Mô phỏng chế độ thuỷ lực trong hệ thống sông Hồng và Thái Bình khi có lũ lớn và triều cường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN
MÔ PHỎNG CHÊ ĐỘ THUỶ L ực TRONG
HỆ THỐNG SÔNG HỔNG VÀ THÁI BÌNH
KHI CÓ LŨ LỚN VÀ TRIỂU CƯỜNG
MÃ SỐ: QT-01-22
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:
TS. NGUYỄN THỌ SÁO
CÁN BỘ PHỐI HỢP:
THS. NGUYỄN THỊ NGA
THS. ĐẶNG QUÝ PHƯỢNG
ĐAI HOC Q UO C GIA HÀ NÒ*
TRUNG TẢM THÔNG TIN ĨHƯ VIỀN
DT / 2 H :
HÀ NỘI • 2004
a. Tên đề tài:
Mô phỏng chế độ thuỷ lực trong hệ thống sông Hồng và Thái Bình
khi có lũ lớn và triều cường.
Mã số: QT-01-22
b. Chủ trì đề tài: TS. Nguyên Thọ Sáo, Khoa KTTV&HDH
c. Các cán bộ tham gia:
ThS. Nguyễn Thị Nga, Khoa KTTV&HDH
ThS. Đặng Quý Phượng, Khoa KTTV&HDH
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
Mục tiêu:
Thông qua việc tính toán thuỷ lực, hiểu rõ chế độ thuỷ lực trên hệ thống mạng
lưới sông Hổng-Thái Bình, vai trò của sông Đáy và các biện pháp giảm lũ hạ du. Tổ
hợp bất lợi lũ lớn và triểu cường có tác dụng cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra, l à ^
yếu tố quan trọng trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai.
Nội dung:
-Tổng quan tình hình lũ lụt trên hệ thống sông Hổng-Thái Bình và những nguy cơ của

chúng.
-Thu thập và xử lý số liệu cơ bản về KTTV và hải vãn và địa hình mạng lưới hệ thống
sông Hổng-Thái Bình.
-Lựa chọn và cải tiến mô hình VRSAP trở thành chương trình tính toán thích hợp cho -t\
hệ thống sông nghiên cứu.
-Triển khai các phương án tính toán:
+ Lũ 8/1996 để hiệu chỉnh mô hình
+ Lũ 8/1999 để kiểm định mô hình
+ Tính toán trường hợp tổ hợp bất lợi giữa lũ 8/1971 gặp triều thiết kế đê biển 5%.
e. Các kết quả đạt được:
1, Thu thập và xử lý bộ số liệu địa hình theo những tài liệu mới nhất cho toàn bộ hệ
thống sông Hổng-Thái Bình, các quá trình lưu lượng và mực nước làm biên tính toán
cho các trận lũ 1996 và 1999.
2. Thiết lập sơ đổ thuỷ lực cho mạng lưới sông Hổng-Thái Bình cùng sự hiện diện của
các công trình và tổ hợp phân lũ, cầu, cống. Sơ đồ thuỷ lực được mở rộng tối đa
BÁO CÁO TÓM TẮT
theo số liệu địa hình và thuỷ văn đã có, đáp ứng được các yêu cầu thực
tiễn.
3. Cải tiến chương trình VRSAP với màn hình cho phép hiển thị trạng thái dòng chảy
qua các công trình và tại các vị trí xung yếu, tạo cơ sở cho người quản lý ra quyết định.
4. Thực hiện đầy đủ quy trình tính toán từ hiệu chỉnh (lũ 1996), kiểm
định mỏ hình (lũ 1999) cho đến việc sử dụng mô hình để đánh giá chế độ
thuỷ lực trong hệ thống trong kịch bản lũ lớn gặp triều cường. Thấy ràng
với quy mô lũ lịch sử 1971 (độ lặp 125 năm), thuỷ triều ở mức thiết kế đê
biển 5% không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thoát lũ của hệ thống,
một khi các giải pháp điều tiết lũ (qua hồ Thác Bà và hồ Hoà Bình) và
phân chậm lũ (qua tổ hợp công trình phân lũ sông Đáy) đi vào vận hành.
5. Hướng dẫn một sinh viên K42 Thuỷ văn sử dụng mô hình làm khoá luận tốt nghiệp
về truyền lũ trên sông Côn-Hà Thanh, Bình Định; một sinh viên K42 Hải dương sử
dụng mô hình làm khoá luận tốt nghiệp về truyền mận trên các sông bao quanh TP Hải

Phòng.
f. Tình hình kinh phí của đề tài:
Kinh phí được cấp 2 năm 2001-2002: 16 triệu đồng, đã sử dụng vào
các hạng mục như sau;
Mục
Tên mục Số tiền (đồng)
110
Cung ứng văn phòng 900.000,00
112
Hội nghị, hội thảo 1.960.000,00
Mua tài liệu
113
Công tác phí, đi thực địa
114
Thuê khoán chuyên môn
9.600.000,00
119
Chi phí hoạt động chuyên môn
1.900.000,00
145
Mua sắm TSCĐ
134
Chi khác
1.000.000,00
Quản lý
640.000,00
Tổng cộng
16.000.000,00
Mười sáu triệu đống chẵn
BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG ANH

a) Project:
Simulation of hydraulic regime affected by high flood and spring tide in the
Hong-Thai Binh rivers network.
Code: QT-03-21
b) Head of the Project:
Mr. Nguyen Tho Sao, Dr
c) P a rtic ip an ts: 1. Mrs. Nguyen Thi Nga, MS
2. Mrs. Dang Quy Phuong, MS
d) Objectives and scope of the study:
Hydraulic regime in the Hong-Thai Binh rivers network with existing
hydraulical structures, namely the Day flood diversion system and the others, can be
simulated by numerical calculations. The situation which may occur when high flood
combines with spring tide is considered.
The Vietnam Rivers System and Plains (VRSAP) computer program is used to
solve the above problem. The flood of VIII/1996 served for model calibration and the
flood of VIII/1999 served for model validation. The scenario when the flood of 125
years return period encounters with the sea water level of 20 years return period is
modelled.
e) Main results:
1. Available data of cross-sections of the Hồng-Thái Bình rivers network, hydrographs
and water levels of the floods occurred in 1996 and 1999 were collected.
2. The layout of the Hồng-Thái Bình rivers network with existing hydraulical structures
extended as far as possible. The layout selected by the authors seems to be
appropriate.
3. The computer program VRSAP was developed to allow the user to handle
hydraulical situation on screen and to make decision.
4. Simulations for the flood in 1996 and in 1999 show good agreem ents
with observed data. The scenario named above shows that sea water
levels of 20 years return period has no rem arkable effects on flood
propagations of the 1971-design flood, when the Hoa Binh reservoir and

the Thac Ba reservoir are in operation.
5. The students can develop the computer program VRSAP to make a useful tool to
simulate flood propagation in river networks.
XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA
(Ký và ghi rỗ họ tên)
PGS.TS. PHẠM VĂN HUAN
CHÚ TRÌ ĐÊ TÀI
(Ký và ghi rõ họ tên)
ỵf l C - —
NGUYỄN THỌ SÁO
3.4.2. Thuỷ triều và qua trình triều thiết kế tại các b iên

33
3.4.3. Kết quả tính toán 36
4. Kết luận



38
5. Tài liệu tham khảo
39
Phụ lục: Hướng dẫn sử dụng chương trình và bộ số liệu mẫu

40
1 .Tài liệu cần có> 40
2. Chuẩn bị tài liệu để tính toán
40
3. Trình tự nhập sô' liệu 41
3.1. Các số liệu chung 41
3.2. Các chỉ thị in 42

3.3. Các số liệu mực nước 43
,3.4. Số liệu lun lượng 43
3.5. Số liệu mưa và thấm 44
3.6. Số liệu địa hình 45
3.7. Số liệu ruộng

46
3.8. Điều kiện ban đầu
.
47
3.9. File số liệu mẫu, chương trình thực hiện và chương trình nguồn 47
3
1. ĐẶT VẤN ĐỂ VÀ NỘI DUNG TH ựC HIỆN
*
1.1. Đặc điểm đồng bằng sông Hồng-Thái Bình
Đổng bằng sông Hồng-Thái Bình (h. 1.1) là một trong hai đồng bằng
lớn nhất nước ta, noi tập trung dân cư lớn và là trung tâm công, nông nghiệp
của các tỉnh phía Bắc, đổng thời là khu vực trọng điểm phát triển kinh tế-xã
hội-văn hoá lớn của cả nước. Trong lãnh thổ Việt Nam, lưu vực sông Hổng-
Thái Bình trải rộng trên địa phận 23 tỉnh và thành phố: Lai Châu, Điện Biên,
Lào Cai, Yên Bái, Sơn La, Hoà Bình, Hà Tây, Hà Giang, Tuyên Quang, Bắc
Cạn, Thái Nguyên, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Cao Bằng, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hà
Nội, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình. Dự
kiến đến năm 2010 dân số là 21 triệu nguời, tổng sản phẩm xã hội ước tính
20,18 tỷ USD [1].
Sông Hồng bắt nguồn từ vùng núi cao Vân Nam (Trung Quốc) chảy
theo hướng Tây bắc-Đông nam, hợp với sồng Đà, sông Lô tại Việt Trì. Lưu
vực sông Hổng có diện tích khoảng 169 000 km2 trong đó gần 1/2 thuộc lãnh
thổ Trung Quốc. Chiều dài dòng chính tính đến cửa Ba Lạt dài 1126km, phần
trong nước là 556km. Sông Đà chảy từ Mường Tè tỉnh Lai Châu, nhập lưu

với sông Thao tạo thành sông Hồng tại Trung Hà. Sông Lô có chiều dài 470
km (trong nước 275 km) cũng bắt nguồn từ vùng núi cao Vân Nam-Trung
Quốc, có các phụ lưu là: sông Chảy dài 32 km, sông Phó Đáy dài 170km.
Ngoài ra cần kể đến một số sông nằm phía hạ lưu hệ thống sông này là: sông
Đáy dài khoảng 230 km, sông Tích dài 91km, sồng Hoàng Long dài 125 km,
sông Đào dài 32 km, sông Thanh Hà dài 40 km, sông Nhụê dài là 80 km và
sông Châu Giang. Hệ thống sông Thái Bình có diện tích lưu vực là 12
680km2 bao gồm 3 sông hợp lưu tại Phả Lại là: sông Cầu với chiều dài sông
chính 288km, sông Thương, sông Lục Nam với chiều dài 175km. Phía hạ lưu
có các sông chính là Kinh Thầy, Đá Bạc, Lai Vu, Lạch Tray, Văn úc. Hai hê
thống sông Hồng và sông Thái Bình nối với nhau bằng sông Đuống và sông
Luộc và tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh Hổng-Thái Bình. Tại vinh Bắc Bô
hệ thống sông đổ ra 9 cửa chính là: cửa Đáy, Ninh Cơ, Ba Lạt, Trà Lý Diêm
Điền, Thái Bình, Văn úc, Lạch Tray và Nam Triệu.
Mùa khô từ tháng X đến tháng IV với lượng mưa chiếm khoảng 15 -
25 % lượng mưa năm, mùa mưa bắt đầu từ tháng V và kết thúc vào tháng IX
ị
Hình 1.1. Hệ thống sông Hồng - Thái Bình
• biên mực nước -> biên lưu lượng
nhưng phân bố khồng đều theo thời gian và không gian. Hệ thống sông Hổng
- Thái Bình có tổng lượng dòng chảy năm trung bình khoảng 130 tỷ m 3, 80%
trong số đó tập trung vào' các tháng mùa lũ từ V - XI, riêng lượng dòng chảy
tháng VIII chiếm đến 22% [1]. Nếu lũ trên sông Đà, sổng Thao và sông Lô
xảy ra đồng thời sẽ tạo ra lũ tổ hợp rất lớn, uy hiếp nghiêm trọng toàn bộ
vùng đồng bằng sông Hồng - Thái Bình.
1.2. Tình hình lũ lụt
Đồng bằng Bắc Bộ có những thuận lợi về nguồn nước nhưng tiềm ẩn
những thảm hoạ ảnh hưởng đến quá trình phát triển kinh tế-xã hội, đe doạ
tính mạng và tài sản của cư dân. Đó là ảnh hưởng của lũ lụt. Trong thời gian
50 năm gần đây, hàng loạt những trận bão, lũ kèm theo những trận lụt lớn

liên tiếp xảy ra ở nhiều nơi, gây những tổn thất ngày càng lớn. Chỉ tính từ
8/1945 đến 8/1996, đã xảy ra 2 trận lũ vượt và 2 trận lũ xấp xỉ mực nước
thiết kế của đê Hà Nội là 13,30m. Đó là các trận lũ tháng 8/1945 và lũ tháng
8/1969, mực nước tại Hà nội là 14,10 IĨ1 và 13,66 m; lũ tháng 8/1971 đã làm
vỡ đê gây thiệt hại lớn, đe doạ thủ đô Hà Nội, mực nước hoàn nguyên nếu
không vỡ đê và hồ Hoà Bình không cắt lũ là 14,67 m, lũ tháng 8/1996 là
13,47 m. Hàng năm thường có từ 3 đến 5 trận lũ khác nhau. Năm 1990 riêng
trong tháng 7 đã có 3 trận lũ vượt báo động 3 tại Hà Nội: 1 l,64m ngày 3/7;
1 l,87m ngay 27/7 và 11 *94m ngày 31/7 [1].
Nguyên nhân của lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng-Thái Bình chủ yếu
do mưa lớn trên lưu vực, mưa do bão, hiện tượng La Nina, việc giảm diện
tích che phủ rừng, sự biến đổi lòng dẫn, điều kiện thoát lũ không thuận lợi do
lũ lớn gặp pha triều cường ở biển Đông. Do ảnh hưởng của thuỷ triều nên dù
có nhiều phân lưu thoát lũ, việc thoát lũ càng về hạ du càng gặp khó khãn
thời gian tiêu lũ kéo dài.
Khả năng xuất hiện các trận lũ, lụt lớn và đặc biệt lớn đang trở thành
nguy cơ thật sự đối với đồng bằng sông Hồng-Thái Bình. Trước nguy cơ xảy
ra những trận lũ lớn vượt lũ lịch sử nãm 1971, Chính phủ đã chỉ đạo các Bộ
Ngành có liên quan và các địa phương trong vùng ảnh hưởng lũ chủ động đề
ra các biện pháp ứng phó trong mọi tình huống. Chương trình Phòng chống
lũ đổng bằng sông Hổng-Thái Bình do Bộ NN & PTNT chủ trì được xây
dựng theo hướng chỉ đạo này với sự tham gia của nhiều cơ quan chức năn^
nhằm mục tiêu khai thác mọi khả năng hiện có để thực hiện công tác phòng
chống lũ đạt hiệu qũả cao nhất trong những điều kiện có thể.
1.3. Hiện trạng thoát lũ hệ thống sông Hồng - Thái Bình
Hệ thống thoát lũ vùng châu thổ sông Hồng - Thái Bình được hình
thành và phát triển trong quá trình lịch sử với các thành phần công trình chủ
yếu như sau:
■»
1.3.1. Hệ thống đê điều và lòng dẫn thoát lũ

Hệ thống đê điều khu vực đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng vào cuối
thế kỷ thứ IX. Sau hơn 1000 năm, hệ thống này được gia cố và hoàn chỉnh
đến như ngày nay với gần 3000 km đê, 1180 cống lớn nhỏ và 2600 kè [1],
Do hệ thống đê được xây dựng qua nhiều thế kỷ và thiếu quy hoạch tuyến,
chất lượng chưa đảm bảo nên độ an toàn của hệ thống đê này chưa cao khi
mùa lũ đến. Thực tế cho thấy, lòng sông và bãi sông trên nhiều tuyến đang
thay đổi, hoặc bị cản trở do chiếm dụng trái phép làm giảm khả năng tiêu
thoát lũ.
1.3.2. Hệ thống hồ chứa cắt lũ ở thượng nguồn
- Hồ Thác Bà có đặc điểm kỹ thuật: dung tích hữu ích 2,2 tỷ m \
dung tích chống lũ 0,45 tỷ m3 nên khả năng giảm lũ cho sông Hồng không
nhiều.
- Hồ Hoà Bình có mục đích chính là phòng lũ hạ du, với đặc điểm kỹ
thuật: dung tích hữu ích 5,6 tỷ m3, dung tích chống lũ 4,9 tỷ m3. Thực tế hoạt
động điều tiết các năm từ 1991 - 1996 cho thấy hồ Hoà Bình đã phát huy
được vai trò cắt lũ đáng kể cho hạ du. Nếu vận hành đúng theo quy trình thì
hai hổ Thác Bà và Hoà Bình hạ thấp mực nước lũ Hà Nội xuống dưới mức
13,30 m theo dạng lũ 8/1971.
- Khả năng hạ thấp mực nước lũ Hà Nội sẽ đáng kể khi xây dựng
xong thuỷ điện Sơn La và hồ chứa Đại Thi trên sông Lô. Sau khi hoàn thành
(dự kiến năm 2020), các hồ chứa trên hệ thống sông Hồng với tổng dung tích
phòng lũ đến 13,0 tỷ m3, hiệu quả cắt lũ sẽ rất cao.
7
1.3.3. Hệ thống khu phân, chậm lũ
Hệ thống phân, chậm lũ ở đồng bằng sông Hồng là biện pháp dự
phòng khi khả năng của hệ thống đê và hổ chứa không còn. Hệ thống này
gồm tổ hợp phân lũ sông Đáy và các khu phân lũ sử dụng tràn sự cố.
- Quyết định của Thủ tướng Chính phủ ngày 7/12/1974:" Công trình có
nhiệm vụ dẫn lũ từ sông Hồng vào sông Đáy và thoát lũ qua đập Đáy với lưu
lượng 5.000m3/s theo dạng lũ năm 1971 cùng với công trình cải tạo đường

dẫn lũ phía hạ lưu đập Đáy và cồng trình hồ chứa nước Vân Cốc để bảo đảm
phân lũ sông Hổng vào sông Đáy nhằm giữ mức nước ở Hà Nội không lên
quá cao trình tuyệt đối 13,60m". Năm 1999 Thủ tướng Phan Văn Khải ký
quyết định ban hành Quy chế về phân lũ, chậm lũ thuộc hệ thống sông Hổng
để bảo vệ an toàn cho Thủ đô Hà Nội, trong đó nêu rõ: giải pháp phân lũ vào
sông Đáy là giải pháp bắt buộc khi mực nước Hà Nội đến 13,40 m và còn lên
nhanh. Tổ hợp công trình phân lũ qua sông Đáy, gồm (hl.2):
+ Cống Vân Cốc 26 cửa, mỗi cửa rộng 8 m, cao trình ngưỡng 12.0 m,
trần 14.4 m, với lưu lượng thiết kế từ 2000 - 2500 m3/s.
+ Tràn Hát Môn là hai đoạn đê được hạ thấp thành các ngưỡng tràn
để hỗ trợ tràn lũ thêm cho cống Vân Cốc khi mực nước sông Hồng lên cao.
Hai đoạn này nằm ở phía hữu và tả cống Vân Cốc với tổng chiều dài 7315 m.
+ Bụng chứa Vân Cốc được hình thành bởi hai tuyến đê tả và hữu
sông Đáy và giữa hai công trình Vân Cốc và đập Đáy, dung tích hồ 117,35
triệu m3 ứng với cao trình 14,0 m.
+ Đập Đáy có cao trình ngưỡng tràn 9.0 m, đáy tường ngực 13.90 m,
lưu lượng xả thiết kế 5000 m3/s. Tuy nhiên qua nhiều tài liệu nghiên cứu
[4,5,6] lưu lượng xả qua đập Đáy không đảm bảo được như thiết kế, chỉ đạt
khoảng 3800 m3/s.
- Theo Nghị định số 62/1999/NĐ-CP ngày 31/7/1999, hệ thống phân, chậm
lũ trên hệ thống sông Hổng chỉ giữ lại 2 khu chậm lũ Tam Nông-Thanh Thuỷ
(Phú Thọ) và Lương Phú phân lũ vào sông Tích. Các vùng chậm lũ này chỉ
được sử dụng khi đã phân lũ vào sông Đáy mà mực nước sông Hồng tại Hà
Nội ở mức 13,40 m và Tổng cục Khí tượng Thủy văn dự báo mực nước lũ
còn tiếp tục lên nhanh.
1.4. Mục tiêu, phương pháp và nội dung thực hiện
1.4.1. Mục tiêu
* Nhằm chủ động đối phó đón trước với các trận lũ đặc biệt lớn và thực
hiện chỉ đạo của Thủ tưóng Chính phủ, Bộ NN & PTNT đã xây dựng Chương
trình Phòng chống lũ sồng Hổng - Thái Bình và phân công thực hiện cho

nhiều cơ quan. Từ tình hình thực tế về khả năng xuất hiện các trận lũ, lụt lớn,
ngày 31 tháng 7 năm 1999, Chính phủ đã ban hành Quy chế "Về phân lũ,
chậm lũ thuộc hệ thống sông Hổng để bảo vệ an toàn cho Thủ đồ Hà Nội "
với mục tiêu: “Việc phân lũ, chậm lũ hệ thống sông Hồng là biện pháp đặc
biệt nhằm bảo vệ an toàn cho Thủ đô Hà Nội, hạn chế đến mức thấp nhất
thiệt hại về tính mạng, tài sản của nhân dân và Nhà nước”.
ì
Mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học
Việt Nam trong nhiều năm, mà Dự án số 7 [1] là một trong các kết qủa
nghiên cứu mói nhất, vấn đề lũ và phòng chống lũ lụt trên hệ thống sông
Hồng và Thái Bình vẫn còn mang tính thời sự. Do vậy việc kế thừa và tiếp
tục phát triển các nghiên cứu trước đây là rất cần thiết.
Mục tiêu chính của đề tài này là thông qua việc tính toán thuỷ lực để
hiểu rõ chế độ thuỷ lực trên hệ thống mạng lưới sông Hồng-Thái Bình, vai
trò của sông Đáy và các biện pháp giảm lũ hạ du. Tổ hợp bất lợi lũ lớn và
triều cường có tác dụng cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra, là yếu tố
quan trọng trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai.
Hiệu quả và khả năng ứng dụng: một đóng góp cho việc triển khai Dự
án số 7 [1] (đồng thời cũng sử dụng và kế thừa tài liệu địa hình và kết qủa
tính toán thuỷ văn từ dự án này) về chương trình tính toán thuỷ lực. Các biện
pháp công trình được cân nhắc và rà soát để phát huy hiệu quả một cách tối
đa, tránh lãng phí và rủi ro.
Về đào tạo: giúp cho sinh viên tiếp cận với những vấn đề rất cụ thể,
thực tiễn và cấp bách của đất nước. Bộ số liệu mẫu và chương trình dạng mở
để sinh viên làm khoá íuận tốt nghiệp, hoặc nghiên cứu phát triển thành phần
mềm ứng dụng.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
- Khảo sát và thực địa hiện trường.
- Sử dụng mô hình thống kê và mô hình toán thuỷ văn để phân tích và xử lý
số liệu.

- Mô hình toán học, tập trung vào IĨ1Ô hình thuỷ lực 1 chiều cho mạng lưới
sông.
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
- Thu thập và xử lý số liệu cơ bản về KTTV và hải văn
- Lựa chọn chương trình tính toán thích hợp
10
- Triển khai các phương án tính toán để đánh giá chế độ thuỷ lực hiện trạng
của hệ thống sông này theo tổ hợp lũ bất lợi có tần suất hiếm theo dạng lũ
1971. Trong nội dung nàỷ có các trường hợp tính toán:
+ Hiệu chỉnh lũ 8/1999
+ Kiểm chứng lũ 8/1996
+ Tính toán trường hợp tổ hợp bất lợi giữa lũ 8/1971 gặp triều
thiết kế 5%. Cần có quá trình triều thiết kế P-5% cho 9 biên cửa sông và tổ
hợp lũ để đánh giá chế độ thuỷ lực khi lũ thượng nguồn và gặp triều thiết kc
đê biển.
2. MÔ HÌNH THUỶ Lực CHO MẠNG LƯỚI SÔNG
2.1. Mô hình thuỷ lực
Nói đến chế độ thuỷ lực, nghĩa là đề cập đến diễn biến mực nước và
lun lượng theo thòi gian tại các vị trí trong hệ thống sông, kể cả tại các công
trình như đê, đập, cầu, cống. Qua chuỗi số liệu quan trắc tại các trạm thuỷ
văn và hải văn có thể nhận được các thông tin này. Tuy nhiên trong các hệ
thống sông phức tạp với tổng chiều dài hàng ngàn km, các trạm quan trắc chỉ
được đặt tại một số vị trí, vì vậy để có thông tin tại các vị trí khác phải sử
dụng mô hình toán học cho phép mô phỏng diễn biến các yếu tố thuỷ lực
theo thòi gian và không gian. Mô hình thích hợp cho lòng dẫn hở trong mạng
lưới sông là mô hình 1 chiều, dựa trên cơ sở của hệ phương trình Saint-
Venant. Nếu trong hệ thống sông có các công trình, cần sử dụng thêm các
công thức thuỷ lực qua công trình.
Hiện tại có nhiều mô hình như MIKE 11 của Viện Thuỷ lực Đan
Mạch; ISIS của Viện Thuỷ lực Wallingford, Anh; HEC-RAS của Cục Kỷ

thuật, Quân đội Mỹ; SOBEK, WENDY của Viện Thuỷ lực Delf, Hà Lan. Các
mô hình loại này là những mô hình thương mại, đáng tin cậy, giao diện thân
thiện dễ sử dụng, kết nối được với AutoCAD và GIS, nhưng giá thành cao.
Các nhà khoa học Việt Nam như cố GS TS, anh hùng lao động Nguyễn Như
Khuê đã xây dựng mô hình VRSAP (Vietnam Rivers System and Plains);
GS TSKH, anh hùng lao động Nguyễn Ân Niên đã xây dựng mô hình KOD1
(Không ổn định 1 chiều), mang sắc thái của Việt Nam và thích hợp VỚI điểu
11
kiện Việt Nam, có nguồn mở. Vì vậy trong đề tài này sừ dụng mô hình
VRSAP cho mục đích nói trên, mô hình này được Bộ NN & PTNT cho phép
sử dụng trong các viện nghiên cứu và thiết kế.
2.2. Mô hình thủy lực mạng lưới sông VRSAP
2.2.1. Hệ phương trình cơ bản
Mô hình VRSAP (Viet Nam Rivers System And Plains Mathematical
Model For Flow and Salt Concentration) là mô hình tính toán dòng chảy,
mực nước và nồng độ mặn trên hộ thống sông ngòi, hồ chứa và đồng ruộng,
do GS Nguyễn Như Khuê xây dựng và phát triển theo sơ đổ sai phân ẩn của
Dronkers-Hà Lan.
Chế độ dòng chảy trong lòng dẫn hở là không ổn định, biến đổi chậm,
được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant:
ÕQ n âZ
—

1- Bc —— = q
âx ât .
âZ a ữ ÕQ a Bc + a ữ B ÕZ _ jg |Q { )
dx gũ) ât gco1 ât K2
trong đó:
X, t: các biến theo không gian và thời gian
Q: lưu lượng, là dương nếu chảy theo chiều dương của X

Z: độ cao mặt nước so với mặt chuẩn nằm ngang
co: diện tích mặt cắt dòng chảy
B: chiều rộng mặt nước dòng chảy
Bc: chiều rộng mặt nước dòng chảy và khu chứa bên bờ
K: mô dun lưu lượng dòng chảy
q: lưu lượng bổ sung trên mỗi đơn vị dài ven sông, được coi là dương
nếu từ ngoài chảy vào sông
a , a Q: các hệ số hiệu chỉnh.
( Để giải hệ phương trình (1) cần sử dụng phương pháp sai phán, vậy
cần chia lưới sông thành những đoạn nhỏ Ax có độ dài vừa đủ, sao cho trong
12
mỗi đoạn sông các đặc trưng thuỷ lực thay đổi không đáng kể, không có
dòng chảy vào ra. Thòi gian được chia thành những đoạn At bằng nhau.
2,2.2, Sai phân cho một đoạn sông
Xét một đoạn sông có dòng chảy chxảy ra từ mặt cắt đầu (x = X[) đến
mặt cắt cuối (x = x2 = X j + Ax). Thời đoạn tính toán At tính từ thời điểm đầu
(t') đến thời điểm cuối t = t' 4- Àt. Coi như đã biết các yếu tố thủy lực của
đoạn sông lúc đầu (d) thời đoạn tính toán (Z |\ Q |', Z2', Q2'), còn Z|, Z2, Q,,
Q2 là các ẩn SỐ cần tìm, tức là các yếu tố thủy lực lúc cuối (c) thời đoạn. Các
đạo hàm riêng trong hệ phương trình (1) được sai phân hoá như sau:
+ Các đạo hàm theo X lấy sai phân lúc cuối thời đoạn
ÓQ _ Qi - Q\
õx
ÕZ
âx
ầx
7 - 7
2
Ax
+ Các đạo hàm theo t lấy sai phân trung tâm

£ 2
ât
ỚZ
ớt
At
_Ị_
At
{Q^Q,) _ {Q\ + Q\
2 2
(Z,+ Z; ) (Z\ + z \ ~
2 2
+ Các đại lượng Bc, — ,aỉìc+aoB
ga gco
Q lấy trung bình đoạn sông và
trung bình thời đoạn, gọi là trung bình 4 điểm.
+ SỐ hạng phi tuyến được tuyến tính hoá bằng cách coi - t ì - ì là hê
V K )
số, phần còn lại lấy trị số trung bình lúc cuối thời đoạn Q = Q±ìSL _
Sau khi sai phân, ở mỗi đoạn sông ta nhận được một hệ phương trình
bậc nhất với các ẩn số Q và mực nước z ở hai đầu, viết dưới dạng sau:
Qj = - Dy Z, - R DZ2 + Hr
Q2 = V tZ , + De Z-,— Hv
(2)
13
t+At
Hình 2.1. Sơ đồ sai phân hữu hạn cho sông đơn
trong đó:
Hr =
1
' ì + e

2 V. ổ + k
1
( ì + e
2
u + *
N - M
+ p R D= -
D 2
De = -
2
\ - e
ỗ + k
ì - e
õ + k
- p
Hv =
N + M
M = p (Z \ + Z'2) + Qvf N = - ^ - ( 0 ’, +Q'2)
Be 'A X
T " Ã 7
e =
ỏ + k
a Be + a 0 B Á x
A t
ổ + k
(Z\ +Z'2)
k =
A x
2 g « 2
Qvf = q . Ax

Từ hệ phương trình cho mỗi đoạn sông như trên, có thể nhận được hệ
phương trình cho toàn hệ thống sông nhờ hai quan hệ: - ở hai đoạn sông kề
nhau thì mực nước cuối đoạn trên bằng mực nước đầu đoạn dưới, và tại mỗi
nút luôn có sự cân bằng: tổng lượng nước đến trừ tổng lượng nước chảy đi
trong thời đoạn At, bằng thể tích khối nước được dâng cao thêm tại vùng
chứa kề bên điểm nối:
14
I Q * , - IQ * = F. M
At
trong đó: EQdến ■ tổng lượng nước chảy đến
X Q di - tổng lượng nước chảy đi
F- diện tích khu chứa tại nút.
2.2.3. Xử lý các công trình
Hệ phương trình (2) nói trên là hệ phương trình bậc nhất được thiết
lập cho mỗi đoạn sỏng có lòng dẫn hở. Tuy vậy, trong hệ thống sông thực tế
có nhiều trường hợp dòng chảy phải vượt qua các công trình cầu, cống điểu
tiết , khi đó cần xử lý để tính toán. Cách thực hiện là đưa công thức tính lun
lượng qua công trình về dạng phương trình (2). Khi có nước chảy qua công
trình, công trình sẽ được coi như 1 đoạn sông, 2 mặt cắt thượng và hạ lun
công trình được coi như 2 mặt cắt đầu và cuối đoạn sồng. Lưu lượng chảy
qua đoạn sông đặc biệt này (công trình) sẽ tính theo hộ phương trình (2),
nhưng các hệ số Vt, RD, Dy, De, Hr, Hv là các hệ số của công trình. Tuỳ theo
chức năng làm việc của mỗi loại công trình, công thức tính toán của chúng
mà tìm ra các hệ số như sau:
a) Đập tràn chảy tự do
Hình 2.2. Sơ đồ tràn chảy tự đo
Công thức tính toán lưu lượng:
15
H = Z Zng
Tách m ^2g bTB H "ĩ thành hệ số, sẽ có

Q, = Q2 = m ^ b TB H ĩ (Zj - z )
Q = m J i g bTB H 2
I
So với (2) sẽ nhận được các công thức tương ứng:
Vt = m V ãi Ố7B // 2
Dy = - Vt De = - RD = 0
Hv = m yịĩg bTB H 1 . Zng = V t. Zng Hr = - Hv
/
b) Đập tràn chảy ngập
Znq
7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 ,
/
/
7T.
Hình 2.3. Sơ đồ tràn chảy ngập
Công thức: Q = ọ J ĩg bTB (Z2 - Zng) - Z2 hay
Q IqI= <p22gb2TB (Z2- Z J 2 (Z,-Z2)
Coi ^ (Z
2
— như một hệ số, khi đó ta có:
Y t — R — ^ (^2 ~ z „ g )
lõl
16
Dy = De = - Vt
Hv = - Hr = Ọ
c) Chảy ngập qua lõ
Công thức: Q=ụ a cj 2 g yjzi - z 2
Z1
Z 2
ỉi

Hình 2.4. Sơ đồ chảy ngập qua lỗ
Cũng xử lý tương tự như trên ta có:
Vt = RD = ịi2 2g (ữ\
Dy = De = - Vt
Hv = - Hr = 0
C0c là diện tích mặt cắt của lỗ hay ống.
d) Chảy tự do qua lỗ /
ĐAI HOC QUÓC GIA HA NỌ'
TRUNG TÂM THÒNG TIN ĨHƯ VIỆN
DT
Hình 2.5. Sơ đồ chảy tự do qua lỗ
17
Công thức: Q=ụ <oc Jz, - Z, phân tích thành
e |e h < V 2 « (z ,-z ,) háy a = a = —
Từ đó rút ra:
Vtj A Ệ j ầ
\ Q \
Dy = - Vt
Hv = V t. Zt
De = RD = 0
Hr = - Hv
e) Đoạn sông hoặc công trình không có nước chảy qua
Để thời gian tính toán không bị ngắt quãng, ở những đoạn sông hoặc
công trình không có nước chảy qua, ta lấy các hệ số của hệ phương trình (2)
như sau:
2.2.4. Xử lý các khu chứa, ô ruộng
a) Ố mỏng hò: Trực tiếp kề bên một đoạn sông hoặc mặt cắt, mực nước
trong ruộng lên xuống theo mực nước trung binh của đoạn kênh hoặc mực
nước của mặt cắt.
b) Ổ ruổng kín: Vùng đất thấp nối với sông tại một đoạn hoặc một mặt cắt

thông qua nhiều lạch nhỏ hoặc cống, lưu lượng nước trao đổi phụ thuộc vào
độ chênh mực nước trong ngoài.
Gọi mực nước ngập trong ruộng là Zr, ứng với mực nước này có diện
tích ngập Fn, và một diện tích không ngập Fkn. Trên phần diện tích ngập,
nước mưa trừ bốc hơi và thấm được biến thành dòng chảy Qmưa theo phương
trình sau:
trong đó: Fn (ha); p (mm)- lượng mưa; Tp (see)- thời đoạn mưa; Qmưa (m'7s).
Vt = RD = Dy = De = Hv = Hr = 0, và luôn có Q = 0.
Qmưal = ỈO.Fn.j-,
18
p
1 4 i 1 4 i ị i i i i
Ruộng (phồn bj ngộpỊ Ru<Ịng (phòn
Không ngộp)
oOng i I q I
ổ RUỘNG KÍN
Hình 2.6. Sơ đổ tập trung nước mưa
Trên phần diện tích không ngập, nước mưa hiệu quả chảy tràn trên
mặt đất là vườn cây, ruộng lúa hoặc đất đô thị, được điều tiết ngay trên mặt
và tạo thành dòng chảy. Có thể sử dụng mối quan hệ sau đây giữa hệ số tiêu
(dòng chảy mặt tính cho một ha mặt đất) Qr với độ sâu lớp nước mặt H:
qr = myjlg b Hm , H (mm); qr (m3/s/ha)
b (m): hệ số biểu thị khả năng tiêu thoát nước mặt, b càng lớn thì khả năng
tiêu thoát càng nhanh.
q, = 0,45 . J ĩg .b. 10-2 (H.10'3)3/2 = 0,6234 . 10'6 .b.H3/2
qr có thể tính ngoài mô hình như hệ số tiêu
Quan hệ giữa H, qr, p được cho bời phương trình cân bằng nước:
H=Ir+ịJL-«r'
A t
Tp 10,

H' là trị số của H lúc đầu thời đoạn (mm)
19
Dòng chảy đến ruộng sinh ra do mưa trên phần đất không ngập bằng:
Qmưa2 ^L- • f kn
Ruộng hở:
r-j
_
rr 1 w r-j
_
Z d *4" 'ZjC
Zr = Zs hoặc Zr =

-

/ 2
Fn tham gia chứa: Be = B + —-
Ax
Qmưaphân bố đều: q =
A x
Ruộng kín:
Zr = Z'r + [Qmưa - CQr - (1 -0 Q’r] %-
- Fn
Khi mưc nước ruộng cao hofn sông: Zr > Zs, Qr > 0
+ Chảy ngập
- + J
(
p
2
+ 4/C
f 1 p Q r + Tr 2s\

a y
L a J
\ a a J
Qr = -
2
+ Chảy tự đo
Qr = m J ĩ g . b . (Zr - Zđ)3/2
Khi mực nước ruộng thấp hơn sông: Zr < Zs, Qr < 0
+ Chảy ngập
Qr = -
2
— Qr +
J
( c\
p
a ]j
\ a )
+ 4 í0|zs - z v - 2 = + I z £ '
a
a
+ Chảy tự do
Qr = m . J ĩg . b . (Zs - Zđ)3/2
Tổng dòng chảy mật đến ô ruộng bằng:
b Hm Fkn
10 p „ 0,6324 L rr3/2
Q mưa Qmưa] Q mưa2 Yp
20
2.3. Chương trình tính toán thuỷ lực VRSAP
Từ cách đặt vấn đề và mô hình hoá như đã nêu, GS Nguyễn Như
Khuê đã đưa ra một chương trình để tính toán thủy lực cho toàn hệ thống

sông, viết bằng ngôn ngữ FORTRAN-77. Chương trình có thể sử dụng đe
tính toán cho mọi hệ thống sông có nhiều hồ, ruộng, công trình, nhiều trạm
mưa, biên lưu lượng Q, biên mực nước z. Hiện có nhiều phiên bản của
chương trình này. Tác giả đề tài này đã phối hợp với tác giả của Dự án số 7
[1] xây dựng một phiên bản có dao diện trên nền Windows, thuận tiện theo
dõi diễn biến quá trình tính toán trên màn hình để có những tác động thích
hợp.
Chi tiết về việc sử dụng chương trình xem Hướng dẫn ở phần Phụ
3. KẾT QUẢ
3.1. Sơ đồ thuỷ lực
/
Hộ thống sông Hồng-Thái Bình rất phức tạp với hàng ngàn km chiều
dài sông và các chi lưu, các sông chính và sông nhánh gắn kết với nhau
thành một thể thống nhất, ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Ví dụ lưu lượng trên
sông Lô, sông Thao, quá trình điều tiết của Thuỷ điện Hoà Bình trên sông Đà
quyết định tình trạng dòng chảy ở Sơn Tây và Hà Nội; dòng chảy sông Hồng
lại ảnh hưởng rất lốn đến diễn biến thuỷ lực trên hệ thống sông Thái Bình
qua sông Đuống và sông Luộc; những pha triều xuất hiện tại vịnh Bắc Bộ có
ảnh hưởng đến khả năng tiêu thoát lũ của 2 hệ thống sông này.
Trong nghiên cứu thuỷ lực lòng dẫn và công trình, phạm vi không
gian và thời gian nghiên cứu trải rộng đến đâu cần có các chuỗi số liệu biên
tại đó và do vậy tài liệu quan trắc tại các biên và bên trong miền tính toán (sử
dụng để hiộu chỉnh và kiểm định mô hình) là rất cần thiết. Các biên này lại
phải độc lập với nhau trong trường hợp xét các kịch bản cho thiết kế. Hệ
thống lưới trạm quan trắc thuỷ văn của Tổng cục KTTV (cũ) có thể đáp ứng
được điều này, dù không thật đầy đủ. Điều quan trọng nhất là phải có đầy đủ
số liệu địa hình và các tham số của các công trình hiện diện trong hệ thống
sông. Lòng dẫn lại thường có biến động, do vậy phải tổ chức khảo sát đo đạc
bổ sung với kinh phí rất lớn. Chỉ có các cơ quan chức năng thuộc Bộ TN và
21

MT, Bộ NN và PTNT, Bộ GTVT mới có các số liệu này và khi có số liệu
gốc thì công việc xử lý cũng đòi hỏi rất nhiều thời gian. Trong đề tài này sử
dụng số liệu địa hình đó đạc năm 1999 -2000, gỉa sử rằng số liệu địa hình
này cũng không thay đổi trong các phương án tính toán.
Những điều nói trên cho thấy việc đưa ra một sơ đồ thuỷ lực hợp lý,
đáp ứng các yêu cầu khoa học và thực tiễn là vấn đề rất khó khãn. Đã có
những sơ đồ phức tạp hoặc đơn giản được đề xuất [4,5,6], nhưng các nhà
khoa học Việt Nam hầu như thống nhất với quan điểm rằng: phải đưa đến
mức tối đa mạng lưới sông vào sơ đồ tính toán với các biên thượng lưu và hạ
lưu nằm tại các trạm thuỷ văn do nhà nưóc quản lý, các biên lưu lượng khu
giữa được tính toán theo quan hệ mưa-dòng chảy. Nhóm công tác của Dự án
số 7 [1] trong đó có tác giả của đề tài này đã đưa ra sơ đổ như hình3.1.
Sơ đồ có 921 đoạn sông, 862 nút, 41 ô mộng, 28 biên lưu lượng, 9
biên mưc nước. Các sông đươc đua vào sơ đô gôm: Đa., Thao, Chay, Lo, Pho
Đáy, Cầu, Thương, Lục Nam, Bùi, Tích, Bôi, Nhuệ, Đáy, Hoàng Long, Châu
Giang Đào, Ninh Cơ, Đuống, Luộc, Thái Bình, Kinh Thầy, Gùa, Mía, Mới,
Tam Bạc, Kinh Môn, Đá Bạc, Lạch Tray, Văn úc, Hoá, Trà Lý. Các khu
chứa (ô ruộng) tập trung chủ yếu ở các khu phân chậm lũ Chương Mỹ-Mỹ
Đức. Các công trình cơ bản là cống Vân Cốc, tràn Hát Môn, đập Đáy và các
cầu Mai Lĩnh, Gián Khuất, Long Biên.
Các biên lưu lượng gồm: Hoà Binh trên sỏng Đà, Yên Bái trên sông
Thao Thác Bà trên sông Chảy, Tuyên Quang trên sông Lô, Quảng Cư trên
sông Phó Đáy, Thác Huống trên sông Cầu, Cầu Sơn trên sông Thương, Chũ
trên sông Lục Nam, Hưng Thi trên sông Bôi. Các biên mực nước gồm: Do
Nghi (sông Đá Bạc), Cửa Cấm (sông Cấm), Kiến An (sông Lạch Tray),
Quang Phục (sông Văn ú c), Đông Xuyên (sông Thái Bình), Ba Lạt (sông
Hổng) Phú Lễ (sông Ninh Cơ), Định Cư (sông Trà Lý), Như Tân (sông
Đáy).
22