Tóm tắt: Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 các module liên quan đã được tiến hành để đánh giá các phương án phát triển nguồn nước phục vụ yêu cầu cấp nước và chống lũ lưu vực sông Hồng

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC MIKE 11 PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ NGUỒN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG HỒNG (TS. Tô Trung Nghĩa, TS. Lê Hùng Nam, ThS. Thái Gia Khánh - Viện Quy hoạch Thuỷ lợi)

Tóm tắt: Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 các module liên quan đã được tiến hành để đánh giá các phương án phát triển nguồn nước phục vụ yêu cầu cấp nước và chống lũ lưu vực sông Hồng. Kết quả mô phỏng đã định lượng được tác động từ các phương án phát triển nguồn nước đối với chế độ dòng chảy kiệt, dòng chảy lũ hệ thống sông và đưa ra khuyến cáo giúp cho công tác quy hoạch và quản lý nguồn nước. Nhiên cứu đã đề xuất hướng mở rộng nghiên cứu ứng dụng bộ mô hình MIKE, đồng thời cũng đánh giá về những điểm còn hạn chế của MIKE 11.

Abstract: An attempt had been made to examine different water resources development alternatives on water use and flood control management for Red river basin by using DHI-hydrodynamic mathematical commercial software-MIKE 11 model. Analysis of results quantified the impact of development alternatives on flow pattern in flood season and dry season, which is helpful for the formulation of water resources management strategy of Red river basin. Research also pointed out further research topics relating to application of MIKE 11 and MIKE. Discussion on strength/weakness of MIKE 11 commercial software was provided.

1. Giới thiệu chung

Lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình là một hệ thống sông quốc tế chảy qua ba quốc gia Trung Quốc, Việt Nam và Lào. Đây là một trong những lưu vực sông có lượng nước dồi dào-đứng thứ 22 trên thế giới với tổng lượng nước hàng năm khoảng 130 đến 140 Km3 nước, song phân bố không đều theo không gian và thời gian. Hơn 90% bề mặt của lưu vực có địa hình đồi núi, nguồn nước mặt chủ yếu phát sinh từ mưa do đó khi có mưa một lượng nước lớn tập trung nhanh thành dòng chảy mặt gây lên lũ lớn trên diện rộng. Cũng vì vậy mùa khô các sông suối thượng nguồn khô hạn, nhiều vùng thiếu nước nghiêm trọng ảnh hưởng lớn đến hoạt động phát triển kinh tế, cũng như hệ sinh thái  trên lưu vực. Đặc biệt tình hình thiếu nước ngày càng trở lên trầm trọng và có diễn biến bất thường như mùa khô năm 2004 khi mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội đã xuống tới mức báo động 1.97m, và ngày 13/2/2005 mực nước tại Hà Nội là 1.75m, thiếu nước gây thiệt hại lớn cho hoạt động sản xuất trên lưu vực.

Phát triển và ứng dụng mô hình toán trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước nói chung được chú ý tập trung phát triển trong suốt bốn thập kỷ qua. Rất nhiều mô hình toán đã được phát triển trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước với phạm vi ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Trong số đó mô hình thuỷ động lực học một 1 chiều MIKE 11, thuộc hệ thống mô hình toán thương mại MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch phát triển, hiện là một mô hình tiên phong với nhiều ứng dụng thành công trên thế giới.

Nghiên cứu này tập trung ứng dụng mô hình MIKE 11 nghiên cứu bài toán dòng chảy kiệt và dòng chảy lũ phục vụ quản lý bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình.

Nội dung chính gồm: (i) Hiệu chỉnh mô hình dòng chảy mùa kiệt, mùa lũ hệ thống lưu vực sông Hồng-Thái Bình; (ii) Mô phỏng phương án phát triển nguồn nước phục vụ quá trình phát triển kinh tế-xã hội lưu vực sông; (iii) Đánh giá hiệu quả của nghiên cứu, điểm mạnh yếu của phần mềm MIKE 11 trong mô phỏng dòng chảy. Phạm vi nghiên cứu thuộc phần lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình nằm trong lãnh thổ Việt Nam.

2. Vùng nghiên cứu lưu vực sông Hồng-Thái Bình

Phần lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình thuộc lãnh thổ Việt Nam có diện tích 86 660 Km2, chiếm 51% tổng diện tích lưu vực. Với địa hình lưu vực dốc từ Tây Bắc xuống Đông Nam với nhiều dãy núi chạy dọc theo hướng Tây Bắc-Đông Nam với độ cao trên 1000m tập trung ở vùng lưu vực sông Đà và sông Thao và sông Lô. Vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng-sông Thái Bình gồm những đồi núi thấp dưới 100m, những thung lũng rộng. Vùng tam giác châu thổ từ Việt Trì đến biển khá bằng phẳng, độ dốc trung bình khoảng 8cm/1km.

Hình 1. Vùng nghiên cứu và sơ đồ mạng sông Hồng trong MIKE 11

Nhìn chung trên lưu vực dòng chảy trong năm biến đổi không nhiều, song phân bố không đều trong năm cùng với biến động mạnh của mưa trong tháng gây khó khăn cho hoạt động sản xuất trên lưu vực.

Sự phát triển hệ thống các công trình thuỷ lợi thượng nguồn cũng ảnh hưởng đáng kể đến chế độ dòng chảy mùa kiệt. Trên địa phận Trung Quốc hiện số liệu về các công trình hồ chứa chưa được thu thập. Ở hạ lưu, công trình thuỷ lợi chủ yếu là công trình lấy nước, cống, trạm bơm nên điều quan trọng là lưu lượng và mực nước phải đảm bảo theo thiết kế các công trình thì mới phát huy được hết năng lực. Nếu mực nước thấp, lưu lượng nhỏ công trình không thể hoạt động theo thiết kế và với các công trình gần biển còn phải chịu tác động của nước xâm nhập mặn gây thiếu nguồn và tác động xấu đến môi trường sinh thái.

3. Phương pháp nghiên cứu

Ở Việt Nam, mô hình thuỷ 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 nhu cầu của công tác quy hoạch, quản lý nguồn nước, giảm nhẹ thiên tai ở Việt Nam. Thông dụng nhất có thể kể đến mô hình VRSAP của cố giáo sư, anh hùng lao động Nguyễn Như Khuê. Ngoài ra ở Việt Nam một số mô hình trong nước khác cũng được sử dụng khá phổ biến, cùng với một số mô hình thương mại du nhập từ các nước phát triển như SOBEK, ISIS, MIKE.

Bộ mô hình MIKE của Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) đã được giới thiệu ở Việt Nam gần đây, trong số đó MIKE 11 là một trong những thành phần chính. Mô hình MIKE 11 là loại mô hình toán, sử dụng phương trình St. Venant, mô phỏng dòng chảy trong sông, liên kết với vùng ngập lũ. MIKE 11 có một số ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào-dòng chảy NAM, mô hình thuỷ 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), (iii) tính toán chuyển tải chất khuyếch tán, (iv) vận hành công trình, (v) tính toán quá trình phú dưỡng…..

Xây dựng sơ đồ tính

Hệ thống lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình được mô phỏng thành mạng sông tính toán, được số hoá trên cơ sở ảnh vệ tinh lưu vực sông Hồng theo hệ toạ độ UTM WGS84 vùng 48N. Đầu vào mô hình là các số liệu về đặc tính hệ thống cùng với số liệu của nguồn nước vào ra trên toàn hệ thống.

Căn cứ vào nhiệm vụ tính toán, các tài liệu cơ bản hiện có, chế độ thuỷ văn thủy lực trên mạng sông, sơ đồ tính toán thuỷ lực hệ thống lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình được chọn như sau: Trên sông Đà từ trạm Hoà Bình xuống đến Trung Hà, sông Thao từ Yên Bái đến Trung Hà, sông Chảy từ Thác Bà xuống đến nhập lưu sông Chảy và sông Lô, sông Phó Đáy từ Liến Sơn đến cửa ra nhập lưu với sông Lô, sông Gâm từ Na Hang đến nhập lưu với sông Lô, sông Lô từ Hàm Yên xuống nhập lưu với sông Hồng tại Việt Trì, sông Cầu từ Thác Bưởi xuống Phả Lại, sông Thương từ Cầu Sơn xuống Phả lại, sông Lục Nam từ Chũ xuống nhập lưu với sông Thương, sông Hoàng Long từ Hưng Thi đến nhập lưu với sông Đáy, sông Đáy từ hạ lưu đập Đáy xuống đến cửa biển.

Ngoài ra các sông nối giữa hai sông và nối giữa sông và biển như: sông Đuống nối sông Hồng (tại Hà Nội) với sông Thái Bình (tại Phả Lại), sông Luộc nối sông Hồng với sông Thái Bình, sông Đào Nam Định nối sông Hồng với sông Đáy, bên tả sông Hồng, sông Trà Lý nối sông Hồng với Vịnh Bắc Bộ, hữu sông Hồng, sông Ninh Cơ nối sông Hồng với Vịnh Bắc Bộ.

Địa hình các mặt cắt ngang sông được thu thập từ nhiều nguồn số liệu đo đạc khác nhau. Tổng số nhánh sông sử dụng trong mô hình là 38 sông, với 33 nhánh có số liệu mặt cắt đo năm 2000.

Hệ thống biên mô hình

Biên trên gồm có biên dòng chảy tại Hoà Bình trên sông Đà, dòng chảy tại Yên Bái trên sông Thao, dòng chảy Thác Bà trên sông Chảy, dòng chảy Hàm Yên trên sông Lô, dòng chảy Na Hang trên sông Gâm, dòng chảy Liễn Sơn trên sông Phó Đáy, dòng chảy Thác Bưởi trên sông Cầu, dòng chảy Cầu Sơn trên sông Thương, dòng chảy Chũ trên sông Lục Nam, dòng chảy Hưng Thi trên sông Hoàng Long.

Biên nhập lưu khu giữa cũng được tính toán bằng mô hình NAM sử dụng tính năng tự động hiệu chỉnh thông số, chức năng phân chia lưu vực từ bản đồ cao độ số (DEM), chức năng tính mưa lưu vực đa giác thiessen, chế độ biên phân bổ dọc sông… của bộ mô hình MIKE.

Biên dưới là biên triều của 9 cửa sông lấy theo số liệu mực nước triều tại trạm Hòn Dáu đã được hiệu chỉnh theo đặc tính triều của từng vùng. Biên lấy nước cho mô hình dòng chảy kiệt được lấy theo số liệu điều tra trên toàn hệ thống tháng 3/2002 do Viện quy hoạch Thuỷ lợi điều tra thu thập.

4. Hiệu chỉnh thông số mô hình

Phương pháp thử dần thông thường được sử dụng trong hiệu chỉnh thông số. Hiệu chỉnh mô hình được tiến hành cho giai đoạn dòng chảy kiệt 1-20/3/2002 và trận lũ lớn năm 9-28/8/1996. Số liệu đo đạc lưu lượng, mực nước tại các trạm trên trong thời gian này được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình kiệt và mô hình lũ. Đầu tiên trong quá trình hiệu chỉnh là xem xét việc cân bằng tổng lượng giữa thực đo và tính toán, tiếp theo của việc hiệu chỉnh mô hình là hiệu chỉnh mực nước. Do giới hạn độ dài nội dung bài viết chỉ một số kết quả mô phỏng hiệu chỉnh được trình bày trong Hình 2, 3.

Kết quả hiệu chỉnh mô hình dòng chảy kiệt

Mức độ kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình tại các vị trí nhìn chung có thể đảm bảo để tiếp tục bước mô phỏng hiện trạng và các phương án.

Tại trạm Hà Nội, trên sông Hồng, và Thượng Cát (sông Đuống) xu thế dòng chảy tính toán, mực nước và lưu lượng, và thực đo tương đối phù hợp trong khoảng thời gian 14 ngày đầu. Tuy vậy ngày 17-18/3/2002 kết quả hiệu chỉnh thông số thấp hơn số liệu thực đo, chưa thể hiện được đỉnh quan trắc.

Trên sông Thái Bình tại trạm Cát Khê kết quả hiệu chỉnh thông số khá tốt, số liệu tính toán phù hợp với số liệu thực đo. Tuy vậy hiện số liệu mực nước tính toán có biên độ dao động nhìn chung thiên lớn so với số liệu thực đo. Trong những ngày triều kém (từ 17/3 đến 20/3/2002), mực nước tính toán thấp hơn so với mực nước thực đo khoảng 0.1 đến 0.2 m. Trên sông Kinh Thầy số liệu hiệu chỉnh tại trạm Bến Bính nhìn chung tốt hơn so với kết quả tại trạm Cát Khê, đặc biệt trong những ngày triều kém.

Phía hữu sông Hồng, trên sông Đào tại trạm Nam Định kết quả hiệu chỉnh dòng chảy và mực nước theo sát xu thế biến đổi của số liệu đo đạc. Tuy vậy số liệu mô phỏng chân triều nhìn chung chưa tốt, số liệu tính toán nhỏ hơn số liệu thực đo cho cả hai đặc trưng mực nước và lưu lượng. Trên sông Ninh Cơ kết quả hiệu chỉnh tương đối tốt. Dòng chảy mô phỏng đạt cho cả lưu lượng và mực nước, đồng thời cả đỉnh, chân và xu thế. Đột biến trong mực nước và lưu lượng ở giai đoạn triều kém đều được mô phỏng khá sát với số liệu thực đo. Tuy vậy một số biến động lưu lượng giai đoạn đỉnh triều của số liệu đo đạc chưa được mô phỏng tốt. Ở vị trí này có xuất hiện dòng chảy hai chiều. Bên tả sông Hồng, kết quả mô phỏng mực nước tại trạm Quyết Chiến trên sông Trà Lý thiên lớn so với số liệu thực đo trong suốt giai đoạn hiệu chỉnh thông số. Tuy vậy kết quả mô phỏng lưu lượng tốt hơn so với mực nước, đặc biệt là về xu thế biến đổi. Nhìn chung lưu lượng chân triều được mô phỏng tốt hơn so với lưu lượng đỉnh triều. Đây cũng là khu vực có dòng chảy hai chiều trao đổi giữa sông và biển.

Trên sông Đáy, phía nhập lưu với sông Đào, tại trạm Độc Bộ kết quả mô phỏng nhìn chung chưa thể hiện được các biến đổi về lưu lượng thực đo. Tại Độc Bộ kết quả mô phỏng mực nước khá tốt cho các điểm chân triều. Đặc biệt các biến động về mực nước  

Hình 2. Kết quả hiệu chỉnh dòng chảy kiệt 3/2002 tại trạm Hà Nội (sông Hồng), Thượng Cát (sông Đuống), nét mảnh=tính toán, nét dày=thực đo.

d10

Hình 3. Kết quả hiệu chỉnh mực nước lũ 8/1996 tại trạm Sơn Tây, Hà Nội (sông Hồng), và Thượng Cát (sông Đuống), nét mảnh=tính toán, nét dày=thực đo.

trong thời kỳ triều kém được mô phỏng rất tốt. Lưu lượng mô phỏng hiện còn dao động mạnh so với kết quả thực đo.

Nhìn chung trên toàn hệ thống kết quả mô phỏng thể hiện được xu thế biến đổi của cả đặc trưng lưu lượng và mực nước. Đặc biệt tại các trạm khống chế phía thượng lưu như Hà Nội, Thượng Cát phía sông Hồng và phía sông Thái Bình là Cát Khê và Bến Bính kết quả mô phỏng thể hiện được hầu hết các biến đổi của số liệu thực đo cả về lưu lượng và mực nước. Tuy vậy tại một số vị trí kết quả mô phỏng hiện chưa tốt, chưa thể hiện được hết các biến đổi của chuỗi số liệu thực đo. Đặc biệt là ở trạm Độc Bộ trên lưu vực sông Đáy, đây cũng là trạm chịu ảnh hưởng của dòng chảy hai sông, sông Đáy và sông Hồng, đồng thời cũng là khu vực chịu ảnh hưởng của tác động của hai chế độ thuỷ triều khá khác biệt từ cửa sông Đáy và cửa sông Hồng.

Bộ số liệu mô hình thuỷ lực dòng chảy kiệt lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình thu được qua quá trình hiệu chỉnh hiện chưa hoàn toàn thể hiện được đặc tính biến đổi của hệ thống sông dưới tác động của các tác động dùng nước và hệ thống biên nhưng nhìn chung đã mô phỏng khá tốt biến đổi của đặc trưng mực nước và lưu lượng trên hầu hết các nhánh sông-tại các vị trí có số liệu đo đạc. Do vậy việc sử dụng bộ số liệu cho các bước tính phương án tiếp theo là hoàn toàn có thể chấp nhận được.

Kết quả hiệu chỉnh mô hình dòng chảy lũ

Trận lũ tháng 8/1996 là trận lũ khá lớn trong đó có sự kết hợp giữa lũ lớn từ thượng nguồn đổ về kết hợp với thuỷ triều lên cao từ phía dưới hạ lưu do ảnh hưởng của bão tới cấp 11 ở vùng ven biển Bắc Bộ. Lưu lượng lớn nhất đo đạc được tại Sơn Tây là 22030m3/s. Trường hợp hồ Hoà Bình không vận hành thì lưu lượng lớn nhất tại Sơn Tây sẽ vào khoảng 27200 m3/s.

Kết quả mô phỏng lưu lượng tại hai trạm Hà Nội và Thượng Cát khá tốt. Đường quá trình lưu lượng giữa thực đo và tính toán tại 2 trạm này gần như trùng khít. Tổng lượng dòng chảy của tất cả các biên phía trên Sơn Tây và tổng lượng dòng chảy tại Hà Nội + Thượng Cát là xấp xỉ như nhau.

Ngoài việc so sánh về lưu lượng, mực nước thực đo và tính toán tại 24 trạm trong hệ thống sông Hồng cũng được đánh giá. Nhìn chung qua kết quả thu được khá tốt. Dòng chảy cũng như mực nước thực đo tại hầu hết các trạm kiểm tra trên lưu vực là xấp xỉ nhau cả về độ lớn, hình dạng và pha. Mực nước thực đo và tính toán tại các trạm trên hệ thống sông Hồng là xấp xỉ nhau, trừ kết quả tại 2 trạm Nam Định (sông Đào) và Triều Dương (sông Luộc). Kết quả tính toán trên hệ thống sông Thái Bình là tốt hơn so với sông Hồng.

5. Tính toán phương án

Mô hình dòng chảy kiệt

Phương án tính toán được xây dựng khi xem xét tổ hợp các trường hợp gia tăng yêu cầu dùng nước với khả năng bổ sung dung tích điều tiết của hệ thống hồ chứa cùng với thay đổi trong lượng nước đến trên toàn hệ thống ứng với tần suất đảm bảo 85%.

Lượng dùng nước các giai đoạn phát triển 2010, 2020 và 2040 được tính toán dựa trên số liệu điều tra dùng nước năm 2002 với tốc độ gia tăng ở các năm 2010, 2020 và 2040 lấy theo tỉ lệ gia tăng xác định trong báo cáo Tổng quan sử dụng nguồn nước lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình. Yêu cầu nước cho sinh hoạt và công nghiệp trên toàn hệ thống ước đoán bằng 15% tổng lượng nước dùng. Cùng với quá trình phát triển khoa học công nghệ, dự đoán trong tương lai lượng nước tái sử dụng từ nước hồi quy sẽ ngày càng tăng. Trong nghiên cứu này sử dụng khả năng trung bình tức là tỉ lệ tái sử dụng nước ở các năm 2010, 2020, và 2040 tương ứng là 7.5%, 10%, và 12.5%. Lượng nước đến ở các biên trên và biên nhập lưu được tính toán với tần suất xuất hiện 85%. Biên triều lấy bằng số liệu hiệu chỉnh cho từng cửa sông từ số liệu đo đạc mực nước triều thực đo tại Hòn Dáu năm 2002.

Bảng 1. Phương án dung tích điều tiết bổ sung

Nguồn nước bổ sung trong tương lai chủ yếu lấy từ hệ thống hồ chứa cấp nước trên lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình. Trên sông Thao không có khả năng xây dựng hồ chứa cấp nước. Trên sông Lô-Gâm có nhiều vị trí có thể xây dựng hồ chứa như Tuyên Quang, Bắc Mục, Đại Thị, Bắc Mê nhưng hiện tại do các khu dân cư phát triển nên chỉ còn hai vị trí còn có thể phát triển hồ chứa là Tuyên Quang và Bắc Mê với tổng dung tích hữu dụng vào khoảng 2 tỉ m3. Trên sông Chảy có hai vị trí có thể phát triển hồ chứa với tổng dung tích hữu dụng khoảng 300 triệu m3 nhưng hiện dân cư trong vùng lòng hồ khá đông nên tính khả thi không cao. Sông Đà, ngoài Hồ Hoà Bình, vẫn còn một số khả năng phát triển hồ chứa, với một loạt vị trí bậc thang trên dòng chính khả thi như Sơn La, Thác Lai, Nậm Nhùn, Nậm Pô, Ké Giao, Pa Há và trên dòng nhánh như Huội Quảng, Bản Trác với tổng dung tích hữu dụng từ 6-18 tỉ m3.

Phương án phát triển hồ chứa trên hệ thống là đưa ra các giả thiết các dung tích hữu dụng sẽ phát triển trên lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình để tính toán cân bằng đảm bảo đáp ứng nhu cầu dùng nước cho các mốc thời gian 2010, 2020, và 2040 (Bảng 1).

Trong nghiên cứu này độ dài thời gian mô phỏng các phương án bổ sung nguồn nước là 15 ngày với các số liệu đầu vào tương ứng như đã trình bày ở trên. Nhìn chung trên toàn vùng nghiên cứu các phương án bổ sung nguồn nước có tác động đáng kể đến đặc trưng lưu lượng-ảnh hưởng đối với đặc trưng mực nước là không lớn, đặc biệt đối với vùng ảnh hưởng triều.

Tại trạm Hà Nội các phương án bổ sung nguồn nước các năm 2010, 2020, và 2040 đều làm tăng mực nước so với hiện trạng (Bảng 2). Phương án năm PA2010-I và PA2010-II làm tăng mực nước tại Hà Nội từ 0.1m đến 0.3m so với hiện trạng, với mực nước tại Hà Nội đạt 2.9m đến 3.1m với phương án bổ sung 1 tỉ m3 dung tích điều tiết (PA2010-I) và tăng 3.0 đến hơn 3.2m khi bổ sung nguồn nước 4 tỉ m3 dung tích điều tiết (PA2010-II). Ba trường hợp bổ sung dung tích điều tiết năm 2020 nâng cao mực nước tại Hà Nội khoảng từ 0.3m đến 0.6m tương ứng với các trường hợp PA2020-I (bổ sung 7 tỉ m3), PA2020-II (10 tỉ m3) và PA2020-III (13 tỉ m3). Đối với ba phương án tính cho năm 2040, do lượng nước dùng tăng trong khi không gia tăng trong dung tích điều tiết bổ sung nên mực nước tại Hà Nội đều giảm so với trường hợp năm 2020, tương ứng khoảng từ 0.3m đến 0.4m. Tuy vậy nhìn chung mực nước ba phương án tính toán năm 2040 đều vẫn làm tăng hơn so với hiện trạng từ 0.3m đến 0.6m.

Trong trường hợp năm 2040, mặc dù mức tái sử dụng nước là 12.5% (tăng so với 10.0% năm 2020 và 7.5% năm 2010) nhưng không bù được mức tăng trong yêu cầu tổng lượng sử dụng nước đã dẫn đến mực nước tại trạm Hà Nội đều giảm so với các trường hợp bổ sung dung tích điều tiết tương ứng ở năm 2020.

Tại trạm Hà Nội kết quả tính toán các phương án cũng cho thấy càng về sau, khi dung tích điều tiết bổ sung tăng, sẽ góp phần điều hoà các biến đổi bất thường của dòng chảy. Đỉnh và chân dòng chảy đều có dạng thoải hơn so với hiện trạng.

Đối với các trạm vùng chịu ảnh hưởng mạnh của thuỷ triều, như trạm Cát Khê (sông Thái Bình), các phương án bổ sung dung tích điều tiết đều không có ảnh hưởng rõ rệt. Đặc biệt ở thời điểm xuất hiện đỉnh triều hầu như không thể nhận biết được ảnh hưởng của việc bổ sung lưu lượng điều tiết trong tất cả các trường hợp (nhất là đối với đặc trưng mực nước), do thuỷ triều mạnh lấn át ảnh hưởng của dòng chảy bổ sung từ phía thượng nguồn.

Tuy vậy khi mực nước triều đạt giá trị thấp nhất, chân triều, sự khác biệt có thể dễ dàng nhận ra. Vì đây là vùng ảnh hưởng triều nên thay đổi mực nước tại trạm Cát Khê so với hiện trạng là không lớn, chủ yếu chỉ làm tăng mực nước không quá 0.2m tuỳ theo từng trường hợp dung tích bổ sung từ 4 tỉ m3 đến 13 tỉ m3. Với trường hợp dung tích điều tiết bổ sung 1 tỉ m3 (PA2010-I) thì đôi khi mực nước thấp nhất có thể xuống thấp hơn mực nước tính toán cho phương án hiện trạng. Khác với thời kỳ triều cường, tại trạm Cát Khê vào kỳ triều kém ảnh hưởng của các phương án bổ sung dung tích điều tiết thể hiện rõ rệt và liên tục hơn. Tất cả các phương án đều làm tăng mực nước từ vài cm đến hơn 20cm cho trường hợp bổ sung 13 tỉ m3 vào năm 2020 (PA2020-III).

Bảng 2. Kết quả tính phương án  tại trạm Hà Nội

Nhìn chung ảnh hưởng của các phương án bổ sung nguồn nước lên đặc trưng lưu lượng tương tự với đặc trưng mực nước nhưng có phần rõ nét hơn.

Theo báo cáo Tổng quan sử dụng nguồn nước sông Hồng-sông Thái Bình thì yêu cầu lưu lượng dòng chảy cho giao thông thuỷ là khoảng 600 m3/s đến 700 m3/s. Yêu cầu này được đảm bảo trong mọi phương án tính toán, kể cả phương án hiện trạng. Kết quả tính toán các phương án đồng thời cũng đảm bảo yêu cầu dòng chảy duy trì sông cho hạ du, 672 m3/s (là dòng chảy ứng với tần suất 95%).

Để đảm bảo đầu nước yêu cầu cho hệ thống trạm bơm lấy nước vùng hạ du thì mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội phải đạt trên 2.5 m. Kết quả tính toán cũng cho thấy điều kiện này cũng được thoả mãn trong mọi phương án tính toán. Tuy nhiên yêu cầu mực nước tại trạm Hà Nội để đảm bảo tưới tự chảy cho vùng hạ du là 3.0m bị vi phạm trong hai phương án tính toán: Phương án Hiện trạng (2.77 m) và Phương án PA2010-I (2.87 m). Yêu cầu đầu nước cho tưới tự chảy ở hạ du cũng chỉ vừa đủ đảm bảo cho đối với hai phương án 2010-II và 2040-I với mực nước tính toán chỉ vượt quá yêu cầu một vài cm.

Mô hình dòng chảy lũ

Trên cơ sở mô hình thuỷ lực lũ sông Hồng – Thái Bình tính toán kiểm tra hiệu quả cắt lũ của các hồ chứa thượng nguồn và công trình phân chậm lũ. Lấy tiêu chuẩn trận lũ lịch sử tháng 8 năm 1971, tương ứng với tần suất 0.8% tại Sơn Tây, có lưu lượng đỉnh lũ tại Sơn Tây là 37.800m3/s. Chọn dạng lũ năm 1996 là năm có dạng lũ bất lợi trên sông Đà để tính toán.  

Hiện tại có 2 hồ chứa lớn nằm ở thượng du, tham gia điều tiết lũ cho vùng đồng bằng sông Hồng. Đó là hồ chứa Hoà Bình trên sông Đà với dung tích phòng lũ là 4.9 tỷ m3. Hồ Thác Bà trên sông Chảy với dung tích phòng lũ 450 triệu m3. Như vậy hồ Hoà Bình giữ vai trò quyết định và chủ đạo cho việc điều tiết lũ ở Hạ du. Các trường hợp được đưa vào để tính toán trong báo cáo này tập trung đánh giá khả năng cắt lũ của hồ chứa Hoà Bình và khả năng phân lũ của sông Đáy, trường hợp được đưa vào tính toán như sau: (i) PA1: Không có hồ Hoà Bình, không phân lũ sông Đáy, (ii) PA2 Có hồ Hoà Bình cắt lũ, không phân lũ sông Đáy, (iii) PA3: Không có hồ Hoà Bình, phân lũ sông Đáy. Hồ Sơn La và Tuyên Quang  chưa được xem xét trong nghiên cứu này.

Biên trên là quy mô trận lũ năm 1971 với dạng lũ năm 1996 với lưu lượng thiết kế tại Sơn Tây là 37.800m3/s. Biên dưới là mực nước triều ứng với tần suất 5% (tháng 8/1996). Để đánh giá khả năng gây lũ do bão mực nước triều được cộng thêm 1.5m vào các ngày 2 và 3 tháng 8/1996 là những ngày có mực nước triều cao nhất. Kết quả tính toán các phương án cho thấy khả năng cắt lũ cho Hà nội ứng với lũ 1971 của hồ Hoà Bình là 2.10m, khả năng cắt lũ cho Hà Nội của hệ thống phân lũ sông Đáy là 0.65m (Bảng 3).

Bảng 3. Kết quả tính toán các phương án

6. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã định lượng hiệu quả của các phương án phát triển nguồn nước đến các đặc trưng (i) mực nước và (ii) lưu lượng trên toàn hệ thống sông Hồng-sông Thái Bình đáp ứng nhu cầu dùng nước ngày càng tăng cũng như các phương án chống lũ phục vụ hoạt động phát triển kinh tế xã hội vùng nghiên cứu. Kết quả tính toán cho thấy hầu hết các phương án đưa vào xem xét đảm bảo đáp ứng nhu cầu dùng nước cho các giai đoạn phát triển 2010, 2020 và 2040. Tuy vậy kết quả tính toán mực nước và lưu lượng tại Hà Nội cho thấy các phương án bố sung dung tích điều tiết nước cũng chỉ “vừa đủ” đáp ứng yêu cầu của tương lai, vì vậy các biện pháp phi công trình cần được đặc biệt chú ý trong thời gian tới trong tình hình khả năng phát triển hệ thống hồ chứa thượng lưu ngày càng khó khăn.

Các phương án tính toán được đưa ra nhằm đánh giá lại khả năng cắt lũ của hồ chứa Hoà Bình và hệ thống phân lũ sông Đáy. Kết quả cho thấy rằng hồ chứa Hoà Bình đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc chống lũ cho đồng bằng sông Hồng.

Qua nghiên cứu khìn chung kết quả hiệu chỉnh mô hình cho vùng hạ lưu sông Thái Bình tốt hơn so với vùng hạ lưu phía sông Hồng-Đáy cho cả hai mô hình dòng chảy kiệt và lũ.

Mô hình MIKE 11 qua các nghiên cứu tại Viện Quy hoạch Thuỷ lợi đã thể hiện nhiều tính năng ưu việt như (i) có tính đồng bộ cao thể hiện qua việc kết nối với các mô hình thành phần khác của  MIKE cũng như các ứng dụng liên quan, (ii) hệ thống file số liệu được tổ chức có tính khoa học cao tiện lợi khi giải quyết những bài toán lớn, phức tạp, (iii) độ ổn định cao trong tính toán với hệ thống mã báo lỗi chi tiết thuận tiện cho người sử dụng. Tuy vậy nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy MIKE 11 còn một số điểm cần tiếp tục được cải tiến thêm như (i) cần cải tiến hệ thống giao diện MIKE theo hướng đơn giản & thân thiện với người sử dụng hơn nữa, (ii) cần thi tiết hơn nữa nội dung hướng dẫn thiết lập/vận hành hệ thống công trình trên sông.

Theo hướng mở rộng khả năng và phạm vi ứng dụng hiện Viện Quy hoạch Thuỷ lợi đã và đang tiến hành các nghiên cứu tiếp theo như (i) kết hợp MIKE 11 với mô hình 2 chiều MIKE 21 (mô hình MIKE FLOOD), MIKE-GIS mô phỏng các khu bãi, bối ven sông, khu chậm lũ, (ii) kết hợp bài toán chuyển tải khuyếch tán (tính xâm nhập mặn), bài toán chất lượng nước, (iii) kết hợp dòng chảy MIKE 11 với mô hình dòng chảy 3 chiều trong tầng ngầm (mô hình MIKE SHE).

Tài liệu tham khảo

DHI Water & Environment. MIKE 11 A Modelling System for Rivers and Channels. Reference Manual, 2000.

Viện Quy hoạch Thuỷ lợi. Báo cáo chuyên đề tính toán thuỷ lực mùa lũ hệ thống sông Hồng-sông Thái Bình-Dự án Quy hoạch phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng, 1999.

Viện Quy hoạch Thuỷ lợi. Quy hoạch phòng chống lũ Đồng bằng sông Hồng. Báo cáo tính toán thuỷ lực mùa lũ, 1999.

Viện Quy hoạch Thuỷ lợi. Tổng quan sử dụng nguồn nước lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình. Báo cáo chính, 2001.

Viện Quy hoạch Thuỷ lợi. Tổng quan sử dụng nguồn nước lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình. Báo cáo chuyên đề tài nguyên nước, 2001.