Nghiên cứu xác lập quan hệ hình thái lòng sông với khả năng thoát lũ trên đoạn sông từ Sơn Tây đến Hưng Yên
Bộ giáo dục & Đo tạo Bộ Nông nghiệp & PTNT Viện Khoa học Thuỷ lợi _______________ Nguyễn ngọc Quỳnh Nghiên cứu xác lập quan hệ hình thái lòng sông với khả năng thoát lũ trên đoạn sông Hồng từ Sơn tây đến Hng yên Chuyên ngành: Chỉnh trị sông và bờ biển M số: 62.44.94.01 tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật H nội, năm 2006 Công trình đợc hoàn thành tại Viện Khoa học Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Ngời hớng dẫn khoa học: 1. GS.TS Lơng Phơng Hậu 2. PGS.TS Trần Xuân Thái Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Tất Túc Trờng Đại học Thuỷ lợi Phản biện 2: PGS.TS Hoàng Đình Dũng Trờng Đại học Xây dựng Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Hữu Đẩu Hội Cảng - Đờng Thuỷ Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nớc họp tại Viện Khoa học Thuỷ lợi . 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà nội vào hồi 8 giờ 00 ngày 27 tháng 10 năm 2006 Có thể tìm hiểu luận án tại th viện Quốc gia Hà nội và th viện Viện Khoa học Thuỷ lợi Những công trình chính gần đây của tác giả đ công bố liên quan đến đề tài luận án 1. Nguyễn Ngọc Quỳnh, Đặng Hoàng Thanh (2000), Phân tích các quan hệ thuỷ văn để đánh giá khả năng thoát lũ trên các sông chính của hệ thống sông Thái bình, Thông tin chuyên đề Khoa học, công nghệ & kinh tế Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, số 9 năm 2000, tr.6-8. 2. Nguyễn Ngọc Quỳnh (2000), Đánh giá khả năng thoát lũ đoạn Sơn Tây Cửa Luộc trên sông Hồng qua các thay đổi quan hệ thuỷ văn, Thông tin chuyên đề Khoa học, công nghệ & Nông nghiệp & Phát triển nông thôn , số 9 năm 2000, tr 19-21. 3. Nguyễn ngọc Quỳnh, Nghiên cứu các thay đổi về đặc trng thuỷ văn lòng dẫn trên phân lu sông Đuống trong một số thời kỳ, Thông tin chuyên đề Khoa học, công nghệ & Nông nghiệp & Phát triển nông thôn , số 9 năm 2000, tr 9-11. 4. Nguyễn Ngọc Quỳnh, ứng dụng mô hình toán MIKE 21 C nghiên cứu thuỷ lực và diễn biến lòng dẫn sông Hồng đoạn Sơn Tây - Trung hà, Tuyển tập báo cáo hội thảo chơng trình KC.08 - Bảo vệ môi trờng và phòng chống thiên tai , Bộ Khoa học & Công nghệ, năm 2002. 5. Nguyễn ngọc Quỳnh, Đánh giá ảnh hởng của hệ thống bối tới khả năng thoát lũ trên sông Hồng, Tuyển tập báo cáo 45 năm thành lập Viện Khoa học Thuỷ lợi, 2/2005. 6. Nguyễn Ngọc Quỳnh, Hồ Việt Cờng , ứng dụng mô hình toán 2 chiều MIKE 21C trong nghiên cứu thuỷ lực và dự báo diễn biến sông Hồng, Khoa học công nghệ Thuỷ lợi số 4 năm 2005. 7. Nguyễn Ngọc Quỳnh (2005), Nghiên cứu xác định chiều rộng thoát lũ hợp lý trên sông Hồng vùng không ảnh hởng triều, Khoa học công nghệ Thuỷ lợi số 4 năm 2005. 1 mở đầu 01. ý nghĩa thực tiễn của đề ti luận án Hiện nay, một sự thật đang tồn tại trong các hệ thống sông ở nớc ta là sự suy giảm nghiêm trọng khả năng thoát lũ của lòng sông, nhất là trong hệ thống sông Hồng, con sông chảy qua thủ đô Hà Nội. Mọi số liệu và phân tích đều chứng minh một hiện tợng là: để thoát qua một lu lợng lũ nh lũ năm 1971 ( tần suất 0,8%), mực nớc hiện nay đã tăng lên so với năm 1971 là 1,0 m ở Sơn Tây, 0,6 m ở Hà Nội, 0,7 m ở Hng Yên. Và hơn chục năm trở lại đây, các đề tài khoa học - công nghệ cấp Nhà nớc, các chơng trình cấp Bộ, các dự án đầu t của thành phố Hà nội đã lấy vấn đề suy giảm khả năng thoát lũ của lòng sông làm đối tợng nghiên cứu, làm mục tiêu dự án. Những kết quả nghiên cứu, các kiến nghị của dự án cho tới nay vẫn còn nhiều điều cha đi đến thống nhất, cha đợc đồng thuận. Nh vậy, vấn đề khả năng thoát lũ của lòng sông vẫn còn là nguồn đề tài nghiên cứu có tính thời sự, một yêu cầu bức xúc. 02. ý nghĩa khoa học của đề ti luận án Những kết quả nghiên cứu và các đề xuất của các dự án nói trên sở dĩ cha đi đến đợc sự đồng thuận vì các lý giải của vấn đề suy giảm khả năng thoát lũ và nhất là các thông số của tuyến thoát lũ cha có cơ sở khoa học vững chắc. Đề tài luận án này mong muốn thông qua nghiên cứu làm sáng tỏ thêm một số vấn đề chủ yếu sau đây: (1) Trớc hết là vai trò tiên quyết của lòng dẫn cơ bản trong thoát lũ. Chỉ có một lòng dẫn cơ bản ổn định, có quan hệ hình thái phù hợp với quy luật tạo lòng mới có một khả năng thoát lũ tốt. Vì vậy trong nghiên cứu này đều lấy lòng dẫn cơ bản đã đợc chỉnh trị hoàn chỉnh làm tiền đề. (2) Thứ đến là chiều rộng thoát lũ có giới hạn nh thế nào trong việc tạo lập một chế độ thuỷ lực có lợi cho thoát lũ. Có cần phải mở quá rộng hay có thể thu vào quá hẹp hay không. Trong luận án này cha đề cập đến ảnh hởng của các hình dạng mặt bằng tuyến đê, mặc dù đây cũng là một vấn đề có liên quan đến kết cấu của dòng chảy trên bãi. (3) Sau cùng là 2 vấn đề tơng tác giữa dòng chảy bãi và lòng dẫn chính. Vấn đề này đã có nhiều nghiên cứu trớc đây, song với những khu vực sông có hình thái lòng dẫn phức tạp hoặc các khu vực tuyến đê bị co hẹp thì sự tơng tác đó có gì đặc biệt? ở đây vai trò của cao trình bãi sông trong việc khống chế khả năng thoát lũ sẽ đợc thảo luận kỹ hơn. (4) Về phơng pháp luận, luận án sử dụng các lòng dẫn đợc sơ đồ hoá để vấn đề đợc khái quát, không lệ thuộc vào những chi tiết cụ thể. Về phơng pháp nghiên cứu , luận án sử dụng một mô hình toán với phần mềm mạnh để mô phỏng dòng chảy lũ 2D với các lới tính toán cong, thích hợp với tính phức tạp của dạng lòng dẫn và điều kiện biên. (5) Các kết quả nghiên cứu đợc trình bày dới dạng các đồ thị tra cứu hoặc các công thức giải tích dễ sử dụng. 0.3. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Thiết lập quan hệ giữa một số yếu tố hình thái với khả năng thoát lũ , tạo ra các cơ sở lý luận mang tính khoa học trong việc nghiên cứu xác lập tuyến thoát lũ và ứng dụng để xây dựng tuyến thoát lũ trên đoạn sông Hồng Sơn Tây - Hng Yên. 0.4 Phạm vi nghiên cứu (1) Chỉ nghiên cứu về đánh giá khả năng thoát lũ của lòng dẫn, đi sâu vào lòng dẫn mùa lũ. (2) Chỉ đề cập đến khía cạnh động học của vấn đề thoát lũ, không đi sâu vào khía cạnh động lực học, diễn biến lòng dẫn. (3) Đối tợng cụ thể: lòng sông Hồng Sơn Tây - Hng Yên. (4) Về phơng pháp: chỉ sử dụng phơng pháp mô hình toán. 0.5 Số liệu xuất phát (1) Đoạn sông nghiên cứu có số liệu thực đo khá đầy đủ và cập nhật về địa hình, thuỷ văn do Viện Khoa học Thuỷ lợi sở hữu qua các đề tài khoa học và các dự án mà Viện và Trung tâm Động lực Sông tham gia. (2) Ngoài ra còn có các số liệu đã đựơc kiểm chứng từ các cơ quan chuyên ngành nh cục Phòng chống lụt bão và quản lý Đê điều, Bộ Tài nguyên Môi trờng, viện Quy hoạch Thuỷ lợi. 0.7 Những đóng góp mới của luận án 1. Về kết quả nghiên cứu cụ thể : luận án đã xây dựng đợc một 3 số quan hệ mang tính tổng quát giữa các yếu tố hình thái riêng rẽ và tổ hợp các yếu tố hình thái với khả năng thoát lũ. Từ đó, đã xây dựng đợc hai biểu đồ (3-8 và 3-9) và hai biểu thức mô tả quan hệ nhằm xác định: (1) Chiều rộng thoát lũ hợp lý có xét đến các yếu tố ảnh hởng là bán kính cong lòng dẫn chính và hệ số nhám bãi sông (công thức 3-9). (2) Khả năng và hiệu quả của việc hạ thấp cao độ trung bình bãi sông để làm tăng diện tích mặt cắt thoát lũ tại các đoạn sông bị co hẹp bởi tuyến đê ( công thức 3-14). 2. Về ứng dụng: Luận án đã ứng dụng quan hệ ( 3-9) để đề xuất tuyến thoát lũ trong điều kiện tuyến lòng sông chính hiện tại đã đợc đa về tuyến lòng sông ổn định cho đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên và tham khảo để ứng dụng cho các đoạn sông khác trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình. 8. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 111 trang thuyết minh, 28 bảng, 55 hình vẽ, 1 trang danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả có liên quan đến luận án, 5 trang tài liệu tham khảo, 33 trang phụ lục và một số hình minh hoạ. Nội dung gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chơng: (1) Tổng quan các nghiên cứu về khả năng thoát lũ của dòng sông. (2) Phơng pháp luận và mô hình nghiên cứu. (3) Xây dựng quan hệ giữa các yếu tố hình thái sông với khả năng thoát lũ. (4) ứng dụng các kết quả nghiên cứu để đề xuất tuyến thoát lũ hợp lý trên đoạn sông Hồng Sơn Tây - Hng Yên. 4 Chơng I Tổng quan các nghiên cứu về khả năng tHoát lũ của dòng sông 1.1 Các vấn đề đặt ra trong nghiên cứu thoát lũ 1.1.1 Khái niệm về khả năng thoát lũ của lòng sông Khả năng thoát lũ của lòng sông đề cập đến lợng nớc mà lòng dẫn cho phép thoát qua một mặt cắt nào đó trong một đơn vị thời gian, dới một mực nớc đã quy định. Vì lu lợng lũ thiết kế là đại lợng đã đợc hoạch định, nó không đổi cho đoạn sông nghiên cứu, nên mực nớc là yếu tố để xem xét khả năng thoát lũ. 1.1.2 Sự tăng giảm khả năng thoát lũ của đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên Các kết luận rút ra từ các nghiên cứu là: a) Khả năng thoát lũ của đoạn sông bị suy giảm đánh kể: Từ năm 1960 đến nay, khả năng thoát lũ của đoạn sông đã bị suy giảm, với cùng một cấp lu lợng lũ thiết kế, mực nớc tại Sơn Tây đã tăng gần 1,0 m, tại Hà Nội khoảng 0,5 m và tại Hng Yên khoảng 0,7 m; xét trên toàn đoạn sông Hồng từ Sơn Tây-Hng yên, với cấp lu lợng lũ tại Sơn Tây Q st = 20.000 m 3 , mực nớc đều có xu hớng tăng và trị số tăng vào khoảng từ 0,4 m ữ 0,8 m. c) Cao độ trung bình bãi sông bị nâng lên đáng kể do các hoạt động của con ngời và bồi lắng trong mùa lũ d) Sự lấn chiếm bãi sông của dân c không kiểm soát đợc: Trong ba mơi năm, tổng diện tích bãi sông không tăng mà có xu hớng giảm. Trong khi đó, diện tích bãi sông dành cho khu vực dân c tăng không đáng kể ( tăng khoảng 15%), số hộ dân tăng 1,8 lần ( 80%). e) Sự tăng cao sức cản trong lòng dẫn: Với tất cả các trờng hợp mực nớc khác nhau, so với thời kỳ 75 80, hệ số nhám của lòng dẫn năm 2002 đã tăng đáng kể. 1.2 Tổng quan các nghiên cứu cơ bản về thoát lũ 1.2.1. Nghiên cứu đánh giá khả năng thoát lũ thông qua việc nghiên cứu loại hình quá trình lòng dẫn Loại hình quá trình lòng dẫn đợc thuần tuý coi là yếu tố quan 5 trọng ảnh hởng đến khả năng thoát lũ của 1 con sông. Snitsenko đã có nhận xét: Xét từ loại sông thẳng đến sông cong tự do, tuyến sông từ tơng đối thẳng chuyển thành ngày càng cong hơn, sức cản của lòng dẫn càng ngày càng lớn hơn, sức tải cát ngày càng giảm dần và tất nhiên khả năng thoát lũ cũng giảm dần. Việc phân loại quá trình lòng dẫn dựa trên một số chỉ tiêu, trong nghiên cứu của luận án đã xem xét chỉ tiêu B/B o 1.2.2. Nghiên cứu xác định chiều rộng của tuyến thoát lũ Altunin cho rằng, ở các đoạn sông uốn cong tự do, khoảng cách giữa tuyến đê bờ trái và bờ phải không đợc nhỏ hơn chiều rộng B tl (B tl gồm chiều rộng lòng dẫn chính cộng thêm chiều rộng của bãi). Từ đó đa ra công thức: B tl = B o (1 + k) (1.1) Trong đó: B 0 là chiều rộng lòng dẫn chính (chiều rộng mặt nớc ứng với lu lợng tạo lòng); k là hệ số tính dến loại hình vận động của lòng dẫn, khoảng 1ữ 2. 1.2.3. Nghiên cứu đánh giá khả năng thoát lũ và quan hệ giữa thoát lũ trên lòng chính và bãi sông Các nghiên cứu do các nhà khoa học của Viện Thuỷ văn Liên xô cũ thực hiện. Để đánh giá quan hệ giữa thoát lũ của lòng dẫn chính và bãi sông đã nghiên cứu và xây dựng các quan hệ trên cơ sở quan hệ tổng quát sau: Q b /Q o = f ( H b /H o ; B b /B o ; I b /I o ; n b /n o , ) (1.3) Trong đó: Q b /Q o là tỷ số giữa lu lợng lũ thoát qua bãi và qua lòng dẫn chính là hàm của các tỷ số: mực nớc H b /H o , chiều rộng thoát lũ B b /B o , độ dốc mặt nớc I b /I o , hệ số nhám n b /n o, giữa bãi và lòng sông và của góc là góc giữa trục giữa dòng chảy trên bãi và lòng dẫn chính. 1.3 tổng quan Các kết quả nghiên cứu thc tế về thoát lũ của sông Hồng từ năm 1971 trở lại đây 1.3.1 Nghiên cứu đánh giá và đề xuất giải pháp tăng khả năng thoát lũ sông Hồng năm 1973 của Cục Đê điều Bộ Thuỷ lợi Nội dung nghiên cứu bao gồm: (1) Đánh giá mức độ biến động về khả năng thoát lũ của lòng sông cho đến năm 1971. (2) Quy hoạch lại việc sử dụng bãi sông, san phá các đê bối cản trở thoát lũ, mở rộng tuyến đê chính ở chỗ quá hẹp, cắt thẳng những chỗ lòng sông quá cong. 1.3.2 Nghiên cứu tuyến thoát lũ đoạn sông Hồng Sơn Tây - Vạn Phúc của Viện Khoa học Thuỷ lợi năm 1975 6 Nghiên cứu thực hiện trên mô hình vật lý lòng cứng, những kết luận chính rút ra từ nghiên cứu này là: Hệ thống đê bối đã thu hẹp tuyến thoát lũ rất nhiều và làm dâng cao mực nớc lũ trên tuyến sông Hồng. . Trên mô hình vật lý đã thay đổi một số phơng án khác nhau về khoảng cách giữa hai đê chính để chọn khoảng cách hợp lý. 1.3.3 Nghiên cứu hành lang thoát lũ sông Hồng từ Sơn Tây - Hng Yên năm 1995 của GS. Vũ Tất Uyên Nội dung nghiên cứu gồm: (1) Phân tích đờng quan hệ Q- H tại các trạm cơ bản đã đi đến kết luận sau: So với các thời kỳ trớc đây, tính đến năm 1995, khả năng thoát lũ của sông Hồng đã bị suy giảm rõ rệt. Nguyên nhân gây ra sự suy giảm khả năng thoát lũ chính là sự phát triển đê bối và công trình dân sinh, hạ tầng trên các bãi sông. (2) Trên cơ sở các nghiên cứu trên mô hình toán 1D kết hợp với phân tích kinh tế kỹ thuật và nghiên cứu thực địa, đã đề xuất hành lang thoát lũ đoạn Sơn Tây - Hng Yên. 1.3.4 Nghiên cứu nguyên nhân suy giảm khả năng thoát lũ trên sông Hồng -Thái Bình năm 2000 của Viện Khoa học Thuỷ lợi Dự án này đã kế thừa, tổng hợp và phát triển sâu hơn, rộng hơn các nghiên cứu đã thực hiện trớc đây và đã thực hiện trên toàn hệ thống sông Hồng Thái bình. Nội dung và kết quả nghiên cứu chính là đã đánh giá về định lợng và chi tiết hơn thực trạng khả năng thoát lũ và xác định các nguyên nhân làm suy giảm khả năng thoát lũ trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình cũng nh các giải pháp tăng khả năng thoát lũ trên toàn hệ thống. 1.3.5 Các vấn đề còn tồn tại a) Về số liệu cơ bản dùng cho nghiên cứu, phân tích: Hầu hết các số liệu dùng cho phân tích chỉnh lý trong các nghiên cứu trớc đây còn thiếu và cha đáp ứng đủ các yêu cầu cho việc phân tích. b) Tồn tại trong nghiên cứu cơ bản: Hầu hết các nghiên cứu về quan hệ hình thái sông chỉ tập nghiên cứu trong điều kiện lòng dẫn cơ sở mà cha đề cập đến quan hệ hình thái sông trong điều kiện có xét đến phần bãi sông và dòng chảy lũ. Một số nghiên cứu của viện Thuỷ văn Liên xô cũ có xem xét đến tơng tác thoát lũ giữa lòng và bãi sông và xây dựng đợc các biểu đồ quan hệ cho riêng một số sông của Liên xô 7 cũ nhng rất khó ứng dụng cho các trờng hợp nghiên cứu cụ thể cho sông ngòi ở Việt nam. c) Tồn tại trong nghiên cứu ứng dụng và vận dụng vào thực tế Một số nghiên cứu ứng dụng có hạn chế về cơ sở lý luận, nên tính thuyết phục cha cao. Tuyến thoát lũ tuy đã đợc nghiên cứu và đề xuất nhng còn cha đợc vận dụng vào trong thực tế cho bất kỳ đoạn sông nào để rút kinh nghiệm trong các nghiên cứu tiếp theo. d) Tồn tại về phơng pháp nghiên cứu: (1) Phơng pháp phân tích số liệu thực đo: Số liệu thờng không đầy đủ, không đủ thông tin xuất xứ, cách lấy mẫu số liệu dùng cho phân tích thờng tuỳ tiện . (2) Phơng pháp mô hình vật lý: Điều kiện tơng tự khó đảm bảo, nhất là tơng tự sức cản, các thiết bị đo có độ chính xác thấp. (3) Phơng pháp mô hình toán: Trang thiết bị và phần mềm tính toán còn hạn chế. 1.6 Đặt vấn đề v nhiệm vụ nghiên cứu của luận án Từ mục tiêu nghiên cứu đã nêu, nhiệm vụ nghiên cứu của luận án là: (1) Nghiên cứu xác định chiều rộng hợp lý của tuyến thoát lũ trong điều kiện lòng sông chính ổn định. (2) Nghiên cứu đánh giá khả năng và hiệu quả của việc cải tạo và hạ thấp cao độ bãi sông nhằm tăng diện tích mặt cắt thoát lũ trong các đoạn sông bị co hẹp bởi tuyến đê. (3) ứng dụng kết quả nghiên cứu trong luận án cho việc đề xuất tuyến thoát lũ cho đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên. 1.7 Định hớng phơng pháp nghiên cứu Với vấn đề nghiên cứu đợc đặt ra ở trên, luận án sẽ sử dụng phơng pháp nghiên cứu chính là mô hình toán thuỷ lực luới cong 2D MIKE 21C do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng. 1.8 Chọn đoạn sông nghiên cứu Để tiến hành nghiên cứu các vấn đề đã nêu , trên đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến H ng yên chọn một đoạn sông để làm cơ sở cho mô hình hoá . Đoạn sông này cần thoả mãn các yêu cầu là có tầm quan trọng cao, hình thái và chế độ thuỷ lực điển hình, có đủ số liệu phục vụ cho phân tích tính toán. Đoạn sông đợc chọn là từ Sơn Tây đến Chèm. 8 Chơng II Phơng pháp luận v mô hình nghiên cứu 2.1 Phơng pháp luận 2.1.1 Cơ sở khoa học của vấn đề khả năng thoát lũ của lòng sông Khác với lòng dẫn cơ sở do dòng chảy tạo ra, lòng dẫn mùa nớc lũ chủ yếu do con ngời tạo ra bằng hệ thống đê, công trình dân dụng, cây trồng Những công trình tạo ra hình thái lòng dẫn mùa nớc lũ lại tác động vào dòng chảy lũ, làm dòng chảy lũ thay đổi kết cấu, năng lợng và tơng ứng là các yếu tố thuỷ văn của nó, thay đổi quan hệ Q H, tức là ảnh hởng đến khả năng thoát lũ. Vì vậy cơ sở khoa học của vấn đề khả năng thoát lũ của lòng sông thực chất là xem xét các vấn đề sau: a) Chế độ dòng chảy giữa 2 tuyến đê; b) Đặc điểm tuyến thoát lũ đợc thể hiện qua 2 mặt là hình dạng mặt bằng tuyến và chiều rộng tuyến; c) Tác dụng dâng nớc của các công trình chắn ngang sông; d) Tác dụng dâng nớc ở các đọan sông cong; e) Sự tơng tác của dòng chảy giữa lòng chính và bãi sông đợc biểu hiện qua góc giữa trục động lực dòng chảy trên lòng chính và trên bãi sông và sự trao đổi động lợng giữa dòng chảy trên lòng dẫn chính và trên bãi sông; f) Sức cản của lòng dẫn ( hệ số nhám n). 2.1.2 Lựa chọn các yếu tố hình thái chủ yếu để nghiên cứu mối quan hệ của chúng với khả năng thoát lũ a) Các yếu tố hình thái riêng rẽ ảnh hởng tới khả năng thoát lũ Tham khảo phân tích cụ thể các yếu tố hình thái của đoạn sông thực tế, đã xem xét mối quan hệ giữa một số yếu tố hình thái sau tới khả năng thoát lũ: (1) Các yếu tố của lòng dẫn chính: Chiều rộng (B o ); chiều sâu trung bình (h o ) mặt cắt ngang và bán kính cong R c . (2) Các yếu tố khác của tuyến thoát lũ: Chiều rộng tuyến thoát lũ; cao độ bãi sông (Z b ); sức cản trên bãi qua hệ số nhám n b. . b) Tổ hợp các yếu tố hình thái ảnh hởng tới khả năng thoát lũ Trong thực tế, sự ảnh hởng tới khả năng thoát lũ thờng là hệ quả của toàn bộ hoặc một nhóm chủ yếu các yếu tố hình thái, mà bản thân các yếu tố hình thái này cũng có sự ảnh hởng lẫn nhau,từ đó đã xem xét các tổ hợp yếu tố hình thái ảnh hởng tới khả năng thoát lũ sau: 9 (1) Tổ hợp 3 yếu tố là chiều rộng tuyến thoát lũ (B tl ), bán kính cong của lòng dẫn chính (R c ) và hệ số nhám bãi sông n b. . (2) Tổ hợp 2 yếu tố là cao độ bãi sông ( Z b ) và bán kính cong lòng dẫn chính (R c ). 2.2 Mô phỏng dòng chảy mùa lũ Do đối tợng nghiên cứu chính là biến động mực nớc lũ do ảnh hởng của các yếu tố hình thái lòng dẫn cả trên mặt bằng và trên phơng thẳng đứng, cho nên phải sử dụng mô hình toán 2D, 3D. Xét đến yêu cầu trên, dòng chảy mùa lũ trong nghiên cứu đợc mô phỏng là dòng chảy 2D, không mang bùn cát, chuyển động trong lòng cứng. Đáp ứng những yêu cầu đó là mô hình MIKE 21C của Viện thuỷ lực Đan mạch ( DHI). 2.2.1 Mô hình MIKE 21C Đây là mô hình toán thuỷ lực - hình thái 2D lới cong và có khả năng mô phỏng chi tiết hình dạng cong bất kỳ của đờng bờ, của bãi sông. Việc sử dụng lới cong so với việc sử dụng lới chữ nhật có u việt là số điểm lới ít hơn, mô phỏng đờng bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn. Trong nghiên cứu luận án, tác giả đã sử dụng mô đun thuỷ lực của MIKE 21C để mô phỏng, tính toán các yếu tố thuỷ lực trong các trờng hợp có sự thay đổi các yếu tố hình thái. 2.2.2 Hệ phơng trình tính toán thuỷ động lực 2D Mô hình thuỷ động lực học MIKE 21C nghiên cứu chế độ mực nớc và trờng vận tốc dòng chảy trong sông thông qua việc giải phơng trình liên tục và phơng trình bảo toàn động lợng (hệ phơng trình Saint - Venant) một cách tổng hợp và hoàn toàn động học theo 2 hớng. Hệ phơng trình đợc sử dụng trong MIKE 21 C nh sau: Trong đó: s, n là toạ độ trong hệ toạ độ cong; p, q là dòng chảy theo hớng s và n; H là cao trình mực nớc; h là độ sâu; g là gia tốc trọng (2.9) (2.10) (2.11) 10 trờng; C là hệ số Chezy; R s , R n là bán kính cong của đờng s và n; RHS là vế bên phải, mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do gió, áp lực không khí. 2.3 Mô hình hoá các yếu tố hình thái lòng dẫn Trong 1 đoạn sông nghiên cứu, việc xác lập mối quan hệ giữa các yếu tố hình thái đã chọn với khả năng thoát lũ thờng bị giới hạn trong 1 số trờng hợp nghiên cứu cụ thể và rất khó tổng quát hoá mối quan hệ giữa chúng với khả năng thoát lũ. Bên cạnh đó, khi nghiên cứu phải xem xét nhiều trờng hợp có sự thay đổi của các yếu tố hình thái thì khả năng tổng quát hoá các quan hệ này thờng khó thực hiện và nhiều khi lại không thực tế. Vì vậy, để nghiên cứu mang tính tổng quát, đã tiến hành sơ đồ hoá (khái quát hoá) các điều kiện địa hình, thuỷ văn, thuỷ lực của các đoạn sông trong thực tế để tạo ra 1 đoạn sông mẫu và sau đó mô phỏng lại các yếu tố hình thái trong các phân tích tính toán. 2.3.1 Chọn đoạn sông mẫu để sơ đồ hoá và mô phỏng Đối tợng nghiên cứu của đề tài là đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên. Đây là đoạn sông khá dài và phức tạp cả về chế độ thuỷ lực và lòng dẫn ( qua vùng ngã ba sông). Việc nghiên cứu các tổ hợp yếu tố hình thái ảnh huởng tới dòng chảy lũ trong điều kiện các yếu tố hình thái này có sự biến đổi trên cả đoạn sông dài sẽ làm tăng độ phức tạp của các phân tích tính toán và rất khó có thể phân tích, xây dựng các quan hệ hình thái mang tính tổng quát. Để giải quyết khó khăn trên nhng vẫn đảm bảo bao quát đơc đầy đủ các yếu tố hình thái đã đặt ra trong nghiên cứu, luận án đã chọn đoạn sông Hồng từ trớc Sơn Tây đến Chèm làm đoạn sông mẫu. Việc chọn chiều dài các đoạn mô hình đợc thực hiện qua các tính toán thử dần để đảm bảo việc mô phỏng sự biến động các yếu tố hình thái trong đoạn sông phân tích không ảnh hởng đáng kể đến các biên mô hình. 2.3.2. Mô phỏng các yếu tố hình thái đợc lựa chọn a) Mô phỏng yếu tố hình thái của lòng dẫn chính: Trong nghiên cứu đã chọn thông số mặt cắt ngang tuyến lòng dẫn chính là không đổi trong mọi trờng hợp mô phỏng. Trên đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hà Nội đã chọn chiều sâu ổn định h o = 9,0 m và chiều rộng ổn định B o = 11 788 m, đây là các kết quả dã công bố trong các nghiên cứu trớc đây. Yếu tố bán kính cong lòng dẫn chính R c đợc mô phỏng thay đổi trong các trờng hợp: R c =2B o ữ 5B o và >5B o . b) Mô phỏng độ dốc và cao độ trung bình bãi sông: Độ dốc trung bình bãi sông đợc phân tích từ số liệu thực đo, I b =6 x10 -5 . Cao độ trung bình bãi sông tại Sơn Tây Z b =+12,8 m, Chèm Z b =+10,6 m c) Mô phỏng chiều rộng thoát lũ: Trong đoạn sông mẫu đã đợc sơ đồ hoá, tỷ số giữa chiều rộng tuyến thoát lũ (B tl ) và chiều rộng lòng dẫn chính ổn định ( B o ) có các giá trị thay đổi nh sau: B tl /B o = (2 ữ 5) d) Mô phỏng yếu tố nhám trên bãi sông: Giá trị hệ số nhám trên bãi sông đợc chọn thay đổi nh sau: n b = ( 0,03 ữ 0,10). e) Mô phỏng yếu tố cao độ trung bình bãi sông: Cao độ trung bình bãi sông đợc giảm dần từng cấp từ 0,5 m ữ3,5 m 2.3.3. Các sơ đồ tính a) Sơ đồ ban đầu : Bao gồm các sơ đồ tính làm cơ sở so sánh với các sơ đồ tính toán khác đợc mô tả đại diện trong hình vẽ 2.14 a với các thông số: Chiều rộng thoát lũ B tl =2B o ; lòng dẫn chính ổn định có B o =788 m,H o =9,0 m; bán kính cong R c =2B o ữ 5B o và >5B o . b) Các sơ đồ tính toán mô phỏng sự thay đổi của chiều rộng thoát lũ: Chiều rộng tuyến thoát lũ đợc thay đổi theo các giá trị lần lợt là: B tl =2,25B o ữ5B o . Hình vẽ đại diện 2.17a minh hoạ các sơ đồ tính. c) Sơ đồ mô phỏng thay đổi cao độ trung bình bãi sông: Sơ đồ tính có các thông số: Chiều rộng tuyến thoát lũ B tl =2B o ; Bán kính cong R c = 3,5 B o . Giảm dần cao độ trung bình bãi sông từ 0,5 m đến 3,5 m ; 2.3.4 Thiết lập địa hình và luới tính toán a) Thiết lập địa hình cho mô hình tính toán: Hình vẽ mô tả địa hình tính toán cho 1 trờng hợp điển hình ở hình 2.20 và 2.21 b) Xây dựng lới tính toán: Trong mô hình MIKE 21C địa hình đợc chia thành 2 khu vực theo chiều ngang sông gồm phần lòng sông và bãi sông. Các đờng biên dọc khống chế để thiết lập luới tính toán đợc số hoá bám sát các mép phân cách lòng và bãi và mép đê. Lới tính toán của mô hình đã đợc xây dựng bằng các đờng cong trực giao với 600 điểm lới theo chiều dọc sông (chiều j ) và 50 điểm lới theo 12 chiều ngang sông (chiều k). Mô tả lới tính toán cho chi tiết 1 đoạn sông của trờng hợp điển hình đợc thể hiện trong hình 2.22 và 2.23 2.3.5. Biên của mô hình Miền tính toán của mô hình đợc khống chế bởi các biên: a) Biên cứng là hai tuyến đê trái và phải ( đợc mô phỏng theo từng phơng án chiều rộng thoát lũ), có cao trình đảm bảo không có sự trao đổi nớc giữa phía trong và phía ngoài đê. Trên mô hình khoảng cách giữa 2 tuyến đê ( chiều rộng thoát lũ B tl ) sẽ đợc thay đổi. b) Biên lỏng gồm: biên thợng lu cách trạm thuỷ văn Sơn Tây 11 km, biểu diễn dới dạng lu lợng dòng chảy theo một số giá trị Q ổn định; Biên hạ lu tại vị trí Chèm, cách Sơn Tây 33 km, biên này là các giá trị H ổn định. 2.3.6 Kiểm định mô hình Do các điều kiện khách quan, chỉ tiến hành công tác kiểm định mô hình thông qua yếu tố mực nớc. Việc kiểm định mực nớc trong mô hình MIKE 21C đợc dựa trên kết quả tính toán của mô hình thuỷ lực 1 chiều trong nghiên cứu của dự án số 3 thuộc chơng trình lũ (năm 2001), trong nghiên cứu này đã xem xét các phơng án chiều rộng thoát lũ khác nhau trên đoạn Sơn Tây - Hng Yên với B tl = 2B o ữ 3B o . Luận án đã sử dụng kết quả tính toán thuỷ lực từ mô hình 1 chiều với trờng hợp B tl =2B o làm căn cứ để kiểm định mô hình 2 chiều cho phù hợp với sơ đồ tính toán ban đầu, việc kiểm định tiến hành với lu lợng lũ thiết kế tại Sơn Tây Qst = 29.000 m 2 /s đợc thể hiện qua hình 2.24. 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 0 10000 20000 30000 40000 50000 Khoảng cấch (m) Mực nớc (m) MH 1 chiều ( Bt=2Bo) MH 2 chiều ( Bt =2Bo) Sơn tây Chu Liên trì Chèm Hình 2.24 Đờng mực nớc giữa mô hình 2D và 1D với B tl = 2B o 13 2.3.8 Nhiệm vụ tính toán a) Các trờng hợp tính toán Gồm 6 trờng hợp sau: (1) Thay đổi chiều rộng thoát lũ (B tl = 2B o ữ5B o ), bán kính cong R c = 3,5B o , hệ số nhám bãi n b = 0,04; (2) Lần lợt hạ thấp cao độ trung bình bãi sông Z b theo từng cấp từ 0,5m đến 3,5 m, chiều rộng thoát lũ B tl =2B o ; bán kính cong R c = 3,5B o ; hệ số nhám bãi n b = 0,04; (3) Thay đổi bán kính cong (R c =2B o ữ 5B o và >5 B c ), chiều rộng thoát lũ B tl =3 B o , hệ số nhám bãi n b = 0,04; (4) Thay đổi giá trị nhám trên bãi sông (n b = 0,03 ữ0,10), chiều rộng thoát lũ B tl =3 B o ; bán kính cong R c = 3,5B o . (5) Tổ hợp các trờng hợp 1,3 và 4; (6) Tổ hợp các trờng hợp 2 và 3. b) Các giá trị lu lợng tính toán Trong luận án chỉ chọn nghiên cứu trong điều kiện lũ lớn , vì vậy đã tập trung tính toán và phân tích chi tiết cho các trờng hợp lũ Q = 27.000 m 3 /s và 29.000 m 3 /s (mực nớc tại Hà Nội H= (13,mữ13,4 m). c) Sơ đồ mô tả các trờng hợp ( kịch bản) tính toán trên mô hình 2.3.9 Phân tích kết quả Kết quả phân tích thể hiện ở chơng III dới đây trong luận án là các kết quả phân tích cuối cùng thông qua các phân tích trung gian từ kết quả chi tiết của 6 trờng hợp tính toán đã nêu trên. lu lợng lũ lớn 27.000 ữ 29.000 m 3 /s Chế độ Thuỷ lực - Mực nớc - Vận tốc Trờng hợp 1 Thay đổi chiều rộng thoát lũ ( Btl) Trờng hợp 2 Hạ thấp cao độ bãi sông Trờng hợp 3 Thay đổi bán kính cong Trờng hợp 4 Thay đổi nhám bãi sông Trờng hợp 5 Tổ hợp trờng hợp 1,3,4 Trờng hợp 6 Tổ hợp các trờng hợp 2,3 MIKE 21C 14 Chơng III Xây dựng quan hệ giữa các yếu tố hình thái sông với khả năng thoát lũ Từ các kết quả tính toán trong chơng II, trong chơng này nêu lên các kết quả phân tích, thiết lập các quan hệ giữa một số yếu tố hình thái với khả năng thoát lũ của lòng sông. 3.1 Xây dựng các quan hệ giữa từng yếu tố hình thái riêng rẽ với mực nớc lũ 3.1.1 Trờng hợp 1: khi chiều rộng tuyến thoát lũ B tl thay đổi Quan hệ giữa 0 H H (tỷ số giữa mực nớc lũ và mực nớc ngang bãi bên) với 0 B B tl (tỷ số giữa chiều rộng thoát lũ và chiều rộng lòng dẫn chính) thể hiện 1 trờng hợp trên biểu đồ hình 3.1 và biểu thức 3-1. a) Biểu đồ quan hệ Y = -0.0008X 3 + 0.011X 2 - 0.05X + 1.42 1.340 1.345 1.350 1.355 1.360 1.365 1.370 1.375 1.380 11.522.533.544.555.56 Btl/Bo H/Ho Hình 3- 1: Quan hệ 0 H H = f 0 B B với n b =0,04; R c =3,5B o b) Nhận xét Khi tỷ số B tl /B o tiếp đến giá trị từ 2,5 ữ 3,0 trở lên, đờng quan hệ có xu thế thoải dần, sau giá trị 3,5 biểu đồ gần nh nằm ngang. Mặc dù 15 B tl /B o tăng, giá trị H/H o vẫn có xu thế giảm, nhng mức độ giảm rất ít. 3.1.2 Trờng hợp 2 : khi hạ thấp cao trình bãi sông Quan hệ giữa 0 H H (tỷ số giữa mực nớc lũ và mực nớc ngang bãi bên) với 0 Z Z b (tỷ số giữa cao trình bãi của trờng hợp tính và cao trình bãi trung bình ) thể hiện trên hình 3.2 và biểu thức 3-2. a) Biểu đồ quan hệ: y = 0.39x 2 - 0.56x + 1.5 1.27 1.28 1.29 1.3 1.31 1.32 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 Zb/Zo H/Ho Hình 3.2: Quan hệ 0 H H = f 0 Z Z b với Btl = 2B o ; n b =0,04; R c =3,5B o b) Nhận xét: Mực nớc lũ giảm khi cao độ trung bình bãi sông hạ thấp. Tuy nhiên, mực nớc lũ giảm theo xu thế chậm dần khi tiếp tục hạ thấp cao độ bãi sông. 3.1.3 Trờng hợp 3: thay đổi bán kính cong lòng dẫn chính ( R c ) Quan hệ giữa 0 H H (tỷ số giữa mực nớc lũ và mực nớc ngang bãi bên) với R c (là bán kính cong của lòng dẫn chính) thể hiện trên hình 3.3 và biểu thức 3-3. 16 a) Biểu đồ quan hệ y = 0.002x 2 - 0.0213x + 1.4069 1.340 1.345 1.350 1.355 1.360 1.365 1.370 1.375 1.380 11.522.533.544.555.56 Rc H/Ho Hình 3-3: Quan hệ 0 H H = f( R c ) với B tl = 3B o ; n b =0,04 b) Nhận xét: Mực nớc lũ giảm khi bán kính cong của lòng chính tăng lên, xu thế giảm mực nớc lũ chậm dần khi tiếp tục tăng bán kính cong. Khi R c 5B o mực nớc giảm không đáng kể. 3.1.4 Trờng hợp 4 : khi thay đổi giá trị nhám bãi sông n b Quan hệ giữa 0 H H (tỷ số giữa mực nớc lũ và mực nớc ngang bãi bên) với n b (là hệ số nhám bãi sông) thể hiện trên hình 3.4 và biểu thức 3-4. a) Biểu đồ quan hệ: H/Ho = 1.53n 0.04 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4 1.41 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 n H / H o Hình 3.4: Quan hệ 0 H H = f( n b ) với B tl = 3B o ; R c =3,5B o [...]... sông sẽ chỉ làm tăng khả năng thoát lũ trong một giới hạn nhất định Zb gọi là giá trị hạ thấp tới hạn 21 22 Chơng IV ứng dụng kết quả nghiên cứu đề xuất tuyến thoát lũ trên đoạn Sơn tây Hng yên Tuyến thoát lũ cho đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên đợc vạch dựa vào trớc tiên là các kết quả nghiên cứu của luận án, sau đó xem xét một phần tới đặc điểm hiện trạng của đoạn sông Việc xác lập tuyến thoát. .. chung sẽ phức tạp và độ chính xác là có giới hạn 2.2 Khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu của luận án Do việc mô phỏng đoạn sông mẫu trong nội dung nghiên cứu của đề tài dựa trên các số liệu cụ thể về đặc điểm thuỷ văn, thuỷ lực, hình thái lòng dẫn của đoạn sông Hồng từ Sơn tây đến Hng yên, nên các quan hệ hình thái đề xuất trong luận án chỉ mang tính chất tham khảo cho các đoạn sông khác, không thể ứng... dụng mô hình MIKE 21C Ngoài các tính năng và u điểm đã phân tích ở trên, trong 3 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu , giải quyết Nâng cao khả năng thoát lũ cho lòng sông là một công việc nghiên cứu lâu dài và còn tiếp tục trong thời gian tới Trớc mắt cần phải giải quyết các vấn đề sau: 3.1 Nghiên cứu khả năng thoát lũ khi có sự co hẹp mở rộng đột ngột tuyến thoát lũ trên mặt bằng 3.4 Nghiên cứu xây... vực Sơn Tây, Bá giang ( phân đoạn 1,2,3,4,5 ) (4) Các khác biệt đáng kể về chiều rộng tuyến thoát lũ xảy ra ở các đoạn sông có đặc điểm lòng dẫn khá đặc biệt nh : đoạn sông có loại quá trình lòng dẫn sông cong không hoàn chỉnh hoặc sông cong gấp b) Vấn đề thoát lũ tại các đoạn có khoảng cách 2 đê nhỏ Thực tế tại một số đoạn sông từ Sơn Tây - Hng Yên có khoảng cách giữa 2 tuyến đê nhỏ hơn nhiều so với. .. diện tích mặt cắt thoát lũ tại các khu vực sông bị co hẹp bởi tuyến đê Z Z H = 0,39.k1 b 2 - 0,56.k2 b +1,5 Z Z H0 0 0 (3.14) 1.4 Từ các kết quả nghiên cứu mang tỉnh tổng quát, luận án đã ứng dụng để đề xuất tuyến thoát lũ hợp lý trong điều kiện lòng sông hiện tại đã đợc chỉnh trị ổn định cho đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên 2 Các hạn chế v khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu 2.1 Các hạn... định Nghiên cứu của luận án mới chỉ mang tính chất thăm dò và phán đoán xu thế và cần phải tiếp tục nghiên cứu thêm cho nhiều trờng hợp cụ thể trên đoạn sông Hồng Sơn Tây - Hng Yên Vì vậy luận án cha đề xuất việc áp dụng kết quả nghiên cứu này cho một đoạn cụ thể nào trong phạm vi nghiên cứu 23 24 Kết luận v kiến nghị nghiên cứu thuỷ lực sông ngòi nói chung và cụ thể trong nghiên cứu của luận án, mô hình. .. dựng tuyến thoát lũ trong điều kiện xem xét đến chuyển động bùn cát và diễn biến lòng sông 3.5 Nghiên cứu tuyến thoát lũ có xem xét đến việc phân lũ và khi có biến động về tỷ lệ phân lu ở ngã ba sông 25 Những công trình chính gần đây của tác giả đ công bố liên quan đến đề tài luận án 1 Nguyễn Ngọc Quỳnh, Đặng Hoàng Thanh (2000), Phân tích các quan hệ thuỷ văn để đánh giá khả năng thoát lũ trên các sônng... Tuy nhiên, phơng pháp luận và mô hình nghiên cứu sử dụng trong luận án hoàn toàn có thể áp dụng để nghiên cứu, và từ đó xây dựng các quan hệ riêng cho các đoạn sông khác 1 Các kết quả đạt đợc v đóng góp của luận án 1.1 Luận án đã tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu chính về thoát lũ trên đoạn sông từ trớc tới nay và làm rõ các tồn tại và hạn chế của các nghiên cứu đã có 1.2 Luận án đã nắm vững... hệ thống sông Thái bình, Thông tin chuyên đề Khoa học, công nghệ & kinh tế Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, số 9 năm 2000, tr.6-8 2 Nguyễn Ngọc Quỳnh (2000), Đánh giá khả năng thoát lũ đoạn Sơn Tây Cửa Luộc trên sông Hồng qua các thay đổi quan hệ thuỷ văn, Thông tin chuyên đề Khoa học, công nghệ & kinh tế Nông nghiệp & Phát triển nông thôn , số 9 năm 2000, tr 19-21 3 Nguyễn ngọc Quỳnh, Nghiên cứu. .. 0.95 b) Biểu thức quan hệ Trong đó kR và a là các hệ số phụ thuộc vào bán kính cong lòng sông chính Rc Các giá trị kR và a có thể lấy từ bảng 3-3 dới đây: Rc=3.5Bo 0.9 Rc=5Bo - Biểu thức quan hệ tổng quát Từ các biểu thức mô tả các quan hệ riêng rẽ trên, đã xây dựng Rc =2Bo 0.8 0.85 Zb/Zo Rc=3.5Bo Hình 3.9: Quan hệ Nhận thấy rằng, các quan hệ trên đều có dạng tuyến tính Nh vậy, ứng với 1 giá trị Bo . Nguyễn ngọc Quỳnh Nghiên cứu xác lập quan hệ hình thái lòng sông với khả năng thoát lũ trên đoạn sông Hồng từ Sơn tây đến Hng yên Chuyên ngành: Chỉnh trị sông và bờ biển M số:. sông Hồng từ Sơn Tây đến Hng Yên Các kết luận rút ra từ các nghiên cứu là: a) Khả năng thoát lũ của đoạn sông bị suy giảm đánh kể: Từ năm 1960 đến nay, khả năng thoát lũ của đoạn sông đã. (1) Tổng quan các nghiên cứu về khả năng thoát lũ của dòng sông. (2) Phơng pháp luận và mô hình nghiên cứu. (3) Xây dựng quan hệ giữa các yếu tố hình thái sông với khả năng thoát lũ. (4) ứng