Đánh giá diễn biến lòng dẫn cho đoạn sông hồng từ cầu chèm đến khuyến lương ứng với kịch bản chỉnh trị lòng sông

LỜI CẢM ƠN
Với tấm lòng chân thành nhất, tôi xin chân thành cảm ơn tới:
Tiến sỹ Nguyễn Tiền Giang, thầy hướng dẫn khoa học cho luận văn
của tôi, những điều đạt được trong luận văn này là những kiến thức
quý báu mà thầy đã tận tình chỉ dẫn tôi trong thời gian qua.
Quý thầy cô trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc
gia Hà Nội, đặc biệt là quý thầy cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn
và Hải dương học, quý thầy cô trong Phòng Đào tạo sau Đại học đã
nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành chương trình Cao học
và luận văn tốt nghiệp.
Trong luận văn, tác giả đã kế thừa bộ số liệu bình đồ đáy sông trong
Đề tài “Giải pháp Khoa học và Công nghệ chỉnh trị đoạn sông Hồng
qua hà Nội”, (KC.08.14/06-10) do GS.TS Lương Phương Hậu chủ
nhiệm. Do vậy, tác giả xin chân thành cảm ơn tới Thầy.
Gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ hết sức sâu sắc trong thời gian
qua. Đặc biệt cảm ơn Mẹ tôi, người luôn bên cạnh tôi động viên để tôi
vững tâm và phấn đấu học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn
này.
Lãnh đạo, bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và
Môi trường đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Trong quá trình làm luận văn do giới hạn về thời gian cũng như bước đầu
nghiên cứu mô hình mã nguồn mở, nghiên cứu về động lực bùn cát nên không tránh
được những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong được sự cảm thông và những ý kiến
đóng góp quý báu của các Thầy cô và những người quan tâm.

TÁC GIẢ

i

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU..........................................................................................................V
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................VIII
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN HAI CHIỀU.....viii
1.2. GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU..........................................xiii
1.2.1. Vị trí địa lý....................................................................................xiii
1.2.2. Địa hình, địa mạo..........................................................................xiii
1.2.3. Địa chất, thổ nhưỡng.....................................................................xiv
1.2.4. Lớp phủ thực vật............................................................................xiv
1.2.5. Khí hậu............................................................................................xv
1.2.6. Đặc điểm thủy văn và hệ thống sông ngòi......................................xv
1.2.7. Hiện trạng đoạn sông nghiên cứu...................................................xx
1.2.7. Diễn biến hình thái đoạn sông nghiên cứu [4]..............................xxi
1.2.8. Diễn biến đáy sông qua các thời kỳ [4].......................................xxvi
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐÃ CÓ....................................................xxvii
1.3.1. Các nghiên cứu của Viện Khoa học Thuỷ lợi..............................xxvii
1.3.2. Nghiên cứu quy hoạch tăng khả năng thoát lũ sông Hồng của Cục
Đê điều.................................................................................................xxviii
1.3.3. Dự án "Hệ thống kè cứng hoá bờ sông Hồng và đường đỉnh kè
thành phố Hà Nội", do Tổng công ty Tư vấn Xây dựng Thuỷ lợi I (HEC-I)
lập năm 2002..........................................................................................xxix
1.3.4. Các nghiên cứu của Bộ GTVT.......................................................xxx
1.3.4. Nhận xét........................................................................................xxxi
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH TREM...XXXII
2.1. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN [11,12,13].................................xxxii
2.1.1. Phương trình dòng chất lỏng......................................................xxxii
2.1.2. Phương trình liên tục bùn cát....................................................xxxiii
2.1.3. Các phương trình sức tải cát......................................................xxxiv
2.1.4. Biến đổi phương trình tải cát đáy...............................................xxxiv

2.2. LỜI GIẢI SỐ....................................................................................xxxv
2.2.1. Quan niệm của gián đoạn hoá trong thể tích hữu hạn FVM (finite
volume method)......................................................................................xxxv
2.2.2. Lời giải ma trận hệ số 9 đường chéo.........................................xxxvii

ii


2.2.3. Gián đoạn hoá phương trình Exner.........................................xxxviii
2.3. ĐIỀU KIỆN BIÊN.........................................................................xxxviii
2.3.1. Điều kiện biên thuỷ lực.............................................................xxxviii
2.3.2.Điều kiện biên bùn cát.................................................................xxxix
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC 2 CHIỀU BẰNG MÔ HÌNH
TREM.............................................................................................................XL
3.1. THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN CHO MÔ HÌNH TREM....................xl
3.1.2. Thiết lập điều kiện biên bằng mô hình MIKE 11.............................xl
3.1.3.Nhận xét.......................................................................................xlviii
3.2. XÂY DỰNG BIÊN VÀ LƯỚI TÍNH TOÁN CHO ĐOẠN SÔNG xlviii
3.2.1. Xây dựng biên.............................................................................xlviii
3.2.2. Xây dựng lưới tính toán................................................................xlix
3.3. MÔ PHỎNG TRƯỜNG VẬN TỐC CHO TRẬN LŨ THÁNG 8 NĂM
1996...............................................................................................................li
3.4. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN CHỈNH TRỊ..lx
3.4.1. Các phương án chỉnh trị [4]............................................................lx
3.4.2. Đánh giá ảnh hưởng của phương án chỉnh trị đến trường vận tốc lxi
3.4.3. Đánh giá ảnh hưởng các phương án chỉnh trị đến khả năng bồi xói
................................................................................................................lxvii
...................................................................................................................LXXI
..................................................................................................................LXXII
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................lxxv

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................LXXVII

iii


DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

iv


MỞ ĐẦU
I.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Xói lở và bồi tụ là các quá trình tất yếu của dòng chảy tự nhiên. Theo góc độ
nhìn nhận khác nhau mà quá trình này sẽ gây lợi, hại và vì vậy có tác động lớn đối
phát triển kinh tế - xã hội. Nếu nắm bắt được quy luật thì chúng ta có thể dự báo
cũng như có các giải pháp tích cực phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội.
Trên hệ thông sông Hồng, hiện tượng xói lở xảy ra trong thời gian gần đây đã
gây thiệt hại không nhỏ làm mất đất nông nghiệp, đất nhà ở… Về tính chất xói lở
theo cả phương thẳng đứng và phương nằm ngang. Có thể thấy ở nhiều nơi, như
đoạn từ Thượng Cát tới phà Khuyến Lương, sự xói lở theo hướng ngang đã gây
thiệt hại rất lớn do hai bên bờ sông là nơi tập trung các điểm dân cư và cơ sở kinh
tế. Đây cũng là nơi trong tương lai có dự án thành phố hai bên bờ sông Hồng với
tổng chiều dài khoảng 40 km với các khu đô thị mới và đường giao thông. Chính vì
vậy vấn đề kiểm xoát và đưa ra các giải pháp chỉnh trị khả thi sẽ có vai trò đặc biệt
quan trọng đối với khu vực này.

Ở nước ta, xói lở đã được nghiên cứu từ lâu bằng các phương pháp khác nhau,
tuy nhiên phương pháp mô hình toán được đánh giá cao do giải quyết được nhiều
vấn đề thực tế đặt ra. Lớp các mô hình được sử dụng bao gồm lớp mô hình 1 chiều,
2 chiều, 3 chiều. Các mô hình 1 chiều có thể kể đến như HEC-6 (phiên bản mới
được tích hợp trong HEC-RAS), MIKE 11, ISiS…; một số mô hình 2, 3 chiều như
MIKE 21, EFDC, DEL3D… Các mô hình này đã và đang giải quyết được nhiều
vấn đề thực tế đặt ra và đã xây dựng được giao điện cho người sử dụng. Tuy nhiên
đây là các mô hình hoặc thương mại hoặc chỉ giới hạn là mô hình một chiều, vì vậy
người sử dụng chỉ có thể sử dụng phần mềm mà không thể tham gia vào thay đổi
được chương trình phục vụ công tác nghiên cứu và ứng dụng.
Mô hình diễn biến lòng dẫn 2 chiều trong hệ tọa độ phi trực giao TREM (Twodimensional River bed Evolution Model) là mô hình mã nguồn mở, cho phép phân
tích tính toán xói lở lòng sông theo 2 chiều, phản ánh gần đầy đủ nguyên nhân và

v


hiện trạng xói lở lòng sông. Mô hình đã được TS. Nguyễn Tiền Giang phát triển và
ứng dụng cho sông của Việt Nam. Với những nền tảng như vậy, việc nghiên cứu
ứng dụng mô hình tính toán diễn biến lòng sông cho khu vực nghiên cứu sẽ tạo
điều kiện trau dồi kiến thức, cách tiếp cận cho Học viên và cũng là nền tảng quan
trọng cho Học viên trong quá trình nghiên cứu sau này về vấn đề bùn cát, mô hình
toán mã nguồn mở.
II.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Luận văn tập trung vào đối tượng và phạm vi nghiên cứu như sau:
Nghiên cứu mô hình mã nguồn mở TREM, khả năng ứng dụng của
mô hình cho sông Hồng.
Phạm vi nghiên cứu ban đầu của luận văn tập trung đánh giá diễn
biến lòng dẫn cho đoạn sông Hồng từ cầu Chèm đến Khuyến Lương

ứng với kịch bản chỉnh trị lòng sông.

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu, được sự cho phép của Thầy hướng dẫn
khoa học cũng như các điều kiện khách quan phạm vi nghiên cứu được thu hẹp lại cho
đoạn sông Hồng từ Cầu Long Biên đến Khuyến Lương. Một số lý do chính trong sự
thay đổi này như sau:
- Hiện tại, trong đoạn sông nghiên cứu có trạm thủy văn Hà Nội nằm tại hạ lưu
cầu Long Biên, đây là trạm thủy văn cấp I nên có số liệu đo đạc tốc độ, lưu lượng,
mực nước và có thể phục vụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình. Trong khi
đoạn sông từ Chèm đến ngã ba Thượng Cát không có số liệu thực đo.
- Ba trong bốn đoạn sông trong phương án chỉnh trị đều tập trung trong khu vực
hạ lưu cầu Long Biên.
- Thời gian cho mô phỏng dòng chảy là 1 giờ thời gian thực bằng ½ giờ trên
máy tính, thời gian mô phong bùn cát với tỷ lệ 1/1 do vậy sẽ mất rất nhiều thời gian để
mô phỏng trong khi chưa xét đến thời gian lấy và thể hiện kết quả tính toán.
III.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

vi


Trong luận văn học viên đã áp dụng các phương pháp kế thừa, phương pháp
điều tra và khảo sát thực địa và phương pháp mô hình toán.
IV.

NỘI DUNG LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo, luận văn bao

gồm 3 chương:

Chương I: Tác giả đã giới thiệu tổng quan về một số mô hình toán mô
phỏng diễn biến lòng dẫn hai chiều, đồng thời giới thiệu sơ lược về khu vực nghiên
cứu và một số công trình nghiên cứu có liên quan.
Chương II: Tập trung giới thiệu cơ sở lý thuyết mô hình TREM đã được xây
dựng và phát triển bởi TS. Nguyễn Tiền Giang.
Chương III: Trình bày thành quả nghiên cứu của học viên trong thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp.

vii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN HAI CHIỀU
Việc nghiên cứu xói lở lòng sông đã được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới.
Nhiều phương pháp và mô hình biến dạng lòng sông đã được xây dựng, góp phần giải
quyết những bài toán thực tế đặt ra.
Đã có tương đối nhiều nghiên cứu về tính toán biến hình lòng sông và biến
động đường bờ, cũng như xây dựng các công trình chống xói lở bờ sông và bờ biển.
Trên cơ sở hệ phương trình động lực dòng chảy và cân bằng bùn cát người ta đã xây
dựng các sơ đồ sai phân để tính toán diễn biến lòng sông. Velikanov và Grixanhin
(Nga,1965) đưa ra phương pháp biến hình giúp cho việc giải quyết bài toán xói lở
được dễ dàng và chính xác hơn. Sau đó một loạt các mô hình ra đời, dùng riêng cho
diễn biến lòng sông, cũng như dùng chung cho xói lở bờ sông và bờ biển. Đó là mô
hình GENESIS của Trung tâm nghiên cứu công nghệ bờ biển Hải quân Mỹ(1989),
UNIBEST của Viện thuỷ công Hà Lan(1990), LITPACK của Viện Thuỷ lực Đan
Mạch(1991), SAND94 của Viện Thuỷ công Ba Lan(1994), mô hình 2 chiều biến dạng
đáy sông của Phòng thí nghiệm thuỷ lực và Trường Đại học kỹ thuật Deft Hà Lan hoặc
mô hình miêu tả hiệu ứng xói ngang MIKE21, và mô hình SMS của Anh.
Ở trong nước, Viện Khoa học thuỷ lợi đã nghiên cứu về tình hình xói lở sông

Hồng và sông Đà sau đập thuỷ điện Hoà Bình, khảo sát và nghiên cứu về tình hình xói
lở sông suối miền Trung và biên giới. Viện cơ học cũng có những nghiên cứu về xói lở
bờ biển Việt Nam. Một loạt các dự án chống xói lở được nghiên cứu và triển khai xây
dựng tại các khu vực trọng điểm xói lở như ở thượng lưu sông Hồng, sông Lô, khu
vực bờ sông Hồng ven Thủ đô Hà Nội, một số điểm xói lở trên các sông suối miền
Trung như sông Cả, sông Thu bồn, sông Kinh Dinh v.v. Các công trình này đã dựa
trên những tính toán khoa học và đã đề xuất các giải pháp hữu hiệu chống xói lở. Tuy
nhiên đó là những công trình giải quyết cho từng điểm cụ thể, chưa đi sâu vào việc sử
dụng mô hình cho diễn biến lòng sông. Trong thời gian gần đây đã sử dụng một số mô

viii


hình như HEC-6, MIKE11 để phân tích, tính toán xói lở. Tuy nhiên các mô hình trên
chỉ giải quyết bài toán 1 chiều, chỉ xem xét xói đáy, với giả thiết chiều sâu xói lở như
nhau trên toàn mặt ngang, chưa xem xét vận chuyển bùn cát và xói lở không đều theo
chiều ngang.
Trong thực tế các sông thường bị xói lở theo cả chiều dọc và chiều ngang rất
mạnh mẽ và chúng có tác động tương hỗ với nhau. Rất nhiều nơi sự xói lở theo hướng
ngang mới có vai trò quan trọng nhất, bởi vì hai bờ sông là nơi tập trung các điểm dân
cư và các cơ sở kinh tế. Trên hệ thống sông Hồng tình hình xói lở đã diễn ra nghiêm
trọng, sau khi hồ chứa Hoà Bình vận hành quá trình xói lở lại càng nghiêm trọng hơn.
Sông suối biên giới phía Bắc bị xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đường biên giới
chung giữa 2 nước. Một số kết quả nghiên cứu trong các dự án trước đã làm sáng tỏ
nguyên nhân và các giải pháp cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng. Tuy nhiên việc xói lở
diễn ra mạnh ở 2 bờ, mà các nghiên cứu và mô hình trước không giải quyết được. Vì
vậy cần thiết có một mô hình 2 chiều để giải quyết bài toán này.
Gần đây, ở Việt nam các mô hình 2 chiều đang được sử dụng trong một số công
trình nghiên cứu biến dạng lòng dẫn. MIKE 21C được Viện Khoa học Thuỷ lợi sử
dụng trong nghiên cứu lòng dẫn hệ thống sông Hồng (2006-2007) trước và sau khi có

hoạt động của các hồ chứa Hoà Bình và Tuyên Quang. MIKE 21C cũng được áp dụng
khi nghiên cứu biến dạng vùng Cửa sông Hậu (2006) và mô phỏng lũ lòng sông Cửu
long (2005). Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Viện Khoa học Thuỷ lợi áp dụng
mô hình TREM và SMS (2006) trong nghiên cứu biến dạng đáy một số sông biên giới
phía Bắc. Công ty tư vấn công trình giao thông (TEDY) sử dụng MIKE 21C khi phân
tích trường dòng chảy tại cửa sông phân lạch khu vực Trung Hà (sông Đà) (2007) dưới
tác dụng của các công trình chỉnh trị. Các kết quả thu được cho thấy hiệu quả của mô
hình 2 chiều khi phân tích mô phỏng thuỷ lực và lòng dẫn của các đoạn sông. Nguyễn
Thế Hùng (2004) nghiên cứu giải hệ phương trình sóng nước nông 2 chiều bằng
phương pháp phần tử hữu hạn hai giai đoạn theo thuật giải phân rã và giải theo thời
gian với sơ đồ sai phân Crank-Nicolson. Lương Tuấn Anh và Nguyễn Hoàng Minh
(2006) sử dụng thuật toán Runge- Kutta bậc 3 và phương pháp nội suy tuyến tính nối

ix


tiếp để giải hệ phương trình sóng nước nông 2 chiều. Từ đó thu được biểu đồ phân bố
vận tốc, độ sâu (mực nước) tại khu vực nghiên cứu. Lương Tuấn Anh và Nguyễn
Thanh Sơn (2007) đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán thuỷ lực
sườn dốc tựa 2 chiều, trong đó các giải sườn dốc chạy từ đường phân nước tới lòng
sông và song song với nhau. Trên mỗi giải sườn dốc giải hệ phương trình 1 chiều. Tuy
nhiên những nghiên cứu dạng này mới chỉ giải quyết về mặt thuỷ lực chứ chưa đề cập
đến biến dạng lòng dẫn.
Một cách chặt chẽ, hầu hết các dòng chảy thực tế trong sông ngòi đều là các
dòng chảy với các đặc trưng thủy lực của nó biến đổi theo cả 3 chiều. Tuy nhiên, khi
độ rộng của dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với độ sâu thì biến đổi của các đặc trưng
đó theo chiều thẳng đứng trở nên không đáng kể do có sự xáo trộn mạnh mẽ gây nên
bởi các ứng suất ma sát ở đáy. Trong các trường hợp đó, mô hình dòng chảy 2 chiều
(2D) sử dụng hệ phương trình nước nông (shallow water equations) hay hệ phương
trình trung bình theo độ sâu (depth-averaged equations) được xem là đủ để mô tả các

đặc trưng dòng chảy.
Hệ phương trình depth-averaged lần đầu tiên được Kuipers và Vreugdenhill
giới thiệu năm 1973 viết trên hệ tọa độ Đề các. Tuy nhiên, khi áp dụng hệ phương
trình này để tính toán các dòng chảy trong sông ngòi tự nhiên, khó khăn đã xuất hiện
khi sử dụng các điều kiện biên cho các đoạn sông cong hoặc có biên phức tạp. Ban đầu
một giải pháp sử dụng xấp xỉ "stair stepped" đã được thử nghiệm (Vreugdenhill và
Wijbenga, 1982), nhưng qua các ứng dụng, nó vẫn bộc lộ những hạn chế do độ thô của
lưới tính ở gần các biên, hoặc tăng thời gian tính toán cùng bộ nhớ của máy tính nếu
muốn tăng độ phân giải của lưới.
Thompson (1980) là một trong những người đầu tiên giới thiệu hệ tọa độ cong
phù hợp biên để giải quyết hạn chế này. Theo đó, trước hết hệ phương trình depthaveraged viết trên hệ tọa độ Đề các được biến đổi sang hệ tọa độ mới với 2 trục tọa độ
( ξ ,η ). Giải hệ phương trình này trên lưới cong đã xây dựng cho phép ta có một bức
tranh chi tiết hơn về các đặc trưng dòng chảy trong sông, đặc biệt là trong các đoạn
sông cong hoặc có biên phức tạp.

x


T. Nagata (1999) đã viết phiên bản đầu tiên của mô hình này tại River System
Engineering Laboratory, Kyoto University. Phiên bản này cũng đã được sửa chữa và
nâng cấp bởi Giáo sư Takashi Hosoda và các cộng sự ở cùng phòng nghiên cứu sau
khi Nagata qua đời (2000). Phiên bản này sau đó đã được sử dụng như là phần tính
dòng chảy nền khi kết nối với các modul vận chuyển bùn cát cũng như xói lở bờ sông,
tính toán bồi lấp hồ chứa...

Mô hình MIKE 21:
Mô hình thuỷ lực: Mô hình MIKE21 cũng sử dụng hệ thống phương trình tổng
quát để giải bài toán biến dạng lòng dẫn 2 chiều. MIKE 21C được giải trong hệ thống
toạ độ cong trực giao. Tuy nhiên trong các bước xử lý có các cách giải quyết khác đề
tạo thuận lợi cho người sử dụng.

Mô hình cũng dựa vào một số giả thiết, đó là dòng chảy trong lòng dẫn nước
nông, sự biến đổi bên trong của mô men do ma sát và hiệu ứng thành của bờ sông có
thể bỏ qua. Phân bố áp suất theo quy luật thuỷ tĩnh, bỏ qua gradient tốc độ thẳng đứng.
Bề mặt nước được coi là cứng và không thấm, số Froude nhỏ, tỷ số giữa độ sâu và bán
kính cong không lớn.
Trong mô hình xét đầy đủ hơn ảnh hưởng của dòng chảy thứ cấp và dòng chảy
xoắn do sự phối hợp của chuyển động theo hướng ngang và hướng dọc sông.
Mô hìmh hình thái: Phương trình vận chuyển của bùn cát lơ lửng dựa trên lý
thuyết của Galappatty (1983), chỉ xét khuếch tán theo chiều thẳng đứng, và có dạng
tương tự như trong mô hình TREM.
Giải được tiến hành cho từng nút lưới, giải đồng thời cho cả thuỷ lực chất lỏng
và hình thái lòng dẫn, tương tự mô hình TREM. Lưới được xác định theo hệ toạ độ
cong cho phép giải trên sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn, có một hướng song song
với hướng dòng chảy, còn một hướng gần như trực giao với nó. Lưới không cố định,
sau khi xói thì đường bờ thay đổi và nếu tại một vị trí xói bờ vượt quá một độ rộng dự
định trước (liên quan đến độ rộng ô lưới dọc theo bờ tính toán được) thì lưới được cập

xi


nhật và xác định một đường bờ mới Điều này phù hợp hơn với thực tế biến dạng lòng
dẫn.

Mô hình SMS:
SMS (Surface Water Modelling System) là mô hình được đề xuất bởi Phòng thí
nghiệm nghiên cứu mô hình môi trường thuộc Đại học tổng hợp Brigham Young,
Vương quốc Anh. Mô hình có 2 mô đun chính là RMA2 giải riêng phần thuỷ lực chất
lỏng và SED2D giải cho phần bùn cát và biến dạng lòng dẫn. Hệ phương trình sử dụng
cũng gồm 2 phương trình mômen cho 2 chiều x và y, một phương trình liên tục chất
lỏng và một phương trình liên tục của bùn cát. Các phương trình thuỷ lực được giải

bằng phương pháp phần tử hữu hạn với phương pháp số dư trọng số Galerkin. Giải
bằng sơ đồ ẩn đầy đủ và phương pháp lặp Newton-Raphson
Các số hạng nguồn và ra trở thành các số hạng nguồn và ra cho mô hình đáy để
tính toán biến đổi đáy tại từng nút với việc dùng trọng số Crank-Nicholson. Đáy cát
được coi là phù hợp với một bể bùn cát độ dày hữu hạn, dưới nó là một mặt không xói.
Bùn cát được thêm vào hoặc lấy đi khỏi đáy được xác định bởi số hạng nguồn và ra ở
bước thời gian trước. Đáy bùn-sét được xử lý như một dãy các lớp, mỗi lớp có các đặc
tính của nó về độ dày, mật độ, tuổi và cường độ xói, ứng suất tiếp cho xói, hệ số hợp
nhất. Bùn-sét mới sẽ bồi lên lớp cũ và làm tăng áp suất nén và tuổi của cả khối. Khi đó
khả năng xói sẽ giảm đi.

Mô hình TREM:
Mô hình biến dạng lòng dẫn 2 chiều trong hệ toạ độ phi tuyến không trực giao
(Two-dimensional Riverbed Evolution Model- TREM- constructed in the nonorthogonal curvilinear coordimate system) đáp ứng được yêu cầu trên. Mô hình sử
dụng phương pháp thể tích hữu hạn FCV (Finite Control Volum) với hệ thống toạ độ
phi tuyến 2 chiều không trực giao và sơ đồ ẩn. Phần tính toán dòng không ổn định 2
chiều sử dụng kết quả của Toshinobu Nagata (Đại học Tổng hợp Kyoto-Nhật Bản).
Phần bùn cát và biến đổi đáy được phát triển bởi Nguyen Tien Giang (N. T. Giang &
Izumi, 2001). Kết quả thực hiện mô hình cho ta các giá trị của độ cao đáy sông, tốc độ

xii


hướng dọc và hướng ngang, độ sâu và nồng độ bùn cát tại các điểm nút tương ứng với
các thời khoảng tính toán. Chi tiết cơ sở lý thuyết mô hình được giới thiệu trong
chương 2.
1.2. GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU
1.2.1. Vị trí địa lý
Hệ thống sông Hồng là hệ thống sông lớn nhất miền Bắc nước ta. Lưu vực hệ
thống sông Hồng có tổng diện tích 155 000 km 2, trong đó tới hơn nửa diện tích (53%)

nằm ở nước ngoài (Trung Quốc, Lào) còn diện tích phần trong nước chỉ khoảng 72
300 km2. lưu vực nằm trong phạm vi từ 20 000’ đến 25030’ vĩ độ Bắc và từ 100000 đến
106007’ kinh độ Đông, phía Bắc giáp lưu vực sông Trường Giang, phía Đông giáp lưu
vực hệ thống sông Thái Bình và vịnh Bắc Bộ, phía Tây giáp lưu vực sông Mê Kông và
sông Mã.
1.2.2. Địa hình, địa mạo
Địa hình lưu vực hện thống sông Hồng phần lớn là đồi núi, chia cắt mạnh, có
hướng dốc chung từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Phía Tây có dãy núi Vô Lương cao
trên 2500 m, phân cách lưu vực hệ thống sông Mê Kông và lưu vực sông Hồng. Trong
lưu vực có dãy Hoàng Liên Sơn với đỉnh Phan-Xi-Pan cao nhất nước ta (3143 m),
phân chia lưu vực sông Đà và lưu vực sông Thao. Lưu vực hệ thống sông Hồng có tới
70% diện tích ở độ cao trên 500 m và khoảng 47% diện tích lưu vực ở độ cao trên
1000 m. Độ cao bình quân lưu vực cỡ 1090 m. Do chủ yếu là địa hình đồi núi nên độ
dốc lưu vực khá lớn, bình quân đạt từ 15% đến 35%. Một số lưu vực sông như Ngòi
Thia có độ dốc đạt tới 42%, Suối Sập 46,6%.
Đồng bằng sông Hồng được tính từ Việt Trì, chiếm hơn 7% diện tích toàn lưu
vực, thấp và tương đối bằng phẳng, độ cao trung bình khoảng 25 m. dọc theo các sông
ở đồng bằng đều có đê kiên cố làm cho đồng bằng bị chia cắt thành các ô tương đối
độc lập. Vùng cửa sông giáp biển có nhiều cồn cát và bãi.

xiii


1.2.3. Địa chất, thổ nhưỡng
Ở vùng núi và trung du của lưu vưc, địa hình phát sinh do kết quả của các quá
trình vận động của vỏ trái đất trong các giai đoạn địa chất cộng với quá trình phong
hóa và quá trình xói mòn dưới tác động của dòng nước, nhiệt độ, độ ẩm … nên bao
gồm nhiều loại đất khác đá khác nhau về thành phần khoáng chất. Bắc và Đông Bắc
lưu vực thuộc vùng núi đá vôi hiểm trở, ít đất bằng, có rừng che phủ, đất phát triển
trên diệp thạch, sa thạch và đá vôi … nên lượng cung cấp cho sông ít và vì vậy dòng

chảy sông Lô mang rất ít bùn cát. Vùng thuộc dãy núi Phan-Xi-Pan có dện tích rộng,
độ cao và địa hình có sự thay đổi lớn, khống chế những vùng khí hậu, thổ nhưỡng rất
khác nhau. Đất ở vùng này được phát triển từ các loại đá gốc như diệp thạch tinh thể,
hoa cương, càng xuống phía Tây Nam diệp thạch và đá vôi càng nhiều còn ở phía
Đông Nam là diệp thạch và hoa cương. Đây là khu vực cung cấp bùn cát quan trọng
cho sông Đà, góp phần chủ yếu vào bùn cát sông Hồng. khu vực bên phải của sông Đà
có cao nguyên đá vôi kéo dài từ Tây Bắc xuống Đông Nam, đất phát triển trên đá vôi
có độ mịn lớn, ngoài ra đất còn phát triển trên diệp thạch, sa thạch, hoa cương, thảm
thực vật bị phá hủy nghiêm trọng, do đó rất thuận lợi cho xói mòn.
1.2.4. Lớp phủ thực vật
Thảm thực vật đã bị tàn phá chỉ còn khoảng 16% diện tích đất tự nhiên. Trên
lưu vực sông Đà thậm chí có nơi chỉ còn 6-10%; rừng thượng nguổn sông Lô còn khá
hơn chiếm khoảng 20-30%.
Sau khi nhà máy thủy điện Hòa Bình được xây dựng, rừng vùng lưu vực hồ đã
bị tàn phá nghiêm trọng mà tác nhân chủ yếu là khai thác quá mức, du canh du cư, đốt
nương làm rẫy. Hàng năm khu vực này có khoảng 120 đến 160 ha rừng bị xâm phạm
và đốt cháy làm nương rẫy mới. Nếu tính toàn vùng Tây Bắc (bao gồm các khu vực
thuộc lưu vực hồ Hòa Bình và lân cận) thì đến nay chỉ còn 5 - 6% diện tích đất tự
nhiên là có rừng che phủ.

xiv


1.2.5. Khí hậu
Lưu vực hệ thống sông Hồng có khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng và ẩm. lượng
mưa hàng năm khá phong phú nhưng phân bố không đều theo không gian và thời gian.
Chế độ mưa trong năm phân hóa sâu sắc theo mùa: một năm hình thành hai
mùa mưa và khô rất rõ rệt. Mùa mưa thường chỉ kéo dài 5 tháng, từ tháng V đến tháng
IX, với lượng mưa chiếm tới 75-85% tổng lượng mưa năm. Mùa khô kéo dài tới 7
tháng nhưng có lượng mưa chỉ chiếm 15-25% tổng lượng mưa năm.

Sự phân bố lượng mưa trên lưu vực phụ thuộc rất nhiều vào địa hình và sự sắp
xếp các dãy núi. Những nơi địa hình cao, nằm ở phía đón gió mang ẩm thường mưa rất
nhiều và tạo thành các tâm mưa như: Bắc Quang, Mường Tè, Hoàng Liên Sơn. Vùng
núi thuộc dãy Hoàng Liên Sơn, Tây Côn Lĩnh và vùng núi Ba Vì – Tam Đảo có lượng
mưa từ 2400 mm/năm đến 2800 mm/năm. Đặc biệt tâm mưa Bắc Quang có năm đạt
đến 5499 mm/năm. Những vùng khuất sau những dãy núi chắn gió như thung lũng
Yên Châu, cao nguyên Sơn La, lòng chảo Nghĩa Lộ, vùng thượng nguồn sông Gâm có
lượng mưa nhỏ, chỉ khoảng 1200 mm/năm đến 1600 mm/năm. Vùng đồng bằng có
lượng mưa trung bình 1700 mm/năm.
Lượng mưa biến đổi qua các năm trong thời kỳ nhiều năm không lớn: lượng
mưa của năm mưa nhiều chỉ lớn gấp 2-3 lần lượng mưa của năm mưa ít.
Nhiệt độ không khí trung bình trên lưu vực thay đổi từ 15 0 (phần Trung Quốc)
đến 240 (phần Việt Nam). Lượng bốc hơi hàng năm trên lưu vực không lớn và biến đổi
ít dọc theo không gian. Lượng bốc hơi khả năng đo bằng ống Piche thay đổi từ 600
mm đến 1000 mm.
1.2.6. Đặc điểm thủy văn và hệ thống sông ngòi
Dòng chính sông Hồng bắt nguồn từ dãy núi Ngụy Sơn cao trên 2700 m của
tỉnh Vân Nam (Trung Quốc), chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam, qua tỉnh Vân
Nam (Trung Quốc), chảy vào lãnh thổ Việt Nam tại Lào Cai rồi đổ vào vịnh Bắc Bộ
tại cửa Ba Lạt. Hệ thống sông Hồng ở Việt Nam là do ba nhánh lớn hợp thành là sông

xv


Đà, sông Thao và sông Lô. Chiều dài dòng chính sông Hồng từ nguồn đến cửa Ba Lạt
dài 1126 km, phần chảy trên đất Việt Nam dài 556 km.
Lưu vực hệ thống sông Hồng có hình dạng hẹp, kéo dài ở phần thượng lưu và
mở rộng ở hạ lưu. Tổng diện tích lưu vực là 155 000 km 2, trong đó phần Việt Nam
chiếm 47%.
Tổng lượng nước trung bình hàng năm của sông Hồng chảy qua Sơn Tây là 120

tỷ m3, trong đó phần từ Trung Quốc chảy vào chiếm 36%. Tính đến Sơn Tây so với
lưu vực sông Hồng, sông Lô chiếm 27% diện tích lưu vực, chiếm 28% lượng nước;
sông Đà chiếm 43% diện tích lưu vực, 47% lượng nước; sông Thao chiếm 36% diện
tích lưu vực, 25% lượng nước.
Mạng lưới sông suối của hệ thống sông Hồng khá phát triển ở phần Việt Nam,
loại sông có chiều dài dòng chính từ 5 km trở lên có tới 1659 sông. Mật độ lưới sông
phần nhiều đạt từ 0.5 km/km 2 đến 2 km/km2. nơi có núi cao, độ dốc lớn mưa nhiều thì
nơi đó sông suối dày đặc và ngược lại.
Ba nhánh lớn hợp thành hệ thống sông Hồng gồm có:
a) Sông Thao
Có chiều dài: L = 902 km (trên lãnh thổ Việt Nam dài 332 km).
Diện tích sông: F = 51900 km2 (ở Việt Nam là 12100 km2).
Sông Thao có tên gọi là sông Nguyên ở phía Trung Quốc. bắt nguồn từ dãy núi
Ngụy Sơn thuộc tỉnh Vân Nam-Trung Quốc cao trên 2000 m. Sông Thao là điển hình
về hướng của một con sông do vận động tạo sơn Himalaya vạch ra. Có thể nói sông
Thao có hướng chảy khá ổn định: trừ một đoạn ngắn ở đầu nguồn, đoạn còn lại khá
thẳng theo hướng Tây Bắc-Đông Nam cho tới Việt Trì và cửa sông.
Tổng lượng nước bình quân nhiều năm của sông Thao tại Việt Trì là 28.4 km 3
tương ứng với lưu lượng bình quân là 500 m 3/s và mô đun dòng chảy năm là 17.31
l/s.km2.

xvi


Chế độ dòng chảy trên sông Thao phụ thuộc vào chế độ mưa. Cũng vì vậy mà
mùa lũ trên sông Thao kéo dài trong 5 tháng (từ tháng VI đến tháng X). Lượng dòng
chảy mùa lũ chiếm khoảng 70.3% đến 71.06% lượng dòng chảy cả năm.
b) Sông Đà
Chiều dài sông: L =1010 km, trong nước dài 570 km.
Diện tích sông F = 52900 km2, trong nước 26800 km2 .

Sông Đà có tên gọi là Lý Tiên ở phía Trung Quốc,bắt nguồn từ vùng núi cao
cạnh nguồn của sông Nguyên (sông Thao) thuộc tỉnh Vân Nam. Nằm trong vùng núi
cao, chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thung lũng sâu hẹp, lượng mưa tập trung vào vài tháng
trong năm, có một mạng lưới sông dày đặc.
Sông suối trong lưu vực sông Đà thuộc loại sông suối trẻ, thung lũng sông hẹp,
nhiều đoạn có dạng lõm vực sâu chứng tỏ địa hình mới được nâng lên mạnh. Phần lớn
lòng sông cao hơn mặt biển từ 100-500 m. Do đó sông đang đào lòng mạnh, trắc diện
hẹp, bồi tụ ít, lắm thác ghềnh.
Không kể những phụ lưu lớn, dòng chính sông Đà có mạng lưới thủy văn phân
bố không đồng đều. Mật độ sông suối từ thưa đến rất dày. Vùng đá vôi mưa ít có nơi
xuống dưới 0.50 km/km2 như lưu vực Nậm Sập; vùng núi cao mưa nhiều, như thượng
lưu sông Nậm Mu, mạng lưới sông suối dày đặc khoảng 1.67 km/km 2. Các nơi còn lại
phân bố từ tương đối dày đến dày: 0.5-1.5 km/km2.
Khí hậu trong khu vực dòng chính sông Đà có mùa đông lạnh, khô và mùa hè
nhiều ở vùng cao. Vùng thấp thời tiết khô nóng. Qua phân bố mưa ta thấy rõ được điều
đó: Mường Tè 1637 mm, Lai Châu 2162 mm, Quỳnh Nhai 1739 mm,Vạn Yên 1344
mm, Suối Rat 1538 mm, Sơn La 1496 mm, Mộc Châu 1583 mm…
Lượng mưa trung bình năm trên lưu vực sông Đà là 1800 mm lớn hơn sông
Thao. Tổng lượng nước bình quân nhiều năm của sông Đà khoảng 55.7 km 3 tương ứng
với lưu lượng bình quân là 1770 m3/s và modun dòng chảy năm là 33.5 l/s.km2.
Dòng chảy năm trên sông Đà tăng dần từ Bắc xuống Nam: modun dòng chảy
năm tại Lý Tiên Độ (Trung Quốc) là 25.2 l/s.km 2, khi tới Lai Châu tăng lên thành 34

xvii


l/s.km2. Tuy nhiên từ Lai Châu tới Hòa Bình thì modun dòng chảy năm hầu như không
tăng: tại Hòa Bình là 33.8 l/s.km 2. Điều này có thể giải thích bởi lượng mưa ở phía bờ
phải trên đoạn này của sông Đà giảm sút rõ rệt còn khoảng 1600 mm, vùng cao
nguyên Sơn La, Mộc Châu còn ít hơn nữa, chỉ đạt 1100-1400 mm.

Nước lũ sông Đà rất ác liệt, nhưng chuyển sang mùa kiệt thì dòng chảy khô cạn
khá gay gắt. Tùy điều kiện mặt đệm và lượng mưa nhiều hay ít mà lượng dòng chảy
nhỏ nhất trên lưu vực sông Đà có sự thay đổi từ nơi này qua nơi khác. Dòng chảy
tháng nhỏ nhất bình quân xuất hiện đồng bộ vào tháng III chiếm trên dưới 2% lượng
dòng chảy cả năm. Dòng chảy bình quân tháng nhỏ nhất trên dòng chính sông Đà ít
biến đổi từ thượng lưu về hạ lưu. Nhưng trên các phụ lưu thì phạm vi biến đổi của
dòng chảy nhỏ nhất bình quân tháng từ 2.58 l/s.km2 đến 11.61 l/s.km2.
Dòng chảy bùn cát trên sông Đà thuộc loại lớn trên miền Bắc. Tổng lượng bùn
cát của sông Đà tại Hòa Bình là 72.3 106 tấn ứng với độ đục bình quân nhiều năm là
1310 g/m3.
Phần lớn đất đai trong lưu vực sông Đà là đồi núi. Độ cao bình quân toàn lưu
vực là 1130 m, riêng phần Việt Nam độ cao bình quân là 965 m. Độ dốc đáy sông Đà
đạt 0.41%.
c) Sông Lô
Chiều dài sông là L = 470 km
Diện tích sông là F = 13690 km2
Lưu vực được giới hạn phía Đông là cánh cung Ngân Sơn và cánh cung sông
Gâm, phía Đông Nam là dãy núi Tam Đảo và phía Tây là dãy Con Voi. Hướng dốc
chung là Tây Bắc-Đông Nam. Độ cao bình quân lưu vực là: 500-1000 m.
Dòng chính sông Lô bắt nguồn từ vùng cao nguyên Vân Nam, cao trên 2000 m,
bắt đầu chảy vào Việt Nam tại Thanh Thủy.
Đoạn từ nguồn tới Hà Giang chảy theo hướng Tây Bắc-Đông Nam, thung lũng
sông Lô ở đây rất hẹp, có nơi chỉ rộng khoảng 4-5 km, các bờ núi xung quanh cao từ
1000 đến 1500 m. Từ Hà Giang tới Bắc Quang, sông đổi hướng thành gần Bắc Nam,

xviii


lòng sông rất nhiều thác ghềnh: chỉ kể từ biên giới về tới Vĩnh Tuy đã có tới 60 ghềnh,
thác và bãi bồi. Tới Hà Giang, sông Miện gia nhập vào sông Lô ở bờ phải.

Lưu vực dòng chính sông Lô có lượng nước trung bình nhiều năm lớn nhất so
với các sông khác trong lưu vực. Tổng lượng nước bình quân nhiều năm lên tới 31.9
km3 ứng với lưu lượng bình quân 1010 m3/s, môdun dòng chảy năm là 25.9 l/s.km2.
Dòng chảy năm dao động ít, hệ số biến đổi của dòng chảy năm thay đổi từ 0.17
đến 0.22. Phụ thuộc vào chế độ mưa, chế độ dòng chảy trong lưu vực sông Lô cũng
chia thành hai mùa rõ rệt:
-

Mùa lũ kéo dài 5 tháng, từ tháng VI đến tháng X. Trên các phụ lưu mùa lũ ngắn
hơn, khoảng 4 tháng, từ tháng VI đến tháng IX. Tháng có lượng dòng chảy lớn
nhất trong năm xuất hiện vào tháng VIII. Phía trung lưu dòng chảy tháng lớn nhất
xuất hiện sớm hơn, vào tháng VII và chiếm 17-20 % lượng dòng chảy cả năm.
Cường suất mực nước bình quân lớn nhất trên dòng chính sông Lô có trị số từ 24
đến 44 cm/h. Đường quá trình nước lũ đều có dạng răng lược. Trong suốt mùa lũ
có tới trên 10 ngọn lũ lớn nhỏ và thường đạt tới đỉnh cao nhất vào tháng VII hoặc

-

tháng VIII.
Mùa cạn, mực nước và lưu lượng giảm xuống nhanh chóng. Nước cạn nhất xuất
hiện vào tháng III, lượng dòng chảy của tháng này chỉ chiếm khoảng 2 % lượng
dòng chảy cả năm. Modun dòng chảy nhỏ nhất bình quân tháng đều trên 6 l/s.km 2,
môđun dòng chảy nhỏ nhất tuyệt đối cũng đạt tới 2.6-3.5 l/s.km 2. Dòng chảy mùa
cạn sông Lô biến đổi không nhiều, hệ số biến đổi 0.26-0.30.
Độ dốc trung bình của đáy sông là 0.26 ‰. Riêng các phụ lưu thì dốc hơn

nhiều, độ dốc trung bình của sông con tới 6.18 ‰. Sự dao động lớn về độ cao tương
đối đã tạo ra những thung lũng sâu và hẹp, độ dốc sườn lớn 38-40 0. Địa hình núi, đồi
chiếm trên 80 % diện tích lưu vực. Trên một số phụ lưu diện tích có độ cao từ 600 m
trở lên, chiếm tỷ lệ lớn.

Đặc điểm khí hậu dòng chính sông Lô chịu ảnh hưởng sâu sắc của địa hình và
vị trí lưu vực. Tùy thuộc vào vị trí và đặc điểm cao hay thấp của địa hình cùng mức độ

xix


ảnh hưởng của hoàn lưu gió mùa đối với từng nơi mà có sự thay đổi về khí hậu giữa
các vùng trong lưu vực:
-

Thượng lưu sông Lô có khí hậu nóng vừa, khô và ít mưa.
Trung lưu sông Lô có khí hậu nóng ẩm và mưa nhiều là vùng có mưa lũ lớn nhất

-

lưu vực.
Hạ lưu sông Lô có khí hậu nóng và tương đối ẩm, mưa trên lưu vực nhiều nhất ở
trung lưu và giảm dần về thượng, hạ lưu.

1.2.7. Hiện trạng đoạn sông nghiên cứu
a) Đoạn Thượng Cát- Cửa Đuống
Trên mặt bằng, tại mặt cắt cầu Thăng Long chiều rộng giữa hai đê bị thu hẹp và
chỉ bằng 1.200/2.525 = 0,47 chiều rộng trung bình giữa hai đê trên đoạn sông này.
Chiều rộng mặt thoáng trung bình lòng dẫn ngang cao trình +9.0m & +6.0m tương ứng
1.250m & 820m.
Thượng và hạ lưu cầu Thăng Long là hai đoạn sông phân lạch không ổn định.
Dọc hai bờ sông đoạn này trong những năm gần đây đã có các công trình bảo vệ bờ
được xây dựng, đáng kể là kè lát mái Liên Hồng, Thụy Phương, Phú Gia và hệ thống
các kè chắn bảo vệ bờ Tầm Xá. Mặc dù vậy những công trình này cũng chưa đủ mạnh
để khống chế sự diễn biến của đoạn sông Hồng khu vực Hà Nội.

b) Đoạn Của Đuống- Thanh Trì
Trên mặt bằng, tại mặt cắt cầu Chương Dương chiều rộng giữa hai đê bị thu hẹp
và chỉ bằng 1.250/2.340=0,53 chiều rộng trung bình giữa hai đê trên đoạn sông này.
Thực tế đoạn bến phà Chương Dương khi xưa và Cầu Long Biên, Cầu Chương Dương
hiện nay là nút khống chế, kiểm soát diễn biến trục động lực dòng chảy trên đoạn sông
Phúc Xá- Bắc Cầu và đoạn Cảng Hà Nội- Thạch Cầu. Chiều rộng mặt thoáng trung
bình của đoạn sông ngang mực nước +9.0m & +6.0m tương ứng 1.140m & 320m.
Đoạn hạ lưu cầu Chương Dương hiện nay về cơ bản là đoạn sông một lạch, chủ
lưu dòng nước đi bám sát mép cảng Hà Nội, lạch Thạch Cầu gần như bị suy thoái hoàn
toàn trong những năm gần đây.

xx


c) Đoạn Thanh Trì- Vạn Phúc
Đoạn sông từ Thanh Trì đến Vạn Phúc là đoạn sông bị uốn cong mạnh. Hệ số
uốn cong của đoạn sông này đạt giá trị lớn nhất trong phạm vi đoạn sông Hồng khu
vực Hà Nội, K=Ls/Lt = 1,5 (nằm trong biên độ giá trị hệ số uốn cong của sông Hồng
đoạn từ Sơn tây đến Vạn Phúc- K = 1,09-1,5)
Trên mặt bằng đoạn sông có mức độ uốn cong lớn nên khoảng cách giữa hai đê
cũng lớn và dao động từ 2.000m (tại Thanh Trì) lên đến 6.500m (tại Duyên Hà). Tuy
nhiên chiều rộng mặt thoáng trung bình ngang cao độ +9.0m và +6.0m cũng chỉ đạt
tương ứng 780m & 600m.
1.2.7. Diễn biến hình thái đoạn sông nghiên cứu [4]
a) Hình thái mặt bằng
Nhìn tổng quát, hình thái mặt bằng đoạn sông mùa nước trung trong gần 100
năm nay về cơ bản không có những thay đổi lớn, với 3 nút khống chế, hai đoạn mở
rộng, một cửa phân lưu sông Đuống, hai lạch sông, hai bãi giữa. Phân tích lạch chính,
ta thấy đoạn sông nghiên cứu gồm hai khúc cong ngược chiều nhau, trong đó khúc
cong ở phía cửa Đuống là khúc cong lớn nhất với chu kỳ hình sin từ Sơn Tây đến cửa

Ba Lạt, tại đây sông Hồng đổi hướng từ Đông- Đông Nam sang Nam- Đông Nam. Với
các yếu tố trên rõ ràng đoạn sông Hồng chảy qua Hà Nội là đoạn sông phân lạch tương
đối ổn định.
b) Sự phát triển của bãi bên và bãi giữa
Đoạn sông nghiên cứu thường biến động mạnh ở khu vực hai đoạn phình Phúc
Xá và cảng Hà Nội, điều này thể hiện rất rõ qua sự thay đổi của bãi Tứ Liên, bãi Thạch
Cầu, bãi Bắc Biên và bãi Đồng Nhân. Sự biến đổi mang tính đồng dấu giữa hai bãi lớn
Tứ Liên và Thạch Cầu, hai bãi bên nhỏ là bãi Bắc Biên và bãi Đồng Nhân; mối liên
quan ngược dấu giữa hai bãi lớn, nhỏ đối diện nhau: Tứ Liên- Bắc Biên và Thạch CầuĐồng Nhân. Qua các mối tương quan giữa các bãi này, chúng ta có thể tìm thấy dấu
hiệu của các xu thế phát triển của lòng sông.

xxi


Các hiện tượng động lực trong vùng cảng, phần lớn đều có nguồn gốc từ các
hiện tượng đồng tính ở trên các đoạn thượng lưu cầu Long Biên. Sự lan truyền các ảnh
hưởng bị khống chế ít nhiều qua các tuyến cầu ở nút Chương Dương, vì vậy có hiện
tượng lệch pha giữa các dao động. Quá trình thu hẹp và mở rộng của bãi Tứ Liên được
lặp lại nhưng chậm hơn và quy mô nhỏ hơn ở Thạch Cầu, trái lại quá trình mở rộng và
thu hẹp của bãi Bắc Biên cũng được lặp lại chậm hơn và quy mô nhỏ hơn ở bãi Đông
Nhân.
c) Các lần đổi lạch và sự phát triển thế sông
Trong khoảng thời gian từ 1901-1998 chúng ta có thể thấy được 3 lần hoán vị
chủ thứ của hai lạch Gia Lâm và Phúc Xá.
Lần 1: Trước khi xây dựng cầu Long Biên thì lạch Phúc Xá là lạch chính dòng
chủ đi sát vào phía bờ Phúc Xá chính vì vậy mà cảng Hàng Mắm lúc đó được đặt ở vị
trí cách vị trí cầu Long Biên khoảng 1km. Bãi Tầm Xá và đảo Trung Hà tạo thành một
bãi giữa rộng lớn. Nhánh Gia Lâm sau khi chảy vòng qua lưng bãi Tâm Xá phân lưu
vào sông Đuống thì nhập lưu với dòng chủ ở nhánh Phúc Xá tạo thành một dòng chảy
thống nhất đi qua đỉnh cong ở phía bãi Thạch Cầu. Vào những năm 1905 sau khi cầu

Long Biên được xây dựng xong (1902) chế độ dòng chảy thay đổi lớn, dòng chảy
chuyển từ lạch Phúc Xá sang Gia Lâm. Bắt đầu những năm 1930, lạch Gia Lâm đã trở
thành lạch chính buộc cảng Hàng Mắm phải dịch về vị trí cảng hiện nay. Thế sông đó
ổn định cho đến khoảng giữa năm 1970 (1973-1975)
Lần 2: Sau những trận đánh phá dữ dội của không quân Mỹ cuối năm 1972,
nhiều đoạn cầu phía bờ tả bị phá, cầu bị gãy gục xuống lòng sông tạo ra những chướng
ngại vật ngăn cản dòng nước qua nhánh này. Năm 1973 hoà bình lập lại, cầu Long
Biên được sửa chữa và buộc phải làm thêm trụ mới trong lòng sông, xây thêm nhiều
mố bảo vệ, mặt cắt ngang lạch Gia Lâm bị thu hẹp nghiêm trọng. Bãi Bắc Biên do con
lũ lịch sử năm 1971 để lại nay có điều kiện phát triển mở rộng tăng thêm sức cản trong
lạch Gia Lâm tạo điều kiện cho lạch Phúc Xá phát triển trở lại. Nguyên nhân của lần
đổi lạch lần này ta có thể thấy sức cản nhân tạo là nhân tố chính gây đổi lạch, cụ thể là:

xxii


- Phía thượng lưu cầu Long Biên, yếu tố chủ đạo phía bờ phải là dòng chảy, ở
bờ trái có yếu tố lòng dẫn. ở bờ trái bãi Bắc Biên di chuyển hình thành trong vùng
nước dâng, các sắt hạt mịn đã tạo ra mỏm đất khó xói nằm chéo như một chiếc mỏ hàn
hướng dòng chảy vào bãi Trung Hà. Hơn 20 trụ cầu Long Biên và các chướng ngại
nhân tạo khác cũng làm cho yếu tố lòng dẫn trở thành chủ đạo bờ trái.
- Ảnh hưởng của cầu phao Chương Dương làm thay đổi dòng chảy. Dòng chảy
mặt bị cản trở làm giảm lưu tốc dòng chảy chính tại phía bờ hạ lưu. Cộng với việc thi
công các mố cầu Thăng Long trong thời gian này có thể làm thay đổi chế độ dòng
chảy vốn đã ổn định lâu nay ở đoạn Phú Gia.
Về mức độ biến động thì năm 1980 đến năm 1984 là thời kỳ có nhiều biến động
lớn trên đoạn sông nghiên cứu. Biến động xảy ra ở tất cá các mặt: dòng chảy, lòng
dẫn, trên cả ba chiều không gian, kết quả của sự biến động này được đánh dấu bằng
hai sự kiện lớn:
- Bắt đầu từ mùa khô năm 1981-1982, lần đầu tiên trong hơn 40 năm khai thác

cảng Hà Nội bị bồi lấp nghiêm trọng không còn hoạt động được, dưới cao trình +3,0,
dòng chảy tách ra xa cảng (300á400)m
- Từ mùa khô năm 1982-1983, dưới mực nước +4,0, toàn bộ lưu lượng dòng
chảy sông Hồng dông sang lạch Quýt, sau hơn 40 năm phát triển và tồn tại lạch Gia
Lâm hoàn toàn phơi đáy.
Lần 3: Bắt đầu từ năm 1984 đến nay, sau khi đoạn sông này đạt tới mức độ xấu
nhất cho các hoạt động kinh tế vào cuối năm 1983. Sau lũ 1984 có những dấu hiệu mới
về xu thế phát triển của lòng sông. Những dấu hiệu đó là:
- Sự mở rộng, nâng cao và lan truyền xuống hạ lưu của bãi An Dương, Tứ Liên.
So sánh hai bình đồ tháng 5 và tháng 11 năm 1984 diện tích bãi Tứ Liên trên cao trình
+5,0 đã tăng gấp đôi.
- Đuôi bãi có dạng hình nêm đang lấn dần về cửa lạch Quýt, đã lấp được hố sâu
ở đỉnh cong Phúc Xá và chắn ngang dòng chảy vượt qua trước mũi đảo Trung Hà.

xxiii


Chiều rộng lạch ngang đã thu hẹp đáng kể, và chủ lưu dòng chảy vùng cửa Đuống đã
ép sát bãi Bắc Biên.
- Đỉnh cong Bắc Biên bị xói lở mạnh, đuôi bãi Bắc Biên cũng đang bị co lại. Lũ
năm 1984 đã nâng dung tích dưới cao trình +10,0 của nhánh Gia Lâm từ 13,8 triệu m 3
tăng thêm 6,6 triệu m3 trong đó lạch Quýt từ 8,8 triệu m3 rút xuống 8,3 triệu m3.
- Bãi bồi trước cảng Hà Nội sau lũ 1984 đã cắt được một đoạn đuôi khá dài so
với năm 1983 và làm cho dung tích lòng sông vùng cảng dưới cao trình +5,0 từ 1,4
triệu m3 năm 1982 tăng lên 5,9 triệu m3 năm 1984.
Sự phát triển nhanh chóng của Bãi Tứ Liên từ sau năm 1984 làm cho phương
hướng dòng chảy thay đổi ở phía thượng lưu cửa Đuống. Đuôi bãi Tứ Liên phát triển
mạnh và ngày càng thu hẹp cửa vào nhánh Phúc Xá làm cho dòng chảy đi vào nhánh
này gặp khó khăn hơn. Như vậy, nhánh Gia Lâm có điều kiện phát triển trở lại. Tới
năm 1990 thì dòng chủ đã hoàn toàn ở bên nhánh Gia Lâm, đuôi bãi hình nêm ở bãi

Tứ Liên lúc này đã tách ra và nhập vào với đảo Trung Hà và làm cho đảo này kéo dài
về phía thượng lưu mở rộng về phía bờ phải dẫn đến nhánh Phúc Xá bị co hẹp lại.
Có thể thấy rằng sự đổi lạch lần này do sự phát triển của bãi Tứ Liên gây ra.
Tuy nhiên đây mới chỉ là hệ quả của hàng loạt nguyên nhân có nguồn gốc từ phía
thượng lưu, các nguyên nhân có thể là:
- Cầu Thăng Long được khánh thành và đưa vào hoạt động, hàng loạt các trụ
cầu đã gây cản trở dòng chảy.
- Sự hoạt động của nhà máy thủy điện Hoà Bình cũng góp phần tạo ra một số
thay đổi trên đoạn sông này, đặc biệt là chế độ bùn cát.
Tới năm 1998 tình hình đã khác đi, bãi Bắc Biên được bồi phía bờ thôn Bắc
Cầu, lạch sâu ở nhánh Gia Lâm bị ép sát sang phía đảo Trung Hà và làm cho đảo này
bị xói và hẹp lại. Vì vậy, phía vào của nhánh Phúc Xá dòng chảy sẽ đi vào thuận lợi
hơn nhưng lạch Gia Lâm vẫn là lạch chính.

xxiv


Nhận xét chung:
Phân tích tổng quát mặt bằng đoạn sông nghiên cứu qua các thời kỳ, thấy có 3
thế sông cơ bản như Hình 1.1. Các tham số hình học cơ bản của 3 thế sông được thống
kê trên Bảng 1.1
- Hiện nay tình hình diễn biến đang xấu đi, do sự bồi lắng ở lạch chính vùng bãi
Tầm Xá, sự phát triển ở lạch phải Phú Gia, có thể làm cho thế sông quay lại thế sông
A3.
Như vậy, tất cả công trình chỉnh trị đã xây dựng vẫn chưa ổn định được thế sông.

Hình 1 1. Sơ đồ các thế sông chính
Bảng 1.1: Các tham số đặc trưng của các thế sông Hồng đoạn qua Hà Nội cũ
Thế
sông

A1

Các năm
xuất hiện
1959-1964
1995-2002

A2

1917-1926
1936-1940

A3

1901
1981-1984
Ghi chú:

1
Bờ hữu
(Liên
Mạc Chèm)
Bờ hữu

Bờ hữu

Đoạn bờ định hướng
2
3
4

Tầm
Bắc
Cảng Hà
Xá
Cầu
Nội
Hải
Bối

Xóm
Xoi

Phú
Gia

Phúc
XáChương
Dương

Không ổn
định (Cảng
HN- Thạch
Cầu)
Thanh Trì

Phân đoạn 1- Thượng lưu cầu Thăng Long
Phân đoạn 2- Cầu Thăng Long- Cửa Đuống
Phân đoạn 3- Cửa Đuống- cầu Chương Dương
Phân đoạn 4- Hạ lưu cầu Chương Dương

xxv

1
Bờ
hữu

Lạch chính
2
3
Bờ tả Bờ hữu

Bờ
hữu

Bờ tả

Bờ tả
(Phú
Gia)

Bờ
hữu
(Phú
Gia)

4
Bờ tả

Bờ hữu Không
(Chương

ổn
Dương)
định
Lạch
Quýt
(Phúc
Xá)

Thạch
Cầu