Luận văn nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông hồng đoạn từ cầu vĩnh tuy đến trường bắn yên sở tại hà nội

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

PHẠM THỊ HOA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21
FM ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN
SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ CẦU VĨNH TUY ĐẾN
TRƢỜNG BẮN YÊN SỞ TẠI HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ THỦY VĂN HỌC

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

PHẠM THỊ HOA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21
FM ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN
SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ CẦU VĨNH TUY ĐẾN
TRƢỜNG BẮN YÊN SỞ TẠI HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC
MÃ SỐ: 8440224
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.NGUYỄN KIÊN DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2019

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là
hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ
và pháp luật Việt Nam.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Thị Hoa


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán
biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trƣờng bắn Yên
Sở tại Hà Nội” được hoàn thành tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội.
Để hoàn thiện Luận văn này Tác giả xin bày tỏ làm cảm ơn đặc biệt sâu
sắc đến PGS.TS.Nguyễn Kiên Dũng – Khoa Khí tượng - Thủy văn - Trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tác
giả trong suốt quá trình nghiên cứu Luận văn.
Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học, cùng
tập thể các thầy cô giáo khoa Khí tượng – Thủy văn, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ học viên
trong quá trình học tập tại trường.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các anh, chị cán bộ thuộc Trung tâm

Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả
trong quá trình thu thập số liệu, nghiên cứu thực hiện Luận văn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã động
viên, hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập và tiến hành nghiên cứu luận
văn này.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả Luận văn

Phạm Thị Hoa


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
THÔNG TIN LUẬN VĂN .............................................................................. v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1.Tính cấp thiết.................................................................................................. 1
2.Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 2
3.Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2

4.Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 2
5.Bố cục của luận văn ....................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG DẪN ... 4
1.1. Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn trong và ngoài nước ........... 4
1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước ..................................................................... 4
1.1.2. Các nghiên cứu trong nước ..................................................................... 8
1.2.Kết luận Chương I ..................................................................................... 11
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 13
2.1. Cơ sở định lượng bài toán biến hình lòng sông ...................................... 13
2.1.1Cân bằng bùn cát của đoạn sông ............................................................. 13
2.1.2 Các loại diễn biến lòng dẫn .................................................................... 13
2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn sông ngòi ...................... 14
2.2 Phương pháp xác định biến hình lòng sông .............................................. 15
2.3 Một số phần mềm được ứng dụng nghiên cứu chế độ thủy lực, bùn cát
sông ngòi ......................................................................................................... 16
2.3.1 EFDC (Environmental Fruid Dynamics Code) ...................................... 16
2.3.2 Mô hình DELF-3D ................................................................................. 18
2.3.3 Mô hình HEC -6 ..................................................................................... 19


iv

2.3.4 Mike 21C ................................................................................................ 21
2.3.5 Mike 21FM ............................................................................................ 22
2.3.6 Phân tích lựa mô hình nghiên cứu .......................................................... 32
2.4 Kết luận Chương II ................................................................................... 33
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21FM ĐÁNH GIÁ BIẾN
HÌNH LÒNG DẪN ĐOẠN SÔNG NGHIÊN CỨU .................................. 34
3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu.................................................................. 34
3.1.1 Vị trí địa lý .............................................................................................. 34

3.1.2 Địa hình .................................................................................................. 35
3.1.3 Mạng lưới sông ngòi ............................................................................... 36
3.1.4 Mạng quan trắc khí tượng thủy văn........................................................ 36
3.2 Xác định các điều kiện biên mô phỏng cho bài toán ................................ 36
3.3 Mô phỏng thủy động lực mạng sông 1 chiều............................................ 37
3.3.1 Sơ đồ tính toán ........................................................................................ 37
3.3.2 Tài liệu đầu vào cho mô hình ................................................................. 38
3.3.3 Biên của mô hình .................................................................................... 39
3.3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định xác định bộ thông số mô hình ....................... 42
3.4 Mô phỏng biến hình lòng sông bằng mô hình thủy động lực 2 chiều ...... 43
3.4.1 Phạm vi miền tính toán ........................................................................... 43
3.4.2 Thiết lập lưới và địa hình tính toán ........................................................ 44
3.4.3 Thiết lập điều kiện biên tính toán ........................................................... 47
3.4.4 Thiết lập các thông số mô hình............................................................... 49
3.4.5 Mô phỏng và đánh giá theo các kịch bản ............................................... 51
3.4.6 Kết quả tính toán kịch bản 1 ................................................................... 51
3.4.7 Kết quả tính toán kịch bản 2 .................................................................. 55
3.5 Kết luận chương III ................................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 66


v

THÔNG TIN LUẬN VĂN
- Họ và tên học viên: Phạm Thị Hoa
- Lớp: CH2BT

Khoá: 2016-2018

- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng

- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình
lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trường bắn Yên Sở tại Hà Nội
- Các nội dung chính:

Chương I: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn
Nội dung đề cập đến các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến
diễn biến lòng dẫn.
Chương II: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu
Nội dung chương trình bày cơ sở khoa học trong nghiên cứu biến hình
lòng dẫn sông ngòi, đánh giá lựa chọn mô hình toán phù hợp để nghiên cứu
giải quyết bài toán, đồng thời đưa ra hướng tiếp cận của luận văn.
Chương III: Ứng dụng mô hình MIKE 21FM đánh giá biến hình lòng
dẫn đoạn sông nghiên cứu
-Kết quả đạt được:

+ Đã thu thập các tài liệu địa hình, biên tính toán để mô hình hóa đoạn
sông nghiên cứu, trên cơ sở đó phân tích các diễn biến về tốc độ dòng chảy,
nồng độ bùn cát và sự biến động địa hình lòng sông trong thời gian mô phỏng.
+ Đã tiến hành phân tích kịch bản hiện trạng dòng sông và kịch bản
khai thác cát tại bãi bồi khu vực Xuân Quan với các quy mô bãi khai thác
khác nhau.


vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Dịch nghĩa

Chữ viết tắt

1

KTTV

Khí tượng thủy văn

2

LVS

Lưu vực sông

3

TNMT

Tài nguyên môi trường

3

EFDC

Phần mềm mô phỏng mặt nước tổng hợp


vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Mặt cắt dọc sông ............................................................................. 13
Hình 3.1. Vị trí địa lý khu vực đoạn sông nghiên cứu .................................... 35
Hình 3.2. Sơ đồ thủy lực đoạn sông Hồng từ trạm Hà Nội đến trạm Hưng
Yên ....................................................................................................... 38
Hình 3.3. Quá trình lưu lượng tại biên trên từ năm 2006-2010 ...................... 40
Hình 3.4. Nhu cầu nước cho tưới vào mùa khô cống Xuân Quan .................. 40
Hình 3.5 Quá trình mực nước tại biên dưới Hưng Yên từ năm 2006-2010 ... 41
Hình 3.6 Quá trình mực nước tại biên biên kiểm tra Xuân Quan từ năm 20062010 ................................................................................................................ 41
Hình 3.7 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tính toán và thực đo tại Xuân Quan
năm 2008 ......................................................................................................... 43
Hình 3.8 Kết quả kiểm định mực nước tính toán và thực đo tại Xuân Quan
năm 2010 ......................................................................................................... 43
Hình 3.9 Lưới tính toán sông Hồng đoạn nghiên cứu .................................... 45
Hình 3.10 Địa hình tính toán và phân bố các vùng chia lưới địa hình ........... 46
Hình 3.11 Mô phỏng địa hình dạng 3D trong Mike 21FM............................. 46
Hình 3.12 Phạm vi các biên tính toán của mô hình ........................................ 48
Hình 3.13 Quá trình lưu lượng tại biên trên và mực nước tại biên dưới năm
2008 ................................................................................................................ 48
Hình 3.14 Lưới phân bố hệ số nhám thiết lập trong mô hình MIKE 21ST .... 49
Hình 3.15 Mực nước và trường lưu tốc toàn đoạn sông trong mùa kiệt......... 53
Hình 3.16 Trường lưu tốc tại các đoạn sông trong mùa kiệt .......................... 53
Hình 3.17 Phân bố nồng độ bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng
nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt ......................................................................... 54


viii
Hình 3.18 Địa hình lòng dẫn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3 tháng mô
phỏng ............................................................................................................... 54
Hình 3.19 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng

mùa kiệt ........................................................................................................... 55
Hình 3.20 Vị trí bãi khai thác cát dự kiến ....................................................... 56
Hình 3.21 Mực nước và trường lưu tốc trong đoạn sông Hồng thời kỳ mùa
kiệt KB2.1 ....................................................................................................... 57
Hình 3.22 Khả năng mang bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng
nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt KB2.1 ............................................................. 57
Hình 3.23 Địa hình lòng dẫn đoạn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3
tháng KB2.1 .................................................................................................... 58
Hình 3.24 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng
mùa kiệt KB2.1 ............................................................................................... 58
Hình 3.25 Khả năng bồi lấp bãi khai thác cát sau 3 tháng KB2.1 .................. 59
Hình 3.26 Mực nước và trường lưu tốc trong đoạn sông Hồng thời kỳ mùa
kiệt KB2.2 ....................................................................................................... 59
Hình 3.27 Khả năng mang bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng
nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt KB2.2 ............................................................. 60
Hình 3.28 Địa hình lòng dẫn đoạn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3
tháng KB2.2 .................................................................................................... 61
Hình 3.29 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng
mùa kiệt KB2.2 ............................................................................................... 61
Hình 3.30 Khả năng bồi lấp bãi khai thác cát sau 3 tháng KB2.2 .................. 62
Hình 3.31 Diễn biến mặt cắt ngang tại MC1, MC2 và MC3 sau 3 tháng....... 63
Hình 3.32 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB1............................... 64
Hình 3.33 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB2.1............................ 64
Hình 3.34 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB2.2............................ 64


1

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết

Hình thái dòng sông là sản phẩm của quá trình tương tác giữa dòng
chảy và lòng dẫn, với yếu tố trung gian là các quá trình vận chuyển và phân
bố bùn cát trong sông. Nếu một trong những yếu tố trên thay đổi thì sẽ gây
hiệu ứng làm thay đổi các yếu tố khác. Nguyên nhân cơ bản gây nên sự thay
đổi về hình thái lòng sông chính là do mất cân bằng bùn cát.
Cho đến nay, những nghiên cứu mang tính kết hợp giữa việc đánh giá
tác động của dòng chảy, địa chất, khai thác cát sỏi lòng sông đến quá trình
diễn biến hình thái lòng sông còn chưa nhiều. Đặc biệt ở Việt Nam, việc
khai thác cát trên sông, nhất là khai thác cát ở các đoạn sông đang là vấn đề
nan giải, song đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu chuyên sâu nào về chế độ
thủy động lực dòng chảy, bùn cát ở đoạn sông để đánh giá sự biến đổi của
lòng sông và phục vụ cho việc quản lý khai thác cát sỏi.
Với tính cấp thiết của thực tiễn về yêu cầu chỉnh trị để ổn định các đoạn
sông, cũng như nhu cầu về khai thác cát để phục vụ các ngành kinh tế xã hội.
Học viên đã lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike
21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy
đến trƣờng bắn Yên Sở”. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là cơ sở khoa
học cho việc xác định được diễn biến hình thái lòng sông trong các điều kiện
thủy lực, khai thác cát của đoạn sông, hoặc các giải pháp chỉnh trị nhằm điều
hòa dòng chảy, ổn định lòng dẫn cho đoạn sông.
Đề tài nghiên cứu đề cập tới vấn đề khai thác tài nguyên thiên nhiên
(cát sông) kết hợp nạo vét, tạo lòng dẫn thông thoáng, đáp ứng yêu cầu thoát
lũ, giao thông thủy,... Đồng thời giữ ổn định cho đoạn sông là hết sức có
ý nghĩa về mặt khoa học và mang tính ứng dụng thực tiễn cao.


2

2.Mục tiêu nghiên cứu
- Ứng dụng mô hình Mike 21 xác định được phạm vi và vị trí các khu

vực bãi bồi, khu vực xói lở lòng sông trong điều kiện hiện trạng và khai thác
cát từ các bãi bồi với quy mô khác nhau.
3.Phạm vi nghiên cứu
-Nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Hồng đoạn tự hạ lưu cầu Vĩnh
Tuy đến Yên Sở đoạn qua Hà Nội.
4.Phƣơng pháp nghiên cứu
a) Thu thập bổ sung các số liệu
-Thu thập các số liệu về về khí tượng, thủy văn, bùn cát, địa hình, địa
chất lòng sông, các bản đồ phục vụ cho tính toán của đề tài;
-Thu thập các tài liệu về các công trình trên sông, các số liệu có liên
quan khác phục vụ cho bài toán mô phỏng và đánh giá biến hình lòng dẫn
đoạn sông nghiên cứu.
b) Phương pháp tổng hợp, phân tích, thống kê:
-Thống kê các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến
nội dung của đề tài làm cơ sở đánh giá, xác định các phương pháp tính toán;
-Thu thập xử lý và phân tích số liệu, tài liệu phục vụ luận văn;
c) Phương pháp, kế thừa:
-Kế thừa các tài liệu, các công trình khoa học đã được công nhận có
liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài từ đó định hướng, ứng dụng các
phương pháp, công cụ tính toán phù hợp với điều kiện bài toán.
d) Phương pháp viễn thám và GIS:
Sử dụng công nghệ viễn thám, các sản phẩm bản đồ để đánh giá sự biến
động hình thái lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu và phục vụ các nội dung tính
toán trên mô hình.


3
e) Phương pháp sử dụng mô hình toán:
Mô hình hóa đoạn sông nghiên cứu bằng mô hình toán để tính toán mô
phỏng thủy lực và dự báo diễn biến hình thái sông. Đây là phương pháp hiện

đại được sử dụng khá rộng rãi ở trong và ngoài nước hiện nay dưới sự trợ
giúp đắc lực của máy tính. Đề tài sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều Mike
21FM là một trong số các mô hình có khả năng tính toán diễn biến hình thái
lòng dẫn cho đoạn sông cho kết quả khá tốt ở nước ta.
5.Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn có bố cục gồm 3 chương
chính:
Chương I: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn
Nội dung đề cập đến các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến
diễn biến lòng dẫn.
Chương II: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu.
Nội dung chương trình bày cơ sở khoa học trong nghiên cứu biến hình
lòng dẫn sông ngòi, đánh giá lựa chọn mô hình toán phù hợp để nghiên cứu
giải quyết bài toán, đồng thời đưa ra hướng tiếp cận của luận văn.
Chương III: Ứng dụng mô hình MIKE 21FM đánh giá biến hình lòng
dẫn đoạn sông nghiên cứu.
Trên cơ sở các tài liệu, số liệu thu thập tiến hành thiết lập mô hình 2
chiều Mike 21FM để nghiên cứu các kịch bản hiện trạng và khai thác, từ đó
phân tích diễn biến lòng dẫn và đưa ra các kiến nghị trong khai thác tài
nguyên cát lòng sông phù hợp với quy luật diễn biến lòng sông.


4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG DẪN
1.1. Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn trong và ngoài nƣớc
1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Động lực học dòng sông đã được nghiên cứu và phát triển từ cuối thế
kỷ XIX do đòi hỏi của thực tế sản xuất, đặc biệt ở những nước tư bản chủ
nghĩa nhằm phục vụ cho vận tải thủy. Những năm 60 của thế kỷ XX là thời

kỳ sôi nổi nhất của ĐLHDS, với sự tham gia tích cực của các nhà khoa học
Liên Xô cũ. Trong thời gian đầu đã xảy ra những cuộc tranh luận gay gắt giữa
lý thuyết khuyếch tán và lý thuyết động lực, là hai trường phái có quan điểm
trái ngược nhau khi đánh giá tổn thất năng lượng trong dòng chảy có và
không có bùn cát, các chỉ tiêu ổn định lòng dẫn và khởi động của bùn cát.
-Về chuyển động của bùn cát đáy, quan trọng nhất là các nghiên cứu về
sự khởi động của bùn cát, sóng cát và suất tải cát. Có hai trường phái đánh giá
sự khởi động của bùn cát: trường phái lấy ứng suất tiếp làm chỉ tiêu khởi động
thịnh hành ở các nước phương tây mà các tác giả điển hình là A.Shields,
I.Borgadi, E.Meyer-Peter và Muller, Engelund-Hansen,…Trường phái lấy
vận tốc trung bình thủy trực làm chỉ tiêu khởi động đặc biệt phát triển ở Liên
Xô cũ, Trung Quốc với các tác giả Lêvi, Samốp ,Gôntrarốp, Mirkhulava,
Trương Thụy Cẩn, Đậu Quốc Nhân, Vi kỳ Vĩ. Suất tải cát đáy được đánh giá
tương ứng theo các trường phái về sự khởi động của bùn cát, ngoài ra đặc biệt
có nghiên cứu của H.A Eistein , sử dụng lý thuyết xác suất thống kê .
-Về bùn cát lơ lửng cũng có nhiều thành tựu như các công trình của
Glusơkốp(1911), Stốc(1951), về độ thô thủy lực đặc biệt là mối quan hệ giữa
quá trình nổi lơ lửng của bùn cát và lưu tốc mạch động, nhất là mạch động
theo phương thẳng đứng. Sự phân bố bùn cát theo phương thẳng đúng có hai
trường phái tiêu biểu là khuyến tán của Makaveep và trọng lực của


5
Velicannop. Về diễn biến của đoạn sông cong đã có rất nhiều nghiên cứu và
đạt được những kết quả mang tính đột phá.
-Về chiều sâu trung bình của đoạn sông cong có các công thức kinh
nghiệm của Fargue, Atxmun, và Boussinesque.
-Về chiều sâu các lạch trũng ở các đoạn sông cong chưa được nghiên
cứu nhiều, Leliavsky(1955) và Bagnold (1960) cho rằng độ sâu của hố xói tại
khúc sông cong tỷ lệ nghịch với bán kính khúc cong sông. Năm 1977 chỉnh lý

số liệu trên mô hình vật lí, Abđurapốp đã đề xuất ra công thức tính chiều sâu
lớn nhất của đoạn sông gấp khúc. Thorne(1988) dựa trên số liệu của 256 đoạn
sông cong ở Mỹ thành lập công thức không thứ nguyên tính toán chiều sâu
tương đối tại hố xói, phục thuộc vào tỷ lệ giữa bán kính cong và chiều rộng
của sông. Gần đây nhất là kết quả nghiên cứu của Thorne và Abt (1993),
Maynord(1996) đã đưa ra công thức thực nghiệm với các thông số tương tự
như công thức thành lập năm 1988 của Thorne và đường biểu diễn công thức
này là đường bao an toàn nhằm đáp ứng cho thiết kế công trình.
-Về dòng chảy hướng ngang trên đoạn sông cong chảy ổn định có các
nghiên cứu bán thực nghiệm của Rozovskii (1957), Yen(1972), FalconAscanio và kennedy (1983), Chang (1984).
-Về các hố xói cục bộ ở trụ cầu hay mỏ hàn trên sông được nghiên cứu
nhiều nhất như các công trình của C.L.N Sastry, G.Tixon(1962), M.A Gill
(1968), và trên mô hình vật lý của V.L Da Cunha(1971), Hancu(1976),
S.C.Jain(1981) và cũng chỉ dừng lại ở các công thức kinh nghiệm.
Ở những nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Hà Lan, Đức, Nhật,
Canada…Môn khoa học diễn biến lòng dẫn dược coi là môn khoa học bản lề
giữa động lực học dòng sông và địa mạo dòng sông .nhiều nhà khoa học đã
tập trung nghiên cứu về, thủy lực sông ngòi, về vận chuyển bùn cát, về diễn
biến lòng sông, về hình thái sông, về loại lòng dẫn, và công trình chỉnh


6
trị….các công trình nghiên cứu đã đạt được những kết quả xuất sắc về mặt lý
thuyết cũng như về thực nghiệm.
Từ những năm 1960 đến nay, việc tính toán động lực học dòng sông đã
có những bước phát triển mới, tiến bộ mới trong kỹ thuật tính toán, đặc biệt
trong việc hoàn thiện mô hình hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp. Một số
mô hình toán mô phỏng quá trình diễn biến lòng dẫn như mô hình MIKE11,
MIKE21, và MIKE21C, EFDC, MD- SWMS, CCHE1D, CCHE2D,
GSTARS 2.0/2.1, GSTARS3, SED2D, SOBEK ... cho kết quả tính toán dòng

chảy, dự báo biến hình lòng dẫn khá chính xác.
Một số nghiên cứu điển hình liên quan đến vấn đề nghiên cứu:
+ Trung tâm nghiên cứu về tính toán khoa học thủy văn thủy lực ASCE
của Hoa kỳ đã nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Ole thuộc hệ thống
Mississippi bằng mô hình CCHE3D. Trên đoạn sông có dự kiến xây dựng đập
thủy điện. Kết quả tính toán bằng mô hình cho thấy, sau đoạn nhà máy thủy
điện, chế độ dòng chảy phức tạp, có hiện tượng xói sâu, lưu tốc dòng chảy tại
đây lớn. Kết quả mô hình toán cũng cho ta được phân bố vận tốc, sự thay đổi
cao trình đáy và dòng chảy thứ cấp tại đoạn sông phức hợp [4].
+ Stephen H. Scott và Yafei Jia (2002) đã sử dụng mô hình CCHE2D
nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và đề xuất giải pháp công trình kè mỏ hàn bảo
vệ bờ và ổn định lòng dẫn trên sông Mississippi. Kết quả cho giá trị về diễn
biến cao độ đáy sông và phân bố vận tốc trên toàn tuyến [25].
+ Stoschek et al (2003), Viện Franzius của Đại học Hannover đã ứng
dụng mô hình MIKE21 và MIKE3D mô tả ảnh hưởng của công trình đến diễn
biến vùng cửa sông Ems, trong đó tập trung vào cảng Emden và đường thủy
Emdener. Kết quả mô phỏng bằng mô hình cho thấy phù hợp với số liệu đo
đạc thủy triều tại Emden, chênh lệch so với lưu tốc dòng chảy đo đạc là không
lớn, chênh nhau trung bình khoảng 10 cm/s và 5 cm/s. Dòng chảy hạ lưu và


7
thượng lưu công trình thay đổi, dẫn đến có sự biến đổi lòng dẫn cả ở phía
thượng và hạ lưu [4].
+ Zuwen và cộng sự (2003) đã ứng dụng thành công mô hình SOBEK
1D – MOR, do viện thủy lực Delf - Hà Lan phát triển, để nghiên cứu bài toán
diễn biến lòng dẫn cửa sông Hoàng Hà (Yellow River) – Trung Quốc. Sông
Hoàng Hà là sông đứng hàng đầu thế giới về vận chuyển bùn cát, hàng năm
có khoảng 1,6 tỷ tấn bùn cát vận chuyển ra cửa biển. Từ những năm 1967, các
cửa sông Hoàng Hà bị bồi lấp, gây ngập lụt vùng đồng bằng, do vậy việc

chỉnh trị cửa sông là một yêu cấu cấp thiết đối với cửa sông Hoàng Hà. Các
giải pháp truyền thống như nắn dòng sẽ gây ra tổn thất lớn do gây ngập lụt
vùng Gudong, do vậy giải pháp nạo vét có thể trở thành một biện pháp chính
để duy trì cửa sông Hoàng Hà. Thông qua việc nạo vét lòng dẫn, lượng bùn
cát có thể thoát nhanh hơn, do vậy một số vấn đề đưa ra là liệu những nỗ lực
nạo vét có giải quyết được vấn đề này không để trước khi quyết định các
biện pháp chỉnh trị sông. Zuwem và các cộng sự đã sử dụng mô hình
SOBEK để nghiên cứu hình thái cửa sông Hoàng Hà để đánh giá hiệu của các
dự án nạo vét [26].
+ Henrik Garsdal, Carsten Staub and Hans Enggrob (1997) đã ứng dụng
mô hình toán MIKE 21C ở Bangladesh, nghiên cứu đã ứng dụng mô hình
toán nghiên cứu chế độ thủy lực vùng ngã ba sông Gorai trong dự án “Khôi
phục dòng sông Gorai ở Bangladesh. Vấn đề thực tế đặt ra là trong vòng một
thập kỷ, dòng chảy sông bị suy thoái một cách đáng kể và gần như khô cạn
trong mùa khô. Nguyên nhân là do một lượng bùn cát lớn từ sông chính vận
chuyển vào và lắng đọng tại cửa sông Gorai, gây nên sự thiếu nước sinh hoạt
trong lưu vực của sông và làm cho quá trình xâm nhập mặn ở cửa sông tăng
lên. Chính quyền địa phương đã phải chi rất nhiều tiền của để nạo vét hàng
năm nhưng vẫn chưa có hiệu quả. Để giải quyết vấn đề đó, Henrik Garsdal và


8
nnk đã sử dụng mô hình MIKE 21C mô phỏng diễn biến thuỷ lực, bùn cát và
hình thái sông trước và sau khi nạo vét dưới nhiều kịch bản khác nhau về
dòng chảy và phạm vi nạo vét. Từ đó đề xuất những vị trí cần nạo vét thường
xuyên và thời điểm thích hợp để bắt đầu nạo vét [20].
+ Từ năm 1995-1998, Hans G. Enggrob & Soren Tjery đã áp dụng
MIKE 21C cho đoạn sông phân nhánh Brahmaputra-Jamuna, Banglades.
Sông Brahmaputra-Jamuna là một trong những con sông có lưu lượng bùn cát
lớn nhất thế giới và luôn có sự vận động rất lớn của lòng sông. Quá trình dự

báo được mô phỏng với kịch bản ngắn hạn trong một mùa lũ và kịch bản dài
hạn 30 năm với một cấp lưu lượng tạo lòng. Cũng trong nghiên cứu này, để
phục vụ cho dự án xây dựng cầu cảng kéo dài 3 năm, hình thái đoạn sông lân
cận khu vực xây dựng được tính với nhiều kịch bản lũ khác nhau và sau mỗi
mùa lũ địa hình tính toán lại được so sánh với địa hình thực đo, sửa đổi cho
phù hợp và được dùng làm điều kiện địa hình ban đầu cho tính toán tiếp theo.
Kết quả tính toán đã mô tả được diễn biến lòng sông quanh khu vực cầu
Jamuna trong quá trình xây dựng [20].
1.1.2. Các nghiên cứu trong nước
Những năm của nửa cuối thế kỷ XX ở nước ta đã bắt đầu có những
công trình nghiên cứu chống bồi lắng các cửa lấy và những công trình nghiên
cứu thời gian này tập trung ở một số cơ sở nghiên cứu khoa học như: Viện
Khoa học Thủy lợi, trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi, Viện
Khoa học Khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu ... Tuy nhiên, những nghiên
cứu mới tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận dựa
trên các phương pháp, công nghệ của các nhà khoa học trên thế giới.
Một số nhà khoa học Việt Nam đã và đang nghiên cứu vấn đề diễn biến
lòng dẫn, cửa sông như: Lưu Công Đào, Lê Ngọc Bích, Hoàng Hữu Huân,


9
Trịnh Việt An, Nguyễn Bá Quỳ, Đỗ Tất Túc, Phạm Thị Hương Lan, Nguyễn
Thanh Hùng, Lương Phương Hậu, Nguyễn n Niên…
Một số nghiên cứu gần đây liên quan đến vấn đề nghiên cứu:
+ Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu ảnh hưởng hoạt động khai thác cát
đến thay đổi lòng dẫn sông Cửu Long (sông Tiền, sông Hậu) và đề xuất giải
pháp quản lý, quy hoạch khai thác hợp lý” do PGS,TS. Lê Mạnh Hùng làm
chủ nhiệm đề tài. Đề tài đã tiến hành tính toán lượng cát từ thượng nguồn về
sông Cửu Long bằng mô hình SWAT và mô hình MIKE21C cho từng đoạn
sông khác nhau, ứng với 4 kịch bản phát triển thủy lợi thượng nguồn sông

Mekong, tính toán độ sâu ổn định lòng dẫn phục vụ cho việc điều chỉnh quy
hoạch và dự báo, điều chỉnh khối lượng có thể khai thác theo các kịch bản
khác nhau. Kết quả của đề tài đã dựa trên kết quả khảo sát, điều tra, báo cáo
của các tỉnh ở ĐBSCL và trên cơ sở thống kê, tổng hợp, phân tích, đề tài đã
đánh giá được thực trạng và những bất cập trong khai thác cát trên sông Cửu
Long. Đề tài đã xây dựng bản đồ vị trí, trữ lượng cát dọc sông Tiền, sông Hậu
theo 3 kịch bản phát triển thủy lợi ở thượng nguồn sông Mekong; lập quy
trình khai thác cát cho toàn tuyến sông Cửu Long và 4 vùng trọng điểm.
+ Phạm Đình, 2010: đã tổng hợp, phân tích các đặc trưng thủy văn,
thủy lực và nghiên cứu các quy luật biến động lòng dẫn sông Hồng khu vực
cửa lấy nước vào sông Đáy. Đề tài đã sử dụng mô hình Mike 21 FM-ST để
xây dựng mô hình toán mô phỏng thủy lực và hình thái sông cho khu vực
nghiên cứu và đề xuất được giải pháp ổn định cho đoạn sông nghiên cứu [6].
+ Lê Văn Hùng, 2015: đã đánh giá diễn biến lòng dẫn sông Hồng về
mùa kiệt những năm gần đây, đồng thời phân tích bản chất hiện tượng hạ thấp
mực nước sông và đặt vấn đề cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm tìm ra
nguyên nhân và giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp [12].


10
+ Vũ Thanh Te, 2012: đã ứng dụng mô hình MIKE 11ST và MIKE
21FM dự báo diễn biến lòng dẫn trường hợp sau khi xây dựng công trình
ngăn triều chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Bên cạnh đó, đề
tài đã đề xuất được phương án quy hoạch chỉnh trị sông vùng hạ du sông
Đồng Nai Sài Gòn cũng như xây dựng được ngân hàng dữ liệu đầy đủ và
đồng bộ về điều kiện tự nhiên, hiện trạng và dự báo vận chuyển bùn cát….sau
khi xây dựng hệ thống công trình ngăn triều chống ngập cho khu vực thành
phố Hồ Chí Minh [24].
+ Nguyễn Ngọc Quỳnh, 2007: đã nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và khả
năng thoát lũ khi xây dựng cầu qua sông Hồng khu vực Hà Nội bằng mô hình

Mike 21C và đã đạt được các kết quả như: đã đánh giá ảnh hưởng của các cầu
Thanh Trì, Vĩnh Tuy, Nhật Tân… tới thoát lũ và chế độ thủy lực đoạn sông
Hồng qua Hà Nội, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới lưu lượng trên bãi sông
và lòng chính, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới ổn định lòng dẫn, dự báo
được diễn biến tổng thể lòng dẫn đoạn sông Hồng qua Hà Nội [20].
+ Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 2001-2004: đã nghiên cứu dự
báo xói lở, bồi lắng và các giải pháp phòng chống trên hệ thống sông ở
ĐBSCL và đã đạt được những kết quả như: xác định vị trí, quy mô, tốc độ xói
lở bờ sông và xác định các vùng trọng điểm xói lở cho toàn tuyến sông Tiền,
sông Hậu bằng phương pháp viễn thám và GIS; định lượng nguyên nhân, cơ
chế xói lở và các nhân tố ảnh hưởng đến xói lở cho sông Cửu Long tại các
khu vực trọng điểm; Nghiên cứu sử dụng mô hình toán 1D và 2D trong
nghiên cứu xói lở, bồi lắng đoạn sông Tiền khu vực Tân Châu, đoạn sông Hậu
khu vực Long Xuyên bằng các mô hình toán MIKE11, MIKE 21C, đề xuất
một số công thức kinh nghiệm tính dự báo, sạt lở bờ theo thời gian [21 .
+ Hoàng Văn Huân, 2010: đã nghiên cứu các giải pháp khoa học công
nghệ để ổn định lòng dẫn hạ du hệ thống sông Đồng Nai- Sài Gòn phục vụ


11
phát triển kinh tế xã hội vùng Đông Nam Bộ đã đạt được những kết quả như
ứng dụng MIKE 11, MIKE 21C để dự báo sạt lở định kỳ phục vụ cho công
tác phòng tránh giảm nhẹ thiên tai các năm 2004, 2005, 2006, 2010; đề xuất
quy hoạch chỉnh trị sông Đồng Nai khu vực thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng
Nai đã được UBND tỉnh ra quyết định phê duyệt số 1194 ngày 25 tháng 3
năm 2005; kiến nghị và giải pháp KHCN để ổn định lòng dẫn hạ du sông
Đồng Nai - Sài Gòn.
1.2. Kết luận Chƣơng I
Hiện nay, việc ứng dụng mô hình để mô phỏng diễn biến lòng sông
đã trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các mô hình mô phỏng

được xem là một trong những công cụ hỗ trợ đắc lực cho đánh giá, dự tính,
dự báo cũng như mô phỏng đánh giá mức độ ảnh hưởng, các sự cố về sói lở
lòng sông.
Mô hình toán, một phương pháp hiện đại, được phát triển mạnh trong
mấy chục năm trở lại đây ở nước ta cũng như trên thế giới. Việc áp dụng
phương pháp này đòi hỏi kiến thức liên ngành của nhiều chuyên gia và phải
qua nhiều bước như lựa chọn, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh xác định thông
số của mô hình và cuối cùng là ứng dụng mô hình để đánh giá, dự báo. Các
mô hình toán ngày càng chứng tỏ là một công cụ mạnh và đắc lực bởi khả
năng cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, phạm vi ứng dụng rộng, dễ
dàng thay đổi các kịch bản bài toán, nhất là trong việc tính toán, mô phỏng
các hệ thống lớn. Ở Việt Nam, mô hình hóa đã và đang được áp dụng rộng rãi
trong thực tiễn nghiên cứu và tính toán dự báo thủy động lực và môi trường.
Trong đó, bộ mô hình MIKE 21( đặc biệt Mike 21FM với lưới tam giám mô
phỏng khá tốt lòng bờ sông) của Viện Thủy Lợi Đan Mạch là một trong
những mô hình cho kết quả khá chính xác và đang được sử dụng rộng rãi cả
trong và ngoài nước, được ứng dụng trong việc tính toán về thuỷ lực, mô


12

phỏng diễn biến lòng sông, tính toán vận chuyển bùn cát, tài nguyên và môi
trường nước, bao gồm cả trong sông, vùng cửa sông, ven biển và biển...
Theo các nghiên cứu trên cho thấy hiện nay với sự phát triển của công
nghệ thông tin, các mô hình số kết hợp với các phân tích số liệu lịch sử là các
phương pháp chủ yếu được dùng trong các nghiên cứu gần đây mà các đơn vị
đầu ngành, cũng như các chuyên gia về động lực học sông biển sử dụng. Cho
thấy sự cần thiết của đề tài về “ Ứng dụng mô hình MIKE 21FM tính toán
biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trường bắn Yên Sở”.

13

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở định lƣợng bài toán biến hình lòng sông
2.1.1Cân bằng bùn cát của đoạn sông
Nguyên nhân cơ bản của diễn biến lòng sông là sự mất cân bằng trong
tải cát. Trong bất kỳ một đoạn sông nào, hoặc trong bất kỳ một vùng cục bộ
nào đó của đoạn sông, dưới một điều kiện nhất định, dòng chảy có một sức tải
cát nhất định. Nếu lượng bùn cát đến tương ứng với sức tải cát, thì dòng chảy
ở trạng thái tải cát cân bằng, lòng dẫn sẽ không xói cũng không bồi. Khi
lượng bùn cát đến lớn hơn sức tải cát của dòng chảy, số bùn cát mà dòng chảy
không thể mang thêm sẽ được bồi lắng dần xuống làm cho lòng dẫn nâng cao.
Khi lượng bùn cát đến nhỏ hơn sức tải cát của dòng chảy, số bùn cát thiếu hụt
sẽ được dòng chảy bao xói lòng dẫn để bổ sung, làm cho lòng dẫn hạ thấp.

G1 – G2 > 0 Bồi
G1 – G2 < 0 Xói
G: suất chuyển lưu lượng bùn cát trung
bình trong bước thời gian Δt
Hình 2.1. Mặt cắt dọc sông

2.1.2 Các loại diễn biến lòng dẫn
Diễn biến lòng sông thường chia ra diễn biến trên mặt bằng, diễn biến
trên mặt cắt dọc, diễn biến trên mặt cắt ngang, nhưng thực chất ba loại này
đan xen nhau, ảnh hưởng lẫn nhau, khống chế lẫn nhau:
+ Diễn biến trên mặt cắt ngang: là do sự mất cân bằng tải cát phương
ngang gây nên. Sự mất cân bằng tải cát trên phương ngang chính là do hoàn
lưu. Khi trong dòng chảy tồn tại hoàn lưu, dòng nước mặt không đi theo

14
phương chuyển động chung mà chảy xiên sang một bờ, còn dòng nước đáy thì
chuyển động sang một bờ khác, ngược với dòng nước mặt. Bờ có dòng nước
mặt xô vào thì bị xói, bờ tiếp nhận dòng nước đáy thì được bồi. Ngoài hoàn
lưu ra, sóng cát cũng tạo ra chuyển dịch bùn cát theo phương ngang.
+ Diễn biến mặt bằng: chủ yếu là sự dịch chuyển trên mặt bằng, đường
bờ,của lạch sâu, của các khối bồi lắng, có khi là liên tục, có khi là đột biến, có
khi là có chu kỳ... do chịu tác động tổng hợp rất nhiều yếu tố.
+ Diễn biến mặt cắt dọc: là do sự mất cân bằng trong tải cát phương
dọc, cónguyên nhân từ thiên nhiên như sự thay đổi theo thời gian và theo dọc
đường củalượng bùn cát, sự thay đổi dọc đường của độ dốc và chiều rộng
thung lũng sông, sựnâng lên hạ xuống của vỏ trái đất, của mực nước biển
v.v... cũng có nguyên nhân từ con người như xây dựng các đập ngăn sông, các
công trình chỉnh trị.
2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn sông ngòi
Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng sông rất phức tạp, có thể nêu
lên các yếu tố chủ yếu sau:
+ Ảnh hưởng đến quá trình lịch sử hình thành lòng sông bao gồm:
Vận động cấu tạo của vỏ trái đất, tác dụng của dòng chảy, tác dụng của
khí hậu, thời tiết. Trong đó, tác dụng của dòng chảy là chủ yếu. Các yếu tố
khác không thể tác dụng riêng rẽ để hình thμnh dòng sông, mà chỉ phối hợp
hỗ trợ cho dòng chảy.
+Ảnh hưởng đến diễn biến lòng sông hiện tại bao gồm:
- Lượng nước đến và chế độ phân phối của nó;
- Lượng cát đến và chế độ phân phối của nó;
- Độ dốc thung lũng sông;
- Tình hình địa chất;
- Các hoạt động của con người.

15

2.2 Phƣơng pháp xác định biến hình lòng sông
Để dự báo diễn biến lòng sông có nhiều phương pháp nhưng thông
thường, phân tích, dự báo diễn biến lòng sông được tiến hành theo 4 phương
pháp sau:
-Phương pháp phân tích các tài liệu thực đo: Dựa vào các số liệu đo
đạc địa hình, địa chất, thủy văn nhiều năm, phân tích vị trí, tóc đọ xói, bồi trên
mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế
phát triển của đoạn sông nghiên cứu. Phương pháp này không bị hạn chế bởi
điều kiện biến đổi dần của dòng chảy và có thể nghiên cứu nó theo không gian 3
chiều. Nhưng nó chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu các quá trình diễn biễn trong
điều kiện đã có tiền lệ trong quá khứ, dựa vào nó để dự báo tác động của công trình
trong tương lai. Hơn nữa, trong điều kiện số liệu thực đo hoặc quá ít, hoặc không
đồng bộ thì sử dụng phương pháp này sẽ không đủ tin cậy.

-Phương pháp mô hình vật lý: Thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong
một khu vực có trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên
nhiên theo định luật tương tự, để quan sát đo đạc, và từ các số liệu do đạc tìm
ra quy luật diễn biến của đoạn sông. Hạn chế phương pháp là rất khó thỏa
mãn các điều kiện tương tự, nhất là các điều kiện tương tự về bùn cát nên có
thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình.
- Phương pháp phân tích ảnh viễn thám: Dựa vào ảnh viễn thám thu
thập các thời kỳ khác nhau, có thể đánh giá về sự diến biến xói lởi bờ, sự tồn
tại hay mất đi của các cồn trên sông, sự di chuyển của lòng sông.
- Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình thích hợp
cho donhf chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện
biên, điều kiện ban đầu thích hợp, tìm lời giải giải tích hoặc lời giả số trị cho
các vân đề nghiên cứu.

Phương pháp mô hình toán với sự giúp đỡ của máy tính điện tử đã cho phép
mô tả những gì xảy ra trong quá khứ, những gì xảy ra trong tương lai với những