Giải pháp lấy nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông tô lịch bằng mô hình thủy lực HEC - RAS

Tình trạng khan hiếm nước vào mùa khô diễn ra ở tất cả các hệ thống sông trên địa bàn thành phố Hà Nội, nhất là lưu vực sông Đáy và sông Nhuệ. Nhiều khu vực, người dân vẫn phải dùng nước thải để tưới cho lúa, rau màu, cây trồng và nuôi trồng thủy sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nông sản, thực phẩm và sức khỏe đời sống nhân dân.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIẢI PHÁP LẤY NƯỚC TỰ CHẢY CHO SÔNG ĐÁY, SÔNG NHUỆ VÀ SÔNG TÔ LỊCH BẰNG MƠ HÌNH THỦY LỰC HEC - RAS TS Nguyễn Hữu Huế Đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Tình trạng khan nước vào mùa khô diễn tất hệ thống sông địa bàn thành phố Hà Nội, lưu vực sông Đáy sông Nhuệ Nhiều khu vực, người dân phải dùng nước thải để tưới cho lúa, rau màu, trồng nuôi trồng thủy sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nông sản, thực phẩm sức khỏe đời sống nhân dân Đứng trước khó khăn thách thức nói trên, nhiều giải pháp nhà khoa học, cấp, ban ngành đưa triển khai chưa đạt hiệu mong muốn, chưa giải triệt để vấn đề nêu Đề tài “Nghiên cứu giải pháp cơng trình lấy nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ sông Tô Lịch” thực góp phần tìm lời giải cho tốn Bài báo trình bày nội dung tính tốn thủy lực mơ hình HEC-RAS hệ thống sơng khu vực nghiên cứu ứng với điều kiện biên thượng lưu thời điểm kiệt nhất, cống Liên Mạc cống Cẩm Đình khơng phát huy tác dụng, nhằm đánh giá hiệu giải pháp dẫn nước tự chảy cấp cho sông Summary: Water scarcity in dry season spreads on all river systems in Hanoi, especially Day river and Nhue river’s watersheds People in these two river’s basins have to use wastewater to irrigate rice, vegetables, plant, and put in ponds for aquaculture, seriously affect the quality of agricultural products and foodstuffs, affect health of people Faced with the difficulties and challenges mentioned above, many solutions have been issued but they are not effective, problems are not solved definitely "Research solutions for the water flowing Day, Nhue and To Lich River" is conducting research to find a solution contribute to multi-objective problem This article introduces the content in hydraulic calculations HEC-RAS model of the river system in research to the boundary conditions at the driest upper which Lien Mac culvert and Cam Dinh culvert are not effect, in order to evaluate the effectiveness of the solution flowing water to rivers MỞ ĐẦU* Kể từ năm 2006 đến nay, sông địa bàn thành phố Hà Nội vào mùa khơ (tháng XI năm trước ÷ V năm sau) ln tình trạng khan nước, diễn gay gắt lưu vực sông Đáy sơng Nhuệ, nơi có 180.536 đất sản xuất nơng nghiệp Mặc dù cụm cơng trình đầu mối Cẩm Đình - Hiệp Thuận sơng Đáy cống điều tiết sông Nhuệ xây dựng cải tạo năm gần chưa phát huy hết hiệu mong muốn, có Người phản biện: PGS.TS Lê Văn Nghị vụ sản xuất Đơng Xn cống đầu mối mở cửa lấy nước tượng nước chảy ngược từ sông sông Hồng Nhiều địa phương thuộc lưu vực hai sông, người dân phải dùng nước thải để tưới cho lúa, rau màu, trồng đưa vào ao, hồ để nuôi trồng thủy sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nông sản, thực phẩm sức khỏe đời sống nhân dân Nội dung đề tài nghiên cứu giải pháp lấy nước từ sông Đà cấp thường xuyên cho sông Đáy, sông Nhuệ sông Tô Lịch cách xây dựng tuyến kênh dẫn nước dài 36 km từ sơng Tích nối sơng để cấp nước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 77 KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hiện nay, việc ứng dụng mơ hình tốn để tính tốn thủy lực mạng sơng cơng trình điều tiết sơng ngày rộng rãi tồn thể giới Việt Nam Mơ hình tốn giúp người sử dụng tính tốn nhiều kịch khác cách nhanh chóng hiệu quả, giải pháp cơng trình mơ nhờ phần mềm chuyên dụng Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phần mềm HEC - RAS 4.1 để tính tốn mơ dịng chảy kiệt hệ thống sông khu vực nghiên cứu xây dựng tuyến kênh dẫn nước tự chảy cơng trình điều tiết HEC – RAS mơ hình tốn thủy lực chiều Trung tâm Thủy văn Cơng trình thuộc hiệp hội Kỹ sư qn Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) xây dựng Việc phát triển mơ hình HEC - RAS nằm chương trình phát triển đồng CƠNG NGHỆ mơ hình bao gồm: phân tích mưa rào - dịng chảy, phân tích thủy lực sơng, diễn tốn hồ chứa, phân tích thiệt hại lũ, dự báo điều tiết hồ chứa Đây phần mềm tính tốn ứng dụng cho nhiều lưu vực sơng Mỹ, Cơ quan quản lý tình trạng khẩn cấp liên bang Mỹ - FEMA khuyên dùng; Việt Nam, phần mềm nhiều đơn vị sử dụng cho kết tốt Các thơng số mơ hình thủy lực mạng sơng khu vực nghiên cứu hiệu chỉnh kiểm định dựa tài liệu thực đo mực nước trạm thủy văn dọc sông Nhuệ, sông Đáy KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Phạm vi mô thủy lực tài liệu địa hình Phạm vi mơ tài liệu địa hình sử dụng trình xây dựng mơ hình thủy lực trình bày chi tiết bảng 1: Bảng 1: Tổng hợp mạng sông mơ tài liệu địa hình tương ứng TT Sơng Chiều dài (m) Tích 110700 Đáy 220300 Tên 74000 Tô Lịch 13500 Đào 25240 78 Nhuệ Hoàng Long Tổng 22150 Hiện trạng Trạm Ba Thá Kênh Ngọc Tảo Cẩm Đình Hiệp Thuận 11800 Đã cải tạo 2011 11 Hiệp Thuận – Mai Lĩnh Hiệp Thuận Mai Lĩnh 33700 Đang thi công Mặt cắt thiết kế 2010 14 Mai Lĩnh Ba Thá 13169 2009 12 Ba Thá Như Tân 161631 2009 96 Cống Liên Mạc Cầu Xa La 16900 2010 169 Cầu Xa La Hợp lưu sơng Đáy (Phủ Lý) 57100 Lịng sơng tự nhiên 2007 30 Hợp lưu sông Nhuệ Đã cải tạo 2011 30 Hợp lưu sông Đáy Hợp lưu sông Đáy Lịng sơng tự nhiên Lịng sơng tự nhiên 2000 2000 Xa La – Phủ Lý Cống Hoàng Quốc Việt Trạm Nam Định Trạm Bến Đế 448490 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 Đang thi công Mặt cắt ngang Năm đo Số đạc lượng Mặt cắt thiết kế 212 2010 Cống Lương Phú Mai Lĩnh – Ba Thá Ba Thá – Như Tân Liên Mạc – Xa La Khúc sông chia nhỏ Điểm Điểm Chiều dài bắt đầu kết thúc (m) Lịng sơng tự nhiên Lịng sơng tự nhiên Lịng sơng tự nhiên 590 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 3.2 Số hóa mạng sơng, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Hệ thống sơng khu vực nghiên cứu mà điển hình sơng Tích sơng Đáy (đoạn Hiệp Thuận – Mai Lĩnh dài 33,7 Km) nạo vét đào Chính vậy, để giải nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, mơ hình sử dụng số mặt cắt ngang sông mặt cắt thiết kế Địa hình lịng dẫn sông xây dựng sử dụng đồng thời mặt cắt tự nhiên mặt cắt thiết kế không đảm bảo tính thống xác hiệu chỉnh kiểm định Do vậy, nhằn đảm bảo tính khoa học xác nghiên cứu thiết lập, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình bao gồm nhánh sơng có lịng dẫn trạng nằm ngồi khu vực dự án cải tạo sơng Sau mơ hình đạt độ tin cậy, đưa thêm đoạn sông với mặt cắt thiết kế (các đoạn sông nạo vét đào mới) vào để phục vụ nghiên cứu Sử dụng đồ (bản đồ sông suối Việt a) Sơ đồ mạng sông mô Nam) định dạng shp theo hệ tọa độ VN2000, số hóa xác mạng lưới sơng khu vực nghiên cứu Kết xây dựng sơ đồ thủy lực mạng sơng hình 1.a bên Các điều kiện biên tính tốn thiết lập mơ hình bao gồm biên thượng lưu sông: Ba Thá sơng Đáy, Liên Mạc sơng Nhuệ, Hồng Quốc Việt (biên đóng) sơng Tơ Lịch, Bến Đế sơng Hồng Long Nam Định sơng Đào Biên hạ lưu trạm Như Tân sông Đáy Số liệu trạm đo đạc mực nước dọc sông sử dụng trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình bao gồm: cống Hà Đơng, cống Đồng Quan, cống Nhật Tựu sông Nhuệ; trạm Phủ Lý, trạm Gián Khẩu sông Đáy a Hiệu chỉnh mơ hình Để hiệu chỉnh mơ hình thủy lực dịng kiệt, thời đoạn từ ngày 01/01/2007 đến 31/01/2007 tất biên đầu vào sử dụng để tính tốn thủy lực Kết kiểm tra thể hình b)Vị trí biên mực nước biên kiểm tra hệ thống Hình 1: Sơ đồ mạng sơng mơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 79 KHOA HỌC a) Đường mực nước thực đo tính tốn cống Hà Đơng CƠNG NGHỆ b) Đường mực nước thực đo tính tốn cống Đồng Quan d) Đường mực nước thực đo tính tốn trạm Phủ Lý c) Đường mực nước thực đo tính tốn cống Nhật Tựu Bảng 2: Hệ số Nash - Sutcliffe TT Trạm kiểm tra Hệ số Nash - Sutcliffe Cống Hà Đông 0,88 Cống Đồng Quan 0.86 Cống Nhật Tựu 0.85 Trạm Phủ Lý 0,84 Trạm Gián Khẩu 0,84 e) Đường mực nước thực đo tính tốn trạm Gián Khẩu Hình 2: Đường mực nước thực đo tính tốn trạm kiểm tra sông Nhuệ sông Đáy (Từ ngày 01/01/2007 đến 31/01/2007) Nhận xét: Dựa vào đường q trình mực nước thực đo tính tốn hình 2, hệ số sai khác (Nash) bảng cho thấy kết hiệu chỉnh mơ hình tương đối phù hợp với thực tế đủ độ tin cậy Mơ hình tiếp tục sử dụng để thực tốn kiểm định mơ hình 80 b Kiểm định mơ hình Để để kiểm định mơ hình thủy lực dịng kiệt, thời đoạn từ ngày 01/01/2008 đến 31/01/2008 tất biên đầu vào sử dụng để tính tốn thủy lực Kết kiểm tra thể hình bên dưới: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ a) Đường mực nước thực đo tính tốn cống Hà Đơng b) Đường mực nước thực đo tính toán cống Đồng Quan c) Đường mực nước thực đo tính tốn cống Nhật Tựu d) Đường mực nước thực đo tính tốn trạm Phủ Lý Bảng 3: Hệ số Nash - Sutcliffe TT Trạm kiểm tra Hệ số Nash - Sutcliffe Cống Hà Đông 0,85 Cống Đồng Quan 0.85 Cống Nhật Tựu 0.84 Trạm Phủ Lý 0,81 e) Đường mực nước thực đo tính tốn Trạm Gián Khẩu 0,80 trạm Gián Khẩu Hình 3: Đường mực nước thực đo tính tốn trạm kiểm tra sông Nhuệ sông Đáy Nhận xét: Dựa vào đường q trình mực nước thực đo tính tốn hình 3, hệ số sai khác (Nash) bảng cho thấy kết kiểm định mơ hình cho kết khả quan đủ độ tin cậy Mơ hình tiếp tục sử dụng để tính toán cho kịch thủy lực 3.3 Hồn thiện mơ hình thủy lực mạng sơng Mục 3.2 thiết lập, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy lực mạng tính bao gồm nhánh sơng nằm ngồi khu vực dự án cải tạo sơng Để đảm bảo tính khoa học xác nghiên cứu, đoạn sông với mặt cắt thiết kế (các đoạn sông nạo vét đào mới) đưa vào để phục vụ toán nghiên cứu Bước q trình xây dựng mơ hình thủy lực mạng sơng xây dựng tuyến cơng trình dẫn nước tự chảy nối từ sơng Tích sơng để phân bổ nước Tuyến TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 81 KHOA HỌC cơng trình lựa chọn hợp lý với độ dốc trung bình i = 7x10 -5, mặt cắt ngang lựa CƠNG NGHỆ chọn cho tồn tuyến đảm bảo tính ổn định có lợi mặt thủy lực a) Mơ hình thủy lực mạng sơng khu vực nghiên cứu b) Tuyến cơng trình dẫn nước thiết lập Hình 4: Mạng lưới sơng tuyến cơng trình dẫn nước trọng lực thiết lập Bước cuối q trình hồn thiện mơ hình thủy lực mạng sơng kết nối cơng trình điều tiết vào mơ hình Bốn cống điều tiết sơng (sơng Tích, sơng Đáy, sơng Nhuệ sơng Tơ Lịch) cơng trình cống điều tiết kết hợp đập dâng (một cơng trình bố trí tuyến kênh dẫn nước nối sơng Tích sơng Đáy, cơng trình cịn lại nằm tuyến nối sông Đáy sông Nhuệ) thiết lập để điều tiết nước trình vận hành hệ thống Hình 5: Vị trí cơng trình điều tiết đưa vào mơ hình Sau mơ hình mạng sơng xây dựng hồn chỉnh, q trình mơ thủy lực thực mơ hình với kịch nước đến khác 3.4 Kết tính tốn thủy lực hệ thống cống Cẩm Đình Liên Mạc khơng phát huy tác dụng 82 Với thông số kiểm định trên, mơ hình tiếp tục sử dụng để tính tốn thủy lực hệ thống mạng sơng điều kiện bất lợi nhất: cống Cẩm Đình cống Liên Mạc không phát huy tác dụng Theo tài liệu đo đạc mực nước trạm đo dọc sông Hồng, thời điểm tháng 03/2010 ghi nhận TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ thời kỳ khắc nghiệt từ trước đến mà mực nước sông Hồng hạ thấp kỷ lục, nhiều cống lấy nước đầu mối cống Liên Mạc I, cống Cẩm Đình khơng thể lấy nước phục vụ sản xuất nơng nghiệp dẫn đến tình trạng cạn trơ đáy Trong kịch này, tác giả tính tốn khả lấy nước từ sơng Đà dẫn qua sơng Tích, qua tuyến kênh dẫn nước tự chảy cấp cho sông Đáy, sông Nhuệ sông Tô Lịch nhằm phục vụ nước tưới nông nghiệp bảo vệ môi trường Bảng trình bày tài liệu mực nước sử dụng để làm điều kiện biên tính toán kịch Bảng 4: Biên mực nước sử dụng tính tốn (giá trị kiệt thời đoạn 03/2010) Đặc điểm TT Tên cống đầu mối Biên thượng lưu Cao trình đáy Mực nước thiết kế Mực nước Dạng biên Cống Liên Mạc +1,00 +3,40 +1,40 Đóng Cống Cẩm Đình +3,00 +5,35 +2,44 Đóng Cống Lương Phú +5,50 +8,42 +7,68 Mở Vận hành hệ thống cơng trình điều tiết q trình mơ để khống chế lưu lượng nước đổ vào sông tùy theo nhu cầu mục đích sử dụng Việc phân chia nước cho sơng thực lặp nhiều bước chế độ mở cửa van điều tiết cống cho lượng nước phân bổ hợp lý đạt hiệu cao Dưới kết phân chia nước cho lưu vực sơng q trình mơ tốn Bảng 5: Kết điều tiết dịng chảy kiệt vào sông Đáy phục vụ nước tưới nông nghiệp TT Sông cấp nước Tích Đáy Nhuệ Tơ Lịch Ghi chú: Mục đích sử dụng Duy trì dịng chảy mơi trường Cấp nước tưới nơng nghiệp Duy trì dịng chảy mơi trường Duy trì dịng chảy mơi trường Điểm kiểm tra H(m) Vị trí Q(m3/s) cần cấp Dọc sơng m3/s Hiệp Thuận +4,28 m Dọc sông m3/s Dọc sông m3/s H(m) Q(m3/s) cấp 5,86 m3/s +4,30 m 8,37 m3/s 9,92 m3/s Đánh giá khả cấp nước Đạt Đạt Đạt Đạt H mực nước (m); Q lưu lượng (m3/s) Bảng 6: Kết điều tiết dịng chảy kiệt vào sơng Nhuệ phục vụ nước tưới nông nghiệp Điểm kiểm tra TT Sông Mục đích sử dụng cấp nước Vị trí Tích Đáy Nhuệ Tơ Lịch Dọc sơng Dọc sơng Cống Hà Đơng Dọc sơng Duy trì dịng chảy mơi trường Duy trì dịng chảy mơi trường Cấp nước tưới nơng nghiệp Duy trì dịng chảy mơi trường H(m) Q(m3/s) cần cấp m3/s m3/s +3,20 m m3/s H(m) Q(m3/s) cấp Đánh giá khả cấp nước 6,59 m3/s 7,26 m3/s +3,35 m 9,50 m3/s Đạt Đạt Đạt Đạt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 83 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 7: Kết điều tiết dịng chảy kiệt vào sông Tô Lịch để rửa ô nhiễm, tạo cảnh quan đô thị T T Sông cấp nước Tích Đáy Nhuệ Tơ Lịch Mục đích sử dụng Duy trì dịng chảy mơi trường Duy trì dịng chảy mơi trường Duy trì dịng chảy mơi trường Rửa nhiễm, trì dịng chảy mơi trường KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Theo tính toán kịch trên, điều kiện bất lợi xảy mực nước sông Hồng giảm xuống kỷ lục khiến hệ thống cống lấy nước đầu mối Cẩm Đình, Liên Mạc rơi vào tình trạng cạn trơ đáy kéo theo sức ép lấy dẫn nước nước bị phụ thuộc cống Lương Phú tuyến công trình dẫn nước tự chảy; mà khơng thể lúc cấp đủ nhu cầu nước cho tất bốn sông khu vực nghiên cứu Hệ thống cơng trình điều tiết q trình mơ để khống chế lưu lượng nước đổ vào sơng tùy theo nhu cầu mục đích sử dụng Khi phân chia nước Vị trí Dọc sơng Dọc sơng Dọc sông Dọc sông Điểm kiểm tra H(m) H(m) Q(m3/s) Q(m3/s) cần cấp cấp m3/s 6,49 m3/s m3/s 5,65 m3/s m /s 5,35 m3/s 30 m3/s 27,56 m3/s Đánh giá khả cấp nước Đạt Đạt Đạt Xấp xỉ đạt cho sông thực lặp nhiều bước chế độ mở cửa van điều tiết cống cho lượng nước phân bổ hợp lý đạt hiệu cao Việc cấp nước vận hành khéo léo cho lưu vực sông tùy thuộc vào mục đích nhu cầu sử dụng Và kết tính tốn cho thấy, dù mực nước mức thấp xảy nước dẫn qua tuyến cơng trình xây dựng cấp đủ cho lưu vực sông, đảm bảo điều kiện vận hành hệ thống tưới trục sơng chính, đồng thời sơng Tơ Lịch rửa làm hồi sinh theo nghĩa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dự án Tiếp nước, cải tạo khơi phục sơng Tích từ Lương Phú, xã Thuần Mỹ, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội, “Tính tốn thủy văn – phụ lục tính tốn”, Hà Nội, 2011 [2] Nguyễn Cảnh Cầm, “Thủy lực dòng chảy hở”, Nhà xuất Xây dựng - 2006, Hà Nội [3] Trường Đại học Thủy lợi – Khoa Thủy văn Môi trường, “Tài liệu tập huấn phần mềm HEC - RAS”, Hà Nội, 2009 [4] HEC - RAS v4.1, “Applications Guide”, 2010 [5] HEC - RAS v4.1, “Users Manual”, 2010 84 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 ... thực đo mực nước trạm thủy văn dọc sông Nhuệ, sông Đáy KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Phạm vi mô thủy lực tài liệu địa hình Phạm vi mơ tài liệu địa hình sử dụng q trình xây dựng mơ hình thủy lực trình... Cảnh Cầm, ? ?Thủy lực dòng chảy hở”, Nhà xuất Xây dựng - 2006, Hà Nội [3] Trường Đại học Thủy lợi – Khoa Thủy văn Môi trường, “Tài liệu tập huấn phần mềm HEC - RAS? ??, Hà Nội, 2009 [4] HEC - RAS v4.1,... hình cho kết khả quan đủ độ tin cậy Mơ hình tiếp tục sử dụng để tính tốn cho kịch thủy lực 3.3 Hồn thiện mơ hình thủy lực mạng sông Mục 3.2 thiết lập, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy lực mạng