Hạng mục Thời đoạn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Trạm Sơn tây Trung bình tháng 56-87 1283 1072 905 1072 1899 4619 7658 9004 6604 4125 2762 1679 88-04 1262 1189 1302 1483 2308 4891 8942 7622 4413 3313 2208 1433 -22 117 397 411 409 272 1284 -1382 -2191 -765 -554 -246 Trạm Hà Nội Trung bình tháng 56-87 1043 887 763 906 1490 3464 5577 6603 4968 3130 2187 1371 88-04 981 941 1025 1899 1752 3479 6480 5562 3328 2501 1715 1121 -62 55 262 993 262 15 902 -1041 -1640 -629 -472 -250
2.4.1.2 Hiện trạng cấp nước trong hệ thống Bắc Hưng Hải
Theo thống kê hiện nay, diện tích cần tưới toàn hệ thống là 123.985ha, nguồn nước lấy từ 4 sông lớn bao bọc bên ngoài. Trong đó chủ yếu là lấy nước từ nguồn sông Hồng qua cống Xuân Quan chiếm 90%, nguồn nước lấy từ các sông ngoài khác chỉ trung bình chiếm 10%.
Lấy nước sông ngoài: lượng nước lấy từ nguồn này bằng các trạm bơm ven sông tưới cho 12.928ha khu vực ven sông. Trong đó:
Nguồn nước lấy từ Sông Đuống: diện tích được cung cấp nước là 8.155ha; Nguồn nước lấy từ Sông Thái Bình: diện tích được cung cấp nước là 2.188ha; Nguồn nước lấy từ Sông Luộc: Tổng diện tích được cung cấp nướclà 2.585ha, Lấy nước sông Hồng thông qua cống Xuân Quan: 111.057 ha theo thiết kế, trong đó: Diện tích tưới bằng bơm: thiết kế 107.172ha, thực tế 85.621ha,
Diện tích tự chảy 3.884ha (Diện tích này tưới bấp bênh).
Trong các năm gần đây mực nước sông Hồng xuống thấp, diện tích tưới phải lấy ngược từ Cầu Xe, An Thổ chiếm 30-45% diện tích này (cụ thể năm 2004 lượng nước tưới lấy ngược từ Cầu Xe, An Thổ chiếm tới 45%),
Nguồn nước thời kỳ căng thẳng nhất là thời kỳ lấy nước đổ ải vụ Chiêm Xuân từ 20/01 đến 10/02 nếu mực nước sông Hồng tại Xuân Quan bình quân đạt +1,94 kết hợp với
việc lấy nước trữ sớm từ ngày 05/01, lấy nước ngược qua Cầu Cất - Cầu Xe - An Thổ và nạo vét khơi thông dòng chảy các kênh dẫn cấp 2 theo chỉ tiêu thiết kế thì hệ thống đảm bảo đủ yêu cầu cung cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp. Nếu vào tháng 1, 2 mực nước tại Xuân Quan thấp hơn 1,94m thì tình hình cung cấp nước gặp khó khăn cụ thể hạn vụ chiêm xuân đã xẩy ra vào các năm 1998, 2003, 2004 nên phải lấy nước ngược qua cống Cầu Xe - An Thổ - Cầu Cất chiếm đến 40% - 50% tổng lượng nước yêu cầu do mực nước sông Hồng tại Xuân Quan xuống thấp +1,51, mực nước sông Hồng thấp nhất tại Xuân Quan ngày 30/01/2005 chi đạt +1,26, Kênh Cầu +0,86, Bá Thuỷ +0,66, Tại Neo +0,58 thấp hơn mực nước trung bình nhiều năm từ 30 -40cm. Do mực nước thấp nên các trạm bơm hoạt động không đạt hiệu quả. Một số trạm không có nước để bơm hết số máy như trạm Văn Giang, Văn Lâm, Như Quỳnh, Minh Hải, Ngọc Quan, Nghĩa Đạo. Một số trạm không có nước để bơm như Cẩm Hưng, Nhân Thắng… Như vậy việc bổ sung nước ngược qua Cầu Xe - An Thổ là việc địa phương vẫn làm nhưng chưa đáp ứng đủ yêu cầu dùng nước của hệ thống. Điều này chứng tỏ rằng việc bổ sung nguồn cho hệ thống cần phải tính toán lại cho phù hợp với xu thế diễn biến thuỷ văn trong những năm gần đây.
Diện tích lấy nguồn nước hệ thống Bắc Hưng Hải : 111.056 ha, trong đó Diện tích lấy nước sông ngoài 12.928 ha, trong đó
Sông Đuống : thiết kế 8.155ha, thực tế 8.155ha Sông Luộc : thiết kế 2.825ha, thực tế 1.797ha Sông Thái Bình : Thiết kế 2.188ha, thực tế 1.364ha
Tổng diện tích toàn hệ thống được tưới theo thiết kế 123.985ha, thực tế 100.821 ha đạt 81% theo thiết kế đề ra.
2.4.2 Mô phỏng thủy lực hệ thống hiện nay
2.4.2.1 Xây dựng và thiết lập mô hình
a) Phạm vi nghiên cứu của mô hình thủy lực
nhiều năm của cống Cầu Xe và cống An Thổ;
Đối với tính toán thủy lực cấp nước cho mùa kiệt và cấp nước tạo dòng chảy môi trường trong mùa kiệt đồng thời đảm bảo chế độ cấp nước kịp thời thì mối liên hệ giữa các sông và kênh trục chính thông qua các cống lấy nước tự chảy và trạm bơm trên sơ đồ tính toán khá phức tạp.
b) Chọn mô hình mô phỏng dòng chảy
Hiện tại trên thế giới và ở Việt Nam có nhiều mô hình thủy lực như mô hình MIKE 11, Hec- ras, ISIS, Duflow, Sobek/Wendy,Telemax, Qual2-E, Wasp6, VRSAP...
Thực tế tại Việt Nam mô hình MIKE 11 được sử dụng nhiều qua các dự án tăng cường năng lực cho các Viện ngành nước. Mô hình MIKE 11 có nhiều ưu và nhược điểm so với các mô hình khác như sau:
Ưu điểm: - Là phần mềm thương mại nên giao diện rất mạnh, hữu hiệu.
-Phần nối kết với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo Database ( Mặc dù phải cần thêm các phần mềm GIS như Arc GIS hay Arc View...)
-Các tiện ích đầy đủ dễ cho người sử dụng
-Thuận tiện cho sử lý các bài toán vừa và nhỏ. Nhược điểm:
-Không biết được phần lõi ( phần thuật toán, tổ chức chương trình,...) nên người sử dụng không thể cải biên, cập nhật mà phải qua nơi bán, khi đó phải trả thêm tiền và mất thời gian đợi...)
-Vì là phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt ( Mike 11 + ecolab giá cỡ 400 triệu đồng Việt nam cho một license) mỗi license, dạng khóa cứng, chỉ dùng được cho một máy tính, hoặc cũng có phiên bản chạy nối kết máy tính trên mạng như giá thành cao hơn nhiều.
Cầu Xe và cống An Thổ, tác giả chọn mô hình MIKE 11 để mô tả diễn toán dòng chảy trong sông trục chính, kênh nhánh, các cống, trạm bơm.
- Giới thiệu sơ lược về mô hình MIKE 11
Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 của Viện thủy lực Đan Mạch DHI Water & Environment phát triển, là phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác trong nhiều thời đoạn. Ứng dụng mô hình thuỷ lực một chiều MIKE 11 đề cập đến sự vận chuyển của nước mặt qua hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nước, các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước. Trên cơ sở đó mô tả được tình hình hiện trạng cũng như thể hiện được diễn biến của dòng chảy cũng như sự hình thành và lan truyền dòng chảy trong mạng sông. Hơn nữa, MIKE 11 là công cụ thân thiện với người sử dụng cho thiết kế quản lý và vận hành mạng lưới sông và kênh.
Các ứng dụng điển hình của MIKE 11:
-Nghiên cứu nước dâng do bão và thủy triêu trong vùng cửa sông và sông
-Thiết kế hệ thống kênh
-Vận hành hệ thống tưới tiêu nước mặt
-Mô phỏng các biện pháp kiểm soát lũ
-Dự báo lũ và vận hành hồ chứa
-Về đầu vào/ chỉnh sửa, các đặc tính trong MIKE 11 bao gồm:
-Nhập dữ liệu/ chỉnh sửa bản đồ
-Nhiều dạng dữ liệu đầu vào/ chỉnh sửa mang tính mô phỏng
-Tiện ích copy và dán (paste) để nhập (hoặc xuất) trực tiếp, ví dụ như từ các chương trình trang bảng tính (spreadsheet programs)
-nhập dữ liệu về mạng sông và địa hình từ ASCII text files
-Layout cho người sử dụng xác định cho tất cả các cửa sổ sơ đồ (màu sắc, cài đặt font, đường, các dạng điểm vạch dấu marker, v,v,,,)
-Về đầu ra, có các tính năng trình bày báo cáo tiên tiến, bao gồm:
-Màu của bản đồ trong horizontal plan cho hệ thống dữ liệu và kết quả
-Trình bày kết quả bằng hình động trong sơ đồ mặt ngang, dọc và chuỗi thời gian
-Thể hiện các kết quả bằng hình động đồng thời
-Trình bày chuỗi thời gian mở rộng
-Tiện ích copy và dán (paste) để xuất các bảng kết quả hoặc trình bày bản đồ vào các ứng dụng khác (trang bảng tính, word hoặc các dạng khác)
Người sử dụng MIKE 11 có sự lựa chọn về mức độ chính xác được sử dụng để giải các phương trình này theo các cách sau: Diễn toán dòng chảy đều; Diễn toán sóng động học; Diễn toán sóng động lực học,
Diễn toán dòng chảy sóng động học giải phương trình liên tục cùng với hình thức đơn giản nhất của phương trình động lượng trong mỗi sông/kênh,
Dòng chảy lớn nhất có thể vận chuyển qua một sông/kênh là giá trị của dòng chảy đầy tính theo công thức Manning. Khi dòng chảy nhập vào các nút có trị số lớn hơn trị số đó thì có hình thành một ao trên đỉnh của nút hoặc một phần lượng dòng chảy bị tổn thất khỏi hệ thống.
Diễn toán dòng chảy sóng động học cho phép dòng chảy và diện tích mặt cắt biến đổi theo cả không gian và thời gian trong phạm vi một sông/kênh. Điều này có thể gây ra kết quả làm chậm và làm suy yếu biểu đồ dòng chảy ra khi dòng chảy vào được dẫn qua kênh. Tuy nhiên hình thức diễn toán dòng chảy này không thể tính toán ảnh hưởng của nước vật, tổn thất ở cửa vào và cửa ra, dòng chảy với độ dốc ngược, dòng chảy có áp, và nó cũng được hạn chế đối với mạng lưới hình cây. Nó có thể luôn luôn duy trì sự ổn định về số học đối với mô phỏng bước thời gian dài từ 1 phút đến 5 phút. Nếu
những ảnh hưởng trên là không đáng kể thì phương pháp diễn toán này là chính xác và hiệu quả, đặc biệt là mô phỏng với thời đoạn dài.
Diễn toán sóng động lực giải hệ phương trình Sain Venant hoàn chỉnh và vì vậy cho kết quả chính xác về mặt lý thuyết. Hệ phương trình này bao gồm phương trình động lượng và phương trình liên tục cho các đường ống/kênh và phương trình liên tục tại các nút,
Diễn toán sóng động lực học có thể tính toán khả năng trữ nước của kênh, nước vật, tổn thất ở cửa vào/cửa ra, dòng chảy ứng với độ dốc ngược, và dòng chảy có áp. Đây là phương pháp được lựa chọn để mô phỏng cho hệ thống chịu sự ảnh hưởng đáng kể của nước vật do sự hạn chế của dòng chảy hạ lưu và sự điều tiết dòng chảy qua tràn hoặc lỗ. Cách diễn toán dòng chảy này để ổn định về mặt số học đòi hỏi bước thời gian mô phỏng nhỏ, khoảng chừng 1 phút hoặc nhỏ hơn.
b) Phương pháp tính toán của mô hình
MIKE 11 là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bước thời gian rời rạc, MIKE 11 mô phỏng số lượng và chất lượng nước qua các quá trình vật lý sau: Quá trình sinh dòng chảy mặt; Quá trình thấm; Nước ngầm; Tuyết tan; Diễn toán dòng chảy; Ao nước mặt; Diễn toán chất lượng nước,
Diễn toán dòng chảy:
Diễn toán dòng chảy trong phạm vi một đường ống/kênh trong kênh hở, MIKE 11 bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy không đều biến đổi chậm (hệ phương trình Saint Venant),
Hệ phương trình cơ bản: -Phương trình liên tục: q t A x Q (3-1) - Phương trình động lượng
0 ) ( 2 2 RA C Q Q g x h gA A Q x t Q (3-2) Trong đó: Q: Lưu lượng (m3/s) A: Diện tích mặt cắt ướt (m2)
q: Lưu lượng nhập lưu trên đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s) C: Hệ số Chezy
: Hệ số sửa chữa động lượng R: Bán kính thuỷ lợi (m)
Mô hình MIKE 11 là mô hình động lực một chiều và thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước và các ứng dụng quy hoạch,
Để giải quyết bài toán, tác giả chọn mô hình thuỷ động lực MIKE 11 của Viện thuỷ lực Đan Mạch (DHI),
Hình 2.2 Sơ đồ áp dụng mô hình thủy lực vào bài toán
c) Thiết lập sơ đồ thủy lực hệ thống tưới cống Cầu Xe và cống An Thổ
Mạng sông trong tính toán xác định khả năng lấy nước của cống Cầu Xe và cống An Thổ bao gồm:
-Sông Thái Bình: Từ đoạn giao giữa sông Đuống và sông Thái Bình đến xã Tứ Xuyên huyện Tứ Kỳ dài 40,50km
-Sông Kim Sơn: Từ cống Cầu Cất (TP, Hải Dương) đến cống Tranh dài 28,81km - Sông Cửu An: Từ cống Neo đến ngã 3 Lộng Khê (huyện Tứ Kỳ) dài 23,08 Km - Sông Đình Đào: Từ cống Bá Thủy (huyện Bình Giang) đến ngã 3 Cự Lộc (huyện Ninh Giang), dài 44,03km;
- Sông Cầu Xe: Từ ngã 3 Lộng Khê (huyện Tứ Kỳ) đến cống Cầu Xe (huyện Tứ Kỳ) dài 4,04km;
- Sông An Thổ: Từ ngã 3 Lộng Khê (huyện Tứ Kỳ) đến cống An Thổ (huyện Tứ Kỳ) dài 6,46km;
(huyện Gia Lộc) dài 11,79km;
- Sông Quảng Giang: Từ ngã 3 Cảnh Lâm (huyện Yên Mỹ) đến ngã 3 cầu Thi (huyện Tiên Lữ) dài 20km,
Hình 2.4 Sơ đồ thủy lực hệ thống tưới cống Cầu Xe và cống An Thổ
d) Các điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mô hình
-Biên trên của mô hình
Với mạng sông tính toán đã được xác định ở trên, biên trên của mô hình thủy lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q= f(t) tại trạm Phú Lương (Ngọc Châu, TP Hải Dương) trên sông Thái Bình và đường quá trình lưu lượng theo thời gian Q= f(t) tại trạm Triều Dương (Tân Lễ, Hưng Hà, Thái Bình) trên sông Luộc.
-Biên dưới của mô hình
Biên dưới của mô hình là đường quá trình mực nước theo thời gian Z = f(t) tại các mặt cắt phía hạ lưu các sông. Trong sơ đồ thủy lực vừa được thiết lập hình thì biên dưới là đường mực nước thời đoạn giờ tại 5 vị trí như sau:
-Mực nước tại Cống Tranh (sông Kim Sơn);
-Mực nước tại cống Neo (sông Cửa An) e) Biên yêu cầu dùng nước
Là lưu lượng yêu cầu dùng nước của các tiểu vùng, từ tiểu vùng 1 tới tiểu vùng 13 đã chia ở trên.
Cách tính:
- Với nông nghiệp: Qtrồng trọt = HSTi . Si /1000 (m3/s) , trong đó: HSTi : Hệ số tưới ứng với tháng i (l/s.ha)
Si : diện tích của tiểu vùng ( ha)
-Với Chăn nuôi: Qchăn nuôi = Wchăn nuôi/ ( Ti. 12.3600) (m3/s) , trong đó: Wchăn nuôi: Tổng lượng nước dùng cho chăn nuôi ( m3)
Ti: Số ngày của tháng thứ i
-Với sinh hoạt và các ngành dùng nước khác Qi= W/ ( Ti. 24.3600) (m3/s), trong đó: Wi: Tổng lượng nước dùng của ngành dùng nước đang tính ( m3)
Ti: Số ngày của tháng thứ i
-Tổng yêu cầu nước:
∑Q = Qtrồng trọt + Qchăn nuôi + Qsinh hoạt + Qthủy sản + Qcông nghiệp Trong đó:
∑Q: Tổng lưu lượng sử dụng nước (theo từng tháng);
Qtrồng trọt: Lưu lượng sử dụng nước cho trồng trọt (theo từng tháng); Qchăn nuôi: Lưu lượng sử dụng nước cho chăn nuôi (theo từng tháng); Qsinh hoạt: Lưu lượng sử dụng nước cho sinh hoạt (theo từng tháng);
Qcông nghiệp: Lưu lượng sử dụng nước cho công nghiệp (theo từng tháng); Qthủy sản: Lưu lượng sử dung nước cho thủy sản (theo từng tháng);
Kết quả tính toán lưu lượng yêu cầu dùng nước của các tiểu vùng các giai đoạn hiện tại và tương lai được thể hiện ở các bảng dưới đây: