Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính và xây dựng chương trình tính toán biến hình mặt cắt kênh dẫn sau khi cắt sông bằng kênh mồi tại vùng triều ở đồng bằng Nam Bộ

Dựa trên phương pháp tính được trung bình hóa của Tạ Giám Hoành (Trung Quốc), tác giả hoàn thiện phương pháp tính và xây dựng chương trình tính tự động áp dụng phù hợp hơn trong điều kiện đồng bằng chịu ảnh hưởng thủy triều ở Nam Bộ. Khi ứng dụng thực tế cho công trình cắt sông khu vực bán đảo Thanh Đa, sông Sài Gòn. Kết quả ứng dụng cho thấy, diễn biến sau cắt sông bằng kênh mồi khá chậm, thời gian diễn biến để kênh dẫn có thể thay thế sông cong cũ có thể kéo dài hàng vài thập kỷ, tuyến kênh mồi muốn phát triển nhanh cần phải có giải pháp hỗ trợ giảm bớt dòng chảy vào sông cũ, mặt cắt ban đầu kênh mồi cần được đào đến gần mặt cắt ổn định theo quan hệ hình thái.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU HỒN THI ỆN PHƯƠNG PHÁP TÍNH VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN BIẾN HÌNH MẶT CẮT KÊNH DẪN SAU KHI CẮT SƠNG BẰNG KÊNH MỒI TẠI VÙNG TRI ỀU Ở ĐỒNG BẰNG NAM BỘ Lê Văn Tuấn Viện Kỹ thuật Biển Tóm tắt: Sông uốn khúc tồn phổ biến Đồng Nam Bộ (ĐBNB) Trên sông uốn khúc xuất đoạn sơng có hình dạng dị thường gọi đoạn sông cong gấp Các đoạn sông cong gấp gây bất lợi cho việc khai thác tổng hợp dòng sơng vấn đề giao thơng thủy, xói lở, lũ – chống ngập Chỉnh trị đoạn sông cong gấp theo hình thức cắt sơng giải tốt tồn trên, nhiên, việc chưa có cơng cụ tính tốn biến hình lịng dẫn sơng cũ kênh dẫn sau cắt sông hỗ trợ việc thiết kế, dự báo với dạng cơng trình nên giải pháp cắt sơng lựa chọn Dựa phương pháp tính trung bình hóa Tạ Giám Hồnh (Trung Quốc), tác giả hồn thiện phương pháp tính xây dựng chương trình tính tự động áp dụng phù hợp điều kiện đồng chịu ảnh hưởng thủy triều Nam Bộ Khi ứng dụng thực tế cho cơng trình cắt sơng khu vực bán đảo Thanh Đa, sơng Sài Gịn Kết ứng dụng cho thấy, diễn biến sau cắt sông kênh mồi chậm, thời gian diễn biến để kênh dẫn thay sơng cong cũ kéo dài hàng vài thập kỷ, tuyến kênh mồi muốn phát triển nhanh cần phải có giải pháp hỗ trợ giảm bớt dịng chảy vào sông cũ, mặt cắt ban đầu kênh mồi cần đào đến gần mặt cắt ổn định theo quan hệ hình thái Từ khóa: Đồng Nam Bộ, sông uốn khúc, kênh mồi, bán đảo Thanh Đa, cắt sông cong Summary: Meandering river are quite common in the Southern Deltas, some of these rivers occurs abnormal bends, so call Ω shape bend These abnormal bends are a detrimental issue in integrated exploiration of the river such as inland navigation, river bank erosion, flooding drainage Training these abnormal bends could use a cut-off canal (pilot channel), however there is no calculation procedures about the morphological change Rely on the theory of Xie Jian Heng (Chinese), author completes the methodology and programing of an auto-calculation which is suitable for tidal zone in the sourthern deltas The application is used for Thanh Da Peninsula in Sai Gon River The result shows that the development of cut-off canal occurs slowly, the change of cut-off canal could be lasting in several decades In order to increase the development of canal morphology, it is better to reduce the flow in main river and also the cut-off canal should excavated nearly to the stable shape Keywords: southern deltas, meandering river, pilot channel, Thanh Đa peninsula, cutoff meander * Các đoạn sông cong gấp tồn phổ biến tuyến sông uốn khúc nước ta, vùng đồng Bắc Bộ đồng Nam Bộ khu vực có nhiều đoạn cong gấp Đối với khu vực Đồng Nam Bộ (ĐBNB), đoạn sơng cong gấp có hệ số cong lớn chủ yếu tập trung hạ châu thổ sơng Đồng Nai – Sài Gịn (SĐN-SG) khu vực bán đảo Cà M au [1], [2], [3] Ngày nhận bài: 13/10/2015 Ngày thông qua phản biện: 14/11/2016 Ngày duyệt đăng: 28/12/2016 Chỉnh trị đoạn sông cong gấp đáp ứng mục tiêu phịng chống xói lở, cắt ngắn lộ trình chạy tàu, tiêu úng lũ ln nhiệm vụ quan trọng địa phương Trong giải ĐẶT VẤN ĐỀ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 36 - 2016 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ pháp lựa chọn để chỉnh trị đoạn sông cong gấp, giải pháp gia cố bờ lõm sông cong giải pháp lựa chọn có ưu điểm làm thay đổi trạng khu vực chỉnh trị động lực dòng chảy vấn đề phi kỹ thuật, ra, giải pháp gia cố bờ sơng có nhiều nghiên cứu cơng cụ tính tốn Nhược điểm giải pháp không giải triệt để vấn đề sơng cong gấp cắt ngắn lộ trình chạy tàu, tiêu úng - thoát lũ cần kinh phí thường xun để tu bảo dưỡng cơng trình kè phía bờ lõm Giải pháp cắt sơng giải tốt vấn đề nêu nhiên thời gian qua chưa lựa chọn nhiều nhiều nguyên nhân có nguyên nhân cơng cụ hỗ trợ tính tốn dự báo diễn biến sau cắt sơng M ột vài cơng trình cắt sông miền Bắc không thành công [6] Tại miền Nam, khu vực ĐBNB số cơng trình cắt sông chủ động tự phát thực chưa có nghiên cứu s khoa học yêu cầu cao trình độ sử dụng mơ hình đặc biệt mơ chu trình phát triển hoàn toàn từ kênh mồi mở rộng trở thành sông lớn điều kiện vùng đồng chịu ảnh hưởng thủy triều kéo dài hàng trăm năm khó khả thi Vì vậy, để giải vấn đề này, dùng giải pháp truyền thống mơ hình hóa tượng tự nhiên hệ phương trình đơn giản giải chúng theo phương pháp gần phù hợp Cơ chế tác động để chỉnh trị đoạn sông cong gấp gồm chế chủ yếu [9]: (1) Bạt mom gia cố bờ lõm sông cong; (2) Đào kênh tắt trì tuyến sơng cũ; (3) M kênh tắt lấp sơng cũ Trong chế (2) (3) liên quan đến hình thức cắt sơng kênh mồi Để phục vụ cho việc tính tốn biến hình lịng dẫn kênh đào sơng cũ sau tiến hành cắt sơng, GS.Tạ Giám Hồnh (Đại học Vũ Hán – Trung Quốc) phát triển phương pháp tính tốn cắt sơng đặc thù cho cơng trình cắt sơng thuộc chi lưu sơng Trường Giang, phương pháp tính tốn áp dụng cho vùng thượng châu thổ sơng Trường Giang Phương pháp GS.Lương Phương Hậu giới thiệu “Chỉ dẫn kỹ thuật cơng trình chỉnh trị sông” [6] Tuy nhiên, vài điểm hạn chế Phương pháp Tạ Giám Hồnh như: (1) Chưa có phần mềm tính tốn theo hướng tự động hóa; (2) Điều kiện áp dụng cho vùng thượng châu thổ sông Trường Giang khác biệt nhiều so với vùng ĐBNB độ dốc mặt nước lớn, lịng sơng chủ yếu cát khơng phải bùn sét dính xen lẫn cát mịn ĐBNB, đoạn sông áp dụng không chịu tác động thủy triều khu vực ĐBNB Ngoài ra, hệ số quan hệ hình thái ổn định tuyến kênh đào khác biệt so với vùng nghiên cứu Nhiệm vụ quan trọng thiết kế công trình cắt sơng kiểu tính tốn biến hình lòng dẫn để dự báo hiệu việc cắt sông: Sự phát triển mở rộng mặt cắt kênh dẫn; biến hình hình thái đoạn sơng cũ M ặc dù, khoa học động lực sông chỉnh trị sơng có bước tiến định thời gian qua với hỗ trợ công nghệ thơng tin thơng qua phần mềm mơ hình tốn mơ đại, nhiên, phần mềm đại đòi hỏi nhiều số liệu đầu vào, thời gian hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, Với lập luận trên, báo này, kế thừa nghiên cứu tác giả hệ số tỷ lệ quan hệ hình thái ổn định kênh đào cắt sông, khái niệm “lưu lượng khởi động” cho kênh đào [9], báo hướng đến phương pháp đơn giản hóa có độ tin cậy chấp nhận khoa học để dự báo dài hạn tính hiệu cơng trình cắt sơng với giải pháp kênh mồi Do đơn giản hóa nhiều vấn đề phức tạp động lực sông sơ đồ đơn giản nên kết thu mang mức độ ước tính, áp dụng Về chế độ động lực hình thái đoạn sơng cong khu vực ĐBNB có nhiều điểm khác biệt so với sông không chịu ảnh hưởng thủy triều [4], [10] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 36 - 2016 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ giai đoạn thiết kế sơ đề, tác giả sử dụng phương pháp Kết ứng dụng chương trình cho khu vực cụ thể sơng Sài Gịn (Tp.HCM ) cho thấy, áp dụng chế kênh mồi cho khu vực ĐBNB, khoảng thời gian diễn biến từ kênh mồi hoạt động đến kênh phát triển trở thành sông lớn đủ thay cho sông cong cũ lâu, đến vài trăm năm Vì vậy, áp dụng hình thức cắt sơng cần tính tốn cân nhắc, để gia tăng tốc độ diễn biến kênh mồi cần phải có thêm giải pháp hỗ trợ kè mỏ hàn hướng dòng lấp phần sông cũ, phải đào kênh mồi gần đến mặt cắt ổn định cuối Hình thức trình bày báo nên tách thành phần chủ yếu, đặt vấn đề (tác giả trình bày), phương pháp nghiên cứu, kết thảo luận, kết luận kiến nghị (nếu có), cách ngắn gọn xúc tích Chương trình tính tốn cịn cần phải hồn thiện thêm có ưu điểm thời gian tính tốn xử lý nhanh, thao tác đơn giản, kết chương trình tính tin cậy áp dụng thực tiễn giai đoạn thiết kế sơ Trong phần đặt vấn đề tác giả, nên trình bày rõ vấn đề mà tác giả tập trung, không đề cập đến vấn đề tồn Cụ thể, nên đưa khơng sử dụng phương pháp Tạ Giám Hoành, áp dụng phương pháp Tạ Giám Hồnh có nhược điểm v.v…Những chưa giải vấn đề tác giả giải được… Về phương pháp nghiên cứu, để giải vấn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đặt tốn Thiết kế cơng trình cắt sơng có nhiều cơng việc cần tiến hành xác định phương thức chỉnh trị, bố trí cơng trình, thiết kế hạng mục cơng trình, xác định phương pháp thi cơng, tính tốn hiệu đánh giá tác động môi trường [7] Trong báo này, tập trung nghiên cứu vấn đề quan trọng thiết kế kênh đào tính tốn phân lưu tính tốn biến hình lịng dẫn kênh đào (Hình 1) tương ứng với chế tác động chế (2) chế (3) Vấn đề tính tốn phân lưu tương đối đơn giản, tính tốn chuyển động bùn cát biến hình lịng dẫn phức tạp Phức tạp giải hợp lý vấn đề: M ột phân chia bùn cát sông cũ kênh đào; hai phân chia diện tích xói theo chiều ngang chiều thẳng đứng theo quan hệ hình thái Hiện nay, chưa có mơ hình tính tốn giải cách thỏa đáng Đoạn sông cong cũ Đoạn sông thượng lưu Qo Qk Đoạn sông hạ lưu Kênh mồi cắt sơng Hình Phân đoạn tính tốn biến hình lịng dẫn sau cắt sơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 36 - 2016 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 2.2 S đồ tổng qt cho chương trình tính tốn cắt sơng (1)Tóm tắt bước tính tốn chính: - Tính tốn mặt cắt kênh đào theo yêu cầu khai thác xét đến quan hệ hình thái theo trị số đặc trưng cho phân vùng tính tốn - Tính tốn lưu lượng sơng thượng lưu kênh Q0 lưu lượng lũ 5% từ kết mơ hình M IKE-11cho mạng lưới sơng nghiên cứu (nếu khơng có, lấy Q0 diện tích mặt cắt sơng nhân với vận tốc khởi động tương ứng với hạt cát lòng sơng có đường kính d50) - Lấy mực nước cửa kênh mực nước triều trung bình, tính toán phân lưu, kết thu lưu lượng đường mặt nước kênh sau thời đoạn ∆t - Tính tốn vận tốc kênh đào cắt sơng Vk = Qk/Ak - Tính tốn khối lượng bùn cát lịng dẫn kênh đào bị xói thời đoạn ∆t theo cơng thức (2-23) - Tính tốn phân chia diện tích xói mặt cắt ngang kênh, thu mặt cắt kênh đào sau thời đoạn ∆t - Lấy mặt cắt kênh sau thời đoạn ∆t làm điều kiện biên để tính tốn cho thời đoạn ∆t dịng chảy ổn định phương trình liên tục bùn cát; kế thừa kết nghiên cứu hình thái ổn định kênh đào cắt sơng khu vực ĐBNB, ứng dụng khái niệm “lưu lượng khởi động” cho kênh đào [9]; quan niệm xử lý số yếu tố phức tạp theo dạng sơ đồ hóa cho phù hợp với điều kiện ĐBNB (mục 2.3), tác giả xây dựng thuật toán (xem Phụ lục 1) chương trình tự động hóa tính tốn cắt sông cong gấp theo phương thức kênh mồi ngơn ngữ Fortran Cấu trúc chương trình tốn xem thêm [9] Chương trình đặt tên CASO-2015 b- Đầu vào chương trình CA SO-2015 yêu cầu: - Tài liệu địa hình, địa chất, thủy văn, bùn cát khu vực nghiên cứu - Yêu cầu ngành kinh tế - xã hội đoạn sông - Quy hoạch tuyến kênh đào chế cắt sông c- Đầu thu kết quả: - M ặt cắt ngang kênh đào thiết kế ước tính q trình phát triển nó; - Lưu lượng, đường mặt nước kênh đào lưu lượng thiết kế d- Giao diện hình chương trình CASO-2015 - Tiếp tục phương pháp trên, lý thuyết phải tiến hành tính tốn tiếp tục kênh đào thơng qua tồn lưu lượng sơng sơng bị lấp kết thúc tính tốn Thực tế, thường dừng lại kênh đào thông qua 75% Q0 (2) Sơ đồ khối tính tốn cắt sơng kênh mồi: Xem Phụ lục 2.3 Hoàn thiện phương pháp tính xây dựng Chương trình tự động hóa tính tốn cắt sơng theo chế tác động kênh mồi cho khu vực đồng Nam Bộ a- Phần mềm tính tốn: Dựa phương pháp lý thuyết GS.Tạ Giám Hồnh với ngun lý tính tốn giải hệ phương trình e- Phạm vi ứng dụng CASO-2015 Do sử dụng công thức kinh nghiệm quan hệ hình thái lưu lượng khởi động vùng ảnh hưởng triều ĐBNB Việt Nam, phạm vi ứng dụng hạn chế vùng ĐBNB Việt Nam TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 36 - 2016 KHOA HỌC 2.4 Một số quan niệm tính tốn sơ đồ hóa vấn đề phức tạp xây dựng chương trình tính tốn cắt sơng áp dụng cho khu vực Đồng Nam Bộ (1) Lưu lượng tính tốn cho sơng trước cửa vào kênh cắt sông Q0: Xác định Q0 lưu lượng lũ 5% qua mặt cắt đoạn sông thượng lưu Trong trường hợp khơng có số liệu lưu lượng lũ, lấy diện tích mặt cắt ướt ngang bãi lịng sơng đoạn thượng lưu nhân với vận tốc khởi động hạt bùn cát d50 làm lưu lượng tính tốn Q0 (2) Lựa chọn cơng thức tính hàm lượng bùn cát lơ lửng Sử dụng cơng thức tính hàm lượng bùn cát lơ lửng Zhang R.C [11] CÔNG NGHỆ kênh khác phần bùn cát vào sông Để giải vấn đề xây dựng chương trình, tác giả chấp nhận số giả thiết sau: + Trường hợp cao trình đáy kênh đào thấp so với cao trình đáy sơng thượng lưu sơng cũ hàm lượng bùn cát sơng vào kênh coi nhau, nghĩa Sk= S0 + Trường hợp cao độ đáy kênh đào cao so với đáy sơng phía thượng lưu, phân chia bùn cát phụ thuộc vào góc α, góc hợp trục kênh đào chủ lưu dịng chảy sơng: o Sk=So;   25o Nếu 