Ứng dụng mô hình toán đánh giá tác động của khai thác cát đến diễn biến hình thái sông Tiền đoạn Tân Châu - Hồng Ngự

Bài báo trình bày kết quả về đánh giá tác động của các trường hợp khai thác cát đến chế độ thủy động lực và diễn biến hình thái sông Tiền đoạn Tân Châu - Hồng Ngự bằng mô hình toán Mike 21C.

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA KHAI THÁC CÁT ĐẾN DIỄN BIẾN HÌNH THÁI SƠNG TIỀN ĐO ẠN TÂN CHÂU - HỒNG NGỰ PGS.TS Lê Mạnh Hùng Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam PGS.TS Đinh Công Sản, TS Nguyễn Duy Khang, KS Lê Xuân Tú Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Tóm tắt: Bài báo trình bày kết đánh giá tác động trường hợp khai thác cát đến chế độ thủy động lực diễn biến hình thái sơng Tiền đoạn Tân Châu - Hồng Ngự mơ hình tốn Mike 21C Summary: This paper studies impacts of sand miningsenarios on hydrodynamic regime and river morphology in Tien river at Tan Chau - Hong Ngu reach using MIKE21C model I ĐẶT VẤN ĐỀ Sông Tiền chảy qua khu vực Tân Châu - Hồng Ngự đoạn sơng nằm phía Bắc Đồng sơng Cửu Long vị trí giáp ranh tỉnh An Giang Đồng Tháp (Hình - phải) Đây đoạn sơng có chế độ thủy động lực hình thái diễn biến phức tạp sông Cửu Long Phạm vi nghiên cứu biên giới Việt Nam - Căm Phu Chia đến Xã An Bình A huyện Hồng Ngự, chiều dài phạm vi nghiên cứu khoảng 30km (Hình - trái) Hình Vị trí khu vực nghiên cứu diễn biến trục động lực Sự thay đổi trục động lực khu vực diễn liên tục, trước năm 1940 dịng chủ lưu áp sát bờ phải phía Tân Châu vào nhánh Long Khánh, đến năm 1960 dòng chủ lưu chuyển hướng áp sát bờ trái phía Hồng Ngự vào nhánh Hồng Ngự [1] Sau năm 2003 dịng chảy lại chuyển hướng áp sát bờ phải phía Tân Châu vào nhánh Long Khánh giống trước năm 1940 (Hình 1- trái) Như đoạn sông phân lạch diễn biến lạch phát triển suy thoái theo thời gian Đây khu vực sạt lở trọng điểm diễn thường xuyên gây thiệt hại lớn người Sau vụ sạt lở lớn từ năm 1978, 1982, năm 1988 năm 2000 thị trấn Tân Châu [1], Hình Mặc dù kè bảo vệ bờ Tân Châu xây dựng, ngăn chặn sạt lở khu vực làm kè Sạt lở diễn mãnh liệt khu vực khác khu vực thượng lưu kênh Vĩnh An hay sạt lở dọc theo nhánh Long Khánh (Hình 3) Hình Khu vực UBND huyện Tân Châu – 12/2002 Hình 3.Sạt lở bờ phía cù lao Long Khánh 8/2012 Hình Hình ảnh khai thác cát sông Tiền khu vực Tân Châu - Hồng Ngự Bên cạnh yếu tố tự nhiên diễn gây bất lợi cho khu vực này, năm gần khai thác cát (KTC) khu vực Tân Châu - Hồng Ngự (Hình 4) diễn phức tạp với quy mô ngày tăng, tình trạng khai thác cát khu vực không theo quy hoạch khai thác cát trộm vị trí gần bờ sơng ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ dòng chảy làm gia tăng khả sạt lở bờ sông, làm thay đổi trục động lực dịng chảy ảnh hưởng đến biến hình lịng dẫn Để đánh giá tác động khai thác cát quy hoạch khai thác cát tỉnh An Giang Đồng Tháp giai đoạn 2010-2020 cho khu vực này, kịch khai thác cát đề xuất dựa phạm vi quy hoạch khai thác cát duyệt II PHƯ ƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U Mơ hình số liệu sử dụng 2.1.1 Mơ hình tốn Nghiên cứu sử dụng mơ hình tốn Mike 21C để tính tốn mơ thủy lực dự báo diễn biến hình thái sơng Đây mơ hình chiều sử dụng rộng rãi nước tính tốn biến hình lịng dẫn sơng 2.1.2 Số liệu sử dụng Tài liệu địa hình bình đồ địa hình sơng Tiền khu vực Tân Châu - Hồng Ngự Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đo đạc khảo sát năm 2009 [2], 2010, số liệu thủy văn đo đạc khảo sát tháng 12/2010 Đường kính hạt cát, cấp phối hạt xác định từ mẫu bùn cát đáy khảo sát lấy mẫu tháng 12/2010 2.1.3 Thiết lập hiệu chỉnh mơ hình a) Thiết lập mơ hình Lưới tính tốn:Miền tính tốn mơ hình tạo từ lưới cong gồm (47x499) ô lưới theo chiều dọc sông (chiều j =0 đến j = 498) 47 ô lưới theo chiều ngang (chiều k =0 đến k = 46), kích thước lưới: j = 15÷60m; k = 40÷60m 1206 000 1205 000 1204 000 1203 000 1202 000 1201 000 1200 000 1199 000 1198 000 1197 000 1196 000 1195 000 1194 000 1193 000 1192 000 1191 000 1190 000 1189 000 5200 00 52500 30000 535 000 54000 Hình Sơ đồ chia lưới khu vực Tân Châu - Hồng Ngự Số liệu đầu vào:Số liệu lưu lượng, mực nước số liệu bùn cát trích từ mơ hình chiều, M ike11 cho toàn đồng bằng, kiểm định đảm bảo độ tin cậy để mô b) Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình MIKE21C M hình hiệu chỉnh với tài liệu lưu lượng thực đo phân bố vận tốc từ ngày 25÷28/12/2010 cho vị trí quan trắc M C1-1, MC2-2, MC3-3, Hình 6, kiểm định với lưu lượng 2011 trạm Tân Châu kiểm định hình thái sử dụng tài liệu thực đo năm 2010 Trong nghiên cứu để đánh giá độ xác từ kết mơ hình tốn số liệu thực đo, số hiệu Nash-Sutcliffe (NSE) tỉ số độ lệch quan trắc tiêu chuẩn (RSR) sử dụng [4] Chỉ số NSE thông số thống kê xác định giá trị tương đối phương sai dư so với phương sai chuỗi thực đo tính tốn sau: NSE = 13 Trong đó: NSE: hệ số Nash-Sutcliffe, giá trị quan trắc thời điểm i, là giá trị quan trắc trung bình chuỗi số liệu,n giá trị mơ thời điểm i, số lần quan trắc Tỉ số độ lệch quan trắc tiêu chuẩn (RSR) theo công thức: RSR = = Trong đó: RSR tỉ số độ lệch quan trắc tiêu chuẩn, giá trị , giống Bảng Đánh giá độ xác mơ hình theo số NSE, RSR [4] Đánh giá độ xác củamơ hình Rất tốt Tốt Đạt Khơng đạt RSR NSE 0.00  RSR  0.50 0.50 < RSR  0.60 0.60 < RSR  0.70 RSR > 0.70 0.75 < NSE  1.00 0.65 < NSE  0.75 0.50 < NSE  0.65 NSE  0.50 Hình thể đường trình lưu lượng vị trí quan trắc M C1-1, MC 2-2, M C 33 kết mô thực đo giai đoạn hiệu chỉnh mơ hình từ ngày 25÷28/12/2010 cho thấy kết phù hợp Hình Hình thể phân bố trường vận tốc mô thực đo thiết bị ADCP tương đối giống Lưu lượng kiểm định năm 2011giữa kết thực đo mơ hình phù hợp, với số NSE = 0.917 RSR = 0.096 so với giá trị cho phép Bảng cho thấy kết mô tốt Kiểm định hình thái năm 2010 kết thực đo mơ mặt cắt Hình cho thấy xu diễn biến hình thái chấp nhận Từ kết hiệu chỉnh kiểm định mô hình cho thấy yếu tố thủy động lực học diễn biến hình thái mơ hình M IKE 21C mô không sai khác nhiều so với thực tế Vì vậy, việc sử dụng mơ hình M IKE 21C để tính tốn, mơ phỏng, dự báo cho giai đoạn sau hợp lý Thuc MC1-1 [m^3/s] M o hinh [m^3/s] 10000 5000 00:00 2010-12-26 00:00 12-27 00:00 12-28 00:00 12-29 Thuc HN3-3 [m^ 3/s] Mo hinh [m^ 3/s] Thuc LK2-2 [m^3/s] Mo hinh [m^3/s] 3000 6000 4000 2000 2000 1000 00:00 2010-12-26 00 :00 12 -27 00:00 2010-12-26 00:00 12-28 00:00 12-27 00:00 12-28 Hình So sánh lưu lượng trích xuất từ mơ hình MIKE 21C với lưu lượng thực đo sử dụng thiết bị ADCP mặt cắt MC1-1,2-2,3-3 Hình Phân bố lưu tốc mô MIKE 21C 16h57'25-12-2010 MC1-1 16h30' 25-12-2010 MC2-2 16h20'25-12-2010 MC3-3 Hình Phân bố lưu tốc thực đo thiết bị ADCP QTanChau-2010-2011 [m^3/s] QTanChau M21C- 2011 [m^3/s] 30000 Q (m3/s) 20000 10000 -10000 Jan Hình So sánh biến đổi lịng dẫn mơ MIKE 21C thực đo 2010 Mar May Jul Sep N ov Hình 10 So sánh Q thực đo Q MIKE 21C Tân Châu năm 2011 2.2 Q uy hoạch khai thác cát trường hợp tính tốn Hình 11 mơ tả phạm vi cao trình khai khác theo quy hoạch khai thác cát tỉnh An Giang Đồng Tháp giai đoạn 2010 - 2020 khu vực Tân Châu - Hồng Ngự [3] Hình 11 Vị trí cao trình KTC theo quy hoạch tỉnh An Giang, Đồng Tháp Các trường hợp KTC đưa từ quy hoạch KTC tỉnh để đánh giá mức độ ảnh hưởng KTC đến yếu tố thủy động lực hình thái lịng dẫn Trường hợp nhằm đánh giá trạng, trường hợp 2, giả định khai thác cát vị trí thượng lưu Tân Châu để đánh giá ảnh hưởng khai thác cát tới chế độ thủy động lực khu vực nghiên cứu Trường hợp 4,5 đánh giá tác động quy hoạch khai thác cát đưa kịch khai thác cát hợp lý Thời gian mô chọn lànăm 2011 năm có lũ lớn, tác động việc khai thác cát mùa lũ có đến chế độ thủy động lực hình thái lớn Bảng Các trường hợp kịch khai thác cát Tên kịch HT KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 KB7 KB8 KB9 KTC -15 KTC -17 KTC -19 Chiều rộng B (m) TH - KTC - QH Cách bờ 150m TH - KTC - KN Cách bờ 150m Trường hợp TH - TH -2 TH -3 Chiều dài L (m) Cao trình KTC (m) Ghi Hiện trạng 600 600 600 400 400 400 200 200 200 600 600 600 5000 3000 2000 5000 3000 2000 5000 3000 2000 5000 5000 5000 Toàn quy hoạch Toàn quy hoạch -15 -15 -17 -19 -15;-17;18 -15 Vị trí khai thác cát KTC thượng lưu Tân Châu Vị trí KTC thượng lưu Tân Châu Phương án quy hoạch tỉnh Phương án Kiến nghị III KẾT Q UẢ TÍNH TO ÁN VÀ THẢO LUẬN Trường hợp 2: Tác động chiều rộng B chiều dài khai thác L (cao trình -15m) Để xem xét tác động chiều rộng khai thác (B) chiều dài khai thác (L) tiến hành tính tốn cho trường hợp B = 200÷600 m L=2000÷5000 m ứng với cao trình khai thác cát -15 m Kết mơ trích xuất vận tốc dịng chảy vị trí (VT) “nhạy cảm” khu vực từ VT1 đến VT6, xem Hình 11 Đây vị trí có khả bị xói lở khu vực -1 -1 VT6 VT5 -1 VT3 Thường Phươ ùc -1 VT1 Tân Châu Ho àng Hồng Ngự ự Ng Cù lao Long Khánh Lo ng Kh a ùnh VT2 VT4 Hình 11 Vị trí trích xuất kết m ô VT1 đến VT6 Kết cho thấy thay đổi vận tốc vị trí VT1, VT2, VT3, VT4 nhỏ kịch KTC trạng, chứng tỏ tác động KTC với chiều rộng B chiều dài L đến vị trí sạt lở trọng điểm hạ lưu Tân Châu khơng đáng kể Hình 11 thể thay đổi lưu tốc vị trí điển hình VT1 Để xem xét kỹ hơn, tiến hành mô với trường hợp lưu lượng lớn 25,000 m3 /s Tân Châu Kết cho thấy giá trị vận tốc mặt cắt qua vị trí VT5 giảm 0.1÷0.3 m/s so với trạng (Hình 12- góc bên phải) Điều hồn tồn hợp lý KTC phía ngồi, mặt cắt mở rộng gây giảm vận tốc phía bờ Hình 12 Thay đổi vận tốc VT1 kịch B L so với TH-1 (hiện trạng) Hình 13 Thay đổi vận tốc VT 2,3,4 KTC với chiều rộng so với TH1 (hiện trạng) Trường hợp - Tác động chiều sâu khai thác cát B=600 m L=5,000 m Vì tác động chiều rộng khai thác (B) chiều dài khai thác (L) khác điểm quan trắc (VT1,2,3,4,5,6) vận tốc dòng chảy không gia tăng, tiếp tục xem xét mức độ ảnh hưởng chiều sâu khai thác, lấy chiều rộng chiều dài khai thác lớn B=600 m L=5,000 m để tiếp tục mô Kết Hình 14 cho thấy thay đổi vận tốc vị trí VT1,2,3,4 nhỏ kịch mô trạng Kết Hình 15 cho thấy vị trí KTC VT5 VT6 có vận tốc giảm khoảng 0.2m/s so với trạng giảm khoảng 0.1 m/s chiều sâu khai thác sâu thêm m tương ứng Hình 14 Thay đổi vận tốc VT 3,4của TH3 so với trạng Hình 15 Sự thay đổi vận tốc VT5,6 TH3 so với trạng Như vậy, việc KTC theo chiều rộng, chiều dài chiều sâu khu vực khai thác cát có tác động đến thay đổi vận tốc điểm “nhạy cảm” Lý lịng dẫn sơng khu vực rộng sâu nên mức độ thay đổi mặt cắt KTC nhỏ Tiếp theo xem xét khai thác kết hợp vùng khác theo quy hoạch tỉnh Trường hợp - Chỉ khai thác cát nhánh Long Khánh Đây trường hợp KTC theo quy hoạch tỉnh An Giang Đồng Tháp (giai đoạn 20102020), với chiều rộng B =200-600; cao trình đáy từ -15 m đến -18 m Trong trường hợp này, thay trích xuất kết điểm khác khu vực, vận tốc dòng chảy mặt cắt MC1-1, M C2-2, MC3-3, M C4-4 (Hình 16) xem xét tác động quy hoạch KTC ứng với cấp lưu lượng khác Hình 16 Vị trí mặt cắtvà điểm trích xuất vận tốc dịng chảy TH4 TH5 Hình 17 thể kết điển hình MC1-1 (Tân Châu) MC2-2 (Long Khánh) sau KTC vận tốc thay đổi với cấp lưu lượng lớn Q=25,000m 3/s 19,000m3 /s giá trị tăng nhỏ, vào khoảng 0.1m/s tương ứng với vận tốc 1.5 đến 2.0 m/s Tại MC3-3, M C4-4 nhánh Hồng Ngự cho thấy sau KTC phân bố trường vận tốc tồn mặt cắt, giá trị vận tốc giảm 0.2÷0.3m/s so với trạng Trường hợp lưu lượng dòng chảy nhỏ hơn, với Q=10,000 m /s trừ mặt cắt M C1-1 vận tốc dịng chảy khơng thay đổi so với trạng, mặt cắt khác, vận tốc dịng chảy có xu giảm phân bố mặt cắt Như KTC nhánh Long Khánh làm giảm vận tốc nhánh Hồng Ngự, gia tăng bồi lắng nhánh Điều gây bất lợi cho phân bố lưu lượng hai nhánh, tức làm cho nhánh Long Khánh ngày phát triển (xói tăng lên) nhánh Hồng Ngự ngày bồi mạnh Kết trích xuất trình vận tốc thay đổi vị trí điển hình như: VT2, VT3, VT7, VT8 TH4 mùa lũ mùa kiệt so với trạng (Hình 18) cho thấy VT2 (Tân Châu) sau KTC giá trị vận tốc mùa lũ có thay đổi nhỏ Cịn vị trí khác VT3,VT7,VT8 cho thấy mùa lũ vận tốc giảm 0.2÷0.3m/s so với trạng Còn mùa kiệt thay đổi vận tốc không đáng kể trường hợp Sở dĩ vận tốc VT3 giảm mặt cắt KTC gia tăng, vận tốc gần bờ giảm, vận tốc trung bình MC 2-2 khơng thay đổi nhiều Cịn vị trí VT7 VT8 có vận tốc giảm lưu lượng nhánh Hồng Ngự giảm 10 Hình 17 Sự thay đổi vận tốc ứng với Q = 25000 m3 /s MC1,2,3,4 TH4 so với trạng Hình 18 Thay đổi vận tốc vị trí VT2,3,7,8 TH4 so với trạng Trường hợp - Kết hợp khai thác cát nhánh Long Khánh nhánh Hồng Ngự Trường hợp khai thác đến cao trình -15 cịn gọi trường hợp kiến nghị, tương ứng với chiều sâu ổn định lịng dẫn tính tốn Tiến hành so sánh phân bố vận tốc tổng thể toàn vùng cho ba trường hợp: TH-1 (hiện trạng), TH-4, TH-5 ứng với Q = 25,000m3 /s Kết thấy rằng, TH-1 vận tốc phía bờ phải Tân Châu bờ phải nhánh Long Khánh lớn khoảng 1.7÷1.8m/s Khi KTC TH-5 vận tốc nhánh Long Khánh giảm so với trạng, phạm vi phân bố giá trị vận tốc lớn giảm nhiều so với trạng Để làm rõ mức độ giảm vận tốc khu vực nhánh Long Khánh, trích xuất q trình vận tốc VT4 (điểm mặt cắt rạch Long Khánh) để xem xét.Kết Hình 19 cho thấy TH-5 vận tốc VT4 nhánh Long Khánh giảm so với TH-1 TH-4 Rõ ràng kết hợp KTC hai nhánh làm nhánh Long Khánh bớt xói lở 11 Hình 19 Thay đổi vận tốc VT4 trường hợp trạng, TH4 TH5 Tác động khai thác cát đến hình thái đoạn sông Tân Châu – Hồng Ngự Về diễn biến lưu lượng hai nhánh sông Long Khánh Hồng Ngự (Bảng 3), tỷ lệ phân lưu nhánh có thay đổi so với trường hợp trạng Trong trường hợp KTC nhánh Long Khánh lưu lượng nhánh tăng lên khoảng 5% so với trạng ngược lại, nhánh Hồng Ngự lưu lượng giảm khoảng 5% Điều khơng có lợi cho biến đổi hình thái đoạn sông, tức nhánh Long Khánh phát triển nhánh Hồng Ngự có xu bị thối hóa Vấn đề đề nghị điều chỉnh quy hoạch KTC khu vực Bảng So sánh tỷ lệ phân lưu hai nhánh ứng với trường hợp KTC khác Trường hợp TH - (HT) TH (chỉ KTC nhánh Long Khánh) TH (kết hợp KTC nhánh Long Khánh Hồng Ngự) Tân 100% 100% Nhánh Long Khánh 63.93% 68.50% Nhánh Hồng Ngự 36.07% 31.50% 100% 63.87% 36.13% Châu Về biến đổi hình thái tổng thể đoạn sơng, kéo dài chuỗi liệu thủy văn, bùn cát tương tự năm 2009 2010 để dự báo biến hình lịng dẫn đoạn sơng nghiên cứu Kết tính tốn cho trường hợp TH1 (hiện trạng) TH5 theo quy hoạch tỉnh khai thác đến cao trình -15 m Kết cho thấy trường hợp trạng (TH-1) biến đổi đáy sông sau năm mạnh dọc theo bờ phải thượng lưu Tân Châu nhánh Long Khánh (Hình 20) Khi KTC theo TH-5 xói lở phía nhánh Long Khánh giảm nhiều so với trường hợp KTC theo quy hoạch tỉnh (Hình 21) Đây kịch xem xét kiến nghị quy hoạch KTC khu vực 12 Hình 20 Thay đổi hình thái sơng trường hợp trạng sau năm (2010 2011) Hình 21 Thay đổi hình thái sơng sau năm (2010 2011) trường hợp IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở tính tốn tác động kịch KTC diễn biến hình thái khu vực trọng điểm Tân Châu – Hồng Ngự đưa số nhận định sau: - Khai thác cát theo quy hoạch tỉnh An Giang Đồng Tháp khu vực Tân Châu – Hồng Ngự có tác động đến xói lở, bồi lắng lòng dẫn khu vực Ngược lại, khai thác kết hợp nhánh sông Hồng Ngự Long Khánh đến cao trình -15 m cịn làm giảm xói lở lòng dẫn khu vực, nhánh Long Khánh - Để khai thác cát kết hợp với chỉnh trị đoạn sông Tân Châu – Hồng Ngự, cần khai thác đầu đoạn phân lạch Long Khánh Hồng Ngự đến chiều sâu ổn định lòng dẫn (là 14.7 m), đặc biệt đầu nhánh Hồng Ngự trước, nhằm kích thích xói lở cho nhánh Tiếp theo khai thác cuối đoạn nhập lưu đạt đến độ sâu ổn định lòng dẫn trước khai thác phần lại mỏ nhánh Long Khánh; - Không nên KTC nhánh Long Khánh KTC nhánh trước, làm gia tăng lưu lượng nhánh này, gia tăng xói lở làm cho diễn biến lịng sơng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Ngọc Bích Lương Phương Hậu (1993) Đặc điểm q trình diễn biến lịng sơng Cửu Long đoạn Tân Châu - Hồng Ngự Viện nghiên cứu Khoa học Thủy lợi Nam Bộ [2] Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (2009) Tài liệu địa hình dự án điều tra "Đo đạc giám sát diễn biến lịng dẫn bồi lấp.sạt lở: đoạn sơng từ Sa Đéc đến biên giới Việt Nam - Campuchia" [3] Báo cáo quy hoạch khai thác cát tỉnh An Giang Đồng tháp giai đoạn 2010-2020 [4]Moriasi D.N et al.(2007), M odel Evaluation Guidelines for Systematic Quantification of Accuracy in Watershed Simulations Transactions of the ASABE50, 885 13 ... toán tác động kịch KTC diễn biến hình thái khu vực trọng điểm Tân Châu – Hồng Ngự đưa số nhận định sau: - Khai thác cát theo quy hoạch tỉnh An Giang Đồng Tháp khu vực Tân Châu – Hồng Ngự có tác. .. 4,5 đánh giá tác động quy hoạch khai thác cát đưa kịch khai thác cát hợp lý Thời gian mơ chọn lànăm 2011 năm có lũ lớn, tác động việc khai thác cát mùa lũ có đến chế độ thủy động lực hình thái. .. trực tiếp đến chế độ dịng chảy làm gia tăng khả sạt lở bờ sông, làm thay đổi trục động lực dòng chảy ảnh hưởng đến biến hình lịng dẫn Để đánh giá tác động khai thác cát quy hoạch khai thác cát tỉnh