Mô phỏng sự thay đổi đặc trưng dòng chảy khi phát triển bãi ven sông thành khu đô thị: Áp dụng cho khu bãi ven sông Cả, đoạn qua thành phố Vinh - Nghệ An

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

MƠ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI ĐẶC TRƯNG DỊNG CHẢY
KHI PHÁT TRIỂN BÃI VEN SÔNG THÀNH KHU ĐÔ THỊ:
ÁP DỤNG CHO KHU BÃI VEN SÔNG CẢ,
ĐOẠN QUA THÀNH PHỐ VINH - NGHỆ AN
Phạm Văn Chiến
Khoa Thuỷ văn và Tài nguyên nước - Trường Đại học Thuỷ lợi
Email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

cũng có thể được sử dụng để xác định các
Trong những năm gần đây, nhiều khu vực đặc trưng thuỷ động lực của dịng chảy khi có
bãi ven sơng đã được khai thác và phát triển và khơng có các khu đô thị tại các bãi ven
thành các khu đô thị. Khu bãi ven sông nằm sông. Phương pháp đo đạc hiện trường
thường rất tốn kém và mất thời gian, do đó
bên bờ tả của sơng Cả, trong phạm vi giới hạn
từ cầu Bến Thủy 1 đến cầu Bến Thủy 2 khó có thể thực hiện trong một thời gian dài,
trong khi các mơ hình tốn lại cho phép các
(Hình 1), thành phố Vinh - Nghệ An cũng
đổi liên quan rất dễ dàng và linh hoạt.
không phải là một ngoại lệ. Việc xây dựng thay
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tính
khu đơ thị tại bãi ven sơng này đã làm cho toán định lượng sự thay đổi các đặc trưng
một phần diện tích của lịng sơng bị mất và dòng chảy (cụ thể là mực nước) do việc phát
do đó có thể dẫn đến sự thay đổi các đặc triển bãi ven sông thành khu đô thị bằng cách
trưng thuỷ động lực của dòng chảy do việc sử dụng mơ hình tốn thuỷ lực. Nghiên cứu
thu hẹp mặt cắt. Do đó, đánh giá ảnh hưởng áp dụng cho khu vực bãi nằm bên bờ tả của
của việc xây dựng khu đô thị ở bãi ven sông sông Cả, trong phạm vi giới hạn 2 cầu Bến
đến các đặc trưng thuỷ động lực của dòng Thủy 1 và 2, thành phố Vinh - Nghệ An.

chảy là việc làm hết sức cần thiết, không chỉ
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
giúp cho việc xác định các biện pháp cơng
trình hợp lý nhằm bảo vệ các khu đơ thị ven
Mơ hình MIKE 11
sơng đó mà cịn đảm bảo an tồn tiêu thốt lũ
Module thuỷ lực trong mơ hình MIKE 11
theo quy định [1].
được sử dụng để tính tốn thuỷ động lực xác
định sự gia tăng của mực nước trên đoạn
Khu vực bãi
sông nghiên cứu. Điều đó có nghĩa rằng các
ngập quan
đặc trưng trung bình mặt cắt của dịng chảy
tâm
trong lịng sơng được xác định bằng cách giải
hệ phương Saint-Venant sử dụng lược đồ sai
phân hữu hạn 6 điểm ẩn [2]. Thơng số chính
của mơ hình là hệ số nhám của lịng dẫn (n)
được hiệu chỉnh cẩn thận dựa vào sự so sánh
Hình 1. Sơ đồ đoạn sông và vùng quan tâm kết quả tính tốn và thực đo của mực nước tại
3 trạm kiểm tra.
của nghiên cứu
Thiết lập mơ hình cho vùng nghiên cứu
Ngồi phương pháp đo đạc dịng chảy tại
Hình 2 thể hiện sơ đồ mạng lưới sơng
hiện trường thì phương pháp mơ hình tốn dùng trong tính tốn khi sử dụng mơ hình
348

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

MIKE 11, bao gồm ba nhánh sơng chính: (i)
hạ lưu sông Cả (từ trạm thuỷ văn Yên
Thượng), (ii) hạ lưu sông Ngàn Phố (từ trạm
thuỷ văn Sơn Diệm) và (iii) hạ lưu sơng
Ngàn Sâu (từ trạm thuỷ văn Hồ Duyệt) với
tổng số 78 mặt cắt (trong đó sơng Cả có 46
mặt cắt, sơng Ngàn Phố có 11 mặt cắt và
sơng Ngàn Sâu có 21 mặt cắt).
Chuỗi số liệu lưu lượng ngày thực đo tại
các trạm thuỷ văn Yên Thượng, Sơn Diệm và
Hoà Duyệt được sử dụng tại biên thượng lưu,
trong khi đó chuỗi số liệu mực nước giờ thực
đo tại trạm Cửa Hội được sử dụng tại biên hạ
lưu. Số liệu dòng chảy năm 2011 được sử
dụng để hiệu chỉnh thơng số mơ hình trong
khi đó chuỗi số liệu năm 2005 được sử dụng
để kiểm định mơ hình. Để đảm bảo tính ổn
định của mơ hình, bước thời gian ∆t=1s được
lựa chọn cho tất cả các tính tốn.

Hệ số nhám của các sông được xác định
dựa trên phương pháp thử sai. Sự phù hợp
của kết quả tính tốn từ mơ hình và giá trị
thực đo được đánh giá dựa trên 4 chỉ tiêu: sai
số quân phương (RMSE), sai số tuyệt đối
trung bình (MAE), hệ số tương quan (r) và hệ
số Nash-Sufficient Effficient (NSE).
Hình 3 thể hiện giá trị của các chỉ tiêu sai

số khác nhau tại 3 trạm Nam Đàn, Chợ Tràng
và Bến Thuỷ (Hình 2) khi sử dụng hệ số
nhám là hằng số trên các sông. Dễ dàng nhận
thấy rằng RMSE và MAE tại các trạm kiểm
tra thay đổi lớn khi hệ số nhám thay đổi trong
khoảng từ 0,025 đến 0,04, trong khi hệ số r
thay đổi không nhiều khi sử dụng các hệ số
nhám khác nhau ngược lại hế số NSE thay
đổi rất lớn khi hệ số nhám thay đổi.

Hình 2. Sơ đồ mạng lưới sơng dùng trong
tính tốn mơ phỏng cho vùng nghiên cứu
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh thơng số
Hình 4. Mực nước thực đo và tính tốn tại
các trạm kiểm tra cho hiệu chỉnh thơng số

Hình 3. Quan hệ giữa các chỉ tiêu sai số
và hệ số nhám tại các trạm kiểm tra

Hình 4 thể hiện kết quả so sánh mực nước
thực đo và tính tốn ứng với hệ số nhám phù
hợp nhất (n = 0,037 cho sông Ngàn Sâu và
Ngàn Phố; n = 0,036 cho đoạn sông Cả tính
từ biên thượng lưu đến ngã ba nhập lưu với
sông Ngàn Sâu và n = 0,03 cho đoạn sông Cả
tính từ ngã ba nhập lưu sơng Ngàn Sâu đến
biên hạ lưu đến) tại các trạm kiểm tra. Kết
quả tính tốn thể hiện rằng hầu hết tại các vị

trí kiểm tra mực nước tính tốn đều tương đối

349


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

phù hợp với mực nước thực đo. Hơn nữa, giá
trị mực nước lớn nhất tại các trạm khác nhau
không nhiều giữa tính tốn và thực đo. RMSE
và MAE của mực nước tại các trạm kiểm tra
thay đổi trong khoảng từ 0,11 m đến 0,33 m
(<15,3% biên độ dao động mực nước ghi
nhận được tại các trạm). Hệ số tương quan r
rất gần 1, điều đó thể hiện rằng mơ hình tái
hiện rất tốt quá trình thay đổi mực nước thực
đo theo thời gian tại các trạm. Hệ số NSE lớn
hơn 0,80.
Kiểm định mơ hình

lịch sử năm 1978 và lũ thiết kế 1% [1]. Cụ thể,
với lũ lịch sử năm 1978, mực nước dâng thêm
tại cầu Bến Thuỷ 1 và 2 lần lượt là 0,31 m và
0,17 m. Với trận lũ thiết kế ứng với tần suất
1% thì mực nước dâng thêm khi phát triển bãi
ngập thành khu đô thị là 0,16 m (tại cầu Bến
Thuỷ 1) và 0,08 m (tại cầu Bến Thuỷ 2).

Hình 6. Mực nước trung bình ngày lớn nhất
dọc sông ứng với lũ lịch sử từ ngày 16 tháng

9 đến ngày 9 tháng 10 năm 1978

Hình 5. Mực nước thực đo và tính tốn tại
các trạm kiểm tra cho kiểm định mơ hình
Hình 5 thể hiện đường q trình mực nước
thực đo và tính tốn tại các trạm kiểm tra cho
kiểm định mơ hình (năm 2005). Kết quả tính
tốn tái hiện rất tốt q trình mực nước thực
đo. Hệ số r và NSE tương đối cao, với r >
0,91 và NSE > 0,80, trong khi giá trị của
RMSE và MAE tương đối nhỏ (thay đổi từ
0,10 m đến 0,28 m và chỉ bằng 3% đến 13%
biên độ dao động mực nước thực đo tại
trạm). Các kết quả trên khảng định rằng hệ số
nhám đã sử dụng là chấp nhận được. Do đó
các giá trị của hệ số nhám này sẽ được sử
dụng để xác định mực nước dâng thêm khi
phát triển khu vực bãi ngập nằm bên bờ tả của
sông Cả (trong phạm vi giới hạn 2 cầu Bến
Thủy 1 và 2) thành khu đô thị ven sơng.
Mơ phỏng mực nước dâng thêm
Hình 6 và Hình 7 thể hiện kết quả mô
phỏng mực nước dâng thêm dọc sông (đoạn
sông từ Cầu Bến Thuỷ 1 và 2) ứng với trận lũ

Hình 7. Mực nước trung bình ngày lớn nhất
dọc sông ứng với lũ thiết kế 1%
4. KẾT LUẬN

Mơ hình đã tái hiện rất tốt q trình thay

đổi mực nước thực đo tại cả 3 trạm kiểm tra
cho cả hiệu chỉnh thơng số và kiểm định mơ
hình (sử dụng số liệu năm 2011 và 2005).
Kết quả tính tốn mô phỏng mực nước
dâng thêm đối với trận lũ lịch sử năm 1978
và lũ thiết kế ứng với tần suất 1% thể hiện
mực nước khu vực nghiên cứu tăng thêm
đáng kể từ 0,08 đến 0,31 m.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Báo cáo “Quy hoạch phòng chống lũ và đê
lưu vực sông Cả trên địa bàn tỉnh Nghệ
An”, Viện Quy hoạch Thủy lợi (2008).
[2] User Guides MIKE by DHI 2014.

350