BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN HỮU THẢNH NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ỨNG DỤNG CHO CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình biển Mã số : 60580203 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS. TRẦN THANH TÙNG TS. NGUYỄN VĂN TUẤN Hà Nội – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU THẢNH Lớp cao học: CH20BB Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình biển Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông, ứng dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An”. Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm, những kết quả nghiên cứu tính toán trung thực. Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết của đề tài. Tôi không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tôi xin chịu trách nhiệm trước Khoa và Nhà trường. Hà Nội, ngày 05 tháng 07 năm 2014 Học viên Nguyễn Hữu Thảnh ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông, ứng dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An”đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt. Tác giả chân thành cảm ơn PGS.TS.Trần Thanh Tùng, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, TS. Nguyễn Văn Tuấn, Viện Quy hoạch Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn. Cảm ơn anh Nguyễn Thành Luân, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển đã giúp đỡ tác giả có đủ tài liệu và phương pháp để thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy cô trong khoa Kỹ thuật Biển đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học đại học và cao học tại trường. Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo,các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng 07 năm 2014. HỌC VIÊN Nguyễn Hữu Thảnh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI4 1.1. Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới 4 1.1.1. Phương pháp giải tích 4 1.1.2. Phương pháp thống kê 8 1.1.3. Phương pháp mô hình hóa 9 1.2. Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông tại Việt Nam 12 1.2.1. Phương pháp thống kê 12 1.2.2. Phương pháp mô hình số 12 1.3. Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN 15 2.1. Phạm vi nghiên cứu 15 2.1.1. Vị trí địa lý 15 2.1.2. Phạm vi hành chính 16 2.1.3. Giới hạn lưu vực sông Cả 17 2.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 17 2.2.1. Đặc điểm tự nhiên 17 2.2.1.1. Đặc điểm địa hình, địa chất 18 2.2.1.2. Đặc điểm khí tượng, thuỷ hải văn trên lưu vực sông Cả 20 2.2.2. Đặc trưng hình dạng và diễn biến hình thái cửa sông Cả 31 2.2.2.1. Đặc trưng các cửa sông dạng phễu (estuary) 31 2.2.2.2. Đặc trưng hình dạng cửa Hội, sông Cả 33 iv 2.2.2.3. Diễn biến hình thái cửa Hội, sông Cả 35 2.2.3. Đặc điểm dân sinh kinh tế – xã hội lưu vực sông Cả 36 2.2.3.1. Điều kiện dân sinh 36 2.2.3.2. Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội tại khu vực Cửa Hội 36 2.2.4. Phân tích đặc điểm hệ thống đê điều đã xây dựng dọc sông Cả 37 2.2.4.1. Thống kê, phân loại các công trình 37 2.2.4.2. Hiện trạng các công trình phòng chống lũ (đê sông, đê cửa sông) 38 2.2.4.3. Đánh giá khả năng thực hiện nhiệm vụ của công trình 42 2.3. Kết luận chương 2 43 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG CHO KHU VỰC CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN 45 3.1. Một số tiêu chí xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông 45 3.1.1. Tiêu chí xác định phạm vi đê cửa sông từ đường quá trình mực nước trên sông 47 3.1.1.1. Tiêu chí độ chênh mực nước theo cơ quan quản lý 47 3.1.1.2. Tiêu chí độ chênh mực nước theo các kết quả nghiên cứu trước đây 48 3.1.2. Tiêu chí theo quá trình xâm nhập mặn từ biển vào trong sông 51 3.2. Đề xuất tiêu chí xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 52 3.3. Đề xuất phương pháp xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 54 3.3.1. Điều kiện áp dụng thực tế 54 3.3.2. Áp dụng phương pháp mô hình số để xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 55 3.4. Kết luận chương 3 56 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỂ XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG, KHU VỰC CỬA HỘI, SÔNG CẢ, NGHỆ AN 57 4.1. Lựa chọn và giới thiệu mô hình 57 4.1.1. Lựa chọn mô hình 57 4.1.2. Giới thiệu mô hình 58 v 4.1.2.1. Giới thiệu mô hình 1 chiều Mike 11 HD 58 4.1.2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình dòng chảy Mike 21FM HD 63 4.2. Xây dựng mô hình toán áp dụng cho khu vực Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 65 4.2.1. Xây dựng mô hình thủy lực một chiều mạng sông 65 4.2.1.1. Phạm vi mô hình 1 chiều 65 4.2.1.2. Số liệu đầu vào 66 4.2.1.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: 66 4.2.2. Thiết lập mô hình Mike 21FM HD cho khu vực nghiên cứu 68 4.2.2.1. Phạm vi mô hình 2 chiều 69 4.2.2.2. Tài liệu địa hình 70 4.2.2.3. Tài liệu biên mô hình 71 4.2.2.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: 71 4.3. Xây dựng kịch bản mô phỏng xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho vùng cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 72 4.3.1. Đường quá trình mực nước thứ 1 73 4.3.2. Đường quá trình mực nước thứ 2 73 4.4. Phân tích các kết quả mô phỏng và xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông 74 4.4.1. Phân tích kết quả mô phỏng 74 4.4.2. Xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông 76 4.5. Kết luận chương 4 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 80 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1 Khả năng khai thác nước ngầm trên lưu vực sông Cả 19 Bảng 2. 2 Phân loại đất đai trên lưu vực sông Cả và vùng hưởng lợi 19 Bảng 2. 3 Đặc trưng dòng chảy năm các trạm thuỷ văn lưu vực sông Cả 22 Bảng 2. 4 Lưu lượng lũ thực đo lớn nhất một số trạm trên lưu vực sông Cả 23 Bảng 2. 5 Lưu lượng kiệt nhất tháng 3 ÷ 4 và tháng 7÷8 thực đo 24 Bảng 2. 6 Mực nước lũ thực đo tại một số vị trí 24 Bảng 2. 7 Mực nước mùa kiệt trên sông Cả 25 Bảng 2. 8 Số cơn bão và tần suất xuất hiện đổ bộ vào Thanh - Nghệ - Tĩnh 27 Bảng 2. 9 Thống kê số cơn bão đổ bộ vào khu vực Thanh – Nghệ - Tĩnh trong một năm 27 Bảng 2. 10 Biên độ dao động triều các tháng mùa khô 29 Bảng 2. 11 Phân bố tần suất (%) theo độ cao và hướng sóng tất cả các tháng khu vực Cửa Hội (thời kỳ 1997-2009) 30 Bảng 4. 1 Thống kê đánh giá sai số trận lũ hiệu chỉnh mô hình ngày ngày 28/10- 12/11/2008 tại trạm Chợ Tràng 67 Bảng 4. 2 Thống kê đánh giá sai số trận lũ hiệu chỉnh mô hình ngày ngày 27/09- 07/10/2009 tại trạm Chợ Tràng 68 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Quá trình lan truyền và tắt dần của sóng triều trong sông 7 Hình 1. 2 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê sông - đê cửa sông theo phương pháp thống kê 9 Hình 1. 3 Sơ họa các biên trong mô hình toán 11 Hình 2. 1 Bản đồ lưu vực sông Cả và địa danh hành chính tỉnh Nghệ An 16 Hình 2. 2 Hoa sóng khu vực Cửa Hội (1997-2009) cho toàn bộ các tháng 31 Hình 2. 3 Cửa sông St. Lucia, Nam Phi 32 Hình 2. 4 Lưới cát hướng Đông Nam phát triển mạnh tại cửa Hội (06/2013) 34 Hình 2. 5 Minh họa cơ chế hình thành lưỡi cát tại cửa Hội, sông Cả 34 Hình 2. 6 Diễn biến hình thái của Hội tại thời điểm trước và sau mùa mưa 35 Hình 2. 7 Ảnh bản đồ chi tiết hệ thống đê điều sông Cả 38 Hình 2. 8 Ảnh hiện trạng tuyến đê La Giang 39 vii Hình 2. 9 Ảnh hiện trạng tuyến đê La Giang 39 Hình 2. 10 Đê Hữu Lam nhìn từ cầu Bến Thủy 40 Hình 2. 11 Ảnh chụp tuyến đê 42, đoạn qua xã Hưng Long, Hưng Nguyên 41 Hình 2. 12 Ảnh đại diện tuyến đê Nam Trung 42 Hình 2. 13 Hình ảnh ngập lụt hạ du sông Cả, trận lũ năm 2010 43 Hình 3. 1 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê cửa sông khi đã biết [a]50 Hình 3. 2 Đường quá trình mực nước khi có sự pha trộn giữa lũ và dòng triều 51 Hình 3. 3 Sơ họa cách lấy biên trong tính toán đường mực nước thứ 1 53 Hình 3. 4 Sơ họa cách lấy biên trong tính toán đường mực nước thứ 2 53 Hình 3. 5 Sơ họa đường mực nước lớn nhất của tổ hợp thứ 1 và tổ hợp thứ 2 54 Hình 4. 1 Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott 60 Hình 4. 2 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ 61 Hình 4. 3 Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu 61 Hình 4. 4 Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng 61 Hình 4. 5 Phạm vi mô hình 1 chiều 65 Hình 4. 6 Mực nước tính toán và thực đo trạm Chợ Tràng trên sông Cả, lũ từ ngày 28/10-12/11/2008…………… 67 Hình 4. 7 Mực nước tính toán và thực đo trạm Chợ Tràng trên sông Cả, lũ từ ngày 27/09-07/10/2009……… 68 Hình 4. 8 Phạm vi mô hình 2 chiều 69 Hình 4. 9 Địa hình cho mô hình Mike 21 70 Hình 4. 10 Mực nước tính toán và thực đo trạm Cửa Hội trên sông Lam, lũ từ ngày 28/10-12/11/2008 71 Hình 4. 11 Mực nước tính toán và thực đo trạm Cửa Hội trên sông Lam, lũ từ ngày 27/09-10/10/2009 72 Hình 4. 12 Phân bố trường vận tốc dòng chảy khi triều lên khu vực Cửa Hội (kịch bản tính toán ứng với pha triều cường) 75 Hình 4. 13 Phân bố trường vận tốc dòng chảy khi triều rút khu vực Cửa Hội (kịch bản tính toán ứng với pha triều cường) 75 Hình 4. 14 Trắc dọc mực nước sông Lam 76 Hình 4. 15 Ảnh vệ tinh phạm vi đê sông và đê cửa sông, sông Cả, Nghệ An 77 viii DANH MỤC PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bảng giá trị các tham số trong mô hình Mike 21HD 81 Phụ lục 2: Bảng giá trị các tham số trong mô hình Mike 11HD 81 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU Vùng cửa sông ven biển là nơi tập trung các đồng bằng màu mỡ và tài nguyên biển phong phú; đây cũng là vùng thuận lợi cho phát triển giao thông, thương mại và du lịch, đặc biệt những vùng này là những nơi dễ dàng cho sự tiếp cận của thị truờng quốc tế. Do đó, vùng cửa sông ven biển là trọng tâm phát triển kinh tế xã hội của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam, đây là nơi tập trung phát triển nhiều thành phố lớn, nhiều trung tâm công nghiệp, thương mại và du lịch. Tuy nhiên, vùng cửa sông ven biển cũng là nơi phải hứng chịu rất nhiều thiên tai, hiểm họa với sự đe dọa không chỉ đến từ lũ lụt mà còn từ những mối đe dọa của biển cả, nơi luôn tiềm ẩn những nguy cơ gây nên những thảm họa thiên tai nguy hiểm như: bão, nước dâng do bão, mực nước biển dâng dị thường Trên thực tế ở nước ta hiện nay, trong tổng số chiều dài khoảng 3.000 km đê sông, 1.400 km đê biển và 1.300 km đê cửa sông [2], còn có nhiều tuyến đê chưa đảm bảo được nhiệm vụ bảo vệ các vùng đất ven sông, dải đồng bằng ven biển trước sự đe dọa của lũ sông và nước dâng từ phía biển. Bên cạnh sự phức tạp của việc xác định quy mô và các thông số thiết kế đê, thì hiện tại việc tính toán và xác định các ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông một cách khoa học và hợp lý vẫn còn nhiều hạn chế và cần được đầu tư nghiên cứu thêm. Đề tài “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông, ứng dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An” được triển khai nhằm xây dựng được bộ tiêu chí và đề xuất phương pháp tính toán khoa học, hợp lý phục vụ xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực cửa Hội, sông Cả, Nghệ An có xét đến các yếu tố: đặc điểm từng loại cửa sông, các yếu tố lũ, triều, nước dâng [...]... quốc tế 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - Xây dựng thành công bộ tiêu chí và phương pháp xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông áp dụng cho khu vực Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An - Nghiên cứu, tính toán chỉ ra ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 4 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI Một công trình... thực tế hơn 12 1.2 Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông tại Việt Nam 1.2.1 Phương pháp thống kê Nếu dọc theo vùng cửa sông nghiên cứu có đầy đủ số liệu đo đạc mực nước giờ trong khoảng thời gian 20 năm trở lên, thì việc xác định ranh giới đê sông với đê cửa sông có thể được thực hiện như sau: + Xác định cấp đê cho các đoạn đê dọc theo tuyến đê từ sông ra đến biển dựa... quan đã và đang được nghiên cứu - Phương pháp mô hình toán: Nghiên cứu sẽ sử dụng mô hình toán thủy động lực để mô phỏng và phân tích các kịch bản dựa trên các yếu tố đặc trưng của khu vực Cửa Hội, sông Cả và các thành phần có thể tác động đến dòng chảy ở vùng cửa sông ven biển để xây dựng cơ sở khoa học cho việc xác định các tiêu chí và các phương pháp tính toán xác định ranh giới giữa đê sông và đê. .. vị nghiên cứu, tư vấn, sản xuất Đã có một số nghiên cứu sử dụng mô hình toán để giải quyết bài toán xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông tại Việt Nam, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu còn đơn lẻ và chưa đủ để bao quát hết các nhân tố chính chi phối các tương tác giữa các yếu tố sông và biển 14 1.3 Kết luận chương Tất cả các phương pháp xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông trên thế giới. ..2 2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu của nghiên cứu là dựa trên các cơ sở khoa học và thực tiễn để xây dựng được bộ tiêu chí, phương pháp tính toán và cuối cùng là áp dụng tính toán xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để giải quyết được các yêu cầu trên đây, đề tài này sẽ lựa chọn... kiện tự nhiên và kinh tế xã hội trong phạm vi nghiên cứu; đặc biệt là các tài liệu liên quan đến các diễn biến tại Cửa Hội, và trên sông Cả, Nghệ An làm cơ sở để xem xét, phân tích các yếu tố có thể tác động đến kết quả tính toán xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông - Phương pháp kế thừa: Kế thừa, áp dụng có chọn lọc các nghiên cứu, đề tài, dự án liên quan để có cách nhìn tổng quan nhất về các... đê cửa sông áp dụng riêng cho khu vực Cửa Hội, sông Cả 3 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp cho công tác đầu tư, xây dựng và quản lý đê điều tại vùng cửa sông ven biển tỉnh Nghệ An Tạo đà vững chắc để xây dựng các vùng cửa sông ven biển nơi đây trở thành trọng tâm phát triển kinh tế xã hội, trung tâm công nghiệp, thương mại và du lịch và là địa điểm quan... bày một số phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới và tại Việt Nam dựa trên quan điểm về tương tác thủy động lực học giữa sông và biển 1.1 Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới 1.1.1 Phương pháp giải tích Phương pháp giải tích sẽ giải phương trình truyền sóng triều vào trong sông trong trường hợp đơn giản hóa hệ phương trình chuyển... triển như ở Việt Nam Chính vì vậy mà việc áp dụng phương pháp thống kê để xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông còn rất hạn chế và chưa có công trình nghiên cứu áp dụng cụ thể 1.2.2 Phương pháp mô hình số Việc quan trọng nhất khi ứng dụng mô hình số đó là việc xử lý số liệu phục vụ tính toán, bởi khu vực cửa sông ven biển ở Việt Nam nói chung và khu vực nghiên cứu nói riêng thường không có đầy đủ số... vùng cửa sông sẽ được phân tích bằng phương pháp thống kế nhằm xác định ra quy luật tác động cũng như diễn biến của chế độ thủy động lực, từ đó áp dụng vào việc xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông Việc áp dụng phương pháp thống kê để nghiên cứu bài toán đặt ra đòi hỏi phải có một bộ số liệu đo đạc liên tục và chi tiết chế độ thủy động lực (bao gồm mực nước, dòng chảy) dọc theo vùng cửa sông . biển vào trong sông 51 3.2. Đề xuất tiêu chí xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, áp dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An 52 3.3. Đề xuất phương pháp xác định ranh giới đê sông – đê cửa sông, . hạn chế và cần được đầu tư nghiên cứu thêm. Đề tài Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông, ứng dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An được triển khai nhằm. Học viên Nguyễn Hữu Thảnh ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông, ứng dụng cho Cửa Hội, sông Cả, Nghệ An đã