Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu đề xuất các tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước hợp lý, đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ. Đồng thời nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước hợp lý khu vực cửa vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế xã hội. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN KHẮC THẠC NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN CHO SÔNG ĐÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN KHẮC THẠC NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT VỊ TRÍ HỢP LÝ CỦA CỦA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY ĐẢM BẢO YÊU CẦU CẤP NƯỚC VÀ TẠO DÒNG CHẢY THƯỜNG XUYÊN CHO SÔNG ĐÁY Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.GS.TS Phạm Thị Hương Lan 2.GS.TS Tan Soon Keat HÀ NỘI, NĂM 2019
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Khắc Thạc i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, NCS xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể các thầy hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đó là GS.TS Phạm Thị Hương Lan, GS.TS Tan Soon Keat đã luôn định hướng và sát sao cùng NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu, không những thế tập thể các Thầy hướng dẫn còn tạo điều kiện về kinh phí để NCS được tham gia các hội thảo quốc tế về ngành nước tại Singapore, tham gia nhiều đề tài nghiên cứu khoa học các cấp. NCS cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy/Cô trong Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Bộ môn Kỹ thuật sông và Quản lý thiên tai – Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, Phòng Hợp tác Quốc tế - Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện để NCS được đi học tập nâng cao trình độ tại Singapore và Nhật Bản cũng như đã tạo điều kiện về thời gian cũng như luôn động viên để NCS hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Từ đáy lòng mình em xin được cảm ơn đến GS, PGS, TS và các nhà khoa học trong và ngoài Trường đã luôn góp ý về chuyên môn cho NCS trong suốt quá trình nghiên cứu và đặc biệt gian đoạn hoàn thiện luận án. Và đặc biệt, NCS cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ để NCS hoàn thành luận án tiến sĩ của mình. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH..................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ ix MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………….1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC TRÊN SÔNG ...................................................................................................... 8 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới ..............................................................................8 1.1.1 Về nghiên cứu phân loại các CTLN ............................................................8 1.1.2 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN: ....................9 1.1.3 Về nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước: .............................................12 1.1.4 Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước: .............................13 1.1.5 Nhận xét chung về các nghiên cứu trên thế giới có liên quan đến nội dung của luận án .............................................................................................................14 1.2 Các nghiên cứu trong nước ...........................................................................15 1.2.1 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN: ..................15 1.2.2 Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước: .............................16 1.2.3 Các nghiên cứu có liên quan trên đoạn sông Hồng qua Hà Nội ...............17 1.2.4 Nhận xét chung về các nghiên cứu trong nước có liên quan đến nội dung của luận án .............................................................................................................27 1.3 Tổng quan khu vực nghiên cứu ....................................................................28 1.3.1 Vị trí khu vực nghiên cứu .........................................................................28 1.3.2 Đặc điểm địa hình .....................................................................................30 1.3.3 Đặc điểm địa chất, địa mạo .......................................................................30 1.3.4 Đặc điểm khí tượng, thủy văn ...................................................................31 1.3.5 Cụm công trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận ........................................33 1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................35 1.5 Kết luận chương 1 ..........................................................................................37 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN LỰA CHỌN VỊ TRÍ LẤY NƯỚC HỢP LÝ ĐẢM BẢO YÊU CẦU LẤY NƯỚC MÙA KIỆT VÀ THOÁT LŨ……………………………………………………………………… .................. …38 2.1 Đánh giá hiện trạng một số công trình lấy nước dọc sông Hồng trên địa bàn Hà Nội ................................................................................................................38 iii
2.1.1 Hiện trạng một số công trình lấy nước trên địa bàn Hà Nội .....................38 2.1.2 Nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lấy nước của các công trình lấy nước của một số cống trong những năm gần đây trên địa bàn Hà Nội 44 2.2 Cơ sở lý thuyết dòng phân tầng/dòng dị trọng tại khu vực cửa lấy nước 50 2.2.1 Hệ phương trình cơ bản về dòng phân tầng/dòng dị trọng .......................50 a. Phương trình chuyển động .................................................................................50 b. Phương trình liên tục .........................................................................................55 c. Phương trình hoàn lưu của dòng phân tầng .......................................................55 2.2.2 Phân tích lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước ......................................................................................56 2.3 Đề xuất bộ tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước thích hợp ........................64 2.4 Kết luận chương 2 ..........................................................................................70 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỊ TRÍ CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY…………………………………………………………………………..72 3.1 Thiết lập mô hình và mô phỏng các kịch bản tính toán phục vụ xác định vị trí lấy nước hợp lý khu vực cửa vào sông Đáy .................................................72 3.2 Ứng dụng mô hình toán MIKE3FM mô phỏng chế độ thủy lực, diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy .......................................................................76 3.2.1 Xác định phạm vi và miền tính toán của khu vực nghiên cứu ..................76 3.2.2 Thiết lập hệ thống lưới tính toán ...............................................................77 3.2.3 Thiết lập địa hình tính toán .......................................................................77 3.2.4 Thiết lập các CSDL biên và CSDL hiệu chỉnh, kiểm định mô hình .........80 3.2.5 Thiết lập mô hình MIKE11 mô phỏng dòng chảy và bùn cát làm số liệu đầu vào tính toán cho mô hình MIKE3FM ...........................................................85 3.2.6 Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy động lực MIKE3FM ..........96 3.2.7 Kết quả mô phỏng diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy với điều kiện các công trình hiện trạng .............................................................................102 3.2.8 Kết quả đánh giá khả năng lấy nước của cống Cẩm Đình hiện trạng .....106 3.2.9 Định hướng giải pháp bổ sung cấp nước mùa kiệt và cấp nước thường xuyên cho lưu vực sông Đáy, nâng cao khả năng thoát lũ ..................................111 3.3 Kết quả tính toán diễn biến lòng dẫn và đánh giá khả năng lấy nước khu vực cửa vào sông Đáy theo các kịch bản lấy nước khác nhau ...........................113 iv
3.3.1 Kết quả đánh giá khả năng lấy nước tại các vị trí công trình lấy nước khác nhau…………………………………………………………………………….113 3.3.2 Đánh giá diễn biến lòng dẫn theo kịch bản vị trí lấy nước khác nhau ....118 3.4 Đề xuất vị trí lấy nước hợp lý đảm bảo yêu cầu lấy nước và thoát lũ khu vực cửa vào sông Đáy ............................................................................................128 3.4.1 Xác định vị trí cửa lấy nước ổn định cấp nước theo yêu cầu ..................128 3.4.2 Đề xuất vị trí lấy nước thích hợp theo tiêu chí đảm bảo về hàm lượng bùn cát………………………………………………………………………………131 3.4.3 Kiến nghị đề xuất vị trí lấy nước hợp lý vùng cửa vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ. ................................................................132 3.5 Kiến nghị một số giải pháp nâng cao khả năng cấp nước mùa kiệt và thoát lũ cống Cẩm Đình ........................................................................................134 3.5.1 Các giải pháp phi công trình ...................................................................135 3.5.2 Giải pháp công trình ................................................................................138 3.6 Kết luận chương 3 ........................................................................................140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………….. 141 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 145 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Lưu vực sông Đáy và vị trí khu vực nghiên cứu ..........................................29 Hình 1. 2. Hình Cụm công trình đầu mối phân lũ sông Đáy ........................................33 Hình 2.1. Vị trí và địa hình cống Liên Mạc…………………………………………...39 Hình 2.2. Vị trí và địa hình cống Xuân Quan ................................................................41 Hình 2.3. Vị trí và địa hình cống Cẩm Đình .................................................................42 Hình 2.4. Vị trí cống và trạm bơm Phù Sa ...................................................................43 Hình 2.5. Mặt cắt dọc dòng phân tầng không đều theo hai chiều và ba chiều ..............51 Hình 2.6. Lưu vực sông Đáy và vị trí khu vực nghiên cứu ...........................................29 Hình 2.7. Cụm công trình đầu mối phân lũ sông Đáy ...................................................33 Hình 3.1. Kịch bản tính toán .........................................................................................73 Hình 3.2. Vị trí cửa lấy nước Cẩm Đình cũ (vị trí 1), Cẩm Đình mới (vị trí 2), cách vị trí Cẩm Đình cũ 600m về phía hạ lưu theo các kịch bản tính toán được mô phỏng trong mô hình MIKE3FM .......................................................................................................75 Hình 3.3. Vị trí cửa lấy nước (vị trí 3) theo các kịch bản tính toán được mô phỏng trong mô hình MIKE3FM .............................................................................................75 Hình 3.4. Phạm vi miền tính toán và các biên của mô hình ..........................................76 Hình 3.5. Lưới tính toán khu vực nghiên cứu ...............................................................77 Hình 3.6. Địa hình mô phỏng đoạn sông Hồng và khu vực cửa vào sông Đáy ............78 Hình 3.7. Mô phỏng các công trình trong mô hình MIKE3FM khu vực nghiên cứu ...79 Hình 3.8. Phân giải theo chiều sâu dòng chảy của mô hình MIKE3 ............................80 Hình 3.9. Sơ đồ vị trí các mặt cắt hiệu chính, kiểm định trong mô hình ......................81 Hình 3.10. Sơ đồ mạng thủy lực mùa kiệt sông Hồng – Sông Thái Bình .....................86 Hình 3.11. Sơ đồ mạng thủy lực mùa lũ sông Hồng – Sông Thái Bình ........................92 Hình 3.12. Kết quả hiệu chỉnh lưu lượng bùn cát tại trạm Thượng Cát và Hà Nội cho trận lũ năm 1996. ...........................................................................................................95 Hình 3.13. Kết quả kiểm định lưu lượng bùn cát tại trạm Thượng Cát và Hà Nội cho trận lũ năm 2002 ............................................................................................................95 Hình 3.14. Tương quan giữa lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát tính toán và thực đo tại mặt cắt MC-1 trong thời đoạn lũ năm 1996 ...........................................................101 vi
Hình 3.15. Tương quan giữa lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát tính toán và thực đo tại mặt cắt MC-1 trong thời đoạn lũ năm 2002 ...........................................................101 Hình3.16. Thay đổi cao trình lòng dẫn theo chiều dọc đoạn sông nghiên cứu trường hợp lấy nước mùa kiệt .................................................................................................104 Hình3.17. Thay đổi cao trình lòng dẫn theo chiều dọc đoạn sông nghiên cứu. ..........106 Hình 3.18. Mực nước nhỏ nhất tính toán dọc sông Đáy ứng với các mức đưa nước vào sông Đáy từ 30 - 100m3/s - Trường hợp kiệt 2003 - 2004. .........................................107 Hình 3.19. Quá trình mực nước tại cống Cẩm Đình trong năm kiệt 2003 - 2004......107 Hình 3.20.Mực nước sông Hồng tại cửa cống Cẩm Đình và lưu lượng vào sông Đáy .....................................................................................................................................108 Hình 3.21. Mực nước nhỏ nhất tính toán dọc sông Đáy ứng với các mức đưa nước vào sông Đáy từ 450m3/s....................................................................................................110 Hình 3.22. Mực nước tính toán dọc sông Đáy ứng với trường hợp tính toán cống lấy nước tại Cẩm Đình.......................................................................................................113 Hình 3.23. Mực nước tính toán dọc sông Đáy ứng với trường hợp tính toán cống lấy nước tại Vân Cốc .........................................................................................................114 Hình 3.24. Mực nước tính toán dọc sông Đáy ứng với trường hợp tính toán cống lấy nước tại Hát Môn .........................................................................................................114 Hình3.25. Mực nước lớn nhất tính toán tại một số vị trí dọc sông Đáy khi đưa nước với Q = 450m3/s +sông Tích 60m3/s, lòng dẫn sông đã cải tạo. ........................................115 Hình 3.26. Phân bổ trường vận tốc tại khu vực kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, dòng chảy kiệt năm 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q = 100m3/s) .......................................................................................................................119 Hình 3.27. Phân bố trường vận tốc tại khu vực cống đầu mối Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, dòng chảy kiệt năm 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q=100m3/s) ..................................................................................................................119 Hình 3.28. Mức độ bồi xói lòng dẫn trên đoạn kênh Cẩm Đình và khu vực cửa vào sông Đáy ngày 20/03, dòng chảy kiệt 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q = 100m3/s) ................................................................................................................120 vii
Hình 3.29. Mức độ bồi xói lòng dẫn trên đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 16h ngày 20/04, dòng chảy kiệt 2004 (trường hợp cải tạo lòng dẫn + CTLN mới, Q=100m3/s) .....................................................................................................................................120 Hình 3.30. Phân bố trường vận tốc tại khu vực kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, trường hợp đưa nước thường xuyên Q = 450m3/s – năm 1996 ........................121 Hình 3.31. Phân bố trường vận tốc tại khu vực cống đầu mối Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04, trường hợp đưa nước thường xuyên Q = 450m3/s – năm1996 ................122 Hình 3.32. Mức độ bồi xói lòng dẫn trên đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 16h ngày 20/03 (Q = 450m3/s) ....................................................................................................122 Hình 3.33. Mức độ bồi xói lòng dẫn trên đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 16h ngày 20/04 (Q = 450m3/s) ....................................................................................................123 Hình 3.34. Tốc độ bồi xói lòng dẫn sông đoạn sông Hồng, khu vực cửa vào kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 20/04 (Q = 450m3/s). ...........................................................124 Hình 3.35. Vận chuyển bùn cát lơ lửng tại cống Cẩm Đình và dọc kênh Cẩm Đình (Q=450m3/s). ...............................................................................................................124 Hình 3.36. Mức độ xói bồi lòng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 10/7/1996 .....................................................................................................................125 Hình 3.37. Mức độ xói bồi lòng dẫn đoạn kênh Cẩm Đình thời điểm 8h ngày 10/08/1996 ...................................................................................................................126 Hình 3.38. Phân bố trường vận tốc tại khu vực cống Cẩm Đình, công trình phân lũ mới Hát Môn, cống Hiệp Thuận thời điểm 8h ngày 10/07 .................................................127 Hình 3.39. Thay đổi mặt cắt tại vị trí mặt cắt, khu vực cửa vào kênh Cẩm Đình .......128 Hình 3.40. Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - mực nước sông Hồng tại cửa cống - Góc lấy nước trong mùa kiệt ......................................................129 Hình 3.41. Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - Mực nước sông Hồng tại cửa cống - Chiều dài đoạn sông cong trong mùa kiệt ..................................130 Hình 3.42. Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - Mực nước sông Hồng tại cửa cống - Chiều dài kênh dẫn .....................................................................131 Hình 3.43. Tương quan lưu lượng nước lấy vào cống Cẩm Đình - Mực nước sông Hồng tại cửa cống – Lưu lượng bùn cát trong mùa lũ.................................................131 Hình 3.44. Tương quan lưu lượng mực nước tại Cống Cẩm Đình trong mùa kiệt .....134 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Bộ tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước ........................................................68 Bảng 3.1. Vị trí các mặt cắt hiệu chỉnh và kiểm định mô hình .....................................81 Bảng 3.2. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình trong mùa kiệt 2001 ..........................89 Bảng 3.3. Kết quả kiểm định mô hình trong mùa kiệt 2003 .........................................90 Bảng 3.4. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình thủy lực với trận lũ 1996 .................92 Bảng 3.5. Kết quả kiểm định thông số mô hình thủy lực với trận lũ 2002 ...................93 Bảng 3.6. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 3FM, trường hợp dòng chảy kiệt 2001 .98 Bảng 3.7. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 3FM, trường hợp dòng chảy kiệt 2003 .98 Bảng 3.8.Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 3FM, trường hợp lũ 1996: .....................99 Bảng 3.9.Kết quả kiểm định mô hình MIKE 3FM, trường hợp lũ 2002 .....................100 Bảng 3.10. Khả năng lấy nước tại các vị trí công trình khác nhau trong 5 tháng mùa kiệt năm 2003-2004 (từ 1/12 đến 30/4 năm sau) .....................................................11508 Bảng 3.11. Khả năng lấy nước tại các vị trí công trình khác nhau trong 5 tháng mùa kiệt năm 2003-2004 (từ 1/12 đến 30/4 năm sau) .........................................................115 Bảng 3.12.Thay đổi mực nước tại các vị trí dọc sông Đáy trong các phương án đưa nướcthường xuyên .......................................................................................................116 ix
MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Trong thời gian qua, do tác động của biến đổi khí hậu và các hoạt động khai thác sử dụng nước trên lưu vực sông Hồng đã làm suy giảm nguồn nước, gây bồi lắng, xói lở lòng dẫn đặc biệt tại các khu vực cửa lấy nước. Mực nước sông Hồng vào mùa kiệt thường xuyên hạ thấp, nhất là năm 2010 mực nước tại Hà Nội chỉ còn +0,1m. Thời tiết biến đổi bất thường và có xu hướng ngày càng cực đoan đang làm cho hàng trăm ha đất nông nghiệp của Hà Nội không đủ nước tưới vào mùa kiệt. Diễn biến bất thường của mực nước sông Hồng đã làm ảnh hưởng lớn đến các cửa lấy nước và các trạm bơm tưới trên sông Hồng. Sông Hồng là sông lớn nhất chảy qua thành phố Hà Nội với chiều dài là 37km có lưu lượng trung bình năm đạt 2.640 m3/s với tổng lượng nước trung bình nhiều năm là 83,5 triệu m3. Trên tuyến sông Hồng hiện nay có nhiều công trình lấy nước tưới. Do đặc điểm có lượng phù sa cao nên tại các cửa lấy nước thường có diễn biến bồi lắng rất phức tạp. Diễn biến mực nước, lưu lượng trong mùa kiệt cũng như mưa lũ sau khi các công trình hồ chứa phía thượng nguồn đi vào hoạt động có sự thay đổi đáng kể ảnh hưởng khá lớn đến diễn biến lòng dẫn cũng như khả năng cấp nước của hạ lưu nói chung và khu vực Hà Nội nói riêng. Sông Đáy có thể coi là một chi lưu của sông Hồng với chiều dài 240km có cửa vào tại Hát Môn trên sông Hồng, trước kia sông Đáy chuyển nước trực tiếp từ sông Hồng ra biển qua cửa Như Tân. Từ năm 1937, chính quyền Đông Dương đã cho xây dựng đập Đáy với mục đích ngăn lũ không cho vào sông Đáy để bảo vệ các vùng đô thị và sản xuất nông nghiệp của các tỉnh Hà Tây (cũ), Hà Nam, Nam Định. Và chỉ phân lũ từ sông Hồng vào sông Đáy bảo vệ choHà Nội trong trường hợp xảy ra lũ đặc biệt lớn khi mực nước tại Hà Nội lên trên mức +11m. Kể từ khi đưa vào vận hành, đập Đáy đã hai lần phân lũ cho các trận lũ tháng 8/1945 và tháng 8/1971. Sau trận lũ 1971, đập Đáy đã được cải tạo lại nhằm đảm bảo lưu lượng phân lũ qua công trình tối đa là 5.000m3/s. Tuy nhiên, theo nghiên cứu năm 2002 của một số cơ quan khoa học, khả năng phân lũ qua đập Đáy hiện nay chỉ vào 1
khoảng 2.800-4.000m3/s. Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về khả năng thoát lũ có thể chỉ ra rằng: Từ năm 1937 đến nay do không được chuyển nước thường xuyên dẫn đến lòng sông Đáy bị chết dần, hầu như không còn dòng chảy trên đoạn 23km từ đập Đáy đến cầu Mai Lĩnh. Không những thế, lưu vực sông Đáy đã có những thay đổi đáng kể về cơ cấu kinh tế, đô thị hóa, sự phát triển của cụm công nghiệp, trung tâm thương mại, du lịch, giao thông vận tải. Năm 2011, Chính phủ đã ban hành Nghị định 04/2011/NĐ-CP quy định về việc xóa bỏ khu phân chậm lũ trên lưu vực sông Đáytrong đó có nội dung cải tạo lòng dẫn sông Đáy để chủ động đưa nước từ sông Hồng vào sông Đáy với lưu lượng mùa kiệt từ 30-100m3/s; mùa lũ từ 500-800m3/s; đồng thời sử dụng sông Đáy làm cầu chì để chuyển lưu lượng tối đa 2.500m3/s từ sông Hồng vào sông Đáy. Bên cạnh đó, trên sông Đà từ năm 2007-2009, các hồ chứa phía Trung Quốc đã giữ lại một lượng nước khoảng 10-20%. Cụ thể hơn, vào thời kỳ đầu mùa lũ, cuối mùa kiệt (tháng 5, tháng 6) năm 2009 thiếu nước xảy ra trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, do phía Trung Quốc đã giữ lại hơn 30% lượng nước làm ảnh hưởng đến nguồn nước về hạ lưu, ngay cả đoạn sông Hồng qua cầu Long Biên cũng bị kiệt. Mức độ đô thị hóa ngày càng cao ở Hà Nội, nhất là sau khi Hà Nội mở rộng và quy hoạch Hà Nội đến năm 2030 được duyệt thì diện tích đất nông nghiệp, cơ cấu cây trồng cũng thay đổi nhiều so với trước đây. Điều này cũng tác động lớn đến nhu cầu cấp nước cho nông nghiệp và sinh hoạt vào mùa kiệt tại Hà Nội, đòi hỏi phải nâng cao yêu cầu lấy nước phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Cụm công trình cống Cẩm Đình Hiệp Thuận thuộc cụm công trình đầu mối Hát Môn - đập Đáy gồm cống lấy nước Cẩm Đình (cống Hát Môn), kênh dẫn Cẩm Đình – Hiệp Thuận (kênh dẫn Hát Môn – đập Đáy) và cống lấy nước Hiệp Thuận (cống đập Đáy) được khởi công xây dựng năm 2002 và hoàn thành vào năm 2004. Cống có nhiệm vụ lấy nước từ sông Hồng theo kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận dài 11.295m, chiều rộng đáy kênh là 22m dẫn nước từ sông Hồng vào sông Đáy, khôi phục lại dòng chảy về mùa kiệt của sông Đáy và cấp bổ sung nguồn nước cho hạ du phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, cải tạo môi trường và sinh hoạt. Tuy nhiên, từ khi đưa vào vận hành đến nay việc dẫn nước sông Hồng qua cống Cẩm Đình vào kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận vào mùa kiệt hầu như không đảm bảo yêu cầu thiết kế và gần như không lấy được nước về mùa kiệt.Kênh dẫn thượng lưu cống Cẩm Đình dài 700m từ cửa 2
cống ra sông Hồng có bề rộng đáy kênh là 22m.Theo điều tra của NCS,năm 2014 lòng dẫn đã bị đất cát bồi lắng tương đối lớn trung bình so với thiết kế là 1,03m. Tuyến kênh Cẩm Đình – Hiệp Thuận cũng bị bồi, hiện tượng bồi lắng trong kênh không đều, có vị trí bồi lắng lớn, có vị trí không bồi lắng, nguyên nhân do từ khi đưa vào hoạt động chưa được nạo vét. Theo nghị định 04/2011 của Chính phủ, với mục tiêu làm sống lại sông Đáy quy định yêu cầu cấp nước thường xuyên: - Mùa kiệt từ 30-100m3/s; - Mùa lũ là 500-600m3/s; Và đảm nhiệm phân lũ với lưu lượng 2.500m3/s nên cụm công trình đầu mối cửa vào sông Đáy là một cụm công trình rất lớn. Có nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học về khu vực cửa vào sông Đáy nhưng chủ yếu là nghiên cứu đưa ra giải pháp chỉnh trị, ổn định lòng dẫn khu vực cửa Đáy mà chưa có nghiên cứu nào xem xét vị trí lấy nước thích hợp khu vực cửa vào sông Đáy để từ đó đưa ra những giải pháp hợp lý đảm bảo yêu cầu lấy nước và thoát lũ. Đặc biệt hệ thống CTLN Cẩm Đình - Hiệp Thuận được thiết kế, xây dựng với QTK=36,24m3/s (đối với mùa kiệt) và QTK=70m3/s (đối với mùa lũ) hiện không hoàn thành nhiệm vụ đề ra. Mặc dù đã có nhiều báo cáo về hiện tượng bồi lắng tại các cửa lấy nước và các giải pháp giảm thiểu, nhưng hiện chưa có một nghiên cứu toàn diện về vấn đề này, làm cơ sở trong quy hoạch và thiết kế công trình lấy nước. Cửa lấy nước tại cửa sông Đáy theo quy hoạch sẽ có lưu lượng thiết kế lớn hơn nhiều so với những cửa lấy nước trên sông Hồng, biên độ lưu lượng giữa các thời điểm lấy nước mùa lũ và mùa kiệt cũng rất lớn. Do đó, diễn biến lòng dẫn tại cửa lấy nước sông Đáy cũng sẽ rất phức tạp so với những công trình lấy nước hiện có trên sông Hồng. Chính vì vậy việc “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy” là cần thiết và cấp bách làm cơ sở cho các giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước của các công trình lấy nước đã có trên sông Hồng. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3
- Nghiên cứu đề xuất các tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước hợp lý, đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ; - Nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nướchợp lý khu vực cửa vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế xã hội. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Cửa lấy nước trên sông Hồng đoạn qua Hà Nội và các tiêu chí xác định vị trí của lấy nước thích hợp. Phạm vi nghiên cứu: Đoạn sông Hồng dài 27km từ Km30 ÷ Km47 +500 (khu vực cửa vào sông Đáy). 4. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để đạt được các mục tiêu đề ra, NCS lựa chọn cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu như sau: a. Tiếp cận hệ thống Tiếp cận từ thực tế: Thu thập, cập nhật thông tin, đo đạc, quan sát, đánh giá thực tế. Thu thập các tài liệu thiết kế, xây dựng các cống lấy nước dọc hệ thống sông Hồng, đặc biệt các CTLN trên địa bàn Hà Nội. Khai thác, sử dụng có chọn lọc các kết quả nghiên cứu của những đề tài, dự án trước đây có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án. Nghiên cứu của luận án phải đặt trong điều kiện toàn tuyến sông Hồng, đặc biệt trong điều kiện địa hình lòng dẫn có nhiều thay đổi và tình hình phát triển kinh tế xã hội trên lưu vực cũng có nhiều thay đổi. Tiếp cận từ những thông tin trên cơ sở nắm bắt được các phương pháp mới, công nghệ hiện đại. Tiếp cận từ các công trình ứng dụng thực tế. b. Phương pháp nghiên cứu 4
Thu thập, điều tra hiện trường phân tích đánh giá tổng hợp các tài liệu đã có. Điều tra và khảo sát hiện trường là phương pháp nghiên cứu đáng tin cậy phục vụ việc nghiên cứu của luận án. Công tác khảo sát thực địa chỉ tập trung vào các khu vực có các biến động mạnh về lòng dẫn hoặc có khả năng sạt lở bờ sông, đặc biệt tại khu vực cửa tiếp nhận lượng phân lũ từ sông Hồng sang sông Đáy, nội dung và khối lượng khảo sát thực địa chỉ thực hiện khi các khu vực đó không có hoặc thiếu tài liệu. Tận dụng các kết quả mới nhất về địa hình, thủy văn, địa chất từ các đề tài, từ các dự án, luận án có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án. Phương pháp thống kê: Thống kê các giải pháp công trình ổn định cửa vào và lòng dẫn đã áp dụng ở các nước trên thế giới để lựa chọn áp dụng vào Việt Nam; thống kê các công trình chỉnh trị sông bảo vệ bờ đã và đang xây dựng ở nước ta để thấy được những tồn tại, trong đó tập trung vào các vấn đề liên quan đến thoát lũ và cấp nước. Trên cơ sở các số liệu thống kê đề xuất giải pháp khắc phục các tồn tại. Thống kê khả năng lấy nước của các CTLN dọc sông Hồng đoạn qua Hà Nội. Phương pháp phân tích, kế thừa các tài liệu, các công trình khoa học đã được công nhận có liên quan đến nội dung của luận án, từ đó lựa chọn đề xuất được giải pháp công nghệ phù hợp với điều kiện tự nhiên và khả năng thiết bị, con người và nguồn vốn xây dựng cho các công trình bảo vệ bờ ổn định lòng dẫn trên sông Đáy, các công trình chỉnh trị đảm bảo yêu cầu lấy nước của các cống lấy nước, góp phần phát triển thủ đô. Trong nội dung nghiên cứu, NCS có kế thừa kết quả nghiên cứu của đề tài độc lập cấp nhà nước do trường Đại học Thủy Lợi, do GS Hà Văn Khối làm chủ nhiệm thực hiện với phương án đưa nước vào sông Đáy 2.500m3/s, với kết quả của Viện Quy hoạch và kết quả nghiên cứu dự án tưới, tiêu cải tạo sông Tích, tiêu hỗ trợ cho Hà Nội và dự án nạo vét sông Đáy do trường Đại học Thủy lợi thực hiện và đặc biệt đề tài cấp bộ “Nghiên cứu giải pháp ổn định cửa vào và lòng dẫn sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ” mà tác giả luận án cũng là thành viên chínhtham gia thực hiện đề tài. 5
Phương pháp mô hình toán: Đề tài sử dụng mô hình MIKE 11, MIKE3FM để tính toán cho nhiều trường hợp, nhiều kịch bản, làm cơ sở đưa ra những luận cứ khoa học chắc chắn cho việc xác lập cơ sở khoa học xác định vị trí lấy nước thích hợp, đặc biệt trường hợp nghiên cứu điển hình trên khu vực cửa vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu lấy nước và thoát lũ phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Phương pháp chuyên gia: Thông qua các hội thảo khoa học để lấy ý kiến đóng góp và tham khảo kinh nghiệm của các chuyên gia. Đặc biệt có sự góp ý về mặt học thuật, phương pháp luận của các chuyên gia trường DHI-NTU (NanyangTechnological University), Singapore, các GS, PGS Khoa Thủy văn và TNN - Trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ trong việc thiết lập mô hình toán và xây dựng bộ tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước.Các nhà khoa học đã hướng dẫn cụ thể về phương pháp xác định vị trí của lấy nước hợp lý đảm bảo yêu cầu lấy nước và thoát lũ phục vụ phát triển kinh tế xã hội. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN a. Ý nghĩa khoa học Việc đề xuất các tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước trên sông hợp lý và phương pháp xác định có vai trò quan trọng và mang ý nghĩa khoa học lớn khi đảm bảo các công trình sau khi xây dựng hoạt động ổn định, an toàn về lấy nước và thoát lũ. Bổ sung phương pháp luận khi quy hoạch thiết kế các cửa lấy nước và thoát lũ trên hệ thống sông. b. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả áp dụng thành công của luận án cho xác định vị trí cửa lấy nước vào sông Đáy là tài liệu tham khảo tốt cho các cơ quan quản lý trong việc quy hoạch, thiết kế, duy tu, nâng cấp công trình lấy nước trên sông, đặc biệt cần sử dụng mô hình toán trong nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước vì những tính ưu việt về khả năng thay đổi phương án nghiên cứu, về thời gian và kết quả mô phỏng phục vụ phân tích. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN 6
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày theo 3 chương: Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về công trình lấy nước trên sông. Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn xác định vị trí lấy nước hợp lý đảm bảo yêu cầu lấy nước về mùa kiệt và thoát lũ. Chương 3: Nghiên cứu lựa chọn vị trí cửa lấy nước vào sông Đáy. 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC TRÊN SÔNG 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ở nước ta cũng như một số nước trên thế giới đã xây dựng nhiều CTLN trên sông. Các nước đi đầu trong công cuộc xây dựng các hệ thốngCTLN phải kể đến như: Nga, Hà Lan, Trung Quốc, Nhật Bản,… Trung Quốc có trên 55 triệu cống, trạm bơm lớn nhỏ đảm nhận việc tưới tiêu cho hơn 6 triệu ha đấtnông nghiệp.Cáctrạmbơmlớnphải kể đến như: Jiangdu, Yingquan, Tao Dam Niyaz Yingshang, Yingshang Three Mile,…Tuy nhiên trong những năm gần đây hiệu quả hoạt động của các trạm bơm, cống lấy nước không cao gây hạn hán và lãng phí điện. Nga, Mỹ, Nhật cũng là những nước có nhiều hệ thống lấy nước đang hoạt động phục vụ cho nông nghiệp và sinh hoạt. CTLN được xây dựng để lấy nước từ sông, hồ chứa vào các hệ thống công trình thủy lợi kênh, mươngphục vụ các yêu cầu phát triển kinh tế xã hội như: tưới, phát điện, cung cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, cải tạo môi trường cảnh quan. Tùy thuộc vào từng điều kiện thực tế về địa hình lưu vực, hình dạng của sông cũng như yêu cầu lấy nước để thiết kế các CTLN khác nhau. Có rất nhiều các nghiên cứu về các công trình lấy nước trên thế giới như Ramamurthy, A.S. and M.G. Satish, (1988); Ingle, R.N. and A.M. Mahankal, (1990); Raudkivi, A.J., (1993); Alireza Masjedi and Amir Taeedi (2011), Averty (1989), Cho (1985), Lindnet (1952), Neary (1995), Karami (2009), Yang (2009), Karami (2010), Hamsanpour (2006), Neary (1999), Barkdral (1999), BHRH (1989), Bourard (1992), Shafai (1999), Omidbeigi (2009). Cụ thể các nội dung nghiên cứu của các nhà khoa học này tập trung vào các vấn đề sau: 1.1.1 Về nghiên cứu phân loại các CTLN Avery, P(1989)[1] đã phân loại các CTLN như sau: CTLN bên cạnh là các CTLN có phương của dòng chảy vào CTLN hợp với phương của dòng chảy trong sông chính một góc xấp xỉ 900; CTLN chính diện là CTLN có phương của dòng chảy vào công trình lấy nước gần như song song với phương của dòng chảy trong sông chính; CTLN có đập; CTLN không đập; CTLN có cửa điều tiết, CTLN không có cửa điều tiết. 8
GTZ(1989) [2] phân loại cửa lấy nước theo cửa lấy nước ở bên (Lateral Intake) có hoặc không có đập dâng; cửa lấy dạng Chi Rôn/ở đáy (Tyrolean/Bottom Intake) và chỉ ra các yêu cầu đối với CTLN: Lấy đủ nước theo biểu đồ đã định (số lượng); Đảm bảo chất lượng nước lấy vào kênh (ngăn bùn cát có thô, vật nổi); Kiểm soát được ảnh hưởng đến môi trường chung; Các yêu cầu chung khác: ổn định, thuận tiện thi công, quản lý, tạo cảnh quan hài hòa, giữ gìn bảo vệ môi trường, phát triển du lịch, sử dụng tổng hợp nguồn nước, có kết cấu đơn giản và giá thành hợp lý. Abbasi (2003)[4]phân loại cửa lấy nước theo cửa lấy nước bao gồm cửa lấy nước có đập dâng; cửa lấy nước ở đáy. Cửa lấy nước có đập dâng thường bao gồm 2 bộ phận chính, đập dâng và cửa lấy nước, trong đó đập dâng có nhiệm vụ dâng mực nước đảm bảo một mực nước tối thiểu ở thương lưu đập dâng và cho phép lấy một lượng nước Qp từ sông trong bất kỳ thời kỳ nào. Cửa lấy nước ở đáy chỉ thích hợp cho những sông ở vùng đồi núi có độ dốc cao từ 1% đến 10%. Tại những đọan sông này, tốc độ dòng chảy lớn dẫn đến bùn cát đáy tương đối thô nên các hạt không thể lọt qua các khe chắn rác ở cửa lấy nước.Cửa lấy nước loại này thường được thiết kế cắt ngang qua sông và được bao phủ bởi một tấm sàng hoặc tấm phẳng được đục lỗ. Các tấm sàng thường được thiết kế có khả năng tự lọc, tuy nhiên trên thực tế thường khó đảm bảo như thiết kế. 1.1.2 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN: Qua phân tích các nghiên cứu trên thế giới cho thấy, hiện nay để nghiên cứu đánh giá diễn biến lòng dẫn nói chung và khu vực cửa lấy nước nói riêng thường thực hiện theo 4 phương pháp như sau: - (1) Phương pháp đo đạc, thu thập phân tích các tài liệu thực đo: Sử dụng các tài liệu về địa hình, các tài liệu không ảnh, viễn thám, các số liệu có được trong nhiều năm tiến hành phân tích vị trí, quy mô, tốc độ xói, bồi trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu. Đối với phương pháp này cần có những thiết bị đo đạc hiện đại, nhanh chóng chính xác. Xác định được trường vận tốc dòng chảy ở các độ sâu khác nhau, xác định được độ sâu lòng dẫn theo các tọa độ địa lý mong muốn tuy nhiên đòi hỏi đầu tư về thời gian, kinh phí thực hiện. 9