NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN CHO SÔNG ĐÁY

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN CHO SÔNG ĐÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN KHẮC THẠC

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN

CHO SÔNG ĐÁY

Chuyên ngành: Thủy văn học

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Phạm Thị Hương Lan

2: GS.TS Tan Soon Keat

Vào lúc … giờ … ngày ….tháng ….năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Trường Đại học thủy lợi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Trong thời gian qua, do tác động của biến đổi khí hậu và các hoạt động khai thác sử dụng nước trên lưu vực sông Hồng đã làm suy giảm nguồn nước, gây bồi lắng, xói lở lòng dẫn đặc biệt tại các khu vực cửa lấy nước Mực nước sông Hồng vào mùa kiệt thường xuyên hạ thấp, nhất là năm 2010 mực nước tại Hà Nội chỉ còn +0,1m Thời tiết biến đổi bất thường và có xu hướng ngày càng cực đoan đang làm cho hàng trăm ha đất nông nghiệp của Hà Nội không đủ nước tưới vào mùa kiệt Diễn biến bất thường của mực nước sông Hồng đã làm ảnh hưởng lớn đến các cửa lấy nước và các trạm bơm tưới trên sông Hồng

Mặc dù đã có nhiều báo cáo về hiện tượng bồi lắng tại các cửa lấy nước và các giải pháp giảm thiểu, nhưng hiện chưa có một nghiên cứu toàn diện về vấn đề này, làm cơ sở trong quy hoạch và thiết kế công trình lấy nước Cửa lấy nước tại cửa sông Đáy theo quy hoạch sẽ có lưu lượng thiết kế lớn hơn nhiều so với những cửa lấy nước trên sông Hồng, biên độ lưu lượng giữa các thời điểm lấy nước mùa lũ và mùa kiệt cũng rất lớn Do đó, diễn biến lòng dẫn tại cửa lấy nước sông Đáy cũng sẽ rất phức tạp so với những công trình lấy nước hiện có trên sông Hồng

Chính vì vậy việc “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy” là cần thiết và cấp bách làm cơ sở cho các giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước của các công trình lấy nước đã có trên sông Hồng

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu đề xuất các tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước hợp lý, đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ;

- Nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nướchợp lý khu vực cửa vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế xã hội

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu: Cửa lấy nước trên sông Hồng đoạn qua Hà Nội và

các tiêu chí xác định vị trí của lấy nước thích hợp

3.2 Phạm vi nghiên cứu: Đoạn sông Hồng dài 27km từ Km30 ÷ Km47 +500

(khu vực cửa vào sông Đáy)

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp tiếp cận: Tiếp cận hệ thống, giải pháp từ tổng thể cho tới cụ thể,

kế thừa các công trình nghiên cứu đã có

4.2 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thống kê, phân tích kế thừa,

phương pháp mô hình toán, phương pháp chuyên gia

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

5.1 Ý nghĩa khoa học: (i) Việc đề xuất các tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước

trên sông hợp lý và phương pháp xác định có vai trò quan trọng và mang ý nghĩa khoa học lớn khi đảm bảo các công trình sau khi xây dựng hoạt động ổn định, an toàn về lấy nước và thoát lũ (ii) Bổ sung phương pháp luận khi quy hoạch thiết kế các cửa lấy nước và thoát lũ trên hệ thống sông

5.2 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả áp dụng thành công của luận án cho xác định vị

trí cửa lấy nước vào sông Đáy là tài liệu tham khảo tốt cho các cơ quan quản lý trong việc quy hoạch, thiết kế, duy tu, nâng cấp công trình lấy nước trên sông, đặc biệt cần sử dụng mô hình toán trong nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước

vì những tính ưu việt về khả năng thay đổi phương án nghiên cứu, về thời gian

và kết quả mô phỏng phục vụ phân tích

6 Những đóng góp mới của luận án

1) Đã đề xuất được bộ tiêu chí kỹ thuật và các thông số kỹ thuật khi quy hoạch

và thiết kế cửa lấy nước trên sông

2) Xác định được vị trí hợp lý của cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy đáp ứng yêu cầu cấp nước và tạo dòng chảy thường xuyên

7 Bố cục của luận án: Gồm 03 chương chính sau:

Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu về công trình lấy nước trên sông

Chương 2 Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn lựa chọn vị trí lấy nước hợp

lý đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ

Chương 3 Nghiên cứu lựa chọn vị trí cửa lấy nước vào sông Đáy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TRÌNH

LẤY NƯỚC TRÊN SÔNG 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới

1.1.1 Về nghiên cứu phân loại các CTLN

Theo một số nghiên cứu phân loại các CTLN như sau: CTLN bên cạnh là các CTLN có phương của dòng chảy vào CTLN hợp với phương của dòng chảy trong sông chính một góc xấp xỉ 900; CTLN chính diện là CTLN có phương của dòng chảy vào công trình lấy nước gần như song song với phương của dòng chảy trong sông chính; CTLN có đập; CTLN không đập; CTLN có cửa điều tiết, CTLN không có cửa điều tiết

1.1.2 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN

Qua phân tích các nghiên cứu trên thế giới cho thấy, hiện nay để nghiên cứu đánh giá diễn biến lòng dẫn nói chung và khu vực cửa lấy nước nói riêng thường thực hiện theo 4 phương pháp như sau: Phương pháp đo đạc, thu thập phân tích các tài liệu thực đo; Phương pháp công thức kinh nghiệm; Phương pháp mô hình vật lý; Phương pháp mô hình toán;

1.1.3 Về nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước

Một số kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: các cống lấy nước nên bố trí ở bờ sông cong, góc lấy nước là 600 ÷900, các cống lấy nước có kênh dẫn nước hợp với dòng chính một góc khoảng 450 sẽ cho hiệu quả lấy nước cao hơn cả; góc lấy nước thích hợp của CTLN trên đoạn sông thẳng, với góc lấy nước thích hợp là trong khoảng từ 300 – 450 để giảm lượng bùn cát đi vào kênh dẫn gây bồi lắng kênh dẫn lấy nước của CTLN; Vị trí thích hợp tương ứng với góclấy nướclà khoảng 150-300 so với dòng chính và giá trị tối ưu cho góc lấy nước là khoảng

170-200 với mục đích hạn chế tối đa bùn cát vào kênh

1.1.4 Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước

Một số giải pháp được đưa ra như: giải pháp kiểm soát sự bồi lắng tại một số vị trí lấy nước thông qua việc đo đạc, khảo sát và tính toán bồi lắng tại vị trí cống lấy nước và các trạm bơm nhằm nâng cao hiệu quả lấy nước của các công trình; giải pháp đẩy dòng chủ lưu ra khỏi bờ, từ đó làm giảm bồi lắng khu vực cửa vào cửa lấy nước; giải pháp kiểm soát bùn cát như bẫy bùn cát, góc chọn hợp lý

từ 300-600; phân dòng chảy vào tại các cửa lấy nước bằng các tấm lái phân dòng

1.2 Các nghiên cứu trong nước

1.2.1 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN

Kết quả điều tra cho thấy hiện tượng bồi lắng cửa lấy nước xảy ra chủ yếu vào mùa lũ, việc chống bồi lắng cho các hệ thống lấy nước rất khó xử lý triệt để vì bùn cát bồi lắng chủ yếu là bùn cát lơ lửng nhưng có thể làm giảm đáng kể lượng bồi vào hệ thống bằng một loạt các biện pháp liên hoàn đối với cả trường hợp cống mở lấy phù sa và cống đóng không lấy nước

1.2.2 Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước

Các giải pháp được đề xuất như các giải pháp dẫn nước tự chảy về cấp cho các sông; nâng cấp bể lắng cát tại bể xả trạm bơm của cống lấy nước

1.2.3 Các nghiên cứu có liên quan trên đoạn sông Hồng qua Hà Nội

Một số các nghiên cứu có liên quan như: Nghiên cứu đánh giá tổng thể quá trình diễn biến lòng dẫn đoạn sông Hồng khu vực cụm công trình đầu mối Vân

Cốc – Hát Môn; Nghiên cứu mô hình đề xuất cơ sở khoa học cải tạo và nâng cấp hệ thống thoát lũ sông Đáy phục vụ công tác phòng chống lụt bão đồng bằng Bắc Bộ; Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc xoá các khu chậm lũ sông Hồng, sông Đáy và sông Hoàng Long; Nghiên cứu biến động lòng dẫn sông Hồng và đề xuất các giải pháp ổn định khu vực cửa vào sông Đáy; Nghiên cứu giải pháp ổn định cửa vào và lòng dẫn sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ…

1.2.4 Nhận xét chung về các nghiên cứu trong nước có liên quan đến nội dung của luận án

- Việc xem xét vị trí lấy nước thích hợp của các cống lấy nước chưa được chú trọng nhiều mà chỉ nêu vị trí đặt cửa lấy nước nên xem xét đặt ở đoạn sông cong phía bờ lõm, nhưng ở vị trí nào là có lợi nhất thì chưa chỉ rõ, dẫn đến hiệu quả lấy nước của các công trình lấy nước không cao

- Việc điều tra để từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu bồi lắng tại cửa hút cho các trạm bơm, tại các cửa cống lấy nước cũng được các nhà khoa học trong

và ngoài nước nghiên cứu từ lâu Đặc biệt trong khi thiết kế xây dựng các CTLN đã xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến việc lấy nước như: điều kiện địa hình ở thượng lưu công trình, điều kiện địa chất của bờ sông, độ chênh lệch cao

độ của bờ sông với đáy sông, tỷ lệ lượng nước được lấy vào kênh dẫn, đặc biệt trong mùa kiệt hoặc mở rộng đột ngột tránh xói lở, bồi lắng lòng dẫn, tuyến kênh dẫn nước, độ rộng của kênh dẫn tại vị trí tiếp giáp với sông, mặt cắt của kênh dẫn không được thu hẹp.Tuy nhiên, việc xác định vị trí lấy nước hợp lý chưa được xem xét khi thiết kế dẫn đến công trình sau khi xây dựng đã bị bồi lấp khu vực cửa lấy nước

- Các nghiên cứu liên quan trước đây chủ yếu dùng mô hình 1D, 2D nên chưa xem xét đánh giá dòng dị trọng (dòng phân tầng) khu vực của lấy nước để xác định yêu cầu lấy nước đảm bảo về chất và lượng Các nghiên cứu mô phỏng diễn biến khu vực cửa lấy nước sử dụng mô hình 1D, 2D mô phỏng cho kênh dẫn nước, nhưng chưa đánh giá ảnh hưởng của diễn biến bồi lắng cửa lấy nước

đến vấn đề cấp nước mùa kiệt và thoát lũ Việc nghiên cứu mô hình số trị 3D (Phạm Đức Thắng 2010) lại mô phỏng trong thời gian mùa lũ với điều kiện đóng cống không lấy nước, do đó không mô phỏng được chế độ thủy động lực

và vận chuyển bùn cát tác động đến vị trí cống như nào

- Các nghiên cứu chỉ tập trung đánh giá diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước, chưa có nghiên cứu cụ thể về cho việc chọn tuyến và vị trí cửa lấy nước hợp lý để làm cơ sở cho việc nâng cao hiệu quả lấy nước của các công trình lấy nước

- Các nghiên cứu về sông Hồng, sông Đáy, khu vực cửa Đáy có nhiều, nhưng chủ yếu là nghiên cứu đưa ra giải pháp chỉnh trị, ổn định lòng dẫn khu vực cửa Đáy mà chưa có nghiên cứu nào xem xét vị trí lấy nước thích hợp khu vực sông Hồng đoạn cửa Đáy để đảm bảo yêu cầu lấy nước và thoát lũ

- Chưa xem xét điều kiện dòng chảy tại vị trí cống lấy nước ảnh hưởng như nào đến việc lấy nước của các cống Chưa xét mối quan hệ giữa lưu lượng vào cống với mực nước, góc lấy nước, chiều dài đoạn sông cong và chiều rộng đoạn kênh dẫn nước, chiều dài đoạn kênh dẫn nước, phân bố độ đục theo chiều sâu như thế nào dẫn đến việc lấy nước khó khăn

- Chưa có một số các tiêu chí cụ thể về việc xác định cửa lấy nước vì việc chọn

vị trí đặt cửa lấy nước là công việc đầu tiên và quan trọng trong thiết kế CTLN

1.3 Tổng quan khu vực nghiên cứu

1.3.1 Vị trí khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu nằm trên đoạn sông Hồng khu vực cửa vào sông Đáy từ Km30 - Km47+500 đê hữu sông Hồng, đoạn sông dài 27km

1.3.2 Đặc điểm địa hình, địa chất, địa mạo

Địa hình lưu vực dốc theo hướng Tây Bắc – Đông Nam Vùng thượng nguồn là cửa vào sông Đáy tại Hát Môn có cao độ biến đổi từ 3,0 ÷ 10m, vùng cửa ra tại

Như Tân từ 0,3 ÷ 5,0m Lòng sông gồm có trầm tích với tầng cát thô có màu

vàng nhạt, lớp thực vật chưa phân hoá hết, phía trên có lớp phù sa nông

1.3.3 Cụm công trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận

Cụm công trình Cẩm Đình - Hiệp Thuận gồm: Kênh dẫn từ sông Hồng vào tới thượng lưu cống Cẩm Đình, Cống lấy nước Cẩm Đình, kênh dẫn Cẩm Đình - Hiệp Thuận Nhiệm vụ của cụm công trình gồm: (i) Lấy nước từ sông Hồng vào sông Đáy, cùng với các cửa lấy nước khác (như cống Liên Mạc, Tắc Giang) khôi phục lại dòng chảy về mùa kiệt của sông Đáy, cấp bổ sung nước cho hạ du phục vụ sản xuất và sinh hoạt cải tạo môi trường sinh thái, kết hợp phát triển giao thông vận tải thủy.(ii) Tham gia phân lũ sông Hồng vào sông Đáy

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án

- Đánh giá hiện trang, nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến việc bồi lắng cửa lấy nước và khả năng lấy nước của các công trình lấy nước đoạn qua thành phố Hà Nội

- Xây dựng bộ tiêu chí kỹ thuật và các thông số kỹ thuật cho công trình lấy nước trên sông

- Thiết lập mô hình mô phỏng diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước, đánh giá khả năng lấy nước theo bộ tiêu chí, từ đó đề xuất vị trí lấy nước hợp lý

- Đề xuất giải pháp nâng cao khả năng lấy nước

vị trí lấy nước hợp lý cửa vào sông Đáy, đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và

thoát lũ phục vụ phát triển kinh tế xã hội

Hình 1 Sơ đồ định hướng nghiên cứu của luận án

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN LỰA CHỌN VỊ TRÍ LẤY NƯỚC HỢP LÝ ĐẢM BẢO YÊU CẦU LẤY NƯỚC MÙA KIỆT VÀ THOÁT LŨ

2.1 Đánh giá hiện trạng một số công trình lấy nước dọc sông Hồng trên địa bàn Hà Nội

2.1.1 Hiện trạng một số công trình lấy nước trên địa bàn Hà Nội

NCS đã tiến hành điều tra, đánh giá một số vị trí lấy nước trên dòng chính sông Hồng, từ đó đề xuất bộ tiêu chí để xác định vị trí lấy nước thích hợp như: Cống Liên Mạc: là cống lấy nước chính của hệ thống sông Nhuệ nằm tại vị trí K53+400 đê hữu sông Hồng; tại vị trí khu vực cửa vào cống Liên Mạc xuất hiện bãi bồi, hướng dòng chảy có xu thê hướng sang phía bờ đối diện Góc lấy nước khoảng 1200 Nếu theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới thì góc lấy nước của cống Liên Mạc lớn hơn rất nhiều, do đó hiệu quả lấy

nước không cao; Công trình đầu mối cống Xuân Quan: lấy nước từ sông Hồng,

là công trình cung cấp nước tưới chủ yếu cho hệ thống Bắc Hưng Hải, Phía cửa vào cống Xuân Quan xuất hiện bãi bồi ảnh hưởng đến việc lấy nước Góc lấy nước khoảng 700, dòng chủ lưu không hướng vào cửa lấy nước, ảnh hưởng đến khả năng lấy nước của cống, đặc biệt trong thời kỳ mùa kiệt; Cống Cẩm Đình:

là cửa lấy nước vào tuyến kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận thuộc cụm công trình đầu mối Hát Môn - đập Đáy, theo thiết kế lưu lượng thực tế lấy vào chỉ đạt 27,52% Qua điều tra cho thấy ngay cả trong những ngày xả nước cho vụ đông xuân thì mực nước thực đo tại thượng lưu cống Cẩm Đình hầu như đều thấp hơn 5,5m do vậy khả năng lấy nước của cống là rất thấp…

2.1.2 Nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lấy nước của các công trình lấy nước của một số cống trong những năm gần đây trên địa bàn

Hà Nội

Các CTLN đa số đã có thời gian sử dụng từ 20 đến 30 năm, thậm chí 40 năm, nên nhiều công trình đã xuống cấp, không đáp ứng yêu cầu lấy nước của công trình; Đoạn sông đặt vị trí cửa lấy nước chưa đảm bảo ổn định, do tác động của

dòng chảy gây bồi lắng tại vị trí cửa vào cống lấy nước; Do diễn biến hạ thấp lòng dẫn trong những năm gần đây, mực nước ngày càng xuống thấp cho nên nhiều cống không lấy đủ nước theo lưu lượng thiết kế, đặc biệt từ năm 2008 đến nay; Do ảnh hưởng của điều tiết của hồ chứa đến khả năng cấp nước cho các công trình lấy nước; Do tỷ lệ phân lưu mùa kiệt sang sông Đuống ngày càng tăng (có thời điểm lên đến gần 45%) làm giảm lưu lượng dòng chảy trên sông Hồng; Do thiết kế, quy hoạch không hợp lý; Sự gia tăng nhu cầu nước của các ngành kinh tế đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội nên yêu cầu cấp nước cũng gia tăng và một số yếu tố khác

2.1.3 Tiếp cận chu kỳ lặp theo vùng (III)

Tiếp cận chu kỳ lặp lại theo từng vùng sẽ gắn liền cấp úng ngập cho từng vùng

cụ thể tức là rủi ro có thể được xem xét bằng cách chia vùng nguy cơ ngập thành các khu ngập có mức độ thiệt hại khác nhau và xác định mức độ bảo vệ đối với các khu khác nhau

2.2 Cơ sở lý thuyết dòng phân tầng/dòng dị trọng tại khu vực cửa lấy nước

2.2.1 Hệ phương trình cơ bản về dòng phân tầng/dòng dị trọng

Xét dòng chảy ổn định không đều theo hai chiều của dòng chảy phân tầng khu vực cửa lấy nước như trong hình sau:

Hình 0 Mặt cắt dọc dòng phân tầng không đều theo hai chiều và ba chiều

c Phương trình hoàn lưu của dòng phân tầng

2.2.2 Phân tích lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước

Luận án sử dụng mô hình thủy lực 1 chiều MIKE11 và 3 chiều MIKE3FM với các modul HD và ST để tiến hành nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước vào sông Đáy

2.3 Đề xuất bộ tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước thích hợp

Vị trí cửa lấy nước hợp lý là vị trí cần đáp ứng yêu cầu về kinh tế, xã hội và môi trường, cụ thể là:

- Tiêu chí kỹ thuật: đảm bảo lấy nước theo yêu cầu (số lượng, chất lượng) về mùa kiệt, thoát lũ về mùa lũ và ổn định công trình;

- Tiêu chí kinh tế: phải đảm bảo đầu tư có hiệu quả, chi phí đầu tư rẻ nhất nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật;

- Tiêu chí môi trường xã hội: khi công trình được xây dựng không gây tác động xấu đến môi trường, xã hội, kết hợp cảnh quan môi trường