105 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CẦU GIAO THÔNG ĐẾN DÒNG CHẢY HỆ THỐNG SÔNG HỒNG KHU VỰC HÀ NỘI TS Hồ Việt Hùng Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, ĐHTL Tóm tắt Trong những năm gần đây, hàng loạt cầu giao[.]
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CẦU GIAO THÔNG ĐẾN DỊNG CHẢY HỆ THỐNG SƠNG HỒNG KHU VỰC HÀ NỘI TS Hồ Việt Hùng Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, ĐHTL Tóm tắt: Trong năm gần đây, hàng loạt cầu giao thông sông Hồng sông Đuống phạm vi Hà Nội xây dựng Việc tác động đến dòng chảy tự nhiên sơng khả lũ Nghiên cứu xác định cao trình mực nước lưu lượng đỉnh lũ mặt cắt sông Hồng sông Đuống khu vực Hà Nội theo phương án khác nhau, nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng cầu xây dựng đến dịng chảy sơng Hồng sơng Đuống khu vực Hà Nội MỞ ĐẦU Thủ đô Hà Nội trung tâm văn hoá, kinh tế, xã hội nước, nơi có dịng sơng Hồng sơng Đuống chảy qua Trong năm gần đây, để thúc đẩy phát triển kinh tế giải vấn đề giao thông cho Hà Nội nhà nước đầu tư, xây dựng số cầu qua sông Hồng cầu Vĩnh Tuy, Thanh Trì triển khai lập báo cáo đầu tư cầu Nhật Tân Trên sông Đuống, cầu Phù Đổng xây dựng xong Đặc biệt quy hoạch thủ đô xây dựng cầu Tứ Liên bắc qua sông Hồng sông Đuống, cầu Đông Trù qua sông Đuống Việc xây dựng hàng loạt cầu hai dịng sơng ảnh hưởng đến dịng chảy khả lũ sơng Vì vậy, mục tiêu nghiên cứu đánh giá xác mức độ ảnh hưởng cầu xây dựng đến dịng chảy sơng Hồng sơng Đuống khu vực Hà Nội PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Công cụ phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu này, mơ hình HEC – RAS sử dụng để tính tốn thủy lực hệ thống sông Hồng – Đuống khu vực Hà Nội HEC RAS mơ hình tốn Trung tâm Thuỷ văn Cơng trình thuộc hiệp hội kỹ sư qn Hoa kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) sản xuất Mơ hình sử dụng sơ đồ ẩn để giải hệ phương trình SaintVenant đầy đủ (gồm phương trình liên tục phương trình động lực) theo phương pháp sai phân hữu hạn Ứng dụng mô hình tốn để tính tốn thủy lực hệ thống sơng phương pháp đại áp dụng phổ biến Việt Nam giới Phần mềm HEC – RAS có nhiều ưu điểm tương đối phù hợp nên lựa chọn để tính tốn dịng chảy lũ hệ thống sông Hồng – Đuống phạm vi Hà Nội 2.2 Tính tốn thủy lực hệ thống sơng Hồng – Đuống khu vực Hà Nội Hệ thống sông Hồng – Đuống khu vực Hà Nội mô mơ hình HEC – RAS dựa số liệu đo đạc địa hình sơng Hồng, sơng Đuống năm 2000, bình đồ, đồ tài liệu mơ tả thay đổi địa hình giai đoạn từ năm 2000 đến 2008 Hệ thống sông bao gồm nhánh với tổng cộng 129 mặt cắt ngang, cụ thể là: sông Hồng đoạn từ Sơn Tây đến ngã ba sơng Hồng - Đuống có 36 mặt cắt; sơng Hồng đoạn từ ngã ba sông Hồng - Đuống đến Hưng n có 61 mặt cắt; sơng Đuống đoạn từ ngã ba sơng Hồng - Đuống đến Phả Lại có 32 mặt cắt Các điều kiện biên mơ hình gồm có: biên q trình lưu lượng lũ Q(t) Sơn Tây, hai biên trình mực nước lũ Z1(t) Phả Lại Z2(t) Hưng Yên Các số liệu thu thập từ tài liệu thực đo trạm thuỷ văn Sơn Tây, Phả Lại Hưng Yên ba thời đoạn: từ 1h ngày 17/8/1996 đến 7h ngày 26/8/1996; từ 22h ngày 19/7/2000 105 đến 17h ngày 02/8/2000 từ 19h ngày 16/8/2006 đến 19h ngày 25/8/2006 Các trạm thủy văn Hà Nội sông Hồng (mặt cắt 2.57) Thượng Cát sông Đuống (mặt cắt 3.30) chọn để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Số liệu dùng để kiểm định trình mực nước Z(t) thời đoạn tính tốn Mạng lưới sông Hồng hệ thống phức tạp gồm nhiều sông lớn, nhỏ nối với trước đổ biển Trong phạm vi nghiên cứu này, nội dung tính tốn dịng chảy sơng Hồng sông Đuống khu vực Hà Nội nên đoạn sông với mặt cắt lựa chọn Các đoạn sông từ Sơn Tây đến Phả Lại Hưng Yên tương đối dài mặt cắt ngang sông rộng nên ảnh hưởng thượng lưu đến mực nước Phả Lại Hưng Yên khơng đáng kể Hơn nữa, có trạm thủy văn nên số liệu biên đảm bảo độ xác cao Tính đến năm 1996, hệ thống sông Hồng - Đuống đoạn qua Hà Nội cầu sau xây dựng: Thăng Long, Long Biên, Chương Dương, Đuống Kết tính tốn hiệu chỉnh mơ hình với trận lũ năm 1996 thể hình Hình 1: Quá trình lưu lượng mực nước lũ trạm thuỷ văn Hà Nội, năm 1996 Từ đồ thị nhận thấy đường trình mực nước thực đo tính tốn trạm Hà Nội gần trùng nhau: cao trình mực nước đỉnh lũ tính tốn 12,08m so với tài liệu thực đo 12,09m; thời gian xuất đỉnh lũ thực đo tính tốn hoàn toàn trùng (bắt đầu từ 0h ngày 21/08/1996 đến 24h ngày 23/08/1996) Dựa thông số chọn được, mơ hình kiểm định với hai trận lũ 106 năm 2000 2006 Tính đến thời điểm tháng 7/2000, cầu kể có thêm cầu Phù Đổng Đến thời điểm xảy trận lũ năm 2006 phần trụ cầu cầu Thanh Trì hồn thành, sơ đồ tính tốn có thêm cầu Thanh Trì Trên hình so sánh mực nước tính tốn với số liệu thực đo trạm Hà Nội Thượng Cát với lũ năm 2000 2006 Hình 2: Quá trình lưu lượng mực nước lũ trạm thuỷ văn Thượng Cát, năm 2000 Từ đồ thị hình thấy rằng: chênh lệch mực nước đỉnh lũ tính tốn (10,91m) mực nước thực đo (10,96m) 5cm Thời gian xuất đỉnh lũ tính tốn lệch so với số liệu thực đo năm 2000 1h Hình 3: Quá trình lưu lượng mực nước lũ trạm thuỷ văn Hà Nội, năm 2006 Hình cho thấy, đường q trình mực nước tính tốn thực đo trạm thủy văn Hà Nội năm 2006 gần trùng cao trình đỉnh lũ lẫn thời gian xuất (tính tốn 7,95m so với thực đo 8,04m) Từ nhận xét thấy rằng: thơng số mơ hình HEC – RAS dùng để tính tốn thuỷ lực đoạn sơng nghiên cứu phù hợp Mơ hình mơ tương đối xác dịng chảy lũ hệ thống sơng Hồng – Đuống đoạn chảy qua Hà Nội có đủ độ tin cậy để sử dụng tính tốn hệ thống sông theo phương án khác 107 2.3 Các phương án đề xuất Theo định hướng phát triển tương lai Hà Nội vào tiêu chuẩn phịng lũ, cần tính tốn dịng chảy hệ thống sông Hồng xảy trận lũ lớn như: lũ năm 1996, 1971, lũ có tần suất thiết kế 0,4% 0,2% Mơ hình thủy lực sử dụng để tính tốn với trận lũ theo phương án sau đây: - PA1: có cầu Thăng Long, Long Biên, Chương Dương, Đuống, Phù Đổng, Thanh Trì, Vĩnh Tuy; - PA2: xây dựng thêm cầu Nhật Tân, Đông Trù, Phù Đổng mới; - PA3: có cầu PA2 cộng thêm dự án quy hoạch “Thành phố bên sông”, với giả thiết tồn phần diện tích bãi ngồi đê bị cắt từ thượng lưu cầu Thăng Long đến cầu hạ lưu cầu Thanh Trì, vị trí có chiều rộng bãi lớn 1500m lịng sơng bị thu hẹp 2.4 Kết tính tốn phương án - Kết tính tốn cao trình mực nước đỉnh lũ trạm Hà Nội Thượng Cát theo phương án PA1, PA2 PA3 thể bảng Từ bảng nhận thấy rằng, so với PA1 khơng có thay đổi đáng kể mực nước đỉnh lũ xây dựng thêm cầu theo PA2, có thay đổi rõ rệt cao trình mực nước đỉnh lũ Zmax dịng chảy bị co hẹp đoạn sông Hồng chảy qua Hà Nội (theo PA3) Sự thay đổi phụ thuộc nhiều vào mức độ co hẹp dòng chảy độ lớn trận lũ Nếu quy hoạch dòng chảy theo phương án mực nước đỉnh lũ trạm Hà Nội tăng thêm từ 10cm đến 31cm trạm Thượng Cát tăng thêm từ 7cm đến 55cm tùy theo mức độ trận lũ, xảy lũ tần suất 0,4% 0,2% mực nước tăng lên đáng kể Bảng 1: Cao trình mực nước đỉnh lũ Zmax (m) chênh lệch mực nước PA3 với PA1 Lũ 1996 Lũ 1971 Lũ 0.4% Lũ 0.2% Trạm Hà Nội Zmax (m) PA1 PA2 PA3 12.08 12.09 12.18 14.10 14.10 14.30 14.96 14.96 15.27 15.56 15.57 15.72 Trạm Hà Nội ∆Zmax (m) (PA3) - (PA1) 0.10 0.20 0.31 0.16 - Khi có xuất cầu sông Hồng làm thay đổi mực nước sát thượng hạ lưu cầu (vị trí so sánh mực nước cách cầu từ 50m 70m thượng lưu hạ lưu cầu) Bảng thống kê chênh lệch mực nước Z thượng hạ lưu cầu sông Hồng sơng Đuống Tại vị trí cầu Long Biên Chương Dương chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cầu lớn nhất, nguyên nhân khoảng cách hai cầu tương đối nhỏ (hai cầu cách 800m) nên ảnh hưởng lẫn Trạm Thượng Cát Zmax (m) PA1 PA2 PA3 11.93 11.93 12.00 13.91 13.92 14.08 15.01 15.01 15.25 15.88 15.89 16.43 Thượng Cát ∆Zmax (m) (PA3) - (PA1) 0.07 0.17 0.24 0.55 rõ rệt, có lũ lớn xảy giá trị tăng lên Trong trường hợp xảy lũ 0,2% chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cầu Chương Dương đến 0,18m Tuy nhiên, có hồ chứa thượng nguồn (Hồ Bình, Sơn La, Tun Quang) cắt lũ khơng xảy tượng Ngược lại, vị trí cầu Vĩnh Tuy Thanh Trì chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cầu không đáng kể (lớn 5cm) mặt cắt sông rộng (hơn 1800m) bề dày trụ nhỏ (2m, 3m, 5m) Bảng 2: Chênh lệch mực nước thượng lưu hạ lưu cầu Z (cm) Lũ 1996 108 Phương án PA1 PA2 PA3 Th Long 3.0 3.0 3.0 Nh Tân 6.0 9.0 L Biên 6.0 6.0 5.0 Ch Dương 5.0 5.0 4.0 V Tuy 1.0 1.0 2.0 Th Trì 1.0 1.0 1.0 Đ Trù 2.0 2.0 Đuống 8.0 3.0 3.0 Ph Đổng 3.0 3.0 3.0 Lũ 1971 0.4% 0.2% Phương án PA1 PA2 PA3 PA1 PA2 PA3 PA1 PA2 PA3 Th Long 4.0 2.0 2.0 5.0 2.0 2.0 8.0 4.0 7.0 Nh Tân 3.0 5.0 4.0 4.0 5.0 5.0 L Biên 5.0 5.0 5.0 9.0 9.0 8.0 11.0 11.0 9.0 Ch Dương 8.0 8.0 7.0 12.0 12.0 12.0 18.0 17.0 17.0 - Độ dâng cao mực nước trước cầu Zmax tính tốn theo cơng thức: Z max (cm) max( MNSLC MNTLC ) ; đó: MNSLC cao trình mực nước đỉnh lũ sau làm cầu; MNTLC cao trình mực nước đỉnh lũ trước làm cầu Kết tính tốn Zmax(cm) thống kê bảng cho thấy: trị số độ dâng cao mực nước trước cầu có biến đổi tương đối lớn, giá trị cao gặp trận lũ tần suất 0,4% 0,2% Khi xảy lũ năm 1996 năm 1971 mực nước vị trí xây dựng cầu tăng lên từ 1cm ÷ 4cm Khi có V Tuy 2.0 2.0 3.0 3.0 3.0 4.0 3.0 3.0 5.0 Th Trì 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 Đ Trù Đuống 4.0 4.0 4.0 8.0 4.0 4.0 8.0 5.0 5.0 6.0 6.0 6.0 7.0 6.0 8.0 Ph Đổng 5.0 4.0 5.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 lũ tần suất 0,4% mực nước vị trí tăng lên từ 2cm ÷ 7cm Cịn trường hợp xảy lũ tần suất 0,2% mực nước vị trí có cầu tăng lên nhiều, từ 15cm đến 50cm Như vậy, xảy lũ tần suất 0,2% rõ ràng việc xây dựng cầu có ảnh hưởng đến mực nước sông Khi lũ lớn, vị trí cầu Vĩnh Tuy, cầu Thanh Trì xuất trị số Zmax < phía trước cầu có cầu khác dự án “Thành phố bên sơng” làm dịng chảy bị co hẹp đáng kể phần tràn vào bãi ven sông Hồng trước cầu Thăng Long Bảng 3: Độ dâng cao mực nước trước cầu Zmax (cm) Phương án PA1 1996 PA2 PA3 PA1 1971 PA2 PA3 PA1 PA2 0.4% PA3 PA1 0.2% PA2 PA3 Lũ Th Long 2.0 2.0 2.0 3.0 4.0 4.0 6.0 7.0 7.0 19.0 20.0 47.0 Nh Tân 2.0 2.0 4.0 4.0 6.0 7.0 19.0 44.0 L Biên 1.0 1.0 1.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 7.0 22.0 22.0 50.0 Ch Dương 1.0 1.0 1.0 1.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 15.0 15.0 46.0 KẾT LUẬN Việc xây dựng cầu hệ thống sông Hồng Đuống khu vực Hà Nội làm cho mực nước phạm vi lân cận cầu thay đổi Chênh lệch mực nước trước sau làm cầu vị trí khác dao động nhiều, chênh lệch nhiều V Tuy 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 -2.0 -1.0 -1.0 -10.0 -9.0 -24.0 Th Trì 0.0 1.0 1.0 3.0 1.0 1.0 -2.0 -2.0 -2.0 -10.0 -10.0 -23.0 Đ Trù 2.0 2.0 4.0 4.0 5.0 6.0 21.0 46.0 Đuống 1.0 1.0 1.0 3.0 2.0 3.0 5.0 5.0 6.0 20.0 20.0 44.0 Ph Đổng 1.0 1.0 1.0 3.0 3.0 3.0 5.0 5.0 5.0 18.0 17.0 42.0 hay phụ thuộc vào yếu tố sau: - Tỷ lệ chiếm chỗ trụ cầu mố cầu so với kích thước mặt cắt ngang sơng vị trí xây dựng cơng trình Với cầu xây dựng từ lâu cầu Long Biên, cầu Đuống giá trị Z Zmax cao so với cầu Phù 109 Đổng mới, Vĩnh Tuy, Thanh Trì, Nhật Tân - Khoảng cách cầu kết hợp với diện tích mặt cắt ngang sơng ảnh hưởng đến giá trị Z Zmax Các cầu gần mà chiều rộng mặt cắt ngang nhỏ làm tăng ảnh hưởng lẫn cầu, làm cho biến động mực nước lớn, xảy lũ đặc biệt lớn Theo phương án 2, xây dựng thêm cầu Nhật Tân, Đông Trù, Phù Đổng mực nước lớn trạm thủy văn Hà Nội, Thượng Cát vị trí xây dựng cầu tăng lên khơng nhiều, nghĩa cầu khơng ảnh hưởng đến dịng chảy sơng Nhưng theo phương án (tính tốn với cầu có xây dựng thêm cầu cộng với dự án Thành phố bên sông), xảy lũ tần suất 0,2% mực nước vị trí xây dựng cầu tăng lên đáng kể (từ 42cm 50cm), lúc cần có giải pháp nhằm đảm bảo an toàn cho tuyến đê bảo vệ Hà Nội Ngược lại, xảy lũ năm 1971 lũ tần suất 0,4% mực nước vị trí có cầu tăng lên từ 2cm 7cm, cầu không ảnh hưởng đến khản lũ sơng Nghĩa là, có hồ Hồ Bình, Sơn La, Tun Quang cắt lũ đảm bảo tiêu chuẩn an tồn cho thủ Hà Nội TÀI LIỆU THAM KHẢO Chi cục đê điều phòng chống lụt bão (2008) Báo cáo trạng đê điều thành phố Hà Nội trước lũ năm 2008 Nguyễn Cảnh Cầm (2006) Thuỷ lực dòng chảy hở Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội HEC – RAS (2002) Hydraulic Reference Manual Viện Quy hoạch Thủy lợi (2008), Dự án Quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước lưu vực sông Hồng – sơng Thái Bình Viện Khoa học Thủy lợi (1999 – 2001), Dự án Đánh giá suy giảm khả thoát lũ giải pháp tăng cường khả lũ chương trình phịng chống lũ đồng sông Hồng Summary: STUDY ON THE EFFECT OF BRIDGES ON THE FLOW OF RED RIVER SYSTEM IN HANOI AREA During recent years, there are some bridges, which have been or being built on the Red River and Duong River within Hanoi area This would affect the natural flow and flood drainage of the river system This study has determined the water level and maximum flood flow on different cross sections of Red River and Duong River in Hanoi area to evaluate the effect of existing and/or being built bridges on the flow of Red River and Duong River in Hanoi area 110