Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu cơ chế tác động để chỉnh trị đoạn sông cong gấp trong vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều

Luận án tiến sĩ kỹ thuật trình bày: Tổng quan các nghiên cứu về chính trị; Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu; Kết quả nghiên cứu về cơ chế tác động để chỉnh trị đoạn sông công gấp; Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế nghiên cứu tính toán biến hình lòng dẫn khi sử dụng cơ chế kênh mồi chỉnh trị đoạn sông cong gấp thanh đa trên sông Sài Gòn,... Mời các bạn cùng tham khảo.

LÊ VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG ĐỂ CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP TRONG VÙNG CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA

THỦY TRIỀU

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN NG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2017

LÊ VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG ĐỂ CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP TRONG VÙNG CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA

THỦY TRIỀU

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

MÃ SỐ: 62 58 02 02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS HOÀNG VĂN HUÂN

2 GS.TS LƯƠNG PHƯƠNG HẬU

Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2017

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 12

0.1 MỘT SỐ THUẬT NGỮ KHOA HỌC VỀ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP 12 0.2 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 14

0.2.1 Yêu cầu về phòng chống úng ngập 14

0.2.2 Yêu cầu về phòng chống sạt lở bờ 14

0.2.3 Yêu cầu về phát triển giao thông thủy 15

0.2.4 Yêu cầu cảnh quan, môi trường, xây dựng thành phố 15

0.2.5 Yêu cầu về thiết kế công trình chỉnh trị đoạn sông cong gấp 16

0.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 17

0.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 18

0.4.1 Mục tiêu luận án 18

0.4.2 Nội dung chính của luận án 18

0.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP 19

1.1 CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 19

1.2 NHỮNG THÀNH TỰU VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

1.3 THÀNH TỰU NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 22

1.3.1 Về kết cấu dòng chảy 22

1.3.2 Nghiên cứu về diễn biến hình thái đoạn sông uốn khúc 24

1.3.3 Về chỉnh trị đoạn sông cong gấp 25

1.3.4 Về dòng chảy, diễn biến lòng sông vùng ảnh hưởng triều 30

1.4 THÀNH TỰU NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM 37

1.4.1 Các nghiên cứu về sông vùng triều 38

1.4.2 Các công trình cắt sông đã nghiên cứu và thực hiện 41

1.5 NHẬN XÉT CHUNG 44

1.5.1 Những thành tựu đã đạt được 45

1.5.2 Những vấn đề tồn tại 45

1.6 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 47

1.6.1 Vấn đề nghiên cứu 47

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 47

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 48

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP 49

2.1.1 Tương tác dòng chảy – lòng dẫn trong đoạn sông ảnh hưởng triều 49

2.1.2 Về Lưu lượng tạo lòng và quan hệ hình thái lòng dẫn 50

2.1.3 Tính toán thủy lực phân lưu 54

2.1.4 Công thức tính vận tốc khởi động của bùn cát 57

2.1.5 Sức tải cát của dòng chảy 58

2.1.6 Tính toán biến hình lòng dẫn 59

2.2 CƠ SỞ SỐ LIỆU 63

2.2.1 Số liệu về thủy triều trong sông ĐBNB 63

2.2.2 Số liệu thực đo về hình thái, thủy văn, bùn cát đoạn sông, kênh đào 69

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 74

2.3.1 Phương pháp điều tra, khảo sát hiện trường, phân tích số liệu thực đo trong vùng nghiên cứu 74

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán 77

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 82

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG ĐỂ CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP 83

3.1 PHÂN CHIA VÙNG NGHIÊN CỨU 83

3.1.1 Các căn cứ để phân vùng 83

3.1.2 Kết quả phân vùng 84

3.2 PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG ĐỂ CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP TRONG VÙNG ĐBNB 85

3.2.1.Cơ chế bạt mom 85

3.2.2 Cơ chế đào kênh tắt (bypass) 86

3.2.3 Cơ chế mở kênh, đóng sông 91

3.2.4 Một số nhận xét 93

3.2.5 Một số vấn đề khoa học cần giải quyết khi xác định cơ chế tác động 94

3.3 NGHIÊN CỨU QUAN HỆ HÌNH THÁI ỔN ĐỊNH CỦA LÒNG DẪN KÊNH ĐÀO 95

3.3.1 Quan hệ hình thái kênh đào từ các công trình cắt sông đã thực hiện trong vùng ĐBNB 95

3.3.2 Quan hệ hình thái kênh đào nối các sông trong vùng ĐBNB 96

3.4 NGHIÊN CỨU LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ MẶT CẮT ỔN ĐỊNH LÒNG DẪN KÊNH ĐÀO 3.4.1 Xem xét về tương tác dòng chảy, lòng dẫn ở đoạn cửa sông 101

3.4.2 Khái niệm về lưu lượng thiết kế mặt cắt ổn định lòng dẫn kênh đào cắt sông Qkđ 101

3.4.3 Tính toán trị số Qkđ cho các khu vực nghiên cứu 102

3.4.4 Xây dựng quan hệ Bk, hk và Qkđ 105

3.5 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KÊNH ĐÀO CẮT ĐOẠN SÔNG CONG GẤP 109

3.5.1 Sơ đồ tổng quát cho chương trình tính toán cắt sông 109

3.5.2 Chương trình tự động hóa tính toán cắt sông theo cơ chế tác động bằng kênh mồi - Chương trình CASO-2015 112

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 113

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THỰC TẾ-NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN KHI SỬ DỤNG CƠ CHẾ KÊNH MỒI CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP THANH ĐA

TRÊN SÔNG SÀI GÒN 115

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 115

4.2 CƠ SỞ DỮ LIỆU 115

a Tài liệu địa hình: 115

b Tài liệu thủy văn - bùn cát: 115

c Tài liệu địa chất: 115

4.3 BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH VÀ SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 116

4.3.1 Sơ đồ bố trí công trình và phân đoạn tính toán 116

4.3.2 Số liệu đầu vào 118

4.4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 121

4.4.1 Quy trình tính toán, hiệu chỉnh và kiểm định Chương trình 121

4.4.2 Xuất dữ liệu kết quả 122

4.5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 125

4.5.1 Tính hợp lý và độ tin cậy của kết quả tính toán 125

4.5.2 Nhận xét về chương trình tự động hóa tính toán 126

4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 126

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 0.1: Sơ đồ thể hiện hệ số uốn khúc ξ của đoạn sông 12

Hình 0.2: Hai loại đoạn sông cong gấp 13

Hình 1.1: Kết cấu dòng chảy tại khúc sông cong 23

Hình 1.2: Công trình cắt sông Mississippi 26

Hình 1.3: Công trình cắt sông đoạn Kinh Giang Hạ trên sông Trường Giang 27 Hình 1.4a: Cắt liên hoàn (ngoài) 28

Hình 1.4b: Cắt trong (a), cắt ngoài (b) 28

Hình 1.4c: Cắt sông liên hoàn (kiểu trung tâm) 28

Hình 1.4d: Đoạn cắt sông liên hoàn kiểu trung tâm trên sông Rhein, Đức (nguồn: Google earth) 28

Hình 1.5: Các loại cửa sông điển hình 32

Hình 1.6: Phân đoạn cửa sông 33

Hình 1.7: Quá trình thay đổi mực nước và lưu tốc ở 4 giai đoạn dòng triều cửa sông 36

Hình 1.8: Cắt sông tự phát trên sông Đào Nam Định (1974-1994) 42

Hình 1.9: Mặt bằng tuyến cắt cong đoạn Quản Xá - Sông Chu 44

Hình 2.1: Phân đoạn tính toán biến hình lòng dẫn sau khi cắt sông 60

Hình 2.2: Sơ họa vị trí lấy mẫu bùn cát đáy kênh đào 75

Hình 2.3: Một số hình ảnh điều tra, khảo sát hiện trường 76

Hình 2.4: Sơ đồ tính toán xói sâu và xói ngang trong kênh dẫn tuyến cong 80

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán xói sâu và xói ngang trong kênh dẫn tuyến thẳng 81 Hình 3.1: Bạt mom tại khúc cong Thạch Vĩnh Đông – vùng màu vàng (nguồn: Google Earth) 86

Hình 3.2: Bạt mom tại khúc cong Đồng Sơn - vùng màu vàng (nguồn: Google Earth) 86

Hình 3.3a: Đoạn cong gấp Thanh Đa, sông Sài Gòn (nguồn:Bản đồ vệ tinh

Google Earth) 86

Hình 3.3b: Kênh đào cắt sông khu vực bán đảo Thanh Đa, sông Sài Gòn năm 1962 (nguồn: Internet) 86

Hình 3.4a: Hình ảnh đoạn Gò Dầu năm 2015, đoạn cắt sông nét đứt màu đỏ (nguồn: Google Earth năm 2015) 87

Hình 3.4b: Bình đồ đoạn Gò Dầu thực hiện năm 2009 do PORTCOAST khảo sát 87

Hình 3.5: Cắt sông Vàm Sát ở Lý Nhơn, Cần Giờ, Tp.HCM 88

Hình 3.6: Kênh đào cắt qua eo Mỹ An trên sông Vàm Cỏ Tây 89

Hình 3.7: Cắt sông Rạch Lá ở Bình Phú, Gò Công, Tiền Giang - tuyến màu vàng (nguồn: Google Earth) 90

Hình 3.8: Cắt sông Rạch Lá ở Đồng Thanh, Gò Công, Tiền Giang- tuyến màu vàng (nguồn: Google Earth) 90

Hình 3.9a: Cắt sông Nước Đục ở Bình Thạnh, Long Mỹ, tỉnh Hậu Giang; kênh cắt tuyến màu đỏ (nguồn: Google Earth) 90

Hình 3.9b: Hình ảnh tuyến kênh tắt (trên) và sông cũ (nguồn: Ảnh do tác giả chụp tháng 5/2016) 90

Hình 3.10: Kênh đào cắt đoạn cong gấp Bùi Hữu Nghĩa trên sông Láng Thé 91 Hình 3.11: Kênh đào cắt đoạn cong gấp Chùa Bà Sở trên sông Bến Chùa 92

Hình 3.12: Kênh đào cắt đoạn cong gấp Cần Chông trên sông Cầu Quan 93

Hình 3.13: Đồ thị quan hệ Bk~Qkđ kênh cắt sông 106

Hình 3.14: Đồ thị quan hệ hk~Qkđ kênh cắt sông 106

Hình 3.15: Đồ thị quan hệ Bk~Qkđ kênh nối sông vùng I 106

Hình 3.16: Đồ thị quan hệ hk~Qkđ kênh nối sông vùng I 106

Hình 3.17: Đồ thị quan hệ Bk~Qkđ kênh nối sông vùng II 106

Hình 3.18: Đồ thị quan hệ hk~Qkđ kênh nối sông vùng II 106

Hình 3.19: Đồ thị quan hệ Bk~Qkđ kênh nối sông vùng III 107

Hình 3.20: Đồ thị quan hệ hk~Qkđ kênh nối sông vùng III 107

Hình 3.21: Đồ thị quan hệ Vkđ~Qkđ kênh cắt sông 107

Hình 3.22: Đồ thị quan hệ Vkđ~Qkđ kênh nối sông vùng I 107

Hình 3.23: Đồ thị quan hệ Vkđ~Qkđ kênh nối sông vùng II 107

Hình 3.24: Đồ thị quan hệ Vkđ~Qkđ kênh nối sông vùng III 107

Hình 3.25: Sơ đồ khối chương trình tính toán cắt sông CASO-2015 111

Hình 4.1: Mặt cắt ngang kênh mồi (hình thang) và kênh mồi chữ nhật quy đổi 117

Hình 4.2: Sơ đồ phân chia đoạn sông tính toán 118

Hình 4.3: Lưu lượng tính toán và dự báo quá trình biến đổi lưu lượng sông cũ và kênh đào 124

Hình 4.4: Diễn biến tỷ lệ phân chia lưu lượng vào kênh dẫn Kpl=Qy/Qo 124

Hình 4.5: Biến động thể tích xói bồi trung bình năm theo bước thời gian phát triển của kênh đào 124

Hình 4.6: Thể tích xói bồi lũy tích của kênh dẫn và sông cũ 124

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng thống kê giá trị số mũ của các tác giả 52 Bảng 2.2: Lưu lượng xả lũ với một số cấp tần suất 63 Bảng 2.3: Hằng số điều hòa thủy triều của 4 sông chính 66 Bảng 2.4: Thời gian triều dâng và triều rút trên một số trạm vùng cửa sông Việt Nam 68 Bảng 2.5: Thống kê các kênh đã tiến hành khảo sát 70 Bảng 3.1: Quan hệ hình thái mặt cắt ngang ổn định của kênh đào cắt sông 95 Bảng 3.2: Quan hệ hình thái kênh đào nối sông vùng I 97 Bảng 3.3: Quan hệ hình thái kênh đào nối sông vùng II 97 Bảng 3.4: Quan hệ hình thái kênh đào nối sông vùng III 98 Bảng 3.5: Bảng tổng hợp trị số cực trị và trung bình của quan hệ hình thái mặt cắt ngang kênh đào vùng ĐBNB 99 Bảng 3.6: Giá trị quan hệ hình thái mặt cắt ngang kênh đào cắt sông ĐBNB100 Bảng 3.7: Tính toán lưu lượng khởi động cho kênh đào khu vực ĐBNB 103 Bảng 3.8: Kết quả xác định các hệ số và số mũ trong các công thức quan hệ hình thái mặt cắt ngang kênh đào 108 Bảng 4.1: Bảng các thông số đầu vào chương trình 119 Bảng 4.2: Bảng các thông số đầu ra của chương trình tính 123

CÁC KÝ HIỆU CÔNG THỨC

A [m2] diện tích mặt cắt ướt lòng sông

Ak [m2] diện tích mặt cắt ướt kênh đào

h [m] độ sâu dòng chảy trung bình mặt cắt

hs [m] độ sâu trung bình mặt cắt của đoạn sông cong cắt

sông

hk [m] độ sâu trung bình kênh dẫn

J [-] độ dốc mặt nước của đoạn sông

Kc [-] hệ số tỷ lệ cắt sông cong gấp (tỷ số chiều dài theo

đường trung tâm của vòng sông và chiều dài kênh cắt)

Lk [m] chiều dài kênh đào

Ls [m] chiều dài tuyến sông uốn khúc

Lt [m] khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối của tuyến

m [-] hệ số mái nghiêng lòng sông, kênh

ns [-] hệ số nhám của đoạn sông cong

nk [-] hệ số nhám của kênh dẫn

Qo [m3/s] lưu lượng tính toán đoạn sông trước khi phân lưu

Qs [m3/s] lưu lượng tính toán của sông cong

Qk [m3/s] lưu lượng tính toán kênh đào cắt sông

Q [m3/s] lưu lượng dòng chảy

Qf [m3/s] lưu lượng tạo lòng sông

Qkđ [m3/s] lưu lượng thiết kế mặt cắt ổn định kênh đào cắt sông

đ [độ] góc tạo thành giữa phương dòng chảy và đường dòng

đáy của dòng xoắn

m [độ] góc tạo thành giữa phương dòng chảy và đường dòng

mặt

 [cm/s] độ thô thủy lực của bùn cát (vận tốc lắng chìm)

ν [10-6 m2/s] hệ số nhớt động học

s

 [kg/m3] khối lượng riêng của bùn cát

ζ =√B/h [-] giá trị quan hệ hình thái mặt cắt ngang ổn định của

sông, kênh

 [độ] góc tạo bởi trục trung tâm dòng chảy đoạn sông cong

và kênh đào cắt sông

TGLX: Tứ giác Long Xuyên

ADCP: Thiết bị đo các yếu tố tổng hợp dòng chảy TPHCM: Thành phố Hồ Chí Minh

DHI: Viện thủy lực Đan Mạch

MHVL: Mô hình vật lý

MHT: Mô hình toán

NCS: Nghiên cứu sinh (tác giả luận án)

MỞ ĐẦU 0.1 MỘT SỐ THUẬT NGỮ KHOA HỌC VỀ ĐOẠN SÔNG CONG GẤP

Một đoạn sông có tuyến dòng chảy là một khúc cong được gọi là một

đoạn sông cong Dòng sông gồm nhiều đoạn cong hợp thành được gọi là sông uốn khúc (meandering river) Đó là loại hình sông phổ biến nhất ở vùng đồng

bằng, đồng bằng Nam Bộ (ĐBNB) cũng không ngoại lệ

Để mô tả các đặc trưng hình học cho sông uốn khúc và các đoạn sông cong, người ta sử dụng nhiều chỉ tiêu phân tích, trong đó thường dùng những chỉ tiêu sau đây:

 Hệ số uốn khúc ξ:

Hệ số uốn khúc ξ là đại lượng đo bằng tỷ lệ giữa chiều dài theo đường trung tâm tuyến sông Ls (tuyến màu đỏ Hình 0.1) và chiều dài nối thẳng giữa điểm đầu và điểm cuối của tuyến sông Lt (tuyến màu vàng Hình 0.1)

Trị số của ξ luôn lớn hơn 1, thay đổi tùy thuộc vào mức độ uốn cong ban đầu của tuyến sông, trạng thái mất cân bằng hình thái của lòng sông, lưu lượng và mực nước lũ, độ dốc địa hình và đường trũng, đặc trưng địa chất lòng sông, chuyển động bùn cát, mức độ phát triển của thực vật trên bãi và lòng sông, v.v

Hình 0.1: Sơ đồ thể hiện hệ số uốn khúc ξ của đoạn sông

b- Bán kính đỉnh cong Rc:

Bán kính cong Rc là đại lượng chiều dài được đo tại cung tròn đường tâm hình học ở đỉnh khúc cong Rc càng bé biểu thị độ cong của khúc sông càng lớn

c Đoạn sông cong gấp

Chữ "gấp" trong thuật ngữ "đoạn sông cong gấp" thể hiện mức độ cản trở đến thoát lũ, gây sạt lở bờ và gây nhiều khó khăn cho hành hải của các phương tiện thủy

Theo hình dạng trên mặt bằng, có 2 loại đoạn sông cong gấp chính: Một loại có hình dạng chữ V (Hình 0.2a), một loại khác thì tuyến sông trên mặt bằng có hình dạng chữ Ω (Hình 0.2b)

- Đoạn cong gấp hình chữ V có bán kính đỉnh cong Rc rất bé ( Rc ≤ 2B) với B là chiều rộng trung bình lòng sông mùa nước trung Tỷ số θ = Rc/ B gọi

là tỷ số ngoặt (xem Hình 0.2a)

- Đoạn cong gấp hình chữ Ω có eo sông rất hẹp (nơi 2 tuyến sông đi sát

gần nhau gọi là eo sông- Meander neck) Đoạn cong gấp hình chữ Ω có hệ số

cong gấp ψ ≥ 3, với ψ = ls/le, là tỷ số giữa chiều dài theo đường trung tâm

khúc cong (ls) và chiều rộng hẹp nhất của eo (le), xem Hình 0.2b

a- Đoạn cong gấp hình chữ V

(Nguồn: Google earth)

b- Đoạn cong gấp hình chữ Ω (Nguồn: Google earth) Hình 0.2: Hai loại đoạn sông cong gấp

ls

le

B

Rc

0.2 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

Trong vùng đồng bằng, sông uốn khúc vừa độ là loại sông ổn định nhất và thuận lợi nhất cho các mục tiêu khai thác Nhưng khi sông uốn khúc phát triển quá độ, tạo ra các đoạn sông cong gấp Những đoạn sông cong gấp ảnh hưởng đáng kể tới sự phát triển kinh tế của các ngành liên quan đến khai thác tổng hợp dòng sông, chỉnh trị đoạn sông cong gấp nhằm đáp ứng những yêu cầu thực tế sau:

0.2.1 Yêu cầu về phòng chống úng ngập: Ở những đoạn sông cong gấp,

do kết cấu dòng chảy thay đổi lớn làm xuất hiện sức cản phụ gia Khi tỷ số

giữa bán kính cong và chiều rộng dòng chảy  3

B

R c

phía bờ lồi xuất hiện sự

tách rời biên của dòng chảy, hình thành khu nước vật ở hạ lưu đỉnh bờ lồi làm tăng thêm sức cản [21] Sức cản phụ gia làm mực nước dâng cao, gây úng ngập, giảm nhỏ khả năng thoát lũ của lòng sông Có thể thấy vùng Đông Nam

Bộ (ĐNB) với mạng lưới sông rất nhiều đoạn cong gấp, khả năng thoát lũ kém, đã gây úng ngập nặng nề mỗi khi gặp triều cường, đặc biệt tại thành phố

Hồ Chí Minh (TP.HCM)

0.2.2 Yêu cầu về phòng chống sạt lở bờ: Trong những đoạn cong gấp,

cường độ hoàn lưu lớn, vận tốc dòng chảy bờ lõm rất cao và thúc vào bờ Sự phân bố vận tốc trung bình thủy trực trên phương ngang có những điều chỉnh lớn So với đoạn sông thẳng, phân bố vận tốc trung bình thủy trực trên phương ngang ở đoạn sông cong rất không đều Ở đoạn sông cong gấp, trị số lớn nhất của vận tốc trung bình thủy trực Vtb lớn hơn nhiều (có thể đạt 1,5 lần) so với đoạn sông thẳng có cùng một vận tốc trung bình mặt cắt Vận tốc lớn, làm sạt lở phần trên bờ, vận tốc đáy lại moi hẫng chân bờ, làm cho bờ lõm bị sạt lở lớn

Các số liệu thống kê, phân tích trong nhiều tài liệu đã công bố và các hình ảnh tư liệu hiện trường của chúng tôi đều ghi nhận những sự kiện sạt lở bờ nghiêm trọng, gây nhiều tổn thất tại các đoạn sông cong gấp Có thể đưa ra những dẫn chứng sau:

 Sạt lở tại các đoạn sông cong gấp trên sông Tiền như Tân Châu, Hồng Ngự, Sa Đéc, An Hiệp…;

 Sạt lở tại các đoạn sông cong gấp trên sông Hậu như đoạn Vĩnh Lợi, Bình Trạch, An Phú, Cù lao Ông Hổ…;

 Sạt lở tại các đoạn sông cong gấp trên sông Đồng Nai như đoạn Biên Hòa, Cù lao Phố ;

 Sạt lở tại các đoạn sông cong gấp trên sông Sài Gòn như Thanh Đa, Mũi Đèn Đỏ, Hiệp Phước…

0.2.3 Yêu cầu về phát triển giao thông thủy: Vòng cong gấp kéo dài

hành trình chạy tàu, che khuất tầm nhìn, gây khó khăn cho quay trở của các đoàn tàu, dòng chảy ngang mạnh gây mất an toàn chạy tàu, ngoài ra ở đoạn quá độ còn tạo ra các ngưỡng cạn có lạch sâu so le rất nguy hiểm Những dẫn chứng về tình trạng đó ở ĐBNB có thể thấy ở:

 Các đoạn Gò Dầu, Nhơn Trạch trên sông Thị Vải [25];

 Các đoạn An Thôn Hiệp trên sông Lòng Tàu [26];

 Đoạn Bình Khánh trên sông Soài Rạp [25], [26];

 Đoạn Rạch Lá trên kênh Chợ Gạo [40]

0.2.4 Yêu cầu cảnh quan, môi trường, xây dựng thành phố

Các đoạn sông uốn khúc trong thành phố luôn là những yếu tố cảnh quan,

môi trường hấp dẫn Nhưng do diễn biến phức tạp, các đoạn cong gấp có thể

uy hiếp an toàn cư dân và các công trình công cộng Chỉnh trị đoạn sông cong gấp luôn là yêu cầu bức thiết trong các thành phố, như đoạn Thanh Đa, đoạn cong gấp thủ Thiêm, TPHCM, đoạn Tân Châu, đoạn Sa Đéc trên sông Tiền

0.2.5 Yêu cầu về thiết kế công trình chỉnh trị đoạn sông cong gấp

Đoạn sông cong gấp luôn tạo ra những diễn biến bất thường Nếu để xảy

ra cắt sông tự nhiên sẽ có thể tạo ra những tình thế bị động, không khống chế được dòng chảy sông mới, gây ra xói, bồi nghiêm trọng ngoài ý muốn, sẽ dẫn đến những tổn thất lớn cho dân cư Chỉ có chủ động cắt vòng cong, tạo lòng sông mới thuận lợi hơn đi qua eo sông, mới khắc phục được một cách cơ bản những bất lợi của sông cũ gây ra cho các ngành kinh tế - kỹ thuật

Trong vùng Đồng bằng Nam Bộ (ĐBNB), đã có một số công trình cắt sông được thực hiện (cắt sông chủ động hoặc không chủ động), tuy nhiên có thể đánh giá tính hiệu quả và những vấn đề tồn tại như sau:

1) Đoạn Thanh Đa trên sông Sài Gòn (chủ động, chưa đạt hiệu quả cao); 2) Đoạn Gò Dầu trên sông Thị Vải (chủ động, đạt hiệu quả);

3) Đoạn Lý Nhơn trên sông Vàm Sát (bị động, không đạt hiệu quả cao);

4) Đoạn Mỹ An trên sông Vàm Cỏ Tây (bị động, không đạt hiệu quả cao); 5) Đoạn Bình Phú trên sông Rạch Lá, tuyến Chợ Gạo (chủ động, không đạt hiệu quả cao);

6) Đoạn Đồng Thanh trên sông Rạch Lá, tuyến Chợ Gạo (chủ động, không đạt hiệu quả cao);

7) Đoạn Bùi Hữu Nghĩa trên sông Láng Thé (chủ động, xói lở kênh dẫn); 8) Đoạn Chùa Bà Sớ trên sông Bến Chùa (chủ động, bồi lấp kênh dẫn);

9) Đoạn Cần Chông trên sông Cầu Quan (chủ động, xói lở kênh dẫn);

10) Đoạn Bình Thạnh trên sông Nước Đục (chủ động, xói lở kênh dẫn)

Ngoài ra, gần đây, Sở GTVT Tp.HCM đã tiến hành hai công trình cắt sông tại sông Đồng Điền (huyện Nhà Bè) và sông Xóm Củi (Q8), tuy nhiên, sau khi đưa vào sử dụng thì cả hai không đạt hiệu quả như mục tiêu Sông Đồng Điền, kênh dẫn diễn biến mạnh, không thể kiểm soát Sông Xóm Củi thì bị bồi lấp kênh đào nhiều lần, phải nạo vét liên tục

Do các công trình cắt sông chưa được nghiên cứu đầy đủ nên hiệu quả của

phần lớn công trình nói trên còn bị hạn chế nhiều Với yêu cầu phát triển bền vững kinh tế - xã hội, sẽ còn có nhiều công trình cắt sông nữa trong tương lai

Từ những thực tế nói trên thấy rằng, việc nghiên cứu sâu các vấn đề của đoạn sông cong gấp nhằm đáp ứng các yêu cầu bức bách trong công tác chỉnh trị các đoạn sông này là rất cần thiết

0.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

Nghiên cứu chỉnh trị đoạn sông cong gấp vùng ảnh hưởng triều phải giải quyết hàng loạt những vấn đề khó và phức tạp trong động lực học dòng sông

vì tính biến động trên ba chiều không gian và theo thời gian của cả dòng chảy lẫn lòng dẫn, kéo theo những tác động liên hoàn của nó đối với hệ thống sông Luận án phải xem xét đến nhiều hiện tượng vật lý cho đến nay vẫn chưa mô tả được chính xác bằng các phương trình toán học như hoạt động tạo lòng của dòng chảy trong vùng triều, kết cấu dòng chảy vùng cửa sông và sự phân chia bùn cát tại cửa vào kênh đào cắt sông, quan hệ hình thái của kênh đào, tính toán biến hình lòng dẫn trong công trình cắt sông v.v

Để xác lập cơ sở khoa học cho việc thiết kế kênh dẫn trong công trình cắt sông, cần nghiên cứu về quan hệ hình thái kênh đào vùng triều ĐBNB, là một vấn đề chưa được quan tâm nghiên cứu Trong tính toán diễn biến lòng dẫn kênh đào cắt sông, việc phân phối khối lượng bồi xói không thể chia đều trên toàn chu vi ướt mặt cắt ngang như hiện nay vẫn làm, mà phải nghiên cứu để xác định phân bố tuân theo quy luật hình thái

Đó là những vấn đề khoa học chuyên sâu mà luận án cần có phương án giải quyết Sau khi giải quyết được những vấn đề mang tính cơ sở khoa học trên, việc xây dựng một chương trình tính toán, vận dụng các kiến thức về toán học, tin học để lập trình cho phần mềm tự động hóa tính toán, vận dụng vào thực tế cắt sông vùng ĐBNB, cũng sẽ là một đóng góp khoa học đáng được ghi nhận

0.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

0.4.1 Mục tiêu luận án

(1)- Trên cơ sở phân tích hiện trạng và yêu cầu thực tế, đề xuất được cơ

chế tác động phù hợp để chỉnh trị đoạn sông cong gấp vùng ĐBNB

(2)- Nghiên cứu xác định các giá trị quan hệ hình thái kênh đào và yếu tố

ảnh hưởng để phục vụ thiết kế kênh dẫn cắt sông

(3)- Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế kênh đào cắt sông có cơ sở khoa học nhưng đơn giản, dễ ứng dụng cho vùng ĐBNB

0.4.2 Nội dung chính của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung chính của

luận án được trình bày theo bốn Chương sau:

(1) - Tổng quan các thành tựu nghiên cứu trên thế giới và trong nước về chỉnh trị đoạn sông cong gấp, từ đó đề xuất vấn đề nghiên cứu của luận án; (2) - Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu của luận án;

(3) - Kết quả nghiên cứu về cơ chế tác động để chỉnh trị đoạn sông cong gấp vùng ĐBNB;

(4) - Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công trình thực tế

Sau phần thống kê các công trình khoa học đã công bố của Nghiên cứu sinh (NCS) là phần Phụ lục bao gồm các tài liệu, số liệu cơ bản, bảng biểu tính toán trung gian làm căn cứ nghiên cứu của luận án

0.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

1 - Kết quả nghiên cứu của Luận án đã chỉ ra hình thức đào kênh mồi chưa đem lại hiệu quả mong muốn, để đạt được mục tiêu cần sử dụng hình thức đào tới mặt cắt ổn định;

2 - Luận án đã xác lập được quan hệ hình thái mặt cắt ngang B/h của kênh đào cắt sông cho một số vùng đặc thù thuộc đồng bằng Nam Bộ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHỈNH TRỊ

ĐOẠN SÔNG CONG GẤP

1.1 CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chỉnh trị đoạn sông cong gấp gắn liền với những vấn đề cơ bản về Động lực học dòng sông và chỉnh trị sông Khoa học động lực dòng sông và chỉnh trị sông được phát triển mạnh trong nửa thế kỷ XX ở các nước Âu Mỹ Những nghiên cứu về chuyển động bùn cát của các nhà khoa học như Du Boys (Pháp); về dòng không ổn định như Barré de Saint - Venant; về hình thái lòng sông uốn khúc của L.Fargue vẫn giữ nguyên giá trị sử dụng cho đến ngày nay Việc chỉnh trị đoạn sông cong gấp chủ yếu xuất phát từ yêu cầu giao thông thủy, chống úng ngập và thoát lũ Liên quan đến chỉnh trị đoạn sông uốn khúc, các nội dung nghiên cứu chủ yếu bao gồm:

- Nguyên nhân và điều kiện hình thành sông uốn khúc

- Kết cấu dòng chảy ở đoạn sông cong

- Quan hệ hình thái và sự phát triển lòng dẫn kênh đào cắt sông

- Cơ chế cắt sông

- Tính toán thủy lực và diễn biến hình thái trong công trình chỉnh trị đoạn sông uốn khúc

- Dòng chảy, diễn biến lòng sông vùng ảnh hưởng triều

1.2 NHỮNG THÀNH TỰU VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Cũng như những vấn đề động lực học dòng sông và chỉnh trị sông khác, công trình chỉnh trị đoạn sông cong gấp, ở trong nước hay trên thế giới đều được tiến hành theo 3 phương pháp cơ bản sau:

- Phương pháp phân tích các tài liệu thực đo: Dựa theo các số liệu đo đạc

địa hình, địa chất, thủy văn nhiều năm, phân tích vị trí, quy mô, tốc độ xói, bồi trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và

xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu Đây là phương pháp rất cơ bản,

có độ tin cậy cao, nhưng có nhiều hạn chế về số liệu thực đo và không thể nghiên cứu các vấn đề sẽ xẩy ra trong tương lai Giải đoán ảnh viễn thám cũng là một nhánh của phương pháp này, được ứng dụng rất hiệu quả trong nghiên cứu biến động trên mặt bằng của tuyến sông

- Phương pháp mô hình vật lý: Do tính phức tạp trong kết cấu dòng chảy

và diễn biến sông, nghiên cứu trên mô hình vật lý, cho đến nay, vẫn là phương pháp cơ bản nhất khi thực hiện các nghiên cứu về lý thuyết cũng như công trình chỉnh trị đoạn sông cong gấp Về sự hình thành sông uốn khúc, vào năm 1920, Maccaveep (Liên Xô cũ) [47] đã nghiên cứu trên mô hình vật lý lòng động; Zhang R.C (Trương Thụy Cẩn) và Xie Jian Heng (Tạ Giám Hoành) thuộc Đại học Thủy lợi Vũ Hán, Trung Quốc nghiên cứu về kết cấu hoàn lưu trên máng nước cong vào năm 1959-1960 Trong những năm gần đây, các thí nghiệm mô hình về sông uốn khúc vẫn được tiến hành trong các nghiên cứu của Van Dijk, W M (2012) [106]; của J.Le Coz, W.Mechalkova (2010) [82] Ở Việt Nam, công trình chỉnh trị đoạn sông cong gấp Phú Hùng Cường (trên sông Hồng) được Hoàng Hữu Văn, Nguyễn Văn Toán (Viện nghiên cứu Khoa học Thủy Lợi) tiến hành nghiên cứu trên mô hình vật lý vào những năm 80 của thế kỷ trước [62]; công trình cắt sông Quản Xá được Lương Phương Hậu (Đại học Xây Dựng) tiến hành nghiên cứu trên mô hình lòng cứng và lòng động vào năm 1993 [57]; công trình chỉnh trị đoạn cong Quảng Huế được Nguyễn Bá Quỳ (trường Đại học Thủy Lợi) tiến hành vào năm 2011 [13], công trình chỉnh trị đoạn Lão Hoàng, sông Lô được Phạm Đình (Viện KHTL) nghiên cứu trên mô hình lòng động năm 2012 [20]

- Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình thích hợp cho

dòng chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện biên,

điều kiện ban đầu hợp lý, tìm các lời giải giải tích hoặc lời giải số trị cho các vấn đề nghiên cứu

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 hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp Vì vậy, trong nghiên cứu thực địa đã có những thiết bị đo hiện đại, nhanh chóng, chính xác; trong nghiên cứu mô hình vật lý thực hiện được những tiêu chuẩn tương tự khó; trong mô hình toán giải quyết được các bài toán về dòng không ổn định nhiều chiều bằng phương pháp số v.v Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều mô hình và phần mềm tính toán thủy động lực học trong sông, kênh cho các trường hợp 1D, 2D và 3D Một số phần mềm thương mại trên thế giới hiện nay đều là những bộ phần mềm đa năng, được cập nhật và cải tiến liên tục: HEC (Mỹ), SMS (Anh), MIKE (Đan Mạch), SOBEK, WENDY, DELFT-3D (Hà Lan), TELEMAC-2D (Pháp) Cùng với sự hoàn thiện không ngừng của kỹ thuật tính toán và nâng cao tốc độ tính toán, mô hình toán đã phát huy tác dụng ngày càng lớn trong tính toán sự thay đổi dòng chảy và biến hình lòng dẫn do công trình chỉnh trị gây ra

Ứng dụng mô hình toán hai hoặc ba chiều có thể mô phỏng tốt chế độ thủy động lực, hình thái sông cong trong phạm vi không gian và thời gian bị giới hạn do sự hạn chế về dung lượng máy tính hoặc thời gian để thực hiện công tác mô phỏng dự báo phải kéo dài Để có thể mô phỏng diễn biến trục sông cong hoặc công trình cắt sông cong gấp theo thời gian, các nhà nghiên cứu về chỉnh trị sông phải dùng các mô hình 1D để dự báo diễn biến biến trục hình thái sông cong sau khi cắt sông hoặc tái hiện lại hình ảnh tuyến trục sông

đã diễn ra trong quá khứ Các mô hình điển hình dự báo trên thế giới như MIANDRAS của Crosato (2008) [105], Kleinhans (2008) [111] Trong đó

thực chất mô hình MIANDRAS sử dụng mô hình 2D để mô phỏng chế độ thủy động lực và 1D để dự báo diễn biến hình thái trên mặt bằng của trục sông

1.3 THÀNH TỰU NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

a- Xác định độ dốc ngang mặt nước

Dòng nước khi chảy qua khúc sông cong sẽ chịu tác dụng của lực hướng tâm Kết cấu dòng chảy ở khúc sông cong là sản phẩm của sự tổng hợp tác động của lực ly tâm và trọng lực

Kết quả nghiên cứu về đường đẳng trị mực nước ở một khúc cong của Rôzôpski [113], của Packman A.I [95] chỉ rõ rằng:

- Dọc theo bờ lõm, đường mặt nước có dạng đường cong lồi, ở đỉnh cong mực nước cao nhất Dọc theo bờ lồi, đường mặt nước có dạng đường cong lõm, ở vị trí gần đỉnh cong, mực nước thấp nhất

- Độ dốc ngang lớn nhất xuất hiện ở vùng gần đỉnh cong, giảm dần về hai phía Độ dốc ngang tăng lên khi mực nước tăng lên Trên thực tế, đường mặt nước trên mặt cắt ngang tại khúc cong là một đường cong, chứ không phải một đường thẳng Độ chênh mực nước hai bờ được xác định như sau:

B gR

V Z

c

tb y

2



 (1-1)

R R

 (Rc1: bán kính cong bờ lồi, Rc2: bán kính cong bờ lõm)

b- Nghiên cứu kết cấu hoàn lưu trong khúc sông cong

Theo các nghiên cứu của Zhang R.C [114] và Xie Jian Heng [115] tương

ứng với độc dốc ngang mặt nước, tồn tại dòng chảy theo phương ngang, dưới dạng hoàn lưu Hoàn lưu ở đoạn sông cong có cường độ mạnh và thường là đơn nhất, phương chuyển động ổn định, kết hợp với dòng chảy dọc tạo thành dòng xoắn như Hình 1.1 thể hiện

A

1 2 3 4 5

3

2 1

Hình 1.1: Kết cấu dòng chảy tại khúc sông cong

Từ Hình 1.1 ta thấy rằng góc tạo thành giữa phương dòng chảy (đường giữa sông) với đường dòng đáy của dòng xoắn đ lớn hơn nhiều so với m là góc tạo thành với đường dòng mặt

Trước khi vào khúc cong, trong dòng chảy đã xuất hiện hoàn lưu nhưng với cường độ yếu Sau khi vào khúc cong, hoàn lưu được tăng cường và đến vùng đỉnh cong, cường độ hoàn lưu vy/vx (vy: Thành phần vận tốc hướng

ngang có phương vuông góc với trục sông (m/s) và vx: Thành phần vận tốc theo hướng dòng chảy có phương tiếp tuyến với trục sông (m/s)) đạt đến trị số cực đại, sau đó lại bắt đầu giảm nhỏ Ra khỏi khúc cong, hoàn lưu còn duy trì được một đoạn nữa và có tác dụng làm giảm yếu hoàn lưu ngược chiều ở khúc cong dưới

c- Xác định vận tốc ngang và phân bố của nó theo chiều sâu

Kết quả nghiên cứu sự phân bố vận tốc ngang tại khúc cong được trình bày theo tài liệu thí nghiệm của Rôzôpski [113] theo số liệu đo đạc trong sông

thiên nhiên của Zhang R.C [114]

1.3.2 Nghiên cứu về diễn biến hình thái đoạn sông uốn khúc

a- Quy luật hình thái của đoạn sông uốn khúc

Hình thái của đoạn sông uốn khúc tuân theo một số quy luật nhất định Từ

số liệu khảo sát, thực đo trên sông Garonne (Pháp), Louis.Fargue (1827-1910)

đã tổng kết các quy luật đó thành 5 điểm, thường gọi là định luật Fargue [26], [Willi H Hager, 2010]

b- Quan hệ hình thái mặt cắt ngang lòng dẫn cơ bản

Hiện nay, những quan hệ hình thái lòng dẫn cơ sở thường dùng là:

- Quan hệ giữa chiều rộng và chiều sâu do Viện Thủy văn Liên Xô (cũ) đề nghị [19]:

5 , 0

J

Q A

Do có ưu điểm là đơn giản, dễ tìm tài liệu, nên các quan hệ trên được dùng rộng rãi trên thế giới

Ngoài ra còn có các nghiên cứu của Hubert (2003) [80], Jessica (2013) [89], Jacqueline (2015) [91], Sassi (2012) [100], Townend (2012) [104]

c- Diễn biến hình thái đoạn sông uốn khúc trước và sau khi cắt sông

Các nghiên cứu tập trung phần lớn ở các sông uốn khúc được chỉnh trị bằng giải pháp cắt sông tại các hệ thống sông lớn như Mississippi (Mỹ), Danube (Rumani), Tisza (Hungary), Hunter (Australia) [69], [75], [76], [78], [82], [83], [85], [86], [87], [98]

1.3.3 Về chỉnh trị đoạn sông cong gấp

a- Lịch sử phát triển công trình cắt sông

- Cuối thế kỷ 18, các công trình cắt sông được người Đức tiến hành trên sông Elbe, kết quả là độ dốc tăng lên, vận tốc tăng lên, thuận lợi cho dâng nước tưới ruộng, tiêu úng [21]

- Những công trình cắt sông nổi tiếng xuất hiện đầu thế kỷ XX là những công trình trong kế hoạch phòng lũ hạ lưu sông Mississippi của Mỹ đề ra năm

1927 Những công trình này được thi công trong những năm 1929 ÷ 1942 do

Ủy ban Nghiên cứu và khai thác sông Mississippi tiến hành Trong đoạn sông giữa hai thành phố Memphis và Boton Rouge đã thực hiện 16 công trình cắt sông, trên tổng chiều dài 274km [69], [75], [76], [78], [93], [110] (Hình 1.2)

- Ở Châu Âu, trong thế kỷ XX, công trình cắt sông được thực hiện khá rộng rãi Một số công trình cắt sông tiêu biểu là Meuse (Pháp), Elbe, Havel (Đức), Rhine (Đức, Pháp, Hà Lan), Ijssel (Hà Lan), Danube (Rumani), Tisza (Hungary), Hunter (Australia) [19], [23], [83], [86], [89], [108]

- Ở Trung Quốc, công trình cắt sông cũng được thực hiện rộng rãi từ những năm 40-50 của thế kỷ trước Trong đó, điển hình là công trình cắt sông liên hoàn tại đoạn Kinh Giang Hạ (tỉnh Hồ Bắc) trên sông Trường Giang [114], thực hiện vào những năm 50-60 của thế kỷ XX, do Ủy Ban thủy lợi sông Trường Giang nghiên cứu, thiết kế (xem Hình 1.3)

Đoạn sông Kinh Giang Hạ dài khoảng 253 km, có 16 khúc cong Hàng năm, do diễn biến, chiều dài sông tăng bình quân 570 m Theo tài liệu lịch sử

200 năm trở lại đây, biên độ dao động theo phương ngang của đoạn sông đạt

30 km, do cắt sông tự nhiên để lại hơn 10 hồ ách trâu

Glasscock

Giles

Rodney

Yucatan Diamond Morshat

Willow

Sacah Worthington Leland

Taroley Asbbrook Caulk

Jackson Sunflower

Herdin

Hình 1.2: Công trình cắt sông Mississippi

Hình 1.3: Công trình cắt sông đoạn Kinh Giang Hạ trên sông Trường Giang

Trong quy hoạch chỉnh trị, các nhà thiết kế thuộc Ủy Ban Trường Giang vạch ra nhiều phương án, sau cùng chọn phương án cắt sông như đã thể hiện trên Hình 1.3 Các kênh dẫn chọn lệch về phía đê phải để cách xa đê trái đang mất an toàn vì sạt lở mạnh, chiều dài sông rút ngắn xuống còn 148,3 km, bằng 41,6% chiều dài ban đầu Hiệu quả công trình thu được là: Về đường thủy, rút ngắn được khoảng 100 km hành trình chạy tầu; về phòng lũ hạ thấp mực nước

lũ được 0,59 m, tương đương với việc tăng khả năng thóat lũ của lòng sông thêm 6.000 m3

/s [87]

b-Các vấn đề nghiên cứu trong công trình cắt sông

 Nghiên cứu về định tuyến kênh dẫn [21], [107], [108]:

Thông thường, công trình cắt sông có hai phương thức cắt sông là cắt liên hoàn (hay cắt hệ thống) nhiều khúc cong và cắt riêng từng khúc cong (Hình 1.4), tại mỗi khúc cong thì có 2 phương án là cắt trong và cắt ngoài như Hình 1.4b thể hiện Kiểu cắt sông liên hoàn có hai hình thức là liên hoàn ngoài (Hình 1.4a) và cắt liên hoàn trung tâm (Hình 1.4c,d) Allen (1965) lại

phân thành kiểu cắt cổ cong tiếp xúc (neck cutoff) và cắt kiểu máng (chute cutoff) với điểm phân nhập lưu của kênh cắt có khoảng cách xa nhau [108]

1

b a

Hình 1.4a Cắt liên hoàn (ngoài) Hình 1.4b Cắt trong(a), cắt ngoài (b)

Hình 1.4c Cắt sông liên hoàn

(kiểu trung tâm)

Hình 1.4d Đoạn cắt sông liên hoàn kiểu trung tâm trên sông Rhein, Đức (nguồn: Google earth)

 Nghiên cứu về vị trí cửa vào, cửa ra kênh dẫn [21], [90], [111], [102]

Theo phương án cắt trong, vị trí của cửa vào kênh dẫn cần bố trí ở hạ lưu đỉnh cong trên bờ lõm khúc cong thượng lưu, góc giữa trục động lực dòng chảy với trục kênh dẫn () càng nhỏ càng tốt Căn cứ vào kinh nghiệm của các công trình cắt sông thực tế trên thế giới, trị số lớn nhất của θ không nên





Tuyến cũ Tuyến mới

vượt quá 250 Như vậy, kênh dẫn có thể tiếp nhận dòng chảy từ thượng lưu một cách thuận lợi, đồng thời ở thời gian đầu có thể chắc chắn đón được dòng chảy bề mặt có hàm lượng bùn cát tương đối nhỏ, có lợi cho sự phát triển của kênh mồi

Vị trí cửa ra của kênh dẫn nên bố trí tại phía thượng lưu đỉnh cong bờ lõm của khúc cong hạ lưu, để hình thành một thế sông phối hợp hài hòa giữa đưa ra và đón vào đối với dòng chảy từ kênh dẫn đến đoạn sông hạ lưu Phương pháp bố trí như vậy lợi dụng được dòng chảy mạnh trong lạch sâu của đoạn cong hạ lưu để chuyển tải lượng bùn cát lớn đến từ kênh dẫn, đưa tiếp về xuôi

 Xác định về tỷ lệ cắt sông [21], [102]:

Tỷ lệ giữa chiều dài theo đường trung tâm của đoạn sông cong cũ (ls)

và chiều dài theo đường trung tâm của kênh dẫn cắt sông (lk) gọi là hệ số tỷ lệ cắt sông Kc Trị số của tỷ lệ này thể hiện mức độ điều chỉnh thế sông, là một yếu tố quan trọng cần phải xem xét khi thiết kế kênh dẫn Căn cứ vào kinh nghiệm thực tế, tỷ lệ cắt sông khống chế trong phạm vi từ 3 ÷ 7 sẽ cho hiệu quả tốt

 Thiết kế mặt cắt kênh đào (kênh mồi) [21], [76], [99], [102]:

Tại Châu Âu, lúc ban đầu không tiến hành những thiết kế chính thức cho kênh dẫn, chỉ căn cứ tuyến kênh đã chọn, tiến hành đào kênh theo mặt cắt của chuẩn tắc luồng tầu, đồng thời bố trí đập khóa ở cửa vào sông cũ, đưa toàn bộ lưu lượng thông qua kênh dẫn mới Hậu quả là kênh dẫn bị xói nghiêm trọng, làm cho lòng sông ở hạ lưu kênh dẫn biến đổi đột ngột, bồi lắng và dâng cao mực nước Sau đó, người ta thường gọi phương pháp cắt sông như vậy là phương pháp cắt sông theo kiểu Châu Âu

Đến đầu thế kỷ 20, Ferguson [75] đề xuất cắt sông bằng phương pháp

“kênh mồi” (pilot channel) Tại eo thắt của vòng sông dự kiến bố trí kênh dẫn,

trước hết đào kênh dẫn với mặt ngang tương đối nhỏ, lợi dụng năng lượng tự thân của dòng chảy, trong điều kiện thuận lợi của độ dốc tăng lên, mặt cắt kênh dẫn sẽ được xói mở dần, lòng sông cũ cũng suy vong dần mà không cần xây dựng đập khóa tại cửa vào của khúc sông cong cũ Trải qua một thời kỳ nhất định, kênh dẫn sẽ được dòng chảy đào sâu mở rộng đến mặt cắt có thể thông qua toàn bộ lưu lượng Loại kênh như vậy gọi là “kênh mồi” (pilot channel) Phương pháp kênh mồi thông qua thực tiễn đã có cải tiến từng bước, hiện nay đã tương đối hoàn chỉnh, được vận dụng rộng rãi trên thế giới

Đến 1933, sáng kiến cắt sông bằng kênh mồi và được ứng dụng ngay cho 16 công trình cắt sông giữa hai thành phố Memphis và Boton Rouge (dài

274 km), phục vụ cho công trình thoát lũ hạ lưu Mississippi [76]

Kích thước mặt cắt ban đầu của kênh dẫn trực tiếp liên quan đến năng lực thoát lũ của kênh dẫn, yêu cầu của các ngành kinh tế - xã hội khác, đặc biệt là yêu cầu của giao thông thủy

Thiết kế mặt cắt ban đầu của kênh dẫn có hai trường hợp: Một là, nếu kênh dẫn đi qua vùng đất khó xói thì phải đào kênh dẫn đến mặt cắt cuối cùng Hai là, kênh dẫn đi qua vùng đất dễ xói, thì có thể thiết kế mặt cắt ban đầu với kích thước nhỏ sau đó nhờ năng lượng của dòng chảy để phát triển đến mặt cắt cuối cùng, tức kênh mồi Nguyên tắc thiết kế của mặt cắt kênh mồi là: Dưới tiền đề bảo đảm kênh mồi có thể xói mở lòng dẫn để đáp ứng các yêu cầu của các ngành kinh tế – xã hội, đặc biệt là yêu cầu của giao thông thủy, xem xét phương án có khối lượng đào đất nhỏ nhất

1.3.4 Về dòng chảy, diễn biến lòng sông vùng ảnh hưởng triều

Các sông trong vùng ảnh hưởng triều thực chất là vùng cửa sông ra biển Vì vậy, những nghiên cứu về lòng sông trong vùng này đều là những vấn đề về cửa sông Nghiên cứu chỉnh trị sông cong gấp trong vùng ảnh hưởng triều không thể tách rời những nghiên cứu về cửa sông

Ngoài những vấn đề thông thường về cửa sông như thủy triều, sóng, nội dung nghiên cứu cửa sông cũng được mở rộng ra các lĩnh vực xâm nhập mặn, khuếch tán ô nhiễm…Trên cơ sở đó, năm 1966, Ippen, A T [81] tập hợp các công trình nghiên cứu của 9 nhà khoa học nổi tiếng ở Mỹ, xuất bản cuốn “ Động lực học cửa sông và bờ biển " Đó là công trình nghiên cứu đầu tiên đề cập khá sâu sắc đến những vấn đề về động lực học cửa sông Vào những năm

60 của thế kỷ XX, các kết quả nghiên cứu liên quan đến vấn đề cửa sông liên tục được công bố, trong đó nổi bật là công trình của Owen, M.V [94]; Mignior, C Đồng thời việc nghiên cứu về chuyển động bùn cát hạt mịn trong vùng cửa sông, những công trình nghiên cứu của các nhà khoa học người Mỹ

là Einstein, H.A, Krone [84], R.B và Partheniades E [96] khá nổi bật Vào những thập kỷ gần đây, các nghiên cứu hướng về sự chuyển động của bùn cát mịn chịu tác dụng của sóng, cũng như chịu tác động đồng thời của sóng và dòng chảy, trong đó có sự đóng góp tích cực của nhà khoa học Châu Âu và Trung Quốc Các tác giả sau đây cũng rất nổi tiếng về nghiên cứu cửa sông: M.c Dowell, D.M & O’.Connor, B.A.; Dyer K.R [72]; Dronkers.J Leussen, W.V [74]

Trong luận án này, tác giả quan tâm đến các vấn đề về đặc trưng dòng chảy vùng cửa sông, diễn biến hình thái vùng cửa sông Nhưng những vấn đề

đó lại gắn liền với loại hình cửa sông và phân đoạn cửa sông

Các nghiên cứu về phân đoạn, phân loại cửa sông dẫn ra sau đây là của Arnoldo Valle – Levinson [67]; Cameron, W.M and Pritchard [70] và Hansen, D.V and M Rattray Jr [79]

a) Phân loại cửa sông

Xuất phát từ các góc độ, các quan điểm khác nhau người ta phân chia cửa sông ra nhiều loại để thuận tiện trong nghiên cứu Từ biên độ triều, chia

ra cửa sông triều mạnh (Δ > 4 m), cửa sông triều trung bình (Δ = 2 ÷ 4 m) và

cửa sông triều yếu (Δ < 2 m) Từ đặc điểm các khối bồi lắng chia thành cửa sông có cồn chắn cửa và cửa sông có ngưỡng cát ngầm Căn cứ vào loại hình xáo trộn giữa nước mặn và nước ngọt, phân ra cửa sông xáo trộn nhẹ, cửa sông xáo trộn vừa và cửa sông xáo trộn mạnh Nhưng phổ biến là cách phân loại theo hình thái địa mạo: cửa sông tam giác châu (deltal) và cửa sông hình phễu (estuary) Sau này sẽ gọi là cửa delta và cửa estuary Xem Hình 1.5

Hình 1.5: Các loại cửa sông điển hình a) Cửa sông delta hình mỏ chim; b) Cửa sông delta hình chân chim

c) Cửa sông delta hình quạt; d) Cửa sông estuary

Nhưng cách phân loại trên chỉ mới chú ý đến hình dạng trên mặt bằng của cửa sông mà chưa đề cập đến nguyên nhân hình thành của nó, cho nên có nhiều người đề ra các phân loại khác như: hàm lượng bùn cát (S GM Fridman và J.G Sanders); tỷ lệ giữa dòng chảy sông và biển (Ning Chian); chế độ triều, dòng chảy và nguồn gốc bùn cát chủ yếu từ sông hay từ biển (Chen Jiyu [71]); quan hệ giữa các yếu tố dòng chảy sông, chia nhỏ sóng và triều (W.E Galloway [77])

b) Phân đoạn cửa sông

Hiện nay, sự phân chia cụ thể các đoạn cửa sông chưa có một chỉ tiêu thống nhất nào Theo Perillo, G.M.E [97], Dowell D.M, [73], Wang Y.H

[109] thì tùy theo đặc trưng dòng chảy và các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy các sông trong vùng cửa sông có thể chia ra các đoạn như sau (Xem

Hình 1.6):

- Đoạn tiếp cận cửa sông:

+ Giới hạn trên của đoạn tiếp cận cửa sông là nơi mà mực nước còn

chịu ảnh hưởng triều dâng ở thời kỳ mùa nước trung hoặc ảnh hưởng của nước dâng, giới hạn dưới của nó là nơi bắt đầu phân lạch loại cửa delta, hoặc là nới bắt đầu hình thành các bãi ngầm của cửa estuary

+ Giới hạn dưới của đoạn cửa sông là biên tuyến của châu thổ, từ

đó cho đến biên ngoài của bãi duyên hải là đoạn biển nông ngoài cửa

- Đoạn cửa sông: Trong đoạn này, xuất hiện dòng chảy ra vào theo

2 hướng thuận, nghịch, lưu tốc tăng, giảm theo thủy triều qua 4 giai đoạn, cuối đoạn có xâm nhập mặn

- Đoạn biển nông ngoài cửa sông: Dòng triều xoay chiều theo

hình ellip, chịu ảnh hưởng của sóng và dòng ven

Hình 1.6: Phân đoạn cửa sông a) Cửa sông delta; b) Cửa sông estuary; 1.Đoạn tiếp cận cửa sông; 2.Đoạn cửa sông; 3.Đoạn biển nông ngoài cửa ;4.Bờ biển; 5.Đường viền bờ dốc

Có thể sơ đồ hóa cách phân đoạn trên như sau:

c) Dòng chảy trong vùng cửa sông ảnh hưởng triều

Dòng chảy trong đoạn cửa sông thuộc loại dòng chảy thuận nghịch, không ổn định, có tính chu kỳ, được hình thành do sự kết hợp giữa dòng nước mặn biển nông được sóng triều đưa vào cửa sông và dòng nước sông đổ từ thượng lưu về Theo Wang yun Hui (1991) [109], tính chất dòng chảy cửa sông được mô tả như sau:

Sau khi đi vào đoạn cửa sông, sóng triều chịu hạn chế của bờ sông, sức cản lòng sông và lực đẩy xuôi của dòng chảy sông, đường quá trình mực nước

và dòng chảy tương ứng sẽ không còn như vùng biển nông, mà còn có sự lệch pha về thời gian

Trong tình hình chung, quá trình biến đổi của mực nước và lưu tốc trong một chu kỳ triều diễn ra như Hình 1.7 thể hiện

+ Dòng nước chảy xuôi lúc triều dâng :

Triều bắt đầu dâng, mực nước biển tăng lên làm cho mặt nước cửa sông đang dốc ra biển sẽ thoải dần, thậm chí gần bằng không, nhưng dòng nước trong cửa sông vẫn tiếp tục chảy hướng ra biển theo tác dụng của lực quán tính Tất nhiên, lưu tốc còn lại đã rất nhỏ Trạng thái này gọi là dòng nước

chảy xuôi lúc triều dâng Trong trạng thái đó, trên thủy trực có thể xuất hiện dòng chảy phân lớp với 2 hướng ngược nhau: Lớp trên, dòng chảy đi xuôi ra biển, độ mặn nhỏ; lớp dưới, dòng chảy đi ngược vào sông, độ mặn lớn hơn (xem Hình 1.7a)

Xét trên mặt cắt ngang, ở vùng sát và đáy có lưu tốc nhỏ, tác dụng của lực quán tính yếu hơn nên nước dâng sớm hơn Còn ở vùng chủ lưu, vận tốc lớn, tác dụng của lực quán tính mạnh hơn nên nước sẽ dâng muộn hơn

+ Dòng nước chảy ngược lúc triều dâng:

Theo sự dâng lên không ngừng của thủy triều, độ dốc mặt nước nghiêng dần vào sông Đến lúc dòng chảy xuôi vượt qua điểm dừng, nước trên toàn bộ mặt cắt sẽ chuyển động ngược về thượng lưu sông Trạng thái này gọi là dòng nước ngược lúc triều dâng (Hình 1.7b)

+ Dòng nước chảy ngược lúc triều hạ:

Sau khi dòng triều chảy ngược tiến sâu vào cửa sông được một khoảng cách nhất định, mực nước trong sông bị kéo xuống từ phía biển Lúc này, độ dốc ngược của mặt nước sông thoải dần, lưu tốc dòng chảy ngược cũng giảm dần, nhưng dưới tác dụng của lực quán tính, dòng chảy ngược vẫn tiếp tục được duy trì Trạng thái này gọi là dòng nước chảy ngược lúc triều hạ (xem Hình 1.7c)

Trong trạng thái này, trên mặt cắt ngang dòng chảy ở vùng gần bờ và đáy có lưu tốc nhỏ, lực quán tính yếu, nên rút về xuôi chậm hơn

+ Dòng nước chảy xuôi lúc triều hạ:

Mực nước triều tiếp tục hạ thấp, độ dốc mặt nước nghiêng dần ra biển Dòng chảy ngược sau khi vượt qua điểm dừng, nước trên toàn bộ mặt cắt ngang đều chảy xuôi về biển Trạng thái này gọi là dòng chảy xuôi lúc triều

hạ (xem Hình 1.7d)

Trong bốn tình huống nói trên, do tác dụng tăng tốc và giảm tốc, phương của dòng chảy có lúc không trùng với dộ dốc mặt nước Như trong giai đoạn triều hạ, nước chảy ngược, độ dốc mặt nước đã gần bằng 0 mà dòng chảy vẫn hướng ngược lên thượng lưu Trong giai đoạn triều dâng, nước chảy xuôi cũng có hiện tượng tương tự

Hình 1.7: Quá trình thay đổi mực nước và lưu tốc ở 4 giai đoạn dòng triều cửa sông

1.4 THÀNH TỰU NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM

Nghiên cứu chỉnh trị đoạn sông cong gấp đều lấy cơ sở khoa học từ 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 phục vụ 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 các 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 học mới được phát triển dần với

sự tham gia của các nhà khoa học thuộc Viện Cơ học Việt Nam, Viện Khí tượng Thủy văn, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Đại học Bách Khoa Tp.HCM 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, Nguyễn Văn Điệp, Trịnh Quang Hòa, Nguyễn Hữu Nhân 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  2000, 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, Nguyễn Văn Toán, Hoàng Hữu Văn, Trần Xuân Thái, Trịnh Việt An, Trần Đình Hợi, Tôn Thất Vĩnh, Nguyễn Văn Phúc, Phạm Đình, Nguyễn Ngọc Quỳnh, Nguyễn Bá Quỳ [1], [2] [20], [43], [62], [63]; Các vấn

đề của các sông vùng đồng bằng sông Cửu Long được Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu, Nguyễn Ân Niên, Hoàng Hưng, Trần Minh Quang, Hoàng Văn

Huân, Lê Mạnh Hùng, Tăng Đức Thắng, Đinh Công Sản, Trần Bá Hoằng [5], [7], [20], [26], [31], [34], [36], [44], [64] nghiên cứu nhiều trong 10 năm gần đây; Các vấn đề của 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 [13], [15], [41], [55]

Hiện nay, nhà nước đã 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 Hòa Lạc, phòng thí nghiệm động lực và chỉnh trị sông của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam v.v

1.4.1 Các nghiên cứu về sông vùng triều

Ở nước ta, tất cả các con sông ở vùng ĐBBB, Đồng bằng ven biển miền Trung, ĐBNB đều chịu ảnh hưởng của thủy triều biển Đông và một phần thủy triều biển Tây Rất nhiều ngành nghề khai thác nguồn lợi từ sông hoặc có nhiệm vụ khắc phục các tác hại do sông gây ra đều phải nghiên cứu về sông vùng triều Ở đây, chỉ đề cập đến những nghiên cứu các vấn đề trong lĩnh vực thủy lợi và chỉnh trị sông

a) Các nghiên cứu cơ bản về thủy triều

Đây là công việc của các Viện nghiên cứu biển Hải Dương học, các đơn

vị (Khoa, Đài, Trạm) chuyên ngành về Khí tượng - thủy văn, Trung tâm khí tượng thủy văn biển…Một số tác giả nổi bật có Nguyễn Ngọc Thụy [48], [49], Lê Đức Tố [50], Phạm Văn Ninh [37]; Phạm Văn Huấn [29], Đặng Văn

Tỏ [51]; Nguyễn Hữu Nhân [38]; Nguyễn Thế Tưởng [52]…

Cho đến nay có thể nói rằng, việc phân tích và dự báo dao động thủy triều ở nước ta đã đạt được trình độ đáp ứng được những yêu cầu cơ bản của thực tiễn Nhiều năm nay đã xuất bản được đều đặn và có độ tin cậy cao bảng

dự tính mực nước thủy triều hàng giờ cho các cảng chính thuộc bờ biển Việt