây

mất ổn định lòng dẫn, mất ổn định đê mà hàng năm nhà nước và các chính quyền địa phương phải tốn phí hàng trăm tỷ đồng để duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa những đoạn đê xung yếu Bên cạnh đó là vấn đề xã hội cần phải giải quyết, mất trật tự trong những phi vụ tranh chấp mỏ, tranh chấp bãi, thương lái, cản trở giao thông

thủy, bộ tại các khu vực bãi cát hai bên bờ v.v… Tình trạng này cũng xảy ra tương

tự trên sông Mã, sông Chu, sông Trà Khúc, sông Thu Bồn, sông Dinh, sông Đồng Nai –Sài Gòn v.v… Đặc biệt trên hệ thống sông Cửu Long, trữ lượng cát không nhiều, chất lượng cát không tốt nhưng nhu cầu cần khai thác rất lớn

Ở ĐBSCL, cát làm vật liệu xây dựng và san lấp nền có một nhu cầu rất lớn Khoảng từ năm 2004 trở lại đây, hoạt động khai thác cát trên sông Cửu Long diễn ra rất phức tạp Theo kết quả điều tra cho thấy, hiện nay có hàng ngàn phương tiện khai thác cát lớn nhỏ hoạt động cả ngày lẫn đêm Trong đó chỉ có 58 tổ chức được các địa phương cấp giấy phép khai thác, với hơn 100 phương tiện khai thác, số còn lại là khai thác trái phép Trong số 58 tổ chức được phép khai thác cát trên sông Cửu Long, thì phần lớn là thực hiện không đúng với giấy phép quy định, vượt khối lượng, sai vị trí, không đảm bảo kích thước quy định v.v… Hậu quả của hoạt động khai thác cát trái phép trên sông Cửu Long không chỉ là nguyên nhân gây ra sạt lở

bờ sông, bồi lắng lòng dẫn làm giảm khả năng thoát lũ mà còn gia tăng bồi lắng tại

vị trí cửa các công trình thủy lợi, làm gia tăng xâm nhập mặn vào trong nội đồng, tác động không tốt tới môi trường tự nhiên dọc chiều dài sông

Trước những hạn chế của hoạt động khai thác cát gây ra cho môi trường tự nhiên và xã hội ở nước ta trong những năm qua, các bộ, ngành, địa phương đã cho

tiến hành một số nghiên cứu nhằm đề xuất các giải pháp giảm thiểu mặt bất lợi, phát huy mặt lợi Tuy vậy những nghiên cứu trước đây chỉ tiến hành trên phạm vi hẹp, cho từng đoạn sông và kết quả nhận được cũng chưa đạt được độ chính xác cao Nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ, Đánh giá tiềm năng cát trên sông Hồng đoạn chảy qua Hà Nội; GS.TS Vũ Chí Hiếu, Báo cáo kết quả thăm dò cát lòng sông Đồng Nai đọan từ Tân Uyên đến Cát Lái, Báo cáo kết quả thăm dò cát lòng

sông H ậu đọan từ Châu Đốc đến Long Xuyên mới xác định được các mỏ cát trên

sông Đồng Nai, sông Hậu thông qua việc khảo sát thăm dò trực tiếp; Một số đánh giá tác động môi trường trong và sau khi khai thác cát được thực hiện tại một số mỏ cát lớn trên sông Cửu Long như: Tân Châu, Mỹ Thuận, Vĩnh Long v.v… chỉ phân tích đánh giá mang tính định tính, chủ quan, chưa đủ cơ sở khoa học, mặt khác

những nhận định này chỉ thực hiện cho một đoạn sông (cục bộ) vì thế mọi thay đổi

nhỏ của vùng thượng, hạ nguồn đều ảnh hưởng tới kết quả đã đưa ra Mặc dù khai thác cát là một trong những nguyên nhân gây ra sạt lở bờ sông nhưng đến nay chưa

có nghiên cứu nào đi sâu về vấn đề này Trong những năm gần đây có một vài nghiên cứu về vấn đề này nhưng cũng chỉ dừng ở một khu vực, tiêu biểu là nghiên

cứu của PGS TS Lê Mạnh Hùng về ứng dụng mô hình tóan 2D mô phỏng một số

kịch bản khai thác cát gây ảnh hưởng tới chế độ lòng dẫn và dòng chảy trên sông

Tiền, khu vực Tân Châu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI PHÁP BẢO VỆ, PHÒNG

CH ỐNG SẠT LỞ BỜ SÔNG 2.1 Các gi ải pháp phòng chống xói lở

2.1.1 T ổng hợp các giải pháp phòng chống xói lở

Xói lở bờ sông là một hiện tượng tự nhiên gắn liền với quá trình vận động và phát triển của sông Xói lở bờ sông xảy ra do nhiều nguyên nhân và nhân tố ảnh hưởng Nhưng nói chung phụ thuộc vào khả năng gây xói lở của dòng nước và sức

chịu đựng của lòng dẫn dưới tác động của dòng nước và các tác động khác từ bên ngoài Xói lở bờ, lòng dẫn gây ra thiệt hại nặng nề về cơ sở vật chất, nhà cửa, vườn tược…thậm chí uy hiếp đến tính mạng của những người dân sống ven bờ Để hạn chế thiệt hại do xói lở gây ra, giải pháp triệt để là ngăn chặn những nguyên nhân gây ra xói lở, tức là tìm ra giải pháp làm giảm nhỏ khả năng gây xói của dòng nước

và tìm biện pháp tăng cường khả năng kháng cự của bờ sông

Các giải pháp phòng chóng xói lở được chia thành hai nhóm chính : Nhóm

giải pháp phi công trình và nhóm giải phảp công trình được thể hiện trong sơ đồ sau

Hình2.1 Sơ đồ các giải pháp phòng chống xói lở [6]

2.1.2 Khái quát một số giải pháp phòng chống xói lở đã được ứng dụng

Điều kiện tự nhiên, xã hội, môi trường cùng nguyên nhân, cơ chế xói lở bờ ở

những đoạn sông khác nhau, vào các thời điểm khác nhau rất khác nhau, bởi vậy

giải pháp giảm nhẹ thiệt hại do hiện tượng xói lở bờ sông cho từng vị trí, từng khu

vực phải có nét đặc trưng riêng Khi xét chọn giải pháp, phương án cho từng vị trí,

từng khu vực cụ thể cần xem xét một cách tòan diện về điều kiện tự nhiên và các

giải pháp, các phương án, xem xét đặc tính kỹ thuật cùng khả năng áp dụng từ đó

mới có thể chọn được giải pháp phù hợp nhất, đem lại hiệu quả cao nhất

- Giải pháp ngăn ngừa điều kiện phát sinh xói lở

Giải pháp này ngăn ngừa trước khả năng phát sinh ra dòng chảy có vận

tốc lớn, ngăn ngừa sóng tàu thuyền và gia tải quá nặng làm khối đất bờ bị phá vỡ

kết cấu, là điều kiện đầu tiên phát sinh xói lở bờ Giải pháp ngăn ngừa những tác động bất lợi của dòng chảy do lũ tập trung nhanh, vận tốc dòng chảy lớn tạo khả năng phát sinh lũ quét và xói bồi lòng dẫn Giải pháp ngăn ngừa tác động bất lợi của dòng chảy được tiến hành trên vùng thượng nguồn lưu vực thông qua việc trồng cây

phủ xanh đồi trọc, xây dựng hồ chứa trên thượng nguồn Phạm vi ứng dụng ở những lưu vực sông có điều kiện tự nhiên cho phép và phải được sự đồng ý của các quốc gia có sông chảy qua

Giải pháp ngăn ngừa trước tác động bất lợi của sóng tàu thuyền, của tình

trạng gia tải quá mức lên mép bờ sông phải được tiến hành thông qua việc quy hoạch tuyến luồng giao thông thủy, phạm vi xây dựng nhà cửa, cơ sở hạ tầng bên mép bờ sông Để phát huy các giải pháp nêu trên được đầy đủ khả năng của nó cần tuyên truyền, nâng cao nhận thức người dân để họ có ý thức thực hiện và bảo vệ các nguyên tắc cơ bản đã được đặt ra

- Giải pháp tránh né, di dời nhà cửa, cơ sở vật chất …ra khỏi các khu vực có

khả năng xảy ra xói lở bờ

Xói lở bờ thường gây tổn thất to lớn về của cải vật chất lẫn sinh mạng con người, tuy nhiên việc chống xói lở cũng tốn kém không nhỏ, nhất là ở đọan sông sâu, vận tốc lớn Bởi vậy các cơ sở hạ tầng, nhà cửa … được xây dựng trong tương

lai, cần phải xây dựng ở nơi an tòan, cách xa khu vực có khả năng xảy ra xói lở bờ

Với các cơ sở hạ tầng, nhà cửa đang nằm trong khu vực có khả năng xói lở cần được nghiên cứu xem xét di dời đi nơi khác trước khi xảy ra sạt lở

Giải pháp này muốn thực hiện có hiệu quả cần phải có những dự báo kịp thời

ở những vị trí có khả năng xảy ra sạt lở để có kế hoạch di dời kịp lúc giảm nhẹ nhất những thiệt hại do sạt lơt gây ra

- Giải pháp bị động chống xói lở bờ sông

Giải pháp bị động chống xói lở bờ sông, là giải pháp chỉ tác động vào lòng dẫn, là giải pháp công trình gia cố bờ, nhằm giữ ổn định bờ khỏi tác động xâm thực

của dòng chảy, của sóng, của nước ngầm và những tác động phá họai khác, bảo đảm

an toàn cho mục tiêu bảo vệ Công trình gia cố bờ tác động trực tiếp lên lòng dẫn, tăng khả năng chống đỡ của lòng dẫn, không phá họai kết cấu dòng chảy, chính là loại công trình mang tính phòng ngự

Công trình gia cố bờ thường ứng dụng những nơi không được thu hẹp lòng sông, cần giữ thế sông hiện có hoặc khi chưa nắm được quy luật nhưng cần ứng phó

kịp thời

Yêu cầu chung đối với giải pháp gia cố bờ là giữ ổn định trước các tác động gây xạt lở, phải thích hợp với biến dạng của bờ và lòng sông Công trình gia cố bờ thường gồm ba phần:

+ Phần ngầm, phần công trình dưới mực nước kiệt có nhiệm vụ bảo vệ chân,

với hình thức và kết cấu phù hợp điều kiện thi công trong nước, không bị phá hoại khi lòng sông biến đổi, không bị dòng nước cuốn trôi, vật liệu bền trong môi trường nước, thường là rọ đá, bao cát, thảm bê tông hay rồng đá

+ Phần nằm trong phạm vi dao động của mực nước, trong phạm vi này công trình chịu tác dụng của dòng chảy, tác dụng của sóng, va đập của vật trôi nổi và hoạt động của con người Vì có thể thi công trên cạn nên cần chọn giải pháp công nghệ phù hợp để đạt hiệu quả kinh tế – kỹ thuật Thông thường phần gia cố bờ trong

phạm vi mực nước dao động thường sử dụng giải pháp đá xếp khan, đá xây, bê tông

đổ tại chỗ, bê tông đúc sẵn, bê tông tự chèn hay thảm bê tông bơm trực tiếp trong nước

+ Phần công trình trên mực nước lũ, với nhiệm vụ chống sự phá họai của mưa, gió và các hoạt động của con người Thông thường phần bờ trên mực nước lũ

rất ngắn, nên dạng kết cấu giống phần dưới Công trình gia cố bờ ở những khu vực thành phố, đô thị, phần gia cố này thường được coi trọng về mỹ quan và những ứng các nhu cầu họat động đa dạng của con người: bậc lên xuống, lan can, bến tàu…

- Giải pháp chủ động chống xói lở bờ sông

Giải pháp công trình chống xói lở bờ sông, có thể xây dựng cách xa hay ngay khu vực bờ sông bị sạt lở như kênh phân dòng, mỏ hàn, đập thuận dòng, đập khóa, phao lái dòng …, tác động trực tiếp vào dòng chảy làm thay đổi hướng, kết cấu và

độ lớn dòng chảy vì vậy được gọi là giải pháp công trình chủ động

Kênh phân dòng có tác dụng phân bớt dòng chảy vào kênh, do đó giảm được dòng chảy qua khu vực bị lở vì thế mức độ sạt lở giảm đi Kênh thường được đào phía bờ lồi, cửa vào kênh thuận dòng, nằm phía thượng lưu khu vực xói lở bờ Thi công kênh chỉ cần khơi dòng sau đó dòng chảy tự mở rộng mặt cắt

Mỏ hàn là loại công trình được sử dụng rộng rãi nhất trong chỉnh trị sông

Mỏ hàn có tính năng thu hẹp lòng sông, điều chỉnh dòng chảy, bảo vệ bờ, bao gồm

3 bộ phận : mũi, thân và gốc Gốc mỏ hàn nối với bờ, mũi nhô ra ngoài lòng sông,

vị trí mũi mỏ hàn là biên giới hạn tuyến chỉnh trị

Căn cứ vào mức độ ảnh hưởng của mỏ hàn đối với dòng chảy chia ra mỏ hàn dài và mỏ hàn ngắn Mỏ hàn dài có tác dụng thu hẹp lòng sông, làm thay đổi vị trí

của trục động lực, còn mỏ hàn ngắn có tác dụng bảo vệ bờ sông, chống xói lở, bảo

vệ các bãi và uốn nắn đường vận tải thủy Sự phân chia này không có tiêu chuẩn

thống nhất Gọi chiều dài mỏ hàn là LMH , theo Altunin S.T [3], [4]với,

LMH> 0,33 By cosα

được gọi là mỏ hàn dài,

LMH< 0,33 By cosα

thuộc lọai mỏ hàn ngắn, trong đó By là chiều rộng ổn định của sông, α là góc giữa

trục mỏ hàn và phương dòng chảy

Ngoài ra còn có thể phân loại mỏ hàn theo góc nghiêng hay so sánh cao trình đỉnh mỏ hàn với mực nước dâng bình thường người ta chia ra mỏ hàn nổi và mỏ hàn chìm Hiện nay vật liệu làm mỏ hàn thông dụng nhất là đá đổ, bao tải cát cùng

lớp rọ đá bảo vệ hay hàng cọc bê tông đóng xuống lòng dẫn

Đập thuận dòng là công trình theo phương dọc có chức năng thu hẹp lòng sông, điều chỉnh hướng dòng chảy, điều chỉnh đường bờ Đập thuận dòng thường

bố trí tại đoạn quá độ có dòng chảy phân tán, vùng phân lưu và hợp lưu của đoạn sông phân lạch đuôi bờ lõm và vùng cửa sông

Phao lái dòng có tác dụng lái dòng chảy, ngăn dòng chảy có vận tốc lớn tác động trực tiếp vào khu vực bờ lở Phao lái dòng là một lọai công nghệ mới có nhiều

ưu điểm, có khả năng sử dụng nhiều lần, ở nhiều vị trí vì khả năng tháo lắp dễ dàng

2.2 Lựa chọn mô hình toán

Hiện nay có nhiều mô hình toán mô phỏng quá trình diễn biến hình thái sông

biển như: mô hình toán họ MIKE của Viện Kỹ thuật Tài nghuyên nước và môi trường của Đan Mạch (DHI Water & Environment), mô hình HEC của Mỹ, WROCLAW của trường Đại học Nông nghiệp Warszaw ( Ba Lan) v.v… Trong nước cũng có mô hình Hydrogis của TS Nguyễn Hữu Nhân, mô hình toán 3 chiều lòng động của TS Lê Song Giang

Trong các loại mô hình đó, mô hình MIKE đã được ứng dụng khá phổ biến trong và ngoài nước để nghiên cứu động lực và diễn biến xói bồi lòng sông, cửa sông, ven biển và ngoài khơi

Vì vậy, trong đề tài này sẽ sử dụng mô hình Mike21FM để tính toán, nghiên cứu giải pháp chống xói lở, bồi lắng cho khu vực nghiên cứu

MIKE 21 được xây dựng và phát triển bởi viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute – DHI), là bộ phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy tự do,

vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và sóng trong sông, hồ, cửa sông, bờ biển và nhiều khu vực dòng chảy khác

Mike 21FM là phiên bản hình thành về sau do nhu cầu mô phỏng hình thái sông, được xây dựng trên hệ tọa độ lưới phi cấu trúc, được xây dựng dựa trên việc

giải hệ phương trình Saint-Vernant cho dòng chảy 2 chiều (hướng dọc sông và hướng ngang), sử dụng hệ số Reynold trung bình và phương trình Navier-Stoké cho những yêu cầu giả định của phương trình Boussinesq về áp lực thủy tĩnh Các phương trình cơ bản bao gồm: phương trình liên tục, phương trình mô men, phương trình nhiệt độ, phương trình độ mặn và phương trình mật độ Mô hình gồm 3 mô đun chính: mô đun tính thủy lực, mô đun tính bùn cát và mô đun hình thái Ngoài ra còn có nhiều mô đun nhỏ mô phỏng các công trình trên sông, bãi giữa… Trong mô hình này, cả hệ toạ độ Đê-các-tơ và toạ độ hình cầu đều được sử dụng, các yếu tố

thủy lực và bùn cát được lấy trung bình

Hình 2.2: H ệ thống lưới phi cấu trúc trong mô hình Mike 21FM

2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 21FM

- Mô hình thủy động lực học

Module dòng chảy Mike21FM

Mô đun MIKE 21-HD chủ yếu tính dòng chảy không ổn định trong vùng nước tương đối nông Nó tính đến những ảnh hưởng của thuỷ triều, gió, áp suất không khí,

chênh lệch về mật độ (do nhiệt độ và độ muối), sóng, rối và các điểm khô ướt ở các bãi sông Phương trình của dòng chảy trong mô đun này như sau

Phương trình mô phỏng chuyển động của dòng chảy 2 chiều ngang được tích phân

từ phương trình 3 chiều theo chiều đứng thể hiện các quá trình bảo toàn vật chất (2.1) và động lượng (2.2).(2.3) của dòng chảy như sau:

(2.2)

(2.3)

Trong phương trình các ký hiệu được sử dụng như sau:

- - độ sâu mực nước tại điểm (x,y) tính từ 0

- - cao độ mặt nước tính từ 0

- - mật độ thông lượng theo chiều x và y (m3

/s/m=(uh,vh); (u,v) vận tốc trung bình theo chiều sâu theo hướng x và y)

∂

∂+

∂

∂

y

q x

p t

2 2 2

=

∂

∂+

−Ω

∂

∂

−

++

∂

∂+

∂

∂

a w x

xy xx

w

p x

h fVV q

h y

h x h

C

q p gp x

gh h

pq y h

p x t

p

ρ

ττ

ρς

( ) 0

1

2 2

2 2 2

=

∂

∂+

−Ω

∂

∂

−

++

∂

∂+

∂

∂

a w y

xy yy

w

p y

h fVV p

h x

h y h

C

q p gq y

gh h

pq x h

q y t

q

ρ

ττ

ρς

),,(x y t

h

),,(x y t

ς

),,(,,q x y z

p

),,(x y t

),(x y

Ω

),,(x y t

p a

w

ρ

yy xy

xx τ τ

τ , ,

Phương pháp giải ẩn luân hướng (ADI) với thuật toán quyét kép (DS) đối với ma

trận của từng hướng được sử dụng để giải số hệ phương trình liên tục và bảo toàn

động lượng của dòng chảy

Kh ả năng ứng dụng của mô hình

Với ưu điểm của hệ thống lưới phi cấu trúc trong mô hình Mike 21FM và cơ

sở khoa học của nó, cho thấy mô hình có thể ứng dụng cho các loại bài toán sau: + Nghiên cứu chế độ thủy lực tổng thể trên toàn đoạn sông và chi tiết tại từng

vị trí, bao gồm những đặc trưng về mực nước, lưu lượng, vận tốc dòng chảy

và phân bố của chúng theo 2 phương trên mặt phẳng nằm ngang Ngoài ra,

mô hình còn có khả năng tính toán dòng chảy vòng ở những đoạn sông cong, thành phần quan trọng trong nghiên cứu xói lở bờ sông

+ Tính toán và dự báo biến hình lòng dẫn (xói, bồi lòng sông) và xói lở bờ sông trong trạng thái tự nhiên cũng như dưới các kịch bản khai thác dòng sông khác nhau với thời gian dự báo ngắn hạn (trong 1 mùa lũ) và dài hạn (từ

3 năm đến 30 năm)

+ Tính toán nghiên cứu sự biến đổi của các đặc trưng dòng chảy khi thay đổi kịch bản khai thác lòng dẫn

- Mô hình diễn biến hình thái sông

MIKE 21 ST là mô đun tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích (cát) không kết dính dưới tác động của cả sóng và dòng chảy Các thành phần vận chuyển trầm tích

có thể gây ra biến đổi đáy Việc tính toán được thực hiện dưới điều kiện thuỷ động

lực cơ bản tương ứng với độ sâu đã cho Không có sự tương tác trở lại của thay đổi

độ sâu đến sóng và dòng chảy Do đó, kết quả cung cấp bởi MIKE 21 ST có thể được sử dụng để xác định khu vực có khả năng xói hoặc bồi và để chỉ ra tốc độ biến đổi đáy nhưng không xác định được việc cập nhật độ sâu ở cuối mỗi chu kỳ tính toán

Đặc trưng chính của mô đun vận chuyển trầm tích không kết dính MIKE 21

ST được mô tả như sau:

- Các đặc trưng của vật chất đáy có thể không đổi hoặc biến đổi theo không gian (ví dụ tỉ lệ và cỡ hạt trung bình)

- Năm lý thuyết vận chuyển trầm tích khác nhau đều có giá trị cho việc tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích trong điều kiện chỉ có dòng chảy:

+ Lý thuyết vận chuyển tổng tải Engelund và Hansen

+ Lý thuyết vận chuyển tổng tải (được xác định như tải đáy + tải lơ lửng) Engelund và Fredsoe

+ Công thức vận chuyển tổng tải (tải đáy + tải lơ lửng) Zyserman và Fredsoe

+ Lý thuyết vận chuyển tải đáy Meyer-Peter

+ Công thức vận chuyển tổng tải Ackers và White

- Hai phương pháp có giá trị để tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích kết hợp

giữa sóng và dòng chảy

+ Áp dụng mô đun vận chuyển trầm tích STP của DHI

+ Phương pháp vận chuyển tổng tải của Bijker

- Phương pháp vận chuyển cát do người sử dụng xác định (2 chiều hoặc tựa 3 chiều) trong tính toán kết hợp sóng và dòng chảy khi mô đun STP được sử dụng Tính toán tốc độ vân chuyển được đẩy mạnh thông qua việc sử dụng bảng vận chuyển trầm tích được tạo ra trước đó

- Sử dụng STP cho phép tính toán ảnh hưởng của hiện tượng sau đến tốc độ

vận chuyển trầm tích:

+ Hướng truyền sóng bất kỳ tác động đến dòng chảy

+ Sóng vỡ hoặc sóng không vỡ

+ Đặc tính hình học của vật chất đáy được mô tả thông qua một loại cỡ hạt

hoặc đường cong phân bố cỡ hạt

+ Đáy phẳng hoặc đáy gợn cát

- Tính ổn định chuẩn Courant-Friedrich-Lewy

Phân bố thẳng đứng của trầm tích lơ lửng trong tính toán sóng kết hợp với dòng chảy dùng để đánh giá vận chuyển trầm tích trong biển Cách thông thường để

mô tả phân bố thẳng đứng của trầm tích lơ lửng đó là áp dụng phương trình khuếch tán:

(2.4) trong đó c là nồng độ trầm tích; t là thời gian; w là tốc độ chìm lắng của trầm tích lơ

lửng; y là toạ độ thẳng đứng; εs là thừa sô trao dổi rối

2.2.2 Xây dựng mô hình Mike 21FM khu vực nghiên cứu

- Sơ đồ lưới tính toán:

Sử dụng mô hình lưới tam giác với 9001 phần tử và 5294 nút bao toàn bộ miền tính (Hình 2.3)

- Điều kiện ban đầu và điều kiện biên :

Địa hình khu vực tính toán được thiết lập dựa trên tài liệu khảo sát của Viện Khoa học thủy lợi miền Nam năm 2010 Mô hình có hai biên hở, trong đó tại biên thượng lưu sử dụng biên lưu lượng còn biên hạ lưu sử dụng biên mực nước Như đã

đề cập ở trên thì số liệu sử dụng làm điều kiện biên cho mô hình MIKE 21FM được trích xuất từ kết quả tính toán từ mô hình MIKE11 Thời đoạn mô phỏng của mô hình từ tháng 6 năm 2010 đến tháng 12 năm 2010

Hình 2.3 Lưới tính tóan của mô hình MIKE 21FM cho khu vực nghiên cứu

c w dt

dc

s

ε

Hình 2.6- Biên mực nước hạ lưu được xác định bằng mô hình Mike 11

Các thông số tính tóan khác:

- Tham số thủy động lực (HD parameters): Có thể sử dụng các tham số mặc

định về hệ số nhớt rối (Eddy Viscosity) và hệ số nhám (Resistance) Các hệ số này

sẽ được hiệu chỉnh trong phần hiệu chỉnh mô hình

- Tham số về hình thái sông (Morphology parameters): Lựa chọn đường kính

hạt cát lòng dẫn phù hợp với khu vực mô phỏng (0,15mm cho khu vực Long Xuyên) Lựa chọn công thức tính vận chuyển bùn cát bất kỳ Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình sẽ tìm ra công thức thích hợp nhất