1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM THỊ KIM PHỤNG
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HEC - RAS ĐỂ XÁC ĐỊNH
VÙNG NGẬP LỤT THƯỢNG LƯU HỒ CHỨA NƯỚC
ĐĂK MI 4
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
MÃ SỐ: 60.58.40
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại:
• Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
• Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng.
1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn thuộc tỉnh Quảng Nam, một phần tỉnh Kon
Tum (ở thượng nguồn) và Thành phố Đà Nẵng. Là sông có tiềm năng kinh tế kỹ thuật
thủy ñiện gần 5 tỷ kWh/năm, ñứng thứ 4 trong các sông ở Việt Nam sau sông Đà,
sông Đồng Nai và sông Sê San. Trong tình hình thiếu hụt nghiêm trọng nguồn cung
cấp năng lượng hiện tại và tương lai, việc xây dựng các công trình thủy ñiện - thủy
lợi trên hệ thống sông này sẽ bổ sung lượng ñiện năng ñáng kể vào hệ thống ñiện
Quốc gia, ngoài ra nó còn góp phần thúc ñẩy cho sự phát triển Kinh tế, xã hội cho
khu vực miền Trung và ñất nước. Đặc biệt, với tiềm năng dồi dào chưa ñược khai
thác, tỉnh Quảng Nam có nhiều ñiều kiện phát triển một cách toàn diện và hiện ñại.
Để ñảm bảo cho sự phát triển kinh tế khu vực, ñòi hỏi phải xây dựng cơ sở hạ tầng,
trong ñó nổi bật nhất là giao thông, ñiện và nước.
Công trình thủy ñiện Đăk Mi 4 ñược khai thác theo sơ ñồ 2 bậc: Bậc trên sử
dụng nguồn nước của sông Đak Mi ñể tạo thành hồ chính trên sông Đak Mi và một
ñường hầm chuyển nước sang sông ngọn Thu Bồn với chênh lệch cột nước là 152 m.
Bậc dưới tận dụng lại nguồn nước sau Nhà máy Đak Mi 4 bậc trên và phụ lưu của
sông ngọn Thu Bồn có chênh lệch cột nước là 39 m.
Công trình thủy ñiện Đak Mi 4 sẽ góp phần bổ sung nguồn năng lượng vào hệ
thống ñiện Quốc gia với tổng công suất lắp ñặt 190 MW và ñiện lượng hàng năm
khoảng 768.4 triệu kWh.
Trong quy hoạch thiết kế thủy ñiện, kết quả chính xác của việc nghiên cứu các

hướng qui hoạch lòng hồ; là cơ sở ñể dự báo khả năng ngập lũ và ñề ra chế ñộ vận
hành nhằm nâng cao khả năng thoát lũ hồ Đăk Mi ñảm bảo an toàn cho vùng thượng
lưu lưu vực hệ thống sông Đăk Mi.
6. Bố cục của luận văn
Luận văn ngoài phần mở ñầu, kết luận và kiến nghị, gồm có 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về công trình thủy ñiện Đăk Mi 4
Chương 2: Các phương pháp tính lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4
Chương 3: Ứng dụng mô hình Hec – ras tính ngập lụt vùng thượng lưu hồ chứa
nước Đăk Mi4
3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐĂK MI 4
1.1.Đặc ñiểm và ñiều kiện tự nhiên lưu vực hồ chứa nước Đăk Mi 4
Công trình thủy ñiện Đak Mi 4 ñược khai thác theo sơ ñồ 2 bậc: Bậc trên sử
dụng nguồn nước của sông Đak Mi ñể tạo thành hồ chính trên sông Đak Mi và một
ñường hầm chuyển nước sang sông ngọn Thu Bồn với chênh lệch cột nước là 152m.
Công trình thủy ñiện Đak Mi 4 có tuyến ñập bậc trên nằm trên sông Đak Mi, lưu vực
sông ñến tuyến ñập có diện tích 1.125 km
2
, chiều dài sông 76 km, ñộ dốc lòng sông
26,7
o
/
oo
, ñộ cao trung bình lưu vực 950 m. Sông Đăk Mi là phần thượng lưu của sông
Cái, một trong các sông lớn của hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn. Sông Cái bắt nguồn
từ các ñỉnh núi thuộc dãy Trường Sơn, chảy theo hướng Bắc – Nam, gia nhập với
sông Bung. Từ nhập lưu này sông có tên Vu Gia và chảy theo hướng Tây-Đông, ñổ
vào Biển Đông.
1.1.1. Vị trí ñịa lý


-Độ ẩm của không khí: Độ ẩm không khí ở khu vực khá lớn, giá trị trung bình năm
tại trạm Trà Mi ñạt 87%, giá trị trung bình tháng giữa các tháng trong năm chênh lệch
không nhiều, ñộ ẩm lớn nhất hầu như ñạt 100%, ñộ ẩm nhỏ nhất trung bình ñạt 38%.
-Mưa: Mùa mưa ở khu vực này thường bắt ñầu vào tháng IX và kết thúc vào tháng
XII, lượng mưa 4 tháng mùa mưa chiếm khoảng 70% lượng mưa năm. Các tháng V
và VI không phải mùa mưa nhưng thường có lượng mưa khá lớn, ñây là nguyên nhân
sinh ra lũ tiểu mãn ở khu vực này.
-Gió: Các ñặc trưng về gió lấy theo trạm Trà Mi, tài liệu quan trắc từ 1978-2005. Khu
vực này có 2 mùa gió rõ rệt, từ tháng III ñến tháng VIII hướng gió thịnh hành là
Đông và Đông Nam, từ tháng IX ñến tháng II năm sau hướng gió thịnh hành là Bắc
và Đông Bắc. Tốc ñộ gió trung bình năm là: 2,2 m/s.
-Bốc hơi: Do ñộ ẩm không khí lớn nên lượng bốc hơi nhỏ. Các tháng mùa mưa có
lượng bốc hơi nhỏ và ngược lại các tháng mùa khô có lượng bốc hơi lớn. Lượng bốc
hơi Piche tại Trà Mi trung bình năm là: 660 mm.
1.1.3.2.Đặc ñiểm dòng chảy
Trạm thuỷ văn Thành Mỹ trên sông Cái (phần hạ du sông Đak Mi) có tài liệu
dòng chảy thực ño từ 1977-2008. Lưu lượng trung bình tháng, năm 1976 tại trạm
Thành Mỹ ñược tính theo tương quan dòng chảy Nông Sơn - Thành Mỹ năm
1977. Dòng chảy tháng trạm Thành Mỹ ñã bổ sung năm 1976 như bảng 1.10 .
Dòng chảy của sông Đak Mi và khu vực lân cận có hai mùa rõ rệt. Mùa lũ từ tháng X
ñến tháng XII, mùa kiệt từ tháng I ñến tháng IX năm sau. Mùa lũ tuy ngắn (chỉ trong
3 tháng), nhưng lượng nước mùa lũ chiếm khoảng 60% ÷ 70% lượng nước cả năm.
Ngược lại mùa cạn kéo dài tới 9 tháng nhưng chỉ chiếm khoảng 30% ÷ 40% lượng
nước cả năm. Lưu lượng giảm dần từ tháng I ñến tháng IV, tháng V-VI dòng chảy
tăng lên nhờ mưa tiểu mãn. Tháng kiệt nhất trong năm thường là tháng IV.
1.1.4.Điều kiện ñịa chất, thổ nhưỡng công trình
1.1.4.1.Lịch sử ñịa chất
1.1.4.2.Kiến tạo
1.1.4.3.Điều kiện ñịa chất các tuyến công trình(tuyến ñập chính và tràn)

1.3.1.Các nghiên cứu trước ñây
Nghiên cứu về sử dụng nguồn nước sông Đak Mi ñã ñược thực hiện từ những
năm 70 của thế kỷ 20. Một trong những nghiên cứu có hệ thống ñã ñược Ủy ban
Quốc gia sông Mê Kông thực hiện năm 1972. Đó là “Deck Study for Water
Resources Projects in Vietnam”. Theo nghiên cứu này, sông Đak Mi ñược khai thác
6

với mục ñích năng lượng gồm bốn nhà máy thủy ñiện Đak Mi 1, 2, 3 và 4 với các
công suất lắp ñặt tương ứng là 50, 55, 27 và 22 MW.
1.3.2.Các nghiên cứu gần ñây
Nghiên cứu gần ñây là Quy hoạch hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn ñược Công
ty Tư vấn Xây dựng Điện 1 thực hiện từ năm 1998 ñến năm 2003. Theo báo cáo Quy
hoạch hệ thống sông Vũ Gia – Thu Bồn này, công trình Đak Mi 4 nằm trong hệ thống
như sau:
Bảng 1.27.Quy hoạch hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn
No

Thông
số
Đv Sông
Bung
2
Sông
Bung
4
Sông
Giằng
2
A
Vương

Wh
379 833 231 753 850 787 513 249
5
B/C
- 1.09 1.45 1.04 1.44 1.29 1.36 1.17 1.26
6
EIRR
% 11.90

22.77

10.85

20.93

15.92

19.22

13.43

17.82Với phương án Quy hoạch như trên, công trình Đak Mi 4 có các chỉ tiêu kinh
tế tương ñối tốt và ñược kiến nghị nghiên cứu tiếp.


+ Xem sông Đăk Mi tuyến thượng nguồn ñập Đăk Mi 4 có mực nước ổn ñịnh
không ñổi như mực nước hồ chứa trong từng thời ñoạn nhỏ là không chính xác. Thực
chất sông Đăk Mi là dòng chảy không ổn ñịnh có ñộ dốc mực nước trong sông.
+ Xem chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu công trình không ñổi trong từng
thời ñoạn nhỏ là không chính xác.
2.2. Tính toán lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 theo mô hình toán:
Sử dụng mô hình toán mô phỏng quá trình thủy lực trong hệ thống bằng các
phương trình toán học. Loại mô hình này có tính mềm dẻo ñáp ứng ñược với nhiều
bài toán kích cỡ khác nhau, ñiều kiện biên khác nhau.
Với sự phát triển nhanh chóng của các thế hệ máy tính, mô hình toán là một
công cụ mạnh, nhanh và kinh tế trong việc tìm ra các lời giải trong các phương án
quy hoạch khác nhau.
8

Về mặt học thuật, hiện nay ñã có các mô hình phức tạp, như mô hình một
chiều, hai chiều, ba chiều mô tả ñược dòng chảy thực không ổn ñịnh trong sông, hồ.
2.3.Các mô hình toán thủy lực tính lũ một chiều
Hiện nay, ñể tính toán thủy lực có rất nhiều phần mềm nổi tiếng mô phỏng dòng chảy
một chiều trên sông, chẳng hạn như những phần mềm sau:
Phần mềm MIKE 11 của Đan Mạch (một chiều – 1D)
Phần mềm MACARET của Pháp (1D)
Phần mềm HES- RAS của Mỹ (1D)
Phần mềm TELEMAC của Pháp (1D kết nối với 2D)
Phần mềm SMS của Mỹ (1D kết nối với 2D),…
Các mô hình trên khá mạnh, có khả năng mô phỏng các hiện tượng thủy lực
phức tạp, có tính tự ñộng hóa cao.
Trong nước, hiện có các phần mềm mô phỏng dòng chảy, mực nước cũng như
nồng ñộ mặn của hệ thống mạng lưới sông ñồng bằng như:
Mô hình VRSAP của cố Phó Giáo sư Nguyễn Như Khuê
Mô hình SAL của Phó Giáo sư Nguyễn Tất Đắc

THƯỢNG LƯU HỒ CHỨA NƯỚC ĐĂK MI 4
3.1. Mô hình toán Hec-Ras
Luận văn áp dụng mô hình Hec-Ras 4.0 do quân ñội Hoa kỳ xây dựng và phát
triển. Đây là mô hình toán một chiều (1D) bao gồm hai phần: mô hình thủy lực và mô
hình truyền chất.
HEC-RAS ñược xây dựng ñể trình diễn quá trình tính thuỷ lực một chiều cho
mạng lưới sông suối tự nhiên hay các kênh nhân tạo. Mô hình này có khả năng tự
ñộng hóa cao trong việc nhập số liệu, nội suy mặt cắt ngang; ñược dùng ñể tính toán
mực nước, lưu lượng, sự xâm nhập mặn ở vùng sông ảnh hưởng triều, vận chuyển
bùn cát trên sông; mô hình toán này giải hệ phương trình Saint – Venant một chiều
trên hệ thống sông, kênh hở và phương trình truyền chất. Ngoài ra mô hình còn dùng
ñể tính toán thêm một số yếu tố chất lượng nước như lan truyền chất dinh dưỡng, các
chất hoà tan
3.2.Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong Hec – ras
3.2.1. Phương trình liên tục
Phương trình liên tục mô tả ñịnh luật bảo toàn khối lượng cho bài toán một
chiều:

0=−
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
l
q
x

∂
(3.8)
11

và
lc
f
f
f
qq
t
S
t
A
x
Q
+=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
(3.9)
Các chỉ số dưới c và f biểu thị dòng chính và dòng bãi, q
l
là dòng chảy bên trên
một ñơn vị chiều dài dòng bãi, và q

+
∆
∆
fc
tt
qq
t
S
t
A
x
Q
1
(3.11)
Sự trao ñổi khối lượng thì bằng nhau nhưng khác dấu, do ñó :
∆x
c
q
c
= -q
f
∆x
ƒ
(3.12)
Thay vào phương trình (3.10) và (3.11) :

0
=−∆
∆
∆

0
)(
=






+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
f
S
x
z
gA
x
VQ
t
Q
(3.14)
Trong ñó :
g : Gia tốc trọng trường

∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
(3.15)
(
)
cff
f
f
f
fff
MS
x
z
gA
x
QV
t
Q
=






c
ccc
MS
x
z
Ag
x
QV
t
Q
=








+
∆
∆
+
∆
∆
+
∆
∆
(3.17)
(

∆
∆
(3.18)
Sự trao ñổi năng lượng phải bằng nhau nhưng khác dấu : ∆x
c
M
c
= - ∆x
f
M
f

Cộng hai phương trình trên và sắp xếp lại ta ñược :
(
)
( )
( ) ( )
0
.
=∆+∆+∆++∆+∆+
∆
∆
+
∆
∆
ffffcfccfcffcc
ffcc
xSAgxSAgzAAgQVQV
t
xQxQ

ffccffcc
.

.

2
22
+
=
+
=
β
(3.21)
Do ñó :

(
)
(
)
(
)
ffcc
QvQvQv
∆+∆=∆
β
(3.22)
Dạng cuối cùng của phương trình ñộng lượng là :
13
x
z
Ag
x
Qv
xt
xQxQ
β
(3.23)
3.3.Phương hướng giải hệ phương trình cơ bản sử dụng trong Hec–ras
3.3.1. Tuyến tính hóa phương trình sai phân hữu hạn
* Các giả thiết :
1. Nếu ƒ x ƒ >> ∆ƒ x ∆ƒ thì ∆ƒ x ∆ƒ = 0 ( theo Preissmann nêu trong báo cáo
Liggett và Cunge, 1975)
2. Nếu g = g(Q,z) thì ∆g có thể ñược xấp xỉ bằng số hạng ñầu của chuổi
Taylor:
i
i
il
z
z
g
Q
Q
g
g
j
∆



≈ 0
Giả thiết 2 ñược ứng dụng cho ñộ dốc thủy lực S
fvà diện tích A. Giả thiết 3
ñược ứng dụng cho vận tốc v, trong số hạng ñối lưu; hệ số phân bố vận tốc β, chiều
dài dòng chảy tương ñương x, và hệ số phân bố lưu lượng φ.
3.3.2. Hệ số phân phối dòng chảy
Cần phải xác ñịnh sự phân phối lưu lượng giữa dòng chính và bãi. Phần dòng
chảy trong sông ñược xác ñịnh như sau:

fjcj
cj
j
QQ
Q
+
=
φ
(3.30)
Fread (1976) giả thiết rằng ñộ dốc thủy lực giữa dòng chính và bãi là tương tự
nhau, do ñó sự phân phối lưu lượng ñược chia theo tỷ lệ của mô ñun lưu lượng. Do
ñó trong mô hình Hec-Ras hệ số phân phối xác ñịnh :

fjcj
cj
j
KK
K

Thì:
−
−−
∆+∆
=∆
A
xAxA
x
ffc
c
c

Vậy ∆x
c
ñược xác ñịnh :

(
)
(
)
1
11
+
++
+
∆
+
+
∆
+

15

3.4. Áp dụng tính toán cho dòng chảy lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước
ĐăkMi4:
*Sơ ñồ tính toán:

Hình 3.6: Sơ ñồ vị trí các nhánh sông, suối tính toán

Hình 3.7: Sơ ñồ mô hình hóa vị trí các nhánh sông tính toán
16

Từ chương trình, tác giả ñã xây dựng mô hình 3D công trình thủy ñiện Đăk Mi
4 ứng với mực nước max p = 0,5% biểu diễn ở hình 3.8

Hình 3.8: Mô hình 3D công trình thủy ñiện Đăk Mi 4 ứng với mực nước max
p = 0,5%
* Kết quả tính toán:
Mạng lưới sông Đăk Mi với các sông suối và các công trình trên sông ñã tạo
thành một hệ thống cùng các ñiều kiện biên và chương trình HEC – RAS giải cho giá
trị mực nước và lưu lượng tại từng mặt cắt sông.
Kết quả tính toán các giá trị của các mặt cắt tại thời ñiểm cột nước lớn nhất
ñược trình bày ở bảng PL 1.1 ( phụ lục 1) và ñường mực nước lớn nhất H
max
ứng với
tần suất 0,5% dọc sông phía thượng lưu ñập Đăk Mi 4 tính theo phần mềm HEC –
RAS thể hiện ở hình 3.9.
17Hình 3.9: Đường cột nước H

18

Đường mực nước lớn nhất ứng với tần suất 0,5% tại mặt cắt ngay trước ñập
Đăk Mi 4 ( mặt cắt 1, ñoạn 2, sông Đăk Mi) tính theo phần mềm HEC – RAS thể
hiện trên hình 3.10 và phụ lục 2.

Hình 3.10: Cột nước Hmax tại mặt cắt ngang thượng lưu ñập Đăk Mi 4 ( mặt cắt 1,
ñoạn 2 ) tính theo phần mềm HEC – RAS
Theo kết quả từ chương trình ghi ở bảng 3.5, ta thấy giá trị lưu lượng, các biểu
ñồ quan hệ lưu lượng và mực nước tại mặt cắt số 1, thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi
4 ứng với từng giờ ñược cho ở hình 3.11

19Hình 3.11: Quan hệ Q
∼
t, H
∼
t và a
∼
t của lũ ứng với tần suất 0,5% tại mặ cắt 1
Kết quả tính toán ñã thể hiện ở phụ lục 1 diện tích thực tế ngập úng vùng
thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 ñược thể hiện trên sơ ñồ hình 3.12

Hình 3.12: Sơ ñồ thể hiện diện tích thực tế ngập úng vùng thượng lưu hồ chứa
nước Đăk Mi 4
20

3.5.Tính ngập lụt vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 theo phương pháp

255
256
257
258
259
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Hình 3.14: Đường cột nước H
max
theo trắc dọc sông Đăk Mi tính theo phần mềm Hec
– ras và phương pháp tựa ổn ñịnh
*Nhận xét:
-Theo mô hình toán dùng ñể tính toán dòng chảy không ổn ñịnh, các yếu tố
thủy lực về dòng chảy như: lưu tốc dòng chảy và áp suất tại một vị trí thay ñổi theo
thời gian, trong phương trình ñộng lượng ta không thể bỏ qua ñại lượng lực quán tính
nên giá trị cột nước và lưu lượng không cùng ñạt cực trị ñồng thời.
-Kết quả tính theo mô hình toán khi cột nước ñạt lớn nhất, lưu lượng chưa ñạt
giá trị lớn nhất. Vấn ñề này phù hợp với dòng chảy không ổn ñịnh trong sông thiên
Theo PP tựa ổn ñịnh
Theo PM Hec - ras
Theo PP tựa ổn ñịnh
Theo PM Hec - ras
22

nhiên, các cực trị không ñồng thời xuất hiện. Giá trị lưu lượng và vận tốc lớn nhất
ñến chậm hơn giá trị mực nước. Cường ñộ ñỉnh lũ biên trên càng lớn thì thời gian ñể
dòng chảy ñạt từ H
max
ñến Q
max