Nghiên cứu trên mô hình toán các giải pháp chỉnh trị đoạn sông phân lạch Trung Hà trên sông Đà, góp phần hoàn thiện vận tải thủy từ Hải Phòng đến nhà máy thủy điện Sơn La

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN
NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP CHỈNH
TRỊ ĐOẠN SÔNG PHÂN LẠCH TRUNG HÀ TRÊN SÔNG ĐÀ, GÓP
PHẨN HOÀN THIỆN VẬN TẢI THUỶ TỪ HẢI PHÒNG ĐẾN NHÀ MÁY
THUỶ ĐIỆN SƠN LA
MÃ S Ố : Q T -0 7 -4 5
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:
TS. NGUYỄN THỌ SÁO
CÁN BỘ PHỐI HỢP:
THS. HÀ THANH HƯƠNG
CN. NGÔ CHÍ TUẤN
jh r i p c Q U Ọ C G IA H À N Ộ I
w jG T Â M M Ò N G TIN T*-<ư V IÊN
Ì Í T / l í ã .
___________
HÀ NỘI - 2008
ấ. Tên đề tài:
Nghiên cứu trên mô hình toán các giải pháp chỉnh trị đoạn
sỡhg phân lạch Trung Hà trên sông Đà, góp phần hoàn thiện vận
tải thuỷ từ Hải Phòng đến nhà mảy thuỷ điện Sơn La
Mã số: QT-07-45
b. Chủ trì đề tài: TS. Nguyền Thọ Sáo, Khoa KTTV&HDH
c. Các cán bộ tham gia:
ThS. Hà Thanh Hương, Khoa KTTV&HDH
CN. Ngô Chí Tuấn, Khoa KTTV&HDH
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
M ục tiêu:
Bằng việc áp dụng mô hình toán hiện đại 1 chiều, thực hiện hiệu chỉnh, kiểm
chứng mô hình cho các năm 1996, 2004 và 2005. Từ đó tính toán điều kiện biên cho
v mô hình toán 2 chiều và mô hình vật lý. Với các phương án tính toán cho hiện trạng và

2 phương án có kè chỉnh trị, đánh giá phương án có lợi về mật thủy lực đối với lòng
dẫn. Việc chuyển lòng dẫn sang hẳn lạch bên trái đoạn sông Đà gần cầu Trung Hà đảm
bảo lòng dẫn không bị bồi lắng và có thể chuyển tải các thiết bị siêu trường siêu trọng
đến NMTĐ Sơn La.
Nội dung:
Tổng quan tình hình dòng chảy hạ lưu sông Đà từ khi NMTĐ Hòa
Bình đi vào hoạt động, cũng như tình trạng xói lở đoạn sông này. Nhu cầu
ổn định lòng dẫn để đảm bảo giao thông thủy ở đoạn sông phân lạch phía
thượng lưu cầu Trung Hà là cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Áp dụng mô hình HEC-RAS để tạo biên cho mô hình vật lý và mô
hìr.h 2 chiều, sau khi đã hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình, cho 3 trường
hợp: lũ lớn, lũ trung bình và lũ tạo lòng.
Triển khai các phương án tính toán trên mô hình 2 chiều MIKE21C:
+ Hiện trạng
+ Công trình chỉnh trị phương án 1: c r i
+ Công trình chỉnh trị phương án 2: CT2.
Hai trường hợp tính toán đưa ra trong báo cáo này là: lũ lổm và lũ tạo lòng.
e. Các kết quả đạt được:
1. Thu thập và xử lý số liệu địa hình và thủy vãn cho khu vực nghiến cứu gồm:
sông Hồng từ trạm TV Phú Thọ đến trạm TV Sơn Tây (58km), sông Đà từ hạ lưu thuy
điện Hòa Bình đến ngã ba Thao-Đà (57km), sông Lô từ trạm TV Phù Ninh đến ngã ba
Hổng-Lô (37km). sông Phó Đáy từ trạm Quảng Cư đến ngã ba Lô-Phó Đáy với chiều
dài 29 km. Một tháng lũ lớn nhất từ các nám 1996, 2004, 2005.
BÁO CÁO TÓM TẮT
2. Thiết Ịập sơ đồ thuỷ lực 1 chiều cho mạng lưới sông nói trên.
3. Thực hiện đầy đủ quy trình tính toán từ hiệu chính (lũ 1996),
kiểm định mô hình (lũ 2004 và 2005).
4. Tính toán trên mô hình 1 chiều với 3 trường hợp lũ lớn, lũ trung
bình, lũ tạo lòng để làm biên cho mô hình 2 chiều và mô hình vật lý.
5. Tính toán trên mô hình 2 chiều các phương án: hiện trạng, công trình chỉnh trị

có kè chữ I, L, T (CT1), và công trình chỉnh trị kè chữ I, L, T và A (CT2). Đánh giá tác
động cử hệ thống kè chỉnh trị theo quan điểm thủy động lực.
6. Cung cấp bộ số liệu cho sinh viên làm trường hợp mẫu về áp dụng mô hình
toán.
7. Sự phù hợp tốt giữa kết quả của mô hình toán (chi phí thấp) với kết quả mô
hình vật ly (chi phí cao) cho thấy ưu thế của mô hình toán. Kiến nghị trong thiết kế có
thể áp dụng mô hình toán, chỉ sử dụng mô hình vật lý trong một số trường hợp rất đặc
biệt.
f. Tình hình kinh phí của dề tài:
Kinh phí được cấp nãm 2007-2008: 20 triệu đồng, đã sử dụng và o
các hạng mục như sau:
Mục
Tên mục Số tiền (đồng)
Muc 109
Thanh toán dịch vụ công cộng
800.000,00
Mục 112 Hội nghị
3,200.000,00
Muc 114 Thuê mướn
14.000.000,00
Mục 119
Chi p h í nghiêp vụ chuyên môn của
từng ngành
2.000.000,00
Tổng cộng
20.000.000,00
Hai mưói triện đống chẵn
BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG ANH
a) Project:
Studying the river training measures in braided Da river section for navigation

improvement using mathematical models.
Code: QT-07-45
b) Head of the Project:
Mr. Nguyen Tho Sao, Dr
c) Participants: 1. Mrs. Hà Thanh Hương, MS
2. Mr. Ngô Chí Tuấn, BS
d) Objectives and scope of the study:
The calibration, verification works were performed for the study area using
HEC-RAS model. The next step is to establish boundary conditions for 2D model and
physical model. According to the calculated results for the existing conditions,
conditions with structures of Alternative 1, and conditions with structures of
Alternative 2, one can hydraulically evaluate the effectiveness of the alternatives. After
construction of the groins, the main flow is chiefly concentrates on the left braided river
and it guarantees the channel not to be deposited. From now on one can transport super
heavy equipment to Son La hydropower plant.
e) Main results:
1. Available data of topography of the rivers network, hydrographs and water
levels of the floods occurred in 1996, 2004 and 2005 were collected for the study area.
It consists of river cross-sections of 58km in Hong River, 57km of Da River, 37km of
Lo River and 29km in Pho Day River.
2. Building the layout of the rivers network for the ID model.
3. Calibration (VIII/1996 hydrograph), and verification (VII/2004 and VIII/2005
hvdrographs) of the model.
4. Building the boundary conditions for 2D model and physical
model in cases of: high flood, mean flood and channel forming flood.
5. Calculation by 2 D model for the cases: existing condition, groin system of I,
L, T shapes (CTl) and groin system of I, L, T, A shapes (CT2). Analyses of each case
were made based on hydraulically point of view.
6. Providing the calculation procedures as case study for the students.
7. The good agreements between calculated results by mathematical model (low

expenditure) with observed results by physical model (high expenditure) show the
advantages of the mathematical models.
XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI
(Ký và ghi rõ họ tên)
(Ký và ghi ro họ tên)
PGS.TS. PỈỈAM VAN HUẢN
XÁC NHẬN CỬA TRƯỜNG
MỤC LỤC
Chương 1. Mở đầu 4
1.1. Mục tiêu ft
1.2. Cách tiếp cận
1.3. Nội dung nghiên cứu K
1.3.1. Phạm vi nghiên cứu tổng thể 8
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu cục bộ 9
1.3.3. Trình tự thực hiện 10
Chưưng 2. Phương pháp ỉ 1
2.1. Giới thiệu các mô hình 11
2.2. Cơ sở toán học của các mô hình 12
2.2.1. Mô hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS 12
2.2.2. Mô hình thuỷ động lực lưới cong 2 chiều MIKE 21 c 16
2.3. Số liệu đầu vào 22
Chương 3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 25
3.1. Mục đích và yêu cầu 25
3.1.1. Hiệu chỉnh mô hình 25
3.1.2. Kiểm định mô hình 25
3.2. Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh 25
3.2.1. Sơ đổ thuỷ lực 25
3.2.2. Điều kiện biên 2X
3.2.3. Kết quả mô phỏng trận lũ 8/1996 30
3.2.4. Các kết quả kiểm định trận lũ tháng 7/2004 32

3.2.5. Các kết quả kiểm định trận lũ tháng 8/2005 33
3.3. Nhận xét 34
2
3.4. Khai thác mô hình 1 chiều làm điều kiện biên cho mô hình vậi lý và mô
hình 2 chiều
34
Chương 4. nghiên cứu thủy động lực đoạn sông trên
mó hình toán 2 chiểu
trong điều kiện tự nhiên và có cồng trình chỉnh trị 37
4.1. Các phương án
37
4.1.1. Số liệu địa hình
37
4.1.2. Đầu vào thủy văn
37
4.1.3. Lưới tính toán và các tham số
39
4.2. Kết quả tính toán
41
4.2.1. Lũ tạo lòng
41
4.2.2. Lũ max
46
4.3. So sánh kết quả với mô hình vật lý
51
4.4. Phân tích kết quả
52
Kết luận và kiến nghị
54
Tài liệu tham khảo

55
Phu lục
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẨU
Sông Đà là 1 hợp lưu lớn của sông Hồng, chiếm 55% lượng nước trẽn hệ
thống sông Hổng. Mùa lũ trên sông Đà thường bắt đầu vào tháng V, lớn nhất
thường xảy ra vào cuối tháng VII đến nửa đầu tháng VIII, kết thúc vào cuối
tháng IX đầu tháng X. Dòng chảy lũ trên sông Đà lớn, tập trung nhanh và không
đổng bộ ở các phần khác nhau của lưu vực. Trong điều kiện tự nhiên, khi hồ Hòa
Bình chưa tham gia điều tiết dòng chảy sông Đà, lũ sông Thao và sông Đà
thường xuất hiện lệch pha nhau. Công trình thủy điện Hòa Bình (đi vào vận hành
từ năm 1991) có nhiệm vụ chính là tham gia chống lũ cho thủ đô Hà Nội, hàng
nãm cắt trung bình từ 4-6 trận lũ lớn. Hiệu quả điều tiết chống lũ cho hạ du và
cho Hà Nội của hổ là rất lớn, tác dụng cắt lũ càng thể hiện rõ khi xảy ra lũ lớn
đổng thời trên các sông Đà, Lô và Thao. Việc xây dựng các hồ chứa mang lại
những lợi ích to lớn, song cũng gây ra những tác động khác như hiện tượng xói
sâu phổ biến ở hạ lưu, do một lượng bùn cát tạo lòng bị giữ lại hồ chứa gây ra
mất cân bằng ở hạ lưu, Hổ Hòa Bình đã làm thay đổi cơ bản chê độ thúy lực,
thủy văn, vận chuyển bùn cát, gây ra hiện tượng xói sâu lòng dẫn trên sông Đà
sau hồ. Khi có thêm hổ Sơn La phía thượng lưu hồ Hòa Bình, gần như toàn bộ
lượng bùn cát tạo lòng của sông Đà sẽ được giữ lại ở hai hổ này, do đó hiện
tượng biến đổi lòng dẫn ở hạ lưu đập Hòa Bình chắc chắn sẽ diên ra mạnh mẽ
hơn.
Đoạn hợp lưu Thao-Đà cách hạ lưu đập Hoà Bình 57km là khúc chuyến tiếp
từ ncã 3 Thao Đà đến ngã 3 Lô-Hồng. Đây là nơi hội tụ của các dòng sông lớn
có chế độ thủy lực, thủy văn và tổ hợp lũ phức tạp, có cơ chế động lực lòng dẫn
đa dạng và rất không ổn định. Trong tình hình đó, cần thấy rõ một thực trạng là
hệ thống bờ bãi, đê điều vùng này rất xung yếu. Việc chỉnh trị, ổn định lòng dẫn
phục vụ giao thông thủy, nâng cao náng lực thoát lũ ở đoạn sông này là rất quan
trọng trong khai thác dòng chảy trên quy mô toàn tuyến sông từ đày vế hạ lưu.
Đoạn sông phân lạch gãn khu vực cầu Trung Hà có hình thái sông phức tạp, chưa

ổn định, diễn biến thuv lực, xói lơ bờ đang ở tình trạng nghiêm trọng gay di
chuyển luồng tàu theo mùa, ánh hưởng rất lớn đến đời sống dân cư hai ben sông.
4
Hình 1. Một đoạn sông Đà được gia cổ bằng lát mái
Tinh hình nói trên thường xuyên xen kẽ nhau, làm cho đoạn hợp lưu (hay
còn gọi ]à đoạn phân lạch) luôn luôn tồn tại bãi giữa sông với hai dòng ép sát bờ,
ảnh hưởng rất lớn đến việc phòng chống lũ ở cả hai bên bờ sông và giao thông
đường thuỷ. Theo thông lệ, dòng cháy thường gây xói ở phía bờ lõm đoạn sóng
cong, tức dòng chủ lưu phải ở phía phải sông. Tuy nhiên đã nhiều năm nay. dòng
chủ lưu luôn ở phía trái đoạn sông phân lạch. Các kết quả nghiên cứu, khảo sát
thực địa cho thấy: hiện nay lòng sông Đà đoạn từ đập về xuôi khoảng 30km đã
đạt tới trị số xói cực hạn và hiện tượng xói lan truyền đã ánh hưởng đến Trung
Hà. Song song với hiện tượng xói sâu là hiện tượng xói ngang đà uy hiếp bờ đe
đoạn thị xã Hoà Bình và lan truyền về hạ lưu làm xói bờ nhiều đoạn.
Kèm theo quá trinh xói sâu lan truyển là hiện tượng hạ thấp mực nước.
Theo kết quả thu thập phân tích tài liệu thủy vãn đến năm 1996, tại Hoà Bình
mực nước đã hạ thấp AH = 2,10m ứne với Q = 500m3/s, AH = l,70m ứng với Q
= 5.000rrv7s, AH=1,20m ứng với Q = lO.OOOmVs. Độ hạ thấp mực nước chưa dạt
đến trị sô cực hạn, vì hiện tượng xói vẫn đang tiếp diễn. Bên cạnh đó, việc xâv
dựng nhà cửa và trồng trọt trên bãi sông, tùy từng vị trí cũng có thể anh hưởng
nhiều hay ít đến khá năng thoát lũ. Do quá trình xói lan truyẽn còn tiêp diẻn nen
5
cần phải tiếp tục điều tra khảo sát để có biện pháp công trình báo vệ nhằm ổn
định đoạn hạ lưu sông Đà. Các công trình chỉnh trị phải đảm bảo cho dòng sông
và tuyến luồng dần đi vào ổn định, đảm bảo giao thông thủy trong những điều
kiện bất lợi nhất, có tác dụng bảo vệ bờ, nhưng đồng thời không làm ảnh hưởng
tới các mục đích kinh tế khác.
Hình 2. Một đoạn sông Đà xói lở do chưa được gia cố
Giao thông vận tải thuỷ trên sông Đà có vai trò đặc biệt quan trọng phục vụ
xây dựng nhà máy thuỷ điện Sơn La: đảm nhiệm 75-80% lượng hàng hoá thông

thường, và đảm nhận vận chuyển toàn bộ hàng thiết bị sièu trường, siêu trọng.
Trong toàn đoạn sòng Đà từ hạ lưu đập Hòa Bình đến ngã ba hợp lun Thao-Đà
thì đoạn sông phân lạch gần cầu Trung Hà diễn biến phức tạp nhất, ảnh hưởng
rất đáng kể tới giao thông thủy, và là đối tượng của nghiên cứu này.
1.1. MỤC TIÊU
Việc nắm bắt chế độ thủy động lực, diễn biến của lòng dẫn tại khu vực này
phục vụ cho việc quy hoạch, lập dự án, thiết kê các công trình có ý nghĩa rât ihiết
thực cho công tác chỉnh trị sông khu vực trọng điểm này. Vì vạy nghiên cứu này
hướng tới:
+ Xác định chế độ thủy động lực. thuỷ vãn hạ lưu sông Đà trong quá trình
6
vận hành, khai thác của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình.
+ Nghiên cứu các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến xói lở bờ, giao thông
thủy và thoát lũ,
+ Xác định giải pháp công trình chỉnh trị, cải tạo sông phục vụ giao thông
thủy đạt hiệu được quả kỹ thuật, kinh tế.
1.2. CÁCH TIẾP CẬN
Để cải tạo đoạn sông, công trình chỉnh trị phải được tính toán, bô trí dựa
trên các nghiên cứu cụ thể, chi tiết và sử dụng các công nghệ, phân mềm tính
toán chuyên dụng.
Trong điều kiện chuỗi số liệu quan trắc thủy văn, bùn cát ở khu vực công
trình còn hạn chế, quá trình diễn biến luồng lạch và kết cấu dòng chảy phức tạp
thì việc đưa các mô hình (kết hợp mô hình toán và mô hình vật lý) vào nghiên
cứu chế độ thủy lực hạ lưu sồng Đà (đọan thượng lưu cầu Trung Hàj là hét sức
cẩn thiết, là cơ sở kiểm chứng, đánh giá, kết hợp lý thuyết và kinh nghiệm thực
tế để lựa chọn phương án xáy dựng các cồng trình đạt hiệu quả cao.
Sử dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ thủy động lực hiện
trạng dòng chảy trong mùa lũ, mùa nước trung bình, mùa kiệt và ảnh hưởng của
các công trình đối với thoát lũ vùng hạ lun sông bao gồm:
- Kiểm chứng mô hình toán với thực tế hiện trạng.

- Mô phỏng trường lun tốc và mực nước đoạn sônc nằm trong khu vực
nghiên cứu của dự án với đia hình hiện trạng và địa hình sau khi xây dựng các
công trình trong các trường hợp nghiên cứu.
- Kết hợp các giá trị kết quả nghiên cứu trên mô hình toán, lý thuyết và kinh
nghiệm dể nhận định, đánh giá và lựa chọn giải pháp xây dựng cồng trình chinh
trị và các thông số kỹ thuật của công trình chỉnh trị.
- Mô hình toán sử dụng để nghiên cứu phải được nghiệm chứng, hiêu chinh
để có độ tin cậy.
- Phạm vi khu vực nghiên cứu (khu vực lập mô hình) phải đủ rộng để bao
trùm được các ảnh hường có thể; bước lưới tính toán (\x, \) I phái du ch 1 liet de
7
có thể phản ánh một cách sát thực địa hình lòng sông, bờ bãi, địa vật và các công
trình sẽ đưa vào nghiên cứu.
- Thời gian chạy điều chỉnh và nghiệm chứng mô hình phải đủ dài và bao
trùm được các chế độ dòng chảy đặc trưng.
- Số liệu đo đạc dùng để xây dựng và chạy mô hình phải đảm bào độ chính
xác cần thiết.
- Sai số tương đối cho phép giữa số liệu thực đo (lưu tốc, lưu lượng, mực
nước) và các giá trị tính toán nằm trong khoảng 5-10%.
- Các phương án công trình đưa vào nghiên cứu mô hình phải là các phương
án đặc trưng, đại diện cho các khả năng có thể.
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN c ú u
1.3.1. Phạm vi nghiên cứu tổng thể (h.3)
Chế độ thuỷ lực nói chung và biến đổi lòng dẫn nói riêng trong doạn sông
Đà từ trạm TV Hoà Bình đến ngã ba Trung Hà chịu ảnh hưởng không chi quá
trình điều tiết lũ của NMTĐ Hoà Bình (điểu kiện thượng lưu) mà còn bởi dòng
chảy từ các sông Thao và Lô (điều kiện hạ lưu). Vì vậy phạm vi nghiên cứu tổng
thế phải bao gồm được các sông này. Nếu miền nghiên cứu hẹp sẽ làm cho các
biên trở nên không độc lập, ảnh hưởng đến kết quả tính toán, nhưng nếu miền
quá rộng sẽ ảnh hưởng đến thời gian tính trên máy. Do vậy phạm vi nghiên cứu

cần được trải rộng đến các trạm thuỷ vãn gần với sông Đà nhất trên các sông
này, cụ thể là:
- Sổng Đà từ đập Hoà bình đến ngã ba Thao-Đà với chiều dài 57 km
- Sông Thao từ trạm thủy văn Phú Thọ đến ngã ba Hổng-Lô với chiều dài
42km
- Sông Lô từ trạm Phù Ninh đến ngã ba Hồng-Lô với chiêu dài 37 km.
- Sông Phó Đáy từ trạm Quảng Cư đến ngã ba Lô-Phó Đáy với chiều dài
- Sông Hổng Từ ngã ba Hồng-Lô đến tram thủy văn Sơn Táy với chiêu dài
16km.
8
Theo các nghiên cứu đã có thì trên thực tế, dòng chảy sông Phó Đáy ít ảnh
hưởng đến chế độ dòng chảy đoạn sông Đà đang xét.
Hình 3. Khu vực nghiên cứu tổng thể
1.3.2. Phạm vi nghiẽn cứu cục bộ (h.4)
Phạm vi nghiên cứu cục bộ là đoạn sông phân lạch trên sông Đà, cách cầu
Trung Hà về phía thượng lưu khoang 9km và về phía hạ lưu cầu khoảng lkm.
Mình 4. Khu vưc nghiên cứu cục bộ
9
1.3.3. Trình tự thực hiện
Mô hình toán 2 hoặc 3 chiều sẽ phù hợp nhất cho việc nghiên cứu. Mố
hình 3 chiều chưa thể thực hiện do những khó khăn về số liệu cũng như thời gian
chạy trên máy tính, do vậy có thể sử dụng mô hình 2 chiều. Tuy nhiên mô hình 2
chiều chỉ có thể sử dụng cho phạm vi nghiên cứu cục bộ cũng vì những lý đo
trên. Vì vậy phải sử dụng mô hình 1 chiều cho phạm vi nghiên cứu tổng thê, và
mô hình 2 chiều cho phạm vi nghiên cứu cục bộ. Trình tự tiến hành như sau:
- Sử dụng mô hình 1 chiều để tính toán thuỷ lực (mực nước và lưu lượng)
cho mạng lưới sông thuộc phạm vi nghiên cứu tổng thể. Mục đích là làm cơ sở
cho các tính toán tiếp theo trong phạm vi nghiên cứu cục bộ.
- Sau khi mô hình 1 chiều đã được kiểm chứng, sử dụng mô hình này để tạo
ra các biên dùng cho mô hình vật lý và mô hình 2 chiểu cho các trường hợp: lũ

tạo lòng, lũ trung bình, lũ lớn.
- Sử dụng mô hình 2 chiều để tính toán chế độ dòng chảy cho các trường hợp
nói trên với các phương án: hiện trạng, có kè chỉnh trị.
10
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP
2.1. GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH
Những chương trình máy tính giải hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant
như VRSAP của Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên được sử dụng khá hiệu
quả ở Việt Nam. Tuy nhiên hiện nay trên thế giới có nhiều mô hình thuỷ thạch
động lực rất mạnh: MIKE của Viện Thuỷ lực Đan Mạch, DELFT-3D của Phòng
thí nghiệm Delft Hà Lan, SMS do nhiều công ty và viện nghiên cứu Hoa Kỳ
cùng hợp tác xây dựng. Các mô hình này đều có chung mục đích là giải các bài
toán thuỷ động lực, diễn biến chất lượng nước và vận chuyển trầm tích. Đây đều
là các mô hình thương mại, một số cơ quan tại Việt Nam đã có bản quyền sử
dụng.
Mô hình MIKE được xây dựng dựa trên việc giải hộ phương trình Saint -
Venant và Navier-Stokes cho dòng chảy 1, 2 và 3 chiều (hướng dọc sông, hướng
ngang và thắng đứng). Đế phát triển tính toán thêm vận chuyên trăm tích, có the
sử dụng thêm một sô môđun của MIKE. Ví dụ MIKE 21C gồm đầy đu các phan
hồi về sự thay đổi cao trình đáy sông và biẽn đổi đường bờ, thực sự là mội mỏ
hình động học về hình thái sông. Đối với mô phỏng thời đoạn dài, có thể sử dụng
dòng ổn định. Tính toán trên mô hình MIKE21C có thê áp dụng để khảo sát sự
thay đổi hình thái sông, kể cả những tác động của công trình như kè, đập mỏ
hàn, đập dâng, mố, trụ cầu và nạo vét lòng sông. Những nghiên cứu điển hình
bao gồm khảo sát hình thái sông ngắn hạn, trung hạn, và dài han, từ hàng tuần
cho đến hàng năm trên toàn bộ các nhánh sông dài từ 5 đến 100 km. Mô hình
gồm 3 mô đun chính: mô đun tính thuỷ lực, mô đun tính vận chuyển bùn cát và
mô đun tính hình thái. Ngoài ra còn nhiều mô đun nhỏ mô phỏng các công trinh
sông, bãi giữa
SMS cũng là một hệ thõng mô hình toán cho 1 chiêu, 2 chiêu và 3 chiểu,

(rỏm nhiều mồ đun, sử dụng để nghiên cứu các nội dung đã đặt ra trẽn đoạn sông
thuộc phạm vi dự án. Mõi mô đun số được thiết kế để hướng vào một nhóm bài
toán đặc biệt. Một số mô đun tính toán thuỷ động lực như vận tôc done chay va
11
mực nước. Những mô đun khác tính toán sự vận chuyến chất ô nhiễm hoặc nồng
độ chất lơ lửng. Vài mô đun hỗ trợ tính toán trạng thái ổn định và không ổn định,
dòng chảy có thể là phân giới và trên phân giới. Lưới phần tử hữu hạn, hoặc lưới
sai phân, hoặc sử dụng những mặt cắt ngang, cùng với những điều kiện biên cần
thiết cho phân tích, được SMS sử dụng cho tính toán và sau đó lưu giữ thành các
file dữ liộu làm đầu vào.
Như vậy trong dự án này chúng ta có thể:
- Sử dụng mô hình 1 chiều HEC-RAS (thuộc nhóm mô hình SMSj tính
toán mực nước và lưu lượng trên toàn khu vực nghiên cứu.
- Sử dụng mô hình SMS hoặc MIKE21C để tính toán trường lưu tốc và
mực nước trong khu vực dự án với số liệu biên là kết quả được truy xuất từ mô
hình 1 chiều.
2.2. Cơ SỞ TOÁN HỌC CỦA CÁC MÔ HÌNH
2.2.1. Mô hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS
Để tính toán thuỷ lực trong hệ thống sông (lòng dẫn hớ vằ các công irình), có
thể sử dụng hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant. Hệ phương trình vi phân đạo
hàm riêng này không có nghiệm giải tích và thường được giải bằng phương pháp
số. Trong dự án này sử dụng chương trình HEC-RAS, là một môđun của SMS.
Hình 5. Mạng lưới sõng và măt cắt ngang trong mỏ hình HB( '-RAS
HEC-RAS được phát triển bởi Trung tâm Thuỷ văn Công trình (The
Hydrology Engineering Center - HEC), Mỹ. HEC-RAS tính toán trạng thái ổn
định hoặc không ổn định để xác định mực nước và vận tốc dòng cháy, có thê bỏ
sung các công trinh: cầu, cống, các trạm bơm dọc sông Việc giải phương trình
dòng chảy không ổn định được phỏng theo mô hình UNET của Tobert L.
Barkau (Barkau 1992 và HEC 1997). Thành phần dòng chảy không ổn định
được xây dựng chủ yếu cho các tính toán chế độ dòng chảy dưới phân giới.

Các quy luật vật lý chi phối dòng chảy trong sông là: (1) bảo toàn khối
lượng (phương trình liên tục) và (2) bảo toàn động lượng (phương trình chuyển
động). Các quy luật này được biểu diễn toán học theo dạng các phương trình vi
phân đạo hàm riêng.
- Phương trình liên tục
X ét đoạn sône, như trong hình 6. Trong hình này, khoảng cách X được do
dọc kênh. Ở điểm giữa đoạn, lưu luợng và diện tích mặt cắt ướt được thê hiện
bởi Q(x,t) và At tương ứng, qi là lưu lượng gia nhập vào đoạn sông. Phương
trình liên tực như sau:
CAỵ ao
■V_ _________
o \ I I
°' lii.x.i)
A- V \~ 0 ?- -r - - V - _ x
s N \ - X • — - - r.

/\x

L>


_
Otuflow
" "\~ ^

V -
Hình 6. Đoạn sông cơ bản
1?
- Phương trình động lượng
Theo định luật bảo toàn động lượng (định luật 2 Newton) ta có:

v _ =
(2]
Bảo toàn động lượng cho đoạn sông: tất cả các lực thành phần tác động lên
đoạn sông cân bằng với suất biến đổi động lượng. Đây là phương trinh áp dụng
theo hướng X. Thông lượng có hướng trùng với hướng cùa véc tơ vận tốc theo
chiểu dòng chảy. Ba lực sẽ được xem xét là: áp suất, trọng lực và lực ma sát.
T
t
I 1

—


T
r
L
Hình 7. Mặt cắt ngang
Áp suất: hình 7 giải thích trường hợp tổng quát cua một mặt cắt không đều.
Phân bố áp suất giả thiết là thủy tĩnh (thay đổi tuyến tính theo độ sâu) và tổng áp
suất là toàn bộ áp suất trên diện tích mặt cắt. Áp suất tại một điểm bất kỳ có thể
viết như sau:
Ff = j y'l 7 ' i :Ạ
Í3)
trong đó h là độ sâu, V là khoảng cách trèn đáy kênh, và T(y) là hàm cua độ
rộng, liên hệ bề rộng mật cát vứi khoảng cách ơ trên đáy kênh. Nêu F là áp lực
theo hướng X ở giữa đoạn sông, thỉ lực ờ phía thượng lưu cua đoạn sòng có thê
viết:
14
F t-
cFp Ay

cx 2
(4 )
và ở phía hạ lưu:
F f-
cF? A.V
C.Y
1
(5)
Do đó tổng các lực áp suất tác động lên đoạn sông có thể viết:
r cFP Ảx r ÍF ? A v . r
rF-~ = ‘ỉ 7 rĩ ~ —r T i
ẻx 2 ở. V 2
(6)
trong đó Fpn là áp lực tác động lên đoạn sông và FB là lực tác động bơi các
bờ sông theo hướng X lên chất lỏng.
Trọng lực biểu thị bàng:
c z
F, = —DẹA—— Ax
C-X
(7)
Lực cản bằng:
Ff = -r.PA r
(8)
Sau một số biến đổi thu được phương trình động lượng như sau:
— - — - 2 \ ; — - S ,| = '~'
CT CX "* CX :
trong đó V- vận tốc dòne; cháy , Sf - độ dốc thuỷ lực
(9)
s\ =
2.2ỒSR' 'A'

110)
15
Đối với các phương trình vi phân 1 chiều, sử dụng thuật loán sai phân để
đưa các phương trình vi phân nói trên về các phương trình sai phân, ớ đây chỉ
đưa ra các ví dụ toán tử sai phân chính theo không gian và thời gian
cf iự _ ư - - / ' + £ f A / _ - A / »
CX AỸ Av
(II)
ẽf Ạf _ 0.5 (A / - A/ , )
c ỉ A ỹ Ấ r ( 12)
Bước đầu tiên để thiết lập một sơ đổ HEC-RAS là tạo ra mô hình xác định
mạng lưới sông (sơ đổ thuỷ lực và các đặc điểm), vị trí mặt cát ngang trên các
sông nhánh và sông chính, vị trí bờ, và chia thành khu vực đặc trưng.
2.2.2. Mô hình thuỷ động lực lưới cong 2 chiều MIKE 21C
Trong SMS có một số mô hình số hai chiều trung bình độ sâu (RMA2,
FESMWS, ADCIRC, M2D, HIVEL) tính toán các yếu tố thuỷ động lực bằng
phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn. Mô hình cho phép tính toán
mực nước và các thành phẩn vận tốc hướng ngang cho dòng chảy trong không
gian 2 chiều. SMS tính toán nghiệm dang Reynolds của hệ phương trình Navier -
Stokes đối với dòng chảy rối. Ma sát được tính toán với phương trình Manning
hoặc C h ezy, và hệ số nhớt rối được sử dụng để xác định những đặc trưng rối. Có
thể phân tích dòng chảy ổn định và không ổn định.
Chương trình được áp dụng đê tính toán phân bố mực nước và dòng chảy
xung quanh các đảo, vận chuyển các khối nước trên đất ngập nước. Dòng cháy
tại các cầu, lòng sông co hẹp hoặc mử rộng, kênh đẫn vào ra nhà máy thu> điện,
các nơi phân nhập lưu, các trạm bơm, các công trình ven bổng, các vùng đầm
phá, sông, hồ chứa, và cửa sông đều có thể tính toán bang SMS.
Tuy nhiên qua thực tế sử dụng, mô liình MIKE21 c có những ưu thế so với
mô hình SMS ở khả năng tính toán khi sử dụng lưới cong trực giao khớp VỚI
biên, do vậy các kết quả trong báo cáo này lấy theo MỈKE21C. Phiên bán cluiân

của mô hình MIKE21 dựa trên lưới tính hình chữ nhật. Đối vói việc mô phong
lb
vùng biển mở và phần lón những ứng dụng vùng bờ, vùng cửa sông, những lưới
như vậy cho độ chính xác vừa đủ. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong sóng,
yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đòi hỏi việc sư
dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc (dạng các phần tử hữu hạn). Lưới cong có
những ưu điểm vượt trội lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đổ tính toán nhanh hơn rát
nhiều. ích lợi của việc sử dụng lưói cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số
điểm lưới ít hơn, mô phỏng đưòng bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ
chính xác cao. Trong mô hình lưới cong, có thể sử dụng bước thời gian dài hơn
và độ phân giải được cải thiện hơn bởi V I đường lưới luôn bám sát theo đường
dòng chảy. Và cuối cùng, khi chạy mô hình lưới cong, do số điểm được định
nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ. Lưới cong trực giao
được sử dụng trong MIKE 21C có được từ việc giải hệ phương trình:
dĩ
£ —
ẽs
d
+—
3»
ỉ
g dn
= 0
' 4 ,
d
+—
dn
ỉ dy
g dn
= 0

(13)
trong đó:
X, y: toạ độ Để các
s, n : toạ độ cong trực giao
g: hàm tỷ trọng.
Hàm tỉ trọng là tỉ lệ giữa độ dài ô lưới theo phương s và độ dài ô lưới theo
phương n. Hàm này được xác định như sau:
2
-|_
5 v
J
ds
3s
Bx'
3
-4-
V
i
id»J
■J'/
* HỌC 3 UÔC G A HÀ NÔI
A G A V TLi " > 3 TIN ' Ệ v
fti / Ì L t
17
Mô hình thuỷ động lực học cho phép mô phỏng mực nước và dòng chày
trong sồng và vùng cửa sông. Các mô phỏng dựa trên lưới cong bao phủ toàn bộ
khu vực nghiên cứu. Mô hình này giải phương trình liên tục và bảo toàn động
lượng (hệ phương trình Saint-Venant) một cách tổng hợp và hoàn toàn động học
theo 2 hướng. Khi mô hình được sử dụng cho sông, những ảnh hưởng sau đây có
thể đưa vào hệ phương trình:

- Gia tốc dòng chảy
- Sự đối lưu và động lượng mặt cắt ngang
- Độ dốc đường mặt nước
- ứng suất tiếp đáy
- Sự phân tán động lượng
- Lực Coriolis
- Lực do gió
- Dòng chảy cong và dòng chảy vòng
V iệc sử dụng lưới cong làm tăng thêm một số đại lượng trong hệ phương
trình sai phân. Hệ phương trình được sử dụng trong MIKE 21C như sau.
ặ + ị í 4 ’ +l ị ạ ) +2 ^ ~ + ^ + g h
dí ds [ h ' dn \ h } kRx hR ỉ
3H g p J 7 +q2 _
ds c 7 h2
^ + & + ? ! .± + JL = 0
dt ds dn R ị R x
Ẽ1 +A Í £lì + —
dí ô s l h ) 3«
f < ỵ\
V
+ ,£ 1 +gH Ị Ị L +Ậ Ĩ^ Ịp L = XHS
hRi hR , S i ( ý h
trong đó:
s, n - toạ độ trong hệ toạ độ cong
p, q - thông lượng theo hướng s và n
H - cao trình mực nước
h - độ sâu
g - gia tốc trọng trường
c - hệ số Chezy
18

Rs, Rn - bán kính cong của đường s và n
RHS - phẩn bên phải, mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do
gió, áp lực không khí.
Dòng chảy vòng là hiện tượng dòng chảy thứ cấp trong sông. Trong khi
không có ảnh hưởng mạnh lên dòng chảy chính trong các sông có tỉ lệ giữa độ
rộng và độ sâu ỉớn, thì nó lại có ảnh hưởng đáng kể đến hướng vận chuyến bùn
cát và vì thế ảnh hưởng đến sự thay đối hình thái sông. Do đó, việc tính toán
dòng chảy vòng gắn liền với việc mô phỏng vận chuyển bùn cát khi tiến hành
mô hình hoá hình thái sông trên qui mô lớn. Nó là một thành phần vô cùng quan
trọng trong quá trình phát triển xói vòng, xói hợp lưu, nghiên cứu cồn cát dạng
điểm cũng như cồn cát di động.
Trong sông thiên nhiên, ngoài phương chuyến động chung dọc theo lònti
dẫn, dòn g nước còn có các chuyển động theo các phương khác gọi chung là dòng
thứ cấp. Dòng thứ cấp dễ nhận thấy trực quan là dòng xoáy trục đứng, xuất hiên
tại các nơi có chiều rộng lòng sông thay đổi đột ngột. Những vùng xuất hiện
dòng xoáy đứng thường được gọi là khu nước vật. Dòng thứ cấp xuất hiện nơi
mật cắt dọc lòng dẫn đột biến, các phấn tứ nước chuyển động theo quỹ đạo quay
quanh trục ngang, được gọi là cuộn xoáy ngang. Đây là những dòng thứ cấp điạ
hình, sản sinh ra do sự thay đổi cục bộ đột ngột của địa hình.
Ngoài dòng thứ cấp địa hình, còn tổn tại một loại dòng thứ cấp theo phương
ngang, trục dọc. Hình chiêu của nó trên mặt cắt ngang là một hoặc nhiều vòng
khép kín, nên thường gọi là hoàn lưu, hay là dòng chảy vòng. Dòng chay vòng
không chỉ xuất hiện ở khúc sông cong mà còn xuất hiện ở các đoạn sông khác,
thãm chí ở các đoạn sông thẳng. Sông uốn khúc không phải là nguyên nhán cua
dòng chảy vòng mà là hậu quả của nó. Sự uốn khúc của lòng sông chỉ làm dònp
chảy vòng mạnh lên và ổn định thêm. Dòng chảy vòng kết hợp với dòng chính
tạo thành dòng chảv xoắn ốc dọc theo lòng dẫn (h. 8).
19
Hình 8. Dòng chảy xoắn tại
khúc sông cong

Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi
giữa gây nẽn sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng
gây nên sự chệch hướng của ứng suất tiẽp đáy (xem hình 9). Sự trệch hướng này
(định nghĩa bằng góc lệch ôs) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu
dòng chảy, và đóng vai trò chủ yẽu trong việc hình thành địa hình đáy sông,
được tính như sau:
trong đó:
ôs: góc lệch giữa ứng suất tiếp đáy và dòng chính
h: độ sâu dòng chảy,
Rs: bán kính đoạn sông cong (hay là độ cong của đường dòng)
(5: hệ số
2 , v'7 (19)
K kC
với K là hằng số van Karman, c là sô Chezy, và a là hằng số kiểm đinh mó hình
Trước khi vào khúc sông cong, trong dòng chảy đã xuất hiện dòng cháy
vòng nhưng với cường độ yếu. Sau khi vào khúc sông cong dòng cha) vòng lớn
dần lên và đạt trị số cực đại tại vùng đinh cong, sau đó lại bát đẩu giám nho. Quá
trình này được gọi là sự thích ứng của dòng chày vòng nhằm tiến lới trang thái
tan ổs =~J3 —
R.
Í1S)
20
cân băng. Phạm V I thích ứng của của dòng chảy vòng (Ả) phụ thuộc vào độ sâu
dòng chảy và độ nhám:
\2hC
(20)
trong đó:
Ằ,: phạm vi trong đó dòng chảy vòng biến đổi để đạt trạng thái cân bàng
h: độ sâu dòng chảy
C: số Chezy

Hình 9. Sự lệch hướng của vận tốc và ứng suất tiếp do tác động của
dòng chảy vòng tại khúc sông cong.
Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng được ihể hiện
khi mô phỏng hiệu ứng Reynolds. Hệ phương trình được giải bàng kĩ thuật sai
phân ẩn với các biến được định nghĩa trên lưới tính toán so le (hình 10).
21