Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước hợp lý vào sông đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước và tạo dòng chảy thư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN KHẮC THẠC NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỬA LẤY NƯỚC VÀO SƠNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN CHO SÔNG ĐÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN KHẮC THẠC NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỦA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN CHO SÔNG ĐÁY Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.GS.TS Phạm Thị Hương Lan 2.GS.TS Tan Soon Keat HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Trần Khắc Thạc i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể thầy hướng dẫn cho em suốt trình học tập nghiên cứu GS.TS Phạm Thị Hương Lan, GS.TS Tan Soon Keat định hướng sát NCS trình học tập nghiên cứu, tập thể Thầy hướng dẫn cịn tạo điều kiện kinh phí để NCS tham gia hội thảo quốc tế ngành nước Singapore, tham gia nhiều đề tài nghiên cứu khoa học cấp NCS xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy/Cơ Ban Giám Hiệu, Phịng Đào tạo ĐH&SĐH, Bộ mơn Kỹ thuật sông Quản lý thiên tai – Khoa Thủy văn Tài nguyên nước, Phòng Hợp tác Quốc tế - Trường Đại học Thủy lợi tạo điều kiện để NCS học tập nâng cao trình độ Singapore Nhật Bản tạo điều kiện thời gian động viên để NCS hồn thành q trình học tập nghiên cứu Từ đáy lịng em xin cảm ơn đến GS, PGS, TS nhà khoa học ngồi Trường ln góp ý chun mơn cho NCS suốt trình nghiên cứu đặc biệt gian đoạn hoàn thiện luận án Và đặc biệt, NCS xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè ln động viên, khích lệ để NCS hồn thành luận án tiến sĩ ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………….1 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CƠNG TRÌNH LẤY NƯỚC TRÊN SÔNG 1.1 Các nghiên cứu giới 1.1.1 Về nghiên cứu phân loại CTLN 1.1.2 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN: 1.1.3 Về nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước: .12 1.1.4 Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu lấy nước: .13 1.1.5 Nhận xét chung nghiên cứu giới có liên quan đến nội dung luận án .14 1.2 Các nghiên cứu nước 15 1.2.1 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN: 15 1.2.2 Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu lấy nước: .16 1.2.3 Các nghiên cứu có liên quan đoạn sơng Hồng qua Hà Nội .17 1.2.4 Nhận xét chung nghiên cứu nước có liên quan đến nội dung luận án .27 1.3 Tổng quan khu vực nghiên cứu 28 1.3.1 Vị trí khu vực nghiên cứu 28 1.3.2 Đặc điểm địa hình .30 1.3.3 Đặc điểm địa chất, địa mạo .30 1.3.4 Đặc điểm khí tượng, thủy văn 31 1.3.5 Cụm cơng trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận 33 1.4 Định hướng nghiên cứu luận án 35 1.5 Kết luận chương 37 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN LỰA CHỌN VỊ TRÍ LẤY NƯỚC HỢP LÝ ĐẢM BẢO YÊU CẦU LẤY NƯỚC MÙA KIỆT VÀ THOÁT LŨ……………………………………………………………………… …38 2.1 Đánh giá trạng số cơng trình lấy nước dọc sông Hồng địa bàn Hà Nội 38 iii 2.1.1 Hiện trạng số cơng trình lấy nước địa bàn Hà Nội .38 2.1.2 Nguyên nhân yếu tố ảnh hưởng đến khả lấy nước công trình lấy nước số cống năm gần địa bàn Hà Nội 44 2.2 Cơ sở lý thuyết dòng phân tầng/dòng dị trọng khu vực cửa lấy nước 50 2.2.1 Hệ phương trình dòng phân tầng/dòng dị trọng .50 a Phương trình chuyển động 50 b Phương trình liên tục 55 c Phương trình hồn lưu dịng phân tầng .55 2.2.2 Phân tích lựa chọn mơ hình tốn mơ dịng chảy diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước 56 2.3 Đề xuất tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước thích hợp 64 2.4 Kết luận chương 70 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỊ TRÍ CỬA LẤY NƯỚC VÀO SƠNG ĐÁY………………………………………………………………………… 72 3.1 Thiết lập mơ hình mơ kịch tính tốn phục vụ xác định vị trí lấy nước hợp lý khu vực cửa vào sông Đáy 72 3.2 Ứng dụng mơ hình tốn MIKE3FM mơ chế độ thủy lực, diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy .76 3.2.1 Xác định phạm vi miền tính tốn khu vực nghiên cứu 76 3.2.2 Thiết lập hệ thống lưới tính tốn .77 3.2.3 Thiết lập địa hình tính toán .77 3.2.4 Thiết lập CSDL biên CSDL hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 80 3.2.5 Thiết lập mơ hình MIKE11 mơ dịng chảy bùn cát làm số liệu đầu vào tính tốn cho mơ hình MIKE3FM 85 3.2.6 Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy động lực MIKE3FM 96 3.2.7 Kết mô diễn biến lịng dẫn khu vực cửa vào sơng Đáy với điều kiện cơng trình trạng .102 3.2.8 Kết đánh giá khả lấy nước cống Cẩm Đình trạng .106 3.2.9 Định hướng giải pháp bổ sung cấp nước mùa kiệt cấp nước thường xuyên cho lưu vực sơng Đáy, nâng cao khả lũ 111 3.3 Kết tính tốn diễn biến lòng dẫn đánh giá khả lấy nước khu vực cửa vào sông Đáy theo kịch lấy nước khác 113 iv 3.3.1 Kết đánh giá khả lấy nước vị trí cơng trình lấy nước khác nhau…………………………………………………………………………….113 3.3.2 Đánh giá diễn biến lịng dẫn theo kịch vị trí lấy nước khác 118 3.4 Đề xuất vị trí lấy nước hợp lý đảm bảo yêu cầu lấy nước lũ khu vực cửa vào sơng Đáy 128 3.4.1 Xác định vị trí cửa lấy nước ổn định cấp nước theo yêu cầu 128 3.4.2 Đề xuất vị trí lấy nước thích hợp theo tiêu chí đảm bảo hàm lượng bùn cát………………………………………………………………………………131 3.4.3 Kiến nghị đề xuất vị trí lấy nước hợp lý vùng cửa vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt thoát lũ 132 3.5 Kiến nghị số giải pháp nâng cao khả cấp nước mùa kiệt lũ cống Cẩm Đình 134 3.5.1 Các giải pháp phi cơng trình 135 3.5.2 Giải pháp cơng trình 138 3.6 Kết luận chương 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………… 141 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Lưu vực sơng Đáy vị trí khu vực nghiên cứu 29 Hình Hình Cụm cơng trình đầu mối phân lũ sơng Đáy 33 Hình 2.1 Vị trí địa hình cống Liên Mạc………………………………………… 39 Hình 2.2 Vị trí địa hình cống Xn Quan 41 Hình 2.3 Vị trí địa hình cống Cẩm Đình 42 Hình 2.4 Vị trí cống trạm bơm Phù Sa 43 Hình 2.5 Mặt cắt dọc dịng phân tầng khơng theo hai chiều ba chiều 51 Hình 2.6 Lưu vực sơng Đáy vị trí khu vực nghiên cứu 29 Hình 2.7 Cụm cơng trình đầu mối phân lũ sông Đáy 33 Hình 3.1 Kịch tính tốn 73 Hình 3.2 Vị trí cửa lấy nước Cẩm Đình cũ (vị trí 1), Cẩm Đình (vị trí 2), cách vị trí Cẩm Đình cũ 600m phía hạ lưu theo kịch tính tốn mơ mơ hình MIKE3FM .75 Hình 3.3 Vị trí cửa lấy nước (vị trí 3) theo kịch tính tốn mơ mơ hình MIKE3FM .75 Hình 3.4 Phạm vi miền tính tốn biên mơ hình 76 Hình 3.5 Lưới tính tốn khu vực nghiên cứu .77 Hình 3.6 Địa hình mơ đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sơng Đáy 78 Hình 3.7 Mơ cơng trình mơ hình MIKE3FM khu vực nghiên cứu 79 Hình 3.8 Phân giải theo chiều sâu dịng chảy mơ hình MIKE3 80 Hình 3.9 Sơ đồ vị trí mặt cắt hiệu chính, kiểm định mơ hình 81 Hình 3.10 Sơ đồ mạng thủy lực mùa kiệt sông Hồng – Sông Thái Bình .86 Hình 3.11 Sơ đồ mạng thủy lực mùa lũ sơng Hồng – Sơng Thái Bình 92 Hình 3.12 Kết hiệu chỉnh lưu lượng bùn cát trạm Thượng Cát Hà Nội cho trận lũ năm 1996 .95 Hình 3.13 Kết kiểm định lưu lượng bùn cát trạm Thượng Cát Hà Nội cho trận lũ năm 2002 95 Hình 3.14 Tương quan lưu lượng nước lưu lượng bùn cát tính toán thực đo mặt cắt MC-1 thời đoạn lũ năm 1996 101 vi Hình 3.15 Tương quan lưu lượng nước lưu lượng bùn cát tính tốn thực đo mặt cắt MC-1 thời đoạn lũ năm 2002 101 Hình3.16 Thay đổi cao trình lịng dẫn theo chiều dọc đoạn sông nghiên cứu trường hợp lấy nước mùa kiệt 104 Hình3.17 Thay đổi cao trình lịng dẫn theo chiều dọc đoạn sơng nghiên cứu 106 Hình 3.18 Mực nước nhỏ tính tốn dọc sơng Đáy ứng với mức đưa nước vào sông Đáy từ 30 - 100m3/s - Trường hợp kiệt 2003 - 2004 .107 Hình 3.19 Quá trình mực nước cống Cẩm Đình năm kiệt 2003 - 2004 107 Hình 3.20.Mực nước sơng Hồng cửa cống Cẩm Đình lưu lượng vào sơng Đáy .108 Hình 3.21 Mực nước nhỏ tính tốn dọc sơng Đáy ứng với mức đưa nước vào sông Đáy từ 450m3/s 110 Hình 3.22 Mực nước tính tốn dọc sơng Đáy ứng với trường hợp tính tốn cống lấy nước Cẩm Đình .113 Hình 3.23 Mực nước tính tốn dọc sơng Đáy ứng với trường hợp tính tốn cống lấy nước Vân Cốc 114 Hình 3.24 Mực nước tính tốn dọc sơng Đáy ứng với trường hợp tính tốn cống lấy nước Hát Mơn 114 Hình3.25 Mực nước lớn tính tốn số vị trí dọc sơng Đáy đưa nước với Q = 450m3/s +sơng Tích 60m3/s, lịng dẫn sông cải tạo 115 Hình 3.26 Phân bổ trường vận tốc khu vực kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, dịng chảy kiệt năm 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q = 100m3/s) .119 Hình 3.27 Phân bố trường vận tốc khu vực cống đầu mối Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, dòng chảy kiệt năm 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q=100m3/s) 119 Hình 3.28 Mức độ bồi xói lịng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình khu vực cửa vào sơng Đáy ngày 20/03, dòng chảy kiệt 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q = 100m3/s) 120 vii Hình 3.29 Mức độ bồi xói lịng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 16h ngày 20/04, dòng chảy kiệt 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q=100m3/s) .120 Hình 3.30 Phân bố trường vận tốc khu vực kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, trường hợp đưa nước thường xuyên Q = 450m3/s – năm 1996 121 Hình 3.31 Phân bố trường vận tốc khu vực cống đầu mối Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, trường hợp đưa nước thường xuyên Q = 450m3/s – năm1996 122 Hình 3.32 Mức độ bồi xói lịng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 16h ngày 20/03 (Q = 450m3/s) 122 Hình 3.33 Mức độ bồi xói lịng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 16h ngày 20/04 (Q = 450m3/s) 123 Hình 3.34 Tốc độ bồi xói lịng dẫn sơng đoạn sơng Hồng, khu vực cửa vào kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04 (Q = 450m3/s) .124 Hình 3.35 Vận chuyển bùn cát lơ lửng cống Cẩm Đình dọc kênh Cẩm Đình (Q=450m3/s) 124 Hình 3.36 Mức độ xói bồi lịng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 10/7/1996 .125 Hình 3.37 Mức độ xói bồi lịng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 10/08/1996 126 Hình 3.38 Phân bố trường vận tốc khu vực cống Cẩm Đình, cơng trình phân lũ Hát Môn, cống Hiệp Thuận thời điểm 8h ngày 10/07 127 Hình 3.39 Thay đổi mặt cắt vị trí mặt cắt, khu vực cửa vào kênh Cẩm Đình .128 Hình 3.40 Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - mực nước sơng Hồng cửa cống - Góc lấy nước mùa kiệt 129 Hình 3.41 Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - Mực nước sơng Hồng cửa cống - Chiều dài đoạn sông cong mùa kiệt 130 Hình 3.42 Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - Mực nước sơng Hồng cửa cống - Chiều dài kênh dẫn .131 Hình 3.43 Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - Mực nước sông Hồng cửa cống – Lưu lượng bùn cát mùa lũ .131 Hình 3.44 Tương quan lưu lượng mực nước Cống Cẩm Đình mùa kiệt .134 viii Phụ lục hình 21: Kết hiệu chỉnh mực nước trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC7 Phụ lục hình 22: Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC1 Phụ lục hình 23: Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC2 156 Phụ lục hình 24: Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC3 Phụ lục hình 25: Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC4 157 Phụ lục hình 26: Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC5 Phụ lục hình 27: Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC6 Phụ lục hình 28:Kết hiệu chỉnh lưu lượng trận lũ năm 1996 MIKE3FM MIKE 11 MC7 158 Phụ lục hình 29: Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC1 Phụ lục hình 30: Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC2 Phụ lục hình 31: Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC3 159 Phụ lục hình 32: Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC4 Phụ lục hình 33:Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC5 Phụ lục hình 34 Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC6 160 Phụ lục hình 35: Kết kiểm định mực nước trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC7 Phụ lục hình 36: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC1 Phụ lục hình 37: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC2 161 Phụ lục hình 38: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC3 Phụ lục hình 39: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC4 Phụ lục hình 40: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC5 162 Phụ lục hình 41: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC6 Phụ lục hình 42: Kết kiểm định lưu lượng trận lũ năm 2002 MIKE3FM MIKE 11 MC7 163 Phụ lục hình 43: Vận tốc dịng chảy khu vực cống Cẩm Đình (kiệt năm 2004Qkiệt=100m3/s-theo kịch trạng Phụ lục hình 44: Độ sâu mực nướckhu vực cửa vào sông Đáy thời điểm 8h ngày 20/04,(kiệt năm 2004-Qkiệt=100m3/s- theo kịch trạng 164 Phụ lục hình 45 Vận tốc dịng chảy theo thủy trực mặt cắt ngang thời điểm 8h ngày 22/03, trường hợp dòng chảy kiệt năm 2004 - theo kịch trạng Phụ lục hình 46: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sơng Đáy (Trường hợp dịng chảy mùa kiệt-mặt cắt ngang MC1)- theo kịch trạng Phụ lục hình 47: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sông Hồng khu vực cửa vào sông Đáy (Trường hợp dòng chảy mùa kiệt-mặt cắt ngang MC2) - theo kịch trạng 165 Phụ lục hình 48: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sơng Đáy (Trường hợp dịng chảy mùa kiệt-mặt cắt ngang MC3) - theo kịch trạng Phụ lục hình 49: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sông Hồng khu vực cửa vào sông Đáy (Trường hợp dòng chảy mùa kiệt-mặt cắt ngang MC4) - theo kịch trạng Phụ lục hình 50: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sơng Đáy (Trường hợp dịng chảy mùa kiệt-mặt cắt ngang MC5) - theo kịch trạng 166 Phụ lục hình 51: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sơng Đáy (Trường hợp dịng chảy mùa kiệt-mặt cắt ngang MC6) - theo kịch trạng Phụ lục hình 52: Diễn biến xói bồi lịng dẫn đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sơng Đáy 167 Phụ lục hình 53: Diễn biến xói bồi lịng dẫn theo chiều dọc đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sông Đáy (Trường hợp lũ 500 năm dạng lũ 1996)- cơng trình Cẩm Đình Phụ lục hình 54: Diễn biến xói bồi lịng dẫn theo chiều dọc đoạn sông Hồng khu vực cửa vào sông Đáy (Trường hợp lũ 500 năm dạng lũ 1996)- cơng trình Vân Cốc 168 Phụ lục hình 55: Diễn biến xói bồi lịng dẫn theo chiều dọc đoạn sơng Hồng khu vực cửa vào sông Đáy (Trường hợp lũ 500 năm dạng lũ 1996) - cơng trình Hát Môn 169 170