Integrated water resources planning using weap model in the cau river basin

LỜI CẢM ƠNTrong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn đề tài “Nghiên cứu chế độ thủy văn, thủy lực khu vực ngã ba sông Quảng Huế, tỉnh Quảng Nam phục vụ thiết kế giải pháp kè bảo vệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN THỊ MẾN

NGÃ BA SÔNG QUẢNG HUẾ, TỈNH QUẢNG NAM PHỤC VỤ

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn đề tài “Nghiên cứu chế

độ thủy văn, thủy lực khu vực ngã ba sông Quảng Huế, tỉnh Quảng Nam phục vụ thiết kế giải pháp kè bảo vệ bờ”, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn

và giúp đỡ tận tình, chu đáo của các thầy cô giáo trong khoa Công trình và khoa Kỹ thuật biển – Trường Đại học Thủy lợi cũng như sự giúp đỡ của Viện Quy hoạch Thủy lợi – Tổng cục Thủy lợi, Công ty Tư vấn và Chuyển giao công nghệ - Trường Đại học Thủy lợi, các chuyên gia và đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là thầy giáo PGS,TS Nguyễn Phương Mậu; PGS,TS Vũ Minh Cát người

đã dành nhiều thời gian, công sức, tận tình chỉ bảo, hướng dẫn giúp tác giả có được kiến thức để hoàn thành bản luận văn này

Do trình độ, kinh nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, trao đổi chân thành

Xin trân trọng cảm ơn!

Tôi xin cam kết rằng nội dung của bản luận văn này chưa được nộp cho bất

kỳ một chương trình cấp bằng cao học nào cũng như bất kỳ một chương trình đào tạo cấp bằng nào khác

Tôi cũng xin cam kết các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong tất cả các công trình nào trước đây Tất cả các trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài 3

III Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 4

1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng 4

2 Phương pháp 4

3 Công cụ sử dụng 4

IV Kết quả đạt được 4

V Nội dung luận văn: 5

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH VÙNG NGHIÊN CỨU 6

1.1 TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU 6

1.2 TÌNH HÌNH NGUỒN NƯỚC SÔNG VU GIA – THU BỒN, DIỄN BIẾN DÒNG CHẢY, CHẾ ĐỘ CHUYỂN NƯỚC CỦA NHÁNH QUẢNG HUẾ NHỮNG NĂM GẦN ĐÂY 10

1.2.1 Dòng chảy năm 10

1.2.2 Dòng chảy lũ, kiệt 11

1.2.3 Chế độ chuyển nước của nhánh Quảng Huế trong những năm gần đây 14

1.3 HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH TRÊN NHÁNH QUẢNG HUẾ 15

1.4 TÌNH HÌNH NGẬP LỤT VÙNG ẢNH HƯỞNG LŨ 18

1.5 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CẦN GIẢI QUYẾT 20

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN, THỦY LỰC PHỤC VỤ THIẾT KẾ 22

2.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE 11 22

2.1.1 Tổng quan mô hình MIKE 11 22

2.1.2 Các ứng dụng mô hình MIKE 11 22

2.1.3 Ứng dụng mô hình MIKE11 tại Việt Nam 23

2.2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI 25

2.2.3 Phương trình tải khuếch tán 29

2.3 SỐ LIỆU DẦU VÀO, CÁC BIÊN MÔ HÌNH 30

2.3.1 Tài liệu địa hình 32

2.3.2 Tài liệu khí tượng, thuỷ hải văn 33

2.3.3 Biên tính toán 33

2.3.4 Trạm kiểm tra 34

2.3.5 Thiết lập mô hình 35

2.4 HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 39

2.4.1 Hiệu chỉnh thông số mô hình thủy lực 39

2.4.2 Kiểm định mô hình 41

2.5 XÂY DỰNG TẬP KỊCH BẢN TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THỦY VĂN, THỦY LỰC KHU VỰC NC 42

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 49

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH 50

KÈ BỜ HỮU THƯỢNG CẦU QUẢNG HUẾ 50

TỪ K0+782,4 ĐẾN K1+442,7 50

3.1 Lý lịch công trình 50

3.2 Các thông số kỹ thuật của công trình 50

3.2.1 Xác định cao trình đỉnh kè 51

3.2.2 Các chỉ tiêu thiết kế thân kè: 54

3.2.2 Các chỉ tiêu thiết kế chân kè 55

3.3 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH MÁI KÈ 59

3.3.1 Chỉ tiêu thiết kế: 59

3.3.2 Trường hợp tính toán 60

3.3.3 Mặt cắt tính toán 60

3.3.4 Phương pháp tính toán 60

3.3.5 Kết quả tính toán 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

1 Các kết quả đạt được của luận văn 68

2 Một số vấn đề tồn tại 70

3 Kiến nghị 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Bộ Nông nghiệp & PTNT: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Lưu lượng bình quân tháng Nông Sơn và Thành Mỹ 10

Bảng 1.2: Các thông số thống kê dòng chảy tháng và năm 11

Bảng 1.3: Thời gian và tốc độ truyền lũ trên các đoạn sông 12

Bảng 1.4: Lưu lượng trung bình lũ thiết kế 13

Bảng 1.5: Lưu lượng trung bình kiệt thiết kế 13

Bảng 1.6: Lưu tốc ứng với các tần suất tại tuyến ngã ba Quảng Hế cũ – mới 13

Bảng 1.7: Thống kê thiệt hại do ngập lũ môt số năm gần đây vùng hạ lưu 18

Bảng 2.1: Tổng hợp kết quả chạy và kiểm định mô hình 41

Bảng 2.2: Thống kê chênh lệch mực nước 2 sông từ 1995 đến 2006 42

Bảng 2.3: Chênh lệch mực nước theo tần suất thiết kế (∆H = HAN – HGT) 44

Bảng 2.4: Độ dốc mặt nước ứng với tần suất thiết kế 44

Bảng 2.5: Độ dốc mặt nước ứng với tần suất thiết kế các năm 44

Bảng 3.1: Độ dốc mặt nước nhánh Vu Gia đoạn Hội Khách - Ái Nghĩa 53

Bảng 3.2: Các thông số và kết quả tính toán cũ và kết quả nghiên cứu 56

Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý đất nền sử dụng trong tính toán 59

Bảng 3.5: Kết quả tính toán ổn định mái kè 62

Hình 1.1 Vị trí tuyến kè bờ hữu sông Quảng Huế 6

Hình 1.2: Hệ thống sông ngòi lưu vực sông Vũ Gia - Thu Bồn 7

Hình 1.3: Đoạn sông nghiên cứu 10

Hình 1.4 Lũ sông Vu Gia phá bờ tạo dòng Quảng Huế mới trong năm 2001 14

Hình 1.5: Bờ hữu sông thượng lưu cầu Quảng Huế dài 660 m có nguy cơ sạt lở đe dọa tới cơ sở hạ tầng và tính mạng nhân dân xã Đại Cường sau mùa lũ năm 2007 17 Hình 1.6: Kè mỏ hàn trên sông Vu Gia, trước cửa Quảng Huế mới (11/01/2011) 17

Hình 1.7: Kè chắn sóng trên sông Vu Gia, trước cửa Quảng Huế mới 17

Hình 1.8: HL đập thứ nhất và TL đập thứ hai chặn dòng đoạn Quảng Huế mới 17

Hình 1.9: Đoạn Quảng Huế cũ sau khi được nạo vét, khơi dòng 17

Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quy luật dòng chảy trong sông 25

Hình 2.2: Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm 27

Hình 2.3: Sơ đồ khối tính toán thuỷ lực MIKE11 31

Hình 2.4: Sơ đồ thuỷ lực hệ thống tính toán 32

Hình 2.5: Thiết lập mạng sông (*.NWK11) 35

Hình 2.6: Thiết lập dữ liệu địa hình (*.XNS11) 36

Hình 2.7: Thiết lập điều kiện biên (*.BND11) 37

Hình 2.8: Thiết lập File thông số của mô hình (*.HD11) 38

Hình 2.9: Thiết lập file mô phỏng (*.sim11) 39

Hình 2.10: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình 41

Hình 2.11: MN cá c trạm Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Giao Thuỷ và Câu Lâu 41

Hình 2.12: Các vị trí xác định lưu lượng và lưu tốc 46

Hình 2.13: MN các trạm Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Giao Thuỷ và Câu Lâu 46

Hình 2.14: Lưu lượng mô phỏng khu vực công trình 47

Hình 2.15: Lưu tốc 5 mặt cắt trên Sông Quảng Huế 47

Hình 3.1: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C40 TH1 62

Hình 3.2: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C50 TH1 63

Hình 3.3: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C53 TH1 63

Hình 3.4: Tính toán Kminmin và cun g trượt mặt cắt C55 TH1 63

Hình 3.5: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C57 TH1 64

Hình 3.6: Đường bão hòa mặt cắt C40 TH2 64

Hình 3.7: Đường bão hòa mặt cắt C50 TH2 64

Hình 3.8: Đường bão hòa mặt cắt C53 TH2 65

Hình 3.9: Đường bão hòa mặt cắt C55 TH2 65

Hình 3.10: Đường bão hòa mặt cắt C57 TH2 65

Hình 3.11: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C40 TH2 66

Hình 3.12: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C50 TH2 66

Hình 3.13: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C53 TH2 66

Hình 3.14: Tính toán Kminmin và cung trượt mặt cắt C55 TH2 67

Hình 3.15: Tính toán Kmi nmin và cung trượt mặt cắt C57 TH2 67

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn là một hệ thống sông lớn ở vùng Duyên Hải Trung Trung Bộ Sông bắt nguồn từ địa bàn tỉnh Kon Tum chảy qua tỉnh Quảng Nam, Thành phố Đà Nẵng đổ ra biển Đông ở hai Cửa Đại và Cửa Hàn, diện tích lưu vực tính tới cửa ra là 10.350 km2

Tọa độ địa lí như sau:

+ 14o54’ đến 16o13’ vĩ độ Bắc

+ 107o13’ đến 108o

44’ kinh độ Đông

Có ranh giới lưu vực:

+ Phía Bắc giáp lưu vực sông Cu Đê

+ Phía Nam giáp lưu vực sông Trà Bồng và Sê San

+ Phía Tây giáp Lào

+ Phía Đông giáp biển Đông và lưu vực sông Tam Kỳ

Hệ thống gồm 2 sông chính Vũ Gia ở phía Bắc và Thu Bồn ở phía Nam Hai sông có liên hệ thuỷ lực qua khu vực sông Quảng Huế, nơi dòng chảy tập trung trong lòng dẫn về mùa kiệt và chảy tràn qua bãi từ sông Vũ Gia sang sông Thu Bồn vào mùa lũ

Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế, xã hội của miền Trung nói chung, tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng nói riêng

Mưa trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn được phân bố theo hai mùa rõ rệt theo thời gian là mùa mưa nhiều và mùa mưa ít Lượng mưa trong mùa mưa nhiều chiếm 65 ÷ 80% tổng lượng mưa năm Thời kỳ mưa lớn nhất thường tập trung vào tháng X và XI, chiếm tới 40 ÷ 50% lượng mưa cả năm Có những năm lượng mưa trong một ngày đêm lên tới trên 600mm/ngày Lượng mưa ngày đêm lớn nhất đã quan trắc được:

Đà Nẵng X1

max = 527.0mm 3-XI-1999

Thành Mỹ X1

max = 608.0mm 2-XI-1999 Tiên Phước X1

max = 532.0mm 3-XI-1999 Hội An X1

max = 658.0mm 3-XI-1999 Theo không gian lượng mưa vùng nghiên cứu thuộc vùng núi thấp và đồng bằng ven biển lượng mưa từ 2.000 ÷ 2.500 mm

Do chế độ thuỷ văn không đồng nhất với mùa lũ ngắn 4 tháng từ tháng

IX đến tháng XII và tổng lượng dòng chảy trên 80% cả năm làm khu vực ngã

ba Quảng Huế thường xuyên nước tràn bờ, xói bãi tạo lòng mới Khi mùa kiệt đến, nếu để tự nhiên thì nước sông Vũ Gia chuyển hết sang Thu Bồn gây tình trạng thiếu nước, xâm nhập mặn nghiêm trọng cho các huyện phía bắc tỉnh và thành phố Đà Nẵng

Ở khu vực cửa vào của đồng bằng duyên hải, nằm trong phạm vi hai xã Đại Cường, Đại An của huyện Đại Lộc, sông Vu Gia và sông Thu Bồn được nối với nhau bằng sông Quảng Huế, với chiều dài uốn khúc khoảng 8km Quảng Huế là nhánh sông quyết định rất lớn đến chế độ dòng chảy giữa hai sông Vu Gia, Thu Bồn Hệ thống Vu Gia và các nhánh ở hạ lưu cung cấp nước tưới và sinh hoạt cho khu vực kinh tế và dân rộng lớn bao gồm khoảng 10.000 ha đất canh tác và hơn 1.000.000 dân Tuy nhiên sau các trận lũ lớn năm 1999 và 2000, sông Quảng Huế bị cắt dòng ở khu vực xã Đại Cường, hình thành thêm một nhánh sông mới mà cửa mới cách vị trí cửa sông Quảng Huế cũ khoảng 1,7 km về phía thượng lưu và nối vào điểm cuối sông cũ với chiều dài chỉ khoảng 4 km

Sự xuất hiện của sông Quảng Huế mới làm nhánh cũ bị bồi lấp dần và sau hai năm đã bồi lấp gần như hoàn toàn, trong khi nhánh mới ngày càng mở rộng, dẫn tới tình trạng sạt lở bờ liên tục trong những năm gần đây làm nhiều nhà cửa, ruộng vườn ven sông phải di dời, hàng trăm ha đất canh tác thuộc thôn 8, 9, Ô Gia Bắc, Thanh Vân xã Đại Cường huyện Đại Lộc bị cuốn trôi

Hệ thống điện 110KV cung cấp cho xã Đại Cường bị hư hỏng nặng, đường giao thông liên huyện bị cắt đứt

Quá trình cắt dòng diễn ra phức tạp, kết quả là đoạn sông Quảng Huế mới chảy thẳng hơn, ngắn hơn, góc phân lưu thuận lợi hơn nên phần lớn lượng nước từ Vu Gia đã được chuyển sang sông Thu Bồn sẽ gây ngập lụt nghiêm trọng cho Hội An về mùa lũ và thiếu nước cho vùng hạ lưu Vu Gia về mùa kiệt dẫn đến tình trạng xâm ngập mặn vào sâu các sông trong hệ thống

Lũ lớn trên sông Vu Gia sẽ dồn sang sông Thu Bồn làm gia tăng các vùng ngập lụt mới và hình thành các khu vực diễn biến sạt lở, bồi đắp mới ở vùng

hạ lưu sông Thu Bồn Trước diễn biến phức tạp gây nhiều thiệt hại cho dân cư sinh sống nơi đây Bộ Nông nghiệp & PTNT quyết định sử dụng nguồn vốn ODA thuộc Dự án Hỗ trợ thuỷ lợi Việt Nam (VWRAP) do Ngân hàng Thế giới (WB) đầu tư và lập Tiểu Dự án Chỉnh trị sông Quảng Huế (Quảng Nam) nhằm:

- Tránh bồi lấp, suy thoái nhánh sông Vu Gia về qua Ái Nghĩa (sông Yên), phục vụ tưới 10.000ha;

- Tạo nguồn nước cho trạm bơm Cầu Đỏ, cấp nước sinh hoạt cho Thành phố Đà Nẵng;

- Tạo nguồn nước cấp cho sản xuất và sinh hoạt của dân cư vùng hạ lưu

Do vậy, việc nghiên cứu chế độ thủy lực thủy văn, phục vụ tính toán thiết kế kè bờ hữu sông Quảng Huế nhằm ổn định bờ, giảm thiểu thiệt hại do

lũ là một việc hết sức cần thiết

II Mục đích của đề tài

- Đánh giá chế độ thủy văn, thuỷ lực sông Quảng Huế vào mùa lũ

- Mô phỏng chế độ dòng chảy ứng với các kịch bản thiết kế để xác định thông số phục vụ thiết kế kè

- Thiết kế kè bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế từ K0+782,4 đến K1+442,7 bảo vệ tài sản và đời sống nhân dân xã Đại Cường, huyện Đại Lộc

III Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng

- Đối tượng nghiên cứu là dòng chảy lũ và tương tác của nó với công trình kè

- Phạm vi nghiên cứu chính là khu vực ngã ba sông Quảng Huế

- Tuy nhiên, để có được các thông số thủy động lực ở khu vực nghiên cứu, phạm vi tính toán được mở rộng cho toàn lưu vực Vũ Gia – Thu Bồn

2 Phương pháp

- Kế thừa, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ hiện

có trên thế giới cũng như trong nước Kế thừa các nghiên cứu khoa học, các

dự án liên quan trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, quan tâm chú ý đến vùng trọng tâm nghiên cứu là nhánh sông Quảng Huế

- Phương pháp điều tra phân tích tổng hợp nguyên nhân hình thành

- Phương pháp phân tích thống kê

- Phương pháp mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực

- Phương pháp chuyên gia

IV K ết quả đạt được

- Phân tích đặc điểm khu vực và những kết quả đã nghiên cứu từ đó xác định nhiệm vụ nghiên cứu

- Xây dựng tập kịch bản lũ tính toán chế độ dòng chảy

- Dựa vào kết quả tính toán thủy lực bằng mô hình Mike11 đề xuất ra phương án, tính toán thiết kế các thông số kè phù hợp

- Thiết kế kè theo phương án chọn

V Nội dung luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn được cấu trúc thành 3 chương với nội dung chính:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH VÙNG NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan vùng nghiên cứu

1.2 Tình hình nguồn nước sông Vu Gia – Thu Bồn, diễn biến dòng chảy, chế độ chuyển nước của nhánh Quảng Huế những năm gần đây

1.3 Hiện trạng các công trình trên nhánh Quảng Huế

1.4 Tình hình ngập lụt vùng ảnh hưởng lũ

1.5 Những vấn đề tồn tại cần giải quyết

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC

2.1 Giới thiệu mô hình nghiên cứu (Mike 11)

2.2 Cơ sở toán học của các mô hình và phương pháp giải

2.3 Số liệu đầu vào, các biên mô hình

2.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

2.5 Xây dựng tập kịch bản tính toán và mô phỏng xác định các thông

số thủy văn, thủy lực khu vực nghiên cứu

- Các chỉ tiêu thiết kế thân kè

- Các chỉ tiêu thiết kế chân kè

3.3 Kiểm tra ổn định mái kè

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, HIỆN TRẠNG

CÔNG TRÌNH VÙNG NGHIÊN CỨU

Khu vực xây dựng công trình thuộc xã Đại Cường huyện Đại Lộc tỉnh Quảng Nam Phạm vi công trình nằm trên nhánh sông Quảng Huế, thượng lưu cầu Quảng Huế Nằm kẹp giữa hai sông Vu Gia và sông Thu Bồn nên chịu ảnh hưởng trực tiếp chế độ thủy văn, thủy lực của hai sông

Địa hình khu vực công trình tương đối bằng phẳng, dạng bãi bồi ven sông Quảng Huế Cao độ trung bình khoảng +6,0 ÷ 7,0m thấp hơn so với cao

độ bãi vùng ven sông Vu Gia và sông Thu Bồn Xu thế địa hình khu vực thấp dần từ sông Vu Gia theo hướng sông Quảng Huế mới về sông Thu Bồn

Khu vực dân cư nằm ven bờ hữu sông Vu Gia và sông Quảng Huế mới,

cao độ trung bình khu dân cư +8,0 ÷ 9,0m Về mùa lũ cả vùng dự án đều ngập đến cao trình +10÷11m, lũ tiểu mãn ngập cao trình bãi tới +7,5m kéo dài từ 3÷4 ngày

Vùng hưởng lợi của công trình bao gồm khu dân cư dọc theo bờ hữu sông Quảng Huế Mới thuộc địa bàn xã Đại Cường huyện Đại Lộc tỉnh Quảng Nam Khu vực hạ lưu sông Thu Bồn phía Hội An và khu vực hạ lưu sông Vu Gia phía TP Đà Nẵng

Mạng lưới sông thuộc lưu vực Thu Bồn - Vu Gia nằm gọn trong tỉnh Quảng Nam và TP Đà Nẵng Nguồn nước cung cấp cho hệ thống sông chủ yếu là nước mưa với lượng mưa khá phong phú từ 1.800 ÷ 2.300 mm Tuy nhiên, do chi phối của địa hình, địa chất, thổ nhưỡng và điều kiện mặt đệm

mà lưới sông phát triển không đồng đều giữa các vùng

Th u B ån S« ng

Th u B ån S« ng

Th u B ån S« ng

Th u B ån S« ng

Th u B ån S« ng

Th u B ån S« ng

Th u B ån

S« ng

Th u B ån

S«n g C

¸i ( VuG ia) S«n g C

¸i ( VuG ia) S«n g C

¸i ( VuG ia) S«n g C

¸i ( VuG ia)

S«n g C

¸i ( VuG ia) S«n g C

¸i ( VuG ia) S«n g C

¸i ( VuG ia) S«n g C

¸i ( VuG ia)

S«n g C

¸i ( VuG ia)

Mật độ lưới sông ở các vùng như sau:

- Thượng nguồn sông Thu Bồn: 0,40 km/km2 (tính với các sông có L>10 km và có dòng chảy thường xuyên)

- Thượng nguồn sông Vu Gia: 0,33 km/km2(tính với các sông có L>10

km và có dòng chảy thường xuyên)

- Vùng hạ du sông Thu Bồn: 0,60 km/km2 (tính với các sông có L>5

km và có dòng chảy thường xuyên)

Nguồn sông từ các dãy núi phía tây của lưu vực ở độ cao trên 1000 m đến 2000 m Hệ thống sông có những đặc điểm chính sau đây:

- Các sông đều ngắn, dốc Chiều dài lớn nhất không quá 200 km

- Sông chỉ có phần thượng lưu và phần hạ lưu, không có phần trung lưu

- Lòng sông phần thượng lưu nằm gọn giữa các thung lũng núi, nhiều đoạn dốc đứng như khe Kẽm - Đá Dừng (nhánh Thu Bồn), nhưng phần lớn là các bãi sông thường xuyên có một phần ngập lũ và một phần chỉ ngập lũ khi gặp các năm lũ lớn Lòng sông chủ yếu cấu tạo là đá gốc hoặc đá phong hoá,

có nhiều thác ghềnh, dốc Vận tốc dòng chảy lớn, ngay cả khi không có lũ là trở ngại lớn cho giao thông thuỷ

- Khi ra khỏi vùng núi, sông chỉ cách biển khoảng 30 km Lòng sông chỉ rõ về mùa nước cạn, nhưng vào mùa lũ không thấy ranh giới của lòng sông và đất đai, làng mạc Do vật chất lòng sông là thành tạo rửa trôi, bào mòn trên bề mặt lưu vực được vận chuyển theo dòng nước và lắng đọng mà tạo thành với hàm lượng cát chiếm tới 70% nên rất không ổn định Có thể nói lòng sông thay đổi sau mỗi trận lũ Dưới ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên và

hệ thống cơ sở hạ tầng (bao gồm các công trình vĩnh cửu và các công trình tạm thời, kể cả hệ thống làng mạc) mà một dòng sông mới có thể được tạo ra sau một trận lũ, cũng như lấp một đoạn sông cũ đã có trước đó

Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn bao gồm hai sông chính: Sông Thu Bồn (sông Tranh, sông Khang và sông Trường) và sông Vu Gia (sông Cái, sông Bung và sông Côn) với 19 sông nhánh cấp I, 3 nhánh phân lưu là sông

Yên (Cẩm Lệ), sông Vĩnh Điện, sông Trường Giang; 36 sông nhánh cấp II;

21 nhánh cấp III và 2 nhánh sông cấp IV

Sông Thu Bồn bắt nguồn từ đỉnh Ngọc Lĩnh cao 2.598m (tỉnh Kon Tum) Độ dài sông chính từ nguồn đến cửa Hội An là 198 km, diện tích lưu vực tính đến Giao Thuỷ cách cửa Hội An 30 km là 3.835 km2 Thượng nguồn sông Thu Bồn chảy qua địa phận Kon Tum 38 km với diện tích tương ứng là

500 km2 Tại Giao Thuỷ hai sông Vu Gia và Thu Bồn có sự trao đổi dòng chảy qua sông Quảng Huế dẫn một phần nước của sông Vu Gia nhập sang sông Thu Bồn Cách Giao thuỷ 16 km về phía hạ lưu thì sông Vĩnh Điện lại dẫn một phần nước sông Thu Bồn sang trả lại sông Vu Gia

Ngoài ra, mỗi sông về phía hạ lưu còn được bổ sung thêm một số sông nhánh khác Sông Vu Gia có sông Tuý Loan (L = 28 km, F = 160 km2); S.Thu Bồn có S.Ly Ly (L = 40 km, F = 254 km2) Giữa sông Thu Bồn và sông Tam

Kỳ được nối nhau bằng con sông Trường Giang là kết quả của quá trình bồi lấp cửa Đại (Thu Bồn) và một hình thức kéo dài của các sông miền Trung

Hệ thống sông Thu Bồn có các sông Thu Bồn (S.Tranh, S.Khang và S.Trường) và sông Vu Gia (sông Cái, sông Bung và sông Côn) với 78 sông suối có chiều dài 10 km trở lên bao gồm 19 sông nhánh cấp I; 36 sông nhánh cấp II; 21 sông nhánh cấp III và 2 sông nhánh cấp IV

Ngoài ra trong hệ thống còn có 3 phân lưu là sông Yên (sông Cẩm Lệ), sông Vĩnh Điện và sông Trường Giang

Mật độ sông suối trung bình trong hệ thống sông là 0,40 km/km2

Vùng sông Cái, sông Bung, mật độ sông thay đổi từ 0,30 – 0,60 km/km2

Vùng sông Tranh, sông Khang mật độ sông thay đổi từ 0,60 – 1,0 km/km2

Các vùng khác mật độ sông suối thấp hơn

Hình 1.3: Đoạn sông nghiên cứu

BIẾN DÒNG CHẢY, CHẾ ĐỘ CHUYỂN NƯỚC CỦA NHÁNH QUẢNG HUẾ NHỮNG NĂM GẦN ĐÂY

1.2.1 Dòng chảy năm

Lưu vực Thu Bồn có trạm Nông Sơn đo dòng chảy với diện tích lưu vực là 3.150 km2 và trạm Thành Mỹ với diện tích lưu vực là 1.850 km2 đo dòng chảy trên sông Vu Gia

Trên cơ sở tài liệu thực đo, tính toán được dòng chảy bình quân tháng, năm trung bình trong thời kỳ nhiều năm như sau:

Bảng 1.1: Lưu lượng bình quân tháng Nông Sơn và Thành Mỹ

Tr ạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Nông Sơn 227,9 134,7 90,9 72,5 107,4 104,0 74,4 74,6 161,5 645,2 999,7 609,6 275,2 (% năm) 6,90 4,08 2,75 2,20 3,25 3,15 2,25 2,26 4,89 19,54 30,27 18,46 100,0 Thành Mỹ 101,2 63,5 45,4 38,0 51,2 58,2 43,0 46,3 89,4 281,9 385,7 239,8 120,3 (% năm) 7,01 4,40 3,14 2,63 3,55 4,03 2,98 3,21 6,19 19,53 26,72 16,61 100,0

Sông Vũ Gia

Sông Thu Bồn Sông Quảng Huế cũ Sông Quảng Huế mới

Theo kết quả tính toán:

Bảng 1.2: Các thông số thống kê dòng chảy tháng và năm

Từ bảng thống kê trên có thể thấy:

Dòng chảy kiệt biến động ít hơn cả về không gian lẫn thời gian

Thời gian mùa lũ dòng chảy biến động rất lớn

Tháng chuyển tiếp từ mùa kiệt sang mùa lũ kể cả lũ tiểu mãn dòng chảy

biến động rất lớn

Dòng chảy năm ít biến đổi mặc dù sự biến đổi khí hậu làm tăng cường mưa lũ và sự biến đổi bề mặt lưu vực do các hoạt động chặt phá rừng, đốt nương rẫy lấy đất làm nông nghiệp v.v làm thay đổi chế độ dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt

1.2.2 Dòng chảy lũ, kiệt

Mưa lớn là nguyên nhân sinh ra lũ lụt sông ngòi và xói mòn trên lưu vực làm ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống, sản xuất và giao thông Mưa

lớn được hình thành do nhiều loại hình thời tiết khác nhau Những trận mưa lớn ở miền Trung phần lớn do bão, áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh, hội tụ nhiệt đới, không khí lạnh và sự phối hợp hoạt động của giải hội tụ nhiệt đới hay cao áp Thái Bình Dương gây ra Các hình thái này hoạt động riêng lẻ hoặc phối hợp với nhau gây nên những trận mưa lớn và đặc biệt lớn trên diện rộng Trận mưa lớn nhất quan trắc được trên lưu vực rơi vào đầu tháng XI năm 1999 đã xảy ra trên diện rộng, lượng mưa một ngày lớn nhất đạt tại hầu hết các trạm trên lưu vực sông Vu Gia trừ một số trạm vùng thượng nguồn sông Thu Bồn Đặc điểm lũ ở các sông tỉnh Quảng Nam cũng như các sông thuộc các tỉnh miền Trung tập trung nước rất nhanh, cường suất mực nước lớn, biên độ cao Lũ lên nhanh và rút nhanh, rất khó khăn trong công tác dự báo và phòng tránh lũ lụt

Bảng 1.3: Thời gian và tốc độ truyền lũ trên các đoạn sông

Sông Đoạn Từ - đến (km) L Tgian truyền lũ (h) Tốc độ truyền (km/h) TB Max Min TB Max Min

THU

BỒN

1 Sơn Tân - Nông Sơn 19,0 3,5 5,0 2,0 5,4 9,5 3,8

2 Nông S ơn-Giao Thuỷ 26,0 5,2 7,0 3,0 5,0 8,7 3,7

3 Giao T huỷ - Cao Lâu 23,0 7,4 11,0 6,0 3,1 3,8 2,1

Ái Nghĩa - Cẩm Lệ 23,0 15,6 22,0 10,0 1,5 2,3 1,0 Tốc độ truyền lũ trên cả hai nhánh rất nhanh, tuy nhiên trên sông Thu Bồn nhanh hơn trên nhánh Vu Gia Khi có lũ xuất hiện tại Sơn Tân (Thu Bồn), trung bình chỉ khoảng 16 giờ sau (nhanh nhất là 11 giờ) thì lũ đã xuất hiện ở Câu Lâu cách Sơn Tân đến 70 km Trên sông Vu Gia khoảng cách từ Thành Mỹ đến Cẩm Lệ là 63 km theo đường sông có thời gian truyền lũ dài nhất là 23 giờ, ngắn nhất là 15 giờ

Tốc độ truyền lũ giảm rất nhanh từ thượng lưu về hạ lưu Vùng hạ lưu sông Vu Gia từ Ái Nghĩa tới Cẩm Lệ, tốc độ truyền lũ nhỏ hơn nhiều đoạn hạ lưu sông Thu Bồn từ Giao Thuỷ đến Câu Lâu Lũ xảy ra trên 2 lưu vực Thu Bồn và Vu Gia khá đồng pha với nhau - một đặc điểm của các sông miền Trung có diện tích không lớn, mặt đệm khá đồng đều nên nguyên nhân gây mưa thường bao trùm lên toàn lưu vực Do tổ hợp đồng pha, nên lũ hạ lưu thường khá lớn và trải đều trên vùng đồng bằng hẹp của hạ lưu 2 sông

Do địa hình dốc, hẹp nên tốc độ dòng chảy, biên độ và cường suất lũ khá lớn, tuy nhiên các đặc trưng này thay đổi theo từng đoạn sông Trên hai nhánh sông có hai trạm thuỷ văn nên có thể dẫn ra các số liệu về các đặc trưng này

Bảng 1.4: Lưu lượng trung bình lũ thiết kế

Bảng 1.5: Lưu lượng trung bình kiệt thiết kế

1.2.3 Chế độ chuyển nước của nhánh Quảng Huế trong những năm gần đây

Sông Vu Gia là một trong hai nhánh sông chủ yếu của hệ thống sông Thu Bồn, nằm bên trái sông Thu Bồn, thuộc địa phận các huyện Nam Giang, Đại Lộc, Điện Bàn và hạ lưu là huyện Hòa Vang thuộc TP Đà Nẵng

Từ rất xa xưa, ông cha ta đã đào sông Quảng Huế nhằm chuyển một phần nước từ nhánh Vũ Gia vốn có nguồn nước dồi dào hơn sang nhánh Thu Bồn nhằm cung cấp thêm nước cho dân sinh và các hoạt động kinh tế vào thời

kỳ mùa khô hạn Dòng Quảng Huế ban đầu như một kênh nối thẳng, nhưng

do quy luật tự nhiên của dòng sông, sau nhiều năm dòng sông đã uốn cong đi

và chiều dài đã tới 8 km trở thành một đoạn sông cong điển hình

Do chế độ thuỷ văn rất không đều với mùa lũ 4 tháng từ tháng IX đến tháng XII, nhưng tổng lượng dòng chảy trên 80% cả năm làm khu vực ngã ba Quảng Huế thường xuyên nước tràn bờ, xói bãi tạo lòng mới Quảng Huế là nhánh sông quyết định rất lớn đến chế độ dòng chảy lũ và kiệt giữa hai sông

Vu Gia, Thu Bồn Hệ thống Vu Gia và các nhánh ở hạ lưu cung cấp nước tưới

và sinh hoạt cho khu vực kinh tế và dân rộng lớn bao gồm khoảng 10.000 ha đất canh tác và hơn 1.000.000 dân Tuy nhiên sau các trận lũ lớn năm 1999 và

2000, trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn xảy ra diễn biến đặc biệt Sông Quảng Huế bị cắt dòng ở khu vực Đại Cường hình thành nhánh Quảng Huế mới

1.3 HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH TRÊN NHÁNH QUẢNG HUẾ

Trước tình hình diễn ra phức tạp trên nhánh sông, nhân dân địa phương

đã xử lý tạm thời năm 2000 Sau đó, lũ sông Vu Gia lại phá tiếp Bộ Nông nghiệp & PTNT và UBND tỉnh Quảng Nam đã tập trung xử lý Tháng 6 năm

2001, Viện Khoa học Thủy lợi đã đề xuất giải pháp ổn định tạm thời cho khu vực trong mùa lũ 2002 Các công trình đập tạm và kè bờ đưa ra đã phát huy tác dụng tích cực trong giai đoạn từ 2002÷2005 Tuy nhiên do việc lựa chọn cao trình đập chưa hợp lý nên dòng chảy vẫn tập trung nhiều về sông Quảng Huế mới, sông Quảng Huế cũ tiếp tục bị bồi lấp và hạ du Vu Gia tiếp tục dấu hiệu suy thoái Trận lũ năm 2006 phá hỏng nặng và sau đó 2007 Bộ Nông nghiệp & PTNT quyết định sử dụng nguồn vốn ODA trong Dự án Hỗ trợ thuỷ lợi Việt Nam (VWRAP) do Ngân hàng Thế giới (WB) đầu tư và lập Tiểu Dự

án Chỉnh trị sông Quảng Huế (Quảng Nam)

Các hạng mục công trình như sau:

- Phía cửa vào sông Quảng Huế mới (bờ hữu sông Vu Gia): Làm 7 mỏ hàn (04 kè mỏ hàn đá đổ và 03 kè mỏ hàn lái dòng bằng cọc BTCT), kè bảo

vệ bờ hữu sông Vu Gia và hoành triệt cửa vào đạt cao trình +7,5m

- Làm 02 đập khoá trên sông Quảng Huế mới (đập khoá 1, cao trình +7,5m; đập khoá 2, cao trình +7,0m)

- Hoành triệt cửa ra sông Quảng Huế mới đạt cao trình +6,5m

Do tính phức tạp của khu vực khi thực hiện các hạng mục công trình trên Bộ Nông nghiệp & PTNT đã giao cho công ty Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực chỉnh trị sông Quảng

Huế Từ đó bổ sung cho thiết kế hệ thống công trình chỉnh trị tổng thể sông Quảng Huế mới

Có thể thấy các công trình này đã được nghiên cứu rất cẩn thận bằng

mô hình toán và mô hình vật lý

Trong đợt lũ lớn tại miền Trung tháng 10 & 11/2010 vừa qua, trận lũ ngày 16/10/2010 làm hư hỏng 40m vai trái đoạn kè G1 (phần gia cố cửa ra)

Ngày 15/1/2011 các bên đã chính thức tiến hành bàn giao công trình chỉnh trị sông Quảng Huế (giai đoạn 1) cho huyện Đại Lộc Công trình có tổng vốn đầu tư 178 tỷ đồng, được khởi công xây dựng vào đầu tháng 3/2009 Riêng trong giai đoạn 1, Ban Quản lý đầu tư - xây dựng thủy lợi 6 đã đầu tư

117 tỷ đồng để chỉnh trị khu vực cửa vào và cửa ra của dòng Quảng Huế trên đoạn sông Vu Gia - Quảng Huế; kè mới có tổng chiều dài 2.050m bờ sông

bằng đá hộc, gia cố một số điểm kè cũ bị hư hỏng nặng trong đợt lũ năm 2007; xây 7 mỏ hàn, nạo vét bãi bồi bờ trái theo tuyến và mặt cắt chỉnh trị thiết kế Đồng thời, lấp dòng Quảng Huế mới, thi công 2 đập khóa với cao trình đỉnh từ 7 - 7,5m, trồng tre bảo vệ bãi và xây dựng nhà quản lý 2 tầng…

Sau khi làm các công trình kè kiên cố thì trận lũ ngày 15/11/2010, mực nước cao nhất ở Vu Gia (cửa vào sông Quảng Huế mới) đạt cao trình +9,6m, toàn bộ công trình vẫn an toàn

Hình 1.5: Bờ hữu sông thượng lưu cầu Quảng Huế dài 660 m có nguy cơ sạt lở đe dọa tới cơ sở hạ tầng và tính mạng nhân dân xã Đại Cường sau mùa lũ năm 2007

được nạo vét, khơi dòng

1.4 TÌNH HÌNH NGẬP LỤT VÙNG ẢNH HƯỞNG LŨ

Hình thành nhánh Quảng Huế mới chảy thẳng và ngắn hơn, góc phân lưu thuận hơn nên việc chuyển nước từ sông Vũ Gia sang sông Thu Bồn tăng lên đáng kể so với trước đây Vì vậy vào mùa lũ, khi có lũ lớn trên sông Vu Gia sẽ dồn sang sông Thu Bồn làm gia tăng các vùng ngập lụt mới và hình thành các khu vực diễn biến sạt lở, xói bồi mới ở phía hạ lưu

Trong vòng 50 năm gần đây có tới hơn 10 trận lũ lớn là lũ năm 1964,

1972, 1978, 1983, 1991, 1996, 1998 và 1999, 2003, 2007, 2009

Mưa lũ gây ngập lụt và thiệt hại về người và tài sản cho tỉnh Quảng Nam Thiệt hại do lũ lụt gây ra có xu hướng tăng lên trong những năm gần đây:

Năm 1996: Số người chết 99 người, tổng thiệt hại 220 tỷ đồng

Năm 1997: Số người chết 55 người, tổng thiệt hại 563,7 tỷ đồng

Năm 1998: Số người chết 115 người, tổng thiệt hại 757,9 tỷ đồng

Năm 1999: Thiệt hại do lũ gây ra khoảng 758 tỷ đồng, trong đó trận lũ tháng XI thiệt hại 392 tỷ và trận tháng XII thiệt hại 366 tỷ, chưa kể các tác động xấu đến môi trường tự nhiên, ô nhiễm nguồn nước

Năm 2007: Số người chết 26 người, tổng thiệt hại khoảng 1.500 tỷ đồng

Năm 2009: Số người chết 52 người, tổng thiệt hại khoảng 3.700 tỷ đồng [3]

Bảng 1.7: Thống kê thiệt hại do ngập lũ môt số năm gần đây vùng hạ lưu

1996 1998 1999 2007 2009

21 Công trình thuỷ lợi nhỏ

22 Đường thủy bị sạt lở m3 548.000 1.041.902 1.517.840

24 Cầu cống hư hại cái - 779 1.712

1.5 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CẦN GIẢI QUYẾT

Sau trận lũ lớn năm 1999 và 2000, xuất hiện Quảng Huế mới, nhánh Quảng Huế cũ bị yếu dần và chỉ sau hai năm đã bồi lấp rất lớn Quảng Huế mới được hình thành ngày càng mở rộng và liên tục gây sạt lở nghiêm trọng khu vực ven sông Nhiều nhà cửa ven sông phải di dời, hàng trăm ha đất canh tác thuộc thôn 8, 9, Ô Gia Bắc, Thanh Vân xã Đại Cường huyện Đại Lộc bị sạt lở và cuốn trôi Hệ thống điện 110KV cung cấp cho xã Đại Cường bị hư hỏng nặng, đường giao thông liên huyện bị cắt đứt

Việc hình thành các vùng ngập lụt mới, hình thành các khu vực diễn biến sạt lở, xói bồi mới ở phía hạ du sông Quảng Huế vào mùa lũ đang diễn ra hết sức phức tạp Liên tiếp trong các tháng 8÷10/2007 do ảnh hưởng của cơn bão số 2 và số 5 sông Quảng Huế mới cắt dòng hoạt động trở lại Bờ hữu sông Quảng Huế mới và cũ bị xói lở nghiêm trọng Đặc biệt là đoạn dòng chảy Quảng Huế mới đoạn trước cầu Quảng Huế khoảng 660m lòng sông phía giáp

bờ hữu hình thành một lạch sâu mới sâu hơn lòng sông cũ 1÷4 m và có xu hướng gây mất ổn định cho bờ hữu

Do tính cấp thiết để đảm bảo chống sạt lở bờ hữu sông Quảng Huế, xã Đại Cường hạng mục công trình gia cố đoạn bờ hữu thượng lưu cầu Quảng Huế đoạn K0+782,4÷K1+442,7 khi tính toán thiết kế chưa nghiên cứu tính toán đến chế độ thủy lực của nhánh Quảng Huế Vì vậy trong đê tài nghiên cứu này đưa ra xem xét chế độ thủy văn, thủy lực của nhánh Quảng Huế thông qua sử dụng mô hình toán

Trường hợp sử dụng mô hình toán 2 hay 3 chiều: Để có một nghiên cứu toàn diện cho khu vực theo hướng mô hình toán thì tốt nhất là sử dụng mô hình 2 hoặc 3 chiều cho toàn hệ thống Nhưng theo hướng này thì yêu cầu số liệu quá nhiều mà điều kiện hiện tại không thể đáp ứng nổi Mặt khác khối lượng tính toán sẽ rất đồ sộ, bộ nhớ của các máy tính hiện có khó có thể quản

lý hết được và không đảm bảo về mặt thời gian Khi tính toán như vậy, sai số

lũy tích cũng sẽ rất lớn, nếu đầu vào không đảm bảo, chưa xét tới những khía cạnh khác Vì vậy việc sử dụng mô hình toán 2 hay 3 chiều trong điều kiện hiện không khả quan

Với mong muốn tăng tính ổn định cho khu vực, phải đánh giá lại một cách toàn diện diễn biến của khu vực ngã ba sông Quảng Huế về chế độ thủy văn, thủy lực cho khu vực nghiên cứu Từ điều kiện thực tế đó tác giả nghiên cứu mô hình một chiều MIKE11 góp phần đưa ra thông số về mực nước, vận tốc, tốc độ rút nước nhanh để tính toán thiết kế kè bờ hữu thượng cầu Quảng Huế từ K0+782,4 đến K1+442,7 phù hợp với chế độ dòng chảy

CHƯƠNG 2

PHỤC VỤ THIẾT KẾ

2.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE 11

2.1.1 Tổng quan mô hình MIKE 11

MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác

MIKE 11 là mô hình động lực một chiều được sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho mạng sông có tổ hợp nhiều công trình trên hệ thống cũng như hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ tính toán cao MIKE 11 tạo ra môi trường hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch

Modul thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của mô hình MIKE

11 và là modul cơ bản trợ giúp cho hầu hết các modul khác bao gồm dự báo

lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các modul vận chuyển bùn cát không hoặc có cố kết Các công trình được mô phỏng trong MIKE 11 bao gồm:

- Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

- Mô phỏng dòng chảy trong hệ thống sông, kênh

- Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước

- Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

- Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông MIKE11 là chương trình tính thuỷ lực có thể áp dụng với chế động sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao Trong chế độ này MIKE 11 có khả năng tính toán với:

- Dòng chảy biến đổi nhanh

- Đoạn sông chịu ảnh hưởng thuỷ triều

- Sóng lũ

- Lòng dẫn có độ dốc lớn

Các ứng dụng liên quan đến modul MIKE11 AD nghiên cứu truyền tải vật chất một chiều như quá trình xâm nhập mặn, phân bố các thành phần chất lượng nước, hiện tượng phì dưỡng trong sông

2.1.3 Ứng dụng mô hình MIKE11 tại Việt Nam

Ở Việt Nam mô hình thủy động lực học kênh hở đã được đầu tư nghiên cứu và phát triển từ hàng thập kỷ trước Nhiều mô hình toán đã được xây dựng hoàn chỉnh và đưa vào tính toán thực tế, đáp ứng được yêu cầu của công tác qui hoạch, quản lí nguồn nước, giảm nhẹ thiên tai ở Việt Nam Thông dụng nhất có thể kể đến mô hình của cố giáo sư anh hùng lao động Nguyễn Như Khuê VRSAP Đây là mô hình thủy động lực dòng chảy một chiều trong kênh hở, bãi sông, vùng ngập lũ VRSAP được giải theo sơ đồ ẩn và ổn định trong mọi điều kiện và là mô hình thủy động tiêu biểu của Việt Nam Một mô hình khác là KOD do giáo sư, tiến sĩ Nguyễn Ân Niên phát triển được giải theo sơ đồ hiện và cũng được ứng dụng rộng rãi

Ngoài ra ở Việt Nam, một số mô hình trong nước khác cũng được sử dụng khá phổ biến là các mô hình thương mại phát triển từ các nước phát triển như SOBEK, ISIS, HECRAS, MIKE…

Bộ mô hình MIKE của viện thủy lực Đan Mạch (DHI) đã được giới thiệu ở Việt Nam gần đây, trong đó MIKE11 là một trong những thành phần chính Mô hình MIKE11 là loại mô hình toán sử dụng phương trình St Venant mô phỏng dòng chảy trong sông, liên kết với vùng ngập lũ Mô hình

có một số ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác như:

- Kết nối với GIS

- Kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào – dòng chảy NAM, mô hình thủy động lực học 2 chiều MIKE

21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE)

- Tính toán chuyển tải chất khuếch tán

- Vận hành công trình

- Tính toán quá trình phú dưỡng…

MIKE11 là mô hình được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, là sản phẩm được phát triển và không ngừng cải tiến trong hơn 20 năm nay và đã được ứng dụng vào nhiều vấn đề sông, cửa sông, hồ chứa và các hệ thống kênh hở tại khoảng 100 quốc gia Là một mô hình thủy động lực một chiều gồm giải pháp toàn diện của hệ phương trình St Venant và nhiều modul được

bổ sung đối với tải khuếch tán, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát, mưa – dòng chảy, mô hình sinh thái, dự báo lũ, mô hình vỡ đập… MIKE 11 là một

mô hình số hiện đại có khả năng mô phỏng hầu hết các chế độ thủy lực sông Thực tế các cơ quan như Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Khí tượng Thủy Văn, Viện Quy hoạch, trung tâm dự báo khí tượng thủy văn quốc gia… đã sử dụng

mô hình MIKE11 rất thành công trong việc dự báo lũ cho đồng bằng sông Hồng - Thái Bình, hệ thống sông Cả và rất nhiều lưu vực sông khác ở nước ta

Chính vì lẽ đó mà MIKE 11 đã trở thành một công cụ hữu ích để mô phỏng

và giải quyết các bài toán lũ ở hầu hết các lưu vực sông ở Việt Nam

2.2.1 Hệ Phương trình Saint Venant

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint Venant, viết ra dưới dạng thực hành cho bài toán không gian một chiều, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dòng chảy dọc theo chiều dài dòng sông, kênh và theo thời gian

Hệ phương trình Saint Venant gồm hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng:

q t

A x

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

R C

V V x

V V g t

V g x

Trong đó:

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

h: Cao trình mực nước ở thời đoạn tính toán (m)

t: Thời gian tính toán (s)

Q: Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3

/s) V: Tốc độ nước chảy qua mặt cắt ngang sông

x: Chiều dọc theo hướng dòng chảy (m)

β: Hệ số phân bố lưu tốc không đều trên mặt cắt

A: Diện tích mặt cắt ướt (m2

) q: Lưu lượng ra nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m2

/s)

C: Hệ số Chezy, được tính theo công thức: y

R n

2.2.2 Thuật toán trong mô hình MIKE11

Hệ phương trình vi phân (1) và (2) là hệ phương trình vi phân phi tuyến, có hệ số biến đổi Các nghiệm cần tìm là Q và Z là hàm số của các biến độc lập x, t Nhưng các tham số A và V lại là hàm số của Q và Z nên không giải được bằng phương pháp giải tích, mà giải gần đúng theo phương pháp sai phân Từ hệ phương trình Saint Venant, ta có hai phương trình viết theo Q và h:

q t

h b x

Q

∂

∂ +

∂

∂

0 )

( 1

2

2

= +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

RA C

Q Q g x

h gA h

Q x B t

Giải hệ phương trình vi phân trên theo phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Ionescu 6-point) sẽ xác định được giá trị lưu lượng, mực nước tại mọi đoạn sông, mọi mặt cắt ngang trong mạng sông và mọi thời điểm trong khoảng thời gian nghiên cứu

Xét một đoạn sông dài 2∆x trong thời gian ∆t:

Phương trình liên tục được sai phân hoá tại bước thời gian n+ 12

:

x

Q Q

Q Q

x Q

n j

n j

n j

n j

+ +

*2

22

)

t

h h t

n j

Trong đó chỉ số bên dưới trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh và chỉ số bên trên chỉ khoảng thời gian

Ao,j: diện tích khống chế bởi hai điểm lưới j-1 và j

Ao,j+1: diện tích khống chế bởi hai điểm lưới j và j+1

2∆x: Khoảng cách giữa hai điểm j-1 và j+1

Thế vào phương trình (3) ta được phương trình

x

Q Q

+ +

*2

22

j Q β h γ Q δ

+ +

+

1 1

n j

h x h

n j

n j

n j

n j

+ +

*2

22

)

x A

Q A

Q

A

Q x

n

j n

1

2

αTrong đó tính gần đúng với:

j n j n

j n

j Q Q Q Q

Thay vào phương trình (4) ta được một phương trình có dạng:

j n j j n j j n j

j h β Q γ h δ

+ +

+

1 1

j h Q h Q

Như vậy, nhờ phương pháp sai phân và tuyến tính hoá, ta đã biến đổi hai phương trình Saint-Venant (3) & (4) thành hai phương trình đại số bậc nhất (5) & (6) Các hệ số của hệ phương trình này đều có quan hệ với các ẩn

số Q, h

2.2 3 Phương trình tải khuếch tán

Phương trình tải khuếch tán hay còn gọi là phương trình bảo toàn khối lượng chất hoà tan một chiều có dạng như sau:

x

C AD x x

QC t

AC

2 )

∂

∂

(7) Trong đó:

C: Nồng độ chất tan

D: hệ số phân tán

A: Diện tích mặt cắt ngang sông

K: Hệ số phân huỷ tuyến tính

C2: Nồng độ chất hoà tan tại nguồn

Việc nghiên cứu khu vực ngã ba sông Quảng Huế không thể chỉ bó gọn trong không gian đó mà phải tính toán cho toàn hệ thống sông Vũ Gia - Thu Bồn vì mối liên hệ thủy lực giữa các nhánh sông