Đánh giá khả năng thoát lũ của sông Hồng khi nạo vét, hạ thấp cao độ các bãi sông

Nội dung bài viết này kế thừa một số kết quả nghiên cứu trước đây nhưng có cập nhật các thông số mới về đặc trưng hình học, hình thái lòng dẫn của đoạn sông đại diện trên sông Hồng, từ đó đưa ra kết quả nghiên cứu đầy đủ hơn để đánh giá hiệu quả cũng như giới hạn của giải pháp nạo vét, hạ thấp cao độ các bãi sông đối với việc cải thiện khả năng thoát lũ trên sông Hồng.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THỐT LŨ CỦA SÔNG HỒNG KHI NẠO VÉT, HẠ THẤP CAO ĐỘ CÁC BÃI SÔNG Nguyễn Ngọc Đẳng, Nguyễn Ngọc Quỳnh, Nguyễn Mạnh Linh Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Động lực học sông biển Lê Xuân Thắng Sở Nông nghiệp Phát triển nơng thơn Hà Nội Tóm tắt: Nhằm tăng khả lũ sơng Hồng, giải pháp nạo vét, hạ thấp cao độ bãi sông đề xuất Tuy nhiên, sở lý luận thực tiễn để chứng minh đánh giá hiệu giải pháp chưa rõ ràng Nội dung báo kế thừa số kết nghiên cứu trước có cập nhật thơng số đặc trưng hình học, hình thái lịng dẫn đoạn sơng đại diện trê sơng Hồng, từ đưa kết nghiên cứu đầy đủ để đánh giá hiệu giới hạn giải pháp nạo vét, hạ thấp cao độ bãi sơng việc cải thiện khả lũ sơng Hồng Từ khố: khả lũ; đặc trưng hình thái Summary: In order to increase the flood drainage capacity of the Red River, the dredging and lowering solutions of river floodplain have been proposed, but the theoretical and practical basis to prove also as assessed the effectiveness of this solution is still unclear The content of this article inherits some previous research results but has updated the new model (MIKE 21FM) and new parameters of geometry, morphological form of the typical river section, thereby giving the results more comprehensive research results to evaluate the effectiveness and limitation of this solution to improve flood drainage capacity of the Red River Keywords: flood drainage capacity; Morphological characteristic ĐẶT VẤN ĐỀ * Việc triển khai quy hoạch phòng chống lũ hệ thống sơng Hồng, sơng Thái Bình đề xuất giải pháp nạo vét, hạ thấp cao trình số bãi sông bờ tả sông Hồng với mục đích đảm bảo khả lũ thiết kế trường hợp cho phép khai thác bãi sông Theo tính tốn quy hoạch, bãi sơng đề xuất hạ thấp đến số cao độ khác +2,5m; +3,0m; +5,0m [3,4] Cải tạo, hạ thấp bãi sông để gia tăng khả lũ cho sơng giải pháp thường xem xét Tuy nhiên, việc xác định giới hạn hay tham số nạo vét bắt buộc Ngày nhận bài: 27/3/2020 Ngày thông qua phản biện: 17/4/2020 phải tuân thủ nguyên tắc chỉnh trị sông mùa lũ Cụ thể là: Hình dạng mặt tuyến nạo vét, hạ thấp bãi; Phạm vi hay chiều rộng giới hạn bãi sông cho phép nạo vét; Cao độ nạo vét để đảm bảo đạt mục đích tăng khả lũ, đồng thời khơng gây tác động bất lợi đến ổn định lịng sơng, đặc biệt dự báo khả bồi lấp lại bãi sông khu vực nạo vét, hạ thấp Từ kết nghiên cứu mang tính lý thuyết thực tế sông Hồng nhiều năm qua với cơng cụ tính tốn mơ hình tốn 2D, mơ hình vật lý lịng cứng lịng động, nhóm nghiên cứu Phịng thí nghiệm trọng điểm Ngày duyệt đăng: 20/4/2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Quốc Gia động lực sông biển đưa phân tích, đánh giá có sở khoa học mức độ gia tăng khả thoát lũ nạo vét, hạ thấp bãi mà cụ thể đưa giới hạn phạm vi chiều rộng, chiều sâu nạo vét bãi sơng Các kết nghiên cứu liên quan đến vấn trình bày, cơng bố số báo Trong báo trình bày kết nghiên cứu hiệu giới hạn việc hạ thấp cao độ bãi sơng đến khả lũ sông Hồng PHƯƠNG PHÁP LUẬN, CÁC KỊCH BẢN VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp luận [1] Phương pháp luận đặt cho nghiên cứu hiệu hạ thấp cao độ bãi sông khả thoát lũ dựa sau: - Từ tham số thực tế đoạn sông Hồng (chọn đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hưng Yên) như: hình thái mặt bằng, mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, hệ số nhám, độ dốc thủy lực, thông số thủy văn - thủy lực lũ thiết lập đoạn sông mẫu với tuyến chỉnh trị tuyến lũ tính tốn - Trên sở đoạn sơng mẫu, thiết lập kịch tính tốn với yếu tố thay đổi cao độ bãi sơng (Zb) có xét đến yếu tố tác động chiều rộng lũ (Btl), bán kính cong đại diện (Rc) tuyến chỉnh trị sức cản lòng, bãi sơng - Sử dụng mơ hình tốn 2D với lưới tính linh hoạt, mơ yếu tố hình học, hình thái chế độ, đặc trưng dịng chảy lũ mặt bằng, mặt cắt ngang sông 2.2 Thiết lập đoạn sông mẫu [1] a Chọn đoạn sông mẫu Đoạn sông mẫu lựa chọn dựa sơ đồ hóa đoạn sơng thực tế sơng Hồng từ Sơn Tây đến Chèm, đoạn sơng trọng điểm để xem xét chi tiết thay đổi yếu tố hình thái đoạn cong Trung Hà (bao gồm phần chuyển tiếp thượng hạ lưu), đoạn sơng có biến động mạnh mặt giai đoạn 2003-2007, ổn định giai đoạn 2010-2015, có dấu hiệu biến động trở lại từ cuối 2016 đến b Các thông số đặc điểm địa hình, lịng dẫn, hình thái , thủy văn, thủy lực đoạn sơng Dựa số liệu địa hình đoạn sông đo 2017, 2018; trạng mặt bờ bãi sơng, thơng số hình học, hình thái sơng đặc trưng thủy văn, thủy lực Các thông số tính tốn cho đoạn sơng mẫu bảng mơ tả hình Bảng 1: Các thơng số sông Hồng đoạn Sơn Tây- Chèm để xây dựng đoạn sông mẫu TT Các thơng số địa hình thái thủy văn, thủy lực Chiều sâu ổn định tính tốn đoạn sơng Hồng Sơn Tây – Chèm: Ho(m) Chiều rộng ổn định đoạn sông Hồng từ Sơn Tây – Chèm: Bo (m) Lưu lượng tạo lịng Qo ( m3/s) Chiều rộng lịng sơng tại, năm 2017: Bc (m) Chiều rộng tuyến lũ: Btl (m) Bán kinh cong lịng sơng: Rc (m) Giá trị tính tốn 8,50 ÷ 8,75 696 ÷ 710 10.700 1050 ÷ 2700 (1,4 ÷ 3,8)Bo 1200 ÷ 4500 (1,5 ÷ 6)Bo 1400 ÷ 4900 (2 ÷ 7)Bo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 Ghi Kết báo cáo: Tác động hạ thấp lòng dẫn đến chế độ thủy văn hình thái lịng dẫn sơng Hồng (Tạp chí KHCN Thủy lợi 9/2016) Số liệu thực tế chiều rộng bán kính cong phổ biến đoạn sông KHOA HỌC TT 10 11 Các thơng số địa hình thái thủy văn, thủy lực Độ dốc trung bình bãi sơng: Ib Cao độ trung bình bãi sơng: Zo (m) - Đoạn đầu (Sơn Tây) - Đoạn cuối (Chèm) Hệ số nhám lòng bãi sơng - Hệ số nhám lịng: nl - Hệ số nhám bãi: nb Lưu lượng lũ thiết kế Qtk (m3/s) Mực nước thiết kế (m): - Biên - Sơn Tây - Chèm (biên dưới) c Các thông số đoạn sông mẫu Từ thông số đoạn sông thực tế (bảng 1), với mục tiêu đánh giá biến động yếu Hình 1: Sơ đồ mặt nghiên cứu cho đoạn sông mẫu Giá trị tính tốn CƠNG NGHỆ Ghi 5,8 x 10-5 13,00 10,75 0,02 ÷0,04 0,05 ÷ 0,10 26.100 18,0 16,1 13,9 Số liệu thực tế trung bình đoạn sơng Số liệu nhám mơ thực tế đoạn sơng Tính với lũ TK 300 năm (QĐ số 3032/QĐ-BNN-TCTL ngày 19/7/2016) tố cao độ trung bình bãi sơng hạ thấp cao độ trung bình bãi sơng (Zb) đến khả lũ, giới hạn yếu tố khác số giá trị định Hình 2: Sơ đồ mặt cắt ngang nghiên cứu cho đoạn sông mẫu Bảng 2: Các thông số đoạn sông mẫu TT Các thơng số địa hình-hình thái thủy văn thủy lực Chiều sâu ổn định sông mẫu: Ho(m) Chiều rộng ổn định sơng mẫu: Bo(m) Lưu lượng tạo lịng Qo (m3/s) Chiều rộng thoát lũ: Btl (m) Bán kinh cong lịng sơng: Rc (m) Độ dốc trung bình bãi sơng:Ib Cao độ trung bình bãi sơng: Zo (m) - Đoạn đầu (Sơn Tây) - Đoạn cuối (Chèm) Giá trị tính tốn 8,7 700 10.700 2,5 Bo 2Bo ÷ 5Bo 5,8 x 10-5 13,00 10,75 Ghi Chọn 01 giá trị Btl đại diện Chọn 02 giá trị Rc đại diện Theo thực tế Theo thực tế TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC TT 10 CÔNG NGHỆ Các thơng số địa hình-hình thái thủy văn thủy lực Hệ số nhám lịng bãi sơng - Hệ số nhám lịng sơng: nl - Hệ số nhám bãi sơng: nb Lưu lượng lũ thiết kế : Qtk (m3/s) Mực nước lũ ứng với Qtk (m) - Thượng lưu Sơn Tây 10km - Sơn Tây - Chèm 2.3 Kịch nghiên cứu, tính tốn [1,6] Giá trị tính tốn 0,02÷0,04 0,05÷0,08 26.100 Ghi Chọn 02 giá trị đại diện 18,0 16,1 13,9 Theo thực tế 2.3.1 Xây dựng quan hệ khả thoát lũ với biến động cao độ trung bình bãi sơng - Đặc điểm hình dạng mặt tuyến sơng có ảnh hưởng đến khả thoát lũ xem xét qua yếu tố bán kính cong Rc Trong điều kiện lưu lượng lũ tính tốn, khả lũ đoạn sông/con sông đánh giá trực tiếp qua giá trị mực nước lũ gián tiếp qua quan hệ (H/Ho), - Khả thoát lũ (H/Ho) hàm số tham số là: biến động cao độ bãi sông (Zb/Zo) bán kính cong đoạn sơng Rc thể qua biểu thức quan hệ (1) Quan hệ khả thoát lũ với biến động cao độ bãi sông thể qua biểu thức: - Với mục đích đánh giá tác động yếu tố cao độ bãi sơng hình dạng mặt tuyến sơng, kịch nghiên cứu, có giả thiết sau: H Z  f ( b ;Rc) H0 Z0 (1) Trong đó: - Khả lũ đánh giá gián tiếp thông qua tỷ lệ (H/Ho) tham số khơng thứ ngun, H mực nước lũ tính tốn; Ho chiều sâu ổn định lịng dẫn đoạn sông mẫu - Biến động cao độ bãi sông đánh giá gián tiếp thông qua tỷ lệ (Zb/Zo) tham số khơng thứ ngun, Zb cao độ trung bình bãi sơng; Zo cao độ trung bình bãi sơng trạng tương ứng với chiều sâu ổn định lòng dẫn + Chưa xem xét ảnh hưởng chiều rộng thoát lũ mà mặc định chọn giá trị chiều rộng thoát lũ trung bình đoạn sơng nghiên cứu Btl = 2,5 Bo + Bỏ qua yếu tố sức cản lòng (nl) bãi sông (nb), giá trị nl nb mặc định khoảng giá trị định 2.3.2 Chi tiết kịch tính tốn a Kịch biến động cao độ bãi sông Từ phân tích trên, chi tiết kịch tính tốn thể bảng Bảng 3: Chi tiết kịch tính toán quan hệ mực nước lũ với biến động cao độ trung bình bãi sơng TT Các mức hạ thấp cao độ bãi sông Zb so với cao độ bãi sông trạng Z0 ∆Z (m) 0,0 H/H0= f ( Zb/Z0 1,000 Zb ;Rc ) Z0 R=2B0 R=3,5B0 R=5B0 R>>5B0 x x x x TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC TT Các mức hạ thấp cao độ bãi sông Zb so với cao độ bãi sông trạng Z0 ∆Z (m) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 H/H0= f ( Zb/Z0 0,958 0,917 0,875 0,833 0,791 0,750 0,708 CÔNG NGHỆ Zb ;Rc ) Z0 R=2B0 R=3,5B0 R=5B0 R>>5B0 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Ghi chú: kịch tính tốn chi tiết giá trị nl khoảng từ 0,2÷0,3 nb từ 0,5÷0.6 Hình 3: Thiết lập địa hình đoạn sơng mẫu b Kịch thủy văn Trên đoạn sơng mẫu, tính với 01 kịch lũ thiết kế 300 năm, mơ hình lũ 1996 sử dụng kết mực nước biên đầu vào, biên cuối vị trí trạm thủy văn Sơn Tây 2.4 Cơng cụ nghiên cứu - thiết lập mơ hình MIKE 21FM [2,5,6] Hình 4: Thiết lập lưới tính tốn cho đoạn sông mẫu Với yêu cầu nghiên cứu kịch tính tốn, nghiên cứu nêu sử dụng mơ hình MIKE 21 làm cơng cụ mơ tính tốn Mơ hình MIKE21 FM thiết lập cho đoạn sông mẫu với phạm vi nghiên cứu hình b Biên mơ hình 2.4.1 Thiết lập mơ hình + Biên (Chèm): 13,9 m Trong phạm vi báo giới thiệu kết mơ tả việc thiết lập mơ hình thơng qua số hình đại diện + Mực nước Sơn Tây: 16,1 m a Thiết lập địa hình lưới tính toán - Biên lưu lượng: Sơn Tây với Qtk = 26.100 m3/s - Biên mực nước: + Biên (thượng lưu TV Sơn Tây 10 km): 18,0 m 2.4.2 Vấn đề kiểm định mơ hình thủy lực 2D Việc kiểm định mơ hình thủy lực 2D cho đoạn sơng/con sơng mẫu sơ đồ hóa trung bình hóa, khơng hồn tồn tn theo yêu cầu kiểm định thông thường Việc xem xét phù hợp mơ hình thủy lực đoạn sơng mẫu tùy thuộc vào mục đích tính tốn Trong trường hợp xem xét yếu tố mực nước trung bình mùa lũ cần xem xét phù hợp giá trị mực nước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ số điểm đại diện tính tốn mơ hình đoạn sông mẫu với giá trị thực tế Trong trường hợp có khác biệt lớn, việc hiệu chỉnh hệ số nhám/sức cản cần thiết để đảm bảo phù hợp tương thực tế Tuy nhiên giá trị hệ số nhám điều chỉnh không vượt khoảng giới hạn hệ số nhám đoạn sông thực tế Cụ thể toán nghiên cứu này, sau hiệu chỉnh hệ số nhám lịng sơng bãi sông khu vực khác khoảng nl = 0,02÷0,03 nb = 0,05÷0,06 đạt giá trị mực nước lũ tính tốn mơ hình 2D cho đoạn sơng mẫu tương đối phù hợp với mực nước lũ thực tế đoạn sông Trong tốn tổng qt với đoạn sơng mẫu sử dụng yếu tố mực nước ứng với lũ thiết kế để kiểm định, đồng thời lũ thiết kế kịch thủy văn tính tốn quan hệ khả lũ với biến động cao độ trung bình bãi sơng Hình 5: Kết tính tốn mực nước lũ thiết kế đoạn sơng mẫu Hình 6: Kết tính tốn vận tốc với lũ thiết kế đoạn sông mẫu XÂY DỰNG QUAN HỆ GIŨA KHẢ NĂNG THỐT LŨ VỚI BIẾN ĐỘNG CAO ĐỘ TRUNG BÌNH BÃI SƠNG 3.1 Kết tính tốn Bảng 4: Kết tính tốn quan hệ mực nước lũ với biến động cao độ trung bình bãi sơng TT Các mức hạ thấp cao độ bãi sông Zb so với cao độ bãi sông trạng Z0 ∆Z (m) H/H0= f ( Zb/Z0 R=2B0 R=3,5B0 R=5B0 R>>5B0 0,0 1,000 1.3145 1.3145 1.314 1.314 0,5 0,958 1.308 1.305 1.303 1.3015 1,0 0,917 1.3025 1.298 1.295 1.2845 1,5 0,875 1.298 1.292 1.2885 1.274 2,0 0,833 1.296 1.288 1.285 1.268 2,5 0,791 1.294 1.285 1.281 1.264 3,0 0,750 1.293 1.2835 1.279 1.261 3,5 0,708 1.292 1.282 1.277 1.259 3.2 Xây dựng quan hệ Zb ;Rc ) Z0 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC 3.2.1 Biểu đồ quan hệ CÔNG NGHỆ H Z  f( b ;Rc) H0 Z0 Hình 8: Quan hệ H Z  f( b ;Rc) H0 Z0 3.2.2 Biểu thức quan hệ a Biểu thức quan hệ H Z  f( b ) với giá trị bán kính cong Rc H0 Z0 - Víi Rc =2Bo ; Z  Z  H = 0,32  b  - 0,46  b  +1,5; H0  Z0   Z0  (2) - Víi Rc =3.5Bo ; Z  Z  H = 0,39  b  - 0,56  b  +1,5; H0  Z0   Z0  (3) - Víi Rc =5Bo ; Z  Z  H = 0,42  b  - 0,60  b  +1,5; H0  Z0   Z0  (4) Z  Z  H = 0,78  b  - 1,13  b  +1,5 H0  Z0   Z0  - Víi Rc >>5Bo ; (5) b) Biểu thức tổng quát Z  Z  H Z  f( b ;Rc) = 0,39.k1  b  - 0,56.k2  b  +1,5 H0 Z0  Z0   Z0  (6) Trong k1 k2 hệ số lấy từ bảng đây: Rc =2Bo Rc=3.5Bo Rc = 5Bo Rc >>5Bo k1 k2 k1 k2 k1 k2 k1 k2 0,82 0,86 1,0 1,0 1,07 1,07 2,0 2.0 3.3 Trao đổi thảo luận Về hiệu gia tăng khả thoát lũ hạ thấp cao độ bãi sông: từ biểu đồ quan hệ hình biểu thức từ (2) đến (6), cho thấy hạ thấp cao độ bãi sơng đến giá trị TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Zb đó, mực nước lũ H không biến đổi (hạ thấp khơng đáng kể), có nghĩa giảm cao độ bãi sơng làm tăng khả lũ giới hạn định Bên cạnh việc nạo vét, hạ thấp cao độ bãi sông cách thiếu tính tốn, khơng tn theo ngun tắc chỉnh trị sơng cịn gây bất lợi đến dịng chảy mùa kiệt, đến trình vận chuyển bùn cát chế bồi xói ổn định lịng dẫn KẾT LUẬN Việc nghiên cứu đánh giá hiệu thoát lũ tăng diện lũ bãi sơng cách hạ thấp cao độ bãi sông cho thấy có hiệu mức độ giới hạn hạ thấp cao độ bãi sơng đến giá trị Zb đó, mực nước lũ H không biến đổi Về ứng dụng: kết nghiên cứu thể dạng biểu thức: Z  Z  H Z  f( b ;Rc) = 0,39.k1  b  - 0,56.k2  b  +1,5 H0 Z0  Z0   Z0  Trong mơ tả quan hệ yếu tố mực nước lũ với hạ thấp cao độ trung bình bãi sơng xét đến yếu tố bán kính cong lịng sơng tạo sở khoa học thuyết phục tính tốn khả cải tạo hạ thấp bãi sông số đoạn sông thực tế Bên cạnh yếu tố tác động đến khả thoát lũ cao độ bãi sơng, hình dạng mặt bán kính cong lịng dẫn cịn có số yếu tố tác động khác sức cản sơng, chiều rộng hình dạng mặt lũ Các yếu tố tác động đến thoát lũ chưa xét đến báo tiếp tục nghiên cứu tính tốn sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Quỳnh (2006), Nghiên cứu xác lập quan hệ hình thái lịng sơng với khả lũ sông Hồng đoạn Sơn Tây-Hưng Yên, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Viện Khoa học Thủy lợi, Hà Nội; [2] DHI ( 2016), MIKE21 FM, Manual; [3] Quyết định số 257/QĐ-TTg ngày 25/3/2016 Chính phủ việc phê duyệt rà sốt quy hoạch phịng chống lũ đê điều hệ thống sơng Hồng, sơng Thái Bình; [4] Viện Quy hoạch Thủy lợi (2018), Rà sốt quy hoạch phịng chống lũ chi tiết tuyến sơng có đê thuộc thành phố Hà Nội [5] Trần Đình Hịa nnk (2018), Nghiên cứu tổng thể giải pháp cơng trình đập dâng nước nhằm ứng phó tình trạng hạ thấp mực nước, đảm bảo an ninh nguồn nước cho vùng hạ du sông Hồng, Đề tài cấp Quốc Gia, Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam; [6] Nguyễn Mạnh Linh, Nguyễn Ngọc Đẳng (2018), Báo cáo thủy lực mơ hình MIKE 21 FM thuộc đề tài cấp Bộ Nghiên cứu đề xuất giải pháp sử dụng hợp lý vùng đất bãi ven sơng để nâng cao hiệu phịng chống lũ cho sơng Hồng sơng Thái Bình điều kiện biến đổi khí hậu, Phịng TNTĐ QG động lực sơng biển TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 ... Việc nghiên cứu đánh giá hiệu thoát lũ tăng diện thoát lũ bãi sông cách hạ thấp cao độ bãi sơng cho thấy có hiệu mức độ giới hạn hạ thấp cao độ bãi sơng đến giá trị Zb đó, mực nước lũ H không biến... Zb đó, mực nước lũ H khơng biến đổi (hạ thấp khơng đáng kể), có nghĩa giảm cao độ bãi sông làm tăng khả thoát lũ giới hạn định Bên cạnh việc nạo vét, hạ thấp cao độ bãi sơng cách thiếu tính tốn,... Quốc Gia động lực sơng biển đưa phân tích, đánh giá có sở khoa học mức độ gia tăng khả thoát lũ nạo vét, hạ thấp bãi mà cụ thể đưa giới hạn phạm vi chiều rộng, chiều sâu nạo vét bãi sông Các kết