Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Xây Dựng: Nghiên Cứu Bài Toán Dòng Chảy Lũ Do Vỡ Đập Bằng Mô Hình Toán Số 2D

• Tác giả: Võ Ngọc Toàn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu bài toán dòng chảy lũ do vỡ đập bằng mô hình toán số 2DH
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Tổng quan về các mô hình toán số tính dòng chảy
• 2.1.1. Hệ phương trình Reynolds
• 2.1.2. Hệ PT nước nông
• 2.2. Mô hình Telemac
• 2.2.1. Giới thiệu sơ lược mô hình Telemac
• 2.2.2. Cấu trúc của Telemac
• 2.2.3. Cơ sở lý thuyết của Telemac 2D
• 2.2.4. Thuật toán của phần mềm Telemac 2D
• 3. CHƯƠNG 3
• 3.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
• 3.2. Các số liệu sử dụng trong nghiên cứu
• 3.3. Thiết lập mô hình mô phỏng quá trình vỡ đập Dầu Tiếng với HEC-RAS
• 3.3.1. Các loại mô hình mô phỏng
• 3.3.2. Lý thuyết mô hình HEC-RAS
• 3.3.3. Thiết lập mô hình vỡ đập Dầu Tiếng
• 3.3.4. Các thông số cho mô hình HEC-RAS
• 3.3.5. Kết quả mô phỏng quá trình vỡ đập
• 3.4. Tính bài toán lũ do vỡ đập với TELEMAC 2D
• 3.4.1. Tạo lưới địa hình khu vực nghiên cứu
• 3.4.2. Thiết lập điều kiện biên và một số giả định
• 3.4.3. Thiết lập các thông số cho mô hình
• 3.4.4. Kiểm định mô hình trong điều kiện bình thường
• 3.4.5. Mô phỏng quá trình lũ với một số thông số khác nhau của mô hình
• 3.4.6. Kết quả mô phỏng trong trường hợp vỡ đập do xói ngầm
• 3.4.7. Kết quả mô phỏng trong trường hợp vỡ đập do chảy tràn
• 3.4.8. Kết quả mô phỏng trong trường hợp vỡ đập do chảy tràn sau 6 giờ có n=0.9
• 3.4.9. Kết quả mô phỏng trong trường hợp vỡ đập do chảy tràn phân lũ qua khu vực kênh Rạch Tra
• 3.4.10. Kết quả mô phỏng trong trường hợp vỡ đập do chảy tràn với mô hình rối − trong sông có hệ số nhám n = 0.02 tại khu vực trung tâm TP
• 3.4.11. Đánh giá kết quả tính toán với thông tin trên báo chí
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Tổng quan về nghiên cứu dòng chảy lũ do vỡ đập

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích dòng chảy lũ do vỡ đập bằng mô hình toán số 2D, cụ thể là sử dụng phần mềm TELEMAC 2D và HEC-RAS. Luận văn thạc sĩ này thuộc chuyên ngành kỹ thuật xây dựng, với mục tiêu chính là mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của lũ lụt do vỡ đập Dầu Tiếng đến khu vực hạ lưu, đặc biệt là TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu thủy văn và mô hình hóa lũ lụt là hai khía cạnh trọng tâm của luận văn, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý rủi ro lũ lụt.

1.1. Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu là giải quyết bài toán dòng chảy lũ do vỡ đập bằng cách sử dụng mô hình toán số 2D. Luận văn tập trung vào việc mô phỏng quá trình vỡ đập Dầu Tiếng và ảnh hưởng của nó đến khu vực hạ lưu, đặc biệt là TP. Hồ Chí Minh. Kỹ thuật môi trường và kỹ thuật công trình được áp dụng để đánh giá mức độ ngập lụt và đề xuất các biện pháp phòng ngừa.

1.2. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình toán số 2D TELEMAC 2D và HEC-RAS để mô phỏng quá trình vỡ đập và truyền lũ. Phương pháp mô phỏng được áp dụng để tính toán các kịch bản vỡ đập khác nhau, bao gồm vỡ do xói ngầm và vỡ do nước tràn đỉnh đập. Thủy lực học và mô hình số học là cơ sở lý thuyết chính của nghiên cứu.

II. Mô hình toán số và ứng dụng

Luận văn sử dụng mô hình toán số 2D TELEMAC 2D và HEC-RAS để mô phỏng dòng chảy lũ do vỡ đập. TELEMAC 2D được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền lũ trong lưu vực sông Sài Gòn, trong khi HEC-RAS được dùng để mô phỏng quá trình vỡ đập Dầu Tiếng. Phân tích dòng chảy và mô hình hóa lũ lụt là hai khía cạnh chính của nghiên cứu, nhằm đánh giá mức độ ngập lụt và ảnh hưởng đến khu vực hạ lưu.

2.1. Mô hình TELEMAC 2D

TELEMAC 2D là mô hình toán số 2D dựa trên hệ phương trình Saint-Venant, được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ trong lưu vực sông Sài Gòn. Mô hình này cho phép tính toán các thông số thủy lực như vận tốc dòng chảy, mực nước và lưu lượng. Thủy lực học và mô hình số học là cơ sở lý thuyết của TELEMAC 2D.

2.2. Mô hình HEC RAS

HEC-RAS là mô hình toán số được sử dụng để mô phỏng quá trình vỡ đập Dầu Tiếng. Mô hình này cho phép tính toán các thông số như kích thước lỗ vỡ, thời gian vỡ đập và lưu lượng nước xả. Phân tích dòng chảy và quản lý rủi ro lũ lụt là hai ứng dụng chính của HEC-RAS trong nghiên cứu này.

III. Kết quả và đánh giá

Nghiên cứu đã mô phỏng thành công quá trình vỡ đập và dòng chảy lũ bằng mô hình toán số 2D. Kết quả cho thấy, trong trường hợp vỡ đập Dầu Tiếng, mức độ ngập lụt tại TP. Hồ Chí Minh có thể lên đến 2.38 m. Quản lý rủi ro lũ lụt và kỹ thuật môi trường là hai khía cạnh quan trọng được đề cập trong luận văn, nhằm giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy, trong trường hợp vỡ đập do xói ngầm, mức độ ngập lụt tại TP. Hồ Chí Minh có thể lên đến 2.38 m. Mô hình hóa lũ lụt và phân tích dòng chảy là hai phương pháp chính được sử dụng để đánh giá kết quả. Kỹ thuật công trình và kỹ thuật môi trường được áp dụng để đề xuất các biện pháp phòng ngừa.

3.2. Đánh giá và kiến nghị

Nghiên cứu đã đề xuất các biện pháp quản lý rủi ro lũ lụt và kỹ thuật môi trường để giảm thiểu thiệt hại do vỡ đập gây ra. Mô hình toán số 2D và phương pháp mô phỏng là công cụ hiệu quả trong việc dự báo và đánh giá mức độ ngập lụt. Luận văn cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nâng cao nhận thức cộng đồng về rủi ro lũ lụt.

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê quốc tế năm 2007, trên thế giới có hơn 800.000 đập chắn nước, trong đó khoảng 40.000 đập lớn và hơn 5.000 đập có tuổi thọ trên 50 năm. Tỉ lệ đập xây dựng sau năm 1950 bị sự cố ước tính khoảng 0,5% toàn cầu, riêng Trung Quốc là 4%. Hậu quả của các sự cố vỡ đập rất nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn về người và tài sản, như sự cố đập Banqiao (Trung Quốc) năm 1975 làm hơn 90.000 người thiệt mạng. Tại Việt Nam, hệ thống đập gồm khoảng 750 đập trung bình và lớn, phần lớn là đập đất xây dựng từ thời chiến tranh với công nghệ lạc hậu, dẫn đến rủi ro vỡ đập cao. Hồ Dầu Tiếng, với dung tích 1,58 tỉ m³, là hồ chứa nước lớn nhất Việt Nam, cung cấp nước cho vùng Tây Ninh và TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung mô phỏng dòng chảy lũ do vỡ đập Dầu Tiếng và ảnh hưởng đến hạ lưu, đặc biệt là TP. Hồ Chí Minh, nhằm dự báo mức độ ngập lụt và đề xuất giải pháp giảm thiểu thiệt hại. Phạm vi nghiên cứu trải dài từ đập Dầu Tiếng đến cửa sông Soài Rạp, dài khoảng 135 km. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình toán số 2 chiều ngang (2DH) bằng phần mềm TELEMAC 2D và mô hình HEC-RAS để mô phỏng quá trình vỡ đập và truyền lũ, đánh giá ảnh hưởng của các hệ số nhám lòng dẫn và mực nước hạ lưu đến mức độ ngập lụt. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao an toàn đập, quản lý rủi ro thiên tai và bảo vệ sinh mạng, tài sản người dân vùng hạ lưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hệ phương trình Saint-Venant 2 chiều ngang (2DH) mô tả dòng chảy nước nông, được tích phân theo chiều sâu nước, với hai ẩn số vận tốc trung bình theo hai phương ngang và chiều sâu nước. Hệ phương trình này bao gồm phương trình liên tục và hai phương trình động lượng, được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích khối hữu hạn phi cấu trúc. Mô hình toán số TELEMAC 2D sử dụng hệ phương trình này, có khả năng mô phỏng dòng chảy phức tạp trên địa hình không đều với lưới tam giác phi cấu trúc. Ngoài ra, mô hình HEC-RAS được sử dụng để mô phỏng quá trình vỡ đập dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong dòng chảy không ổn định một chiều. Các khái niệm chính bao gồm: hệ số nhám Manning (n) mô tả ma sát đáy, hệ số nhớt rối νt trong mô hình rối Elder và K-ε, nguyên lý dòng chảy theo đường ngắn nhất khi nước tràn bờ, và các thông số mô tả lỗ thủng đập như chiều rộng, chiều sâu, thời gian hình thành dựa trên công thức thực nghiệm Froehlich và Von Thun & Gillette.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm số liệu địa hình lòng sông và ven sông, chế độ thủy văn, thông số hồ chứa Dầu Tiếng, và dữ liệu thủy triều hạ lưu. Địa hình được hiệu chỉnh để phản ánh các đê bao tạm và kiên cố hiện có. Phương pháp phân tích gồm xây dựng mô hình mô phỏng vỡ đập bằng phần mềm HEC-RAS với hai kịch bản: vỡ do xói ngầm thân đập và vỡ do nước tràn qua đỉnh đập. Kết quả lưu lượng lũ từ HEC-RAS được dùng làm điều kiện biên đầu vào cho mô hình truyền lũ bằng TELEMAC 2D trên phạm vi từ đập đến cửa sông Soài Rạp. Cỡ mẫu mô hình là toàn bộ lưu vực sông Sài Gòn hạ lưu đập, với lưới tính toán phi cấu trúc gồm hàng nghìn phần tử tam giác chi tiết hóa vùng nghiên cứu. Phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ dữ liệu thực địa và số liệu quan trắc thủy văn trong nhiều năm. Phân tích kết quả dựa trên so sánh mực nước, lưu lượng, và diện tích ngập lụt với các hệ số nhám khác nhau (n từ 0,01 đến 0,1) và các điều kiện mực nước hạ lưu khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2012 đến tháng 11/2013, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, kiểm định và mô phỏng các kịch bản vỡ đập.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô phỏng quá trình vỡ đập Dầu Tiếng: Hai kịch bản vỡ đập được mô phỏng bằng HEC-RAS cho thấy lưu lượng đỉnh lũ khác nhau, với kịch bản vỡ do xói ngầm có lưu lượng đỉnh khoảng 4800 m³/s, trong khi vỡ do tràn đỉnh đập có lưu lượng lớn hơn. Thời gian hình thành lỗ thủng và chiều rộng lỗ thủng cũng khác biệt, ảnh hưởng đến tốc độ và mức độ truyền lũ.

2. Ảnh hưởng của hệ số nhám Manning: Kết quả mô phỏng với hệ số nhám n=0,02 cho thấy mực nước lũ tại khu vực trung tâm TP. Hồ Chí Minh cao hơn khoảng 0,18 m so với trường hợp n=0,04, cho thấy hệ số nhám có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ ngập lụt. Diện tích ngập sâu trên 1,8 m tập trung ở các quận 12, Củ Chi, Lái Thiêu, Thủ Dầu Một và Bến Cát.

3. Thời gian truyền lũ: Lũ từ đập Dầu Tiếng truyền về huyện Củ Chi trong khoảng 2 giờ 8 phút với độ sâu ngập gần 12 m, và đến trung tâm TP. Hồ Chí Minh sau khoảng 23 giờ 18 phút với độ sâu ngập 2,38 m. Mực nước lũ tại các khu vực hạ lưu đạt đỉnh trùng với thời điểm đỉnh triều, làm tăng nguy cơ ngập lụt.

4. So sánh với số liệu thực tế: Đường mực nước mô hình và thực đo tại các trạm Thủ Dầu Một và Phú An chênh lệch nhỏ, khoảng 0,18-0,2 m, chứng tỏ mô hình có độ chính xác cao trong dự báo mực nước lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt trong các kịch bản vỡ đập là do cơ chế hình thành lỗ thủng và điều kiện mực nước thượng lưu khác nhau. Hệ số nhám Manning phản ánh đặc điểm địa hình và vật liệu lòng dẫn, ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc dòng chảy và mức độ ngập lụt. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô hình TELEMAC 2D phù hợp với các mô hình 2D khác như CCHE2D-DAMBREAK và MIKE21, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết hơn về phân bố mực nước và lưu tốc dòng chảy trên toàn bộ lưu vực. Việc mô phỏng kết hợp HEC-RAS và TELEMAC 2D giúp mô hình hóa chính xác quá trình vỡ đập và truyền lũ, hỗ trợ xây dựng các kịch bản ứng phó hiệu quả. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mực nước theo thời gian tại các trạm quan trắc và bản đồ phân bố ngập lụt theo các mức độ sâu khác nhau, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của sự cố vỡ đập.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm: Triển khai hệ thống giám sát mực nước và vận tốc dòng chảy tại các vị trí trọng yếu trên sông Sài Gòn, đặc biệt gần đập Dầu Tiếng và các khu vực hạ lưu, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và cảnh báo kịp thời cho người dân và chính quyền.

2. Cải thiện hệ số nhám lòng dẫn: Thực hiện khảo sát, cải tạo và duy trì lòng sông, kênh rạch, loại bỏ vật cản và bồi lắng để giảm hệ số nhám, từ đó giảm thiểu mức độ ngập lụt khi xảy ra sự cố vỡ đập. Thời gian thực hiện trong vòng 2 năm, chủ thể là các cơ quan quản lý thủy lợi và môi trường.

3. Xây dựng kế hoạch ứng phó khẩn cấp: Dựa trên các kịch bản mô phỏng, thiết lập các phương án sơ tán dân cư, bảo vệ tài sản và hạ tầng quan trọng trong vùng ngập lụt, tập huấn định kỳ cho cộng đồng và lực lượng cứu hộ. Thời gian hoàn thiện kế hoạch trong 1 năm, chủ thể là chính quyền địa phương và ban chỉ đạo phòng chống thiên tai.

4. Nâng cấp và bảo trì đập Dầu Tiếng: Thực hiện kiểm tra định kỳ, nâng cấp các cấu kiện đập, đặc biệt là các vị trí dễ bị xói mòn và tràn nước, đảm bảo an toàn công trình trong điều kiện biến đổi khí hậu và lưu lượng lũ ngày càng lớn. Chủ thể là Ban quản lý hồ chứa và Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý thủy lợi và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả mô hình để xây dựng các kịch bản ứng phó, kế hoạch phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại do sự cố vỡ đập gây ra.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp mô hình toán số 2DH, ứng dụng phần mềm TELEMAC 2D và HEC-RAS trong mô phỏng dòng chảy và sự cố vỡ đập.

3. Chính quyền địa phương và ban chỉ đạo phòng chống lụt bão: Dựa trên kết quả mô phỏng để tổ chức công tác sơ tán, cứu hộ và quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả.

4. Các nhà đầu tư và quản lý công trình thủy lợi: Đánh giá rủi ro, lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp công trình nhằm đảm bảo an toàn và khai thác bền vững hồ chứa nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình TELEMAC 2D có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   TELEMAC 2D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với lưới tam giác phi cấu trúc, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy trên địa hình phức tạp, đồng thời hỗ trợ tính toán song song giúp tăng tốc độ xử lý. Ví dụ, mô hình này đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu về dòng chảy ven biển và sông ngòi.

2. Tại sao phải sử dụng hai mô hình HEC-RAS và TELEMAC 2D trong nghiên cứu?
   HEC-RAS mô phỏng quá trình vỡ đập và lưu lượng lũ một chiều không ổn định, cung cấp điều kiện biên cho mô hình truyền lũ 2 chiều của TELEMAC 2D. Sự kết hợp này giúp mô phỏng chính xác hơn quá trình hình thành và lan truyền lũ, từ đó đánh giá tác động ngập lụt toàn diện.

3. Hệ số nhám Manning ảnh hưởng thế nào đến kết quả mô phỏng?
   Hệ số nhám phản ánh ma sát đáy và vật cản trong lòng sông, ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy và mực nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy thay đổi hệ số nhám từ 0,02 đến 0,04 có thể làm chênh lệch mực nước lũ tại TP. Hồ Chí Minh khoảng 0,18-0,2 m, ảnh hưởng lớn đến dự báo ngập lụt.

4. Làm thế nào để xác định thông số lỗ thủng đập trong mô hình?
   Thông số lỗ thủng như chiều rộng, chiều sâu và thời gian hình thành được xác định dựa trên công thức thực nghiệm của Froehlich và Von Thun & Gillette, kết hợp số liệu dung tích hồ và chiều cao đập. Ví dụ, lỗ thủng do xói ngầm có kích thước và thời gian hình thành khác với lỗ thủng do tràn đỉnh đập.

5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các đập khác không?
   Phương pháp và mô hình trong nghiên cứu có thể áp dụng cho các đập đất và đập bê tông khác với điều chỉnh thông số phù hợp. Việc thu thập dữ liệu địa hình, thủy văn và đặc tính công trình là cần thiết để đảm bảo độ chính xác mô phỏng.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng mô hình toán số TELEMAC 2D và HEC-RAS để mô phỏng quá trình vỡ đập Dầu Tiếng và truyền lũ trên sông Sài Gòn, cung cấp thông tin chi tiết về mực nước, lưu lượng và diện tích ngập lụt.
• Hai kịch bản vỡ đập do xói ngầm và tràn đỉnh đập cho thấy sự khác biệt rõ rệt về lưu lượng đỉnh và thời gian truyền lũ, ảnh hưởng đến mức độ ngập lụt tại hạ lưu.
• Hệ số nhám Manning và mực nước hạ lưu là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng, cần được khảo sát và hiệu chỉnh kỹ lưỡng.
• Kết quả mô hình phù hợp với số liệu thực đo tại các trạm quan trắc, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của mô hình trong dự báo ngập lụt do vỡ đập.
• Đề xuất xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, cải thiện lòng dẫn, kế hoạch ứng phó khẩn cấp và nâng cấp công trình nhằm giảm thiểu thiệt hại do sự cố vỡ đập.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các đập khác và cập nhật mô hình với dữ liệu mới.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp sử dụng kết quả mô hình để nâng cao hiệu quả quản lý rủi ro và bảo vệ cộng đồng vùng hạ lưu.