q t A x Q 0 2 2 AR C Q gQ x h gA x A Q t Q y R n C 1
Hình 3. 2. Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott; Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t
Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như dưới đây (hình 3.3).
Hình 3. 3. Nhánh sơng với các điểm lƣới xen kẽ
Đối với mạng lưới sơng phức tạp, mơ hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sơng và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu. Cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (hình 3.4)
Hình 3. 5. Cấu trúc các điểm lƣới trong mạng vòng
Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vịng được thể hiện trong hình 3.5. Tại một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau:
(3.3)
Từ giờ trở đi ta quy ước các chỉ số dưới của các thành phần trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian. Các hệ số ,
, và trong phương trình (3.3) tại các điểm h và tại các điểm Q được tính bằng
sai phân hiện đối với phương trình liên tục và với phương trình động lượng.
Tất cả các điểm lưới theo phương trình (3.3) được thiết lập. Giả sử một nhánh có n điểm lưới; nếu n là số lẻ, điểm đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm h. Điều này làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số.hai ẩn số chưa biết là do các phương trình được đặt tại điểm đầu và điểm cuối h, tại đó Zj-1và Zj+1 là mực nước, theo đó phần đầu/cuối của nhánh phân/nhập lưu được liên kết với nhau.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu.
Hệ phương trình (3.1 – 3.2) khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình ln ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu.
Trong mơ hình MIKE 11, điều kiện biên của mơ hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín. Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên đó khơng có trao đổi nước với bên ngồi. Điều kiện biên hở có thể là đường quá
j n j j n j j n j jZ Z Z 11 1 1 1
trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số.
Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu. Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình.
Điều kiện ổn định.
Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau:
Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng. Giá trị tối đa cho phép đối với x phải được chọn trên cơ sở này.
Điều kiện Courant dưới đây có thể dùng như một hướng dẫn để chọn bước thời gian sao cho đồng thời thoả mãn được các điều kiện trên. Điển hình, giá trị của Cr là 10 đến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã được sử dụng:
với V là vận tốc. (3.4)
Cr thể hiện tốc độ nhiễu động sóng tại nước nơng (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lưới trong một bước sóng phát sinh từ một nhiễu động di chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm Abbott), cho phép số Courant từ 10- 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1).
3.1.2. Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định thơng số mơ hình
Số liệu địa hình, mặt cắt ngang sơng học viên kế thừa từ 2 nguồn:
+ Đề tài KC08-22/06-10 do PGS.TS.Nguyễn Văn Hạnh làm chủ nhiệm[4], đây là bộ mặt cắt được đo đồng bộ vào năm 2000 và được đo bổ xung theo các năm 2003, 2005, 2006 do Cục Phòng chống lụt bão và quản lý đê điều thực hiện.
+ Đề tài KC08-10/11-15 do TS. Vũ Thị Thu Lan làm chủ nhiệm, bộ mặt cắt dịng chính sơng Hồng từ Việt Trì đến Ba Lạt được đo đạc, khảo sát năm 2012.
Trong q trình thiết lập mơ hình, học viên khơng xét đến các biên nhập lưu khu giữa do thời kỳ mơ phỏng rất ít mưa
x gy V t Cr ( )
Các biên trên của mơ hình được thu gọn từ các hồ thủy điện về các trạm thủy văn có số liệu thực đo phía hạ lưu hồ.
Mạng sơng đưa vào tính tốn trong mơ hình bao gồm 25 sơng chính và sơng nhánh thuộc hệ thống sơng Hồng – Thái Bình gồm:
+ Các sơng chính phía thượng lưu: sơng Đà, Thao, Chảy, Lơ, Gâm, Thương, Cầu, Lục Nam;
+ Các sơng phía hạ lưu: Vân Úc, Bạch Đằng, Lạch Tray, Trà Lý, Ninh Cơ, Cấm, Đuống, Luộc;
Ngồi ra cịn một số sông khác như sơng Đáy, sơng Đào, sơng Hóa,...
Hình 3. 6. Sơ đồ mặt mạng sơng tính tốn và vị trí các mặt cắt
gồm:
Biên trên: các vị trí bắt đầu mơ phỏng tại các sơng: sơng Thao tại trạm thủy
văn n Bái, sơng Đà tại trạm thủy văn Hịa Bình, sơng Lơ tại trạm thủy văn Vụ Quang, sông Cầu tại Gia Bảy, sông Thương tại Cầu Sơn và sông Lục Nam tại Chũ.
Biên dƣới: Mực nước triều tại các cửa sông: sông Đá Bạch tại trạm Do
Nghi, sông Cấm tại Cửa Cấm, sông Lạch Tray tại Kiến An, sông Văn Úc tại Quang Phục, sơng Thái Bình tính biên mực nước theo trạm Đơng Xun, sơng Trà Lý tại Định Cư, sông Hồng tại Ba Lạt, sông Đáy tại Như Tân, sông Ninh Cơ tại Phú Lễ.
Số liệu được sử dụng tại biên trên là giá trị lưu lượng thực đo các trạm thủy văn tương ứng, biên dưới là mực nước triều được truyền mực nước triều biển Đơng vào đến vị trí các cửa sơng trong mạng mơ hình tính tốn. Thời gian chuỗi số liệu tương ứng với thời gian tính tốn.
Số liệu mùa cạn năm 1998-1999 được dùng để hiệu chỉnh thơng số mơ hình, số liệu mùa cạn năm 2003-2004, 2004 - 2005 dùng để kiểm định bộ thơng số mơ hình
So sánh kết quả mực nước tính tốn và thực đo thời kỳ mơ phỏng như hình 3.13 đến 3.24 và bảng 3.1.
Hình 3. 7. Biên lƣu lƣợng ứng mùa cạn năm 1998-1999
Hình 3. 8. Biên lƣu lƣợng ứng mùa cạn năm 2003 - 2004
Hình 3. 9. Biên lƣu lƣợng ứng mùa cạn năm 2004 - 2005
Hình 3. 10. Biên mực nƣớc ứng mùa cạn
Hình 3. 13. Kết quả kiểm tra mực nƣớc tính tốn tại trạm Sơn Tây mùa cạn 1998 - 1999
Hình 3. 14. Kết quả kiểm tra mực nƣớc tính tốn tại trạm Hà Nội mùa cạn 1998 - 1999
trạm Hƣng Yên mùa cạn 1998 - 1999
Hình 3. 19. Kết quả kiểm tra mực nƣớc tính tốn tại trạm Thƣợng Cát mùa cạn 2003-2004
Hình 3. 20. Kết quả kiểm tra mực nƣớc tính tốn tại trạm Hƣng n mùa cạn 2003-2004
Hình 3. 23. Kết quả kiểm tra mực nƣớc tính tốn tại trạm Thƣợng Cát mùa cạn 2004-2005
Hình 3. 24. Kết quả kiểm tra mực nƣớc tính tốn tại trạm Hƣng Yên mùa cạn 2004-2005
Kết quả cho thấy, cùng một bộ thông số nhám mô phỏng mùa cạn năm 1998- 1999, năm 2003-2004 và năm 2004 - 2005 cho kết quả khá sát với thực tế. Tại các vị trí kiểm tra, chỉ số NASH đánh giá mức hiệu quả của mơ hình đều trên 0,8 (bảng
3.1). Các kết quả mơ phỏng từ mơ hình đảm bảo độ tin cậy cho những đánh giá tiếp
theo.
Bảng 3. 1. Kết quả so sánh giá trị thực đo và tính tốn theo chỉ số Nash
STT Trạm Hiệu chỉnh Kiểm Định 1998 -1999 2003 - 2004 2004 - 2005 01 Sơn Tây 0,94 0,85 0,80 02 Hà Nội 0,90 0,81 0,91 03 Thượng Cát 0,94 0,82 0,82 04 Hưng Yên 0,82 0,80 0,80
Với tổ hợp cạn bất lợi được lựa chọn là năm thủy văn 2009 - 2010, học viên sử dụng mơ hình với bộ thơng số đã được hiệu chỉnh và kiểm định, mô phỏng chế độ thủy lực các sông hệ thống sông Hồng. Kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá tác động của dòng chảy cạn đến hệ thống thủy lợi cũng như giao thông thủy
Hình 3. 25. Biên lƣu lƣợng ứng mùa cạn năm 2009-2010
Hình 3. 26. Biên mực nƣớc mùa cạn năm 2009-2010
3.2. Đánh giá tác động của tổ hợp cạn bất lợi đến hệ thống thủy lợi vùng hạ du.
Như đã trình bày ở phần 1.3, các cơng trình lấy nước ở HDSH phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước trên sông Hồng, đặc biệt là mực nước. Trong khuôn khổ của Luận văn, học viên đánh giá tổ hợp cạn bất lợi đến vấn đề lấy nước vào hệ thống cơng trình thủy lợi ở các vị trí trên dịng chính sơng Hồng: (i) Trạm bơm Bạch Hạc, (ii) Cống Liên Mạc và (iii) Cống Xuân Quan.
Theo nông lịch, thời kỳ lấy nước phục vụ cho đổ ải của vụ Đông xuân từ khoảng (20/1- 10/2) và theo diễn biến mực nước nêu trên, đây cũng là thời kỳ mực nước của sông Hồng thường xuống thấp nhất nên việc lấy nước vào hệ thống gặp khó khăn. Mực nước sơng Hồng thường xuyên xuống thấp, nhiều khu vực phải chuyển đổi từ việc lấy nước qua cống ở dịng chính thành các trạm bơm tạo nguồn ví dụ như các cống Liên Mạc (hệ thống sông Nhuệ), Long Tửu (hệ thống Ngũ Huyện Khê) và Xuân Quan (hệ thống Bắc Hưng Hải). Vì vậy, học viên tập trung đánh giá tác động bất lợi trong các tháng 1 – 3
(i) Trạm bơm Bạch Hạc
Trạm bơm Bạch Hạc được đưa vào phục vụ sản xuất từ năm 1965, lấy nước trên sông Lô, gần ngã ba sông Lô – Hồng thuộc phân khu thủy lợi sông Lô - Gâm. Theo thiết kế, trạm bơm có nhiệm vụ cung cấp nước tưới cho 7.138ha thuộc địa giới
hành chính 2 huyện Vĩnh Tường và Yên Lạc tỉnh Vĩnh Phúc với các thơng số chính như sau:
+ Lưu lượng thiết kế: Q = 11,2m3
/s + Mực nước bể hút nhỏ nhất: + 5,47m + Cao trình đáy bể hút: + 3,08m + Mực nước bể xả: + 14,50m. + Cao trình đáy bể xả: +10,55m
+ Mực nước lũ kiểu tra ứng với P = 1%: H = +9,03m
Mùa khô năm 2009 – 2010 mực nước xuống rất thấp, kết quả tính tốn cho thấy mực nước sơng Lơ tại ngã ba Bạch Hạc giảm xuống mức thấp nhất còn 5,2m. So với mực nước yêu cầu bể hút của trạm bơm Bạch Hạc là +5,47m thì trong khoảng thời gian từ 14/2 – 21/2/2010 trạm bơm không thể hoạt động được. Kết quả đã khiến 3.250ha lúa xuân muộn trên khu vực bị ảnh hưởng, 200ha vùng khó khăn lấy nước đã phải chuyển sang trồng loại cây trồng khác là đậu tương.
Hình 3. 27. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại TB Bạch Hạc (ii) Cống Liên Mạc
Theo thiết kế, hệ thống Sông Nhuệ lấy nước từ sông Hồng và sông Nhuệ được thiết kế tưới cho 81,148 nghìnha và hệ số tưới mặt ruộng là 0,2-0,9 l/s/ha. Nguồn
4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 11/1/2009 12/1/2009 1/1/2010 2/1/2010 3/1/2010 4/1/2010 5/1/2010
Đường quá trình mực nước mùa cạn năm 2009 - 2010 tại trạm bơm Bạch Hạc
cung cấp nước cho toàn bộ hệ thống chủ yếu là nước sông Hồng (chủ yếu tưới trong vụ Đơng Xn). Sơng Nhuệ là sơng trục chính tưới kết hợp của hệ thống, lấy nước tưới từ sông Hồng qua cống đầu mối Liên Mạc (là cống đầu mối cấp đặc biệt, với lưu lượng tưới thiết kế 36,25 m3
/s, mực nước thiết kế thượng lưu là 3,4m, cống có nhiệm vụ cấp nước tưới cho trên 60 nghìnha canh tác của TP.Hà Nội và Hà Nam
[8]), ngồi ra cịn một số cống hỗ trợ khác như cống Mộc Nam, cống Bá Giang. Hầu
hết các sông trục trong hệ thống đều làm nhiệm vụ tưới tiêu kết hợp. Toàn hệ thống chia thành 2 vùng tưới chính:
+ Vùng tưới tự chảy: nằm dọc 2 bờ sơng Nhuệ, sơng Vân Đình và Duy Tiên và các vùng phía Nam hệ thống có cao độ thấp hơn +3 m.
+ Vùng tưới bằng động lực: Nằm ven sơng Đáy, sơng Hồng có cao độ mặt ruộng lớn hơn +3 m.
Thời kỳ mùa cạn năm 2009 – 2010 mực nước sơng Hồng trung bình các tháng từ tháng 12/2009 đến tháng 3/2010 đều thấp hơn mực nước thiết kế của cống. Mực nước thấp nhất rơi vào tháng 2/2010, chỉ đạt 2,3m. Xét trung bình 10 ngày thì chỉ có từ 21/1 – 10/2/2010 mực nước sông Hồng đảm bảo đủ thiết kế.
Hình 3. 28. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại cống Liên Mạc
Với mực nước diễn biến mực nước như trên, các khu vực lấy nước từ sông
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 10/1/2009 11/1/2009 12/1/2009 1/1/2010 2/1/2010 3/1/2010 4/1/2010 5/1/2010
Đường quá trình mực nước mùa cạn năm 2009 - 2010 tại cống Liên Mạc H tính tốn H thiết kế
Nhuệ thuộc các huyện Từ Liêm, Thanh Oai, Ứng Hịa, Thanh Trì, Thường Tín, Phú Xun và các quận Hoàng Mai, Hà Đơng có khoảng 11.000ha gặp khó khăn về nước tưới.
(iii) Tại cống Xuân Quan
Cống Xuân Quan là cơng trình đầu mối lấy nước sông Hồng cung cấp nước tưới cho hệ thống Thủy nông Bắc Hưng Hải với diện tích tưới là 135.000ha. Cống Xuân Quan được xây dựng năm 1959 và đưa vào khai thác sử dụng từ năm 1960 đến nay. Cống có 4 cửa lấy nước rộng 3,5 m cao 4 m và 1 cửa âu thuyền rộng 5 m cao 8 m, đáy cống đặt ở cao trình -1,00 m, mực nước thiết kế lấy nước là + 1,85m. Kênh ngồi đưa nước từ sơng Hồng vào cống Xn Quan, đáy rộng 50 m, dài 1250 m.
Mùa kiệt năm 2009 – 2010 mực nước sông Hồng tại thượng lưu cống Xuân Quan thường duy trì ở mức từ là 0,6 - 1,4m, kéo dài nhiều ngày thấp hơn rất nhiều so với mực nước thiết kế khiến mực nước tại các trạm bơm Văn Giang, Văn Lâm, Như Quỳnh… thấp, khơng có nước để bơm hết số máy, nhiều vùng phải bơm 2 cấp. Ngoài ra, hệ thống Bắc Hưng Hải phải lấy nước ngược qua Cầu Xe, An Thổ và một số cống dưới đê bổ sung nguồn nước kém chất lượng (ước tính lấy nước ngược bổ sung khoảng 40 - 50% lượng nước của toàn hệ thống). Xét về lưu lượng, hệ thống Bắc Hưng Hải lấy nước sông Hồng qua cống Xuân Quan với lưu lượng thiết kế là 75 m3/s, nhưng thực tế chỉ đạt 40m3
/s nên diện tích tưới tự chảy chỉ đạt 70 - 80%, kinh phí để phục vụ nước cho nơng nghiệp tăng (do bơm động lực).
Do không khai thác được nguồn nước đến đạt thiết kế, các huyện Văn Giang, Khoái Châu của Hưng Yên là 2 địa phương bị hạn nặng nhất trên địa bàn, khi lượng nước phục vụ đổ ải cần khá lớn phục vụ sản xuất cho khoảng hơn 37.000ha lúa và 4.000ha cây trồng cạn.
Hình 3. 29. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại cống Xuân Quan
3.3. Đánh giá tác động của tổ hợp cạn bất lợi đến giao thông thủy vùng hạ du.
Kết quả mô phỏng tổ hợp cạn bất lợi ở trên được dùng để đánh giá tác động