Biến động hình thái lòng dẫn sông và dải ven biển là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa chế độ thủy động lực (bao gồm dòng chảy, sóng, thủy triều) và quá trình vận chuyển trầm tích. Tại các vùng nhạy cảm như Đồng bằng sông Cửu Long, dải ven biển Bắc Bộ và Trung Bộ Việt Nam, hiện tượng xói lở bờ sông, sạt lở bờ biển và bồi lấp luồng tàu diễn ra với quy mô ngày càng rộng lớn và tính chất nghiêm trọng. Tốc độ xói lở ven biển tại một số khu vực trọng điểm như Hải Hậu (Ninh Bình) đạt trung bình 14,5 m/năm, với cực đại lên tới 20,5 m/năm, tàn phá hệ thống đê kè biển và làm suy giảm quỹ đất châu thổ. Đồng thời, sự thiếu hụt bùn cát do các hồ chứa thượng nguồn giữ lại, kết hợp với hoạt động khai thác cát bừa bãi, làm gia tăng các hố xoáy sâu, gây mất ổn định trực tiếp cho chân các công trình kè.
Để bảo vệ hạ tầng ven sông, ven biển và tối ưu hóa thiết kế các công trình chỉnh trị như kè mỏ hàn, đê ngầm giảm sóng, hay đê chắn cát, việc nắm bắt định lượng quy luật vận chuyển trầm tích là yêu cầu tiên quyết. Các phương pháp đo đạc truyền thống như đo đạc địa hình đáy biển, lấy mẫu trầm tích bề mặt hoặc đo dòng chảy bằng thiết bị ADCP chỉ cung cấp thông tin trạng thái tĩnh hoặc thông số thủy động lực tức thời tại các thời điểm riêng lẻ. Những kỹ thuật này không thể xác định chính xác nguồn gốc trầm tích, hướng vận chuyển thực tế, tốc độ dịch chuyển trung bình và bề dày lớp trầm tích tham gia vào quá trình động lực. Trong bối cảnh đó, ứng dụng kỹ thuật đồng vị phóng xạ mang lại giải pháp tiên tiến, cho phép định lượng chính xác cơ chế vận chuyển trầm tích tầng đáy và lơ lửng theo không gian và thời gian thực.
Cơ sở khoa học và phân loại
Kỹ thuật hạt nhân ứng dụng trong nghiên cứu động lực học trầm tích và bồi lấp bờ kè được phân thành ba nhóm phương pháp chính, bao gồm chất đánh dấu phóng xạ nhân tạo, đồng vị phóng xạ môi trường và thiết bị đo mật độ hạt nhân sử dụng nguồn bức xạ kín.
Kỹ thuật chất đánh dấu phóng xạ nhân tạo dựa trên nguyên lý gắn một đồng vị phóng xạ phù hợp vào vật liệu có đặc tính lý-hóa đồng nhất với trầm tích tự nhiên tại khu vực nghiên cứu. Vật liệu đánh dấu sau khi thả vào môi trường nước sẽ di chuyển cùng với bùn cát tự nhiên dưới tác động của sóng và dòng chảy. Bằng cách đo phổ gamma của chất đánh dấu theo thời gian, các nhà nghiên cứu xác định được quỹ đạo vận chuyển, vận tốc dịch chuyển hạt, hệ số khuếch tán và lưu lượng bùn cát. Đối với trầm tích hạt thô như cát hay sỏi tầng đáy, chất đánh dấu phổ biến nhất là hạt thủy tinh chứa Scandium-46 được nghiền và sàng lọc để đạt phân bố kích thước hạt và khối lượng riêng (~2,35g/cm3) trùng khớp với cát tự nhiên. Đối với bùn mịn hoặc trầm tích lơ lửng tại các cửa sông, các đồng vị như Vàng (Au-198) hoặc Iridium-192 được sử dụng nhờ khả năng hấp phụ chặt lên bề mặt hạt khoáng vật sét.
Nghiên cứu diễn biến xói lở và bồi tụ theo dải thời gian trung và dài hạn chủ yếu dựa vào các đồng vị phóng xạ môi trường và đồng vị rơi lắng. Cesium-137 là đồng vị nhân tạo phát sinh từ các vụ thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển (đạt đỉnh vào năm 1963). Sau khi rơi lắng xuống mặt đất, Cs-137 liên kết chặt chẽ với các khoáng vật sét như illite, đóng vai trò như một chất đánh dấu lịch sử để định tuổi trầm tích tích tụ trong khoảng 60 năm qua và định lượng tốc độ bồi lắng sau công trình kè. Bên cạnh đó, chì dư (Pb-210) là đồng vị tự nhiên thuộc chuỗi phân rã Urani-238, sinh ra từ sự phân rã của khí Radon-222 trong khí quyển. Với chu kỳ bán rã 22,3 năm, kỹ thuật Pb-210 cho phép xác định tốc độ bồi lắng tích tụ liên tục trong khung thời gian từ 100 đến 130 năm. Ngoài ra, Beryllium-7 là đồng vị vũ trụ tự nhiên có chu kỳ bán rã ngắn (53,2 ngày), phục vụ việc đánh giá sự dịch chuyển trầm tích bề mặt sau các sự kiện thiên tai đột biến như bão lũ.
Đối với việc kiểm soát sự bồi lấp tầng đáy và mật độ lớp bùn lỏng nằm trước hoặc sau bờ kè, các thiết bị đo hạt nhân chứa nguồn bức xạ kín như Cs-137 hoặc Americium-241 được đưa xuống lòng dẫn. Dựa trên nguyên lý suy giảm hoặc tán xạ ngược của chùm tia gamma khi truyền qua môi trường, thiết bị đo chính xác mật độ thể tích của hỗn hợp nước – trầm tích và tốc độ nén chặt của lớp bùn bồi lấp theo thời gian thực.
| Đồng vị phóng xạ | Nguồn gốc | Chu kỳ bán rã (T1/2) | Năng lượng phát xạ Gamma (Eγ) | Phân khúc trầm tích mục tiêu | Khung thời gian ứng dụng |
| Scandium-46 | Nhân tạo (Kích hoạt neutron) | 83,8 ngày | 0,89 MeV; 1,84 MeV | Cát đáy, sỏi mịn | Đánh giá động lực mùa (Vài tháng) |
| Au-198 | Nhân tạo (Kích hoạt neutron) | 2,7 ngày | 0,412 MeV | Phù sa, bùn mịn lơ lửng | Động lực ngắn hạn (Vài ngày) |
| Iridium-192 | Nhân tạo (Kích hoạt neutron) | 73,8 ngày | 0,31 MeV-0,47 MeV | Trầm tích thô, đá kè | Động lực trung hạn |
| Cs-137 | Rơi lắng khí quyển / Nhân tạo | 30,17 năm | 0,662 MeV | Hạt sét, bùn mịn bồi tụ | Định tuổi & Tốc độ bồi tụ (1 – 60 năm) |
| Pb-210 | Tự nhiên | 22,3 năm | 0,0465 MeV | Trầm tích mịn cửa sông, hồ chứa | Định tuổi & Tốc độ bồi tụ (100 – 130 năm) |
| Beryllium-7 | Tự nhiên (Tia vũ trụ) | 53,2 ngày | 0,477 MeV | Lớp bùn bề mặt tươi mới | Sự kiện bão/lũ ngắn hạn |
Phương pháp và quy trình kỹ thuật tại thực địa
Quy trình ứng dụng chất đánh dấu phóng xạ nhân tạo đòi hỏi sự chuẩn bị nghiêm ngặt từ khâu chế tạo đến thao tác thực địa. Thủy tinh chứa Scandium sau khi gia công đúng kích thước hạt trầm tích được đưa vào lò phản ứng hạt nhân để kích hoạt neutron, chuyển hóa Sc-45 thành Sc-46. Tại thực địa, thiết bị bơm thả chuyên dụng đặt ở tầng đáy lòng sông hoặc đáy biển được điều khiển từ xa để giải phóng chất đánh dấu ngay tại vị trí cần theo dõi. Sự phân tán của chất đánh dấu được ghi nhận theo thời gian bằng hệ thống đầu đo nhấp nháy NaI(Tl) kéo lê trên đáy biển hoặc đặt cố định theo dải lưới giám sát. Cường độ bức xạ thu được được hiệu chỉnh theo sự phân rã phóng xạ tự nhiên để tính toán mật độ phân bố diện tích bức xạ. Từ đó, vận tốc dịch chuyển trọng tâm vệt phóng xạ và chiều sâu lớp trầm tích di động được xác định, cho phép tính toán trực tiếp tổng lưu lượng vận chuyển trầm tích đáy.
Nhằm khắc phục các rào cản về quy định an toàn môi trường khi xả chất phóng xạ nhân tạo ra môi trường nước bãi biển, Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã phát triển kỹ thuật “Black Sand Tracing” dựa trên bức xạ tự nhiên. Phương pháp này tận dụng các khoáng vật nặng tự nhiên chứa các đồng vị thuộc chuỗi Thori (Th-232) và Urani (U-238) sẵn có tại khu vực ven bờ làm chất đánh dấu tự nhiên. Bằng cách sử dụng hệ thống phổ kế gamma phông thấp di động, các nhà nghiên cứu xây dựng bản đồ mật độ phóng xạ tự nhiên bãi biển và lòng sông với độ phân giải cao. Kết hợp với thuật toán mô phỏng Monte Carlo và các công cụ địa thống kê, sự thay đổi dải phổ gamma theo thời gian phản ánh chính xác các luồng di chuyển trầm tích tự nhiên, giúp nhận diện vùng xói lở thiếu hụt khoáng vật nặng cũng như vùng tích tụ bồi lấp đằng sau các công trình đê kè bảo vệ.
Đối với công tác kiểm soát tốc độ bồi lấp dài hạn tại các vùng lòng hồ thủy điện hoặc vùng bãi bồi sau kè biển, phương pháp khoan lấy mẫu lõi trầm tích nguyên dạng được áp dụng. Lõi trầm tích sau khi thu hồi được cắt lát thành từng lớp mỏng từ 1 cm đến 2 cm và đo phổ gamma phông thấp trong phòng thí nghiệm để xác định nồng độ hoạt độ của Cs-137 và Pb-210. Tốc độ tích tụ trầm tích được tính toán thông qua mô hình Tốc độ Cung cấp Không đổi (CRS) hoặc Nồng độ Ban đầu Không đổi (CIC) dựa trên sự suy giảm hoạt độ Pb-210 dư theo chiều sâu.
Sự xuất hiện của đỉnh hoạt độ Cs-137 tại một mốc chiều sâu xác định cung cấp sự kiểm chứng độc lập chính xác cho mốc thời gian năm 1963, giúp phân biệt bùn cát lắng đọng do dòng chảy tự nhiên với bùn cát gia tăng đột biến do sự cố xói lở bờ kè thượng nguồn. Quá trình phân tích mảng mẫu lõi trầm tích này tạo ra bản đồ biến đổi theo chiều sâu, thể hiện sự tiệm cận từ mức hoạt độ cực đại của Pb-210 ở lớp bề mặt hiện tại giảm dần về mốc nền ở các lớp sâu, song song với vị trí đỉnh Max của Cs-137 đánh dấu mốc lịch sử năm 1963.
Mô hình hóa tích hợp và tối ưu hóa thiết kế công trình bảo vệ bờ kè
Một trong những bước tiến quan trọng của công nghệ hiện đại là việc tích hợp trực tiếp dữ liệu đo đạc đồng vị thực địa vào các bộ mô hình toán thủy thạch động lực như MIKE 21 FM, Delft3D hoặc CFD. Bản thân các mô hình số thường gặp sai số do phụ thuộc vào các hệ số ma sát đáy và hệ số vận chuyển bùn cát lý thuyết vốn mang tính giả định. Dữ liệu đo đạc thực tế từ chất đánh dấu phóng xạ cung cấp các tham số đầu vào và bộ dữ liệu kiểm chứng vô giá. Vận tốc dịch chuyển thực của bùn cát và hệ số khuếch tán trầm tích trích xuất từ kỹ thuật phóng xạ được nhập vào phương trình tải – khuếch tán. Sự kết hợp này giúp nâng cao độ chính xác của dự báo diễn biến bồi lấp lòng dẫn và xói lở chân kè lên mức tiệm cận thực tế, làm cơ sở khoa học vững chắc cho việc đưa ra quyết định đầu tư công trình.
Kỹ thuật đồng vị phóng xạ đã chứng minh hiệu quả đặc biệt trong việc đánh giá hiệu năng của các cụm công trình kè bảo vệ bờ biển. Ví dụ, đối với cụm công trình kè mỏ hàn dạng chữ T kết hợp đê ngầm giảm sóng tại bãi biển Thịnh Long (Hải Hậu, Ninh Bình), việc thả chất đánh dấu phóng xạ giúp xác định rõ luồng di chuyển của bùn cát bị bẫy lại phía sau kè. Kết quả đo đạc phóng xạ thực địa chứng minh rằng khi có công trình, năng lượng sóng giảm từ 20% đến 50% trong cả mùa gió Đông Bắc và Tây Nam, tạo điều kiện cho bùn cát lắng đọng hình thành bãi bồi bảo vệ chân đê. Ngược lại, tại các vùng đầu mỏ hàn, thông số đồng vị cho thấy sự tập trung của các dải bức xạ di chuyển nhanh, cảnh báo sự xuất hiện của hiện tượng xói cục bộ nguy hiểm. Nhờ đó, các kỹ sư có thể kịp thời điều chỉnh kết cấu gia cố chân kè, thảm đá hoặc gia tăng chiều dài kè mỏ hàn để tối ưu hóa khả năng gây bồi, giảm sóng.
Thực tiễn triển khai tại Việt Nam
Tại Việt Nam, ứng dụng kỹ thuật đồng vị phóng xạ trong nghiên cứu động lực sông biển đã thu được nhiều kết quả thực tiễn quan trọng. Tại vùng ven biển Bắc Bộ, các đề tài nghiên cứu cấp Quốc gia đã áp dụng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ kết hợp mô hình toán MIKE 21 để đánh giá quá trình bồi tụ cửa Ba Lạt, cửa Đáy và sự dịch chuyển bùn cát gây xói lở dải bờ biển Hải Hậu. Kết quả chỉ ra sự suy giảm lượng phù sa từ sông Hồng là nguyên nhân cốt lõi khiến tốc độ bồi tụ châu thổ giảm từ 27,76 m/năm xuống 16,46 m/năm, làm trầm trọng hơn tình trạng xâm thực đê biển.
Đối với hệ thống sông Đồng Nai – Sài Gòn, kỹ thuật hạt nhân được lồng ghép trong các nghiên cứu đánh giá biến động lòng dẫn dưới tác động của hệ thống công trình kiểm soát ngập úng TP. Hồ Chí Minh. Việc xác định tốc độ bồi lắng bùn mịn giúp tính toán chu kỳ nạo vét luồng tàu và đưa ra các giải pháp chỉnh trị ổn định bờ sông trọng điểm. Tại Đồng bằng sông Cửu Long, kỹ thuật đồng vị phóng xạ hỗ trợ phân tích nguyên nhân các hố xoáy sâu tại các đoạn sông phân nhánh như khu vực Vàm Nao và dải bờ biển sạt lở Rạch Giá, Cà Mau, phục vụ quy hoạch chỉnh trị tổng thể thích ứng với biến đổi khí hậu. Bên cạnh đó, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã triển khai nhiều đợt khảo sát đánh giá tốc độ sa bồi bồi lấp tại các lòng hồ thủy điện lớn như Hòa Bình, Trị An bằng dải đồng vị môi trường Cs-137 và Pb-210, giúp dự báo chính xác tuổi thọ hữu ích của công trình.
Việt Nam hiện sở hữu hạ tầng kỹ thuật hạt nhân tương đối hoàn chỉnh để chủ động triển khai các ứng dụng này. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là cơ sở hạt nhân duy nhất của quốc gia có khả năng chiếu xạ, sản xuất các đồng vị phóng xạ đánh dấu môi trường và công nghiệp như Sc-46, Ir-192, Au-198 và La-140. Đội ngũ chuyên gia thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân và Viện Nghiên cứu Hạt nhân đã làm chủ công nghệ điều chế thủy tinh hoạt hóa, kỹ thuật bơm thả chất đánh dấu an toàn dưới nước, cùng hệ thống đo phổ gamma hiện đại.
Quản lý an toàn bức xạ, an ninh nguồn phóng xạ và khung pháp lý
Hoạt động ứng dụng đồng vị phóng xạ trong môi trường mở đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn bức xạ và an ninh nguồn phóng xạ nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái thủy sinh. Tại Việt Nam, mọi hoạt động liên quan đến chất phóng xạ phải tuân thủ nghiêm ngặt Luật Năng lượng nguyên tử năm 2025 (Luật số 94/2025/QH15, có hiệu lực từ ngày 01/01/2026, thay thế Luật Năng lượng nguyên tử 2008). Luật quy định rõ trách nhiệm của các tổ chức, cá nhân trong việc lập Báo cáo Đánh giá an toàn bức xạ và xin cấp phép tiến hành công việc bức xạ từ Cục An toàn bức xạ và hạt nhân thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ.
Các nghiên cứu thực địa phải tuân thủ các nguyên tắc bảo vệ bức xạ chuẩn mực của IAEA. Nguyên tắc ALARA yêu cầu liều chiếu xạ cá nhân đối với nhân viên thao tác và công chúng phải giữ ở mức thấp nhất có thể đạt được một cách hợp lý. Nguyên tắc bảo vệ nhiều lớp đòi hỏi áp dụng đồng thời các giải pháp kỹ thuật và quản lý để ngăn ngừa sự cố phân tán phóng xạ ngoài kiểm soát. Đồng thời, hoạt độ phóng xạ thả vào môi trường tự nhiên phải được tính toán chính xác sao cho nồng độ hoạt độ sau khi hòa tan nhanh chóng hạ xuống dưới mức miễn trừ theo quy định pháp luật.
Quy trình quản lý an toàn bức xạ trong nghiên cứu đồng vị thực địa tuân theo chuỗi quản trị khép kín. Bắt đầu từ khâu tính toán hoạt độ bức xạ tối thiểu theo nguyên tắc ALARA, đơn vị thực hiện lập hồ sơ xin cấp phép từ cơ quan quản lý nhà nước và thực hiện đánh giá tác động môi trường. Sau khi đồng vị được chiếu xạ kích hoạt tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, chất đánh dấu được đóng gói vào các container bọc chì đạt tiêu chuẩn ISO và vận chuyển ra thực địa. Tại khu vực khảo sát, các kỹ sư thiết lập vùng kiểm soát bức xạ nghiêm ngặt, sử dụng thiết bị tự động để bơm thả chất đánh dấu xuống đáy nước, đồng thời duy trì hệ thống quan trắc tự động liên tục để đảm bảo hoạt độ phóng xạ phát tán luôn nằm dưới mức miễn trừ an toàn.
Trong quá trình thao tác với các nguồn phóng xạ kín hoặc chất đánh dấu mở, các nguy cơ mất an toàn bức xạ hoặc thất lạc nguồn phóng xạ phải được phòng ngừa triệt để. Các đơn vị phải xây dựng Kế hoạch Ứng phó Sự cố Bức xạ cấp cơ sở và cấp tỉnh, bảo đảm khả năng thu hồi nguồn phóng xạ kín hoặc khoanh vùng xử lý kịp thời khi có tình huống bất thường xảy ra.
Kết luận
Kỹ thuật đồng vị phóng xạ và công nghệ hạt nhân đại diện cho phương pháp luận hiện đại, mang lại dữ liệu định lượng chính xác về động lực học trầm tích, cơ chế bồi lấp và diễn biến xói lở chân kè sông biển mà các phương pháp truyền thống khó đáp ứng. Dữ liệu đồng vị không chỉ giúp làm sáng tỏ bức tranh di chuyển của bùn cát theo không gian và thời gian mà còn đóng vai trò là tham số hiệu chuẩn tối ưu cho các mô hình số thủy thạch động lực, nâng cao độ tin cậy của các giải pháp kỹ thuật bảo vệ bờ.
Để phát huy tối đa tiềm năng của công nghệ này tại Việt Nam trong giai đoạn tới, việc chuyển dịch sang các kỹ thuật sinh thái như “Black Sand Tracing” và lập bản đồ bức xạ tự nhiên cần được thúc đẩy mạnh mẽ nhằm giản lược thủ tục cấp phép môi trường và tăng tần suất giám sát định kỳ. Bên cạnh đó, cần thiết lập cơ chế phối hợp liên ngành chặt chẽ giữa các đơn vị nghiên cứu hạt nhân với các cơ quan quản lý Thủy lợi và Giao thông đường thủy để đưa dữ liệu đồng vị vào hệ thống tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế công trình bảo vệ bờ. Cuối cùng, việc tăng cường số hóa, tích hợp các đầu đo phổ gamma hạt nhân thời gian thực kết hợp hệ thống truyền dữ liệu không dây tại các kè mỏ hàn trọng điểm sẽ giúp xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa quốc gia về động lực trầm tích châu thổ, phục vụ phát triển bền vững và thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu.
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
