(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống

Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác HuốngNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 MÔ PHỎNG NGUỒN NƯỚC PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ

THỐNG THỦY NÔNG THÁC HUỐNG

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

CẤN THỊ THANH HIỀN

HÀ NỘI, NĂM 2018

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS TRƯƠNG VÂN ANH

HÀ NỘI, NĂM 2018

Cán bộ hướng dẫn chính: TS.Trương Vân Anh

Cán bộ hướng dẫn phụ:

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS TS Nguyễn Kiên Dũng

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS TS Nguyễn Thanh Hùng

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 17 tháng 9 năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các thông tin tham khảo của các tác giả đã được trích dẫn đầy đủ nguồn trong luận văn theo đúng quy định của cơ sở đào tạo

Hà Nội, ngày 18 tháng 7 năm 2018

Tác giả luận văn

Cấn Thị Thanh Hiền

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Khí Tượng Thủy Văn, Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua, đặc biệt là cô TS Trương Vân Anh đã tạo điều kiện, hướng dẫn và chỉ dạy rất tận tình để tôi hoàn thành đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Lãnh đạo Trung tâm Phát triển bền vững Nông nghiệp Nông thôn đã cho phép, tạo điều kiện về thời gian, động viên tinh thần cho tôi hoàn thiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn đến Công ty TNHH MTV KTCTTL Sông Cầu, Chi cục thống kê các huyện đã giúp đỡ tôi trong tiếp cận thông tin, tài liệu liên quan đến luận văn

Cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã cùng chia sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Trong khuôn khổ của đề tài : “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống”, với sự

giúp đỡ của các thầy cô và các bạn cùng khả năng và sự cố gắng nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành việc nghiên cứu của đề tài này, nhưng do thời gian và lượng kiến thức thực tế còn hạn chế, không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô giáo, các chuyên gia và các bạn để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 7 năm 2018

Cấn Thị Thanh Hiền

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Phạm vi không gian 2

3.2 Phạm vi thời gian 2

3.3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Bố cục luận văn 4

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ VẤN NGHIÊN CỨU 5

1.1 Hệ thống tài nguyên nước và quản lý hệ thống tài nguyên nước 5

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam 6

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới 6

1.2.2 Nghiên cứu tại Việt Nam 7

1.2.3 Một số nghiên cứu đã có trên hệ thống 9

1.3 Tổng quan về vùng nghiên cứu 10

1.3.1 Vị trí địa lý [15] 10

1.3.2 Địa hình 11

1.3.3 Địa chất, thổ nhưỡng 12

1.3.4 Thảm phủ thực vật [14] 12

1.3.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn 13

1.3.6 Hiện trạng Hệ thống thủy nông Thác Huống và công trình trên hệ thống sông 15

1.3.7 Hiện trạng điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội 20

CHƯƠNG2…… ……… ………21

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 22

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 22

2.1.1 Mô hình MIKE 11 22

2.1.2 Cấu trúc của mô hình 22

2.1.3 Hệ phương trình cơ bản trong mô hình MIKE 11 22

2.2 Công trình điều khiển trong hệ thống (kiểm soát hệ thống) 24

2.2.1 Vị trí (Location) 24

2.2.2 Thuộc tính (Attributes) bao gồm 25

2.2.3 Định nghĩa Kiểm soát (Control Definitions) 25

2.3 Yêu cầu về số liệu của mô hình 28

2.4 Các bước thực hiện 28

CHƯƠNG 3 29

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống 29

3.1.1 Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống 29

3.1.2 Xây dựng phương án vận hành cho hệ thống 31

3.1.3 Đánh giá nhu cầu nước trên hệ thống thủy nông Thác Huống 33

3.2 Nghiên cứu đánh giá tình hình cấp nước tưới hệ thống thủy nông Thác Huống bằng mô hình MIKE 11 37

3.2.1 Thu thập số liệu và thiết lập mô hình toán 37

3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực 41

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

1 Kết luận 59

2 Kiến nghị 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

TÓM TẮT LUẬN VĂN

+ Họ và tên học viên: Cấn Thị Thanh Hiền

+ Cán bộ hướng dẫn: TS.Trương Vân Anh

+ Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống

+ Tóm tắt:

Hệ thống thủy nông Thác Huống là một trong tổng số 75 công trình trên cả nước, có nhiệm vụ tưới cho 52.520 ha đất canh tác Tuy nhiên do yêu cầu phát triển giai đoạn hiện tại và trong tương lai, đã bộc lộ những hạn chế và nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục đó là lượng nước tưới không đủ để vận hành hệ thống không theo kế hoạch đề ra, thực tế cho thấy một số vùng tưới ở phía hạ nguồn vẫn không đủ nước tưới so với kế hoạch được đặt ra Luận văn này tập trung vào việc mô phỏng thực trạng nguồn nước dựa vào số liệu thực đo và sử dụng công cụ mô hình thủy lực MIKE 11, dựa vào kết quả mô phỏng để nghiên cứu đưa ra giải pháp vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống một cách hiệu quả nhất Kết quả của nghiên cứu đạt được là thiết kế thành công phương án vận hành HTTN Thác Huống

Từ khóa: Vận hành hệ thống; Hệ thống thủy nông; Hệ thống tài nguyên nước; Thác Huống; MIKE 11

+ Abstract:

Thac Huong irrigation system is one of the 75 systems in Viet Nam, which is responsible for irrigating 52,520 ha of cultivated land However, for current and future development requirements, it’s said to express many limitations and problems that need

to be overcome, that is not enough water to operate the system following tentative plan

In fact, in some areas of the downstream, irrigation is not sufficient as planned Dissertation focuses on the simulation of actual water status based on the measured data and using the MIKE 11 hydraulic modeling tool, based on simulated results to investigate solutions for Thac Huong irrigation system operationin the most effective way The study result is that the water level calculated at all locations in Thac Huong irrigation system will be at suitable water level to irrigate the areas during the key irrigation period The research result is successful design of the Thac Huong irrigation system

Keywords: System operation;Irrigation system; Water resources system; Thac

Huong; MIKE 11

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CS Control strategy (Một chiến lược kiểm soát)

QCVN 08: 2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt

kỹ thuật công trình thủy lợi

TPo Target point (Giá trị của điểm mục tiêu)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hiện trạng kênh Trôi 18

Bảng 1.2 Hiện trạng kênh N5 18

Bảng 1.3 Bảng thống kê các công trình sử dụng tính toán trong hệ thống 19

Bảng 3.1: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn I năm 2014 29

Bảng 3.2: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn II năm 2014 30

Bảng 3.3 : Phương án vận hành cống theo lịch tưới 31

Bảng 3.4: Thống kê tài liệu địa hình trên hệ thống thủy nông Thác Huống 38

Bảng 3.5: Biểu thời gian tính toán được sử dụng trong mô hình 41

Bảng 3.6: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình 43

Bảng 3.7: Bộ thông số (thông số nhám) của mô hình cho hệ thống thủy nông Thác Huống 44

Bảng 3.8: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định bộ thông số của mô hình 44

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Bản đồ ranh giới hệ thống thủy nông Thác Huống 11

Hình 3.1: Phương án vận hành cống theo lịch tưới 33

Hình 3.2: Vận hành cống Lữ Vân và nhu cầu nước của 34

khu tưới Hạ Lữ Vân 35

Hình 3.3: Vận hành cống Lăng Trình và nhu cầu nước tưới của 35

khu Thượng An Cập 35

Hình 3.4: Vận hành cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của 36

khu tưới N3 36

Hình 3.5: Vận hành cống An Cập, cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của 36

khu Hạ An Cập 36

Hình 3.6: Vận hành cống đầu kênh N5 và nhu cầu nước tưới của khu tưới Kênh N5 37

Hình 3.9 :Thiết lập hệ thống cống trên Hệ thống thủy nông Thác Huống 40

Hình 3.11: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (03/01/2014 – 30/05/2014) 42

Hình 3.12: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (03/01/2014 – 30/05/2014) 43

Hình 3.14: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (02/01/2015 – 30/05/2015) 46

Hình 3.15: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (02/01/2015 – 30/05/2015) 46

Hình 3.16: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 48

Hình 3.17: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 49

Hình 3.18 Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 50

Hình 3.19: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 51

Hình 3.20: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GĐ1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 52

Hình 3.21: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 53

Hình 3.22: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 54

Hình 3.23: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán(màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ vân GD2 55

Hình 3.24: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 56

Hình 3.25: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu 57

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Nước là tài nguyên đặc biệt quan trọng, là thành phần thiết yếu của sự sống

và môi trường, là điều kiện để khai thác và sử dụng tài nguyên khác và là nguyên liệu không thể thay thế của các ngành kinh tế Ngoài lợi ích mà nước đem lại, nước cũng có thể gây những tai họa khủng khiếp cho dân sinh, kinh tế và môi trường Tài nguyên nước luôn vận động và luân hồi nhưng hữu hạn Vì thế việc khai thác xây dựng và quản lý hiệu quả các công trình thuỷ lợi để phát huy những mặt lợi, hạn chế những tác hại của nước, vừa là giải pháp, vừa là mục tiêu hết sức quan trọng đảm bảo sự nghiệp phát triển bền vững nông nghiệp và nông thôn trong thời kỳ mới

Với mục tiêu đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá, xây dựng nền kinh tế độc lập tự chủ, đưa nước ta cơ bản trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại vào năm 2020; muốn vậy trước hết nông nghiệp và nông thôn phải phát triển lên một trình độ mới bằng việc đổi mới cơ cấu cây trồng, vật nuôi, tăng giá trị thu được trên một đơn vị diện tích, ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ; phát triển công nghiệp, dịch vụ, các làng nghề ở nông thôn, tạo nhiều việc làm mới

Để đáp ứng những mục tiêu đó, công tác thuỷ lợi phục vụ sản xuất nông –lâm – ngư - diêm nghiệp và kinh tế nông thôn đang đứng trước những thời cơ và thách thức mới Đó là việc đảm bảo nước để ổn định cho 4 triệu ha đất có điều kiện sản xuất lúa, giữ vững an ninh lương thực với sản lượng lương thực có hạt trên 50 triệu tấn vào năm 2015;

có các giải pháp thuỷ lợi hiệu quả phục vụ cho 2,97 triệu ha cây công nghiệp và cây ăn quả lâu năm, cho 0,68 triệu ha cây công nghiệp hàng năm; cung cấp nước cho các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp, các làng nghề nông thôn, cung cấp nước sạch cho cư dân nông thôn; xây dựng các hệ thống cung cấp nước để làm muối chất lượng cao và nuôi trồng thuỷ, hải sản với qui mô lớn; xử lý nước thải từ các vùng nuôi trồng thuỷ sản tập trung, từ các làng nghề, từ các cơ sở sản xuất công nghiệp dịch vụ ở nông thôn

Hiện nay Việt Nam đã và đang xây dựng nhiều các công trình tài nguyên nước nhằm điều hòa nguồn nước phục vụ cho các lĩnh vực bao gồm sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp bước đầu đã đem lại được nhiều thành tựu đáng kể

Hệ thống thủy nông Thác Huống cũng là một trong tổng số 75 công trình trên cả nước, có nhiệm vụ tưới cho 52.520 ha đất canh tác Tuy nhiên do yêu cầu phát triển giai đoạn hiện tại và trong tương lai, đã bộc lộ những hạn chế và nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục đó là việc vận hành hệ thống không theo kế hoạch, thực tế cho thấy một số vùng tưới ở phía hạ nguồn vẫn không đủ nước tưới so với

kế hoạch được đặt ra Từ đó bài toán cần đưa ra là đề xuất được các giải pháp cho công trình tài nguyên nước nhằm khai thác, sử dụng hợp lý, bền vững trong giai đoạn đến năm 2020, định hướng đến năm 2030 Để giải quyết việc điều tiết nguồn nước trong hệ thống thủy nông Thác Huống, nghiên cứu tìm ra một mô hình thủy văn thích hợp mô phỏng thực trạng nguồn nước, đưa ra các giải pháp vận hành hệ thống một cách hiệu quả

Vì vậy, học viên lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mô phỏng hệ thống thủy nông Thác Huống trong giai đoạn trọng điểm của mùa kiệt (từ tháng 1 đến tháng 5)

- Đề xuất các phương án vận hành hệ thống trong giai đoạn trọng điểm của mùa kiệt

3.3 Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống thủy nông Thác Huống trên địa bàn tỉnh Bắc Giang, Thái Nguyên

- Toàn bộ hệ thống bao gồm các hạng mục công trình chính như sau:

Tuyến kênh chính (lấy nước từ công trình đầu mối); kênh Trôi và kênh N5

là kênh cấp I (gọi là kênh nhánh, lấy nước từ kênh chính để phục vụ cho 1 huyện hoặc liên huyện); kênh N3 là kênh cấp II (gọi là mương cái, lấy nước từ kênh nhánh phục vụ nước cho diện tích đất đai tại 1 xã hoặc liên xã) ngoài ra còn có các đập, tràn và hệ thống cống

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu hệ thống: vị trí địa lý; địa hình; đặc điểm khí tượng thủy văn; hiện trạng hệ thống và các công trình chính trên hệ thống

- Thu thập số liệu: dữ liệu địa hình (Bản đồ hệ thống; Mặt cắt ngang); dữ liệu thủy văn (Mực nước thực đo, lưu lượng thực đo) và các chuỗi số liệu vận hành cống

- Mô hình hóa hệ thống:

- Mô phỏng kịch bản vận hành hệ thống: ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng quy trình vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống trong giai đoạn tưới trọng điểm

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu và nội dung công việc trên, các phương pháp nghiên cứu chính sau đây sẽ được sử dụng trong luận văn:

- Phương pháp kế thừa: Phân tích đánh giá, tổng hợp và thừa kế các nội dung phù hợp phục vụ cho các nội dung nghiên cứu của luận văn;

- Phương pháp phân tích thống kê: Thu thập xử lý và phân tích số liệu, tài liệu phục vụ luận văn;

- Phương pháp mô hình hóa: Ứng dụng mô hình MIKE 11 (mô hình thủy lực) trong mô phỏng điều tiết hệ thống thủy nông Thác Huống;

- Phương pháp tham vấn: Xin ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu

6 Bố cục luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị thì nội dung chính của luận văn bao gồm 3 nội dung chính như sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống tài nguyên nước và quản lý hệ thống tài nguyên nước

Hệ thống tài nguyên nước (HTTNN) là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng và sự tác động của môi trường lên nó.[5]

Các công trình hệ thống thành phần của HTTNN bao gồm: HTTNN mặt, HTTNN ngầm, hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải đô thị, hệ thống kiểm soát lũ, hệ thống tưới tiêu Trong bài toán này hệ thống tưới tiêu đóng vai trò quan trọng, là hai loại hệ thống đặc trưng ở nước ta Trong đó hệ thống tưới bao gồm công trình đầu mối, công trình dẫn nước (các kênh dẫn), công trình điều tiết (các công trình dọc hệ thống giúp điều tiết lại nguồn nước theo yêu cầu) và khu tưới Công trình đầu mối có thể là hồ chứa, đập dâng nước, trạm bơm hoặc cống lấy nước

tự chảy từ sông tự nhiên vào đồng [5]

Vận hành hệ thống tưới có tầm quan trọng rất lớn đối với đời sống con người

và sản xuất, nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế - xã hội Khi hệ thống tưới đươc vận hành hiểu quả nó đem lại lợi ích thiết thực như: Cung cấp đủ lượng nước dùng cho người sử dụng, giúp tiết kiệm lượng nước trong quá trình khai thác

từ đó giảm một phần chi phí và giá thành mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp bảo vệ môi trường, phòng chống giảm nhẹ thiên tai

Ngoài ra, vận hành hiệu quả HTTNN nói chung, hệ thống tưới nói riêng cũng góp phần tích cực cho công tác cải tạo đất, chống hiện tượng sa mạc hoá giúp những vùng đất khô cằn trở thành những vùng đất trù phú, giúp cải thiện chất lượng môi trường và điều kiện sống của nhân dân nhất là những vùng khó khăn về nguồn nước, tạo ra cảnh quan mới tốt đẹp hơn

Hiện nay do quá trình biến đổi khí hậu nên nước ta chịu ảnh hưởng nhiều bởi các hình thế thời tiết xấu như hạn hán, lũ lụt cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đến HTTNN

Do đó việc ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực áp dụng vào nghiên cứu và quản lý

hệ thống tài nguyên nước nhằm phục vụ đa ngành trong đó có ngành nông nghiệp tạo điều kiện phát triển kinh tế, tăng thu nhập GDP cho toàn quốc

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới

Trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu Mahanadi, một dự án thuỷ lợi lớn ở Trung Ấn Độ, được sử dụng như là một công cụ lập kế hoạch cho hệ thống tưới tiêu hồ chứa Mahanadi, một công cụ hỗ trợ quyết định và là một phần mở rộng của hệ thống mô hình thủy lực - thủy văn kết hợp cho sự vận hành của kênh Bên cạnh đó các hệ thống mô hình MIKE 11 và MIKE SHE, cho các mô phỏng thủy lực và thủy văn tương ứng, nó có một mô đun tối ưu hóa để điều khiển các vận hành hệ thống kênh rạch Kết quả cho thấy rằng các kênh thoát nước không hiệu quả và dẫn đến lãng phí một lượng đáng kể nước trong mùa mưa Từ kết quả đó đồng tác giả: R.Singh, JC Refsgaard, L.Yde đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình MIKE 11 vàMIKE SHE kết hợp với các hệ thống thủy lợi tối ưu hóa (IOS) là phương pháp rất hữu hiệu làm giảm sự lãng phí trong việc sử dụng nước nhờ đó

mà tần suất tưới nhiều hơn, lượng nước tưới hiệu quả hơn trong kênh Nghiên cứu tình huống cũng minh hoạ khả năng của hệ thống thủy lợi tối ưu hóa (IOS) kết hợp với các mô hình thủy lực - thủy văn là một công cụ hỗ trợ hữu hiệu để lập kế

hoạch tối ưu hóa tưới tiêu.[3]

Để thực hiện kiểm soát nhu cầu sử dụng nước theo thời gian tiến hành trên kênh thủy lợi tưới tiêu của tiểu bang Maricopa-Stanfield nguyên nhân do tài nguyên nước dành cho nông nghiệp ở vùng này vẫn còn hạn chế nên một phương pháp giúp việc sử dụng nguồn nước hiệu quả hơn đó chính là việc cải thiện quá trình vận chuyển nước từ các kênh tưới tiêu Điều này có thể thực hiện bằng cách

áp dụng các phương pháp điều khiển tự động kiểm soát các cửa trong kênh thủy lợi Trong bài toán này đồng tác giả: PJ van Overloop, AJ Clemmens, RJ Strand, RMJ Wagemaker and T.Bautista đã sử dụng mô hình (MPC) là một trong những phương pháp kiểm soát tiên tiến nhất, mô hình này đã đáp ứng được yêu cầu của bài toán cung cấp nước tưới cho kênh WM ở Maricopa-Stanfield và thoát nước

cho quận đó Các bài toán kiểm tra cho thấy nước được phân phối hiệu quả đến người sử dụng và độ chênh lệch mực nước ở tất cả các điểm là nhỏ Việc kiểm soát được so sánh với các kết quả từ phương pháp điều khiển tuyến tính tiên tiến bậc thang, cũng được thử nghiệm trên kênh thực tế.[2]

Đối với các mạng lưới sông có nhiều cống và đập tràn cụ thể là trên lưu vực sông Yongdingxinhe ở Thiên Tân (Trung Quốc) các cán bộ thuộc phòng thí nghiệm Cảng và Kỹ thuật Đại Dương, Trường Kỹ thuật xây dựng, Đại học Thiên Tân và Viện nghiên cứu bảo tồn nước đã áp dụng thành công mô hình số dòng chảy không

ổn định một chiều để giải quyết các bài toán đó là hoạt động của cống, thoát lũ trên sông Mô hình này được áp dụng cho việc định tuyến lũ của sông Yongdingxinhe với việc xem xét điều kiện kiểm soát cống phức tạp Kết quả cho thấy rằng kết quả xác minh bằng mô hình cơ bản trùng với dữ liệu thực đo Vì vậy ứng dụng của mô hình cho mô phỏng số được thực hiện trên quy định kết hợp của nhiều cống có vai trò tích cực trong việc hướng dẫn xác định bố trí xây dựng cống và thực hiện xây

dựng cống cho sông Yongdingxinhe.[1]

1.2.2 Nghiên cứu tại Việt Nam

Trong việc đánh giá khả năng lấy nước của các cống tưới hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình, đây là một trong những hệ thống thủy lợi lớn vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ, tác giả Nguyễn Thu Hiền đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng khả năng lấy nước của các cống tưới hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình với năm trung bình nước và năm ít nước với điều kiện hiện trạng và khi có xét đến kịch bản biến đổi khí hậu đến năm 2050 Kết quả tính toán cho thấy, dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng một số cống phía đầu hệ thống khả năng lấy nước có tăng lên nhưng một số cống thuộc hệ thống không thể lấy được nước do độ mặn vượt quá mức cho phép trong khi đó nhu cầu tưới lại tăng lên, vì vậy hệ thống không đủ đáp ứng yêu cầu Trên cơ sở kết quả tính toán, đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm tăng cường khả năng lấy nước của các cống thuộc hệ thống để đảm bảo nhu cầu dùng nước phục vụ sản xuất nông nghiệp cũng như nhu cầu dùng nước khác trong tương lai.[11]

Trong nghiên cứu giải pháp công trình lấy nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch, tác giả Nguyễn Hữu Huế đã sử dụng mô hình HEC – RAS,

để giải quyết bài toán cấp nước trong điều kiện bất lợi nhất khi mực nước sông Hồng giảm kỷ lục khiến hệ thống cống lấy nước đầu mối như Cẩm Đình, Liên Mạc

1 rơi vào tình trạng cạn trơ đáy kéo theo sức ép lấy và dẫn nước bị phụ thuộc vào cống Lương Phú và tuyến công trình dẫn nước tự chảy Do đó trong nghiên cứu này, Nguyễn Hữu Huế đã chỉ ra không thể cấp nước cùng 1 lúc cấp đủ nhu cầu nước cho tất cả bốn sông trong khu vực nghiên cứu Hệ thống các công trình điều tiết trong quá trình mô phỏng đã giúp cho việc kiểm soát lưu lượng nước đổ vào từng sông tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng Việc phân chia nước cho từng sông được thực hiện bằng cách thay đổi chế độ đóng mở cửa van điều tiết các cống sao cho đạt hiệu quả cao nhất Kết quả đạt được dù mực nước ở ngoài sông thấp nhất như đã từng xảy ra thì nước vẫn có thể được dẫn qua tuyến công trình mới xây dựng cấp đủ cho từng lưu vực sông nội đồng, đảm bảo điều kiện vận hành của hệ thống tưới trên các trục sông chính, đồng thời sông Tô Lịch vẫn được rửa sạch và làm hồi sinh theo đúng nghĩa của nó.[9]

Bằng việc ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá khả năng làm việc lập quy trình vận hành của các cống thuộc hệ thống thủy lợi ngọt hóa Gò Công – Tiền Giang thích ứng với biến đổi khí hậu – nước biển dâng, tác giả Mai Đức Phú đã mô phỏng hóa hệ thống có mạng lưới kênh phức tạp dự án ngọt hóa Gò Công, đưa ra được phương án tính toán phù hợp vận hành cống theo chế độ thủy lực nhằm phục

vụ nhu cầu nước tưới cho vùng dự án vào mùa khô, dự báo được khả năng nhiễm mặn trên sông cửa tiểu tạo cơ sở cho việc quyết định vận hành công trình phù hợp trong điều kiện biến đổi khí hậu.[7]

Trong luận án: “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” của tác giả La Đức Dũng đã (1)Xây dựng được cơ sở khoa học cho cho việc đề xuất giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa để điều tiết chống ngập; cải thiện môi trường, vi khí hậu; giảm áp lực bơm tiêu trên hệ thống Bắc Nam Hà trong

điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng; (2) Xây dựng được phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu nhằm tiết kiệm điện năng, giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả hệ thống tiêu động lực [6]

Tác giả Nguyễn Thị Việt Hồng với đề tài “Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ” Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được ứng dụng trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu thoát nước mưa khu vực dân cư, đô thị và hệ thống tiêu nông nghiệp – dân cư vùng đồng bằng Bắc Bộ Sử dụng các bản đồ đẳng trị mưa để xác định lượng mưa tại các vị trí không có trạm đo mưa sẽ khắc phục được hạn chế hiện nay khi tính toán quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ [8]

1.2.3 Một số nghiên cứu đã có trên hệ thống

Trong nghiên cứu tính toán cân bằng nướccho hệ thống lưu vực sông Cầu, tác giả Nguyễn Phương Nhung đã sử dụng mô hình thủy văn MIKE NAM, mô hình SSTARR để khôi phục, xử lý số liệu trong điều kiện thiếu số liệu đo đạc thủy văn chi tiết, cụ thể là số liệu dòng chảy của lưu vực từ đó tính toán nhu cầu nước tại các tiểu khu trong hệ thống lưu vực sông Cầu trong các lĩnh vực như cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, chăn nuôi, giao thông thủy, bảo vệ môi trường, thương mại dịch vụ, du lịch, nuôi trồng thủy sản trên cơ sở nhu cầu sử dụng nước cho sinh hoạt và các ngành khác thì Nguyễn Phương Nhung đã sử dụng mô hình MIKE Basin,

để tính toán cân bằng nước cho hệ thống lưu vực sông Cầu Kết quả của nghiên cứu đạt được là đánh giá được sự thiếu hụt nước trên hệ thống sông Cầu trong năm hiện trạng

2007 và dự báo lượng nước thiếu hụt đến năm 2015, từ đó đưa ra giải pháp công trình

và phi công trình nhằm cân bằng nước sử dụng trong các ngành nghề tại địa phương.[10]

Dự án “Giám sát CLN trong hệ thống công trình thủy lợi Thác Huống, phục vụ lấy nước sản xuất nông nghiệp” do Viện Quy hoạch thủy lợi thực hiện năm 2016 là một trong số những dự án thiết thực giúp kiểm soát và cải tạo chất lượng nước Thông qua các mẫu phẩm nước tại một số vị trí trọng điểm trên hệ thống thủy lợi Thác Huống, kết quả phân tích cho thấy chất lượng nước tại các vị trí này vẫn nằm trong giới hạn

cho phép theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08: 2015/BTNMT (QCVN) để sử dụng cho các ngành nghề, đặc biệt là cho sinh hoạt Mặc

dù hiện nay, chất lượng nước trên hệ thống thủy lợi Thác Huống chưa bị ô nhiễm nghiêm trọng Tuy nhiên, với sự phát triển kinh tế xã hội ngày càng tăng, đi đôi với nó

là ảnh hưởng lớn của thay đổi khí hậu sẽ nảy sinh nhiều vấn đề ô nhiễm trên lưu vực sông Cầu nói chung và trong hệ thống thủy lợi Thác Huống nói riêng Dựa trên kết quả tính toán này làm cơ sở cho các nhà chức trách đưa ra những giải pháp giảm thiểu ô nhiễm phục vụ công tác quản lý quy hoạch và bảo vệ nguồn nước [15]

Nhận xét: Sau khi tìm hiểu một số nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam nhận

thấy các ứng dụng mô hình toán cho kết quả rất khả quan, tuy nhiên việc ứng dụng

mô hình trong vận hành hệ thống tài nguyên nước nói chung và hệ thống thủy nông nói riêng ở Việt Nam vẫn còn rất sơ khai và hệ thống thủy nông Thác Huống vẫn còn được vận hành theo kinh nghiệm gây lãng phí nước đồng thời lại không đủ nước trong thời kỳ tưới trọng điểm từ tháng 1 đến tháng 5 hàng năm Dựa vào một

số nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình MIKE 11 trong việc lập quy trình vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt, ngoài ra nó còn rất nhiều ứng dụng khác như mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở của sông,….Từ đó luận văn nghiên cứu xây dựng phương xây dựng phương án vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống thông qua việc xác định quy trình vận hành của các công trình điều khiển trong hệ thống sử dụng module công trình điều khiển (control structures) trong MIKE 11 Kết quả của luận văn này sau khi hoàn thành thì

có thể giúp cho các nhà quản lý hệ thống có được phương án vận hành hiệu quả cao hơn nhiều so với hiện nay đồng thời có thể đề xuất một phương án mô hình toán để giúp xác định phương án vận hành tốt cho các HTTNN tương tự trên cả nước

1.3 Tổng quan về vùng nghiên cứu

1.3.1 Vị trí địa lý [15]

- Khu vực nghiên cứu nằm kẹp giữa sông Cầu và sông Thương, nằm trong Hệ thống Sông Cầu thuộc địa bàn hành chính huyện Phú Bình tỉnh Thái Nguyên; các huyện Hiệp Hòa, Tân Yên, Việt Yên và một phần thành phố Bắc Giang tỉnh Bắc Giang

Hình 1.1: Bản đồ ranh giới hệ thống thủy nông Thác Huống

- Khu vực nghiên cứu được giới hạn như sau:

+ Phía Bắc giáp tỉnh Thái Nguyên (đập Thác Huống)

+ Phía Tây giáp huyện Sóc Sơn-Hà Nội và tỉnh Thái Nguyên (được giới hạn đến Sông Cầu)

+ Phía Đông giáp sông Thương

+ Phía Nam giáp tỉnh Bắc Ninh (được giới hạn đến sông Cầu)

- Hướng dốc từ Đông Bắc xuống Tây Nam hướng về sông Cầu

Đây cũng chính là hướng tiêu tự chảy của hệ thống Có 2 hình thể chính là: + Địa hình trung du và đồi núi ở phía Bắc và Đông Bắc có cao độ từ +12m trở lên

+ Địa hình đồng bằng có cao độ từ +2m đến +10m

Khu vực dự án chủ yếu nằm trong vùng trung du và đồng bằng, đất canh tác

có cao độ phổ biến từ 2-:-10m và 12-:-30m Xen kẽ vào đó là những đồi núi thấp có cao độ từ 100m-:-300m, vùng có cao độ trũng là huyện Hiệp Hòa, Việt Yên có cao

độ từ 2-:-8m Với địa hình phức tạp, cao thấp không đồng đều như vậy nên gây khó khăn cho việc cấp thoát nước

1.3.3 Địa chất, thổ nhưỡng

Địa chất của lưu vực sông thuộc hệ đệ tứ bồi tích, trầm tích sỏi, cát, đất thịt Với các điểm địa chất ở vùng đồng bằng, khi xây dựng do đó khi xây dựng các công trình thủy lợi thường gặp khó khăn trong việc xử lý nền móng

Dựa vào nguồn gốc phát sinh, thổ nhưỡng trong lưu vực sông có thể phân thành những nhóm chính dưới đây:

- Nhóm đất feralit đỏ vàng phát triển trên đá phiến thạch sét, phiến sa và biến chất Loại đất này thường chu, khả năng giữ nước kém, tỷ lệ sắt trong đất cao, giàu caxi Đây là nhóm đất thích hợp với phát triển lâm nghiêp, cây công nghệp (chè), cây ăn quả Nhóm đất feralit đỏ vàng phát triển trên đá macma axit, phân bố tập trung ở sườn một số dãy núi nằm ở phía tây và tây nam lưu vực, độ dày tầng đất vào loại trung bình và mỏng

- Nhóm đất phát triển trên đá kiềm (đá vôi, đá bazic) Loại đất phát triển trên

đá kiềm tập trung ở phía tây và tây nam huyện Phú Lương tỉnh Thái Nguyên, giầu chất dinh dưỡng, độ dày thường sâu, thuận tiện cho trồng cây công nghiệp

- Nhóm đất phát triển trên phù sa cổ tập trung ở phần hạ lưu sông, đất có tầng sâu dày, nhưng bạc màu, tập trung ở các huyện Hiệp Hòa, Việt Yên

1.3.4 Thảm phủ thực vật [14]

Theo số liệu niên giám thống kê, đến năm 2015 diện tích rừng của hai tỉnh như sau:

- Tỉnh Thái Nguyên diện tích rừng 185.536ha trong đó có 72.270ha diện tích rừng tự nhiên chiếm 39,0% và 113.256ha rừng trồng chiếm 61,0%

- Tỉnh Bắc Giang diện tích rừng 156.439ha trong đó có 60.245ha rừng tự nhiên chiếm 38,5% và 96.194ha rừng trồng chiếm 61,5%

Diện tích rừng bị tàn phá hàng năm với nhiều mục đích khác nhau như khai thác lấy củi, lấy gỗ, chuyển đổi sang các cây công nghiệp cũng khá lớn, theo thống

kê tính đến năm 2015 so với năm 2010 thì diện tích rừng của Thái Nguyên giảm hơn 25.000ha rừng; Diện tích rừng bị tàn phá của tỉnh Bắc Giang ước tính đến năm

2010 giảm khoảng hơn 3.500ha so với năm 2015

Hệ động thực vật trong lưu vực tương đối phong phú và đa dạng, theo thống

kê các nhà khoa học đã phát hiện được:

- Ở Thái nguyên: Tài nguyên rừng có 134 loài cây thuộc 39 họ, có 3 loài gỗ quý, 100 loài cây thuốc, 422 loài động vật, thuộc 91 họ, 28 bộ, 4 lớp động vật (chim, thú, bò sát, ếch nhái) trong đó hổ, báo, gấu, lợn rừng, hươu, nai gần như tuyệt trủng

1.3.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn

1.3.5.1 Đặc điểm khí hậu

- Nhiệt độ: Mùa hạ nắng nóng và mưa nhiều, nhiệt độ trung bình năm vào khoảng : +230C -:- +270C Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối là: +37.9 0C (tháng 5), nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối là : -2.8 0C (tháng 1).[13]

- Độ ẩm: Độ ẩm không khí có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ không khí và lượng mưa Độ ẩm trung bình vào khoảng 82% Vào các tháng mùa mưa độ ẩm có

thể đạt 80-:-86%, các tháng mùa khô độ ẩm chỉ đạt 70-:-80%

- Nắng: Số giờ nắng hàng năm dao động trong khoảng 1400-:-1700 giờ Các tháng mùa hè từ tháng VII đến tháng IX là những tháng nắng nhất trong năm khoảng từ 160 đến 210 giờ mỗi tháng, tháng II và tháng III là tháng rất ít nắng chỉ đạt dưới 50 giờ mỗi tháng.[13]

- Mưa: [13]

Lượng mưa trung bình hàng năm của lưu vực không lớn lắm, dao động từ 1500mm-:-2000mm Lượng mưa trong lực vực phân bố không đều và chia thành hai mùa rõ rệt:

Mùa mưa của khu vực dự án bắt đầu từ tháng V và kết thúc vào tháng X Mùa khô bắt đầu từ tháng XI và kết thúc vào tháng IV năm sau Lượng mưa trong 6 tháng mùa mưa chiếm 83-:-86% lượng mưa cả năm

Lượng mưa bình quân nhiều năm đo được có giá trị bằng 1.392mm Trong

đó lượng mưa năm nhỏ nhất rơi vào năm 1967 có giá trị bằng 923mm và lượng mưa năm lớn nhất rơi vào năm 1971 và bằng 1.981mm Cùng với việc đo lượng mưa bình quân nhiều năm người ta cũng đo được giá trị lượng mưa ngày lớn nhất là 241,1mm với lượng mưa 1 ngày lớn nhất bằng 145,5mm của năm 1965 Lượng mưa

3 ngày lớn nhất bằng 169,3mm vào năm 1960 Lượng mưa 5 ngày lớn nhất bằng 228,3mm năm 1966 [13]

1.3.5.2 Đặc điểm thủy văn, sông ngòi[15]

Trong khu vực dự án có mật độ sông ngòi khá dày, có 2 sông lớn chảy qua là sông Cầu và sông Thương

- Sông Cầu bắt nguồn từ dãy núi cao khoảng 1000m ở tỉnh Bắc Cạn có chiều dài L = 290km, phần chảy qua tỉnh Bắc Giang có chiều dài 41km Diện tích lưu vực

6030 km2 có 2 nhánh lớn là sông Công, sông Cà Lồ, thượng nguồn sông hẹp nhiều thác ghềnh

Mực nước xảy ra tại Đáp Cầu ngày 22/08/1971 đạt tới 809cm và lưu lượng

lũ lớn nhất theo tính toán là 1780m3/s Mực nước kiệt nhất quan trắc trong ngày 16/03/1962 chỉ còn ở mức 5cm, lưu lượng kiệt nhất đo được là 34m3/s

Lưu lượng lũ lớn nhất đã quan trắc được tại Thác Bưởi là 34900m3/s ngày10/8/1968 Hệ số dòng chảy lũ lớn nhất từ 0.5-0.6 Lượng nước lũ lớn nhất tại Thác Bưởi trung bình nhiều năm là 1150.109m3/năm (tháng VI-IX) chiếm 68.1% tổng lượng nước cả năm Riêng tháng VII và tháng VIII có tổng lượng lũ là 0.646.109m3/năm chiếm 58% lượng nước trong mùa lũ

- Sông Thương bắt nguồn từ vùng núi cao độ từ 500m – 700m của huyện Chi Lăng tỉnh Lạng Sơn Sông chảy theo hướng Tây Bắc- Đông Nam, sông có chiều dài L= 157km, diện tích lưu vực 3.070km2 có 3 chi lưu lớn là sông Trung, sông Sỏi và sông Hoá Thượng nguồn sông hẹp và dốc nhiều thác ghềnh

So với các sông khác thì lũ trên sông Thương vào loại nhỏ do lượng mưa ở khu vực sông Thương bé hơn nhiều Lưu lượng lớn nhất tại Cầu Sơn là 1830m3/s (năm 1937) Lượng nước trung bình tại Cầu Sơn là 0,89.109m3, riêng 2 tháng VII và VIII có tổng lượng nước là 0,527.109m3 chiếm gần 61 % tổng lượng nước mùa lũ

1.3.6 Hiện trạng Hệ thống thủy nông Thác Huống và công trình trên hệ thống sông

1.3.6.1 Hiện trạng Hệ thống thủy nông Thác Huống

Hệ thống thủy nông Thác Huống do người Pháp xây dựng năm 1922 hoàn thành năm 1936 Lưu vực của hệ thống gồm các huyện: Tân Yên, Việt Yên, Hiệp Hòa, một số xã phía nam sông Thương của thành phố Bắc Giang tỉnh Bắc Giang và

9 xã ven kênh tưới chính của huyện Phú Bình tỉnh Thái Nguyên Hệ thống tài nguyên nước Thác Huống là một trong 6 khu tưới đồng thời cũng là một trong 9 khu tiêu thuộc lưu vực sông Cầu Đến thời điểm hiện nay, Hệ thống thủy nông Thác Huống có nhiệm vụ tưới cho 52.520ha đất canh tác (trong đó kênh tự chảy 28.000ha, các trạm bơm lấy nước sông Cầu 12.190 ha, các trạm bơm địa phương quản lý 9.409ha và các hồ đập nhỏ là 2.921ha), đồng thời vừa có nhiệm vụ tiêu cho diện tích lưu vực là 71.060ha (trong đó tiêu cho huyện Phú Bình tỉnh Thái Nguyên 14.843ha, các huyện của tỉnh Bắc Giang là 56.217ha)

Hình 1.2: Bản đồ Hệ thống thủy nông Thác Huống

(Nguồn: Báo cáo Dự án sửa chữa nâng cấp hệ thống thủy lợi sông Cầu tỉnh Bắc Giang)

Hệ thống thủy nông Thác Huống là công trình đầu mối được cấp nước từ sông Cầu Hệ thống thủy nông Thác Huống được phân thành 3 hạng mục công trình chính gồm: tuyến kênh Chính (lấy nước từ công trình đầu mối trên sông Cầu); kênh Trôi và kênh N5 là kênh cấp I (gọi là kênh nhánh); kênh nhánh N3 là kênh cấp

II (gọi là mương cái), ngoài ra còn có các đập, tràn và hệ thống cống

Kênh chính có tổng chiều dài 52.283m tuy nhiên mô hình chỉ mô phỏng đoạn kênh dài 50.003m từ thượng nguồn cống 10 cửa đến cuối kênh Hiện trạng của tuyến kênh chính là kênh đất, do thời gian xây dựng quá lâu và qua quá trình khai thác sử dụng nên hiện tại kênh đã xuống cấp, biến dạng, mái có chỗ sạt lở mái và một số vị trí bờ không đảm bảo cao trình thiết kế Nhiều đoạn lòng kênh bị bồi lắng

52.283m

từ 0.6m-:-0.9m (như đoạn K3-:-K5, K49-:-K50), độ sâu mực nước chỉ còn 1.9m vì thế không đảm bảo được lưu lượng thiết kế Hai bờ nhiều đoạn bị xói lở; nhiều đoạn bị nhà dân, ruộng lấn chiếm nên mặt bờ kênh bị giảm nhỏ Lòng và mái kênh cỏ nước, cây dại mọc nhiều gây cản trở dòng chảy trên kênh Bờ kênh hiện nay đi lại gặp nhiều khó khăn, mặt bờ không đủ rộng, kết cấu mặt bờ phần lớn là đất Phương tiện cơ giới nhiều đoạn không qua lại được, gây ảnh hưởng đến công

1.5m-:-tác quản lý hệ thống trong quá trình điều hành khai thác

Kênh Trôi là kênh nhánh cấp I, cống đầu kênh đặt tại (K22+900) bờ phải của kênh tưới chính

Kênh Trôi được xây dựng năm 1929 và hoàn thành năm 1936 với nhiệm vụ ban đầu dẫn nước tưới cho 11.861ha đất canh tác của huyện Phú Bình (tỉnh Thái Nguyên) và huyện Hiệp Hòa (tỉnh Bắc Giang) với lưu lượng thiết kế ban đầu là 14,60m3/s

Tổng chiều dài toàn tuyến là 21.449m đã được kiên cố hóa những năm gần đây là 10.230m (về phía cuối kênh), số còn lại 11.219m chưa được kiên cố hóa Điểm đầu kênh đất thuộc địa bàn xã Lương Phú – Huyện Phú Bình (tỉnh Thái Nguyên) điểm cuối kênh đất (K11+258) tại cống điều tiết Quế Sơn, thuộc xã Thái Sơn, huyện Hiệp Hòa (tỉnh Bắc Giang)

Tuyến kênh Trôi đoạn từ K0 ÷ K11+219 hiện tại là kênh đất, mặt cắt hình thang mặc dù đã được nạo vét hàng năm nhưng hiện nay đã xuống cấp, mặt cắt biến dạng thành mặt cắt dạng Parabol Do bị sạt lở nhiều đoạn đã bị bồi lắng Hai bờ bị xói lở, mặt bờ kênh bị giảm nhỏ có những đoạn chỉ còn 70% so với thiết kế Lòng

và mái kênh cỏ nước, cây dại mọc nhiều gây cản trở dòng chảy trên kênh Bờ kênh được thiết kế kết hợp giao thông tuy nhiên hiện nay đi lại gặp nhiều khó khăn, phương tiện cơ giới nhiều đoạn không qua lại được Hiện trạng kênh Trôi được thống kê dưới bảng sau:

Bảng 1.1 Hiện trạng kênh Trôi

TT Lý trình Chiều dài L(m) Hệ số mái m Hiện trạng MC hiện trạng

1 K0+000-:-K11+219 11219 1,5 Kênh đất Hình thang

2 K11+219-:-K21+449 10230 1,5 Cứng Hình thang

(Nguồn: Báo cáo dự án: Sửa chữa, nâng cấp hệ thống thủy lợi sông Cầu tỉnh Bắc Giang)

Kênh N5 là một tuyến kênh nhánh cấp I, bắt nguồn từ kênh Chính tại vị trí K26+500 bờ trái Kênh Chính Tổng chiều dài toàn tuyến kênh N5 là 18.694m Theo thiết kế ban đầu, lưu lượng tại cống lấy nước đầu kênh Qtk=3.78(m3/s), mực nước thiết kế tại đầu kênh là +16.02m Hệ thống kênh N5 cung cấp nước tưới cho 4076ha đất canh tác cho các xã của huyện Tân Yên, tỉnh Bắc Giang Trong đó kênh các kênh cấp II thuộc kênh N5 gồm các kênh nhánh N5_1, N5_2, N5_3 Tổng các kênh nhánh

có chiều dài 16.120m phục vụ tưới cho 938,1ha đất canh tác nông nghiệp

Toàn tuyến kênh N5 có chiều dài 18.694m, trong đó tuyến kênh đã được kiên

có hoá là 7.820m, còn lại 10.874m là kênh đất Trong 10.874m kênh đất có 7.785m thuộc đoạn đầu kênh, còn 3.089m thuộc đoạn cuối kênh Bảng dưới thống kê hiện trạng kênh N5

(Nguồn: Báo cáo dự án: Sửa chữa, nâng cấp hệ thống thủy lợi sông Cầu tỉnh Bắc Giang)

Kênh N3 là một trong 8 tuyến kênh cấp II thuộc hệ thống kênh tưới tự chảy

hệ thống thuỷ lợi sông Cầu Tuyến kênh N3 đã được đầu tư cải tạo nâng cấp tại Quyết định số 2784/QĐ-BNN-TCTL ngày 20/10/2010 của Bộ Nông nghiệp và phát

triển nông thôn Do vậy tại dự án này chúng tôi chỉ đề xuất nghiên cứu cải tạo nâng cấp các khu điều hành các cụm thuỷ nông: Kè Chàng, Kè Bài, Kè Trại Hoè và Kè Gió Đông Kênh N3 là kênh lấy nước trên kênh Trôi tại K7+500 Kênh N3 có tổng chiều dài là 21.100m và hiện đang là kênh đất

1.3.6.2 Các công trình thủy lợi chính

Trên kênh Chính có hệ thống công trình bao gồm: Cống 10 cửa Đá Gân, cống Lũ Yên, cống Lữ Vân có nhiệm vụ vận hành để đảm bảo cấp nước cho các khu tưới thượng Lũ Yên, thượng Lữ Vân và hạ Lữ Vân, đồng thời cấp nước cho kênh nhánh cấp 1 là kênh N5 và kênh Trôi.Trên kênh Trôi có hệ thống công trình bao gồm: Cống Lăng Trình, cống An Cập, có nhiệm vụ vận hành để tưới cho thượng An Cập và hạ An Cập, đồng thời cấp nước cho kênh cấp 2 là kênh N3 Trên kênh N5 có hệ thống công trình bao gồm: Cống đầu kênh N5 làm nhiệm vụ cấp nước cho N5.Trên kênh N5 có hệ thống công trình bao gồm: Cống đầu kênh N3 làm nhiệm vụ cấp nước cho N3 Bảng 1.4 thống kê các công trình được mô phỏng cùng với các thông số chính của chúng

Bảng 1.3 Bảng thống kê các công trình sử dụng tính toán trong hệ thống

Năm xây dựng

Cao trình đáy cống

Số cửa sống

Khẩu độ bxh (m)

Tại vị trí

Km

1 Đá Gân Kênh Chính Phú Bình 1922 17.85 10 1.3 x 2.3 K2+440

2 Lữ Yên Kênh Chính Phú Bình 1922 16.75 2 2.8 x 3.3 K9+235

3 Lữ Vân Kênh Chính Tân Yên 1922 14.62 2 3.3 x 2.3 K26+540

4 Lăng Trình Kênh Trôi Phú Bình 1929 14.12 8 0.9 x 1.1 K0+344

5 An Cập Kênh Trôi Hiệp Hòa 1929 12.6 1 1 x 1 K7+928

(Nguồn: Báo cáo dự án: Sửa chữa, nâng cấp hệ thống thủy lợi sông Cầu tỉnh Bắc Giang)

1.3.7 Hiện trạng điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội

Hệ thống thủy nông Thác Huống nằm trên địa bàn hành chính của các huyện Phú Bình (tỉnh Thái Nguyên), Hiệp Hòa, Tân Yên, Việt Yên và một phần Thành phố Bắc Giang (tỉnh Bắc Giang)

1.3.7.1 Dân số và xã hội

Vùng dự án nằm trong HTTL sông Cầu bao gồm 81 xã (phường) trong đó huyện Phú Bình là: 9/21, huyện Hiệp Hòa 26/26, huyện Tân Yên là : 24/24, huyện Việt Yên là : 19/19, TP Bắc Giang là : 3/11 (Huyện Phú Bình có 9 xã ven kênh Chính là xã Đồng Liên, Đào Xá, Lương Sơn, TT Hương Sơn, Bảo Lý, Xuân Phương, Kha Sơn, Dương Thanh và Tân Đức) Đây là vùng khá đông dân cư, mật

độ dân số trung bình toàn vùng khoảng 1034 người/km2

1.3.7.2 Tình hình sử dụng đất và sản xuất nông nghiệp

Đây là khu vực thuần nông, sản xuất nông nghiệp là chủ yếu và có vị trí quan trọng đối với đời sống của nhân dân Những năm gần đây diện tích đất nông nghiệp

ngày một giảm dần

Tình hình sản xuất nông nghiệp của khu vực dự án chủ yếu phụ thuộc nhiều về nguồn nước, nhất là những tháng mùa khô Những năm gần đây do nguồn nước không được chủ động, thường xuyên thiếu nước chậm thời vụ, tình trạng ngập úng xảy ra ở nhiều nơi, năng suất cây trồng không cao, năng suất lúa bình quân của các huyện thuộc tỉnh Bắc Giang là 49,75 tạ/ha, của huyện Phú Bình là 46,45 tạ/ha Dự án: Sửa chữa, nâng cấp Hệ thống thủy lợi Thác Huống, tỉnh Bắc Giang ra đời sẽ chủ động hơn về nguồn nước tưới cho toàn bộ lưu vực dự án và đảm bảo lượng nước cũng như chất lượng nước tưới cho nông nghiệp, đồng thời đảm bảo tiêu chủ động phần lớn diện tích lưu vực Năng suất cây trồng từ đó được đảm bảo nâng cao và ổn định hơn, nguồn nước được đảm bảo về trữ lượng và chất lượng, môi trường sinh thái trong lưu vực dự án được cải thiện

1.3.7.3 Tình hình phát triển công nghiệp

Công nghiệp địa phương tập trung ở các thị trấn chủ yếu kinh doanh vật liệu xây dựng, bán hàng phục vụ sản xuất nông nghiệp và tiêu dùng Có một số nhà máy quy mô nhỏ, đang hình thành tại khu công nghiệp Đức Thắng của huyện Hiệp Hoà,

khu công nghiệp Đình Trám huyện Việt Yên Ngành nghề dự kiến là may mặc và sản xuất bia địa phương

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11

2.1.1 Mô hình MIKE 11

Giới thiệu chung:

MIKE11 là mô hình thủy động lực học một chiều được sử dụng nhằm mô phỏng cũng như phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giảm và phức tạp

2.1.2 Cấu trúc của mô hình

Đặc trưng cơ bản của mô hình MIKE 11 là cấu trúc modun tổng hợp với nhiều modun, trong đó mỗi modun mô phỏng một hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Các modun trong bộ MIKE 11:

 Modun HD- thủy động lực học: Phần cốt lõi của MIKE 11, có khả năng : -Giải bài toán thủy động lực học Saint Venant cho kênh hở

-Giải bài toán song khuyếch tán, sóng động học cho sông kênh

-Giải bài toán Muskingum cho sông, kênh

-Tự động điều chỉnh điều kiện cho dòng chảy êm, xiết

-Mô phỏng hầu hết các loại công trình trên sông

 Modun MIKE 11 AD: Mô phỏng các hiện tượng phân tán, khuếch tán và đối lưu trong sông

 Modun MIKE 11 WQ: Giải quyết các vấn đề về chất lượng nước khác nhau như DO, BOD, chu trình N, P, phú dưỡng , kim loại nặng…

 Modun MIKE 11 ST: Nghiên cứu truyền tải bùn cát trong sông bao gồm cả vận chuyển bùn và không có cố kết

2.1.3 Hệ phương trình cơ bản trong mô hình MIKE 11

Chế độ dòng chảy cho một đoạn sông đơn trong MIKE 11 được mô tả bằng

hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint Venant (bao gồm phương trình liên tục

và phương trình động lượng)

- Phương trình liên tục:

t q

A x

Q gQ x

h gA A

Q x t

 (2.2) Trong đó:

B: chiều rộng mặt nước ở thời đoạn tính toán(m)

h - Mực nước ở thời đoạn tính toán (m);

t - Thời gian tính toán (s);

Q - Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m 3 /s);

x - Không gian (dọc theo chiều dòng chảy) (m);

và giải hệ phương trình trên cho những hình chữ nhật đó và sau đó tổng hợp lại (DHI 2000)

2.2 Công trình điều khiển trong hệ thống (kiểm soát hệ thống)

Trong hệ thống tài nguyên nước, công trình điều khiển là công trình có thể vận hành theo ý người điều khiển để đạt được các mục tiêu về cấp nước và các yêu cầu sử dụng nước khác

Trong mô hình MIKE 11, công trình điều khiển có thể sử dụng khi dòng chảy qua một công trình được điều tiết bằng cách vận hành độ đóng mở của một cửa cống

Các đặc trưng của công trình điều khiển bao gồm: Vị trí (Location) của công trình; Thuộc tính (Attributes) của công trình, Định nghĩa kiểm soát (Control Definitions) của công trình trong đó các chiến lược kiểm soát sẽ được xác định thông qua bảng Thông tin chi tiết (Details…) để thực hiện các chiến lược đề ra

Hình 2.1: Các đặc trưng của công trình điều khiển trong bài toán mô phỏng 2.2.1 Vị trí (Location)

Tên nhánh sông (Branch name); Vị trí công trình trên sông (Chainage); Xác

định chuỗi của công trình (ID); Kiểu công trình (Type)

- Kiểu công trình (Type) bao gồm 3 loại: Công trình trên dòng chính (Regular); Công trình bên (Side Structure); Công trình bên kết hợp với Hồ chứa (Side Structure + Reservoir) Dựa vào đặc điểm của từng loại công trình và ưu điểm của chúng, bài toán sử dụng công trình trên dòng chính (Regular) là loại công trình nội tại, do đó khi có dòng chảy qua công trình sẽ không cần bỏ qua lượng tổn thất ban đầu nào so với 2 loại công trình còn lại

2.2.2 Thuộc tính (Attributes) bao gồm

Loại cống (Gate Type); Số cửa cống (Number of gates); Độ mở cửa cống (Gate width ); Ngưỡng cống (Sill level); Vận tốc lớn nhất (Max.Speed); Giá trị ban đầu (Initial Value); Giá trị lớn nhất (Max Value)

2.2.3 Định nghĩa Kiểm soát (Control Definitions)

Một chiến lược kiểm soát (Control strategy (CS)) sẽ xác định được sự vận hành cửa cống (đóng mở với khẩu độ như thế nào) Nó sẽ mô tả sự phụ thuộc của

độ đóng mở của công trình với giá trị của điểm kiểm soát (Control points) Đối với một công trình cụ thể, chúng ta có thể đưa ra một loạt các chiến lược kiểm soát khác nhau bằng việc sử dụng một danh sách các câu lệnh “if” Mỗi một câu lệnh này có thể được xác định bằng một hay nhiều điều kiện cần được thỏa mãn đồng thời nếu muốn câu lệnh đó được đánh giá là đúng (TRUE) và sau đó câu lệnh đó sẽ được thực hiện thay vì các câu lệnh khác Do đó chúng ta có thể tạo ra các chính sách vận hành khác nhau tùy thuộc vào chế độ dòng chảy, thời gian,… Ví dụ, cống sẽ đóng trong những thời đoạn mực nước sông cao và sẽ mở khi mực nước sông hạ thấp

Để xác định được một chiến lược kiểm soát (CS) cần xác định được

2 vấn đề:

+ Các điều kiện phải được thỏa mãn hoàn toàn khi chiến lược được thực hiện + Bản thân Control Strategy (Bản thân Control Strategy là một mối quan hệ giữa biến không phụ thuộc (giá trị của CP) và một biến phụ thuộc (Giá trị của điểm mục tiêu (Target point: TPo))

Ví dụ: Giả định rằng độ mở của cống (Gate level: GL) được xác định bởi mực nước ở hạ du công trình Điểm kiếm soát Control Strategy ở đây là điểm lưới ở

hạ du cống Giá trị của mực nước tại điểm này sẽ xác định giá trị của điểm mục tiêu

ở thượng lưu của cống Yêu cầu mực nước thượng nguồn có sự thay đổi theo mùa

do sự thay đổi theo mùa của các nguy cơ rủi ro lũ lụt Để làm được điều này trong MIKE 11, điểm kiểm soát (CP) là thời gian và điểm mục tiêu (TPo) là mực nước thượng nguồn Cái cách để lấy (lấy thay bằng từ “đạt được”) từ mực nước yêu cầu đến GL được thực hiện bởi việc chọn phương pháp tính toán (Calculation Mode: CM) là Iterative solution (giải pháp lặp) Trong trường hợp này mô hình MIKE 11

sẽ lặp lại độ mở cống cho đến khi mực nước thượng nguồn đạt được giá trị yêu cầu

Để giải quyết bài toán này nội dung đưa vào chiến lược kiểm soát bao gồm 4 bước chính sau:

Bước 1: Chọn phương án điều khiển cống Ở đây chúng ta lựa chọn điều khiển cống dựa vào mực nước

Bước 2: Tại Detail -> Control strategies, thiết lập việc điều khiển cống dựa vào mực nước ở thượng lưu Việc điều khiển cống đóng mở được xây dựng để tháo nước qua cống cũng như điều khiển cao trình cống Việc mực nước khống chế cần đảm bảo mực nước ở thượng lưu

Bước 3 Cũng tại mục Control strategies, nhập file dfs0 chứa thông tin về các thời gian đóng cống và mở cống Ở đây thiết lập 2 giá trị 0, và 1 tương ứng với đóng cống và mở cống

Bước 4 Tại mục Control Definition, xác định vị trí mực nước trên kênh được lựa chọn để làm căn cứ điều khiển cống