Nghiên cứu trên mô hình toán các giải pháp chỉnh trị đoạn sông phân lạch trung hà trên sông đà góp phần hoàn thiện vận tải thủy từ hải phòng đến nhà máy thủy điện sơn la

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự N H IÊ N

N G H IÊ N CỨU T R Ê N M Ơ H ÌN H T O Á N C Á C G IẢ I P H Á P C H ỈN H
TR Ị Đ O Ạ N S Ô N G P H Â N L Ạ C H T R U N G H À T R Ê N S Ô N G Đ À , G Ó P
P H Ẩ N H O À N T H I Ệ N V Ậ N TẢI T H U Ỷ T Ừ H Ả I P H Ò N G Đ Ế N N H À M Á Y
T H U Ỷ Đ IỆ N S Ơ N L A
MÃ S Ố : Q T -0 7 -4 5

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:
TS. N G U Y Ễ N T H Ọ S Á O
CÁN BỘ PHỐI HỢP:
THS. HÀ THANH HƯƠNG
CN. NGƠ CHÍ TUẤN

jh
w

r i p c Q U Ọ C G IA H À N Ộ I
j G T Â M M Ò N G TIN T*-<ư V IÊN

ÌÍT /
HÀ NỘI - 2008

l í ã . ___________


BÁO CÁO T Ó M TẮ T
ấ. Tên đề tài:

Nghiên cứu trên mơ hình tốn các g iả i p h á p chỉnh trị đoạn

sỡhg p h â n lạch Trung Hà trên sơng Đà, góp p h ầ n hồn thiện vận
tải thuỷ từ Hải Phịng đến nhà mảy thuỷ điện Sơn La
Mã số: QT-07-45
b. C hủ trì đề tài: TS. Nguyền Thọ Sáo, Khoa KTTV&HDH
c. Các cán bộ tham gia:
ThS. Hà Thanh Hương, Khoa KTTV&HDH
CN. Ngơ Chí Tuấn, Khoa KTTV&HDH
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
M ục tiêu:
Bằng việc áp dụng mơ hình tốn hiện đại 1 chiều, thực hiện hiệu chỉnh, kiểm
chứng mơ hình cho các năm 1996, 2004 và 2005. Từ đó tính tốn điều kiện biên cho
v mơ hình tốn 2 chiều và mơ hình vật lý. Với các phương án tính tốn cho hiện trạng và
2 phương án có kè chỉnh trị, đánh giá phương án có lợi về mật thủy lực đối với lòng
dẫn. Việc chuyển lòng dẫn sang hẳn lạch bên trái đoạn sông Đà gần cầu Trung Hà đảm
bảo lịng dẫn khơng bị bồi lắng và có thể chuyển tải các thiết bị siêu trường siêu trọng
đến NMTĐ Sơn La.
N ội dung:

Tổng quan tìn h h ìn h d òn g ch ảy hạ lưu sôn g Đ à từ khi N M T Đ Hịa
Bình đi vào h o ạ t đ ộ n g , c ũ n g như tìn h trạ n g xói lở đ o ạ n sô n g này. Nhu cầu
ổn đ ịn h lò n g dẫn để đảm bảo g iao th ô n g th ủ y ở đ o ạn s ô n g p h ân lạch p hía
th ư ợ ng lưu cầu T ru n g Hà là cấp th iế t và có ý n g h ĩa th ự c tiễn .
Áp d ụ n g m ơ h ìn h H E C -R A S để tạo b iê n ch o mơ h ìn h vật lý và mơ
hìr.h 2 c h iề u , sau k h i đã hiệu c h ỉn h và k iểm chứ n g m ơ h ìn h , cho 3 trư ờ ng
hợp: lũ lớ n, lũ tru n g b ìn h và lũ tạo lịng.
T riển k h a i các p h ư ơ n g án tín h to á n trê n m ơ h ìn h 2
+ Hiện trạng

c h iề u M IK E 2 1 C :

+ Cơng trình chỉnh trị phương án 1: c r i
+ Cơng trình chỉnh trị phương án 2: CT2.
Hai trường hợp tính tốn đưa ra trong báo cáo này là: lũ lổm và lũ tạo lòng.
e. Các kết quả đạt được:
1.
Thu thập và xử lý số liệu địa hình và thủy vãn cho khu vực nghiến cứu gồm:
sông Hồng từ trạm TV Phú Thọ đến trạm TV Sơn Tây (58km), sông Đà từ hạ lưu thuy
điện Hịa Bình đến ngã ba Thao-Đà (57km), sơng Lơ từ trạm TV Phù Ninh đến ngã ba
Hổng-Lơ (37km). sơng Phó Đáy từ trạm Quảng Cư đến ngã ba Lơ-Phó Đáy với chiều
dài 29 km. Một tháng lũ lớn nhất từ các nám 1996, 2004, 2005.


2. Thiết Ịập sơ đồ thuỷ lực 1 chiều cho mạng lưới sơng nói trên.
3. T h ự c h iệ n đ ầy đủ quy trìn h tín h to á n từ h iệ u c h ín h (lũ 1996),
kiểm đ ịn h m ơ h ìn h (lũ 2 0 0 4 và 2 0 0 5 ).
4. T ín h to án trê n m ô h ìn h 1 c h iề u với 3 trư ờ n g h ợ p lũ lớ n, lũ tru n g
b ìn h , lũ tạo lị n g để làm b iên cho m ơ h ìn h 2 c h iề u và m ơ h ìn h vật lý.
5. Tính tốn trên mơ hình 2 chiều các phương án: hiện trạng, cơng trình chỉnh trị
có kè chữ I, L, T (CT1), và cơng trình chỉnh trị kè chữ I, L, T và A (CT2). Đánh giá tác
động cử hệ thống kè chỉnh trị theo quan điểm thủy động lực.
6. Cung cấp bộ số liệu cho sinh viên làm trường hợp mẫu về áp dụng mơ hình
tốn.
7. Sự phù hợp tốt giữa kết quả của mơ hình tốn (chi phí thấp) với kết quả mơ
hình vật ly (chi phí cao) cho thấy ưu thế của mơ hình tốn. Kiến nghị trong thiết kế có
thể áp dụng mơ hình tốn, chỉ sử dụng mơ hình vật lý trong một số trường hợp rất đặc
biệt.
f. Tình hình kinh phí của dề tài:
K in h p h í đư ợc cấp nãm 2 0 0 7 - 2 0 0 8 : 20 triệ u đ ồ n g , đã sử d ụ n g v à o
các h ạ n g m ục như sau:
Tên mục

Mục

M u c 109

T h a n h to á n d ịc h vụ c ô n g c ộ n g

M ụ c 112

Hội n g h ị

M u c 114

Thuê mướn

M ụ c 119

C h i p h í n g h iê p vụ c h u y ê n m ô n c ủ a
từ n g n g à n h
Tổng cộng
Hai mưói triện đống chẵn

S ố tiền (đồng)
800.000,00
3,200.000,00
14.000.000,00
2.000.000,00
20.000.000,00

BÁO CÁO T Ó M TẮ T BẰNG T IẾ N G ANH
a) Project:
Studying the river training measures in braided Da river section for navigation
improvement using mathematical models.
C o d e : Q T -0 7 -4 5
b) H ea d o f th e P r o je c t:
Mr. N g u y e n Tho Sao, Dr
c) P a r t i c i p a n t s : 1. M rs. Hà T h a n h H ư ơ n g , MS
2. Mr. N gơ C hí T u ấn , BS
d) O b j e c t iv e s and s c o p e o f th e s tu d y :
The calibration, verification works were performed for the study area using
HEC-RAS model. The next step is to establish boundary conditions for 2D model and
physical model. According to the calculated results for the existing conditions,
conditions with structures of Alternative

1, and conditions with structures of

Alternative 2, one can hydraulically evaluate the effectiveness of the alternatives. After
construction of the groins, the main flow is chiefly concentrates on the left braided river
and it guarantees the channel not to be deposited. From now on one can transport super
heavy equipment to Son La hydropower plant.
e) M a in r e s u lt s :
1. Available data of topography of the rivers network, hydrographs and water
levels of the floods occurred in 1996, 2004 and 2005 were collected for thestudy area.
It consists of river cross-sections of 58km in Hong River, 57km of Da River, 37km of
Lo River and 29km in Pho Day River.
2. Building the layout of the rivers network for the ID model.
3. Calibration (VIII/1996 hydrograph), and verification (VII/2004 and VIII/2005
hvdrographs) of the model.

4. B u ild in g th e b o u n d a r y c o n d itio n s fo r 2D m o d e l and p h y s ic a l
m o d e l in c a s e s of: h ig h flo o d , m e a n flo o d and c h a n n e l f o rm in g flo o d .
5. Calculation by 2 D model for the cases: existing condition, groin system of I,
L, T shapes (CTl) and groin system of I, L, T, A shapes (CT2). Analyses of each case
were made based on hydraulically point of view.
6. Providing the calculation procedures as case study for the students.
7. The good agreements between calculated results by mathematical model (low
expenditure) with observed results by physical model (high expenditure) show the
advantages of the mathematical models.

XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA
(Ký và ghi rõ họ tên)

CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI
(Ký và ghi ro họ tên)

PGS.TS. PỈỈAM VAN HUẢN

XÁC NHẬN CỬA TRƯỜNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự N H IÊ N

NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH TỐN CÁC GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ
ĐOẠN SƠNG PHÂN LẠCH TRUNG HÀ TRẼN SƠNG ĐÀ, G Ĩ P PHẨN
HỒN THIỆN VẬN TẢI THUỶ TỪ HẢI PHÒNG ĐẼN
NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN SƠN LA
ĐỂ TÀỈ KHOA HỌC Q T -07-45

Chủ nhiệm đề tài:
TS Nguyễn Thọ Sáo

Hà Nội - 2008

1


MỤC LỤC
Chương 1. Mở đầu

4

1.1. Mục tiêu

ft

1.2. Cách tiếp cận
1.3. Nội dung nghiên cứu

K

1.3.1. Phạm vi nghiên cứu tổng thể

8

1.3.2. Phạm vi nghiên cứu cục bộ

9

1.3.3. Trình tự thực hiện

10

Chưưng 2. Phương pháp

ỉ1

2.1. Giới thiệu các mơ hình

11

2.2. Cơ sở tốn học của các mơ hình

12

2.2.1. Mơ hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS

12

2.2.2. Mơ hình thuỷ động lực lưới cong 2 chiều MIKE 21 c

16

2.3. Số liệu đầu vào

22

Chương 3. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình

25

3.1. Mục đích và u cầu

25

3.1.1. Hiệu chỉnh mơ hình

25

3.1.2. Kiểm định mơ hình

25

3.2. Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh

25

3.2.1. Sơ đổ thuỷ lực

25

3.2.2. Điều kiện biên

2X

3.2.3. Kết quả mô phỏng trận lũ 8/1996

30

3.2.4. Các kết quả kiểm định trận lũ tháng 7/2004

32

3.2.5. Các kết quả kiểm định trận lũ tháng 8/2005

33

3.3. Nhận xét

34

2


3.4. Khai thác mơ hình 1 chiều làm điều kiện biên cho mơ hình vậi lý và mơ
hình 2 chiều

34

Chương 4. nghiên cứu thủy động lực đoạn sơng trên mó hình tốn 2 chiểu
trong điều kiện tự nhiên và có cồng trình chỉnh trị
37
4.1. Các phương án

37

4.1.1. Số liệu địa hình

37

4.1.2. Đầu vào thủy văn

37

4.1.3. Lưới tính tốn và các tham số

39

4.2. Kết quả tính tốn

41

4.2.1. Lũ tạo lịng

41

4.2.2. Lũ max

46

4.3. So sánh kết quả với mơ hình vật lý

51

4.4. Phân tích kết quả

52

Kết luận và kiến nghị

54

Tài liệu tham khảo

55

Phu lục


CHƯƠNG 1. MỞ ĐẨU
Sông Đà là 1 hợp lưu lớn của sông Hồng, chiếm 55% lượng nước trẽn hệ
thống sông Hổng. Mùa lũ trên sông Đà thường bắt đầu vào tháng V, lớn nhất
thường xảy ra vào cuối tháng VII đến nửa đầu tháng VIII, kết thúc vào cuối
tháng IX đầu tháng X. Dịng chảy lũ trên sơng Đà lớn, tập trung nhanh và không
đổng bộ ở các phần khác nhau của lưu vực. Trong điều kiện tự nhiên, khi hồ Hịa
Bình chưa tham gia điều tiết dịng chảy sơng Đà, lũ sông Thao và sông Đà
thường xuất hiện lệch pha nhau. Cơng trình thủy điện Hịa Bình (đi vào vận hành
từ năm 1991) có nhiệm vụ chính là tham gia chống lũ cho thủ đô Hà Nội, hàng
nãm cắt trung bình từ 4-6 trận lũ lớn. Hiệu quả điều tiết chống lũ cho hạ du và
cho Hà Nội của hổ là rất lớn, tác dụng cắt lũ càng thể hiện rõ khi xảy ra lũ lớn
đổng thời trên các sông Đà, Lô và Thao. Việc xây dựng các hồ chứa mang lại
những lợi ích to lớn, song cũng gây ra những tác động khác như hiện tượng xói
sâu phổ biến ở hạ lưu, do một lượng bùn cát tạo lòng bị giữ lại hồ chứa gây ra
mất cân bằng ở hạ lưu, Hổ Hịa Bình đã làm thay đổi cơ bản chê độ thúy lực,
thủy văn, vận chuyển bùn cát, gây ra hiện tượng xói sâu lịng dẫn trên sơng Đà
sau hồ. Khi có thêm hổ Sơn La phía thượng lưu hồ Hịa Bình, gần như tồn bộ
lượng bùn cát tạo lịng của sơng Đà sẽ được giữ lại ở hai hổ này, do đó hiện
tượng biến đổi lịng dẫn ở hạ lưu đập Hịa Bình chắc chắn sẽ diên ra mạnh mẽ

hơn.
Đoạn hợp lưu Thao-Đà cách hạ lưu đập Hồ Bình 57km là khúc chuyến tiếp
từ ncã 3 Thao Đà đến ngã 3 Lô-Hồng. Đây là nơi hội tụ của các dịng sơng lớn
có chế độ thủy lực, thủy văn và tổ hợp lũ phức tạp, có cơ chế động lực lịng dẫn
đa dạng và rất khơng ổn định. Trong tình hình đó, cần thấy rõ một thực trạng là
hệ thống bờ bãi, đê điều vùng này rất xung yếu. Việc chỉnh trị, ổn định lòng dẫn
phục vụ giao thơng thủy, nâng cao náng lực thốt lũ ở đoạn sơng này là rất quan
trọng trong khai thác dịng chảy trên quy mơ tồn tuyến sơng từ đày vế hạ lưu.
Đoạn sông phân lạch gãn khu vực cầu Trung Hà có hình thái sơng phức tạp, chưa
ổn định, diễn biến thuv lực, xói lơ bờ đang ở tình trạng nghiêm trọng gay di
chuyển luồng tàu theo mùa, ánh hưởng rất lớn đến đời sống dân cư hai ben sông.

4


Hình 1. Một đoạn sơng Đà được gia cổ bằng lát mái
Tinh hình nói trên thường xun xen kẽ nhau, làm cho đoạn hợp lưu (hay
còn gọi ]à đoạn phân lạch) luôn luôn tồn tại bãi giữa sông với hai dòng ép sát bờ,
ảnh hưởng rất lớn đến việc phòng chống lũ ở cả hai bên bờ sông và giao thơng
đường thuỷ. Theo thơng lệ, dịng cháy thường gây xói ở phía bờ lõm đoạn sóng
cong, tức dịng chủ lưu phải ở phía phải sơng. Tuy nhiên đã nhiều năm nay. dịng
chủ lưu ln ở phía trái đoạn sơng phân lạch. Các kết quả nghiên cứu, khảo sát
thực địa cho thấy: hiện nay lịng sơng Đà đoạn từ đập về xi khoảng 30km đã
đạt tới trị số xói cực hạn và hiện tượng xói lan truyền đã ánh hưởng đến Trung
Hà. Song song với hiện tượng xói sâu là hiện tượng xói ngang đà uy hiếp bờ đe
đoạn thị xã Hồ Bình và lan truyền về hạ lưu làm xói bờ nhiều đoạn.
Kèm theo quá trinh xói sâu lan truyển là hiện tượng hạ thấp mực nước.
Theo kết quả thu thập phân tích tài liệu thủy vãn đến năm 1996, tại Hồ Bình
mực nước đã hạ thấp AH = 2,10m ứne với Q = 500m3/s, AH = l,70m ứng với Q
= 5.000rrv7s, AH=1,20m ứng với Q = lO.OOOmVs. Độ hạ thấp mực nước chưa dạt

đến trị sơ cực hạn, vì hiện tượng xói vẫn đang tiếp diễn. Bên cạnh đó, việc xâv
dựng nhà cửa và trồng trọt trên bãi sông, tùy từng vị trí cũng có thể anh hưởng
nhiều hay ít đến khá năng thốt lũ. Do q trình xói lan truyẽn còn tiêp diẻn nen

5


cần phải tiếp tục điều tra khảo sát để có biện pháp cơng trình báo vệ nhằm ổn
định đoạn hạ lưu sơng Đà. Các cơng trình chỉnh trị phải đảm bảo cho dịng sơng
và tuyến luồng dần đi vào ổn định, đảm bảo giao thông thủy trong những điều
kiện bất lợi nhất, có tác dụng bảo vệ bờ, nhưng đồng thời khơng làm ảnh hưởng
tới các mục đích kinh tế khác.

Hình 2. Một đoạn sơng Đà xói lở do chưa được gia cố
Giao thông vận tải thuỷ trên sông Đà có vai trị đặc biệt quan trọng phục vụ
xây dựng nhà máy thuỷ điện Sơn La: đảm nhiệm 75-80% lượng hàng hố thơng
thường, và đảm nhận vận chuyển tồn bộ hàng thiết bị sièu trường, siêu trọng.
Trong tồn đoạn sịng Đà từ hạ lưu đập Hịa Bình đến ngã ba hợp lun Thao-Đà
thì đoạn sơng phân lạch gần cầu Trung Hà diễn biến phức tạp nhất, ảnh hưởng
rất đáng kể tới giao thông thủy, và là đối tượng của nghiên cứu này.
1.1. MỤC TIÊU
Việc nắm bắt chế độ thủy động lực, diễn biến của lòng dẫn tại khu vực này
phục vụ cho việc quy hoạch, lập dự án, thiết kê các cơng trình có ý nghĩa rât ihiết
thực cho cơng tác chỉnh trị sơng khu vực trọng điểm này. Vì vạy nghiên cứu này
hướng tới:
+ Xác định ch ế độ thủy động lực. thuỷ vãn hạ lưu sông Đà trong quá trình

6

vận hành, khai thác của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình.
+ Nghiên cứu các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến xói lở bờ, giao thơng
thủy và thốt lũ,
+ Xác định giải pháp cơng trình chỉnh trị, cải tạo sơng phục vụ giao thông
thủy đạt hiệu được quả kỹ thuật, kinh tế.
1.2. CÁCH TIẾP CẬN
Để cải tạo đoạn sơng, cơng trình chỉnh trị phải được tính tốn, bơ trí dựa
trên các nghiên cứu cụ thể, chi tiết và sử dụng các cơng nghệ, phân mềm tính
tốn chun dụng.
Trong điều kiện chuỗi số liệu quan trắc thủy văn, bùn cát ở khu vực cơng
trình cịn hạn chế, q trình diễn biến luồng lạch và kết cấu dịng chảy phức tạp
thì việc đưa các mơ hình (kết hợp mơ hình tốn và mơ hình vật lý) vào nghiên
cứu chế độ thủy lực hạ lưu sồng Đà (đọan thượng lưu cầu Trung Hàj là hét sức
cẩn thiết, là cơ sở kiểm chứng, đánh giá, kết hợp lý thuyết và kinh nghiệm thực
tế để lựa chọn phương án xáy dựng các cồng trình đạt hiệu quả cao.
Sử dụng phương pháp mơ hình tốn nghiên cứu chế độ thủy động lực hiện
trạng dòng chảy trong mùa lũ, mùa nước trung bình, mùa kiệt và ảnh hưởng của
các cơng trình đối với thốt lũ vùng hạ lun sơng bao gồm:
- Kiểm chứng mơ hình tốn với thực tế hiện trạng.
- Mô phỏng trường lun tốc và mực nước đoạn sônc nằm trong khu vực
nghiên cứu của dự án với đia hình hiện trạng và địa hình sau khi xây dựng các
cơng trình trong các trường hợp nghiên cứu.
- Kết hợp các giá trị kết quả nghiên cứu trên mơ hình tốn, lý thuyết và kinh
nghiệm dể nhận định, đánh giá và lựa chọn giải pháp xây dựng cồng trình chinh
trị và các thơng số kỹ thuật của cơng trình chỉnh trị.
- Mơ hình tốn sử dụng để nghiên cứu phải được nghiệm chứng, hiêu chinh
để có độ tin cậy.
- Phạm vi khu vực nghiên cứu (khu vực lập mơ hình) phải đủ rộng để bao
trùm được các ảnh hường có thể; bước lưới tính tốn (\x, \) I phái du ch 1 liet de

7


có thể phản ánh một cách sát thực địa hình lịng sơng, bờ bãi, địa vật và các cơng
trình sẽ đưa vào nghiên cứu.
- Thời gian chạy điều chỉnh và nghiệm chứng mơ hình phải đủ dài và bao
trùm được các chế độ dòng chảy đặc trưng.
- Số liệu đo đạc dùng để xây dựng và chạy mơ hình phải đảm bào độ chính
xác cần thiết.
- Sai số tương đối cho phép giữa số liệu thực đo (lưu tốc, lưu lượng, mực
nước) và các giá trị tính tốn nằm trong khoảng 5-10%.
- Các phương án cơng trình đưa vào nghiên cứu mơ hình phải là các phương
án đặc trưng, đại diện cho các khả năng có thể.

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN c ú u
1.3.1. Phạm vi nghiên cứu tổng thể (h.3)
Chế độ thuỷ lực nói chung và biến đổi lịng dẫn nói riêng trong doạn sơng
Đà từ trạm TV Hồ Bình đến ngã ba Trung Hà chịu ảnh hưởng không chi q
trình điều tiết lũ của NMTĐ Hồ Bình (điểu kiện thượng lưu) mà cịn bởi dịng
chảy từ các sơng Thao và Lơ (điều kiện hạ lưu). Vì vậy phạm vi nghiên cứu tổng
thế phải bao gồm được các sông này. Nếu miền nghiên cứu hẹp sẽ làm cho các
biên trở nên khơng độc lập, ảnh hưởng đến kết quả tính toán, nhưng nếu miền
quá rộng sẽ ảnh hưởng đến thời gian tính trên máy. Do vậy phạm vi nghiên cứu
cần được trải rộng đến các trạm thuỷ vãn gần với sông Đà nhất trên các sông
này, cụ thể là:
- Sổng Đà từ đập Hồ bình đến ngã ba Thao-Đà với chiều dài 57 km
- Sông Thao từ trạm thủy văn Phú Thọ đến ngã ba Hổng-Lô với chiều dài
42km
- Sông Lô từ trạm Phù Ninh đến ngã ba Hồng-Lô với chiêu dài 37 km.
- Sơng Phó Đáy từ trạm Quảng Cư đến ngã ba Lơ-Phó Đáy với chiều dài

- Sơng Hổng Từ ngã ba Hồng-Lô đến tram thủy văn Sơn Táy với chiêu dài
16km.

8


Theo các nghiên cứu đã có thì trên thực tế, dịng chảy sơng Phó Đáy ít ảnh
hưởng đến chế độ dịng chảy đoạn sơng Đà đang xét.

Hình 3. Khu vực nghiên cứu tổng thể
1.3.2. Phạm vi nghiẽn cứu cục bộ (h.4)
Phạm vi nghiên cứu cục bộ là đoạn sông phân lạch trên sơng Đà, cách cầu
Trung Hà về phía thượng lưu khoang 9km và về phía hạ lưu cầu khoảng lkm.

Mình 4. Khu vưc nghiên cứu cục bộ

9


1.3.3. Trình tự thực hiện
Mơ hình tốn 2 hoặc 3 chiều sẽ phù hợp nhất cho việc nghiên cứu. Mố
hình 3 chiều chưa thể thực hiện do những khó khăn về số liệu cũng như thời gian
chạy trên máy tính, do vậy có thể sử dụng mơ hình 2 chiều. Tuy nhiên mơ hình 2
chiều chỉ có thể sử dụng cho phạm vi nghiên cứu cục bộ cũng vì những lý đo
trên. Vì vậy phải sử dụng mơ hình 1 chiều cho phạm vi nghiên cứu tổng thê, và
mơ hình 2 chiều cho phạm vi nghiên cứu cục bộ. Trình tự tiến hành như sau:
-

Sử dụng mơ hình 1 chiều để tính tốn thuỷ lực (mực nước và lưu lượng)

cho mạng lưới sông thuộc phạm vi nghiên cứu tổng thể. Mục đích là làm cơ sở
cho các tính tốn tiếp theo trong phạm vi nghiên cứu cục bộ.
- Sau khi mơ hình 1 chiều đã được kiểm chứng, sử dụng mơ hình này để tạo
ra các biên dùng cho mơ hình vật lý và mơ hình 2 chiểu cho các trường hợp: lũ
tạo lịng, lũ trung bình, lũ lớn.
- Sử dụng mơ hình 2 chiều để tính tốn chế độ dịng chảy cho các trường hợp
nói trên với các phương án: hiện trạng, có kè chỉnh trị.

10


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP
2.1. GIỚI THIỆU CÁC MƠ HÌNH
Những chương trình máy tính giải hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant
như VRSAP của Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên được sử dụng khá hiệu
quả ở Việt Nam. Tuy nhiên hiện nay trên thế giới có nhiều mơ hình thuỷ thạch
động lực rất mạnh: MIKE của Viện Thuỷ lực Đan Mạch, DELFT-3D của Phịng
thí nghiệm Delft Hà Lan, SMS do nhiều cơng ty và viện nghiên cứu Hoa Kỳ
cùng hợp tác xây dựng. Các mơ hình này đều có chung mục đích là giải các bài
toán thuỷ động lực, diễn biến chất lượng nước và vận chuyển trầm tích. Đây đều
là các mơ hình thương mại, một số cơ quan tại Việt Nam đã có bản quyền sử
dụng.
Mơ hình MIKE được xây dựng dựa trên việc giải hộ phương trình Saint Venant và Navier-Stokes cho dòng chảy 1, 2 và 3 chiều (hướng dọc sông, hướng
ngang và thắng đứng). Đế phát triển tính tốn thêm vận chun trăm tích, có the
sử dụng thêm một sơ mơđun của MIKE. Ví dụ MIKE 21C gồm đầy đu các phan
hồi về sự thay đổi cao trình đáy sơng và biẽn đổi đường bờ, thực sự là mội mỏ
hình động học về hình thái sơng. Đối với mơ phỏng thời đoạn dài, có thể sử dụng
dịng ổn định. Tính tốn trên mơ hình MIKE21C có thê áp dụng để khảo sát sự
thay đổi hình thái sơng, kể cả những tác động của cơng trình như kè, đập mỏ

hàn, đập dâng, mố, trụ cầu và nạo vét lịng sơng. Những nghiên cứu điển hình
bao gồm khảo sát hình thái sơng ngắn hạn, trung hạn, và dài han, từ hàng tuần
cho đến hàng năm trên toàn bộ các nhánh sơng dài từ 5 đến 100 km. Mơ hình
gồm 3 mơ đun chính: mơ đun tính thuỷ lực, mơ đun tính vận chuyển bùn cát và
mơ đun tính hình thái. Ngồi ra cịn nhiều mơ đun nhỏ mơ phỏng các công trinh
sông, bãi giữa...
SMS cũng là một hệ thõng mơ hình tốn cho 1 chiêu, 2 chiêu và 3 chiểu,
(rỏm nhiều mồ đun, sử dụng để nghiên cứu các nội dung đã đặt ra trẽn đoạn sông
thuộc phạm vi dự án. Mõi mô đun số được thiết kế để hướng vào một nhóm bài
tốn đặc biệt. Một số mơ đun tính tốn thuỷ động lực như vận tơc done chay va

11


mực nước. Những mơ đun khác tính tốn sự vận chuyến chất ô nhiễm hoặc nồng
độ chất lơ lửng. Vài mơ đun hỗ trợ tính tốn trạng thái ổn định và khơng ổn định,
dịng chảy có thể là phân giới và trên phân giới. Lưới phần tử hữu hạn, hoặc lưới
sai phân, hoặc sử dụng những mặt cắt ngang, cùng với những điều kiện biên cần
thiết cho phân tích, được SMS sử dụng cho tính tốn và sau đó lưu giữ thành các
file dữ liộu làm đầu vào.
Như vậy trong dự án này chúng ta có thể:
- Sử dụng mơ hình 1 chiều HEC-RAS (thuộc nhóm mơ hình SMSj tính
tốn mực nước và lưu lượng trên toàn khu vực nghiên cứu.
- Sử dụng mơ hình SMS hoặc MIKE21C để tính toán trường lưu tốc và
mực nước trong khu vực dự án với số liệu biên là kết quả được truy xuất từ mơ
hình 1 chiều.
2.2. C ơ SỞ TỐN HỌC CỦA CÁC MƠ HÌNH
2.2.1. Mơ hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS
Để tính tốn thuỷ lực trong hệ thống sơng (lịng dẫn hớ vằ các cơng irình), có
thể sử dụng hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant. Hệ phương trình vi phân đạo

hàm riêng này khơng có nghiệm giải tích và thường được giải bằng phương pháp
số. Trong dự án này sử dụng chương trình HEC-RAS, là một mơđun của SMS.

Hình 5. Mạng lưới sõng và măt cắt ngang trong mỏ hình HB( '-RAS


HEC-RAS được phát triển bởi Trung tâm Thuỷ văn Công trình (The
Hydrology Engineering Center - HEC), Mỹ. HEC-RAS tính tốn trạng thái ổn
định hoặc không ổn định để xác định mực nước và vận tốc dịng cháy, có thê bỏ
sung các công trinh: cầu, cống, các trạm bơm dọc sông...Việc giải phương trình
dịng chảy khơng ổn định được phỏng theo mơ hình UNET của Tobert L.
Barkau (Barkau 1992 và HEC 1997). Thành phần dịng chảy khơng ổn định
được xây dựng chủ yếu cho các tính tốn chế độ dịng chảy dưới phân giới.
Các quy luật vật lý chi phối dòng chảy trong sơng là: (1) bảo tồn khối
lượng (phương trình liên tục) và (2) bảo tồn động lượng (phương trình chuyển
động). Các quy luật này được biểu diễn toán học theo dạng các phương trình vi
phân đạo hàm riêng.
- Phương trình liên tục
X ét đoạn sơne, như trong hình 6. Trong hình này, k h o ả n g cách X được do

dọc kênh. Ở điểm giữa đoạn, lưu luợng và diện tích mặt cắt ướt được thê hiện
bởi Q(x,t) và A t tương ứng, qi là lưu lượng gia nhập vào đoạn sơng. Phương
trình liên tực như sau:
CAỵ

ao

■V _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

o \I

°'
A-

V

I
lii.x.i)
\ ~ 0 ? - -r s

-V-

N

\

-X

-- /\x --- L>
------ --- _
Otuflow
" "\~ ^ -- V -

Hình 6. Đoạn sơng cơ bản

1?

_

•—

-

x

-r.


- Phương trình động lượng
Theo định luật bảo tồn động lượng (định luật 2 Newton) ta có:
v

_ =

(2]
Bảo tồn động lượng cho đoạn sông: tất cả các lực thành phần tác động lên
đoạn sông cân bằng với suất biến đổi động lượng. Đây là phương trinh áp dụng
theo hướng

X.

Thông lượng có hướng trùng với hướng cùa véc tơ vận tốc theo

chiểu dòng chảy. Ba lực sẽ được xem xét là: áp suất, trọng lực và lực ma sát.

T

I

t
1

--------------- — ------------------------ -----------

T
r

L

Hình 7. Mặt cắt ngang
Áp suất: hình 7 giải thích trường hợp tổng quát cua một mặt cắt không đều.
Phân bố áp suất giả thiết là thủy tĩnh (thay đổi tuyến tính theo độ sâu) và tổng áp
suất là tồn bộ áp suất trên diện tích mặt cắt. Áp suất tại một điểm bất kỳ có thể
viết như sau:

Ff = j

y'l 7 ' i :Ạ

Í3)
trong đó h là độ sâu,

V

là khoảng cách trèn đáy kênh, và T(y) là hàm cua độ

rộng, liên hệ bề rộng mật cát vứi khoảng cách ơ trên đáy kênh. Nêu F là áp lực
theo h ư ớ n g X ở g iữ a đ oạn sơ n g , thỉ lực ờ p hía thượng lưu cua đoạn sị n g có thê

viết:

14


cFp Ay
F t-

cx

2

(4 )

và ở phía hạ lưu:
cF? A.V

F f-

1

C.Y

(5)

Do đó tổng các lực áp suất tác động lên đoạn sơng có thể viết:

r

r F-~ = ‘ ỉ

cF P Ảx

7
ẻx 2

r

Í F ? Av . r

r ĩ ~ —r T
ở. V 2

i
(6 )

trong đó Fpn là áp lực tác động lên đoạn sông và FB là lực tác động bơi các
bờ sông theo hướng

X

lên chất lỏng.

Trọng lực biểu thị bàng:
cz
F, = —DẹA—— Ax
C-X

(7)
Lực cản bằng:
F f = -r.P A r
(8)

Sau một số biến đổi thu được phương trình động lượng như sau:

— - —
CT

CX

- 2 \ ; — - S , | = '~'
"*

CX

:

(9)
trong đó V- vận tốc dịne; cháy , Sf - độ dốc thuỷ lực

s\ =

2.2ỒSR' ' A '
110)

15


Đối với các phương trình vi phân 1 chiều, sử dụng thuật lốn sai phân để
đưa các phương trình vi phân nói trên về các phương trình sai phân, ớ đây chỉ
đưa ra các ví dụ tốn tử sai phân chính theo khơng gian và thời gian
cf

iự _ ư

CX

AỸ

- -/

'+£ fA / _ -A / »
Av
(II)

ẽf

Ạf _ 0.5 ( A /

cỉ

Aỹ

- A/ , )
(1 2 )

Ấr

Bước đầu tiên để thiết lập một sơ đổ HEC-RAS là tạo ra mơ hình xác định
mạng lưới sông (sơ đổ thuỷ lực và các đặc điểm), vị trí mặt cát ngang trên các
sơng nhánh và sơng chính, vị trí bờ, và chia thành khu vực đặc trưng.
2.2.2. Mơ hình thuỷ động lực lưới cong 2 chiều MIKE 21C

Trong SMS có một số mơ hình số hai chiều trung bình độ sâu (RMA2,
FESMWS, ADCIRC, M2D, HIVEL) tính tốn các yếu tố thuỷ động lực bằng
phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn. Mơ hình cho phép tính tốn
mực nước và các thành phẩn vận tốc hướng ngang cho dịng chảy trong khơng
gian 2 chiều. SMS tính tốn nghiệm dang Reynolds của hệ phương trình Navier Stokes đối với dịng chảy rối. Ma sát được tính tốn với phương trình Manning
hoặc C h ezy , và hệ s ố nhớt rối được sử dụng để xác định những đặc trưng rối. C ó

thể phân tích dịng chảy ổn định và khơng ổn định.
Chương trình được áp dụng đê tính tốn phân bố mực nước và dòng chảy
xung quanh các đảo, vận chuyển các khối nước trên đất ngập nước. Dòng cháy
tại các cầu, lịng sơng co hẹp hoặc mử rộng, kênh đẫn vào ra nhà máy thu> điện,
các nơi phân nhập lưu, các trạm bơm, các cơng trình ven bổng, các vùng đầm
phá, sơng, hồ chứa, và cửa sơng đều có thể tính tốn bang SMS.
Tuy nhiên qua thực tế sử dụng, mơ liình MIKE21 c có những ưu thế so với
mơ hình SMS ở khả năng tính tốn khi sử dụng

lư ới

cong trực giao khớp

VỚI

biên, do vậy các kết quả trong báo cáo này lấy theo MỈKE21C. Phiên bán cluiân
của mơ hình MIKE21 dựa trên lưới tính hình chữ nhật. Đối vói việc mô phong

lb


vùng biển mở và phần lón những ứng dụng vùng bờ, vùng cửa sơng, những lưới
như vậy cho độ chính xác vừa đủ. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong sóng,

u cầu phải có sự mơ phỏng chính xác đường biên và điều đó địi hỏi việc sư
dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc (dạng các phần tử hữu hạn). Lưới cong có
những ưu điểm vượt trội lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đổ tính tốn nhanh hơn rát
nhiều. ích lợi của việc sử dụng lưói cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số
điểm lưới ít hơn, mơ phỏng đưịng bao tốt hơn và do đó kết quả tính tốn có độ
chính xác cao. Trong mơ hình lưới cong, có thể sử dụng bước thời gian dài hơn
và độ phân giải được cải thiện hơn bởi

VI

đường lưới ln bám sát theo đường

dịng chảy. Và cuối cùng, khi chạy mơ hình lưới cong, do số điểm được định
nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ. Lưới cong trực giao
được sử dụng trong MIKE 21C có được từ việc giải hệ phương trình:
£

d ỉ
dĩ
+—
=0
ẽs
3» g dn

—

d ỉ dy
+—
=0
'4 ,

dn g dn

(13)

trong đó:
X, y: toạ độ Để các

s, n : toạ độ cong trực giao
g: hàm tỷ trọng.
Hàm tỉ trọng là tỉ lệ giữa độ dài ô lưới theo phương s và độ dài ô lưới theo
phương n. Hàm này được xác định như sau:
J

2
-|_

5v
3s

ds

i

3
Bx'
i d»J

-4- V
■J'/

*
A G

17

f ti

H Ọ C 3 U Ô C G A HÀ NÔI
A V TLi " > 3 TIN

/

ÌL t

'

Ệv


Mơ hình thuỷ động lực học cho phép mơ phỏng mực nước và dịng chày
trong sồng và vùng cửa sơng. Các mơ phỏng dựa trên lưới cong bao phủ tồn bộ
khu vực nghiên cứu. Mơ hình này giải phương trình liên tục và bảo tồn động
lượng (hệ phương trình Saint-Venant) một cách tổng hợp và hoàn toàn động học
theo 2 hướng. Khi mơ hình được sử dụng cho sơng, những ảnh hưởng sau đây có
thể đưa vào hệ phương trình:
- Gia tốc dòng chảy
- Sự đối lưu và động lượng mặt cắt ngang
- Độ dốc đường mặt nước
- ứng suất tiếp đáy
- Sự phân tán động lượng

- Lực Coriolis
- Lực do gió
- Dịng chảy cong và dịng chảy vịng
V iệ c sử d ụ n g lưới c o n g làm tăng thêm m ột s ố đại lượng trong hệ phương

trình sai phân. Hệ phương trình được sử dụng trong MIKE 21C như sau.
ặ + ị í 4 ’ +l ị ạ ) +2 ^ ~ + ^ + g h
dí

^

ds [ h '

dn \ h }

kRx

hRỉ

3H
ds

g p J 7 +q2 _
c7
h2

+ & + ? ! . ± + JL = 0

dt

ds

dn

Rị

Rx
f

< ỵ\

Ẽ1 + A Í £ l ì + — V
dí

ơsl h )

3«

+gHỊ Ị L +Ậ Ĩ^ Ịp L = XHS

+ ,£ 1
hRi

hR,

trong đó:
s, n - toạ

độ trong

hệ toạ độ cong

p, q - thông lượng theo hướng s và n
H

- cao trình mực nước

h

- độ sâu

g

- gia tốc trọng

c

- hệ số Chezy

trường

18

Si

(ý

h

Rs, R n - bán kính cong của đường s và n
RHS

- phẩn bên phải, mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do

gió, áp lực khơng khí.
Dịng chảy vịng là hiện tượng dịng chảy thứ cấp trong sơng. Trong khi
khơng có ảnh hưởng mạnh lên dịng chảy chính trong các sơng có tỉ lệ giữa độ
rộng và độ sâu ỉớn, thì nó lại có ảnh hưởng đáng kể đến hướng vận chuyến bùn
cát và vì thế ảnh hưởng đến sự thay đối hình thái sơng. Do đó, việc tính tốn
dịng chảy vịng gắn liền với việc mơ phỏng vận chuyển bùn cát khi tiến hành
mơ hình hố hình thái sơng trên qui mơ lớn. Nó là một thành phần vơ cùng quan
trọng trong q trình phát triển xói vịng, xói hợp lưu, nghiên cứu cồn cát dạng
điểm cũng như cồn cát di động.
Trong sơng thiên nhiên, ngồi phương chuyến động chung dọc theo lònti
dẫn, d ò n g nước cịn c ó c á c ch u yển đ ộn g theo cá c phương khác g ọ i chung là dòng

thứ cấp. Dòng thứ cấp dễ nhận thấy trực quan là dịng xốy trục đứng, xuất hiên
tại các nơi có chiều rộng lịng sơng thay đổi đột ngột. Những vùng xuất hiện
dịng xốy đứng thường được gọi là khu nước vật. Dòng thứ cấp xuất hiện nơi
mật cắt dọc lòng dẫn đột biến, các phấn tứ nước chuyển động theo quỹ đạo quay
quanh trục ngang, được gọi là cuộn xốy ngang. Đây là những dịng thứ cấp điạ
hình, sản sinh ra do sự thay đổi cục bộ đột ngột của địa hình.
Ngồi dịng thứ cấp địa hình, còn tổn tại một loại dòng thứ cấp theo phương
ngang, trục dọc. Hình chiêu của nó trên mặt cắt ngang là một hoặc nhiều vịng
khép kín, nên thường gọi là hồn lưu, hay là dịng chảy vịng. Dịng chay vịng
khơng chỉ xuất hiện ở khúc sơng cong mà cịn xuất hiện ở các đoạn sơng khác,
thãm chí ở các đoạn sông thẳng. Sông uốn khúc không phải là nguyên nhán cua
dịng chảy vịng mà là hậu quả của nó. Sự uốn khúc của lịng sơng chỉ làm dịnp
chảy vịng mạnh lên và ổn định thêm. Dòng chảy vòng kết hợp với dịng chính

tạo thành dịng chảv xoắn ốc dọc theo lòng dẫn (h. 8).

19


Hình 8. Dịng chảy xoắn tại
khúc sơng cong
Dịng chảy vịng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi
giữa gây nẽn sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dịng chính và do vậy cũng
gây nên sự chệch hướng của ứng suất tiẽp đáy (xem hình 9). Sự trệch hướng này
(định nghĩa bằng góc lệch ơs) phụ thuộc vào bán kính đoạn sơng cong và độ sâu
dịng chảy, và đóng vai trị chủ yẽu trong việc hình thành địa hình đáy sơng,
được tính như sau:
Í1S)

tan ổ s =~J3 —
R.
trong đó:
ơs:

góc lệch giữa ứng suất tiếp đáy và dịng chính

h:

độ sâu dịng chảy,

Rs:

bán kính đoạn sơng cong (hay là độ cong của đường dòng)

(5:

hệ số

2 ,
K

v'7

(19)

kC

với K là hằng số van Karman,

c

là sô Chezy, và a là hằng số kiểm đinh mó hình

Trước khi vào khúc sơng cong, trong dòng chảy đã xuất hiện dòng cháy
vòng nhưng với cường độ yếu. Sau khi vào khúc sông cong dòng cha) vòng lớn
dần lên và đạt trị số cực đại tại vùng đinh cong, sau đó lại bát đẩu giám nho. Q
trình này được gọi là sự thích ứng của dòng chày vòng nhằm tiến lới trang thái

20