IV. Hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
1.3 QUAN ĐIỂM MỤC TIÊU QUY HOẠCH PHÒNG CHỐNG LŨ
49
Sông Trà Lý trên địa bàn tỉnh Thái Bình là sông hạ lưu của hệ thống sông Hồng – Thái Bình, do đó khả năng thoát lũ của sông này giúp thoát một phần lũ quan trọng của lũ hệ thống sông Hồng sông Thái Bình và có ý nghĩa quyết định đến năng lực thoát lũ của toàn bộ hệ thống sông và an toàn phòng, chống lũ cho toàn bộ đồng bằng Bắc Bộ. Vì vậy, nghiên cứu quy hoạch phòng chống lũ sông Trà Lý không thể tách rời tổng thể quy hoạch phòng chống lũ của toàn bộ hệ thống sông Hồng – Thái Bình. Luâ ̣n văn này sẽ kế thừa các kết quả của dự án quy hoạch liên quan đến đồng bằng Bắc Bộ như:
- Quy hoạch phòng chống lũ hệ thống sông Hồng sông Thái Bình
- Dự án Quy hoạch phòng, chống lũ chi tiết của từng tuyến sông có đê trên địa bàn thành phố Hà Nội đến năm 2020.
- Dự án “Quy hoạch tổng thể thủy lợi đồng bằng sông Hồng trong điều kiện biến đổi khí hậu”, Hà Nội 2010.
Quy hoạch phòng, chống lũ nhằm đảm bảo khả năng thoát lũ đồng thời tạo điều kiện khai thác tổng hợp lưu vực sông một cách bền vững phục vụ các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội.
1.3.2 Mục tiêu quy hoạch
Quy hoạch phòng chống lũ nhằm xác định giải pháp thực hiện đảm bảo thoát lũ cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình, đảm bảo an toàn phòng chống lũ cho toàn bộ hệ thống vùng đồng bằng Bắc Bộ và tỉnh Thái Bình, đảm bảo khai thác hợp lý tài nguyên nước, tài nguyên đất phục vụ phát triển bền vững kinh tế -xã hội.
Các mục tiêu quy hoạch cụ thể:
- Xác định mức đảm bảo phòng, chống lũ cho tuyến sông Trà Lý tỉnh Thái Bình.
- Xác định lũ thiết kế của tuyến sông Trà Lý gồm lưu lượng lũ thiết kế và mực nước lũ thiết kế
- Xác định phương án sử dụng các bối bãi trong quá trình thực hiện quy hoạch phòng chống lũ cho tuyến sông Trà Lý.
50
1.3.3 Các chỉ tiêu tính toán thiết kế phòng chống lũ
Ngày 21 tháng 6 năm 2007, thủ tướng chính phủ đã ký quyết đinh số 92/2007/QĐ-TTg, phê duyệt “Quy hoạch phòng chống lũ hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình” với những nội dung chính sau:
+ Giai đoạn 2007- 2010: Bảo đảm chống lũ có chu kỳ 250 năm (tần suất 0,4%) lưu lượng tương ứng tại Sơn Tây 42.600 m3
/s.
+ Giai đoạn 2010- 2015: Bảo đảm chống lũ có chu kỳ 500 năm (tần suất 0,2%) lưu lượng tương ứng tại Sơn Tây 48.500m3
/s.
+ Tiêu chuẩn phòng lũ mực nước đối với hệ thống đê
- Tại Hà Nội: Bảo đảm hệ thống chống được lũ tương ứng với mực nước sông Hồng tại trạm Long Biên là 13,4 m.
- Tai Phả Lại: Bảo đảm hệ thống chống được lũ tương ứng với mực nước sông Thái Bình tại trạm Phả Lại là 7,2 m.
- Đối với hệ thống đê điều các vùng khác: Bảo đảm hệ thống chống được lũ tương ứng với mực nước sông Hồng tại trạm Long Biên là 13,1 m.
1.3.4 Mức đảm bảo phòng chống lũ tuyến sông
Theo tiêu chuẩn phân cấp đê 14TCN 19-85 ban hành 1977 “QPTL A.6-77” và Hướng dẫn phân cấp đê ban hành kèm theo văn bản số 4116 ngày 13 tháng 12 năm 2010 của Bộ Nông nghiệp và PTNT, cần xác định 2 yếu tố: phân cấp đê và chỉ tiêu kỹ thuật đối với từng cấp đê.
Phân cấp đê
Căn cứ vào diện tích khu vực được bảo vệ khỏi ngập lụt; tầm quan trọng về chính trị, kinh tế, dân sinh.. trong các khu vực đó; lưu lượng lũ thiết kế hoặc lưu lượng lũ lớn nhất đã xảy ra (nếu lưu lượng lớn hơn lưu lượng thiết kế) ở sông mà chia thành các cấp theo bảng
Bảng 21. Phân cấp đê chính của đê sông
Loại đê
Lƣu lƣợng thiết kế hoặc Qmax đã xảy ra (m3 /s) Diện tích bảo vệ khỏi bị ngập lũ (ha) Trên 7.000 7.000 đến trên 3.500 3.500 đến trên 1.000 1.000 đến trên 500 Dƣới 500
51 Đê chính của đê sông Trên 150.000 I I II II 150.000 đến trên 60.000 I II II III 60.000 đến trên 15.000 II II III IV 15.000 đến trên 4.000 II II IV IV V Dưới 4.000 III IV V V V
Trong trường hợp đặc biệt tuyến đê có thể được nâng lên một cấp:
- Đê bảo vệ thành phố, các khu công nghiệp, các cơ sở quốc phòng quan trọng.
- Đê bảo vệ các khu vực có đầu mối giao thông chính, các trục giao thông chính yếu quốc gia, các đường có vai trò giao thông quốc tế quan trọng.
Hướng dẫn phân cấp đê của quyết định 4116/BNN-TCTL thì cấp đê sẽ phụ thuộc vào: số dân được bảo vệ, tầm quan trọng về quốc phòng, an ninh, kinh tế-xã hội, đặc điểm lũ, bão từng vùng, diện tích và phạm vi địa giới hành chính, độ ngập sâu trung bình của các khu dân cư so với mực nước lũ thiết kế, lưu lượng lũ thiết kế để xác định cấp đê như sau (đê sông):
Bảng 22. Phân cấp đê chính của đê sông
TT Diện tích bảo vệ khỏi ngập lũ (ha)
Số dân đƣợc đê bảo vệ (ngƣời) Trên 1.000.000 1.000.000 đến trên 500.000 500.000 đến trên 100.000 100.000 đến trên 10.000 Dƣới 10.000 1 Trên 150.000 I I II II II 2 150.000 đến trên 60.000 I II II III III 3 150.000 đến trên 60.000 I II II III IV 4 150.000 đến trên 60.000 I II III III V 5 Dưới 4.000 - - III IV V
Bảng 23. Lưu lượng lũ thiết kế - cấp đê
Lƣu lƣợng lũ thiết kế (m3
/s) Cấp đê
Trên 7000 I-II
7000 đến trên 3500 II-III
52
Dưới 500 V
Tiêu chuẩn phân cấp đê theo 14TCN 19-85 ban hành năm 1977 (QPTL. A.6- 77) và theo hướng dẫn phân cấp đê 4116/BNN-TCTL. Hai quy phạm này không khác nhau mấy, tuy nhiên với hướng dẫn phân cấp đê lần này có nhiều tiêu chí để phân cấp đê hơn.
Trong phân cấp đê trong báo cáo này, luận văn dựa trên tiêu chí của hướng dẫn phân cấp đê 4116/BNN là chính và có xem xét đến quy phạm 14TCN 19-85 ban hành 1977 (QPTL. A.6-77).
Chỉ tiêu kỹ thuật đối với từng cấp đê:
Theo tiêu chuẩn phân cấp đê thì tần suất thiết kế lưu lượng lớn nhất của sông đối với đê chính được quy định theo bảng sau:
Bảng 24. Tần suất thiết kế lưu lượng lớn nhất của sông đối với đê chính
Cấp đê Đặc biệt I II III IV V
Tần suất thiết kế của Qmax(%) 0.4 (250 năm) 0.6 (166 năm) 1 (100 năm) 2 (50 năm) 3 (20 năm) >5 (>20 năm) -Tần suất trong bảng được kể cả các biện pháp công trình phòng chống lũ khác như hồ chứa nước, phân chậm lũ của hệ thống sông theo quy hoạch phòng lũ.
Tần suất thiết kế quy định là tần suất tối đa cho từng cấp đê. Tùy tình hình cụ thể, tần suất thiết kế cho mỗi cấp đê có thể nhỏ hơn (tiêu chuẩn chống lũ của đê cao hơn) những con số quy định dưới đây, nhưng không vượt quá tần suất tối đa của cấp trên kế cận. Ở đây ta sử dụng cấp đê đặc biệt tức là ứng với tần suất P=4% ứng với chu kỳ là 250 năm.
53
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN LŨ THIẾT KẾ CHO SÔNG TRÀ LÝ
Tính toán lũ thiết kế đóng một vai trò hết sức quan trong trong quá trình quy hoạch lũ chi tiết sông. Việc tính toán lũ thiết kế cho ta thấy tuyến đê phòng chống lũ hiện tại có phòng được những con lũ thiết kế đó hay không để từ đó đưa ra các phương án quy hoạch lũ chi tiết cho tuyến sông đó. Để tính toán được lũ thiết kế, ta có thể sử dụng rất nhiều loại mô hình để tính toán. Trong luận văn này, em sử dụng mô hình Mike 11 để tính toán lũ thiết kế cho tuyên sông Trà Lý tỉnh Thái bình.
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE 11
MIKE 11 do DHI Water và Environment phát triển, là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác.
MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực, một chiều và 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 cho việc tính toán hiệu quả và toàn
54
diện, áp dụng cho quy hoạch và quản lý chất lượng, nguồn nước và các công trình thủy lợi.
Bộ mô hình MIKE tương đối toàn diện, tính năng, hiệu quả truy cập thông tin và giao diện đồ họa sinh động của công nghệ GIS, có thể là ứng dụng trong thiết kế, quy hoạch và quản lý tổng hợp nguồn nước.
Một số ưu điểm của mô hình MIKE 11: - Liên kết GIS
- Liên kết với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE như: mô hình mưa rào – dòng chảy; mô hình thủy động lực học hai chiều MIKE 21 (Mike flood)
- Tính toán chuyển tải chất khuếch tán. - Tính vận hành hồ chứa
- Tính toán thủy lực cho bài toán vỡ đập - Tính toán vận hành công trình.
- Tính toán mô phỏng các vùng đất ngập nước.
Mô-đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết. Mô-đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint Venant.
Các ứng dụng liên quan đến mô-đun MIKE 11 HD bao gồm:
Dự báo lũ và vận hành hồ chứa
Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ
Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt
Thiết kế các hệ thống kênh dẫn
Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông
Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp với nhiều loại mô-đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông.
55
Ngoài các mô-đun HD đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô-đun bổ sung đối với:
Thủy văn
Tải khuyếch tán
Các mô hình cho nhiều vấn đề về Chất lượng nước
Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính)
Vận chuyển bùn cát không có cố kết (không có tính dính)
MIKE 11 là chương trình tính thủy lực trên mạng lưới sông kênh có thể áp dụng với chế độ động sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao. Trong chế độ này MIKE 11 có khả năng tính toán với:
- Dòng biến đổi nhanh
- Lưu lượng và mực nước thủy triều vùng cửa sông. - Sóng lũ
- Lòng dẫn dốc
Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint Venant, được viết dưới dạng thực hành cho bài toán một chiều không gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dòng chảy dọc theo chiều dài dòng sông/kênh và theo thời gian. Hệ phương trình Saint – Venant gồm hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng. - Phương trình liên tục: 0 q t A x Q (2.1) - Phương trình động lượng: 0 2 2 AR C Q gQ x h gA x A Q t Q (2.2) Trong đó:
- t: thời gian tính toán
- Q: lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3/s) - x: không gian (dọc theo dòng chảy) (m)
56 - A: diện tích mặt cắt ướt (m2)
- q: lưu lượng ra, nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m3/s) - C: hệ số Chezy, được tính theo công thức C = y
R n 1 - n: hệ số nhám - R: bán kính thủy lực (m) - y: hệ số, theo Maning y = 1/6 - g: gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2 hệ số động năng.
Thuật toán cho mạng lưới sông kênh và toàn bộ hệ thống trên mạng lưới
Trong Mike 11, các phương trình Saint – Venant được giải bằng cách dùng lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn là Bbott – Inoescu. Trong lược đồ này, các cấp mực nước và lưu lượng dọc theo nhánh sông được tính trong một hệ thống các điểm lưới xen kẽ như trong hình 2.1
hj-3
Qj-3
hj-1 Qj-1 hj
Qj+1 hj+1 Qj+2
Hình 1. Nhánh sông và các điểm lưới xen kẽ
Mike 11 có thể xử lý được nhiều nhánh và tại các nhập lưu nơi mà tại đó các nhánh gặp nhau. Một nút sẽ được tạo ra trong đó mực nước được tính toán. Hình dạng của các điểm lưới quanh một nút trong đó có ba nhánh gặp nhau (hình 2.2)
QA.n-1 Qc.2 hA.n-1 hA.n hc.1 hc.3 Nh¸ nh C Nh¸ nh B Nh¸ nh A hB.n QB.n-1 hB.n-2
57
Mô phỏng công trình trên sông/kênh
Trong mô hình Mike 11 đã mô tả một loạt các công trình có tác dụng như các điểm điều khiển trong hệ thống. Việc vận hành các công trình được tính toán theo các điều kiện dòng chảy khác nhau bằng các công thức quan hệ Q – h. Các công trình có điều khiển này khác với các công trình không điều khiển ở hai khía cạnh sau:
- Công trình có thể được mô tả hoặc như công trình chảy ngầm, công trình chảy mặt hay công trình có cửa hướng tâm. Như vậy công trình có thể được mo tả như là một ngưỡng di động hay dạng nâng hạ cánh cửa cống.
- Đối với công trình vỡ đập thì nó không thể xác định trước quan hệ đặc trưng dòng chảy tới hạn Q – h của công trình.
Các điều kiện ổn định của mô hình
Không thể chỉ dùng một định luật tổng quát để chọn các tham số x và t ( bước thời gian tính toán) cho tất cả các trường hợp, trong Mike 11 đặt giả thiết rằng biến thiên tuyến tính của tất cả các biến số giữa mỗi khoảng cách thời gian và điểm lưới. Do đó, mỗi tiêu chuẩn đặt ra cho x và t là chúng phải đủ nhỏ sao cho có thể giải được từng biến thời gian và không gian tuyến tính.
Để mô hình mang tính ổn định và chính xác thì phải hoàn tất các điều kiện sau:
- Địa hình và số liệu
Địa hình và số liệu phải đồng bộ, tốt nhất là cùng một thời gian đo đạc. - Tiêu chuẩn Courant
Điều kiện Courant là một gợi ý để lựa chọn được khoảng thời gian đồng thời thỏa mãn được các điều kiện. Các giá trị điển hình C thường được chọn từ 10 đến 15, tuy nhiên một số giá trị lớn hơn cũng có thể được dùng.
Cr = x gy V t ( ) = 10 – 15 (2.3)
58
gy là tốc độ của sự nhiều loạn (sóng) tại nơi nước nông (khu vực nước thấp). Giả thiết này rất khó thỏa mãn được đối với sông và lòng dẫn do tại đó tốc độ sóng là rất nhỏ.
Tiêu chuẩn Courant thường được áp dụng cho sông và lòng dẫn. Con số Courant thể hiện số các điểm lưới một bước sóng. Phát sinh từ một nhiễu loạn nhỏ, sẽ di chuyển trong một khoảng thời gian.
- Tiêu chuẩn lưu tốc
Điều kiện lưu tốc đưa ra dưới đây đôi khi có thể tạo ra một giới hạn về khoảng thời gian, t trong trường hợp này các mặt cắt ngang có dao động nhanh.
Điều kiện biên
Mô hình Mike 11 cũng cần hai điều kiện biên : biên trên và các biên dưới. Biên trên là các biên lưu lượng. Trong trường hợp các nút biên trên chỉ có quá trình mực nước mà không có tài liệu đo lưu lượng (khi xác định tham số hoặc kiểm định