7. Đánh giá chung
3.3. CÁC KHU VỰC XÓI LỞ TRỌNG ĐIỂM
Qua đánh giá sơ bộ hiện trạng xói lở và bồi lắng trên hệ thống sông Thạch Hãn, kết hợp với việc phân tích và đánh giá mức độ ảnh hưởng đến các khu dân cư cũng như các hoạt động sản xuất và kinh tế xã hội chủ yếu, có hai khu vực xói lở trọng điểm cần được mô tả và đánh giá kỹ lưỡng hơn. Đó là :
- Khu vực 1: Đoạn dòng chính sông Thạch Hãn từ hạ lưu đập Trấm đến cầu đường sắt, dài 5km với đoạn xói lở trọng điểm thôn Tân Mỹ (xã Hải Lệ)
- Khu vực 2: Đoạn dòng chính sông Thạch Hãn từ ngã ba sông Ái Tử (hạ lưu cầu An Mô) đến ngã ba sông Vĩnh Phước, dài 5km với đoạn xói lở trọng điểm thuộc thôn Trà Liên Đông (xã Triệu Giang) và Cồn (xã Triệu Long).
a) Khu vực trọng điểm Tân Mỹ:
Tại thời gian khảo sát từ tháng 11/2009 đến 11/2010 đoạn bờ này đã sập lở ngang hàng chục mét uy hiếp đến đời sống dân cư ngay tại khu vực này. Các vách sạt lở tại đây qua đo đạc cho thấy đạt độ cao từ 2 – 3m, có chỗ đạt trên 4 – 5m (hình 3.55, 3.56). Giải thích cho hiện tượng sạt lở này có thể do nhiều nguyên nhân nhưng có thể do đoạn sạt lở nằm ngay sát sau chân đập Trấm nên bị ảnh hưởng của dòng chảy mùa lũ và hoạt động điều hành của đập. Mặt khác ngay sau chân đập Trấm hai bên bờ là đá gốc, lòng dẫn hẹp, đáy có nhiều rong rêu gây nên sự cản trở dòng chảy và làm tăng tốc độ dòng chảy, cùng với các bờ đá gốc bên trái (hình 3.57) có tác dụng như các kẻ mỏ hàn hướng dòng hướng dòng chảy thúc sang phía bờ phải thuộc làng Tân Mỹ. Dưới tác động của dòng chảy mạnh và bờ phải Tân Mỹ nằm tại nơi khúc sông cong, thành tạo bờ là trầm tích dạng bở rời nên rất dễ bị xói lở. Đoạn bờ trái phía sau đập Trấm dài khoảng 600 - 800m, chủ yếu là đá gốc, tiếp đó đoạn bờ đối diện với khu vực xói tại Tân Mỹ là đoạn bờ bồi nông. Sau đoạn xói lở tại Tân Mỹ là đoạn bờ bồi nông là cho trục lòng dẫn chính bị đẩy sát nằm về phía bên trái và có độ sâu nhỏ, đạt 1 – 2m. Đoạn này dài chừng trên 1km, cuối đoạn là khu vực đang bị khai thác cát sỏi.
Hình 3.55 Vách xói bờ phải sông Thạch Hãn, đoạn Tân Mỹ, Hải Lệ
Hình 3.57 Bờ trái sông Thạch Hãn đoạn hạ lưu đập Trấm (nhìn từ hạ lưu lên đập) b) Khu vực trọng điểm Trà Liên Đông:
Bờ phải của đoạn sông này thuộc các thôn Rào Hạ, Rào Thượng và Cồn (xã Triệu Long) và thôn Trà Liên Đông (xã Triệu Giang) đều đang bị xói lở rất mạnh (hình 3.58 – 3.59), với chiều dài đoạn xói lở 3.600m, chiều cao vách xói trung bình 2-3m, lại có nền đất cát pha sét bở rời liên kết kém làm gia tăng khả năng xâm thực. Mặt khác, theo số liệu khảo sát địa hình đáy lòng dẫn, trục động lực nằm lệch sang phải, áp sát bờ sông với độ sâu khoảng 4,0-4,5m càng làm tăng nguy cơ xói lở đặc biệt trong mùa lũ. Nguy hiểm hơn, diễn biến từ năm 2007 cho thấy, khu vực xói lở đã áp sát khu vực dân cư (năm 2007) và đã uy hiếp cũng như làm xói trôi vườn tược và nhà cửa của một số hộ dân thuộc thôn Trà Liên Đông. Đứng trước nguy cơ đe dọa nghiệm trọng các hộ dân ven sông, UBND huyện Triệu Phong đã có dự án xây dựng kè và trong thời gian khảo sát tháng 12/2010 một số vị trí đã bắt đầu thi công (hình 3.60). Tuy nhiên, trên bờ phải, cuối đoạn cong này (cũng là bụng của đoạn cong nhỏ chuyển tiếp) đã xuất hiện các bãi bồi cát (hình 3.61).
Hình 3.58 Xói lở bờ phải sông Thạch Hãn, thôn Trà Liên Đông 2/2007 (Nguyễn Văn Cư và nnk, 2008)
Hình 3.59 Sạt lở mạnh bờ phải sông Thạch Hãn khu vực thôn Trà Liên Đông (12/2010)
Hình 3.61 Hiện tượng bồi tụ xảy ra trên bờ phải sông Thạch Hãn đoạn đối diện cửa sông Vĩnh Phước (12/2010)
Trái ngược với hình ảnh đó, phía bờ trái sông là khu vực bồi tụ chiếm ưu thế đặc biệt là ở giữa bụng cong thuộc thôn Trà Liên Tây, xã Triệu Giang (hình 3.62). Tuy nhiên, ở hai đầu đoạn cong này (và cũng là đỉnh của các đoạn cong nhỏ chuyển tiếp) tại Tả Kiên (cửa sông Ái Tử) và Trà Liên Tây (cửa sông Vĩnh Phước) có xuất hiện hiện tượng xói lở (hình 3.63 – 3.64).
Hình 3.63 Xói lở bờ trái sông Thạch Hãn khu vực cửa sông Ái Tử
Hình 3.64 Xói lở bờ trái sông Thạch Hãn khu vực cửa sông Vĩnh Phước 3.4. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG BỒI XÓI
Tiến hành nghiên cứu xây dựng được bản đồ hiện trạng bồi xói hệ thống sông Thạch Hãn – tỉnh Quảng Trị, dự ánđã kết hợp nhiều phương pháp khác nhau gồm: phân tích thống kê, điều tra khảo sát thực địa, mô hình hóa thủy động lực học, kỹ thuật viễn thám và GIS. Cụ thể tài liệu sử dụng trong việc thành lập bản đồ hiện trạng bồi xói khu vực nghiên cứu bao gồm:
+ Các tài liệu và cơ sở dữ liệu kế thừa của các nghiên cứu trước đây của các tác giả: Nguyễn Văn Cư và nnk (2008), Phạm Huy Tiến và nnk (2006), Nguyễn Viễn Thọ (2001)…
đồ cơ sở địa chính 1:10.000 đã được chuẩn hóa theo hệ tọa độ VN – 2000.
+ Ảnh hàng không chụp tháng 7/2003 tỷ lệ 1/33.000 khu vực đồng bằng (đã được sử dụng làm cơ sở để xây dựng bộ bản đồ cơ sở địa chính)
+ Các tài liệu điều tra thực tế vị trí xói lở, bồi tụ trên hệ thống sông Thạch Hãn qua các đợt điều tra thực địa trong thời gian thực hiện dự án
+ Các tài liệu có liên quan khác
Phương pháp thực hiện: Các tài liệu kế thừa cùng với các tài liệu khảo sát thực địa được sử dụng cập nhật vào trong bản đồ. Chúng tôi chọn lưới chiếu UMT (hệ quy chiếu quốc tế WGS – 84) tương ứng với hệ quy chiếu và hệ quốc gia mới của Việt Nam (VN – 2000). Các kết quả sau khi xử lý được đưa lên các lớp chuyên đề (hiện trạng xói lở, bồi tụ,...) và sau đó chuyển về định dạng theo phần mềm Mapinfo phục vụlưu trữ và biên tập thành lập bản đồ hiện trạng cũng làm cơ sở nền cho các bản đồ chuyên đề tiếp theo. Trên cơ sở phân tích các dữ liệu tính toán từ mô hình 1-2 chiều, dự án đã xác định các khu vực có nguy cơ sạt lở và tích hợp vào trong bản đồ Hiện trạng và nguy cơ xói lở, bồi tụ các dòng sông, hệ thống sông Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị. Sản phẩm bản đồ được thể hiện trên tỷ lệ 1/50.000, lưu trữ file số hóa dạng Mapinfor với bộ cơ sở dữ liệu đi kèm. Trong khuôn khổ báo cáo tổng kết, các hình vẽ tiếp theo minh họa các sơ đồ hiện trạng bồi xói (chia làm 2 đoạn để phù hợp với tỷ lệ in trên khổ giấy A3) và phác họa bình đồ hai đoạn sông có xói lở trọng điểm.
Chương 4
DỰ BÁO DIỄN BIẾN BỒI XÓI CÁC DÒNG SÔNG THUỘC HỆ THỐNG SÔNG THẠCH HÃN ĐẾN NĂM 2020
4.1. LỰA CHỌN MÔ HÌNH DỰ BÁO BỒI LẮNG VÀ XÓI LỞ
Hiện nay có nhiều mô hình thủy động lực có khả năng tính toán mô phỏng vận chuyển bùn cát và dự báo diễn biến trên các lòng dẫn sông ngòi trong đó có thể kểđến HEC-6 (1D), GSTAR (1, 2D), bộ mô hình SMS (1, 2D), DELF, bộ mô hình MIKE (1, 2, 3D), TREM (2D), CCHE2D, HSCTM2D,… và trong số đó có nhiều mô hình đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở trên thế giới và cảở Việt Nam.
Xét trong bối cảnh thực hiện dự án với khảnăng về thời gian và số liệu tương đối hạn hẹp, việc xây dựng mô hình cần kế thừa các cơ sở dữ liệu sẵn có, có các yêu cầu đầu vào và đầu ra tương thích với các công cụ và dữ liệu GIS hiện có cũng như kế thừa một số các tính toán dòng chảy trước đây trên khu vực nghiên cứu, đơn vị tư vấn đã lựa chọn mô hình MIKE 11 với 3 mô đun HD, RR và ST để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát và dự báo sự bồi xói cho hệ thống sông. Trên cơ sở các tính toán bằng mô hình MIKE 11 kết hợp với các điều tra đánh giá hiện trạng, xác định các khu vực xói lở trọng điểm và trích xuất các số liệu từ mô hình 1 chiều làm biên đầu vào cho mô hình 2 chiều. Mô hình 2 chiều được sử dụng là mô hình có mã nguồn mở, được phát triển bởi một thành viên trong nhóm thực hiện dự án và đã đư ợc áp dụng ở một số công trình nghiên cứu tương tự, do vậy vừa đáp ứng được tính chủ động trong bối cảnh cấp bách về thời gian cũng như đã có những kiểm chứng về độ tin cậy. Cụ thể bộ công cụ mô hình được lựa chọn bao gồm:
o Mô hình MIKE 11 HD và RR: mô phỏng dòng chảy trên toàn hệ thống sông
o Mô hình MIKE 11 ST: tính toán vận chuyển bùn cát không kết dính cho toàn hệ thống sông
o Mô hình TREM: tính toán trư ờng thủy động lực và vận chuyển bùn cát 2 chiều cho các khu vực trọng điểm
4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 1D VÀ 2D DỰ BÁO BỒI XÓI
4.2.1 Mô hình một chiều MIKE 11
chảy sông ngòi, chất lượng nước và sự vận chuyển bùn cát trong các hệ thống sông ngòi và kênh bao gồm cả vùng cửa sông, các mạng lưới tưới tiêu và các thành phần môi trường nước khác. Mô hình MIKE 11 cung cấp các công cụđộng lực học một chiều nhằm mục đích phục vụ cho các công tác phân tích, thiết kế, quản lý và vận hành một hệ thống sông ngòi và kênh rạch từ mức độ đơn giản cho đến mức độ phức tạp. Với sự linh hoạt và giao diện thân thiện với người sử dụng, MIKE 11 thực sự là một môi trường làm việc hiệu quả trong các ứng dụng về thiết kế kỹ thuật hệ thống sông, quản lý chất lượng nước và quy hoạch nguồn nước và lãnh thổ.
Mô hình MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun, trong đó hạt nhân quan trọng nhất là mô đun thủy – động – lực (HD module). Chính mô đun HD là cơ sởđể xây dựng hầu hết các mô đun khác bao gồm dự báo lũ, mô đun lan truyền chất (AD), mô đun chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát (ST). Mô đun HD trong MIKE giải hệphương trình cơ bản là hệ phương trình tích phân theo chiều thẳng đứng cho sự bảo toàn vật chất và động lượng, tức là hệphương trình Saint-Venant.
Các ứng dụng của mô đun HD trong MIKE 11 bao gồm: − Dự báo lũ và vận hành hồ chứa
− Mô phỏng các công trình và biện pháp phòng và chống lũ − Vận hành hệ thống tưới và tiêu bề mặt
− Thiết kế hệ thống kênh mương tưới và tiêu
− Nghiên cứu hiện tượng nước dâng do bão và sự truyền triều trong sông và các vùng cửa sông
Một trong những tính năng cơ bản và nổi trội của MIKE 11 là cấu trúc phân chia theo mô đun tổng hợp và thống nhất cho phép lựa chọn tính toán nhiều hiện tượng khác nhau liên quan đến hệ thống sông ngòi thông qua việc đưa vào thêm các mô đun sẵn có trong bộ mô hình.
Bên cạnh mô đun thủy động lực HD nói trên, trong MIKE có thể lựa chọn thêm các mô đun sau đây đểtính toán cho các trường hợp cụ thể:
− Mô đun các mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trên các loại bề mặt lưu vực khác nhau
− Mô đun lan truyền chất
− Mô đun tính toán vận chuyển bùn cát kết dính và không kết dính − Mô đun tính toán hệ sinh thái sông,…
Trong khuôn khổ dự án này, bộ mô hình MIKE 11 với các mô đun HD (thủy động lực 1 chiều), RR (mô hình mưa-dòng chảy) và ST (vận chuyển bùn cát 1 chiều) được sử dụng để tính toán mô phỏng cán cân trầm tích dọc sông, trên cơ sởđó cung cấp các điều kiện cụ thểlàm biên đầu vào tính toán bằng mô hình 2 chiều cho các khu vực xói lở trọng điểm.
a) Hệphương trình cơ bản
Mô hình MIKE 11 tính toán thủy động lực mạng sông dựa trên việc giải hệphương trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây:
- Chất lỏng (nước) là không nén được và đồng nhất (xem như không có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước)
- Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ
- Chiều dài sóng là tương đối dài so với độ sâu dòng chảy (điều kiện nước nông – xem rằng tại mọi điểm trong hệ thống, véc-tơ lưu tốc luôn song song với đáy kênh và không có sự biến đổi của lưu tốc theo phương thẳng đứng, từđó có thể áp dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh trong kênh)
- Dòng chảy trong hệ thống là dòng chảy êm (có số Froud lớn hơn 1)
Hệphương trình Saint-Venant bao gồm hai phương trình:
Phương trình liên tục: t A x Q ∂ ∂ = ∂ ∂ (4.1) hoặc 0 = ∂ ∂ + ∂ ∂ t h b x Q (4.2) Phương trình chuyển động: 0 2 2 = + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ AR C Q gQ x h gA x A Q t Q α . (4.3)
trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước (m3/s); x là biến không gian; g là gia tốc trọng trường (m/s2); ρ là mật độ của nước (kg/m3); blà độ rộng của lòng dẫn (m) và R là bán kính thủy lực (m).
Mô hình vận chuyển bùn cát:
(4.4)
Trong đó: W là chu vi ướt
∆zn+1 là sựthay đổi cao trình đáy
tỷ lệ vận chuyển bùn cát theo phần trăm độ rộng đơn vị
ε là độ rỗng của bùn cát
Ψ hệ số chứa đựng không gian (0.5≤ Ψ≤1) Θ hệ số chứa đựng thời gian (0.5≤ Θ≤1)
Sự vận chuyển tại thời điểm t=(n+1)∆t được tính gần đúng bởi:
Hoặc trong đó u là vận tốc dòng chảy D là độ sâu.
Sựthay đổi cao trình đáy:
Đã có nhiều giả thiết khác nhau về vấn đề sự thay đổi trong độ sâu của mặt cắt ngang do sự xói mòn hay bồi lắng gây ra. Trong một vài trường hợp bùn cát sẽ tích tụ lại ở phần sâu nhất của mặt cắt ngang trước khi sự lắng đọng xuất hiện gần bờ. Đối với cửa sông vùng triều, một kiểu lắng đọng khác với sự bổi lắng dọc theo bờ có thể xuất hiện. Như vậy thì sự cân nhắc là cần thiết khi xem xét kết quả của mô hình lòng đ ộng trong MIKE 11 vì nó là mô hình một chiều. Tuy nhiên MIKE 11 cung cấp sự lựa chọn khác ở bên dưới để giúp ta biết được sựthay đổi của cao trình đáy. Mô hình thích hợp sẽ được chọn dựa trên cơ sở của sự xem xét kỹ thuật.
Thay vì giải phương trình (4.4) v ới , sự thay đổi trong diện tích mặt cắt ngang được tính: . Sau đó mặt cắt ngang được cập nhật theo các hướng như hình 4.1.
Mô hình 1: Sự bồi lắng theo lớp nằm ngang
Mô hình 2: Sự bồi xói đều xảy ra bên dưới mực nước. Không có sự bồi lắng hay xói mòn ở bên trên.
Mô hình 3: Sự bồi xói tỷ lệ thuận với độ sâu dòng chảy. Không có sự bồi xói ở bên trên.
Mô hình 4: Sự bồi xói xảy ra trên toàn bộ mặt cắt.
Mô hình 5: Sự bồi xói diễn ra tỷ lệ với độsâu bên dưới mực bờ.
Hình 4.1. Các dạng bồi xói trong Mike 11
Trong khuôn khổ tính toán này, với quy mô tính toán lớn cho cả hệ thống sông nên sử dụng mô hình 4.
b) Phương pháp giải
Hệ phương trình Saint – Venant là hệ phương trình vi phân đ ạo hàm riêng phi tuyến dạng hypebolic, về nguyên lý là không giải được trực tiếp bằng các phương pháp giải tích. Để tích phân hệphương trình này, bằng cách lược bỏ một số số hạng cùng với việc đưa vào một số giả thiết nhằm đơn giản hóa hệphương trình, một số tác giảđã đưa