Nghiên cứu trên mô hình toán các giải pháp chỉnh trị đoạn sông phân lạch Trung Hà trên sông Đà, góp phần hoàn thiện vận tải thủy từ Hải Phòng đến nhà máy thủy điện Sơn La : Đề tài NCKH QT.07.45

CÁCH TIẾP CẬN Để cải tạo đoạn sông, công trình chỉnh trị phải được tính toán, bô trí dựa trên các nghiên cứu cụ thể, chi tiết và sử dụng các công nghệ, phân mềm tính toán chuyên dụng.. T

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự N H IÊ N

ấ Tên đề tài:

Nghiên cứu trên mô hình toán các g iả i p h á p chỉnh trị đoạn

sỡhg p h â n lạch Trung Hà trên sông Đà, góp p h ầ n hoàn thiện vận

tải thuỷ từ Hải Phòng đến nhà mảy thuỷ điện Sơn La

Mã số: QT-07-45

b C h ủ trì đề tài: TS Nguyền Thọ Sáo, Khoa KTTV&HDH

c Các cán bộ tham gia:

ThS Hà Thanh Hương, Khoa KTTV&HDH

CN Ngô Chí Tuấn, Khoa KTTV&HDH

d Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:

M ụ c tiêu:

Bằng việc áp dụng mô hình toán hiện đại 1 chiều, thực hiện hiệu chỉnh, kiểm

chứng mô hình cho các năm 1996, 2004 và 2005 Từ đó tính toán điều kiện biên cho

v mô hình toán 2 chiều và mô hình vật lý Với các phương án tính toán cho hiện trạng và

2 phương án có kè chỉnh trị, đánh giá phương án có lợi về mật thủy lực đối với lòng

dẫn Việc chuyển lòng dẫn sang hẳn lạch bên trái đoạn sông Đà gần cầu Trung Hà đảm

bảo lòng dẫn không bị bồi lắng và có thể chuyển tải các thiết bị siêu trường siêu trọng

đến NMTĐ Sơn La

N ộ i dun g:

Tổng quan tìn h h ìn h d ò n g ch ả y hạ lưu sô n g Đ à từ khi N M T Đ H òa

Bình đi v à o h o ạ t đ ộ n g , c ũ n g n hư tìn h tr ạ n g xói lở đ o ạ n s ô n g n à y N hu cầu

ổn đ ịn h lò n g d ẫ n để đ ả m b ảo g iao th ô n g th ủ y ở đ o ạ n s ô n g p h â n lạch p h ía

th ư ợ n g lưu cầu T r u n g H à là cấp t h iế t và có ý n g h ĩa th ự c tiễn

Á p d ụ n g m ô h ì n h H E C -R A S để tạo b iê n c h o mô h ì n h vật lý và m ô

hìr.h 2 c h i ề u , sau k h i đã h iệu c h ỉn h và k iể m c h ứ n g m ô h ì n h , c h o 3 trư ờ n g

điện Hòa Bình đến ngã ba Thao-Đà (57km), sông Lô từ trạm TV Phù Ninh đến ngã ba

Hổng-Lô (37km) sông Phó Đáy từ trạm Quảng Cư đến ngã ba Lô-Phó Đáy với chiều

dài 29 km Một tháng lũ lớn nhất từ các nám 1996, 2004, 2005

BÁO CÁ O T Ó M T Ắ T

2 Thiết Ịập sơ đồ thuỷ lực 1 chiều cho mạng lưới sông nói trên.

6 Cung cấp bộ số liệu cho sinh viên làm trường hợp mẫu về áp dụng mô hìnhtoán

7 Sự phù hợp tốt giữa kết quả của mô hình toán (chi phí thấp) với kết quả mô hình vật ly (chi phí cao) cho thấy ưu thế của mô hình toán Kiến nghị trong thiết kế có thể áp dụng mô hình toán, chỉ sử dụng mô hình vật lý trong một số trường hợp rất đặc biệt

f Tình hình kinh phí của dề tài:

BÁO C Á O T Ó M T Ắ T BẰNG T IẾ N G ANH

e) M a in r e s u lt s :

1 Available data of topography of the rivers network, hydrographs and waterlevels of the floods occurred in 1996, 2004 and 2005 were collected for the study area

It consists of river cross-sections of 58km in Hong River, 57km of Da River, 37km of

Lo River and 29km in Pho Day River

2 Building the layout of the rivers network for the ID model

3 Calibration (VIII/1996 hydrograph), and verification (VII/2004 and VIII/2005 hvdrographs) of the model

4 B u ild in g th e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r 2D m o d e l a n d p h y s ic a l

m o d e l in c a s e s of: h i g h f lo o d , m e a n f lo o d a n d c h a n n e l f o r m i n g f lo o d

5 Calculation by 2 D model for the cases: existing condition, groin system of I,

L, T shapes (CTl) and groin system of I, L, T, A shapes (CT2) Analyses of each case were made based on hydraulically point of view

6 Providing the calculation procedures as case study for the students

7 The good agreements between calculated results by mathematical model (low expenditure) with observed results by physical model (high expenditure) show the advantages of the mathematical models

PGS.TS PỈỈAM VAN HUẢN

XÁC NHẬN CỬA TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự N H I Ê N

NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG PHÂN LẠCH TRUNG HÀ TRẼN SÔNG ĐÀ, G Ó P PHẨN

H O ÀN TH IỆN VẬN TẢI THUỶ T Ừ HẢI PHÒNG ĐẼN

NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN SƠN LA

2.2.2 Mô hình thuỷ động lực lưới cong 2 chiều M IKE 21 c 16

3.4 Khai thác mô hình 1 chiều làm điều kiện biên cho mô hình vậi lý và mô

Chương 4 nghiên cứu thủy động lực đoạn sông trên mó hình toán 2 chiểu

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẨU

Sông Đà là 1 hợp lưu lớn của sông Hồng, chiếm 55% lượng nước trẽn hệ thống sông Hổng Mùa lũ trên sông Đà thường bắt đầu vào tháng V, lớn nhất thường xảy ra vào cuối tháng VII đến nửa đầu tháng VIII, kết thúc vào cuối tháng IX đầu tháng X Dòng chảy lũ trên sông Đà lớn, tập trung nhanh và không đổng bộ ở các phần khác nhau của lưu vực Trong điều kiện tự nhiên, khi hồ Hòa Bình chưa tham gia điều tiết dòng chảy sông Đà, lũ sông Thao và sông Đà thường xuất hiện lệch pha nhau Công trình thủy điện Hòa Bình (đi vào vận hành

từ năm 1991) có nhiệm vụ chính là tham gia chống lũ cho thủ đô Hà Nội, hàng nãm cắt trung bình từ 4-6 trận lũ lớn Hiệu quả điều tiết chống lũ cho hạ du và cho Hà Nội của hổ là rất lớn, tác dụng cắt lũ càng thể hiện rõ khi xảy ra lũ lớn đổng thời trên các sông Đà, Lô và Thao Việc xây dựng các hồ chứa mang lại những lợi ích to lớn, song cũng gây ra những tác động khác như hiện tượng xói sâu phổ biến ở hạ lưu, do một lượng bùn cát tạo lòng bị giữ lại hồ chứa gây ra mất cân bằng ở hạ lưu, Hổ Hòa Bình đã làm thay đổi cơ bản chê độ thúy lực, thủy văn, vận chuyển bùn cát, gây ra hiện tượng xói sâu lòng dẫn trên sông Đà sau hồ Khi có thêm hổ Sơn La phía thượng lưu hồ Hòa Bình, gần như toàn bộ lượng bùn cát tạo lòng của sông Đà sẽ được giữ lại ở hai hổ này, do đó hiện tượng biến đổi lòng dẫn ở hạ lưu đập Hòa Bình chắc chắn sẽ diên ra mạnh mẽ hơn

Đoạn hợp lưu Thao-Đà cách hạ lưu đập Hoà Bình 57km là khúc chuyến tiếp

từ ncã 3 Thao Đà đến ngã 3 Lô-Hồng Đây là nơi hội tụ của các dòng sông lớn

có chế độ thủy lực, thủy văn và tổ hợp lũ phức tạp, có cơ chế động lực lòng dẫn

đa dạng và rất không ổn định Trong tình hình đó, cần thấy rõ một thực trạng là

hệ thống bờ bãi, đê điều vùng này rất xung yếu Việc chỉnh trị, ổn định lòng dẫn phục vụ giao thông thủy, nâng cao náng lực thoát lũ ở đoạn sông này là rất quan trọng trong khai thác dòng chảy trên quy mô toàn tuyến sông từ đày vế hạ lưu Đoạn sông phân lạch gãn khu vực cầu Trung Hà có hình thái sông phức tạp, chưa

ổn định, diễn biến thuv lực, xói lơ bờ đang ở tình trạng nghiêm trọng gay di chuyển luồng tàu theo mùa, ánh hưởng rất lớn đến đời sống dân cư hai ben sông

4

Hình 1 Một đoạn sông Đà được gia cổ bằng lát máiTinh hình nói trên thường xuyên xen kẽ nhau, làm cho đoạn hợp lưu (hay còn gọi ]à đoạn phân lạch) luôn luôn tồn tại bãi giữa sông với hai dòng ép sát bờ, ảnh hưởng rất lớn đến việc phòng chống lũ ở cả hai bên bờ sông và giao thông đường thuỷ Theo thông lệ, dòng cháy thường gây xói ở phía bờ lõm đoạn sóng cong, tức dòng chủ lưu phải ở phía phải sông Tuy nhiên đã nhiều năm nay dòng

chủ lưu luôn ở phía trái đoạn sông phân lạch Các kết quả nghiên cứu, khảo sát

thực địa cho thấy: hiện nay lòng sông Đà đoạn từ đập về xuôi khoảng 30km đã đạt tới trị số xói cực hạn và hiện tượng xói lan truyền đã ánh hưởng đến Trung

Hà Song song với hiện tượng xói sâu là hiện tượng xói ngang đà uy hiếp bờ đe đoạn thị xã Hoà Bình và lan truyền về hạ lưu làm xói bờ nhiều đoạn

Kèm theo quá trinh xói sâu lan truyển là hiện tượng hạ thấp mực nước Theo kết quả thu thập phân tích tài liệu thủy vãn đến năm 1996, tại Hoà Bình mực nước đã hạ thấp AH = 2,10m ứne với Q = 500m 3/s, AH = l,70m ứng với Q

= 5.000rrv7s, AH=1,20m ứng với Q = lO.OOOmVs Độ hạ thấp mực nước chưa dạt đến trị sô cực hạn, vì hiện tượng xói vẫn đang tiếp diễn Bên cạnh đó, việc xâv dựng nhà cửa và trồng trọt trên bãi sông, tùy từng vị trí cũng có thể anh hưởng nhiều hay ít đến khá năng thoát lũ Do quá trình xói lan truyẽn còn tiêp diẻn nen

5

cần phải tiếp tục điều tra khảo sát để có biện pháp công trình báo vệ nhằm ổn định đoạn hạ lưu sông Đà Các công trình chỉnh trị phải đảm bảo cho dòng sông

và tuyến luồng dần đi vào ổn định, đảm bảo giao thông thủy trong những điều kiện bất lợi nhất, có tác dụng bảo vệ bờ, nhưng đồng thời không làm ảnh hưởng tới các mục đích kinh tế khác

Hình 2 Một đoạn sông Đà xói lở do chưa được gia cốGiao thông vận tải thuỷ trên sông Đà có vai trò đặc biệt quan trọng phục vụ xây dựng nhà máy thuỷ điện Sơn La: đảm nhiệm 75-80% lượng hàng hoá thông thường, và đảm nhận vận chuyển toàn bộ hàng thiết bị sièu trường, siêu trọng Trong toàn đoạn sòng Đà từ hạ lưu đập Hòa Bình đến ngã ba hợp lun Thao-Đà thì đoạn sông phân lạch gần cầu Trung Hà diễn biến phức tạp nhất, ảnh hưởng rất đáng kể tới giao thông thủy, và là đối tượng của nghiên cứu này

1.1 MỤC TIÊU

Việc nắm bắt ch ế độ thủy động lực, diễn biến của lòng dẫn tại khu vực này

phục vụ cho việc quy hoạch, lập dự án, thiết kê các công trình có ý nghĩa rât ihiết

thực cho công tác chỉnh trị sông khu vực trọng điểm này Vì vạy nghiên cứu này hướng tới:

+ Xác định c h ế độ thủy động lực thuỷ vãn hạ lưu sông Đà trong quá trình

6

vận hành, khai thác của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình.

+ Nghiên cứu các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến xói lở bờ, giao thông thủy và thoát lũ,

+ Xác định giải pháp công trình chỉnh trị, cải tạo sông phục vụ giao thông thủy đạt hiệu được quả kỹ thuật, kinh tế

1.2 CÁCH TIẾP CẬN

Để cải tạo đoạn sông, công trình chỉnh trị phải được tính toán, bô trí dựa trên các nghiên cứu cụ thể, chi tiết và sử dụng các công nghệ, phân mềm tính toán chuyên dụng

Trong điều kiện chuỗi số liệu quan trắc thủy văn, bùn cát ở khu vực công trình còn hạn chế, quá trình diễn biến luồng lạch và kết cấu dòng chảy phức tạp thì việc đưa các mô hình (kết hợp mô hình toán và mô hình vật lý) vào nghiên cứu chế độ thủy lực hạ lưu sồng Đà (đọan thượng lưu cầu Trung Hàj là hét sức cẩn thiết, là cơ sở kiểm chứng, đánh giá, kết hợp lý thuyết và kinh nghiệm thực

tế để lựa chọn phương án xáy dựng các cồng trình đạt hiệu quả cao

Sử dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ thủy động lực hiện trạng dòng chảy trong mùa lũ, mùa nước trung bình, mùa kiệt và ảnh hưởng của các công trình đối với thoát lũ vùng hạ lun sông bao gồm:

- Kiểm chứng mô hình toán với thực tế hiện trạng

- Mô phỏng trường lun tốc và mực nước đoạn sônc nằm trong khu vực nghiên cứu của dự án với đia hình hiện trạng và địa hình sau khi xây dựng các công trình trong các trường hợp nghiên cứu

- Kết hợp các giá trị kết quả nghiên cứu trên mô hình toán, lý thuyết và kinh nghiệm dể nhận định, đánh giá và lựa chọn giải pháp xây dựng cồng trình chinh trị và các thông số kỹ thuật của công trình chỉnh trị

- Mô hình toán sử dụng để nghiên cứu phải được nghiệm chứng, hiêu chinh

để có độ tin cậy

- Phạm vi khu vực nghiên cứu (khu vực lập mô hình) phải đủ rộng để bao

trùm được các ảnh hường có thể; bước lưới tính toán (\x, \) I phái du ch 1 liet de

7

có thể phản ánh một cách sát thực địa hình lòng sông, bờ bãi, địa vật và các công trình sẽ đưa vào nghiên cứu.

- Thời gian chạy điều chỉnh và nghiệm chứng mô hình phải đủ dài và bao trùm được các chế độ dòng chảy đặc trưng

- Số liệu đo đạc dùng để xây dựng và chạy mô hình phải đảm bào độ chính xác cần thiết

- Sai số tương đối cho phép giữa số liệu thực đo (lưu tốc, lưu lượng, mực nước) và các giá trị tính toán nằm trong khoảng 5-10%

- Các phương án công trình đưa vào nghiên cứu mô hình phải là các phương

án đặc trưng, đại diện cho các khả năng có thể

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN c ú u

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu tổng thể (h.3)

Chế độ thuỷ lực nói chung và biến đổi lòng dẫn nói riêng trong doạn sông

Đà từ trạm TV Hoà Bình đến ngã ba Trung Hà chịu ảnh hưởng không chi quá trình điều tiết lũ của NMTĐ Hoà Bình (điểu kiện thượng lưu) mà còn bởi dòng chảy từ các sông Thao và Lô (điều kiện hạ lưu) Vì vậy phạm vi nghiên cứu tổng thế phải bao gồm được các sông này Nếu miền nghiên cứu hẹp sẽ làm cho các biên trở nên không độc lập, ảnh hưởng đến kết quả tính toán, nhưng nếu miền quá rộng sẽ ảnh hưởng đến thời gian tính trên máy Do vậy phạm vi nghiên cứu cần được trải rộng đến các trạm thuỷ vãn gần với sông Đà nhất trên các sông này, cụ thể là:

- Sổng Đà từ đập Hoà bình đến ngã ba Thao-Đà với chiều dài 57 km

- Sông Thao từ trạm thủy văn Phú Thọ đến ngã ba Hổng-Lô với chiều dài 42km

- Sông Lô từ trạm Phù Ninh đến ngã ba Hồng-Lô với chiêu dài 37 km

- Sông Phó Đáy từ trạm Quảng Cư đến ngã ba Lô-Phó Đáy với chiều dài

- Sông Hổng Từ ngã ba Hồng-Lô đến tram thủy văn Sơn Táy với chiêu dài

16km

8

Theo các nghiên cứu đã có thì trên thực tế, dòng chảy sông Phó Đáy ít ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy đoạn sông Đà đang xét.

Hình 3 Khu vực nghiên cứu tổng thể

1.3.3 Trình tự thực hiện

Mô hình toán 2 hoặc 3 chiều sẽ phù hợp nhất cho việc nghiên cứu Mố hình 3 chiều chưa thể thực hiện do những khó khăn về số liệu cũng như thời gian chạy trên máy tính, do vậy có thể sử dụng mô hình 2 chiều Tuy nhiên mô hình 2 chiều chỉ có thể sử dụng cho phạm vi nghiên cứu cục bộ cũng vì những lý đo

trên Vì vậy phải sử dụng mô hình 1 chiều cho phạm vi nghiên cứu tổng thê, và

mô hình 2 chiều cho phạm vi nghiên cứu cục bộ Trình tự tiến hành như sau:

- Sử dụng mô hình 1 chiều để tính toán thuỷ lực (mực nước và lưu lượng) cho mạng lưới sông thuộc phạm vi nghiên cứu tổng thể Mục đích là làm cơ sở cho các tính toán tiếp theo trong phạm vi nghiên cứu cục bộ

- Sau khi mô hình 1 chiều đã được kiểm chứng, sử dụng mô hình này để tạo

ra các biên dùng cho mô hình vật lý và mô hình 2 chiểu cho các trường hợp: lũ tạo lòng, lũ trung bình, lũ lớn

- Sử dụng mô hình 2 chiều để tính toán chế độ dòng chảy cho các trường hợp nói trên với các phương án: hiện trạng, có kè chỉnh trị

10

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP

2.1 GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH

Những chương trình máy tính giải hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant như VRSAP của Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên được sử dụng khá hiệu quả ở Việt Nam Tuy nhiên hiện nay trên thế giới có nhiều mô hình thuỷ thạch động lực rất mạnh: M IKE của Viện Thuỷ lực Đan Mạch, DELFT-3D của Phòng thí nghiệm Delft Hà Lan, SMS do nhiều công ty và viện nghiên cứu Hoa Kỳ cùng hợp tác xây dựng Các mô hình này đều có chung mục đích là giải các bài toán thuỷ động lực, diễn biến chất lượng nước và vận chuyển trầm tích Đây đều

là các mô hình thương mại, một số cơ quan tại Việt Nam đã có bản quyền sử dụng

Mô hình M IKE được xây dựng dựa trên việc giải hộ phương trình Saint - Venant và Navier-Stokes cho dòng chảy 1, 2 và 3 chiều (hướng dọc sông, hướng ngang và thắng đứng) Đế phát triển tính toán thêm vận chuyên trăm tích, có the

sử dụng thêm một sô môđun của MIKE Ví dụ MIKE 21C gồm đầy đu các phan hồi về sự thay đổi cao trình đáy sông và biẽn đổi đường bờ, thực sự là mội mỏ hình động học về hình thái sông Đối với mô phỏng thời đoạn dài, có thể sử dụng dòng ổn định Tính toán trên mô hình MIKE21C có thê áp dụng để khảo sát sự thay đổi hình thái sông, kể cả những tác động của công trình như kè, đập mỏ hàn, đập dâng, mố, trụ cầu và nạo vét lòng sông Những nghiên cứu điển hình bao gồm khảo sát hình thái sông ngắn hạn, trung hạn, và dài han, từ hàng tuần cho đến hàng năm trên toàn bộ các nhánh sông dài từ 5 đến 100 km Mô hình gồm 3 mô đun chính: mô đun tính thuỷ lực, mô đun tính vận chuyển bùn cát và

mô đun tính hình thái Ngoài ra còn nhiều mô đun nhỏ mô phỏng các công trinh sông, bãi giữa

SMS cũng là một hệ thõng mô hình toán cho 1 chiêu, 2 chiêu và 3 chiểu, (rỏm nhiều mồ đun, sử dụng để nghiên cứu các nội dung đã đặt ra trẽn đoạn sông thuộc phạm vi dự án Mõi mô đun số được thiết k ế để hướng vào một nhóm bài toán đặc biệt Một số mô đun tính toán thuỷ động lực như vận tôc done chay va

11

mực nước Những mô đun khác tính toán sự vận chuyến chất ô nhiễm hoặc nồng

độ chất lơ lửng Vài mô đun hỗ trợ tính toán trạng thái ổn định và không ổn định,

dòng chảy có thể là phân giới và trên phân giới Lưới phần tử hữu hạn, hoặc lưới sai phân, hoặc sử dụng những mặt cắt ngang, cùng với những điều kiện biên cần thiết cho phân tích, được SMS sử dụng cho tính toán và sau đó lưu giữ thành các file dữ liộu làm đầu vào

Như vậy trong dự án này chúng ta có thể:

- Sử dụng mô hình 1 chiều HEC-RAS (thuộc nhóm mô hình SMSj tính toán mực nước và lưu lượng trên toàn khu vực nghiên cứu

- Sử dụng mô hình SMS hoặc MIKE21C để tính toán trường lưu tốc và mực nước trong khu vực dự án với số liệu biên là kết quả được truy xuất từ mô hình 1 chiều

2.2 C ơ SỞ TO ÁN HỌC CỦA CÁC MÔ HÌNH

2.2.1 Mô hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS

Để tính toán thuỷ lực trong hệ thống sông (lòng dẫn hớ vằ các công irình), có thể sử dụng hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant Hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng này không có nghiệm giải tích và thường được giải bằng phương pháp

số Trong dự án này sử dụng chương trình HEC-RAS, là một môđun của SMS

Hình 5 Mạng lưới sõng và măt cắt ngang trong mỏ hình HB( '-RAS

HEC-RAS được phát triển bởi Trung tâm Thuỷ văn Công trình (The Hydrology Engineering Center - HEC), Mỹ HEC-RAS tính toán trạng thái ổn định hoặc không ổn định để xác định mực nước và vận tốc dòng cháy, có thê bỏ sung các công trinh: cầu, cống, các trạm bơm dọc sông V iệc giải phương trình dòng chảy không ổn định được phỏng theo mô hình UNET của Tobert L Barkau (Barkau 1992 và HEC 1997) Thành phần dòng chảy không ổn định được xây dựng chủ yếu cho các tính toán chế độ dòng chảy dưới phân giới.

Các quy luật vật lý chi phối dòng chảy trong sông là: (1) bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục) và (2) bảo toàn động lượng (phương trình chuyển động) Các quy luật này được biểu diễn toán học theo dạng các phương trình vi phân đạo hàm riêng

- Phương trình liên tục

X é t đoạn sône, như trong hình 6 Trong hình này, k h o ả n g cách X được do

dọc kênh Ở điểm giữa đoạn, lưu luợng và diện tích mặt cắt ướt được thê hiện bởi Q(x,t) và A t tương ứng, qi là lưu lượng gia nhập vào đoạn sông Phương trình liên tực như sau:

- Phương trình động lượng

Theo định luật bảo toàn động lượng (định luật 2 Newton) ta có:

v _ =

(2]Bảo toàn động lượng cho đoạn sông: tất cả các lực thành phần tác động lên đoạn sông cân bằng với suất biến đổi động lượng Đây là phương trinh áp dụng theo hướng X Thông lượng có hướng trùng với hướng cùa véc tơ vận tốc theo chiểu dòng chảy Ba lực sẽ được xem xét là: áp suất, trọng lực và lực ma sát

Ff = j y'l 7 ' i :Ạ

Í3)trong đó h là độ sâu, V là khoảng cách trèn đáy kênh, và T(y) là hàm cua độ rộng, liên hệ bề rộng mật cát vứi khoảng cách ơ trên đáy kênh Nêu F là áp lực

th eo h ư ớ n g X ở g iữ a đ o ạ n sô n g , thỉ lực ờ p h ía thượng lưu cu a đ oạn s ò n g có thê

viết:

14

F t cFp Ay

trong đó Fpn là áp lực tác động lên đoạn sông và FB là lực tác động bơi các

bờ sông theo hướng X lên chất lỏng

Đối với các phương trình vi phân 1 chiều, sử dụng thuật loán sai phân để đưa các phương trình vi phân nói trên về các phương trình sai phân, ớ đây chỉ đưa ra các ví dụ toán tử sai phân chính theo không gian và thời gian

2.2.2 Mô hình thuỷ động lực lưới cong 2 chiều MIKE 21C

Trong SMS có một số mô hình số hai chiều trung bình độ sâu (RMA2, FESMWS, ADCIRC, M2D, HIVEL) tính toán các yếu tố thuỷ động lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn Mô hình cho phép tính toán mực nước và các thành phẩn vận tốc hướng ngang cho dòng chảy trong không gian 2 chiều SMS tính toán nghiệm dang Reynolds của hệ phương trình Navier - Stokes đối với dòng chảy rối Ma sát được tính toán với phương trình Manning

h o ặ c C h e z y , và h ệ s ố nhớt rối được sử dụn g đ ể xác định n h ữ n g đặc trưng rối C ó

thể phân tích dòng chảy ổn định và không ổn định

Chương trình được áp dụng đê tính toán phân bố mực nước và dòng chảy xung quanh các đảo, vận chuyển các khối nước trên đất ngập nước Dòng cháy tại các cầu, lòng sông co hẹp hoặc mử rộng, kênh đẫn vào ra nhà máy thu> điện, các nơi phân nhập lưu, các trạm bơm, các công trình ven bổng, các vùng đầm phá, sông, hồ chứa, và cửa sông đều có thể tính toán bang SMS

Tuy nhiên qua thực tế sử dụng, mô liình MIKE21 c có những ưu thế so với

mô hình SMS ở khả năng tính toán khi sử dụng l ư ớ i cong trực giao khớp VỚI

biên, do vậy các kết quả trong báo cáo này lấy theo MỈKE21C Phiên bán cluiân của mô hình MIKE21 dựa trên lưới tính hình chữ nhật Đối vói việc mô phong

lb

vùng biển mở và phần lón những ứng dụng vùng bờ, vùng cửa sông, những lưới như vậy cho độ chính xác vừa đủ Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong sóng, yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đòi hỏi việc sư dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc (dạng các phần tử hữu hạn) Lưới cong có những ưu điểm vượt trội lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đổ tính toán nhanh hơn rát nhiều ích lợi của việc sử dụng lưói cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số điểm lưới ít hơn, mô phỏng đưòng bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ chính xác cao Trong m ô hình lưới cong, có thể sử dụng bước thời gian dài hơn

và độ phân giải được cải thiện hơn bởi V I đường lưới luôn bám sát theo đường dòng chảy Và cuối cùng, khi chạy mô hình lưới cong, do số điểm được định nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ Lưới cong trực giao được sử dụng trong MIKE 21C có được từ việc giải hệ phương trình:

Bx'

3 -4-V

Mô hình thuỷ động lực học cho phép mô phỏng mực nước và dòng chày trong sồng và vùng cửa sông Các mô phỏng dựa trên lưới cong bao phủ toàn bộ khu vực nghiên cứu Mô hình này giải phương trình liên tục và bảo toàn động lượng (hệ phương trình Saint-Venant) một cách tổng hợp và hoàn toàn động học theo 2 hướng Khi mô hình được sử dụng cho sông, những ảnh hưởng sau đây có thể đưa vào hệ phương trình:

- Dòng chảy cong và dòng chảy vòng

V iệ c sử d ụ n g lưới c o n g làm tăng thêm m ột s ố đại lư ợn g trong hệ phương

trình sai phân Hệ phương trình được sử dụng trong MIKE 21C như sau

s, n - toạ độ trong hệ toạ độ cong

p, q - thông lượng theo hướng s và n

R s, R n - bán kính cong của đường s và n

RHS - phẩn bên phải, mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do gió, áp lực không khí

Dòng chảy vòng là hiện tượng dòng chảy thứ cấp trong sông Trong khi không có ảnh hưởng mạnh lên dòng chảy chính trong các sông có tỉ lệ giữa độ rộng và độ sâu ỉớn, thì nó lại có ảnh hưởng đáng kể đến hướng vận chuyến bùn cát và vì thế ảnh hưởng đến sự thay đối hình thái sông Do đó, việc tính toán dòng chảy vòng gắn liền với việc mô phỏng vận chuyển bùn cát khi tiến hành

mô hình hoá hình thái sông trên qui mô lớn Nó là một thành phần vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển xói vòng, xói hợp lưu, nghiên cứu cồn cát dạng điểm cũng như cồn cát di động

Trong sông thiên nhiên, ngoài phương chuyến động chung dọc theo lònti

dẫn, d ò n g nư ớc c ò n c ó c á c c h u y ển đ ộ n g theo c á c phương khác g ọ i ch u n g là dòng

thứ cấp Dòng thứ cấp dễ nhận thấy trực quan là dòng xoáy trục đứng, xuất hiên tại các nơi có chiều rộng lòng sông thay đổi đột ngột Những vùng xuất hiện dòng xoáy đứng thường được gọi là khu nước vật Dòng thứ cấp xuất hiện nơi mật cắt dọc lòng dẫn đột biến, các phấn tứ nước chuyển động theo quỹ đạo quay quanh trục ngang, được gọi là cuộn xoáy ngang Đây là những dòng thứ cấp điạ hình, sản sinh ra do sự thay đổi cục bộ đột ngột của địa hình

Ngoài dòng thứ cấp địa hình, còn tổn tại một loại dòng thứ cấp theo phương ngang, trục dọc Hình chiêu của nó trên mặt cắt ngang là một hoặc nhiều vòng khép kín, nên thường gọi là hoàn lưu, hay là dòng chảy vòng Dòng chay vòng không chỉ xuất hiện ở khúc sông cong mà còn xuất hiện ở các đoạn sông khác, thãm chí ở các đoạn sông thẳng Sông uốn khúc không phải là nguyên nhán cua dòng chảy vòng mà là hậu quả của nó Sự uốn khúc của lòng sông chỉ làm dònp chảy vòng mạnh lên và ổn định thêm Dòng chảy vòng kết hợp với dòng chính tạo thành dòng chảv xoắn ốc dọc theo lòng dẫn (h 8)

19

Hình 8 Dòng chảy xoắn tại khúc sông cong

Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa gây nẽn sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên sự chệch hướng của ứng suất tiẽp đáy (xem hình 9) Sự trệch hướng này (định nghĩa bằng góc lệch ôs) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng chảy, và đóng vai trò chủ yẽu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính như sau:

tan ổ s =~J3 —

R.

Í1S)

20

cân băng Phạm V I thích ứng của của dòng chảy vòng (Ả) phụ thuộc vào độ sâu

Hình 9 Sự lệch hướng của vận tốc và ứng suất tiếp do tác động của

dòng chảy vòng tại khúc sông cong

Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng được ihể hiện khi mô phỏng hiệu ứng Reynolds Hệ phương trình được giải bàng kĩ thuật sai phân ẩn với các biến được định nghĩa trên lưới tính toán so le (hình 10)

21

phải trùng nhau tại biên, có nghĩa là không gian nghiên cứu trải rộng đến đâu thì

cần số liệu thuỷ văn tại đó, hoặc khi đã chọn một sô trạm thuỷ văn làm bièn thì

cần có số liệu địa hình kéo dài đến các trạm đó Nói chung, mô hình 1 chiều và 2

chiều đều đòi hỏi số liệu đầu vào làm điều kiện biên hạ lưu là mực nước và điêu

kiện biên thượng lưu là lưu lượng hoặc vận tốc:

- Số liệu thuỷ vãn là các quá trình mực nước, lưu lượng thực đo hoặc tính

• toán thu phóng theo tần suất mà công trình phải đảm nhiệm

- Sô liệu địa hình là các cắt dọc và mặt cắt ngang trong khu vực nghiên cứu

và bình đồ chi tiết của khu vực dự án Ngoài ra cần có sô liệu vé các công trình

như cầu, đê, đập trên sòng và phương thức vận hành của chúng

Trong trường hợp nghicn cứu của chúng ta, cần có sô liệu tại các trạm thuy văn: Hoà Bình, Phú Thọ, Sơn Tây, Quảng Cư và Phù Ninh dể làm hien cho mồ

tính

22

hình Tại một số trạm nằm trong khu vực nghiên cứu để hiệu chỉnh và kiêm chứng mô hình, cần có số liệu tại Việt Trì và Trung Hà, Đây là bài toán thuộc phạm vi nghiên cứu tổng thể.

Từ khi NM TĐ Hoà Bình đi vào hoat động cho đên nay, đã xảy ra 3 trận lũ tương đối lớn, mực nước và lưu lượng tại một sô' trạm thủy văn là:

Bảng 1 Các đặc trưng lũ chính trong phạm vi nghiên cứu

mô hình, các trận lũ còn lại dùng cho kiểm định Lũ khai thác được thu phóng tư

lũ 1996 ứng với các lưu lượng lớn nhất tại Hòa Bình là: lũ lớn 15 150m /s, lũ trung bình 10 800 n r /s , lũ tạo lòng 6250 nrVs

23

-L ũ 8/1996 1) Phú Thọ

2) Sơn Tây 3) Hoà Bình 4) Phù Ninh 5) Quảng Cư

1) Trung Hà 2) Việt Trì

Kiểm định

mô hình 1

chiều

1) Thao 2) Hổng 3) Đà 4) Lô 5) P.Đáy

- Lũ 7/2004 và 8/2005

1) Phú Thọ 2) Sơn Tây 3) Hoà Bình 4) Phù Ninh 5) Quảng Cư

1) Trung Hà 2) Việt Trì

- Lũ lớn

- Lũ trưng bình

- Lũ tạo lòng

1) Phú Tho 2) Sơn Tây 3) Hoà Bình 4) Phù Ninh 5) Quáng Cư

24

CHƯƠNG 3 HIỆU CHỈNH VÀ KIEM ĐỊNH MÔ HÌNH

3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU

Mục đích của hiệu chỉnh và kiểm đinh mô hình là qua sỗ liệu quan trác tìm

ra các bộ tham số phù hợp đê thực hiện tính toán cho các phương án khai thác về sau Việc hiệu chỉnh và kiếm định mô hình phải thê hiện được các đặc điểm thuý vãn đã từng xảy ra trong lịch sử, và do vậy phải có sô liệu quan trắc đồng bộ tại một số trạm trong 2 giai đoạn độc lập Trong nhiều trường hợp không thực hiện được đầy đủ việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, lý do là: số liệu không đồng

bộ về k h ô n g g ia n và thời g ia n , hoặc s ố liệu được quan trắc trong thời gian đã lâu

không thích nghi giữa điều kiện địa hình và điẽu kiện thuỷ văn, hoặc sô liệu có chất lượng không bảo đảm

sử dụng để tham khảo

3.1.2 Kiểm định mô hình

Giai đoạn này cũng chỉ sử dụng mô hình 1 chiều, giữ nguyên các tham sỗ thuỷ lực giai đoạn trên, tính toán và so sánh kết quả tại các vị trí có thực đo Số liệu thực đo cần đổng bộ trên tất cả các biên và trong miền, nhưng phải độc lap với chuỗi số liệu đã dùng trong hiệu chỉnh Có thế chọn lũ 7/2004 hoăc/và 8/2005

3.2 KẾT QUẢ KIỂM Đ ỊNÍÍ VÀ HIỆU CHĨNH

3.2.1 Sơ đồ thuỷ lực

25

Sơ đổ thuỷ lực (h 9) là cách thể hiện lưới sông tính toán, trong đó chi ra độ dài sông, các biên, vị trí các mặt cắt ngang, các công trình: đê, đập, cầu, cổng

Hình 9 Sơ đồ thuỷ lực thể hiện mạng lưới sông trong mô hình

Hệ thống sông bao gồm: sông Thao, sông Hồng, sông Đà, sông Lô và sông Phó Đáy Trong đó Sông Thao được tính từ trạm thủy văn Phú Thọ tới ngà ba Trung Hà và có 25 mặt cắt (từ mặt cắt STH42 tới STH66) Sông Đà được tính từ đập thủy điện Hoà Bình tới ngã ba Trung Hà và có 48 mặt cắt (từ mặt cắt SDAUI tới SDA48), ngoài ra trên đoạn sông nghiên cứu còn bổ sung thêm 6 mat căt (G1-G6) Sông Hồng được tính từ ngã ba Trung Hà đến trạm thủy văn Sơn Tã)

26

và có 20 mặt cắt (từ mặt cắt SHG01 đến SHG20) Sông Lô kéo dài từ trạm thúy văn Phù Ninh tới ngã ba Việt Trì, đổ vào sông Hổng gần mặt cắt SHG12 và có

14 mặt cắt (từ mặt cắt S L 0 2 0 đến SL033) Sông Phó Đáy trải dài từ trạm thúyvãn Quảng Cư đến ngã ba Lô - Phó Đáy, đổ vào sóng Lô gần mặt cất S L 0 3 1 và

C á c m a t cắt n g a n s dư ơc đ o trong thời gian từ n ăm 1 99 8- 20 05 , chill lượng

liệ u tốt c ó h ệ c a o đ ộ th ố n g nhất với hệ c a o đ ộ tại các trạm thủy văn Đ ộ rộng

27

và độ cao của mỗi mặt cắt và khoảng cách giữa các mặt cắt trong hệ thống sông được đưa vào như số ỉiệu đã được cung cấp Hệ số nhám Manning lấy bằng 0,025 ở lòng sông và 0,03-0.05 ở hai bên bãi sông Hình 10 thể hiện một mặt cát ngang điển hình.

3.2.2 Điều kiện biên

Trong thực hành tính toán người ta thường lấy lưu lượng làm điều kiện biên tại thượng lưu (Hoà Bình, Phú Thọ, Phù Ninh, Quảng Cư) và mực nước làm điều kiện biên tại hạ lưu (Sơn Tây) Tuy nhiên tại Phú Thọ chỉ quan trắc mực nước, do vậy phải sử dụng mực nước làm điều kiện biên cho trạm này và điều này có thể dẫn đến sai số nào đó, nếu quan hệ Q~H chưa ổn định Có thể chọn lũ 1971 hoặc

1996, hoặc chính đợt đo đã nói ở phần trên Việc lựa chọn không phải tuỳ tiện Thứ nhất, tuy lũ 1971 là lũ lịch sứ có tần suất xuất hiện khoảng 0.8%, được nhiều nhà nghiên cứu chọn làm tiêu chí tính toán cho các mục đích thiết kế, nhưng đây là lũ hoàn nguyên từ các tính toán thuỷ vãn và thuỷ lực, thứ 2, sô liệu địa hình chúng ta đang sử dụng được đo gần đây, sau khi NMTĐ Hoà Bình đi vào hoạt động Vì vây chọn lũ 1996 là hợp lý: cũng là lũ lớn, và tương thích với

sô liệu địa hình Thời gian tính toán từ lh 1/8/1996 đến 24h 31/8/1996 Biên trình lưu lượng tại 3 trạm biên trên xem h.l 1, biến trình mực nước tại Sơn Tây và một số trạm khác xem h.12

- Các biên lưu lượng: sử dụng lưu lượng tại Hoà Bình và Phù Ninh, lưu lượng tại Quảng Cư lấy theo Phù Ninh VỚI hệ số là tỷ lệ diện tích lưu vực của 2 trạm này

Biến trình lưu lượng từ 1-31/8/1996

I 26 51 76 101 126 151 176 20i 226 251 276 301 326 J5I 376 4UI 426 451 476 5(JI 526 551 576 (yj| 626 651 676 7IJI 7 >

Hình 11 Các biên lun lượng

- Các biên mực nước: sử dụng mực nước tại Phú Thọ và Sơn Tây

Biến trìn h mực nước từ 1-31/8/1996

Hình 12 Các biên mực nưức

3.2.3 Kết quả mó phỏng trận lũ 8/1996

TV Hoà Binh, trên đó biểu thị đường mặt nước lớn nhất, độ sâu phân giới, cao độ đáy sông tại các mặt cất phân bố dọc sông Các hình 14a, b, c thể hiện mực nước tính toán và thực đo tại Việt Trì, Trung Hà và Hoà Bình

Mực nước thực đo và tính toán tháng 8/1996 tai Viêt Tri

m

I 51 76 101 ’6 151 17t> 2' I 26 J5I 276 3li 3:6 3:1 Jl *■"

Hình 14a So sánh mực nước

30