Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán tính bồi lắng bùn cát cho hồ chứa lai châu trên sông đà

+ Tóm tắt: Luận văn được thực hiện trong 64 trang bao gồm ba chương chính: Chương 1: Tổng quan về một số ứng dụng phương pháp mô hình toán trongtính bồi lắng bùn cát hồ chứa và lưu vực h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TÍNH

BỒI LẮNG BÙN CÁT CHO HỒ CHỨA

LAI CHÂU TRÊN SÔNG ĐÀ

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

NGUYỄN THỊ CHANG

HÀ NỘI, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TÍNH

BỒI LẮNG BÙN CÁT CHO HỒ CHỨA

LAI CHÂU TRÊN SÔNG ĐÀ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

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

Cán bộ hướng dẫn phụ:

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS.Ngô Lê Long

Cán bộ chấm phản biện 2: TS.Hoàng Nguyệt Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 20 tháng 09 năm 2017

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàntoàn trung thực Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn vàcác thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và đượcphép công bố.

Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Chang

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn KiênDũng – người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thựchiện và hoàn thành luận văn này.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng – Thủyvăn cùng tập thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Tài nguyên và Môi trường

Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình em học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến ban lãnh đạo Trung tâm Ứng dụng,các cán bộ phòng Ứng dụng Công nghệ Khí tượng Thủy văn – Trung tâm Ứng dụngCông nghệ và Bồi dưỡng Nghiệp vụ Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã nhiệttình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn động viên tôi trong suốtquá trình học tập và thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2017

Nguyễn Thị Chang

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1

1.Tính cấp thiết của luận văn 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 2

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4.Phương pháp nghiên cứu 2

5.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn 2

6.Bố cục luận văn .3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN TRONG TÍNH BỒI LẮNG BÙN CÁT HỒ CHỨA VÀ LƯU VỰC HỒ CHỨA LAI CHÂU .4

1.1 Tổng quan về một số ứng dụng phương pháp mô hình toán trong tính bồi lắng bùn cát hồ chứa 4

1.1.1 Trên thế giới 4

1.1.2 Ở Việt Nam .5

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu .8

1.2.1 Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Đà 8

1.2.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 12

1.2.3 Công trình thủy điện Lai Châu [11] 12

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 14

2.1 Phương pháp nghiên cứu 14

2.1.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT [6] 17

2.2 Tình hình số liệu phục vụ tính toán 32

2.2.1 Số liệu phục vụ mô hình SWAT 32

2.2.2 Số liệu phục vụ mô hình HEC-6 33

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TÍNH BỒI LẮNG BÙN CÁT HỒ CHỨA LAI CHÂU TRÊN SÔNG ĐÀ 34

3.1 Xác định lưu lượng nước và bùn cát của các tiểu lưu vực (biên đầu vào của mô hình HEC – 6) bằng mô hình SWAT 34

3.1.1 Hiệu chỉnh và kiểm định lưu lượng nước cho mô hình SWAT 36

3.1.2 Hiệu chỉnh và kiểm định bùn cát cho mô hình SWAT 39

3.1.3 Xây dựng quan hệ Q~Q s cho các lưu vực bộ phận 42

3.2 Tính toán bồi lắng bùn cát hồ chứa Lai Châu bằng mô hình HEC – 6 46

3.2.1 Số liệu biên đầu vào của mô hình 47

3.2.2 Hiệu chỉnh mô hình HEC-6 48

3.2.3 Kết quả tính toán bồi lắng bùn cát hồ chứa Lai Châu 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

Kết luận 62

Kiến nghị 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 64

+ Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Chang

+ Lớp: CH1T Khóa: I

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

+ Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán tính bồi lắng bùn cát cho hồ chứaLai Châu trên sông Đà

+ Tóm tắt: Luận văn được thực hiện trong 64 trang bao gồm ba chương chính:

Chương 1: Tổng quan về một số ứng dụng phương pháp mô hình toán trongtính bồi lắng bùn cát hồ chứa và lưu vực hồ chứa Lai Châu Trong chương 1, tác giả

đã đưa ra một số ứng dụng tiêu biểu cho việc ứng dụng phương pháp mô hình toánvào trong nghiên cứu bồi lắng bùn cát cho hồ chứa trên cả thế giới và Việt Nam và

sơ lược tổng quan về lưu vực nghiên cứu

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và cơ sở dữ liệu Trong chương 2, tácgiả đưa ra phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn và cơ sở dữ liệuphục vụ tính toán trong luận văn

Chương 3: Ứng dụng mô hình toán tính bồi lắng bùn cát hồ chứa Lai Châutrên sông Đà Trong chương này, tác giả trình bày toàn bộ kết quả tính toán bồi lắngbùn cát cho hồ chứa Lai Châu

Hình 1.1: Sơ đồ lưu vực sông Đà 8

Hình 2.1: Sơ đồ khối tính dòng chảy và bùn cát bồi lắng hồ chứa 16

Hình 2.2: Các quá trình diễn ra trong chu trình thủy văn 18

Hình 2.3: Các quá trình diễn toán trong mô hình SWAT 19

Hình 2.4: Quá trình mô phỏng bằng mô hình SWAT 20

Hình 2.5: Các thành phần của phương trình năng lượng 22

Hình 2.6: Sơ đồ một mặt cắt ngang điển hình 23

Hình 2.7: Sơ đồ thử sai tính đường mặt nước theo phương pháp bước chuẩn 25

Hình 2.8: Lưới sai phân tính toán bồi lắng cát bùn 28

Hình 3.1: Vị trí các trạm đo mưa được sử dụng 35

Hình 3.2: Vị trí các trạm đo nhiệt độ được sử dụng 35

Hình 3.3: Vị trí các trạm đo lưu lượng được sử dụng 36

Hình 3.4: Bản đồ các tiểu lưu vực được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT 36

Hình 3.5: Kết quả hiệu chỉnh lưu lư ợng nước trạm Nà Hư 38

Hình 3.6: Kết quả kiểm định lưu lượng nước trạm Nà Hư 38

Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh nồng độ bùn cát trạm N ậm Mức 39

Hình 3.8: Kết quả kiểm định nồng độ bùn cát trạm N ậm Mức 40

Hình 3.9: Vị trí khu vực nghiên cứu 41

Hình 3.10: Quan hệ Q~Qs nhánh 1 42

Hình 3.11: Quan hệ Q~Qs nhánh 2 42

Hình 3.12: Quan hệ Q~Qs nhánh 3 42

Hình 3.13: Quan hệ Q~Qs nhánh 4 42

Hình 3.14: Quan hệ Q~Qs nhánh 5 42

Hình 3 15: Quan hệ Q~Qs nhánh 6 42

Hình 3.16: Quan hệ Q~Qs lòng chính 43

Hình 3 17: Quan hệ Q~Qs Lai Châu thời kỳ 1962-2002 43

Hình 3 19: Quan hệ QsSWAT~Qsthucdo lòng chính 44

Hình 3 20: Quan hệ QsSWAT~Qsthucdo của nhánh 44

Hình 3 21: Quan hệ Q~Qs tại nhánh 44

Hình 3 22: Quan hệ Q~Qs tại lòng chính 44

Hình 3.23: Sơ đồ tính bồi lắng bùn cát hồ chứa Lai Châu 46

Hình 3.24: Giao diện chính của mô hình HEC-6 47

Hình 3.25: Tệp ghi dữ liệu đầu vào của mô hình HEC-6 48

Hình 3.26: Quan hệ Q=f(H) tại tuyến đập Lai Châu 48

Hình 3.27: Quan hệ Q = f(H) tại tuyến biên giới 49

Hình 3.28: Quan hệ Q=f(H) thực đo và tính toán tại tuyến biên giới 50

Hình 3.29: Tệp ghi kết quả đầu ra của mô hình HEC-6 50

Hình 3.30: Tổng lượng bùn cát bồi lắng lòng hồ qua các thời kỳ 53

Hình 3.31: Trắc dọc lòng hồ Lai Châu qua các thời kỳ 54

Hình 3.32: Sự thay đổi mặt cắt số 2 qua các thời kỳ 54

Hình 3.33: Sự thay đổi mặt cắt số 5 qua các thời kỳ 55

Hình 3.34: Sự thay đổi mặt cắt số 9 qua các thời kỳ 55

Hình 3.35: Sự thay đổi mặt cắt số 12 qua các thời kỳ 56

Hình 3.36: Sự thay đổi mặt cắt số 21 qua các thời kỳ 56

Hình 3.37: Sự thay đổi thành phần hạt theo thời kỳ vận hành hồ ứng với cấp lưu lượng 15000 m3/s 61

Bảng 1.1: Các thông số chính của hồ chứa Lai Châu 13Bảng 2.1 Các hệ số tỷ trọng của tham số thủy lực đặc trưng 26Bảng 2.2 Khái quát các mức đầu ra của mô hình HEC-6 31Bảng 3.1 Đánh giá mức độ chính xác của kết quả mô hình theo các chỉ sốNSI và PBIAS (Moriasi và nnk 2007) 37Bảng 3.2 Bộ thông số của mô hình SWAT cho lưu vực Nà Hư trong hiệu chỉnh lưu lượng nước 39Bảng 3.3 Bộ thông số mô hình SWAT cho lưu v ực Nậm Mức trong hiệu chỉnh bùn cát 40Bảng 3.4 Lưu lượng nước tháng trung bình nhiều năm tại cửa ra của 7 lưu vực bộphận tính theo mô hình SWAT 41Bảng 3.5 Quan hệ Q-Qs và thành phần hạt của bùn cát tổng cộng ứng với các cấp

Q tại biên giới và 07 nhập lưu chính hồ Lai Châu 45Bảng 3.6 Hệ số nhám 49Bảng 3.7 Kết quả dự tính bồi lắng hồ chứa Lai Châu 51Bảng 3.8 Lượng bùn cát bồi lắng tại từng mặt cắt lòng hồ qua các thời kỳ vận hành 51Bảng 3.9 Thay đổi thành phần hạt bùn cát tại mặt cắt hồ qua các thời kỳ 57Bảng 3.10 Quan hệ Q~Qs và thành phần hạt của bùn cát tổng cộng tương ứng với các cấp lưu lượng tại Lai Châu sau T năm vận hành .59

DEM Bản đồ số độ cao

H Mực nước

HRU Đơn vị thủy văn

NSI Chỉ số Nash-sutchliffe

PBIAS Chỉ số sai số phần trăm

Q Lưu lượng nước

Qs Lưu lượng bùn cát tổng cộng

Qss Lưu lượng bùn cát lơ lửng SWAT Công cụ đánh giá nước và đất USDA Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ

1 Tính cấp thiết của luận văn

MỞ ĐẦU

Nước là một nguồn tài nguyên quan trọng và vô cùng thiết yếu đối với sựsống Tuy nhiên nước lại là một nguồn tài nguyên hữu hạn và phân bố không đồngđều Vì vậy để có thể khai thác tổng hợp tài nguyên nước của các hệ thống sôngsuối, các hồ chứa đã được xây dựng ngày càng nhiều ở Việt Nam và nhiều quốc giatrên thế giới nhằm điều tiết lại dòng chảy Điều này đã làm thay đổi sâu sắc chế độthủy văn – thủy lực của dòng chảy Việc đắp đập ngăn dòng chảy đã làm tốc độdòng chảy giảm đột ngột khiến hầu hết lượng bùn cát bị lắng đọng lại trong hồ, gâynên những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh thái – môi trường trong lòng hồ

Nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa với nguồn nước dồi dào, mạng lướisông suối tương đối dày đặc Việt Nam có rất nhiều điều kiện thuận lợi cho việc xâydựng hồ chứa nhằm các mục đích phát triển thủy điện, thủy lợi, thủy sản…Tuynhiên, với đặc điểm địa hình bị chia cắt mạnh, bề mặt dốc dẫn đến tình trạng xóimòn đất trở nên khá nghiêm trọng

Trong những năm trở lại đây, các hồ chứa trên các sông được xây dựng ngàycàng nhiều Vì vậy, việc tính toán bồi lắng bùn cát hồ chứa đang là một yêu cầu cấpthiết Là bậc thang trên cùng của hệ thống 3 hồ chứa bậc thang trên sông Đà (HòaBình - Sơn La - Lai Châu) hồ chứa Lai Châu có tác động rất lớn đến 2 hồ chứa cònlại và đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc điều tiết lại dòng chảy của sông Đà.Chính vì thế, việc tính toán bồi lắng bùn cát cho hồ chứa Lai Châu cũng là một yêucầu cấp bách

Trong các nghiên cứu về bồi lắng bùn cát hồ chứa trước đây, chủ yếu sửdụng phương pháp truyền thống để dự tính lượng bùn cát bồi lắng Hiện nay, với sựphát triển của khoa học kỹ thuật, hàng loạt các mô hình toán ra đời đã trở thànhcông cụ hữu ích cho các nhà thủy văn trong việc dễ dàng mô phỏng, tính toán cácquá trình thủy văn Việc ứng dụng mô hình toán vào việc tính toán bồi lắng bùn cát

hồ chứa đã được nhiều tác giả sử dụng Một trong những mô hình ưu việt trong việctính toán bồi lắng bùn cát hồ chứa là mô hình HEC-6 đã được tác giả Nguyễn Kiên

điện Sơn La đã cho kết quả rất chính xác.

Xuất phát tư yêu cầu thực tiễn, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứngdụng mô hình toán tính bồi lắng bùn cát cho hồ chứa Lai Châu trên sông Đà”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng mô hình toán dự tính lượng bùn cát bồi lắng hồ chứa Lai Châunhằm cung cấp cơ sở khoa học đề xuất giải pháp vận hành hợp lý và bảo vệ lòng hồ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu: lượng dòng chảy và bùn cát bồi lắng lòng hồ chứa LaiChâu

+ Phạm vi nghiên cứu: lưu vực hồ Lai Châu (tư biên giới Việt Trung đến đập LaiChâu)

4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, trong luận văn sử dụng tổng hợp cácphương pháp: Phương pháp phân tích thống kê được sử dụng để tính toán lượng vàphân bố bùn cát, thành phần hạt bùn cát bồi lắng lòng hồ Lai Châu theo không gian

và thời gian; Phương pháp mô hình toán được sử dụng để dự tính lượng bùn cát bồilắng hồ Lai Châu; Phương pháp kế thừa và Phương pháp chuyên gia

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa khoa học: Việc tính toán bồi lắng bùn cát hồ chứa đang là một yêu cầu

cấp thiết hiện nay khi mà các hồ chứa ngày càng được xây dựng nhiều Trong quátrình tính toán bồi lắng bùn cát hồ chứa, đối với các nghiên cứu trước đây thường

sử dụng các phương pháp truyền thống để dự tính lượng bùn cát bồi lắng Ngày naycùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các mô hình toán lần lượt ra đời đãtrở thành một công cụ hỗ trợ đắc lực cho các chuyên gia thủy văn trong việc môphỏng, tính toán các quá trình thủy văn Việc ứng dụng mô hình toán vào việc tínhtoán lượng bùn cát bồi lắng hồ chứa đã được nhiều tác giả sử dụng, tiêu biểu nhưtrong nghiên cứu lượng bùn cát đến hồ Hòa Bình tác giả Nguyễn Kiên Dũng đã sửdụng mô hình thủy lực một chiều HEC-6 để dự tính lượng bùn cát đến hồ Hòa Bình

trước và sau khi có thủy điện Sơn La HEC-6 là mô hình thủy lực một chiều doquân đội Mỹ xây dựng, mô hình HEC-6 có khả năng ứng dụng rất tốt trong tínhtoán bùn cát cho hồ chứa Trong luận văn này, sử dụng phương pháp mô hình toán

cụ thể sử dụng mô hình HEC-6 để dự tính lượng bồi lắng bùn cát cho hồ Lai Châunhằm mục đích dự tính lượng bùn cát bồi lắng hồ Lai Châu

Ý nghĩa thực tiễn: Sông Đà là một con sông mang nhiều bùn cát thuộc loại bậc

nhất Việt Nam Hiện nay, trên dòng chính sông Đà đã có ba công trình thủy điện làHòa Bình – Sơn La – Lai Châu Thủy điện Lai Châu là bậc thang trên cùng trong

hệ thống khai thác năng lượng của sông Đà, thủy điện Lai Châu có ảnh hưởng rấtlớn đến hai bậc thang còn lại là Hòa Bình và Sơn La Việc ước tính đúng lượng bùncát bồi lắng có tác dụng kiểm tra lại hồ sơ thiết kế (quan trọng phải kể đến là áp lực

do bùn cát lên thân đập) Ngoài bồi lắng bùn cát trong dung tích chết còn bồi lắngđến cả phần dung tích hiệu dụng, do đó việc dự tính lượng bùn cát bồi lắng sẽ gópphần vào việc điều chỉnh lại quy trình vận hành hồ chứa Lai Châu

6 Bố cục luận văn

Bố cục của luận văn bao gồm 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về một số ứng dụng phương pháp mô hình toán trong tính bồi lắng bùn cát hồ chứa và lưu vực hồ chứa Lai Châu

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và cơ sở dữ liệu

Chương 3: Ứng dụng mô hình toán tính bồi lắng bùn cát hồ chứa Lai Châutrên sông Đà

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN TRONG TÍNH BỒI LẮNG BÙN CÁT HỒ CHỨA VÀ LƯU

VỰC HỒ CHỨA LAI CHÂU.

1.1 Tổng quan về một số ứng dụng phương pháp mô hình toán trong tính bồi lắng bùn cát hồ chứa

1.1.1 Trên thế giới

Việc áp dụng phương pháp mô hình toán trong tính toán bồi lắng bùn cát hồchứa tư lâu đã được nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam ứng dụng vàcho kết quả khá chính xác Hiện nay, trên thế giới có nhiều mô hình toán được pháttriển có khả năng tính toán bồi lắng cát bùn cho hồ chứa Một số nghiên cứu tiêubiểu phải kể đến:

Năm 1995, Robert A Hainly và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu “Bồilắng và mô phỏng vận chuyển bùn cát ở hạ lưu hệ thống hồ chứa trên sôngSusquehana” Nghiên cứu này đã mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát hạ lưusông Susquehana, New York Phía thượng lưu sông có 3 đập thủy điện là SafeHarbor (Hồ Clarice) và Holtwood (Hồ Aldred) ở miền nam Pennsylvania, vàConowingo (Conowingo Reservoir) ở miền bắc Maryland Khoảng 259 triệu tấnphù sa đã được giữ lại trong ba hồ chứa Dữ liệu lịch sử cho thấy rằng Hồ Clarke và

Hồ Aldred đã đạt đến trạng thái cân bằng, và không còn lưu trữ bùn cát So sánh dữliệu cắt ngang tư Hồ Clarke và Hồ Aldred với dữ liệu tư hồ Conowingo chỉ ra rằng

hồ Conowingo sẽ đạt trạng thái cân bằng trong vòng 20 đến 30 năm tới Vì hồ chứaConowingo đầy bùn cát và tiệm cận cân bằng, lượng bùn cát vận chuyển đến vịnhChesapeake sẽ tăng lên Sự gia tăng đáng chú ý nhất sẽ diễn ra khi dòng phía trêngây xói bùn cát Nghiên cứu sử dụng mô hình HEC-6 để mô phỏng quá trình bồilắng tại các hồ Mô hình được sử dụng để hiệu chỉnh tải lượng bùn cát năm 1987,quá trình hiệu chỉnh được xây dựng với giả thiết với hiệu suất tối đa và phân phốikích thước hạt bùn cát tự nhiên [2]

Năm 1998, mười lăm cơ quan thuộc Liên bang Hoa Kỳ đã tham gia vàoNhóm Công tác về Phục hồi Sông Liên ngành Liên bang (Federal Interagency

Stream Restoration Working Group (1998) - FISRWG) đã thực hiện một cuốn sổtay về Nguyên tắc Phục hồi Hành lang Sông, quy trình, và các hoạt động Họ đãchọn tám mô hình sau đây để so sánh: CHARIMA (Holly et al, 1990), FLUVIAL-

12 (Chang, 1990), HEC-6 (USACE, 1993), TABS-2 (MacAnally và Thomas, 1985),MEANDER (Johannesson và Parker, 1985), USGS (Nelson và Smith, 1989), D-0-T(Darby và Thorne, 1996), và GSTARS (Molinas và Yang, 1986) Hầu hết các môhình này được cập nhật đáng kể hoặc được bổ sung thay thế tư khi cuốn sổ tay đượccông bố [2]

Năm 2013, Moussa đã dự tính bồi lắng ở hồ chứa Đập cao Aswan, Ai Cập đểước tính tuổi thọ hiệu quả của hồ chứa Mô hình số hai chiều (CCHE-2D) đã đượcthực hiện để mô phỏng quá trình bùn cát dọc 150 km hồ chứa Trong quá trìnhnghiên cứu này, việc hiệu chỉnh và kiểm định của mô hình cho dòng chảy và bồilắng bùn cát được thực hiện trong giai đoạn 2006-2007 Kết quả cho thấy có mốiliên hệ tốt giữa số liệu thực đo và mô phỏng cho toàn bộ hồ chứa một cách rõ ràng

Mô hình đã được ứng dụng thêm để dự đoán sự bồi lắng bùn cát trong hồ chứatrong thời gian 2009-2014 [2]

Năm 2015, Nicknam và các cộng sự đã sử dụng mô hình hai chiều 2D để mô phỏng sự phân bố kích thước hạt của khối lượng bùn cát ở đập Maroon.Dòng chảy coi là không ổn định và phân bố bùn cát trong thời gian mười năm(2007-2017) hoạt động của hồ chứa được dự tính, trong đó, diện tích lắng đọng củacác lớp kích thước hạt khác nhau được xác định và khối lượng bùn cát vào hồ chứađược ước tính [2]

CCHE-1.1.2 Ở Việt Nam

Tính toán bồi lắng là một khâu rất quan trọng trong thiết kế hồ chứa và tínhtuổi thọ của hồ, đã có một số tác giả nghiên cứu vấn đề bồi lắng bùn cát và ảnhhưởng thay đổi chế độ bùn cát đến chế độ lòng dẫn Một số nghiên cứu tiêu biểucho việc ứng dụng phương pháp mô hình toán trong tính toán bùn cát ở Việt Namphải kể đến:

- Đề tài “Nghiên cứu, tính toán bồi lắng và nước dềnh ứng với các phương ánxây dựng khác nhau của hồ Sơn La” do Nguyễn Kiên Dũng thực hiện năm 2002 Đềtài đã sử dụng phương pháp phân tích thống kê được sử dụng để tính toán lượngbùn cát và phân bố bùn cát, tìm hiểu quy luật biến đổi của nồng độ bùn cát, thànhphần hạt bùn cát bồi lắng hồ Hòa Bình theo không gian và thời gian; Phương phápcăn nguyên dòng và tổng hợp địa lý được sử dụng để xác định lượng bùn cát gianhập khu giữa hồ Hòa Bình, Sơn La và các điều kiện biên cho mô hình toán tính bồilắng; Phương pháp mô hình toán được sử dụng để mô phỏng, tính toán quá trình bồilắng, nước dềnh hồ chứa Hòa Bình dưới tác động điều tiết của công trình thủy điệnSơn La Qua đó, đề tài đã rút ra được kết luận trung bình thời kỳ 1987-2000, hồ bịbồi lấp khoảng 61,3 triệu m3/năm, tương đương với tốc độ bồi lắng 0,65% Hệ sốbồi lắng thực đo là 89%, lớn hơn hệ số bồi lắng tính theo phương pháp Churchill-Roberts và Brune khoảng 7% [3]

- Vũ Hữu Hải (2007) đã tiến hành nghiên cứu “Áp dụng mô hình HEC-6 tínhtoán nước dềnh và bồi lắng hồ chứa Sơn La phục vụ di dân tái định cư” Trongnghiên cứu này, tác giả đã sử dụng mô hình HEC-6 để tính toán nước dềnh và bồilắng hồ chứa Sơn La nhằm xác định được giới hạn ngập lòng hồ để làm cơ sở chocông tác giải phòng mặt bằng công trình thủy điện Sơn La Nghiên cứu được thựchiện với bộ số liệu đầu vào rất chi tiết Kết quả tính toán với trường hợpMNDBT/MNC=215/175m, dung tích phòng lũ là 4 tỷ m3 đã đưa ra dự báo quá trìnhbồi lắng và nước dềnh thủy điện Sơn La Việc ứng dụng mô hình HEC-6 đã giảiquyết được mục tiêu nghiên cứu đặt ra là dự báo bồi lắng lòng hồ và dự báo đườngnước dềnh hồ chứa có tính đến bồi lắng theo không gian và thời gian Tuy nhiên, do

mô hình sử dụng nhiều giả thiết gần đúng như: các thông số mặt cắt ngang quy vềhình chữ nhật, hệ số nhám lấy trong một khoảng tương đối, tỷ lệ phù sa di đẩy sovới phù sa lơ lửng, tỷ trọng phù sa lắng đọng trong hồ chứa theo thời gian… Vì vậy,

để bảo đảm độ chính xác cần kết hợp kết quả tính toán với các phân tích thực tế [9]

- Phạm Thị Hương Lan (2008) đã tiến hành nghiên cứu “Nghiên cứu ứng dụng

mô hình toán thông số phân bố đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng đất đến bồi

lắng hồ chứa Đại Lải” Nghiên cứu đã sử dụng mô hình thông số phân bố SWAT đểđánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng đất đến hồ chứa Đại Lải Kết quả tính toán đãcho thấy sự thay đổi lượng bùn cát bồi lắng vào lòng hồ do sự biến động về diệntích và hiện trạng rừng giữa hai năm 1983 và 1993 Qua đó tác giả cũng đề xuất một

số biện pháp để phòng tránh và giảm nhẹ mức độ xói mòn lưu vực như tăng độ chephủ rừng, giảm độ dốc của lưu vực, giảm thiểu sử dụng chất hóa học và thuốc trưsâu trong sản xuất [7]

- Nguyễn Kiên Dũng và nnk (2011) đã tiến hành nghiên cứu “Đánh giá hiệntrạng, dự báo diễn biến bùn cát hồ chứa Thác Bà” Tác giả đã sử dụng mô hìnhHEC-6 với số liệu đầu vào của mô hình (gồm số liệu mặt cắt ngang, độ nhám lòngdẫn, nhiệt độ nước, số liệu thủy văn, số liệu bùn cát) để dự tính quá trình bồi lắng

hồ chứa Thác Bà Kết quả cho thấy quá trình bồi lắng sau 30 năm vận hành [4]

- Nguyễn Kiên Dũng đã phối hợp với Viện Khoa học KTTV&BĐKH (2014)cũng đã thực hiên nghiên cứu “Phương pháp tính toán bồi lắng hồ chứa cho hệthống hồ chứa bậc thang” Trong nghiên cứu này, tác giả đã đưa phương pháp tínhtoán bồi lắng cát bùn cho hệ thống hồ chứa bậc thang ở Việt Nam và áp dụng đểtính toán bồi lắng hệ thống hồ chứa bậc thang trên lòng chính sông Đà [5]

Nhận xét

Qua tổng quan về một số ứng dụng phương pháp mô hình toán trong tínhtoán bồi lắng bùn cát cho hồ chứa cho thấy: Nhiều mô hình toán đã được pháttriển để tính toán lượng bùn cát bị xói mòn trên bề mặt lưu vực và tính toánbồi lắng trong hồ chứa và cho kết quả rất khả quan Trong từng bài toán cụ thể,tùy thuộc vào điều kiện của lưu vực, tình hình số liệu để lựa chọn mô hình tínhtoán phù hợp nhất

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

1.2.1 Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Đà

1.2.1.1 Vị trí địa lý

Hình 1.1: Sơ đồ lưu vực sông ĐàSông Đà là phụ lưu lớn nhất phía hữu ngạn sông Hồng, bắt nguồn tư vùngNgụy Sơn, Vân Nam, Trung Quốc với diện tích toàn bộ lưu vực sông là 52900 km2,chiếm 31% diện tích tập trung nước của lưu vực sông Hồng Phần lưu vực nằm trênlãnh thổ nước ta 26919 km2, chiếm khoảng 50,9%, nằm chủ yếu trong địa phận cáctỉnh vùng núi Tây Bắc gồm Hòa Bình, Sơn La, Điện Biên, Lai Châu và một phầnnhỏ của các tỉnh Yên Bái, Sơn La và Hòa Bình Lưu vực sông Đà có tiềm năng thủyđiện rất lớn (hệ thống 3 nhà máy thủy điện trên bậc thang sông Đà là nhà máy thủyđiện Hòa Bình, Sơn La và Lai Châu) [8]

Sông Đà chảy dọc theo thung lũng sâu giữa các dãy núi cao Tại biên giớiViệt – Trung, cao trình đáy sông là 310 m, song chảy uốn khúc theo một thung lũnghẹp và sâu Cách cửa sông 445 km có chi lưu Nậm Pô dài 73,5 km với diện tích tập

trung nước 2280 km2 Đoạn sông Đà tư biên giới Việt – Trung đến Lai Châu có 24thác ghềnh Sau đó, sông cắt qua núi đá vôi tạo thành yên ngựa dài 20 km, sâu tới

50 km tách khỏi bình nguyên Tà Pình bên trái và Sín Chải bên phải, dọc theo sông,trên đoạn này có 16 thác ghềnh Phía dưới các bình nguyên nói trên, cách cửa sông

400 km có chi lưu bờ phải là sông Nậm Mức dài 165 km với diện tích tập trungnước là 2930 km2 Cách cửa sông 380 km có chi lưu bờ phải là sông Nậm Ma dài

45 km với diện tích tập trung nước là 765 km2 Ở đây, sông Đà chảy theo thunglũng rộng, tạo thành khúc ngoặt về phía Bắc, sau đó về phía Nam và tiếp theo vềphía Đông Nam, lòng sông mở rộng hơn Cách cửa sông 272 km về bên trái có chilưu Nậm Mu dài 165 km với diện tích tập trung nước là 3400 km2 Cách cửa sông

256 km cũng về bên trái có chi lưu Nậm Chiến dài 45 km, diện tích tập trung nướckhoảng 460 km2 Phía dưới cửa sông Nậm Mu khoảng 20 km, sông Đà chảy vàothung lũng hẹp kéo dài đến thị trấn Suối Rụt Đoạn này có 35 thác ghềnh Cách cửasông 252 km có chi lưu Nậm Bú dài 81,5 km với diện tích lưu vực 1110 km2 Saukhi chảy qua Thác Bờ, lòng sông mở rộng tới 200 m vào mùa kiệt và hơn 800 mvào lũ, xuất hiện nhiều bãi bồi [2]

1.2.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo

Lưu vực sông Đà có đặc điểm địa hình phức tạp và chưa ổn đinh Đặc điểmnổi bật của địa hình lưu vực sông Đà là núi và cao nguyên đều cao và bị chia cắttheo chiều thẳng đứng mạnh hơn nhiều hơn so với các vùng khác nhau ở Việt Nam

Độ cao trung bình của lưu vực là 1130 m, riêng phần lưu vực thuộc lãnh thổ ViệtNam là 9165 m [2]

1.2.1.3 Đặc điểm địa chất

Đặc điểm địa chất lưu vực sông Đà có những nét riêng đặc biệt mà các vùngkhác không có và được hình thành trong nhiều giai đoạn kiến tạo xảy ra rất mãnhliệt khác nhau, có nhiều đứt gãy, uốn nếp và sụp lún [8]

1.2.1.4 Đặc điểm thổ nhưỡng

Theo tài liệu đánh giá tài nguyên đất, lưu vực sông Đà có các nhóm đất chínhlà: nhóm đất phù sa cổ, nhóm đất Feralit (đất feralit trên đá phiến, đá gơ nai và đá

mẹ khác, đất feralit trên đá ba-dan và đá mắc-ma, đất feralit trên đá vôi), nhóm đấtđen, nhóm đất mùn đỏ trên núi, đất xám bạc màu… [8]

1.2.1.5 Đặc điểm thảm phủ rừng của lưu vực sông Đà [2]

Tính đến năm 1993, diện tích phủ rừng của lưu vực sông Đà (phần lãnh thổthuộc Việt Nam) là 282340 ha, chiếm 10,8% tổng diện tích đất tự nhiên Rừng giàuchiếm khoảng 4% tổng diện tích đất tự nhiên, phân bố chủ yếu trên các vùng núicao 1000 – 2000 m thuộc địa phận tỉnh Sơn La và huyện Đà Bắc (Hòa Bình) Rừngtrung bình và rừng nghèo phân bố rải rác khắp lưu vực; trong đó, hơn một nửa diệntích rừng nằm ở chân núi đầu nguồn Các khu vực tập trung nhiều rừng bao gồm:huyện Đà Bắc, Tuần Giáo, Phù Yên, thị xã Sơn La Vùng ít rừng nhất là Sìn Hồ,Mường Lay, Bắc Yên, Quỳnh Nhai, Phong Thổ, Yên Châu

Hiện nay, diện tích rừng đang bị suy giảm mạnh Nguyên nhân của sự suygiảm này là do khai thác rừng quá mức và không có quy hoạch, không chú trọngđến tái sinh rừng, đốt phá rừng làm nương rẫy, cháy rừng…Thảm phủ thực vật bịtàn phá đã gây xói mòn tầng mặt, làm đất thoái hóa nghiêm trọng

1.2.1.6 Đặc điểm khí tượng thủy văn

a Chế độ mưa ẩm [2]

Lưu vực sông Đà có độ ẩm cao và ít thay đổi Độ ẩm tuyệt đối dao độngtrong phạm vi tư 11,4 – 31,6 mb, độ ẩm lớn nhất là 42 mb, độ ẩm nhỏ nhất giảmđến 2,8 mb Độ ẩm tương đối trung bình năm là 82 – 85% Trong đó lưu vực có 2tâm mưa lớn Tâm mưa lớn phía Tây Hoàng Liên Sơn và tâm mưa lớn thượngnguồn sông Đà với lượng mưa trung bình năm khoảng 2400-3000 mm, lớn nhất vàocác tháng VI hoặc tháng VII Sự phân bố mưa trong năm phụ thuộc rõ ràng vào hìnhthái gió mùa Gió mùa Tây Nam gây ra khoảng 85 % tổng lượng mưa năm, đặc biệttập trung vào 3 tháng VII,VIII và IX Lượng mưa năm tăng đột ngột khi có nhữngcơn bão tràn vào phần dưới lưu vực Lượng mưa tháng lớn nhất tại trạm Hòa Bình

là 734 mm, mưa ngày lớn nhất đạt tới 224 mm Cường độ mưa rất lớn, có thể vượtquá 26 mm trong 5 phút Mùa hè, số ngày mưa đạt tới 100-140 ngày, riêng thángVII và VIII thường đạt tới 18-22 ngày/tháng Ở Hòa Bình, vào mùa đông, gió cóhướng Bắc và Tây bắc Vào mùa hè, gió thổi theo hướng Nam và Tây Nam Tốc độgió trung bình tháng dao động tư 1,3-2,4 m/s Tốc độ gió lớn nhất xảy ra vào mùa

hè và đạt tới 28 m/s (tại trạm khí tượng Hòa Bình), 40 m/s (tại trạm khí tượng MộcChâu).

b Đặc điểm thủy văn [2]

Dòng chảy năm

Dòng chảy năm của sông Đà rất dồi dào Tổng lượng dòng chảy bình quân nhiềunăm của sông đạt khoảng 55,7 km3, lưu lượng bình quân là 1770 m3/s và modundòng chảy năm là 33,5 l/s.km2

Dòng chảy lũ

Lượng nước mùa lũ bình quân chiếm tư 77,6 đến 78,5% lượng nước cả năm,riêng tháng VIII chiếm tới 23,7%, là tháng có lượng dòng chảy lớn nhất Mùa cạnkéo dài trong 7 tháng (tư tháng X năm trước đến tháng V năm sau) Nước lũ sông

Đà lớn nhất trong hệ thống sông Hồng do các trung tâm gây mưa lớn tập trung chủyếu ở trung lưu sông Đà gây nên Đoạn tư Lý Tiên Độ đến Tạ Bú, mưa lớn trên cácsườn núi cao đón gió Tây nam Module đỉnh lũ tại Tạ Bú đã đạt tới giá trị 484l/s.km2 (ngày 21/VIII/1996) Sự hoạt động sớm của áp thấp phía Tây là nguyênnhân chủ yếu dẫn đến sự xuất hiện lưu lượng đỉnh lũ sớm vào tháng VII

Hình thái lưu vực sông thuận lợi cho lũ hình thành nhanh chóng và ác liệt.Tại Lai Châu, cường suất lớn nhất bình quân xấp xỉ 80 cm/giờ Nguyên nhân chính

là địa hình dốc, mưa có cường độ lớn trên một vùng trơ trụi, thung lũng sông phíadưới Lai Châu lại bị thắt hẹp Đặc điểm nổi bật nhất của dòng chảy sông Đà làlượng lũ lớn, đỉnh lũ cao Dòng chảy tháng lớn nhất đều lớn hơn 20 % lượng dòngchảy năm, xuất hiện vào tháng VII ở thượng lưu, tháng VIII ở trung và hạ lưu

Dòng chảy cạn

Tùy thuộc vào điều kiện mặt đệm và tình hình mưa mà lượng dòng chảy nhỏnhất trên sông Đà có sự thay đổi tư nơi này qua nơi khác Nhìn chung, trên dòngchính và các phụ lưu chảy qua vùng đá vôi, mưa ít thì dòng chảy cạn có trị số nhỏ.Dòng chảy tháng nhỏ nhất bình quân xuất hiện đồng bộ vào tháng III, chiếm trêndưới 2 % lượng dòng chảy năm

Dòng chảy bùn cát

Dòng chảy bùn cát trên sông Đà thuộc loại lớn trên miền Bắc Tổng lượng cátbùn trên sông Đà đo được tại trạm Hòa Bình là 72,3 triệu tấn/năm, ứng với độ đụcbình quân nhiều năm là 1310 g/m3 Tại Tạ Bú là 87,5 triệu tấn/năm, ứng với độ đụcbình quân là 1940 g/m3 Dòng chảy bùn cát giảm dần về phía hạ lưu và có liên quanchặt chẽ với mức độ xói mòn trên lưu vực do nhiều nguyên nhân khác nhau

1.2.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Lưu vực sông Đà nằm trong vùng Tây Bắc, là một vùng đất rộng lớn, cao vàdốc nhất nước ta , có tài nguyên phong phú và đa dạng, đặc biệt là tiềm năng thủyđiện chiếm 30% thủy điện của cả nước, nhiều khoáng sản có giá trị như vàng, niken,than đá, pyrit…

Đây cũng là vùng có nhiều dân tộc ít người sinh sống (người Thái, Mông,Kinh, Dao, Hà Nhì, Dáy,…) mật độ dân số thấp, phân bố dân cư không đồng đều,sinh sống chủ yếu bằng hoạt động nông nghiệp (du canh, đốt rừng làm nương rẫy)

đã làm gia tăng lượng xói mòn bề mặt lưu vực Do đặc điểm đa dạng về dân cư nênkhu vực có nhiều truyền thống văn hóa và tinh thần mà các vùng khác không có.Cũng do vị trí quan trọng của lưu vực nên đã có chương trình nhà nước về “Pháttriển tổng thể kinh tế xã hội vùng Tây Bắc, thời kỳ 1996 – 2010” được nghiên cứunhằm đưa ra những định hướng và chương trình chủ yếu để phát triển kinh tế xã hộitrên khu vực trong 15 năm tới

1.2.3 Công trình thủy điện Lai Châu [11]

Công trình thủy điện Lai Châu là công trình trọng điểm quốc gia Việt Nam,xây dựng trên dòng chính sông Đà tại xã Nậm Hàng huyện Mường Tè tỉnh LaiChâu, Việt Nam Thủy điện Lai Châu có tổng công suất lắp đặt 1200 MW với 3 tổmáy, được khởi công xây dựng vào ngày 05 tháng 01 năm 2011, hòa lưới 3 tổ máytháng 11 năm 2016, khánh thành tháng 12 năm 2016, sớm hơn 1 năm so với chỉ tiêuQuốc hội đề ra Công trình này được xây dựng tại bậc thang trên cùng của dòngchính sông Đà tại Việt Nam với tổng mức đầu tư ước tính sơ bộ hơn 35700 tỷ đồng

Nhà máy thủy điện Lai Châu sẽ cung cấp mỗi năm lên lưới điện quốc gia khoảng4.670,8 triệu kWh.

Đây là công trình thủy điện không những có vai trò quan trọng trong việcphát triển điện, cấp nước cho đồng bằng sông Hồng về mùa khô mà còn tạo cơ hộiphát triển kinh tế - xã hội 2 tỉnh Lai Châu và Điện Biên, đảm bảo an ninh quốcphòng khu vực Tây Bắc Thủy điện Lai Châu thuộc bậc thang trên cùng của dòngsông Đà tại Việt Nam, tiếp giáp biên giới Việt Trung Với thiết kế chọn cao trìnhđập 295m sẽ đảm bảo mực nước sẽ đảm bảo cách mực nước cách biên giới khoảng

15 – 20km, nhưng khi nước dềnh hoặc có lũ, lụt thì chỉ cách biên giới khoảng 2km

Bảng 1.1: Các thông số chính của hồ chứa Lai Châu

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 2.1 Phương pháp nghiên cứu

Để tính toán bồi lắng bùn cát cho hồ chứa, trên thế giới và ở Việt Nam có rấtnhiều phương pháp được sử dụng để ước tính lượng bùn cát bồi lắng trong lòng hồ.Tuy nhiên, mỗi phương pháp có một ưu, nhược điểm và khả năng áp dụng khácnhau Với hồ chứa Lai Châu, tư thực tiễn về tình hình số liệu, trong luận văn này tácgiả lựa chọn phương pháp mô hình toán 1 chiều để tính toán bồi lắng bùn cát cho hồchứa Lai Châu trên sông Đà

Lựa chọn mô hình tính toán bồi lắng bùn cát cho hồ chứa

Việc lựa chọn mô hình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó phải kể đến:

Mặt khác, hồ chứa Lai Châu được xây dựng ở vùng núi và có độ dốc lớn Vìvậy, sự biến đổi các yếu tố thủy lực-bùn cát theo chiều dòng chảy vẫn mạnh hơn rấtnhiều so với sự biến đổi theo chiều ngang và chiều sâu Trên mỗi mặt cắt ngang,quá trình bồi lắng chủ yếu diễn ra ở khu vực lòng chính sông cũ Nếu sử dụng môhình một chiều có khả năng phân biệt quá trình bồi lắng trong lòng chính và các bãitràn thì không những giảm được khối lượng tính toán mà kết quả vẫn có độ tin cậycần thiết cho các mục đích thiết kế Một số ưu mô hình HEC-6:

1 HEC-6 mô phỏng được biến đổi lòng dẫn và quá trình bồi lắng cát bùn trong các hồ chứa trong thời đoạn dài nhiều năm

2 HEC-6 cho phép mô tả tình trạng dòng chảy sát thực hơn bằng việc chia lòngsông thành các bộ phận: bờ trái, lòng chính và bờ phải (hoặc phần đáy động

và đáy cứng) với đặc điểm thủy lực và bùn cát khác nhau

3 HEC-6 có khả năng mô phỏng quá trình bồi-xói các kích bùn cát khác nhau

4 HEC-6 sử dụng 11 quan hệ để tính toán sức tải cát cho từng cấp hạt khácnhau, ngoài ra còn cho phép người sử dụng xây dựng hàm sức tải riêng nếu

Mô Hình HEC-6 đã được một số tác giả nghiên cứu, tính toán cho các hồ chứadạng sông (dài và hẹp) ở nước ta và được đánh giá mô phỏng khá tốt quá trình biếnđổi lòng dẫn thực tế

Vì vậy, trong luận văn này, tác giả lựa chọn mô hình HEC-6 dự tính lượng bùn cát bồi lắng lòng hồ Lai Châu trên sông Đà Cụ thể:

Sử dụng mô hình SWAT để dự tính lưu lượng nước và bùn cát gia nhập khu giữa tạo biên đầu vào cho mô hình HEC-6

Sử dụng mô hình thủy lực HEC-6 dự tính lượng bùn cát lòng hồ Lai Châu.Các bước tính toán được thể hiện trong hình 2.1

Các yếu tố Khí

tượng: Mưa, Bốc

hơi, Nhiệt độ

Bản đồ sử dụngđất Bản đồ thổnhưỡng Bản đồ số độ cao

Hiệu chỉnh kiểm định bùn cát

Tính toán bồi lắng bùn cát cho hồ

chứa Lai Châu

Hình 2.1: Sơ đồ khối tính dòng chảy và bùn cát bồi lắng hồ chứa

a Giới thiệu mô hình SWAT

SWAT (Soil and Water Assessement Tool) là công cụ đánh giá nước và đấtcho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên 1 lưu vực sông được xây dựngbởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS –Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA – UnitedStates Department of Agriculture) và giáo sư Srinivasan thuộc Đại học TexasA&M, Hoa Kỳ

Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụngnguồn tài nguyên đất của đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra tưmất rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trongkhoảng thời gian dài

b Cấu trúc của mô hình SWAT

Cấu trúc của mô hình SWAT bao gồm: mô hình lưu vực sông và mô hìnhdiễn toán

Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm); wseep là lượng nước đi vào tầngngầm ngày thứ i (mm); Qgw là số lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

- Mô hình diễn toán

Mô hình SWAT có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng,những chất dinh dưỡng và những thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính, rồi diễntoán theo mạng lưới sông suối trên lưu vực Ngoài việc tính toán lưu lượng nước,

mô hình còn mô tả sự biến đổi của các hóa chất trong kênh Mô hình diễn toántrong sông bao gồm 2 thành phần:

 Diễn toán trong sông: Việc diễn toán trong sông có thể được chia thành bốn

thành phần: Nước, chất bồi lắng, những chất dinh dưỡng và hóa chất hữu cơ

 Diễn toán qua hồ chứa Sự cân bằng nước cho hồ chứa bao gồm dòng chảy

đến, dòng chảy đi, mưa trên bề mặt, bốc thoát hơi, thấm qua đáy hồ và các công trình phân nước

c Nội dung và phương pháp tính toán

Để tính toán được lưu lượng nước và bùn cát cho các lưu vực sông không có

số liệu quan trắc, trước hết cần phải thiết lập mô hình SWAT cho các lưu vực sông

có liệu quan trắc lưu lượng nước và bùn cát Sau khi hiệu chỉnh và kiểm định bộthông số của mô hình SWAT cho lưu vực sông có số liệu quan trắc lưu lượng nước

và bùn cát, bộ thông số này sẽ được áp dụng cho các lưu vực skhoong có số liệuquan trắc để tính lưu lượng nước và bùn cát

Đối với lưu vực sông có số liệu quan trắc lưu lượng nước và bùn cát, cácbước tính toán được thực hiện theo trình tự như sau:

- Bước 1: Tạo cơ sở dữ liệu của mô hình, đưa các số liệu bản đồ và số liệu khítượng thủy văn về đúng định dạng của mô hình

- Bước 2: Sử dụng bản đồ DEM và bản đồ mạng lưới sông suối để phân chia lưuvực lớn thành các lưu vực con bộ phận

- Bước 3: Sử dụng bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ thổ nhưỡng và các lưuvực con bộ phận đã phân định ở trên để phân chia thành các đơn vị thủy văn

- Bước 4: Xác định vị trí của các trạm khí tượng và các trạm đo mưa trên lưu vực

để tính toán trọng số và giá trị mưa trung bình cho các lưu vực con và các HRU

- Bước 5: Xác định bộ thông số tạm thời của mô hình SWAT

chỉnh để xác định bộ thông số tối ưu nhất của mô hình SWAT

- Bước 7: Sử dụng số liệu lưu lượng nước và bùn cát thực đo để kiểm định tính ổnđịnh bộ thông số của mô hình SWAT đã được hiệu chỉnh

Hình 2.4: Quá trình mô phỏng bằng mô hình SWATĐối với các lưu vực sông không có số liệu quan trắc lưu lượng và bùn cát,tiến hành áp dụng bộ thông số đã được hiệu chỉnh và kiểm định tại lưu vực có sốliệu quan trắc có sự tương đồng với lưu vực đang xét để tính toán lưu lượng nước vàbùn cát sinh ra trên lưu vực

2.1.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình HEC-6 [3]

2.1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực của mô hình HEC-6

Trong đó: Q là lưu lượng nước; V là lưu tốc trung bình mặt cắt phía trên QL;

A là diện tích mặt cắt ngang; QL là lưu lượng nước gia nhập khu giữa; g là gia tốctrọng trường; Sen là độ dốc đường năng; he là tổn thất năng lượng; v1,v2 là vận tốctrung bình tại 2 mặt cắt; WS1, WS2 là cao trình mực nước tại 2 mặt cắt; 1, 2 là hệ

số phân bố lưu tốc tại 2 mặt cắt của đoạn sông

Phương trình (2.3) được giải bằng phương pháp bước chuẩn và các tham sốthủy lực được tính toán tại mỗi mặt cắt ngang cho các cấp lưu lượng kế tiếp nhau(Hình 2.5)

Số hạng tổn thất năng lượng he gồm tổn thất do ma sát hf và tổn thất hìnhdạng ho Tổn thất hình dạng chính là tổn thất cục bộ do lòng sông-hồ bị thu hẹphay mở rộng đột ngột được xác định tư tài liệu địa hình

j1

 n j  1 / 2 j

(2.6)Trong đó: A1, A2 là diện tích mặt cắt ngang thượng hạ lưu; NSS là tổng số mặtcắt ướt thành phần có trong mỗi mặt cắt ngang, Kt' là hệ số chuyển tải bình quân; Lj

là chiều dài của bó dòng thứ j nằm giữa các mặt cắt bộ phận; n là hệ số nhámManning Q là lưu lượng dòng chảy; R1, R2 là bán kính thủy lực tương ứng tại mặtcắt thượng hạ lưu

Tổn thất hình dạng ho được tính toán theo công thức sau:

Nếu giá trị trong dấu tuyệt đối là âm (-) thì dòng chảy bị thu hẹp và hệ số CL là

hệ số thu hẹp dòng chảy, nếu nó là dương (+) có nghĩa dòng chảy được mở rộng và

CL là hệ số mở rộng dòng chảy

av g

av g

Hình 2.6 mô tả một mặt cắt ngang điển hình được xác định bằng các điểm toạ độ(x,y) gồm 03 phần: lòng chính, bãi tràn bờ trái và bãi tràn bờ phải Mỗi mặt cắtngang được chia thành một số mặt cắt bộ phận Diện tích, chu vi ướt, bán kính thủylực, hệ số chuyển tải dòng chảy, hệ số phân bố vận tốc, chiều rộng và độ sâu hiệuquả của mỗi mặt cắt bộ phận được xác định tư các phân tố hình thang nhỏ hơngiới hạn bởi đường mặt nước và các điểm toạ độ liền kề của mặt cắt ngang

Hình 2.6: Sơ đồ một mặt cắt ngang điển hìnhKhả năng vận chuyển bùn cát của dòng chảy trong lòng dẫn có hình dạng bất

kỳ được qui về mặt cắt hình chữ nhật với một cạnh là độ sâu hiệu quả EFD tính theophương trình (2.8), cạnh kia là chiều rộng hiệu quả EFW được tính toán tư độ sâuhiệu quả theo phương trình (2.9)

sâu trung bình của mỗi phân tố hình thang; it là tổng số phân tố hình thang có trongmột mặt cắt bộ phận.

Việc tính toán chuyển tải bùn cát chỉ dựa trên các tham số thủy lực của dòngchảy lòng chính Vì vậy, các yếu tố thủy lực được xác định tư tài liệu địa hình cũngchỉ giới hạn trong phạm vi lòng chính

Tại mỗi mặt cắt ngang, HEC-6 kiểm tra các thông số thủy lực thích hợp đểxác định xem trong đoạn sông dòng chảy là êm hay xiết Nếu dòng chảy là êm, mặtcắt hạ lưu được xem như ở độ sâu phân giới và tính toán nước dâng được tiếp tụcthực hiện lên phía thượng lưu Nếu dòng chảy là xiết, HEC-6 sẽ lấy xấp xỉ hìnhdạng mặt cắt lòng dẫn, sử dụng độ sâu và chiều rộng hiệu quả và xác định cao trìnhđường mặt nước dựa trên độ sâu chuẩn tắc của dòng chảy xiết

Ba bước được sử dụng để làm hội tụ các phép thử sai trong tính toán caotrình mặt nước bằng phương pháp bước chuẩn Hình 2.7 mô tả thứ tự của các thửsai liên tục để có thể thu được kết quả mong muốn

 Thử sai lần 1: Dựa trên cao trình mặt nước ban đầu

 Thử sai lần 2: Giả thiết sự biến thiên mực nước là 90% của sai số Y1

 Thử sai lần 3: Các cao trình đã giả thiết ở bước 1 và 2 được nối với nhau bằng một đường thẳng, các kết quả tính toán ở bước 1 và 2 được nối với nhau bằng

đường thẳng khác, điểm giao nhau của hai đường thẳng này sẽ là giá trị giả thiết ở bước 3

Tiếp tục giải cho đến khi giá trị giả thiết và giá trị tính toán cao trình mặtnước nằm trong phạm vi sai số cho phép Nếu sau khoảng 20 lần tính thử mà sai sốvẫn lớn hơn sai số cho phép thì cao trình mặt nước tính toán lần cuối sẽ được lấy

VEL = [(XID)(VEL)](K-1) + [(XIN)(VEL)](K) + [(XIU)(VEL)](K+1) (2.10)EFD = [(XID)(EFD)](K-1) + [(XIN)(EFD)](K) + [(XIU)(EFD)](K+1) (2.11)EFW = [(XID)(EFW)](K-1) + [(XIN)(EFW)](K) + [(XIU)(EFW)](K+1) (2.12)

 Đối với các điểm (bộ phận) thượng lưu:

VEL = [(UBN)(VEL)](K) + [(UBI)(VEL)](K-1)

(2.14)EFD = [(UBN)(EFD)](K) + [(UBI)(EFD)](K-1) (2.15)

c Các tham số thủy lực đại biểu được dùng trong tính bùn cát

Các tham số thủy lực của mỗi đoạn sông được tính bình quân gia quyềnthành các giá trị đại biểu trước khi tính toán sức tải bùn cát Các trọng số có thểđược thay đổi theo số liệu đầu vào

 Đối với các điểm (bộ phận) bên trong:

VEL = [(DBN)(VEL)](K) + [(DBI)(VEL)](K+1) (2.18)EFD = [(DBN)(EFD)](K) + [(DBI)(EFD)](K+1) (2.19)EFW = [(DBN)(EFW)](K) + [(DBI)(EFW)](K+1) (2.20)SLO = (SLO)(K) (2.21)Trong đó: DBN, DBI là các hệ số đối với biên hạ lưu của đoạn sông; K-1, K,K+1 là các vị trí ở hạ lưu, trung lưu và thượng lưu đoạn sông; SLO là độ dốc masát; UBN, UBI là các hệ số đối với biên thượng lưu của đoạn sông; VEL là lưu tốcbình quân gia quyền của đoạn sông; EFD là độ sâu hiệu quả bình quân gia quyềncủa đoạn sông; EFW là độ rộng hiệu quả bình quân gia quyền của đoạn sông;XID, XIN, XIU là các hệ số đối với các điểm bên trong của đoạn sông

Bảng 2.1 dưới đây trình bày một bộ trọng số ứng với sơ đồ tính 1 cho phéptính toán ổn định nhất với các bước tính dài nhất Một bộ trọng số khác ứng với sơ

đồ tính 2 có độ nhạy cao nhất với sự thay đổi cao trình đáy, nhưng yêu cầu bướctính toán ngắn hơn để đảm bảo điều kiện ổn định

Bảng 2.1 Các hệ số tỷ trọng của tham số thủy lực đặc trưng

2.1.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bùn cát của mô hình HEC-6

1 Phương trình liên tục bùn cát

 Phương trình liên tục của bùn cát

Phương trình liên tục của bùn cát (phương trình EXNER) là cơ sở cho việc

mô phỏng sự vận động đáy sông-hồ theo chiều thẳng đứng có dạng:

 Q s

x t sL

sp 

sL

dọc theo lòng dẫn; Qs là lưu lượng bùn cát tổng cộng; Ys là chiều sâu bùn cát trongthể tích khống chế [ft]; qsL là lưu lượng đơn vị của bùn cát ra nhập khu giữa

chảy vào: qsL nhận giá trị (-) còn chảy ra: qsL nhận giá trị (+)

Sai phân phương trình EXNER cho điểm P với các thành phần mô tả trongHình 2.8 được phương trình (2.23) và (2.24):

Q  Q sd su Bsp (Y'sp  Ysp)

 q   0 (2.23)0,5(Ld Lu ) Δt

số hình dạng thể tích; t là bước thời gian tính toán

Chiều sâu ban đầu của vật liệu đáy tại điểm P xác định giá trị ban đầu Ysp.Lưu lượng bùn cát Qsu là tổng lượn bùn cát của các cấp hạt chảy vào thể tích khốngchế đang nghiên cứu tư thể tích khống chế ở phía thượng lưu Đối với đoạn sông-hồtrên cùng, biên bùn cát được xác định tư quan hệ lưu lượng nước với lưu lượng bùncát Lượng bùn cát đi ra khỏi thể tích khống chế Qsd trở thành lượng bùn cát đi vàoQsu đối với thể tích khống chế liền kề về phía hạ lưu Lưu lượng bùn cát Qsd đượctính toán trên cơ sở xem xét khả năng vận chuyển bùn cát tại điểm P, bùn cát củadòng chảy vào, sự hiện diện của lớp vật liệu đáy và quá trình thô hóa bề mặt đáy Sựchênh lệch giữa (qsL + Qsu) và Qsd là lượng vật liệu bồi hoặc xói trong đoạn đượcghi là “vùng tính toán” Hình 2.8 và được chuyển đổi thành sự thay đổi cao trình đáysông-hồ bằng cách sử dụng phương trình (2.24)

Sức tải bùn cát của dòng chảy đối với từng cấp hạt được tính toán theo cácđiều kiện thủy lực tại thời điểm bắt đầu của mỗi bước tính và không được tính lạitrong suốt thời khoảng này Do đó, bước tính phải đủ ngắn để sự thay đổi cao trìnhđáy do bồi lắng hay xói lở trong khoảng thời gian đó không ảnh hưởng đáng kể đếnkhả năng vận tải bùn cát tại cuối thời đoạn tính toán Sự thay đổi đáy sông-hồ chophép trong một bước tính không vượt quá 1ft (hay 0,305 m) hoặc 10% độ sâu dòngchảy Vì lưu lượng bùn cát rất nhạy đối với cơ cấu thành phần hạt của vật liệu đáy,nên cấp phối hạt của vật liệu đáy sẽ được tính toán lại trong mỗi bước tính.

2 Khối lượng riêng của bùn cát bồi lắng

Khối lượng riêng của bùn cát bồi lắng được sử dụng để chuyển đổi lượngbùn cát bồi lắng tư khối lượng sang thể tích; tư đó, tính được sự thay đổi cao trìnhđáy sông-hồ Trong mô hình HEC-6, khối lượng riêng ban đầu của hỗn hợp bùn cátđược tính theo phương trình của Colby (1963), khối lượng của bùn cát bị nén chặttrung bình trong thời gian T năm hoạt động của hồ được tính theo quan hệ củaMiller (1953)