NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT BÙN CÁT ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG CU ĐÊ, ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- oOo --- TRẦN QUỐC BẢO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT BÙN CÁT ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG CU ĐÊ, ĐÀ NẴNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

TRẦN QUỐC BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT BÙN

CÁT ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG CU ĐÊ, ĐÀ NẴNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng, 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

TRẦN QUỐC BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT BÙN

CÁT ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG CU ĐÊ, ĐÀ NẴNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS VŨ HUY CÔNG

Đà Nẵng, 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

TRẦN QUỐC BẢO

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiện trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Khoa xây dựng công trình thủy tại trường Đại học Bách khoa, khóa học 2017-2019 Trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp

đỡ của quý thầy cô, học viên cùng lớp, đồng nghiệp cơ quan

Đặc biệt luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Vũ Huy Công Tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy hướng dẫn đã giúp đỡ, chỉ bảo, hỗ trợ học viên trong quá trình tiếp cận và hoàn thiện luận văn

Tác giả cũng chân thành cảm ơn tới các anh chị đồng nghiệp, bạn bè tại Công ty TNHH MTV khai thác CTTL Quảng Ngãi, Trạm QLTN số 5 – Mộ Đức đã hỗ trợ chuyên môn, và thời gian để luận văn được hoàn thành

Do thời gian và kiến thức hạn chế, luận văn chắc không tránh khỏi thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp, các nhà khoa học và độc giả để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT BÙN CÁT

ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG CU ĐÊ, ĐÀ NẴNG

Học viên: Trần Quốc Bảo Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: ………Khóa: K35-CTT-QNg Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Sông Cu Đê là một dòng sông tại phía Bắc thành phố Đà Nẵng Một số đoạn sông

đã xuất hiện tình trạng bồi lấp Để giảm tình trạng bồi lấp trên sông Cu Đê và khai thông luồng chảy, giảm thiểu lũ lụt, chính quyền địa phương đã có kế hoạch đã tổ chức hút cát, nạo vét sông Tuy nhiên, đến thời điểm này, việc đánh giá một cách tổng thể các tác động của việc khai thác, nạo vét cát tại sông Cu Đê vẫn chưa được thực hiện một cách tổng thể

Luận văn này sẽ đưa ra kết quả đánh giá của việc nạo vét lòng dẫn ảnh hưởng đến chế độ thủy lực dòng chảy trong sông Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nạo vét hợp lý nhằm khai thông điều hòa dòng chảy, ổn định lòng dẫn cho đoạn sông Đề tài nghiên cứu đề cập tới vấn đề khai thác tài nguyên thiên nhiên (cát sông) kết hợp nạo vét, tạo lòng dẫn thông thoáng, đáp ứng yêu cầu thoát lũ, giao thông thủy Đồng thời giữ ổn định cho đoạn sông là hết sức có ý nghĩa về mặt khoa học và mang tính ứng dụng thực tiễn cao

Từ khóa – Nạo vét cát; Sông Cu Đê; Telemac; Dòng chảy

STUDY THE EFFECT OF THE SAND DREDGING ACTIVITIES ON THE FLOW

REGIME IN CU DE RIVER IN DA NANG CITY Abstract: Cu De is a river located in the north of Da Nang city The deposittion process is

occuring in some parts of the river In order to reduce this proplem in Cu De river and to to reduce floods, the local authorities have planned to organize sand extraction and river dredging However, the overall assessment of the impacts of sand mining and dredging in Cu De River has not been implemented in a comprehensive way

This thesis showed the evaluation results of the dredging to influence the hydraulic flow regime in the river The research results of the thesis will be a scientific basis for functional units to propose reasonable dredging plans in order to reduce floods and stabilize the flow for the river section The research topic deals with the exploitation of natural resources (river sand) combined with dredging, creating a clear guide, meeting the requirements of flood drainage and waterway traffic Moreover, stabilizing the river flow is extremely meaningful and practical in terms of practical application

Key words – sand dredging; Cu De river; Telemac; river flow

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu: 4

1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên: 4

1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 16

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát 16

1.2.1 Quá trình hình thành cát lòng sông 16

1.2.2 Một số nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát trên thế giới 17

1.2.3 Một số nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát ở Việt Nam 21

1.3 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU 22

2.1 Các bước nghiên cứu 22

2.2 Phân tích lựa chọn mô hình 22

2.2.1 Tổng quan một số mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát phổ biến 22 2.2.2 Giới thiệu về hệ thống phần mềm Telemac 28

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm 30

2.2.4 Lựa chọn mô hình Telemac để giải quyết yêu cầu bài toán 31

2.2.5 Các mô đun thủy lực trong Telemac 31

2.2.6 Cơ sở lý thuyết phần mềm Telemac 33

2.2.7 Các thông số chính trong mô hình telemac 38

2.3 Số liệu phục vụ nghiên cứu 38

2.4 Thiết lập mô hình 39

2.4.1 Chuẩn bị dữ liệu 40

2.4.2 Xử lý số liệu địa hình khu vực 42

2.4.3 Tạo tập tin đầu vào Telemac 42

2.4.4 Kết quả tạo lưới 42

2.4.5 Thiết lập điều kiện biên và các thông số bài toán 44

2.5 Kiểm định mô hình 47

2.6 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT 49

ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG CU ĐÊ 49

3.1 Kịch bản tính toán 49

3.2 Kết quả mô phỏng 50

3.2.1 Sự thay đổi về mực nước 50

3.3.2 Sự thay đổi về vận tốc, sự phân bố vận tốc 51

3.4 Kết luận chương 3 58

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Hình ảnh sông Cu Đê nhìn từ trên cao (Google Earth) 1

Hình 2: Lưu vực sông Cu Đê 4

Hình 3 Biểu đồ lượng mưa trung bình trạm Hòa Bắc giai đoạn 2010-2016 9

Hình 4 Biểu đồ lượng mưa trung bình trạm Đà Nẵng giai đoạn 2010-2016 10

Hình 5 Biểu đồ lượng mưa trung bình trạm Cẩm Lệ giai đoạn 2010-2016 10

Hình 6 Các vùng của lưu vực sông 17

Hình 7 Hình ảnh vệ tinh từ năm 1995 và 2013 cho thấy tác động của việc khai thác cát trên tuyến đường thủy nối liền hồ Bà Dương của Trung Quốc và sông Dương Tử (Ảnh: Nasa Earth Observatory) 18

Hình 8 Lao động vận chuyển cát từ sông Yamuna ở Ấn Độ, nơi ngành xây dựng bùng nổ đã dẫn đến việc khai thác cát sông bừa bãi (Ảnh: AP/Rajesh Kumar Singh) 21

Hình 9 Các bước nghiên cứu mô hình 22

Hình 10: Hệ thống phần mềm TELEMAC 29

Hình 11 Địa hình lòng sông Cu Đê 39

Hình 12 Sử dụng Blue Kenue để tạo lưới 43

Hình 13 Kết quả tạo lưới tại một đoạn sông Cu Đê 43

Hình 14 Biểu đồ lưu lượng thời điểm nghiên cứu 44

Hình 15 Biểu đồ mực mước triều tại cầu Nam Ô 45

Hình 16 Thiết lập điều kiện biên cho mô hình 45

Hình 17 Mực nước thực đo và mô phỏng tại vị trí cửa ra (Cầu Nam Ô) 47

Hình 18 Tuyến nạo vét 49

Hình 19 Sự thay đổi mực mước ứng với các kịch bản nạo vét 50

Hình 20 Sự thay đổi vận tốc dòng chảy ứng với các kịch bản tính toán 51

Hình 21 Sự phân bố vận tốc tuyến chưa nạo vét 53

Hình 22 Sự phân bố vận tốc tuyến nạo vét ứng với cao trình -2.10m 53

Hình 23 Sự phân bố vận tốc tuyến nạo vét ứng với cao trình -3.0m 54

Hình 24 Sự phân bố vận tốc tuyến nạo vét ứng với cao trình -3.50m 55

Hình 25 Sự phân bố vận tốc tuyến chưa nạo vét 55

Hình 26 Sự phân bố vận tốc tuyến nạo vét ứng với cao trình -2.10m 56

Hình 27 Sự phân bố vận tốc tuyến nạo vét ứng với cao trình -3.0m 56

Hình 28 Sự phân bố vận tốc tuyến nạo vét ứng với cao trình -3.50m 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Tọa độ các lỗ khoan 6

Bảng 2 Tốc độ gió lớn nhất ứng với tần suất thiết kế tại trạm Đà Nẵng (m/s) 7

Bảng 3 Tốc độ gió trung bình tháng nhiều năm (m/s) 8

Bảng 4 Lượng mưa năm trạm Hòa Bắc, Đà Nẵng và Cẩm Lệ 9

Bảng 5 Lượng mưa năm trạm Hòa Bắc (mm) 9

Bảng 6 Lượng mưa trung bình trạm Đà Nẵng giai đoạn 2010-2016 (mm) 10

Bảng 7 Lượng mưa trung bình trạm Cẩm Lệ giai đoạn 2010-2016 (mm) 10

Bảng 8 Nhiệt độ tháng trung bình, thấp nhất và cao nhất tuyệt đối (C) 11

Bảng 9 Tổng số giờ nắng tháng, năm trung bình nhiều năm (giờ) 12

Bảng 10 Độ ẩm tương đối bình quân tháng trung bình nhiều năm (%) 12

Bảng 11 Lượng bốc hơi bình quân tháng trung bình nhiều năm (mm) 12

Bảng 12 Bảng lưu lượng và mực nước hạ lưu biên triều sông Cu Đê 40

Bảng 13 Thông số lưới tính 44

Bảng 14 Các thông số chính của mô hình 46

Bảng 15 Sự thay đổi mực mước tại các điểm quan trắc ứng với các kịch bản tính toán 50 Bảng 16 Sự thay đổi vận tốc tại các điểm quan trắc ứng với các kịch bản tính toán 52

Bảng 17 Vận tốc lớn nhất xuất hiện trong vùng nghiên cứu ứng với mỗi kịch bản 52

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Sông Cu Đê là một dòng sông tại phía Bắc thành phố Đà Nẵng Sông có các chi lưu chính là sông Bắc và sông Nam bắt nguồn từ dãy núi Trường Sơn Hai chi lưu chính hợp lưu thành sông Cu Đê tại Cầu Sập thôn Tà Lang xã Hòa Bắc, huyện Hòa Vang Sông chảy theo hướng Tây-Đông, qua huyện Hòa Vang và quận Liên Chiểu, rồi đổ ra biển Đông tại cửa biển Nam Ô, phường Hòa Hiệp Bắc, Hòa Hiệp Nam quận Liên Chiểu, cách chân đèo Hải Vân chừng 5 km Toàn chiều dài của sông tính từ xã Hòa Bắc tới biển là

38 km, trong đó tới hơn 30 km tại địa phận Hòa Vang Trên địa bàn quận Liên Chiểu, nó còn nhận một số chi lưu nhỏ ở hữu ngạn

Hình 1 Hình ảnh sông Cu Đê nhìn từ trên cao (Google Earth)

Để giảm tình trạng bồi lấp trên sông Cu Đê và khai thông luồng chảy, giảm thiểu lũ lụt, chính quyền địa phương đã có kế hoạch đã tổ chức hút cát, nạo vét sông Tuy nhiên, đến thời điểm này, việc đánh giá một cách tổng thể các tác động của việc khai thác, nạo vét cát tại sông Cu Đê vẫn chưa được thực hiện một cách tổng thể

Chính vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt động nạo vét bùn cát đến dòng chảy sông Cu Đê, Đà Nẵng” nhằm đánh giá một số ảnh hưởng của hoạt động nạo vét bùn cát đến chế độ thủy động lực trên sông

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu tổng quát của luận văn là đánh giá sự thay đổi chế độ thủy động lực dòng chảy sông Cu Đê do ảnh hưởng của hoạt động nạo vét, khai thác cát

Thực hiện mục tiêu tổng quát nêu trên, mục tiêu cụ thể được đặt ra là:

- Nghiên cứu hiện trạng thủy động lực sông Cu Đê;

- Đánh giá ảnh hưởng hoạt động nạo vét đến chế độ thủy động lực bằng mô hình toán

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: Chế độ thủy động lực sông Cu Đê trước và sau khi nạo vét

- Phạm vi: Sông Cu Đê đoạn từ huyện Hòa Vang đến cửa sông kéo dài 14km

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có trong lĩnh vực nghiên cứu

- Phương pháp mô hình hóa: ứng dụng mô hình toán đánh giá các ảnh hưởng của việc nạo vét, khai thác cát đến chế độ thủy động lực

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Đề tài này có ý thực tiễn nhằm đưa ra kết quả đánh giá của việc khai thác cát, nạo vét lòng dẫn ảnh hưởng đến chế độ thủy lực dòng chảy trong sông Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nạo vét hợp lý nhằm khai thông điều hòa dòng chảy, ổn định lòng dẫn cho đoạn sông Đề tài nghiên cứu

đề cập tới vấn đề khai thác tài nguyên thiên nhiên (cát sông) kết hợp nạo vét, tạo lòng dẫn thông thoáng, đáp ứng yêu cầu thoát lũ, giao thông thủy Đồng thời giữ ổn định cho đoạn sông là hết sức có ý nghĩa về mặt khoa học và mang tính ứng dụng thực tiễn cao

6 Cấu trúc của luận văn:

Cấu trúc luận văn gồm phần mở đầu, ba chương và phần kết luận kiến nghị

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Cấu trúc của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát

1.3 Kết luận của chương 1

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU

2.1 Các bước nghiên cứu

2.2 Phân tích lựa chọn mô hình

2.3 Số liệu phục vụ nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu:

1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên:

1.1.1.1 Vị trí địa lý:

Lưu vực sông Cu Đê có diện tích khoảng 425,2km2, có tọa độ địa lý tại cửa biển từ

16012’ đến 16013’ vĩ độ Bắc và từ 108012’đến 108012’ kinh độ Đông Trục chính của sông theo hướng Tây đổ về Đông, phía Bắc sông giáp đèo Hải Vân phía Nam giáp Thành phố

Đà Nẵng Diện tích tự nhiên toàn lưu vực nằm trên địa phận hành chính của xã Hòa Bắc, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng, Tổng diện tích đất nông nghiệp trên 350 ngàn ha và tổng dân số trên lưu vực khoảng 1,5 triệu người

Hình 2: Lưu vực sông Cu Đê

1.1.1.2 Đặc điểm địa hình:

Đà Nẵng là một thành phố ven biển, thuộc duyên hải Nam Trung Bộ, được tách ra

từ tỉnh Quảng Nam - Đà Nẵng cũ Địa hình thành phố Đà Nẵng vừa có đồng bằng vừa có núi, vùng núi cao và dốc tập trung ở phía Tây và Tây Bắc, từ đây có nhiều dãy núi chạy dài ra biển, một số đồi thấp xen kẽ vùng đồng bằng ven biển hẹp Địa hình đồi núi chiếm diện tích lớn, độ cao khoảng từ 700 - 1.500m, độ dốc lớn (> 400), là nơi tập trung nhiều rừng đầu nguồn và có ý nghĩa bảo vệ môi trường sinh thái của thành phố

Hệ thống sông ngòi ngắn và dốc gồm hệ thống sông Vu Gia bắt nguồn từ phía Quảng Nam đổ ra cửa sông Hàn, Sông Cu Đê bắt nguồn vùng Tây, Tây Bắc thành phố Đà Nẵng Đồng bằng ven biển là vùng đất thấp chịu ảnh hưởng của biển bị nhiễm mặn, là vùng tập trung nhiều cơ sở nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, quân sự, đất ở và các khu chức năng của thành phố

Địa hình lưu vực sông Cu Đê chủ yếu là đồi núi, chiếm trên 2/3 diện tích lưu vực Phía Bắc, phía Tây và một phần của phía Nam của lưu vực giáp với đồi núi cao Địa hình thấp dần từ Tây sang Đông

Sông Bắc nằm ở bên trái sông Cu Đê, bắt nguồn từ độ cao khoảng 800m chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Sông Nam nằm ở bên phải sông, nhánh sông này bắt nguồn

độ cao 500m Sông Cu Đê chảy đến vùng thấp, đồng bằng thì có hướng Tây - Đông

Nhìn chung, địa hình tương đối bằng phẳng, hơi dốc, thoải dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam Trong khu đất có những luồng lạch nước hình thành hệ thống thoát nước tự nhiên

1.1.1.3 Đặc điểm địa chất thổ nhưỡng:

Cấu trúc địa chất chung của vùng nghiên cứu bao gồm các thành tạo địa chất theo thứ tự từ cổ đến trẻ như sau:

- Giới Paleozoi - Hệ Orđovic-Silur: Hệ tầng Bol Atek (O-S bat): Trên địa bàn thành phố Đà Nẵng các đá của hệ tầng Bol Atek phát triển rộng rãi Đá của hệ tầng đặc trưng bởi

sự xen kẽ các đá phiến mica, đá phiến sericit, đá phiến thạch mica, đá phiến thạch sericit và đá phiến thạch anh-plagioclas-mica, đá phiến thạch anh-plagioclas với các lớp đá phiến đen, các lớp quarzit

anh Giới Paleozoi anh Hệ Devon: Hệ tầng Tân Lâm (D1anh 2 tl): Các đá của hệ tầng Tân Lâm phân bố chủ yếu dọc sông Cu Đê, khu vực Núi Đồng Đen Mặt cắt của hệ tầng Tân Lâm khá ổn định gồm hai tập:

+ Tập 1: Cát kết hạt thô, cát kết chứa sạn thạch anh màu xám trắng, xám hồng, lớp mỏng bột kết bị phiến hoá

+ Tập 2: Cát kết, bột-cát kết bị phiến hoá xen kẽ với cát kết, đá phiến sét, đá phiến sét sericit, các đá phiến thường có màu tím đặc trưng

- Giới Kainozoi - Hệ Đệ tứ: Các trầm tích Đệ tứ phân bố dọc các thung lũng sông suối và trên dải đồng bằng trước núi Trầm tích có sự chuyển hướng rõ ràng theo hướng từ lục địa ra biển và theo chiều xa dần các thung lũng sông

Theo báo cáo khảo sát địa chất công trình thuộc dự án do Công ty cổ phần tư vấn khảo sát địa chất công trình - thủy văn thực hiện tháng 11/2016, công tác khảo sát 18 lỗ khoan, mỗi lỗ sâu 5,0m, tọa độ các lỗ khoan như sau (Bảng 1):

Kết quả cho thấy khu vực nghiên cứu có các lớp đất đá:

- Lớp A: Cát hạt thô màu xám xanh, xám đen Nằm trên cùng của mặt cắt là lớp (A), thành phần: Cát hạt thô màu xám xanh, xám đen Bề dày lớp khoảng 0,5m (lỗ khoan LK1, LK4, LK5, LK6, LK7, LK10, LK13, LK14, LK15, LK18)

- Lớp 1: Cát hạt thô lẫn sạn sỏi màu xám xanh, xám vàng Nằm dưới lớp (A) là lớp (1), thành phần: Cát hạt thô lẫn sạn sỏi màu xám xanh, xám vàng Bề dày lớp khoảng 4,0m

(lỗ khoan LK1, LK2, LK3, LK4, LK5, LK6, LK7, LK8, LK9, LK10, LK11, LK12, LK13, LK14, LK15, LK16, LK17, LK18)

- Lớp 2: Cuội, sỏi màu xám xanh, xám vàng Nằm dưới lớp (1) là lớp (2) và cũng là lớp cuối cùng của lỗ khoan, thành phần: Cuội, sỏi màu xám xanh, xám vàng Bề dày lớp chưa xác định tại chiều sâu khoan thăm dò (lỗ khoan LK1, LK2, LK3, LK4, LK5, LK8, LK9, LK11, LK12, LK14, LK16, LK17, LK18)

- Lớp 3: Sạn, sỏi màu xám vàng, xám xanh Nằm dưới lớp (2) là lớp (3) và cũng là lớp cuối cùng của lỗ khoan, thành phần: Sạn, sỏi màu xám vàng, xám xanh Bề dày lớp chưa xác định tại chiều sâu khoan thăm dò (lỗ khoan LK8)

Như vậy, có thể thấy trầm tích trong khu vực khảo sát chủ yếu trầm tích sông bao gồm cát, sạn, sỏi phân bố từ thô đến mịn theo hướng từ thượng nguồn về hạ lưu Độ sâu mực nước mặt phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ thủy triều, dòng chảy, thời tiết Với đặc điểm trầm tích như trên khi tùy thuộc vào thời gian, vị trí nạo vét mà chọn phương án cho phù hợp nhằm đảm bảo hiệu quả công việc và chống xói mòn, sạt lở bờ sông

1.1.1.4 Đặc điểm khí hậu:

a Chế độ gió

- Hướng gió thịnh hành trong năm thay đổi theo mùa rõ rệt Các hướng gió thịnh chính là các hướng: Đông, Đông Bắc, Bắc, Tây và Tây Nam, trong đó hướng Tây, Tây Nam hoạt động mạnh nhất từ tháng V đến tháng VIII

- Tốc độ gió lớn nhất thường xuất hiện vào mùa đông, trùng với thời kỳ hoạt động của bão, gió mùa Đông Bắc Tốc độ gió bình quân hàng năm vùng núi đạt 0,7-1,3m/s, trong khi đó vùng đồng bằng ven biển đạt 1,3-1,6m/s Tốc độ gió lớn nhất đã quan trắc được ở Trà My mùa hạ đạt 34m/s trong mùa mưa đạt 25m/s Vùng đồng bằng ven biển gió thường mạnh hơn và đạt 40m/s như ở Đà Nẵng

Tốc độ gió lớn nhất các hướng và vô hướng ứng với tần suất thiết kế qua quan trắc tại trạm khí tượng Đà Nẵng như sau (Bảng 2 và bảng 3)

Bảng 2 Tốc độ gió lớn nhất ứng với tần suất thiết kế tại trạm Đà Nẵng (m/s)

Bảng 3 Tốc độ gió trung bình tháng nhiều năm (m/s)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

Đà Nẵng 1,36 1,55 1,66 1,64 1,49 1,17 1,14 1,12 1,30 1,56 1,90 1,52 1,45

b Chế độ mưa

Ở các tỉnh Trung Trung Bộ nói chung và thành phố Đà Nẵng nói riêng, dãy Trường Sơn là vai trò chính đóng góp cho việc làm lệch pha mùa mưa của các tỉnh Nam Trung Bộ

Về mùa hạ, trong khi mùa mưa đang diễn ra trong phạm vi cả nước thì các tỉnh Nam Trung

Bộ do hiệu ứng phơn phía sườn khuất gió (phía Đông Trường Sơn) đang là mùa khô kéo dài với những ngày thời tiết khô nóng, đặc biệt vùng đồng bằng ven biển và thung lũng thấp Bên cạnh đó vùng núi phía Tây có dịu mát hơn do ảnh hưởng một phần mùa mưa Tây Nguyên

Thời kỳ cuối mùa hạ đầu mùa đông gió mùa Đông Bắc đối lập với hướng núi, kèm theo là những nhiễu động như: fron cực đới, xoáy thấp, bão và hội tụ nhiệt đới cuối mùa

đã thiết lập mùa mưa ở Đà Nẵng và các tỉnh, thành phố ven biển Trung Trung Bộ

Nếu coi thời gian mùa nhiều mưa bao gồm những tháng có lượng mưa lớn hơn trong mưa bình quân tháng trong năm và đạt trên 50% tổng số năm quan trắc thì mùa nhiều mưa ở Đà Nẵng từ tháng IX đến tháng XII, mùa ít mưa từ tháng I đến tháng VIII Riêng tháng V và tháng VI xuất hiện đỉnh mưa phụ

Thành phần lượng mưa trong mùa nhiều mưa chiếm 65-80% lượng mưa cả năm, thành phần lượng mưa trong mùa ít mưa chỉ chiếm 20-35% lượng mưa cả năm Tuy nhiên thời kỳ mưa lớn nhất vùng nghiên cứu thường tập trung vào 2 tháng là tháng X và tháng

XI, thành phần lượng mưa trong 2 tháng này chiếm 40-50% lượng mưa cả năm Ở Đà Nẵng các tháng mùa nhiều mưa, mùa ít mưa cũng như 2 tháng mưa nhiều là tháng X và tháng XI nói chung là đồng nhất trên toàn vùng nghiên cứu, vì vậy lũ lớn thường xuất hiện trong 2 tháng mưa nhiều mưa lớn này

Trạm đo mưa Hòa Bắc (16’7’26.40" vĩ độ Bắc, 108’0'36.36" kinh độ Đông) bắt đầu thực hiện quan trắc từ tháng VI/2009 đến nay Nghiên cứu đã thu thập số liệu lượng mưa ngày trạm Hòa Bắc từ VI/2009 đến XII/2016, trạm Đà Nẵng từ I/1976 đến XII/2016

và trạm Cẩm Lệ từ 1976 đến XII/2016 Tuy nhiên, để so sánh đánh giá, nghiên cứu thực hiện thống kê cùng thời kỳ từ năm 2010 đến 2016 (Bảng 4) của 3 trạm Kết quả cho thấy

số ngày mưa trung bình năm trạm Hòa Bắc là 127ngày/năm ít hơn số ngày mưa trung bình trạm Đà Nẵng (134ngày/năm) và Cẩm Lệ (139ngày/năm), nhưng lượng mưa trung bình năm trạm Hòa Bắc đạt khoảng 3220mm/năm lớn hơn trạm Đà Nẵng (2380mm/năm) và Cẩm Lệ (2310mm/năm)

Bảng 4 Lượng mưa năm trạm Hòa Bắc, Đà Nẵng và Cẩm Lệ

Bảng 6 Lượng mưa trung bình trạm Đà Nẵng giai đoạn 2010-2016 (mm)

Hình 4 Biểu đồ lượng mưa trung bình trạm Đà Nẵng giai đoạn 2010-2016

Bảng 7 Lượng mưa trung bình trạm Cẩm Lệ giai đoạn 2010-2016 (mm)

Theo chỉ tiêu vượt trung bình thì ô tháng mùa mưa lưu vực sông Cu Đê là từ tháng

IX đến tháng XII và mùa khô từ tháng I đến tháng VIII hàng năm Tổng lượng mưa mùa mưa chiếm 75% tổng lượng mưa năm, tổng lượng mưa mùa kiệt chỉ chiếm khoảng 25% Như vậy, chế độ mưa lưu vực sông Cu Đê đồng bộ với chế độ mưa trạm Đà Nẵng và Cẩm

Lệ

c Chế độ nhiệt

- Nhiệt độ không khí vùng nghiên cứu tăng dần từ Bắc xuống Nam, từ Tây sang Đông và từ vùng cao xuống vùng thấp Nhiệt độ trung bình năm dao động trong khoảng (24,5 ÷ 25,8)°C

- Tháng có nhiệt độ cao nhất thường vào tháng VI đến tháng VII, tháng có nhiệt độ thấp nhất là tháng XII hoặc tháng I Chênh lệch nhiệt độ giữa các tháng trong mùa đông và mùa hè không lớn Tháng XII, I là hai tháng lạnh nhất với nhiệt độ trung bình tháng dao động (20,7÷21,9)°C

- Tại Đà Nẵng, nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối xuất hiện vào tháng XII là 9,2°C, nhiệt

độ cao nhất tuyệt đối đạt (40,5 ÷ 41,0)°C

- Nhiệt độ trung bình tháng trong năm tại trạm Đà Nẵng như sau (Bảng 8):

Bảng 8 Nhiệt độ tháng trung bình, thấp nhất và cao nhất tuyệt đối (C)

d Chế độ nắng

Số giờ nắng hàng năm khoảng 1.860 giờ đến 2.400 giờ, tháng có số giờ nắng nhiều nhất là tháng V, ở vùng núi 216 - 230 giờ/tháng đạt bình quân 6,8 giờ/ngày Vùng đồng bằng ven biển 260 - 264 giờ/tháng đạt bình quân 8,4 giờ/ngày Tháng có số giờ nắng ít nhất

là tháng XII ở vùng núi 62 - 68,2 giờ/tháng đạt bình quân 2,1 giờ/ngày

Bảng 9 Tổng số giờ nắng tháng, năm trung bình nhiều năm (giờ)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

- Độ ẩm tương đối trung bình tháng trong năm như sau (Bảng 10):

Bảng 10 Độ ẩm tương đối bình quân tháng trung bình nhiều năm (%)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

Bảng 11 Lượng bốc hơi bình quân tháng trung bình nhiều năm (mm)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

Đà

Nẵng 65,3 62,8 75,9 82,4 99,8 112,1 122,6 108,5 80,6 70,6 63,4 59,0 1003,0 Trà

My 41 49 70 81 76 71 71 70 51 39 28 27 674 1.1.1.5 Đặc điểm thủy văn

a Đặc điểm dòng chảy năm

Chế độ mưa và dòng chảy quan hệ mật thiết với nhau, do đó đặc điểm dòng chảy lưu vực sông Cu Đê cũng tương đồng đặc điểm dòng chảy lưu vực sông Hàn Dòng chảy sông ngòi được chia thành hai mùa rõ rệt: mùa lũ và mùa cạn Mùa lũ hàng năm thường bắt đầu từ tháng IX và kết thúc vào tháng XII, mùa cạn bắt đầu từ tháng I đến tháng VIII

Về mùa cạn dòng chảy đổ ra biển không đáng kể, dòng chảy trong sông chịu ảnh hưởng

mạnh bởi chế độ thủy triều Mùa lũ có tổng lượng dòng chảy chiếm 65 - 70% tổng lượng dòng chảy năm, trong đó tháng X, XI có lượng dòng chảy lớn nhất

Theo số liệu thực đo tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ, thì biến động dòng chảy năm trên dòng chính sông Vu Gia và sông Thu Bồn không lớn lắm Hệ số biến động dòng chảy năm trên sông Thu Bồn là 0,31 còn trên sông Vu Gia thì dòng chảy năm biến động mạnh hơn với hệ số biến động dòng chảy năm là 0,37

b Chế độ dòng chảy lũ

Theo thống kê lũ lớn hàng năm trên các sông lân cận vùng nghiên cứu, lũ sớm chiếm 25% - 32%, thường có biên độ không lớn, dạng lũ thường là lũ đơn một đỉnh Lũ muộn ở mức 25% - 28% Thời gian này dòng chảy trong các sông ở mức tương đối cao do nước ngầm cung cấp, rất hiếm trường hợp xảy ra những trận mưa có khả năng gây lũ lớn Lũ chính vụ thường xuất hiện vào nửa cuối tháng III và tháng XI là 2 tháng mưa lớn nhất do nhiều hình thái thời tiết như: bão + áp thấp nhiệt đới + không khí lạnh, gió mùa Đông Bắc gây ra những đợt mưa lớn kéo dài ngày, trong khi đó mặt đất đã đạt đến mức bão hoà do mưa lũ sớm tạo nên, mực nước các sông suối đã được nâng lên ở mức cao do đó lũ giữa mùa thường là lũ lớn nhất trong năm

Theo tài liệu Báo cáo tổng hợp lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn và tài liệu Báo cáo Quy hoạch phát triển và bảo vệ tài nguyên nước lưu vực Vu Gia Thu Bồn: mùa lũ trên lưu vực được phân kỳ như sau:

- Lũ sớm: từ tháng IX đến nửa đầu tháng X

- Lũ chính vụ (lũ lớn nhất trong năm): từ vào nửa cuối tháng III đến tháng XI

- Lũ muộn: tháng XII hoặc sang tháng I năm sau

Những trận mưa to và rất to trên diện rộng thường gây nên lũ đặc biệt lớn Lũ lịch

sử miền Trung và Đà Nẵng là do một số cơn bão, áp thấp nhiệt đới liên tiếp tác động hoặc không khí lạnh kết hợp với bão, áp thấp nhiệt đới và đới gió Đông gây ra

Trung bình hàng năm có từ 3 đến 4 trận lũ ảnh hưởng đến thành phố Đà Nẵng Những trận lũ lớn thường xuất hiện vào thời kỳ từ giữa tháng III đến hết tháng XI Đa phần

lũ lớn là lũ kép, có từ 2 - 5 đỉnh, biên độ lớn, lũ lên rất nhanh, nhưng rút chậm; mực nước cao trên báo động III duy trì trong nhiều ngày Đợt lũ tháng XI/1999, tại Cẩm Lệ mực nước duy trì trên mức báo động III là 5 ngày, từ 14 giờ ngày 02 đến 10 giờ ngày 07 tháng XI

c Tình hình ngập lụt

Theo số liệu điều tra và quan trắc khí tượng thủy văn từ năm 1976 đến nay, ở Đà Nẵng đã xảy ra nhiều trận lũ lụt lớn, mà điển hình là các trận lũ lịch sử vào năm 1964, 1998

và 1999, đã gây thiệt hại đặc biệt nghiêm trọng cho thành phố

Trận mưa lũ lịch sử năm 1964 (từ ngày 4 đến 10/XI/1964) do ảnh hưởng kết hợp của không khí lạnh phía Bắc tràn xuống và cơn bão JOAN đổ bộ vào Tuy Hòa, Nha Trang Lượng mưa đo được từ ngày 4 đến ngày 10 tháng XI tại một số vị trí như sau:

- Khâm Đức: 1810mm, lượng mưa lớn nhất trong 24h: 634mm (ngày 8)

- Nông Sơn: 962mm, lượng mưa lớn nhất trong 24h: 413mm (ngày 6)

- Đà Nẵng: 718mm, lượng mưa lớn nhất trong 24h: 227mm (ngày 9)

Mực nước cao nhất tại một số vị trí như sau:

- Ái Nghĩa: 1.056 cm

- Cẩm Lệ: 440 cm

- Giao Thủy: 1.006 cm

- Câu Lâu: 548 cm

Trận lũ có cường suất lũ lớn nhất (từ 12 đến 14/X/1984) do ảnh hưởng của bão đổ

bộ vào Khánh Hòa kết hợp với gió mùa Đông Bắc Mưa với cường độ lớn đã làm cho lũ lên với cường suất rất lớn Cường suất lũ lớn nhất tại Ái Nghĩa là 1,73m/h; tại Cẩm Lệ là 1,62m/h Cường suất lũ trung bình tại Ái Nghĩa là 0,12m/h, tại Cẩm Lệ là 0,05m/h Mưa với cường độ lớn không kéo dài, nên lũ chỉ lên nhanh trong vài giờ và đỉnh lũ tại Cẩm Lệ cũng chỉ ở mức trung bình

Trận lũ lớn nhất năm 1998 (từ ngày 18 đến 21/XI/1998) do ảnh hưởng của bão số 5 kết hợp với gió mùa Đông Bắc Mưa lớn tập trung vào ngày 20/XI gây ngập hầu hết các

xã thuộc huyện Hòa Vang, quận Ngũ Hành Sơn và các khu vực ven sông Hàn

Trận lũ đặc biệt lớn năm 1999 (từ ngày 01 đến 06/XI/1999) do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc kết hợp với đới gió Đông Hải thấp hoạt động ở phía Nam vĩ tuyến 13 và áp thấp nhiệt đới Hầu hết các nơi trong khu vực Trung Trung Bộ nói chung và lưu vực sông

Vu Gia - Thu Bồn nói riêng có mưa rất to Đặc biệt, trong các ngày 02 đến 04/XI, cường

độ mưa trong 24 giờ tại Đà Nẵng lên đến 593mm Chỉ tính riêng trong đợt này, lượng mưa

đã chiếm từ 50 ÷ 60% tổng lượng mưa trung bình năm

Do mưa với cường độ lớn kéo dài và tập trung trên diện rộng, nên trên sông Vu Gia

- Thu Bồn đã xuất hiện lũ lớn Đặc biệt, ở vùng hạ lưu, lũ chỉ thấp hơn lũ lịch sử năm 1964, mực nước tại một số vị trí như sau:

- Ái Nghĩa đỉnh lũ là 10,27m, thấp hơn lũ năm 1964 là 0,29m

- Cẩm Lệ là 4,28m, thấp hơn lũ năm 1964 là 0,12m

Lũ tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Đỉnh lũ tại các trạm vùng trung và thượng lưu đều thấp hơn đỉnh lũ năm 1998, nhưng tại vùng hạ lưu lại lớn hơn rất nhiều Thời gian duy trì lũ trên mức báo động III kéo dài:

- Ái Nghĩa là 112 giờ;

- Cẩm Lệ là 117 giờ;

- Câu Lâu là 119 giờ

So sánh 3 trận lũ cho thấy: lũ năm 1964 và 1998 có các đặc trưng về đỉnh lũ, biên

độ lũ tại Ái Nghĩa thấp hơn đỉnh lũ năm 1999 là 0,1m, nhưng tại Cẩm Lệ, đỉnh lũ và biên

độ lũ năm 1999 lại cao hơn rất nhiều (0,97m) Nguyên nhân chính là do cường suất lũ vùng

trung và thượng lưu sông Vu Gia - Thu Bồn rất lớn (cường suất lũ trung bình tại Ái Nghĩa

là 18cm/h) Mặt khác, sự phân bố mưa sinh lũ trong 2 trận lũ trên trái ngược nhau: trong trận lũ năm 1998, mưa lớn tập trung vùng núi nhiều hơn, nhưng trong trận lũ năm 1999, mưa lại tập trung vùng đồng bằng nhiều hơn Đặc biệt, lượng mưa lũ trên lưu vực thêm nghiêm trọng Sông Túy Loan trong trận lũ năm 1999 rất lớn, làm cho mức độ ngập lụt ở

Đà Nẵng càng thêm nghiêm trọng

Trên địa bàn Thành phố, có các khu vực hay bị ngập lụt là: hạ lưu sông Cu Đê và

hạ lưu sông Túy Loan và sông Hàn Tổng diện tích ngập lụt trung bình hàng năm là 17.031ha (Trần Ngọc Thành, 2012), trong đó:

- Ngập sâu 5 - 7m và thời gian 5 - 7 ngày: 7.139ha

- Ngập sâu 3 - 5m và thời gian 4 - 6 ngày: 4.246ha

- Ngập nông 1 - 3m và thời gian 2 - 4 ngày: 3.136ha

- Ngập nông, chịu ảnh hưởng lũ: 1.405ha

- Ngập chịu ảnh hưởng của triều: 1.103ha

Riêng trận lũ đầu tháng XI/1999 đã gây ra ngập lụt nghiêm trọng trên diện rộng các vùng thuộc huyện Hòa Vang, quận Hải Châu, quận Ngũ Hành Sơn, các vùng ven sông Cu

Đê Các khu vực bị ngập sâu là Hòa Hải, Hòa Quí, Hòa Xuân, Hòa Châu, Hòa Phước, Hòa Phong, Hòa Nhơn, Hòa Liên, Hòa Khương, các vùng ven sông Hàn thuộc quận Hải Châu

Độ sâu ngập lụt trung bình 2m, nhiều nơi ngập sâu tới 5m Ngoài ra, một số khu vực thuộc quận Liên Chiểu, quận Thanh Khê còn bị ngập úng do mưa lớn không tiêu thoát kịp Các

xã vùng núi Hòa Phú, Hòa Liên, Hòa Ninh bị lũ quét gây thiệt hại nghiêm trọng

1.1.1.6 Đặc điểm hải văn

Vùng ven biển Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng có chế độ triều khá phức tạp,

bờ biển không dài nhưng triều ở phía Bắc không hoàn toàn giống triều ở phía Nam Tại mỗi cửa biển cũng có dạng triệu khác nhau, nhìn chung dạng bán nhật triều chiếm ưu thế nhưng mỗi tháng đều có xuất hiện một số ngày nhật triều Số lần xuất hiện nhật triều trong các tháng không đều nhau và tại mỗi cửa sông cũng khác nhau, nhìn chung có xu thế tăng dần từ Bắc vào Nam

Vùng phía Bắc chủ yếu là chế độ bán nhật triều Số ngày nhật triều trong tháng trung bình chỉ có 3 ngày, tháng nhiều nhất có 8 ngày và tháng ít nhất có 1 ngày Tại cửa Hàn trung bình mỗi tháng có 2,9 ngày nhật triều Tại Cửa Đại trung bình mỗi tháng có 12,2 ngày nhật triều, tháng có nhất 3 - 7 ngày, và đôi khi có những tháng trên 20 ngày nhật triều

Biên độ triều vùng nghiên cứu nhìn chung thuộc loại triều yếu, qua số liệu quan trắc tại các trạm thuỷ văn gần cửa sông cho thấy, biên độ triều trung bình khoảng 0,8 - 1,2m, lớn nhất đạt trên 1,5m

Biên độ triều có sự thay đổi rõ rệt trong tháng theo chu kỳ nhất định Trong mỗi tháng có 2 kỳ triều cường xảy ra (vào ngày trăng tối và ngày trăng tròn) Trong các tháng không có ảnh hưởng lũ, dạng đường quá trình triều khá ổn định

Mực nước cao nhất năm xuất hiện vào các tháng mùa lũ Theo số liệu đo đạc tại trạm hải văn Sơn Trà thì mực nước cao nhất năm thường xuất hiện vào tháng X, XI Tuy nhiên, mực nước triều lớn nhất trong liệt số liệu quan trắc lại xảy ra vào tháng IX/2009 Mực nước trung bình tháng có xu thế giảm dần từ tháng I đến tháng IV, tháng IV được nâng cao hơn, tháng VII lại giảm xuống, từ tháng VIII đến tháng XI mực nước có xu thế tăng dần Mực nước thấp nhất vừa thể hiện mức độ cạn kiệt của dòng chảy thượng nguồn, vừa thể hiện mức độ triều kém Theo số liệu đo đạc thì mực nước thấp nhất năm thường xuất hiện vào tháng VI, VII hoặc VIII

1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Đà Nẵng có nền kinh tế khá đa dạng bao gồm cả công nghiệp, nông nghiệp cho tới dịch vụ, du lịch, thương mại, trong đó dịch vụ, du lịch chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu nền kinh tế thành phố Cơ cấu kinh tế chuyển dịch theo hướng tăng tỷ trọng ngành dịch vụ, công nghiệp và giảm tỷ trọng nông nghiệp Tỷ trọng nhóm ngành dịch vụ trong GDP năm

2011 là 51%, công nghiệp - xây dựng là 46% và nông nghiệp là 3% Đến năm 2020, ngành dịch vụ chiếm tỷ trọng trong GDP từ 62-65%, công nghiệp-xây dựng 35-37%, nông nghiệp 1-3%

Ngành công nghiệp có tốc độ tăng trưởng bình quân 20%/năm Thuỷ sản, dệt may,

da giày, cao su, là những lĩnh vực mũi nhọn được tập trung phát triển Bên cạnh đó, thành phố còn chú tâm đến ngành Công nghệ thông tin (Công viên Phần mềm Đà Nẵng, Khu đô thị Công nghệ FPT Đà Nẵng, Khu Công nghệ cao Quốc gia Đà Nẵng), ngành công nghệ sinh học (Trung tâm Công nghệ Sinh học Đà Nẵng) Đà Nẵng còn chủ trương ưu tiên phát triển các ngành công nghiệp sạch phục vụ mục tiêu "Xây dựng Đà Nẵng – Thành phố môi trường" Năm 2008, chính quyền thành phố đã từ chối hai dự án FDI sản xuất thép và giấy với tổng vốn đăng ký lên đến 2,5 tỷ đô la Mỹ Thành phố đề ra mục tiêu trở thành một trong những địa phương đi đầu trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa của Việt Nam, trở thành thành phố công nghiệp trước năm 2020

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát

Hình 6 Các vùng của lưu vực sơng

Vùng thứ nhất là vùng thượng nguồn, địa hình dốc, là vùng cung cấp phù sa, bùn cát nhiều nhất cho dịng sơng Mưa rơi lên bề mặt lưu vực, làm bào mịi lớp đất đá ở bề mặt lưu vực sau đĩ được dịng chảy mặt do mưa gây ra vận chuyển bùn cát xuống các sơng suối Do độ dốc lớn, dịng chảy trong các sơng suối vùng này thường cĩ vận tốc cao, nên hầu hết bùn cát được bào mịn từ bề mặt lưu vực chảy xuống sơng suối đều được đưa về

hạ lưu Vùng thứ hai, vùng tập trung hầu hết lượng dịng chảy vào sơng Đây là vùng cĩ lịng dẫn sơng khá ổn định, đặc tính hình thái của sơng được thể hiện rõ nét nhất Vùng này cung cấp bùn cát cho sơng khơng nhiều, dọc theo chiều dài sơng bùn cát được lắng đọng lại nhưng khơng lớn Chủ yếu lượng bùn cát sơng được vận chuyển xuống vùng 3 và ra biển Vùng thứ ba, thường là vùng đồng bằng, địa hình thấp, khá bằng phẳng, dịng sơng thường chia ra nhiều nhánh đổ ra biển Chế độ dịng chảy sơng ở vùng này thường chịu ảnh hưởng của cả chế độ dịng chảy thượng nguồn và thủy triều Vận tốc dịng chảy nhỏ, nhiều đoạn sơng cĩ dịng chảy hai chiều Đây là vùng lắng đọng nhiều trầm tích, đặc biệt

là trên những đoạn sơng giáp triều Do tác động của dịng chảy, bùn cát bị bào mịn dần, vì thế kích thước hạt nhỏ dần về phía hạ lưu

Nĩi tĩm lại bùn cát sơng được bào mịn từ bề mặt lưu vực do mưa rơi phá vỡ kết cấu hạt đất đá bề mặt lưu vực sau đĩ được dịng chảy mặt đưa xuống dịng sơng rồi chảy

về hạ du và ra biển

1.2.2 Một số nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát trên thế giới

Cát sỏi được khai thác quy mơ lớn trên tồn thế giới Nhưng rất ít dữ liệu tồn cầu

về hoạt động này được thu thập Chương trình Mơi trường Liên hợp quốc (UNEP) ước tính tổng số vượt quá 40 tỷ tấn/năm Nhưng ước tính này phải dựa vào một ngành: sản xuất xi măng Mỗi tấn xi măng cần thêm sáu đến bảy tấn cát sỏi để sản xuất bê tơng

Bê tơng sử dụng chủ yếu là cát Cát cũng chiếm tới 90% nhựa đường Cát được sử dụng để lấn biển ở những nơi như Singapore, trong các ngành cơng nghiệp như sản xuất

Vùng thứ nhất:

tạo xói lở Vùng thứ hai:Vận chuyển Vùng thứ ba:bồi lắng

thủy tinh và dầu đá phiến – theo đó cát tạo thành một phần của hỗn hợp lổn nhổn được bơm xuống dưới lòng đất để phá vỡ các mỏ đá phiến và giải phóng khí hoặc dầu tự nhiên

Khoảng 60% sử dụng cát trên toàn thế giới là ở Trung Quốc, ước tính trong ba năm

sẽ tiêu thụ nhiều cát hơn lượng Hoa Kỳ tiêu thụ trong toàn bộ thế kỷ 20 Tuy nhiên, dù khai thác cát luôn ở quy mô lớn, hiện diện khắp nơi và tác động tới môi trường thì việc cấp phép thường được giao cho chính quyền địa phương; đánh giá tác động môi trường là rất hiếm; pháp luật thường bị ngó lơ; và không có hiệp ước toàn cầu nào điều chỉnh việc khai thác,

sử dụng hay buôn bán, hoặc thậm chí để thúc đẩy thực hành tốt

Không phải tất cả các loại cát đều giống nhau Một số được tinh chế để chiết xuất đất hiếm hoặc kim loại ở nồng độ cao Nhưng ngay cả cát thông thường cũng không phù hợp cho mọi mục đích sử dụng Chẳng hạn, cát sa mạc hầu như vô dụng trong xây dựng vì các hạt thường được gió mài tròn nên không liên kết tốt trong bê tông Những đơn vị khai thác chủ yếu nhắm vào khai thác lộ thiên trên đất liền, nạo vét từ lòng sông hoặc múc lên

từ đáy biển

Hình 7 Hình ảnh vệ tinh từ năm 1995 và 2013 cho thấy tác động của việc khai thác cát

trên tuyến đường thủy nối liền hồ Bà Dương của Trung Quốc và sông Dương Tử (Ảnh:

Nasa Earth Observatory)

Tuy nhiên, cát biển không thích hợp lắm với bê tông bởi vì cần phải loại hết muối

có thể ăn mòn kim loại trong các kết cấu cốt thép xây dựng Điều đó khiến cát sông là ưu tiên số một – mặc dù việc khai thác, theo nhóm môi trường WWF, thường là hủy hoại môi trường nhất Thông thường, các giàn khai thác sử dụng gầu kéo để tách cát từ lòng sông Phương pháp thô sơ và rẻ tiền này có thể làm thay đổi mạnh dòng chảy, gây xói mòn các

bờ sông, làm khô các dòng nhánh, gây cạn mực nước, hủy hoại các vùng đất ngập nước và nghề cá Pascal Peduzzi, nhà nghiên cứu của UNEP, cho biết các tác động còn trở nên tệ hơn do “thiếu phương pháp khoa học thích hợp cho khai thác cát sông dẫn đến nạn khai thác bừa bãi, trong khi quản trị kém và tham nhũng dẫn đến khai thác lậu”

Các dòng sông sẽ tự lấp đầy các hố do những người khai thác cát đào nhưng với lượng cát bị lấy khỏi các dòng sông thế giới ước tính gấp đôi quá trình hồi phục tự nhiên

từ bồi lắng trầm tích thì hiếm khi sông sẽ làm điều đó đủ nhanh để xóa đi thiệt hại Các nhà nghiên cứu đã nói về một “thảm kịch u ám với những người dân ở vùng cát”

Hãy xem những gì xảy ra với nơi WWF gọi là “mỏ cát lớn nhất thế giới”: Hồ Bà Dương trên sông Dương Tử ở Trung Quốc Trong nhiều năm, cát ở dòng chính sông Dương

Tử được nạo vét để xây dựng siêu đô thị Thượng Hải ở hạ nguồn, nơi trong thập kỷ qua mọc lên nhiều tòa nhà chọc trời hơn cả New York Thực tế đó đã bị dừng lại vào năm 2000

vì các giàn khai thác chặn hết cả dòng sông

Nhưng những người khai thác chỉ đơn giản là di chuyển đến hồ Bà Dương trong vùng ngập của con sông Hồ lớn nhất Trung Quốc cũng là điểm dừng chân mùa đông lớn nhất châu Á với các loài chim di cư, bao gồm 90% quần thể sếu Siberi trong danh sách các loài nguy cấp Cho tới năm 2006, theo ước tính được công bố gần đây nhất, mỗi năm những người nạo vét đã lấy đi 400 triệu tấn cát, chủ yếu là từ tuyến đường thủy nối liền hồ với sông Dương Tử

Lấy đi nhiều cát như thế, những người khai thác đã tăng gần gấp đôi công suất đường thủy, làm cạn kiệt một phần hồ và khiến nó dễ bị hạn hán hơn Các nhà nghiên cứu cũng đổ lỗi cho việc khai thác làm giảm nghề cá lòng hồ và gây ra sự sụt giảm khốc liệt về

số lượng cá heo không vây ở sông chính Tiến sĩ Lại Tích Quân thuộc Viện Khoa học Trung Quốc kêu gọi lệnh cấm khai thác cát trong hồ

Đáng lo ngại không kém là tình hình trên sông Mê Công ở Việt Nam và Campuchia Tiến sĩ Jean-Paul Bravard thuộc Đại học Lyon, trong một nghiên cứu chi tiết cho WWF, nhận ra rằng mỗi năm khoảng 55 triệu tấn cát được khai thác ở hạ nguồn, gần gấp đôi đầu vào từ thượng nguồn Viện Môi trường Stockholm kết luận rằng việc khai thác đã hạ thấp mực nước sông hơn một mét, đồng thời góp phần gây ra xói mòn bờ biển và xâm nhập mặn

ở vùng đồng bằng, tác động tiêu cực đến cây lúa Trớ trêu thay, phần lớn cát đã được sử dụng để duy trì hệ thống bảo vệ bờ biển và nâng cao các tuyến đường đồng bằng trên mực nước lũ

Nhà thủy văn Lois Koehnken cho biết việc khai thác cũng có thể làm suy yếu nghề

cá sông Mê Công vốn trực tiếp nuôi sống hơn 60 triệu người Mối lo lớn nhất, bà viết trong một nghiên cứu cho WWF, là việc nạo vét dòng sông gần thủ đô Phnompenh đang phát triển nhanh của Campuchia, nơi một nhánh sông quan trọng là Tonle Sap nối với dòng chính Phần lớn nguồn cá sông Mê Công bắt nguồn từ vùng đầm lầy ở đầu hồ Tonle Sap

Cá sinh sản ở đó và quay trở lại dòng chính trong mùa mưa, khi sông Mê Công tràn bờ và buộc sông Tonle Sap chảy ngược lại Việc nạo vét có thể làm tăng dung tích của dòng chính đến mức ngăn chặn dòng chảy ngược này, sẽ làm khô khu vực cá sinh sản

Khai thác cát ở sông và biển đã gần như bị loại bỏ ở các nước phát triển, mặc dù không hoàn toàn Mỏ cát biển cuối cùng của Mỹ là ở Monterey, California, khai thác tới nửa triệu tấn cát mỗi năm Việc vận hành gây tranh cãi do mỏ đóng cửa vào năm tới, theo một thỏa thuận với chính quyền bang Ngoài ra, người ta cũng đang thúc đẩy Houston dừng

việc khai thác cát trên bờ sông San Jacinto, được cho là đã gây ra bồi lắng – vốn là một phần nguyên nhân trận lụt trong cơn bão Harvey năm 2017

Nhưng khai thác cát sông và biển vẫn tiếp tục mở rộng ở nhiều nước đang phát triển

Đó thường là ngành kinh doanh vô pháp, chứa đầy tham nhũng và bạo lực Ở Ấn Độ, quốc gia khai thác cát lớn thứ hai thế giới, khai thác bất hợp pháp diễn ra trên phạm vi cả nước

và được điều hành bởi các mafia cát có tính tổ chức cao, thậm chí thường xuyên sử dụng bạo lực, theo báo cáo của Koehnken Các đơn vị khai mỏ thường hối lộ quan chức, thậm chí các tòa án cũng tỏ ra bất lực Một cảnh sát đã bị máy kéo đâm chết trong khi cố gắng ngăn chặn việc khai thác bất hợp pháp trong một khu bảo tồn cá sấu quốc gia ở Madhya Pradesh

Các băng đảng bạo lực bảo vệ những người khai thác cát quanh Nairobi ở Kenya Các quan chức Malaysia đã bị buộc tội nhắm mắt làm ngơ trong vụ bê bối “đổi tình dục lấy cát” Từ Java đến Jamaica, đã có những trận chiến trên bãi biển vì cát

Ở một số nước, các công ty khai mỏ đang hướng ra nước ngoài Nhưng ở các cửa sông và gần bờ, thiệt hại hệ sinh thái phải hứng chịu có thể không kém các con sông Nạo vét phá hủy cỏ biển, tạo ra những vạt trầm tích có thể trôi dạt nhiều cây số và có thể gây ra xói mòn bờ biển Trong quần đảo trũng thấp Maldives ở Ấn Độ Dương, hệ thống bảo vệ cho thủ đô Male đang được gia cố bằng cách sử dụng cát lấy từ các đảo cát ngoài khơi, do

đó “nghịch lý… là làm tăng nhu cầu định cư cho dân cư các đảo này”, Peduzzi nhấn mạnh

Vì vậy, có những động thái để đưa tàu nạo vét ra xa hơn ngoài biển Anh, ví dụ, bây giờ khai thác tới một phần tư cát từ đáy biển Nước này đã nạo vét tới 10 triệu tấn, phần lớn là từ các bãi cát ngoài khơi East Anglia ở Biển Bắc, một khu vực vốn bị lo ngại về việc mất trầm tích làm tăng tốc độ xói mòn bờ biển cũng như gây hại cho các loài sống dưới đáy biển như cua và sao biển

Rất nhiều cát ngoài khơi được sử dụng cho các dự án lấn biển vốn không quan tâm nhiều đến việc muối ăn mòn Rõ ràng nhất, Singapore đã tạo ra thêm 50 dặm vuông đất đai, tăng thêm 20% diện tích, nhờ hơn một tỷ nửa tấn cát nhập khẩu Phần lớn số cát đó đến từ Indonesia, nơi có ít nhất 24 hòn đảo nhỏ đã bị xóa khỏi bản đồ và từ Campuchia, nơi ông trùm khai thác cát Ly Yong Phat xuất một lượng lớn cát đến Singapore trước khi chính phủ nước này cấm việc giao dịch vào năm 2016

Lấn biển là một cơn sốt ở ven biển châu Á, từ đảo Penang ở Malaysia đến vịnh New Manila ở Philippines Việc xây dựng các đảo nhân tạo xa hoa ở Dubai, dành cho đầu tư bất động sản, đã ngốn hơn 750 triệu tấn Khi hết cát biển, những công ty xây dựng đảo còn nhập từ Úc – một trường hợp kỳ lạ là xuất cát đến Ả Rập

Trong khi đó, các thành phố ven biển Trung Quốc, được cho là đã lấn ra đại dương một diện tích đất đủ để tạo nên một Singapore mới mỗi năm Các dự án bao gồm Thành phố mới Nam Hối bên ngoài Thượng Hải và Tào Phi Điện ở vịnh Bột Hải, nơi đã được quảng bá là một thành phố sinh thái Trung Quốc cũng đổ cát lên các rạn san hô ở Biển Đông để tạo ra các hòn đảo như một phần lãnh thổ

Hình 8 Lao động vận chuyển cát từ sông Yamuna ở Ấn Độ, nơi ngành xây dựng

bùng nổ đã dẫn đến việc khai thác cát sông bừa bãi (Ảnh: AP/Rajesh Kumar Singh)

1.2.3 Một số nghiên cứu về nạo vét và khai thác cát ở Việt Nam

Phạm Đình (2015), phân tích mức độ ảnh hưởng của việc khai thác cát trong lòng

sông đến mức độ hạ thấp mực nước mùa kiệt trên sông Hồng Trên đoạn sông Hồng từ Việt

Trì đến Hưng Yên và sông Đuống giai đoạn (1997÷2012), khối lượng khai thác cát bình

quân một năm ít nhất là 12,4 triệu m3 Nếu tính tổng cộng (gồm cả khối lượng cát do hiện

tượng xói sâu hạ du) khối lượng cát bị lấy mất khỏi lòng sông bình quân mỗi năm vào

khoảng 16,2 triệu m3 ; Mực nước mùa kiệt thời kỳ (2009÷2012) đã thấp hơn mực nước

mùa kiệt thời kỳ (1993÷1997), tại Sơn Tây cùng lưu lượng 2750 m3 /s, mực nước thấp hơn

2,27m , tại Hà Nội cùng lưu lượng 1497m3 /s mực nước thấp hơn 1,80m và tại Thượng

Cát cùng lưu lượng 1253m3 /s, mực nước thấp hơn 4,46m; Khai thác cát đã ảnh hưởng đến

mực nước tưới: thời kỳ (2009÷2012) tại Sơn Tây mực nước 5,44m ứng với mực nước tại

Hà Nội 2,21m (≈ mực nước thiết kế tưới), lưu lượng tại Sơn Tây là 2750m3/s; nhưng thời

kỳ (1993÷1997) lưu lượng qua Sơn Tây chỉ cần 1063m3/s

Lê Mạnh Hùng (2013), đã xây dựng được quy trình khai thác cát cho 03 khu vực

khác nhau trên sông Tiền và sông Hậu: Khu vực Tân Châu – Hồng Ngự; Khu vực Thành

phố Long Xuyên; Khu vực đoạn Mỹ Thuận – Vĩnh Long

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương này tác giả đã trình bày tổng quan về điều kiện tự nhiên cũng như

hiện trạng khu vực nghiên cứu Các nghiên cứu về khai thác cát cũng giới thiệu trong

chương này Từ đó cho thấy việc nghiên cứu về tác động của việc nạo vét, khai thác cát

ảnh hưởng đến dòng chảy là cần thiết nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của các phương

án và cũng là cơ sở cho việc xây dựng các biện pháp bảo vệ lòng sông sau này

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU

2.1 Các bước nghiên cứu

Từ các nguồn số liệu ban đầu như: địa hình, dòng chảy, mực nước tại khu vực nghiên cứu được đưa vào Bluekenue để thiết lập mô hình cho khu vực Sau khi thiết lập

mô hình xong tiến hành chạy hiệu chỉnh kiểm định mô hình cho khu vực nghiên cứu vào đưa ra được bộ thông số mô hình Từ bộ thông số mô hình tiến hành đánh giá chế độ thủy động lực tại khu vực, kết hợp với các kịch bản nạo vét tại khu vực để đánh giá sự thay đổi chế độ thủy động lực của khu vực Khái quát các bước nghiên cứu được thể hiện trên hình

9

Kịch bản

Hình 9 Các bước nghiên cứu mô hình

2.2 Phân tích lựa chọn mô hình

2.2.1 Tổng quan một số mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát phổ biến 2.2.1.1 Mô hình trong nước

Mô hình VRSAP: đây là mô hình thủy lực được xem là khởi đầu cho quá trình áp

dụng mô hình toán để giải quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng máy lớn (main frame) trước kia Mô hình xuất phát chỉ có phần dòng chảy và được cố Pgs Nguyễn Như Khuê du nhập từ Hà Lan vào năm 1978 qua quá trình học tập và công tác Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển liên tục và được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán sai phân trung tâm tương tự thuật toán của MEKSAL VRSAP được nhóm mô hình của VQHTLMN liên tục phát triển và bổ xung các tiện ích và chuyển sang Visual Basic để tận dụng bộ nhớ mở rộng của máy tính cũng như sự phát triển của công nghệ thông tin Mô hình VRSAP cho đến bây giờ vẫn được đánh giá là mô hình mô phỏng khá tốt chế độ thủy lực cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Mô hình SAL và VRSAP-SAL: Do GS.TSKH Nguyễn Tất Đắc phát triển từ năm

1980 và sau đó được nâng cấp và kết hợp với mô hình VRSAP để tạo thành mô hình mang tên VRSAP-SAL hoàn thiện hơn về thuật toán và chương trình SAL là một mô hình được xây dựng chặt chẽ về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm của Preissman, nhưng

Bộ thông số

mô hình

Chế độ thủy động lực khu vực

Sự thay đổi chế độ thủy động

lực khu vực

lấy trọng số bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong phép sai phân Lan truyền chất trong SAL dựa trên thuật toán phân rã, giải phương trình tải thuần túy dùng phương pháp đường đặc trưng ẩn với cách nội suy spline bậc 3 Mô hình đã được ứng dụng rộng rãi cho hệ thống sông Đồng Nai và Đồng bằng sông Cửu Long

Mô hình KOD1: Do GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển Đây là mô hình giải

phương trình Saint – Venant bằng phương pháp sai phân hiện phục vụ cho việc tính toán

dự báo lũ Nhược điểm chính của mô hình là hạn chế bước thời gian, nhưng do không phải khử đuổi, tính lặp nên khối lượng tính toán nhỏ Mặt khác sơ đồ hiện chỉ bảo đảm tính bảo oàn cục bộ địa phương và đôi khi gặp khó khăn trong bảo toàn toàn cục

Mô hình HydroGIS: Do TS Nguyễn Hữu Nhân phát triển có sử dụng bộ công cụ

GIS để kết nối dữ liệu và trình bày kết quả HydroGIS cũng giải hệ phương trình Venant 1D bằng sơ đồ sai phân Preissmann, tuy nhiên khả năng tính toán chậm và chưa được áp dụng nhiều Gần đây, mô hình được bổ xung thêm tính toán đối với trường hợp dòng chảy xiết bằng phương pháp sóng động học

Saint-Mô hình MK4 phần mềm mang tính học thuật và dùng nhiều cho mục đích giảng

dạy và nghiên cứu, chưa thấy áp dụng phổ biến trong thực tế và các dự án Phần mềm cũng đang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển

2.2.1.2 Mô hình ngoài nước

Hiện nay, trên thế giới đang có rất nhiều mô hình toán ứng dụng cho việc dự báo thủy động lực và vận chuyển bùn cát gồm cả mô hình một chiều (1D), mô hình hai chiều (2D), mô hình ba chiều (3D) Một số các mô hình 1D, 2D, 3D có thể nói đến sau:

Nhóm mô hình 1D

Sớm xuất hiện từ những năm 1980, và đã thành công trong nhiều ứng dụng thực tế

và nghiên cứu Hầu hết các mô hình 1D được xây dựng trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình Saint – Venant cho dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát sử dụng phương trình của Exner bằng sơ đồ sai phân hữu hạn Một số mô hình 1D có thể kể đến như: Mô hình MOBED được phát triển bởi Krishnappan (1981) giải phương trình Saint – Venant viết dưới dạng bảo toàn cho dòng không ổn định và phương trình liên tục bùn cát MOBED có thể dự báo được đặc tính bùn cát của đáy sông như là một hàm số của thời gian và khoảng cách đối với dòng chảy đơn vị khác nhau

IALLUVIAL được phát triển bởi Karim and Kennedy (1982), mô hình này chỉ ứng dụng trong trường hợp đối với dòng chảy ổn định

SEDICOUP được phát triển bởi Holly và Rahuel (1990), đây là mô hình mô phỏng biến đổi đáy dựa vào phương trình Saint – Venant tính cho bùn cát hỗn hợp, thành phần bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy được xử lý riêng biệt Mô hình 3ST1D được phát triển bởi Papanicolaou et al (2004); nó có khả năng tính được nước nhảy thủy lực và mô phỏng được dòng chảy tới hạn; vì thế nó có khả năng ứng dụng trong điều kiện dòng không ổn định, biến đổi nhanh như dòng chảy trong các sông miền núi Tuy nhiên, mô hình 3ST1D chỉ tính cho vận chuyển bùn cát tổng mà không tách biệt được giữa bùn cát đáy và bùn cát

lơ lửng

HEC-6 do Thomas và Prashum (1977) phát triển, sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình vi phân ở dạng bảo toàn năng lượng thay cho phương trình động lượng HEC-6 không áp dụng được đối với dòng chảy không ổn định

FLUVIAL 11 được phát triển bởi Chang (1984), sử dụng hệ tọa độ cong để giải phương trình Saint – Venant 1D đối với dòng chảy FLUVIAL 11 có tính đến dòng chảy thứ cấp trong sông cong bằng cách biến đổi độ lớn của vận tốc theo chiều dòng chảy

GSTARS được phát triển bởi Molinas và Yang (1986), mô hình được phát triển trong hệ tọa độ cong Molinas và Yang đã bổ xung lý thuyết dòng năng lượng nhỏ nhất để xác định chiều rộng và hình dạng tối ưu để ổn định điều kiện thủy lực và bùn cát

OTIS được phát triển bởi Runkel và Broshears (1991), sử dụng hệ tọa độ cong Runkel và Broshears đã biến đổi phương trình tải và khuếch tán với số hạn thêm vào gồm dòng chảy nhập bên, số hạng phân rã bậc 1, sự thấm hút của các chất hòa tan không kết dính và sự tích trữ trong thời gian ngắn của các chất hòa tan

Phần lớn các mô hình 1D đại diện ở trên đều có thể dự báo các thông số đơn giản trong sông như: vận tốc, mực nước, biến đổi đáy sông và vận chuyển bùn cát Chúng có thể dự báo được tổng lượng vận chuyển bùn cát và phân phối kích thước hạt không đồng nhất

Mô hình 1D yêu cầu về dữ liệu đầu vào và khả năng xử lý của máy tính ít hơn nhiều so với

mô hình 2D hay 3D nên nó tỏ ra hiệu quả cho việc dự báo nhanh mà không cần độ chính xác cao

SERATRA: là mô hình vận chuyển bùn cát và chất ô nhiễm được phát triển bởi Onishi và Wise (1982), giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho dòng chảy không ổn định Mô hình có khả năng dự báo được sự di chuyển của thuốc trừ sâu trên mặt đất và trong sông và có thể đánh giá được khả năng tác động đến quần thể ngập nước trong thời gian ngắn hoặc dài

SUTRENCH-2D: Mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát do van Rijn và Tan phát triển (1985), mô phỏng vận chuyển bùn cát và sự biến đổi đáy trong điều kiện kết hợp của dòng chảy xem như ổn định với sóng trên bùn cát đáy Mô hình giả thuyết vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát cục bộ là hằng số theo phương Y, vận chuyển bùn cát lơ lửng trong dòng chảy phân tán và hội tụ bên bằng cách đưa vào thông số chiều rộng (b) của

dòng chảy Mô hình giải phương trình tải và khuếch tán kết hợp với hệ số trễ đối với bùn cát lắng đọng

MOBED2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát được Spasojevic và Holly phát triển (1990), giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn Mô hình có khả năng tính toán dòng chảy, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy trong hồ chứa, cửa sông và khu vực ven biển

ADCIRC-2D: được phát triển bởi Luettich et al (1992) Đây là mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng, có khả năng ứng dụng cho miền tính lớn bằng cách giải phương trình nước nông 2D đối với phương thức bên ngoài "external mode" nhưng sử dụng phương thức bên trong "internal mode" để thu được vận tốc chi tiết và ứng suất tại những khu vực được xác định Phương thức bên trong nhận được bằng cách xác định sự phân tán động lượng và ứng suất đáy trong các số hạng vận tốc theo phương thẳng đứng

Mike 21: do DHI (Danish Hydraulic Institute) (1993) phát triển ứng dụng cho việc

mô phỏng dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và hệ sinh thái trong sông, hồ, cửa sông, vịnh, các khu vực ven biển và đại dương Mike 21 giải hệ phương trình nước nông bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, sử dụng lưới tam giác hoặc lưới chữ nhật, cũng có thể kết hợp cả lưới chữ nhật (mô tả cho sông) và lưới tam giác (mô tả cho khu vực ngoài biển) Mike21 có 4 module chính: thủy động lực, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và sinh thái học Module thủy động lực và sóng tính có khả năng cung cấp các thông tin về các yếu tố thủy lực dòng chảy (mực nước, vận tốc trung bình theo hai phương) và sóng (chiều cao sóng, chu kỳ, hướng sóng, ứng suất sóng…) Module vận chuyển bùn cát có khả năng mô phỏng diễn biến đường bờ và vận chuyển cát Module chất lượng nước dùng để mô phỏng quá trình lan truyền của các chất ô nhiễm trong sông Đây là sản phẩm thương mại được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu tại Việt Nam Tuy nhiên, chúng có giá thành khá đắt và thường chỉ dùng cho các tổ chức có đủ khả năng

FAST2D: là một mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phươngpháp thể tích hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong với lưới bám khớp với biên Module vận chuyên bùn cát sử dụng các mô hình bán kinh nghiệm đối với bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy Mô hình có xét một cách gián tiếp đến ảnh hưởng của dòng chảy thứ cấp trong sông cong

FLUVIAL 12: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong do Chang phát triển (1998) Nó xét đến các

ảnh hưởng của chế độ thủy lực, vận chuyển bùn cát, và sự thay đổi của lòng sông đối với từng thời đoạn của dòng chảy Đây là mô hình đáy biến đổi nhanh có khả năng mô phỏng

sự biến đổi đáy sông, độ rộng, thành phần bùn cát đáy bao gồm cả trong sông cong

DELFT-2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn có khả năng mô phỏng sóng và dòng chảy Mô hình có thể mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng bằng cách sử dụng phương pháp cả trạng thái cân bằng hoặc không cân bằng cục bộ Mô hình cũng có thể cho thấy ảnh hưởng của chuyển động sóng lên độ lớn và hướng vận chuyển bùn cát

CCHE2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần

tử hữu hạn do Jia và Wang phát triển (1999) Các nút khô và ướt trên biên đã được xử lý một cách tự động trong trong trường hợp mô phỏng đối với dòng chảy không ổn định với

sự thay đổi của mực nước Mô hình mô phỏng quá trình bùn cát lơ lửng bằng cách giải phương trình tải và khếch tán, quá trình bùn cát đáy sử dụng các công thức kinh nghiệm

Mô hình có xét đến dòng chảy thứ cấp trong sông cong Tất các mô hình nói trên đều ứng dụng cho dòng chảy không ổn định trừ mô hình SUTRENCH-2D và UNIBEST-TC2 Các

mô hình đều dự báo được bùn cát tổng, chỉ có MOBED2, USTARS, FLUVIAL 12, và CCHE2D có thể tính toán cho nhiều cấp hạt và có thể tách biệt bùn cát tổng ra hai thành phần bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng

DELFT-2D và FAST2D có thể tách ra hai thành phần bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng, nhưng chúng chỉ ứng dụng được cho các hạt có kích thước đồng nhất

Nhóm mô hình 3D

Trong nhiều nghiên cứu về thủy động lực học, mô hình 3D được lựa chọn trong trường hợp cần mô tả chi tiết hơn các quá trình vật lý tại những nơi có điều kiện thủy động lực phức tạp mà mô hình 2D không phù hợp Ví dụ như mô phỏng dòng chảy qua trụ cầu hoặc tại nơi gần các công trình Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin như: kỹ thuật máy tính, tốc độ máy tính, khả năng tính toán song song, khả năng lưu trữ dữ liệu… làm cho khả năng ứng dụng mô hình 3D phổ biến hơn Phần lớn các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát ở dạng ba chiều đều giải phương trình liên tục và Navier – Stokes kết hợp với phương trình cân bằng khối lượng bùn cát bằng phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn Phương trình Navier – Stokes được giải bằng phương pháp trung bình hóa của Reynolds Phương trình Reynolds có thể chia thành hai dạng: dạng thủy tĩnh và phi thủy tĩnh Mô hình dạng thủy tĩnh có độ chính xác không cao khi tính toán dòng chảy ở những nơi có sự thay đổi ứng suất lớn Ngược lại, mô hình dạng phi thủy tĩnh có độ chính xác cao hơn và có khả năng mô tả những đặc tính phức tạp của dòng chảy thứ cấp trong một miền tính phức tạp Một số các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát chính được sử dụng trên thế giới có thể kể đến như

ECOMSED: mô hình thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong trực giao, được phát triển bởi Blumberg

và Mellor (1987) Mô hình giả thuyết ứng suất tuân theo quy luật thủy tĩnh, có khả năng

dự báo các yếu tố thủy lực dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong một khối nước lớn như

GBTOXe: là một mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường thẳng Thành phần thủy động lực của mô hình (GBHYDRO) giả thuyết dòng chảy theo quy luật thủy tĩnh và có tính đến quá tình xáo trộn và lưu thông của cột nước; thành phần vận chuyển bùn cát (GBSED) chỉ tính đối với bùn cát kết dính

EFDC3D: là mô hình thủy động lực và chất lượng nước, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong trong hệ tọa độ lưới đường cong trực giao hoặc lưới đường thẳng với phép xấp xỉ sigma trên phương đứng Mô hình giải phương trình 3D, dòng chảy theo quy luật thủy tĩnh, có xét đến sự thay đổi khối lượng riêng của chất lỏng Mô hình có thể ứng dụng trong các khu vực cửa sông, hồ và ven biển Nó có thể mô phỏng được chất ô nhiễm

và chất lượng nước

ROMS: Đây là mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ lưới cong trực giao với phép xấp xỉ sigma theo phương đứng Mô hình có thể mô phỏng dòng chảy mặt thủy tĩnh tuần hoàn trên đại dương và các thông số ảnh hưởng của sóng mặt lên ứng suất và độ nhám ở đáy

CH3D-SED: mô hình sai phân hữu hạn trên hệ tọa độ không trực giao với đường cong khớp với biên, sử dụng phép biến đổi xấp xỉ sigma theo phương thẳng đứng Vận chuyển bùn cát sẽ được tính toán dựa trên phương trình cân bằng khối lượng bùn cát đối với bùn cát đáy và kết hợp với phương trình tải – khuếch tán đối với bùn cát lơ lửng

SSIIM: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn giải phương trình Navier – Stokes và mô hình rối k – ε trên lưới phi cấu trúc

Mô hình có khả năng mô phỏng vận chuyển bùn cát trên đáy sông biến đổi với dạng địa hình phức tạp Nó có thể ứng dụng cho các dạng đáy trong sông, vận chuyển bùn cát đáy

và bùn cát lơ lửng của các hạt không đồng dạng Mô hình cũng có thể ứng dụng trong mô phỏng chất lượng nước trong sông

MIKE3: là mô hình thủy động lực sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn được phát triển bởi Danish Hydraulic Institute (1993) Nó bao gồm các thành phần tải – khuếch tán, chất lượng nước, trao đổi nhiệt độ với áp suất không khí, xử lý ngập và khô trong khu vực ảnh hưởng triều và quá trình vận chuyển bùn cát Mike3 được ứng dụng trong việc mô phỏng dòng chảy tại cửa sông, vịnh và khu vực bờ biển cũng như đại dương

FAST3D: là mô hình thủy động lực, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn với giả thuyết phi thủy tĩnh Mô hình có thể ứng dụng cho các miền tính phức tạp do bổ xung thêm thuật toán có khả năng tính toán song song Thành phần bùn cát của mô hình

DELFT3D: Mô hình Delft3D được phát triển bởi Delft Hydraulics (www.wldelft.nl), nó có khả năng mô phỏng quá trình thủy động lực trong sông và vùng ven biển, quá trình vận chuyển bùn cát, sóng, chất lượng nước, biến đổi hình thái lòng dẫn, dòng chảy biển Module Delft3D-Flow là hạt nhân của hệ thống mô hình Delft3D tính toán dòng chảy dựa trên phương trình nước nông đối với dòng không ổn định Nhiều báo cáo, nghiên cứu khoa học về hình thái cửa sông, ven biển đã ứng dụng mô hình Delft3D

TELEMAC-3D: Đây là một trong những mô hình thủy động lực hình thái sông hàng đầu trên thế giới có thể đáp ứng cho việc dự báo quá trình biến đổi hình thái cho vùng cửa sông, ven biển TELEMAC-3D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn, giải phương trình Navier – Stokes dạng phi thủy tĩnh hoặc thủy tĩnh với lưới phi cấu trúc, đặc biệt rất mạnh với khả năng tính toán song song Module SISYPHE dùng để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát, module TOMAWAC tính toán sóng và module TELEMAC-3D/2D là hạt nhân của mô hình có khả năng kết nối với các module khác

2.2.2 Giới thiệu về hệ thống phần mềm Telemac

Hệ thống mô hình TELEMAC là một công cụ tổng hợp, mạnh dùng để mô phỏng dòng chảy có mặt thoáng Ở Châu Âu, hệ thống TELEMAC trở thành công cụ hữu hiệu trong lĩnh vực tính toán dòng chảy hở trong sông và biển Telemac bao gồm nhiều modules được xây dựng dựa trên các thuật toán mạnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác phi cấu trúc Nhờ vậy, phần mềm

này có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại vị trí có địa hình hay địa mạo phức tạp

TELEMAC có các công cụ chuẩn bị và xử lý số liệu trước, sau khi tính toán đặc biệt hiệu quả, tạo giao diện thuận tiện và dễ dàng cho người dùng Hầu hết các chương trình xử lý số liệu đều được xây dựng nên từ các thư viện ilog/Views vì thế có thể cung cấp cho người sử dụng một số lượng rất lớn các thông tin cần thiết Lưới tính toán có thể

đễ dàng được tạo nên khi dùng một bộ chương trình tạo lưới được gắn sẵn trong hệ thống TELEMAC Ưu điểm vượt trội là tất cả các mô hình thành phần đều được song hành hóa việc tính toán Khi chạy TELEMAC trên các hệ thống máy có nhiều vi xử lý và cho thời gian tính nhanh

Hệ thống TELEMAC được phát triển bởi LNHE (Trung tâm quốc gia nghiên cứu Thủy lực của Điện Lực Pháp) Hệ thống này đến nay đã miễn phí và tất cả các mô-đun mô phỏng được viết bằng Fortran 90, không sử dụng các phần mở rộng ngôn ngữ cụ thể trong một máy tính nhất định Chúng có thể chạy trên tất cả các hệ thống sau: Windows (NT,

XP, Vista); Linux (Debian); UNIX; Siêu máy tính (Cray, Fujitsu, IBM, )

Hệ thống TELEMAC bao gồm các modun khác nhau (xem hình 10)

Ơ

Hình 10: Hệ thống phần mềm TELEMAC

Theo tác giả Phan Văn Thái Nguyên (2013), trên thế giới, hiện bộ phần mềm đang được nghiên cứu tại Điện lực Pháp EDF, SHOM, CETMEF, IMFT và Sogreah ở Pháp; HR Wallingford, Đại học Bangor, Đại học Bristol và Đại học Manchester ở Vương quốc Anh; BAW và Đại học Hanover ở Đức; DELTARES ở Hà Lan; Trung tâm thủy lực Canada NRC ở Canada Với các công trình nghiên cứu và ứng dụng cụ thể Ở Việt Nam, mô hình TELEMAC-2D đã được cài đặt tại Viện Cơ học Hà Nội, Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh và Khoa Xây dựng-Thuỷ lợi-Thuỷ điện thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Đà nẵng

và đã được áp dụng thử nghiệm để tính toán dòng chảy tràn vùng Vân Cốc-Đập Đáy, lưu vực sông Hồng đoạn trước Hà Nội, và tính toán ngập lụt khu vực thành phố Đà Nẵng Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong các công trình nghiên cứu:

- Nguyễn Tiến Cường, Nguyễn Thành Đôn với bài toán “Bước đầu thử nghiệm

mô hình kết nối MARINE và TELEMAC-2D để mô phỏng lũ quét" [1]; PGS.TS Nguyễn Thống, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã dùng TELEMAC-2D đã ứng dụng để tính dự án đê biển Vũng Tàu-Gò Công và hệ thống các sông Sài Gòn-Đồng Nai