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

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

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 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, công cụ tính toán. 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 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 vấn đề liên 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 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 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, 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 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 trò chủ chốt,
quyết định phần lớn tới hiệu quả làm việc của công 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 công trình để tính toán, mà việc tổ hợp tải trọng chỉ có thể được
thực hiện khi đã xác định được đúng phạm vi cụ thể của công trình tức là
phạm vi được đặc trưng bởi đầy đủ các tải trọng của khu vực đó. Ví dụ như
đối với đê sông thì tải trọng đặc trưng là mực nước trong sông. Đối với đê
biển, ngoài mực nước thì tải trọng đặc trưng còn bao gồm các yếu tố sóng,
triều và nước dâng do bão; Còn đối với đê cửa sông, nơi có sự tương tác phức
tạp giữa các yếu tố dòng chảy từ sông 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
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 động, bỏ qua sự ảnh
hưởng của các thành phần ma sát, phản xạ sóng và bỏ qua sự tác động của
nước sông tới sóng triều.

5
Sóng triều truyền vào trong sông về cơ bản được cân bằng bởi lực ma sát
(theo định luật Chézy). Hệ phương trình mô phỏng bài toán này gồm:
Phương trình liên tục:
0 =
t
b +
x
Q
∂
∂
∂
∂
η
(1. 1)
Phương trình chuyển động:
0=
∂
∂
∂
∂
R

A
C
|Q|Q
g + gI -
x
g +
t
Q

A
1
2
2
η
(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 hoá:
mQ = xQ
R
A
C
|Q|g
=

R
A
C
|Q|

Q
g
2
2
2
2
(1. 3)
Trong đó:
R
A
C
|Q|g
=
m
2
2

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 hoá nên nghiệm sẽ không thấy sự biến dạng
của sóng triều do ma sát bậc hai.
Phương trình tuyến tính hoá trở thành:
0 =
t
b +
x
Q
∂
∂
∂

∂
η
(1. 4)
0 = mQ + gI -
x
g +
t
Q

A
1
∂
∂
∂
∂
η
(1. 5)
Chuyển hoá hệ phương trình này sang hệ phương trình theo mực nước η, và
thaytốc độ truyền sóng

c
=
b
gA
2
o
, được phương trình:

6
0

=

t
mA
+

x
c

-
t
2
2
2
o
2
2
∂
∂
∂
∂
∂
∂
ηη
η
, đây là phương trình sóng.
Nghiệm dao động của phương trình sóng tuyến tính có dạng:

kx) t(
e

a =
x
±
±
ωη
λ
cos
~
0
(1. 6)
Trong đó:
-
:
a
o
~
Biên độ sóng tại x=0
-
:
ea
x
o
λ
±
~
biên độ sóng, hàm phụ thuộc vào x
-
ω
, k: là biến chưa biết.
Không bao giờ có sóng với biên độ rất cao xảy ra với x = - ∞ (lên phía

thượng lưu sông), nên chỉ có e
+λx
thoả mãn. Sóng trên sông là sóng tiến theo
phương x là âm, nên chỉ xét đến
kx) + t(
ω
cos
.
Nghiệm của phương trình là:
kx) + t(
e
a =
x
ωη
λ
cos
~
0
(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 công thức
2
c

A
m
+ 1+1-
=
o

2
2
2
ω
ω
λ
(1. 8)
2
c

A
m
+ 1+1+
= k
o
2
2
2
ω
ω
(1. 9)
• Sự tắt dần của sóng triều

7

Sóng triều trong sông

Biên độ sóng tắt dần theo hướng về
thượng lưu
Hình 1.1 Quá trình lan truyền và tắt dần của sóng triều trong sông

Sự tắt dần của sóng triều được xác định bằng yếu tố e
λ
x
trong nghiệm tổng
quát:
kx) + t(
e
a=
x
ωη
λ
cos
~
0
(*)
Thay các giá trị:
G = 10 m /s
2
; |u| = 1 m/s; C = 50 m
1/2
/s; R = 5 m;
ω
M
2
= 0.00014 rad/s;
32 =
A
m
2
2

2
ω
;
50 = gh =
c
o
;
m
1-

10
3 =
100
33+1-0.00014
=
5-
×
λ
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 toán 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 lòng sông
không đồng đều. Đồng thời thủy triều ngoài biển không phải là một sóng đơn
mà là tổng hòa của rất nhiều các con sóng đơn. Chính vì vậy cần phải giải hệ
phương trình mô 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 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. 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 sông
trong mùa lũ;
+ Vẽ đường bao độ lớn triều dọc theo sông và đưa ra vị trí có độ lớn triều
lớn nhất trên sông 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 sông 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 toán kiểm tra so với các kết quả tính toán hiện
đại như sử dụng mô hình toán.
1.1.3. Phương pháp mô hình hóa
Phương pháp mô hình hóa sẽ mô phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn

- thủy lực dưới dạng các phương trình toán học, trên các máy tính cá nhân
(PC) nhằm tìm ra các quy luật diễn biến mực nước và dòng chảy ở vùng cửa
sông.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm thủy động lực có thể ứng dụng được trong
tính toán thủy văn, thủy lực ở vùng cửa sông, ven biển như mô 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 mô hình thủy lực 1 chiều trong sông
với mô 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 Phòng 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 toán tương tác của
dòng chảy lũ trong sông với các trường hợp sóng và nước dâng thực tế ngoài
biển cho các năm khác nhau. Dựa trên các kết quả mô phỏng từ các mô hình
thủy lực để phân tích đường quá trình mực nước triều dọc theo sông và tìm ra
ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông theo các tiêu chí đề ra.
Cửa sông là vùng rất phức tạp chịu ảnh hưởng của cả các yếu tố phía sông
và phía biển.Việc giải quyết bài toán thủy động lực học vùng cửa sông từ
quan điểm tiếp cận hoặc chủ yếu từ phía sông, hoặc chủ yếu từ phía biển sẽ
không phản ảnh đầy đủ bản chất vật lý của vấn đề. Do đó việc tích hợp các
quá trình thủy động lực học từ phía sông với các quá 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 mô hình tích hợp để
mô phỏng sự biến dạng của sóng trong những vùng cửa sông trong mối tương
tác với các dòng chảy khác như dòng triều và dòng chảy từ sông ra biển. Mô
hình này được tích hợp giữa mô hình tác động của sóng với mô hình thủy
động lực học 2 chiều, CCHE2D (Mô 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 dòng chảy để cải thiện độ chính xác của
mô phỏng, các tác giả nhấn mạnh rằng việc kiểm định mô 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 mô hình số trong việc dự báo sóng và dòng trong các vùng
cửa sông và vùng bờ biển.

Hình 1.3 Sơ họa các biên trong mô hình toán
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 dòng chảy trong sông và cả các yếu
tố từ biển (thủy triều, sóng biển và nước dâng do bão). Sử dụng các mô hình
toán 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 công cụ tính toán 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 sông
(dòng chảy lũ) và các yếu tố từ phía biển (thủy triều, sóng biển và nước biển
dâng do bão). Ngoài ra, nếu tích hợp được cả thủy động lực học với mô
hìnhhình thái cửa sông vào trong tính toán mô phỏng thì kết quả mô 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 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 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 sông 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 sông 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 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 liệu đo đạc. Yêu cầu về
số liệu phục vụ thiết lập mô hình thủy động lực học ở vùng cửa sông là các số
liệu địa hình, các điều kiện biên (mực nước, dòng chảy ở các biên hạ lưu và
biên thượng lưu) và số liệu thực đo phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

13
+ Biên thượng lưu (trên sông): là đường quá 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 không có
số liệu đo đạc Q, thì phải tính toán đường quá trình lưu lượng (Q-t) từ số liệu
mưa trên lưu vực nghiên cứu bằng mô hình thủy văn mưa - dòng chảy và diễn
toán dòng chảy về tới các biên thượng lưu.
+ Biên hạ lưu (ngoài biển) là đường quá 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 mô hình.
Trong quá trình mô phỏng cần phải phân tích độ nhạy của mô hình để tìm
ra giá trị độ lớn triều cho phép hoặc có thể lấy giá trị này theo cấp đê.
Khi mô hình sau khi đã được hiệu chỉnh và kiểm định đạt độ tin cậy, thì có
thể sử dụng để mô phỏng với các kịch bản khác nhau, hoặc có thể mô 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 sông và tính toán 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
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 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 mô hình hóa.
Mặc dù phương pháp thống kê cho kết quả tin cậy cao song lại đòi hỏi phải
có bộ số liệu đo đạc chi tiết và liên tục các yếu tố thủy động lực (mực nước

hoặc dòng chảy) dọc sông, 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 không liên tục, không tin cậy.
Ngày nay, phương pháp mô hình hóa ngày càng được các sử dụng rộng rãi
bởi khả năng có thể mô phỏng được các bài toán phức tạp và không đòi hỏi
quá nhiều số liệu như phương pháp thống kê. Nếu mô hình được hiệu chỉnh
và kiểm định tốt, đạt độ tin cậy cho phép thì hòan toàn có thể sử dụng như
một công cụ hiệu quả để nghiên cứu các quá trình thủy động lực ở vùng cửa
sông, ven biển với kết quả tính toán tin cậy và chấp nhận được. Phương pháp
mô 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, SÔNG CẢ, NGHỆ AN
Sông Cả là một trong 9 hệ thống sông lớn ở nước ta có diện tích lưu vực là:
27.200 km
2
, 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 không nhỏ trong việc phát triển kinh tế xã hội trên lưu vực. Tuy
nhiên, sông Cả cũng gây không 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 công
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 sông Cả có toạ độ địa lý:
(1) Từ 18
0
15' đến 20
0
10'30'' 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 dòng Nậm Mô:
(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) 105
0
46’40” kinh độ Đông.

16

Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông 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 sông Cả chiếm 1/2 diện tích huyện Như Xuân
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
Nguyên (nhánh dòng chính sông Cả) do tính chất sử dụng nước của các hệ thống