NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MỚI MÔ HÌNH MIKE 21C VÀO ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG LÒNG DẪN Ở MỘT SỐ TRỌNG ĐIỂM THUỘC HỆ THỐNG SÔNG HỒNG, MIỀN BẮC

Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu ứng dụng một công nghệ mô phỏng mới mô hình 2 chiều Mike 21C vào đánh giá, dự báo khả năng gây biến động lòng dẫn trên 2 đoạn sông trọng điểm (khu vực ngã ba sông ThaoĐà và khu Sen Hồ sông Đuống) thuộc hệ thống sông Hồng, miền Bắc. Qua đó cho thấy triển vọng ứng dụng của mô hình này đối với công tác dự báo, phòng chống sạt lở bờ sông đảm bảo an toàn cho các tuyến đê điều, góp phần phát triển bền vững trên các hệ thống sông ở Việt Nam.

nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới - mô hình mike 21c vào

đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn ở một số trọng điểm

thuộc hệ thống sông hồng, miền bắc

Viện Khoa học Thuỷ lợi MiềnNam

Đặng Hoàng Thanh

Viện Khoa học Thuỷ lợi

Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu ứng dụng một công nghệ mô

phỏng mới - mô hình 2 chiều Mike 21C vào đánh giá, dự báo khả năng gây biến động lòng dẫn trên 2 đoạn sông trọng điểm (khu vực ngã ba sông Thao-Đà và khu Sen Hồ sông

Đuống) thuộc hệ thống sông Hồng, miền Bắc Qua đó cho thấy triển vọng ứng dụng của mô hình này đối với công tác dự báo, phòng chống sạt lở bờ sông đảm bảo an toàn cho các tuyến đê điều, góp phần phát triển bền vững trên các hệ thống sông ở Việt Nam.

Abstract: The paper describes a two-dimensional numerical model, Mike 21C, which

applied to simulate and forecast hydrodynamic and morphological changes in two reaches

of the Thao-Da confluence and Senho s Duong river area of the Red river and Thaibinh’s Duong river area of the Red river and Thaibinh

river network The results show the potential of this model for predictive activities related

to river morphological changes and flood control to protect dike systems and contribute to sustainable development in the Vietnam river basins.

1 đặt vấn đề

Các báo cáo của Ban chỉ đạo Phòng chống Lụt bão TW trong những năm gần đây đã khái quát chung tình hình sạt lở bờ sông, bờ biển trên phạm vi cả nớc, qua đó khẳng định rằng vấn đề sạt lở bờ sông, bờ biển đang có xu thế ngày càng gia tăng và diễn biến ngày càng phức tạp hơn, thiệt hại về dân sinh, kinh tế, do đó ngày càng nghiêm trọng hơn Đứng trớc thực tế xảy ra nh vậy, để chủ động hơn trong việc phòng chống và đa ra đợc những giải pháp hữu hiệu thì công tác nghiên cứu, dự báo, cảnh báo cần đợc đẩy mạnh trên cơ sở ứng dụng những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới

Từ trớc tới nay, để dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông thờng sử dụng 3 phơng pháp: (1) Phơng pháp phân tích tài liệu thực đo; (2) Phơng pháp mô hình vật lý và (3)

Ph-ơng pháp mô hình toán 1 chiều Đối với phPh-ơng pháp (1): Dựa trên những số liệu địa hình thực đo trong nhiều năm, phân tích vị trí, qui mô, tốc độ xói, bồi trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, để tìm qui luật thống kê và xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu Do đó,

ph-ơng pháp này chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu các quá trình diễn biến trong điều kiện đã

có tiền lệ trong quá khứ, không thể hoàn toàn dựa vào nó để dự báo tác động có thể xảy ra trong tơng lai với những tình huống bất thờng cha gặp trong quá khứ Đối với phơng pháp (2): Đây là phơng pháp khá hữu hiệu đã đợc ứng dụng nhiều để dự báo diễn biến lòng sông Bằng cách thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu tái diễn dòng chảy trong sông thiên nhiên theo các định luật tơng tự cho phép quan sát, đo đạc, để rồi từ đó phân tích qui luật diễn biến lòng sông Tuy nhiên, rất khó để thoả mãn các điều kiện tơng tự, nhất là điều kiện tơng tự

về bùn cát nên dẫn đến những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình Hơn thế nữa, việc ứng dụng nó đòi hỏi phải có mặt bằng thí nghiệm đủ rộng cũng nh chi phí để thiết

kế, chế tạo chúng rất tốn kém Đối với phơng pháp (3): Phơng pháp mô hình toán 1 chiều thờng đợc ứng dụng để giải các bài toán mang tính chất qui hoạch cho một đoạn sông dài, với kết quả đa ra là biến đổi trung bình của mặt cắt nên giải quyết không thoả đáng đợc vấn

đề xói sâu, sạt lở bờ sông ở những trọng điểm cục bộ cần nghiên cứu

Với sự phát triển vợt bậc của phơng pháp mô phỏng số những năm gần đây, Viện DHI của Đan Mạch đã cho ra đời những sản phẩm mô hình tính toán hình thái 2 chiều, trong đó

đặc biệt phải kể đến Mike 21C Mục tiêu đặt ra của Mike 21C là giải quyết các bài toán về diễn biến hình thái 2 chiều ở trong sông, cũng nh ở vùng cửa sông, rất có ý nghĩa cho công tác nghiên cứu chỉnh trị sông, bảo vệ bờ ở nớc ta Vì vậy, nghiên cứu áp dụng và xem xét

sự phù hợp của Mike 21C vào giải quyết các bài toán thực tế đánh giá, dự báo xói, bồi, sạt

lở bờ sông trên hệ thống sông ngòi ở trong nớc là rất cần thiết Mike 21C sẽ bổ khuyết vào những hạn chế mà các phơng pháp trớc đây còn tồn tại

Để làm rõ khả năng ứng dụng vào giải quyết các bài toán thực tế, trong khuôn khổ bài báo này, xin tóm tắt một số kết quả chính đạt đợc của việc ứng dụng Mike 21C vào nghiên cứu đánh giá, dự báo diễn biến lòng dẫn tại 2 khu vực trọng điểm thuộc hệ thống sông Hồng ở miền Bắc là khu vực ngã ba sông Thao-Đà và khu vực Sen Hồ sông Đuống

2 giới thiệu Mô hình Mike 21C và tổng quan về một số ứng dụng của mô hình

2.1- Mô hình Mike 21C

Mô hình hai chiều Mike 21C đợc xây dựng và phát triển bởi Viện Thuỷ lực Đan Mạch

(DHI) Mike 21C, “C” đợc viết tắt của từ tiếng Anh Curvilinear (nghĩa là đờng cong), cho

thấy điểm nổi bật và khác biệt với những mô hình hai chiều khác về việc tạo lới tính toán.

Đối với những mô hình dựa trên lới tính toán hình chữ nhật cho lời giải có độ chính xác vừa

đủ trong việc mô phỏng vùng biển và vùng cửa sông Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong sông, đặc biệt là ở những đoạn sông cong và những đoạn sông tồn tại bãi bồi, yêu cầu phải

có sự mô phỏng chính xác đờng biên và điều đó đỏi hỏi việc sử dụng lới cong hoặc lới phi cấu trúc Và đây chính là điểm mạnh của Mike 21C khi nghiên cứu chế độ thuỷ động lực và diễn biến hình thái ở trong sông

2.1.1- Mô hình thuỷ lực 2 chiều (Hydrodynamic)

Mô hình thuỷ động lực học mô phỏng mực nớc và dòng chảy trong sông Các mô phỏng dựa trên lới cong bao phủ toàn bộ khu vực nghiên cứu Mô hình này giải phơng trình liên tục và 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: Toạ độ trong hệ toạ độ cong; p, q: Lu lợng theo hớng s và n; H Cao trình mực nớc; h: Độ sâu mực nớc; g: Gia tốc trọng trờng; C: Hệ số Chezy; Rs, Rn: Bán kính cong của đờng s và n; RHS: mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, Ma sát do gió, áp lực không khí

Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng đợc thể hiện khi mô phỏng hiệu ứng ReyNold Hệ phơng trình đợc giải bằng kĩ thuật sai phân ẩn với các biến

đ-ợc định nghĩa trên lới tính toán so le

2.1.2 Mô hình hình thái (Morphology)

* Dòng chảy vòng (Helical Flow): Dòng chảy vòng là một hiện tợng dòng chảy thứ cấp

trong sông Nó là một thành phần vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển xói vòng, xói hợp lu, nghiên cứu cồn cát dạng điểm cũng nh cồn cát di động Dòng chảy vòng gây nên sự trệch hớng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên sự chệch hớng của ứng suất tiếp đáy Sự trệch hớng này đợc tính nh sau:

s

h



tan Trong đó: Độ sâu dòng chảy; Rs: Góc lệch giữa ứng suất tiếp đáy và dòng chính; h: s: Bán kính đoạn sông cong; : Hệ số đợc

tính nh sau:

C

g







  22 ( 1  ) Với  là hằng số van Karman, C là số Chezy, và  là hằng số

kiểm định mô hình

* Vận chuyển bùn cát (Sediment Transport): Trong mô hình MIKE 21 C, vận chuyển bùn

cát đợc tính theo sơ đồ hiện từ một trong các công thức sau: Engelund – Hansen, Engelund – Fredsoe, van Rijn, hay Meyer – Peter

* Thay đổi độ cao đáy lòng sông (Bed level change): Khi đã tính đợc bùn cát lơ lửng và

bùn cát đáy, sự thay đổi của địa hình đáy sông đợc tính dựa vào phơng trình:

e y

y

S x

S t

z

















1

( Trong đó: Scát tổng theo phơng y; n: Độ rỗng của bùn cát vậnx: bùn cát tổng theo phơng x; Sy: bùn

chuyển; z: Cao trình đáy; t: Thời gian; x,y: toạ độ Đề các; S e: bùn cát cung cấp do xói bờ

* Xói bờ (Banks Erosion): Một vấn đề vô cùng quan trọng trong các quá trình phát triển

hình thái sông là xói bờ Trong MIKE 21 C, xói bờ có thể đợc mô phỏng song song với vận chuyển bùn cát và mô phỏng thuỷ động lực học ở mỗi bớc thời gian, vật chất bờ bị xói đã

đợc bao gồm trong phần giải phơng trình liên tục bùn cát Mô hình xói bờ đợc xác định nh sau:

Trong đó: Eb: Tốc độ xói bờ (m/s); Z: Cao trình đáy sông; S: Vận chuyển bùn cát gần bờ; h: Độ sâu dòng chảy; , , :

Hệ số kiểm định mô hình

Phần bùn cát bổ sung vào lu lợng trong sông bắt nguồn từ xói bờ và đợc tính trong phơng trình liên tục bùn cát là (hb là độ cao của phần bờ phía trên mực nớc sông)

Mô hình MIKE 21 C tính đến sự thay đổi theo phơng ngang này bằng cách tổng hợp lại lới cong trong suốt quá trình mô phỏng khi đờng bờ thay đổi, ngoại trừ trờng hợp có ng-ỡng đã đợc định nghĩa từ trớc Trong tình huống này, mô hình hình thái sẽ trở thành mô hình mặt bằng

2.2- Tổng quan về một số ứng dụng của mô hình Mike 21C

2.2.1- Một số ứng dụng trên thế giới:

(1) Nghiên cứu mô phỏng đặc tính hình thái của sông phân nhánh của Hans G

Enggrob & Soren Tjerry, 1995-1998 (Simulation of Morphological Characteristics of a Braided River): Từ năm 1995-1998, Hans G Enggrob & Soren Tjery đã áp dụng MIKE

21C cho đoạn sông phân nhánh Jamuna, Banglades Sông Brahmaputra-Jamuna là một trong những con sông có lu lợng bùn cát lớn nhất thế giới và luôn có sự vận

động rất lớn của lòng sông Quá trình dự báo đợc mô phỏng với kịch bản ngắn hạn trong một mùa lũ và kịch bản dài hạn 30 năm với một cấp lu lợng tạo lòng

(2) ứng dụng các mô hình toán ở vùng ngã ba sông Gorai trong dự án “Khôi phục dòng sông Gorai” ở Bangladesh năm 1997, tác giả là Henrik Garsdal, Carsten Staub and

Hans Enggrob (Use of Mathematical Models in connection with the Gorai River Restoration Project in Bangladesh): Vấn đề thực tế đặt ra là: Trong vòng một thập kỷ, dòng

chảy sông bị suy thoái một cách đáng kể và gần nh khô cạn trong mùa khô Nguyên nhân

là do một lợng bùn cát lớn từ sông chính vận chuyển vào và lắng đọng tại cửa sông Gorai, gây nên sự thiếu nớc sinh hoạt trong lu vực của sông và làm cho quá trình xâm nhập mặn ở cửa sông tăng lên Chính quyền địa phơng đã phải chi rất nhiều tiền của để nạo vét hàng năm nhng vẫn cha có hiệu quả Để giải quyết vấn đề đó, dự án đã sử dụng mô hình MIKE 21C mô phỏng diễn biến thuỷ lực, bùn cát và hình thái sông trớc và sau khi nạo vét dới nhiều kịch bản khác nhau về dòng chảy và phạm vi nạo vét Từ đó đề xuất những vị trí cần nạo vét thờng xuyên và thời điểm thích hợp để bắt đầu nạo vét

(3) Mô hình mô phỏng hình thái sông ở vùng ngã ba Chaktomuk, tác giả là K.W

Olesen và Tjerry,năm 2000 (Morphological modelling of the Chaktomuck Juntion): Năm

2000, K.W Olesen & S Tjery đã áp dụng mô hình MIKE 21C để mô tả quá trình xói bờ sông do tác động của dòng chảy lũ tại ngã ba Chaktomuk trên sông Mêkông Bờ sông tại

đây thờng bị xói lở sâu vào đất liền hơn chục mét sau mỗi mùa lũ, cộng với tốc độ phát triển đô thị nhanh ở hạ lu gây nên nhiều bất lợi cho giao thông và thoát lũ MIKE 21C đã mô phỏng thành công quá trình xói lở bờ và sự ảnh hởng của các công trình giao thông (cầu) ở hạ lu đối với dòng chảy Các yếu tố về độ kết dính của vật liệu ven bờ, hay nh bề mặt không xói của các bãi giữa cũng đợc đề cập tới

Qua một số ứng dụng của Mike 21C trên thé giới, cho thấy Mike 21C có khả năng áp dụng để giải quyết những bài toán ở những vùng phức tạp nh ngã ba sông, đoạn sông cong v.v và mô phỏng đợc những tác động, những thay đổi về chế độ thủy lực và diễn biến hình thái sông dới các điều kiện khai thác bãi sông, dòng sông của con ngời.

2.2.2- Nghiên cứu ở trong nớc:

Nhận thức đợc tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ tiên tiến trong nghiên cứu, sau năm 2000, một số đơn vị nghiên cứu khoa học ở trong nớc đã đợc đầu t để trang bị phần mềm Mike 21C Sau chuyển giao công nghệ, Mike 21C đã đợc ứng dụng thử nghiệm vào một số đoạn sông ở miền Bắc, Trung và Nam bộ cho kết quả đáng khích lệ ở đây, chỉ xin đợc nêu một số ứng dụng điển hình ở khu vực miền Bắc do Viện Khoa học Thủy lợi thực hiện

(1) Trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nớc KC08.11, bốn khu vực trọng điểm trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình đã đợc lựa chọn làm đối tợng ứng dụng Mike 21C để đánh giá những biến động về thủy lực, bùn cát và diễn biến lòng dẫn dới những kịch bản về địa hình, về dòng chảy khác nhau, đó là:

- Đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Liên Trì;

- Đoạn sông Hồng từ Chèm đến Khuyến Lơng qua Thủ đô Hà Nội;

- Đoạn sông Thái Bình chảy qua Thành phố Hải Dơng; Và

- Đoạn sông ngã ba Kèo

Mặc dù còn có những hạn chế nhất định do bớc đầu khai thác và ứng dụng công nghệ phần mềm mới, nhng từ những kết quả đã đạt đợc phần nào cho thấy triển vọng của Mike 21C có khả năng áp dụng phù hợp vào thực tế trên các hệ thống sông ngòi ở Việt Nam trong các bài toán về nghiên cứu thủy động lực 2 chiều, diễn biến xói bồi lòng sông, sạt lở

bờ sông

(2) Tiểu dự án 4 Đánh giá biến động lòng dẫn và ảnh h“ ởng của sự suy giảm khả năng thớt lũ đến Qui trình điều tiết liên hồ” thuộc dự án “Qui trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông Lô đảm bảo an toàn chống lũ Đồng bằng Bắc bộ khi có các hồ Hoà Bình, Thác Bà, Tuyên Quang” , Viện Khoa học Thuỷ lợi thực hiện trong 2 năm 2005-2006,

đã sử dụng mô hình Mike 21C xây dựng cho đoạn sông Hồng dài từ Sơn Tây đến Hng Yên

để nghiên cứu sự biến động của các vật cản trên sông nh nhà cửa, đờng xá, cầu v.v ảnh h-ởng đến đờng quan hệ Q~H trên đoạn sông Hồng đó Kết quả nghiên cứu thành công bằng mô hình Mike 21C của Tiểu dự án đã phần nào khẳng định đợc u thế của Mike 21C có khả năng mô phỏng đợc chế độ thuỷ lực trong những điều kiện địa hình phức tạp và có phạm vi nghiên cứu tơng đối dài (hơn 100km)

(4) Dự án “Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn qua Hà Nội ” là một dự án quy hoạch lớn có sự phối hợp thực hiện giữa các chuyên gia Hàn Quốc và Việt Nam Một trong những nội dung quan trọng của Dự án là sử dụng mô hình toán để đánh giá hiệu quả về khả năng thoát lũ và dự báo mức độ bồi, xói lòng sông khi thực hiện các phơng

án quy hoạch tuyến đê mới và chỉnh trị lòng dẫn trên đoạn sông Hồng dài 40km thuộc địa phận thành phố Hà Nội Sau khi phân tích các u nhợc điểm của một số mô hình, Dự án đã lựa chọn mô hình Mike 21C Qua nhiều lần báo cáo tại các hội thảo, hầu hết các chuyên gia trong nớc và Hàn Quốc đều đánh giá cao và tin tởng vào những kết quả mà mô hình Mike 21C đa ra

3- nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 21c vào đánh giá, dự báo biến lòng dẫn ở hai khu vực trọng điểm thuộc hệ thống sông hồng – miền bắc miền bắc

3.1- Khu vực ngã ba sông Thao-Đà

3.1.1- Thiết lập mô hình

 Phạm vi mô hình: Phạm vi nghiên cứu của mô hình là bao gồm 4 con sông với

giới hạn tính toán nh sau: Sông Thao, sông Đà (biên trên cách ngã ba sông Thao-Đà khoảng 4 km); sông Lô (biên trên cách ngã ba sông Lô-Hồng khoảng 2 km) và sông Hồng (biên dới cách ngã ba sông Lô-Hồng khoảng 5km)

 Xác lập l ới tính toán: Lới tính toán của mô hình đợc xác lập bằng các đờng cong

trực giao với 449 điểm lới theo chiều dọc sông (chiều j) và 77 điểm lới theo chiều ngang (chiều k) Kích thớc của các ô lới đủ nhỏ để thể hiện những biến đổi địa hình lòng sông, bãi sông

 Thiết lập địa hình: Có 3 yếu tố

chính cần thiết lập đối với mô hình 2

chiều tính toán thuỷ lực và hình thái

sông: Một là, điều kiện địa hình tự

nhiên, bao gồm phần lòng sông và bãi

sông tự nhiên; Hai là, các khu dân c, nhà

cửa trên bãi sông; Ba là, các công trình

kè bờ sông Tài liệu sử dụng cho việc

thiết lập là bình đồ tỉ lệ 1/5000 đo năm

2000 và 2006, cung với các số liệu về

nhà cửa vùng bãi sông, các công trình

trên sông (trụ cầu, kè ) Với sự trợ giúp

của phần mềm thành phần (trong Mike

Zero) đã thiết lập đợc địa hình cho sự

hoạt động của mô hình (hình 1)

 Điều kiện biên của mô hình :

- Biên cứng: là hệ thống

tuyến đê bao bọc mạng sông tính toán, gồm có: Đê trái, phải của 4 con sông: Đà, Thao, Lô

và Hồng, phải đợc khống chế không cho nớc lũ tràn qua

- Biên hở thợng lu 1 (Kí hiệu SD1): nằm trên sông Đà, đợc biểu diễn dới dạng quá trình lu lợng dòng chảy qua toàn bộ mặt cắt ngang theo thời gian tính toán (Q~t) và quá trình bùn cát theo thời gian đợc xác định bằng công thức kinh nghiệm (S~t)

- Biên hở thợng lu 2 (Kí hiệu ST1): nằm trên sông Thao, đợc biểu diễn dới dạng Q~t và S~t

- Biên hở thợng lu 3 (Kí hiệu SL1): nằm trên sông Lô, cũng đợc biểu diễn dới dạng Q~t và S~t

- Biên hở hạ lu 1 (Kí hiệu SH6): nằm trên sông Hồng, đợc biểu diễn dới dạng quá trình mực nớc theo thời gian tính toán H~t

3.1.2- Kiểm định mô hình

Kiểm định mô hình thuỷ lực và hình thái cho khu vực nghiên cứu ngã ba Thao-Đà đợc tiến hành theo 2 bớc: Trớc tiên, cần phải kiểm định mô hình thuỷ lực để xác định bộ thông

số tính toán thuỷ lực; Sau đó, kiểm định mô hình hình thái sông thông qua việc tính toán vận chuyển bùn cát, hình thái sông để xác định bộ thông số tính toán hình thái

Về nguyên tắc kiểm định mô hình phải dựa vào tài liệu thực đo Nhng trên toàn bộ phạm vi nghiên cứu này không có bất kỳ một trạm thuỷ văn nào Do vậy, quá trình dòng chảy tại các điều kiện biên và các vị trí dùng để kiểm định mô hình thuỷ lực 2 chiều cần

Hình 1: Địa hình ngã ba Thao-Đà mô phỏng

phải dựa vào kết quả tính toán của mô hình thuỷ lực 1 chiều toàn hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình

Mô hình thuỷ lực đã đợc tính toán kiểm định trong 4 tháng mùa lũ năm 2000 với 9 vị trí kiểm định Q, H và 1 vị trí kiểm định phân bố V dọc đoạn sông Mô hình hình thái đã tính toán với gần 1 năm (từ 1/6/2000 đến 27/3/2001), kết quả kiểm định tại 4 mặt cắt ngang tại khu vực trọng điểm ngã ba sông Thao-Đà Trong khuôn khổ bài báo, chỉ xin đa

ra một số hình ảnh minh hoạ kết quả tính toán kiểm định này (hình 2, 3, 4 và 5)

Việc xây dựng thành công đợc đánh giá qua các bớc thiết kế, kiểm định mô hình cẩn thận, kỹ lỡng cho phép xác định đợc bộ thông số tính toán thuỷ lực và hình thái sông khá phù hợp đối với khu vực nghiên cứu Với bộ thông số tìm đợc đó, Mô hình sẽ đợc sử dụng

để đánh giá dự báo sự thay đổi chế độ thuỷ lực và diễn biến lòng dẫn ở trọng điểm ngã ba Thao-Đà dới các kịch bản đặt ra

3.1.3- Đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn khu vực ngã ba sông Thao-Đà

3.1.3.1- Đặt bài toán nghiên cứu đánh giá, dự báo

Nghiên cứu xác định kịch bản về dòng chảy để đánh giá, dự báo diễn biến lòng dẫn là rất quan trọng quyết định ý nghĩa ứng dụng vào thực tiễn từ các kết quả tính toán Diễn biến lòng sông phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trên sông, cho nên khi không biết trớc đợc dòng chảy có thể xảy đến ở tơng lai thì vấn đề dự báo diễn biến lòng dẫn chỉ đợc hiểu dới góc độ “khả năng” và phụ thuộc vào việc lựa chọn kịch bản hợp lý Nghiên cứu dự báo diễn biến lòng dẫn nói chung, thờng chia làm 2 loại: dự báo dài hạn (nhiều năm) và ngắn hạn (1 năm, 1 mùa lũ hoặc 1 trận lũ) “Dài hạn” thờng đợc sử dụng tính toán dự báo cho một đoạn sông tơng đối dài và trong nghiên cứu mang tính chất quy hoạch liên quan đến vấn đề khai thác lòng sông Ví dụ nh: Nghiên cứu dự báo diễn biến bồi lắng, xói lở ở hạ lu sông khi xây dựng hồ chứa ở thợng nguồn; Nghiên cứu dự báo ảnh hởng của các công trình trên sông đến hình thái sông v.v Đối với bài toán nghiên cứu mang tính chất cục bộ, nh xem xét vấn đề biến đổi lòng dẫn ở khu vực đang trong quá trình thi công công trình trên sông; nghiên cứu sạt lở bờ sông v.v , dự báo ngắn hạn thờng đợc sử dụng

Đối với mục tiêu trong nghiên cứu này là dự báo sạt lở bờ sông, liên quan đến vấn đề

an toàn đê điều thì việc lựa chọn các trận lũ bất lợi có khả năng gây sạt lở bờ sông thực sự

có ý nghĩa Nó không chỉ mang tính chất cảnh báo, dự báo tình huống cực đoan có thể xảy

ra mà còn cung cấp những thông số thuỷ lực (nh vận tốc dòng chảy Vmax, độ sâu mực nớc Hmax, chiều sâu xói tới hạn ) phục vụ công tác thiết kế công trình bảo vệ bờ Vì thế, các nghiên cứu trớc đây đối với sông Hồng để dự báo sạt lở bờ sông ở một số trọng điểm, đã lựa chọn mô hình của con lũ có tần suất xuất hiện 125 năm xảy ra 1 lần tơng đơng với con

lũ tháng 8/1971 (khi chỉ có hồ Hoà Bình)

ở giai đoạn hiện nay khi mà đã có thêm hồ chứa Tuyên Quang trên sông Gâm việc sử dụng mô hình lũ năm 1971 không còn phù hợp nữa Theo tiêu chuẩn phòng, chống lũ đồng

Kiểm định quá trình l u l ợng lũ 2000 tại Sh2

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

14000.00

1 2 4 5 7 8 1

Thời gian (giờ)

3 /s

SH2-1D SH2-2D

Bắt đầu

01h- 02/6/2000

Kết thúc 23h- 23/9/2000

Hình 3.25 : Kiểm định quá trình mực n ớc lũ 2000 tại SH2

4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00

1 2 4 5 7 8 1

Thời gian (giờ)

SH2-1D SH2-2D

Bắt đầu 01h- 02/6/2000

Kết thúc 23h- 23/9/2000

Hình 2: Kiểm định Q tại khu vực ngã ba Thao-Đà Hình 3: Kiểm định H tại khu vực ngã ba Thao-Đà

Hình 3.34 : Kiểm định đ ờng quan Z~S

tính toán và thực đo - Mặt cắt 7A

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Cao trình Z (m)

So sánh mặt cắt ngang tính toán và thực đo

- Mặt cắt 8B

-5 -1 1 3 7 11 15 19 23

1 2 30 40 50 6 7 80 90 10 10 10 13 14 15 10 10 18

Khoảng cách (m)

Thực đo 27/3/2001 Tính toán 27/3/2001

Hình 4: Kiểm định quan hệ Z~S của mặt cắt ngang Hình 5: Kiểm định biến đổi trên mặt cắt ngang

bằng sông Hồng 14 TCN 122-2002 và Quyết định số 92/2007/QĐ-TTg ngày 21/6/2007 của Thủ tớng Chính phủ phê duyệt các giải pháp phòng chống lũ sông Hồng và sông Thái Bình, khi có thêm hồ Tuyên Quang thì hệ thống các hồ chứa ở thợng nguồn (gồm có Hoà Bình, Thác Bà và Tuyên Quang) phải đảm bảo an toàn chống lũ cho hạ du ở những vùng quan trọng với mọi trận lũ có tần suất xuất hiện 250 năm 1 lần (gọi tắt là lũ 250 năm) Do đó bài toán đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn, gây sạt lở bờ sông, mất an toàn cho hệ thống đê

điều ở khu vực nghiên cứu ngã ba Thao-Đà đợc xét đến trờng hợp bất lợi khi gặp trận lũ

250 năm với mọi dạng lũ đó sau khi đợc các hồ chứa thợng nguồn điều tiết

Với các kịch bản lũ 250 năm (ba dạng lũ 1969, 1971 và 1996), trên nền địa hình hiện trạng (năm 2006), thông qua mô hình Mike 21C sẽ cho ra sản phẩm dự báo liên quan đến chế độ thuỷ lực và biến động lòng dẫn đợc đặc trng bởi:

- Trục động lực dòng chảy và vận tốc dòng chảy sát bờ sông, đê sông

- Diễn biến các mặt cắt ngang

- Diễn biến cao độ đáy sông dọc theo đoạn sông

- Diễn biến đờng trục lạch sâu

- Diễn biến đờng bờ sông

3.1.3.2- Một số kết quả tính toán dự báo chính

Từ kết quả tính toán mô phỏng trên Mô hình, có thể đánh giá, dự báo nh sau: Với qui mô lũ tần suất xuất hiện 250 năm 1 lần với 3 dạng lũ năm 1969, năm 1971 và năm 1996, nếu xảy ra thì: Chế độ thuỷ lực trên đoạn trọng điểm ngã ba Thao-Đà sẽ diễn ra hết sức phức tạp bởi sự thay đổi liên tục của tỉ số tơng tác giữa sông Thao và sông Đà do tác động

điều tiết của hồ Hoà Bình Khi nớc lũ lên cao, sẽ luôn hình thành trục động lực dòng chảy

lũ đi ép sát phía bờ phải với vận tốc lớn, phân bố nh sau: Đoạn sông từ Km0 đến K3+300 (cuối kè Phong Vân), trừ trờng hợp gặp qui mô lũ 250 năm với dạng lũ năm 1971 có vận tốc chỉ 0,7m/s – 0,8m/s, với 2 trờng hợp còn lại sẽ hình thành vận tốc lớn từ 1,5m/s đến 2m/s; Đoạn sông từ sau kè Phong Vân về đến Km5 (kè Cổ Đô) sẽ luôn hình thành dòng chảy với vận tốc rất lớn trên 2m/s đến 2,5m/s với bất kỳ dạng lũ nào Dới tác động của dòng chảy lũ nh vậy, cho thấy mức độ uy hiếp rất lớn đến độ ổn định của bờ sông, an toàn của hệ thống đê điều ở khu vực trọng điểm nghiên cứu

Với địa hình hiện trạng của năm 2006, khi xảy ra các tình huống lũ trên, hai đoạn sông sẽ có khả năng xảy ra hiện tợng xói sâu, dịch chuyển lạch sâu ép sát về phía bờ phải hơn và một số vị trí có khả năng gây sạt lở bờ, đó là: (1) từ Km0 đến Km2+430 (đầu kè Phong Vân); (2) từ Km3+300 (cuối kè Phong Vân) đến Km5 (kè Cổ Đô) Có thể đánh giá,

dự báo cụ thể nh sau:

 Đoạn (1): Sẽ xói xâu hơn so với hiện trạng trung bình khoảng 2 m, cá biệt có những vị trí có thể xói sâu xuống 3m - 4m Lạch sâu có đoạn đợc đẩy ra xa bờ phải hơn, có

đoạn bị dịch chuyển ép sát bờ phải hơn với khoảng cách dịch chuyển chừng vài chục mét

 Đoạn (2): Mức độ xói sâu rất lớn, có thể xói trung bình xuống tận 7m, đặc biệt nguy hiểm có vị trí xói tới tận 10m Tốc độ xói sâu giảm dần khi về hạ lu nhng đến Km5 khả năng vẫn có thể bị xói sâu xuống khoảng từ 3m đến 5m Đờng lạch sâu từ sau kè Phong Vân đến trớc kè Cổ Đô luôn có xu thế bị chuyển dịch sát bờ phải hơn Và đoạn này nguy cơ sạt lở bờ rất lớn

Các kịch bản tính toán cho các trờng hợp lũ khác nhau đã đợc tính toán trên mô hình Mike 21C Dới đây, chỉ xin minh hoạ kết quả tính toán cho 1 kịch bản Hình vẽ 9: Minh hoạ kết quả tính toán dự báo diễn biến trên mặt cắt ngang; Hình vẽ 10: Thể hiện kết quả tính toán dự báo về diễn biến cao độ đáy sông (Zmin); Hình 11: Thể hiện kết quả tính toán

dự báo về dịch chuyển đờng lạch sâu; Và hình 12: Thể hiện kết quả tính toán dự báo về sạt

lở bờ sông trong trờng hợp lũ 250 năm dạng lũ 1969

Trục

động lực

Trục

động lực

Trục

động lực

Hình 6: Phân bố vận tốc

đỉnh lũ – (dạng lũ 1969) Hình 7: Phân bố vận tốc đỉnh lũ – (dạng lũ 1971) Hình 8: Phân bố vận tốc đỉnh lũ – (dạng lũ 1996)

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

Khoảng cách dọc sông (m)

Kè Phong Vân

Kè Cổ Đô

Khu vực bị xói sâu

Km 1

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

Khoảng cách dọc sông (m)

ép sát bờ phải

Km 1

0

20

40

60

80

100

120

140

Khoảng cách dọc sông (m)

Kè Phong Vân

Kè Cổ Đô

Khu vực bờ sông

bị sạt lở

Km 1

Hình 10: Dự báo về diễn biến cao độ đáy sông Zmin (dạng lũ 1969)

Hình 11: Dự báo về dịch chuyển đờng lạch sâu (dạng lũ 1969)

Hình 12: Dự báo về sạt lở bờ hữu (dạng lũ 1969)

-10

-6

-2

2

6

10

14

18

22

KCCD tính từ đê trái (m)

Hình 9: Dự báo về diễn biến trên mặt cắt ngang (dạng lũ 1969)

3.2- Khu vực Sen Hồ trên sông Đuống

3.2.1- Thiết lập mô hình

 Phạm vi mô hình: Phạm vi nghiên cứu của mô hình là đoạn sông Đuống dài khoảng

20 km, từ Km 6 (Đổng Viên) đến Km 28 (Đông Đoài) bao trùm trọng điểm nghiên cứu Sen

Hồ

 Xác lập l ới tính toán: Lới tính toán của mô hình đợc xác lập bằng các đờng cong

trực giao với 402 điểm lới theo chiều dọc sông (chiều j) và 70 điểm lới theo chiều ngang

(chiều k) Kích thớc của các ô lới đủ nhỏ để thể hiện những biến đổi địa hình lòng sông, bãi

sông

 Thiết lập địa hình: Tài liệu sử dụng cho việc thiết lập là bình đồ lòng sông tỉ lệ

1/5000 đo năm 2007 và bãi sông tỉ lệ 1/5000 đo năm 2000 Kết quả mô phỏng địa hình nh

hình (hình 13)

 Đ iều

kiện biên của mô hình:

- Biên cứng: là hệ thống tuyến đê bao bọc đoạn sông tính toán, gồm có: Đê tả

Đuống và hữu Đuống

- Biên hở th ợng l u (Kí hiệu là Q_UBC): đợc biểu diễn dới dạng quá trình lu lợng

dòng chảy qua toàn bộ mặt cắt ngang theo thời gian tính toán (Q~t) và quá trình bùn cát

theo thời gian đợc xác định bằng công thức kinh nghiệm (S~t)

- Biên hở hạ l u (Kí hiệu là H_LBC): : đợc biểu diễn dới dạng quá trình mực nớc

theo thời gian tính toán (H~t)

3.2.2- Kiểm định mô hình

Mô hình thuỷ lực đã đợc tính toán kiểm định trong mùa lũ năm 2007 và trận lũ tháng

8/1996 Mô hình hình thái đã tính toán từ 3/7/2007 đến 7/9/2007 Một số kết quả kiểm định

mô hình tại trọng điểm Sen Hồ đợc minh hoạ trên các hình 14, 15, 16 và 17 Qua đó, kết

luận bộ thông số tính toán thuỷ lực và hình thái sông tìm đợc khá phù hợp đối với khu vực

nghiên cứu, Mô hình sẽ đợc sử dụng để đánh giá dự báo sự thay đổi chế độ thuỷ lực và diễn

biến lòng dẫn ở trọng điểm Sen Hồ dới các kịch bản đặt ra

3.2.3- Đánh giá, dự báo biến động lòng

dẫn khu vực Sen Hồ

8

Hình 14: Kiểm định Q tại khu vựckhu vực Sen Hồ Hình 15: Kiểm định H tại khu vựcSen Hồ

Hình 13: Địa hình đoạn sông Đuống mô phỏng

So sỏnh quỏ trỡnh lưu lượng lũ Mike11với Mike21C mựa lũ năm 2007 tại SĐ-Q2

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Thời gian (giờ)

SĐ-Q2-Mike11 SĐ-Q2-Mike21C

Bắt đầu

So sỏnh quỏ trỡnh mực nước lũ Mike11với Mike21C mựa lũ năm 2007 tại SĐ-H2

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thời gian (giờ)

S Đ-H2-Mike11 S Đ-H2-Mike21C

Bắt đầu

Diễn biến mặt cắt ngang M-KD3 (J220)

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

Khoảng cỏch cộng dồn từ mốc trỏi (m)

Tính toán 07/9/2007 Thực đo 07/9/2007

Kiểm định đ ờng quan hệ Z~S

tính toán và thực đo - Mặt cắt M-KD3 (J220)

0

3000

6000

9000

12000

15000

Cao trình Z (m)

2 )

Thực đo Tính toán

Với cách đặt bài toán nghiên cứu đánh giá, dự báo nh đã trình bày ở phần ứng dụng cho trọng điểm sông Thao-Đà, đối với khu vực nghiên cứu trọng điểm Sen Hồ trên sông

Đuống các kịch bản lựa chọn bao gồm: Lũ 150 năm (KB1) và lũ 250 năm cùng dạng lũ năm 1996 (KB2) (dạng lũ này đã đợc phân tích là trận lũ xảy ra bất lợi nhất so với các dạng

lũ khác)

Từ kết quả tính toán trên Mike 21C rút ra một số nhận xét nh sau:

- Với cả 2 qui mô lũ trên nếu xảy ra thì tại các thời điểm xảy ra lũ, từ lúc lũ mới chỉ ngang bãi cho đến khi lũ lên cao luôn hình thành dòng chảy với vận tốc sát bờ lõm (Vb) khá lớn dọc đoạn sông từ Km18+500 đến Km19+500 (xấp xỉ 1m/s khi lũ ngang bãi và gần 1,3m/s khi lũ đạt đỉnh) Đặc biệt là vận tốc Vb của đoạn sông này so với vận tốc Vb của

đoạn sông thợng và hạ lu có sự chênh lệch lớn

- Căn cứ vào tính chất mức độ có khả năng gây ra xói sâu, sạt lở bờ sông đe doạ

đến sự an toàn của tuyến đê trên đoạn sông trọng điểm Sen Hồ đã chia ra làm 3 loại:

+ Loại 1: Loại 1 bao gồm những đoạn sông mà bờ sông đã ổn định do đã có công trình kè bảo vệ bờ và hộ chân Loại này bao gồm 2 đoạn: Đoạn sông từ Km18+400 đến Km 18+500 và đoạn sông từ Km 18+720 đến Km 19+000

+ Loại 2: Những đoạn sông thuộc loại này đợc dự báo sẽ có biến động lòng dẫn nhng cha đến mức nguy hiểm bởi 2 lý do: Thứ nhất mức độ xói lở ở mức độ trung bình, thứ hai bãi sông rộng, lạch sâu còn cách xa tuyến đê Dọc đoạn sông trọng điểm nghiên cứu, có hai

đoạn: Đoạn sông phía thợng lu kè Sen Hồ (từ Km 17+000 đến K18+400) và đoạn sông phía hạ lu kè Sen Hồ (từ Km 19+500 đến Km 20+000)

+ Loại 3: Loại 3 gồm những đoạn sông đáng đợc quan tâm nhất bởi xói lở đợc dự báo

có khả năng xảy ra mạnh mẽ nhất đe doạ trực tiếp đến tuyến đê trên các đoạn sông này Hai

đoạn sông thuộc loại 3 là: Đoạn sông từ Km 18+500 đến Km 18+720 và đoạn sông từ Km 19+000 đến Km 19+500 Cụ thể: Đoạn sông từ Km 18+500 đến Km 18+720: Dự báo khả năng lòng sông sẽ xói sâu thêm từ 2 đến 3 m, tạo ra hố xói sâu đến gần -17m đối với cả 2 kịch bản KB1 và KB2 Đờng lạch sâu chỉ cách đê hữu 100 đến 200 m; Đoạn sông từ Km 19+000 đến Km 19+500: Dự báo khả năng lòng sông xói sâu có nơi đến gần 6 m tạo ra hố xói ở cao trình -18.88 m (đối với KB1) và - 18.59 m (đối với KB2) Một số vị trí trên đoạn này mặc dù cao trình đáy Zmin không bị hạ thấp nhng phần chân từ cao trình +4 m trở xuống bị khoét sâu tạo ra thế chân gần nh thẳng đứng Đờng lạch sâu đoạn sông này sát với

đê hữu nhất, chỉ cách trung bình khoảng 100 m

Hình 18: Phân bố vận tốc

đỉnh lũ – (Lũ 150 năm)

Hình 19: Phân bố vận tốc

đỉnh lũ – (Lũ 250 năm)

J2 26

J2 30

J2 22 J2 18 J2 14 J2 10 J2 06 J2 02

J1

98

J1

96

J1

94

Trục động lực dòng chảy

J2 26

J2 30

J2 22 J2 18 J2 14 J2 10 J2 06 J2 02

J1 98

J1 96

J1 94

Trục động lực dòng chảy

Diễn biến mặt cắt ngang M14

Lũ 150 năm dạng 1996

-16.00 -14.00 -12.00 -10.00-8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

Diễn biến Zmin dọc đoạn sông

Lũ 150 năm dạng 1996

-20.00 -18.00 -16.00 -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00

Khoảng cách dọc sông theo km đê hữu (m)

Tr ớc lũ Đỉnh lũ Sau lũ

Km 17 Km 17+500 Km 18 Km 18+500 Km 19 Km 19+500 Km 20

Khu vực bị xói sâu

Diễn biến đ ờng lạch sâu dọc đoạn sông

Lũ 150 năm dạng 1996

0 200 400 600 800 1000 1200

Khoảng cách dọc sông theo km đê hữu (m)

Tr ớc lũ Đỉnh lũ Sau lũ

Km 17 Km 17+500 Km 18 Km 18+500 Km 19 Km 19+500 Km 20

Đê hữu

4- Kết luận:

Vấn đề nghiên cứu dự báo biến động lòng dẫn (xói sâu, sạt lở bờ sông) rất quan trọng trong chiến lợc khai thác dòng sông, phòng chống lũ và phòng chống sạt lở đảm bảo an toàn của hệ thống đê điều đối với hệ thống sông miền Bắc Tuy nhiên, đây là một ván đề khó, lại thêm hạn chế bởi phơng pháp, công cụ nghiên cứu Do đó, tiếp cận ứng dụng những công nghệ tiến tiến, hiện đại trên thế giới là rất cần thiết

Việc ứng dụng thành công công nghệ mô phỏng mới – mô hình Mike 21C vào đánh giá dự báo diễn biến hình thái sông đối ở hai trọng điểm có đặc điểm địa hình và chế độ thuỷ lực phức tạp nh khu vực ngã ba sông Thao-Đà và đoạn sông cong gấp Sen Hồ trên sông Đuống, cho thấy khả năng ứng dụng của Mô hình trong nghiên cứu thuỷ lực và hình thái sông đối với hệ thống sông ngòi ở Việt Nam

Tài liệu tham khảo

1 DHI Water and Environment, Mike 21C User Guide, 2002.

2 K.W Olesen & Tjerry, Morphological modelling of the Chaktomuck Juntion.

3 Henrik Garsdal, Carsten Staub and Hans Enggrob, Use of Mathematical Models in connection with the Gorai River Restoration Project in Bangladesh, 1997.

Hình 21: Dự báo về diễn biến cao độ đáy sông Zmin

(lũ 150 năm dạng 1996)

Hình 22: Dự báo về dịch chuyển đờng lạch sâu

(lũ 150 năm dạng 1996) Hình 20: Dự báo về diễn biến mặt cắt ngang

(lũ 150 năm dạng 1996)