Tuyến sông Đà – Thao – Lô Đà – Thao – Lô – Hồng Thời kỳ xét 3 Tmin Tmin 3 Tmin Tmin
1961-1962 Rất đồng bộ 1964-1965 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1966-1967 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1968-1969 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1969-1970 Rất đồng bộ 1970-1971 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1971-1972 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1973-1974 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1976-1977 Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1977-1978 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1978-1979 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1979-1980 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1981-1982 Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1982-1983 Rất đồng bộ 1983-1984 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1985-1986 Rất đồng bộ 1987-1988 Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1990-1991 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1991-1992 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1992-1993 Rất đồng bộ 1994-1995 Rất đồng bộ 1996-1997 Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ 1997-1998 Rất đồng bộ 1999-2000 Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ 2002-2003 Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ Rất đồng bộ 2003-2004 Rất đồng bộ Rất đồng bộ 2008-2009 Rất đồng bộ Rất đồng bộ
Tuyến sông Đà – Thao – Lô Đà – Thao – Lô – Hồng Thời kỳ xét 3 Tmin Tmin 3 Tmin Tmin
2009-2010 Rất đồng bộ
2.2.3. Đánh giá sự đồng bộ về mức độ cạn.
Để phân định các năm, các thời kỳ cạn khác nhau, chỉ tiêu thống nhất cho các đặc trưng được đưa ra như sau [11].
- Đặc biệt cạn: Qi < Q(p=85%) - Khá cạn: Q(p=85%) Qi < Q(p=75%) - Cạn: Q(p=75%) Qi < Q(p=66%) - Không cạn:Qi Q(p>66%)
Như vậy, thời đoạn cạn nói chung khi lưu lượng trung bình thời đoạn đó nhỏ hơn lưu lượng ứng với tần suất P = 66% và đặc biệt cạn khi lưu lượng trung bình thời đoạn nhỏ hơn lưu lượng ứng với tần suất P = 85%.
2.3.2.1. Dòng chảy năm
Sự dao động dòng chảy năm tại các tuyến rất đồng pha và đồng bộ về độ lớn. Tương quan dòng chảy mùa cạn các tuyến Đà, Thao và Lô với Sơn Tây khá chặt chẽ, hệ số tương quan ở mức độ rất cao (R = 0,78 – 0,89). Những năm dòng chảy tại Hà Nội và Sơn Tây ở mức đặc biệt cạn và rất cạn thì dịng chảy ở 3 tuyến thượng lưu có ít nhất 1 tuyến ở mức đặc biệt cạn, 2 tuyến cịn lại ở mức cạn đến rất cạn. Có những năm dòng chảy trên cả 4 tuyến đều ở mức đặc biệt cạn và rất cạn như những năm 1987 – 1988, 2004 – 2005, 2009 – 2010, 2010 – 2011. Điều này chứng tỏ tình huống dịng chảy năm Sơn Tây ở mức rất cạn kiệt thì dịng chảy các tuyến thượng lưu cũng bị cạn kiệt nghiêm trọng và có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và gây bất lợi cho việc hỗ trợ cấp nước giữa các hồ chứa.
Bảng 2. 5. Tổ hợp dòng chảy cạn các tuyến theo đặc trƣng dòng chảy năm ứng với mức đặc biệt cạn tại Hà Nội
Năm, Trạm Hịa Bình Yên Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
Năm, Trạm Hịa Bình Yên Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
1977-1978 Cạn vừa Rất cạn Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 1987-1988 Rất cạn Rất cạn Rất cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 1988-1989 Cạn vừa Đặc biệt cạn Cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 1992-1993 Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 1993-1994 Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Không cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 2004-2005 Rất cạn Rất cạn Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 2006-2007 Cạn Rất cạn Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 2009-2010 Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 2010-2011 Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn
Hình 2. 1. Tƣơng quan dịng chảy năm trạm Hịa Bình và trạm Sơn Tây
Hình 2. 3. Tƣơng quan dịng chảy năm trạm Vụ Quang và trạm Sơn Tây
2.3.2.2. Dòng chảy mùa cạn
Dòng chảy mùa cạn tuy cũng thể hiện sự đồng pha giữa các tuyến nhưng mức độ khơng cao so với dịng chảy năm. Tương quan dòng chảy mùa cạn giữa các tuyến ở mức độ cao (R= 0,63 – 0.84). Có một số năm đặc biệt, hạn hán xảy ra kết hợp giữa năm đặc biệt cạn và dòng chảy mùa cạn cũng ở mức đặc biệt cạn. Đó là năm 1988 - 1989, 2004 - 2005, 2009 - 2010. Một số năm như 1962 – 1963, 1979 - 1980, dịng chảy năm khơng cạn nhưng dịng chảy mùa cạn lại khá đồng bộ và ở mức cạn đến đặc biệt cạn ở các tuyến. Ngược lại có năm dịng chảy năm ở mức đặc biệt cạn, giữa các tuyến rất đồng bộ nhưng dòng chảy mùa cạn lại chỉ ở mức rất cạn đến không cạn và khơng có sự đồng bộ giữa các tuyến như các năm 1967-1968, 1977-1978, 1987-1988, 1992-1993, 1993-1994, 2006-2007, 2010 – 2011.
Bảng 2. 6. Tổ hợp dòng chảy cạn các tuyến theo đặc trƣng dòng chảy mùa cạn ứng với mức đặc biệt cạn tại Hà Nội
Năm, Trạm Hịa Bình Yên Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
1962-1963 Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 1979-1980 Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 1988-1989 Rất cạn Cạn vừa Rất cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 2004-2005 cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn
Năm, Trạm Hịa Bình Yên Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
2009-2010 Rất cạn Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn
Hình 2. 4. Tƣơng quan dịng chảy mùa cạn trạm Hịa Bình và trạm Sơn Tây
Hình 2. 6. Tƣơng quan dịng chảy mùa cạn trạm Yên Bái và trạm Sơn Tây
2.3.2.3. Dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất.
Dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất có thể hiện sự đồng pha giữa các tuyến thượng lưu với dịng chính sơng Hồng nhưng khơng đồng đều. Dịng chảy 3 tháng nhỏ nhất xét tại Hịa Bình gần như khơng có tương quan với dịng chảy 3 tháng nhỏ nhất tại Sơn Tây trong khi đó trên nhánh sơng Thao tại Yên Bái, nhánh sông Lô tại Vụ Quang có tương quan ở mức độ cao với dịng chảy 3 tháng nhỏ nhất tại Sơn Tây (hệ số tương quan tương ứng R = 0,71 và R = 0,69). So sánh với dòng chảy mùa cạn tại trạm Hà Nội và Sơn Tây, có thể thấy rằng sự đồng bộ giữa dòng chảy cạn và dòng chảy 3 tháng min khơng cao. Với 05 năm dịng chảy mùa cạn ở mức đặc biệt cạn và 07 năm dòng chảy 3 tháng min ở mức đặc biệt cạn tại Hà Nội chỉ có 03 năm cùng thời gian xuất hiện là các năm 1962 – 1963, 1979 – 1980, 2009 – 2010. Có những năm đặc biệt, dịng chảy trên 2 trong 3 nhánh sông Đà, Thao, Lô đều rơi vào trạng thái đặc biệt cạn, còn lại rất cạn song dòng chảy tại Sơn Tây và Hà Nội chỉ ở mức rất cạn thậm chí khơng cạn như các năm 1977-1978, 1986-1987, 1993-1994, 2005 - 2006.
Bảng 2. 7. Tổ hợp dòng chảy cạn các tuyến theo đặc trƣng dòng chảy 3 tháng min ứng với mức đặc biệt cạn tại Hà Nội
Năm, Trạm Hịa Bình n Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
1962-1963 Đặc biệt cạn Không cạn Rất cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn
1965-1966 Rất cạn Cạn Cạn Rất cạn Đặc biệt cạn
1968-1969 Đặc biệt cạn Cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 1969-1970 Đặc biệt cạn Không cạn Không cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 1979-1980 Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 2009-2010 Rất cạn Đặc biệt cạn Không cạn Rất cạn Đặc biệt cạn
Hình 2. 7. Tƣơng quan dịng chảy 3 tháng nhỏ nhất tại Hịa Bình và Sơn Tây
Hình 2. 9. Tƣơng quan dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất tại Yên Bái và Sơn Tây
2.3.2.4. Dòng chảy 1 tháng nhỏ nhất.
Tương quan dòng chảy 1 tháng nhỏ nhất trên các nhánh sông tương tự như tương quan của đặc trưng dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất nhưng có phần cao hơn. Dịng chảy 1 tháng nhỏ nhất xét tại Hịa Bình và Sơn Tây mặc dù cao hơn so với tương quan dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất nhưng vẫn không chặt chẽ (R = 0,13). Tương quan nhánh sông Thao tại Yên Bái, nhánh sông Lô tại Vụ Quang với Sơn Tây ở mức độ cao với hệ số tương quan tương ứng R = 0,69 và R = 0,77. Trong chuỗi quan trắc từ 1960 – 2011, tại trạm Hà Nội chỉ quan trắc được 04 năm có lưu lượng trung bình 1 tháng min ở mức đặc biệt cạn là các năm 1962-1963, 1965-1966, 1969-1970, 2009 -2010. Tổ hợp dòng chảy cạn các tuyến thượng lưu ứng với các năm đều là đặc biệt cạn - cạn – khơng cạn.
Bảng 2. 8. Tổ hợp dịng chảy cạn các tuyến theo đặc trƣng dòng chảy 1 tháng min ứng với mức đặc biệt cạn tại Hà Nội
Năm, Trạm Hịa Bình Yên Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
1962-1963 Đặc biệt cạn Không cạn cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn 1965-1966 Không cạn cạn Đặc biệt cạn Rất cạn Đặc biệt cạn 1969-1970 Đặc biệt cạn Không cạn cạn Đặc biệt cạn Đặc biệt cạn
Năm, Trạm Hịa Bình Yên Bái Vụ Quang Sơn Tây Hà Nội
2009-2010 Rất cạn Đặc biệt cạn Không cạn Rất cạn Đặc biệt cạn
Hình 2. 10. Tƣơng quan dịng chảy 1 tháng nhỏ nhất tại Hịa Bình và Sơn Tây
Hình 2. 12. Tƣơng quan dịng chảy 1 tháng nhỏ nhất tại Yên Bái và Sơn Tây
2.3.2.5. Dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất và 1 tháng nhỏ nhất trên cùng 1 vị trí.
Xét tương quan đặc trưng dòng chảy 3 tháng nhỏ nhất và 1 tháng nhỏ nhất trên cùng một vị trí cho thấy quan hệ giữa 2 đặc trưng này khá chặt chẽ và mức độ cạn kiệt khá tương đồng. Trên 4 trạm thủy văn đại diện cho 4 nhánh sông, hệ số tương quan giữa 2 đặc trưng trên tại trạm Hịa Bình thấp nhất với R = 0,89, tại Yên Bái R = 0,94, tại Vụ Quang R = 0,90 và tại Sơn Tây R = 0,94. Như vậy tại cùng 1 vị trí trạm, nếu dịng chảy 3 tháng kiệt nhất ở mức rất cạn thì Q1 tháng min cũng sẽ xẩy ra mức rất cạn đến cạn.
Hình 2. 14. Tƣơng quan dịng chảy 3 tháng min và 1 tháng min tại Yên Bái
Hình 2. 15. Tƣơng quan dịng chảy 3 tháng min và 1 tháng min tại Vụ Quang
2.3. Lựa chọn hợp cạn bất lợi nhất.
Qua phân tích về tổ hợp dịng chảy kiệt và mức độ cạn kiệt trong mục 2.2 báo cáo lựa chọn tổ hợp cạn năm 2009 – 2010 để đánh giá tác động đến hệ thống cơng trình thủy lợi và giao thơng thủy vùng HDSH. Đây là năm kiệt ứng với tần suất P=95% ở mức kiệt nhất trong 50 năm. Mức độ cạn kiệt đồng bộ trên cả ba nhánh sông. Đây cũng là năm chịu ảnh hưởng nặng nề của hiện tượng ELNINO, nguồn dòng chảy trên các sông suối hệ thống sông Hồng đều cạn kiệt. Tổ hợp cạn của năm 2009-2010 là năm được xem bất lợi nhất trong điều hành cấp nước hạ du vì các vị trí tuyến trên đều ở mức độ cạn kiệt.
Bảng 2. 9. Đặc trƣng dịng chảy tại các trạm chính trên lƣu vực sơng Hồng năm 2009-2010
Trạm Lưu lượng bình quân mùa
cạn Qk (m3/s) Tỷ lệ % so với Qk Sơn tây Tần suất Pnăm tương ứng (%) Hồ Bình 530 45 95 Yên Bái 187 16 90 Vụ Quang 376 32 90 Sơn Tây 1168 95
Chƣơng 3 – ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA TỔ HỢP CẠN BẤT LỢI ĐẾN HỆ THỐNG THỦY LỢI VÀ GIAO THÔNG THỦY VÙNG HDSH
3.1. Ứng dụng mơ hình MIKE 11-HD mơ phỏng dịng chảy kiệt hệ thống sông Hồng theo năm cạn bất lợi.
3.1.1. Cơ sở lý thuyết của mơ hình MIKE 11-HD
MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất
lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 là cơng cụ lập mơ hình động lực một chiều, thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt 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 cơng trình, tài ngun nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. Mô đun mơ hình thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập mơ hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mơ đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát.
Mô đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo tồn động lượng (phương trình Saint Venant) với các giả thiết cơ bản sau đây:
- Chất lỏng (nước) là không nén được và đồng nhất (xem như khơng có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước)
- Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ
- Chiều dài sóng là tương đối dài so với độ sâu dịng chảy (điều kiện nước nông –xem rằng tại mọi điểm trong hệ thống, véc-tơ lưu tốc luôn song song với đáy kênh và khơng có sự biến đổi của lưu tốc theo phương thẳng đứng, từ đó có thể áp dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh trong kênh)
- Hệ phương trình Saint-Venant bao gồm hai phương trình: Phương trình liên tục:
(3.1)
Phương trình chuyển động:
(3.2) trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước (m3/s); x là biến không gian; q là lưu lượng gia nhập dọc theo một đơn vị chiều dài sông (m3/s); g là gia tốc trọng trường (m/s2); là mật độ của nước
(kg/m3); h là độ sâu dòng nước (m) ; R là bán kính thủy lực (m), là hệ số động lượng, C là hệ số Chezy:
, theo Manning y = 1/6.
Phƣơng pháp giải.
Hệ phương trình Saint – Venant về nguyên lý là không giải được bằng các phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính tốn người ta phải giải gần đúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình. Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mơ hình MIKE 11, các tác giả đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott. Hình 3.1 dưới đây mô tả các cách bố trí sơ đồ Abbott 6 điểm với các phương trình (hình 3.2) và các biến trong mặt phẳng x~t.
Hình 3. 1. Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott
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 sơng 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 sông và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu. Cấu trúc của các nút lưới ở