Tổng quan luận án

Tình trạng suy giảm nguồn nước, biến động lòng dẫn và hiện tượng bồi lắng, xói lở tại các cửa lấy nước ven sông Hồng diễn ra ngày càng phức tạp dưới tác động của biến đổi khí hậu cũng như các hoạt động khai thác, xây dựng công trình hồ chứa ở thượng lưu. Mực nước sông Hồng trong mùa kiệt liên tục hạ thấp, điển hình vào năm 2010 mực nước tại trạm thủy văn Hà Nội xuống mức kỷ lục +0,1 m, gây thiếu hụt nguồn nước tưới nghiêm trọng cho hàng trăm hecta đất nông nghiệp tại khu vực phụ cận. Đoạn sông Hồng chảy qua thành phố Hà Nội có chiều dài 37 km, lưu lượng trung bình năm đạt $2.640\text{ m}^3/\text{s}$ cùng tổng lượng dòng chảy trung bình nhiều năm đạt 83,5 tỷ $\text{m}^3$. Tuy nhiên, việc vận hành các hồ chứa thượng nguồn làm suy giảm từ 10% đến 20% lượng nước giai đoạn 2007–2009 và giữ lại trên 30% lượng nước trong các tháng 5 và tháng 6 năm 2009, khiến lưu lượng về hạ du bị sụt giảm mạnh.

Sông Đáy là một phân lưu lớn phía hữu ngạn sông Hồng với chiều dài 240 km, bắt đầu từ khu vực Hát Môn. Từ năm 1937, khi công trình đập Đáy được xây dựng nhằm ngăn lũ bảo vệ khu vực hạ du thuộc các tỉnh Hà Tây (cũ), Hà Nam, Nam Định và thành phố Hà Nội, sông Đáy không còn được tiếp nhận dòng chảy thường xuyên. Đoạn sông dài 23 km từ đập Đáy đến cầu Mai Lĩnh rơi vào tình trạng kiệt cạn, lòng sông bị bồi lấp. Cụm công trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận được khởi công năm 2002 và hoàn thành năm 2004 với nhiệm vụ lấy nước từ sông Hồng qua kênh dẫn dài 11.295 m (bề rộng đáy 22 m) dẫn vào sông Đáy để khôi phục dòng chảy mùa kiệt ($Q_{\text{thiết kế}} = 36,24\text{ m}^3/\text{s}$) và mùa lũ ($Q_{\text{thiết kế}} = 70\text{ m}^3/\text{s}$). Tuy nhiên, thực tế vận hành cho thấy cống Cẩm Đình gần như không thể lấy nước tự chảy vào mùa kiệt do mực nước sông Hồng hạ sâu và kênh dẫn thượng lưu cống dài 700 m bị bồi lắng bùn cát trung bình 1,03 m (số liệu điều tra năm 2014).

Căn cứ Nghị định số 04/2011/NĐ-CP của Chính phủ về việc xóa bỏ khu phân chậm lũ trên lưu vực sông Đáy, yêu cầu đặt ra là phải khôi phục dòng chảy sông Đáy với lưu lượng cấp nước mùa kiệt từ $30 - 100\text{ m}^3/\text{s}$, mùa lũ từ $500 - 800\text{ m}^3/\text{s}$ và đảm bảo khả năng chuyển lũ tối đa $2.500\text{ m}^3/\text{s}$. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào giải pháp chỉnh trị ổn định lòng dẫn tổng thể mà chưa nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước hợp lý kết hợp giải quyết đồng thời bài toán lấy nước mùa kiệt và phân thoát lũ. Do đó, luận án "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" được tác giả Trần Khắc Thạc thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Đề xuất bộ tiêu chí khoa học và kỹ thuật phục vụ lựa chọn vị trí cửa lấy nước hợp lý trên sông, đảm bảo yêu cầu lấy nước mùa kiệt và thoát lũ.
  2. Xác định vị trí cửa lấy nước hợp lý tại khu vực cửa vào sông Đáy nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển kinh tế – xã hội và cải tạo môi trường dòng chảy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các công trình cửa lấy nước dọc sông Hồng đoạn qua địa bàn Hà Nội và hệ thống tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước thích hợp trên sông ngòi đồng bằng.
  • Phạm vi không gian: Đoạn sông Hồng dài 27 km từ Km30 đến Km57+500 (khu vực cửa vào sông Đáy, thuộc địa phận Hà Nội).
  • Phạm vi thời gian và tài liệu: Sử dụng số liệu đo đạc địa hình, thủy văn, bùn cát giai đoạn lịch sử và các chuỗi quan trắc mùa kiệt năm 2001, 2003–2004 cùng các trận lũ năm 1996, 2002.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng kết, phân tích các hướng nghiên cứu liên quan đến công trình lấy nước và diễn biến lòng dẫn trên thế giới và tại Việt Nam:

Các nghiên cứu quốc tế:

  • Về phân loại công trình lấy nước: Avery P. (1989) phân chia công trình lấy nước thành dạng bên cạnh (góc lấy nước xấp xỉ $90^\circ$), dạng chính diện (song song dòng chảy chính), công trình có đập/không đập và có/không có cửa điều tiết. Tài liệu GTZ (1989) và Abbasi (2003) phân loại cửa lấy nước ở bên (Lateral Intake) và cửa lấy nước ở đáy (Tyrolean/Bottom Intake) áp dụng cho vùng đồi núi có độ dốc từ 1% đến 10%.
  • Về cơ chế bồi lắng và mô hình hóa thủy động lực học: Bosman D.E. và nnk (2002) nghiên cứu bồi lắng tại kênh dẫn trạm bơm ở Nam Phi; Mehdi Karami Moghadam (2010) thí nghiệm mô hình vật lý sông Ohio cho thấy kênh lấy nước tạo góc $30^\circ$ với dòng chính cho lưu lượng lấy lớn nhất và bùn cát nhỏ nhất (với số Froude từ 0,35 đến 0,4); Neary V.S. và nnk (1999) ứng dụng phương trình Navier-Stokes 3D với mô hình rối Wilcox; Moussa (2010) dùng mô hình 2D CCHE2D giải quyết bồi lắng tại trạm bơm Rowd El-Farag; Goudarzizadeh (2010) mô phỏng 3D bằng phương pháp thể tích hữu hạn kết hợp mô hình rối $k-\varepsilon\text{ (RNG)}$; Ashraf Elmoustafa (2011) dùng mô hình RMA2 đánh giá vị trí lấy nước bờ Tây sông Nile; Noor F.N. Shabidan và nnk (2012) kết hợp mô hình HEC-RAS và CCHE2D trên sông Ijok (Malaysia); Adel A. Ashari và nnk (2015) mô phỏng phân bố vận tốc qua phương pháp thể tích hữu hạn (FVM); Martin (2015) mô phỏng 2D tại British Columbia; Margriet M. (2006) nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và chỉnh trị bảo vệ bờ sông Rhine sau các trận lũ năm 1993, 1995.
  • Về xác định vị trí và góc lấy nước: Gango Schmid (2000) nghiên cứu các công trình trên sông Rio Mameyes, Miradero, Blanco và khẳng định cửa lấy nước nên đặt ở bờ lõm đoạn sông cong; S. Ali Akbar Salehi (2008) kiến nghị góc lấy nước từ $60^\circ - 90^\circ$; Alireza Masjedi và Amir Taeedi (2011) xác định góc lấy nước $45^\circ$ cho hiệu quả cao nhất; Afrouza (2015) đề xuất góc $30^\circ - 45^\circ$ trên đoạn sông thẳng; Montaseri và Tavakoli (2015) dùng phần mềm Fluent với mô hình Reynolds Stress xác định góc tối ưu $17^\circ - 20^\circ$ để giảm phù sa vào kênh.
  • Về giải pháp giảm bồi lắng: Avery P. (1989), Ettema R. và Nakato T. (1998) đề xuất giải pháp đẩy dòng chủ lưu; Ma You guo (2001) nghiên cứu bẫy cát trên sông Yili Hashi; Azade Jamshidi và nnk (2016) nghiên cứu tấm lái dòng ngập với các góc lệch $15^\circ, 20^\circ, 25^\circ, 30^\circ$ làm tăng lưu lượng vào cống từ 30,72% đến 36,34%; Bộ Thủy lợi Trung Quốc (2006) cải tiến tiêu chuẩn thiết kế và quy trình điều tiết cống đầu mối.

Các nghiên cứu trong nước:

  • Trung tâm Động lực sông – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2008–2010) điều tra bồi lắng tại các cống Thanh Điềm, Liên Mạc, Xuân Quan, Ấp Bắc, Phù Sa; Nguyễn Thọ Sáo (2005) dùng mô hình 1D; Phạm Đức Thắng (2010) dùng mô hình số trị 3 chiều nghiên cứu bồi lắng cống Xuân Quan; Nguyễn Quốc Dũng (2006) ứng dụng phần mềm EFDC (3D) và MIKE 11 sửa chữa các cống dưới đê; Nguyễn Hữu Huế (2013) dùng mô hình HEC-RAS tính toán cấp nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ, sông Tô Lịch; Dương Đức Tiền (2015) dùng mô-đun Cress tính toán bồi lắng trạm bơm Phù Sa.
  • Về khu vực thoát lũ và chỉnh trị sông Đáy, sông Hồng qua Hà Nội: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2001, 2003, 2005), Đề tài cấp Nhà nước KC 08/11 (2002–2004); Viện Khí tượng Thủy văn (2001); Vũ Tắt Uyên (2001); Nguyễn Tuấn Anh và nnk (2002); Đoàn Thị Tuyết Nga (2007); Hà Văn Khối và nnk (2009); Viện Quy hoạch Thủy lợi (2009); Phạm Đình và nnk (2010) dùng mô hình 2D MIKE 21FM-ST; Lương Phương Hậu (2010); Nguyễn Tiền Giang và Ngô Thanh Nga (2010); Phạm Thị Hương Lan (2012) áp dụng MIKE 11ST và MIKE 21FM; Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội (2015).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng mô hình 1 chiều hoặc 2 chiều dạng lưới chữ nhật thô ($20\text{ m} \times 20\text{ m}$), không mô tả được cấu trúc dòng chảy phân tầng theo độ sâu và dòng chảy thứ sinh tại khu vực cửa lấy nước. Các nghiên cứu mô hình vật lý thường tốn kém, phạm vi thí nghiệm chỉ giới hạn ở điều kiện dòng chảy lũ hoặc các góc lấy nước giả định cố định, chưa xét đến điều kiện dòng chảy kiệt cực đoan. Đồng thời, chưa có công trình nào thiết lập một bộ tiêu chí khoa học toàn diện và ứng dụng mô hình toán 3 chiều (MIKE 3FM) tích hợp để lựa chọn chính xác vị trí công trình lấy nước vào sông Đáy, dung hòa được hai mục tiêu: vừa đảm bảo lấy đủ lưu lượng mùa kiệt ($36,24 - 100\text{ m}^3/\text{s}$), vừa đáp ứng an toàn xả lũ và phân lũ ($2.500\text{ m}^3/\text{s}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết dòng phân tầng và dòng dị trong (Density/Stratified flow): Dòng chảy tại khu vực phân lưu và cửa lấy nước bên có sự phân tách rõ rệt giữa lớp nước mặt mang ít phù sa và lớp nước đáy tập trung nồng độ bùn cát cao. Sự chênh lệch mật độ, động lượng và xuất hiện trường áp suất cục bộ tạo ra dòng chảy thứ sinh, gây xoáy cuộn và bồi lắng bùn cát trước cửa cống.
  • Hệ phương trình thủy động lực học ba chiều: Luận án sử dụng hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) cho chất lỏng không nén được trong hệ tọa độ Descartes và hệ tọa độ sigma/z theo phương thẳng đứng, kết hợp phương trình liên tục bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng và phương trình vận chuyển – khuếch tán bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy.
  • Động lực học sông cong: Quy luật phân bố vận tốc dòng chính áp sát bờ lõm, dòng đáy hướng từ bờ lõm sang bờ lồi và sự hình thành bãi bồi ở bờ lồi, hố xói ở bờ lõm.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các phương pháp nghiên cứu định lượng và kỹ thuật thủy văn:

  • Phương pháp khảo sát, điều tra thực địa: Thu thập chuỗi tài liệu địa hình, thủy văn, địa chất; đo đạc bổ sung mặt cắt ngang lòng dẫn sông Hồng và kênh Cẩm Đình năm 2014 để xác định mức độ bồi lắng bùn cát thực tế.
  • Phương pháp thống kê: Phân tích chuỗi số liệu thủy văn nhiều năm, thống kê khả năng lấy nước thực tế của các công trình cống dưới đê (Cẩm Đình, Liên Mạc, Xuân Quan, Phù Sa, Thanh Điềm...) trong mối tương quan với mực nước sông Hồng.
  • Phương pháp mô hình toán:
    • Mô hình 1 chiều MIKE 11 (HD): Mô phỏng mạng lưới thủy lực toàn hệ thống sông Hồng – sông Thái Bình trong điều kiện mùa kiệt và mùa lũ, cung cấp điều kiện biên mực nước và lưu lượng cho mô hình khu vực.
    • Mô hình 3 chiều MIKE 3FM (Flexible Mesh): Sử dụng lưới tam giác phi cấu trúc linh hoạt theo mặt phẳng ngang và phân tầng theo chiều sâu. Mô hình mô phỏng chi tiết trường vận tốc 3 chiều, ứng suất cắt đáy, hàm lượng bùn cát và biến dạng lòng dẫn đoạn sông Hồng 27 km (Km30 đến Km57+500) và khu vực cửa vào sông Đáy.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến các chuyên gia đầu ngành thông qua hội thảo khoa học để chuẩn hóa phương pháp luận và kiểm chứng kết quả mô phỏng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Bản đồ địa hình số đoạn sông Hồng và cụm công trình đầu mối Hát Môn – Cẩm Đình – Hiệp Thuận.
  • Chuỗi số liệu lưu lượng nước, mực nước và hàm lượng bùn cát tại các trạm thủy văn Thượng Cát, Hà Nội, Sơn Tây.
  • Dữ liệu thực đo các trận lũ điển hình năm 1996, 2002 và các mùa kiệt năm 2001, 2003–2004 tại 7 mặt cắt ngang hiệu chỉnh (MC1 đến MC7).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về công trình lấy nước trên sông

Chương này tổng kết các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến phân loại công trình lấy nước, diễn biến bồi xói lòng dẫn tại cửa vào, các phương pháp xác định vị trí công trình và các giải pháp công trình/phi công trình nhằm nâng cao hiệu quả lấy nước. Tác giả trình bày bức tranh tổng quan về điều kiện tự nhiên, địa hình, địa chất, thủy văn lưu vực sông Hồng – sông Đáy và phân tích tình trạng vận hành thực tế của cụm công trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận.

Số liệu và phát hiện chính:

  • Lưu vực sông Đáy có diện tích lớn nhưng 23 km lòng sông từ đập Đáy đến Mai Lĩnh bị suy thoái do thiếu nguồn nước tiếp dẫn từ sông Hồng kể từ năm 1937.
  • Cụm công trình Cẩm Đình – Hiệp Thuận hoàn thành năm 2004 nhưng không hoàn thành nhiệm vụ thiết kế ($Q_{\text{thiết kế}} = 36,24\text{ m}^3/\text{s}$ mùa kiệt) do mực nước sông Hồng bị hạ thấp và bùn cát bồi lắng trung bình 1,03 m tại kênh dẫn thượng lưu cống (dài 700 m, rộng đáy 22 m).
  • Luận án xác định định hướng nghiên cứu: sử dụng mô hình toán 3D để mô phỏng tương tác động lực dòng chảy – bùn cát, từ đó đề xuất vị trí đặt cống hợp lý và giải pháp chỉnh trị đồng bộ.

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

Tác giả phân tích hiện trạng và nguyên nhân gây suy giảm khả năng lấy nước của các công trình ven sông Hồng trên địa bàn Hà Nội, trình bày cơ sở lý thuyết dòng phân tầng/dòng dị trong và thiết lập bộ tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước.

Số liệu và phát hiện chính:

  • Hiện trạng các cống lấy nước dọc sông Hồng: Mực nước sông Hồng mùa kiệt giảm trung bình từ $0,5 - 1,0\text{ m}$ (giai đoạn 2004–2010). Đáy cống Cẩm Đình ở cao trình +3,0 m, trong khi mực nước sông Hồng để lấy được nước tự chảy phải đạt từ +4,0 m trở lên. Năm 2010, có 12 ngày mực nước sông Hồng tại Cẩm Đình xuống thấp hơn đáy cống (+3,0 m). Tháng 11/2013, xảy ra hiện tượng nước từ kênh Cẩm Đình chảy ngược ra sông Hồng.
  • Cơ sở lý thuyết dòng dị trong: Xác lập hệ phương trình mô tả cơ chế tách dòng bùn cát tại cửa lấy nước bên, chứng minh rằng khi dòng chảy chính bị rẽ ngoặt vào cống, lớp bùn cát đáy bị cuốn vào kênh dẫn do gradient áp suất ngang và dòng xoáy thứ sinh.
  • Đề xuất bộ tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước gồm 4 nhóm tiêu chí kỹ thuật:
    1. Tiêu chí đảm bảo lưu lượng nước thiết kế: Phải lấy đủ lưu lượng yêu cầu trong mùa kiệt ($36,24 - 100\text{ m}^3/\text{s}$) và mùa lũ ($500 - 800\text{ m}^3/\text{s}$), không gây cản trở khi phân lũ ($2.500\text{ m}^3/\text{s}$).
    2. Tiêu chí đoạn sông ổn định: Đặt ở đoạn sông cong có lòng dẫn ổn định, tại bờ lõm về phía hạ lưu đỉnh cong nơi có độ sâu lớn nhất; không đặt ở hạ lưu điểm hợp lưu có nhánh sông mang nhiều bùn cát; không làm thay đổi bất lợi hình thái lòng sông chính.
    3. Tiêu chí đảm bảo chất lượng nước và hạn chế bùn cát: Không bố trí ở bãi cát nông, giảm thiểu tối đa lượng bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng đi vào cống.
    4. Tiêu chí hình học – thủy lực: Xác định khoảng giới hạn tối ưu cho góc lấy nước ($\alpha$), chiều dài đoạn sông cong ($L_{\text{cong}}$) và chiều dài kênh dẫn ($L_{\text{kênh}}$).

Chương 3: Nghiên cứu lựa chọn vị trí cửa lấy nước vào sông Đáy

Tác giả thiết lập và ứng dụng mô hình số trị MIKE 11 kết hợp MIKE 3FM để mô phỏng 48 kịch bản thủy động lực học và diễn biến bồi xói lòng dẫn tại 3 vị trí nghiên cứu tiềm năng ở khu vực cửa vào sông Đáy:

  • Vị trí 1: Cống Cẩm Đình cũ (hiện trạng).
  • Vị trí 2: Cống Cẩm Đình mới (cách cống cũ 600 m về phía hạ lưu, gần cống Vân Cốc, tại Km0+500 đê Vân Cốc).
  • Vị trí 3: Cửa lấy nước tại Hát Môn / Vân Cốc.
Thông số / Chỉ tiêu kỹ thuật Vị trí 1 (Cẩm Đình cũ) Vị trí 2 (Cẩm Đình mới - Đề xuất) Vị trí 3 (Vân Cốc / Hát Môn)
Góc lấy nước ($\alpha$) Không thuận lợi thủy lực $72^\circ - 78^\circ$ Không ổn định theo mùa
Chiều dài đoạn sông cong Phía thượng lưu đỉnh cong $4.600 - 4.900\text{ m}$ (hạ lưu đỉnh cong) Nằm ngoài vùng động lực thuận lợi
Chiều dài kênh dẫn $700\text{ m}$ (rất dễ bồi lắng) $30 - 60\text{ m}$ (rút ngắn tối đa) $> 500\text{ m}$
Khả năng lấy lưu lượng $36,24\text{ m}^3/\text{s}$ (mùa kiệt) Kém, bị bồi lắng cản trở Đảm bảo liên tục và ổn định Bị hạn chế khi mực nước kiệt
Bồi lắng bùn cát trước cửa Bồi lắng lớn ($> 1,0\text{ m}$), có bãi bồi che chắn Nhỏ nhất do dòng chủ lưu ép sát bờ Bồi lắng trung bình đến lớn

Số liệu và phát hiện chính:

  • Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 3FM đạt độ chính xác cao: tương quan lưu lượng và mực nước giữa tính toán và thực đo tại trạm Thượng Cát, Hà Nội và 7 mặt cắt ngang trong mùa kiệt năm 2001, 2003 và trận lũ năm 1996, 2002 có sai số nằm trong giới hạn cho phép.
  • Kết quả mô phỏng các kịch bản khẳng định: Vị trí 2 (Cẩm Đình mới) là vị trí tối ưu nhất, thỏa mãn đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật: góc lấy nước hợp lý $\alpha = 72^\circ - 78^\circ$, chiều dài đoạn sông cong ổn định từ $4.600 - 4.900\text{ m}$, chiều dài kênh dẫn giảm xuống chỉ còn $30 - 60\text{ m}$, cho phép lấy đủ lưu lượng thiết kế $36,24\text{ m}^3/\text{s}$ đến $100\text{ m}^3/\text{s}$ trong mùa kiệt và giảm thiểu tối đa bùn cát lắng đọng.
  • Luận án đề xuất hệ thống giải pháp:
    • Giải pháp công trình: Giữ nguyên cống Cẩm Đình cũ; xây dựng mới cống Cẩm Đình 2 tại Km0+500 đê Vân Cốc (xã Cẩm Đình, cách cống cũ 600 m về hạ lưu); kết hợp xây dựng cụm 3 mỏ hàn bờ trái sông Hồng (từ Xuân Chiểu đến Tam Kỳ) để hướng dòng chủ lưu ép sát bờ hữu Cẩm Đình; tiếp nước $60\text{ m}^3/\text{s}$ từ sông Tích; về lâu dài hạ đáy cống Cẩm Đình xuống cao trình +2,0 m, cống Hiệp Thuận xuống +1,5 m và hạ đáy kênh Ngọc Tảo (từ +2,0 m xuống +1,0 m).
    • Giải pháp phi công trình: Xây dựng quy trình vận hành đóng mở cống Cẩm Đình và Hiệp Thuận theo 4 cấp mực nước sông Hồng:
      1. Khi mực nước sông Hồng $5,33\text{ m} < Z_{\text{sông Hồng}} \le 6,05\text{ m}$: Mở hoàn toàn âu thuyền cống Cẩm Đình, mở 2 cửa tầng dưới từ $0,5 - 3,0\text{ m}$, cống Hiệp Thuận mở hoàn toàn để lấy đủ $Q = 36,24\text{ m}^3/\text{s}$.
      2. Khi $7,00\text{ m} < Z_{\text{sông Hồng}} \le 9,50\text{ m}$: Mở 2 cửa tầng dưới, đóng âu thuyền và 2 cửa tầng trên; cống Hiệp Thuận mở hoàn toàn, khống chế mực nước hạ lưu cống Cẩm Đình $< +8,00\text{ m}$.
      3. Khi $9,50\text{ m} < Z_{\text{sông Hồng}} \le 13,00\text{ m}$: Mở 2 cửa tầng trên, đóng âu thuyền và 2 cửa tầng dưới; cống Hiệp Thuận mở hoàn toàn, khống chế mực nước hạ lưu cống Cẩm Đình $< +8,00\text{ m}$.
      4. Khi $Z_{\text{sông Hồng}} > 13,10\text{ m}$: Mở 2 cửa tầng trên để lấy nước/phân lũ, đóng cống Hiệp Thuận khi mực nước trong kênh đạt cao độ +9,00 m.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Thiết lập hệ thống tiêu chí kỹ thuật và phương pháp luận định lượng phục vụ quy hoạch, thiết kế vị trí cửa lấy nước trên sông cong đồng bằng, tích hợp cơ sở lý thuyết dòng phân tầng 3 chiều và động lực học bùn cát.
  • Xác định được các ngưỡng thông số hình học – thủy lực tối ưu cho cửa lấy nước bên trên đoạn sông cong: góc lấy nước hợp lý từ $72^\circ - 78^\circ$, độ dài đoạn sông cong ổn định từ $4.600 - 4.900\text{ m}$ và chiều dài kênh dẫn từ $30 - 60\text{ m}$.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Xác định chính xác vị trí hợp lý để xây dựng công trình lấy nước mới vào sông Đáy (cống Cẩm Đình 2) tại vị trí Km0+500 đê Vân Cốc (xã Cẩm Đình), cách vị trí cống Cẩm Đình cũ 600 m về phía hạ lưu.
  • Đề xuất tổ hợp giải pháp công trình chỉnh trị (cụm mỏ hàn bờ trái Xuân Chiểu – Tam Kỳ, nạo vét kênh Ngọc Tảo, tiếp nước sông Tích $60\text{ m}^3/\text{s}$) và quy trình vận hành điều tiết cửa cống theo từng cấp mực nước thực tế của sông Hồng, khắc phục triệt để tình trạng bồi lắng và không lấy được nước mùa kiệt của cống hiện trạng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Do tính chất phức tạp của bài toán động lực học sông ngòi và giới hạn về thời gian, luận án mới tập trung tính toán chi tiết tại 3 vị trí khu vực cửa vào sông Đáy qua 48 kịch bản mô phỏng số trị, chưa thực hiện tính toán mở rộng cho toàn bộ các công trình lấy nước khác dọc tuyến sông Hồng (như cống Xuân Quan, trạm bơm Phù Sa...).
  • Các kết quả nghiên cứu dừng lại ở mức độ phân tích số liệu điều tra thực địa và mô phỏng mô hình toán 3 chiều (MIKE 3FM), chưa được kiểm chứng bổ sung trên mô hình vật lý thu nhỏ (mô hình chính thái).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục hoàn thiện mô hình toán, mở rộng phạm vi nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng bộ tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước cho các đoạn sông có công trình cống dưới đê và trạm bơm lớn khác trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình.
  • Tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý thủy lực đối với cụm công trình đầu mối Cẩm Đình 2 và hệ thống mỏ hàn chỉnh trị để kiểm chứng, chuẩn hóa tính khả thi của các thông số thiết kế trước khi đưa vào thi công thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Kỹ thuật công trình thủy, Xây dựng công trình thủy lợi: Tham khảo phương pháp luận thiết lập mô hình toán 3D phi cấu trúc (MIKE 3FM) tích hợp mô hình 1D (MIKE 11), lý thuyết dòng phân tầng và phương pháp đánh giá bồi xói cửa lấy nước bên.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và quy hoạch (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, UBND thành phố Hà Nội, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam): Sử dụng làm cơ sở khoa học trực tiếp phục vụ rà soát, điều chỉnh quy hoạch phòng chống lũ hệ thống sông Đáy theo Nghị định 04/2011/NĐ-CP, lập dự án đầu tư xây dựng mới cống Cẩm Đình 2 và cải tạo cụm đầu mối phân lũ Hát Môn – Cẩm Đình – Hiệp Thuận.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế và quản lý khai thác công trình thủy lợi: Ứng dụng bộ tiêu chí kỹ thuật (góc lấy nước $72^\circ - 78^\circ$, kênh dẫn ngắn $30 - 60\text{ m}$) và quy trình quy định độ mở cửa cống theo cấp mực nước sông Hồng để nâng cao hiệu quả lấy nước, giảm chi phí nạo vét bồi lắng hàng năm.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân chính khiến cống Cẩm Đình hiện trạng không lấy được nước trong mùa kiệt là gì?
Nguyên nhân chủ yếu do mực nước sông Hồng trong mùa kiệt liên tục hạ thấp (nhiều thời điểm xuống dưới cao trình đáy cống +3,0 m, trong khi mực nước cần thiết để lấy nước tự chảy là $\ge +4,0\text{ m}$), kết hợp với tuyến kênh dẫn thượng lưu cống dài tới 700 m bị bồi lắng bùn cát trung bình 1,03 m làm cản trở dòng chảy vào cống.

2. Vị trí xây dựng cống lấy nước Cẩm Đình mới được tác giả đề xuất đặt ở đâu?
Tác giả đề xuất xây dựng cống Cẩm Đình mới (cống Cẩm Đình 2) tại vị trí Km0+500 đê Vân Cốc thuộc xã Cẩm Đình, nằm cách cống Cẩm Đình cũ 600 m về phía hạ lưu, gần vị trí cống Vân Cốc.

3. Các thông số kỹ thuật tối ưu của cửa lấy nước mới được luận án xác định là bao nhiêu?
Các thông số tối ưu gồm: góc lấy nước hợp lý dao động từ $72^\circ$ đến $78^\circ$; đặt tại bờ lõm đoạn sông cong ổn định có chiều dài đoạn cong từ $4.600\text{ m}$ đến $4.900\text{ m}$; chiều dài kênh dẫn thượng lưu được rút ngắn chỉ còn từ $30\text{ m}$ đến $60\text{ m}$.

4. Luận án đã sử dụng những mô hình toán nào để mô phỏng thủy lực và bồi lắng?
Luận án sử dụng kết hợp mô hình 1 chiều MIKE 11 (HD) để mô phỏng mạng lưới thủy lực toàn hệ thống sông Hồng – Thái Bình (cung cấp điều kiện biên) và mô hình 3 chiều MIKE 3FM (lưới tam giác phi cấu trúc phân tầng theo chiều sâu) để mô phỏng chi tiết trường vận tốc 3D, ứng suất đáy và biến dạng bồi xói lòng dẫn tại 27 km sông Hồng và khu vực cửa vào sông Đáy qua 48 kịch bản tính toán.

5. Mục tiêu cấp nước và phân lũ cho sông Đáy theo Nghị định 04/2011/NĐ-CP được nêu trong luận án gồm những chỉ tiêu nào?
Nghị định 04/2011/NĐ-CP quy định việc cải tạo lòng dẫn sông Đáy để cấp nước thường xuyên trong mùa kiệt từ $30 - 100\text{ m}^3/\text{s}$, mùa lũ từ $500 - 800\text{ m}^3/\text{s}$, đồng thời đảm nhiệm nhiệm vụ phân lũ từ sông Hồng sang sông Đáy với lưu lượng tối đa $2.500\text{ m}^3/\text{s}$.

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Khắc Thạc đã giải quyết thành công bài toán khoa học và thực tiễn về xác định vị trí hợp lý cho công trình lấy nước vào sông Đáy trong bối cảnh lòng dẫn sông Hồng bị biến động và mực nước mùa kiệt hạ thấp. Bằng việc ứng dụng mô hình số trị 3 chiều MIKE 3FM kết hợp lý thuyết dòng phân tầng, nghiên cứu đã đề xuất bộ tiêu chí kỹ thuật định lượng và xác định vị trí xây dựng cống Cẩm Đình 2 (cách cống cũ 600 m về hạ lưu) với góc lấy nước $72^\circ - 78^\circ$ và kênh dẫn ngắn $30 - 60\text{ m}$. Kết quả nghiên cứu cùng tổ hợp giải pháp công trình mỏ hàn chỉnh trị và quy trình vận hành điều tiết theo mực nước cung cấp luận cứ khoa học tin cậy cho công tác quy hoạch, thiết kế và phục hồi dòng chảy sông Đáy theo chủ trương của Chính phủ.