ỨNG DỰNG MÔ HÌNH L Ũ 2 CHIỀU MIKE FLOOD TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI TÌNH NINH THU ẬN (Bài đã đăng trên Tập san Khoa học và Công nghệ Quy hoạch thủy lợi- Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam – Bộ Nông nghiệp và PTNT. NXB Nông nghiệp năm 2009)

Ths. Nguyễn Vũ Huy Phó Phòng QHTL MĐNB và Phụ cận Viện Quy hoạch TL miền Nam

Tóm tắt: Ninh Thuận là tỉnh ven biển Nam Trung bộ, có sông Cái gần bao trùm và nằm trọn trong tỉnh. Sông Cái với diện tích lưu vực trên 3.000 km2, ngắn và dốc, hàng năm thường gây ngập cho thị xã Phan Rang-Tháp Chàm. Những năm lũ lớn, như năm 1964, 1978, 1998 và 2003, làm ngập và gây thiệt hại lớn không chỉ cho sản xuất nông nghiệp trên diện tích từ 5.000-10.000 ha mà còn làm ngập và đe dọa ổn định hệ thống đê bảo vệ thị xã Phan Rang-Tháp Chàm. Trong quy hoạch thuỷ lợi lưu vực sông Cái Phan Rang và tỉnh Ninh Thuận, bài toán kiểm soát lũ sông Cái luôn được tỉnh Ninh Thuận quan tâm đặc biệt. Việc ứng dụng mô hình MIKE FLOOD 2 chiều là công cụ hữu hiệu để mô phỏng quá trình truyền lũ, tràn đồng gây ngập ở hạ lưu sông Cái, cũng như tính toán mực nước các phương án quy hoạch đê ven sông, các trường hợp tính toán ứng với các tần suất lũ thượng nguồn khác nhau, giúp cho việc đề xuất các phương án kiểm soát lũ khoa học và khả thi hơn. I. Giới thi ệu chung

Sông Cái-Phan Rang là dòng sông cung cấp nguồn nước quan trọng cho phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Ninh Thuận, nhưng lũ trên sông Cái cũng chính là tác nhân chủ yếu gây ngập lụt và làm thiệt hại cho vùng hạ du sông. Do đặc điểm địa hình rất dốc, lớp phủ thực vật nghèo nàn, nên lũ trên lưu vực sông Cái tuy diễn ra trong thời gian ngắn nhưng tốc độ của dòng chảy lũ lớn, cuốn trôi các vật cản trên đường đi làm sập nhà cửa, sạt lở cầu cống, đường sá và gây nguy hiểm đến tính mạng của người dân. Với mục tiêu giảm nhẹ thiệt hại do lũ trên sông Cái gây ra hàng năm cho vùng hạ du, công tác quy hoạch thủy lợi cần xác định được định hướng và các giải pháp tổng thể cho cả lưu vực sông về phòng chống lũ, với các biện pháp phòng chống lũ hiệu quả và kinh tế nhất. Do lũ trên sông Cái xảy ra trên diện rộng, diễn biến phức tạp, để nghiên cứu về lũ trên sông Cái cần phải có các công cụ mô hình toán nghiên cứu thích hợp nhằm có thể mô phỏng và dự báo dòng chảy lũ trên sông được chính xác.

Dựa trên cơ sở của quy hoạch các công trình thủy lợi bậc thang trên lưu vực sông Cái, nhiệm vụ phòng chống lũ cho vùng hạ du sông được xem xét nhằm có thể kết hợp với nhiệm vụ của các công trình thượng lưu một cách có lợi nhất. Bài toán thủy lực được xem xét và đánh giá nhằm lựa chọn các biện pháp phòng chống lũ hiệu quả và kinh tế, với yêu cầu cụ thể như sau:

1. Khôi phục hiện trạng lũ năm 2003: trên cơ sở các tài liệu đo đạc có được trong trận lũ tháng 11-2003 để hiệu chỉnh các thông số mô hình làm cơ sở cho các phương án tính toán dự báo.

Khaùnh Hoaø

LaâmÑoàng

BìnhThuaän

Bieån Ñoâng

2. Tính toán các phương án ứng với các phương án công trình thượng lưu và các trường hợp công trình kiểm soát lũ hạ du:

- Phương án 1 (PA1): Công trình thượng lưu là hồ Sông Cái và đập Tân Mỹ, thêm các công trình hồ chứa nhỏ khác; tương ứng với Trường hợp 1 là hạ du không xây dựng tuyến đê bao dọc theo bờ hữu từ đập Nha Trinh về đến cầu Tuấn Tú; và Trường hợp 2 là xây dựng tuyến đê bao dọc theo bờ hữu từ đập Nha Trinh về đến cầu Tuấn Tú, tại hợp lưu của sông Quao vói sông Cái xây dựng một cống có cửa van một chiều chảy từ sông Quao ra sông Cái, B=20 m và cao trình đáy là -2,0 m.

- Phương án 2 (PA2): Công trình thượng lưu là hồ Sông Cái và hồ Tân Mỹ, các trường hợp công trình vùng hạ du giống như trong PA1.

- Phương án 3 (PA): Công trình thượng lưu là hồ Sông Cái Thượng, hồ Sông Cái và đập dâng Tân Mỹ, các trường hợp công trình vùng hạ du giống như trong PA1.

II. L ựa chọn công cụ tính toán

Để đáp ứng nhu cầu trong thực tế và ứng dụng các tiến bộ của máy tính điện tử, các nhà khoa học Việt Nam và trên thế giới đã nghiên cứu xây dựng nhiều loại mô hình toán để có thể mô phỏng dòng chảy lũ được chính xác. Tuy nhiên các mô hình sử dụng phổ biến hiện nay trong nước dùng để mô phỏng bài toán thủy lực hầu hết là loại mô hình một chiều (1D) và kết hợp mô phỏng giả lập 2 chiều (quasi 2D) đối với dòng chảy tràn trên ô đồng. Việc mô phỏng như vậy chỉ có thể áp dụng cho vùng ngập lũ có tính chất dòng chảy là không đều biến đổi chậm, tuy nhiên dễ áp dụng do yêu cầu về đầu vào của mô hình khá đơn giản. Đối với các vùng có độ dốc địa hình lớn, tốc độ dòng chảy lớn, động lượng của dòng chảy tràn trên các ô đồng lớn thì việc áp dụng mô hình một chiều như trên là không thích hợp và kết quả mô phỏng sẽ có độ tin cậy thấp. Để giải quyết vấn đề trên cần sử dụng mô hình mô phỏng 2 chiều thực theo phương ngang (2DH) cho các bài toán ngập lũ ở vùng có dòng chảy biến đổi nhanh, động lượng dòng chảy tràn lớn. Với sự trợ giúp từ DANIDA, Vi ện Quy hoạch thủy lợi Nam bộ đ được chuyển giao bộ mô hình MIKE của DHI (Đan Mạch) trong đó có mô hình MIKE FLOOD được xem là công cụ rất tốt dùng để mô phỏng bài toán lũ cho cả dòng chảy biến đổi chậm và biến đổi nhanh.

MIKE FLOOD là công cụ mô hình được kết hợp từ mô hình MIKE 21 và mô hình MIKE 11. Mô hình MIKE 21 chính là mô hình thủy lực 2 chiều thực theo phương ngang (2DH), chuyên dùng để mô phỏng dòng chảy tràn trên các bãi tràn theo phương ngang. Mô hình MIKE 11 là mô hình thủy lực 1 chiều (1D), chuyên dùng để mô phỏng dòng chảy trên mạng lưới sông kênh và mô phỏng các công trình trên sông như cống đập… Sự kết hợp của 2 mô hình MIKE 21 và MIKE 11 đã tạo nên một công cụ rất hữu hiệu trong việc mô phỏng dòng chảy lũ cho các vùng nghiên cứu phức tạp như sông Cái Phan Rang.

I. Xây dựng mô hình lũ MIKE FLOOD vùng h ạ lưu sông Cái- Phan Rang

Trên cơ sở điều kiện đầu vào của mô hình và đặc điểm thủy lực của vùng nghiên cứu, mô hình MIKE FLOOD được chọn làm công cụ mô hình toán để mô phỏng bài tóan lũ vùng hạ du sông Cái- Phan Rang.

Mô hình toán lũ được xây dựng cho vùng hạ du sông Cái bao phủ toàn bộ vùng bị ảnh hưởng ở hạ du từ Nha Trinh trở xuống do lũ sông Cái, có kích thước là 17km x 24km, kích thước mỗi ô lưới là 50m x 50m. Như vậy mô hình MIKE FLOOD cho vùng hạ du sông Cái có tổng cộng 163.200 ô lưới. Cao độ của các ô lưới được nội suy

cao độ từ bản đồ cao độ số (DEM) 90m kết hợp với hiệu chỉnh từ bản đồ địa hình tỉ lệ 1/25.000 tạo thành điều kiện đầu vào địa hình cho mô hình 2 chiều MIKE 21. Địa hình vùng nghiên cứu được biểu diễn trong Hình 1.

Mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11 được xây dựng nhằm mô phỏng dòng chảy trong các sông kênh và qua các công trình là cống, đập. Mô hình được xây dựng dựa trên tài liệu các mặt cắt sông kênh đã đo đạc. Các công trình đưa vào mô hình có thể kể đến như đâp Nha Trinh, đập Lâm Cấm, đập Tề Nông, cống ở cửa sông Quao…

Số liệu biên đầu vào của mô hình MIKE 11 bao gồm:

- Mực nước tại các trạm tương ứng với các nút biên.

- Lưu lượng tại các nút biên (có thể là lưu lượng vào, ra, giá trị hằng số hoặc thay đổi theo thời gian).

- Mưa, bốc hơi tại các trạm trên vùng nghiên cứu.

- Điều kiện ban đầu bao gồm: mực nước, lưu lượng tại tất cả các đoạn.

Sông kênh được chia thành các đoạn nối với nhau ở nút. Nút có thể là giao điểm của nhiều nhánh sông kênh (ngã ba, ngã tư...) mà cũng có thể là mặt cắt chia đoạn trên một kênh đơn, tức là điểm nối hai đoạn liên tiếp.

Với mỗi đoạn số liệu yêu cầu bao gồm:

- Loại đoạn: sông kênh, công trình như cống đập v.v..

- Chiều dài, hệ số nhám;

- Mặt cắt theo cao độ;

- Trạm mưa tương ứng gán cho đoạn;

Biên thượng lưu cuả mô hình là lưu lượng dòng chảy của sông Cái tại thượng lưu đập Nha Trinh, thượng lưu sông Lu sau hồ Tân Giang, thượng lưu sông Quao sau tuyến đập dự kiến của hồ Lanh Ra. Biên hạ lưu là mực nước thủy triều biển Đông vào các ngày 12, 13 14, 15 tháng 11/2003.

Mô hình được hiệu chỉnh thông qua việc mô phỏng trận lũ tháng 11/2003. Theo nhận định thì trận lũ 11/2003 là trận lũ lớn nhất trong vòng 25 năm gần đây xảy ra trên sông Cái. Thời đoạn mô phỏng trận lũ 11/2003 diễn ra trong các ngày 13-15/11/2003. Biên thượng lưu là lưu lượng tại Nha Trinh, trên sông Quao, sông Lu được lấy theo tần suất 3%, là tần suất đánh giá trận lũ 11/2003 tương ứng với 3%. Biên hạ lưu là mực nước thủy triều biển Đông tại cùng thời điểm. Tài liệu mưa trên vùng nghiên cứu được lấy theo tài liệu đo đạc thực tế của Đài khí tượng thủy văn vào cùng thời điểm. Kết quả như hình bên và bảng sau.

Sông Vị trí L(km) từ Nha Trinh

Htđ(m) 2003

Htt(m) 2003

Sông Vị trí L(km) từ Nha Trinh

Htđ(m) 2003

Htt(m) 2003

Sông Cái

Nha Trinh

K0 19,02 19,75 Sông Quao

Cầu đường sắt K0+650 8,03 9,19 K4 16,84 Cầu QL1A K6+609 6,55 7,55 K6 15,59 Cửa s.Quao K7+897 6,31 7,18

Lâm Cấm K11 10,05 10,66

Sông Lu

Tề Nông K0 12,05 13,30 Cầu Mống K12+040 9,29 9,90 Cầu QL1A K1+200 11,67 10,18 C.Đạo Long II K16+454 7,69 Cầu Hộ Tài K4+725 5,56 HL s.Quao K17+677 6,31 7,01 Cầu Tuấn Tú K10+325 4,25 4,49 C.Đạo Long I K17+997 5,34 5,77 Cửa sông Lu K12+275 4,16 3,11 HL s.Lu K20+205 3,04

Diện tích ngập (ha): 6.288 Cửa s.Cái K21+407 1,80 1,81

Ghi chú: Htđ: Mực nước thực đo năm 2003 Htt: Mực nước tính toán theo MIKE FLOOD

Do còn nhiều hạn chế về số liệu đầu vào, việc mô phỏng của mô hình thủy lực tuy đã mô tả được diễn biến của trận lũ một cách toàn diện, nhưng mực nước tại một vài vị trí còn sai khác với tài liệu điều tra. Tuy nhiên với tính chất phức tạp của bài toán lũ và do khả năng có hạn về tài liệu đầu vào của mô hình, kết quả mô phỏng trận lũ 11-2003 là chấp nhận được trong giai đoạn nghiên cứu quy hoạch thủy lợi.

II. Mô phỏng các phương án

Các phương án phòng chống lũ cho hạ du được xây dựng trên cơ sở các phương án của công trình bậc thang trên thượng lưu sông Cái. Trên sông Cái dự kiến sẽ xây dựng các công trình hồ chứa lớn là hồ Sông Cái, hồ Tân Mỹ và các hồ chứa nhỏ khác như sông Sắt, sông Biêu, Trà Co, Lanh Ra,… Nội dung các phương án và trường hợp đã được nêu trong phần nhiệm vụ của tính toán thủy lực. Mỗi phương án được tính toán với các tần suất lũ 5% và 10%.

Sông Vị trí Khoảng cách (m)

Phương án 1 Phương án 2

TH- 1a TH- 1b TH- 2a TH- 2b

5% 10% 5% 10% 5% 10% 5% 10% Mực nước (m)

Sông Cái

Nha Trinh K0 18,78 18,24 19,48 18,75 18,79 18,21 19,43 18,71 K4 16,36 15,97 17,36 16,49 16,32 15,95 17,31 16,43 K6 15,11 14,70 16,07 15,15 15,06 14,67 16,02 15,10 Lâm Cấm K11 10,14 9,86 11,24 10,20 10,12 9,84 11,16 10,15 Cầu Mống K12+040 9,30 8,72 10,55 9,34 9,18 8,67 10,45 9,26 C.Đạo LongII K16+454 7,09 6,43 7,95 6,92 6,89 6,27 7,89 6,86 HL s.Quao K17+677 6,32 5,59 6,87 5,97 6,10 5,32 6,82 5,92 C.Đạo LongI K17+997 5,14 4,13 5,40 4,41 4,84 3,87 5,34 4,28 HL s.Lu K20+205 2,60 2,19 2,62 2,26 2,45 2,14 2,50 2,20 Cửa s.Cái K21+407 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81

Sông Quao

Cầu đường sắt K0+650 8,92 8,37 7,40 7,64 8,78 8,21 7,40 7,23 Cầu QL1A K6+609 6,94 6,14 6,24 6,03 6,72 5,96 6,28 5,93 Cửa s.Quao K7+897 6,48 5,72 6,24 6,05 6,27 5,45 6,28 5,95

Sông Lu

Tề Nông K0 13,18 12,85 13,08 12,85 13,08 12,85 13,08 12,85 Cầu QL1A K1+200 10,00 9,53 9,86 9,53 9,86 9,53 9,86 9,53 Cầu Hộ Tài K4+725 5,22 4,83 4,96 4,83 5,06 4,83 4,96 4,83 Cầu Tuấn Tú K10+325 4,14 3,62 3,67 3,62 3,90 3,62 3,69 3,62

Cửa s.Lu K12+275 2,66 2,24 2,70 2,31 2,51 2,19 2,58 2,24 Diện tích ngập ha 5.332 3.593 2.631 2.312 4.882 3.097 2.595 1.944

Sông Vị trí Khoảng cách (m)

Phương án 3

TH- 3a TH- 3b

5% 10% 5% 10% Mực nước (m)

Sông Cái

Nha Trinh

K0 18,62 18,05 19,27 18,48 K4 16,25 15,81 17,10 16,17 K6 14,99 14,54 15,81 14,83

Lâm Cấm K11 10,03 9,74 10,94 9,96 Cầu Mống K12+040 9,12 8,47 10,21 8,91 C.Đạo LongII K16+454 6,95 6,22 7,66 6,57 HL s.Quao K17+677 6,15 5,38 6,61 5,73 C.Đạo Long I K17+997 4,91 3,87 5,12 4,10 HL s.Lu K20+205 2,45 2,14 2,50 2,17 Cửa s.Cái K21+407 1,81 1,81 1,81 1,81

Sông Qua

o

Cầu đường sắt K0+650 8,82 8,24 7,69 7,63 Cầu QL1A K6+609 6,77 5,99 6,24 5,85 Cửa s.Quao K7+897 6,32 5,51 6,23 5,83

Sông Lu

Tề Nông K0 13,18 12,85 13,08 12,85 Cầu QL1A K1+200 10,00 9,53 9,86 9,52 Cầu Hộ Tài K4+725 5,12 4,83 4,96 4,83 Cầu Tuấn Tú K10+325 4,04 3,62 3,67 3,62 Cửa s.Lu K12+275 4,62 4,62 4,62 4,62

Diện tích ngập ha 5.128 3.190 2.603 1.903

Bản đồ ngập lũ Trường hợp 1a lũ 5% Bản đồ ngập lũ Trường hợp 1a lũ 10%

Bản đồ ngập lũ Trường hợp 1b lũ 5% Bản đồ ngập lũ Trường hợp 1b lũ 10%

Bản đồ ngập lũ Trường hợp 2a lũ 5% Bản đồ ngập lũ Trường hợp 2a lũ 10%

Bản đồ ngập lũ Trường hợp 2b lũ 5% Bản đồ ngập lũ Trường hợp 2b lũ 10%

III. Kết luận

Mô thủy lực MIKE FLOOD đã được xây dựng cho vùng hạ du của sông Cái Phan Rang nhằm nghiên cứu diễn biến lũ trong các phương án phòng chống lũ mà qui hoạch thủy lợi đề xuất. Mô hình đã được hiệu chỉnh thông qua mô phỏng trận lũ tháng 11-2003 và kết quả mô phỏng là chấp nhận được và dùng các thông số để áp dụng cho mô phỏng các phương án. Có tất cả 8 trường hợp của 2 phương án đã được mô phỏng và phân tích kết quả. Kết quả mô phỏng đã dự báo các diễn biến ngập lũ có thể xảy ra cho vùng hạ du của sông Cái-Phan Rang và hiệu quả của các biện pháp chống lũ cho vùng nghiên cứu.

Từ kết quả mô hình cho thấy khả năng cắt giảm lũ của các hồ chứa thượng lưu là hạn chế và do đó giải pháp hiệu quả là lâu dài cho vùng hạ du là xây dựng tuyến đê bao dọc theo hai bờ sông Cái từ đập Nha Trinh đến cầu Tuấn Tú trên sông Lu và xây

dựng thêm 01 cống một chiều tại cửa sông Quao. Thêm vào đó, để giải quyết tình trạng ngập úng cục bộ do mưa nội đồng và lũ từ các sông nhánh Lanh Ra và Lu cần phải cải tạo, xây dựng thêm các tuyến kênh tiêu nội đòng cho vùng bị ngập thường xuyên và xây dựng thêm các cầu và cống qua các tuyến đường sắt và quốc lộ nằm chắn ngang hướng thoát của lũ.

Trong các trường hợp tính toán cho thấy hướng của dòng chảy trên sông Lu đều chảy theo một chiều từ thượng lưu ra sông Cái do đó không cần thiết phải làm cống ngăn lũ trên Lu.