Tài liệu Luận văn nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 21fm để tính toán biến hình lòng dẫn sông hồng đoạn từ cầu vĩnh tuy đến trường bắn yên sở tại hà nội

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 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phạm Thị Hoa ii LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trƣờng bắn Yên Sở tại Hà Nội” được hoàn thành tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Để hoàn thiện Luận văn này Tác giả xin bày tỏ làm cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến PGS.TS.Nguyễn Kiên Dũng – Khoa Khí tượng - Thủy văn - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu Luận văn. Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học, cùng tập thể các thầy cô giáo khoa Khí tượng – Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ học viên trong quá trình học tập tại trường. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các anh, chị cán bộ thuộc Trung tâm 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 4.Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 2 5.Bố cục của luận văn ....................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG DẪN ... 4 1.1. Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn trong và ngoài nước ........... 4 1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước ..................................................................... 4 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước ..................................................................... 8 1.2.Kết luận Chương I ..................................................................................... 11 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 13 2.1. Cơ sở định lượng bài toán biến hình lòng sông ...................................... 13 2.1.1Cân bằng bùn cát của đoạn sông ............................................................. 13 2.1.2 Các loại diễn biến lòng dẫn .................................................................... 13 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn sông ngòi ...................... 14 2.2 Phương pháp xác định biến hình lòng sông .............................................. 15 2.3 Một số phần mềm được ứng dụng nghiên cứu chế độ thủy lực, bùn cát sông ngòi ......................................................................................................... 16 2.3.1 EFDC (Environmental Fruid Dynamics Code) ...................................... 16 2.3.2 Mô hình DELF-3D ................................................................................. 18 2.3.3 Mô hình HEC -6 ..................................................................................... 19 iv 2.3.4 Mike 21C ................................................................................................ 21 2.3.5 Mike 21FM ............................................................................................ 22 2.3.6 Phân tích lựa mô hình nghiên cứu .......................................................... 32 2.4 Kết luận Chương II ................................................................................... 33 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21FM ĐÁNH GIÁ BIẾN HÌNH LÒNG DẪN ĐOẠN SÔNG NGHIÊN CỨU .................................. 34 3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu.................................................................. 34 3.1.1 Vị trí địa lý .............................................................................................. 34 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 - Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trường bắn Yên Sở tại Hà Nội - Các nội dung chính: Chương I: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn Nội dung đề cập đến các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến diễn biến lòng dẫn. Chương II: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Nội dung chương trình bày cơ sở khoa học trong nghiên cứu biến hình lòng dẫn sông ngòi, đánh giá lựa chọn mô hình toán phù hợp để nghiên cứu giải quyết bài toán, đồng thời đưa ra hướng tiếp cận của luận văn. Chương III: Ứng dụng mô hình MIKE 21FM đánh giá biến hình lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu -Kết quả đạt được: + Đã thu thập các tài liệu địa hình, biên tính toán để mô hình hóa đoạn sông nghiên cứu, trên cơ sở đó phân tích các diễn biến về tốc độ dòng chảy, nồng độ bùn cát và sự biến động địa hình lòng sông trong thời gian mô phỏng. + Đã tiến hành phân tích kịch bản hiện trạng dòng sông và kịch bản khai thác cát tại bãi bồi khu vực Xuân Quan với các quy mô bãi khai thác khác nhau. vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Dịch nghĩa 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 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Mặt cắt dọc sông ............................................................................. 13 Hình 3.1. Vị trí địa lý khu vực đoạn sông nghiên cứu .................................... 35 Hình 3.2. Sơ đồ thủy lực đoạn sông Hồng từ trạm Hà Nội đến trạm Hưng Yên ....................................................................................................... 38 Hình 3.3. Quá trình lưu lượng tại biên trên từ năm 2006-2010 ...................... 40 Hình 3.4. Nhu cầu nước cho tưới vào mùa khô cống Xuân Quan .................. 40 Hình 3.5 Quá trình mực nước tại biên dưới Hưng Yên từ năm 2006-2010 ... 41 Hình 3.6 Quá trình mực nước tại biên biên kiểm tra Xuân Quan từ năm 20062010 ................................................................................................................ 41 Hình 3.7 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tính toán và thực đo tại Xuân Quan năm 2008 ......................................................................................................... 43 Hình 3.8 Kết quả kiểm định mực nước tính toán và thực đo tại Xuân Quan năm 2010 ......................................................................................................... 43 Hình 3.9 Lưới tính toán sông Hồng đoạn nghiên cứu .................................... 45 Hình 3.10 Địa hình tính toán và phân bố các vùng chia lưới địa hình ........... 46 Hình 3.11 Mô phỏng địa hình dạng 3D trong Mike 21FM............................. 46 Hình 3.12 Phạm vi các biên tính toán của mô hình ........................................ 48 Hình 3.13 Quá trình lưu lượng tại biên trên và mực nước tại biên dưới năm 2008 ................................................................................................................ 48 Hình 3.14 Lưới phân bố hệ số nhám thiết lập trong mô hình MIKE 21ST .... 49 Hình 3.15 Mực nước và trường lưu tốc toàn đoạn sông trong mùa kiệt......... 53 Hình 3.16 Trường lưu tốc tại các đoạn sông trong mùa kiệt .......................... 53 Hình 3.17 Phân bố nồng độ bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt ......................................................................... 54 viii Hình 3.18 Địa hình lòng dẫn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3 tháng mô phỏng ............................................................................................................... 54 Hình 3.19 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng 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 Hình thái dòng sông là sản phẩm của quá trình tương tác giữa dòng chảy và lòng dẫn, với yếu tố trung gian là các quá trình vận chuyển và phân bố bùn cát trong sông. Nếu một trong những yếu tố trên thay đổi thì sẽ gây hiệu ứng làm thay đổi các yếu tố khác. Nguyên nhân cơ bản gây nên sự thay đổi về hình thái lòng sông chính là do mất cân bằng bùn cát. Cho đến nay, những nghiên cứu mang tính kết hợp giữa việc đánh giá tác động của dòng chảy, địa chất, khai thác cát sỏi lòng sông đến quá trình diễn biến hình thái lòng sông còn chưa nhiều. Đặc biệt ở Việt Nam, việc khai thác cát trên sông, nhất là khai thác cát ở các đoạn sông đang là vấn đề nan giải, song đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu chuyên sâu nào về chế độ thủy động lực dòng chảy, bùn cát ở đoạn sông để đánh giá sự biến đổi của lòng sông và phục vụ cho việc quản lý khai thác cát sỏi. Với tính cấp thiết của thực tiễn về yêu cầu chỉnh trị để ổn định các đoạn sông, cũng như nhu cầu về khai thác cát để phục vụ các ngành kinh tế xã hội. Học viên đã lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trƣờng bắn Yên Sở”. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là cơ sở khoa học cho việc xác định được diễn biến hình thái lòng sông trong các điều kiện thủy lực, khai thác cát của đoạn sông, hoặc các giải pháp chỉnh trị nhằm điều hòa dòng chảy, ổn định lòng dẫn cho đoạn sông. Đề tài nghiên cứu đề cập tới vấn đề khai thác tài nguyên thiên nhiên (cát sông) kết hợp nạo vét, tạo lòng dẫn thông thoáng, đáp ứng yêu cầu thoát lũ, giao thông thủy,... Đồng thời giữ ổn định cho đoạn sông là hết sức có ý nghĩa về mặt khoa học và mang tính ứng dụng thực tiễn cao. 2 2.Mục tiêu nghiên cứu - Ứng dụng mô hình Mike 21 xác định được phạm vi và vị trí các khu 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 đại được sử dụng khá rộng rãi ở trong và ngoài nước hiện nay dưới sự trợ giúp đắc lực của máy tính. Đề tài sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều Mike 21FM là một trong số các mô hình có khả năng tính toán diễn biến hình thái lòng dẫn cho đoạn sông cho kết quả khá tốt ở nước ta. 5.Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn có bố cục gồm 3 chương chính: Chương I: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn Nội dung đề cập đến các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến diễn biến lòng dẫn. Chương II: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu. Nội dung chương trình bày cơ sở khoa học trong nghiên cứu biến hình lòng dẫn sông ngòi, đánh giá lựa chọn mô hình toán phù hợp để nghiên cứu giải quyết bài toán, đồng thời đưa ra hướng tiếp cận của luận văn. Chương III: Ứng dụng mô hình MIKE 21FM đánh giá biến hình lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu. Trên cơ sở các tài liệu, số liệu thu thập tiến hành thiết lập mô hình 2 chiều Mike 21FM để nghiên cứu các kịch bản hiện trạng và khai thác, từ đó phân tích diễn biến lòng dẫn và đưa ra các kiến nghị trong khai thác tài nguyên cát lòng sông phù hợp với quy luật diễn biến lòng sông. 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG DẪN 1.1. Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn trong và ngoài nƣớc 1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Động lực học dòng sông đã được nghiên cứu và phát triển từ cuối thế kỷ XIX do đòi hỏi của thực tế sản xuất, đặc biệt ở những nước tư bản chủ nghĩa nhằm phục vụ cho vận tải thủy. Những năm 60 của thế kỷ XX là thời 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 số liệu trên mô hình vật lí, Abđurapốp đã đề xuất ra công thức tính chiều sâu lớn nhất của đoạn sông gấp khúc. Thorne(1988) dựa trên số liệu của 256 đoạn sông cong ở Mỹ thành lập công thức không thứ nguyên tính toán chiều sâu tương đối tại hố xói, phục thuộc vào tỷ lệ giữa bán kính cong và chiều rộng của sông. Gần đây nhất là kết quả nghiên cứu của Thorne và Abt (1993), Maynord(1996) đã đưa ra công thức thực nghiệm với các thông số tương tự như công thức thành lập năm 1988 của Thorne và đường biểu diễn công thức này là đường bao an toàn nhằm đáp ứng cho thiết kế công trình. -Về dòng chảy hướng ngang trên đoạn sông cong chảy ổn định có các nghiên cứu bán thực nghiệm của Rozovskii (1957), Yen(1972), FalconAscanio và kennedy (1983), Chang (1984). -Về các hố xói cục bộ ở trụ cầu hay mỏ hàn trên sông được nghiên cứu nhiều nhất như các công trình của C.L.N Sastry, G.Tixon(1962), M.A Gill (1968), và trên mô hình vật lý của V.L Da Cunha(1971), Hancu(1976), S.C.Jain(1981) và cũng chỉ dừng lại ở các công thức kinh nghiệm. Ở những nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Hà Lan, Đức, Nhật, Canada…Môn khoa học diễn biến lòng dẫn dược coi là môn khoa học bản lề giữa động lực học dòng sông và địa mạo dòng sông .nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu về, thủy lực sông ngòi, về vận chuyển bùn cát, về diễn biến lòng sông, về hình thái sông, về loại lòng dẫn, và công trình chỉnh 6 trị….các công trình nghiên cứu đã đạt được những kết quả xuất sắc về mặt lý thuyết cũng như về thực nghiệm. Từ những năm 1960 đến nay, việc tính toán động lực học dòng sông đã có những bước phát triển mới, tiến bộ mới trong kỹ thuật tính toán, đặc biệt trong việc hoàn thiện mô hình hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp. Một số mô hình toán mô phỏng quá trình diễn biến lòng dẫn như mô hình MIKE11, MIKE21, và MIKE21C, EFDC, MD- SWMS, CCHE1D, CCHE2D, GSTARS 2.0/2.1, GSTARS3, SED2D, SOBEK ... cho kết quả tính toán dòng 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 chỉnh trị cửa sông là một yêu cấu cấp thiết đối với cửa sông Hoàng Hà. Các giải pháp truyền thống như nắn dòng sẽ gây ra tổn thất lớn do gây ngập lụt vùng Gudong, do vậy giải pháp nạo vét có thể trở thành một biện pháp chính để duy trì cửa sông Hoàng Hà. Thông qua việc nạo vét lòng dẫn, lượng bùn cát có thể thoát nhanh hơn, do vậy một số vấn đề đưa ra là liệu những nỗ lực nạo vét có giải quyết được vấn đề này không để trước khi quyết định các biện pháp chỉnh trị sông. Zuwem và các cộng sự đã sử dụng mô hình SOBEK để nghiên cứu hình thái cửa sông Hoàng Hà để đánh giá hiệu của các dự án nạo vét [26]. + Henrik Garsdal, Carsten Staub and Hans Enggrob (1997) đã ứng dụng mô hình toán MIKE 21C ở Bangladesh, nghiên cứu đã ứng dụng mô hình toán nghiên cứu chế độ thủy lực vùng ngã ba sông Gorai trong dự án “Khôi phục dòng sông Gorai ở Bangladesh. Vấn đề thực tế đặt ra là trong vòng một thập kỷ, dòng chảy sông bị suy thoái một cách đáng kể và gần như khô cạn trong mùa khô. Nguyên nhân là do một lượng bùn cát lớn từ sông chính vận chuyển vào và lắng đọng tại cửa sông Gorai, gây nên sự thiếu nước sinh hoạt trong lưu vực của sông và làm cho quá trình xâm nhập mặn ở cửa sông tăng lên. Chính quyền địa phương đã phải chi rất nhiều tiền của để nạo vét hàng năm nhưng vẫn chưa có hiệu quả. Để giải quyết vấn đề đó, Henrik Garsdal và 8 nnk đã sử dụng mô hình MIKE 21C mô phỏng diễn biến thuỷ lực, bùn cát và hình thái sông trước và sau khi nạo vét dưới nhiều kịch bản khác nhau về dòng chảy và phạm vi nạo vét. Từ đó đề xuất những vị trí cần nạo vét thường xuyên và thời điểm thích hợp để bắt đầu nạo vét [20]. + Từ năm 1995-1998, Hans G. Enggrob & Soren Tjery đã áp dụng MIKE 21C cho đoạn sông phân nhánh Brahmaputra-Jamuna, Banglades. Sông Brahmaputra-Jamuna là một trong những con sông có lưu lượng bùn cát lớn nhất thế giới và luôn có sự vận động rất lớn của lòng sông. Quá trình dự 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 Mekong, tính toán độ sâu ổn định lòng dẫn phục vụ cho việc điều chỉnh quy hoạch và dự báo, điều chỉnh khối lượng có thể khai thác theo các kịch bản khác nhau. Kết quả của đề tài đã dựa trên kết quả khảo sát, điều tra, báo cáo của các tỉnh ở ĐBSCL và trên cơ sở thống kê, tổng hợp, phân tích, đề tài đã đánh giá được thực trạng và những bất cập trong khai thác cát trên sông Cửu Long. Đề tài đã xây dựng bản đồ vị trí, trữ lượng cát dọc sông Tiền, sông Hậu theo 3 kịch bản phát triển thủy lợi ở thượng nguồn sông Mekong; lập quy trình khai thác cát cho toàn tuyến sông Cửu Long và 4 vùng trọng điểm. + Phạm Đình, 2010: đã tổng hợp, phân tích các đặc trưng thủy văn, thủy lực và nghiên cứu các quy luật biến động lòng dẫn sông Hồng khu vực cửa lấy nước vào sông Đáy. Đề tài đã sử dụng mô hình Mike 21 FM-ST để xây dựng mô hình toán mô phỏng thủy lực và hình thái sông cho khu vực nghiên cứu và đề xuất được giải pháp ổn định cho đoạn sông nghiên cứu [6]. + Lê Văn Hùng, 2015: đã đánh giá diễn biến lòng dẫn sông Hồng về mùa kiệt những năm gần đây, đồng thời phân tích bản chất hiện tượng hạ thấp mực nước sông và đặt vấn đề cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm tìm ra nguyên nhân và giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp [12]. 10 + Vũ Thanh Te, 2012: đã ứng dụng mô hình MIKE 11ST và MIKE 21FM dự báo diễn biến lòng dẫn trường hợp sau khi xây dựng công trình ngăn triều chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Bên cạnh đó, đề tài đã đề xuất được phương án quy hoạch chỉnh trị sông vùng hạ du sông Đồng Nai Sài Gòn cũng như xây dựng được ngân hàng dữ liệu đầy đủ và đồng bộ về điều kiện tự nhiên, hiện trạng và dự báo vận chuyển bùn cát….sau khi xây dựng hệ thống công trình ngăn triều chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh [24]. + Nguyễn Ngọc Quỳnh, 2007: đã nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và khả năng thoát lũ khi xây dựng cầu qua sông Hồng khu vực Hà Nội bằng mô hình 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