Nghiên cứu hiệu quả của một số giải pháp công trình điều chỉnh lưu lượng tại nút phân lưu sông hồng sông đuống

LỜI CẢM ƠN  Luận văn thạc sỹ kỹ thuật“Nghiên cứu hiệu số giải pháp cơng trình điều chỉnh lưu lượng nút phân lưu sông Hồng – sơng Đuống"được hồn thành nhờ hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn Ngọc Quỳnh cùngvới đồng nghiệp Trung tâm Động lực sông – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ gia đình ngườithân Tác giả xin cảm ơn thầy cô Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Cơng trìnhđã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Cảm ơn lãnh đạo Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc Gia Động LựcHọc Sông Biển; Cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp Trung tâm động lực sơng tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện tốt cho tác giả trình học tập làm luậnvăn Cảm ơn động viên giúp đỡ, chia sẻ, cổ vũ tinh thần người thân, giađình bạn bè để tác giả hồn thành luận văn Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn khơng thể tránh nhữngthiếu sót nên tác giả mong nhận ý kiến chia sẻ, đóng góp thầy cô, bạn bè đồng nghiệp để luận văn đáp ứng mục tiêu đề Hà Nội, tháng 10 năm 2014Tác giả luận văn Nguyễn Mạnh Hoàng BẢN CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, kết nghiên cứu thân, hướng nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu phát sinh thực tế kinh nghiệm thân tích lũy thời gian làm việc Các số liệu thu thập kết trích dẫn để phục vụ tính tốn có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ nguyên tắc Các kết trình bày luận văn khơng trùng lặp với kết công bố trước Hà Nội, Tháng 10 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Mạnh Hoàng MỤC LỤC MỞĐẦU I ĐẶTVẤNĐỀ II Mục đích củađềtài III PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦALUẬNVĂN Phạm vinghiêncứu .4 Đối tượngnghiêncứu IV PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU IV CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦALUẬNVĂN CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM CHUNG VÀ TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ KHU VỰC PHÂN LƯU SÔNG HỒNG –SÔNGĐUỐNG 1.1 ĐẶC ĐIỂM KHU VỰCNGHIÊNCỨU 1.1.1 Vị trí địa lýđoạnsơng 1.1.2 Các đặc trưng chế độ thủy văn,thủylực 1.1.3 Điều kiệnđịachất 1.1.4 Cácc n g t r ì n h x â y d ự n g t r ê n v l â n c ậ n k h u v ự c p h â n l u s ô n g Hồng –sôngĐuống 10 1.2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ PHÂN LƯU VÀ CÁCNGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN PHÂN LƯU SÔNG HỒNG – SÔNGĐUỐNG 15 1.2.1 Tình hình nghiên cứungồinước .15 1.2.2 Tình hình nghiên cứutrongnước .18 1.2.3 Những vấn đề nghiên cứu luận văn cầnđặtra 27 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG TỶ LỆ PHÂN LƯU TỪSÔNG HỒNG VÀO SÔNG ĐUỐNG VÀ CÁC TÁC ĐỘNG ĐẾN QUẢN LÝKHAI THÁCDỊNGSƠNG 28 2.1 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG TỶ LỆ PHÂN LƯU TỪ SÔNGHỒNG VÀOSÔNGĐUỐNG 28 2.1.1 Các số liệu sử dụng chophântích 28 2.1.2 Phân tích biến động tỷ lệ phân lưu từ sông Hồng vào sông Đuốngtheo số liệuthựcđo 30 2.1.3 Tỷ lệ phân lưu từ sơng Hồng vào sơng Đuống theo cáctínhtốn .36 2.2 PHÂNTÍCH,ĐÁNHGIÁBIẾNĐỘNGCÁCQUANHỆTHỦYVĂN, LỊNG DẪN KHU VỰC PHÂN LƯU HỒNG-ĐUỐNG 37 2.2.1 Biến động quan hệ thủy văn trênsơngĐuống 37 2.2.2 Biến động lịng dẫn khu vực phân lưu Hồng-Đuống 39 2.3 TÁC ĐÔNG CỦA SỰ GIA TĂNG TỶ LỆ PHÂN LƯU VÀO SÔNGĐUỐNG 46 2.3.1 Tác động đến công tác quản lý phòngchốnglũ 46 2.3.2 Tác động đến khả cấp nướcmùakiệt .47 2.4 KẾTLUẬNCHƯƠNG 48 2.4.1 Biến động thủy văn, thủy lực mang tínhđộtbiến 48 2.4.2 Biến động lịng dẫn với xu xói sâu cửa vào ổn địnhmom phân lưu Bắc Cầu ( nằm sông Hồng vàsôngĐuống) 48 2.4.3 Vấn đề phải giải biện pháp cầnthựchiện 49 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT ĐỊNH HƯỚNG CÁC GIẢI PHÁP CƠNG TRÌNHHẠN CHẾ LƯU LƯỢNG TẠI NÚT PHÂN LƯU SÔNG HỒNG – SÔNGĐUỐNG 50 3.1 CĂN CỨ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁPCHỈNHTRỊ .50 3.1.1 Theo yêu cầu hạn chế giảm tỷ lệ phân lưu vàosôngĐuống 50 3.1.2 Theo yêu cầu đảm bảo ổn định lịng dẫn (lịng sơng, bờ sơng) khuvực cửa góp phần ổn định tỷ lệ phân lưu vàosôngĐuống 51 3.2 ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁPCHỈNHTRỊ .51 3.2.1 Nhiệm vụ phạm vi củacơngtrình 52 3.2.2 Phân tích đề xuất giải phápcơngtrình 52 3.2.3 Xây dựng phương án kịch nghiên cứu đánh giá hiệu quảhạn chếtỷlệ phân lưu dựa giải pháp cơng trìnhđềxuất 54 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH HIỆU QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁPCƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ NHẰM HẠN CHẾ LƯU LƯỢNG VÀ ỔN ĐỊNHCỬA VÀOSÔNG ĐUỐNG 59 4.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU .59 4.2 GIỚI THIỆU VỀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠHÌNHVẬT LÝL Ị N G CỨNG 60 4.2.1 Nhiệm vụ mơ hìnhvậtlý 60 4.2.2 Phạm vi thiết lậpmơhình 60 4.2.3 Thiết kế , xây dựng chế tạomơhình 62 4.3 CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CƠNG TRÌNH ỔN ĐỊNH CỬA VÀO VÀHẠN CHẾ TỶ LỆ PHÂN LƯU VÀOSÔNGĐUỐNG 90 CHƯƠNG 4.3.1 CƠNG TRÌNH KÈ PHÂN LƯU ĐẦU MOMBẮCCẦU .90 4.3.2 CƠNG TRÌNH LẤP HỐ XĨI CỬA VÀOSƠNGĐUỐNG .93 KẾT LUẬN VÀKIẾNNGHỊ 95 I KẾTLUẬN .95 II KIẾNNGHỊ 96 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tần suất mực nước ngày giai đoạn 1999-2008 trạm thủy văn lâncận khu vực phân lưu sông Hồng –sôngĐuống Bảng 1.2: Giá trị đặc trưng bùn cát qua cácthờikỳ Bảng 1.3: Cấu tạo địachấtmặt .10 Bảng 1.4: Tổng hợp cơng trình ngànhthủylợi 11 Bảng 1.5: Hệ thống mỏ hàn Tứ Liên -TrungHà .12 Bảng 1.6: Hệ thống mỏ hànThạchCầu 12 Bảng 1.7: Hệ thống mỏ hàn xây dựng Phú Gia -TứLiên 13 Bảng 1.8: Hệ thống mỏ hàn cọc xây dựng bãiTầmXá .14 Bảng 1.9: Tỷ lệ phân lưu sông Hồng nghiên cứutrướcđây 20 Bảng 1.10: Tỷ lệ phân lưu sơng Thái Bình nghiên cứutrướcđây 21 Bảng 1.11: Tỷ lệ phân lưu vào sông Đuống theo kết phân tich đề tài KC08/06-10 ( năm2010) .21 Bảng 1.12: Tỷ lệ phân lưu vào sông Đuống quy hoạch thủy lợi đồng bằngsông Hồng (năm2012) 22 Bảng 2.1: Tỷ lệ phân lưu vào sông Đuống theo đặc trưnglưulượng .31 Bảng 2.2: So sánh tỷ lệ phân lưu vào sông Đuống cácthờikỳ 33 Bảng 2.3: Tỷ lệ phân lưu (%) vào sông Đuống mùa lũ mùa kiệt từ phântích số liệu thực đo nămgầnđây 34 Bảng 2.4: Tỷ lệ phân lưu vào sông Đuống ứng với cấp Q tổng sông Hồngtrướcphânlưu 35 Bảng 2.5: Tỷ lệ phân lưu (%) vào sơng Đuống tính mơ hình tốn mơ hìnhvật lý với kịch thủy văn khác (địahình2012) 36 Bảng 2.6: Mực nước thời kỳ ứng với cấp lưu lượng trạmThượngCát .37 Bảng 2.7: Diễn biến cao độ trung bình đáy sơng bồi xói trênsơngHồng 42 Bảng 2.8: Diễn biến cao độ trung bình đáy sơng bồi xói trênsơngĐuống 44 Bảng 2.9: Tổng hợp kết tính tốn gần tỷ lệ phân lưumùalũ .46 Bảng 2.10: Tỷ lệ phân lưu (%) mùa lũ vàosôngĐuống 46 Bảng2.11:Lư u lượng,mựcnướctrênsôngHồng,sôngĐuốngứngvớimựcnước +2,2 m Hà Nội đảm bảo yêu cầu cấpnướctưới 47 Bảng 3.1: Bảng tổng hợp thơng số giải phápcơngtrình 55 Bảng 3.2: Tổng hợp đề xuất phương ánnghiêncứu 56 Bảng 3.3: Các kịch thủy thủy văn, thủy lựctínhtốn .57 Bảng 3.4: Tổng hợp phương án kịchbảntính 58 Bảng 4.1: Các vị trí kiểm địnhmựcnước .68 Bảng 4.2: Kết kiểm định mực nước mơ hình - kiệt thựcđo2011 69 Bảng 4.3: Kết kiểm định mực nước mơ hình - lũ thựcđo2011 69 Bảng 4.4: Kết kiểm định mực nước mơ hình - lũmax2008 70 Bảng 4.5: Kiểm định vận tốc kiệt 2011 3tuyếnđo .71 Bảng 4.6: Kiểm định vận tốc mùa lũ 2011 3tuyếnđo 72 Bảng 4.7: Kết tính tóan tỷ lệ phân lưu phương án PA1 với phương án chitiết chiều dài kè phân lưukhácnhau 76 Bảng 4.8: Kết tính vận tốc ( trích Vmax) phương án PA1 với phươngán chi tiết chiều dài kè phân lưukhácnhau 76 Bảng 4.9: Kết tính tóan tỷ lệ phân lưu phương án PA2 với phươngán chi tiết cao trình lấp hố xóikhácnhau 79 Bảng 4.10: Kết tính tóan vận tốc so chọn cho PA với phương án caotrình lấp hố xói khác đoạn cửa vàosơngĐuống 79 Bảng 4.11: Mô tả thông số cácphươngán 82 Bảng 4.12: Kết đo đạc, phân tích tỷ lệ phân lưu cácphươngán 85 Bảng 4.13: Kết tính tốn vận tốc lớn khu vực cửa vàosơngĐuống 85 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Vị trí khu vực phân lưu sơng Hồng–Đuống Hình 1.1: Các địa danh dọc theo đoạn sôngnghiêncứu Hình 1.2: Biểu đồ mực nước cực trị trạm Hà Nội quacácnăm Hình 1.3: Cơng trình chỉnh trị xây dựng lân cận phân lưu Hồng–Đuống 11 Hình 1.4: Sơ đồ bố trí cụm cơng trình chỉnh trị Phú Gia – Tứ Liên xây dựng trênsông Hồng đoạnHàNội 13 Hình 2.1: Biểu đồ mơ tả biến động quan hệ Q-H tạiThượngCát 37 Hình 2.2: Biến động mặt khu vực phân lưu Hồng - Đuống (1991-2003) .39 Hình 2.3: Biến động mặt khu vực phân lưu Hồng - Đuống (2000-2011) .39 Hình 2.4: Diễn biến mặt cắt ngang điển hình sơng Hồng – đoạnphânlưu 41 Hình 2.5: Diễn biến dọc sông Hồng – đoạnphânlưu 41 Hình 2.6: Diễn biến số mặt cắt ngang cửa vàosơngĐuống 43 Hình 2.7: Diễn biến dọcsôngĐuống .44 Hình 2.8: Hiện trạng xói sâu lịng sơng khu vực cửa vàosơngĐuống 45 Hình 3.1: Hiện trạng xói sâu lịng sơng khu vực cửa vào sơng Đuống sạt lở momphân lưu bãiBắcCầu 51 Hình 3.2: Mặt bố trí giải pháp cơng trình (lấp hố xói kèphânlưu) 55 Hình 4.1: Phạm vi thiết lập mơ hình vật lý đoạn phân lưu sông Hồng – sôngĐuống 61 Hình 4.2: Mơ tả bố trí mặt mơ hìnhvậtlý .62 Hình 4.3: Thiết kế mặt mơ hình đoạn sơng ngã ba Hồng-Đuống 66 Hình 4.4: Xây dựng chế tạo mơ hìnhtổngthể .67 Hình 4.5: Biểu đồ phân bố V mùa kiệt năm 2011 (thời điểm 19hngày03/12) 72 Hình 4.6: Biểu đồ phân bố V mùa lũn ă m 2011 74 Hình 4.7: Vị trí mặt cắt trích kết đo đạc trênmơhình 75 Hình 4.8: Mặt mơ tả phương án PA1: kè phân lưuBắcCầu 75 Hình 4.9: Mơ tả phương án đại diện PA1 mơ hìnhvậtlý 76 Hình 4.10: Mặt mơ tả phương án PA1b: lấp hố xói cửa vàosơngĐuống .78 Hình 4.11: Mơ tả phương án đại diện PA1B mơ hìnhvậtlý 79 Hình 4.12: Hình ảnh thí nghiệm phươngánPA3 84 Hình 4.13: Biểu đồ phân bố vận tốc thủy trực tuyến đo trênmặtbằng 87 Hình 4.14: Mặt cơng trình kèphânlưu 91 Hình 4.15: Mặt cắt ngang kèphânlưu 92 Hình 4.16: Mặt cắt dọc kèphânlưu .92 Hình 4.17: Mặt bố trí cơng trình lấp hố xói cửa vàosơngĐuống 93 Hình 4.18: Mặt cắt ngang lấp hố xói cửa vàosôngĐuống 94 MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤNĐỀ Sơng Hồng có phân lưu chuyển nước phù sa sang hệ thống sơng Thái Bình, sông Đuống sông Luộc, theo tài liệu thực đo tính tốn nhiều năm, qua hai phân lưu tổng cộng khoảng 35% - 40% lượng lũ sông Hồng chuyển qua hệ thống sơng Thái Bình trung bình lớn gấp lần lượng lũ sinh từ thân lưu vực sơng Thái Bình, lượng lũ sông Hồng sông Đuống chuyển sang thường lớn gấp lần lượng lũ từ thượng lưu sơng Thái Bình đổ về, tổ hợp lũ hạ du sơng Thái bình phức tạp, phụ thuộc lớn vào lũ sông Hồng, năm lũ sơng Hồng lớn, lũ hạ du sơng Thái Bình lớn Các nghiên cứu tỷ lệ phân lưu sông Hồng vào sông Đuống rằng, hàng chục năm qua, trước có hồ chứa thượng nguồn tỷ lệ có biến động đáng kể, theo kết nghiên cứu trước đây, so sánh thời kỳ (1988-1992) với thời kỳ (1961-1970) cho thấy: - VớiQHN=10.000 m3/s, lưu lượng vào sông Đuống tăng khoảng500m3/s - VớiQHN= 15.000 m3/s , lưu lượng vào sông Đuống tăng 1000m3/s - VớiQHN= 20.000 m3/s, lưu lượng vào sông Đuống tăng 1500m3/s Các kết nghiên cứu giai đoạn 1998 - 2000 Viện KHTL cho kết luận sau biến động tỷ lệ phân lưu sông Hồng sông Đuống hai thời kỳ (1981 -1989) (1991 - 1998) so sánh với thời kỳ (1961 - 1969); - VớiQHN= 5.000 m3/s, lưu lượng vào sông Đuống tăng 1,03% và1,1% - VớiQHN= 10.000 m3/s, lưu lượng vào sông Đuống tăng 3,0% và3,6% - VớiQHN= 15.000 m3/s, lưu lượng vào sông Đuống tăng 4,6% và5,0% - VớiQHN= 20.000 m3/s lưu lượng vào sông Đuống tăng 4,3% và4,6% Trong năm gần đây, tỷ lệ phân lưu từ sơng Hồng vào sơng Đuống lại có biến động gia tăng bất thường Các kết nghiên cứu gần đưa số liệu phân tích để minh chứng cho điềunày: - Nghiên cứu trường Đại học Thủy lợi kết luận rằng: năm gần tiếp tục xu gia tăng tỷ lệ phân lưu vào sông Đuống kể mùa lũ vàmùakiệt,tỷlệphânlưuvàosơngĐuốngtrongmùalũtừnăm2000đếnnayliên tục tăng, trung bình khoảng 32% – 34% (tăng khoảng – 4% so với trước năm 1998); mùa kiệt, tỷ lệ phân lưu vào sơng Hồng khơng thấy có biến động đáng kể nhiên tỷ lệ phân lưu sang sông Đuống hầu hết tháng năm có xu tăng giai đoạn 2002-2008 Đi theo biến động tỷ lệ phân lưu biến động quan hệ Q-H trạm thủy văn sau phân lưu sông Hồng – sông Đuống, mùa lũ so sánh năm 2007-2008 với thời kỳ trước năm 1998, trạm Hà nội thể gia tăng mực nước H với cấp lưu lượng Q, xu gia tăng mực nước H không rõ rệt so với giai đoạn năm 2000 –2002; mùa kiệt quan hệ QH lại có biến động lớn, trạm Hà Nội cấp lưu lượng 1000 m 3/s, mực nước năm 2007-2008 hạ thấp 1,0 – 1,1 m so với năm 2001-2002, trạm Thượng Cát sông Đuống cấp lưu lượng 600 m 3/s, mực nước vào năm 2007- 2008 hạ thấp 2,0 – 2,2 m so với năm2001-2002 Bên cạnh biến động tỷ lệ phân lưu, biến động chế độ thủy lực, địa hình, lịng dẫn sơng Hồng trước phân lưu sông Hồng – sông Đuống cửa vào sông Đuống phức tạp Trong năm gần đây, sông Hồng thượng hạ lưu cửa Đuống xảy biến động lòng dẫn đáng kể, xói lở xảy liên tục bờ trái Tầm Xá thượng lưu cửa Đuống đoạn bờ trái từ cầu Long Biên đến hạ lưu cầu Chương Dương (khu vực Bồ Đê, Ngọc Lâm ) chưa có dấu hiệu dừng lại Tại cửa vào sơng Đuống năm từ 2007 đến nay, xói lở lại xảy mạnh hai bên đầu bãi Bắc Cầu Lịng sơng đoạn cửa vào sơng Đuống xói sâu đángkể Sự biến động tỷ lệ phân lưu sông Hồng – sông Đuống dẫn đến tác động bất lợi cho việc quản lý khai thác dịng sơng sau phân lưu sông Đuống đoạn sông Hồng từ sau ngã ba đến cửa ra, tác động xảy ralà: - Sự gia tăng tỷ lệ phân lưu vào mùa lũ sông Đuống làm tăng thêm mối nguy hiểm cho hệ thống đê điều cơng trình kè vốn yếu sôngĐuống - Mặc dù tỷ lệ phân lưu vào mùa kiệt có biến động với xu tăng vào sông Đuống các tháng kiệt thực chất mực nước mùa kiệt lại có xu ngày hạ thấp ứng với cấp lưu lượng sông Hồng sông Đuống gây ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động bình thường hầu hết cơng trình lấy nước lớn sơng Đuống sơng Hồng Đồng thời lịng dẫn bị xói sâu làm hạ thấp q mức mực nước mùa kiệt làm đình trệ hoạt động giaothông