Nghiên cứu tính toán dự báo sạt lở bờ sông dựa trên mô hình MIKE21C và phần mềm GEO-SLOPE (Áp dụng cho đoạn sông Đuống đoạn từ Đổng Viên đến Đông Đoài)

Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu bằng phương pháp ứng dụng mô hình 2 chiều MIKE21C và phần mềm GEO-SLOPE để tính toán dự báo diễn biến lòng dẫn và sự ổn định của bờ sông đối với sông Đuống đoạn từ Đổng Viên đến Đông Đoài. Qua đó cho thấy khả năng ứng dụng của phương pháp này đối với công tác dự báo, cảnh báo phòng chống sạt lở bờ sông trên các hệ thống sông ở Việt Nam

I. Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, tình hình sạt lở bờ sông, bờ biển trên phạm vi cả nước đang có xu thế gia tăng và diễn biến ngày càng phức tạp gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh, kinh tế. Theo con số thống kê, trên các lưu vực sông suối cả nước, hiện có trên 737 điểm sạt lở với tổng chiều dài trên 1257 km. Trong đó, miền Bắc có 165 điểm với chiều dài 252 km, miền Trung có 307 điểm với chiều dài 555km và miền Nam có 265 điểm với chiều dài 450 km. Trước thực tế đó, việc chủ động phòng chống và đưa ra được những giải pháp hữu hiệu để bảo vệ bờ sông, bờ biển thực sự cấp thiết. Theo đó, vấn đề nghiên cứu dự báo, cảnh báo trên cơ sở ứng dụng những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới cần được đẩy mạnh.  

Từ trước tới nay, một số phương pháp thường được sử dụng để dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông như: Phương pháp phân tích tài liệu thực đo, phương pháp mô hình vật lý, phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và phương pháp mô hình toán. Mỗi phương pháp khi áp dụng vào bài toán thực tế đều có những ưu, nhược điểm riêng, tuy nhiên, phương pháp mô hình toán – đặc biệt là việc ứng dụng mô hình toán 2 chiều gần đây đang được ứng dụng rộng rãi trong nước và nhiều nước trên thế giới. Có thể dẫn ra ở đây một số các mô hình 2 chiều tính toán thuỷ lực, vận chuyển bùn cát và hình thái sông như: mô hình Mike 21, Mike 21C, Mike 21 FM,  EFDC, TELEMAX v.v..  Trong đó, mô hình 2 chiều hình thái Mike 21C (Đan Mạch) hiện đang được đánh giá là một trong những mô hình tốt nhất bởi ưu điểm vượt trội của mô hình này so với các mô hình khác là việc tạo hệ thống lưới cong trong tính toán. Việc tạo lưới cong bám sát được đường bờ sông cho phép mô phỏng chế độ thủy lực sát với thực tế hơn, dẫn đến việc mô phỏng diễn biến hình thái sông cũng tốt hơn các mô hình khác mà lưới thường được chia là hình chữ nhật hoặc tam giác.

Nhưng, qua các kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21C ở một số con sông trên thế giới cũng như ở trong nước [2,3,4,5,8,9], cho thấy Mike 21C vẫn chỉ dừng lại ở dự báo tốt diễn biến lòng dẫn bằng việc giải các phương trình liên quan đến thủy lực và vận chuyển bùn cát. Có nghĩa rằng, diễn biến lòng sông, chỉ được tính do mất cân bằng bùn cát lòng sông gây ra mà chưa thấy sự có mặt của yếu tố địa chất vùng bãi sông. Như vậy, câu hỏi đặt ra rằng, với các diễn biến (xói, bồi) lòng sông như vậy, liệu khả năng bờ sông có mất ổn định không, có khả năng sạt lở không? thì Mike 21C không trả lời được. Trong khi đó, nếu cho biết hình dạng mặt cắt trong quá trình diễn biến lòng sông, địa chất cấu tạo bờ sông và chế độ thủy văn v.v thì  phần mềm Geo-Slope của Canada lại có thể tính toán, trả lời được sự ổn định, khả năng sạt lở bờ sông. [6,7]

Từ cách đặt vấn đề vừa nêu đã thúc đẩy hướng nghiên cứu tính toán dự báo sạt lở bờ sông bằng phương pháp kết hợp mô hình hình thái Mike 21C và phần mềm tính toán ổn định Geo-Slope. Để làm rõ khả năng ứng dụng của phương pháp vào giải quyết các bài toán thực tế, trong khuôn khổ bài báo này, xin tóm tắt một số kết quả bước đầu trong nghiên cứu đánh giá, dự báo diễn biến lòng dẫn và sự ổn định bờ sông trên sông Đuống đoạn từ Đổng Viên đến Đông Đoài.

II. Trình tự thực hiện

Nghiên cứu tính toán dự báo sạt lở bờ sông bằng phương pháp kết hợp mô hình hình thái Mike 21C và phần mềm tính toán ổn định Geo-Slope cho đoạn sông nói chung và ứng dụng cụ thể cho sông Đuống đoạn từ Đổng Viên đến Đông Đoài được thực hiện theo sơ đồ hình 1.

Hình 1: Sơ đồ bài toán nghiên cứu dự báo sạt lở bờ sông bằng phương pháp kết hợp mô hình Mike 21C và phần mềm Geo-Slope

III. Kết quả dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông Đuống đoạn từ Đổng Viên đến Đông Đoài

1. Về diễn biến (xói, bồi) lòng sông

Sau các bước thiết lập và kiểm định mô hình Mike 21C xác lập được bộ thông số thủy lực và hình thái của Mô hình cho đoạn sông nghiên cứu, đã tiến hành ứng dụng để tính toán dự báo diễn biến lòng sông trên đoạn sông này đối với các kịch bản: Lũ lớn tháng 8/1996, lũ thiết kế với tần suất 150 năm và 250 năm xảy ra 1 lần. Kết quả như sau:

Hình 2. Mô phỏng địa hình đoạn sông nghiên cứu       Hình 3. Kiểm định biến đổi trên mặt cắt ngang

1. Từ việc khảo sát kết quả tính toán từ Mike 21C nhận thấy trên đoạn sông nghiên cứu, khu vực mà lòng sông có khả năng xảy ra biến đổi mạnh mẽ nhất là khu vực Sen Hồ.

2. Tại khu vực Sen Hồ, với các kịch bản đặt ra:

- Tại các thời điểm xảy ra lũ, từ lúc lũ mới chỉ ngang bãi cho đến khi lũ lên cao, dọc đoạn sông từ Km18+500 đến Km19+500 (tính theo Kilomet đê hữu) luôn hình thành dòng chảy với vận tốc sát bờ lõm (Vb) khá lớn - xấp xỉ 1m/s khi lũ ngang bãi và gần 1,3m/s khi lũ đạt đỉnh. Đặc biệt là vận tốc Vb của đoạn sông này so với vận tốc Vb của đoạn sông thượng và hạ lưu có sự chênh lệch lớn.

- Với tốc độ như vậy nên xói sâu lòng sông xảy ra ở hai đoạn sông: (1) Đoạn sông từ Km 18+500 đến Km 18+720 và (2) đoạn sông từ Km 19+000 đến Km 19+500 (đoạn sông từ Km 18+720 đến Km 19+000 do đã có rồng hộ chân nên không xảy ra xói). Cụ thể, tại đoạn 1: Dự báo khả năng lòng sông sẽ xói sâu thêm từ 2 đến 3 m, tạo ra hố xói sâu đến gần -17m, đường lạch sâu chỉ cách đê hữu 100 đến 200 m; Đoạn 2: Dự báo khả năng lòng sông xói sâu có nơi đến gần 6 m tạo ra hố xói -18.88 m. Một số vị trí trên đoạn này mặc dù cao trình đáy Zmin không bị hạ thấp nhưng phần chân từ cao trình +4 m trở xuống bị khoét sâu tạo ra thế chân gần như thẳng đứng. Đường lạch sâu đoạn sông này sát với đê hữu nhất, chỉ cách trung bình khoảng 100 m.

Hình 4. Phân bố vận tốc đỉnh lũ - tại Sen Hồ            Hình 5. Diễn biến mặt cắt ngang  tại Sen Hồ

Hình 6: Diễn biến Zmin dọc đoạn sông nghiên cứu

Kết quả dự báo diễn biến lòng sông từ Mike 21C nêu trên mới cho đánh giá định tính về ảnh hưởng khi lòng sông bị xói sâu tới mức độ ổn định bờ sông ở khu vực xem xét. Công tác dự báo cần câu trả lời cụ thể, định lượng về sự ổn định đó. Do vậy, ngoài việc ứng dụng mô hình Mike 21C cần sử dụng thêm công cụ hỗ trợ khác, như cách đặt vấn đề ban đầu, trong nghiên cứu này đã sử dụng phần mềm Geo-Slope để đánh giá sự ổn định bờ sông.

2. Về sự ổn định bờ sông:

Sau khi tính toán bằng mô hình Mike 21C, kết quả tính toán thủy lực (mực nước H) và hình thái sông (mặt cắt ngang) tại từng vị trí, thời điểm cần xem xét đánh giá sự ổn định của bờ sông ở khu vực nghiên cứu làm số liệu đầu vào cho sự hoạt động của phần mềm Geo- Slope (cụ thể là phần mềm con Slope/W) với các số liệu về địa chất đã được xác định. Trong nghiên cứu này, đã sử dụng phần mềm Geo-Slope tính toán với 3 trường hợp: Thời điểm bắt đầu xảy ra lũ, thời điểm lũ đạt đỉnh và thời điểm cuối lũ trong các kịch bản lũ đặt ra tại các khu vực xảy ra xói sâu theo dự báo từ Mike 21C nêu trên. Từ kết quả tính toán, rút ra một số nhận xét chung như sau:

- Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện lũ, mái bờ sông tại các mặt cắt tính toán đang ở trạng thái cân bằng giới hạn (0.8<Kminmin<1.2);

- Đến thời điểm xuất hiện đỉnh lũ, toàn bộ phần mái bờ sông nằm hoàn toàn trong nước, chân bờ và lòng sông mặc dù đã bị xói sâu, tuy nhiên khi đó bờ sông vẫn ở trạng thái ổn định do mực nước phía sông dâng cao là một phần đối trọng cho cung trượt (hệ số Kminmin trong khoảng 1.4 dến 1.5).

- Khi lũ rút mực nước sông giảm dần, vào thời điểm cuối lũ lòng sông bị xói sâu kết hợp với sự xuất hiện dòng thấm từ trong bờ sông gây ra làm cho hệ số ổn định giảm rõ rệt, khối đất mái bờ sông có độ ổn định rất thấp, sạt trượt bờ sông có khả năng xảy ra ở mức cao. Hệ số Kminmin trong các trường hợp tính toán ở thời điểm này có những vị trí chỉ đạt 0.73 đến 0.75; Bề rộng khối trượt khoảng 25 m.

- Kết quả tính toán ở trên cũng khá phù hợp với diễn biến thực tế, lý giải các hiện tượng bờ sông trên hệ thống sông Hồng nói chung cũng như sông Đuống nói riêng thường xảy ra sạt lở rất mạnh vào sau thời kỳ lũ.

Hình 7: Trường hợp tính toán ứng với  mực nước trước lũ – Lũ 250 năm (Kminmin = 0,981)

 Hình 8: Trường hợp tính toán ứng với  mực nước đỉnh lũ – Lũ 250 năm (Kminmin = 1.418)

Hình 9: Trường hợp tính toán ứng với  mực nước sau lũ – Lũ 250 năm (Kminmin = 0,732)

IV. Kết luận

Vấn đề nghiên cứu dự báo biến động lòng dẫn (xói sâu, sạt lở bờ sông) rất quan trọng trong công tác chỉnh trị sông, phòng chống sạt lở nhằm đảm bảo cho việc khai thác hiệu quả lòng sông, bãi sông và đặc biệt là cho sự an toàn của hệ thống đê điều đối với hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình.

Công tác dự báo đòi hỏi cần phải kết hợp nhiều phương pháp khác nhau, từ phương pháp kinh nghiệm cho đến các phương pháp sử dụng mô hình tính toán hiện đại. Phương pháp nêu ra trong bài báo này, mặc dù mới chỉ dừng ở kết quả nghiên cứu bước đầu cho một đoạn sông cụ thể nhưng phần nào cho thấy triển vọng của phương pháp có thể áp dụng hiệu quả cho việc dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông trên hệ thống sông ngòi ở nước ta.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. DHI Water and Environment, Mike 21C User Guide, 2002.

[2]. K.W. Olesen & Tjerry, Morphological modelling of the Chaktomuck Juntion.

[3]. Henrik Garsdal, Carsten Staub and Hans Enggrob, Use of Mathematical Models in connection with the Gorai River Restoration Project in Bangladesh, 1997.

[4]. Kim Wium Olesen, Ole Juul Jensen & Hans G. Enggrob, Prediction of design criteria for river training measures using physical and mathematical modelling, 1995.

[5]. Hans G. Enggrob & Soren Tjerry, Simulation of Morphological Characteristics of a Braided River, 1995-1998.

[6]. D.F. Fredlund, The analysis of slope, Short Course, 1997.

[7]. Geo-Slope User Guide, 1999

[8]. Đặng Hoàng Thanh, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới – Mike 21C vào đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn ở một số trọng điểm thuộc hệ thống sông Hồng, 2008.

[9]. Đặng Hoàng Thanh, Sohn MinYoung (Chuyên gia Hàn Quốc) và nnk, Chuyên đề Mô phỏng số thuộc dự án “Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn qua Hà Nội”, 2007.

Tác giả: TS. Đặng Hoàng Thanh
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi