Nghiên cứu ứng dụng phần mềm duflow đánh giá hiệu quả tiêu nước của trạm bơm cấn hạ huyện quốc oai thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THỊ MINH QUYÊN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW ĐÁNH
GIÁ HIỆU QUẢ TIÊU NƯỚC CỦA TRẠM BƠM CẤN HẠ
HUYỆN QUỐC OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành:
Mã số:

Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
60 - 62 – 30

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. NGUYỄN TÙNG PHONG
2. GS.TS. DƯƠNG THANH LƯỢNG

Hà Nội – 2010


LỜI NĨI ĐẦU

Qua 3 năm học, được sự tận tình giảng dạy của các giảng viên của Trường Đại
học Thủy lợi, học viên đã hồn thành khóa học và được nhận đề tài luận văn thạc sĩ kỹ

thuật. Đến nay luận văn đã cơ bản hoàn thành đúng hạn.
Trước hết, xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Tùng Phong và GS. TS.
Dương Thanh Lượng, người hướng dẫn khoa học trực tiếp, đã không quản thời gian,
tạo mọi điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ học viên trong suốt quá trình thực
hiện đề tài luận văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm
khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, các thầy cô giáo ở các bộ môn đã giảng dạy và cung
cấp những kiến thức quý báu giúp cho sự trưởng thành về cả về chuyên môn và nhận
thức của học viên.
Xin cảm ơn lãnh đạo Phòng Kinh tế huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội đã tạo
điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần một cách tốt nhất. Cảm ơn các đồng
nghiệp về sự tương trợ trong q trình học tập và cơng tác, cũng như những ý kiến
đóng góp thiết thực cho luận văn. Xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình,
bạn bè đã thơng cảm chia sẻ với học viên nỗi vất vả, động viên, khích lệ lúc khó khăn
suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Với sự nỗ lực của bản thân, cùng với sự giúp đỡ quý báu của mọi người, đến
nay luận văn cơ bản đã hoàn thành và chờ sự đánh giá của Hội đồng chun mơn. Tuy
nhiên, do trình độ của bản thân và thời gian có hạn, nên luận văn có thể khơng tránh
khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả kính mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của
các thầy cô giáo và đồng nghiệp để luận văn được bổ sung chỉnh sửa kịp thời và tác
giả nhận được sự tiến bộ, phục vụ cho công việc chuyên môn sau này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2010
Học viên

Nguyễn Thị Minh Quyên


Trường Đại học Thủy Lợi

i

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU
BẰNG ĐỘNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................4
1.1 Hiện trạng thủy lợi ở Việt Nam............................................................................... 4
1.1.1 Tình hình phát triển thủy lợi ở Việt Nam [2,3] ................................................ 4
1.1.2 Tình hình hoạt động của các hệ thống tiêu động lực ở nước ta ....................... 6
1.1.3 Hiệu quả hoạt động hệ thống tiêu ở Việt Nam ................................................ 7
1.2 Tình hình ứng dụng mơ hình số mơ phỏng dịng chảy hở .................................... 10
1.2.1 Tình hình ứng dụng trên thế giới ................................................................... 11
1.2.2 Tình hình ứng dùng ở Việt Nam .................................................................... 11
1.3 Đề xuất phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 12
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: ............................................................................................... 13

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM DUFLOW ..............................................14
2.1 Giới thiệu mơ hình Duflow ................................................................................... 14
2.1.1 Lịch sử và mục đích của mơ hình [13] .......................................................... 14
2.1.2 Cơ sở Vật lý và Toán học .............................................................................. 15
2.1.3 Cơ sở lý thuyết của mơ hình mưa – dịng chảy RAM [12] ............................ 19
2.2 Dữ liệu đầu vào cho các mơ hình Duflow [11] ..................................................... 21
2.2.1 Nút tính tốn (Node) ......................................................................................22
2.2.2 Đoạn tính tốn (Section) ................................................................................ 23
2.2.3 Mặt cắt ngang (Cross Section) ....................................................................... 24
2.2.4 Cống (Culvert) ............................................................................................... 26
2.2.5 Đập tràn (Weir) .............................................................................................. 27
2.2.6 Trạm bơm (Pump)......................................................................................... 28
2.2.7 Điểm xả (Discharge Point) ........................................................................... 29

2.2.8 Diện tích phục vụ (Area) ............................................................................... 29
2.2.9 Kịch bản ( Senarios) ...................................................................................... 31
2.3 Kết quả đầu ra của Duflow.................................................................................... 33
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2: ............................................................................................... 35

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
TRẠM BƠM TIÊU CẤN HẠ ...................................................................................36
3.1. Giới thiệu hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ ........................................................... 36
3.1.1 Điều kiện tự nhiên.......................................................................................... 36
3.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội ................................................................................. 40
3.1.3 Hiện trạng thủy lợi hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ ..................................... 41
3.2. Thiết lập mơ hình hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ bằng phần mềm Duflow ....... 45
3.2.1 Tài liệu sử dụng để thiết lập mơ hình ............................................................ 45
3.2.2 Thiết lập mạng lưới kênh mương................................................................... 45
Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

ii

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

3.2.3 Xác định biên tính tốn .................................................................................. 46
3.2.4 Kiểm định mơ hình ........................................................................................ 47
3.3. Mơ phỏng kiểm tra năng lực hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ.............................. 52
3.3.1 Thông số đầu vào sử dụng chạy mơ hình ...................................................... 52
3.3.2 Kết quả chạy mơ hình .................................................................................... 53

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3: ............................................................................................... 55

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG HỆ
THỐNG TIÊU ...........................................................................................................57
4.1. Giải pháp về cơng trình ......................................................................................... 57
4.1.1 Quy trình nâng cao hoạt động hệ thống ......................................................... 57
4.1.2 Mô phỏng hệ thống trạm bơm Cấn Hạ với phương án đề xuất nâng cấp ...... 57
4.2. Giải pháp về quản lý điều hành ............................................................................. 63
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4: ............................................................................................... 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................69
PHỤ LỤC ..................................................................................................................70

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

iii

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Hiện trạng sử dụng đất lưu vực tiêu trạm bơm Cấn Hạ............................41
Bảng 3.2. Hệ thống kênh hiện trạng.........................................................................43
Bảng 3.3. Các cống tiêu đầu kênh cấp 2 ...................................................................44
Bảng 3.4. Phân vùng diện tích hứng nước theo kênh tiêu cấp 2 ...............................47

Bảng 3.5. Trận mưa dùng tính tốn kiểm định mơ hình ...........................................47
Bảng 3.6. Lưu lượng và mực nước lớn nhất tại các nút tính tốn - Phương án kiểm
định ...........................................................................................................................50
Bảng 3.7. So sánh mực nước tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ .......................................51
Bảng 3.8. Mơ hình mưa tiêu của lưu vực trạm bơm Cấn Hạ ....................................52
Bảng 3.9. Lưu lượng và mực nước lớn nhất tại các nút tính tốn - Phương án mơ
phỏng hiện trạng ........................................................................................................54
Bảng 4.1. Đề xuất nâng cấp hệ thống kênh ...............................................................60
Bảng 4.2. Lưu lượng và mực nước lớn nhất tại các nút tính toán - Phương án nâng
cấp ...........................................................................................................................62

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

iv

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sơ đồ 4 điểm ẩn Preismann .......................................................................17
Hình 2.2. Chu trình thủy văn .....................................................................................20
Hình 2.3. Mạng lưới kênh được thiết lập bằng Duflow ............................................22
Hình 2.4. Các thuộc tính của nút ...............................................................................23
Hình 2.5. Các thuộc tính của đoạn ............................................................................24
Hình 2.6. Các thuộc tính của mặt cắt ngang .............................................................25
Hình 2.7. Thiết lập kích thước mặt cắt ngang ...........................................................25

Hình 2.8. Các thuộc tính của cống ............................................................................26
Hình 2.9. Các thuộc tính của đập tràn .......................................................................27
Hình 2.10. Các thuộc tính của trạm bơm ..................................................................28
Hình 2.11. Các thuộc tính của điểm xả nước ............................................................29
Hình 2.12. Các thuộc tính của diện tích. ...................................................................30
Hình 2.13. Số liệu mưa sử dụng cho đối tượng diện tích .........................................30
Hình 2.14. Các thuộc tính RAM của đối tượng diện tích. ........................................31
Hình 2.15. Thiết lập tính tốn ...................................................................................32
Hình 2.16. Chức năng quản lý kịch bản ....................................................................33
Hình 2.17. Q trình dịng chảy trên hệ thống ..........................................................34
Hình 2.18. Đồ thị quá trình lưu lượng và mực nước tại một mặt cắt ........................34
Hình 2.19. Kết quả dạng bảng biểu quá trình QH tại một mặt cắt............................35
Hình 3.1. Hiện trạng Trạm bơm Cấn Hạ ...................................................................41
Hình 3.2. Hiện trạng kênh tiêu chính T1...................................................................42
Hình 3.3. Hiện trạng kênh tiêu Thạch Thán ..............................................................43
Hình 3.4. Hiện trạng cống đầu kênh cấp 2 ................................................................44
Hình 3.5. Mơ phỏng mạng lưới kênh mương trạm bơm Cấn Hạ .............................46
Hình 3.6. Quá trình Q-H trên kênh T1– Phương án kiểm định mơ hình ..................48
Hình 3.7. Quá trình Q-H trên kênh Đầm Bung- Phương án kiểm định mơ hình ......49
Hình 3.8. Q Q-H trên kênh tiêu Thế Chu - Phương án kiểm định mô hình ..........49
Hình 3.9. Quá trình Q-H trên kênh T12L- Phương án kiểm định mơ hình ..............49

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

v

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3.10. So sánh mực nước mô phỏng và thực đo tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ ..51
Hình 3.11. Quá trình Q-H tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ - Phương án hiện trạng ......53
Hình 3.12. Quá trình Q-H trên kênh T1 - Phương án hiện trạng ..............................53
Hình 3.13. Quá trình Q-H trên kênh Đầm Bung - Phương án hiện trạng .................54
Hình 4.1. Qui trình đề xuất nâng cấp cơng trình .......................................................57
Hình 4.2. Quá trình Q-H tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ - Phương án nâng cấp ..........61
Hình 4.3. Quá trình Q-H trên kênh T1 - Phương án nâng cấp ..................................61
Hình 4.4. Quá trình Q-H trên kênh Đầm Bung - Phương án nâng cấp .....................62

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

1

0.

1.

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Các hệ thống tiêu hiện nay ở đồng bằng sông Hồng được thiết kế và xây

dựng vào những năm 60 của thế kỷ 20 phục vụ nước cho hầu hết diện tích nơng
nghiệp vùng đồng bằng. Hệ thống này phục vụ tốt vì vậy đã tăng thêm được vụ
mùa, đạt trung bình trên hai vụ một năm. Các hệ thống đã được thiết kế và cải tiến
theo tiêu chuẩn thiết kế quốc gia. Tuy nhiên một số hệ thống thủy lợi tiêu bằng
động lực không đáp ứng được yêu cầu tiêu gây úng ngập bởi vì có trạm bơm đầu
mối xây dựng đã lâu, nhà trạm máy bơm và hệ thống kênh dẫn hiện đã bị xuống
cấp, hay thông số thiết kế chưa đúng, nhu cầu tiêu thay đổi so với ban đầu, hoạt
động của hệ thống chưa hợp lý.
Hiệu quả của hệ thống thủy lợi tiêu bằng động lực được thể hiện nhiều mặt:
Trạm bơm tiêu úng cho vùng sản xuất nông nghiệp, tăng diện tích và sản lượng
nơng nghiệp, đời sống nhân dân được ổn định; khắc phục hậu quả úng ngập; phòng
chống lũ lụt gây ảnh hưởng các ngành dân sinh kinh tế; cải thiện môi trường...Để
nâng cao hiệu quả của hệ thống tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp hiện nay thường
sử dụng biện pháp xây dựng mới hoặc nâng cấp cải tạo trạm bơm tiêu đầu mối.
Theo một số nghiên cứu gần đây việc chưa đáp ứng trong tiêu nước hiện nay ngoài
nguyên nhân trạm bơm đầu mối hoạt động khơng hiệu quả cịn có ngun nhân
quan trọng khác là việc tiêu nước từ mặt ruộng về kênh tiêu chính tồn tại nhiều bất
cập như: kênh tiêu chính và kênh cấp 2 bị bồi lấp đáy kênh cao hơn, bề mặt rộng
hơn so với thiết kế, kênh qua một số khu vực dân cư bị ách tắc gây thu hẹp; hệ
thống kênh cấp 3 và mặt ruộng không được thiết kế và xây dựng nghiêm túc, thiếu
cống tiêu mặt ruộng, khơng có một tổ chức chun trách riêng quản lý hệ thống tiêu
hợp lý, trách nhiệm rõ ràng. Do vậy cần xem xét tổng hợp nhiều nguyên nhân để
đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp. Đề tài
sẽ tập trung nghiên cứu nguyên nhân những tồn tại trong hoạt động hệ thống kênh
tiêu từ mặt ruộng về trạm bơm đầu mối.

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

2

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Ở nước ta, vấn đề nâng cao hiệu quả quản lý, khai thác các hệ thống thuỷ
lợi tiêu bằng động lực đã được nhiều tổ chức và nhiều nhà khoa học quan tâm. Tuy
nhiên, vấn đề đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống một cách toàn diện, khoa
học mới chỉ bắt đầu được nghiên cứu và áp dụng ở một vài hệ thống mang tính chất
thí điểm và tập trung chủ yếu vào hoạt động trạm bơm đầu mối. Việc nghiên cứu
hiệu quả các hệ thống thuỷ lợi tiêu bằng động lực một cách khoa học và toàn diện là
một yêu cầu cấp thiết đặt ra nhằm đánh giá và xác định những hạn chế chính để cải
tiến tăng sản lượng nông nghiệp, đưa ra những đề xuất khoa học áp dụng vào thực
tế sản xuất.
2.

Mục đích của đề tài
Mục đích của luận văn là nghiên cứu sử dụng các phương pháp và công cụ

để đánh giá năng lực tiêu thực sự và tìm ra những ngun nhân chính một cách toàn
diện ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống tiêu nước bằng động lực. Nội
dung nghiên cứu của luận văn làm cơ sở khoa học để đề xuất biện pháp cải tạo, đề
ra cách thức quản lý vận hành nâng cao hiệu quả hoạt động, bước đầu đưa ra những
thể chế cho công tác quản lý của hệ thống.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn: Đánh giá hiệu quả tiêu nước hệ thống

thủy lợi tiêu bằng động lực bằng mô hình thủy lực Duflow.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Luận văn lựa chọn hệ thống trạm bơm
tiêu Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội là hệ thống tiêu có đầy đủ tài liệu
để làm đối tượng nghiên cứu.
4.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Các cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu sau sẽ được sử dụng trong

quá trình thực hiện luận văn.
Phương pháp tiếp cận:
- Tiếp cận tổng hợp: Tổng quan về nghiên cứu đánh giá hiệu quả tiêu ở Việt
Nam và trên thế giới, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu được tiếp cận một
cách tổng hợp.
Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

3

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

- Tiếp cận kế thừa: Các kinh nghiệm và phương pháp tính tốn phục vụ
cơng tác nghiên cứu đánh giá hiệu quả tiêu trong các nghiên cứu trước đây cũng

được tham khảo trong luận văn.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập, xử lý và phân tích số liệu: Các số liệu cần thiết cho
nghiên cứu đánh giá hiệu quả tiêu như: số liệu dân sinh kinh tế vùng nghiên cứu, số
liệu khí tượng thủy văn, số liệu hiện trạng hệ thống… sẽ được thu thập và phân tích
để phục vụ công tác nghiên cứu đánh giá.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp tính tốn lý thuyết
thủy nơng, thủy văn, thủy lực, trạm bơm… cũng như các lý thuyết của các môn học
khác liên quan cũng được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn.
- Phương pháp mơ hình tốn: Phần mềm Duflow được sử dụng trong luận
văn để mô phỏng các kịch bản tiêu của hệ thống để làm cơ sở đánh giá năng lực của
hệ thống cũng như kiểm tra các tính hiệu quả của các đề xuất nhằm cải thiện hiệu
quả tiêu nước của hệ thống.

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

1.

4

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Hiện trạng thủy lợi ở Việt Nam

1.1.1 Tình hình phát triển thủy lợi ở Việt Nam [2,3]
Ngồi một số cơng trình thuỷ lợi được xây dựng từ thời Pháp thuộc như cơng
trình đập dâng và hệ thống thuỷ lợi sông Chu, tỉnh Thanh Hoá, đập dâng Cầu Sơn,
tỉnh Bắc Giang, hệ thống thuỷ lợi Liễn Sơn - Bạch Hạc, tỉnh Vĩnh Phúc, hệ thống
đập dâng và âu thuyền Thác Huống, tỉnh Thái Nguyên. Các hệ thống này đã hoạt
động hàng trăm năm, và gần đây đã được đầu tư nâng cấp cải tạo. Hầu hết các hệ
thống thuỷ lợi của nước ta được xây dựng và đưa vào vận hành từ những năm 1960
trở lại đây, và có thể chia thành 3 giai đoạn gắn liền với tiến trình đấu tranh giải
phóng đất nước và xây dựng chủ nghĩa xã hội ở nước ta.
Giai đoạn sau hồ bình lập lại năm 1954 đến năm 1975, với chính sách phát
động tồn dân làm thuỷ lợi bắt đầu từ những năm 1960 với sự giúp đỡ về kỹ thuật
và thiết bị của Liên Xô cũ và các nước Đơng Âu một loạt các cơng trình thuỷ lợi ở
vùng đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng như các trạm bơm tưới Đan Hoài, La Khê,
Phù Sa, Ấp Bắc, Nam Hồng, Hà Nội; Như Quỳnh, Văn lâm, Văn Giang, tỉnh Hưng
Yên, Đại thuỷ nông Bắc Hưng Hải trải dài trên ba tỉnh Bắc Ninh, Hưng Yên, và
Hải Dương; Hệ thống 6 trạm bơm tiêu lớn Như Trác, Cổ Đam, Hữu Bị, Cốc Thành,
Vĩnh Trị thuộc tỉnh Hà Nam và Nam Định, … đã được xây dựng đồng loạt tạo ra hạ
tầng cơ sở vật chất lớn phục vụ phát triển nông nghiệp và nông thôn miền Bắc và
kết quả thu được là hầu hết diện tích canh tác nông nghiệp ở miền Bắc được sản
xuất từ một vụ thành sản xuất hai vụ. Một vùng đất gần hai trăm ngàn ha thuộc hệ
thống Bắc Hưng Hải trước khi có hệ thống thuỷ lợi là vùng trũng, chua phèn thành
những vùng đất canh tác phì nhiêu, nơng thơn trù phú như ngày nay.
Giai đoạn sau giải phóng Miền Nam từ năm 1975 đến năm 1985, cùng với sự
tiếp quản hạ tầng cơ sở thuỷ lợi từ chế độ cũ để lại, hàng loạt các cơng trình thuỷ
lợi lớn ở miền Trung và Miền Nam được xây dựng như hệ thống thuỷ lợi Phú Ninh

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

5

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

– tỉnh Quảng Nam, Dầu Tiếng ở Tây Ninh, Kẻ Gỗ ở Hà Tĩnh và hàng ngàn ki lô
mét kênh mương cũng như các cơng trình khác được xây dựng.
Giai đoạn sau năm 1985 đến nay: Chính sách đổi mới của Đảng ta vạch ra tại
Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ 6 năm 1986, tiếp tục tiến trình đầu tư phát triển thuỷ
lợi của những năm sau giải phóng, cùng với việc mở rộng xây dựng phát triển các
cơng trình thuỷ lợi nhỏ ở trung du miền núi từ Bắc vào Nam thì các cơng trình thuỷ
lợi vừa và lớn thuộc các vùng đồng bằng cũng thường xuyên được nhà nước đầu tư
sửa chữa, nâng cấp.
Tính tới thời điểm năm 2002, cả nước đã xây dựng được 75 hệ thống thuỷ lợi
vừa và lớn và rất nhiều hệ thống thuỷ lợi loại nhỏ. Đã xây dựng được 743 hồ chứa
có dung tích trên 1 triệu m3 (riêng các hồ dung tích trên 10 triệu m3 có 70 hồ),
khoảng 3.000 – 3.500 hồ chứa nhỏ; 1.020 đập dâng (không kể những hồ đập tạm);
số liệu thống kê gần đây nhất có khoảng gần 2.000 hồ chứa có dung tích từ
200.000m3 trở lên. Khoảng trên 2.000 trạm bơm lớn các loại với công suất lắp máy
cho tưới là 250MW và tiêu là 300MW; có gần 5.000 cống tưới tiêu lớn các loại,
trên 23.000 km bờ bao ngăn lũ đầu vụ hè thu ở đồng bằng sông Cửu Long, 5.700
km đê sông, 2.000 km đê biển, và cùng với hàng vạn km kênh mương và các cơng
trình trên kênh. Riêng vùng núi phía Bắc đã xây dựng được 1.750 hồ chứa vừa và
nhỏ, 4.190 đập dâng và hàng trăm cơng trình thuỷ điện, thuỷ luân (tính cả đập hồ
tạm). Tổng giá trị tài sản phần nhà nước đã đầu tư khoảng 100.000 tỷ đồng (tính
đến thời giá năm 1998) chưa tính tài sản cố định cho các hệ thống đê điều, cơng

trình thuỷ điện và cơng sức của nhân dân đóng góp.[3]
Hiệu quả của các cơng trình thuỷ lợi đem lại là rất to lớn, hiện nay năng lực
tưới của các cơng trình thuỷ lợi trên toàn quốc là trên 3 triệu ha diện tích đất canh
tác, góp phần mở rộng diện tích canh tác, thâm canh tăng vụ, tăng năng suất cây
trồng. Thuỷ lợi là biện pháp cơ bản để nâng chỉ số quay vịng sử dụng đất. Tính
bình qn trong các năm từ 1986 đến 1998 mỗi năm diện tích tưới tăng 6 vạn ha lúa
đông xuân, 7 vạn ha lúa mùa, và 8-10 vạn ha lúa hè thu, kết quả này làm tăng hệ số
quay vòng sử dụng đất tăng từ 1,5 lần năm 1955 lên trên 2 lần vào năm 1990 và lên
2,2 lần vào năm 1997 và đến nay hệ số sử dụng đất đạt tới 2,4 ở một số vùng đồng

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

6

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

bằng Bắc Bộ. Cùng với tăng diện tích tưới tiêu và các biện pháp giống để tăng năng
suất, sản lượng lúa năm 2002 trên cả nước đạt tới 33,6 triệu tấn.
Ngoài hiệu quả các cơng trình thủy lợi mang lại về mặt nơng nghiệp, thủy
lợi cịn mang lại nhiều hiệu ích trên nhiều lĩnh vực khác. Các hệ thống thuỷ lợi ở
các vùng ven biển đã ngăn mặn, giữ ngọt tạo điều kiện cấp nước sản xuất và đặc
biệt là cấp nước ngọt cho hàng triệu người sống ở các vùng đất ven biển không sử
dụng được nước ngầm do nguồn nước ngầm bị nhiễm phèn. Các hồ chứa đã cung
cấp nứơc ăn, nước sinh hoạt cho nhân dân trong vùng, nguồn nước cho phát triển
nông nghiệp ở các vùng trước khi có hồ chứa dân sống thưa thớt vì khơng có nước

ngọt, và đất đai hầu hết là bỏ hoang. Ngồi ra các cơng trình thuỷ lợi đã góp phần
cải tạo mơi trường sinh thái, hệ thống bờ bao thốt lũ ở đồng bằng sông Cửu Long
đã tạo cơ sở xây dựng hàng trăm cụm, tuyến dân cư chung sống với lũ. Nhiều hệ
thống hồ đập đã tạo ra các tài nguyên du lịch lớn như hồ Đại Lải, hệ thống thuỷ lợi
Suối Hai, Đồng Mô, Núi Cốc, Dầu Tiếng, Phú Ninh…

1.1.2 Tình hình hoạt động của các hệ thống tiêu động lực ở nước ta
Hiện nay các hệ thống tiêu bằng động lực được xây dựng phổ biến ở hầu
khắp các vùng trong cả nước. Có hai hình thức xây dựng là trạm bơm tiêu và tưới
tiêu kết hợp. Các trạm bơm vừa và lớn hầu hết được xây dựng ở vùng đồng bằng,
đất đai trong khu vực được bao bọc bởi các con sông lớn. Chẳng hạn hệ thống 6
trạm bơm điện vừa và lớn của tỉnh Hà Nam tưới, tiêu cho khu vực Bắc Nam Định
và Nam Hà Nam là một khu vực đồng chiêm trũng. Phía Đơng Bắc khu vực giáp
sơng Hồng và sơng Đào, phía Tây giáp sơng Đáy, Đơng và Đơng Nam có sơng Đào
Nam Định nối liền sông Hồng và sông Đáy. Địa hình khu vực lịng chảo, cốt đất từ
0,5 ÷ 2 m chiếm đa số. Về mùa mưa (từ tháng 6 đến tháng 11) nước từ thượng
nguồn dồn về làm cho mực nước sơng lên cao, trong khi đó cũng do mưa mà trong
đồng bị ngập trắng nước. Vì mực nước sông cao hơn trong đồng nên việc tháo nước
tự chảy khơng thực hiện được, tình hình này kéo dài hầu như cả mùa mưa làm cho
tình trạng ngập úng nghiêm trọng, vụ mùa hầu như mất trắng. Ngược lại, về mùa
khơ lượng mưa ít, mực nước sơng lại thấp, việc lấy nước tự chảy từ ngồi sơng vào
cũng khó thực hiện, vụ mùa đã úng, vụ chiêm lại khơ vì thiếu nước. Để giải quyết

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

7

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

chủ động việc tưới, tiêu nước thì khơng thể thiếu vai trò các trạm bơm tưới tiêu kết
hợp. Việc quyết định cho 5 trạm bơm Nam Hà kết hợp 2 nhiệm vụ tưới tiêu là hợp
lý. Ngồi ra cịn một số trạm bơm tưới tiêu kết hợp lớn khác đã được xây dựng.
Năm 1967 xây dựng xong 2 trạm bơm lớn Cốc Thành, Cổ Đam (Nam Định), trạm
Cốc Thành tưới cho một phần diện tích huyện Mỹ Lộc, huyện Vụ Bản và phía Đơng
huyện Ý n với tổng diện tích tưới là 23.508 ha, tiêu cho huyện Mỹ Lộc và một
phần huyện Vụ Bản với tổng diện tích tiêu là 13.748 ha. Trạm lắp 7 máy 0Π6 – 145
của Liên Xô (cũ). Trạm bơm Hữu Bị kết hợp tưới tiêu, tưới cho huyện Bình Lục và
Thành phố Nam Định với tổng diện tích tưới là 12.420 ha, tiêu cho 2 huyện Lý
Nhân, Bình Lục và Thành phố Nam Định với tổng diện tích tiêu là 10.835 ha. Trạm
lắp 4 máy 0Π6 – 145 của Liên Xô (cũ). Một số trạm bơm tiêu lớn khác được xây
dựng như trạm bơm tiêu Vân Đình (Ứng Hịa) 28 máy 8.000 m3/h tiêu ra sơng Đáy,
trạm bơm tiêu Bạch Tuyết (Mỹ Đức) 6 máy 8.000 m3/h tiêu ra kênh Bạch Tuyết,...
Địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt, các trạm bơm thực sự được quan
tâm và là biện pháp cơng trình chủ yếu trong tiêu nước cho cây trồng.

1.1.3 Hiệu quả hoạt động hệ thống tiêu ở Việt Nam
Việc tiêu nước chủ động bằng trạm bơm đã tác động mạnh mẽ đến sự phát
triển nông nghiệp, mang lại hiệu quả rõ rệt, không chỉ đối với sản xuất nơng nghiệp
mà cịn đối với các ngành kinh tế, xã hội và môi trường, sinh thái. Những diện tích
trước đây chỉ cấy 1 vụ do úng hạn nay đã chuyển thành diện tích cấy 2, 3 vụ ăn
chắc. Do đó làm cho hệ số sử dụng ruộng đất, hệ số gieo trồng tăng lên. Các biện
pháp thâm canh cây trồng được áp dụng rộng rãi, góp phần tăng năng suất cây
trồng.
Mặc dù đã có những hiệu quả rõ rệt, nhưng trong thời gian qua, hệ thống các
trạm bơm tiêu nước ta vẫn còn nhiều tồn tại cần khắc phục ở những mặt sau:

Hệ thống cơng trình:
-

Hệ thống đã được hình thành qua nhiều thời kỳ và được đầu tư xây dựng
với tốc độ khá nhanh. Công việc này diễn ra trong hồn cảnh đất nước có
chiến tranh, trong cơ chế bao cấp nặng nề và kéo dài, nên tất nhiên có

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

8

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

những tồn tại, khuyết điểm nhưng lại mang tính lịch sử. Cơng trình bị hư
hỏng và xuống cấp nhiều do việc sửa chữa, nâng cấp, bảo dưỡng còn hạn
chế.
-

Điều kiện dẫn và phân phối nước về mặt kỹ thuật chưa đảm bảo, còn rất
nhiều tồn tại. Kênh dẫn là kênh đất, thi công vội vàng, không đảm bảo kỹ
thuật, chiều dài chuyển nước quá lớn, địa hình phức tạp, chịu tác động
của nhiều yếu tố xã hội phức tạp. Các công trình trên kênh, đặc biệt là
cơng trình điều khiển phân phối nước chưa đầy đủ, hoàn chỉnh, mức độ
ứng dụng các tiến bộ khoa học và cơng nghệ cịn thấp, quan điểm vận
hành đạt hiệu quả cao chưa được xem xét đầy đủ trong quy hoạch thiết

kế. Do vậy chuyển tải nước và phân phối nước là điểm nóng hiện nay
trong cải tạo nâng cấp hệ thống.

-

Nhu cầu tiêu thoát nước của đối tượng nông nghiệp trong vùng rất phức
tạp, có nhiều loại khơng đồng nhất về cả khơng gian và thời gian. Phần
lớn các địa phương vẫn giữ nguyên hệ số tiêu thiết kế đã được xác định
trước, nhưng cùng với sự phát triển kinh tế xã hội hệ số tiêu thiết kế đã
tăng cao hơn trước nhiều. Nguyên nhân do những diễn biến khí hậu phức
tạp nên so với trước tổng lượng và cường độ mưa trong một trận mưa có
xu hướng tăng lên; các loại giống lúa mới thấp cây, ngắn ngày cho năng
suất cao nhưng khả năng chịu ngập kém được trồng trên diện rộng, làm
tăng lượng nước tiêu; tỷ lệ diện tích trồng các loại cây hoa màu, cây cơng
nghiệp..., diện tích phi canh tác như: đất thổ cư, đường sá, trường học,
bênh viện, khu cơng nghiệp, khu vui chơi, giải trí... với u cầu tiêu nước
triệt để khơng ngừng tăng lên và diện tích ao, hồ, đầm những nơi có khả
năng trữ nước ngày một thu hẹp.

Quản lý khai thác cơng trình thuỷ lợi:
-

Tổ chức bộ máy quản lý Nhà nước không rõ ràng còn chung chung trong
khâu quản lý, dẫn đến thiếu trách nhiệm. Chưa phân định rõ chức năng
quản lý Nhà nước về khai thác cơng trình thuỷ lợi và chức năng sản xuất
kinh doanh của đơn vị trực tiếp quản lý khai thác cơng trình. Đội ngũ cán

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q

Trường Đại học Thủy Lợi

9

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

bộ công nhân viên ở các cơ quan quản lý thuỷ nơng tuy có tăng cường
nhưng khơng đồng đều, số gián tiếp sản xuất cịn nhiều, ảnh hưởng đến
cơng tác quản lý. Do đó bộ máy quản lý của ta phải phấn đấu đạt gọn nhẹ,
đảm bảo đủ người cần thiết cho sản xuất với chất lượng cao, các loại cán
bộ gián tiếp sản xuất phải rút bớt, nhiều nhất cũng không vượt quá 12%
tổng số cán bộ công nhân trực tiếp sản xuất. Cần tăng cường cán bộ
chuyên môn về kinh tế thuỷ lợi, kỹ sư nông nghiệp cho các Công ty quản
lý..
-

Về công tác quản lý, vận hành, duy tu bảo dưỡng để duy trì hoạt động của
cơng trình thuỷ lợi là chưa hoàn chỉnh và bền vững. Hầu hết, cơng tác
duy tu bảo dưỡng cơng trình trong hệ thống khơng thể tiến hành thường
xun do thiếu kinh phí. Hàng năm, Cơng ty QLKTCTTL chỉ có khả
năng sửa chữa những cơng trình bị hư hỏng nghiêm trọng, ảnh hưởng
nhiều đến vận chuyển và phân chia nước. Và cứ như vậy số lượng các
cơng trình bị hư hỏng nặng ngày càng nhiều, và Cơng ty quản lý khơng
có đủ khả năng nâng cấp và cải tạo, mà phải chờ vào nguồn kinh phí của
Nhà nước.

-

Khơng có liên hệ giữa các doanh nghiệp Nhà nước khai thác cơng trình
thuỷ lợi với các hợp tác xã nông nghiệp, các tổ chức dùng nước. Việc sử
dụng nước cịn lãng phí, tuỳ tiện. Người dân nhiều nơi chưa tham gia tích
cực cùng với các tổ chức của nhà nước trong đầu tư, quản lý, vận hành,
duy tu, bảo dưỡng cơng trình thuỷ lợi, trong khi đó nguồn ngân sách Nhà
nước cấp cho vấn đề duy tu bảo dưỡng, vận hành cơng trình rất hạn hẹp.
Do vậy mà nhiều hệ thống cơng trình dần dần bị xuống cấp, hiệu quả hoạt
động của các cơng trình thủy lợi vẫn chưa tương xứng với mức độ đầu tư.

-

Tổ chức sản xuất trên địa bàn nơng thơn cịn có sự chồng chéo, các tổ
chức dịch vụ chưa được xác định. Tư tưởng bao cấp còn nặng nề, cực
đoan, việc quản lý khai thác cơng trình thủy lợi vẫn phụ thuộc vào địa
giới hành chính, chịu sự chi phối nhiều của địa phương.

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

-

10

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Các Cơng ty quản lý khai thác cơng trình thuỷ lợi là những doanh nghiệp

Nhà nước có đặc thù riêng. Đây là những doanh nghiệp có nhiệm vụ quản
lý khai thác các hệ thống phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và các ngành
kinh tế quốc dân khác không được tổ chức thống nhất quản lý theo hệ
thống cơng trình mà chia cắt theo lãnh thổ hành chính khó khăn trong
giám sát.

Vì những lý do đó hầu hết các hệ thống tiêu không đảm bảo tiêu nước kịp
thời, gây úng ngập như trong thiết kế, khả năng tiêu của các hệ thống còn giảm dần
theo thời gian phục vụ của hệ thống.
Qua đánh giá hiệu quả hệ thống tiêu ở Việt Nam ta thấy hoạt động tiêu bị
ảnh hưởng rất nhiều yếu tố. Cần đưa ra những phương pháp nghiên cứu khoa học để
đánh giá một cách đầy đủ, cụ thể hiệu quả tiêu thực sự của hệ thống. Từ đó tìm ra
giải pháp về cơng trình, thể chế trong quản lý nâng cao hiệu quả hoạt động hệ
thống.
1.2 Tình hình ứng dụng mơ hình số mơ phỏng dịng chảy hở
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc giải các bài
tốn thủy lực mơ phỏng dịng chảy trở nên dễ dàng hơn. Các cơ quan nghiên cứu về
thủy lực đã từng bước đưa các mơ hình số mơ phỏng dịng chảy cho những ứng
dụng khác nhau trong thực tế. Có thể kể đến phần mềm thủy lực họ MIKE của Viện
thủy lực Đan Mạch (DHI); phần mềm HEC-RAS của US Army Corps of Engineers;
phần mềm Duflow của Viện nghiên cứu thủy lực và môi trường (IHE) thuộc trường
đại học Delft – Hà Lan; phần mềm ID Pro của Trường Đại học Thủy lợi; phần mềm
IMSOP của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam…
Mỗi một phần mềm có một ưu điểm riêng trong các lĩnh vực mơ phỏng khác
nhau: quản lý tổng hợp tài nguyên nước, mô phỏng dịng chảy lũ, mơ phỏng tiêu
thốt nước, mơ phỏng quá trình tưới, quá trình truyền chất… Với mỗi mục đích
khác nhau mà người dùng có thể lựa chọn một phần mềm phù hợp để thực hiện mô
phỏng.

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

11

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

1.2.1 Tình hình ứng dụng trên thế giới
Việc mơ phỏng dịng chảy bằng mơ hình số được thực hiện từ rất lâu và rất
thịnh hành trên thế giới. Có thể kể ra một vài dự án dưới đây:
-

Trong dự án nghiên cứu về quản lý tài nguyên thích ứng với biến đổi khí
hậu vùng cao ngun Đơng Nam Trung Quốc, mơ hình MIKE SHE được
trường Đại học Lâm nghiệp Bắc Kinh sử dụng để mơ phỏng dịng chảy
trên vùng cao ngun làm cơ sở đề xuất chiến lược sử dụng đất, tài
nguyên nước thích ứng với biến đổi khí hậu.

-

Năm 2008, trong khn khổ nghiên cứu ứng dụng mơ hình thủy lực,
Ammar H. Kamel – trường Đại học công nghệ Slovak – Slovakia sử dụng
mơ hình MIKE 11 để mơ phỏng dịng chảy trên Euphrates ở Iraq.

-

Mơ hình số HEC-RAS được sử dụng để mơ phỏng dịng chảy từ hồ

McConaughy và trên hệ thống sông Platte, miền trung bang Nebraska –
Mỹ nhằm đề xuất giải pháp cải thiện môi trường sống cho các lồi chim
di cư.

-

Mơ hình Duflow được sử dụng để mơ phỏng q trình truyền chất trong
nghiên cứu quản lý mô trường từ rừng đầu nguôn đến vùng đồng bằng
ven biển phía Đơng Bắc bang Carolina – Mỹ.

1.2.2 Tình hình ứng dùng ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc ứng dụng mơ hình số để mơ phỏng dịng chảy thiên nhiên
được áp dụng chậm hơn do điều kiện đất nước. Tuy nhiên, trong những năm gần
đây, được sự giúp đỡ và chuyển giao khoa học công nghệ của các đối tác trên thế
giới mà việc sử dụng mơ hình số trong lĩnh vực tài nguyên nước đã trở nên phổ biến
trong các lĩnh vực khác nhau:
-

Năm 2004, tổ chức DANIDA – Đan Mạch đã trợ giúp Việt Nam dự án
“Tăng cường năng lực các Viện ngành nước” mà nội dung chủ yếu là
chuyển giao các phần mềm họ MIKE cho các Viện Khoa học Thủy lợi và
Viện Qui hoạch thủy lợi. Cũng trong khuôn khổ dự án này, các phần
mềm họ MIKE được sử dụng để mô phỏng lũ lụt lưu vực sông Hương;

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

12

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

mô phỏng quá trình lũ lụt ở Tứ giác Long Xuyên thuộc đồng bằng sơng
Cửu Long; mơ phỏng q trình dịng chảy trên hệ thống thủy nông Bắc
Hưng Hải…
-

Trong những năm 2000 - 2003, trong dự án “ Hỗ trợ thủy lợi Việt Nam –
VWRAP” do WB tài trợ, các nhà tư vấn quốc tế như BCOM (Pháp),
Royal Haskoning (Hà Lan); Nipon Koei (Nhật Bản)… đã sử dụng phần
mềm HEC-RAS để mơ phỏng dịng chảy trên hệ thống kênh tưới của các
hệ thống thủy lợi: Dầu Tiếng, Đá Bàn, Phú Ninh, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Cầu
Sơn – Cấm Sơn để nâng cấp hệ thống tưới trong khuôn khổ dự án.

-

Từ năm 2000 với sự giúp đỡ của tổ chức ACIAR – Australia, phần mềm
IMSOP được Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam phát triển và ứng dụng
để quản lý tưới ở các hệ thống thủy nông Nam Sông Mã, Phú Yên…

-

Năm 2004, trong dự án “ Thủy lợi đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2 –
phần B” sử dụng phần mềm Duflow để nghiên cứu hiệu quả của hai trạm
bơm tiêu Phấn Động và Triều Dương phục vụ lộ trình nâng cấp hiệu quả
tiêu cho lưu vực hai trạm bơm trên.

-

Mô hình Duflow cũng được sử dụng trong nghiên cứu thủy động lực học
và ổn định của các cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai do
tác giả Nghiêm Tiến Lam, H.J. Verhagen và M.Van der Wegen thực hiện.

1.3 Đề xuất phương pháp nghiên cứu
Qua những nghiên cứu về hiện trạng thủy lợi Việt Nam và tình hình ứng
dụng mơ hình số để mơ phỏng dịng chảy trên thế giới và trong nước. Luận văn
nhận thấy rằng:
-

Các hệ thống thủy lợi ở nước ta do được xây dựng từ lâu nên đã xuống
cấp, việc nâng cấp các công trình này là cần thiết. Việc nghiên cứu hiện
trạng các hệ thống này để nâng cấp cịn mang tính chủ quan của người
đánh giá. Vấn đề sử dụng những công cụ tiên tiến để đánh giá các hệ
thống vừa và nhỏ chưa được chú trọng.

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

-

13

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Mỗi một mơ hình số có những ưu nhược điểm và mức độ chi tiết khác
nhau dẫn đến khả năng ứng dụng trong những trường hợp cụ thể là khác
nhau. Ví dụ: phần mềm HEC-RAS, IMSOP phù hợp với việc mô phỏng
hệ thống tưới. Các phần mềm họ MIKE có tính tồn diện cao đối với mơ
phỏng dịng chảy trên sơng, cửa sơng ven biển, dịng chảy mặt trên lưu
vực, truyền chất…trên phạm vi rộng. Phần mềm Duflow thích hợp với
mơ phỏng tiêu trên các hệ thống tiêu vừa và nhỏ…

Với phân tích như trên, luận văn đề xuất sử dụng phần mềm Duflow để mô
phỏng hiện trạng của hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố
Hà Nội để làm cơ sở đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả tiêu của hệ thống.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:
Trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu được các vấn đề sau:
1.

Hiện trạng thủy lợi Việt Nam cũng như sự phát triển của các hệ thống

thủy lợi trong những năm gần đây được tác giả phân tích và nhận xét. Tình hình các
hệ thống tiêu động lực và hiệu quả hoạt động cũng được kể đến.
2.

Tình hình sử dụng mơ hình số trong việc mơ phỏng dịng chảy trên thế

giới và ở Việt Nam được tác giả nghiên cứu một cách tồn diện. Ứng dụng của các
mơ hình số như: các phần mềm họ MIKE, phần mềm HEC-RAS, phần mềm
Duflow… cũng được tác giả nghiên cứu kỹ lưỡng.
3.

Dựa trên các phân tích về tổng quan hệ thống thủy lợi và tình hình

ứng dụng các mơ hình số để mơ phỏng dòng chảy, tác giả đã đề xuất được hướng
nghiên cứu cho luận văn là ứng dụng phần mềm Duflow để nghiên cứu hiệu quả của
hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội.

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

2.

14

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM DUFLOW

2.1 Giới thiệu mơ hình Duflow

2.1.1 Lịch sử và mục đích của mơ hình [13]
Sự ra đời của máy tính cá nhân hoặc máy và tính trong các tổ chức có liên
quan đến quản lý nước và ngành kỹ thuật nước kích thích nhu cầu về mơ hình máy
tính dễ sử dụng.
Năm 1988 phần mềm Duflow 1.0 đã được phát triển bởi sự cộng tác nỗ lực
của Viện Quốc tế về nước và Kỹ thuật Môi trường (IHE), Khoa Kỹ thuật Xây dựng
tại Đại học Công nghệ Delft.

Năm 1992 phiên bản Duflow 2.0 đã được hồn thành. Theo đề nghị của
STOWA, Đại học Nơng nghiệp Wageningen mở rộng chương trình với mơ hình
chất lượng nước, được gọi là DUPROL. Kể từ khi mối quan hệ giữa chất lượng
nước và dòng chảy nhận được sự chú ý đặc biệt hiện nay, một chương trình phù hợp
cho cả hai khía cạnh làm cho mơ hình Duflow trở thành một cơng cụ hữu ích trong
quản lý chất lượng nước.
Bởi vì người dùng cũng cần phải có khả năng tính tốn q trình mưa, Modul
mưa dịng chảy RAM đã được phát triển bởi Witteveen + Bos và EDS theo đề nghị
của STOWA.
Năm 1998, Duflow 3.0 được viết cho hệ điều hành Windows 95 và đã trở
thành một thành phần của DUFLOW MODELLING STUDIO (DMS). Trong DMS
thành phần RAM được tích hợp với các thành phần Duflow. Trong tương lai
MODUFLOW sẽ có sẵn như là một thành phần của DMS.
Một phần mềm miễn phí dành cho đào tạo của phần mềm Duflow bao gồm
tất cả các tùy chọn, nhưng bị hạn chế về số lượng các đoạn và các biến bên ngoài
được cung cấp cho các sinh viên với mục đích học tập và trở thành cơng cụ hữu ích
giúp các sinh viên thực hiện các mô phỏng giúp sinh viên học tập một cách hiệu quả
hơn. Việc sử dụng với mục đích thương mại được cung cấp bản quyền bởi EDS
Leidschendam, Hà Lan.
Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

15

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

2.1.2 Cơ sở Vật lý và Tốn học
2.1.2.1Các phương trình dịng chảy khơng ổn định
Duflow được dựa trên hệ phương trình Saint-Venant mơ tả dịng chảy khơng
ổn định trong kênh hở trong trường hợp sóng nước nơng bao gồm phương trình liên
tục và phương trình động lượng:

Trong đó :
Q:

Lưu lượng dịng chảy
Q=vxA

(2-3)

t:

Thời gian [s]

x:

Khoảng cách được đo dọc theo trục kênh [m]

H (x, t):

Cao trình mưc nước [m]

v(x, t):

Vận tốc trung bình trên mặt cắt ngang)[m/s]

Q (x, t):

Lưu lượng [m3 / s]

R (x, H):

Bán kính thủy lực của mặt cắt ngang [m]

a (x, H):

Chiều rộng dòng chảy của mặt cắt ngang [m]

A (x, H):

Diện tích mặt cắt ngang dịng chảy [m2]

b (x, H):

Chiều rộng mặt cắt ngang khu chứa [m]

B (x, H):

Diện tích mặt cắt ngang khu chứa [m2]

g:

Gia tốc trọng trường [m/s2]

C (x, H):

Hệ số Chezy [m1/2/s]

w (t)

Vận tốc gió [m/s]

Φ (t):

Hướng gió tính theo độ [độ]

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

16

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

φ (x): Hướng trục kênh tính theo độ [độ]
γ (x): Hệ số chuyển đổi gió
α:

Yếu tố chỉnh sửa cho sự khơng đồng nhất của sự phân bố vận

tốc trong giới hạn, được tính như sau:



A
2
v y , z  dydz

Q

(2-4)

Phương trình liên tục (1) chỉ rằng thay đổi dòng chảy tại một vị trí là kết quả
của dịng chảy vào trừ đi dịng chảy ra khỏi vị trí đó. Phương trình động lượng (2)
thể hiện sự thay đổi động lượng là kết quả của lực bên trong và bên ngoài như ma
sát, gió, trọng lực.
Giả định rằng tỷ trọng của chất lỏng được coi là khơng đổi thì số hạng trong
phương trình động lượng (2):
 Qv 
x

(2-5)

 Q Q Q 2 A 

  2
 2
A

x

x
A




(2-6)

Sẽ trở thành:

Số hạng (4a) đại diện cho tác động của sự thay đổi trong quá trình của dịng
chảy. Số hạng (4b) thể hiện ảnh hưởng của thay đổi diện tích mặt cắt ngang dịng
chảy, được gọi là số Froude. Trong trường hợp thay đổi đột ngột mặt cắt ngang số
Froude này có thể dẫn đến mất ổn định dịng chảy trong tính tốn.
2.1.2.2Phương pháp giải:
Duflow sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình
Saint-Venant. Việc đầu tiên là rời rạc hóa hệ phương trình Saint-Venant
Phương trình (2-1) và (2-2) đã được rời rạc hóa trong khơng gian và thời
gian sử dụng sơ đồ bốn điểm ẩn Preissmann.
Xác định một đoạn Δxi đoạn từ nút xi tới nút xi+1 và một khoảng thời gian Δt
từ t = tn đến t = tn +1, Kết quả rời rạc hóacmực nước H được thể hiện như sau:
Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

17

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Tại các nút xi và thời gian t + θΔt:

H in 1  1   H in  H in 1

(2-7)

Tại giữa các nút xi và xi +1 và tại thời gian t.

H

n
i 1 / 2

H in1  H in

2

(2-8)

Trong một cách tương tự các biến khác phụ thuộc khác có thể được tiếp cận.
Việc chuyển đổi phương trình vi phân từng phần có thể được viết như là một
hệ phương trình đại số bằng cách thay thế các đạo hàm bằng biểu thức khác. Các
biểu thức gần đúng tại điểm tham chiếu (xi+1/2, tn+θ) như trong hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ 4 điểm ẩn Preismann
Với điều kiện ban đầu:
H i01 / 2  H in1/ 2









Bin1 / 2  Bi 1 / 2 H in1 / 2

bin1 / 2  bi 1 / 2 H in1 / 2

Bin,*1 / 2  Bin1 / 2  bin1 / 2 H in1 / 2

Phương trình (2-1) trở thành:.

Bi*,1n/21  bin11/ 2 H in11/ 2  Bin1 / 2 Qin1  Qin

0
t
xi
Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

(2-9)

Lớp CH16Q


Trường Đại học Thủy Lợi

18

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Phương trình (2-2) trở thành:.
 Qin11 n 1 Qin n 1 
 * Qi 1  * Qi 

 A

Ai
gAi*1 / 2 H in1/ 2  Qin  


  i 1
x i
xi

Qin11/ 2  Qin1 / 2
t



g Qin11/ 2 Qin1 / 2

C

2

AR



*

  a  w cos
n

n 1
i 1 / 2

n 1



(2-10)



i 1 / 2

Các dấu * (như A*i+1/2) thể hiện rằng các giá trị này là xấp xỉ vào thời điểm
tn + θ.
Các giá trị chỉ định với dấu (*) được tính bằng cách sử dụng một q trình
lặp đi lặp lại. Ví dụ, một xấp xỉ đầu tiên của A là: A*  A n thì trong bước lặp tiếp
theo được điều chỉnh thành: A* 

A n  A n1,*
.
2

Ở đây An+1,* là giá trị mới mới của An+1.
Vì vậy, cuối cùng tất cả các đoạn kênh trong sơ đồ tính tốn hai phương trình
(7) và (8) với Q và H là ẩn số được đưa về thời điểm tn+1 như sau:

Qin1  N11 H in1  N12 H in11  N13

(2-11)

Qin11  N 21 H in1  N 22 H in11  N 23

(2-12)

2.1.2.3Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Để có thể giải được hệ phương trình (2-11) và (2-12) cần thêm điều kiện bổ
sung và phải được xác định bằng các điều kiện tự nhiên của hệ thống. Các điều kiện
do người dùng xác định ở điều kiện tự nhiên có thể được xác định như mực nước,
lưu lượng hoặc mối quan hệ giữa lưu lượng và mực nước.
Do dòng chảy liên tục nên:
jj

 Q j ,i  q i  0

(2-13)

j 1

Trong đó:
i:

Các nút giao nhau

Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên

Lớp CH16Q