Nghiên cứu hiệu quả của nạo vét khai thác cát kết hợp với chỉnh trị lòng dẫn để ổn định đoạn sông phân lạch

Đoạn sông phân lạch là nơi có chế độ thủy lực dòng chảy và diễn biến hình thái phức tạp, các nhánh sông luôn có sự tranh chấp lẫn nhau theo xu thế phát triển hoặc suy thoái phụ thuộc vào quá trình phân chia dòng chảy và bùn cát của các phân nhánh. Đây cũng là khu vực sông có các mỏ cát tự nhiên lớn và thường là nơi tập trung của các hoạt động khai thác cát.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NẠO VÉT KHAI THÁC CÁT KẾT HỢP VỚI CHỈNH TRỊ LÒNG DẪN ĐỂ ỔN ĐỊNH ĐOẠN SÔNG PHÂN LẠCH ThS Hồ Việt C ường Phịng TNTĐ Quốc gia ĐLH Sơng Biển Tóm tắt: Đoạn sơng phân lạch nơi có chế độ thủy lực dịng chảy diễn biến hình thái phức tạp, nhánh sơng ln có tranh chấp lẫn theo xu phát triển suy thối phụ thuộc vào q trình phân chia dịng chảy bùn cát phân nhánh Đây khu vực sơng có mỏ cát tự nhiên lớn thường nơi tập trung hoạt động khai thác cát Ảnh hưởng việc khai thác cát làm thay đổi hồn tồn chế độ thủy lực dịng chảy quy luật diễn biến hình thái đoạn sông Tuy nhiên, tất hoạt động khai thác cát để lại hậu xấu, việc nạo vét khai thác cát thực kỹ thuật theo quy hoạch kết hợp với việc chỉnh trị để cải tạo lịng dẫn giúp tăng khả lũ, điều chỉnh hợp lý tỷ lệ phân lưu dòng chảy, phân chia bùn cát giúp trì ổn định cho tồn đoạn sông Bài báo xin giới thiệu số kết nghiên cứu vấn đề Từ khóa: sơng phân lạch, nạo vét, khai thác cát, m hình toán, m ike 21FM Summary: The contributory river segm ent is a creek where orcurring the hydraulic flow regim e and complex morphological change They always have a dispute with each others to the trend of deposition or degradation depending on the water flow and sediment classified process This is also the area that has a lot of natural sand m ines that caused sand mining activities Effects of sand mining can completely change the flow of hydraulic regim e and morphology of the river section However, not all sand m ining activities have left a bad result, if the dredging sand m ining are implem ented properly and in accordance with planning and techniques that will im prove flood drainage capacity and m aintain stability of river bed This article would introduce some research results of this issue Key words: braided river, dredging, sand m ining, mathem atical m odel, m ike 21FM * I ĐẶT VẤN ĐỀ Khai thác cát để cung cấp cho m ục đích khác m ột nhu cầu đòi hỏi thực tế, hoạt động khai thác cát sơng tác nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến m ôi trường tự nhiên dịng sơng Việc khai thác cát sông thường Người phản biện: PGS.TS Phạm Đình Ngày nhận bài: 20/8/2014 Ngày t hơng qua phản biện: 16/9/2014 Ngày đuyệt đăng: 13/10/2014 16 gây biến động lớn hình dạng, kích thước, độ dốc lòng dẫn, làm thay đổi hàm lượng bùn cát, thành phần hạt dòng chảy phá vỡ trạng thái cân tương đối lòng dẫn dòng chảy tồn trước Đối với đoạn sông phân lạch, hoạt động nạo vét khai thác cát làm thay đổi hồn tồn tỷ lệ phân lưu dòng chảy, phân chia bùn cát, hướng dòng chảy, độ dốc thủy lực, độ dốc m ực nước, nhánh sơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Hoạt động khai thác cát sông ĐBSCL Tuy nhiên, tất hoạt động khai thác cát để lại hậu xấu Nếu việc nạo vét khai thác cát thực kỹ thuật theo quy hoạch kết hợp với việc chỉnh trị để cải tạo lịng dẫn giúp tăng khả lũ, đảm bảo tuyến luồng cho giao thông thủy trì ổn định cho đoạn sơng Bài báo xin trình bày số kết nghiên cứu, đánh giá cơng cụ mơ hình tốn Mike 21FM hiệu việc nạo vét khai thác cát kết hợp với chỉnh trị lịng dẫn cho đoạn sơng phân lạch điển hình hệ thống sơng Cửu Long điểm khai thác cát tập trung địa bàn tỉnh An Giang Phạm vi đoạn sơng có chiều dài gần 15000m , chiều rộng gần 6000m (gồm chiều rộng cù lao hai lạch), có tọa độ địa lý từ 10022’ 0 đến 10 27’ vĩ độ bắc; 105 24’ đến 105 28’ kinh độ đơng (xem hình 2) II GIỚ I THIỆU ĐOẠN SƠNG NGHIÊN CỨU Đoạn sông nghiên cứu đoạn phân lạch sơng Hậu khu vực cù lao Mỹ Hịa Hưng thuộc đại phận thành phố Long Xuyên Đây đoạn sơng có diễn biến phức tạp, nhánh sơng phát triển m ạnh có tranh chấp lẫn Nhánh trái cù lao Mỹ Hòa Hưng dài 9500m , lịng dẫn có xu bị suy thối bồi lấp, nhiều cồn, bãi hình thành, tỉ lệ phân lưu qua lạch khoảng 20÷30% lưu lượng tổng cộng Ngược lại bên nhánh phải dài 7200m , lịng dẫn bị xói sâu xảy sạt lở mạnh phía bờ lõm, đoạn sát bờ thành phố Long Xuyên Tỉ lệ phân lưu qua lạch phải lớn chiếm từ 70÷80% lưu lượng tổng cộng Đây m ột trọng 18 Hình Vị trí hình ảnh vệ tinh đoạn sông phân lạch khu vực nghiên cứu III THIẾT LẬP MƠ HÌNH TÍNH TO ÁN, NGH IÊN C ỨU 3.1 Khái qt mơ hình Mơ hình MIKE 21 Flow Model FM (gọi tắt MIKE 21FM) phần m ềm kỹ thuật chuyên dụng ứng dụng để m ô chế độ thủy động lực chiều dịng chảy sơng, hồ, cửa sơng, vịnh, Mơ hình tính tốn kết hợp mô đun vận chuyển bùn, m ô đun vận chuyển cát, m đun dịng chảy m đun sóng Vì mơ hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC xem m ột công cụ đại, ứng dụng phổ biến nghiên cứu chế độ thủy động lực dòng chảy, trình vận chuyển bùn cát diễn biến hình thái sơng ngồi biển Mơ hình MIKE 21FM xây dựng kết hợp kỹ thuật mơ hình sử dụng phương pháp lưới phần tử hữu hạn phi cấu trúc (Flexible Mesh, viết tắt FM) thích hợp đoạn sơng có địa hình phức tạp, đặc biệt đoạn sơng cong đoạn sơng tồn bãi bồi dịng chảy m rộng co hẹp đột ngột, yêu cầu phải có mơ xác đường biên Các phiên m ới cho phép thiết lập đồng thời dạng lưới tam giác (Triangular) lưới chữ nhật (Quadrangular) m iền tính Với kỹ thuật chia lưới thiết lập chi tiết khu vực quan tâm đặc biệt, định dạng xác vị trí, hướng tuyến, quy mơ, hình dạng cơng trình sơng, hố khai thác cát, cung sạt lở, tuyến luồng lạch nạo vét,… Mặt khác, việc sử dụng lưới hỗn hợp cải thiện đáng kể tốc độ tính tốn m hình CƠNG NGHỆ bình đồ cạn cù lao, bãi khu vực nghiên cứu + Dưới nước: Toàn phần lịng sơng lạch đến mép nước ngang bãi cù lao hai bên bờ sơng Hình Mơ địa hình 3D m hình Mike 21FM Miền tính tốn m hình có kích thước 579000m x 1157000m từ tập hợp 10103 điểm tọa độ theo phương X,Y,Z Số lượng ô lưới thiết lập 13435 ô lưới với 7277 nút lưới Diện tích lưới lớn khoảng 50m hệ toạ độ UTM Với cách chia lưới đảm bảo m tả với độ xác cao bề m ặt địa hình lịng sơng, bãi sơng cù lao đoạn sơng Hình Mô tả khả chia lưới hỗn hợp mô hình Mike 21FM 3.2 Thiết lập mơ hình tính tốn a) Thiết lập địa hình lưới tính Phạm vi thiết lập mơ hình nghiên cứu sau: + Thượng lưu: Tại vị trí trước cù lao Mỹ Hịa Hưng (trước phân lạch) khoảng 3000m phía thượng lưu + Hạ lưu: Tại vị trí sau cù lao Mỹ Hịa Hưng (sau phân lạch) khoảng 3500m phía hạ lưu + Trên cạn: Từ m ép bờ sông đến quốc lộ 91 quốc lộ 54 hai bên bờ tả hữu sơng Hậu Hình Lưới tổng thể lưới chi tiết mơ hình Mike 21FM TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 19 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ b) Thiết lập điều kiện biên: diễn biến hình thái sơng là: t= 1÷10s (giây) Điều kiện biên tính tốn: 3.3 Hiệu chỉnh kiểm định m hình - Tại biên vào phía thượng lưu q trình lưu lượng (Q~t) Mơ hình hiệu chỉnh kiểm định nhiều vị trí khác đoạn sơng nghiên cứu nhằm đảm bảo tính đại diện nâng cao độ tin cậy mơ hình ứng dụng để tính tốn, mơ - Tại biên phía hạ lưu trình mực nước (H~t) c) Thiết lập thơng số thủy lực, hình thái bản: - Chuỗi số liệu hiệu chỉnh m hình: Số liệu thực đo lũ từ 16h ngày 2/12/2010 đến 13h ngày 5/12/2010 - Hệ số nhám Manning (M) phân làm 1/3 khu vực chính, giá trị M = 40÷50 m /s cho 1/3 phần lịng sơng, giá trị M= 25÷35 m /s cho phần bãi sông - Chuỗi số liệu kiểm định m hình: Số liệu thực đo lũ từ 9h ngày 7/11/2012 đến 9h ngày 22/11/2012 - Hệ số nhớt động học: Smagorinsky formulation  = 0,28 Kết hiệu chỉnh kiểm định m hình thể hình vẽ bảng biểu cho thấy giá trị mực nước (H), lưu lượng (Q), vận tốc (V) tính tốn thực đo phù hợp - Bước thời gian tính tốn yếu tố thủy lực dịng chảy là: t= 10÷360s (giây) - Bước thời gian tính tốn vận chuyển bùn cát Bảng Kết hiệu h phân chia lưu lượng thực đo tính tốn Phân chia lưu lượng nhánh phải nhá nh trái Thời gian Tổng Nhánh phải (TV4) Ghi Q (m /s) % Q (m /s) % Q (m /s) % 04h 14/12/2010 3099 100 2324 75 774.3 25 Thực đo 04h 14/12/2010 2857 100 2185 76.5 670.6 23.5 Tính tốn Hình So sá nh lưu lượn g tính tốn thực đo vị trí TV4 20 Nhánh trái (TV2) Hình So sánh lưu lượng tính tốn thực đo tạ i vị trí TV2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC * Nhận xét m hình ứng dụng: Đánh giá sai số kết tính tốn thơng số thủy lực dịng chảy mơ hình so với số liệu thực đo theo tiêu thống kê RSR = 0.567 NSE = 0.679 nằm ngưỡng sai số cho phép Nhìn chung, kết đánh giá sai số đường q trình sai số tuyệt đối tính toán thực đo nằm giới hạn cho phép Điều chứng tỏ việc thiết lập m ô hình lựa chọn thơng số cho mơ hình hợp lý Mơ hình đảm bảo độ tin cậy, áp dụng để tính tốn nghiên cứu IV KẾT Q UẢ TÍNH TO ÁN, NGH IÊN CỨU 4.1 C ác trường hợp tính tốn, mơ - Các kịch nghiên cứu nạo vét khai thác cát: + PA0: Tính tốn m chế độ thủy lực dịng chảy đoạn sơng với điều kiện địa hình lịng dẫn trạng chưa xét đến ảnh hưởng hoạt động nạo vét khai thác cát + PA1: Khai thác cát, kết hợp nạo vét lạch trái vị trí sau phân lưu 600m chiều dài khai thác cát Lkt=2500m p hía hạ lưu, chiều rộng k hai thác mặt cắt phía thượng lưu B1kt=200m, phía hạ lưu B2kt=500m Độ sâu khai thác Hkt=3,5,7,10,15m + PA2: Khai thác cát, kết hợp nạo vét cửa vào lạch trái t vị trí trước phân lưu 400m Chiều dài khai thác cát Lkt=3500m, chiều rộng hố khai thác phía thượng lưu B1kt=200m, phía hạ lưu B2kt=500m Độ sâu khai thác Hkt=3,5,7,10,15m CÔNG NGHỆ + PA3: Khai thác cát, kết hợp nạo vét tồn tuyến lạch trái từ vị trí cách mặt cắt phân lưu 400 phía thượng lưu đến mặt cắt nhập lưu phía hạ lưu Chiều dài khai thác cát Lkt=9000m, phạm vi khai thác cách bờ 100m, chiều rộng khai thác phụ thuộc vào v ị trí độ sâu khai thác Hkt=3,5,7,10,15m - Các trường hợp dịng chảy tính tốn m phỏng: + Dịng chảy nhỏ ứng với cấp lưu lượng Q=5000m /s + Dịng chảy trung bình ứng với cấp lưu lượng Q=9000m /s + Dòng chảy lũ nhỏ ứng với cấp lưu lượng Q=12500m3/s + Dòng chảy lưu lượng tạo lòng ứng với Q=14000m3/s + Dòng chảy lũ lớn ứng với cấp lưu lượng Q=16000m3/s 4.2 Một số kết tính tốn, phân tích a) Kết nghiên cứu biến động tỉ lệ phân lưu: Tỷ lệ phân chia lưu lượng trạng nhánh sông: Kết mơ với tổ hợp lũ điển hình sông Hậu ta thấy tỷ lệ phân chia lưu lượng hai nhánh phụ thuộc vào cấp lưu lượng dịng chảy phía thượng lưu Lưu lượng thượng lưu lớn tỷ lệ phân lưu sang nhánh trái nhiềuvà ngược lại Tính tốn với phương án địa hình hình trạng (PA0), xác định tỷ lệ phân lưu dòng chảy vào nhánh phải chiếm 7275%, lưu lượng qua nhánh trái từ 25÷28% tổng lưu lượng dịng chảy sơng (xem bảng 1) Bảng H iện trạng tỷ lệ phân lưu hai nhánh sơng, ứng với cấp lưu lượng tính tốn Cấp lưu lượng (m3/s) 5000 9000 12500 14000 16000 Thượng QTL (m 3/s) 4998.49 8995.74 12494.00 13993.20 15992.40 lưu ZTL (m ) 0.50 0.60 1.83 2.07 2.63 Hạ lưu QHL (m3/s) 4998.49 8995.74 12494.60 13993.20 15992.40 ZHL (m ) 0.42 0.45 1.60 1.79 2.32 Lạch phải QP  Qp (m3/s) (% ) 3736.22 74.75 6686.84 74.33 9123.62 73.02 10171.20 72.69 11516.30 72.01 Lạch QT (m 3/s) 1262.27 2308.79 3370.67 3822.06 4476.11 trái  Qt (%) 25.25 25.67 26.98 27.31 27.99 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 21 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Biến động tỉ lệ phân lưu dòng chảy qua nhánh phải: Biến động tỉ lệ phân lưu dòng chảy qua nhánh trái: Khi thực phương án khai thác cát kết hợp với việc nạo vét khơi thông lạch trái (lạch phụ) để chuyển m ột phần lưu lượng dòng chảy từ nhánh phải sang nhánh trái, so với phương án trạng tỷ lệ phân lưu bên nhánh phải giảm từ 1,0523%, lưu lượng qua nhánh phải khoảng 49,6÷73,4% so với tổng lưu lượng dịng Các kết tính tốn cho thấy, nạo vét khơi thơng dịng chảy lạch trái tỷ lệ phân lưu bên nhánh trái tăng lên từ 1,0523%, lưu lượng qua nhánh tăng từ 25,0% lên 50,4% so với tổng lưu lượng dịng - Theo phương án nạo vét: Tỉ lệ phân lưu dòng chảy qua nhánh phải có xu giảm m ạnh chiều sâu nạo vét khai thác cát lạch trái tăng lên Khi thực nạo vét khơi thông phần lạch trái theo phương án PA1 PA2 tỉ lệ phân lưu qua lạch phải giảm không đáng kể, từ 1,53,3% Tỷ lệ phân lưu thay đổi mạnh thực giải pháp nạo vét tồn tuyến lạch trái từ vị trí điểm phân lưu đến vị trí điểm nhập lưu lạch theo phương án PA3 (xem hình 8) Với phương án nạo vét PA3, dòng chảy qua lạch phải giảm đến 20% - Theo cấp lưu lượng: Kết tính tốn ứng với cấp lưu lượng nhỏ tỷ lệ phân lưu qua lạch phải lớn với cấp lưu lượng lớn biến động tỷ lệ phân lưu qua lạch phải giảm Điều hoàn toàn phù hợp với điều kiện hình thái lạch sơng Lạch phải có chiều dài ngắn sâu nhiều so với lạch trái - Theo phương án nạo vét: Tỉ lệ phân lưu dòng chảy qua nhánh trái tăng chiều dài chiều sâu nạo vét tăng Tỉ lệ phân lưu tăng mạnh thực nạo vét khai thác cát với phương án PA3 (xem hình 9) Với phương án nạo vét PA3, chuyển 20% lưu lượng dòng chảy từ lạch phải qua lạch trái - Theo cấp lưu lượng: Kết tính tốn ứng với cấp lưu lượng lớn tỷ lệ phân lưu qua lạch trái lớn với cấp lưu lượng nhỏ biến động tỷ lệ phân lưu qua lạch trái tăng Hình Quan hệ tỉ lệ phân lưu dòng chảy qua lạch trái chiều sâu nạo vét nhánh trái, ứng với kịch khai thác cát b) Kết nghiên cứu biến động mực nước: - Mực nước dịng phía thượng lưu nhánh phải (lạch chính) có xu hạ thấp thực giải pháp việc nạo vét khai thác cát nhánh trái (lạch phụ) Mức độ biến động (tăng, giảm ) m ực nước phụ thuộc vào phương án nạo vét (theo vị trí, quy mơ) theo cấp lưu lượng Hình Quan hệ tỉ lệ phân lưu dòng chảy qua lạch phải chiều sâu nạo vét nhánh trái, ứng với kịch khai thác cát 22 - Mực nước dịng tuyến lạch phải giảm mạnh nạo vét khai thác cát lạch trái với độ sâu từ 3÷10m (Hkt