Giải pháp lấy nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch bằng mô hình thủy lực Hec - Ras - Nguyễn Hữu Huế

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 77 GIẢI PHÁP LẤY NƯỚC TỰ CHẢY CHO SÔNG ĐÁY, SÔNG NHUỆ VÀ SÔNG TÔ LỊCH BẰNG MÔ HÌNH THỦY LỰC HEC - RAS TS. Nguyễn Hữu Huế Đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Tình trạng khan hiếm nước vào mùa khô diễn ra ở tất cả các hệ thống sông trên địa bàn thành phố Hà Nội, nhất là lưu vực sông Đáy và sông Nhuệ. Nhiều khu vực, người dân vẫn phải dùng nước thải để tưới cho lúa, rau màu, cây trồng và nuôi trồng thủy sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nông sản, thực phẩm và sức khỏe đời sống nhân dân. Đứng trước những khó khăn và thách thức nói trên, nhiều giải pháp đã được các nhà khoa học, các cấp, ban ngành đưa ra triển khai nhưng vẫn chưa đạt được hiệu quả mong muốn, chưa giải quyết triệt để các vấn đề nêu trên. Đề tài “Nghiên cứu giải pháp công trình lấy nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch” được thực hiện góp phần tìm ra lời giải cho bài toán này. Bài báo trình bày nội dung tính toán thủy lực bằng mô hình HEC-RAS hệ thống các sông trong khu vực nghiên cứu ứng với điều kiện biên thượng lưu tại thời điểm kiệt nhất, cống Liên Mạc 1 và cống Cẩm Đình không phát huy tác dụng, nhằm đánh giá hiệu quả của giải pháp dẫn nước tự chảy về cấp cho các sông. Summary: Water scarcity in dry season spreads on all river systems in Hanoi, especially Day river and Nhue river’s watersheds. People in these two river’s basins have to use wastewater to irrigate rice, vegetables, plant, and put in ponds for aquaculture, seriously affect the quality of agricultural products and foodstuffs, affect health of people. Faced with the difficulties and challenges mentioned above, many solutions have been issued but they are not effective, problems are not solved definitely. "Research solutions for the water flowing Day, Nhue and To Lich River" is conducting research to find a solution contribute to multi-objective problem. This article introduces the content in hydraulic calculations HEC-RAS model of the river system in research to the boundary conditions at the driest upper which Lien Mac culvert and Cam Dinh culvert are not effect, in order to evaluate the effectiveness of the solution flowing water to rivers. 1. MỞ ĐẦU* Kể từ năm 2006 đến nay, các sông trên địa bàn thành phố Hà Nội vào mùa khô (tháng XI năm trước ÷ V năm sau) luôn ở trong tình trạng khan hiếm nước, diễn ra gay gắt nhất là lưu vực sông Đáy và sông Nhuệ, nơi có 180.536 ha đất sản xuất nông nghiệp. Mặc dù cụm công trình đầu mối Cẩm Đình - Hiệp Thuận trên sông Đáy và các cống điều tiết trên sông Nhuệ mới được xây dựng và cải tạo trong những năm gần đây nhưng vẫn chưa phát huy hết được hiệu quả mong muốn, có khi đang Người phản biện: PGS.TS Lê Văn Nghị trong chính vụ sản xuất Đông Xuân nhưng các cống đầu mối không thể mở cửa lấy nước do hiện tượng nước chảy ngược từ trong sông ra sông Hồng. Nhiều địa phương thuộc lưu vực hai sông, người dân vẫn phải dùng nước thải để tưới cho lúa, rau màu, cây trồng và đưa vào ao, hồ để nuôi trồng thủy sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nông sản, thực phẩm và sức khỏe đời sống nhân dân. Nội dung chính của đề tài là nghiên cứu giải pháp lấy nước từ sông Đà về cấp thường xuyên cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch bằng cách xây dựng một tuyến kênh dẫn nước dài 36 km từ sông Tích nối về các sông để cấp nước. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 78 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hiện nay, việc ứng dụng các mô hình toán để tính toán thủy lực mạng sông và các công trình điều tiết trên sông ngày càng rộng rãi trên toàn thể giới và ở Việt Nam. Mô hình toán giúp người sử dụng có thể tính toán nhiều kịch bản khác nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả, các giải pháp công trình đều có thể mô phỏng được nhờ các phần mềm chuyên dụng. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phần mềm HEC - RAS 4.1 để tính toán mô phỏng dòng chảy kiệt trên hệ thống các sông trong khu vực nghiên cứu khi xây dựng tuyến kênh dẫn nước tự chảy và các công trình điều tiết. HEC – RAS là mô hình toán thủy lực một chiều do Trung tâm Thủy văn Công trình thuộc hiệp hội Kỹ sư quân sự Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) xây dựng. Việc phát triển mô hình HEC - RAS nằm trong một chương trình phát triển đồng bộ các mô hình bao gồm: phân tích mưa rào - dòng chảy, phân tích thủy lực trong sông, diễn toán hồ chứa, phân tích thiệt hại do lũ, dự báo điều tiết hồ chứa... Đây là phần mềm đã được tính toán ứng dụng cho nhiều lưu vực sông ở Mỹ, được Cơ quan quản lý tình trạng khẩn cấp của liên bang Mỹ - FEMA khuyên dùng; ở Việt Nam, phần mềm này đã được nhiều đơn vị sử dụng và cho kết quả tốt. Các thông số của mô hình thủy lực mạng sông trong khu vực nghiên cứu được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên các tài liệu thực đo mực nước tại các trạm thủy văn dọc sông Nhuệ, sông Đáy. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Phạm vi mô phỏng thủy lực và tài liệu địa hình Phạm vi mô phỏng và tài liệu địa hình sử dụng trong quá trình xây dựng mô hình thủy lực được trình bày chi tiết tại bảng 1: Bảng 1: Tổng hợp mạng sông được mô phỏng và các tài liệu địa hình tương ứng Khúc sông được chia nhỏ Mặt cắt ngang TT Sông Chiều dài (m) Tên Điểm bắt đầu Điểm kết thúc Chiều dài (m) Hiện trạng Năm đo đạc Số lượng 1 Tích 110700 Cống Lương Phú Trạm Ba Thá Đang thi công Mặt cắt thiết kế - 2010 212 Kênh Ngọc Tảo Cẩm Đình Hiệp Thuận 11800 Đã cải tạo 2011 11 Hiệp Thuận – Mai Lĩnh Hiệp Thuận Mai Lĩnh 33700 Đang thi công Mặt cắt thiết kế - 2010 14 Mai Lĩnh – Ba Thá Mai Lĩnh Ba Thá 13169 Lòng sông tự nhiên 2009 12 2 Đáy 220300 Ba Thá – Như Tân Ba Thá Như Tân 161631 Lòng sông tự nhiên 2009 96 Liên Mạc – Xa La Cống Liên Mạc Cầu Xa La 16900 Lòng sông tự nhiên 2010 169 3 Nhuệ 74000 Xa La – Phủ Lý Cầu Xa La Hợp lưu sông Đáy (Phủ Lý) 57100 Lòng sông tự nhiên 2007 30 4 Tô Lịch 13500 Cống Hoàng Quốc Việt Hợp lưu sông Nhuệ Đã cải tạo 2011 30 5 Đào 25240 Trạm Nam Định Hợp lưu sông Đáy Lòng sông tự nhiên 2000 9 6 Hoàng Long 22150 Trạm Bến Đế Hợp lưu sông Đáy Lòng sông tự nhiên 2000 7 Tổng 448490 590 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 79 3.2. Số hóa mạng sông, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Hệ thống sông trong khu vực nghiên cứu mà điển hình là sông Tích và sông Đáy (đoạn Hiệp Thuận – Mai Lĩnh dài 33,7 Km) hiện đang được nạo vét hoặc đào mới. Chính vì vậy, để giải quyết nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra, trong mô hình sẽ sử dụng một số mặt cắt ngang sông là mặt cắt thiết kế. Địa hình lòng dẫn của các sông được xây dựng nếu sử dụng đồng thời mặt cắt tự nhiên và mặt cắt thiết kế sẽ không đảm bảo tính thống nhất và chính xác khi hiệu chỉnh và kiểm định. Do vậy, nhằn đảm bảo tính khoa học và chính xác trong nghiên cứu sẽ thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bao gồm các nhánh sông có lòng dẫn hiện trạng và nằm ngoài khu vực các dự án cải tạo sông. Sau khi mô hình đạt độ tin cậy, sẽ đưa thêm các đoạn sông với mặt cắt thiết kế (các đoạn sông đang được nạo vét và đào mới) vào để phục vụ nghiên cứu. Sử dụng bản đồ nền (bản đồ sông suối Việt Nam) định dạng .shp theo hệ tọa độ VN2000, số hóa chính xác mạng lưới các sông trong khu vực nghiên cứu. Kết quả xây dựng sơ đồ thủy lực mạng sông như hình 1.a bên dưới. Các điều kiện biên tính toán được thiết lập trong mô hình bao gồm biên thượng lưu các sông: Ba Thá trên sông Đáy, Liên Mạc trên sông Nhuệ, Hoàng Quốc Việt (biên đóng) trên sông Tô Lịch, Bến Đế trên sông Hoàng Long và Nam Định trên sông Đào. Biên hạ lưu là trạm Như Tân trên sông Đáy. Số liệu tại các trạm đo đạc mực nước dọc các sông sẽ được sử dụng trong quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bao gồm: cống Hà Đông, cống Đồng Quan, cống Nhật Tựu trên sông Nhuệ; trạm Phủ Lý, trạm Gián Khẩu trên sông Đáy. a. Hiệu chỉnh mô hình Để hiệu chỉnh mô hình thủy lực dòng kiệt, thời đoạn từ ngày 01/01/2007 đến 31/01/2007 đối với tất cả các biên đầu vào sẽ được sử dụng để tính toán thủy lực. Kết quả kiểm tra được thể hiện ở các hình 2. a) Sơ đồ mạng sông mô phỏng b)Vị trí biên mực nước và biên kiểm tra trên hệ thống Hình 1: Sơ đồ mạng sông mô phỏng KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 80 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 a) Đường mực nước thực đo và tính toán tại cống Hà Đông b) Đường mực nước thực đo và tính toán tại cống Đồng Quan c) Đường mực nước thực đo và tính toán tại cống Nhật Tựu d) Đường mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phủ Lý e) Đường mực nước thực đo và tính toán tại trạm Gián Khẩu Bảng 2: Hệ số Nash - Sutcliffe TT Trạm kiểm tra Hệ số Nash - Sutcliffe 1 Cống Hà Đông 0,88 2 Cống Đồng Quan 0.86 3 Cống Nhật Tựu 0.85 4 Trạm Phủ Lý 0,84 5 Trạm Gián Khẩu 0,84 Hình 2: Đường mực nước thực đo và tính toán tại các trạm kiểm tra trên sông Nhuệ và sông Đáy (Từ ngày 01/01/2007 đến 31/01/2007) Nhận xét: Dựa vào đường quá trình mực nước giữa thực đo và tính toán tại hình 2, hệ số sai khác (Nash) tại bảng 2 cho thấy kết quả hiệu chỉnh mô hình là tương đối phù hợp với thực tế và đủ độ tin cậy. Mô hình sẽ tiếp tục được sử dụng để thực hiện bài toán kiểm định mô hình. b. Kiểm định mô hình Để để kiểm định mô hình thủy lực dòng kiệt, thời đoạn từ ngày 01/01/2008 đến 31/01/2008 đối với tất cả các biên đầu vào sẽ được sử dụng để tính toán thủy lực. Kết quả kiểm tra được thể hiện ở các hình bên dưới: KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 81 a) Đường mực nước thực đo và tính toán tại cống Hà Đông b) Đường mực nước thực đo và tính toán tại cống Đồng Quan c) Đường mực nước thực đo và tính toán tại cống Nhật Tựu d) Đường mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phủ Lý e) Đường mực nước thực đo và tính toán tại trạm Gián Khẩu Bảng 3: Hệ số Nash - Sutcliffe TT Trạm kiểm tra Hệ số Nash - Sutcliffe 1 Cống Hà Đông 0,85 2 Cống Đồng Quan 0.85 3 Cống Nhật Tựu 0.84 4 Trạm Phủ Lý 0,81 5 Trạm Gián Khẩu 0,80 Hình 3: Đường mực nước thực đo và tính toán tại các trạm kiểm tra trên sông Nhuệ và sông Đáy Nhận xét: Dựa vào đường quá trình mực nước giữa thực đo và tính toán tại hình 3, hệ số sai khác (Nash) tại bảng 3 cho thấy kết quả kiểm định mô hình cho kết quả khả quan và đủ độ tin cậy. Mô hình sẽ tiếp tục được sử dụng để tính toán cho các kịch bản thủy lực tiếp theo. 3.3. Hoàn thiện mô hình thủy lực mạng sông Mục 3.2 đã thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực mạng tính bao gồm các nhánh sông nằm ngoài khu vực các dự án cải tạo sông. Để đảm bảo tính khoa học và chính xác trong nghiên cứu, các đoạn sông với mặt cắt thiết kế (các đoạn sông đang được nạo vét và đào mới) được đưa vào để phục vụ bài toán nghiên cứu. Bước tiếp theo trong quá trình xây dựng mô hình thủy lực mạng sông là xây dựng tuyến công trình dẫn nước tự chảy nối từ sông Tích về các sông để phân bổ nước. Tuyến KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 82 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 công trình được lựa chọn hợp lý với độ dốc trung bình i = 7x10-5, mặt cắt ngang được lựa chọn cho toàn tuyến đảm bảo tính ổn định và có lợi nhất về mặt thủy lực. a) Mô hình thủy lực mạng sông khu vực nghiên cứu b) Tuyến công trình dẫn nước được thiết lập Hình 4: Mạng lưới các sông và tuyến công trình dẫn nước trọng lực được thiết lập Bước cuối cùng trong quá trình hoàn thiện mô hình thủy lực mạng sông là kết nối công trình điều tiết vào trong mô hình. Bốn cống điều tiết trên 4 sông (sông Tích, sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch) và 2 công trình cống điều tiết kết hợp đập dâng (một công trình bố trí trên tuyến kênh dẫn nước nối sông Tích và sông Đáy, công trình còn lại nằm trên tuyến nối sông Đáy và sông Nhuệ) được thiết lập để điều tiết nước trong quá trình vận hành hệ thống. Hình 5: Vị trí các công trình điều tiết được đưa vào mô hình Sau khi mô hình mạng sông được xây dựng hoàn chỉnh, quá trình mô phỏng thủy lực sẽ được thực hiện trên mô hình với các kịch bản nước đến khác nhau. 3.4. Kết quả tính toán thủy lực hệ thống khi cống Cẩm Đình và Liên Mạc 1 không phát huy tác dụng Với các thông số đã được kiểm định ở trên, mô hình được tiếp tục sử dụng để tính toán thủy lực trên hệ thống mạng sông trong điều kiện bất lợi nhất: cống Cẩm Đình và cống Liên Mạc 1 không phát huy tác dụng. Theo tài liệu đo đạc mực nước tại các trạm đo dọc sông Hồng, thời điểm tháng 03/2010 được ghi nhận KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 83 là thời kỳ khắc nghiệt nhất từ trước đến nay khi mà mực nước trên sông Hồng hạ thấp kỷ lục, nhiều cống lấy nước đầu mối như cống Liên Mạc I, cống Cẩm Đình không thể lấy nước phục vụ sản xuất nông nghiệp dẫn đến tình trạng cạn trơ đáy. Trong kịch bản này, tác giả sẽ tính toán khả năng lấy nước từ sông Đà dẫn qua sông Tích, qua tuyến kênh dẫn nước tự chảy về cấp cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch nhằm phục vụ nước tưới trong nông nghiệp và bảo vệ môi trường. Bảng 4 dưới đây sẽ trình bày tài liệu mực nước được sử dụng để làm điều kiện biên tính toán trong kịch bản này. Bảng 4: Biên mực nước được sử dụng trong tính toán (giá trị kiệt nhất của thời đoạn 03/2010) Đặc điểm Biên thượng lưu TT Tên cống đầu mối Cao trình đáy Mực nước thiết kế Mực nước Dạng biên 1 Cống Liên Mạc 1 +1,00 +3,40 +1,40 Đóng 2 Cống Cẩm Đình +3,00 +5,35 +2,44 Đóng 3 Cống Lương Phú +5,50 +8,42 +7,68 Mở Vận hành hệ thống các công trình điều tiết trong quá trình mô phỏng để khống chế lưu lượng nước đổ vào từng sông tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng. Việc phân chia nước cho từng sông được thực hiện lặp nhiều bước bằng các chế độ mở cửa van điều tiết của các cống sao cho lượng nước được phân bổ hợp lý và đạt hiệu quả cao nhất. Dưới đây là kết quả phân chia nước cho từng lưu vực sông trong quá trình mô phỏng bài toán. Bảng 5: Kết quả điều tiết dòng chảy kiệt vào sông Đáy phục vụ nước tưới trong nông nghiệp Điểm kiểm tra TT Sông được cấp nước Mục đích sử dụng Vị trí H(m) hoặc Q(m3/s) cần cấp H(m) hoặc Q(m3/s) được cấp Đánh giá khả năng cấp nước 1 Tích Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 5,86 m3/s Đạt 2 Đáy Cấp nước tưới nông nghiệp Hiệp Thuận +4,28 m +4,30 m Đạt 3 Nhuệ Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 8,37 m3/s Đạt 4 Tô Lịch Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 9,92 m3/s Đạt Ghi chú: H là mực nước (m); Q là lưu lượng (m3/s). Bảng 6: Kết quả điều tiết dòng chảy kiệt vào sông Nhuệ phục vụ nước tưới trong nông nghiệp Điểm kiểm tra TT Sông được cấp nước Mục đích sử dụng Vị trí H(m) hoặc Q(m3/s) cần cấp H(m) hoặc Q(m3/s) được cấp Đánh giá khả năng cấp nước 1 Tích Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 6,59 m3/s Đạt 2 Đáy Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 7,26 m3/s Đạt 3 Nhuệ Cấp nước tưới nông nghiệp Cống Hà Đông +3,20 m +3,35 m Đạt 4 Tô Lịch Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 9,50 m3/s Đạt KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 84 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 Bảng 7: Kết quả điều tiết dòng chảy kiệt vào sông Tô Lịch để rửa sạch ô nhiễm, tạo cảnh quan đô thị Điểm kiểm tra T T Sông được cấp nước Mục đích sử dụng Vị trí H(m) hoặc Q(m3/s) cần cấp H(m) hoặc Q(m3/s) được cấp Đánh giá khả năng cấp nước 1 Tích Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 6,49 m3/s Đạt 2 Đáy Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 5,65 m3/s Đạt 3 Nhuệ Duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 5 m3/s 5,35 m3/s Đạt 4 Tô Lịch Rửa sạch ô nhiễm, duy trì dòng chảy môi trường Dọc sông 30 m 3/s 27,56 m3/s Xấp xỉ đạt 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Theo tính toán ở kịch bản trên, điều kiện bất lợi nhất xảy ra khi mực nước sông Hồng giảm xuống kỷ lục khiến hệ thống cống lấy nước đầu mối như Cẩm Đình, Liên Mạc 1 rơi vào tình trạng cạn trơ đáy kéo theo sức ép lấy và dẫn nước nước bị phụ thuộc cống Lương Phú và tuyến công trình dẫn nước tự chảy; chính vì vậy mà không thể cùng một lúc cấp đủ nhu cầu nước cho tất cả bốn sông trong khu vực nghiên cứu. Hệ thống các công trình điều tiết trong quá trình mô phỏng để khống chế lưu lượng nước đổ vào từng sông tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng. Khi phân chia nước cho từng sông được thực hiện lặp nhiều bước bằng các chế độ mở cửa van điều tiết của các cống sao cho lượng nước được phân bổ hợp lý và đạt hiệu quả cao nhất. Việc cấp nước được vận hành khéo léo cho lần lượt từng lưu vực sông tùy thuộc vào mục đích và nhu cầu sử dụng. Và kết quả tính toán ở trên cho thấy, dù mực nước ở mức thấp nhất như đã từng xảy ra thì nước vẫn được dẫn qua tuyến công trình mới xây dựng cấp đủ cho từng lưu vực sông, đảm bảo điều kiện vận hành của hệ thống tưới trên các trục sông chính, đồng thời sông Tô Lịch vẫn được rửa sạch và làm hồi sinh theo đúng nghĩa của nó. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Dự án Tiếp nước, cải tạo khôi phục sông Tích từ Lương Phú, xã Thuần Mỹ, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội, “Tính toán thủy văn – phụ lục tính toán”, Hà Nội, 2011. [2]. Nguyễn Cảnh Cầm, “Thủy lực dòng chảy hở”, Nhà xuất bản Xây dựng - 2006, Hà Nội. [3]. Trường Đại học Thủy lợi – Khoa Thủy văn và Môi trường, “Tài liệu tập huấn phần mềm HEC - RAS”, Hà Nội, 2009. [4]. HEC - RAS v4.1, “Applications Guide”, 2010. [5]. HEC - RAS v4.1, “Users Manual”, 2010.