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 cơng 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

Chun ngành:

Kỹ thuật cơng 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 tơi hồn tồn do tơi làm, những kết
quả nghiên cứu tính tốn trung thực. Trong q trình làm luận văn tơi có tham
khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết
của đề tài. Tơi khơng 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 Ln, Phịng 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 cịn
hạn chế, luận văn này khơng thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận
được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cơ 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 mơ 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 mơ 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 sơng Cả ...... 20
2.2.2. Đặc trưng hình dạng và diễn biến hình thái cửa sơng 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, sơng Cả ............................... 33


iv

2.2.2.3. Diễn biến hình thái cửa Hội, sơng 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 cơng trình phịng chống lũ (đê sông, đê cửa
sông)
........................................................................................ 38
2.2.4.3. Đánh giá khả năng thực hiện nhiệm vụ của cơng 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, SƠNG 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 sơng từ đường q trình mực
nước trên sơng ............................................................................................ 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 sơng .... 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 mơ 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 MƠ HÌNH TỐN 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 mơ hình ................................................................... 57
4.1.1. Lựa chọn mơ hình ...................................................................................... 57
4.1.2. Giới thiệu mơ hình..................................................................................... 58



v

4.1.2.1. Giới thiệu mơ hình 1 chiều Mike 11 HD ............................ 58
4.1.2.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình dịng chảy Mike 21FM HD........... 63
4.2. Xây dựng mơ hình tốn áp dụng cho khu vực Cửa Hội, sông Cả,
Nghệ An ................................................................................................................. 65
4.2.1. Xây dựng mơ hình thủy lực một chiều mạng sơng ............................ 65
4.2.1.1. Phạm vi mơ hình 1 chiều ................................................... 65
4.2.1.2. Số liệu đầu vào ................................................................. 66
4.2.1.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình: ..................................... 66
4.2.2. Thiết lập mơ hình Mike 21FM HD cho khu vực nghiên cứu ......... 68
4.2.2.1. Phạm vi mơ hình 2 chiều ................................................... 69
4.2.2.2. Tài liệu địa hình ................................................................ 70
4.2.2.3. Tài liệu biên mơ hình ........................................................ 71
4.2.2.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ 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, sơng Cả, Nghệ An ............................ 72
4.3.1. Đường q trình mực nước thứ 1.......................................................... 73
4.3.2. Đường quá trình mực nước thứ 2.......................................................... 73
4.4. Phân tích các kết quả mơ phỏng và xác định ranh giới đê sông – đê
cửa sông ................................................................................................................. 74
4.4.1. Phân tích kết quả mơ 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 dịng chảy năm các trạm thuỷ văn lưu vực sơng 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 mơ hình ngày ngày 28/1012/11/2008 tại trạm Chợ Tràng .................................................................................. 67
Bảng 4. 2 Thống kê đánh giá sai số trận lũ hiệu chỉnh mơ hình ngày ngày 27/0907/10/2009 tại trạm Chợ Tràng .................................................................................. 68

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Quá trình lan truyền và tắt dần của sóng triều trong sơng .......................... 7
Hình 1. 2 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê sơng - đê cửa sơng theo phương
pháp thống kê .............................................................................................................. 9
Hình 1. 3 Sơ họa các biên trong mơ hình tốn .......................................................... 11
Hình 2. 1 Bản đồ lưu vực sơng Cả và địa danh hành chính tỉnh Nghệ An ............... 16
Hình 2. 2 Hoa sóng khu vực Cửa Hội (1997-2009) cho tồn bộ các tháng .............. 31
Hình 2. 3 Cửa sơng 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, sơng 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 sơng Cả, trận lũ năm 2010 ............................... 43
Hình 3. 1 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê cửa sơng khi đã biết [a]50
Hình 3. 2 Đường quá trình mực nước khi có sự pha trộn giữa lũ và dịng triều ....... 51
Hình 3. 3 Sơ họa cách lấy biên trong tính tốn đường mực nước thứ 1 ................... 53
Hình 3. 4 Sơ họa cách lấy biên trong tính tốn 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 sơng 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 vịng .................................................. 61
Hình 4. 5 Phạm vi mơ hình 1 chiều........................................................................... 65
Hình 4. 6 Mực nước tính tốn và thực đo trạm Chợ Tràng trên sơng Cả, lũ từ ngày
28/10-12/11/2008…………… .................................................................................. 67
Hình 4. 7 Mực nước tính tốn và thực đo trạm Chợ Tràng trên sơng Cả, lũ từ ngày
27/09-07/10/2009……….. ........................................................................................ 68
Hình 4. 8 Phạm vi mơ hình 2 chiều........................................................................... 69
Hình 4. 9 Địa hình cho mơ hình Mike 21 ................................................................. 70
Hình 4. 10 Mực nước tính tốn và thực đo trạm Cửa Hội trên sơng Lam, lũ từ ngày
28/10-12/11/2008 ...................................................................................................... 71

Hình 4. 11 Mực nước tính tốn và thực đo trạm Cửa Hội trên sơng 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 tốn 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 tốn ứng với pha triều cường) ..................................................................... 75
Hình 4. 14 Trắc dọc mực nước sơng 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 mơ hình Mike 21HD ............................... 81
Phụ lục 2: Bảng giá trị các tham số trong mơ hình Mike 11HD ............................... 81


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU
Vùng cửa sơng 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 sơng 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 sơng [2], cịn
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 sơng 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 tốn và xác định các ranh giới giữa đê sông
và đê cửa sơng một cách khoa học và hợp lý vẫn cịn 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 tốn khoa học,
hợp lý phục vụ xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông cho khu vực
cửa Hội, sơng Cả, Nghệ An có xét đến các yếu tố: đặc điểm từng loại cửa
sông, các yếu tố lũ, triều, nước dâng...


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 tốn và cuối cùng là áp dụng tính
tốn 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 các hướng
tiếp cận một cách toàn diện, đa chiều, từ đánh giá, kế thừa các kết quả,
phương pháp nghiên cứu đã thực hiện trước đây, đến phân tích đầy đủ các cơ
sở khoa học để xây dựng các tiêu chí, phương pháp, cơng cụ tính tốn. Trên
cơ sở đó ứng dụng vào các điều kiện thực tế của đối tượng nghiên cứu nhằm

giải quyết được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra. Cụ thể, các hướng tiếp cận
sẽ bao gồm:
- Phương pháp thống kê, phân tích: Học viên sẽ tiến hành thu thập các số
liệu thủy hải văn, điều 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 tốn 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 vấn đề liên quan đã
và đang được nghiên cứu.
- Phương pháp mơ hình tốn: Nghiên cứu sẽ sử dụng mơ hình tốn thủy
động lực để mơ 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 dịng
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 tốn xác định ranh giới giữa đê sông và
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 cơng 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 trọng để giao thương thị trường 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, sơng Cả, Nghệ An.

-

Nghiên cứu, tính tốn 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 cơng trình thủy lợi được đầu tư xây dựng sẽ trải qua rất nhiều giai
đoạn triển khai thực hiện, trong đó khâu tư vấn thiết kế đóng vai trị chủ chốt,
quyết định phần lớn tới hiệu quả làm việc của cơng trình. Tư vấn thiết kế phải
lựa chọn đưa ra tổ hợp tải trọng bất lợi nhất có thể xảy ra trong thời gian khai
thác, sử dụng cơng trình để tính tốn, mà việc tổ hợp tải trọng chỉ có thể được
thực hiện khi đã xác định được đúng phạm vi cụ thể của cơng trình tức là
phạm vi được đặc trưng bởi đầy đủ các tải trọng của khu vực đó. Ví dụ như
đối với đê sơng thì tải trọng đặc trưng là mực nước trong sơng. Đối với đê
biển, ngồi mực nước thì tải trọng đặc trưng cịn bao gồm các yếu tố sóng,
triều và nước dâng do bão; Còn đối với đê cửa sơng, nơi có sự tương tác phức
tạp giữa các yếu tố dịng chảy từ sơng ra biển, thủy triều, nước dâng do bão
thì tải trọng đặc trưng sẽ là tổ hợp tải trọng của cả yếu tố sông và biển.
Nội dung chương này sẽ trình 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
sơng trên thế giới

1.1.1. Phương pháp giải tích
Phương pháp giải tích sẽ giải phương trình truyền sóng triều vào trong sơng
trong trường hợp đơn giản hóa hệ phương trình chuyển động, bỏ qua sự ảnh
hưởng của các thành phần ma sát, phản xạ sóng và bỏ qua sự tác động của
nước sơng tới sóng triều.


5

Sóng triều truyền vào trong sơng về cơ bản được cân bằng bởi lực ma sát
(theo định luật Chézy). Hệ phương trình mơ phỏng bài tốn này gồm:
Phương trình liên tục:

∂Q
∂η
+b =0
∂x
∂t

Phương trình chuyển động:

1 ∂Q
∂η
Q|Q|
+g
- gI + g 2 2 = 0
A ∂t

∂x
C A R

(1. 1)
(1. 2)

Giả thiết rằng độ lệch của mực nước trung bình là nhỏ, điều này dẫn đến C,
A, R có thể được xem như là các hằng số. Do lực ma sát là phi tuyến nên rất
khó giải hệ phương trình để có nghiệm giải tích. Do đó thành phần này được
tuyến tính hố:
g

Trong đó: m =

Q|Q|
g |Q|
= 2 2 xQ = mQ
2 2
C A R C A R

(1. 3)

g |Q|
2 2
C A R

Vì: g, C, A, R được xét như là các hằng số, m là trung bình lưu lượng |Q|
trong một chu kỳ triều. Nên m là giá trị trung bình của ma sát trong một chu
kỳ triều. Do kết quả tuyến tính hố nên nghiệm sẽ khơng thấy sự biến dạng
của sóng triều do ma sát bậc hai.

Phương trình tuyến tính hoá trở thành:
∂Q
∂η
+b =0
∂x
∂t

(1. 4)

1 ∂Q
∂η
+g
- gI + mQ = 0
A ∂t
∂x

(1. 5)

Chuyển hố hệ phương trình này sang hệ phương trình theo mực nước η, và
thaytốc độ truyền sóng

gA 2
= co , được phương trình:
b


6

2
2

∂η
∂ η 2∂ η
co 2 + mA = 0 , đây là phương trình sóng.
2
∂t
∂t
∂x

Nghiệm dao động của phương trình sóng tuyến tính có dạng:
η = a~0 e± λx cos( ωt ± kx)

(1. 6)

Trong đó:
-

a~ o : Biên độ sóng tại x=0

-

± λx
a~ o e :

- ω, k:

biên độ sóng, hàm phụ thuộc vào x
là biến chưa biết.

Không bao giờ có sóng với biên độ rất cao xảy ra với x = - ∞ (lên phía
thượng lưu sơng), nên chỉ có e+λx thoả mãn. Sóng trên sơng là sóng tiến theo

phương x là âm, nên chỉ xét đến cos( ωt + kx) .
Nghiệm của phương trình là:
η = a~0 eλx cos( ωt + kx)

(1. 7)

Đây là sóng tiến đơn, truyền theo hướng thượng lưu với biên độ giảm dần.
Các yếu tố λ và k có thể tìm được bằng cách thay nghiệm vào phương trình
truyền sóng. Kết quả được tính theo cơng thức
2

λ=

•

(1. 8)

co 2
2

k=

2

ω - 1+ 1 + m A
ω2

2

ω + 1+ 1 + m A

ω2

Sự tắt dần của sóng triều

co 2

(1. 9)


7

Biên độ sóng tắt dần theo hướng về
thượng lưu

Sóng triều trong sơng

Hình 1.1 Q trình lan truyền và tắt dần của sóng triều trong sơng
Sự tắt dần của sóng triều được xác định bằng yếu tố eλx trong nghiệm tổng
quát:
η = a~0 eλx cos( ωt + kx)

(*)

Thay các giá trị:
G = 10 m /s2; |u| = 1 m/s; C = 50 m1/2/s; R = 5 m; ω M = 0.00014 rad/s;
2

2

2


m A
= 32
2

ω

; co = gh = 50 ;

λ=

0.00014 - 1 + 33
= 3 × 10-5 m-1
100
vào (*) ta được:

Tại x = 0 (ở cửa sông), biên độ là a~o
Sự giảm biên độ theo hướng thượng lưu có thể được xác định như sau:
* x = - 33 km

λ x x = -1, nên e-1 = 0.37;
* x = - 67 km

λ x x = -2, nên e-2 = 0.14;
* x = -100 km

λ x x = -3, nên e-3 = 0.05
Như vậy sau 100 km chỉ còn lại 5% biên độ.



8

Từ việc tính tốn sự giảm dần của biên độ sóng triều sẽ xác định được vị trí
mà có độ lớn triều bằng với độ lớn triều cho phép. Tuy nhiên đây là trường
hợp lý tưởng, trên thực tế, lưu lượng sông luôn thay đổi theo không gian và
thời gian, do lượng nước từ thượng nguồn đổ về và do địa hình lịng sơng
khơng đồng đều. Đồng thời thủy triều ngồi biển khơng phải là một sóng đơn
mà là tổng hịa của rất nhiều các con sóng đơn. Chính vì vậy cần phải giải hệ
phương trình mơ phỏng chuyển động của chất lỏng đầy đủ hơn, xem xét được
hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập của thủy triều dọc theo chiều dài
sông.
1.1.2. Phương pháp thống kê
Theo phương pháp này, một số yếu tố tự nhiên có ảnh hưởngđến chế độ
thủy động lực ở 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 tốn đặt ra địi 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. Bộ số liệu này cũng phải
đảm bảo đủ dài (với chuỗi số liệu từ 20 năm trở lên) để đủ tin cậy khi tiến
hành các phân tích thống kê. Khi đó việc xác định ranh giới được thực hiện
như sau:
+

Xác định biến thiên độ lớn triều theo thời gian tại các vị trí dọc sơng

trong mùa lũ;
+

Vẽ đường bao độ lớn triều dọc theo sông và đưa ra vị trí có độ lớn triều


lớn nhất trên sơng bằng với độ lớn triều cho phép [a].


9

+

Độ lớn triều cho phép [a] được xác định phụ thuộc vào cấp độ quan

trọng của từng tuyến đê và giá trị giới hạn trong khoảng: [a] ≤ 0,5m. Cấp
công trình càng quan trọng thì giá trị giới hạn [a] càng lớn.

Hình 1.2 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê sông - đê cửa sông theo
phương pháp thống kê
Đây là trường hợp lý tưởng nhất, nhưng trên thực tế, việc đo đạc các đặc
trưng thủy văn liên tục và đặt nhiều trạm thủy văn ở khu vực cửa sơng khá tốn
kém và khó thực hiện đặc biệt là ở những nước đang phát triển. Do vậy, trên
thế giới chỉ một số nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Hà Lan ... mới sử
dụng phương pháp này để tính tốn kiểm tra so với các kết quả tính tốn hiện
đại như sử dụng mơ hình tốn.
1.1.3. Phương pháp mơ hình hóa
Phương pháp mơ hình hóa sẽ mơ phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn
- thủy lực dưới dạng các phương trình tốn học, trên các máy tính cá nhân
(PC) nhằm tìm ra các quy luật diễn biến mực nước và dịng chảy ở vùng cửa
sơng.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm thủy động lực có thể ứng dụng được trong
tính tốn thủy văn, thủy lực ở vùng cửa sơng, ven biển như mơ hình như



10

Krsal, Hec-Ras, Sobek, Duflow, Mike 11…Ngoài ra, phải kể tới các bộ phần
mềm thương mại cho phép tích hợp giữa mơ hình thủy lực 1 chiều trong sơng
với mơ hình thủy lực 2 chiều ngoài biển đang được sử dụng rộng rãi trên thế
giới như bộ phần mềm MIKE do Viện nghiên cứu Thủy lực Đan Mạch (DHI)
phát triển, bộ phần mềm Delft 3D do Viện nghiên cứu thủy lực Delft (Delft
Hydraulics), nay là Deltares, Hà Lan phát triển và bộ phần mềm TELEMAC
do Phịng thí nghiệm quốc gia về thủy lực và môi trường của Pháp (LNHE)
phát triển. Các bộ phần mềm thương mại trên có thể tính tốn tương tác của
dịng chảy lũ trong sơng với các trường hợp sóng và nước dâng thực tế ngồi
biển cho các năm khác nhau. Dựa trên các kết quả mô phỏng từ các mơ hình
thủy lực để phân tích đường q trình mực nước triều dọc theo sơng và tìm ra
ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông theo các tiêu chí đề ra.
Cửa sơng là vùng rất phức tạp chịu ảnh hưởng của cả các yếu tố phía sơng
và phía biển.Việc giải quyết bài tốn thủy động lực học vùng cửa sông từ
quan điểm tiếp cận hoặc chủ yếu từ phía sơng, hoặc chủ yếu từ phía biển sẽ
khơng phản ảnh đầy đủ bản chất vật lý của vấn đề. Do đó việc tích hợp các
q trình thủy động lực học từ phía sơng với các q trình thủy động lực học
từ phía biển là xu thế phù hợp. Năm 2007, hai tác giả người Trung Quốc Ding và Yang đã tiến hành một nghiên cứu sử dụng một mơ hình tích hợp để
mơ phỏng sự biến dạng của sóng trong những vùng cửa sơng trong mối tương
tác với các dòng chảy khác như dòng triều và dòng chảy từ sơng ra biển. Mơ
hình này được tích hợp giữa mơ hình tác động của sóng với mơ hình thủy
động lực học 2 chiều, CCHE2D (Mơ hình được xây dựng và phát triển bởi
Trung tâm quốc gia về mô phỏng các bài toán kỹ thuật và nguồn nước thuộc
trường Đại học Mississippi (NCCHE). Bên cạnh việc kết luận tầm quan trọng
của việc xem xét tương tác sóng và dịng chảy để cải thiện độ chính xác của
mơ phỏng, các tác giả nhấn mạnh rằng việc kiểm định mơ hình trong các



11

phạm vi không gian và thời gian khác nhau là cách duy nhất đảm bảo bảo chất
lượng cao của các mơ hình số trong việc dự báo sóng và dịng trong các vùng
cửa sơng và vùng bờ biển.

Hình 1.3 Sơ họa các biên trong mơ hình tốn
Từ những đánh giá trên đây có thể thấy rằng, chế độ thủy động lực ở vùng
cửa sông rất phức tạp, phụ thuộc vào cả dịng chảy trong sơng và cả các yếu
tố từ biển (thủy triều, sóng biển và nước dâng do bão). Sử dụng các mơ hình
tốn để đánh giá các vấn đề thủy động lực học ở vùng cửa sông phụ thuộc vào
từng điều kiện cụ thể của mỗi cửa sông cũng như cơng cụ tính tốn có sẵn.
Tuy nhiên, bất cứ khi nào có thể, để đạt được độ chính xác cao trong mô
phỏng, cần thiết phải xem xét tác động qua lại giữa các yếu tố cả từ phía sơng
(dịng chảy lũ) và các yếu tố từ phía biển (thủy triều, sóng biển và nước biển
dâng do bão). Ngồi ra, nếu tích hợp được cả thủy động lực học với mơ
hìnhhình thái cửa sơng vào trong tính tốn mơ phỏng thì kết quả mơ phỏng sẽ
phù hợp với 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 sơng 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 sơng

với đê cửa sơng 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 trên Hướng dẫn của Bộ nông nghiệp [1];
+

Xét biến thiên độ lớn triều theo thời gian tại các vị trí dọc sông trong

mùa lũ;
+

Vẽ đường bao độ lớn triều dọc theo sơng và đưa ra vị trí có độ lớn triều

lớn nhất trên sông bằng với độ lớn triều cho phép [a] lấy theo cấp đê.
Đây là trường hợp lý tưởng nhất, nhưng trên thực tế, việc đo đạc các đặc
trưng thủy văn liên tục và đặt nhiều trạm thủy văn ở khu vực cửa sơng khá tốn
kém và khó thực hiện đặc biệt là ở những nước đang phát 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 sơng cịn rất hạn chế và chưa có cơng trình nghiên cứu
áp dụng cụ thể.
1.2.2. Phương pháp mơ hình số
Việc quan trọng nhất khi ứng dụng mơ hình số đó là việc xử lý số liệu phục
vụ tính tốn, bởi khu vực cửa sơng ven biển ở Việt Nam nói chung và khu
vực nghiên cứu nói riêng thường khơng có đầy đủ số liệu đo đạc. u cầu về
số liệu phục vụ thiết lập mơ hình thủy động lực học ở vùng cửa sông là các số
liệu địa hình, các điều kiện biên (mực nước, dịng chảy ở các biên hạ lưu và
biên thượng lưu) và số liệu thực đo phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình.



13

+ Biên thượng lưu (trên sơng): là đường q trình lưu lượng (Q-t) tại các
trạm thủy văn cấp I trong mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn quốc gia
hoặc là các trạm đo được thành lập trong quá trình thực hiện dự án.Trong
trường hợp khu vực nghiên cứu không có trạm thủy văn cấp I, hoặc khơng có
số liệu đo đạc Q, thì phải tính tốn đường q trình lưu lượng (Q-t) từ số liệu
mưa trên lưu vực nghiên cứu bằng mơ hình thủy văn mưa - dịng chảy và diễn
tốn dịng chảy về tới các biên thượng lưu.
+ Biên hạ lưu (ngồi biển) là đường q trình mực nước tổng hợp (Z-t) của
triều, nước dâng và các dao động mực nước do các hiện tượng khác gây ra.
+ Bên trong vùng nghiên cứu cần có ít nhất 2 chuỗi số liệu (Q-t) hoặc (Z-t)
của một trạm đo để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình.
Trong q trình mơ phỏng cần phải phân tích độ nhạy của mơ hình để tìm
ra giá trị độ lớn triều cho phép hoặc có thể lấy giá trị này theo cấp đê.
Khi mơ hình sau khi đã được hiệu chỉnh và kiểm định đạt độ tin cậy, thì có
thể sử dụng để mơ phỏng với các kịch bản khác nhau, hoặc có thể mơ phỏng
cho trận lũ điển hình theo tần suất thiết kế ứng với cấp đê (tại biên thượng
lưu) và nước dâng kết hợp với triều cường theo tần suất thiết kế (tại biên hạ
lưu) để xác định đường bao độ lớn triều trên sơng và tính tốn ra vị trí có độ
lớn triều bằng với độ lớn triều cho phép.
Ở Việt Nam hiện nay, việc tiếp cận, sử dụng và phát triển các phần mềm
thủy động lực thương mại (như MIKE, Delft, ...) đã trở nên phổ biến ở hầu
hết các đơn vị nghiên cứu, tư vấn, sản xuất. Đã có một số nghiên cứu sử dụng
mơ hình tốn để giải quyết bài tốn xác định ranh giới đê sơng – 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 và tại Việt Nam đều dựa trên quan điểm về tương tác thủy động
lực học giữa sông và biển.
Trong các phương pháp được trình bày ở trên, tổng quát và phản ánh được
đầy đủ nhất các quá trình thủy động lực học ngoài tự nhiên phải kể đến hai
phương pháp:
+

Phương pháp thống kê;

+

Phương pháp mơ hình hóa.

Mặc dù phương pháp thống kê cho kết quả tin cậy cao song lại địi hỏi phải
có bộ số liệu đo đạc chi tiết và liên tục các yếu tố thủy động lực (mực nước
hoặc dịng chảy) dọc sơng, trong khoảng thời gian từ 20 năm trở lên. Do vậy
việc áp dụng phương pháp này trong nghiên cứu phụ thuộc rất nhiều vào
nguồn số liệu và không phù hợp với những khu vực không có số liệu hoặc số
liệu khơng liên tục, khơng tin cậy.
Ngày nay, phương pháp mơ hình hóa ngày càng được các sử dụng rộng rãi
bởi khả năng có thể mơ phỏng được các bài tốn phức tạp và khơng địi hỏi
quá nhiều số liệu như phương pháp thống kê. Nếu mơ hình được hiệu chỉnh

và kiểm định tốt, đạt độ tin cậy cho phép thì hịan tồn có thể sử dụng như
một công cụ hiệu quả để nghiên cứu các q trình thủy động lực ở vùng cửa
sơng, ven biển với kết quả tính tốn tin cậy và chấp nhận được. Phương pháp
mơ hình hóa đang được sử dụng phổ biến và có xu thế phát triển mạnh trong
tương lai dưới sự trợ giúp đắc lực của các máy tính điện tử tiên tiến.


15

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
CỬA HỘI, SƠNG CẢ, NGHỆ AN
Sơng Cả là một trong 9 hệ thống sơng lớn ở nước ta có diện tích lưu vực là:
27.200 km2, bắt nguồn từ nước bạn Lào chảy qua Việt Nam rồi đổ ra Biển
Đông. Trên lãnh thổ Việt Nam, sông Cả chảy qua hầu hết địa phận tỉnh Nghệ
An. Mang trong mình những đặc điểm chung của các con sông lớn ở vùng
Bắc Trung Bộ và những nét riêng nơi con sông chảy qua, sông Cả đã và đang
góp phần khơng nhỏ trong việc phát triển kinh tế xã hội trên lưu vực. Tuy
nhiên, sông Cả cũng gây khơng ít thiệt hại cho nền kinh tế trên lưu vực mà
điển hình là những trận lũ lớn năm 1978, 1998, 2002, 2010, 2013 đã làm đảo
lộn nền kinh tế xã hội vùng hạ du.
Những nét tổng quan dưới đây sẽ phần nào phản ánh được sự khắc nghiệt
của thiên nhiên nơi đây, và cũng cho thấy sự thiếu sót, yếu kém trong cơng
tác xây dựng các cơ sở hạ tầng để thích ứng với các thiên tai đang xảy ra.
2.1.

Phạm vi nghiên cứu

2.1.1. Vị trí địa lý
Lưu vực sông Cả nằm ở vùng Bắc Trung bộ, theo toạ độ địa lý trên bản
đồ1/100.000. Lưu vực sơng Cả có toạ độ địa lý:

(1) Từ 18015' đến 20010'30'' vĩ độ Bắc;
(2) Từ 103045'20'' đến 105015'20'' kinh độ Đông.
Tọa độ điểm sông Cả chảy vào Việt Nam tại biên giới trên dịng Nậm Mơ:
(3) 19024'59'' độ vĩ Bắc;
(4) 104004'12'' kinh độ Đông.
Cửa ra (Cửa Hội) của lưu vực nằm ở toạ độ:
(5) 18045’27” độ vĩ Bắc;
(6) 105046’40” kinh độ Đông.


16

Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sơng Cả và địa danh hành chính tỉnh Nghệ An
2.1.2. Phạm vi hành chính
Lưu vực sông Cả nằm trên hai quốc gia, phần thượng nguồn nằm trên đất
tỉnh Phông Sa Vẳn và Sầm Nưa của nước Cộng hoà dân chủ nhân dân Lào. Ở
Việt Nam sông Cả nằm trên địa phận của 3 tỉnh Thanh Hoá, Nghệ An, Hà
Tĩnh.
- Tỉnh Thanh Hoá lưu vực sơng Cả chiếm 1/2 diện tích huyện Như Xn
trên lưu vực sông Nhánh - sông Chàng.
- Tỉnh Nghệ An lưu vực sông Cả nằm trên đất huyện Quế Phong, Quỳ
Châu, Quỳ Hợp, Nghĩa Đàn, Tân Kỳ (nhánh sông Hiếu), Kỳ Sơn, Tương
Dương, Con Cuông, Anh Sơn, Đô Lương, Thanh Chương, Nam Đàn, Hưng
Ngun (nhánh dịng chính sơng Cả) do tính chất sử dụng nước của các hệ thống