Xác định nguyên nhân sạt lở và dự báo diễn biến lòng dẫn sông Cần Thơ khu vực cầu Trà Niền bằng mô hình MIKE21C

Hiện nay, ở Việt Nam, mô hình toán thủy lực hình thái MIKE21C đã được sử dụng rộng rãi như một công cụ chính trong nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông ngòi. Tuy nhiên với tính chất phức tạp của chế độ thủy động lực trong các đoạn sông vùng ảnh hưởng triều, vẫn chưa có các đánh giá đầy đủ về khả năng và sự phù hợp của mô hình này. Bài viết trình bày kết quả áp dụng mô hình MIKE21C trong nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Cần Thơ khu vực Trà Niền là đoạn sông bị ảnh hưởng triều nhằm bổ sung các đánh giá về khả năng ứng dụng của mô hình MIKE21C cũng như đưa ra các kết luận về nguyên nhân gây xói lở và dự báo diễn biến lòng dẫn đoạn sông trên.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Sạt lở bờ sông là hiện tượng tự nhiên hết sức phức tạp, nó phụ thuộc và chịu sự tác động của nhiều yếu tố nội sinh, ngoại sinh hay các nguyên nhân khách quan, chủ quan khác nhau, đó là: những đặc điểm về điều kiện địa hình, địa chất, hình thái sông trong khu vực, sự tác động của các yếu tố thủy lực dòng chảy (vận tốc dòng nước, hướng chảy, chế độ mực nước, thủy triều,…) và những tác động khách quan khác từ các hoạt động của con người (ảnh hưởng của việc xây dựng các công trình trên sông, ven sông, giao thông thủy, khai thác cát, khai thác đất bãi,…).

Đối với sông Cần Thơ, hiện tượng sạt lở bờ sông đã xảy ra nhiều năm và thường xuyên, tình hình sạt lở có diễn biến ngày càng xấu, gây ra nhiều thiệt hại về tài sản của nhà nước và nhân dân, thậm chí là cả tính mạng con người. Đoạn sông nghiên cứu tại khu vực cầu Trà Niền là đoạn sông cong có ngã ba, ảnh hưởng triều với chế độ thủy văn, thủy lực phức tạp. Yêu cầu đặt ra là cần nghiên cứu xác định nguyên nhân gây sạt lở và dự báo diễn biến lòng dẫn sông Cần Thơ ở khu vực này. Mô hình thủy lực hình thái hai chiều MIKE 21C được sử dụng là công cụ tính toán chính và có sự kết hợp với các phân tích đánh giá qua số liệu khảo sát thực tế.

2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

2.1. Khái quát mô hình

Mô hình MIKE 21C là bộ mô hình  chuyên về tính toán mô phỏng và dự báo diễn biến hình thái sông. Mô hình MIKE 21C gồm các mô đun chính sau:

- Mô đun thuỷ động lực HD trong đó có tính dòng chảy vòng (xoắn ốc).

- Mô đun tính toán hình thái MT, gồm các tiện ích chính:

+ Tính toán vận chuyển bùn cát (đáy và lơ lửng).

+ Mô phỏng và dự báo diễn biến xói, bồi lòng dẫn.

+ Mô phỏng và dự báo xói lở bờ theo dọc sông.

2.2. Tài liệu, số liệu sử dụng

- Tài liệu địa hình: Tài liệu bình đồ đoạn sông Cần Thơ, khu vực cầu Trà Niền tỉ lệ 1/1000 (đo tháng 9 năm 2010, TEDI-RECO) [1].

+ Thượng lưu: tại vị trí cách cầu Trà Niền khoảng 1000 m về phía thượng lưu (phía Phong Điền).

+ Hạ lưu: tại vị trí cách cầu Trà Niền khoảng 1500m về phía hạ lưu (phía TP. Cần Thơ).

+ Phần dưới nước: toàn bộ lòng sông đến đường đi hai bên sông (giới hạn bởi đường tỉnh 923 (bên Hữu sông Cần Thơ) và đường dân sinh (bên Tả sông Cần Thơ).

+ Phần trên cạn: nghiên cứu từ đường tỉnh 923 đến khu dân cư khoảng 100m.

- Số liệu thủy văn: Do khu vực nghiên cứu không có tài liệu quan trắc thủy văn, nên trong tính toán sử dụng các số liệu được trích dẫn từ kết quả tính toán của mô hình thủy lực 1 chiều ISIS cho toàn bộ lưu vực sông Mê Kông [1].

2.3. Thiết lập mô hình

Khu vực nghiên cứu có phạm vi dài 2.500m được khống chế bởi hai biên cứng là bờ Tả và bờ Hữu sông Cần Thơ, chiều rộng trung bình khoảng 80 ÷ 100m. Từ tập hợp của 1253 điểm tọa độ theo 3 phương X, Y và Z.

- Miền tính toán của mô hình có kích thước 1700m x 1200m với khoảng cách lưới chia Dx = 5m và Dy = 5m trong hệ toạ độ UTM. Với cách chia lưới như vậy đảm bảo mô tả với độ chính xác cao về bề mặt địa hình lòng sông và bãi sông của đoạn sông Cần Thơ khu vực cầu Trà Niền.

- Số lượng ô lưới được thiết lập theo các phương J (theo chiều dọc sông), phương K (theo chiều rộng sông) như sau: J x K = 400 x 60 = 24000 ô lưới.

Biên của mô hình gồm:

- Các biên hở:

+ Biên vào 1: Thượng lưu sông Cần Thơ, cách cầu Trà Niền 800m.

+ Biên vào 2: Trên sông nhánh (rạch Trà Niên), cách cầu Trà Niền 50m.

+ Biên ra: Hạ lưu sông Cần Thơ, cách cầu Trà Niền 1300m.

- Các biên cứng: Là hai phía bờ tả, hữu sông Cần Thơ nằm trong miền tính toán của mô hình.

2.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình nhằm xác định các thông số thủy lực và hình thái cho mô hình, để đảm bảo giá trị tính toán và giá trị thực đo phù hợp với nhau.

- Tài liệu sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định
mô hình:

+ Hiệu chỉnh mô hình: Chọn trận lũ năm 1996 thời gian từ 1h ngày 20/10/1996 đến 23h ngày 3/11/1996 làm trận lũ điển hình để hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình.

+ Kiểm định mô hình: Chọn trận lũ năm 2000 thời gian từ 1h ngày 26/9/2000 đến 23h ngày 10/10/2000 để kiểm định và đánh giá sai số của mô hình đã thiết lập.

Bộ thông số chính của mô hình được xác định:

- Độ kết dính xoáy nước e = 1 m2/s.

- Hệ số nhám Manning (M) được phân ra làm hai khu vực chính, giá trị M = 40 ÷ 50 m1/3/s cho phần lòng sông, giá trị M = 25 ÷ 35 m1/3/s cho phần bãi sông.

- Hệ số chảy vòng (Helical flow): xác định bằng hằng số và bằng 1,2 cho toàn mô hình.

Đánh giá kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình:

- Hiệu chỉnh mô hình: So sánh giá trị mực nước, lưu lượng, vận tốc tính toán của mô hình MIKE 21C và mô hình thủy lực một chiều ISIS là khá trùng nhau. Điều này chứng tỏ việc thiết lập mô hình và lựa chọn các thông số cho mô hình MIKE 21C là hợp lý.

- Kiểm định mô hình: Các kết quả đánh giá sai số về đường quá trình (S/s) và sai số về giá trị lớn nhất đều nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy, mô hình được thiết lập đảm bảo độ tin cậy. Có thể áp dụng  để tính toán, mô phỏng. 

3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN

3.1. Phương án tính toán

Tính toán các thông số thủy lực dòng chảy và dự báo diễn biến sạt lở sông Cần Thơ khu vực Cầu Trà Niền với các phương án gồm:

- PA1: Trường hợp dòng chảy kiệt, chọn thời đoạn kiệt năm điển hình từ ngày 6/4/1998 đến 23/4/1998.

- PA2: Trường hợp lũ lịch sử xảy ra trên hệ thống sông Cần Thơ, trận lũ từ ngày 10/1/2001 đến 26/10/2001

3.2. Kết quả tính toán

a) Hình ảnh mô tả kết quả tính toán:

Đoạn sông Cần Thơ khu vực cầu Trà Niền, là hợp lưu giữa rạch Trà Niền và sông Cần Thơ. Đây lại là đoạn sông chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ thủy triều. Mặt khác theo hình thế sông thì đây là đoạn sông cong gấp, dòng chảy hai chiều lúc thủy triều lên và thủy triều xuống đều có xu thế tiến thẳng vào bờ lõm phía cầu Trà Niền. Một số hình ảnh từ kết quả tính toán trường vận tốc và diễn biến hình thái đoạn sông nghiên cứu bằng mô hình MIKE 21C được thể hiện ở các hình dưới đây.

Hình 11. Điễn biến đường lạch sâu sông Cần Thơ, khu vực cầu Trà Niền (kết quả tính sau 1-2-3-4-5-6-7 tháng, mùa lũ năm 2001 – PA2).

b) Nhận xét chung:

Từ các kết quả tính toán, phân tích về chế độ thủy lực dòng chảy và diễn biến lòng dẫn sông Cần Thơ, khu vực cầu Trà Niền có thể đưa ra các nhận xét:

Dòng chảy sông Cần Thơ tại khu vực cầu Trà Niền chịu ảnh hưởng mạnh đối với các tác động của thủy triều trong mùa kiệt và chế độ dòng chảy từ thượng lưu về trong mùa lũ.

- Mực nước: Vào mùa kiệt mực nước trung bình có thể dao động từ -0.7 ÷ 0.5 m, mùa lũ từ 1.0 ÷ 2.0 m. Biên độ thủy triều trong mùa kiệt lớn hơn so với biên độ triều trong mùa lũ.

- Lưu lượng: Lưu lượng dòng chảy lớn nhất đo được tại khu vực này có thể từ 1000 ÷ 1500 m3/s vào mùa lũ và 400 ÷ 700 m3/s vào mùa kiệt.

- Vận tốc: Vận tốc dòng chảy sông Cần Thơ khu vực cầu Trà Niền có sự khác biệt rất lớn về giá trị lúc triều lên và triều rút, vận tốc trung bình có giá trị từ 0,9 ÷ 1,3 m/s có nơi lên đến 1,7 m/s. Vào mùa lũ, vận tốc còn lớn hơn và gấp nhiều lần vận tốc giới hạn không xói của lòng dẫn khu vực này (vận tốc cho phép không xói ở khu vực cầu Trà Niền là khá nhỏ chỉ khoảng từ 0,185 ÷ 0,337 m/s [3]). Vì vậy khả năng đào xói lòng sông gây sạt lở, đặc biệt là ở phía tả (bờ lõm) và đoạn sông vùng hợp lưu rạch Trà Niền là điều không thể tránh khỏi.

4. KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu này có thể rút ra một số kết luận, đó là:

- Mô hình MIKE 21C có khả năng tính toán, mô phỏng và dự báo tốt về chế độ thủy văn, thủy lực dòng chảy, vận chuyển bùn cát và quá trình diễn biến lòng dẫn đối với các đoạn sông chịu ảnh hưởng của thủy triều.

- Những nguyên nhân chính gây sạt lở bờ sông Cần Thơ tại khu vực cầu Trà Niền, được xác định gồm:

+ Sạt lở do đặc điểm hình thái, địa chất lòng dẫn và các tác động của chế độ thủy lực dòng chảy.

+ Sạt lở do dòng chảy có vận tốc vượt quá vận tốc cho phép không xói của lòng dẫn.

- Diễn biến lòng dẫn sông Cần Thơ ở khu vực cầu Trà Niền có xu thế xói sâu, đặc biệt là trong thời đoạn dòng triều rút

- Các kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để đề xuất giải pháp công nghệ phù hợp và làm thông số đầu vào cho công tác tính toán thiết kế các công trình xử lý sự cố, công trình chỉnh trị sông và bảo vệ bờ ở khu vực này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].     Công ty cổ phần TVTK Cầu đường và Viện KHTLVN: Dự án “Khảo sát, xác định nguyên nhân và đề xuất giải pháp khắc phục sự cố đường dẫn cầu Trà Niền, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ”, năm 2010.

[2].     Lê Mạnh Hùng & Nnk : Đề tài "Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng lòng dẫn và đề xuất các biện pháp phòng chống cho hệ thống sông ở ĐBSCL”, Viện KHTL Miền Nam, năm 2004.

[3].     Viện KHTL Miền Nam : Dự án “Quy hoạch phòng chống sạt lở các sông rạch thành phố Cần Thơ”, năm 2010.

[4].     Viện QHTL Miền Nam : Dự án “Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng thành phố Cần Thơ”, năm 2010.

[5].     DHI : Guidebook “Mike 21C User Manual and M21C Scientific Reference Manual”.

Tác giả: ThS. Hồ Việt Cường, ThS. Nguyễn Thị Ngọc Nhẫn
Phòng Thí nghiệm trọng điểm QG về động lực học sông biển

Tạp chí KH&CN Thủy lợi