nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới - mô hình mike 21c vào
đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn ở một số trọng điểm
thuộc hệ thống sông hồng, miền bắc
Hoàng văn huân
Viện Khoa học Thuỷ lợi MiềnNam
Đặng Hoàng Thanh
Viện Khoa học Thuỷ lợi

Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu ứng dụng một công nghệ mô
phỏng mới - mô hình 2 chiều Mike 21C vào đánh giá, dự báo khả năng gây biến động lòng
dẫn trên 2 đoạn sông trọng điểm (khu vực ngã ba sông Thao-Đà và khu Sen Hồ sông
Đuống) thuộc hệ thống sông Hồng, miền Bắc. Qua đó cho thấy triển vọng ứng dụng của mô
hình này đối với công tác dự báo, phòng chống sạt lở bờ sông đảm bảo an toàn cho các
tuyến đê điều, góp phần phát triển bền vững trên các hệ thống sông ở Việt Nam.
Abstract: The paper describes a two-dimensional numerical model, Mike 21C, which
applied to simulate and forecast hydrodynamic and morphological changes in two reaches
of the Thao-Da confluence and Senho s Duong river area of the Red river and Thaibinh
river network. The results show the potential of this model for predictive activities related
to river morphological changes and flood control to protect dike systems and contribute to
sustainable development in the Vietnam river basins.
1. đặt vấn đề
Các báo cáo của Ban chỉ đạo Phòng chống Lụt bão TW trong những năm gần đây đã
khái quát chung tình hình sạt lở bờ sông, bờ biển trên phạm vi cả nớc, qua đó khẳng định
rằng vấn đề sạt lở bờ sông, bờ biển đang có xu thế ngày càng gia tăng và diễn biến ngày
càng phức tạp hơn, thiệt hại về dân sinh, kinh tế, do đó ngày càng nghiêm trọng hơn. Đứng
trớc thực tế xảy ra nh vậy, để chủ động hơn trong việc phòng chống và đa ra đợc những giải
pháp hữu hiệu thì công tác nghiên cứu, dự báo, cảnh báo cần đợc đẩy mạnh trên cơ sở ứng
dụng những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới.
Từ trớc tới nay, để dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông thờng sử dụng 3 phơng
pháp: (1) Phơng pháp phân tích tài liệu thực đo; (2) Phơng pháp mô hình vật lý và (3) Ph-
ơng pháp mô hình toán 1 chiều. Đối với phơng pháp (1): Dựa trên những số liệu địa hình

2.1- Mô hình Mike 21C
Mô hình hai chiều Mike 21C đợc xây dựng và phát triển bởi Viện Thuỷ lực Đan Mạch
(DHI). Mike 21C, C đợc viết tắt của từ tiếng Anh Curvilinear (nghĩa là đờng cong), cho
thấy điểm nổi bật và khác biệt với những mô hình hai chiều khác về việc tạo lới tính toán.
Đối với những mô hình dựa trên lới tính toán hình chữ nhật cho lời giải có độ chính xác vừa
đủ trong việc mô phỏng vùng biển và vùng cửa sông. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong
sông, đặc biệt là ở những đoạn sông cong và những đoạn sông tồn tại bãi bồi, yêu cầu phải
có sự mô phỏng chính xác đờng biên và điều đó đỏi hỏi việc sử dụng lới cong hoặc lới phi
cấu trúc. Và đây chính là điểm mạnh của Mike 21C khi nghiên cứu chế độ thuỷ động lực và
diễn biến hình thái ở trong sông.
2.1.1- Mô hình thuỷ lực 2 chiều (Hydrodynamic)
Mô hình thuỷ động lực học mô phỏng mực nớc và dòng chảy trong sông. Các mô
phỏng dựa trên lới cong bao phủ toàn bộ khu vực nghiên cứu. Mô hình này giải phơng trình
liên tục và bảo toàn động lợng (hệ phơng trình Saint Venant) một cách tổng hợp và hoàn
toàn động học theo 2 hớng. Hệ phơng trình đợc sử dụng trong MIKE 21 C nh sau:
Trong đó: s, n: Toạ độ trong hệ toạ độ cong; p, q: Lu lợng theo hớng s và n; H Cao
trình mực nớc; h: Độ sâu mực nớc; g: Gia tốc trọng trờng; C: Hệ số Chezy; R
s
, R
n
: Bán kính
cong của đờng s và n; RHS: mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, Ma sát do gió, áp lực
không khí.
Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng đợc thể hiện khi mô
phỏng hiệu ứng ReyNold. Hệ phơng trình đợc giải bằng kĩ thuật sai phân ẩn với các biến đ-
ợc định nghĩa trên lới tính toán so le.
2.1.2. Mô hình hình thái (Morphology)
* Dòng chảy vòng (Helical Flow): Dòng chảy vòng là một hiện tợng dòng chảy thứ cấp
trong sông. Nó là một thành phần vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển xói vòng,
xói hợp lu, nghiên cứu cồn cát dạng điểm cũng nh cồn cát di động. Dòng chảy vòng gây

kiểm định mô hình.
* Vận chuyển bùn cát (Sediment Transport): Trong mô hình MIKE 21 C, vận chuyển bùn
cát đợc tính theo sơ đồ hiện từ một trong các công thức sau: Engelund Hansen,
Engelund Fredsoe, van Rijn, hay Meyer Peter.
* Thay đổi độ cao đáy lòng sông (Bed level change): Khi đã tính đợc bùn cát lơ lửng và bùn
cát đáy, sự thay đổi của địa hình đáy sông đợc tính dựa vào phơng trình:
e
y
x
S
y
S
x
S
t
z
n =


+


+


)1(
Trong đó: S
x
: bùn cát tổng theo phơng x; S
y

21C cho đoạn sông phân nhánh Brahmaputra-Jamuna, Banglades. Sông Brahmaputra-
Jamuna là một trong những con sông có lu lợng bùn cát lớn nhất thế giới và luôn có sự vận
động rất lớn của lòng sông. Quá trình dự báo đợc mô phỏng với kịch bản ngắn hạn trong
một mùa lũ và kịch bản dài hạn 30 năm với một cấp lu lợng tạo lòng.
(2) ứng dụng các mô hình toán ở vùng ngã ba sông Gorai trong dự án Khôi phục
dòng sông Gorai ở Bangladesh năm 1997, tác giả là Henrik Garsdal, Carsten Staub and
Hans Enggrob (Use of Mathematical Models in connection with the Gorai River
Restoration Project in Bangladesh): Vấn đề thực tế đặt ra là: Trong vòng một thập kỷ, dòng
chảy sông bị suy thoái một cách đáng kể và gần nh khô cạn trong mùa khô. Nguyên nhân
là do một lợng bùn cát lớn từ sông chính vận chuyển vào và lắng đọng tại cửa sông Gorai,
gây nên sự thiếu nớc sinh hoạt trong lu vực của sông và làm cho quá trình xâm nhập mặn ở
cửa sông tăng lên. Chính quyền địa phơng đã phải chi rất nhiều tiền của để nạo vét hàng
năm nhng vẫn cha có hiệu quả. Để giải quyết vấn đề đó, dự án đã sử dụng mô hình MIKE
21C mô phỏng diễn biến thuỷ lực, bùn cát và hình thái sông trớc và sau khi nạo vét dới
3
nhiều kịch bản khác nhau về dòng chảy và phạm vi nạo vét. Từ đó đề xuất những vị trí cần
nạo vét thờng xuyên và thời điểm thích hợp để bắt đầu nạo vét.
(3) Mô hình mô phỏng hình thái sông ở vùng ngã ba Chaktomuk, tác giả là K.W.
Olesen và Tjerry,năm 2000 (Morphological modelling of the Chaktomuck Juntion): Năm
2000, K.W. Olesen & S. Tjery đã áp dụng mô hình MIKE 21C để mô tả quá trình xói bờ
sông do tác động của dòng chảy lũ tại ngã ba Chaktomuk trên sông Mêkông. Bờ sông tại
đây thờng bị xói lở sâu vào đất liền hơn chục mét sau mỗi mùa lũ, cộng với tốc độ phát
triển đô thị nhanh ở hạ lu gây nên nhiều bất lợi cho giao thông và thoát lũ. MIKE 21C đã
mô phỏng thành công quá trình xói lở bờ và sự ảnh hởng của các công trình giao thông
(cầu) ở hạ lu đối với dòng chảy. Các yếu tố về độ kết dính của vật liệu ven bờ, hay nh bề
mặt không xói của các bãi giữa cũng đợc đề cập tới.
Qua một số ứng dụng của Mike 21C trên thé giới, cho thấy Mike 21C có khả năng áp
dụng để giải quyết những bài toán ở những vùng phức tạp nh ngã ba sông, đoạn sông cong
v.v và mô phỏng đợc những tác động, những thay đổi về chế độ thủy lực và diễn biến hình
thái sông dới các điều kiện khai thác bãi sông, dòng sông của con ngời.

(4) Dự án Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn qua Hà Nội là
một dự án quy hoạch lớn có sự phối hợp thực hiện giữa các chuyên gia Hàn Quốc và Việt
Nam. Một trong những nội dung quan trọng của Dự án là sử dụng mô hình toán để đánh giá
hiệu quả về khả năng thoát lũ và dự báo mức độ bồi, xói lòng sông khi thực hiện các phơng
án quy hoạch tuyến đê mới và chỉnh trị lòng dẫn trên đoạn sông Hồng dài 40km thuộc địa
phận thành phố Hà Nội. Sau khi phân tích các u nhợc điểm của một số mô hình, Dự án đã
4
lựa chọn mô hình Mike 21C. Qua nhiều lần báo cáo tại các hội thảo, hầu hết các chuyên gia
trong nớc và Hàn Quốc đều đánh giá cao và tin tởng vào những kết quả mà mô hình Mike
21C đa ra.
3- nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 21c vào đánh giá, dự báo
biến lòng dẫn ở hai khu vực trọng điểm thuộc hệ thống sông
hồng miền bắc
3.1- Khu vực ngã ba sông Thao-Đà
3.1.1- Thiết lập mô hình
Phạm vi mô hình: Phạm vi nghiên cứu của mô hình là bao gồm 4 con sông với
giới hạn tính toán nh sau: Sông Thao, sông Đà (biên trên cách ngã ba sông Thao-Đà
khoảng 4 km); sông Lô (biên trên cách ngã ba sông Lô-Hồng khoảng 2 km) và sông Hồng
(biên dới cách ngã ba sông Lô-Hồng khoảng 5km).
Xác lập l ới tính toán: Lới tính toán của mô hình đợc xác lập bằng các đờng cong
trực giao với 449 điểm lới theo chiều dọc sông (chiều j) và 77 điểm lới theo chiều ngang
(chiều k). Kích thớc của các ô lới đủ nhỏ để thể hiện những biến đổi địa hình lòng sông, bãi
sông.
Thiết lập địa hình: Có 3 yếu tố
chính cần thiết lập đối với mô hình 2
chiều tính toán thuỷ lực và hình thái
sông: Một là, điều kiện địa hình tự nhiên,
bao gồm phần lòng sông và bãi sông tự
nhiên; Hai là, các khu dân c, nhà cửa
trên bãi sông; Ba là, các công trình kè bờ

chảy tại các điều kiện biên và các vị trí dùng để kiểm định mô hình thuỷ lực 2 chiều cần
phải dựa vào kết quả tính toán của mô hình thuỷ lực 1 chiều toàn hệ thống sông Hồng và
sông Thái Bình.
Mô hình thuỷ lực đã đợc tính toán kiểm định trong 4 tháng mùa lũ năm 2000 với 9 vị
trí kiểm định Q, H và 1 vị trí kiểm định phân bố V dọc đoạn sông. Mô hình hình thái đã
tính toán với gần 1 năm (từ 1/6/2000 đến 27/3/2001), kết quả kiểm định tại 4 mặt cắt
ngang tại khu vực trọng điểm ngã ba sông Thao-Đà. Trong khuôn khổ bài báo, chỉ xin đa
ra một số hình ảnh minh hoạ kết quả tính toán kiểm định này (hình 2, 3, 4 và 5).
Việc xây dựng thành công đợc đánh giá qua các bớc thiết kế, kiểm định mô hình cẩn
thận, kỹ lỡng cho phép xác định đợc bộ thông số tính toán thuỷ lực và hình thái sông khá
phù hợp đối với khu vực nghiên cứu. Với bộ thông số tìm đợc đó, Mô hình sẽ đợc sử dụng
để đánh giá dự báo sự thay đổi chế độ thuỷ lực và diễn biến lòng dẫn ở trọng điểm ngã ba
Thao-Đà dới các kịch bản đặt ra.
3.1.3- Đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn khu vực ngã ba sông Thao-Đà
3.1.3.1- Đặt bài toán nghiên cứu đánh giá, dự báo
Nghiên cứu xác định kịch bản về dòng chảy để đánh giá, dự báo diễn biến lòng dẫn là
rất quan trọng quyết định ý nghĩa ứng dụng vào thực tiễn từ các kết quả tính toán. Diễn
biến lòng sông phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trên sông, cho nên khi không biết trớc đợc
dòng chảy có thể xảy đến ở tơng lai thì vấn đề dự báo diễn biến lòng dẫn chỉ đợc hiểu dới
góc độ khả năng và phụ thuộc vào việc lựa chọn kịch bản hợp lý. Nghiên cứu dự báo diễn
biến lòng dẫn nói chung, thờng chia làm 2 loại: dự báo dài hạn (nhiều năm) và ngắn hạn (1
năm, 1 mùa lũ hoặc 1 trận lũ). Dài hạn thờng đợc sử dụng tính toán dự báo cho một đoạn
sông tơng đối dài và trong nghiên cứu mang tính chất quy hoạch liên quan đến vấn đề khai
thác lòng sông. Ví dụ nh: Nghiên cứu dự báo diễn biến bồi lắng, xói lở ở hạ lu sông khi
xây dựng hồ chứa ở thợng nguồn; Nghiên cứu dự báo ảnh hởng của các công trình trên
sông đến hình thái sông v.v Đối với bài toán nghiên cứu mang tính chất cục bộ, nh xem
6

3.1.3.2- Một số kết quả tính toán dự báo chính
Từ kết quả tính toán mô phỏng trên Mô hình, có thể đánh giá, dự báo nh sau: Với qui
mô lũ tần suất xuất hiện 250 năm 1 lần với 3 dạng lũ năm 1969, năm 1971 và năm 1996,
nếu xảy ra thì: Chế độ thuỷ lực trên đoạn trọng điểm ngã ba Thao-Đà sẽ diễn ra hết sức
phức tạp bởi sự thay đổi liên tục của tỉ số tơng tác giữa sông Thao và sông Đà do tác động
điều tiết của hồ Hoà Bình. Khi nớc lũ lên cao, sẽ luôn hình thành trục động lực dòng chảy
lũ đi ép sát phía bờ phải với vận tốc lớn, phân bố nh sau: Đoạn sông từ Km0 đến K3+300
(cuối kè Phong Vân), trừ trờng hợp gặp qui mô lũ 250 năm với dạng lũ năm 1971 có vận
tốc chỉ 0,7m/s 0,8m/s, với 2 trờng hợp còn lại sẽ hình thành vận tốc lớn từ 1,5m/s đến
2m/s; Đoạn sông từ sau kè Phong Vân về đến Km5 (kè Cổ Đô) sẽ luôn hình thành dòng
chảy với vận tốc rất lớn trên 2m/s đến 2,5m/s với bất kỳ dạng lũ nào. Dới tác động của
dòng chảy lũ nh vậy, cho thấy mức độ uy hiếp rất lớn đến độ ổn định của bờ sông, an toàn
của hệ thống đê điều ở khu vực trọng điểm nghiên cứu.
Trục
động lực
Trục
động lực
Trục
động lực
7
Hình 6: Phân bố vận tốc đỉnh
lũ (dạng lũ 1969)
Hình 7: Phân bố vận tốc đỉnh
lũ (dạng lũ 1971)
Hình 8: Phân bố vận tốc đỉnh
lũ (dạng lũ 1996)
Với địa hình hiện trạng của năm 2006, khi xảy ra các tình huống lũ trên, hai đoạn
sông sẽ có khả năng xảy ra hiện tợng xói sâu, dịch chuyển lạch sâu ép sát về phía bờ phải
hơn và một số vị trí có khả năng gây sạt lở bờ, đó là: (1) từ Km0 đến Km2+430 (đầu kè
Phong Vân); (2) từ Km3+300 (cuối kè Phong Vân) đến Km5 (kè Cổ Đô). Có thể đánh giá,

9
Hình 11: Dự báo về dịch chuyển đờng lạch sâu (dạng lũ 1969)
Hình 12: Dự báo về sạt lở bờ hữu (dạng lũ 1969)
Đ
iều
kiện biên của mô hình:
- Biên cứng: là hệ thống tuyến đê bao bọc đoạn sông tính toán, gồm có: Đê tả
Đuống và hữu Đuống.
- Biên hở th ợng l u (Kí hiệu là Q_UBC): đợc biểu diễn dới dạng quá trình lu lợng
dòng chảy qua toàn bộ mặt cắt ngang theo thời gian tính toán (Q~t) và quá trình bùn cát
theo thời gian đợc xác định bằng công thức kinh nghiệm (S~t).
- Biên hở hạ l u (Kí hiệu là H_LBC): : đợc biểu diễn dới dạng quá trình mực nớc
theo thời gian tính toán (H~t).
3.2.2- Kiểm định mô hình
Mô hình thuỷ lực đã đợc tính toán kiểm định trong mùa lũ năm 2007 và trận lũ tháng
8/1996. Mô hình hình thái đã tính toán từ 3/7/2007 đến 7/9/2007. Một số kết quả kiểm định
mô hình tại trọng điểm Sen Hồ đợc minh hoạ trên các hình 14, 15, 16 và 17. Qua đó, kết
luận bộ thông số tính toán thuỷ lực và hình thái sông tìm đợc khá phù hợp đối với khu vực
nghiên cứu, Mô hình sẽ đợc sử dụng để đánh giá dự báo sự thay đổi chế độ thuỷ lực và diễn
biến lòng dẫn ở trọng điểm Sen Hồ dới các kịch bản đặt ra.

3.2.3- Đánh giá, dự báo biến động lòng
dẫn khu vực Sen Hồ
Với cách đặt bài toán nghiên cứu đánh
giá, dự báo nh đã trình bày ở phần ứng dụng
cho trọng điểm sông Thao-Đà, đối với khu
vực nghiên cứu trọng điểm Sen Hồ trên sông
Đuống các kịch bản lựa chọn bao gồm: Lũ
10
Hình 14: Kiểm định Q tại khu vựckhu vực Sen HồHình 15: Kiểm định H tại khu vựcSen Hồ

đê hữu nhất, chỉ cách trung bình khoảng 100 m.
11
Hình 18: Phân bố vận tốc
đỉnh lũ (Lũ 150 năm)
Hình 19: Phân bố vận tốc
đỉnh lũ (Lũ 250 năm)
J2
26
J2
30
J2
22
J2
18
J2
14
J2
10
J2
06
J2
02
J1
98
J1
96
J1
94
Trục động lực dòng
chảy

Hình 22: Dự báo về dịch chuyển đờng lạch sâu
(lũ 150 năm dạng 1996)
Hình 20: Dự báo về diễn biến mặt cắt ngang
(lũ 150 năm dạng 1996)
toàn của hệ thống đê điều đối với hệ thống sông miền Bắc. Tuy nhiên, đây là một ván đề
khó, lại thêm hạn chế bởi phơng pháp, công cụ nghiên cứu. Do đó, tiếp cận ứng dụng
những công nghệ tiến tiến, hiện đại trên thế giới là rất cần thiết.
Việc ứng dụng thành công công nghệ mô phỏng mới mô hình Mike 21C vào đánh
giá dự báo diễn biến hình thái sông đối ở hai trọng điểm có đặc điểm địa hình và chế độ
thuỷ lực phức tạp nh khu vực ngã ba sông Thao-Đà và đoạn sông cong gấp Sen Hồ trên
sông Đuống, cho thấy khả năng ứng dụng của Mô hình trong nghiên cứu thuỷ lực và hình
thái sông đối với hệ thống sông ngòi ở Việt Nam.
Tài liệu tham khảo
1. DHI Water and Environment, Mike 21C User Guide, 2002.
2. K.W. Olesen & Tjerry, Morphological modelling of the Chaktomuck Juntion.
3. Henrik Garsdal, Carsten Staub and Hans Enggrob, Use of Mathematical Models in
connection with the Gorai River Restoration Project in Bangladesh, 1997.
4. Kim Wium Olesen, Ole Juul Jensen & Hans G. Enggrob, Prediction of design criteria
for river training measures using physical and mathematical modelling, 1995.
5. Hans G. Enggrob & Soren Tjerry, Simulation of Morphological Characteristics of a
Braided River, 1995-1998.
6. Trần Xuân Thái, Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng lòng dẫn và đề xuất các biện pháp
phòng chống cho hệ thống sông đồng bằng Bắc Bộ - Đề tài KC-08.11, 2005.
7. Trần Xuân Thái, Đặng Hoàng Thanh, Tiểu dự án 4 Đánh giá biến động lòng dẫn và
ảnh hởng của sự suy giảm khả năng thoátt lũ đến Qui trình điều tiết liên hồ thuộc dự
án Qui trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông Lô đảm bảo an toàn chống
lũ Đồng bằng Bắc bộ khi có các hồ Hoà Bình, Thác Bà, Tuyên Quang , 2005-2006
8. Đặng Hoàng Thanh, Sohn MinYoung (Chuyên gia Hàn Quốc) và nnk, Chuyên đề Mô
phỏng số thuộc dự án Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn qua
Hà Nội, 2007.