Mô phỏng chế độ thuỷ lực trong hệ thống sông hồng và thái bình khi có lũ lớn và triều cường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN

MÔ PHỎNG CHÊ ĐỘ THUỶ L ự c TRONG
HỆ THỐNG SƠNG HỔNG VÀ THÁI BÌNH
KHI CĨ LŨ LỚN VÀ TRIỂU CƯỜNG
MÃ SỐ: QT-01-22
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:
TS. NGUYỄN THỌ SÁO
CÁN BỘ PHỐI HỢP:
THS. NGUYỄN THỊ NGA
THS. ĐẶNG QUÝ PHƯỢNG

Đ A I H O C Q U O C G IA HÀ NỊ*
TRUNG TẢM THƠNG TIN ĨHƯ VIỀN

DT / 2 H :

HÀ NỘI • 2004


BÁO CÁO TĨM TẮT
a. Tên đề tài:
Mơ phỏng ch ế độ thuỷ lực trong hệ thống sông Hồng và Thái Bình
khi có lũ lớn và triều cường.
Mã số: QT-01-22
b. Chủ trì đề tài: TS. Nguyên Thọ Sáo, Khoa KTTV&HDH
c. Các cán bộ tham gia:
ThS. Nguyễn Thị Nga, Khoa KTTV&HDH
ThS. Đặng Quý Phượng, Khoa KTTV&HDH
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:

Mục tiêu:
Thơng qua việc tính tốn thuỷ lực, hiểu rõ chế độ thuỷ lực trên hệ thống mạng
lưới sông Hổng-Thái Bình, vai trị của sơng Đáy và các biện pháp giảm lũ hạ du. Tổ
hợp bất lợi lũ lớn và triểu cường có tác dụng cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra, l à ^
yếu tố quan trọng trong cơng tác phịng chống và giảm nhẹ thiên tai.

Nội dung:
-Tổng quan tình hình lũ lụt trên hệ thống sơng Hổng-Thái Bình và những nguy cơ của
chúng.
-Thu thập và xử lý số liệu cơ bản về KTTV và hải vãn và địa hình mạng lưới hệ thống
sơng Hổng-Thái Bình.
-Lựa chọn và cải tiến mơ hình VRSAP trở thành chương trình tính tốn thích hợp cho -t\
hệ thống sơng nghiên cứu.
-Triển khai các phương án tính tốn:
+ Lũ 8/1996 để hiệu chỉnh mơ hình
+ Lũ 8/1999 để kiểm định mơ hình
+ Tính tốn trường hợp tổ hợp bất lợi giữa lũ 8/1971 gặp triều thiết kế đê biển 5%.
e. Các kết quả đạt được:
1, Thu thập và xử lý bộ số liệu địa hình theo những tài liệu mới nhất cho tồn bộ hệ
thống sơng Hổng-Thái Bình, các q trình lưu lượng và mực nước làm biên tính tốn
cho các trận lũ 1996 và 1999.
2. Thiết lập sơ đổ thuỷ lực cho mạng lướisơngHổng-Thái Bình cùng sự hiện diện của
các cơng trình và tổ hợp phân lũ, cầu, cống. Sơ đồ thuỷ lực được mở rộng tối đa


theo số liệu địa hình và thuỷ văn đã có, đáp ứng được các yêu cầu thực
tiễn.
3. Cải tiến chương trình VRSAP với màn hình cho phép hiển thị trạng thái dịng chảy
qua các cơng trình và tại các vị trí xung yếu, tạo cơ sở cho người quản lý ra quyết định.
4. Thực hiện đầy đủ quy trình tính tốn từ hiệu chỉnh (lũ 1996), kiểm

định mỏ hình (lũ 1999) cho đến việc sử dụng mơ hình để đánh giá chế độ
thuỷ lực trong hệ thống trong kịch bản lũ lớn gặp triều cường. Thấy ràng
với quy mô lũ lịch sử 1971 (độ lặp 125 năm ), thuỷ triều ở mức thiết kế đê
biển 5% không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thoát lũ của hệ thống,
một khi các giải pháp điều tiết lũ (qua hồ Thác Bà và hồ Hồ Bình) và
phân chậm lũ (qua tổ hợp cơng trình phân lũ sơng Đáy) đi vào vận hành.
5. Hướng dẫn một sinh viên K42 Thuỷ văn sử dụng mơ hình làm khố luận tốt nghiệp
về truyền lũ trên sơng Cơn-Hà Thanh, Bình Định; một sinh viên K42 Hải dương sử
dụng mơ hình làm khố luận tốt nghiệp về truyền mận trên các sơng bao quanh TP Hải
Phịng.
f. Tình hình kinh phí của đề tài:
Kinh phí được cấp 2 năm 2001-2002: 16 triệu đồng, đã sử dụng vào
các hạng mục như sau;
Tên mục

Mục
110

Cung ứng văn phòng

112

Hội nghị, hội thảo

Số tiền (đồng)
900.000,00
1.960.000,00

Mua tài liệu
113

Cơng tác phí, đi thực địa

114

Th khốn chun mơn

9.600.000,00

119

Chi phí hoạt động chun mơn

1.900.000,00

145

Mua sắm TSCĐ

134

Chi khác

1.000.000,00

Quản lý

640.000,00

Tổng cộng

16.000.000,00
Mười sáu triệu đống chẵn


BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG ANH
a) Project:
Simulation of hydraulic regime affected by high flood and spring tide in the
Hong-Thai Binh rivers network.
C ode: QT-03-21
b) Head of the P roject:
Mr. Nguyen Tho Sao, Dr
c) P a rtic ip a n ts : 1. M rs. Nguyen Thi Nga, MS
2. Mrs. Dang Quy Phuong, MS
d) O bjectives and scope of the study:
Hydraulic regime in the Hong-Thai Binh rivers network with existing
hydraulical structures, namely the Day flood diversion system and the others, can be
simulated by numerical calculations. The situation which may occur when high flood
combines with spring tide is considered.
The Vietnam Rivers System and Plains (VRSAP) computer program is used to
solve the above problem. The flood of VIII/1996 served for model calibration and the
flood of VIII/1999 served for model validation. The scenario when the flood of 125
years return period encounters with the sea water level of 20 years return period is
modelled.
e) Main results:
1. Available data of cross-sections of the Hồng-Thái Bình rivers network, hydrographs
and water levels of the floods occurred in 1996 and 1999 were collected.
2. The layout of the Hồng-Thái Bình rivers network with existing hydraulical structures
extended as far as possible. The layout selected by the authors seems to be
appropriate.

3. The computer program VRSAP was developed to allow the user to handle
hydraulical situation on screen and to make decision.
4. Sim ulations for the flood in 1996 and in 1999 show good agreem ents
with observed data. The scenario nam ed above shows that sea w ater
levels of 20 years return period has no rem arkable effects on flood


propagations of the 1971-design flood, when the Hoa Binh reservoir and
the Thac Ba reservoir are in operation.
5. The students can develop the computer program VRSAP to make a useful tool to
simulate flood propagation in river networks.

XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA

CHÚ TRÌ ĐÊ TÀI

(Ký và ghi rỗ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

ỵf l C - —
PGS.TS. PHẠM VĂN HUAN

NGUYỄN THỌ SÁO


3.4.2. Thuỷ triều và qua trình triều thiết kế tại các b iê n ........................... 33
3.4.3. Kết quả tính to án ................................................................................. 36
4. Kết luận........................................................... ........... ......................................... 38
5. Tài liệu tham k h ả o ............................................................................................ 39

Phụ lục: Hướng dẫn sử dụng chương trình vàbộ số liệu m ẫu.................. 40
1 .T à i liệu cần có>................................................................................................ 40
2. Chuẩn bị tài liệu đ ể tính to á n .................................................................... 40
3. Trình tự nhập sô' liệu ..................................................................................... 41
3.1. Các số liệu chung..................................................................................... 41
3.2. Các chỉ thị i n ........................................................................................... 42
3.3. Các số liệu mực nư ớ c..............................................................................43
,3.4. Số liệu lun lư ợ n g ......................................................................................43
3.5. Số liệu mưa và th ấm ................................................................................44
3.6. Số liệu địa hình.........................................................................................45
3.7. Số liệu ru ộ n g ...................... ..................................................................... 46
3.8. Điều kiện ban đầu ....................................................................................47
3.9. File số liệu mẫu, chương trình thực hiện vàchương trình nguồn ..47

3


1. ĐẶT VẤN Đ Ể VÀ N Ộ I D UN G T H ự C H IỆN
*

1.1. Đặc điểm đồng bằng sơng Hồng-Thái Bình
Đổng bằng sơng Hồng-Thái Bình (h. 1.1) là một trong hai đồng bằng
lớn nhất nước ta, noi tập trung dân cư lớn và là trung tâm cơng, nơng nghiệp
của các tỉnh phía Bắc, đổng thời là khu vực trọng điểm phát triển kinh tế-xã
hội-văn hoá lớn của cả nước. Trong lãnh thổ Việt Nam, lưu vực sơng HổngThái Bình trải rộng trên địa phận 23 tỉnh và thành phố: Lai Châu, Điện Biên,
Lào Cai, Yên Bái, Sơn La, Hồ Bình, Hà Tây, Hà Giang, Tun Quang, Bắc
Cạn, Thái Nguyên, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Cao Bằng, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hà
Nội, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình. Dự
kiến đến năm 2010 dân số là 21 triệu nguời, tổng sản phẩm xã hội ước tính
20,18 tỷ USD [1].

Sơng Hồng bắt nguồn từ vùng núi cao Vân Nam (Trung Quốc) chảy
theo hướng Tây bắc-Đông nam, hợp với sồng Đà, sông Lô tại Việt Trì. Lưu
vực sơng Hổng có diện tích khoảng 169 000 km 2 trong đó gần 1/2 thuộc lãnh
thổ Trung Quốc. Chiều dài dịng chính tính đến cửa Ba Lạt dài 1126km, phần
trong nước là 556km. Sông Đà chảy từ Mường Tè tỉnh Lai Châu, nhập lưu
với sông Thao tạo thành sơng Hồng tại Trung Hà. Sơng Lơ có chiều dài 470
km (trong nước 275 km) cũng bắt nguồn từ vùng núi cao Vân Nam-Trung
Quốc, có các phụ lưu là: sơng Chảy dài 32 km, sơng Phó Đáy dài 170km.
Ngồi ra cần kể đến m ột số sơng nằm phía hạ lưu hệ thống sông này là: sông
Đáy dài khoảng 230 km, sơng Tích dài 91km, sồng Hồng Long dài 125 km,
sông Đào dài 32 km, sông Thanh Hà dài 40 km, sông Nhụê dài là 80 km và
sông Châu Giang. Hệ thống sơng Thái Bình có diện tích lưu vực là 12
680km2 bao gồm 3 sông hợp lưu tại Phả Lại là: sơng Cầu với chiều dài sơng
chính 288km, sơng Thương, sơng Lục Nam với chiều dài 175km. Phía hạ lưu
có các sơng chính là Kinh Thầy, Đá Bạc, Lai Vu, Lạch Tray, Văn ú c . Hai hê
thống sông Hồng và sơng Thái Bình nối với nhau bằng sơng Đuống và sơng
Luộc và tạo nên một hệ thống hồn chỉnh Hổng-Thái Bình. Tại vinh Bắc Bơ
hệ thống sơng đổ ra 9 cửa chính là: cửa Đáy, Ninh Cơ, Ba Lạt, Trà Lý Diêm
Điền, Thái Bình, Văn úc, Lạch Tray và Nam Triệu.
Mùa khô từ tháng X đến tháng IV với lượng mưa chiếm khoảng 15 25 % lượng mưa năm, mùa mưa bắt đầu từ tháng V và kết thúc vào tháng IX

ị


Hình 1.1. Hệ thống sơng Hồng - Thái Bình
• biên mực nước

-> biên lưu lượng

nhưng phân bố khồng đều theo thời gian và không gian. Hệ thống sơng Hổng
- Thái Bình có tổng lượng dịng chảy năm trung bình khoảng 130 tỷ m 3, 80%
trong số đó tập trung vào' các tháng mùa lũ từ V - XI, riêng lượng dòng chảy
tháng VIII chiếm đến 22% [1]. Nếu lũ trên sông Đà, sổng Thao và sông Lô
xảy ra đồng thời sẽ tạo ra lũ tổ hợp rất lớn, uy hiếp nghiêm trọng toàn bộ
vùng đồng bằng sơng Hồng - Thái Bình.

1.2. Tình hình lũ lụt
Đồng bằng Bắc Bộ có những thuận lợi về nguồn nước nhưng tiềm ẩn
những thảm hoạ ảnh hưởng đến quá trình phát triển kinh tế-xã hội, đe doạ
tính mạng và tài sản của cư dân. Đó là ảnh hưởng của lũ lụt. Trong thời gian
50 năm gần đây, hàng loạt những trận bão, lũ kèm theo những trận lụt lớn
liên tiếp xảy ra ở nhiều nơi, gây những tổn thất ngày càng lớn. Chỉ tính từ
8/1945 đến 8/1996, đã xảy ra 2 trận lũ vượt và 2 trận lũ xấp xỉ mực nước
thiết kế của đê Hà Nội là 13,30m. Đó là các trận lũ tháng 8/1945 và lũ tháng
8/1969, mực nước tại Hà nội là 14,10 IĨ1 và 13,66 m; lũ tháng 8/1971 đã làm
vỡ đê gây thiệt hại lớn, đe doạ thủ đơ Hà Nội, mực nước hồn ngun nếu
khơng vỡ đê và hồ Hồ Bình khơng cắt lũ là 14,67 m, lũ tháng 8/1996 là
13,47 m. Hàng năm thường có từ 3 đến 5 trận lũ khác nhau. Năm 1990 riêng
trong tháng 7 đã có 3 trận lũ vượt báo động 3 tại Hà Nội: 1 l,64m ngày 3/7;
1 l,87m ngay 27/7 và 11 *94m ngày 31/7 [1].
Nguyên nhân của lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng-Thái Bình chủ yếu
do mưa lớn trên lưu vực, mưa do bão, hiện tượng La Nina, việc giảm diện
tích che phủ rừng, sự biến đổi lịng dẫn, điều kiện thốt lũ không thuận lợi do
lũ lớn gặp pha triều cường ở biển Đơng. Do ảnh hưởng của thuỷ triều nên dù
có nhiều phân lưu thoát lũ, việc thoát lũ càng về hạ du càng gặp khó khãn
thời gian tiêu lũ kéo dài.
Khả năng xuất hiện các trận lũ, lụt lớn và đặc biệt lớn đang trở thành
nguy cơ thật sự đối với đồng bằng sơng Hồng-Thái Bình. Trước nguy cơ xảy
ra những trận lũ lớn vượt lũ lịch sử nãm 1971, Chính phủ đã chỉ đạo các Bộ

Ngành có liên quan và các địa phương trong vùng ảnh hưởng lũ chủ động đề
ra các biện pháp ứng phó trong mọi tình huống. Chương trình Phịng chống
lũ đổng bằng sơng Hổng-Thái Bình do Bộ NN & PTNT chủ trì được xây
dựng theo hướng chỉ đạo này với sự tham gia của nhiều cơ quan chức năn^


nhằm mục tiêu khai thác mọi khả năng hiện có để thực hiện cơng tác phịng
chống lũ đạt hiệu qũả cao nhất trong những điều kiện có thể.

1.3. Hiện trạng thốt lũ hệ thống sơng Hồng - Thái Bình
Hệ thống thốt lũ vùng châu thổ sơng Hồng - Thái Bình được hình
thành và phát triển trong quá trình lịch sử với các thành phần cơng trình chủ
yếu như sau:
■
»
1.3.1. Hệ thống đê điều và lịng dẫn thốt lũ
Hệ thống đê điều khu vực đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng vào cuối
thế kỷ thứ IX. Sau hơn 1000 năm, hệ thống này được gia cố và hoàn chỉnh
đến như ngày nay với gần 3000 km đê, 1180 cống lớn nhỏ và 2600 kè [1],
Do hệ thống đê được xây dựng qua nhiều thế kỷ và thiếu quy hoạch tuyến,
chất lượng chưa đảm bảo nên độ an toàn của hệ thống đê này chưa cao khi
mùa lũ đến. Thực tế cho thấy, lịng sơng và bãi sơng trên nhiều tuyến đang
thay đổi, hoặc bị cản trở do chiếm dụng trái phép làm giảm khả năng tiêu
thoát lũ.

1.3.2. Hệ thống hồ chứa cắt lũ ở thượng nguồn
- Hồ Thác Bà có đặc điểm kỹ thuật: dung tích hữu ích 2,2 tỷ m \
dung tích chống lũ 0,45 tỷ m3 nên khả năng giảm lũ cho sơng Hồng khơng
nhiều.
- Hồ Hồ Bình có mục đích chính là phịng lũ hạ du, với đặc điểm kỹ

thuật: dung tích hữu ích 5,6 tỷ m3, dung tích chống lũ 4,9 tỷ m3. Thực tế hoạt
động điều tiết các năm từ 1991 - 1996 cho thấy hồ Hồ Bình đã phát huy
được vai trị cắt lũ đáng kể cho hạ du. Nếu vận hành đúng theo quy trình thì
hai hổ Thác Bà và Hồ Bình hạ thấp mực nước lũ Hà Nội xuống dưới mức
13,30 m theo dạng lũ 8/1971.
- Khả năng hạ thấp mực nước lũ Hà Nội sẽ đáng kể khi xây dựng
xong thuỷ điện Sơn La và hồ chứa Đại Thi trên sông Lô. Sau khi hoàn thành
(dự kiến năm 2020), các hồ chứa trên hệ thống sơng Hồng với tổng dung tích
phịng lũ đến 13,0 tỷ m 3, hiệu quả cắt lũ sẽ rất cao.

7


1.3.3. Hệ thống khu phân, chậm lũ
Hệ thống phân, chậm lũ ở đồng bằng sơng Hồng là biện pháp dự
phịng khi khả năng của hệ thống đê và hổ chứa khơng cịn. Hệ thống này
gồm tổ hợp phân lũ sơng Đáy và các khu phân lũ sử dụng tràn sự cố.
- Quyết định của Thủ tướng Chính phủ ngày 7/12/1974:" Cơng trình có
nhiệm vụ dẫn lũ từ sơng Hồng vào sơng Đáy và thốt lũ qua đập Đáy với lưu
lượng 5.000m3/s theo dạng lũ năm 1971 cùng với cơng trình cải tạo đường
dẫn lũ phía hạ lưu đập Đáy và cồng trình hồ chứa nước Vân Cốc để bảo đảm
phân lũ sông Hổng vào sông Đáy nhằm giữ mức nước ở Hà Nội khơng lên
q cao trình tuyệt đối 13,60m". Năm 1999 Thủ tướng Phan Văn Khải ký
quyết định ban hành Quy chế về phân lũ, chậm lũ thuộc hệ thống sơng Hổng
để bảo vệ an tồn cho Thủ đơ Hà Nội, trong đó nêu rõ: giải pháp phân lũ vào
sông Đáy là giải pháp bắt buộc khi mực nước Hà Nội đến 13,40 m và còn lên
nhanh. Tổ hợp cơng trình phân lũ qua sơng Đáy, gồm (hl.2):
+ Cống Vân Cốc 26 cửa, mỗi cửa rộng 8 m, cao trình ngưỡng 12.0 m,
trần 14.4 m, với lưu lượng thiết kế từ 2000 - 2500 m 3/s.
+ Tràn Hát Môn là hai đoạn đê được hạ thấp thành các ngưỡng tràn

để hỗ trợ tràn lũ thêm cho cống Vân Cốc khi mực nước sông Hồng lên cao.
Hai đoạn này nằm ở phía hữu và tả cống Vân Cốc với tổng chiều dài 7315 m.
+ Bụng chứa Vân Cốc được hình thành bởi hai tuyến đê tả và hữu
sông Đáy và giữa hai cơng trình Vân Cốc và đập Đáy, dung tích hồ 117,35
triệu m3 ứng với cao trình 14,0 m.
+ Đập Đáy có cao trình ngưỡng tràn 9.0 m, đáy tường ngực 13.90 m,
lưu lượng xả thiết kế 5000 m3/s. Tuy nhiên qua nhiều tài liệu nghiên cứu
[4,5,6] lưu lượng xả qua đập Đáy không đảm bảo được như thiết kế, chỉ đạt
khoảng 3800 m 3/s.
- Theo Nghị định số 62/1999/NĐ-CP ngày 31/7/1999, hệ thống phân, chậm
lũ trên hệ thống sông Hổng chỉ giữ lại 2 khu chậm lũ Tam Nông-Thanh Thuỷ
(Phú Thọ) và Lương Phú phân lũ vào sông Tích. Các vùng chậm lũ này chỉ
được sử dụng khi đã phân lũ vào sông Đáy mà mực nước sông Hồng tại Hà
Nội ở mức 13,40 m và Tổng cục Khí tượng Thủy văn dự báo mực nước lũ
cịn tiếp tục lên nhanh.


1.4. Mục tiêu, phương pháp và nội dung thực hiện
1.4.1. Mục tiêu
*
Nhằm chủ động đối phó đón trước với các trận lũ đặc biệt lớn và thực
hiện chỉ đạo của Thủ tưóng Chính phủ, Bộ NN & PTNT đã xây dựng Chương
trình Phịng chống lũ sồng Hổng - Thái Bình và phân cơng thực hiện cho
nhiều cơ quan. Từ tình hình thực tế về khả năng xuất hiện các trận lũ, lụt lớn,
ngày 31 tháng 7 năm 1999, Chính phủ đã ban hành Quy chế "Về phân lũ,
chậm lũ thuộc hệ thống sơng Hổng để bảo vệ an tồn cho Thủ đồ Hà Nội "
với mục tiêu: “Việc phân lũ, chậm lũ hệ thống sông Hồng là biện pháp đặc
biệt nhằm bảo vệ an tồn cho Thủ đơ Hà Nội, hạn chế đến mức thấp nhất
thiệt hại về tính mạng, tài sản của nhân dân và Nhà nước”.

ì


Mặc dù đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học
Việt Nam trong nhiều năm, mà Dự án số 7 [1] là một trong các kết qủa
nghiên cứu mói nhất, vấn đề lũ và phịng chống lũ lụt trên hệ thống sơng
Hồng và Thái Bình vẫn cịn mang tính thời sự. Do vậy việc kế thừa và tiếp
tục phát triển các nghiên cứu trước đây là rất cần thiết.
Mục tiêu chính của đề tài này là thơng qua việc tính tốn thuỷ lực để
hiểu rõ chế độ thuỷ lực trên hệ thống mạng lưới sông Hồng-Thái Bình, vai
trị của sơng Đáy và các biện pháp giảm lũ hạ du. Tổ hợp bất lợi lũ lớn và
triều cường có tác dụng cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra, là yếu tố
quan trọng trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai.
Hiệu quả và khả năng ứng dụng: một đóng góp cho việc triển khai Dự
án số 7 [1] (đồng thời cũng sử dụng và kế thừa tài liệu địa hình và kết qủa
tính tốn thuỷ văn từ dự án này) về chương trình tính tốn thuỷ lực. Các biện
pháp cơng trình được cân nhắc và rà soát để phát huy hiệu quả một cách tối
đa, tránh lãng phí và rủi ro.
Về đào tạo: giúp cho sinh viên tiếp cận với những vấn đề rất cụ thể,
thực tiễn và cấp bách của đất nước. Bộ số liệu mẫu và chương trình dạng mở
để sinh viên làm khố íuận tốt nghiệp, hoặc nghiên cứu phát triển thành phần
mềm ứng dụng.

1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
- Khảo sát và thực địa hiện trường.
- Sử dụng mơ hình thống kê và mơ hình tốn thuỷ văn để phân tích và xử lý
số liệu.
- Mơ hình tốn học, tập trung vào IĨ1 Ơ hình thuỷ lực 1 chiều cho mạng lưới
sông.

1.4.3. Nội dung nghiên cứu
- Thu thập và xử lý số liệu cơ bản về KTTV và hải văn
- Lựa chọn chương trình tính tốn thích hợp

10


- Triển khai các phương án tính tốn để đánh giá chế độ thuỷ lực hiện trạng
của hệ thống sông này theo tổ hợp lũ bất lợi có tần suất hiếm theo dạng lũ
1971. Trong nội dung nàỷ có các trường hợp tính tốn:
+ Hiệu chỉnh lũ 8/1999
+ Kiểm chứng lũ 8/1996
+ Tính tốn trường hợp tổ hợp bất lợi giữa lũ 8/1971 gặp triều
thiết kế 5%. Cần có quá trình triều thiết kế P-5% cho 9 biên cửa sơng và tổ
hợp lũ để đánh giá chế độ thuỷ lực khi lũ thượng nguồn và gặp triều thiết kc
đê biển.

2. MƠ HÌNH THUỶ L ự c CHO MẠNG LƯỚI SƠNG
2.1. Mơ hình thuỷ lực
Nói đến chế độ thuỷ lực, nghĩa là đề cập đến diễn biến mực nước và
lun lượng theo thịi gian tại các vị trí trong hệ thống sơng, kể cả tại các cơng
trình như đê, đập, cầu, cống. Qua chuỗi số liệu quan trắc tại các trạm thuỷ
văn và hải văn có thể nhận được các thơng tin này. Tuy nhiên trong các hệ
thống sông phức tạp với tổng chiều dài hàng ngàn km, các trạm quan trắc chỉ
được đặt tại một số vị trí, vì vậy để có thơng tin tại các vị trí khác phải sử
dụng mơ hình tốn học cho phép mơ phỏng diễn biến các yếu tố thuỷ lực
theo thịi gian và khơng gian. Mơ hình thích hợp cho lịng dẫn hở trong mạng
lưới sơng là mơ hình 1 chiều, dựa trên cơ sở của hệ phương trình SaintVenant. Nếu trong hệ thống sơng có các cơng trình, cần sử dụng thêm các
cơng thức thuỷ lực qua cơng trình.
Hiện tại có nhiều mơ hình như MIKE 11 của Viện Thuỷ lực Đan

Mạch; ISIS của Viện Thuỷ lực W allingford, Anh; HEC-RAS của Cục Kỷ
thuật, Quân đội Mỹ; SOBEK, WENDY của Viện Thuỷ lực Delf, Hà Lan. Các
mơ hình loại này là những mơ hình thương mại, đáng tin cậy, giao diện thân
thiện dễ sử dụng, kết nối được với AutoCAD và GIS, nhưng giá thành cao.
Các nhà khoa học Việt Nam như cố GS TS, anh hùng lao động Nguyễn Như
Khuê đã xây dựng mơ hình VRSAP (Vietnam Rivers System and Plains);
GS TSKH, anh hùng lao động Nguyễn Ân Niên đã xây dựng mơ hình KOD1
(Khơng ổn định 1 chiều), mang sắc thái của Việt Nam và thích hợp VỚI điểu

11


kiện V iệt Nam, có nguồn mở. Vì vậy trong đề tài này sừ dụng mơ hình
VRSAP cho mục đích nói trên, mơ hình này được Bộ NN & PTNT cho phép
sử dụng trong các viện nghiên cứu và thiết kế.

2.2. Mơ hình thủy lực mạng lưới sơng VRSAP
2.2.1. Hệ phương trình cơ bản
Mơ hình VRSAP (Viet Nam Rivers System And Plains Mathematical
Model For Flow and Salt Concentration) là mô hình tính tốn dịng chảy,
mực nước và nồng độ mặn trên hộ thống sơng ngịi, hồ chứa và đồng ruộng,
do GS Nguyễn Như Khuê xây dựng và phát triển theo sơ đổ sai phân ẩn của
Dronkers-Hà Lan.
Chế độ dòng chảy trong lịng dẫn hở là khơng ổn định, biến đổi chậm,
được mơ tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant:
ÕQ
n âZ
—-----1- Bc —— = q
âx
ât

âZ
a ữ ÕQ
a Bc + a ữ B

ÕZ _

dx

ât

gũ) â t

gco1

...
jg |Q{)
K2

trong đó:
X, t: các biến theo không gian và thời gian
Q: lưu lượng, là dương nếu chảy theo chiều dương của X
Z: độ cao mặt nước so với mặt chuẩn nằm ngang
co: diện tích mặt cắt dịng chảy
B: chiều rộng mặt nước dòng chảy
Bc: chiều rộng mặt nước dòng chảy và khu chứa bên bờ
K: mơ dun lưu lượng dịng chảy
q: lưu lượng bổ sung trên mỗi đơn vị dài ven sông, được coi là dương
nếu từ ngồi chảy vào sơng
a , a Q: các hệ số hiệu chỉnh.
( Để giải hệ phương trình (1) cần sử dụng phương pháp sai phán, vậy

cần chia lưới sơng thành những đoạn nhỏ Ax có độ dài vừa đủ, sao cho trong
12


mỗi đoạn sông các đặc trưng thuỷ lực thay đổi khơng đáng kể, khơng có
dịng chảy vào ra. Thịi gian được chia thành những đoạn At bằng nhau.

2,2.2, Sai phân cho một đoạn sơng
Xét m ột đoạn sơng có dịng chảy chxảy ra từ mặt cắt đầu (x = X[) đến
mặt cắt cuối (x = x2 = X j + Ax). Thời đoạn tính tốn At tính từ thời điểm đầu
(t') đến thời điểm cuối t = t' 4- Àt. Coi như đã biết các yếu tố thủy lực của
đoạn sơng lúc đầu (d) thời đoạn tính tốn (Z |\ Q |', Z2', Q2'), còn Z |, Z2, Q,,
Q2 là các ẩn S Ố cần tìm, tức là các yếu tố thủy lực lúc cuối (c) thời đoạn. Các
đạo hàm riêng trong hệ phương trình (1) được sai phân hố như sau:
+ Các đạo hàm theo

X

lấy sai phân lúc cuối thời đoạn

ÓQ_ Qi - Q\
õx

ầx

ÕZ

72 - 7

âx

Ax

+ Các đạo hàm theo t lấy sai phân trung tâm
{Q ^Q ,) _ {Q\ + Q\

£2
ât

At

ỚZ

_Ị_ (Z ,+ Z; )

ớt

At

2

2

(Z\ + z \ ~

2

2

+ Các đại lượng Bc, — , aỉìc+aoB Q lấy trung bình đoạn sơng và

ga

gco

trung bình thời đoạn, gọi là trung bình 4 điểm.
+ SỐ hạng phi tuyến được tuyến tính hố bằng cách coi

- t ì - ì là hê
V K )

số, phần còn lại lấy trị số trung bình lúc cuối thời đoạn Q = Q± ì S L _
Sau khi sai phân, ở mỗi đoạn sông ta nhận được một hệ phương trình
bậc nhất với các ẩn số Q và mực nước z ở hai đầu, viết dưới dạng sau:
Qj = - Dy Z, - R DZ2 + Hr
Q2 = V tZ ,

+ De Z -,— Hv

13

(2)


t+At

Hình 2.1. Sơ đồ sai phân hữu hạn cho sơng đơn

trong đó:
\ - e

1 ' ì + e
2

V.ổ

+ k

+p

R D=
D -2

1 ( ì + e

De = -

2

2 u + *

Hr =

N -

M

ỗ + k

ì - e
õ + k

N + M

Hv =

M = p (Z \ + Z'2) + Qvf N = - ^ - ( 0 ’, +Q'2)
ỏ +k
Be 'A X

T"Ã7

k=

A x

e =

-p

a Be + a 0 B

Á x

2g«2

A t

(Z \ +Z' 2 )
ổ + k

Qvf = q . Ax

Từ hệ phương trình cho mỗi đoạn sơng như trên, có thể nhận được hệ
phương trình cho tồn hệ thống sơng nhờ hai quan hệ: - ở hai đoạn sông kề
nhau thì mực nước cuối đoạn trên bằng mực nước đầu đoạn dưới, và tại mỗi
nút ln có sự cân bằng: tổng lượng nước đến trừ tổng lượng nước chảy đi
trong thời đoạn At, bằng thể tích khối nước được dâng cao thêm tại vùng
chứa kề bên điểm nối:

14


IQ * , - IQ *
trong đó:

= F. M

At

EQdến ■tổng lượng nước chảy đến
X Q di

- tổng lượng nước chảy đi

F- diện tích khu chứa tại nút.

2.2.3. Xử lý các cơng trình
Hệ phương trình (2) nói trên là hệ phương trình bậc nhất được thiết
lập cho mỗi đoạn sỏng có lịng dẫn hở. Tuy vậy, trong hệ thống sơng thực tế
có nhiều trường hợp dịng chảy phải vượt qua các cơng trình cầu, cống điểu

tiết.., khi đó cần xử lý để tính tốn. Cách thực hiện là đưa cơng thức tính lun
lượng qua cơng trình về dạng phương trình (2). Khi có nước chảy qua cơng
trình, cơng trình sẽ được coi như 1 đoạn sông, 2 mặt cắt thượng và hạ lun
cơng trình được coi như 2 mặt cắt đầu và cuối đoạn sồng. Lưu lượng chảy
qua đoạn sông đặc biệt này (cơng trình) sẽ tính theo hộ phương trình (2),
nhưng các hệ số Vt, R D, Dy, De, Hr, Hv là các hệ số của cơng trình. Tuỳ theo
chức năng làm việc của mỗi loại cơng trình, cơng thức tính tốn của chúng
mà tìm ra các hệ số như sau:
a) Đập tràn chảy tự do

Hình 2.2. Sơ đồ tràn chảy tự đo

Cơng thức tính tốn lưu lượng:

15


Q = m J i g bTB H 2

H = Z.-Zng

I
Tách m ^2g bTB H "ĩ thành hệ số, sẽ có
Q, = Q2 = m ^ b TB H ĩ (Zj - z )

So với (2) sẽ nhận được các công thức tương ứng:
Vt = m V ã i Ố7B // 2
Dy = - Vt

De = - R D= 0

Hv = m yịĩg bTB H 1 . Zng = V t . Zng
/

Hr = - Hv

b) Đập tràn chảy ngập

Znq

77777777777777777,
/

/

7T.

Hình 2.3. Sơ đồ tràn chảy ngập

Công thức: Q = ọ J ĩ g bTB(Z2 - Zng)

Q IqI=

- Z2 hay

2B (Z2 - Z J 2 ( Z , - Z 2)

(Z 2—

Coi ^

Y t — R

— ^

như một hệ số, khi đó ta có:

(^2 ~ z „ g )

lõl
16


Dy = De = - Vt
Hv = - Hr = Ọ
c) Chảy ngập qua lõ
Công thức: Q=ụ a cj 2 g yj z i - z 2
Z1
Z2

ỉi

Hình 2.4. Sơ đồ chảy ngập qua lỗ

Cũng xử lý tương tự như trên ta có:
Vt = R D= ịi2 2g (ữ\
Đ A I H O C Q U Ó C G IA HA N Ọ '
TRUNG TÂM THÒNG TIN ĨHƯ VIỆN

Dy = De = - Vt
Hv = - Hr = 0

DT

C0c là diện tích mặt cắt của lỗ hay ống.
d) Chảy tự do qua lỗ

/

Hình 2.5. Sơ đồ chảy tự do qua lỗ
17


Cơng thức:

Q=ụ
J z , - Z, phân tích thành

e |e h < V 2 « ( z ,- z ,) háy a = a = —
Từ đó rút ra:
Vtj A Ệ j ầ
\ Q \

Dy = - Vt
Hv = V t . Zt

De = R D= 0
Hr = - Hv

e) Đoạn sơng hoặc cơng trình khơng có nước chảy qua
Để thời gian tính tốn khơng bị ngắt qng, ở những đoạn sơng hoặc
cơng trình khơng có nước chảy qua, ta lấy các hệ số của hệ phương trình (2)
như sau:
Vt = RD = Dy = De = Hv = Hr = 0, và ln có Q = 0.

2.2.4. Xử lý các khu chứa, ô ruộng
a) Ố m ỏng h ò : Trực tiếp kề bên một đoạn sông hoặc mặt cắt, mực nước
trong ruộng lên xuống theo mực nước trung binh của đoạn kênh hoặc mực
nước của mặt cắt.
b) Ổ ruổng k ín: V ùng đất thấp nối với sông tại một đoạn hoặc một mặt cắt
thông qua nhiều lạch nhỏ hoặc cống, lưu lượng nước trao đổi phụ thuộc vào
độ chênh mực nước trong ngoài.
Gọi mực nước ngập trong ruộng là Zr, ứng với mực nước này có diện
tích ngập Fn, và m ột diện tích khơng ngập Fkn. Trên phần diện tích ngập,
nước mưa trừ bốc hơi và thấm được biến thành dịng chảy Qmưa theo phương
trình sau:

Qmưal = ỈO.Fn.j-,
trong đó: Fn (ha); p (mm)- lượng mưa; Tp (see)- thời đoạn mưa; Qmưa (m'7s).

18


p
1

4

i

1

4

i

ị

i

i

i

i

Ruộng (phồn bj ngộpỊ Ru<Ịng (phịn
oOng

i

Khơng ngộp)

I q I

ổ RUỘNG KÍN

Hình 2.6. Sơ đổ tập trung nước mưa

Trên phần diện tích khơng ngập, nước mưa hiệu quả chảy tràn trên
mặt đất là vườn cây, ruộng lúa hoặc đất đô thị, được điều tiết ngay trên mặt
và tạo thành dòng chảy. Có thể sử dụng mối quan hệ sau đây giữa hệ số tiêu
(dịng chảy mặt tính cho m ột ha mặt đất) Qr với độ sâu lớp nước mặt H:

qr = myjlg b H m ,

H (mm); qr (m3/s/ha)

b (m): hệ số biểu thị khả năng tiêu thoát nước mặt, b càng lớn thì khả năng
tiêu thốt càng nhanh.
q, = 0,45 . J ĩ g .b . 10-2 (H.10'3)3/2 = 0,6234 . 10'6 .b.H3/2
qr có thể tính ngồi mơ hình như hệ số tiêu
Quan hệ giữa H, qr, p được cho bời phương trình cân bằng nước:

H=Ir +ịJL-«r' A t
Tp

10,

H' là trị số của H lúc đầu thời đoạn (mm)

19


Dòng chảy đến ruộng sinh ra do mưa trên phần đất khơng ngập bằng:
Qmưa2

^L- • f kn

Ruộng hở:
r-j

_ rr

1

w

r-j

_

Z d *4" 'ZjC

Zr = Zs hoặc Zr = ------ ---/
2

Fn tham gia chứa: Be = B + —Ax

Qmưaphân bố đều: q =
Ax

Ruộng kín:
Zr = Z'r + [Qmưa - CQr - ( 1 - 0 Q’r] % -

Fn

Khi mưc nước ruộng cao hofn sông: Zr > Zs, Qr > 0

+ Chảy ngập
2

(

p
Qr = 2 -a + Jy L a J

+ 4/Cf
\

a

1 p Q r + Tr
a

2s\
J

+ Chảy tự đo
Qr = m J ĩ g . b . (Zr - Zđ)3/2
Khi mực nước ruộng thấp hơn sông: Zr < Zs, Qr < 0
+ Chảy ngập

J

( c\
p
— Qr +
]j \ a )

2 a

Qr = -

+ 4 í0| z s - z v - 2 =

a

+ Chảy tự do
Qr = m . J ĩ g . b . (Zs - Zđ)3/2
Tổng dòng chảy mật đến ô ruộng bằng:

Qmưa Qmưa]

Q mưa2

10 p „

Yp

0,6324 L rr3/2
b H m Fkn

20

+Iz £ '

a

2.3. Chương trình tính tốn thuỷ lực VRSAP
Từ cách đặt vấn đề và mơ hình hố như đã nêu, GS Nguyễn Như
Khuê đã đưa ra m ột chương trình để tính tốn thủy lực cho tồn hệ thống
sơng, viết bằng ngơn ngữ FORTRAN-77. Chương trình có thể sử dụng đe
tính tốn cho m ọi hệ thống sơng có nhiều hồ, ruộng, cơng trình, nhiều trạm
mưa, biên lưu lượng Q, biên mực nước z . Hiện có nhiều phiên bản của
chương trình này. Tác giả đề tài này đã phối hợp với tác giả của Dự án số 7
[1] xây dựng m ột phiên bản có dao diện trên nền Windows, thuận tiện theo
dõi diễn biến q trình tính tốn trên màn hình để có những tác động thích
hợp.
Chi tiết về việc sử dụng chương trình xem Hướng dẫn ở phần Phụ

3. KẾT Q UẢ

3.1. Sơ đồ thuỷ lực

/
Hộ thống sông Hồng-Thái Bình rất phức tạp với hàng ngàn km chiều
dài sơng và các chi lưu, các sơng chính và sơng nhánh gắn kết với nhau
thành một thể thống nhất, ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Ví dụ lưu lượng trên
sơng Lơ, sơng Thao, q trình điều tiết của Thuỷ điện Hồ Bình trên sơng Đà
quyết định tình trạng dịng chảy ở Sơn Tây và Hà Nội; dịng chảy sơng Hồng
lại ảnh hưởng rất lốn đến diễn biến thuỷ lực trên hệ thống sơng Thái Bình
qua sơng Đuống và sơng Luộc; những pha triều xuất hiện tại vịnh Bắc Bộ có
ảnh hưởng đến khả năng tiêu thoát lũ của 2 hệ thống sơng này.

Trong nghiên cứu thuỷ lực lịng dẫn và cơng trình, phạm vi khơng
gian và thời gian nghiên cứu trải rộng đến đâu cần có các chuỗi số liệu biên
tại đó và do vậy tài liệu quan trắc tại các biên và bên trong miền tính tốn (sử
dụng để hiộu chỉnh và kiểm định mơ hình) là rất cần thiết. Các biên này lại

phải độc lập với nhau trong trường hợp xét các kịch bản cho thiết kế. Hệ
thống lưới trạm quan trắc thuỷ văn của Tổng cục KTTV (cũ) có thể đáp ứng
được điều này, dù khơng thật đầy đủ. Điều quan trọng nhất là phải có đầy đủ
số liệu địa hình và các tham số của các cơng trình hiện diện trong hệ thống
sơng. Lịng dẫn lại thường có biến động, do vậy phải tổ chức khảo sát đo đạc
bổ sung với kinh phí rất lớn. Chỉ có các cơ quan chức năng thuộc Bộ TN và

21


MT, Bộ NN và PTNT, Bộ GTVT... mới có các số liệu này và khi có số liệu
gốc thì cơng việc xử lý cũng đòi hỏi rất nhiều thời gian. Trong đề tài này sử
dụng số liệu địa hình đó đạc năm 1999 -2000, gỉa sử rằng số liệu địa hình
này cũng khơng thay đổi trong các phương án tính tốn.
Những điều nói trên cho thấy việc đưa ra một sơ đồ thuỷ lực hợp lý,
đáp ứng các yêu cầu khoa học và thực tiễn là vấn đề rất khó khãn. Đã có
những sơ đồ phức tạp hoặc đơn giản được đề xuất [4,5,6], nhưng các nhà
khoa học V iệt Nam hầu như thống nhất với quan điểm rằng: phải đưa đến
mức tối đa mạng lưới sông vào sơ đồ tính tốn với các biên thượng lưu và hạ
lưu nằm tại các trạm thuỷ văn do nhà nưóc quản lý, các biên lưu lượng khu
giữa được tính tốn theo quan hệ mưa-dịng chảy. Nhóm cơng tác của Dự án
số 7 [1] trong đó có tác giả của đề tài này đã đưa ra sơ đổ như hình3.1.
Sơ đồ có 921 đoạn sông, 862 nút, 41 ô m ộng, 28 biên lưu lượng, 9
biên mưc nước. Các sông đươc đua vào sơ đô gôm: Đa., Thao, Chay, Lo, Pho
Đáy, Cầu, Thương, Lục Nam, Bùi, Tích, Bơi, Nhuệ, Đáy, Hồng Long, Châu
Giang Đào, Ninh Cơ, Đuống, Luộc, Thái Bình, Kinh Thầy, Gùa, Mía, Mới,
Tam Bạc, Kinh M ơn, Đá Bạc, Lạch Tray, Văn úc, Hố, Trà Lý. Các khu
chứa (ơ ruộng) tập trung chủ yếu ở các khu phân chậm lũ Chương Mỹ-Mỹ
Đức. Các cơng trình cơ bản là cống Vân Cốc, tràn Hát Môn, đập Đáy và các
cầu Mai Lĩnh, G ián Khuất, Long Biên.

Các biên lưu lượng gồm: Hoà Binh trên sỏng Đà, Yên Bái trên sông
Thao Thác Bà trên sông Chảy, Tuyên Quang trên sông Lô, Quảng Cư trên
sông Phó Đáy, Thác Huống trên sơng Cầu, Cầu Sơn trên sông Thương, Chũ
trên sông Lục Nam, Hưng Thi trên sông Bôi. Các biên mực nước gồm: Do
Nghi (sông Đá Bạc), Cửa Cấm (sông Cấm), Kiến An (sông Lạch Tray),
Quang Phục (sơng Văn ú c ), Đơng Xun (sơng Thái Bình), Ba Lạt (sông
Hổng) Phú Lễ (sông Ninh Cơ), Định Cư (sông Trà Lý), Như Tân (sông
Đáy).

22