Mô phỏng chế độ thủy động lực học và sự thay đổi hình thái khu vực cửa sông gành hào, cà mau (tt)

Trước đây dưới tác động của chế độ thủy thạch động lực biển Đông, kè chống sạt lở bờ trái cửa Gành Hào đã bị hư hỏng nghiêm trọng.. Để có cái nhìn tổng thể đến chi tiết chế độ thủy thạch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TRUNG QUÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS Võ Ngọc Dương

GS-TS Lê Mạnh Hùng

Phản biện 1: TS Đoàn Thụy Kim Phương

Phản biện 2: TS Hoàng Ngọc Tuấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 20 tháng 12 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường ĐHBK - Đại học

Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng Công trình thủy, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện trạng sạt lở đồng bằng sông Cửu Long hiện đang rất nghiêm trọng, trong những năm gần đây, dưới tác động của suy giảm dòng chảy thượng nguồn, hàm lượng phù sa thay đổi, kết hợp với sự phát triển cơ sở hạ tầng dẫn tới tốc độ sạt lở ngày càng nhanh và phức tạp hơn Thống kê năm

2010, Đồng bằng sông Cửu Long chỉ có 99 điểm xói lở và sạt lở; đến năm

2019 con số này đã lên đến 681 điểm, tăng gấp 7 lần Các điểm sạt lở này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người dân, gây cản trở giao thông cũng như phát triển kinh tế xã hội của địa phương

Hình 1: Hiện trạng sạt lở ở đồng

bằng Sông Cửu Long (nguồn

dangcongsan.vn)

Hình 2: Sạt lở nghiêm trọng tuyến đường trên Quốc lộ 91 đoạn đi qua

xã Bình Mỹ, An Giang Ảnh: TTXVN

Một trong những khu vực trọng điểm gây xói lở mạnh cũng như gây

ra những khó khăn trong việc xử lý là cửa Gành Hào, Cà Mau Tại đây xói

lở bờ biển diễn biến ngày một phức tạp, gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống nhân dân cũng như tác động đến sự phát triển kinh tế xã hội của các địa phương ven biển Trước đây dưới tác động của chế độ thủy thạch động lực biển Đông, kè chống sạt lở bờ trái cửa Gành Hào đã bị hư hỏng nghiêm trọng Những diễn biến này càng phức tạp của biến đổi khí hậu, nước biển dâng, lún sụt đất….tạo ra những nguy cơ bất ổn cho khu vực (Trần et al 2016)

Để có cái nhìn tổng thể đến chi tiết chế độ thủy thạch động lực học khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau và xác định nguyên nhân, cơ chế xói

lở khu vực này từ đó giúp cho việc đưa ra các giải pháp tổng thể chống xói

lở phù hợp cho khu vực Bên cạnh đó, đề tài xác định các thông số thủy động lực cực đoan làm tài liệu tham khảo thêm trong quá trình thiết kế công trình

ở khu vực này

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích chế độ thủy động lực học khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau;

- Đánh giá diễn biến hình thái khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chế độ thủy động lực học khu vực cửa sông Gành Hào và vùng lân cận

4 Nội dung nghiên cứu

- Xây dựng mô hình thủy lực 2 chiều ngang khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau;

- Áp dụng mô hình thủy lực 2 chiều ngang mô phỏng chế độ thủy động lực học khu vực Gành Hào, Cà Mau trong các điều kiện cực đoan;

- Đánh giá diễn biến hình thái khu vực Gành Hào, Cà Mau

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích tài liệu;

- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan;

- Phương pháp mô hình hóa;

- Phương pháp nghiên cứu trường hợp điển hình;

- Phương pháp thống kê khách quan

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Cung cấp cho các cơ quan chức năng những thông tin hữu ích về chế

độ thủy động lực học và diễn biến hình thái khu vực cửa sông Gành Hào;

- Căn cứ để cơ quan chức năng bố trí quy hoạch dân cư cũng như các giải pháp cho khu vực hợp lý

6 Cấu trúc của luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về khu vực nghiên cứu

Chương 2: Mô hình toán thủy động lực hai chiều ngang

Chương 3: Ứng dụng mô hình toán mô phỏng chế độ thủy động lực học khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm tự nhiên

1.1.1 Vị trí địa lý

Sông Gành Hào là tên gọi một con

sông chảy qua hai tỉnh Cà Mau và

Bạc Liêu Bắt đầu từ thành phố Cà

Mau bởi dòng nước từ các kênh

Phụng Hiệp, kênh xáng Cà Mau-Bạc

Liêu và sông Giống Kè hợp lưu

Sông Gành Hào đổ về hướng nam,

đến ngã ba ranh giới giữa thành phố Cà Mau, huyện Đầm Dơi và huyện Cái Nước sông đổi sang hướng đông làm thành ranh giới tự nhiên giữa hai huyện Đầm Dơi và Đông Hải (Bạc Liêu) và đổ ra Biển Đông tại cửa Gành Hào

1.1.2 Đặc điểm địa hình

Sông Gành Hào thuộc vùng giáp ranh giữa địa phận 2 tỉnh Bạc Liêu

và Cà Mau, có đặc điểm địa hình chung từng khu vực như sau:

- Bạc Liêu có địa hình tương đối bằng phẳng, chủ yếu nằm ở độ cao trên dưới 1,2 m so với mặt biển, còn lại là những giồng cát và một số khu vực trũng ngập nước quanh năm Địa hình có xu hướng dốc từ bờ biển vào nội đồng, từ Đông Bắc xuống Tây Nam, với chiều dài bờ biển 56 km Trên địa bàn tỉnh Bạc Liêu chỉ có hai con sông tự nhiên nằm ở phía bắc và phía nam, còn lại trên địa bàn tỉnh là các kênh đào

- Cà Mau là vùng đồng bằng, có nhiều sông rạch, có địa hình thấp, bằng phẳng và thường xuyên bị ngập nước Độ cao bình quân 0,5 m đến 1,5 m so với mặt nước biển Hướng địa hình nghiêng dần từ bắc xuống nam, từ đông bắc xuống tây nam

1.1.3 Đặc điểm khí tượng

a) Chế độ gió

Hàng năm vùng nghiên cứu có hai mùa gió chính: gió mùa Đông Bắc

và gió mùa Tây Nam

- Gió mùa Đông Bắc thường bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, với hướng gió chủ đạo là Đông Bắc, Đông và Đông Nam, trong đó hướng gió Đông và Đông Bắc là chủ yếu Vận tốc gió trung bình đạt khoảng 8-10 m/s, cao nhất là từ 12- 14 m/s

- Gió mùa Tây Nam thường bắt đầu từ tháng 5 và kéo dài đến hết tháng

- Lượng mưa trung bình năm ở khu vực tỉnh Bạc Liêu-Cà Mau khoảng

2360 mm Tháng có lượng mưa cao nhất trong năm thường từ tháng VIII đến tháng X

c) Bốc hơi

Vùng nghiên cứu (Bạc Liêu- Cà Mau) là nơi quanh năm nền nhiệt độ cao, nên lượng bốc hơi hàng năm khá lớn khoảng 1022 mm Trong năm lượng bốc hơi lớn nhất thường xảy ra vào tháng III (140 – 160 mm) Mùa mưa, lượng bốc hơi giảm nhiều, nhất là tháng X (60 – 70 mm)

d) Chế độ nhiệt

Chế độ nhiệt vùng Bạc Liêu -Cà Mau có nhiệt độ trung bình hàng năm vào khoảng 26,50C, nhiệt độ trung bình cao nhất trong năm là vào tháng IV khoảng 27,60C, nhiệt độ trung bình thấp nhất vào tháng I khoảng 250C Biên

độ nhiệt độ trung bình trong 1 năm là 2,70C Tuy nhiên do tính chất biến động của khí hậu, nên trong từng năm cụ thể có sự xê dịch của tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất

e) Chế độ nắng

Hàng năm vùng nghiên cứu có thời kỳ dài 6 - 7 tháng mùa khô ít mây nên rất dồi dào về ánh sáng Số giờ nắng trung bình khá cao, thời gian nắng trung bình 2.200 giờ/năm Từ tháng XII đến tháng IV, số giờ nắng trung bình 7,6 giờ/ ngày; từ tháng V đến tháng XI, trung bình 5,1 giờ/ ngày Lượng bức

xạ trực tiếp cao, với tổng nhiệt khoảng 9.500 đến 10.0000C

f) Độ ẩm

Độ ẩm quan hệ mật thiết với chế độ mưa và chế độ gió mùa khu vực

Độ ẩm biến đổi theo mùa rõ rệt Độ ẩm tương đối trung bình cao hàng năm

vào khoảng từ 82,2 – 87,5% Tháng IX, X độ ẩm tương đối trung bình cao nhất vào khoảng 86,0 -89,0% Tháng I và II độ ẩm tương đối trung bình thấp nhất vào khoảng 75,6 – 83,2% Bảng 1 2 thống kê độ ẩm trung bình các tháng

và trung bình năm tỉnh Cà Mau

1.1.4 Đặc điểm thủy văn, bùn cát

- Triều có đặc điểm là biên độ tăng dần, song thời gian xuất hiện đỉnh

và chân triều chậm dần Chính vì thế, các pha truyền triều vào các nhánh sông phía Bắc sớm hơn những nhánh sông phía Nam Mặt khác, trong vùng biển này thủy triều có dạng bán nhật triều không đều (hai lần lên, hai lần xuống trong ngày), mực nước của hai đỉnh và hai chân không bằng nhau

b) Đặc trưng chế độ thủy văn, thủy lực

- Mùa khô

Trong mùa khô, chế độ thủy văn thủy lực bị chi phối chủ yếu bởi chế

độ thủy triều biển Đông, đường mặt nước trung bình nằm gần với đường mặt nước bình quân đỉnh triều

- Mùa mưa

Vào mùa mưa, chế độ thủy văn thủy lực trong vùng chịu ảnh hưởng đồng thời của cả chế độ lũ ở phía Bắc và chế độ mưa trong vùng Vào tháng VIII, mực nước trong các kênh rạch khu vực phía Bắc vùng bán đảo Cà Mau gia tăng nhanh bởi nước từ vùng Tứ giác Long Xuyên chuyển xuống và từ sông Hậu chuyển vào Trong khi đó, ở phía biển Tây, do ảnh hưởng gió mùa Tây Nam nên xuất hiện lượng mưa lớn nhất trong năm từ 300÷350mm làm cho mực nước gia tăng nhanh Nhiều nơi bị ngập từ 0,30÷0,40m, nơi đất trũng thường bị ngập từ 0,50÷0,75m Đơn cử như trong đợt triều cường tháng

I và tháng II năm 2000 vùng đất trũng thuộc phía Bắc Tp Cà Mau ngập từ 0,50÷0,75m, thời gian ngập kéo dài khoảng 2 tháng

c) Đặc trưng chế độ bùn cát

- Chế độ phù sa lơ lửng vùng nghiên cứu phụ thuộc vào chế độ phù sa của sông Mekong Sông Mekong hàng năm cung cấp một lượng phù sa khoảng 150 triệu tấn, chủ yếu vào mùa lũ (trung bình vào mùa lũ nồng độ phù sa trên sông Tiền và Hậu khoảng 200g/m3) Một phần lượng phù sa này lắng đọng trong đồng, sông, phần khác chuyển ra biển bồi lắng ở các cửa sông

d) Tài liệu khảo sát thủy văn, bùn cát bổ sung

Đường quá trình mực nước thực đo

-trạm Gành Hào

Đường quá trình hàm lượng bùn cát

lơ lửng thực đo

1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội

Sông Gành Hào là địa giới của huyện Đông Hải, tỉnh Bạc Liêu và huyện Đầm Dơi, tỉnh Cà Mau, đổ ra biển bằng cửa biển Gành Hào tại khu vực thị trấn Gành Hào

1.2.1 Dân số

- Dân số huyện Đông Hải: năm 2018 là 149.814 người, mật độ dân số của huyện là 259 người/km2 Trong đó, dân số sống ở thành thị là 17.893 người chiếm tỉ lệ 11,94% và dân số sống ở nông thôn là 131.975 người chiếm

tỉ lệ 88,06%

- Trên địa bàn huyện Đầm Dơi có 41.729 hộ, với 183.648 người, chiếm 15% trong tổng dân số của tỉnh Trong đó, có 92.182 nam và 91.467 nữ Ở khu vực thành thị có 2.539 hộ, với 9.802 người Ở khu vực nông thôn có 39.190 hộ, với 173.846 người

1.2.2 Kinh tế - xã hội

- Huyện Đông Hải

Năm 2018, huyện Đông Hải tập trung đầu tư xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông, hạ tầng đô thị; các tiềm năng, lợi thế từng bước được khai thác và phát huy hiệu quả; kinh tế - xã hội tiếp tục phát triển Chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng tích cực, tăng dần khu vực công nghiệp và dịch vụ trong cơ cấu GDP Hiện, khu vực nông nghiệp giảm còn 43%, công nghiệp - xây dựng chiếm 26%, thương mại - dịch vụ chiếm 31%, thu nhập bình quân đầu người đạt 47 triệu đồng/năm

- Huyện Đầm Dơi

Huyện Đầm Dơi có chiều dài bờ biển 22 km, có cửa biển Gành Hào,

Hố Gùi, Giá Lồng Đèn là điều kiện thuận lợi đề phát triển nghề nuôi trồng thủy sản và kinh tế biển Đặc biệt nghề nuôi tôm quảng canh và nuôi tôm công nghiệp phát triển mạnh Toàn huyện Đầm Dơi có 65.584 ha đất nuôi tôm và 7.720 ha rừng ngập mặn

1.3 Chế độ thủy động lực và các nghiên cứu trước đây

1.3.1 Các nghiên cứu về chế độ dòng hoàn lưu trên biển Đông

Chế độ dòng hải lưu tuần hoàn theo mùa trên biển Đông chịu chi phối chủ yếu bởi chế độ gió mùa Dòng hải lưu ở phía bắc biển Đông cũng liên quan đến sự trao đổi nước giữa biển Đông (nước ta) và biển Đông Trung Hoa qua eo biển Đài Loan và giữa biển Đông và dòng hải lưu Kuroshio qua eo biển Luzon của Philipin Tuy nhiên, do số liệu quan trắc là rất hạn chế trong vùng biển Đông, các kết quả phần lớn dừng ở mức phân tích định tính dạng của dòng hải lưu, chỉ một số ít dựa trên các phân tích định lượng bằng mô hình toán

Về các công trình nghiên cứu động lực học, sóng, bồi xói riêng cho vùng ven biển Miền Trung rất ít, hầu như không có các nghiên cứu về vận chuyển bùn cát

1.3.2 Chế độ thủy động lực Đồng bằng sông Cửu Long

Căn cứ vào mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nguồn theo không gian và thời gian, về tổng quát, có thể chia ĐBSCL thành ba vùng thủy văn khác nhau là:

- Vùng ảnh hưởng dòng chảy lũ là chính - phía Bắc đồng bằng, bao gồm một phần lãnh thổ của hai tỉnh An Giang và Đồng Tháp, diện tích khoảng 300.000ha;

- Vùng ảnh hưởng phối hợp lũ-triều được giới hạn bởi sông Cái Lớn - rạch Xẻo Chít - kênh Lái Hiếu - sông Măng Thít - sông Bến Tre - kênh Chợ

Gạo đến giới hạn vùng (a), với diện tích khoảng 1,6 triệu ha;

- Vùng ảnh hưởng triều là chính bao gồm toàn bộ vùng ven biển, với diện tích khoảng 2,0 triệu ha

1.3.3 Xu hướng vận chuyển bùn cát

Quá trình vận chuyển trầm

tích chịu ảnh hưởng lớn bởi chế độ

dòng chảy ven bờ do sự chi phối

của gió, thủy triều và các hoạt động

của sóng trong vùng sát bờ biển

Trầm tích được vận chuyển chủ yếu

về phía tây nam, khi vượt qua Mũi

Cà Mau dòng chảy ven bờ vận

chuyển trầm tích theo hướng tây

bắc, bắc dọc theo bờ tây bán đảo Cà

Mau

1.3.4 Chế độ thủy động lực vùng nghiên cứu (ven biển Cà Mau)

Chế độ thủy động lực đặc trưng bởi 5 kiểu dao động chính với chu kỳ

½ ngày, 1 ngày, ½ tháng, 6 tháng và 12 tháng Do đó, khi trích dẫn những giá trị cụ thể của các yếu tố thủy động lực (dòng chảy, và độ sâu cột nước-mực nước) tại đây, cần nói rõ là vào thời điểm nào, đặc biệt ở pha triều nào (triều dâng/rút, đỉnh/chân triều, …), vào mùa khí hậu nào, mùa gió mùa Đông Bắc-kiệt hay mùa gió mùa Tây Nam-lũ, …

1.3.5 Chế độ sóng biển vùng cửa sông Gành Hào

Sóng tại khu vực cửa sông Gành Hào chủ yếu chịu ảnh hưởng mạnh của địa hình đáy, đường bờ biển và dao động mực nước (do triều là chính),

do đó sóng tại đây khác hẳn sóng biển sâu, nhất là bên trong đới bãi bồi Khi tiến vào bên trong nội địa, sóng do gió tại chỗ sinh ra tăng dần vai trò và sóng lừng từ biển sâu truyền vào giảm dần vai trò

1.4 Hiện trạng dữ liệu khu vực nghiên cứu

- Diễn biến sạt lở bờ sông Gành Hào xảy ra nhiều vào những năm đầu thập kỷ 21, khi hoạt động khai thác dòng sông nhiều hơn, mạnh hơn Khu dân cư, nhà cửa xây cất lấn chiếm lòng sông, rạch ngày một gia tăng, cống ngăn mặn giữ ngọt, ao hồ nuôi thủy hải sản xuất hiện nhiều hơn, mật độ giao thông thủy gia tăng cả về số lượng, vận tốc và tải trọng tàu thuyền;

- So với các địa phương khác vùng ĐBSCL, diễn biến sạt lở khu vực

này diễn ra ở mức độ không cao, không quá căng thẳng và nghiêm trọng về quy mô cũng như mức độ thiệt hại, tuy vậy sạt lở phần lớn uy hiếp các hộ dân nghèo sống ven sông, do vậy rất cần sự hỗ trợ của chính quyền và sự giúp đỡ của cộng đồng xã hội;

- Sạt lở bờ trên địa bàn hai tỉnh chủ yếu xảy ra tại các khu tập trung dân

cư, nhà cửa lấn chiếm lòng sông, rạch, nơi gặp nhau các con sông hoạt động giao thông thủy tấp nập, tiếp đến là khu vực cống ngăn mặn (hai bờ, phía trước và sau cống), sau đó là khu vực bờ vùng cửa sông đổ ra biển Đông, chịu đồng thời của sóng biển lớn, sóng tàu thuyền đi biển công suất lớn, vận tốc dòng chảy lớn, thời đoạn pha triều rút những ngày triều cường vào mùa mưa bão;

- Phần lớn các đợt sạt lở đều diễn ra vào những tháng đầu mùa mưa hàng năm (tháng 5, tháng 6);

- Đoạn bờ sông, rạch sạt lở không xảy ra một đợt mà nhiều nhiều đợt (thường đợt sau quy mô lớn hơn, mức độ thiệt hại nhiều hơn đợt trước), nếu tại đó chưa xây dựng công trình bảo vệ;

Thống kê các khu vực sạt lở bờ hệ thống sông, rạch trên địa bàn tỉnh Bạc Liêu

TT Sông Huyện Ấp, Xã Chiều dài

sạt lở (m)

Tốc độ (m/năm) Ghi chú

1 Gành Hào Đông Hải Khu vực Cảng

Khu vực sạt lở bờ sông Gành Hào,

xảy ra ngày 24/6/2013

Khu vực sạt lở bờ cửa sông Gành Hào, huyện Đầm Dơi ảnh chụp

tháng 01/2017

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN THỦY ĐỘNG LỰC HAI CHIỀU

NGANG 2.1 Lý thuyết chung về mô hình toán

Bộ chương trình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) được đánh giá là phần mềm công nghệ cao ở trên thế giới và áp dụng được cho nhiều khu vực, lưu vực sông có đặc điểm khác nhau về địa hình, điều kiện KTTV Nhiều nước như Thái Lan, Nhật Bản, Trung Quốc, đã áp dụng mô hình này cho các nhiệm vụ quy hoạch, tính toán, dự báo lũ và lập bản đồ ngập lụt cho các lưu vực sông Ở Việt Nam, mô hình này hiện đang được Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học KTTV & MT, Trung tâm

Dự báo KTTV Trung ương sử dụng để tính toán cho các dự án, các đề tài nghiên cứu cho các lưu vực sông như hệ thống sông Hồng, sông Vu Gia - Thu Bồn, sông Ba, sông Cái Phan Rang, sông Lũy, sông Đồng Nai và đồng bằng sông Cửu Long

Với những đặc trưng về tính năng của mô hình thủy văn, thủy lực, qua tình hình sử dụng cụ thể mô hình này hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy bộ phầm mềm MIKE là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực, diễn biến đường bờ với độ chính xác cao, giao diện thân thiện dễ sử dụng và đặc biệt có ứng dụng

kỹ thuật GIS, là một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao Như vậy bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch hoàn toàn đáp ứng yêu cầu mô phỏng chính xác nhất quá trình tập trung nước, diễn biến quá trình dòng chảy và bùn cát trong vùng nghiên cứu

Mô hình thủy lực 1 chiều có thể mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong kênh dẫn chính xác, có thể kết hợp trực tiếp với mô hình thủy văn (mưa rào- dòng chảy), thời gian mô phỏng ngắn tuy nhiên không thể mô phỏng các đặc trưng theo phương ngang nên gặp khó khăn khi mô phỏng dòng chảy tràn

Do vậy, kiến nghị trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 FM mô phỏng chế độ thủy động lực học và diễn biến bồi xói (phân bổ dòng chảy bùn cát) khu vực sông Gành Hào

2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình 2 chiều mike 21 FM

2.2.1 Cơ sở toán học

Mô hình MIKE 21 HD là

gói công cụ trong bộ phần mềm

DHI được xây dựng bởi Viện

Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hinh

tính toán dòng chảy hai chiều