Mô phỏng chế độ thuỷ lực trong hệ thống sông hồng và thái bình khi có lũ lớn và triều cường

Thấy ràng với quy mô lũ lịch sử 1971 độ lặp 125 năm , thuỷ triều ở mức thiết kế đê biển 5% không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thoát lũ của hệ thống, một khi các giải pháp điều tiết lũ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN

MÔ PHỎNG CHÊ ĐỘ THUỶ L ự c TRONG

HỆ THỐNG SÔNG HỔNG VÀ THÁI BÌNH KHI CÓ LŨ LỚN VÀ TRIỂU CƯỜNG

MÃ SỐ: QT-01-22

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:

TS NGUYỄN THỌ SÁO CÁN BỘ PHỐI HỢP:

THS NGUYỄN THỊ NGA THS ĐẶNG QUÝ PHƯỢNG

Đ A I H O C Q U O C G IA HÀ NÒ* TRUNG TẢM THÔNG TIN ĨHƯ VIỀN

DT / 2 H :

HÀ NỘI • 2004

-Lựa chọn và cải tiến mô hình VRSAP trở thành chương trình tính toán thích hợp cho -t\

hệ thống sông nghiên cứu

-Triển khai các phương án tính toán:

2 Thiết lập sơ đổ thuỷ lực cho mạng lưới sông Hổng-Thái Bình cùng sự hiện diện củacác công trình và tổ hợp phân lũ, cầu, cống Sơ đồ thuỷ lực được mở rộng tối đa

BÁO CÁO TÓM TẮT

theo số liệu địa hình và thuỷ văn đã có, đáp ứng được các yêu cầu thực tiễn.

3 Cải tiến chương trình VRSAP với màn hình cho phép hiển thị trạng thái dòng chảy qua các công trình và tại các vị trí xung yếu, tạo cơ sở cho người quản lý ra quyết định

4 Thực hiện đầy đủ quy trình tính toán từ hiệu chỉnh (lũ 1996), kiểm định mỏ hình (lũ 1999) cho đến việc sử dụng mô hình để đánh giá chế độ thuỷ lực trong hệ thống trong kịch bản lũ lớn gặp triều cường Thấy ràng với quy mô lũ lịch sử 1971 (độ lặp 125 năm ), thuỷ triều ở mức thiết kế đê biển 5% không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thoát lũ của hệ thống, một khi các giải pháp điều tiết lũ (qua hồ Thác Bà và hồ Hoà Bình) và phân chậm lũ (qua tổ hợp công trình phân lũ sông Đ áy) đi vào vận hành

5 Hướng dẫn một sinh viên K42 Thuỷ văn sử dụng mô hình làm khoá luận tốt nghiệp

về truyền lũ trên sông Côn-Hà Thanh, Bình Định; một sinh viên K42 Hải dương sử dụng mô hình làm khoá luận tốt nghiệp về truyền mận trên các sông bao quanh TP Hải Phòng

f Tình hình kinh phí của đề tài:

Kinh phí được cấp 2 năm 2001-2002: 16 triệu đồng, đã sử dụng vào các hạng mục như sau;

Mua tài liệu

BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG ANH

a) Project:

Simulation of hydraulic regime affected by high flood and spring tide in the Hong-Thai Binh rivers network

C ode: QT-03-21

b) Head o f the P roject:

Mr N guyen Tho Sao, Drc) P a r tic ip a n ts : 1 M rs N guyen Thi Nga, MS

2 M rs Dang Quy Phuong, MS

d) O b jectives and scope of the study:

Hydraulic regime in the Hong-Thai Binh rivers network with existing hydraulical structures, namely the Day flood diversion system and the others, can be simulated by numerical calculations The situation which may occur when high flood combines with spring tide is considered

The Vietnam Rivers System and Plains (VRSAP) computer program is used to solve the above problem The flood of VIII/1996 served for model calibration and the flood of VIII/1999 served for model validation The scenario when the flood of 125 years return period encounters with the sea water level of 20 years return period is modelled

3 The computer program VRSAP was developed to allow the user to handle hydraulical situation on screen and to make decision

4 Sim ulations for the flood in 1996 and in 1999 show good agreem ents with observed data The scenario nam ed above shows that sea w ater levels of 20 years retu rn period has no rem ark ab le effects on flood

propagations of the 1971-design flood, when the Hoa Binh reservoir and the Thac Ba reserv o ir are in operation.

5 The students can develop the computer program VRSAP to make a useful tool to simulate flood propagation in river networks

XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA

(Ký và ghi rỗ họ tên)

PGS.TS PHẠM VĂN HUAN

CHÚ TRÌ ĐÊ TÀI (Ký và ghi rõ họ tên)

ỵf l C - —

NGUYỄN THỌ SÁO

3.4.2 Thuỷ triều và qua trình triều thiết k ế tại các b iê n 33

3.4.3 Kết quả tính to á n 36

4 Kết lu ậ n 38

5 Tài liệu tham k h ả o 39

Phụ lục: Hướng dẫn sử dụng chương trình và bộ số liệu m ẫu 40

1 T à i liệu cần có> 40

2 Chuẩn bị tài liệu đ ể tính to á n 40

3 Trình tự nhập sô' liệ u 41

3.1 Các số liệu ch u n g 41

3.2 Các chỉ thị i n 42

3.3 Các số liệu mực n ư ớ c 43

,3.4 Số liệu lun lư ợ n g 43

3.5 Số liệu mưa và th ấ m 44

3.6 Số liệu địa hình 45

3.7 Số liệu ru ộ n g 46

3.8 Điều kiện ban đầu 47

3.9 File số liệu mẫu, chương trình thực hiện và chương trình nguồn 47

1 Đ Ặ T V ẤN Đ Ể V À N Ộ I D U N G T H ự C H IỆN

*

1.1 Đặc điểm đồng bằng sông Hồng-Thái Bình

Đổng bằng sông Hồng-Thái Bình (h 1.1) là một trong hai đồng bằng lớn nhất nước ta, noi tập trung dân cư lớn và là trung tâm công, nông nghiệp của các tỉnh phía Bắc, đổng thời là khu vực trọng điểm phát triển kinh tế-xã hội-văn hoá lớn của cả nước Trong lãnh thổ Việt Nam, lưu vực sông Hổng- Thái Bình trải rộng trên địa phận 23 tỉnh và thành phố: Lai Châu, Điện Biên, Lào Cai, Yên Bái, Sơn La, Hoà Bình, Hà Tây, Hà Giang, Tuyên Quang, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Cao Bằng, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hà Nội, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình Dự kiến đến năm 2010 dân số là 21 triệu nguời, tổng sản phẩm xã hội ước tính 20,18 tỷ USD [1]

Sông Hồng bắt nguồn từ vùng núi cao Vân Nam (Trung Quốc) chảy theo hướng Tây bắc-Đ ông nam, hợp với sồng Đà, sông Lô tại Việt Trì Lưu vực sông Hổng có diện tích khoảng 169 000 km 2 trong đó gần 1/2 thuộc lãnh thổ Trung Quốc Chiều dài dòng chính tính đến cửa Ba Lạt dài 1126km, phần trong nước là 556km Sông Đà chảy từ Mường Tè tỉnh Lai Châu, nhập lưu với sông Thao tạo thành sông Hồng tại Trung Hà Sông Lô có chiều dài 470

km (trong nước 275 km ) cũng bắt nguồn từ vùng núi cao Vân Nam-Trung Quốc, có các phụ lưu là: sông Chảy dài 32 km, sông Phó Đáy dài 170km Ngoài ra cần kể đến m ột số sông nằm phía hạ lưu hệ thống sông này là: sông Đáy dài khoảng 230 km, sông Tích dài 91km, sồng Hoàng Long dài 125 km, sông Đào dài 32 km, sông Thanh Hà dài 40 km, sông Nhụê dài là 80 km và sông Châu Giang Hệ thống sông Thái Bình có diện tích lưu vực là 12 680km2 bao gồm 3 sông hợp lưu tại Phả Lại là: sông Cầu với chiều dài sông chính 288km, sông Thương, sông Lục Nam với chiều dài 175km Phía hạ lưu

có các sông chính là Kinh Thầy, Đá Bạc, Lai Vu, Lạch Tray, Văn ú c Hai hê thống sông Hồng và sông Thái Bình nối với nhau bằng sông Đuống và sông Luộc và tạo nên m ột hệ thống hoàn chỉnh Hổng-Thái Bình Tại vinh Bắc Bô

hệ thống sông đổ ra 9 cửa chính là: cửa Đáy, Ninh Cơ, Ba Lạt, Trà Lý Diêm Điền, Thái Bình, Văn úc, Lạch Tray và Nam Triệu

M ùa khô từ tháng X đến tháng IV với lượng mưa chiếm khoảng 15 -

25 % lượng mưa năm, mùa mưa bắt đầu từ tháng V và kết thúc vào tháng IX

Hình 1.1 Hệ thống sông Hồng - Thái Bình

• biên mực nước -> biên lưu lượng

nhưng phân bố khồng đều theo thời gian và không gian Hệ thống sông Hổng

- Thái Bình có tổng lượng dòng chảy năm trung bình khoảng 130 tỷ m 3, 80% trong số đó tập trung vào' các tháng mùa lũ từ V - XI, riêng lượng dòng chảy tháng VIII chiếm đến 22% [1] Nếu lũ trên sông Đà, sổng Thao và sông Lô xảy ra đồng thời sẽ tạo ra lũ tổ hợp rất lớn, uy hiếp nghiêm trọng toàn bộ vùng đồng bằng sông Hồng - Thái Bình

1.2 Tình hình lũ lụt

Đồng bằng Bắc Bộ có những thuận lợi về nguồn nước nhưng tiềm ẩn những thảm hoạ ảnh hưởng đến quá trình phát triển kinh tế-xã hội, đe doạ tính mạng và tài sản của cư dân Đó là ảnh hưởng của lũ lụt Trong thời gian

50 năm gần đây, hàng loạt những trận bão, lũ kèm theo những trận lụt lớn liên tiếp xảy ra ở nhiều nơi, gây những tổn thất ngày càng lớn Chỉ tính từ 8/1945 đến 8/1996, đã xảy ra 2 trận lũ vượt và 2 trận lũ xấp xỉ mực nước thiết k ế của đê Hà Nội là 13,30m Đó là các trận lũ tháng 8/1945 và lũ tháng 8/1969, mực nước tại Hà nội là 14,10 IĨ1 và 13,66 m; lũ tháng 8/1971 đã làm

vỡ đê gây thiệt hại lớn, đe doạ thủ đô Hà Nội, mực nước hoàn nguyên nếu không vỡ đê và hồ Hoà Bình không cắt lũ là 14,67 m, lũ tháng 8/1996 là 13,47 m Hàng năm thường có từ 3 đến 5 trận lũ khác nhau Năm 1990 riêng trong tháng 7 đã có 3 trận lũ vượt báo động 3 tại Hà Nội: 1 l,64m ngày 3/7;

1 l,87m ngay 27/7 và 11 *94m ngày 31/7 [1]

Nguyên nhân của lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng-Thái Bình chủ yếu

do mưa lớn trên lưu vực, mưa do bão, hiện tượng La Nina, việc giảm diện tích che phủ rừng, sự biến đổi lòng dẫn, điều kiện thoát lũ không thuận lợi do

lũ lớn gặp pha triều cường ở biển Đông Do ảnh hưởng của thuỷ triều nên dù

có nhiều phân lưu thoát lũ, việc thoát lũ càng về hạ du càng gặp khó khãn thời gian tiêu lũ kéo dài

Khả năng xuất hiện các trận lũ, lụt lớn và đặc biệt lớn đang trở thành nguy cơ thật sự đối với đồng bằng sông Hồng-Thái Bình Trước nguy cơ xảy

ra những trận lũ lớn vượt lũ lịch sử nãm 1971, Chính phủ đã chỉ đạo các Bộ Ngành có liên quan và các địa phương trong vùng ảnh hưởng lũ chủ động đề

ra các biện pháp ứng phó trong mọi tình huống Chương trình Phòng chống

lũ đổng bằng sông Hổng-Thái Bình do Bộ NN & PTNT chủ trì được xây dựng theo hướng chỉ đạo này với sự tham gia của nhiều cơ quan chức năn^

nhằm mục tiêu khai thác mọi khả năng hiện có để thực hiện công tác phòng chống lũ đạt hiệu qũả cao nhất trong những điều kiện có thể.

1.3 Hiện trạng thoát lũ hệ thống sông Hồng - Thái Bình

Hệ thống thoát lũ vùng châu thổ sông Hồng - Thái Bình được hình thành và phát triển trong quá trình lịch sử với các thành phần công trình chủ yếu như sau:

■»

1.3.1 Hệ thống đê điều và lòng dẫn thoát lũ

Hệ thống đê điều khu vực đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng vào cuối thế kỷ thứ IX Sau hơn 1000 năm, hệ thống này được gia cố và hoàn chỉnh đến như ngày nay với gần 3000 km đê, 1180 cống lớn nhỏ và 2600 kè [1],

Do hệ thống đê được xây dựng qua nhiều thế kỷ và thiếu quy hoạch tuyến, chất lượng chưa đảm bảo nên độ an toàn của hệ thống đê này chưa cao khi mùa lũ đến Thực tế cho thấy, lòng sông và bãi sông trên nhiều tuyến đang thay đổi, hoặc bị cản trở do chiếm dụng trái phép làm giảm khả năng tiêu thoát lũ

1.3.2 Hệ thống hồ chứa cắt lũ ở thượng nguồn

- Hồ Thác Bà có đặc điểm kỹ thuật: dung tích hữu ích 2,2 tỷ m \ dung tích chống lũ 0,45 tỷ m3 nên khả năng giảm lũ cho sông Hồng không nhiều

- Hồ Hoà Bình có mục đích chính là phòng lũ hạ du, với đặc điểm kỹ thuật: dung tích hữu ích 5,6 tỷ m3, dung tích chống lũ 4,9 tỷ m3 Thực tế hoạt động điều tiết các năm từ 1991 - 1996 cho thấy hồ Hoà Bình đã phát huy được vai trò cắt lũ đáng kể cho hạ du Nếu vận hành đúng theo quy trình thì hai hổ Thác Bà và Hoà Bình hạ thấp mực nước lũ Hà Nội xuống dưới mức 13,30 m theo dạng lũ 8/1971

- Khả năng hạ thấp mực nước lũ Hà Nội sẽ đáng kể khi xây dựng xong thuỷ điện Sơn La và hồ chứa Đại Thi trên sông Lô Sau khi hoàn thành (dự kiến năm 2020), các hồ chứa trên hệ thống sông Hồng với tổng dung tích phòng lũ đến 13,0 tỷ m 3, hiệu quả cắt lũ sẽ rất cao

1.3.3 Hệ thống khu phân, chậm lũ

Hệ thống phân, chậm lũ ở đồng bằng sông Hồng là biện pháp dự phòng khi khả năng của hệ thống đê và hổ chứa không còn Hệ thống này gồm tổ hợp phân lũ sông Đáy và các khu phân lũ sử dụng tràn sự cố

- Quyết định của Thủ tướng Chính phủ ngày 7/12/1974:" Công trình có nhiệm vụ dẫn lũ từ sông Hồng vào sông Đáy và thoát lũ qua đập Đáy với lưu lượng 5.000m 3/s theo dạng lũ năm 1971 cùng với công trình cải tạo đường dẫn lũ phía hạ lưu đập Đáy và cồng trình hồ chứa nước Vân Cốc để bảo đảm phân lũ sông Hổng vào sông Đáy nhằm giữ mức nước ở Hà Nội không lên quá cao trình tuyệt đối 13,60m " Năm 1999 Thủ tướng Phan Văn Khải ký quyết định ban hành Quy chế về phân lũ, chậm lũ thuộc hệ thống sông Hổng

để bảo vệ an toàn cho Thủ đô Hà Nội, trong đó nêu rõ: giải pháp phân lũ vào sông Đáy là giải pháp bắt buộc khi mực nước Hà Nội đến 13,40 m và còn lên nhanh Tổ hợp công trình phân lũ qua sông Đáy, gồm (hl.2):

+ Cống Vân Cốc 26 cửa, mỗi cửa rộng 8 m, cao trình ngưỡng 12.0 m, trần 14.4 m, với lưu lượng thiết kế từ 2000 - 2500 m 3/s

+ Tràn Hát Môn là hai đoạn đê được hạ thấp thành các ngưỡng tràn

để hỗ trợ tràn lũ thêm cho cống Vân Cốc khi mực nước sông Hồng lên cao Hai đoạn này nằm ở phía hữu và tả cống Vân Cốc với tổng chiều dài 7315 m

+ Bụng chứa Vân Cốc được hình thành bởi hai tuyến đê tả và hữu sông Đáy và giữa hai công trình Vân Cốc và đập Đáy, dung tích hồ 117,35 triệu m3 ứng với cao trình 14,0 m

+ Đập Đáy có cao trình ngưỡng tràn 9.0 m, đáy tường ngực 13.90 m, lưu lượng xả thiết kế 5000 m3/s Tuy nhiên qua nhiều tài liệu nghiên cứu [4,5,6] lưu lượng xả qua đập Đáy không đảm bảo được như thiết kế, chỉ đạt khoảng 3800 m 3/s

- Theo Nghị định số 62/1999/NĐ-CP ngày 31/7/1999, hệ thống phân, chậm

lũ trên hệ thống sông Hổng chỉ giữ lại 2 khu chậm lũ Tam Nông-Thanh Thuỷ (Phú Thọ) và Lương Phú phân lũ vào sông Tích Các vùng chậm lũ này chỉ được sử dụng khi đã phân lũ vào sông Đáy mà mực nước sông Hồng tại Hà Nội ở mức 13,40 m và Tổng cục Khí tượng Thủy văn dự báo mực nước lũ còn tiếp tục lên nhanh

1.4 Mục tiêu, phương pháp và nội dung thực hiện

1 4 1 Mục tiêu

* Nhằm chủ động đối phó đón trước với các trận lũ đặc biệt lớn và thực hiện chỉ đạo của Thủ tưóng Chính phủ, Bộ NN & PTNT đã xây dựng Chương trình Phòng chống lũ sồng Hổng - Thái Bình và phân công thực hiện cho nhiều cơ quan Từ tình hình thực tế về khả năng xuất hiện các trận lũ, lụt lớn, ngày 31 tháng 7 năm 1999, Chính phủ đã ban hành Quy chế "Về phân lũ, chậm lũ thuộc hệ thống sông Hổng để bảo vệ an toàn cho Thủ đồ Hà Nội " với mục tiêu: “Việc phân lũ, chậm lũ hệ thống sông Hồng là biện pháp đặc biệt nhằm bảo vệ an toàn cho Thủ đô Hà Nội, hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại về tính mạng, tài sản của nhân dân và Nhà nước”

Mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam trong nhiều năm, mà Dự án số 7 [1] là một trong các kết qủa nghiên cứu mói nhất, vấn đề lũ và phòng chống lũ lụt trên hệ thống sông Hồng và Thái Bình vẫn còn mang tính thời sự Do vậy việc kế thừa và tiếp tục phát triển các nghiên cứu trước đây là rất cần thiết.

Mục tiêu chính của đề tài này là thông qua việc tính toán thuỷ lực để hiểu rõ chế độ thuỷ lực trên hệ thống mạng lưới sông Hồng-Thái Bình, vai trò của sông Đáy và các biện pháp giảm lũ hạ du Tổ hợp bất lợi lũ lớn và triều cường có tác dụng cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra, là yếu tố quan trọng trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai

Hiệu quả và khả năng ứng dụng: một đóng góp cho việc triển khai Dự

án số 7 [1] (đồng thời cũng sử dụng và k ế thừa tài liệu địa hình và kết qủa tính toán thuỷ văn từ dự án này) về chương trình tính toán thuỷ lực Các biện pháp công trình được cân nhắc và rà soát để phát huy hiệu quả một cách tối

đa, tránh lãng phí và rủi ro

Về đào tạo: giúp cho sinh viên tiếp cận với những vấn đề rất cụ thể, thực tiễn và cấp bách của đất nước Bộ số liệu mẫu và chương trình dạng mở

để sinh viên làm khoá íuận tốt nghiệp, hoặc nghiên cứu phát triển thành phần mềm ứng dụng

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát và thực địa hiện trường

- Sử dụng mô hình thống kê và mô hình toán thuỷ văn để phân tích và xử lý

số liệu

- Mô hình toán học, tập trung vào IĨ1Ô hình thuỷ lực 1 chiều cho mạng lưới sông

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập và xử lý số liệu cơ bản về KTTV và hải văn

- Lựa chọn chương trình tính toán thích hợp

- Triển khai các phương án tính toán để đánh giá chế độ thuỷ lực hiện trạng của hệ thống sông này theo tổ hợp lũ bất lợi có tần suất hiếm theo dạng lũ

1971 Trong nội dung nàỷ có các trường hợp tính toán:

+ Hiệu chỉnh lũ 8/1999+ Kiểm chứng lũ 8/1996+ Tính toán trường hợp tổ hợp bất lợi giữa lũ 8/1971 gặp triều

thiết kế 5% Cần có quá trình triều thiết kế P -5% cho 9 biên cửa sông và tổ

hợp lũ để đánh giá chế độ thuỷ lực khi lũ thượng nguồn và gặp triều thiết kc

Hiện tại có nhiều mô hình như MIKE 11 của Viện Thuỷ lực Đan Mạch; ISIS của Viện Thuỷ lực W allingford, Anh; HEC-RAS của Cục Kỷ thuật, Quân đội Mỹ; SOBEK, W ENDY của Viện Thuỷ lực Delf, Hà Lan Các

mô hình loại này là những mô hình thương mại, đáng tin cậy, giao diện thân thiện dễ sử dụng, kết nối được với AutoCAD và GIS, nhưng giá thành cao Các nhà khoa học V iệt Nam như cố GS TS, anh hùng lao động N guyễn Như Khuê đã xây dựng mô hình VRSAP (Vietnam Rivers System and Plains);

GS TSKH, anh hùng lao động Nguyễn Ân Niên đã xây dựng mô hình KOD1 (Không ổn định 1 chiều), mang sắc thái của Việt Nam và thích hợp VỚI điểu

kiện V iệt Nam, có nguồn mở Vì vậy trong đề tài này sừ dụng mô hình VRSAP cho mục đích nói trên, mô hình này được Bộ NN & PTNT cho phép

sử dụng trong các viện nghiên cứu và thiết kế

2.2 Mô hình thủy lực mạng lưới sông VRSAP

2.2.1 Hệ phương trình cơ bản

Mô hình VRSAP (Viet Nam Rivers System And Plains Mathematical Model For Flow and Salt Concentration) là mô hình tính toán dòng chảy, mực nước và nồng độ mặn trên hộ thống sông ngòi, hồ chứa và đồng ruộng,

do GS Nguyễn Như Khuê xây dựng và phát triển theo sơ đổ sai phân ẩn của Dronkers-Hà Lan

Chế độ dòng chảy trong lòng dẫn hở là không ổn định, biến đổi chậm, được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant:

X, t: các biến theo không gian và thời gian

Q: lưu lượng, là dương nếu chảy theo chiều dương của X

Z: độ cao m ặt nước so với mặt chuẩn nằm ngang

co: diện tích mặt cắt dòng chảy

B: chiều rộng mặt nước dòng chảy

Bc: chiều rộng m ặt nước dòng chảy và khu chứa bên bờ

K: mô dun lưu lượng dòng chảy

q: lưu lượng bổ sung trên mỗi đơn vị dài ven sông, được coi là dương nếu từ ngoài chảy vào sông

a , a Q: các hệ số hiệu chỉnh

( Để giải hệ phương trình (1) cần sử dụng phương pháp sai phán, vậy cần chia lưới sông thành những đoạn nhỏ Ax có độ dài vừa đủ, sao cho trong

mỗi đoạn sông các đặc trưng thuỷ lực thay đổi không đáng kể, không có dòng chảy vào ra Thòi gian được chia thành những đoạn At bằng nhau.

2,2.2, Sai phân cho một đoạn sông

Xét m ột đoạn sông có dòng chảy chxảy ra từ mặt cắt đầu (x = X[) đến mặt cắt cuối (x = x2 = X j + Ax) Thời đoạn tính toán At tính từ thời điểm đầu (t') đến thời điểm cuối t = t' 4- Àt Coi như đã biết các yếu tố thủy lực của đoạn sông lúc đầu (d) thời đoạn tính toán (Z |\ Q |', Z2', Q2'), còn Z |, Z2, Q,, Q2 là các ẩn S Ố cần tìm, tức là các yếu tố thủy lực lúc cuối (c) thời đoạn Các đạo hàm riêng trong hệ phương trình (1) được sai phân hoá như sau:

+ Các đạo hàm theo X lấy sai phân lúc cuối thời đoạn

+ Các đại lượng Bc, — , aỉìc+aoB

trung bình thời đoạn, gọi là trung bình 4 điểm

+ SỐ hạng phi tuyến được tuyến tính hoá bằng cách coi - t ì - ì là hê

V K )

số, phần còn lại lấy trị số trung bình lúc cuối thời đoạn Q = Q± ì S L _

Sau khi sai phân, ở mỗi đoạn sông ta nhận được một hệ phương trình bậc nhất với các ẩn số Q và mực nước z ở hai đầu, viết dưới dạng sau:

Qj = - Dy Z, - R DZ2 + Hr Q2 = V tZ , + De Z -,— Hv

(2)

Từ hệ phương trình cho mỗi đoạn sông như trên, có thể nhận được hệ phương trình cho toàn hệ thống sông nhờ hai quan hệ: - ở hai đoạn sông kề nhau thì mực nước cuối đoạn trên bằng mực nước đầu đoạn dưới, và tại mỗi nút luôn có sự cân bằng: tổng lượng nước đến trừ tổng lượng nước chảy đi trong thời đoạn At, bằng thể tích khối nước được dâng cao thêm tại vùng chứa kề bên điểm nối:

I Q * , - I Q * = F M

At

trong đó: EQdến ■ tổng lượng nước chảy đến

X Q d i - tổng lượng nước chảy đi F- diện tích khu chứa tại nút

mà tìm ra các hệ số như sau:

a) Đập tràn chảy tự do

Hình 2.2 Sơ đồ tràn chảy tự đo

Công thức tính toán lưu lượng:

Dy = De = - Vt

Hv = - H r = Ọc) Chảy ngập qua lõ

Công thức: Q=ụ a cj 2 g yj z i - z 2

Z1

Z 2

ỉ i

Hình 2.4 Sơ đồ chảy ngập qua lỗ

Cũng xử lý tương tự như trên ta có:

DT

H ình 2.5 Sơ đồ chảy tự do qua lỗ

Công thức: Q=ụ <oc J z , - Z, phân tích thành

e) Đoạn sông hoặc công trình không có nước chảy qua

Để thời gian tính toán không bị ngắt quãng, ở những đoạn sông hoặc công trình không có nước chảy qua, ta lấy các hệ số của hệ phương trình (2) như sau:

2.2.4 Xử lý các khu chứa, ô ruộng

a) Ố m ỏng h ò : Trực tiếp kề bên một đoạn sông hoặc mặt cắt, mực nước trong ruộng lên xuống theo mực nước trung binh của đoạn kênh hoặc mực nước của mặt cắt

b) Ổ ruổng k ín : V ùng đất thấp nối với sông tại một đoạn hoặc m ột mặt cắt thông qua nhiều lạch nhỏ hoặc cống, lưu lượng nước trao đổi phụ thuộc vào

độ chênh mực nước trong ngoài

Gọi mực nước ngập trong ruộng là Zr, ứng với mực nước này có diện tích ngập Fn, và m ột diện tích không ngập Fkn Trên phần diện tích ngập, nước mưa trừ bốc hơi và thấm được biến thành dòng chảy Qmưa theo phương trình sau:

trong đó: Fn (ha); p (m m )- lượng mưa; Tp (see)- thời đoạn mưa; Qmưa (m'7s)

Vt = RD = Dy = De = Hv = Hr = 0, và luôn có Q = 0

Qmưal = ỈO.Fn.j-,

Hình 2.6 Sơ đổ tập trung nước mưa

Trên phần diện tích không ngập, nước mưa hiệu quả chảy tràn trên mặt đất là vườn cây, ruộng lúa hoặc đất đô thị, được điều tiết ngay trên mặt

và tạo thành dòng chảy Có thể sử dụng mối quan hệ sau đây giữa hệ số tiêu (dòng chảy mặt tính cho m ột ha mặt đất) Qr với độ sâu lớp nước mặt H:

b (m): hệ số biểu thị khả năng tiêu thoát nước mặt, b càng lớn thì khả năng tiêu thoát càng nhanh

q, = 0,45 J ĩ g .b 10-2 (H 10'3)3/2 = 0,6234 10'6 b.H 3/2

qr có thể tính ngoài mô hình như hệ số tiêu

Quan hệ giữa H, qr, p được cho bời phương trình cân bằng nước:

H=Ir +ịJL-«r' A t

T p 10,H' là trị số của H lúc đầu thời đoạn (mm)

Dòng chảy đến ruộng sinh ra do mưa trên phần đất không ngập bằng:

2.3 Chương trình tính toán thuỷ lực VRSAP

Từ cách đặt vấn đề và mô hình hoá như đã nêu, GS Nguyễn Như Khuê đã đưa ra m ột chương trình để tính toán thủy lực cho toàn hệ thống sông, viết bằng ngôn ngữ FORTRAN-77 Chương trình có thể sử dụng đe tính toán cho m ọi hệ thống sông có nhiều hồ, ruộng, công trình, nhiều trạm mưa, biên lưu lượng Q, biên mực nước z Hiện có nhiều phiên bản của chương trình này Tác giả đề tài này đã phối hợp với tác giả của Dự án số 7 [1] xây dựng m ột phiên bản có dao diện trên nền W indows, thuận tiện theo dõi diễn biến quá trình tính toán trên màn hình để có những tác động thích hợp

Chi tiết về việc sử dụng chương trình xem Hướng dẫn ở phần Phụ

Trong nghiên cứu thuỷ lực lòng dẫn và công trình, phạm vi không gian và thời gian nghiên cứu trải rộng đến đâu cần có các chuỗi số liệu biên tại đó và do vậy tài liệu quan trắc tại các biên và bên trong miền tính toán (sử dụng để hiộu chỉnh và kiểm định mô hình) là rất cần thiết Các biên này lại phải độc lập với nhau trong trường hợp xét các kịch bản cho thiết kế Hệ thống lưới trạm quan trắc thuỷ văn của Tổng cục KTTV (cũ) có thể đáp ứng được điều này, dù không thật đầy đủ Điều quan trọng nhất là phải có đầy đủ

số liệu địa hình và các tham số của các công trình hiện diện trong hệ thống sông Lòng dẫn lại thường có biến động, do vậy phải tổ chức khảo sát đo đạc

bổ sung với kinh phí rất lớn Chỉ có các cơ quan chức năng thuộc Bộ TN và

MT, Bộ NN và PTNT, Bộ GTVT mới có các số liệu này và khi có số liệu gốc thì công việc xử lý cũng đòi hỏi rất nhiều thời gian Trong đề tài này sử dụng số liệu địa hình đó đạc năm 1999 -2000, gỉa sử rằng số liệu địa hình này cũng không thay đổi trong các phương án tính toán.

Những điều nói trên cho thấy việc đưa ra một sơ đồ thuỷ lực hợp lý, đáp ứng các yêu cầu khoa học và thực tiễn là vấn đề rất khó khãn Đã có những sơ đồ phức tạp hoặc đơn giản được đề xuất [4,5,6], nhưng các nhà khoa học V iệt N am hầu như thống nhất với quan điểm rằng: phải đưa đến mức tối đa m ạng lưới sông vào sơ đồ tính toán với các biên thượng lưu và hạ lưu nằm tại các trạm thuỷ văn do nhà nưóc quản lý, các biên lưu lượng khu giữa được tính toán theo quan hệ mưa-dòng chảy Nhóm công tác của Dự án

số 7 [1] trong đó có tác giả của đề tài này đã đưa ra sơ đổ như hình3.1

Sơ đồ có 921 đoạn sông, 862 nút, 41 ô m ộng, 28 biên lưu lượng, 9 biên mưc nước Các sông đươc đua vào sơ đô gôm: Đa., Thao, Chay, Lo, Pho Đáy, Cầu, Thương, Lục Nam, Bùi, Tích, Bôi, Nhuệ, Đáy, Hoàng Long, Châu Giang Đào, Ninh Cơ, Đ uống, Luộc, Thái Bình, Kinh Thầy, Gùa, Mía, Mới, Tam Bạc, Kinh M ôn, Đá Bạc, Lạch Tray, Văn úc, Hoá, Trà Lý Các khu

chứa (ô ruộng) tập trung chủ yếu ở các khu phân chậm lũ Chương Mỹ-Mỹ

Đức Các công trình cơ bản là cống Vân Cốc, tràn H át M ôn, đập Đáy và các cầu Mai Lĩnh, G ián Khuất, Long Biên

Các biên lưu lượng gồm: Hoà Binh trên sỏng Đà, Yên Bái trên sông Thao Thác Bà trên sông Chảy, Tuyên Quang trên sông Lô, Quảng Cư trên sông Phó Đáy, Thác H uống trên sông Cầu, Cầu Sơn trên sông Thương, Chũ trên sông Lục Nam, Hưng Thi trên sông Bôi Các biên mực nước gồm: Do Nghi (sông Đá Bạc), Cửa Cấm (sông Cấm), Kiến An (sông Lạch Tray), Quang Phục (sông V ăn ú c ), Đông Xuyên (sông Thái Bình), Ba Lạt (sông Hổng) Phú Lễ (sông N inh Cơ), Định Cư (sông Trà Lý), Như Tân (sông

Đáy).

23