Ứng dụng mô hình Telemac 2D đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng vỡ đập Dầu Tiếng lên vùng hạ lưu sông Sài Gòn

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TELEMAC-2D ĐÁNH GIÁ ẢNH
HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG VỠ ĐẬP DẦU TIẾNG LÊN
VÙNG HẠ LƢU SÔNG SÀI GÒN


PGS.TS. NGUYỄN THỐNG
TS. LƢU XUÂN LỘC
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh


TÓM TẮT
Hồ chứa nước Dầu Tiếng được xây dựng trên thượng lưu sông Sài Gòn, thuộc địa
phận tỉnh Tây Ninh và được đưa vào khai thác từ năm 1985. Hồ có tổng dung tích 1,58 tỷ m
3

nước với cao trình mực nước dâng gia cường là 25,1m. Hồ chứa nước Dầu Tiếng có nhiệm vụ
chính là phục vụ nông nghiệp cho các tỉnh Tây Ninh, một phần thành phố Hồ Chí Minh và
tỉnh Long An. Nội dung bài báo giới thiệu một số kết quả bước đầu nhằm đánh giá khả năng
gây ra ngập vùng hạ lưu trong trường hợp có sự cố vỡ đập, trong đó chủ yếu xem xét vùng
ngập dọc sông Sài Gòn. Nghiên cứu cũng xem xét khả năng giảm ngập khi sự cố xảy ra với
việc phân lũ tại vị trí sông Rạch Tra và sông Sài Gòn. Mô hình Telemac2D được lựa chọn sử
dụng trong nghiên cứu dựa vào sự sử dụng rộng rãi của nó trong lĩnh vực nghiên cứu và khả
năng xử lý bài toán với tốc độ nhanh nhờ vào thuật toán song song được sử dụng trong mô
hình.

Từ khóa: Telemac-2D, Vỡđập Dầu Tiếng, Hạ lưu sông Sài Gòn, Lưu vực sông Đồng Nai –
Sài Gòn.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo quy định của cơ quan chức năng, việc đánh giá tác động của hiện tượng vỡ đập lên
vùng hạ lưu đối với các đập quy mô vừa và lớn là một nội dung bắt buộc. Hồ chứa nước Dầu

Tiếng được xây dựng ở thượng nguồn sông Sài Gòn là một hồ chứa nông nghiệp được xếp
vào loại lớn ở nước ta. Thành phố Hồ Chí Minh và các khu vực chung quanh nằm trong vùng
hạ lưu sông phần lớn có địa hình tương đối thấp,do đó khả năng bị ảnh hưởng sẽ lớn khi có sự
cố vỡ đập của hồ ở thượng lưu. Nghiên cứu về sự cố vỡ đập cũng đã được thực hiện, đặc biệt
là các nghiên cứu điển hình trong thời gian gần đây của các viện như Viện Quy hoạch thủy
lợi, Viện Khoa học thủy lợi, Viện Khoa học thủy lợi miền Nam thực hiện thông qua sự trợ
giúp của dự án "Tăng cường năng lực các Viện ngành nước" do DANIDA tài trợ từ năm
2002-2006. Các nghiên cứu này phần lớn ứng dụng các phần mềm do DHI trợ giúp. Để góp
phần làm sáng tỏ các tác động do vỡ đập Dầu Tiếng có thể gây ra cho vùng hạ lưu sông Sài
Gòn, bài báo sẽ đánh giá các tác động về các mặt như: quá trình truyền sóng lũ trên sông, độ
sâu ngập, thời gian ngập, vận tốc truyền lũ, với một số kịch bản vỡ đập. Nghiên cứu tác
động của kênh Rạch Tra đến sự phân lũ cho vùng hạ lưu.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình Telemac được bắt đầu phát triển từ năm 1987 do Tập đoàn Điện lực Pháp (EDF) chủ
trì cùng với sự tham gia của nhiều tổ chức nghiên cứu trên thế giới dùng để mô phỏng dòng
chảy 2D theo phương nằm ngang (trung bình theo phương thẳng đứng) được mô tả bởi hệ
phương trình Saint Venant như sau:


- Phương trình liên tục:
 
)1(qUhdiv
t
h





- Phương trình động lượng theo phương x:
 
)2()u(gradhdiv
h
1
F
x
Z
g
y
u
v
x
u
u
t
u
ex
s














- Phương trình động lượng theo phương y:
 
)3()v(gradhdiv
h
1
F
y
Z
g
y
v
v
x
v
u
t
v
ey
s













Trong đó: h(m) – chiều sâu, u & v(m/s) – hai thành phần vận tốc theo phương nằm ngang x & y của
vận tốc
U

, q(m/s) – lưu lượng đơn vị của nguồn, Z
s
(m) – cao độ mặt thoáng, F
x,y
(m/s
2
) – các ngoại
lực (không kể trọng lực, ví dụ lực Coriolis, Gió ) tác dụng trên một đơn vị khối lượng chiếu theo
phương ngang x & y,
e

(m
2
/s) hệ số khuếch tán vận tốc.

III. ỨNG DỤNG TELEMAC-2D MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY 2D LƢU VỰC ĐỒNG NAI –
SÀI GÒN

III.1 Miền tính
Miền nghiên cứu được giới hạn từ Hồ Trị An (sông Đồng Nai), Phước Hòa (sông Bé), Dầu Tiếng
(sông Sài Gòn), Gò Dầu Hạ (Vàm Cỏ Đông), Mộc Hóa (Vàm Cỏ Tây); phía hạ lưu được lấy cách
xa cửa Soài Rạp 40-50 km. Miền tính được rời rạc hóa thành 269100 phần tử tam giác và 139240
nút, diện tích toàn bộ miền tính là 4992 km

2
. Diện tích nhỏ nhất của một phần tử 40m
2
mô tả lưới
2D trên sông rạch, diện tích lớn nhất 1,5 km
2
mô tả các phần tử ngoài biển.


Hình1: Địahìnhvàlƣớimiềntính 2D
III.2 Điều kiện biên
Miền nghiên cứu được giới hạn với 4 biên ở thượng lưu và 1 biên ở hạ lưu cụ thể như sau:
- Biên Q(t) Phước Hòa
- Biên Q(t) Trị An
- Biên Q(t) GòDầuHạ
- Biên Q(t) MộcHóa
- Biên Z(t) ngoại suy từ 2 trạm Vũng Tàu và Vàm Kênh.

III.3 Hiệu chỉnh mô hình
Nội dung nghiên cứu tập trung đánh giá tác động của vỡ đập Dầu Tiếng lên vùng hạ lưu Đồng Nai –
Sài Gòn, nên quá trình hiệu chỉnh mô hình sẽ chọn một thời đoạn mùa lũcó số liệu quan trắc đầy đủ.
Năm 2010 (từ 7/10/2010 – 10/10/2010 trong 3 ngày) được chọn cho việc hiệu chỉnh mô hình, đây là
năm có đỉnh lũ và đỉnh triều khá cao, số liệu quan trắc tương đối đầy đủ. Các trạm đo mực nước
Nhà Bè, Phú An, Thủ Dầu Một, Biên Hoà, Bến Lức, Tân An trong cùng chu kỳ mô phỏng sẽ được
sử dụng như là số liệu quan trắc để so sánh với kết quả tính từ mô hình. Các đồ thị sau trình bày số
liệu quan trắc và kết quả tính từ mô hình tại các trạm đo nói trên.

Hình 2: Mực nƣớc tại trạm Biên Hòa

-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 12 24 36 48 60 72
Quan trắc
Mô hình
Z (m)
T (h)


-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 12 24 36 48 60 72
Quan trắc
Mô hình
Z (m)

T (h)
Hình 3: Mực nƣớc tại trạm Nhà Bè
















Hình 4: Mực nƣớc tại trạm Thủ Dầu Một

Hình 5: Mực nƣớc tại trạm Phú An

Để so sánh đánh giá kết quả tính từ mô hình và số liệu quan trắc một cách định lượng về biên độ và
pha, ở đây đã sử dụng phương pháp phân tích điều hòa với giả thiết chỉ kể đến các sóng điều hòa
chính là M1, M2, M4, M6 áp dụng cho chuỗi giá trị quan trắc và tính toán từ mô hình ở các đồ thị
hình 2, 3, 4. Kết quả phân tích về biên độ và pha được tóm tắt như sau:


M1

M2

M4

M6

Trạm
Biênđộ
(m)
Pha
(rad)
Biênđộ
(m)
Pha
(rad)

Biênđộ
(m)
Pha
(rad)
Biênđộ
(m)
Pha
(rad)
NhàBè
0.534
0.466
1.202
4.205
0.106
4.464
0.073
5.109
Phú An
0.478
0.263
1.115
3.893
0.131
3.821
0.086
4.103
ThủDầuMộ
t
0.296
5.806

0.626
2.717
0.052
1.221
0.042
1.894






-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 12 24 36 48 60 72
Quan trắc
Mô hình
Z (m)
T (h)


-2.0
-1.5
-1.0
-0.5

0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 12 24 36 48 60 72
Quan trắc
Mô hình
Z (m)
T (h)
Bảng 1: Kết quả phân tích điều hòa từ kết quả mô hình


M1

M2

M4

M6

Trạm
Biênđộ
(m)
Pha
(rad)
Biênđộ
(m)
Pha
(rad)

Biênđộ
(m)
Pha
(rad)
Biênđộ
(m)
Pha
(rad)
NhàBè
0.526
0.564
1.180
4.258
0.152
4.858
0.091
5.179
Phú An
0.457
0.417
1.077
3.892
0.129
4.098
0.083
3.929
ThủDầuMộ
t
0.311
6.278

0.712
3.106
0.104
2.257
0.073
1.800

Bảng 2: Kết quả phân tích điều hòa từ số liệu quan trắc

Sai số giữa kết quả mô hình
cal
Q
và quan trắc
obs
Q
còn được đánh giá bởi chỉ số Nash-Sutcliffe R
2
:
 
 
)4(
QQ
QQ
1R
i
2
obs
i
obs
i

2
i
cal
i
obs
2






obs
Q
giá trị trung bình đại lượng nghiên cứu,
i
cal
i
obs
Q,Q
chỉ giá trị quan trắc và giá trị tính của mô
hình vào thời điểm i.

Ngoài ra, một số tiêu chí đánh giá độ thích hợp (GOF) cũng được xem xét. Kết quả so sánh được
tổng hợp trong bảng sau:


Sai biệt đỉnh TB
(m)
Sai biệt đáy TB

(m)
RMSE
(m)
 (quan trắc)
(m)
 (mô hinh)
(m)
R
2

NhàBè
0.028
0.065
0.132
0.947
0.961
0.980
Phú An
0.081
0.298
0.189
0.853
0.889
0.951
ThủDầuMột
0.075
0.210
0.249
0.574
0.518

0.811

Bảng 3: Một số chỉ tiêu so sánh GOF

So sánh kết quả cho bởi mô hình và giá trị quan trắc nêu trên cho thấy kết quả tính từ mô hình có
khả năng mô phỏng khátốt chế độ dòng chảy của khu vực trong chu kỳ tính toán xem xét. Đặc biệt
các chỉ số đánh giá Nash-Sutcliffe cho thấy mô hình phản ánh tốt điều kiện thủy lực.

III.4 Kiểm định mô hình

Trên cơ sở mô hình đã hiệu chỉnh nêu trên, để kiểm định mô hình một mô phỏng trong chu kỳ 3
ngày từ 7/3/2010 đến 10/3/2010đã được thực hiện. Một số kết quả so sánh giữa mô hình tính và
quan trắc được trình bày trong các đồ thị sau:











-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0

0.5
1.0
1.5
2.0
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72
Mô hình
Quan trắc
Z (m)
T (h)



Hình 6: Trạm Biên Hòa















Hình 7: Trạm Nhà Bè

Hình 8: Trạm Phú An














Hình 9: Trạm Thủ Dầu Một

-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72
Mô hình
Quan trắc

-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72
Mô hình
Quan trắc
Z (m)
T (h)

-2.0
-1.5

-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72
Mô hình
Quan trắc
Z (m)
T (h)
Kết quả kiểm định mô hình được trình bày trên các đồ thị Hình 6, 7, 8 và 9 cho thấy mô hìnhmô
phỏng hiện tượng khá tốt khi so sánh giữa giá trị thực đo và tính toán.


IV. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA VỠ ĐẬP DẦU TIẾNG LÊN VÙNG HẠ LƢU SÔNG
SÀI GÒN

Hồ chứa nước Dầu Tiếng được xây dựng và đưa vào sử dụng năm 1985 với các thông số cơ bản
sau: MNGC = 25.1m, MNDBT = 24.4m, MNC = 17m, V
MNDGC
= 1580 triệu m
3
, V
MNDBT
= 1110
triệu m
3
, Q
tràn max

= 2800 m
3
/s. Bài toán vỡ đập sẽ mô phỏng cho trường hợp nguy hiểm nhất ứng
với trường hợp mực nước trong hồ trước khi vỡ đập ở MNGC. Mô phỏng bài toán xem xét cho 3
trường hợp có chiều rộng vỡ đập khác nhau (B=1200m, 750m và 500m). Thời gian vỡ đập xem xét
cho 3 trường hợp T
vỡ đập
=1200s, 600s và giả thiết đập vỡ tức thì T
vỡ đập
=0s.

Hình 10: Vị trí vỡ đập Dầu Tiếng và các điểm xem xét

Một số vị trí điển hình dọc trên sông Sài Gòn xem xét kết quả là X1 (cách đập về hạ lưu theo đường
thẳng 20km), X2 (cách đập về hạ lưu theo đường thẳng 35km), X3 (cách đập về hạ lưu theo đường
thẳng 50km), vị trí ngã 3 Rạch Tra, Thanh Đa và Phú An (hình 10).

1. Sóng lũ khi vỡ đập
Khi vỡ đập, lưu lượng vào sông Sài Gòn ở vị trí sau đập tăng lên nhanh chóng. Đồ thị sau trình bày
lưu lượng qua mặt cắt 1-1 (hình 10)trong trường hợp xét chiều rộng vỡ đập B=500m và thời gian vỡ


là T
vỡ đập
=600s. Kết quả cho thấy lưu lượng lớn nhất qua đây có thể đạt đến 40000m
3
/s vào thời
điểm 1h40phút sau khi xảy ra vỡ đập.

Hình 11: Lƣu lƣợng qua mặt cắt 1-1




Khi vỡ đập, mực nước trong đoạn sông ngay sau đập sẽ tăng lên nhanh chóng hình thành một “sóng
lũ” di chuyển nhanh về hạ lưu.


Hình 6: Giao động mực nước hồ khi vỡ đập

Hình 12: Vị trí sóng lũ sau 3h vỡ đập (B =500m, T
vỡ đập
=600s)

1. Trƣờng vận tốc dòng chảy khi xảy ra vỡ đập

Hình vẽ sau đây trình bày trường vận tốc dòng chảy sau khi xảy ra vỡ đập 12h. Dòng chảy lũ đã về đến
khoảng vị trí ngã 3 gặp giữa kênh Tham Lương và sông Sài Gòn (vận tốc dòng chảy trung bình 1.8m/s).






0
5000
10000
15000
20000
25000

30000
35000
40000
45000
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Q (m
3
/s)
T (h)

Hình 13: Trƣờng vận tốc sau 12h vỡ đập (B
vỡ đập
=500m, T
vỡ đập
=600s)

2. Ảnh hƣởng của thời gian và chiều rộng vỡ đập lên mực nƣớc hạ lƣu

Để đánh giá ảnh hưởng của yếu tố thời gian vỡ đập cũng như chiều rộng đập vỡ lên mực nước ngập
trên sông Sài Gòn, các mô phỏng tương ứng với thời gian vỡ đập T
vỡ đập
=0s, 600s và 1200s được tổ
hợp với các chiều rộng vỡ đập B=150m, 250m, 500m và750m được mô phỏng. Kết quả cho thấy
với chiều rộng vỡ từ 500m trở lên mực nước theo thời gian tại các vị trí Rạch Tra, kênh Thanh Đa
là tương tự nhau (hình 14).

Hình14: Mực nƣớc theo thời gian tại Rạch Trakhi vỡ đập




0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Rạch Tra (B=500m) Rạch Tra (B=250m)
Rạch Tra (B=150m) Rạch Tra (B=750m)
Z (m)
T (h)

3. Quá trình truyền lũ trên sông

Quá trình truyền lũ trên sông khi bắt đầu vỡ đập được thể hiện theo hình bên dưới. Kết quả cho thấy
mực nước lớn nhất tại các vị trí dọc sông giảm khá nhanh (hình 15). Kết quả này có thể giải thích
do khả năng chứa của sông hai bên bờ gia tăng. Ngoài ra kết quả tính toán cũng cho thấy tác dụng
phân lũ của kênh Rạch Tra cho vùng hạ lưu là rất lớn. Mực nước tại các vị trí Thanh Đa và Phú An
giảm đáng kể trong trường hợp có xét đến khả năng phân lũ tại vị trí ngã 3 Rạch Tra và sông Sài
Gòn (hình 16).














Hình 15: Quá trình truyền lũ (B
vỡ đập
=750m, T
vỡ đập
=600s)

Hình 16: Ảnh hƣởng của phân lũ tại Rạch Tra lên mực nƣớc tại Thanh Đa và Phú An


-2.5
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
X1 X2
X3 Rạch Tra

Thanh Đa Phú An
Phú An (K. Vỡ Đập)
Z (m)
T (h)

-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Thanh Đa (K. Phân lũ) Thanh Đa
Phú An (K. Phân lũ) Phú An
Z (m)
T (h)
Kết quả tính toán cho thấy khi có phân lũ tại Rạch Tra mực nước cao nhất tại Thanh Đa giảm từ
3.79m xuống 3.13m. Tác dụng tương tự cho kết quả tính tại Phú An, mực nước lớn nhất giảm từ
2.2m xuống 1.85m (hình 16).

V. KẾT LUẬN

Một số kịch bản khi tính toán vỡ đập Dầu Tiếng cho thấy khả năng ảnh hưởng xấu đến khu vực hạ
lưu sông Sài Gòn. Đặc biệt khu vực kể từ Thanh Đa về hướng thượng nguồn mực nước dâng cao có
khả năng ngập sâu.Ví dụ với trường hợp vỡ đập có chiều rộng B=500m, mực nước tại đầu kênh
Thanh Đa là 3.12m và tại đầu kênh Tham Lương là 3.22m.

Kết quả tính toán cũng cho một số nhận định sau:
- Từ đập Dầu Tiếng về đến ngã ba kênh Rạch Tra và sông Sài Gòn là đoạn chịu ảnh hưởng trực tiếp
của sóng lũ và biên độ sóng giảm dần khi càng xa đập. Ở vị trí gần đập mực nước có thể đạt đến
cao trình +21.8m và ở vị trí đầu kênh Rạch Tra thì mực nước chỉ dâng đến cao trình +4.2m. Vận
tốc dòng chảy trong đoạn này rất lớn và vận tốc lớn nhất có thể đạt đến 11m/s (hình 13).
- Từ vị trí Rạch Tra đến Phú An có thể gọi là vùng chuyển tiếp từ ảnh hưởng của sóng lũ sang ảnh
hưởng của triều. Đường mực nước có độ dốc giảm đi đáng kể và thoải dần, mực nước có xu
hướng giảm dần từ cao trình +4.2m xuống còn +1,8m.
- Từ Phú An ra đến ngã ba Đèn đỏvàvề phía hạ lưu là vùng chịu ảnh hưởng phần lớn của triều, sóng
lũ hầu như không còn tác động đến khu vực này.




TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Jean Michel HERVOUET (2007). Hydrodynamics of Free Surface Flows modelling with the
finite element method. WILEY.
[2]. Pierre LANG et al. (2010).Telemac2d_manuel_utilisateur_v6p2. EDF
[3].NGUYỄN Thống(2008). Bài giảng Phương pháp số ứng dụng. Trường Đại Học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh.
[4]. Loren P. MEISSNER (1995). Fortran 90. PWS Publishing Company
[5]. Canadian Hydraulics Centre, National Research Council.Blue Kenue Reference Manual 2010.

Lờicámơn:
- NghiêncứunàyđượcthựchiệntrongkhuônkhổTrungtâm CARE, TrườngĐạihọcBáchKhoa Tp.
HồChí Minh.
- CácmôphỏngnàyđãđượcthựchiệntạiTrungtâmtínhtoánhiệunăngcao (HPCC)
TrườngĐạihọcBáchKhoa Tp. HồChí Minh.

APPLICATION OF TELEMAC-2D HYDRAULIC MODEL FOR THE IMPACT
ASSESSMENTS OF DAUTIENG DAMBREAK ON THE SAIGON RIVER LOWLANDS

Nguyen Thong andLuuXuanLoc

Summary
DauTiengreservoi built on the upper Saigon River, is located in TayNinh province and was put into
operation in 1985. It has a total capacity of 1.58 billion m
3
of water with the maximum water level
of 25.1 m. This reservoir is designedfordistributionofagricultural water of TayNinh Province, a part
of Ho Chi Minh City and Long An provinces. This paper presents some preliminary results in
evaluating the potential causing flooding downstream in the event of dam failure incidents in which
mainly consider the floodplains along the Saigon River. This study also considers breeds of
reducing flooding incident occurred when the diversion placedatjunction of RachTra-Saigon River
was considered.In addition, the simulation domain shows that the Telemac2D hydraulic model is a
veryeffective software compared to others in terms of computation speeddue to parallel algorithms
used in the model.
.
Keywords: Telemac2D; DauTiengdam break; downstream of the Saigon River; Dong Nai-Saigon
River basin.

Địa chỉ liên hệ:

PGS. TS. NguyễnThống
ĐạihọcBáchKhoa
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Tel. 098 99 66 719
Email :