MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC 2 CHIỀU BẰNG MÔ HÌNH TREM (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Ngô Thị Hà

MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC 2 CHIỀU BẰNG
MÔ HÌNH TREM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

0


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 6
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN HAI CHIỀU ....... 6
1.1.1. Mô hình MIKE 21 ............................................................................. 9
1.1.2. Mô hình SMS ................................................................................... 10
1.1.3. Mô hình TREM ................................................................................ 10
1.2. GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................... 11
1.2.1. Vị trí địa lý ...................................................................................... 11
1.2.2. Địa hình, địa mạo........................................................................... 11
1.2.3. Địa chất, thổ nhưỡng ...................................................................... 12
1.2.4. Lớp phủ thực vật ............................................................................. 12
1.2.5. Khí hậu ............................................................................................ 13
1.2.6. Đặc điểm thủy văn và hệ thống sông ngòi ...................................... 13

1.2.7. Hiện trạng đoạn sông nghiên cứu................................................... 18
1.2.7. Diễn biến hình thái đoạn sông nghiên cứu ..................................... 19
1.2.8. Diễn biến đáy sông qua các thời kỳ ................................................ 24
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐÃ CÓ........................................................ 25
1.3.1. Các nghiên cứu của Viện Khoa học Thuỷ lợi ................................. 25
1.3.2. Nghiên cứu quy hoạch tăng khả năng thoát lũ sông Hồng của Cục Đê
điều ............................................................................................................ 26
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 ........................................................................................................... 27
1.3.4. Các nghiên cứu của Bộ GTVT ........................................................ 28
1.3.4. Nhận xét .......................................................................................... 29
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH TREM .......... 30
2.1. CÁC PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN....................................................... 30
2.1.1. Phương trình dòng chất lỏng .......................................................... 30
2.1.2. Phương trình liên tục bùn cát ......................................................... 31
2.1.3. Các phương trình sức tải cát .......................................................... 32
2.1.4. Biến đổi phương trình tải cát đáy ................................................... 32
2.2. LỜI GIẢI SỐ ....................................................................................... 33
2.2.1. Quan niệm của gián đoạn hoá trong thể tích hữu hạn FVM (finite
volume method) ......................................................................................... 33
2.2.2. Lời giải ma trận hệ số 9 đường chéo .............................................. 35
2.2.3. Gián đoạn hoá phương trình Exner ................................................ 36

1


2.3. ĐIỀU KIỆN BIÊN................................................................................ 36
2.3.1. Điều kiện biên thuỷ lực ................................................................... 36
2.3.2.Điều kiện biên bùn cát ..................................................................... 37

CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC 2 CHIỀU BẰNG MÔ HÌNH
TREM .............................................................................................................. 38
3.1. THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN CHO MÔ HÌNH TREM .................. 38
3.1.2. Thiết lập điều kiện biên bằng mô hình MIKE 11 ............................ 38
3.1.3.Nhận xét ........................................................................................... 46
3.2. XÂY DỰNG BIÊN VÀ LƢỚI TÍNH TOÁN CHO ĐOẠN SÔNG .... 46
3.2.1. Xây dựng biên ................................................................................. 46
3.2.2. Xây dựng lưới tính toán .................................................................. 47
3.3. MÔ PHỎNG TRƢỜNG VẬN TỐC CHO TRẬN LŨ THÁNG 8 NĂM
1996 ............................................................................................................. 49
3.4. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC PHƢƠNG ÁN CHỈNH TRỊ 58
3.4.1. Các phương án chỉnh trị ................................................................. 58
3.4.2. Đánh giá ảnh hưởng của phương án chỉnh trị đến trường vận tốc 59
3.4.3. Đánh giá ảnh hưởng các phương án chỉnh trị đến khả năng bồi xói65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 75

2


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 đƣợc quy luật thì chúng ta có thể dự báo
cũng nhƣ có các giải pháp tích cực phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội.
Trên hệ thông sông Hồng, hiện tƣợng 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 phƣơng thẳng đứng và phƣơng nằm ngang. Có thể thấy ở nhiều nơi, nhƣ
đoạn từ Thƣợng Cát tới phà Khuyến Lƣơng, sự xói lở theo hƣớng ngang đã gây
thiệt hại rất lớn do hai bên bờ sông là nơi tập trung các điểm dân cƣ và cơ sở kinh
tế. Đây cũng là nơi trong tƣơng 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 đƣờng giao thông. Chính vì
vậy vấn đề kiểm xoát và đƣa ra các giải pháp chỉnh trị khả thi sẽ có vai trò đặc biệt
quan trọng đối với khu vực này.
Ở nƣớc ta, xói lở đã đƣợc nghiên cứu từ lâu bằng các phƣơng pháp khác nhau,
tuy nhiên phƣơng pháp mô hình toán đƣợc đánh giá cao do giải quyết đƣợc nhiều
vấn đề thực tế đặt ra. Lớp các mô hình đƣợc sử dụng bao gồm lớp mô hình 1 chiều,
2 chiều, 3 chiều. Các mô hình 1 chiều có thể kể đến nhƣ HEC-6 (phiên bản mới
đƣợc tích hợp trong HEC-RAS), MIKE 11, ISiS…; một số mô hình 2, 3 chiều nhƣ
MIKE 21, EFDC, DEL3D… Các mô hình này đã và đang giải quyết đƣợc nhiều
vấn đề thực tế đặt ra và đã xây dựng đƣợc giao điện cho ngƣời sử dụng. Tuy nhiên
đây là các mô hình hoặc thƣơng mại hoặc chỉ giới hạn là mô hình một chiều, vì vậy
ngƣời sử dụng chỉ có thể sử dụng phần mềm mà không thể tham gia vào thay đổi
đƣợc chƣơng 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

3


hiện trạng xói lở lòng sông. Mô hình đã đƣợc TS. Nguyễn Tiền Giang phát triển và
ứng dụng cho sông của Việt Nam. Với những nền tảng nhƣ 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 TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Luận văn tập trung vào đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu nhƣ 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 Lƣơng
ứng với kịch bản chỉnh trị lòng sông.

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu, đƣợc sự cho phép của Thầy hƣớng dẫn
khoa học cũng nhƣ các điều kiện khách quan phạm vi nghiên cứu đƣợc thu hẹp lại cho
đoạn sông Hồng từ Cầu Long Biên đến Khuyến Lƣơng. Một số lý do chính trong sự
thay đổi này nhƣ sau:
- Hiện tại, trong đoạn sông nghiên cứu có trạm thủy văn Hà Nội nằm tại hạ lƣu
cầu Long Biên, đây là trạm thủy văn cấp I nên có số liệu đo đạc tốc độ, lƣu lƣợng,
mực nƣớc và có thể phục vụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình. Trong khi
đoạn sông từ Chèm đến ngã ba Thƣợng Cát không có số liệu thực đo.
- Ba trong bốn đoạn sông trong phƣơng án chỉnh trị đều tập trung trong khu vực
hạ lƣu 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 chƣa xét đến thời gian lấy và thể hiện kết quả tính toán.
III.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4

Trong luận văn học viên đã áp dụng các phƣơng pháp kế thừa, phƣơng pháp
điều tra và khảo sát thực địa và phƣơng 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 chƣơng:
Chƣơng 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 lƣợc về khu vực nghiên
cứu và một số công trình nghiên cứu có liên quan.
Chƣơng II: Tập trung giới thiệu cơ sở lý thuyết mô hình TREM đã đƣợc xây
dựng và phát triển bởi TS. Nguyễn Tiền Giang.
Chƣơng III: Trình bày thành quả nghiên cứu của học viên trong thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp.

5


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN HAI CHIỀU
Việc nghiên cứu xói lở lòng sông đã đƣợc tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới.
Nhiều phƣơng pháp và mô hình biến dạng lòng sông đã đƣợc xây dựng, góp phần giải
quyết những bài toán thực tế đặt ra.
Đã có tƣơng đối nhiều nghiên cứu về tính toán biến hình lòng sông và biến
động đƣờng bờ, cũng nhƣ xây dựng các công trình chống xói lở bờ sông và bờ biển.
Trên cơ sở hệ phƣơng trình động lực dòng chảy và cân bằng bùn cát ngƣời ta đã xây
dựng các sơ đồ sai phân để tính toán diễn biến lòng sông. Velikanov và Grixanhin
(Nga,1965) đƣa ra phƣơng pháp biến hình giúp cho việc giải quyết bài toán xói lở

đƣợc dễ dàng và chính xác hơn. Sau đó một loạt các mô hình ra đời, dùng riêng cho
diễn biến lòng sông, cũng nhƣ 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 Trƣờng 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 nƣớc, 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 đƣợc nghiên cứu và triển khai xây
dựng tại các khu vực trọng điểm xói lở nhƣ ở thƣợng lƣu 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
nhƣ 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, chƣa đi sâu vào việc sử
dụng mô hình cho diễn biến lòng sông. Trong thời gian gần đây đã sử dụng một số mô

6


hình nhƣ 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 nhƣ
nhau trên toàn mặt ngang, chƣa xem xét vận chuyển bùn cát và xói lở không đều theo
chiều ngang.
Trong thực tế các sông thƣờng bị xói lở theo cả chiều dọc và chiều ngang rất
mạnh mẽ và chúng có tác động tƣơng hỗ với nhau. Rất nhiều nơi sự xói lở theo hƣớng
ngang mới có vai trò quan trọng nhất, bởi vì hai bờ sông là nơi tập trung các điểm dân
cƣ 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 hƣởng đến đƣờng biên giới
chung giữa 2 nƣớc. Một số kết quả nghiên cứu trong các dự án trƣớc đã làm sáng tỏ
nguyên nhân và các giải pháp cần thiết để giảm thiểu ảnh hƣởng. Tuy nhiên việc xói lở
diễn ra mạnh ở 2 bờ, mà các nghiên cứu và mô hình trƣớc không giải quyết đƣợc. 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 đƣợc sử dụng trong một số công
trình nghiên cứu biến dạng lòng dẫn. MIKE 21C đƣợc Viện Khoa học Thuỷ lợi sử
dụng trong nghiên cứu lòng dẫn hệ thống sông Hồng (2006-2007) trƣớc và sau khi có
hoạt động của các hồ chứa Hoà Bình và Tuyên Quang. MIKE 21C cũng đƣợc áp dụng
khi nghiên cứu biến dạng vùng Cửa sông Hậu (2006) và mô phỏng lũ lòng sông Cửu
long (2005). Trƣờng 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 tƣ vấn công trình giao thông (TEDY) sử dụng MIKE 21C khi phân
tích trƣờng dòng chảy tại cửa sông phân lạch khu vực Trung Hà (sông Đà) (2007) dƣới
tác dụng của các công trình chỉnh trị. Các kết quả thu đƣợc 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 phƣơng trình sóng nƣớc nông 2 chiều bằng
phƣơng 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. Lƣơng Tuấn Anh và Nguyễn Hoàng Minh
(2006) sử dụng thuật toán Runge- Kutta bậc 3 và phƣơng pháp nội suy tuyến tính nối

7


tiếp để giải hệ phƣơng trình sóng nƣớc nông 2 chiều. Từ đó thu đƣợc biểu đồ phân bố
vận tốc, độ sâu (mực nƣớc) tại khu vực nghiên cứu. Lƣơng Tuấn Anh và Nguyễn
Thanh Sơn (2007) đã áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán thuỷ lực
sƣờn dốc tựa 2 chiều, trong đó các giải sƣờn dốc chạy từ đƣờng phân nƣớc tới lòng
sông và song song với nhau. Trên mỗi giải sƣờn dốc giải hệ phƣơng trình 1 chiều. Tuy
nhiên những nghiên cứu dạng này mới chỉ giải quyết về mặt thuỷ lực chứ chƣa 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 trƣng 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 trƣng
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 trƣờng hợp đó, mô hình dòng chảy 2 chiều
(2D) sử dụng hệ phƣơng trình nƣớc nông (shallow water equations) hay hệ phƣơng
trình trung bình theo độ sâu (depth-averaged equations) đƣợc xem là đủ để mô tả các
đặc trƣng dòng chảy.
Hệ phƣơng trình depth-averaged lần đầu tiên đƣợc Kuipers và Vreugdenhill
giới thiệu năm 1973 viết trên hệ tọa độ Đề các. Tuy nhiên, khi áp dụng hệ phƣơng
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 đƣợc thử nghiệm (Vreugdenhill và
Wijbenga, 1982), nhƣng qua các ứng dụng, nó vẫn bộc lộ những hạn chế do độ thô của
lƣới tính ở gần các biên, hoặc tăng thời gian tính toán cùng bộ nhớ của máy tính nếu
muốn tăng độ phân giải của lƣới.
Thompson (1980) là một trong những ngƣời đầu tiên giới thiệu hệ tọa độ cong
phù hợp biên để giải quyết hạn chế này. Theo đó, trƣớc hết hệ phƣơng trình depthaveraged viết trên hệ tọa độ Đề các đƣợc biến đổi sang hệ tọa độ mới với 2 trục tọa độ
(  , ). Giải hệ phƣơng trình này trên lƣới cong đã xây dựng cho phép ta có một bức
tranh chi tiết hơn về các đặc trƣng dòng chảy trong sông, đặc biệt là trong các đoạn
sông cong hoặc có biên phức tạp.

8


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 đƣợc sửa chữa và
nâng cấp bởi Giáo sƣ Takashi Hosoda và các cộng sự ở cùng phòng nghiên cứu sau
khi Nagata qua đời (2000). Phiên bản này sau đó đã đƣợc sử dụng nhƣ là phần tính

dòng chảy nền khi kết nối với các modul vận chuyển bùn cát cũng nhƣ 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 phƣơng trình tổng
quát để giải bài toán biến dạng lòng dẫn 2 chiều. MIKE 21C đƣợc giải trong hệ thống
toạ độ cong trực giao. Tuy nhiên trong các bƣớc xử lý có các cách giải quyết khác đề
tạo thuận lợi cho ngƣời sử dụng.
Mô hình cũng dựa vào một số giả thiết, đó là dòng chảy trong lòng dẫn nƣớc
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 nƣớc đƣợc 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 hƣởng của dòng chảy thứ cấp và dòng chảy
xoắn do sự phối hợp của chuyển động theo hƣớng ngang và hƣớng dọc sông.
Mô hìmh hình thái: Phƣơng 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
tƣơng tự nhƣ trong mô hình TREM.
Giải đƣợc tiến hành cho từng nút lƣới, giải đồng thời cho cả thuỷ lực chất lỏng
và hình thái lòng dẫn, tƣơng tự mô hình TREM. Lƣới đƣợc xác định theo hệ toạ độ
cong cho phép giải trên sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn, có một hƣớng song song
với hƣớng dòng chảy, còn một hƣớng gần nhƣ trực giao với nó. Lƣới không cố định,
sau khi xói thì đƣờng bờ thay đổi và nếu tại một vị trí xói bờ vƣợt quá một độ rộng dự
định trƣớc (liên quan đến độ rộng ô lƣới dọc theo bờ tính toán đƣợc) thì lƣới đƣợc cập

9


nhật và xác định một đƣờng 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 đƣợc đề xuất bởi Phòng thí
nghiệm nghiên cứu mô hình môi trƣờng thuộc Đại học tổng hợp Brigham Young,
Vƣơng 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 phƣơng trình sử dụng
cũng gồm 2 phƣơng trình mômen cho 2 chiều x và y, một phƣơng trình liên tục chất
lỏng và một phƣơng trình liên tục của bùn cát. Các phƣơng trình thuỷ lực đƣợc giải
bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn với phƣơng pháp số dƣ trọng số Galerkin. Giải
bằng sơ đồ ẩn đầy đủ và phƣơng 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
đƣợc coi là phù hợp với một bể bùn cát độ dày hữu hạn, dƣới nó là một mặt không xói.
Bùn cát đƣợc thêm vào hoặc lấy đi khỏi đáy đƣợc xác định bởi số hạng nguồn và ra ở
bƣớc thời gian trƣớc. Đáy bùn-sét đƣợc xử lý nhƣ một dãy các lớp, mỗi lớp có các đặc
tính của nó về độ dày, mật độ, tuổi và cƣờng 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 đƣợc yêu cầu trên. Mô hình sử
dụng phƣơng 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 đƣợc 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

10

hƣớng dọc và hƣớng ngang, độ sâu và nồng độ bùn cát tại các điểm nút tƣơng ứng với
các thời khoảng tính toán. Chi tiết cơ sở lý thuyết mô hình đƣợc giới thiệu trong
chƣơng 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 nƣớc ta. Lƣu vực hệ
thống sông Hồng có tổng diện tích 155 000 km2, trong đó tới hơn nửa diện tích (53%)
nằm ở nƣớc ngoài (Trung Quốc, Lào) còn diện tích phần trong nƣớc chỉ khoảng 72
300 km2. lƣu vực nằm trong phạm vi từ 20000’ đến 25030’ vĩ độ Bắc và từ 100000 đến
106007’ kinh độ Đông, phía Bắc giáp lƣu vực sông Trƣờng Giang, phía Đông giáp lƣu
vực hệ thống sông Thái Bình và vịnh Bắc Bộ, phía Tây giáp lƣu vực sông Mê Kông và
sông Mã.
1.2.2. Địa hình, địa mạo
Địa hình lƣu vực hện thống sông Hồng phần lớn là đồi núi, chia cắt mạnh, có
hƣớng dốc chung từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Phía Tây có dãy núi Vô Lƣơng cao
trên 2500 m, phân cách lƣu vực hệ thống sông Mê Kông và lƣu vực sông Hồng. Trong
lƣu vực có dãy Hoàng Liên Sơn với đỉnh Phan-Xi-Pan cao nhất nƣớc ta (3143 m),
phân chia lƣu vực sông Đà và lƣu vực sông Thao. Lƣu vực hệ thống sông Hồng có tới
70% diện tích ở độ cao trên 500 m và khoảng 47% diện tích lƣu vực ở độ cao trên
1000 m. Độ cao bình quân lƣu vực cỡ 1090 m. Do chủ yếu là địa hình đồi núi nên độ
dốc lƣu vực khá lớn, bình quân đạt từ 15% đến 35%. Một số lƣu vực sông nhƣ Ngòi
Thia có độ dốc đạt tới 42%, Suối Sập 46,6%.
Đồng bằng sông Hồng đƣợc tính từ Việt Trì, chiếm hơn 7% diện tích toàn lƣu
vực, thấp và tƣơng 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 tƣơng đối
độc lập. Vùng cửa sông giáp biển có nhiều cồn cát và bãi.

11

1.2.3. Địa chất, thổ nhưỡng
Ở vùng núi và trung du của lƣu vƣc, 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 dƣới tác động của dòng nƣớc, nhiệt độ, độ ẩm … nên bao
gồm nhiều loại đất khác đá khác nhau về thành phần khoáng chất. Bắc và Đông Bắc
lƣu 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 lƣợng 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 nhƣỡng rất
khác nhau. Đất ở vùng này đƣợc phát triển từ các loại đá gốc nhƣ diệp thạch tinh thể,
hoa cƣơng, càng xuống phía Tây Nam diệp thạch và đá vôi càng nhiều còn ở phía
Đông Nam là diệp thạch và hoa cƣơng. 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 cƣơng, 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
lƣu vực sông Đà thậm chí có nơi chỉ còn 6-10%; rừng thƣợng nguổn sông Lô còn khá
hơn chiếm khoảng 20-30%.
Sau khi nhà máy thủy điện Hòa Bình đƣợc xây dựng, rừng vùng lƣu vực hồ đã
bị tàn phá nghiêm trọng mà tác nhân chủ yếu là khai thác quá mức, du canh du cƣ, đốt
nƣơng làm rẫy. Hàng năm khu vực này có khoảng 120 đến 160 ha rừng bị xâm phạm
và đốt cháy làm nƣơng rẫy mới. Nếu tính toàn vùng Tây Bắc (bao gồm các khu vực
thuộc lƣu vực hồ Hòa Bình và lân cận) thì đến nay chỉ còn 5 - 6% diện tích đất tự
nhiên là có rừng che phủ.

12

1.2.5. Khí hậu
Lƣu vực hệ thống sông Hồng có khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng và ẩm. lƣợng
mƣa hàng năm khá phong phú nhƣng phân bố không đều theo không gian và thời gian.
Chế độ mƣa trong năm phân hóa sâu sắc theo mùa: một năm hình thành hai
mùa mƣa và khô rất rõ rệt. Mùa mƣa thƣờng chỉ kéo dài 5 tháng, từ tháng V đến tháng
IX, với lƣợng mƣa chiếm tới 75-85% tổng lƣợng mƣa năm. Mùa khô kéo dài tới 7
tháng nhƣng có lƣợng mƣa chỉ chiếm 15-25% tổng lƣợng mƣa năm.
Sự phân bố lƣợng mƣa trên lƣu 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 thƣờng mƣa rất
nhiều và tạo thành các tâm mƣa nhƣ: Bắc Quang, Mƣờng Tè, Hoàng Liên Sơn. Vùng
núi thuộc dãy Hoàng Liên Sơn, Tây Côn Lĩnh và vùng núi Ba Vì – Tam Đảo có lƣợng
mƣa từ 2400 mm/năm đến 2800 mm/năm. Đặc biệt tâm mƣa Bắc Quang có năm đạt
đến 5499 mm/năm. Những vùng khuất sau những dãy núi chắn gió nhƣ thung lũng
Yên Châu, cao nguyên Sơn La, lòng chảo Nghĩa Lộ, vùng thƣợng nguồn sông Gâm có
lƣợng mƣa nhỏ, chỉ khoảng 1200 mm/năm đến 1600 mm/năm. Vùng đồng bằng có
lƣợng mƣa trung bình 1700 mm/năm.
Lƣợng mƣa biến đổi qua các năm trong thời kỳ nhiều năm không lớn: lƣợng
mƣa của năm mƣa nhiều chỉ lớn gấp 2-3 lần lƣợng mƣa của năm mƣa ít.
Nhiệt độ không khí trung bình trên lƣu vực thay đổi từ 150 (phần Trung Quốc)
đến 240 (phần Việt Nam). Lƣợng bốc hơi hàng năm trên lƣu vực không lớn và biến đổi
ít dọc theo không gian. Lƣợng 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 hƣớng 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

13

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.
Lƣu vực hệ thống sông Hồng có hình dạng hẹp, kéo dài ở phần thƣợng lƣu và
mở rộng ở hạ lƣu. Tổng diện tích lƣu vực là 155 000 km2, trong đó phần Việt Nam
chiếm 47%.
Tổng lƣợng nƣớc 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
lƣu vực sông Hồng, sông Lô chiếm 27% diện tích lƣu vực, chiếm 28% lƣợng nƣớc;
sông Đà chiếm 43% diện tích lƣu vực, 47% lƣợng nƣớc; sông Thao chiếm 36% diện
tích lƣu vực, 25% lƣợng nƣớc.
Mạng lƣới 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 lƣới sông
phần nhiều đạt từ 0.5 km/km2 đến 2 km/km2. nơi có núi cao, độ dốc lớn mƣa nhiều thì
nơi đó sông suối dày đặc và ngƣợc 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 hƣớng của một con sông do vận động tạo sơn Himalaya vạch ra. Có thể nói sông
Thao có hƣớng chảy khá ổn định: trừ một đoạn ngắn ở đầu nguồn, đoạn còn lại khá
thẳng theo hƣớng Tây Bắc-Đông Nam cho tới Việt Trì và cửa sông.
Tổng lƣợng nƣớc bình quân nhiều năm của sông Thao tại Việt Trì là 28.4 km3
tƣơng ứng với lƣu lƣợng bình quân là 500 m3/s và mô đun dòng chảy năm là 17.31
l/s.km2.

14

Chế độ dòng chảy trên sông Thao phụ thuộc vào chế độ mƣa. Cũng vì vậy mà
mùa lũ trên sông Thao kéo dài trong 5 tháng (từ tháng VI đến tháng X). Lƣợng dòng
chảy mùa lũ chiếm khoảng 70.3% đến 71.06% lƣợng dòng chảy cả năm.
b) Sông Đà
Chiều dài sông: L =1010 km, trong nƣớc dài 570 km.
Diện tích sông F = 52900 km2, trong nƣớc 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, lƣợng mƣa tập trung vào vài tháng
trong năm, có một mạng lƣới sông dày đặc.
Sông suối trong lƣu vực sông Đà thuộc loại sông suối trẻ, thung lũng sông hẹp,
nhiều đoạn có dạng lõm vực sâu chứng tỏ địa hình mới đƣợc 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 lƣu lớn, dòng chính sông Đà có mạng lƣới thủy văn phân
bố không đồng đều. Mật độ sông suối từ thƣa đến rất dày. Vùng đá vôi mƣa ít có nơi
xuống dƣới 0.50 km/km2 nhƣ lƣu vực Nậm Sập; vùng núi cao mƣa nhiều, nhƣ thƣợng
lƣu sông Nậm Mu, mạng lƣới sông suối dày đặc khoảng 1.67 km/km2. Các nơi còn lại
phân bố từ tƣơng 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 mƣa ta thấy rõ đƣợc điều
đó: Mƣờng 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…
Lƣợng mƣa trung bình năm trên lƣu vực sông Đà là 1800 mm lớn hơn sông
Thao. Tổng lƣợng nƣớc bình quân nhiều năm của sông Đà khoảng 55.7 km3 tƣơng ứng
với lƣu lƣợng 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.km2, khi tới Lai Châu tăng lên thành 34

15


l/s.km2. Tuy nhiên từ Lai Châu tới Hòa Bình thì modun dòng chảy năm hầu nhƣ không
tăng: tại Hòa Bình là 33.8 l/s.km2. Điều này có thể giải thích bởi lƣợng mƣa 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.
Nƣớc lũ sông Đà rất ác liệt, nhƣng chuyển sang mùa kiệt thì dòng chảy khô cạn
khá gay gắt. Tùy điều kiện mặt đệm và lƣợng mƣa nhiều hay ít mà lƣợng dòng chảy
nhỏ nhất trên lƣu 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 dƣới 2% lƣợng
dòng chảy cả năm. Dòng chảy bình quân tháng nhỏ nhất trên dòng chính sông Đà ít
biến đổi từ thƣợng lƣu về hạ lƣu. Nhƣng trên các phụ lƣu 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 lƣợng 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 lƣu vực sông Đà là đồi núi. Độ cao bình quân toàn lƣu
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
Lƣu vực đƣợc 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. Hƣớng dốc
chung là Tây Bắc-Đông Nam. Độ cao bình quân lƣu 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 hƣớng 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 hƣớng thành gần Bắc Nam,

16


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.
Lƣu vực dòng chính sông Lô có lƣợng nƣớc trung bình nhiều năm lớn nhất so
với các sông khác trong lƣu vực. Tổng lƣợng nƣớc bình quân nhiều năm lên tới 31.9
km3 ứng với lƣu lƣợng 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 mƣa, chế độ dòng chảy trong lƣu 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 lƣu mùa lũ ngắn
hơn, khoảng 4 tháng, từ tháng VI đến tháng IX. Tháng có lƣợng dòng chảy lớn
nhất trong năm xuất hiện vào tháng VIII. Phía trung lƣu dòng chảy tháng lớn nhất
xuất hiện sớm hơn, vào tháng VII và chiếm 17-20 % lƣợng dòng chảy cả năm.
Cƣờng suất mực nƣớc bình quân lớn nhất trên dòng chính sông Lô có trị số từ 24
đến 44 cm/h. Đƣờng quá trình nƣớc lũ đều có dạng răng lƣợc. Trong suốt mùa lũ
có tới trên 10 ngọn lũ lớn nhỏ và thƣờng đạt tới đỉnh cao nhất vào tháng VII hoặc
tháng VIII.

-

Mùa cạn, mực nƣớc và lƣu lƣợng giảm xuống nhanh chóng. Nƣớc cạn nhất xuất
hiện vào tháng III, lƣợng dòng chảy của tháng này chỉ chiếm khoảng 2 % lƣợng
dòng chảy cả năm. Modun dòng chảy nhỏ nhất bình quân tháng đều trên 6 l/s.km2,

môđun dòng chảy nhỏ nhất tuyệt đối cũng đạt tới 2.6-3.5 l/s.km2. 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 lƣu thì dốc hơn nhiều,

độ dốc trung bình của sông con tới 6.18 ‰. Sự dao động lớn về độ cao tƣơng đối đã
tạo ra những thung lũng sâu và hẹp, độ dốc sƣờn lớn 38-400. Địa hình núi, đồi chiếm
trên 80 % diện tích lƣu vực. Trên một số phụ lƣu diện tích có độ cao từ 600 m trở lên,
chiếm tỷ lệ lớn.
Đặc điểm khí hậu dòng chính sông Lô chịu ảnh hƣởng sâu sắc của địa hình và
vị trí lƣu vực. Tùy thuộc vào vị trí và đặc điểm cao hay thấp của địa hình cùng mức độ

17


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

Thƣợng lƣu sông Lô có khí hậu nóng vừa, khô và ít mƣa.

-

Trung lƣu sông Lô có khí hậu nóng ẩm và mƣa nhiều là vùng có mƣa lũ lớn nhất
lƣu vực.

-

Hạ lƣu sông Lô có khí hậu nóng và tƣơng đối ẩm, mƣa trên lƣu vực nhiều nhất ở
trung lƣu và giảm dần về thƣợng, hạ lƣu.

1.2.7. Hiện trạng đoạn sông nghiên cứu
a) Đoạn Thƣợng 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 tƣơng ứng
1.250m & 820m.
Thƣợng và hạ lƣu 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
đƣợc xây dựng, đáng kể là kè lát mái Liên Hồng, Thụy Phƣơng, Phú Gia và hệ thống
các kè chắn bảo vệ bờ Tầm Xá. Mặc dù vậy những công trình này cũng chƣa 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 Chƣơng Dƣơng 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 Chƣơng Dƣơng khi xƣa và Cầu Long Biên, Cầu Chƣơng Dƣơng
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 nƣớc +9.0m & +6.0m tƣơng ứng 1.140m & 320m.
Đoạn hạ lƣu cầu Chƣơng Dƣơng hiện nay về cơ bản là đoạn sông một lạch, chủ
lƣu dòng nƣớc đi bám sát mép cảng Hà Nội, lạch Thạch Cầu gần nhƣ bị suy thoái hoàn
toàn trong những năm gần đây.

18


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
tƣơng 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 nƣớc 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 lƣu sông Đuống, hai lạch sông, hai bãi giữa. Phân tích lạch chính,
ta thấy đoạn sông nghiên cứu gồm hai khúc cong ngƣợc 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 hƣớng 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 tƣơng
đối ổn định.
b) Sự phát triển của bãi bên và bãi giữa
Đoạn sông nghiên cứu thƣờng 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 ngƣợc dấu giữa hai bãi lớn, nhỏ đối diện nhau: Tứ Liên- Bắc Biên và Thạch CầuĐồng Nhân. Qua các mối tƣơng quan giữa các bãi này, chúng ta có thể tìm thấy dấu
hiệu của các xu thế phát triển của lòng sông.

19


Các hiện tƣợng động lực trong vùng cảng, phần lớn đều có nguồn gốc từ các
hiện tƣợng đồng tính ở trên các đoạn thƣợng lƣu cầu Long Biên. Sự lan truyền các ảnh
hƣởng bị khống chế ít nhiều qua các tuyến cầu ở nút Chƣơng Dƣơng, vì vậy có hiện
tƣợng lệch pha giữa các dao động. Quá trình thu hẹp và mở rộng của bãi Tứ Liên đƣợc
lặp lại nhƣng chậm hơn và quy mô nhỏ hơn ở Thạch Cầu, trái lại quá trình mở rộng và

thu hẹp của bãi Bắc Biên cũng đƣợc 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 đƣợc 3 lần hoán vị
chủ thứ của hai lạch Gia Lâm và Phúc Xá.
Lần 1: Trƣớc 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 đƣợc 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 lƣng bãi Tâm Xá phân lƣu
vào sông Đuống thì nhập lƣu 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 đƣợc 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 chƣớng
ngại vật ngăn cản dòng nƣớc qua nhánh này. Năm 1973 hoà bình lập lại, cầu Long
Biên đƣợc 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:

20


- Phía thƣợng lƣu 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
nƣớc dâng, các sắt hạt mịn đã tạo ra mỏm đất khó xói nằm chéo nhƣ một chiếc mỏ hàn

hƣớng dòng chảy vào bãi Trung Hà. Hơn 20 trụ cầu Long Biên và các chƣớng ngại
nhân tạo khác cũng làm cho yếu tố lòng dẫn trở thành chủ đạo bờ trái.
- Ảnh hƣởng của cầu phao Chƣơng Dƣơng làm thay đổi dòng chảy. Dòng chảy
mặt bị cản trở làm giảm lƣu tốc dòng chảy chính tại phía bờ hạ lƣu. 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 đƣợc 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 đƣợc, dƣới cao trình +3,0,
dòng chảy tách ra xa cảng (300á400)m
- Từ mùa khô năm 1982-1983, dƣới mực nƣớc +4,0, toàn bộ lƣu lƣợng 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 lƣu của bãi An Dƣơng, 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 đƣợc hố sâu
ở đỉnh cong Phúc Xá và chắn ngang dòng chảy vƣợt qua trƣớc mũi đảo Trung Hà.

21


Chiều rộng lạch ngang đã thu hẹp đáng kể, và chủ lƣu 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 dƣới cao trình +10,0 của nhánh Gia Lâm từ 13,8 triệu m3
tăng thêm 6,6 triệu m3 trong đó lạch Quýt từ 8,8 triệu m3 rút xuống 8,3 triệu m3.
- Bãi bồi trƣớc cảng Hà Nội sau lũ 1984 đã cắt đƣợc một đoạn đuôi khá dài so
với năm 1983 và làm cho dung tích lòng sông vùng cảng dƣới 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 phƣơng
hƣớng dòng chảy thay đổi ở phía thƣợng lƣu 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. Nhƣ 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 thƣợng lƣu 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
thƣợng lƣu, các nguyên nhân có thể là:
- Cầu Thăng Long đƣợc khánh thành và đƣa 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 đƣợc 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 nhƣng lạch Gia Lâm vẫn là lạch chính.

22


Nhận xét chung:
Phân tích tổng quát mặt bằng đoạn sông nghiên cứu qua các thời kỳ, thấy có 3

thế sông cơ bản nhƣ Hình 1.1. Các tham số hình học cơ bản của 3 thế sông đƣợc 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.
Nhƣ vậy, tất cả công trình chỉnh trị đã xây dựng vẫn chƣa ổn định đƣợc 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 hƣớng
2
3
4
Tầm
Bắc
Cảng Hà
Xá
Cầu
Nội

Hải
Bối

Xóm
Xoi

Phú
Gia

Phúc
XáChƣơng

Dƣơng

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

23

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
(Chƣơng
ổn
Dƣơng)
định
Lạch
Quýt
(Phúc
Xá)

Thạch
Cầu


1.2.8. Diễn biến đáy sông qua các thời kỳ [4]
Diễn biến dọc đƣờng lạch sâu các năm 1976, 1991, 1994, 1997 đoạn sông
nghiên cứu đƣợc thể hiện trên Hình 1.2
- Đoạn sông từ Thƣợng Cát đến cửa Đuống có hình dạng mặt bằng lòng sông
hình sin với các bán kính cong trong khoảng (4.000 đến 7.500)m. Đoạn sông này có

hai hố xói cục bộ, một tại kè Thuỵ Phƣơng, cao độ từ (-7,41 đến -8,47)m, và một tại
bờ cong Tầm Xá, cao độ đáy -2,85m.
- Đoạn hạ lƣu, từ cửa Đuống đến Khuyến Lƣơng, sông Hồng uốn cong với các
bán kính nhỏ hơn (2.000 đến 3.500)m. Hai hố xói cục bộ ở đoạn sông này thƣờng sâu
hơn, tại khu vực kè Thanh Trì, hố xói sâu tới cao độ -12,12m, tại Bát Tràng là -11,02m.
Vị trí hai hố xói này tƣơng đối ổn định trong những năm gần đây. Thƣợng lƣu cầu
Long Biên thƣờng xuất hiện một hố xói, ở Lạch Gia Lâm phía bãi Trung Hà. Hố xói

Cao ®é (m) xxxxxx

này có cao độ (-5,50 đến -6,30)m
5,00
3,00
1,00
-1,00
-3,00
-5,00
-7,00
-9,00
-11,00
-13,00
-15,00
0

5000

10000

15000

1976

1991

1994

1997

20000

25000
30000
Kho¶ng c¸ch (m)

Hình 1 2. Diễn biến đường lạch sâu các năm đoạn sông Hồng- Hà Nội

24