PHẦN I. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ, XÃ HỘI
5. Các công trình tưới nâng cấp xây mới khu Bắc Hà Nội 1. Mê Linh
8.4. PHƯƠNG ÁN QUY HOẠCH TIÊU CÁC TUYẾN SÔNG 1. Nhiệm vụ
Thành phố Hà Nội có những con sông sau chảy qua: sông Đà, Hồng, Đuống, Cầu, Cà Lồ, Ngu Huyện Khê, Đáy, Tích, Bùi, Mỹ Hà và sông Nhuệ. Tuy nhiên qua nhiều năm khai thác, sử dụng hệ thống sông trên địa bàn Hà Nội đã bị bồi lấp, lấn chiếm làm khả năng chuyển tải nước của các sông bị giảm ảnh hưởng đến năng lực tiêu nước của các sông. Quy hoạch tiêu các sông trục bao gồm các nội dung sau:
- Xác định được nhiệm vụ tiêu nước của từng con sông trên địa bàn thành phố Hà Nội.
- Đánh giá khả năng chuyển tải nước của các sông.
- Đề xuất các phương án cải tạo sông trục đảm bảo tiêu thoát nước và kiểm tra với ảnh hưởng của các phương án cải tạo đối với việc cấp nước.
Các sông được xem xét để cải tạo đáp ứng năng lực tiêu thoát trong quy hoạch lần này bao gồm sông Tích, sông Bùi, sông Đáy, sông Nhuệ, sông Mỹ Hà, sông Cà Lồ Các sông Đà, sông Hồng, Đuống và sông Cầu là các sông lớn, chảy qua nhiều tỉnh, vì vậy phương án cải tạo các sông trên cần được nghiên cứu ở phạm vi rộng hơn nên không được xem xét trong quy hoạch lần này.
8.4.2. Phương pháp tính toán
Dự án này lựa chọn mô hình Mike 11- 1 chiều để tính toán cho bài toán cấp nước, tiờu thoỏt nước và phũng chống lu trờn cỏc sụng trục. Phõ̀n cốt lừi của MIKE 11 là công cụ mô phỏng thuỷ động lực học. Hỗ trợ cho công cụ này gồm có một lượng lớn các công cụ, phần mở rộng khác. Với phần mở rộng , hỗ trợ Mike 11 có khả năng xử lý được hầu hết các vấn đề trong bài toán mô phỏng sông suối.
Hình 8.1. Chế độ dòng chảy của đoạn sông đơn được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint – Vernant
Đặc trưng cơ bản của mô hình MIKE 11 là cấu trúc tổng hợp với nhiều loại môđun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. Các môđun trong bộ MIKE 11 bao gồm:
- Module HD Thủy động lực học là phõ̀n cốt lừi của MIKE 11, cú khả năng giải bài toán thủy động lực học St. Venant cho kênh hở; giải bài toán sóng khuyếch tán, sóng động học cho một số nhánh định trước; giải bài toán Muskingum cho một số
dx Q
h(t.dt)
h(t) Thời điểm t
Thời điểm t + dt
nhánh định trước; tự động hiệu chỉnh cho điều kiện dòng chảy êm, dòng chảy xiết; mô phỏng hầu hết các loại công trình trên sông như cầu, cống, trạm bơm, đập...
- Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE 11 AD bao gồm: nghiên cứu truyền tải vật chất một chiều như quá trình xâm nhập mặn, chất lượng nước, hiện tượng phì dưỡng trong sông...
Ngoài môđun HD và AD đã mô tả ở trên, MIKE11 bao gồm các mô đun bổ sung về Thủy văn (Mike - NAM); chất lượng nước (Mike WQ); vận chuyển bùn cát có tính dính (Mike -ST); vận chuyển bùn cát không có tính dính (Mike -ST).
Hệ phương trình cơ bản mô tả chế độ thủy lực như sau:
- Phương trình liên tục:
q
t A x
Q =
∂ +∂
∂
∂ (8.1)
- Phương trình động lượng:
∝ ( 2) + 2 =0
∂ + ∂
∂ + ∂
∂
∂
RW C
Q g Q x gw z W
Q x t
Q β (8.2)
Trong đó:
Z là cao trình mực nước ở thời đoạn tính toán (m); t là thời gian tính toán (giây); Q là lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3/s); X là toạ độ không gian (dọc theo dòng chảy, đơn vị là m); b là hệ số phân bố lưu tốc không đều trên mặt cắt; W là diện tích mặt cắt ướt (m2); q là lưu lượng ra nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m2/s); C là hệ số Chezy, được tính theo công thức: C = Ry/n; n là hệ số nhám.; R là bán kính thuỷ lực (m); y là hệ số thủy lực, theo Maninh y=1/6 ; g là gia tốc trọng trường : g= 9,81 m/s2; à là hệ số động lượng; b là hệ số động năng.
Để giải hệ phương trình Saint - Venant sử dụng phương pháp số gần đúng sai phân. Đầu vào mô hình là các số liệu về đặc tính hệ thống cùng với số liệu của nguồn nước vào ra trên toàn hệ thống. Hệ phương trình vi phân 4.1 và 4.2 là hệ phương trình vi phân phi tuyến, có hệ số biến đổi. Các nghiệm cần tìm là Q và Z là hàm số của các biến độc lập x, t. Nhưng các hàm A và v lại là hàm phức tạp của Q và Z không giải được bằng phương pháp giải tích mà giải gần đúng theo phương pháp sai phân.
Giải hệ phương trình vi phân trên theo phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn sẽ xác định được giá trị lưu lượng, mực nước tại mọi mặt cắt ngang trong mạng sông ở mọi thời điểm trong khoảng thời gian nghiên cứu. Theo phương pháp này thì mạng sông nghiên cứu được chia thành các đoạn sông đơn bằng các mặt cắt ngang, các đoạn sông được nối tiếp với nhau theo đúng trạng thái tự nhiên. Bằng phương pháp trên với quá trình sai phân tuyến tính hoá sẽ thu được hệ phương trình sai phân viết cho toàn mạng sông thông qua các mắt lưới sai phân, giải hệ phương trình sai phân sẽ thu được nghiệm cần tìm tại các mắt lưới, cụ thể là tìm được cao trình mực nước tại các vị trí có mặt cắt và vị trí cách mặt cắt 2∆x. Lưu lượng tại các vị trí cách mặt cắt ∆x và các vị trí công trình như cống, đập... trên toàn bộ mạng sông sau mỗi bước thời gian tính toán.
Như vậy sau mỗi bước tính toán sẽ thu được giá trị lưu lượng Q(m3/s) và cao trình mực nước Z(m) tại các vị trí đã nêu trên.
Thuật toán cho công trình
Các dạng công trình được mô phỏng tính toán trong MIKE11 gồm:
- Đập tràn đỉnh rộng.
- Cống (cống hình chữ nhật, hình tròn...).
- Trạm bơm.
- Hồ chứa.
- Công trình điều tiết.
- Cầu giao thông.
Các công trình đều có điều kiện chung bên trong là:
Q = f(mực nước thượng lưu và hạ lưu của công trình).
Thay phương trình mô men bằng cân bằng năng lượng cục bộ:
HTL - HHL = Htổn thất
Trong đó:
HTL: Mực nước thượng lưu công trình.
HHL: Mực nước hạ lưu công trình.
Htổn thất: Mực nước tổn thất do sự thu hẹp hay mở rộng dòng chảy.
8.4.3. Phạm vi tính toán của mô hình a. Mạng sông:
Đối tượng nghiên cứu của dự án là hệ thống thuộc địa bàn Thành phố Hà Nội nhưng chế độ thuỷ lực của những đoạn sông này có mối liên hệ hữu cơ rất chặt chẽ với chế độ thuỷ lực của toàn mạng sông thuộc lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình, vì vậy không thể tách rời lu trên địa bàn Hà Nội với lu trên hệ thống sông Hồng do vậy tính toán thuỷ lực phục vụ cho dự án phải được tiến hành đối với toàn bộ hệ thống sông Hồng - sông Thái Bình. Mạng sông được đưa vào tính toán như sau:
- Hệ thống sông Hồng bao gồm: Sông Thao, sông Hồng, sông Đà, sông Lô, sông Chảy, sông Gâm, sông Phó Đáy, sông Trà Lý, sông đào Nam Định, sông Ninh Cơ, sông Đáy, sông Quần Liêu, sông Tích, sông Nhuệ, sông Hoàng Long.
- Hệ thống sông Thái Bình: sông Thương, sông Lục Nam, sông Cầu, sông Cà Lồ, sông Thái Bình, sông Văn Úc, sông Gùa, sông Mía, sông Mới, sông Lạch Tray, sông Kinh Thầy, sông Đá Bạch.
- Các sông phân lưu từ sông Hồng sang sông Thái Bình: Sông Đuống, sông Luộc, sông Hoá.
b. Các hồ chứa nước lớn có nhiệm vụ cắt giảm lũ cho hạ du:
Hồ Hoà Bình, hồ Thác Bà, hồ Tuyên Quang.
c. Biên trên của mô hình:
Với mạng sông tính toán đã được xác định ở trên, biên trên của mô hình thuỷ lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q= f(t) tại các vị trí như sau:
+ Tại Yên Bái trên sông Thao (Flv= 48.000 km2)
+ Tại hạ lưu công trình hồ chứa Hoà Bình trên sông Đà (Flv= 51.800 km2).
+ Tại Na Hang trên sông Gâm (Flv= 12.690 km2)
+ Tại hạ lưu công trình hồ chứa Thác Bà trên sông Chảy (Flv= 6.170 km2) + Tại trạm thuỷ văn Hàm Yên trên sông Lô (Flv= 11.900 km2)
+ Tại hạ lưu đập Liễn Sơn trên sông Phó Đáy (Flv= 1.223 km2) + Tại Vật Lại trên sông Tích (Flv= 596 km2)
+ Tại Hưng Thi trên sông Hoàng Long (Flv= 664 km2)
+ Tại trạm thuỷ văn Cầu Sơn trên sông Thương (Flv= 2.330 km2) + Tại trạm thuỷ văn Chu trên sông Lục Nam (Flv= 980 km2) + Tại trạm thuỷ văn Thác Bưởi trên sông Cầu (Flv= 2.220 km2)
+ Tại Mê Linh (ranh giới Hà Nội - Vĩnh Phúc) trên sông Cà Lồ (Flv= 625 km2) d. Biên dọc sông của mô hình:
Biên dọc mô hình là các đường quá trình lưu lượng Q = f(t) gia nhập khu giữa được tính toán bằng mô hình thuỷ văn (mô hình NAM):
Bảng -42. Chỉ tiêu cơ bản của các lưu vực gia nhập khu giữa
TT Tên lưu vực Nhập vào sông Vị trí gia
nhập
Diện tích (km2)
1 Khu giữa từ Hoà Bình đến Trung Hà Đà 32.749 1.100
2 Khu giữa 1 từ Yên bái đến Phú Thọ Thao 30.000 472
3 Khu giữa 2 từ Yên bái đến Phú Thọ Thao 59.200 1.190 4 Khu giữa từ Hàm Yên đến ngã ba Lô - Gâm Lô 15.000 500
5 Khu giữa 1 từ Na Hang đến Chiêm Hoá Gâm 17.000 800
6 Khu giữa 2 từ Na Hang đến Chiêm Hoá Gâm 30.000 728
7 Khu giữa từ Chiêm Hoá đến cửa sông Gâm 65.000 700
8 Khu giữa từ Gềnh Gà đến Đoan Hùng Lô 50.900 900
9 Khu giữa từ Đoan Hùng đến cửa sông Lô 85.000 2.040
10 Khu giữa từ Chu đến Lục Nam Lục Nam 20.000 630
11 Khu giữa từ Lục Nam đến cửa sông Lục Nam 45.000 310
12 Khu giữa từ Thác Bưởi đến Phả Lại Cầu 50.600 2.100
13 Khu giữa từ Cầu Sơn đến Phả Lại Thương 36.118 800
14 Sông Thanh Hà Thanh Hà 126.302 271
15 Khu giữa từ Vật Lại đến Ba Thá Tích 69.000 163
16 Tả Chi Nê Hoàng Long 281,2
17 Sông Đập + Hữu Yên Thủy Hoàng Long 240,8
TT Tên lưu vực Nhập vào sông Vị trí gia nhập
Diện tích (km2)
18 Gia Viễn Hoàng Long 163,4
19 Sông Lãng Hoàng Long 204,0
e. Biên dưới của mô hình:
Biên dưới của mô hình thuỷ lực là quá trình mực nước theo thời gian Z=f(t) tại 9 cửa sông đổ ra biển của lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình:
+ Cửa sông Đá Bạch.
+ Cửa sông Cấm.
+ Cửa sông Lạch Tray.
+ Cửa sông Văn Úc.
+ Cửa sông Thái Bình.
+ Cửa sông Trà Lý.
+ Cửa sông Hồng.
+ Cửa sông Ninh Cơ.
+ Cửa sông Đáy.
Hình 8.2. Sơ đồ tính toán thuỷ lực toàn mạng sông Hồng - Thái Bình
8.4.4. Hiện trạng phân vùng tiêu nước ra các sông 1. Sông Tích, sông Bùi
Sông Tích, sông Bùi đảm nhận tiêu nước cho phần lớn diện tích nằm bờ hữu và một phần diện tích bờ tả sông Tích, sông Bùi của vùng thủy lợi hữu Đáy. Địa hình vùng thủy lợi hữu Đáy bao gồm cả miền núi, trung du và đồng bằng. Khu vực miền núi và trung du được tiêu tự chảy, khu vực đồng bằng được tiêu bằng động lực. Nhiệm vụ tiêu nước của sông Tích sông Bùi như sau:
Bảng -43. Diện tích đảm nhận tiêu của sông Tích, sông Bùi
TT Tên vùng Hình thức tiêu Diện tích (ha)
1 Vật Lại Tự chảy 12.000
2 Sông Hang, sông Cầm Đầm Tự chảy 18.950
3 Các suối thuộc hữu Thạch Thất, Quốc Oai Tự chảy 16.600
4 Hữu Chương Mỹ Tự chảy 36.980
5 Vùng đồng bằng Ba Vì Bơm + Tự chảy 11.230
6 Vùng Tả Tích của Sơn Tây Bơm + Tự chảy 2.121
7 Vùng bơm của Phúc Thọ Bơm 3.341
8 Thạch Thất Bơm 6.938
9 Quốc Oai Bơm 5.070
10 Các trạm bơm nhỏ tiêu ra sông Bùi của Chương Mỹ
Bơm 6.563
11 Hạ Dục Bơm 3.147
Tổng cộng 122.940