Kỹ thuật sông

Kỹ thuật sông là lĩnh vực kỹ thuật can thiệp có hoạch định vào đặc điểm, dòng chảy hoặc lưu lượng của một con sông. Đây là một nhánh của ngành kỹ thuật xây dựng dân dụng, tập trung vào việc thiết kế và xây dựng các công trình hoặc biện pháp phi công trình nhằm cải thiện, phục hồi dòng sông, đồng thời đáp ứng nhu cầu của con người, động thực vật, môi trường sống và các yếu tố môi trường xung quanh.

Tập tin:Los Angeles River through downtown evening.jpg

Sông Los Angeles được xây kè bằng bê tông hai bên bờ.

Hydromodification là thuật ngữ chỉ các thay đổi có hệ thống trong vùng nước sông, vùng nước ven biển (bao gồm cửa sông và vịnh) và hồ. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) định nghĩa hydromodification là "sự thay đổi các đặc điểm thủy văn của vùng nước ven biển và không ven biển có thể gây suy thoái tài nguyên nước". Các hoạt động trong kỹ thuật sông thường dẫn đến những phản ứng hệ thống ngoài mong muốn.

Các nguyên tắc trong kỹ thuật sông nhằm khắc phục những suy giảm do hydromodification và đánh giá các phản ứng hệ thống tiềm ẩn, từ đó điều chỉnh kế hoạch quản lý và ứng phó thông qua việc phân tích địa mạo của sông ngòi. Địa mạo sông ngòi nghiên cứu sự thay đổi của các con sông theo thời gian. Lĩnh vực này là sự kết hợp của nhiều ngành khoa học, bao gồm thủy lợi, vận chuyển trầm tích, thủy văn học, địa vật lý và nghiên cứu hệ sinh thái ven sông. Kỹ thuật sông nhằm nghiên cứu địa mạo sông ngòi, đánh giá các biến đổi vật lý của sông và đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

Đặc điểm sông

Kích thước của các dòng sông chịu ảnh hưởng bởi phạm vi thủy triều và lượng nước sạch trung bình, tương ứng với diện tích lưu vực và lượng mưa, ảnh hưởng đến các lưu vực sông ở vùng hạ lưu trước khi đổ ra biển.

Tập tin:Mississippi River basin.jpg

Lưu vực của sông Mississippi là lưu vực lớn nhất ở Mỹ.

Lưu vực sông là khu vực mở rộng xung quanh một con sông, được giới hạn bởi đường phân thủy (tại Bắc Mỹ gọi là "divide"). Nước mưa rơi trên lưu vực chảy về phía con sông qua phần thấp nhất của thung lũng, trong khi nước mưa rơi trên mặt dốc bên kia của đường phân thủy chảy về một con sông khác, hướng tới lưu vực lân cận. Các lưu vực sông có kích thước và hình dạng khác nhau tùy thuộc vào địa hình. Chúng có thể là những khu vực nhỏ với dòng chảy ngắn, gần bờ biển, chảy thẳng ra biển, hoặc là những lưu vực rộng lớn trên các lục địa, nơi sông phải chảy qua các dãy núi, thung lũng và đồng bằng trước khi đổ ra đại dương. Kích thước của lưu vực sông lớn nhất trong bất kỳ khu vực nào phụ thuộc vào quy mô của lục địa, vị trí phân bố của lưu vực, mối quan hệ với các khu vực đồi núi nơi sông thường bắt nguồn, vùng biển mà sông chảy ra, cũng như khoảng cách giữa nguồn nước và cửa sông.

Vận tốc dòng chảy của sông chủ yếu phụ thuộc vào độ dốc thủy lực của sông. Khi hai con sông có cùng độ dốc nhưng kích thước khác nhau, sông lớn có lưu lượng dòng chảy lớn hơn và chịu lực cản từ ma sát với lòng sông và bờ sông nhiều hơn so với sông nhỏ. Độ dốc thủy lực của một đoạn sông gần tương đương với độ dốc của vùng mà sông đi qua. Khi sông chảy gần phần cao nhất của lưu vực, thường ở các khu vực đồi núi, độ dốc thủy lực thường lớn và giảm dần khi sông chảy qua đồng bằng ở hạ lưu, trở nên khá nhỏ gần cửa sông. Do đó, các lưu vực sông lớn thường bắt đầu với các đoạn sông có dòng chảy mạnh (dạng torrent) ở thượng nguồn và kết thúc bằng các đoạn có dòng chảy yếu ở hạ lưu, với lưu lượng dòng chảy tương đối ổn định.

Tập tin:Thames Barrier 03.jpg

Công trình kiểm soát lũ dọc bờ sông Thames, London.

Dòng chảy gián đoạn của các sông trên toàn bộ chiều dài nguồn cấp tạo ra một trong những thách thức chính trong việc thiết kế các biện pháp kiểm soát lũ lụt và nâng cao khả năng lưu thông cho tàu thuyền trên sông. Ở các nước nhiệt đới với chế độ mưa theo mùa, các con sông thường bị ngập lụt vào mùa mưa và gần như không có dòng chảy trong phần còn lại của năm. Trong khi đó, ở các vùng ôn đới, nơi lượng mưa phân bố tương đối đều quanh năm, sự bốc hơi mùa hè làm giảm lượng nước, dẫn đến sông vào giai đoạn cạn kiệt mùa hè và có nguy cơ cao xảy ra lũ lụt vào mùa đông. Trong thực tế, với khí hậu nhiệt đới, một năm thường được chia thành mùa khô và mùa mưa. Ở bán cầu Bắc, mùa mưa kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4, trong khi mùa khô kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10; các con sông thường ở mức nước thấp và ít có nguy cơ lũ lụt trong mùa nóng, trong khi khả năng xảy ra lũ lụt cao hơn vào mùa lạnh, đặc biệt sau các trận mưa lớn. Ngoại lệ duy nhất là các con sông có nguồn cung cấp từ sông băng trên các ngọn núi phủ tuyết vĩnh viễn. Lũ lụt của những con sông này thường xảy ra vào mùa hè do băng tuyết tan chảy, điển hình như sông Rhône trên hồ Genève và sông Arve, sông hợp lưu với Rhône ở hạ lưu. Ngay cả các con sông này cũng chịu ảnh hưởng từ các nhánh sông có điều kiện khác nhau. Ví dụ, sông Rhône tại Lyon có lưu lượng xả tương đối ổn định so với hầu hết các con sông khác. Lũ mùa hè từ sông Arve giảm dần và được dẫn về một vùng lưu lượng lớn hình thành từ giai đoạn thấp của sông Saône, hợp lưu trở lại Rhône tại Lyon khi Rhône đang ở giai đoạn cạn kiệt vào mùa đông.

Một thách thức quan trọng trong kỹ thuật sông là lượng lớn trầm tích và mảnh vụn được vận chuyển trong thời gian lũ, chủ yếu xuất phát từ các lớp bề mặt của đồi núi và sườn dốc ở thượng nguồn của thung lũng, bị phá vỡ bởi sông băng, sương giá và mưa. Khả năng vận chuyển vật liệu của dòng sông phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy. Do đó, các đoạn sông có độ dốc thủy lực lớn có thể vận chuyển cả tảng đá, đá cuội và đá lớn; trong quá trình di chuyển, vật liệu này bị mài mòn thành sỏi, cát và phù sa. Khi độ dốc thủy lực giảm ở hạ lưu, lực dòng sông giảm và khả năng vận chuyển vật liệu cũng giảm. Trong điều kiện bình thường, phần lớn vật liệu từ vùng đất cao do dòng chảy mạnh ở thượng lưu mang theo sẽ được vận chuyển ra biển bởi các con sông chính, trong khi một phần nhỏ lắng lại rải rác trên các đồng bằng phù sa phẳng trong suốt thời gian lũ; kích thước vật liệu trong lòng sông giảm dần từ thượng nguồn về hạ lưu. Ví dụ, trên sông Po ở Ý, cuội và sỏi xuất hiện khoảng 140 dặm tại thành phố Turin, cát ven sông xuất hiện trong 100 dặm tiếp theo, và bùn xuất hiện trong 110 dặm cuối (tương đương 176 km).

Biện pháp

Các biện pháp cải thiện sông có thể được chia thành 2 nhóm chính: một nhóm nhằm cải thiện dòng chảy của sông, đặc biệt trong điều kiện lũ lụt; nhóm còn lại nhằm giữ lại dòng chảy, chủ yếu để phục vụ các mục đích chuyển hướng, trong đó thủy điện thường đóng vai trò quan trọng. Ở Mỹ, các biện pháp này từng được gọi là channelization và sau này thường được gọi là canalization.

Channelization

Tập tin:Sechler Run looking upstream from Ferry Street.JPG

Kênh chia dòng tại Danville, Pennsylvania

Việc rút ngắn chiều dài kênh bằng cách cắt thẳng các đoạn sông quanh co là phương pháp duy nhất để tăng độ dốc thủy lực của đoạn sông, từ đó làm tăng lực dòng chảy. Việc cắt thẳng sông đôi khi làm giảm sức chứa của kênh, và đối với các con sông lớn có lưu lượng đáng kể, việc duy trì một đoạn cắt thẳng là rất khó khăn do dòng chảy có xu hướng xói mòn bờ sông và hình thành lại các đoạn uốn khúc. Ngay cả khi các đoạn cắt được bảo vệ bởi bờ sông, chúng vẫn dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của bãi cát ngầm và sự gia tăng mực nước lũ trong kênh. Tuy nhiên, ở những khu vực có độ dốc thủy lực nhỏ, như các vùng đồng bằng có nguồn gốc biển — ví dụ vùng Fenlands ở Anh — hệ thống thoát nước bao gồm các kênh thẳng nhân tạo đã được xây dựng để quản lý dòng chảy của sông. Do tầm quan trọng trong việc bảo vệ độ màu mỡ và ngăn ngập lụt ở các vùng trũng, các kênh thẳng bổ sung cũng được xây dựng để thoát nước mưa, được gọi là các cống tại Fenlands. Việc thay đổi kích thước của kênh thẳng về độ rộng và độ sâu không mang lại hiệu quả đáng kể trong việc giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt. Do đó, các biện pháp kiểm soát lũ này thường chỉ được áp dụng cho các tài sản quan trọng, như thị trấn, khi chúng đang bị đe dọa, do chi phí xây dựng cao. Các biện pháp kiểm soát lũ này chủ yếu giải quyết các vấn đề ở hạ lưu và bảo vệ một số thị trấn nhất định. Gần đây, ở châu Âu, các biện pháp kiểm soát lũ đã bao gồm việc phục hồi các đồng bằng ngập nước tự nhiên và khôi phục các đoạn sông quanh co, giúp giữ lại nước lũ và làm chậm tốc độ thoát nước.

Việc loại bỏ các chướng ngại vật tự nhiên hoặc nhân tạo, chẳng hạn như thân cây, tảng đá và sỏi tích tụ trong lòng kênh, là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tăng công suất thoát nước của các kênh. Việc loại bỏ các vật cản giúp hạ thấp mực nước lũ ở thượng nguồn. Ngược lại, các chướng ngại vật trong lòng sông, tùy theo kích thước, có thể làm tăng mực nước ở đoạn sông phía trước, bổ sung nước cho các đoạn kênh thiếu nước ở thượng nguồn và làm giảm lưu lượng tổng thể của con sông.

Bằng cách thiết lập các trạm quan trắc trên một con sông lớn và các nhánh của nó tại các vị trí thích hợp, đồng thời ghi nhận liên tục trong thời gian dài các dữ liệu như mực nước cao nhất tại các trạm, mức dâng của lũ ở các nhánh, thời gian lũ đi qua các trạm trên sông chính và phạm vi ảnh hưởng, người ta có thể tính toán tương đối chính xác chiều cao lũ lụt tại các vị trí này. Với sự giúp đỡ của những hồ sơ này, và bằng cách quan sát thời gian và chiều cao của việc gia tăng tối đa của mực lũ tại các trạm trên các nhánh khác nhau, thời gian đến và chiều cao của đỉnh lũ tại bất kỳ trạm trên sông chính có thể được dự đoán với độ chính xác đáng kể trong hai hoặc nhiều ngày trước. Bằng cách thông báo về mực nước cao tại hạ lưu, các đập được mở hoàn toàn cho một phần nước của dòng lũ di chuyển theo hướng khác và dân cư ven sông nhận được cảnh báo kịp thời của ngập lụt sắp xảy ra.

Nguyên nhân gây ra sạt lở bờ sông

            Theo Văn bản số 47/PCLB ngày 03 tháng 3 năm 2008 của Ban Chỉ huy phòng chống lụt bão thành phố HCM thì nguyên nhân gây ra sạt lở do một số nguyên nhân như sau:

            - Chế độ khí hậu, thủy văn, thủy lực dòng chảy, đặc biệt là đặc điểm thủy triều (gió chướng, sông cong, biên độ triều lớn, chân triều rút sâu...);

            - Các hoạt động xây dựng nhà cửa, kho tàng, nhà hàng và lập các bến bãi vật liệu xây dựng... làm gia tăng tải trọng trên nền đất yếu dẫn đến nguy cơ sạt lở;

            - Các hoạt động kinh doanh khai thác cát trái phép trên sông. Chặt phá trái phép rừng phòng hộ, rừng đầu nguồn

            - Việc xây dựng công trình bảo vệ bờ tự phát không theo quy hoạch chung, không đúng yêu cầu kỹ thuật và không được cấp có thẩm quyền cho phép;

            - Ảnh hưởng của việc nạo vét lòng kênh, rạch, luồng chạy tàu... không tuân thủ theo quy trình, theo lưu vực thoát nước;

            - Một số hoạt động giao thông thủy: phương tiện giao thông thủy lưu thông tạo sóng, neo đậu tàu, xà lan trái phép gây hư hại bờ và cây bảo vệ bờ;

            - Các cây mọc dọc bờ, mép sông có tác dụng chắn sóng, ổn định bờ do nhiều nguyên nhân khác nhau bị phá hoại, chết, cuốn trôi...

Các công trình kỹ thuật sông

Giải pháp phi công trình

Để giảm thiểu sự xói mòn bờ sông tăng tốc độ và lưu lượng bồi lắng trầm tích ngoài việc xây dựng các công trình chúng ta có thể:

            - Trồng cây, trồng rừng ở thượng nguồn của lưu vực sông.

            - Tại đoạn sông bị sạt lở ta có thể trồng một số loại cây có rẽ ăn sâu để giảm thiểu việc xói mòn.

            - Cấm khai thác cát tại các vùng có nguy cơ sạt lở, xử lý các đơn vị, cá nhân lấn chiếm bờ sông.

            - Tuyên truyền giáo dục ý thức cộng đồng.

Ưu nhược điểm của giải pháp phi công trình:

• Ưu điểm: Chi phí rẻ, bảo vệ, cải thiện môi trường.
• Nhược điểm: Thời gian thi công lâu, phải chờ đợi một khoảng thời gian để các giải pháp phát huy hiệu quả.

Giải pháp công trình

Xây dựng đê điều

1. Đê là một dạng công trình nhân tạo được xây dựng trong lòng, dọc theo các con sông, bờ biển. Từ xưa đến nay con người đã và đang không ngừng phát triển các hệ thống đê điều để ngăn ngừa ngập lụt và xói mòn.
2. Các dạng đê thường gặp:

- Đê dọc bờ chắn sóng (đặt dọc theo bờ làm giảm xói mòn xâm thực bờ sông).

- Đê chữ V hay đê hình cung (loại đê này thường được đặt ở giữa dòng chảy nhằm giảm vận tốc dòng chảy tăng bồi lắng 2 bên cánh của đê).

- Kè mỏ hàn (là một loại đê có hình chữ L ngược, đặt vuông góc với bờ sông).

- Kè bằng đá dọc bờ. Ưu nhược điểm của đê, kè:

• Ưu điểm: Giải quyết được các vấn đề xâm thực xói mòn bờ biển, bảo vệ bờ tốt trước các vấn đề do dòng chảy gây ra.
• Nhược điểm: Một số loại đê, kè làm cản trở giao thông, thời gian thi công lâu, chi phí cao.

Xây dựng kênh dẫn thoát nước

- Người ta sẽ xây dựng các kênh thoát nước tai các dòng sông thường xuyên xảy ra hiện tượng ngập lụt. Các kênh này được xây dựng tại 1 độ cao đã được tính toán đo đạc và thống kê số liệu từ trước đó.

- Khi có lũ, hay dòng chảy của dòng sông đạt đến 1 độ cao nào đó nước của dòng sông sẽ tự động chảy vào các kênh này làm giảm lưu lượng nước chảy ở dòng sông chính, điều này cũng có ý nghĩa với đê. Nó làm giảm tác dụng của dòng nước lên đê, tuy nhiên đê tại ngã rẽ lại chịu tác động lớn hơn, nên khi tính toán thiết kế cần chú ý đến điểm này.

- Việc xây dựng các kênh này có ý nghĩa hơn tại các khu vực có khí hậu khắc nghiệt, việc trữ nước ở mùa mưa qua các kênh dẫn để sử dụng cho mùa khô là một trong các điều đó.

• Nhược điểm: tốn kém chi phí đầu tư

Xây dựng các rào chắn lũ tự động (SCFB)

• Khi nước tại dòng sông tăng lên các rào chắn này sẽ tự động dâng lên làm ngăn ngừa nước tràn vào bờ gây ảnh hưởng đến người dân và môi trường quanh bờ.
• Nhược điểm: chi phí đầu tư ban đầu lớn.