ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN
MÔ PHỎNG CHÊ ĐỘ THUỶ L ực 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
ĐAI HOC Q UO C GIA HÀ NÒ*
TRUNG TẢM THÔNG TIN ĨHƯ VIỀN
DT / 2 H :
HÀ NỘI • 2004
a. Tên đề tài:
Mô phỏng chế độ thuỷ lực trong hệ thống sông Hồng và Thái Bình
khi có lũ lớn và triều cường.
Mã số: QT-01-22
b. Chủ trì đề tài: TS. Nguyên Thọ Sáo, Khoa KTTV&HDH
c. Các cán bộ tham gia:
ThS. Nguyễn Thị Nga, Khoa KTTV&HDH
ThS. Đặng Quý Phượng, Khoa KTTV&HDH
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
Mục tiêu:
Thông qua việc tính toán thuỷ lực, hiểu rõ chế độ thuỷ lực trên hệ thống mạng
lưới sông Hổng-Thái Bình, vai trò của sông Đáy và các biện pháp giảm lũ hạ du. Tổ
hợp bất lợi lũ lớn và triểu cường có tác dụng cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra, l à ^
yếu tố quan trọng trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai.
Nội dung:
-Tổng quan tình hình lũ lụt trên hệ thống sông Hổng-Thái Bình và những nguy cơ của

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;
Mục
Tên mục Số tiền (đồng)
110
Cung ứng văn phòng 900.000,00
112
Hội nghị, hội thảo 1.960.000,00
Mua tài liệu
113
Công tác phí, đi thực địa
114
Thuê khoán chuyên môn
9.600.000,00
119
Chi phí hoạt động chuyên môn
1.900.000,00
145
Mua sắm TSCĐ
134
Chi khác
1.000.000,00
Quản lý
640.000,00
Tổng cộng
16.000.000,00
Mười sáu triệu đống chẵn
BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG ANH

the Thac Ba reservoir 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 kế tại các b iên

33
3.4.3. Kết quả tính toán 36
4. Kết luận
38
5. Tài liệu tham khảo
39
Phụ lục: Hướng dẫn sử dụng chương trình và bộ số liệu mẫu

40
1 .Tài liệu cần có> 40
2. Chuẩn bị tài liệu để tính toán
40
3. Trình tự nhập sô' liệu 41
3.1. Các số liệu chung 41
3.2. Các chỉ thị in 42

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 một 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 úc. Hai hê
thống sông Hồng và sông Thái Bình nối với nhau bằng sông Đuống và sông
Luộc và tạo nên một 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.
Mùa 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
ị
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

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 m3, hiệu quả cắt lũ sẽ rất cao.
7
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 5.000m3/s theo dạng lũ năm 1971 cùng với công trình cải tạo đường

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”.
ì
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 kế 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.

thuật, Quân đội Mỹ; SOBEK, WENDY 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 Việt Nam như cố GS TS, anh hùng lao động Nguyễn 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
11
kiện Việt 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:
ÕQ n âZ
—

1- Bc —— = q
âx ât .
âZ a ữ ÕQ a Bc + a ữ B ÕZ _ jg |Q { )
dx gũ) ât gco1 ât K2
trong đó:
X, t: các biến theo không gian và thời gian
Q: lưu lượng, là dương nếu chảy theo chiều dương của X

£ 2
ât
ỚZ
ớt
At
_Ị_
At
{Q^Q,) _ {Q\ + Q\
2 2
(Z,+ Z; ) (Z\ + z \ ~
2 2
+ Các đại lượng Bc, — ,aỉìc+aoB
ga gco
Q lấy trung bình đoạn sông và
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±ìSL _
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)
13
t+At
Hình 2.1. Sơ đồ sai phân hữu hạn cho sông đơn
trong đó:
Hr =
1
' ì + e

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:
14
I Q * , - IQ * = F. M
At
trong đó: EQdến ■ tổng lượng nước chảy đến
X Q di - tổng lượng nước chảy đi
F- diện tích khu chứa tại nút.
2.2.3. Xử lý các công trình
Hệ phương trình (2) nói trên là hệ phương trình bậc nhất được thiết
lập cho mỗi đoạn sỏng có lòng dẫn hở. Tuy vậy, trong hệ thống sông thực tế
có nhiều trường hợp dòng chảy phải vượt qua các công trình cầu, cống điểu
tiết , khi đó cần xử lý để tính toán. Cách thực hiện là đưa công thức tính lun
lượng qua công trình về dạng phương trình (2). Khi có nước chảy qua công
trình, công trình sẽ được coi như 1 đoạn sông, 2 mặt cắt thượng và hạ lun
công trình được coi như 2 mặt cắt đầu và cuối đoạn sồng. Lưu lượng chảy
qua đoạn sông đặc biệt này (công trình) sẽ tính theo hộ phương trình (2),
nhưng các hệ số Vt, RD, Dy, De, Hr, Hv là các hệ số của công trình. Tuỳ theo
chức năng làm việc của mỗi loại công trình, công thức tính toán của chúng
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:
15
H = Z Zng
Tách m ^2g bTB H "ĩ thành hệ số, sẽ có

Hình 2.4. Sơ đồ chảy ngập qua lỗ
Cũng xử lý tương tự như trên ta có:
Vt = RD = ịi2 2g (ữ\
Dy = De = - Vt
Hv = - Hr = 0
C0c là diện tích mặt cắt của lỗ hay ống.
d) Chảy tự do qua lỗ /
ĐAI HOC QUÓC GIA HA NỌ'
TRUNG TÂM THÒNG TIN ĨHƯ VIỆN
DT
Hình 2.5. Sơ đồ chảy tự do qua lỗ
17
Công thức: Q=ụ <oc Jz, - Z, phân tích thành
e |e h < V 2 « (z ,-z ,) háy a = a = —
Từ đó rút ra:
Vtj A Ệ j ầ
\ Q \
Dy = - Vt
Hv = V t. Zt
De = RD = 0
Hr = - Hv
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 mỏng hò: 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 kín: Vùng đất thấp nối với sông tại một đoạn hoặc một mặt cắt

H' là trị số của H lúc đầu thời đoạn (mm)
19
Dòng chảy đến ruộng sinh ra do mưa trên phần đất không ngập bằng:
Qmưa2 ^L- • f kn
Ruộng hở:
r-j
_
rr 1 w r-j
_
Z d *4" 'ZjC
Zr = Zs hoặc Zr =

-

/ 2
Fn tham gia chứa: Be = B + —-
Ax
Qmưaphân bố đều: q =
A x
Ruộng kín:
Zr = Z'r + [Qmưa - CQr - (1 -0 Q’r] %-
- Fn
Khi mưc nước ruộng cao hofn sông: Zr > Zs, Qr > 0
+ Chảy ngập
- + J
(
p
2
+ 4/C
f 1 p Q r + Tr 2s\

sông, viết bằng ngôn ngữ FORTRAN-77. Chương trình có thể sử dụng đe
tính toán cho mọi 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 một phiên bản có dao diện trên nền Windows, 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
3. KẾT QUẢ
3.1. Sơ đồ thuỷ lực
/
Hộ thống sông Hồng-Thái Bình rất phức tạp với hàng ngàn km chiều
dài sông và các chi lưu, các sông chính và sông nhánh gắn kết với nhau
thành một thể thống nhất, ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Ví dụ lưu lượng trên
sông Lô, sông Thao, quá trình điều tiết của Thuỷ điện Hoà Bình trên sông Đà
quyết định tình trạng dòng chảy ở Sơn Tây và Hà Nội; dòng chảy sông Hồng
lại ảnh hưởng rất lốn đến diễn biến thuỷ lực trên hệ thống sông Thái Bình
qua sông Đuống và sông Luộc; những pha triều xuất hiện tại vịnh Bắc Bộ có
ảnh hưởng đến khả năng tiêu thoát lũ của 2 hệ thống sông này.
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
21