Nghiên cứu giải pháp xây dựng kè bảo vệ bờ sông lại giang đoạn khánh trạch, tỉnh bình định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN BẢO

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG KÈ BẢO VỆ
BỜ SÔNG LẠI GIANG ĐOẠN KHÁNH TRẠCH,
TỈNH BÌNH ĐỊNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: 8580202

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ỨNG DỤNG

Đà Nẵng-2018


Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Hướng dẫn khoa học: GS. TS. Nguyễn Thế Hùng

Phản biện 1:
PGS.TS. Hồ Sỹ Tâm
Phản biện 2:
TS. Kiều Xuân Tuyển

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ ứng dụng kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Trường
Đại học Bách khoa.
Vào hồi 08 giờ 00 ngày 21 tháng 6 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Xây dựng thủy lợi – thủy điện


-1MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sông Lại Giang là sông lớn thứ hai của tỉnh Bình Định, được
hình thành từ sự hợp lưu của hai dòng sông là An Lão và Kim Sơn
tại vùng giáp ranh giữa hai huyện Hoài Ân và Hoài Nhơn, tỉnh Bình
Định, từ đó chảy qua các xã của huyện Hoài Nhơn theo hướng chính
Đông Tây và đổ ra biển Đông qua cửa An Dũ. Từ điểm hợp lưu ra
đến cửa biển An Dũ chiều dài sông Lại Giang khoảng 18,51km. Hệ
thống sông Lại Giang ngắn, dòng sông quanh co uốn khúc, lưu vực
sông có địa hình dốc...Vì vậy lũ của hệ thống sông Lại Giang với
thời gian tập trung nước nhanh. Mỗi khi lũ về với mực nước cao gây
ngập lụt rộng khắp trên toàn vùng hạ du. Khi lũ về cũng mang theo
khố i lươ ̣ng lớn bùn cát gây hiê ̣n tươ ̣ng xói, bồ i biế n hı̀nh lòng sông
và sa ̣t lở mái bờ sông suố t do ̣c theo hai bên bờ sông An Laõ , Kim
Sơn và La ̣i Giang.
Do chịu ảnh hưởng của chế độ khí tượng, thủy văn vùng ven
biển miền Trung, dòng chảy trên Sông Lại Giang chia thành 2 mùa
rõ rệt, mùa khô là thời kỳ khô hạn trong năm, lưu lượng trên sông
nhỏ, ảnh hưởng tới việc cấp nước cho nông nghiệp và dân sinh. Mùa
lũ hàng năm tập trung đến 80% lượng dòng chảy trong năm. Mùa
mưa lũ tập trung nhanh, lũ lớn, kết hợp triều cường gây ngập lụt và
xói, bồi cho các khu vực nằm ở hai bên sông.
Các kết quả đã nghiên cứu về sông Lại Giang:
Đề tài Khảo sát lâ ̣p báo cáo nghiên cứu Quy hoa ̣ch chı̉nh tri ̣

sông vùng xói lở tro ̣ng điể m của sông La ̣i Giang do Phân viê ̣n vâ ̣t lý
ta ̣i TP. Hồ Chı́ Minh thuô ̣c Trung tâm Nghiên cứu chı̉nh tri ̣ sông và
phòng chống thiên tai lập xác định cho thấy Sông Lại Giang hiện có
tới 58 khu vực sạt lở bờ.


-2Trong công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai do sạt lở bờ
sông có hai giải pháp: phi công trình và công trình. Đối với sông Lại
Giang, trong giai đoạn hiện nay công tác phòng chống sạt lở bờ sông
thì lấy việc dự báo hoạch định phạm vi kinh tế di dời phòng tránh
thiên tai làm chính, và chỉ xây dựng công trình bảo vệ bờ ở những
khu vực có ý nghĩa quan trọng về hình thái sông và kinh tế, xã hội.
Vấn đề cốt lõi của quy hoạch chỉnh trị sông đối với các khu
vực xói lở trọng điểm trên hệ thống sông Lại Giang là vạch ra được
tuyến chỉnh trị và các phương án bố trí công trình chỉnh trị và cần
nghiên cứu sâu hơn về phần các tham số của tuyến chỉnh trị và kích
thước công trình chỉnh trị ở các đoạn trên sông Lại Giang trước khi
triển khai thực hiện.
Đoạn bờ sông Khách Trạch thuộc bờ hữu sông Lại Giang
đoạn đi qua xã Hoài Mỹ huyện Hoài Nhơn có chiều dài khoảng
1.600m, cách cửa sông An Dũ khoảng 3.000m. Do tác động của
dòng chảy lũ qua nhiều năm bị xói mòn, xâm thực bờ tạo nên đoạn
sông cong, gấp khúc gây uy hiếp đến tính mạng, tài sản của nhân dân
và cơ sở hạ tầng ven sông.
Hiện trạng, đoạn bờ sông Khánh Trạch đang bị xói mòn
mạnh cả bờ và đáy nên cần có biện pháp bảo vệ bờ hợp lý để đảm
bảo an toàn và kinh tế.
Do vậy, luận văn đi nghiên cứu tính toán dòng chảy và diễn
biến lòng sông đoạn Khánh Trạch làm cơ sở đề ra các giải pháp thích
hợp để bảo vệ đoạn sông này là cần thiết.

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Làm rõ nguyên nhân, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến
xói mòn bờ. Ứng dụng mô hình số trị tính toán trường phân bố vận
tốc qua đoạn sông cong làm cơ sở để đề ra giải pháp bảo vệ bờ đoạn
sông này, nhằm tránh xói lở bờ khi có lũ.


-33. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu chế độ dòng chảy và diễn biến lòng sông đoạn
bờ sông Khách Trạch thuộc bờ hữu sông Lại Giang đoạn đi qua xã
Hoài Mỹ huyện Hoài Nhơn có chiều dài khoảng 1.600m.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu trong
và ngoài nước có liên quan đến đề tài;
- Các số liệu thiết kế công trình (hồ sơ khảo sát địa hình, địa
chất, địa chất thủy văn, thiết kế kỹ thuật công trình…);
- Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết của công nghệ xây
dựng công trình bảo vệ bờ, các biện pháp xử lý.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ứng dụng các thành tựu khoa học, tin học, các tiến bộ kỹ
thuật mới và các kinh nghiệm thực tế để đánh giá ổ n đinh
̣ bờ sông.
- Định hướng sự xói lở, bồi lắng do biến đổi dòng chảy để
đưa ra phương án chỉnh trị nhằm hạn chế thiệt hại do dòng chảy gây
ra. Phục vụ công tác phòng chống lũ, chỉnh trị bờ sông, lòng sông
nhằm phát triển kinh tế xã hội và cuộc sống dân cư ven bờ sông Lại
Giang huyện Hoài Nhơn, tỉnh Bình Định.
6. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐOẠN SÔNG NGHIÊN

CỨU
CHƯƠNG 2: CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ HIỆN TRẠNG
DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG LẠI GIANG ĐOẠN KHÁNH TRẠCH
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ ĐUN MIKE21-FM TÍNH
TOÁN ĐOẠN SÔNG KHÁNH TRẠCH, TỈNH BÌNH ĐỊNH
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ SÔNG
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


-4CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐOẠN SÔNG NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm tự nhiên
1.1.1. Vị trí địa lý
Vị trí đoạn sông nghiên cứu thuộc sông Lại Giang nằm ở khu
vực ranh giới giữa thôn Mỹ Thọ và thôn Khánh Trạch thuộc xã Hoài
Mỹ huyện Hoài Nhơn, tỉnh Bình Định, cách ủy ban nhân dân xã Hoài
Mỹ 750m về phía Bắc, cách Thị trấn Bồng Sơn khoảng 7km về phía
Đông theo đường chim bay. Có tọa độ địa lý vào khoảng: 140 27’
58” - Vĩ độ Bắc; 1090 04’ 20” - Kinh độ đông.
1.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo
1.1.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng
1.1.4. Đặc điểm khí hậu
1.2. Đặc điểm kinh tế, xã hội
1.2.1. Dân số và lao động
1.2.2. Cơ sở hạ tầng kỹ thuật và xã hội
1.2.3. Hiện trạng kinh tế
1.3. Phương hướng phát triển kinh tế xã hội
1.3.1. Mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội chủ yếu:
1.3.2. Phương hướng phát triển theo các vùng:
1.4. Các vấn đề nghiên cứu về chỉnh trị sông

1.4.1. Động lực học sông ngòi và chỉnh trị sông
Động lực học sông ngòi và chỉnh trị sông phát triển mạnh mẽ
từ giữa thế kỹ XIX. Những nghiên cứu của các nhà khoa học Pháp
như Du Boys về chuyển động bùn cát, Barre de Saint-Venant về
dòng không ổn định, L. Fargue về hình thái dòng sông uốn khúc vào
năm 1985 nhà khoa học Nga Lotchin V.M đã đưa ra luận văn “cơ
cấu lòng sông” làm cơ sở cho môn động lực học sông ngòi ở Nga về
sau này [11].


-5Từ giữa thế kỹ XX đến nay do ứng dụng những tiến bộ khoa
học kỹ thuật, đặc biệt là các kỹ thuật tính toán. Động lực học sông
ngòi đã có những bước phát triển mới bằng việc hoàn thiện mô hình
hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp, bằng những thiết bị hiện đại
trong đo đạc, nhanh chóng và chính xác trong nghiên cứu thực địa.
Trong nghiên cứu mô hình vật lý thực hiện những tiêu chuẩn tương
tự khó hoặc trong mô hình toán đã giải quyết được các bài toán về
dòng không ổn định nhiều chiều bằng phương pháp số v.v... Đã xuất
hiện những tên tuổi như Cung J.A (Pháp), Mamak W (Ba Lan),
Grisanhin K.V (Liên Xô) v.v... hoặc xuất hiện những công trình tập
thể, cơ quan nghiên cứu như DELFT (Hà Lan), Học viện thủy lợi Vũ
Hán (Trung Quốc) v.v... [11].
1.4.2. Hiện tượng xói lở, bồi tụ lòng sông
Xói lở, bồi tụ lòng sông là hiện tượng nổi bật thường xuyên
xảy ra ở các sông ngòi trên khắp thế giới. Nguyên nhân chính của
thực trạng này thường do sự tác động tổng hợp của các điều kiện tự
nhiên và kinh tế-xã hội.
Trong sông ngòi tự nhiên có xu hướng hình thành các vũng
sâu và bãi bồi. N.X.Leliavski là người đầu tiên đã giải thích một cách
đầy đủ cấu trúc các dòng bên trong nước tự nhiên. Từ các thí nghiệm

đo bằng các dụng cụ đặc biệt ông đã đi tới kết luận: “Trong sông tồn
tại hai dòng, dòng trên chụm lại và đi sâu xuống đáy ở đường sâu
nhất, tạo nên những đường khoét sâu nhẵn, đưa đất đá bị xói về một
phía; dòng thứ hai ở đáy tỏa ra hình quạt, lệch khỏi đường trên và
hướng thẳng góc vào bờ và đưa đất đá bồi vào bãi cạn” [11].
1.4.3. Công trình chỉnh trị sông thành công ở trong nước có liên
quan đến đề tài
a) Chỉnh trị đoạn Trung Hà trên sông Đà [15]
b) Chỉnh trị đoạn Quản Xá trên sông Chu [15]
1.4.4. Các vấn đề còn tồn tại trong chỉnh trị sông


-6Lịch sử chỉnh trị sông cho thấy nhiều công trình hoàn thành
đã được phát huy tác dụng, ngược lại cũng không ít các công trình
chỉnh trị sau khi xây dựng bị thất bại.
Các trường hợp thất bại hoặc hiệu quả không được như mong
muốn của các dự án chỉnh trị sông đều có nguyên nhân chủ yếu từ
việc bố trí mặt bằng, xác định cao trình đỉnh của hệ thống công trình
chỉnh trị. Trong đó, việc xác định vị trí, chiều dài, góc độ và cao
trình của các loại công trình hướng dòng có ý nghĩa quyết định. Việc
này đòi hỏi những nghiên cứu công phu về động lực học lòng sông.
1.5. Các công trình nghiên cứu trên lưu vực sông Lại Giang [8],
[14]
1.5.1. Khảo sát lập báo cáo nghiên cứu Quy hoạch chı̉nh tri ̣ sông
vùng xói lở trọng điể m của sông Lại Giang của Phân viê ̣n vật lý tại
thành phố Hồ Chı́ Minh thuộc Trung tâm Nghiên cứu chı̉nh tri ̣ sông
và Phòng chống thiên tai
1.5.2. Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ chống bồi lấp cửa
sông Lại Giang ổn định thoát lũ của Viện Khoa học thủy lợi Việt
Nam

1.5.3. Xây dựng bản đồ ngập lụt tỉnh Bình Định của Trung tâm khí
tượng thủy văn Quốc gia-Đài khí tượng thủy văn khu vực Nam trung
bộ
1.5.4. Xử lý hậu quả môi trường và tăng cường năng lực ứng phó với
sự cố môi trường do lũ lụt gây ra và chỉnh trị các cửa biển An Dũ,
Hà Ra, Đề Gi - tỉnh Bình Định do Phân viện Vật lý tại TP. Hồ Chí
Minh lập năm 2000
1.5.5. Dự án Chỉnh trị cửa sông An Dũ do Viện Khoa học Thủy lợi
lập năm 2004
1.6. Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn
Từ yêu cầu đặt ra, nội dung nghiên cứu của đề tài luận văn
gồm các nội dung sau:


-7- Phân tích diễn biến, đánh giá thực trạng và xác định nguyên
nhân bất ổn định lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu, bao gồm đặc điểm
dòng chảy, vận chuyển bùn cát, hình thái lòng dẫn, tình hình địa chất
mái bờ sông.
- Ứng dụng mô hình toán MIKE 11, MIKE 21 tính toán, mô
phỏng đoạn sông nghiên cứu.
- Đề xuất các giải pháp ổn định lòng dẫn đoạn sông nghiên
cứu: Xác lập tuyến chỉnh trị đoạn sông bảo đảm hạn chế các biến
động gây xói sạt lở bờ và bồi động lòng sông.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Hiện tượng sạt lở, bồi tụ lòng sông Lại Giang diễn ra ngày
càng phức tạp, gây ra nhiều thiệt hại đáng kể đến cơ sở hạ tầng, đời
sống, kinh tế-xã hội. Do vậy việc nghiên cứu, ứng dụng các thành
tựu khoa học trong chỉnh trị sông, khắc phục các nhược điểm tồn tại
đưa ra giải pháp bảo vệ bờ sông đoạn Khánh Trạch nhằm giải quyết
các vấn đề bức xúc hiện nay cũng như đáp ứng nhu cầu, phương

hướng phát triển kinh tế xã hội trong tương lai của huyện Hoài Nhơn
nói riêng và tỉnh Bình Định nói chung là rất cần thiết.


-8CHƯƠNG 2
CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ HIỆN TRẠNG DIỄN BIẾN LÒNG
SÔNG LẠI GIANG ĐOẠN KHÁNH TRẠCH
2.1. Đặc điểm hệ thống sông
2.1.1. Đặc trưng lưu vực
Sông Lại Giang bắt nguồn từ các dãy núi có độ cao từ 900 ÷
1000m, gồm 2 nhánh sông lớn là sông An Lão và sông Kim Sơn.
Mạng lưới sông suối lưu vực Lại Giang tương đối dày. Ngoài 2
nhánh sông lớn là sông An Lão và sông Kim Sơn, còn có rất nhiều
các nhánh sông suối nhỏ phân bố dạng nan quạt đổ vào sông Lại
Giang.
2.1.2. Đặc điểm thảm phủ thực vật
Thượng lưu Sông Lại Giang là vùng núi cao, rừng tự nhiên
còn phong phú, phần trung lưu là rừng mới trồng do ảnh hưởng của
khai thác. Nhìn chung bề mặt lưu vực thảm phủ của lưu vực Sông
Lại Giang đã bị khai thác nhiều của con người nên đã tác động đáng
kể đến sự điều tiết dòng chảy của lưu vực.
2.1.3. Trạm quan trắc khí tượng, thủy văn
2.2. Đặc điểm khí tượng, thủy văn
2.2.1. Các đặc trưng khí tượng
a) Nhiệt độ không khí
b) Độ ẩm không khı́
c) Nắng
d) Gió
e) Bốc hơi
f) Chế độ mưa

2.2.2. Các hiện tượng thời tiết đặc biệt
a) Bão và áp thấp nhiệt đới
b) Gió mùa Đông Bắc


-9c) Gió Tây khô nóng
d) Dông
e) Sương mù
2.2.3 Đặc điểm thủy văn
a) Dòng chảy năm
Dòng chảy năm phân phối không đều. Lượng dòng chảy 3
tháng mùa lũ chiếm khoảng từ 73% lượng dòng chảy cả năm, lượng
dòng chảy 9 tháng mùa cạn chỉ chiếm khoảng từ 27% lượng dòng
chảy cả năm.
b) Dòng chảy lũ
Mùa lũ bắt đầu từ tháng X và kết thúc vào tháng XII. Dòng
chảy mùa lũ trên sông lớn và biến đổi rất phức tạp. Tổng lượng dòng
chảy trong mùa lũ chiếm tới 70% lượng dòng chảy cả năm.
Dòng chảy lũ hình thành từ mưa lưu vực do các hình thế thời
c) Dòng chảy kiệt
Nhìn chung lượng dòng chảy những tháng mùa khô chỉ
chiếm khoảng 27%- 29% tổng lượng dòng chảy năm, trong đó nhu
cầu dùng nước trong thời kỳ này lại rất lớn, nếu như không có biện
pháp tích trữ và sử dụng nước hợp lý sẽ bị thiếu nước nghiêm trọng.
d) Đặc điểm bùn cát
Theo chuỗi số liệu đo đạt từ năm 1983 - 2003 của trạm An
Hoà độ đục cát bùn bình quân nhiều năm là 35,1g/m3, tháng có độ
đục bình quân nhiều năm lớn nhất là tháng X (131g/m3), tháng có độ
đục bình quân nhiều năm nhỏ nhất là tháng III (6,3g/m3). Độ đục lớn
nhất xuất hiện vào tháng X (1500g/m3), độ đục nhỏ nhất (0g/m3)

xuất hiện nhiều tháng trong năm.
e) Đặc điểm thủy triều
Chế độ thủy triều vùng biển Bình Định là chế độ nhật triều
không đều. Tại Quy Nhơn hàng tháng số ngày nhật triều chiếm
khoảng 18 - 22 ngày, 2 lần triều cường, 2 lần triều kém, thời gian


-10triều dâng lâu hơn thời gian triều rút. Độ lớn triều khoảng 1,2 - 1,8m;
giữa kỳ nước lớn và nước kém biên độ triều chênh lệch không đáng
kể; trong kỳ nước kém triều chỉ lên xuống khoảng 0,5m.
Tại cửa sông Lại Giang mực nước triều cao hơn so với triều
Quy nhơn trung bình 18cm.
2.3. Hệ thống công trình xây dựng
Hiện nay trên lưu vực hệ thống sông Lại Giang đã xây dưng
32 công trình hồ, đập điều tiết dòng chảy phục vụ cấp nước cho sản
xuất, sinh hoạt, phát triển kinh tế, xã hội các huyện khu vực phía Bắc
tỉnh Bình Định bao gồm các huyện An Lão, Hoài Ân, Hoài Nhơn.
2.4. Chế độ thủy động lực đoạn sông nghiên cứu
2.4.1. Đặc điểm đoạn sông nghiên cứu
a) Lưu vực sông
b) Địa hình đoạn sông
c) Địa chất công trình
2.4.1. Các đặc trưng dòng chảy
a) Dòng chảy năm
Phân phối dòng chảy năm của năm nhiều nước, năm trung
bình nước, năm ít nước theo mô hình trạm An Hòa như Bảng 2.33.
b) Dòng chảy mùa kiệt
Nhìn chung thời kỳ mùa khô thường kéo dài và lượng mưa
ít, dòng chảy kiệt chủ yếu từ dòng chảy ngầm của lưu vực. Tác động
của dòng chảy kiệt đến đoạn sông Khánh Trạch là nhỏ không ảnh

hưởng đến quá trình biến đổi hình thái đoạn sông.
c) Dòng chảy mùa lũ
Nhìn chung dòng chảy thời kỳ mùa lũ thường ngắn, nhưng
tác động của dòng chảy lũ qua đoạn sông Khánh Trạch gây nhiều
thiệt hại do sạt lở bờ sông và ngập lụt hàng năm bởi dòng chảy lũ và
sự uốn khúc, thu hẹp cửa ra của đoạn sông này.
d) Đặc điểm thủy triều


-11Nhìn chung tác động của thủy triều đến đoạn sông Khánh
Trạch là đáng kể, về mua khô gây xâm nhập mặn, về mùa lũ nếu gặp
đợt triều cường gây nên ngập lụt trên diện rộng và thời gian lũ kéo
dài, trường hợp gặp đợt triều kém quá trình lũ rút nhanh tăng sự xói
mòn của lòng sông ở khu vực này.
e) Các đặc trưng dòng chảy rắn
Dòng chảy rắn qua đoạn sông Khánh Trạch chủ yếu hàm
lượng bùn cát xói mòn trên các sườn núi và lòng sông của thượng
nguồn di chuyển về hạ du vào mùa mưa lũ.
2.5. Diễn biến lòng sông
Quá trình bào mòn xói sâu lòng sông và xâm thực bờ diễn ra
bên bờ phải, bờ trái bị bồi lấp bởi lớp bùn cát lên đến cao trình từ 1,0m đến 2,5m, trong khi cao trình địa hình đáy sông từ -2,5m đến 4,5m, tại vị trí cuối đoạn do địa hình mặt cắt sông thu hẹp nên xói rất
sâu đến cao trình -8,2m.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Nhìn chung biến hình lòng sông đoạn Khánh Trạch chủ yếu
do tác động của dòng chảy lũ chủ yếu tạo nên hiện tượng sạt lở bờ
sông. Bên cạnh đó, đất bờ sông có cấu tạo sét pha cát mịn, khả năng
chịu lực kém, địa hình thế sông quanh co uốn khúc xói sâu, mái dốc
thẳng đứng tạo hàm ếch phát triển sát bờ gây nên mất ổn định. Hiện
tượng xói lở bờ sông xảy ra vào các tháng mùa mưa. Có thể nói rằng
nguyên nhân xói lở bờ sông Khánh Trạch là tổng các nguyên nhân về

điều kiện địa hình, địa mạo, địa chất, thủy văn và tác động của con
người làm thay đổi chế độ dòng chảy trong sông.


-12CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG MÔ ĐUN MIKE21-FM TÍNH TOÁN ĐOẠN
SÔNG KHÁNH TRẠCH, TỈNH BÌNH ĐỊNH
3.1. Lý do và mục đích của việc ứng dụng mô hình toán số
3.1.1. Lý do lựa chọn mô hình toán số
Dòng chảy trong sông là một hiện tượng vật lý hết sức
phức tạp, việc sử dụng các công thức kinh nghiệm để đánh giá chế
độ thủy động lực học và biến hình lòng sông là rất khó khăn,
không phản ảnh được hết các yếu tố thủy lực, độ chính xác không
cao, tốn rất nhiều thời gian và công sức để thực hiện các kịch bản.
[12] Mô hình vật lý có khả năng mô phỏng những trường hợp cục
bộ phức tạp, tuy nhiên điều kiện sử dụng đòi hỏi phải có phòng thí
nghiệm với các thiết bị đo chính xác rất tốn kém và cần nhiều thời
gian để xây dựng mô hình và thí nghiệm, nên phương pháp này
chỉ có thể thực hiện ở các viện nghiên cứu và trường đại học lớn
cho những đoạn sông cục bộ. Để khắc phục các nhược điểm này
cần thiết phải lựa chọn mô hình toán số phù hợp để thực hiện. Vì
vậy, việc thiết lập và áp dụng các mô hình toán số trong việc mô
phỏng chế độ thủy động lực sông ngòi và biến hình lòng sông, trên
đoạn sông dài được sử dụng rộng rãi hiện nay.
3.1.2. Mục đích ứng dụng mô hình toán số
Ngày nay, mô hình toán số là một trong những công cụ
quan trọng, hỗ trợ rất nhiều và hữu ích trong việc nghiên cứu, tính
toán về các quá trình thủy động lực, nhất là dòng chảy diện rộng
lớn, trong đó có vấn đề về thủy động lực dòng sông.
Kết quả tính toán sẽ là cơ sở để đưa ra những nhận định về

diễn biến các trường thủy động lực trong sông tại khu vực nghiên
cứu trước và sau khi có công trình xây dựng. Đây cũng là những


-13cơ sở khoa học để phân tích, nhận định nguyên nhân gây ra hiện
tượng biến hình dòng sông tại khu vực nghiên cứu.
3.2. Lựa chọn mô hình toán
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, luận văn sử dụng các
mô đun tính toán sau:
- Mô đun diễn toán dòng chảy thủy lực 1 chiều MIKE11
HD.
- Mô đun tính toán dòng chảy 2 chiều MIKE21 FM.
3.3. Giới thiệu mô hình toán MIKE11 HD, MIKE21 FM
3.3.1. Giới thiệu mô hình MIKE11 HD [16]
Mô đun MIKE11 HD giải hệ phương trình Saint Venant
cho trường hợp dòng không ổn định gồm 2 phương trình cơ bản,
phương trình liên tục và phương trình động lượng với các giả thiết
chất lưu không nén được và đồng nhất, dòng chảy chủ yếu là một
chiều, độ dốc đáy nhỏ, các thông số mặt cắt ngang ít biến động
theo chiều dọc.
- Phương trình liên tục:
𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕

= 𝑞𝑞

(3.1)
- Phương động lượng:
𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝑄𝑄2
�
𝐴𝐴

𝜕𝜕�∝

𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝑔𝑔𝑔𝑔

𝜕𝜕ℎ
𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝑔𝑔𝑔𝑔|𝑄𝑄|
𝐶𝐶 2 𝐴𝐴𝐴𝐴

=0

(3.2)
Trong đó:

+ Q: lưu lượng (m3 /s);
+ t: thời gian (s);
+ A: diện tích mặt cắt ngang (m2 );
+ x: khoảng cách dọc dòng chảy (m);
+ h: mực nước so với độ cao chuẩn (m);
+ g: gia tốc trọng trường (m2 /s);


-14+ R: bán kính thủy lực (m);
+ q: lưu lượng bổ sung trên một đơn vị chiều dài dọc sông
(q>0: nhập lưu; q<0 phân lưu) m3/s/m;
+ C: hệ số chezy;
+ α: hệ số sửa chửa động lượng.
3.3.2. Giới thiệu mô hình MIKE21 FM [17]
Hệ phương trình nước nông 2D gồm có phương trình liên tục
(bảo toàn khối lượng, phương trình chuyển động của chất lỏng (bảo
toàn động lượng), và các phương trình khép kín khác như phương
trình nhiệt độ, độ muối, mật độ. Theo phương ngang, hệ tọa độ được
sử dụng có thể là hệ tọa độ Đề Các hoặc hệ tọa độ cầu.
- Phương trình liên tục:

∂h ∂hU ∂hV
+
+
= hS
∂t
∂x
∂y
(3.3)
Với: U, V là các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu

của các thành phần vận tốc u, v theo các hướng toạ độ x, y, được xác
định theo công thức:
η

1
U = ∫ udz ,
h −d

η

1
V = ∫ vdz
h −d
(3.4)

h = η + d (độ sâu tổng cộng = tổng của mực nước (η) và độ
sâu (d))
- Các phương trình động lượng:


-15∂hUV
∂η
h ∂pa
gh 2 ∂ρ
= fVh − gh
−
−
+
∂y
∂x

2 ρ 0 ∂x
ρ 0 ∂x
∂S xy 
 ∂S xx
∂

 +
(hTxx ) + ∂ (hTxy ) + hU s S
+
∂x  ∂x
∂y
ρ 0  ∂x
(3.5)

∂hU
∂hU 2
+
∂t
∂x
τ sx τ bx
1
−
−

ρ0

ρ0

∂hUV
∂η

h ∂p a
gh 2 ∂ρ
= fUh − gh
−
−
+
2 ρ 0 ∂y
ρ 0 ∂y
∂y
∂y
∂S xy 
1  ∂S xx
∂


(hTxy ) + ∂ (hTyy ) + hVs S
−
+
+


ρ 0  ∂x
∂x 
∂x
∂y

∂hV
∂hV
+
∂t

∂x

τ sy
τ by
−
ρ0
ρ0

+

2

+

(3.6)
Với Txx , Tyy , Txy là các thành phần ứng suất nhớt tổng cộng.
Các thành phần nhớt tổng cộng được tính theo công công thức dựa
trên biến thiên vận tốc ngang theo độ sâu:

Txx = 2 A

∂V
∂U
, Tyy = 2 A
,
∂y
∂x

 ∂U ∂V 


Txy = A
+
∂
y
∂
y



(3.7)

Trong đó:
+ S là lưu lượng từ nguồn điểm;
+ Us, Vs là các thành phần vận tốc từ nguồn điểm;
+ g là gia tốc trọng trường;
+ t là thời gian;
+ x, y là tọa độ Đề Các;
+ η là dao động mực nước;
+ d là độ sâu;
+ h=η+d là chiều cao cột nước;
+ f = 2Ωsinφ là tham số Coriolis;
+ θ là vĩ độ địa lý; ρ là mật độ nước;


-16+ pa là áp suất khí quyển;
+ ρo là mật độ tiêu chuẩn.
Với các tính toán hai chiều U là vận tốc trung bình theo độ
sâu và hệ số kháng đáy có thể được xác định từ số Chezy C hay số
Manning M:

cf =

g
,
C2

cf =

g

(Mh )

1/ 6 2

(3.8)
3.4. Thiết lập mô hình tính toán đoạn sông Khánh Trạch
3.4.1. Thiết lập mô hình MIKE11 HD
a) Số liệu không gian
Trong phạm vi của đề tài chỉ thiết lập sơ đồ không gian
tính toán dòng chảy một chiều trên sông chính Lại Giang đoạn từ
trạm thủy văn Bồng Sơn đến cửa biển An Dũ với chiều dài
15,70km bao gồm 22 mặt cắt ngang địa hình sông, mô tả đủ chi
tiết đặc điểm cho các đoạn sông bởi mật độ của các mặt cắt ngang.


-17-

1Hình 3.2. Sơ đồ mạng sông 1 chiều tạo bởi mô hình MIKE11
b) Số liệu thủy văn, thủy lực
Số liệu lưu lượng biên thượng lưu là số liệu thực đo của

trạm thủy văn Bồng Sơn, số liệu biên hạ lưu là mực nước thủy
triều thực đo trạm hải văn Quy Nhơn.
c) Hiệu chỉnh mô hình
Để đánh giá độ chính xác từ các kết quả của mô hình toán
và số liệu thực đo, trong đề tài sử dụng chỉ số hiệu quả NashSutcliffe (NSE) và tỉ số độ lệch quan trắc tiêu chuẩn (RSR).
Kết quả hiệu chỉnh cho thấy hệ số nhám Maining (n) mạng
sông thay đổi từ 0,25 ÷ 0,42.
- Tại Bồng Sơn mực nước thực đo và tính toán tương quan
chặt chẽ về thời gian lũ và đỉnh lũ, tổng lượng lũ, các thông số
hiệu chỉnh khá tốt, bao gồm:
+ Hệ số tương quan (Correlation coeficient): 0,995;
+ Sai đố đỉnh (Peak error):
0,002;


-180,015;
-0,042;

Tính toán

18/11/2013 12:00

18/11/2013 0:00

17/11/2013 12:00

17/11/2013 0:00

16/11/2013 12:00

16/11/2013 0:00

15/11/2013 12:00

8.8
8.4
8
7.6
7.2
6.8
6.4
6
5.6
5.2
4.8
4.4
4
15/11/2013 0:00

H(m)

+ Sai số tổng lượng (Volume error):
+ Sai số thời gian đỉnh (Peak time error):
+ NSE=0,9898; RSR=0,1006.

Thực đo

2Hình 3.6. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại cầu Bồng Sơn
(15/11/2013-17/11/2013)
3.4.2. Thiết lập mô hình MIKE21 FM

a) Số liệu không gian
Số liệu địa hình dùng tính toán cho đoạn sông Khánh
Trạch được đo đạc chi tiết địa hình đáy sông và bờ sông dọc theo
dòng chảy sông Lại Giang bao trùm phạm vi đoạn sông nghiên
cứu với chiều dài 3,0km.


-19-

3Hình 3.9. Địa hình sông Lại Giang-đoạn Khánh Trạch
b) Xây dựng lưới 2 chiều
Lưới 2 chiều được xây dựng trên toàn miền tính toán dạng
tam giác phi cấu trúc, diện tích tối đa của mỗi ô lưới không quá
300m2, góc lưới tối thiểu 26o. Nội suy địa hình lòng sông vào lưới
tính toán.
c) Số liệu thủy văn, thủy lực
Số liệu lưu lượng, mực nước trích từ kết quả tính toán mô
hình thủy lực 1 chiều đã được hiệu chỉnh lũ đồng bộ, trận lũ từ
ngày 15 đến ngày 17 tháng 11 năm 2013 để làm điều kiện biên.
Điều kiện ban đầu mực nước bằng 1,7m, vận tốc bằng 0.
d) Hiệu chỉnh mô hình
Thực hiện tính toán mô phỏng bằng cách tối ưu hóa hệ số
nhám Manning (M) toàn miền với giá trị 35 cho kết quả tính toán
phù hợp với mô hình 1 chiều.
Trích xuất kết quả tính toán:
- Tại vị trí khu giữa K12+667m kết quả tính toán giữa mô
hình 1 chiều và 2 chiều tương quan chặt chẽ.


-20+ Hệ số tương quan (Correlation coeficient):

+ Sai đố đỉnh (Peak error):
+ Sai số tổng lượng (Volume error):
+ Sai số thời gian đỉnh (Peak time error):
+ NSE=0,9997; RSR=0,018.

1,000;
0,004;
0,004;
0,01;

1D

18/11/2013 0:00

17/11/2013 19:12

17/11/2013 14:24

17/11/2013 9:36

17/11/2013 4:48

17/11/2013 0:00

16/11/2013 19:12

16/11/2013 14:24

16/11/2013 9:36

16/11/2013 4:48

16/11/2013 0:00

15/11/2013 19:12

15/11/2013 14:24

15/11/2013 9:36

15/11/2013 4:48

H(m)

4.8
4.4
4
3.6
3.2
2.8
2.4
2
1.6
1.2
0.8
0.4

2D

4Hình 3.11. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại vị trí K12+667m

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Với số liệu đầy đủ về địa hình, thủy hải văn, lũ thực đo
đồng bộ trận lũ từ ngày 15 đến ngày 17 tháng 11/2013 để hiệu
chỉnh mô hình 1 chiều và 2 chiều đều cho kết quả rất tốt, hệ số
Manning đưa vào các mô hình đều phù hợp với đặc điểm địa hình
sông. Bộ thông số mô hình đủ điều kiện dùng để mô phỏng các
phương án tính toán nêu trong Chương 4.


-21CHƯƠNG 4
GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ SÔNG

4.1. Mục tiêu, nhiệm vụ bảo vệ bờ sông
4.1.1. Mục tiêu bảo vệ bờ sông
4.1.2. Nhiệm vụ công trình
4.1.3. Các tiêu chí chỉnh trị sông
4.2. Các giải pháp bảo vệ bờ sông
4.2.1. Giải pháp phi công trình
4.2.2. Giải pháp công trình
4.3. Phương án công trình
4.3.1. Phương hướng và tiêu chuẩn bảo vệ bờ sông
a) Theo phương án quy hoạch thủy lợi năm 2016
b) Theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 8419:2010
c) Theo hiện trạng đê, kè
4.3.2. Xác định lưu lượng và mực nước lũ thiết kế
a) Lưu lượng lũ thiết kế
b) Mực nước lũ thiết kế
cầu Bồng Sơn đến cầu Lại Giang, tùy vào địa hình cụ
thể xem xét xây dựng kè hoặc đê.
4.3.3. Các phương án công trình bảo vệ bờ

a) Xác định cao trình đỉnh đê
Qua kết quả tính toán xác định cao trình đỉnh đê của đê
sông Lại Giang đoạn từ cầu Bồng Sơn đến cửa biển An Dũ cho
thấy cao trình đỉnh đê hiện trạng đã xây dựng tại Bồng Sơn,
Phú An, Thạnh Xuân Đông đều rất phù hợp. Đoạn Khánh
Trạch cao trình đỉnh đê từ 5,63m đến 4,98m cao hơn địa hình
hiện trạng từ 0,6 đến 1,0m nên trong quá trình mô phỏng các


-22-

Vận tốc (m/s)

phương án công trình bảo vệ bờ phải cập nhật số liệu cao trình
đê.
b) Phương án hiện trạng
Phương án hiện trạng địa hình lòng sông cơ bản không
thay đổi, bờ sông nâng đê lên cao trình 5,6m theo tuyến bờ
hiện trạng.
Kết quả mô phỏng với phương án hiện trạng cho thấy
trường vận tốc dòng chảy ven chân bờ ở đoạn đầu từ T1 dến
T11 xuất hiện dòng chảy xoáy, hướng vận tốc ngược chiều với
hướng của dòng chảy có vận tốc không lớn 0,5m/s, đoạn giữa
từ T12 đến T19 vận tốc dòng chảy ven bờ nhỏ dưới 0,5m/s,
đoạn cuối từ T20 đến T30 do dòng chảy tập trung chủ yếu qua
lạch phải nên vận tốc dòng chảy tăng mạnh đến 3,1m/s.
3.4
3.2
3.0
2.8

2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

0 2 4 6 8 1012141618202224262830323436384042444648505254565860

T (giờ)
T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

T12

T13

T14

T15

T16

T17

T18

T19

T20

T21

T22

T23

T24

T25

T26

T27

T28

T29

T30

[v]


-235Hình 4.8. Vận tốc dòng chảy tại các vị trí T1-T30
( [V] là vận tốc không xói cho phép)
c) Phương án kè lát mái
Kết quả tính toán cho thấy vận tốc dòng chảy ven bờ
trong phạm vi mái kè giảm đáng kể do bờ hình thành mái
nghiêng. Vị trí ở chân kè vận tốc thay đổi không nhiều từ 10%
đến 20% so với phương án hiện trạng. Ở đoạn đầu và đoạn
giữa từ T1 đến T19 vận tốc dòng chảy thấp rất phù hợp để xây
dựng kè lát mái, nhưng ở đoạn cuối tuyến kè từ vị trí T20 đến

T30 vận tốc dòng chảy ven bờ vẫn còn rất lớn và đây là một
trong những nguyên nhân rất dễ xảy ra hiện tượng xói sâu
chân kè làm hư hỏng công trình.

6Hình 4.11, 4.12. Trường vận tốc U,V phương án kè lát mái
(∆t=930 phút)