- ĐỘNG THÁI DÒNG CHẢY TRÊN HỆ THỐNG SÔNG CHÍNH. - VÙNG HẠ LƯU SÔNG TIỀN DƯỚI TÁC ĐỘNG CÔNG TRÌNH CỐNG ĐẬP BA LAI Trần Thị Lệ Hằng 1 , Văn Phạm Đăng Trí 1 và Nguyễn Thành Tựu 2. - 2 Viện Nghiên cứu Biến đổi Khí hậu, Trường Đại học Cần Thơ. - Water dynamics in a downstream main river network of the Tien River in the Vietnamese Mekong Delta under impacts of the Ba Lai sluice gate. - Động thái dòng chảy, HEC- RAS, hạ lưu sông Tiền, mô hình thủy lực một chiều, cống đập Ba Lai. - Flow dynamics, HEC-RAS, downstream Tien river, one dimensional, Ba Lai sluice gate. - The considered scenarios in the study include the fully open and fully close sluice in the Ba Lai station. - Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá động thái nguồn tài nguyên nước vùng hạ lưu sông Tiền dưới tác động của công trình cống đập Ba Lai. - Mô hình thủy lực một chiều (HEC-RAS) được xây dựng cho hệ thống sông chịu tác động bởi chế độ triều biển Đông ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). - Các kịch bản xây dựng cho mô hình được thiết lập dựa vào công tác vận hành của công trình cống đập Ba Lai: (i) Các cửa cống đập Ba Lai sẽ đóng hoàn toàn. - và, (ii) các cửa cống đập Ba Lai sẽ mở hoàn toàn. - Mô hình đã được kiểm định và do vậy đủ tin cậy cho việc đánh giá các kịch bản được xây dựng. - Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình HEC-RAS có khả năng sử dụng để mô phỏng và đánh giá động thái nguồn tài nguyên nước ở vùng hạ lưu sông Tiền theo các kịch bản khác nhau (kịch bản về sự thay đổi đổi điều kiện thủy văn ở thượng nguồn và kịch bản nước biển dâng).. - Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cũng như công nghệ thông tin, các phần mềm về mô hình toán thủy lực (ví dụ: VRSAP, MIKE 11, ISIS, Hydro-GIS, và HEC-RAS) đã được ứng dụng một cách rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới cũng như ở Việt Nam (Wassmann et al., 2004. - Với một số ưu điểm nổi bật như cho kết quả tính toán nhanh và linh hoạt trong việc thay đổi các kịch bản, mô hình toán thủy lực đã và đang trở thành một công cụ thích hợp, hỗ trợ đắc lực trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước (Trần Hồng Thái et al., 2009).. - Trong nghiên cứu này, mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS được sử dụng vì đây là phần mềm có khả năng tính toán động thái thủy lực và bùn cát ở mạng lưới sông/kênh có độ dốc địa hình tương đối thấp, có khả năng tự động hóa cao trong việc nhập số liệu, nội suy mặt cắt ngang (HEC, 2010). - Hơn nữa, mô hình HEC-RAS đã và đang được ứng dụng rộng rãi cả trên thế giới và Việt Nam và cho phép người sử dụng miễn phí nên tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu, đặc biệt là việc chuyển giao công nghệ cho một số địa phương hoặc đơn vị nghiên cứu / quản lý có quan tâm.. - Khu vực nghiên cứu bao gồm hệ thống các nhánh sông chính vùng hạ lưu sông Tiền chảy trực tiếp ra biển Đông (đoạn qua Mỹ Thuận đổ ra các cửa biển: Cửa Tiểu, Cửa Đại, Ba Lai, Hàm Luông, Cổ Chiên và Cung Hầu) (Hình 1).. - Hình 1: Khu vực vùng nghiên cứu 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình HEC-RAS Mô hình HEC-RAS được xây dựng và phát triển nhằm mô phỏng thủy lực dòng chảy, chất lượng nước và sự thay đổi địa mạo đáy sông (HEC, 2010). - Ngoài ra, hệ số nhám thủy lực Manning’s n cũng được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình (công thức 2.3).. - 2.2 Các bước xây dựng mô hình. - Nghiên cứu được thực hiện theo hai bước chính (Hình 2), trong đó:. - Bước 1: Xây dựng mạng lưới sông vùng nghiên cứu.. - Dữ liệu về mạng lưới sông vùng nghiên cứu được thu thập từ Ủy ban Sông Mekong bao gồm. - Dữ liệu thời gian được thu thập từ Trung tâm thủy văn sông Cửu Long và Trung tâm Quan trắc Môi trường tỉnh Bến Tre bao gồm các số liệu sẵn có về thủy lực: số liệu về lưu lượng và mực nước được đo theo giờ trong hai năm (năm 2010 và năm 2011) dùng để xác định điều kiện biên trên Q (t), biên dưới H (t), cũng như cung cấp bộ thông tin cần thiết để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.. - Dữ liệu về công trình cống đập Ba Lai (tọa độ địa lý cống Ba Lai, bề rộng cống, chiều cao và lịch vận hành cống) được thu thập từ Công ty Trách nhiệm hữu hạn Mmột Thành thành Viên viên công Công trình Thủy nông - Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thông tỉnh Bến Tre.. - Bước 2: Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho mô hình.. - Dữ liệu thủy văn dùng làm điều kiện biên cho mô hình gồm có một biên lưu lượng tại Mỹ Thuận (biên trên) và 6 biên mực nước tại các trạm đo mực nước ở biển Đông (biên dưới) (bắt đầu từ ngày đến hết ngày . - Điều kiện ban đầu là giá trị lưu lượng ở mỗi mặt cắt được tính toán trong mô hình ISIS-1D.. - Bước 3: Hiệu chỉnh mô hình. - Mô hình được hiệu chỉnh (với bộ số liệu thủy lực từ ngày đến ngày ở 4 trạm Trà Vinh, Chợ Lách, Mỹ Tho và Hòa Bình) bằng việc thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n. - Quá trình này được thực hiện thông qua phương pháp thử sai cho đến khi kết quả mô phỏng mực nước tại mỗi mặt cắt trong mô hình phù hợp với kết quả thực đo.. - Hệ số E càng tiến gần đến 1 thì độ tin cậy của mô hình càng cao (Hoàng Thái Bình, 2009. - Bước 4: Kiểm định mô hình. - Kiểm định mô hình được thực hiện nhằm đánh giá mức độ phù hợp của mô hình đã được hiệu chỉnh có phù hợp với thực tế hay không thông qua việc vận hành mô hình cho 1 bộ số liệu đầu vào khác trong quá khứ. - Khi kiểm định mô hình, các thông số của mô hình sẽ được giữ nguyên và không sử dụng lại chuỗi số liệu đã dùng để hiệu chỉnh mà tiến hành kiểm định trên chuỗi số liệu có thời gian và đặc trưng khác.. - Trong nghiên cứu này, việc kiểm định mô hình được thực hiện dựa trên bộ số liệu thủy lực thực đo năm 2011 (từ 0 giờ ngày đến 23 giờ ngày . - Vị trí kiểm định và hiệu chỉnh mô hình được thể hiện trong Hình 3. - Hình 3: Vị trí kiểm định và hiệu chỉnh mô hình. - 2.3 Xây dựng kịch bản mô hình. - Các kịch bản mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy trong mô hình được thiết lập dựa vào hoạt động hiện tại của cống Ba Lai (Bảng 1).. - Bảng 1: Các kịch bản xây dựng trong mô hình Kịch bản Tình trạng cống đập. - Ba Lai Thời gian so. - sánh Kịch bản 1. - Kịch bản 2 Hoạt động bình thường. - 2010 Kịch bản 3 Mở hoàn toàn 2010. - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả hiệu chỉnh thủy lực. - Với hệ số nhám thủy lực Maning’s n = 0,027 (phù hợp với các nghiên cứu trước đây ở các sông tự nhiên ở đồng bằng trên nền phù sa, chịu tác động của triều (Trần Quốc Đạt et al., 2012)) cho toàn hệ thống sông, kết quả mực nước mô phỏng được xác định là phù hợp tại các trạm đo (cả về biên độ và pha dao động). - 0,92 và 0,92 cho từng vị trí trong Hình 4A, B, C và D.. - 3.2 Kết quả hiệu kiểm định mô hình Kết quả kiểm định mô hình được thể hiện qua. - Hình 5: Mực nước thực đo và mô phỏng tại trạm Trà Vinh (A). - 3.3 Kết quả mô phỏng động thái dòng chảy theo các kịch bản đã xây dựng. - Hình 6 thể hiện vị trí các điểm được chọn để. - đánh giá động thái dòng chảy trên sông Ba Lai và các nhánh sông lân cận ở các kịch bản khác nhau.. - Hình 6: Vị trí theo dõi động thái dòng chảy các kịch bản. - Kết quả mô phỏng mực nước giữa các kịch bản cho thấy tại vị trí ngay sau cống Ba Lai (vị trí 1;. - Điều này là do mực nước ở vị trí 1 chịu tác động trực tiếp của triều biển Đông nên khi cống Ba Lai đóng lại hoặc mở ra hoàn toàn cũng không có ảnh. - Hình 7: Biến thiên mực nước theo thời gian giữa các kịch bản ở vị trí 1. - Từ cống Ba Lai đến vị trí số 4 (vị trí 2, 3, 4;. - Hình 6) biên độ pha dao động mực nước giữa các kịch bản có sự khác biệt rõ rệt. - Cụ thể: Khi cống Ba Lai hoạt động như hiện tại thì biên độ pha dao động mực nước có sự thay đổi đáng kể giữa các ngày đóng cống hoàn toàn với các ngày mở cống. - Khi cống được mở ra thì nước trên sông Ba Lai sẽ đổ dồn ra cửa biển Ba Lai (lúc này triều biển Đông rút xuống). - Vì thế, biên độ pha dao động mực nước ở các ngày này thấp hơn so với biên độ pha dao động mực nước ở các ngày đóng cống (Hình 8). - Khi cống Ba Lai bị đóng lại hoàn toàn, biên độ pha dao động mực nước giữa các kịch bản gần như không có sự sai khác nào so với kịch bản hoạt động bình thường của cống (trừ những ngày mở cống). - Khi cống Ba Lai được mở ra hoàn toàn, biên độ pha dao động của mực nước trên sông lúc này dao động khá mạnh, mực nước trên sông lúc này là cao nhất so với kịch bản đóng cống hoàn toàn và kịch bản hoạt động bình thường. - điều này là do, khi cống Ba Lai được mở ra hoàn toàn, nước từ cửa biển Ba Lai sẽ đổ trực tiếp vào sông Ba Lai tạo nên biên độ pha dao động (mực nước) trên sông cao hơn so với các kịch bản khác (vị trí 2, 3, 4. - Hình 8: Biến thiên mực nước theo thời gian giữa các kịch bản ở vị trí 2, 3 và 4 Từ vị trí sông An Hóa trở về phía thượng. - nguồn (vị trí 5. - Hình 6), biên độ pha dao động mực nước của các kịch bản không có sự thay đổi nhiều (Hình 9). - điều này là do tại sông An Hóa, lưu lượng nước trên sông Ba Lai bị phân tách chuyển thành hai dòng nước, một phần tiếp tục đổ về phía thượng nguồn sông Ba Lai và một phần bị tách nước theo sông An Hóa ra cửa Đại. - Kết quả. - mô phỏng cho thấy, biên độ pha dao động mực nước ở các kịch bản (từ vị trí 5 trở về thượng nguồn. - Kết quả cho thấy từ vị trí 5 trên sông Ba Lai (Hình 6) trở về phía thượng nguồn sông Ba Lai, động thái dòng chảy sẽ ít chịu tác động bởi hoạt động hiện tại của cống Ba Lai.. - Hình 9: Biến thiên mực nước theo thời gian giữa các kịch bản ở vị trí 5. - Trên sông An Hóa (vị trí 6. - Hình 6) biên độ dao động mực nước giữa các kịch bản có sự khác biệt rõ (Hình 10) (tương tự với các vị trí 2, 3 và 4 trên sông Ba Lai). - Như vậy, động thái dòng chảy trên sông An Hóa chịu tác động đáng kể bởi dòng chảy trên sông Ba Lai. - Cụ thể, khi cống Ba Lai hoạt động bình thường, mực nước trên sông An Hóa bị biến động đúng vào các ngày mở cống và khi cống mở hoàn toàn thì biên độ pha dao động mực nước trên sông An Hóa dao động theo biên độ triều biển Đông. - ngược lại, khi cống Ba Lai đóng hoàn toàn, mực nước trên sông An Hóa dao động như mực nước trên sông Ba Lai.. - Hình 10: Biến thiên mực nước theo thời gian giữa các kịch bản ở vị trí 6. - Ở vị trí giao nhau giữa sông Ba Lai và sông. - cửa Đại (vị trí 7. - Hình 6), biên độ pha dao động mực nước giữa các kịch bản không có sự khác biệt. - Biên độ pha dao động này gần giống với biên độ pha dao động mực nước ở vị trí 5 trên sông Ba Lai - biên độ pha dao động mực nước ở các vị trí này khá ổn định và không có sự khác biệt giữa các kịch bản. - Như vậy, ở vị trí hạ nguồn sông An Hóa (Hình 11, vị trí số 7), mực nước trên sông không chịu tác động đáng kể bởi chế độ vận hành của cống Ba Lai.. - Hình 11: Mực nước mô phỏng theo thời gian giữa các kịch bản ở vị trí 7. - Như vậy, hoạt động vận hành của cống đập Ba Lai theo các kịch bản (hoạt động bình thường, mở cống hoàn toàn và đóng cống hoàn toàn) chủ yếu chỉ làm thay đổi động thái dòng chảy trên hệ thống sông Ba Lai và một phần trên sông An Hóa mà không làm thay đổi đáng kể động thái dòng chảy trên toàn bộ hệ thống sông trong vùng nghiên cứu. - Hướng dòng trên các nhánh sông An Hóa và Ba Lai được thể hiện ở Hình 12(A) và (B).. - Ngoài ra, vị trí giáp nước được theo kịch bản đóng cống hoàn toàn được xác định là nhiều hơn so với theo kịch bản mở cống hoàn toàn – đây là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu sâu hơn để xác định tác động của động thái thủy lực dòng chảy lên đặc tính địa mạo của hệ thống sông nghiên cứu.. - Mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS đã được xây dựng nhằm mục tiêu mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy cho hệ thống sông chính vùng hạ lưu sông Tiền theo các kịch bản về vận hành của cống đập Ba Lai. - Mô hình được hiệu chỉnh với bộ số liệu thủy lực thực đo năm 2010 và đã được kiểm định cho bộ số liệu thủy lực trong mùa khô năm 2011.. - Kết quả mô phỏng các kịch bản khác nhau về vận hành của cống đập Ba Lai cho thấy: cống Ba Lai chỉ làm thay đổi động thái dòng chảy trên sông chính Ba Lai và trên sông sông An Hóa và có tác động không đáng kể đến động thái dòng chảy ở các nhánh sông chính còn lại. - Kết quả mô phỏng cũng cho thấy khi cống Ba Lai được mở ra hoàn toàn thì mực nước trên sông Ba Lai cao hơn mực nước của các kịch bản khác (đóng cống hoàn toàn và theo lịch vận hành cống ở hiện tại).. - Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục đích xem xét động thái thủy lực dòng chảy của hệ thống sông Tiền dưới tác động của các kịch bản vận hành của cống Ba Lai. - Do vậy, những nghiên cứu liên quan đến tìm hiểu động thái địa mạo lòng sông (bao gồm cả việc đo đạc / khảo sát thực tế cũng như ứng dụng mô hình toán) được đề xuất thực hiện trong những nghiên cứu về sau.. - Trong nghiên cứu này, mô hình toán thủy lực HEC-RAS chỉ sử dụng một hệ số nhám thủy lực (Manning’s n) chung cho cả mạng lưới sông chính. - Do đó, việc hiệu chỉnh hệ số nhám cho từng đoạn sông khác nhau là rất cần thiết để trong các nghiên cứu tiếp theo (Van et al., 2012).. - Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội. - Ứng dụng mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai. - Mô phỏng xâm nhập mặn Đồng bằng sông Cửu Long dưới tác động mực nước biển dâng và sự suy giảm lưu lượng từ thượng nguồn