Ứng dụng mô hình Telemac 2D đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng vỡ đập Dầu Tiếng lên vùng hạ lưu sông Sài Gòn

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TELEMAC-2D ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG VỠ ĐẬP DẦU TIẾNG LÊN VÙNG HẠ LƢU SÔNG SÀI GÒN PGS.TS. NGUYỄN THỐNG TS. LƢU XUÂN LỘC Khoa Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh TÓM TẮT Hồ chứa nước Dầu Tiếng được xây dựng trên thượng lưu sông Sài Gòn, thuộc địa phận tỉnh Tây Ninh và được đưa vào khai thác từ năm 1985. Hồ có tổng dung tích 1,58 tỷ m 3 nước với cao trình mực nước dâng gia cường là 25,1m. Hồ chứa nước Dầu Tiếng có nhiệm vụ chính là phục vụ nông nghiệp cho các tỉnh Tây Ninh, một phần thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Long An. Nội dung bài báo giới thiệu một số kết quả bước đầu nhằm đánh giá khả năng gây ra ngập vùng hạ lưu trong trường hợp có sự cố vỡ đập, trong đó chủ yếu xem xét vùng ngập dọc sông Sài Gòn. Nghiên cứu cũng xem xét khả năng giảm ngập khi sự cố xảy ra với việc phân lũ tại vị trí sông Rạch Tra và sông Sài Gòn. Mô hình Telemac2D được lựa chọn sử dụng trong nghiên cứu dựa vào sự sử dụng rộng rãi của nó trong lĩnh vực nghiên cứu và khả năng xử lý bài toán với tốc độ nhanh nhờ vào thuật toán song song được sử dụng trong mô hình. Từ khóa: Telemac-2D, Vỡđập Dầu Tiếng, Hạ lưu sông Sài Gòn, Lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Theo quy định của cơ quan chức năng, việc đánh giá tác động của hiện tượng vỡ đập lên vùng hạ lưu đối với các đập quy mô vừa và lớn là một nội dung bắt buộc. Hồ chứa nước Dầu Tiếng được xây dựng ở thượng nguồn sông Sài Gòn là một hồ chứa nông nghiệp được xếp vào loại lớn ở nước ta. Thành phố Hồ Chí Minh và các khu vực chung quanh nằm trong vùng hạ lưu sông phần lớn có địa hình tương đối thấp,do đó khả năng bị ảnh hưởng sẽ lớn khi có sự cố vỡ đập của hồ ở thượng lưu. Nghiên cứu về sự cố vỡ đập cũng đã được thực hiện, đặc biệt là các nghiên cứu điển hình trong thời gian gần đây của các viện như Viện Quy hoạch thủy lợi, Viện Khoa học thủy lợi, Viện Khoa học thủy lợi miền Nam thực hiện thông qua sự trợ giúp của dự án "Tăng cường năng lực các Viện ngành nước" do DANIDA tài trợ từ năm 2002-2006. Các nghiên cứu này phần lớn ứng dụng các phần mềm do DHI trợ giúp. Để góp phần làm sáng tỏ các tác động do vỡ đập Dầu Tiếng có thể gây ra cho vùng hạ lưu sông Sài Gòn, bài báo sẽ đánh giá các tác động về các mặt như: quá trình truyền sóng lũ trên sông, độ sâu ngập, thời gian ngập, vận tốc truyền lũ, với một số kịch bản vỡ đập. Nghiên cứu tác động của kênh Rạch Tra đến sự phân lũ cho vùng hạ lưu. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô hình Telemac được bắt đầu phát triển từ năm 1987 do Tập đoàn Điện lực Pháp (EDF) chủ trì cùng với sự tham gia của nhiều tổ chức nghiên cứu trên thế giới dùng để mô phỏng dòng chảy 2D theo phương nằm ngang (trung bình theo phương thẳng đứng) được mô tả bởi hệ phương trình Saint Venant như sau: - Phương trình liên tục:   )1(qUhdiv t h     - Phương trình động lượng theo phương x:   )2()u(gradhdiv h 1 F x Z g y u v x u u t u ex s             - Phương trình động lượng theo phương y:   )3()v(gradhdiv h 1 F y Z g y v v x v u t v ey s             Trong đó: h(m) – chiều sâu, u & v(m/s) – hai thành phần vận tốc theo phương nằm ngang x & y của vận tốc U  , q(m/s) – lưu lượng đơn vị của nguồn, Z s (m) – cao độ mặt thoáng, F x,y (m/s 2 ) – các ngoại lực (không kể trọng lực, ví dụ lực Coriolis, Gió ) tác dụng trên một đơn vị khối lượng chiếu theo phương ngang x & y, e  (m 2 /s) hệ số khuếch tán vận tốc. III. ỨNG DỤNG TELEMAC-2D MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY 2D LƢU VỰC ĐỒNG NAI – SÀI GÒN III.1 Miền tính Miền nghiên cứu được giới hạn từ Hồ Trị An (sông Đồng Nai), Phước Hòa (sông Bé), Dầu Tiếng (sông Sài Gòn), Gò Dầu Hạ (Vàm Cỏ Đông), Mộc Hóa (Vàm Cỏ Tây); phía hạ lưu được lấy cách xa cửa Soài Rạp 40-50 km. Miền tính được rời rạc hóa thành 269100 phần tử tam giác và 139240 nút, diện tích toàn bộ miền tính là 4992 km 2 . Diện tích nhỏ nhất của một phần tử 40m 2 mô tả lưới 2D trên sông rạch, diện tích lớn nhất 1,5 km 2 mô tả các phần tử ngoài biển. Hình1: Địahìnhvàlƣớimiềntính 2D III.2 Điều kiện biên Miền nghiên cứu được giới hạn với 4 biên ở thượng lưu và 1 biên ở hạ lưu cụ thể như sau: - Biên Q(t) Phước Hòa - Biên Q(t) Trị An - Biên Q(t) GòDầuHạ - Biên Q(t) MộcHóa - Biên Z(t) ngoại suy từ 2 trạm Vũng Tàu và Vàm Kênh. III.3 Hiệu chỉnh mô hình Nội dung nghiên cứu tập trung đánh giá tác động của vỡ đập Dầu Tiếng lên vùng hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn, nên quá trình hiệu chỉnh mô hình sẽ chọn một thời đoạn mùa lũcó số liệu quan trắc đầy đủ. Năm 2010 (từ 7/10/2010 – 10/10/2010 trong 3 ngày) được chọn cho việc hiệu chỉnh mô hình, đây là năm có đỉnh lũ và đỉnh triều khá cao, số liệu quan trắc tương đối đầy đủ. Các trạm đo mực nước Nhà Bè, Phú An, Thủ Dầu Một, Biên Hoà, Bến Lức, Tân An trong cùng chu kỳ mô phỏng sẽ được sử dụng như là số liệu quan trắc để so sánh với kết quả tính từ mô hình. Các đồ thị sau trình bày số liệu quan trắc và kết quả tính từ mô hình tại các trạm đo nói trên. Hình 2: Mực nƣớc tại trạm Biên Hòa -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 12 24 36 48 60 72 Quan trắc Mô hình Z (m) T (h) -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 12 24 36 48 60 72 Quan trắc Mô hình Z (m) T (h) Hình 3: Mực nƣớc tại trạm Nhà Bè Hình 4: Mực nƣớc tại trạm Thủ Dầu Một Hình 5: Mực nƣớc tại trạm Phú An Để so sánh đánh giá kết quả tính từ mô hình và số liệu quan trắc một cách định lượng về biên độ và pha, ở đây đã sử dụng phương pháp phân tích điều hòa với giả thiết chỉ kể đến các sóng điều hòa chính là M1, M2, M4, M6 áp dụng cho chuỗi giá trị quan trắc và tính toán từ mô hình ở các đồ thị hình 2, 3, 4. Kết quả phân tích về biên độ và pha được tóm tắt như sau: M1 M2 M4 M6 Trạm Biênđộ (m) Pha (rad) Biênđộ (m) Pha (rad) Biênđộ (m) Pha (rad) Biênđộ (m) Pha (rad) NhàBè 0.534 0.466 1.202 4.205 0.106 4.464 0.073 5.109 Phú An 0.478 0.263 1.115 3.893 0.131 3.821 0.086 4.103 ThủDầuMộ t 0.296 5.806 0.626 2.717 0.052 1.221 0.042 1.894 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 12 24 36 48 60 72 Quan trắc Mô hình Z (m) T (h) -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 12 24 36 48 60 72 Quan trắc Mô hình Z (m) T (h) Bảng 1: Kết quả phân tích điều hòa từ kết quả mô hình M1 M2 M4 M6 Trạm Biênđộ (m) Pha (rad) Biênđộ (m) Pha (rad) Biênđộ (m) Pha (rad) Biênđộ (m) Pha (rad) NhàBè 0.526 0.564 1.180 4.258 0.152 4.858 0.091 5.179 Phú An 0.457 0.417 1.077 3.892 0.129 4.098 0.083 3.929 ThủDầuMộ t 0.311 6.278 0.712 3.106 0.104 2.257 0.073 1.800 Bảng 2: Kết quả phân tích điều hòa từ số liệu quan trắc Sai số giữa kết quả mô hình cal Q và quan trắc obs Q còn được đánh giá bởi chỉ số Nash-Sutcliffe R 2 :     )4( QQ QQ 1R i 2 obs i obs i 2 i cal i obs 2      obs Q giá trị trung bình đại lượng nghiên cứu, i cal i obs Q,Q chỉ giá trị quan trắc và giá trị tính của mô hình vào thời điểm i. Ngoài ra, một số tiêu chí đánh giá độ thích hợp (GOF) cũng được xem xét. Kết quả so sánh được tổng hợp trong bảng sau: Sai biệt đỉnh TB (m) Sai biệt đáy TB (m) RMSE (m)  (quan trắc) (m)  (mô hinh) (m) R 2 NhàBè 0.028 0.065 0.132 0.947 0.961 0.980 Phú An 0.081 0.298 0.189 0.853 0.889 0.951 ThủDầuMột 0.075 0.210 0.249 0.574 0.518 0.811 Bảng 3: Một số chỉ tiêu so sánh GOF So sánh kết quả cho bởi mô hình và giá trị quan trắc nêu trên cho thấy kết quả tính từ mô hình có khả năng mô phỏng khátốt chế độ dòng chảy của khu vực trong chu kỳ tính toán xem xét. Đặc biệt các chỉ số đánh giá Nash-Sutcliffe cho thấy mô hình phản ánh tốt điều kiện thủy lực. III.4 Kiểm định mô hình Trên cơ sở mô hình đã hiệu chỉnh nêu trên, để kiểm định mô hình một mô phỏng trong chu kỳ 3 ngày từ 7/3/2010 đến 10/3/2010đã được thực hiện. Một số kết quả so sánh giữa mô hình tính và quan trắc được trình bày trong các đồ thị sau: -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Mô hình Quan trắc Z (m) T (h) Hình 6: Trạm Biên Hòa Hình 7: Trạm Nhà Bè Hình 8: Trạm Phú An Hình 9: Trạm Thủ Dầu Một -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Mô hình Quan trắc -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Mô hình Quan trắc Z (m) T (h) -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Mô hình Quan trắc Z (m) T (h) Kết quả kiểm định mô hình được trình bày trên các đồ thị Hình 6, 7, 8 và 9 cho thấy mô hìnhmô phỏng hiện tượng khá tốt khi so sánh giữa giá trị thực đo và tính toán. IV. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA VỠ ĐẬP DẦU TIẾNG LÊN VÙNG HẠ LƢU SÔNG SÀI GÒN Hồ chứa nước Dầu Tiếng được xây dựng và đưa vào sử dụng năm 1985 với các thông số cơ bản sau: MNGC = 25.1m, MNDBT = 24.4m, MNC = 17m, V MNDGC = 1580 triệu m 3 , V MNDBT = 1110 triệu m 3 , Q tràn max = 2800 m 3 /s. Bài toán vỡ đập sẽ mô phỏng cho trường hợp nguy hiểm nhất ứng với trường hợp mực nước trong hồ trước khi vỡ đập ở MNGC. Mô phỏng bài toán xem xét cho 3 trường hợp có chiều rộng vỡ đập khác nhau (B=1200m, 750m và 500m). Thời gian vỡ đập xem xét cho 3 trường hợp T vỡ đập =1200s, 600s và giả thiết đập vỡ tức thì T vỡ đập =0s. Hình 10: Vị trí vỡ đập Dầu Tiếng và các điểm xem xét Một số vị trí điển hình dọc trên sông Sài Gòn xem xét kết quả là X1 (cách đập về hạ lưu theo đường thẳng 20km), X2 (cách đập về hạ lưu theo đường thẳng 35km), X3 (cách đập về hạ lưu theo đường thẳng 50km), vị trí ngã 3 Rạch Tra, Thanh Đa và Phú An (hình 10). 1. Sóng lũ khi vỡ đập Khi vỡ đập, lưu lượng vào sông Sài Gòn ở vị trí sau đập tăng lên nhanh chóng. Đồ thị sau trình bày lưu lượng qua mặt cắt 1-1 (hình 10)trong trường hợp xét chiều rộng vỡ đập B=500m và thời gian vỡ là T vỡ đập =600s. Kết quả cho thấy lưu lượng lớn nhất qua đây có thể đạt đến 40000m 3 /s vào thời điểm 1h40phút sau khi xảy ra vỡ đập. Hình 11: Lƣu lƣợng qua mặt cắt 1-1 Khi vỡ đập, mực nước trong đoạn sông ngay sau đập sẽ tăng lên nhanh chóng hình thành một “sóng lũ” di chuyển nhanh về hạ lưu. Hình 6: Giao động mực nước hồ khi vỡ đập Hình 12: Vị trí sóng lũ sau 3h vỡ đập (B =500m, T vỡ đập =600s) 1. Trƣờng vận tốc dòng chảy khi xảy ra vỡ đập Hình vẽ sau đây trình bày trường vận tốc dòng chảy sau khi xảy ra vỡ đập 12h. Dòng chảy lũ đã về đến khoảng vị trí ngã 3 gặp giữa kênh Tham Lương và sông Sài Gòn (vận tốc dòng chảy trung bình 1.8m/s). 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Q (m 3 /s) T (h) Hình 13: Trƣờng vận tốc sau 12h vỡ đập (B vỡ đập =500m, T vỡ đập =600s) 2. Ảnh hƣởng của thời gian và chiều rộng vỡ đập lên mực nƣớc hạ lƣu Để đánh giá ảnh hưởng của yếu tố thời gian vỡ đập cũng như chiều rộng đập vỡ lên mực nước ngập trên sông Sài Gòn, các mô phỏng tương ứng với thời gian vỡ đập T vỡ đập =0s, 600s và 1200s được tổ hợp với các chiều rộng vỡ đập B=150m, 250m, 500m và750m được mô phỏng. Kết quả cho thấy với chiều rộng vỡ từ 500m trở lên mực nước theo thời gian tại các vị trí Rạch Tra, kênh Thanh Đa là tương tự nhau (hình 14). Hình14: Mực nƣớc theo thời gian tại Rạch Trakhi vỡ đập 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Rạch Tra (B=500m) Rạch Tra (B=250m) Rạch Tra (B=150m) Rạch Tra (B=750m) Z (m) T (h) 3. Quá trình truyền lũ trên sông Quá trình truyền lũ trên sông khi bắt đầu vỡ đập được thể hiện theo hình bên dưới. Kết quả cho thấy mực nước lớn nhất tại các vị trí dọc sông giảm khá nhanh (hình 15). Kết quả này có thể giải thích do khả năng chứa của sông hai bên bờ gia tăng. Ngoài ra kết quả tính toán cũng cho thấy tác dụng phân lũ của kênh Rạch Tra cho vùng hạ lưu là rất lớn. Mực nước tại các vị trí Thanh Đa và Phú An giảm đáng kể trong trường hợp có xét đến khả năng phân lũ tại vị trí ngã 3 Rạch Tra và sông Sài Gòn (hình 16). Hình 15: Quá trình truyền lũ (B vỡ đập =750m, T vỡ đập =600s) Hình 16: Ảnh hƣởng của phân lũ tại Rạch Tra lên mực nƣớc tại Thanh Đa và Phú An -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 X1 X2 X3 Rạch Tra Thanh Đa Phú An Phú An (K. Vỡ Đập) Z (m) T (h) -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Thanh Đa (K. Phân lũ) Thanh Đa Phú An (K. Phân lũ) Phú An Z (m) T (h) [...]... Đa giảm từ 3.79m xuống 3.13m Tác dụng tương tự cho kết quả tính tại Phú An, mực nước lớn nhất giảm từ 2.2m xuống 1.85m (hình 16) V KẾT LUẬN Một số kịch bản khi tính toán vỡ đập Dầu Tiếng cho thấy khả năng ảnh hưởng xấu đến khu vực hạ lưu sông Sài Gòn Đặc biệt khu vực kể từ Thanh Đa về hướng thượng nguồn mực nước dâng cao có khả năng ngập sâu.Ví dụ với trường hợp vỡ đập có chiều rộng B=500m, mực nước... đến 11m/s (hình 13) - Từ vị trí Rạch Tra đến Phú An có thể gọi là vùng chuyển tiếp từ ảnh hưởng của sóng lũ sang ảnh hưởng của triều Đường mực nước có độ dốc giảm đi đáng kể và thoải dần, mực nước có xu hướng giảm dần từ cao trình +4.2m xuống còn +1,8m - Từ Phú An ra đến ngã ba Đèn đỏvàvề phía hạ lưu là vùng chịu ảnh hưởng phần lớn của triều, sóng lũ hầu như không còn tác động đến khu vực này TÀI... số nhận định sau: - Từ đập Dầu Tiếng về đến ngã ba kênh Rạch Tra và sông Sài Gòn là đoạn chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng lũ và biên độ sóng giảm dần khi càng xa đập Ở vị trí gần đập mực nước có thể đạt đến cao trình +21.8m và ở vị trí đầu kênh Rạch Tra thì mực nước chỉ dâng đến cao trình +4.2m Vận tốc dòng chảy trong đoạn này rất lớn và vận tốc lớn nhất có thể đạt đến 11m/s (hình 13) - Từ vị trí Rạch... (2010) .Telemac2 d_manuel_utilisateur_v6p2 EDF [3].NGUYỄN Thống(2008) Bài giảng Phương pháp số ứng dụng Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh [4] Loren P MEISSNER (1995) Fortran 90 PWS Publishing Company [5] Canadian Hydraulics Centre, National Research Council.Blue Kenue Reference Manual 2010 Lờicámơn: - NghiêncứunàyđượcthựchiệntrongkhuônkhổTrungtâm CARE, TrườngĐạihọcBáchKhoa Tp HồChí Minh - CácmôphỏngnàyđãđượcthựchiệntạiTrungtâmtínhtoánhiệunăngcao... the diversion placedatjunction of RachTra-Saigon River was considered.In addition, the simulation domain shows that the Telemac2 D hydraulic model is a veryeffective software compared to others in terms of computation speeddue to parallel algorithms used in the model Keywords: Telemac2 D; DauTiengdam break; downstream of the Saigon River; Dong Nai-Saigon River basin Địa chỉ liên hệ: PGS TS NguyễnThống... Kenue Reference Manual 2010 Lờicámơn: - NghiêncứunàyđượcthựchiệntrongkhuônkhổTrungtâm CARE, TrườngĐạihọcBáchKhoa Tp HồChí Minh - CácmôphỏngnàyđãđượcthựchiệntạiTrungtâmtínhtoánhiệunăngcao (HPCC) TrườngĐạihọcBáchKhoa Tp HồChí Minh APPLICATION OF TELEMAC- 2D HYDRAULIC MODEL FOR THE IMPACT ASSESSMENTS OF DAUTIENG DAMBREAK ON THE SAIGON RIVER LOWLANDS Nguyen Thong andLuuXuanLoc Summary DauTiengreservoi built . ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TELEMAC- 2D ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG VỠ ĐẬP DẦU TIẾNG LÊN VÙNG HẠ LƢU SÔNG SÀI GÒN PGS.TS. NGUYỄN THỐNG TS. LƢU XUÂN. được sử dụng trong mô hình. Từ khóa: Telemac- 2D, Vỡ ập Dầu Tiếng, Hạ lưu sông Sài Gòn, Lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Theo quy định của cơ quan chức năng, việc đánh giá tác. thị Hình 6, 7, 8 và 9 cho thấy mô hìnhmô phỏng hiện tượng khá tốt khi so sánh giữa giá trị thực đo và tính toán. IV. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA VỠ ĐẬP DẦU TIẾNG LÊN VÙNG HẠ LƢU SÔNG SÀI GÒN