BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

PHẠM THỊ HOA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21
FM ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN
SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ CẦU VĨNH TUY ĐẾN
TRƢỜNG BẮN YÊN SỞ TẠI HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ THỦY VĂN HỌC

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

PHẠM THỊ HOA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21
FM ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN
SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ CẦU VĨNH TUY ĐẾN
TRƢỜNG BẮN YÊN SỞ TẠI HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC
MÃ SỐ: 8440224
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.NGUYỄN KIÊN DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2019

Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả
trong quá trình thu thập số liệu, nghiên cứu thực hiện Luận văn.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã động
viên, hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập và tiến hành nghiên cứu luận
văn này.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả Luận văn

Phạm Thị Hoa


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
THÔNG TIN LUẬN VĂN .............................................................................. v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1.Tính cấp thiết.................................................................................................. 1
2.Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 2
3.Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2

3.1.2 Địa hình .................................................................................................. 35
3.1.3 Mạng lưới sông ngòi ............................................................................... 36
3.1.4 Mạng quan trắc khí tượng thủy văn........................................................ 36
3.2 Xác định các điều kiện biên mô phỏng cho bài toán ................................ 36
3.3 Mô phỏng thủy động lực mạng sông 1 chiều............................................ 37
3.3.1 Sơ đồ tính toán ........................................................................................ 37
3.3.2 Tài liệu đầu vào cho mô hình ................................................................. 38
3.3.3 Biên của mô hình .................................................................................... 39
3.3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định xác định bộ thông số mô hình ....................... 42
3.4 Mô phỏng biến hình lòng sông bằng mô hình thủy động lực 2 chiều ...... 43
3.4.1 Phạm vi miền tính toán ........................................................................... 43
3.4.2 Thiết lập lưới và địa hình tính toán ........................................................ 44
3.4.3 Thiết lập điều kiện biên tính toán ........................................................... 47
3.4.4 Thiết lập các thông số mô hình............................................................... 49
3.4.5 Mô phỏng và đánh giá theo các kịch bản ............................................... 51
3.4.6 Kết quả tính toán kịch bản 1 ................................................................... 51
3.4.7 Kết quả tính toán kịch bản 2 .................................................................. 55
3.5 Kết luận chương III ................................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 66


v

THÔNG TIN LUẬN VĂN
- Họ và tên học viên: Phạm Thị Hoa
- Lớp: CH2BT

Khoá: 2016-2018

- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng


Chữ viết tắt

1

KTTV

Khí tượng thủy văn

2

LVS

Lưu vực sông

3

TNMT

Tài nguyên môi trường

3

EFDC

Phần mềm mô phỏng mặt nước tổng hợp


vii


mùa kiệt ........................................................................................................... 55
Hình 3.20 Vị trí bãi khai thác cát dự kiến ....................................................... 56
Hình 3.21 Mực nước và trường lưu tốc trong đoạn sông Hồng thời kỳ mùa
kiệt KB2.1 ....................................................................................................... 57
Hình 3.22 Khả năng mang bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng
nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt KB2.1 ............................................................. 57
Hình 3.23 Địa hình lòng dẫn đoạn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3
tháng KB2.1 .................................................................................................... 58
Hình 3.24 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng
mùa kiệt KB2.1 ............................................................................................... 58
Hình 3.25 Khả năng bồi lấp bãi khai thác cát sau 3 tháng KB2.1 .................. 59
Hình 3.26 Mực nước và trường lưu tốc trong đoạn sông Hồng thời kỳ mùa
kiệt KB2.2 ....................................................................................................... 59
Hình 3.27 Khả năng mang bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng
nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt KB2.2 ............................................................. 60
Hình 3.28 Địa hình lòng dẫn đoạn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3
tháng KB2.2 .................................................................................................... 61
Hình 3.29 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng
mùa kiệt KB2.2 ............................................................................................... 61
Hình 3.30 Khả năng bồi lấp bãi khai thác cát sau 3 tháng KB2.2 .................. 62
Hình 3.31 Diễn biến mặt cắt ngang tại MC1, MC2 và MC3 sau 3 tháng....... 63
Hình 3.32 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB1............................... 64
Hình 3.33 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB2.1............................ 64
Hình 3.34 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB2.2............................ 64


1

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết

vực bãi bồi, khu vực xói lở lòng sông trong điều kiện hiện trạng và khai thác
cát từ các bãi bồi với quy mô khác nhau.
3.Phạm vi nghiên cứu
-Nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Hồng đoạn tự hạ lưu cầu Vĩnh
Tuy đến Yên Sở đoạn qua Hà Nội.
4.Phƣơng pháp nghiên cứu
a) Thu thập bổ sung các số liệu
-Thu thập các số liệu về về khí tượng, thủy văn, bùn cát, địa hình, địa
chất lòng sông, các bản đồ phục vụ cho tính toán của đề tài;
-Thu thập các tài liệu về các công trình trên sông, các số liệu có liên
quan khác phục vụ cho bài toán mô phỏng và đánh giá biến hình lòng dẫn
đoạn sông nghiên cứu.
b) Phương pháp tổng hợp, phân tích, thống kê:
-Thống kê các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến
nội dung của đề tài làm cơ sở đánh giá, xác định các phương pháp tính toán;
-Thu thập xử lý và phân tích số liệu, tài liệu phục vụ luận văn;
c) Phương pháp, kế thừa:
-Kế thừa các tài liệu, các công trình khoa học đã được công nhận có
liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài từ đó định hướng, ứng dụng các
phương pháp, công cụ tính toán phù hợp với điều kiện bài toán.
d) Phương pháp viễn thám và GIS:
Sử dụng công nghệ viễn thám, các sản phẩm bản đồ để đánh giá sự biến
động hình thái lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu và phục vụ các nội dung tính
toán trên mô hình.


3
e) Phương pháp sử dụng mô hình toán:
Mô hình hóa đoạn sông nghiên cứu bằng mô hình toán để tính toán mô
phỏng thủy lực và dự báo diễn biến hình thái sông. Đây là phương pháp hiện

kỳ sôi nổi nhất của ĐLHDS, với sự tham gia tích cực của các nhà khoa học
Liên Xô cũ. Trong thời gian đầu đã xảy ra những cuộc tranh luận gay gắt giữa
lý thuyết khuyếch tán và lý thuyết động lực, là hai trường phái có quan điểm
trái ngược nhau khi đánh giá tổn thất năng lượng trong dòng chảy có và
không có bùn cát, các chỉ tiêu ổn định lòng dẫn và khởi động của bùn cát.
-Về chuyển động của bùn cát đáy, quan trọng nhất là các nghiên cứu về
sự khởi động của bùn cát, sóng cát và suất tải cát. Có hai trường phái đánh giá
sự khởi động của bùn cát: trường phái lấy ứng suất tiếp làm chỉ tiêu khởi động
thịnh hành ở các nước phương tây mà các tác giả điển hình là A.Shields,
I.Borgadi, E.Meyer-Peter và Muller, Engelund-Hansen,…Trường phái lấy
vận tốc trung bình thủy trực làm chỉ tiêu khởi động đặc biệt phát triển ở Liên
Xô cũ, Trung Quốc với các tác giả Lêvi, Samốp ,Gôntrarốp, Mirkhulava,
Trương Thụy Cẩn, Đậu Quốc Nhân, Vi kỳ Vĩ. Suất tải cát đáy được đánh giá
tương ứng theo các trường phái về sự khởi động của bùn cát, ngoài ra đặc biệt
có nghiên cứu của H.A Eistein , sử dụng lý thuyết xác suất thống kê .
-Về bùn cát lơ lửng cũng có nhiều thành tựu như các công trình của
Glusơkốp(1911), Stốc(1951), về độ thô thủy lực đặc biệt là mối quan hệ giữa
quá trình nổi lơ lửng của bùn cát và lưu tốc mạch động, nhất là mạch động
theo phương thẳng đứng. Sự phân bố bùn cát theo phương thẳng đúng có hai
trường phái tiêu biểu là khuyến tán của Makaveep và trọng lực của


5
Velicannop. Về diễn biến của đoạn sông cong đã có rất nhiều nghiên cứu và
đạt được những kết quả mang tính đột phá.
-Về chiều sâu trung bình của đoạn sông cong có các công thức kinh
nghiệm của Fargue, Atxmun, và Boussinesque.
-Về chiều sâu các lạch trũng ở các đoạn sông cong chưa được nghiên
cứu nhiều, Leliavsky(1955) và Bagnold (1960) cho rằng độ sâu của hố xói tại
khúc sông cong tỷ lệ nghịch với bán kính khúc cong sông. Năm 1977 chỉnh lý

chảy, dự báo biến hình lòng dẫn khá chính xác.
Một số nghiên cứu điển hình liên quan đến vấn đề nghiên cứu:
+ Trung tâm nghiên cứu về tính toán khoa học thủy văn thủy lực ASCE
của Hoa kỳ đã nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Ole thuộc hệ thống
Mississippi bằng mô hình CCHE3D. Trên đoạn sông có dự kiến xây dựng đập
thủy điện. Kết quả tính toán bằng mô hình cho thấy, sau đoạn nhà máy thủy
điện, chế độ dòng chảy phức tạp, có hiện tượng xói sâu, lưu tốc dòng chảy tại
đây lớn. Kết quả mô hình toán cũng cho ta được phân bố vận tốc, sự thay đổi
cao trình đáy và dòng chảy thứ cấp tại đoạn sông phức hợp [4].
+ Stephen H. Scott và Yafei Jia (2002) đã sử dụng mô hình CCHE2D
nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và đề xuất giải pháp công trình kè mỏ hàn bảo
vệ bờ và ổn định lòng dẫn trên sông Mississippi. Kết quả cho giá trị về diễn
biến cao độ đáy sông và phân bố vận tốc trên toàn tuyến [25].
+ Stoschek et al (2003), Viện Franzius của Đại học Hannover đã ứng
dụng mô hình MIKE21 và MIKE3D mô tả ảnh hưởng của công trình đến diễn
biến vùng cửa sông Ems, trong đó tập trung vào cảng Emden và đường thủy
Emdener. Kết quả mô phỏng bằng mô hình cho thấy phù hợp với số liệu đo
đạc thủy triều tại Emden, chênh lệch so với lưu tốc dòng chảy đo đạc là không
lớn, chênh nhau trung bình khoảng 10 cm/s và 5 cm/s. Dòng chảy hạ lưu và


7
thượng lưu công trình thay đổi, dẫn đến có sự biến đổi lòng dẫn cả ở phía
thượng và hạ lưu [4].
+ Zuwen và cộng sự (2003) đã ứng dụng thành công mô hình SOBEK
1D – MOR, do viện thủy lực Delf - Hà Lan phát triển, để nghiên cứu bài toán
diễn biến lòng dẫn cửa sông Hoàng Hà (Yellow River) – Trung Quốc. Sông
Hoàng Hà là sông đứng hàng đầu thế giới về vận chuyển bùn cát, hàng năm
có khoảng 1,6 tỷ tấn bùn cát vận chuyển ra cửa biển. Từ những năm 1967, các
cửa sông Hoàng Hà bị bồi lấp, gây ngập lụt vùng đồng bằng, do vậy việc

báo được mô phỏng với kịch bản ngắn hạn trong một mùa lũ và kịch bản dài
hạn 30 năm với một cấp lưu lượng tạo lòng. Cũng trong nghiên cứu này, để
phục vụ cho dự án xây dựng cầu cảng kéo dài 3 năm, hình thái đoạn sông lân
cận khu vực xây dựng được tính với nhiều kịch bản lũ khác nhau và sau mỗi
mùa lũ địa hình tính toán lại được so sánh với địa hình thực đo, sửa đổi cho
phù hợp và được dùng làm điều kiện địa hình ban đầu cho tính toán tiếp theo.
Kết quả tính toán đã mô tả được diễn biến lòng sông quanh khu vực cầu
Jamuna trong quá trình xây dựng [20].
1.1.2. Các nghiên cứu trong nước
Những năm của nửa cuối thế kỷ XX ở nước ta đã bắt đầu có những
công trình nghiên cứu chống bồi lắng các cửa lấy và những công trình nghiên
cứu thời gian này tập trung ở một số cơ sở nghiên cứu khoa học như: Viện
Khoa học Thủy lợi, trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi, Viện
Khoa học Khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu ... Tuy nhiên, những nghiên
cứu mới tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận dựa
trên các phương pháp, công nghệ của các nhà khoa học trên thế giới.
Một số nhà khoa học Việt Nam đã và đang nghiên cứu vấn đề diễn biến
lòng dẫn, cửa sông như: Lưu Công Đào, Lê Ngọc Bích, Hoàng Hữu Huân,


9
Trịnh Việt An, Nguyễn Bá Quỳ, Đỗ Tất Túc, Phạm Thị Hương Lan, Nguyễn
Thanh Hùng, Lương Phương Hậu, Nguyễn n Niên…
Một số nghiên cứu gần đây liên quan đến vấn đề nghiên cứu:
+ Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu ảnh hưởng hoạt động khai thác cát
đến thay đổi lòng dẫn sông Cửu Long (sông Tiền, sông Hậu) và đề xuất giải
pháp quản lý, quy hoạch khai thác hợp lý” do PGS,TS. Lê Mạnh Hùng làm
chủ nhiệm đề tài. Đề tài đã tiến hành tính toán lượng cát từ thượng nguồn về
sông Cửu Long bằng mô hình SWAT và mô hình MIKE21C cho từng đoạn
sông khác nhau, ứng với 4 kịch bản phát triển thủy lợi thượng nguồn sông

Mike 21C và đã đạt được các kết quả như: đã đánh giá ảnh hưởng của các cầu
Thanh Trì, Vĩnh Tuy, Nhật Tân… tới thoát lũ và chế độ thủy lực đoạn sông
Hồng qua Hà Nội, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới lưu lượng trên bãi sông
và lòng chính, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới ổn định lòng dẫn, dự báo
được diễn biến tổng thể lòng dẫn đoạn sông Hồng qua Hà Nội [20].
+ Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 2001-2004: đã nghiên cứu dự
báo xói lở, bồi lắng và các giải pháp phòng chống trên hệ thống sông ở
ĐBSCL và đã đạt được những kết quả như: xác định vị trí, quy mô, tốc độ xói
lở bờ sông và xác định các vùng trọng điểm xói lở cho toàn tuyến sông Tiền,
sông Hậu bằng phương pháp viễn thám và GIS; định lượng nguyên nhân, cơ
chế xói lở và các nhân tố ảnh hưởng đến xói lở cho sông Cửu Long tại các
khu vực trọng điểm; Nghiên cứu sử dụng mô hình toán 1D và 2D trong
nghiên cứu xói lở, bồi lắng đoạn sông Tiền khu vực Tân Châu, đoạn sông Hậu
khu vực Long Xuyên bằng các mô hình toán MIKE11, MIKE 21C, đề xuất
một số công thức kinh nghiệm tính dự báo, sạt lở bờ theo thời gian [21 .
+ Hoàng Văn Huân, 2010: đã nghiên cứu các giải pháp khoa học công
nghệ để ổn định lòng dẫn hạ du hệ thống sông Đồng Nai- Sài Gòn phục vụ


11
phát triển kinh tế xã hội vùng Đông Nam Bộ đã đạt được những kết quả như
ứng dụng MIKE 11, MIKE 21C để dự báo sạt lở định kỳ phục vụ cho công
tác phòng tránh giảm nhẹ thiên tai các năm 2004, 2005, 2006, 2010; đề xuất
quy hoạch chỉnh trị sông Đồng Nai khu vực thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng
Nai đã được UBND tỉnh ra quyết định phê duyệt số 1194 ngày 25 tháng 3
năm 2005; kiến nghị và giải pháp KHCN để ổn định lòng dẫn hạ du sông
Đồng Nai - Sài Gòn.
1.2. Kết luận Chƣơng I
Hiện nay, việc ứng dụng mô hình để mô phỏng diễn biến lòng sông
đã trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các mô hình mô phỏng


13

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở định lƣợng bài toán biến hình lòng sông
2.1.1Cân bằng bùn cát của đoạn sông
Nguyên nhân cơ bản của diễn biến lòng sông là sự mất cân bằng trong
tải cát. Trong bất kỳ một đoạn sông nào, hoặc trong bất kỳ một vùng cục bộ
nào đó của đoạn sông, dưới một điều kiện nhất định, dòng chảy có một sức tải
cát nhất định. Nếu lượng bùn cát đến tương ứng với sức tải cát, thì dòng chảy
ở trạng thái tải cát cân bằng, lòng dẫn sẽ không xói cũng không bồi. Khi
lượng bùn cát đến lớn hơn sức tải cát của dòng chảy, số bùn cát mà dòng chảy
không thể mang thêm sẽ được bồi lắng dần xuống làm cho lòng dẫn nâng cao.
Khi lượng bùn cát đến nhỏ hơn sức tải cát của dòng chảy, số bùn cát thiếu hụt
sẽ được dòng chảy bao xói lòng dẫn để bổ sung, làm cho lòng dẫn hạ thấp.

G1 – G2 > 0 Bồi
G1 – G2 < 0 Xói
G: suất chuyển lưu lượng bùn cát trung
bình trong bước thời gian Δt
Hình 2.1. Mặt cắt dọc sông

2.1.2 Các loại diễn biến lòng dẫn
Diễn biến lòng sông thường chia ra diễn biến trên mặt bằng, diễn biến
trên mặt cắt dọc, diễn biến trên mặt cắt ngang, nhưng thực chất ba loại này
đan xen nhau, ảnh hưởng lẫn nhau, khống chế lẫn nhau:
+ Diễn biến trên mặt cắt ngang: là do sự mất cân bằng tải cát phương
ngang gây nên. Sự mất cân bằng tải cát trên phương ngang chính là do hoàn
lưu. Khi trong dòng chảy tồn tại hoàn lưu, dòng nước mặt không đi theo



15

2.2 Phƣơng pháp xác định biến hình lòng sông
Để dự báo diễn biến lòng sông có nhiều phương pháp nhưng thông
thường, phân tích, dự báo diễn biến lòng sông được tiến hành theo 4 phương
pháp sau:
-Phương pháp phân tích các tài liệu thực đo: Dựa vào các số liệu đo
đạc địa hình, địa chất, thủy văn nhiều năm, phân tích vị trí, tóc đọ xói, bồi trên
mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế
phát triển của đoạn sông nghiên cứu. Phương pháp này không bị hạn chế bởi
điều kiện biến đổi dần của dòng chảy và có thể nghiên cứu nó theo không gian 3
chiều. Nhưng nó chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu các quá trình diễn biễn trong
điều kiện đã có tiền lệ trong quá khứ, dựa vào nó để dự báo tác động của công trình
trong tương lai. Hơn nữa, trong điều kiện số liệu thực đo hoặc quá ít, hoặc không
đồng bộ thì sử dụng phương pháp này sẽ không đủ tin cậy.

-Phương pháp mô hình vật lý: Thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong
một khu vực có trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên
nhiên theo định luật tương tự, để quan sát đo đạc, và từ các số liệu do đạc tìm
ra quy luật diễn biến của đoạn sông. Hạn chế phương pháp là rất khó thỏa
mãn các điều kiện tương tự, nhất là các điều kiện tương tự về bùn cát nên có
thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình.
- Phương pháp phân tích ảnh viễn thám: Dựa vào ảnh viễn thám thu
thập các thời kỳ khác nhau, có thể đánh giá về sự diến biến xói lởi bờ, sự tồn
tại hay mất đi của các cồn trên sông, sự di chuyển của lòng sông.
- Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình thích hợp
cho donhf chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện
biên, điều kiện ban đầu thích hợp, tìm lời giải giải tích hoặc lời giả số trị cho
các vân đề nghiên cứu.