CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY ĐOẠN SÔNG NAM THẠCH HÃN – TỈNH QUẢNG TRỊ
3.1. Phương pháp nghiên cứu, đánh giá diễn biến lòng dẫn
Việc nghiên cứu diễn biến lòng sông trên thế giới và trong nước hiện nay chủ yếu được thực hiện theo 4 phương pháp như sau:
▪ Phương pháp Viễn thám và GIS phân tích các tài liệu thực đo: Sử dụng các tài liệu về địa hình, các tài liệu không ảnh, viễn thám, các số liệu có được trong nhiều năm tiến hành phân tích vị trí, quy mô, tốc độ xói, bồi trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu.
▪ Phương pháp mô hình vật lý: Mô phỏng thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong một khu vực có trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên nhiên theo các định luật tương tự để quan sát, đo đạc và từ các số liệu đo đạc tìm ra quy luật diễn biến của đoạn sông.
▪ Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình toán lý mô tả quy luật của dòng chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện biên, điều kiện ban đầu hợp lý, tìm các lời giải giải tích, lời giải số trị cho các vấn đề nghiên cứu.
▪ Phương pháp công thức kinh nghiệm: Sử dụng các công thức kinh nghiệm để tính toán diễn biến lòng dẫn.
a. Phương pháp Viễn thám và GIS
Trên thế giới đã có khá nhiều dẫn chứng về việc sử dụng phương pháp Viễn thám và GIS để đánh giá diễn biến đường bờ và lòng dẫn trong sông. Tomokazu MISHINA và Nyosen SUGA (2004) đã sử dụng phương pháp giải đoán ảnh để xác định diễn biến lòng dẫn sông Kinu của Nhật Bản; Catherine M.C. Avila, P.E., (Mỹ) đã sử dụng phương pháp viễn thám và GIS chồng ghép bản đồ để xác định diễn biến của sông San Benito. Michael and Tamara (2004) đã sử dụng phương pháp GIS để xác định diễn biến lòng dẫn đoạn sông Rio Grande. Các đánh giá này đều cho thấy sự thay đổi diễn biến đường bờ và lòng dẫn diễn ra khá mạnh.
Hình 3.1: Nguyên lý thu nhận ảnh và ứng dụng của vệ tinh viễn thám
Ở Việt Nam, Trung tâm Viễn thám và Geomatic (VTGEO) đã tham gia thực hiện một số đề tài nghiên cứu diễn biến lòng dẫn có sử dụng thông tin Viễn thám và GIS như Nghiên cứu xói lở và trượt lở bờ ở các sông Miền Trung (năm 2000), Nghiên cứu xói lở bờ và bồi lấp lòng dẫn sông Hồng (năm 2001), …
Đặc điểm của Phương pháp Viễn thám và GIS là có thể mô phỏng được xu thế diễn biến lòng dẫn theo chiều ngang nhưng không mô phỏng được diễn biến lòng dẫn theo chiều sâu. Phương pháp này đòi hỏi số liệu phải cùng thời kỳ quan trắc, và phải qua các thời kỳ khác nhau, đòi hỏi lựa chọn các nguồn tư liệu ảnh phải được cân nhắc, hơn nữa giá thành của ảnh vệ tinh hiện nay còn cao. Mặc dù Việt Nam đã có trạm thu ảnh vệ tinh phân giải cao và trong tương lai sẽ có các hệ thống vệ tinh viễn thám (quang học và radar) nhưng chúng ta còn hạn chế về khả năng khai thác thông tin ảnh, chính vì vậy đã hạn chế đến kết quả nghiên cứu diễn biến lòng dẫn bằng phương pháp viễn thám và GIS.
b. Nghiên cứu diễn biến lòng dẫn bằng phương pháp mô hình vật lý
Phương pháp này đã xuất hiện từ năm 1875, khi Louis Jerome Fargue xây dựng 1 mô hình thí nghiệm cho sông Garone ở Bordeaux. Các mô hình vật lý được xây dựng để kiểm nghiệm ảnh hưởng của các công trình trên sông đến diễn biến lòng dẫn. Một
trường hợp mô hình sông lòng động đã được sử dụng để nghiên cứu khảo sát cho một cầu dự định bắc ngang qua sông Jamuna ở Bangladesh (Vries và nnk. 1990) hoặc nghiên cứu xói cục bộ tại vị tri công trình bằng mô hình vật lý tại công trình cầu bắc qua sông.
Ở trong nước, Trung tâm nghiên cứu Động lực học sông biển thuộc Công ty cổ phần tư vấn Thiết kế xây dựng giao thông thủy TEDI Wecco đã xây dựng mô hình vật lý mô phỏng diễn biến lòng dẫn cho đoạn sông Hồng từ thượng lưu cầu Thăng Long đến hạ lưu cầu Chương Dương dài 14km, mô hình được thiết lập với tỷ lệ mặt bằng 1/400 và tỷ lệ mặt đứng 1/100.
Việc nghiên cứu bằng mô hình vật lý có ưu điểm là quan sát, đo đạc được quá trình diễn biến lòng dẫn, tuy nhiên có nhược điểm không mô phỏng hết được các tham số bằng các tỷ lệ chính xác, không thể mô phỏng các biên & điều kiện biên giống như thực tế. Hạn chế của phương pháp này là rất khó thỏa mãn các điều kiện tương tự, nhất là các điều kiện tương tự về bùn cát nên có thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình và đặc biệt kinh phí xây dựng mô hình vật lý rất lớn. (Hình 3.2)
Hình 3.2: Nghiên cứu thủy lực trên mô hình vật lý - Dự án đầu tư xây dựng cầu Nhật Tân (http://tediwecco.vn/danh-muc-cong-trinh-nghien-cuu-thuy-luc-tren-mo-hinh-toan-va-mo-
hinh-vat-ly/)
c. Nghiên cứu diễn biến lòng dẫn bằng bằng mô hình toán
Hiện nay, bài toán biến hình lòng sông cho dòng chảy không ổn định 1D, 2D đã được nghiên cứu khá hoàn chỉnh, đã có các chương trình tự động hóa tính toán và phần mềm ứng dụng như: Các mô hình một chiều (1D): HEC-6 Thomas (1982), Gee (1988);
IALLUVIAL (Karim & Kennedy (1982)); CHARIMA (Holly Jr (1988)); STARS (Strand et al. (1988)); GSTARS Yang et al. (1988) SEDICOUP: Holly Jr (1988);
MORMO Hunziker (1995); FLUVIAL-12 (Chang (1988, 1993)); HEC2SR Li et al.
(1988); GSTARS(11/2D)); HEC-RAS… Các mô hình hai chiều (2D): CCHE2D (Wu, W.M. 2001), RMA2D, MIKE21, DELFT2D, R2DM, Flow 2D…Các mô hình ba chiều (3D): TELEMAC, MIKE3 và DELFT3D, Flow 3D, CCHE3D, FAST3D, CH3D- SED....
Mô hình toán được sử dụng nhiều trong nghiên cứu bài toán 1D, mô hình vật lý được sử dụng nhiều trong bài toán 3D, còn bài toán 2D có thể sử dụng mô hình toán hoặc mô hình vật lý. Việc sử dụng mô hình toán hay vật lý còn phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình và giai đoạn nghiên cứu. Với những công trình quan trọng thì phải kết hợp cả hai loại mô hình toán và vật lý trong nghiên cứu để bổ sung và kiểm tra lẫn nhau. Trong giai đoạn quy hoạch, sử dụng mô hình toán để đưa ra được các phương án tối ưu nhất. Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật thì cần thiết phải sử dụng mô hình vật lý trong nghiên cứu dự báo diễn biến, xói lở, bồi lắng lòng dẫn.
Tuy nhiên hiện nay, do kinh phí nghiên cứu diễn biến lòng dẫn bằng mô hình vật lý còn có nhiều hạn chế, do đó việc nghiên cứu diễn biến lòng dẫn ở trong nước chủ yếu tập trung vào sử dụng viễn thám và GIS và mô hình toán 1D, 2D để mô phỏng diễn biến lòng dẫn, dự báo xói lở bờ của tác giả Lê Ngọc Túy, các công trình nghiên cứu dự báo xói sâu phổ biến ở hạ du các công trình thủy điện Hòa Bình, Sơn La của các tác giả như PGS.TS. Lưu Công Đào, PGS.TS. Lê Ngọc Bích, PGS.TS. Hoàng Hữu Văn, GS.TS. Vũ Tất Uyên, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quỳnh, GS.TS. Lê Mạnh Hùng, GS.TS. Vũ Thanh Te…. Các nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE11 ST, MIKE 21C, MIKE 21 FM để mô phỏng diễn biến lòng dẫn, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới lưu lượng trên bãi sông và lòng chính. Kết quả mô phỏng đánh giá ảnh hưởng ổn định lòng dẫn cũng như dự báo diễn biến tổng thể lòng dẫn. Định lượng nguyên nhân, cơ chế xói lở và các nhân tố ảnh hưởng đến xói lở tại các khu vực trọng điểm.
Phương pháp mô hình toán với sự giúp đỡ của máy tính điện tử đã cho phép mô tả những gì xảy ra trong quá khứ, những gì xảy ra trong tương lai với những điều kiện thay đổi tùy ý, tuy nhiên phương pháp này chỉ đúng khi số liệu đầu vào phải có đủ độ tin cậy.
Hình 3.3: Nghiên cứu diễn biến bằng mô hình toán (Mike Zero Tool) (Nguồn Viện kỹ thuật biển ICOE – www.icoe.org.vn)
d. Phương pháp công thức kinh nghiệm
Nhiều công thức kinh nghiệm đã được đề xuất trong tính toán đánh giá khả năng xói lở bờ cũng như diễn biến lòng dẫn trong sông có thể kể đến như công thức kinh nghiệm của Ibadzade: tốc độ xói lỏ ngang của đoạn sông cong phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy Q, bán kính cong R của đoạn sông đang xét, chiều rộng lòng sông B và hệ số ổn định của đất bờ :
( , / , )
xi i i
B = f Q R B
Hay là công thức của Pôpôp: max
max i xi
H H
B F
LT H H
−
= −
Các công thức kinh nghiệm khác cũng chủ yếu đánh giá dự trên các yếu tố như trên với việc sử dụng các mối quan hệ cơ bản về hình dạng lòng sông. Việc đánh giá dựa trên các công thức kinh nghiệm còn nhiều hạn chế, chưa thể hiện rõ được sự thay đổi theo thời gian, chưa đánh giá được mức độ nghiêm trọng tại từng vị trí, …