Nghiên Cứu Vị Trí Hợp Lý Cửa Lấy Nước Vào Sông Đáy

Nghiên cứu vị trí cửa lấy nước sông Đáy có vai trò then chốt trong việc đảm bảo cấp nước thường xuyên cho khu vực. 181 trang · Trường Đại Học Thủy Lợi · 2019.

• Tác giả: Trần Khắc Thạc
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Thủy Văn Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Vị Trí Hợp Lý Cửa Lấy Nước Sông Đáy Đảm Bảo Cấp Nước Thường Xuyên
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC TRÊN SÔNG
• 1.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.1.1. Về nghiên cứu phân loại các CTLN
• 1.1.2. Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN
• 1.1.3. Về nghiên cứu xác định vị trí cửa lấy nước
• 1.1.4. Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước
• 1.1.5. Nhận xét chung về các nghiên cứu trên thế giới có liên quan đến nội dung của luận án
• 1.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.2.1. Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN
• 1.2.2. Về nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả lấy nước
• 1.2.3. Các nghiên cứu có liên quan trên đoạn sông Hồng qua Hà Nội
• 1.2.4. Nhận xét chung về các nghiên cứu trong nước có liên quan đến nội dung của luận án
• 1.3. Tổng quan khu vực nghiên cứu
• 1.3.1. Vị trí khu vực nghiên cứu
• 1.3.2. Đặc điểm địa hình
• 1.3.3. Đặc điểm địa chất, địa mạo
• 1.3.4. Đặc điểm khí tượng, thủy văn
• 1.3.5. Cụm công trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận
• 1.4. Định hướng nghiên cứu của luận án
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. 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
• 2.1. Đánh giá hiện trạng một số công trình lấy nước dọc sông Hồng trên địa bàn Hà Nội
• 2.1.1. Hiện trạng một số công trình lấy nước trên địa bàn Hà Nội
• 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
• 2.2. Cơ sở lý thuyết dòng phân tầng/dòng dị trọng tại khu vực cửa lấy nước
• 2.2.1. Hệ phương trình cơ bản về dòng phân tầng/dòng dị trọng
• 2.2.1.1. Phương trình chuyển động
• 2.2.1.2. Phương trình liên tục
• 2.2.1.3. Phương trình hoàn lưu của dòng phân tầng
• 2.2.2. Phân tích lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước
• 2.3. Đề xuất bộ tiêu chí xác định vị trí cửa lấy nước thích hợp
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỊ TRÍ CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY
• 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
• 3.2. Ứng dụng mô hình toán MIKE3FM mô phỏng chế độ thủy lực, diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy
• 3.2.1. Xác định phạm vi và miền tính toán của khu vực nghiên cứu
• 3.2.2. Thiết lập hệ thống lưới tính toán
• 3.2.3. Thiết lập địa hình tính toán
• 3.2.4. Thiết lập các CSDL biên và CSDL hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
• 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
• 3.2.6. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy động lực MIKE3FM
• 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
• 3.2.8. Kết quả đánh giá khả năng lấy nước của cống Cẩm Đình hiện trạng
• 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
• 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
• 3.3.1. Kết quả đánh giá khả năng lấy nước tại các vị trí công trình lấy nước khác nhau
• 3.3.2. Đánh giá diễn biến lòng dẫn theo kịch bản vị trí lấy nước khác nhau
• 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
• 3.4.1. Xác định vị trí cửa lấy nước ổn định cấp nước theo yêu cầu
• 3.4.2. Đề xuất vị trí lấy nước thích hợp theo tiêu chí đảm bảo về hàm lượng bùn cát
• 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
• 3.5. Kiến nghị một số giải pháp nâng cao khả năng cấp nước mùa kiệt và thoát lũ cống Cẩm Đình
• 3.5.1. Các giải pháp phi công trình
• 3.5.2. Giải pháp công trình
• 3.6. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vị Trí Cửa Lấy Nước Sông Đáy 55 Ký Tự

Nghiên cứu vị trí cửa lấy nước sông Đáy có vai trò then chốt trong việc đảm bảo cấp nước thường xuyên cho khu vực. Các tác động từ biến đổi khí hậu và việc khai thác nguồn nước sông Đáy ngày càng gia tăng đặt ra nhiều thách thức. Mực nước sông Hồng mùa kiệt hạ thấp, tình trạng bồi lắng lòng dẫn diễn ra phức tạp. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng lấy nước của các công trình thủy lợi. Luận án này tập trung vào việc đánh giá các yếu tố ảnh hưởng và đề xuất giải pháp tối ưu. Theo tài liệu gốc, mực nước sông Hồng tại Hà Nội đã xuống mức thấp kỷ lục +0.1m vào năm 2010, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Thủy Văn Sông Đáy

Nghiên cứu thủy văn sông Đáy là cơ sở để hiểu rõ hơn về chế độ dòng chảy, diễn biến lòng dẫn và khả năng tự nhiên của sông. Việc nắm bắt thông tin về lưu lượng sông Đáy, mực nước sông Đáy, và chất lượng nước sông Đáy là vô cùng quan trọng. Dữ liệu này giúp đánh giá chính xác tiềm năng khai thác và những thách thức đặt ra trong quá trình khai thác nước sông Đáy. Nghiên cứu phải xem xét cả tác động của các hồ chứa thượng nguồn và hoạt động khai thác nước trong khu vực.

1.2. Ảnh Hưởng Của Biến Đổi Khí Hậu Đến Nguồn Nước Sông Đáy

Biến đổi khí hậu gây ra những thay đổi bất thường về lượng mưa, nhiệt độ và tần suất các hiện tượng thời tiết cực đoan. Điều này ảnh hưởng lớn đến nguồn nước sông Đáy, gây ra tình trạng hạn hán vào mùa khô và lũ lụt vào mùa mưa. Việc dự báo chính xác các tác động của biến đổi khí hậu là yếu tố quan trọng để xây dựng các biện pháp đảm bảo cấp nước hiệu quả và bền vững. Các kịch bản biến đổi khí hậu cần được xem xét kỹ lưỡng.

II. Xác Định Vấn Đề Cấp Nước Thường Xuyên Sông Đáy 59 Ký Tự

Việc đảm bảo cấp nước thường xuyên cho sông Đáy đang gặp nhiều khó khăn do sự suy giảm nguồn nước sông Đáy, tình trạng bồi lắng lòng dẫn, và các yếu tố khác như khai thác nước sông Đáy không hợp lý. Cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận được xây dựng với mục tiêu lấy nước từ sông Hồng vào sông Đáy, nhưng hiệu quả thực tế chưa đạt yêu cầu. Nhiều hecta đất nông nghiệp không đủ nước tưới vào mùa kiệt, ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống của người dân. Theo số liệu điều tra năm 2014, lòng dẫn kênh Cẩm Đình bị bồi lắng trung bình 1.03m so với thiết kế.

2.1. Hiệu Quả Của Cống Cẩm Đình Trong Cấp Nước Sông Đáy

Cống Cẩm Đình được kỳ vọng là giải pháp quan trọng để cấp nước thường xuyên cho sông Đáy. Tuy nhiên, từ khi đi vào vận hành, cống hoạt động không hiệu quả, đặc biệt vào mùa kiệt. Tình trạng bồi lắng tại cửa cống và kênh dẫn là nguyên nhân chính dẫn đến khả năng lấy nước kém. Cần có các giải pháp cải tạo và nâng cấp cống Cẩm Đình để đảm bảo chức năng cấp nước sông Đáy.

2.2. Bồi Lắng Lòng Dẫn Ảnh Hưởng Đến Công Trình Lấy Nước

Tình trạng bồi lắng lòng dẫn tại khu vực cửa lấy nước gây cản trở dòng chảy, làm giảm khả năng lấy nước của các công trình lấy nước sông Đáy. Lượng phù sa lớn từ sông Hồng là nguyên nhân chính dẫn đến bồi lắng. Cần có các giải pháp nạo vét và điều chỉnh dòng chảy để giảm thiểu tình trạng này. Việc nghiên cứu diễn biến bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN là rất quan trọng.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Vị Trí Hợp Lý Cửa Lấy Nước 57 Ký Tự

Để giải quyết bài toán nghiên cứu vị trí hợp lý của cửa lấy nước, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học và thực tiễn. Việc sử dụng mô hình toán thủy lực giúp mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng như địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn là cần thiết. Đề xuất các tiêu chí đánh giá và lựa chọn vị trí tối ưu dựa trên các kết quả nghiên cứu. Luận án đã sử dụng phương pháp thu thập, điều tra hiện trường phân tích đánh giá tổng hợp các tài liệu đã có.

3.1. Ứng Dụng Mô Hình Toán Thủy Lực Trong Nghiên Cứu

Mô hình toán thủy lực là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng dòng chảy, diễn biến lòng dẫn và tác động của các công trình lấy nước sông Đáy. Mô hình giúp đánh giá hiệu quả của các phương án thiết kế và lựa chọn vị trí tối ưu. Cần có dữ liệu đầu vào chính xác và quy trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình chặt chẽ để đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Mô hình MIKE3FM được sử dụng trong nghiên cứu.

3.2. Phân Tích Địa Hình Địa Chất Khí Tượng Thủy Văn

Các yếu tố địa hình, địa chất và khí tượng thủy văn có ảnh hưởng lớn đến chế độ dòng chảy và diễn biến lòng dẫn. Việc phân tích kỹ lưỡng các yếu tố này giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm tự nhiên của khu vực nghiên cứu và đề xuất các giải pháp phù hợp. Cần thu thập và xử lý dữ liệu địa hình, địa chất, lượng mưa, nhiệt độ, và lưu lượng sông Đáy.

IV. Đề Xuất Vị Trí Cửa Lấy Nước Đảm Bảo Cấp Nước 59 Ký Tự

Dựa trên kết quả nghiên cứu, cần đề xuất vị trí cửa lấy nước hợp lý đảm bảo yêu cầu cấp nước thường xuyên và thoát lũ. Vị trí được lựa chọn phải đảm bảo ổn định về lòng dẫn, hạn chế bồi lắng, và dễ dàng tiếp cận nguồn nước sông Đáy. Các giải pháp công trình và phi công trình cần được kết hợp để nâng cao hiệu quả lấy nước. Cần xem xét bài toán tối ưu vị trí cửa lấy nước để đảm bảo hiệu quả kinh tế-xã hội.

4.1. Tiêu Chí Đánh Giá Vị Trí Cửa Lấy Nước Tối Ưu

Việc lựa chọn vị trí cửa lấy nước tối ưu cần dựa trên các tiêu chí cụ thể và rõ ràng. Các tiêu chí này bao gồm: khả năng lấy nước vào mùa kiệt, khả năng thoát lũ vào mùa mưa, ổn định về lòng dẫn, chi phí xây dựng và vận hành, và tác động đến môi trường. Cần có một hệ thống tiêu chí lựa chọn vị trí cửa lấy nước thích hợp để đảm bảo tính khách quan.

4.2. Giải Pháp Công Trình Và Phi Công Trình Kết Hợp

Để nâng cao hiệu quả lấy nước, cần kết hợp các giải pháp công trình (nạo vét, xây dựng đê kè, điều chỉnh dòng chảy) và phi công trình (quản lý khai thác nước sông Đáy hợp lý, bảo vệ rừng đầu nguồn). Các giải pháp này cần được thiết kế đồng bộ và phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan quản lý và cộng đồng địa phương.

V. Ứng Dụng Nghiên Cứu Cấp Nước Thoát Lũ Sông Đáy 57 Ký Tự

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong việc quy hoạch và xây dựng các công trình lấy nước sông Đáy mới, cải tạo và nâng cấp các công trình hiện có. Nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý khai thác nước sông Đáy một cách bền vững. Việc đánh giá tác động môi trường của các công trình lấy nước sông Đáy cần được thực hiện một cách kỹ lưỡng. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định vị trí cửa lấy nước ổn định cấp nước theo yêu cầu.

5.1. Quy Hoạch Sử Dụng Nước Sông Đáy Hiệu Quả

Kết quả nghiên cứu cần được tích hợp vào quy hoạch sử dụng nguồn nước sông Đáy, đảm bảo cân bằng giữa nhu cầu sử dụng nước cho các mục đích khác nhau (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt) và bảo vệ môi trường. Quy hoạch cần dựa trên các kịch bản biến đổi khí hậu và dự báo nhu cầu sử dụng nước trong tương lai. Cần phải có quy hoạch sử dụng nước sông Đáy một cách chi tiết và bài bản.

5.2. Đánh Giá Tác Động Môi Trường Công Trình Lấy Nước

Việc xây dựng và vận hành các công trình lấy nước sông Đáy có thể gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường (thay đổi dòng chảy, ảnh hưởng đến hệ sinh thái). Cần có đánh giá tác động môi trường kỹ lưỡng để giảm thiểu các tác động này. Các biện pháp bảo vệ môi trường cần được tích hợp vào thiết kế và vận hành công trình.

VI. Kết Luận Tương Lai Nghiên Cứu Vị Trí Cửa Lấy Nước 58 Ký Tự

Nghiên cứu vị trí cửa lấy nước sông Đáy có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế - xã hội khu vực. Cần tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện các phương pháp đánh giá và lựa chọn vị trí tối ưu. Việc ứng dụng các công nghệ mới trong công nghệ lấy nước sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và tính bền vững của các công trình lấy nước sông Đáy. Nghiên cứu cần xem xét khía cạnh kinh tế – xã hội khu vực sông Đáy.

6.1. Đảm Bảo An Ninh Nguồn Nước Cho Sông Đáy

Việc đảm bảo an ninh nguồn nước cho sông Đáy là nhiệm vụ cấp bách, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng nhu cầu sử dụng nước. Cần có các giải pháp tổng thể và đồng bộ để bảo vệ nguồn nước sông Đáy (quản lý khai thác nước hợp lý, bảo vệ rừng đầu nguồn, chống ô nhiễm nguồn nước). Cần có các giải pháp đảm bảo an ninh nguồn nước một cách bền vững.

6.2. Ứng Dụng Công Nghệ Mới Trong Công Trình Lấy Nước

Việc ứng dụng các công nghệ lấy nước tiên tiến (lọc nước, xử lý nước) sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính bền vững của các công trình lấy nước sông Đáy. Các công nghệ này cần được lựa chọn phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực và đảm bảo chi phí hợp lý. Cần nghiên cứu và áp dụng các công nghệ lấy nước mới một cách sáng tạo.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình khoa học được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Trần Khắc Thạc với đề tài "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", bảo vệ năm 2019 tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Thị Hương Lan và TS. Tan Soon Keat. Luận án thuộc chuyên ngành Thủy văn học, mã số 9440224, giải quyết bài toán kỹ thuật thủy văn và chỉnh trị sông ngòi phục vụ tái lập dòng chảy và an toàn đê điều.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong những năm gần đây, tác động của biến đổi khí hậu cùng với các hoạt động khai thác, vận hành hồ chứa ở thượng nguồn sông Đà và sông Hồng đã làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy hạ lưu. Các hồ chứa phía Trung Quốc trong giai đoạn 2007–2009 giữ lại từ 10% đến 20% lượng nước, đặc biệt vào thời kỳ chuyển tiếp mùa (tháng 5–6/2009) giữ lại hơn 30%, dẫn đến tình trạng suy giảm nghiêm trọng nguồn nước hạ du. Đoạn sông Hồng chảy qua Hà Nội có chiều dài 37 km, lưu lượng trung bình nhiều năm đạt 2.640 $\text{m}^3/\text{s}$ với tổng lượng dòng chảy trung bình 83,5 triệu $\text{m}^3$. Vào mùa kiệt, mực nước hạ thấp sâu, điển hình năm 2010 mực nước tại Hà Nội xuống mức kỷ lục +0,1 m, gây tê liệt hàng loạt công trình thủy lợi lấy nước tự chảy.

Sông Đáy là phân lưu quan trọng của sông Hồng với chiều dài 240 km, bắt đầu từ Hát Môn và đổ ra biển qua cửa Như Tân. Từ năm 1937, khi chính quyền Đông Dương xây dựng đập Đáy để ngăn lũ bảo vệ đồng bằng, dòng sông bị cắt đứt nguồn cấp nước thường xuyên, khiến đoạn sông 23 km từ đập Đáy đến cầu Mai Lĩnh suy thoái nghiêm trọng. Nhằm khôi phục dòng chảy, cụm công trình đầu mối Cẩm Đình – Hiệp Thuận được xây dựng từ năm 2002 và hoàn thành năm 2004 với lưu lượng thiết kế mùa kiệt $Q_{\text{TK}} = 36,24\text{ }\text{m}^3/\text{s}$, mùa lũ $Q_{\text{TK}} = 70\text{ }\text{m}^3/\text{s}$. Tuy nhiên, công trình hầu như không thể lấy nước trong mùa kiệt do mực nước sông Hồng hạ thấp và hiện tượng bồi lắng diễn ra nghiêm trọng. Khảo sát thực địa năm 2014 cho thấy đoạn kênh dẫn thượng lưu cống Cẩm Đình dài 700 m bị bồi lắng trung bình 1,03 m so với cao trình thiết kế.

Nghị định số 04/2011/NĐ-CP của Chính phủ quy định việc xóa bỏ vùng phân chậm lũ sông Đáy, đồng thời đặt ra yêu cầu cải tạo lòng dẫn để chủ động đưa nước thường xuyên từ sông Hồng vào sông Đáy với lưu lượng mùa kiệt từ 30 đến 100 $\text{m}^3/\text{s}$, mùa lũ từ 500 đến 800 $\text{m}^3/\text{s}$, và đảm nhiệm phân lũ khẩn cấp tối đa 2.500 $\text{m}^3/\text{s}$. Trước yêu cầu cấp bách này, các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào giải pháp chỉnh trị hoặc thoát lũ cục bộ bằng mô hình 1D, 2D mà chưa xem xét toàn diện cơ sở thủy lực 3 chiều phân tầng và tương tác bồi xói để xác định vị trí cửa lấy nước thích hợp. Do đó, việc nghiên cứu đề xuất vị trí lấy nước hợp lý vào sông Đáy là một yêu cầu khoa học và thực tiễn cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung chính:

1. 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.
2. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Cửa lấy nước trên sông Hồng đoạn qua Hà Nội và hệ thống tiêu chí kỹ thuật 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 Km47+500 thuộc tuyến đê hữu sông Hồng (khu vực cửa vào sông Đáy).
• Phạm vi tài liệu và thời gian: Chuỗi số liệu địa hình, khí tượng, thủy văn và bùn cát thực đo trên lưu vực sông Hồng – Thái Bình và sông Đáy, tập trung kiểm định vào các năm kiệt điển hình (2001, 2003, 2003–2004) và các trận lũ lịch sử (1971, 1996, 2002).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Các công trình quốc tế đã tiếp cận vấn đề công trình lấy nước (CTLN) qua nhiều khía cạnh kỹ thuật:

• Phân loại công trình lấy nước: Avery, P. (1989) phân loại CTLN thành cống lấy nước bên cạnh (dòng vào vuông góc $90^\circ$ với dòng chính), cống chính diện (dòng vào song song dòng chính), cống có đập và cống không đập có điều tiết. GTZ (1989) phân loại theo cửa lấy nước bên hông (Lateral Intake) và cửa lấy nước đáy (Tyrolean/Bottom Intake). Abbasi (2003) phân tích cửa lấy nước có đập dâng và cửa lấy nước đáy cho vùng sông núi có độ dốc từ 1% đến 10%.
• Nghiên cứu diễn biến bồi lắng và mô hình hóa: và nnk (2002) khảo sát bồi lắng tại kênh dẫn trạm bơm ven sông ở Nam Phi. Mehdi Karami Moghadam (2010) dùng mô hình vật lý sông Ohio xác định kênh lấy nước hợp góc $30^\circ$ cho lưu lượng lớn nhất và bùn cát nhỏ nhất với số Froude từ 0,35 đến 0,4. S và nnk (1999) ứng dụng mô hình số trị 3D giải phương trình Navier-Stokes với mô hình rối Wilcox cho kênh chữ T. Moussa (2010) dùng mô hình CCHE2D đánh giá bồi lắng trạm bơm Rowd El-Farag. Elmoustafa (2011) dùng mô hình 2D RMA2 trên sông Nile ở Assuit với lưới chữ nhật $20\text{ m} \times 20\text{ m}$. Shahidan và nnk (2012) kết hợp HEC-RAS và CCHE2D trên sông Ijok (Malaysia). Ashari và nnk (2015) dùng phương pháp khối lượng hữu hạn (FVM) với mô hình rối $k\text{-}\varepsilon$ tiêu chuẩn và RNG. Martin (2015) dùng mô hình 2D tại British Columbia chỉ ra việc mở thêm cửa cống phụ làm tăng vận tốc dòng và giảm lắng đọng bùn cát. Các nghiên cứu chỉnh trị sông Rhine (2006) sau lũ năm 1993, 1995 cũng đề xuất hệ thống kè bờ kết hợp cảnh quan sinh thái.
• Xác định vị trí và góc lấy nước: Gango Schmid (2000) nghiên cứu các cửa lấy nước trên sông Río Mameyes, Miradero (sông Añasco), Fajardo, Blanco và chỉ ra vị trí tối ưu ở bờ lõm đoạn sông cong. Ali Akbar Salehi (2008) kiến nghị góc lấy nước từ $60^\circ$ đến $90^\circ$. Alireza Masjedi (2011) đề xuất góc $45^\circ$. Afrouza (2015) xác định góc thích hợp trên đoạn sông thẳng là $30^\circ \div 45^\circ$. Montaseri (2015) dùng mô hình Reynolds Stress trong phần mềm Fluent xác định góc lấy nước tối ưu từ $17^\circ$ đến $20^\circ$ (trong khoảng $15^\circ \div 30^\circ$).
• Giải pháp công trình nâng cao hiệu quả: Avery (1989), (1998) đề xuất giải pháp đẩy dòng chủ lưu ra xa bờ. Ma You guo (2001) ứng dụng bẫy cát và góc lấy nước $30^\circ \div 60^\circ$ trên sông Yili Hashi. Azade Jamshidi và nnk (2016) sử dụng các tấm lái phân dòng ngập nước với góc lệch $15^\circ, 20^\circ, 25^\circ, 30^\circ$, giúp tăng lưu lượng vào cống từ 30,72% đến 36,34%.

Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nhiều tổ chức và nhà khoa học đã triển khai các đề tài liên quan đến hệ thống sông Hồng và sông Đáy:

• Nghiên cứu bồi lắng và nâng cao hiệu quả lấy nước: Trung tâm Động lực sông – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2008–2009) điều tra 4 cống lớn trên sông Hồng (Thanh Điềm, Liên Mạc, Xuân Quan, Phù Sa) và cống Ấp Bắc trên sông Đáy, đề xuất tường chắn và quy trình lấy nước đầu lũ. Nguyễn Thọ Sáo (2005) dùng mô hình 1D tính toán thủy lực cửa cống. Phạm Đức Thắng (2010) dùng mô hình 3D đề xuất đập chắn cát 3 khoang 4 tầng cho cống Xuân Quan nhưng chỉ tính trong mùa lũ khi đóng cống. Nguyễn Quốc Dũng (2006) kết hợp mô hình EFDC và MIKE 11 nghiên cứu cống Xuân Quan. Nguyễn Hữu Huế (2013) dùng HEC-RAS đánh giá cống Liên Mạc 1 và Cẩm Đình. Dương Đức Tiến (2015) tính toán bể lắng cát kích thước $24\text{ m} \times 18,8\text{ m} \times 2\text{ m}$ cho trạm bơm Phù Sa bằng mô hình CRESS. Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội (2015) khảo sát 5 trạm bơm tưới lớn (Phù Sa, Đan Hoài, Xuân Phú, Ấp Bắc, Thanh Điềm) trên địa bàn 11 quận, huyện.
• Nghiên cứu thoát lũ và quy hoạch sông Đáy: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2001) so sánh 3 vị trí đặt cống Cẩm Đình (Hát Môn, Vân Phú, đầu kè Cẩm Đình). Viện Khí tượng Thủy văn (2001) đánh giá hệ thống phân lũ sông Đáy chỉ chuyển được $3.727\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ (đạt 74,5% thiết kế $5.000\text{ }\text{m}^3/\text{s}$), thực tế lũ năm 1971 qua đập Đáy chỉ đạt $2.300\text{ }\text{m}^3/\text{s}$. Vũ Tất Uyên (2001) tính toán các kịch bản thoát lũ cửa Đáy khi gặp triều cường và nước dâng bão cao 1,67 m. Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2001, 2003, 2005) đề xuất chỉnh trị các cụm Hải Bối – Cửa Dâu – Tầm Xá, Phú Gia – Tứ Liên, Bát Tràng và nâng khả năng thoát lũ sông Đáy lên $2.400\text{ }\text{m}^3/\text{s}$. Nguyễn Tuấn Anh và nnk (2002) thí nghiệm mô hình vật lý cụm Vân Cốc – Hát Môn. Đề tài KC-08/11 (2002–2004) dự báo xói lở bồi lắng đoạn Sơn Tây – Trung Hà – Bá Giang. HEC (2006) thiết kế cải tạo sông Đáy với $Q = 36\text{ }\text{m}^3/\text{s}$. Đoàn Thị Tuyết Nga (2007) dùng MIKE 11 và QUAL2E đánh giá chất lượng nước. Hà Văn Khối và nnk (2009) kiến nghị phân lũ sông Đáy tối đa $2.000\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ khi mực nước Hà Nội vượt +12,50 m và nạo vét lòng dẫn $B = 150\text{ m}, h = 6,5\text{ m}$ để dẫn $800\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ không ngập bãi. Viện Quy hoạch Thủy lợi (2009) đề xuất cống phân lũ mới tại Cẩm Đình $B = 88\text{ m}, Z_{\text{đ}} = +9,0\text{ m}, Q_{\max} = 2.500\text{ }\text{m}^3/\text{s}$, kênh dẫn rộng 150 m và lưu lượng kiệt $106\text{ }\text{m}^3/\text{s}$. Phạm Đình và nnk (2010) ứng dụng MIKE21 FM-ST mô phỏng xói bồi sau 5 năm tại Cẩm Đình. Lương Phương Hậu (2010) và Nguyễn Tiền Giang và nnk (2010) đánh giá các bậc thềm chỉnh trị thoát lũ. Phạm Thị Hương Lan (2012) áp dụng MIKE11ST và MIKE21FM nghiên cứu ổn định cửa vào sông Đáy theo Nghị định 04.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây còn tồn tại các hạn chế:

1. Đa số chỉ sử dụng mô hình 1 chiều (MIKE 11, HEC-RAS) hoặc 2 chiều (MIKE 21, CCHE2D) với lưới thô, không mô tả được dòng chảy phân tầng theo chiều sâu và cấu trúc hoàn lưu ba chiều tại khu vực phân lưu.
2. Mô hình 3D trước đây (Phạm Đức Thắng, 2010) chỉ xét trong mùa lũ khi cống đóng, chưa tính toán cho mùa kiệt khi cống mở lấy nước.
3. Chưa thiết lập một bộ tiêu chí khoa học định lượng kết hợp giữa thủy lực, hình thái sông và yêu cầu vận hành để định vị chính xác tuyến công trình lấy nước vừa đảm bảo cấp nước mùa kiệt, vừa đảm bảo phân thoát lũ an toàn.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

• Lý thuyết dòng phân tầng (dòng dị trọng): Tại khu vực cửa lấy nước bên sông, dòng chảy bị phân nhánh tạo ra gradien vận tốc và gradien nồng độ bùn cát theo phương thẳng đứng và phương ngang. Hệ phương trình cơ bản mô tả dòng chảy phân tầng gồm:
  • Phương trình chuyển động: Mô tả biến thiên động lượng của các lớp chất lưu có mật độ khác nhau dưới tác dụng của trọng lực, gradien áp suất và ứng suất nhớt ma sát.
  • Phương trình liên tục: Bảo toàn khối lượng cho từng pha lỏng và pha bùn cát.
  • Phương trình hoàn lưu của dòng phân tầng: Xác định cấu trúc dòng chảy xoắn ốc (vorticity) tại vùng phân lưu và đoạn sông cong, giải thích sự dịch chuyển của lớp bùn cát đáy về phía cửa lấy nước.
• Khung phân tích lựa chọn mô hình toán: Sử dụng mô hình toán thủy động lực học ba chiều phi cấu trúc (MIKE 3FM) kết hợp mô hình một chiều mạng lưới sông (MIKE 11). Mô hình 3D giải hệ phương trình Navier-Stokes 3 chiều lớp nước nông phân tầng theo phương thẳng đứng bằng phương pháp thể tích hữu hạn, cho phép mô phỏng chi tiết trường vận tốc và nồng độ bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy tại vùng cửa vào.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp khoa học:

• Phương pháp tiếp cận hệ thống và khảo sát thực địa: Thu thập tài liệu địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn đoạn sông Hồng qua Hà Nội; điều tra đo đạc thực tế tình trạng bồi lắng kênh Cẩm Đình – Hiệp Thuận năm 2014 và hiện trạng vận hành các cống Liên Mạc, Xuân Quan, Phù Sa.
• Phương pháp thống kê: Xử lý chuỗi số liệu mực nước, lưu lượng, hàm lượng bùn cát mùa kiệt và mùa lũ qua nhiều năm; thống kê số đợt chảy ngược và thiếu hụt cột nước tại các công trình lấy nước.
• Phương pháp mô hình toán:
  • Thiết lập mô hình MIKE 11 mô phỏng mạng thủy lực và vận chuyển bùn cát mùa kiệt/mùa lũ cho toàn hệ thống sông Hồng – sông Thái Bình để tạo số liệu biên lưu lượng và mực nước.
  • Thiết lập mô hình MIKE 3FM trên lưới phi cấu trúc linh hoạt (Flexible Mesh) gồm các phần tử tam giác và tứ giác, chia nhiều lớp theo chiều sâu dòng chảy cho đoạn sông Hồng 27 km.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với số liệu thực đo: lũ năm 1996, lũ năm 2002; mùa kiệt năm 2001, mùa kiệt năm 2003 và thời đoạn 2003–2004 tại các trạm Thượng Cát, Hà Nội và mặt cắt MC-1.
• Phương pháp chuyên gia: Trao đổi, tiếp thu ý kiến chuyên môn của các chuyên gia Viện DHI – Đại học Công nghệ Nanyang (NTU, Singapore) và Trường Đại học Thủy lợi trong việc thiết lập mô hình 3D và xây dựng bộ tiêu chí kỹ thuật.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

• Tài liệu địa hình lòng dẫn sông Hồng đoạn Km30 ÷ Km47+500, bình đồ địa hình cụm công trình đầu mối Cẩm Đình – Hiệp Thuận.
• Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn của 13 trạm khí tượng, 36 trạm đo mưa và các trạm thủy văn Thượng Cát, Hà Nội, Sơn Tây, Ba Thá, Phủ Lý.
• Tài liệu kỹ thuật, hồ sơ hoàn công và quy trình vận hành cống Liên Mạc, Xuân Quan, Cẩm Đình, Hiệp Thuận, trạm bơm Phù Sa.

---

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này tổng kết có hệ thống các nghiên cứu trong và ngoài nước về CTLN trên sông, đồng thời phân tích chi tiết điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu:

• Đặc điểm lưu vực sông Đáy: Lưu vực có diện tích khoảng $5.000\text{ }\text{km}^2$, trải dài trên 6 tỉnh, thành phố (Hà Nội, Hòa Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hóa). Hướng dốc địa hình từ Tây Bắc xuống Đông Nam: cao trình thượng nguồn Hát Môn dao động $+3,0 \div +10,0\text{ m}$, hạ lưu Như Tân $+0,3 \div +5,0\text{ m}$. Đê tràn Vân Cốc có cao trình $+15,0 \div +17,3\text{ m}$; mặt đê Ngọc Tảo tại K2 đạt $+17,0\text{ m}$, đáy Vực Sanh sâu $-2,0\text{ m}$.
• Địa chất, địa mạo và thủy văn: Trầm tích lòng sông chủ yếu là cát mịn đến hạt thô, đường kính hạt trung bình đoạn Sơn Tây là $d_{50} = 0,029\text{ mm}$. Tầng chứa nước ngầm có hệ số thấm lớn $K = 5 \cdot 10^{-3}\text{ cm/s}$, mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu $4,5 \div 6,5\text{ m}$. Khí hậu nhiệt đới gió mùa: nhiệt độ trung bình năm $23,3^\circ\text{C} \div 23,5^\circ\text{C}$; lượng mưa mùa hạ chiếm 80% tổng lượng cả năm; mưa 1 ngày lớn nhất đạt $300 \div 550\text{ mm}$, 3 ngày lớn nhất đạt $450 \div 770\text{ mm}$, 5 ngày lớn nhất đạt $500 \div 836\text{ mm}$.
• Hiện trạng cụm công trình Cẩm Đình – Hiệp Thuận:
  • Cống Cẩm Đình: Cống hở 2 tầng bằng bê tông cốt thép, dài 24 m, gồm 2 khoang lấy nước kích thước $b \times h = 6\text{ m} \times 5\text{ m}$ và 1 khoang thông thuyền rộng $B = 8\text{ m}$. Tầng dưới lấy nước mùa kiệt có cao trình ngưỡng $+3,0\text{ m}$; tầng trên lấy nước mùa lũ có cao trình ngưỡng $+9,5\text{ m}$.
  • Cống Hiệp Thuận: Gồm 2 khoang lấy nước $6\text{ m} \times 5\text{ m}$ và 1 khoang thuyền $B = 8\text{ m}$, cao trình ngưỡng $+2,0\text{ m}$, chiều dài thân cống 36 m, rộng móng 28 m.
  • Kênh dẫn Cẩm Đình – Hiệp Thuận: Dài 11.295 m, mặt cắt hình thang, đáy rộng $B = 22\text{ m}$, cao trình đáy đầu kênh $+3,0\text{ m}$, cuối kênh $+2,0\text{ m}$, lưu lượng thiết kế $Q = 36,24\text{ }\text{m}^3/\text{s}$.
  • Thực trạng bồi lắng: Kênh dẫn thượng lưu cống Cẩm Đình dài 700 m bị bồi lắng trung bình 1,03 m (khảo sát năm 2014), cống hầu như không thể vận hành tự chảy trong mùa kiệt.

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

Chương 2 tập trung đánh giá nguyên nhân suy giảm khả năng lấy nước của các cống hiện có dọc sông Hồng và thiết lập cơ sở lý thuyết cùng bộ tiêu chí xác định vị trí CTLN:

• Đánh giá các cống hiện trạng trên địa bàn Hà Nội:
  • Cống Liên Mạc: Nằm tại K53+400 đê hữu sông Hồng, gồm 4 cửa rộng 3 m và 1 cửa âu 6 m, cao trình đáy $+1,0\text{ m}$, $Q_{\text{TK}} = 36,25\text{ }\text{m}^3/\text{s}$, phục vụ tưới 61.000 ha. Mực nước thiết kế tưới thượng lưu $+3,77\text{ m}$, nhưng từ năm 2001 đến 2013 mực nước mùa kiệt thường xuyên thấp hơn thiết kế từ 0,6 đến 1,5 m. Do góc lấy nước quá lớn (khoảng $120^\circ$) và xuất hiện bãi bồi trước cửa, cống bị bồi lấp và xảy ra hiện tượng nước chảy ngược từ sông Nhuệ ra sông Hồng (56 đợt năm 2011).
  • Cống Xuân Quan: Nằm tại bờ tả sông Hồng, gồm 4 cửa $3,5\text{ m}$ và 1 âu $5\text{ m}$, cao trình đáy $-1,0\text{ m}$, $Q_{\text{TK}} = 75\text{ }\text{m}^3/\text{s}$, lấy nước cho hệ thống Bắc Hưng Hải.
  • Trạm bơm Phù Sa: Bị bồi lắng mạnh tại bể hút và kênh dẫn do vận tốc dòng chảy $0,5 \div 1,0\text{ m/s}$ mang theo hàm lượng cát lớn.
• Bộ tiêu chí kỹ thuật lựa chọn vị trí cửa lấy nước: Tác giả đề xuất bộ tiêu chí định lượng làm cơ sở so chọn vị trí công trình:

Nhóm tiêu chí	Các thông số kỹ thuật và yêu cầu cụ thể
Vị trí hình thái sông	Đặt tại bờ lõm của đoạn sông cong ổn định, nơi có dòng chủ lưu áp sát bờ, tránh bãi bồi di động và vùng xoáy lắng đọng bùn cát.
Góc lấy nước ($\alpha$)	Góc hợp bởi trục kênh dẫn và phương dòng chảy sông chính tối ưu trong khoảng $30^\circ \div 60^\circ$ (tránh các góc tù $>90^\circ$ gây tách dòng).
Cao trình ngưỡng cống	Thấp hơn mực nước kiệt thiết kế tối thiểu để đảm bảo khả năng lấy nước tự chảy $Q = 30 \div 100\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ mà không bị bồi lấp ngưỡng.
Kích thước kênh dẫn	Chiều rộng đáy kênh $B$ và chiều dài kênh dẫn $L$ phải đảm bảo duy trì vận tốc không gây xói lở bờ kênh nhưng đủ lớn để không lắng đọng bùn cát lơ lửng.
Yêu cầu thoát lũ	Đảm bảo khả năng phân lưu thoát lũ từ $500 \div 800\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ (mùa lũ thường) đến $2.500\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ (phân lũ khẩn cấp) không gây ngập úng thượng lưu.

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

Chương 3 trình bày việc thiết lập mô hình, mô phỏng các kịch bản và đề xuất vị trí tối ưu cho cửa lấy nước sông Đáy:

• Thiết lập và kiểm định mô hình MIKE 3FM:
  • Miền tính toán gồm 27 km sông Hồng qua cửa Đáy, chia lưới tam giác/tứ giác mịn tại khu vực công trình và kênh dẫn.
  • Biên lưu lượng và mực nước được trích xuất từ mô hình mạng thủy lực MIKE 11 toàn hệ thống.
  • Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực với trận lũ 1996 và kiểm định với trận lũ 2002; hiệu chỉnh mùa kiệt 2001 và kiểm định mùa kiệt 2003, chuỗi 5 tháng mùa kiệt 2003–2004 (từ 1/12 đến 30/4 năm sau) cho thấy tương quan rất sát giữa mực nước, lưu lượng và lưu lượng bùn cát tính toán so với thực đo tại trạm Thượng Cát, Hà Nội và mặt cắt MC-1.

Thời đoạn tính toán	Loại hình dòng chảy	Trạm / Vị trí kiểm tra	Kết quả đánh giá mô hình
Lũ năm 1996	Dòng lũ lớn	Thượng Cát, Hà Nội, MC-1	Hiệu chỉnh thông số thủy lực và lưu lượng bùn cát
Lũ năm 2002	Dòng lũ kiểm định	Thượng Cát, Hà Nội, MC-1	Kiểm định thông số vận chuyển bùn cát và mực nước
Kiệt 2001	Dòng chảy kiệt	Thượng Cát, Hà Nội	Hiệu chỉnh mực nước và lưu lượng kiệt
Kiệt 2003	Dòng chảy kiệt	Thượng Cát, Hà Nội	Kiểm định chế độ thủy lực kiệt
Kiệt 2003–2004 (1/12–30/4)	5 tháng kiệt liên tục	Cửa cống Cẩm Đình	Đánh giá khả năng lấy nước và bồi xói lòng dẫn

• Mô phỏng các kịch bản vị trí lấy nước: Luận án tính toán so sánh 3 vị trí công trình:
  • Vị trí 1 (Cẩm Đình hiện trạng): Cửa cống nằm trong vùng nước quẩn và bãi bồi phát triển mạnh, lưu lượng lấy vào trong 5 tháng mùa kiệt 2003–2004 không đạt yêu cầu thiết kế $30\text{ }\text{m}^3/\text{s}$, kênh dẫn bị bồi lắng sâu.
  • Vị trí 2 (Cẩm Đình mới – dịch về hạ lưu 600 m): Cửa lấy nước đặt tại vị trí bờ lõm có động lực dòng chảy thuận lợi, dòng chủ lưu áp sát mép bờ. Khi mở cống lấy nước với các cấp lưu lượng $Q = 30\text{ }\text{m}^3/\text{s}, 100\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ (mùa kiệt) và $Q = 450\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ kết hợp sông Tích $60\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ (mùa lũ), phân bố trường vận tốc đồng đều, giảm thiểu lắng đọng phù sa trước cửa vào và duy trì ổn định lòng dẫn kênh dẫn.
  • Vị trí 3 (phương án so sánh hạ lưu khác): Điều kiện địa chất và nối tiếp kênh dẫn kém thuận lợi hơn vị trí 2.
• Đề xuất vị trí và giải pháp công trình:
  • Luận án kiến nghị lựa chọn Vị trí 2 (cách cống Cẩm Đình cũ 600 m về phía hạ lưu) là vị trí hợp lý nhất để xây dựng cụm công trình đầu mối lấy nước sông Đáy.
  • Giải pháp công trình bổ trợ: Xây dựng tuyến cống mới kết hợp âu thuyền; hạ thấp cao trình đáy kênh dẫn; nạo vét lòng dẫn kênh Cẩm Đình – Hiệp Thuận đạt bề rộng $B = 150\text{ m}$; xây dựng hệ thống kè hướng dòng tại bờ hữu sông Hồng để ổn định luồng chủ lưu.
  • Giải pháp phi công trình: Phối hợp quy trình vận hành liên hồ chứa thượng nguồn (Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang) xả tăng cường lưu lượng trong các đợt đổ ải vụ Đông Xuân; lập kế hoạch nạo vét định kỳ bùn cát trước mùa kiệt.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Thiết lập cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy ba chiều phân tầng (dòng dị trọng) và hoàn lưu ngang tại khu vực cửa lấy nước bên sông chịu ảnh hưởng của bồi lắng bùn cát.
2. Xây dựng bộ tiêu chí khoa học định lượng (gồm hình thái sông, góc lấy nước, cao trình ngưỡng, kích thước kênh dẫn và tương quan thủy lực bùn cát) phục vụ công tác quy hoạch và thiết kế các công trình lấy nước trên sông đồng bằng có chế độ mực nước biến đổi mạnh.
3. Ứng dụng thành công chuỗi mô hình tích hợp 1D (MIKE 11) và 3D phi cấu trúc (MIKE 3FM) trong việc mô phỏng chi tiết trường vận tốc ba chiều và diễn biến bồi xói đáy sông vùng phân lưu cửa Đáy.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Làm rõ nguyên nhân gây bồi lắng nghiêm trọng và mất khả năng lấy nước mùa kiệt của cống Cẩm Đình hiện trạng (do góc lấy nước không phù hợp, đặt trong vùng bãi bồi và dòng chủ lưu lệch xa bờ).
2. Đề xuất vị trí hợp lý để xây dựng cửa lấy nước mới vào sông Đáy (tại Vị trí 2, cách cống cũ 600 m về phía hạ lưu), đáp ứng yêu cầu cấp nước thường xuyên mùa kiệt ($30 \div 100\text{ }\text{m}^3/\text{s}$), mùa lũ ($500 \div 800\text{ }\text{m}^3/\text{s}$) và đảm bảo an toàn phân lũ tối đa $2.500\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ theo Nghị định 04/2011/NĐ-CP.
3. Đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ nhằm nâng cao hiệu quả lấy nước mùa kiệt và tăng cường năng lực thoát lũ cho cụm công trình đầu mối sông Đáy.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của luận án:
  • Phạm vi mô hình 3D chi tiết tập trung chủ yếu trên đoạn sông Hồng dài 27 km (Km30 đến Km47+500), chưa mở rộng mô phỏng 3 chiều cho toàn bộ chiều dài sông Đáy đến Ba Thá và Phủ Lý.
  • Tài liệu đo đạc thực tế về phân bố độ đục và hàm lượng bùn cát lơ lửng theo các tầng độ sâu trong các đợt kiệt còn hạn chế, chủ yếu dựa vào số liệu quan trắc tại các trạm thủy văn chính.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Nghiên cứu chi tiết hơn về kết cấu công trình chỉnh trị ngầm và ngưỡng chắn cát phân tầng tại cửa vào cống mới để kiểm soát bùn cát đáy xâm nhập vào kênh dẫn.
  • Cập nhật kịch bản vận hành liên hồ chứa thượng nguồn sông Hồng theo các quy trình vận hành liên hồ mới nhất để tối ưu hóa thời gian mở cống lấy nước.

---

Giá trị tham khảo

Kết quả nghiên cứu của luận án có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng và lĩnh vực chuyên môn:

• Cơ quan quản lý và quy hoạch (Bộ Nông nghiệp và PTNT, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Sở NN&PTNT Hà Nội): Sử dụng các số liệu tính toán và vị trí đề xuất để lập dự án đầu tư xây dựng, cải tạo cụm công trình đầu mối Hát Môn – Đập Đáy và nạo vét lòng dẫn sông Đáy theo Nghị định 04/2011/NĐ-CP.
• Đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Tham khảo bộ tiêu chí kỹ thuật và phương pháp xác định góc lấy nước, cao trình ngưỡng và mặt cắt kênh dẫn để áp dụng cho các dự án công trình lấy nước dọc hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình và các sông đồng bằng khác.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Thủy văn, Kỹ thuật tài nguyên nước, Xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp luận ứng dụng mô hình số trị 3 chiều MIKE 3FM kết hợp mô hình 1 chiều MIKE 11 trong việc giải quyết các bài toán thủy động lực học sông ngòi phức tạp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cống Cẩm Đình hiện trạng không lấy được nước trong mùa kiệt?

Cống Cẩm Đình được thiết kế với lưu lượng kiệt $Q_{\text{TK}} = 36,24\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ và cao trình ngưỡng đáy tầng kiệt $+3,0\text{ m}$. Tuy nhiên, mực nước sông Hồng trong mùa kiệt những năm gần đây hạ thấp sâu (năm 2010 tại Hà Nội xuống tới $+0,1\text{ m}$), khiến cột nước trước cống không đủ để tự chảy. Thêm vào đó, vị trí cống hiện trạng nằm ở vùng dòng chảy có xu thế tách xa bờ, tạo bãi bồi lắng đọng phù sa trước cửa vào; kết quả khảo sát năm 2014 cho thấy kênh thượng lưu cống bị bồi cao trung bình 1,03 m, làm tắc nghẽn luồng dẫn nước.

2. Nghị định số 04/2011/NĐ-CP của Chính phủ quy định các chỉ tiêu cấp nước và phân lũ vào sông Đáy như thế nào?

Nghị định quy định việc xóa bỏ khu phân chậm lũ trên lưu vực sông Đáy và cải tạo lòng dẫn để chủ động đưa nước thường xuyên từ sông Hồng vào sông Đáy với các mức lưu lượng:

• Mùa kiệt: từ $30\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ đến $100\text{ }\text{m}^3/\text{s}$.
• Mùa lũ: từ $500\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ đến $800\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ (lưu lượng thường xuyên).
• Phân lũ khẩn cấp: sử dụng sông Đáy làm cầu chì chuyển lưu lượng tối đa $2.500\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ từ sông Hồng sang sông Đáy để bảo vệ an toàn cho thủ đô Hà Nội khi mực nước sông Hồng vượt mức thiết kế.

3. Vị trí cửa lấy nước mới được luận án đề xuất nằm ở đâu và có ưu điểm gì so với vị trí cũ?

Luận án đề xuất xây dựng cửa lấy nước tại Vị trí 2, cách vị trí cống Cẩm Đình cũ khoảng 600 m về phía hạ lưu. Vị trí này nằm sát bờ lõm của đoạn sông cong ổn định, nơi có dòng chủ lưu áp sát bờ hữu, vận tốc dòng chảy lớn giúp hạn chế bồi lắng phù sa trước cửa cống, đảm bảo điều kiện lấy đủ lưu lượng mùa kiệt $30 \div 100\text{ }\text{m}^3/\text{s}$ và thuận lợi cho việc kết nối tuyến phân lũ mùa lũ.

4. Luận án đã sử dụng những mô hình toán nào và kiểm định trên chuỗi số liệu thủy văn nào?

Luận án sử dụng mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11 để mô phỏng toàn mạng lưới sông Hồng – Thái Bình nhằm cung cấp số liệu biên, kết hợp mô hình 3 chiều phi cấu trúc MIKE 3FM để tính toán thủy động lực và bùn cát chi tiết trên đoạn sông Hồng 27 km qua cửa Đáy. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định qua số liệu thực đo của các trận lũ năm 1996, 2002 và các mùa kiệt năm 2001, 2003, chuỗi kiệt 5 tháng liên tục 2003–2004 (từ 1/12 đến 30/4 năm sau).

5. Hiện tượng nước chảy ngược tại cống Liên Mạc được luận án ghi nhận có diễn biến ra sao?

Tại cống Liên Mạc (K53+400 đê hữu sông Hồng), do mực nước sông Hồng hạ thấp sâu và góc lấy nước của cống quá lớn (khoảng $120^\circ$), cống không thể lấy nước tự chảy mà còn xuất hiện hiện tượng nước chảy ngược từ sông Nhuệ ra sông Hồng: năm 2009 có 2 đợt, năm 2010 có 1 đợt và năm 2011 xuất hiện 56 đợt chảy ngược liên tục vào các tháng đầu năm, làm mất hoàn toàn khả năng cấp nước tưới cho 61.000 ha đất canh tác.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Khắc Thạc đã giải quyết thành công bài toán khoa học và thực tiễn về xác định vị trí cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy trên cơ sở ứng dụng lý thuyết dòng phân tầng và mô hình số trị ba chiều MIKE 3FM kết hợp MIKE 11. Công trình đã làm rõ nguyên nhân bồi lấp, mất khả năng cấp nước của cống Cẩm Đình hiện trạng, đồng thời đề xuất vị trí xây dựng công trình lấy nước mới cách vị trí cũ 600 m về phía hạ lưu cùng bộ tiêu chí kỹ thuật định lượng có độ tin cậy cao. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học quan trọng phục vụ trực tiếp cho việc thực hiện Nghị định 04/2011/NĐ-CP nhằm khôi phục dòng chảy sông Đáy, bảo đảm an ninh nguồn nước mùa kiệt và an toàn phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng và thủ đô Hà Nội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. Cụ thể các nội dung nghiên cứu của các nhà khoa học này tập trung vào các vấn đề sau: 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.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 - (2) Phương pháp công thức kinh nghiệm: Từ những số liệu thực tế đo đạc hiện trường và trong phòng thí nghiệm thiết lập các công thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm để sử dụng các công thức kinh nghiệm để tính toán diễn biến lòng dẫn.

Phương pháp này đơn giản nhưng áp dụng cho từng trường hợp cụ thể. - (3) Phương pháp mô hình vật lý: Mô phỏng thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong một khu vực có trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên nhiên theo các định luật tương tự để quan sát, đo đạc và từ các số liệu đo đạc tìm ra quy luật diễn biến của đoạn sông. Phương pháp mô hình vật lý có hạn chế là rất khó thỏa mãn các điều kiện tương tự, nhất là các điều kiện tương tự về bùn cát nên có thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình, đặc biệt trong điều kiện nước ta các nghiên cứu mới dừng ở mức mô phỏng xu thế diễn biến, chưa lượng hóa được diễn biến vận chuyển và bồi lắng bùn cát đặc biệt khu vực cửa lấy nước như thế nào. Mặt khác chi phí xây dựng mô hình vật lý rất lớn, khó đáp ứng trong điều kiện của Việt Nam, đặc biệt trong nghiên cứu thực hiện luận án.

- (4) Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình toán mô tả quy luật của dòng chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện biên, điều kiện ban đầu hợp lý, tìm các lời giải giải tích, lời giải số trị cho các vấn đề nghiên cứu. Phương pháp này, với sự giúp đỡ của máy tính điện tử đã cho phép mô tả những gì xảy ra trong quá khứ, những gì xảy ra trong tương lai với những điều kiện thay đổi theo các kịch bản khác nhau, nhưng phương pháp này chỉ có độ tin cậy khi số liệu đầu vào phải có đủ độ tin cậy. và nnk (2002)[5] đã nghiên cứu điều tra thực địa, đánh giá bồi lắng bùn cát tại các kênh dẫn nước vào các trạm bơm lấy nước ven sông ở vùng South Africa, nơi việc lấy nước từ sông gặp nhiều trở ngại do vấn đề bồi lắng, do các kênh dẫn nước thường nhỏ hơn sông rất nhiều lần. Việc đưa ra các giải pháp giảm thiểu bồi lắng tại cửa hút cho các trạm bơm là cần thiết.

Mehdi Karami Moghadam(2010)[6] đã nghiên cứu chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát của sông Ohio ảnh hưởng đến cống lấy nước trên cơ sở sử dụng mô hình vật lý.Trong nghiên cứu này, kênh lấy nước hợp với kênh chính một góc 30 o sẽ 10 cho kết quả tốt nhất về việc lấy nước với lưu lượng lớn nhất và hàm lượng bùn cát là nhỏ nhất. Tuy nhiên nghiên cứu hạn chế cho tính toán với dòng chảy có hệ số Froude từ 0,35 đến 0,4 và không tính toán cho dòng chảy kiệt.S và nnk(1999)[7] đã sử dụng mô hình số trị 3D để mô phỏng dòng chảy đoạn ngay cửa vào cống lấy nước. Sử dụng phương trình Navier-Stokes trong đó xem xét hệ số Reynolds trung bình với mô hình rối của Wilcox, trong đó xem xét dòng chảy tại kênh hở chữ T. Moussa (2010) [8]áp dụng mô hình 2-D (CCHE2D) phân tích và giải quyết vấn đề bồi lắng tại của lấy nước của trạm bơm Rowd El-Farag.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có sự thay đổi về mặt hình thái theothời gian do lượng bùn cát bị bồi lắng tại khu vực cửa lấy nước vào trạm bơm. Phương trình được giải theo phương pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả cho thấy giá trị lưu lượng vào kênh dẫn CTLN phụ thuộc vào chiều dài và chiều rộng của kênh dẫn lấy nước. Elmoustafa (2011) [10]đã sử dụng mô hình thủy lực 2-D (RMA2) để đánh giá vị trí lấy nước thích hợp bên bờ Tây sông Nile ở Assuit.

Tuy nhiên, mô hình mô phỏng theo lưới chữ nhật với độ phân giải thô 20x20m, vì vậy không mô phỏng chi tiết được công trình lấy nước như nào trong mô hình. Shahidanvà nnk (2012)[11] đã nghiên cứu ứng dụng mô hình HEC-RAS và mô hình CCHE2D để mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước Ijok trên sông Ijok của Malaysia. Kết quả từ mô hình HEC-RAS đã được sử dụng như là đầu vào cho mô hình CCHE2D.Kết quả cho thấy lưu lượng dòng chảy ảnh hưởng đến phân phối và sự tích tụ trầm tích khu vực nghiên cứu.Vận tốc dòng chảy ở phía trước của cửa lấy nước nhỏ có thể góp phần tích tụ bùn cát và gây nên những bãi bồi trước cửa lấy nước, làm giảm khả năng lấy nước của kênh dẫn.Asharivà nnk(2015)[12] đã tính toán phân bố vận tốc tại cửa lấy nước theo phương pháp khối lượng hữu hạn, kết quả so sánh với thí nghiệm là khá hợp lý.Dòng chảy được mô phỏng trong kênh hình chữ nhật và phương trình Navier-Stokes được giải bằng phương pháp khối lượng hữu hạn (FVM).Các tính toán dòng chảy đã được thực hiện trong mô hình ba chiều bằng cách sử dụng K-ε-RNG và các mô hình rối K-ε- tiêu chuẩn. Martin (2015)đã xây dựng mô hình thủy động lực học 2D tính toán chế độ dòng chảy tại khu vực cửa vào cửa lấy nước ở British Columbia.

Các kết quả của nghiên cứu mô hình số 2D này cho thấy nếu bổ sung một cửa cống thứ hai ở phía cuối của đập dẫn dòng có thể tăng vận tốc ở vị trí cửa vào cống lấy nước, tăng cường sự vận chuyển bùn cát ở khu vực đó. Khi cả hai phía bắc và phía nam cống được mở, vận tốc ở khu vực phía nam của cửa lấy nước tăng lên nhiều so với mô hình hiện trạng. (2006):Đã có những nghiên cứu về diễn biến lòng dẫn và các giải pháp chỉnh trị ổn định lòng dẫn trên sông Rhine. Sông Rhine dài 3200km và có diện tích lưu vực là 185.

Có rất nhiều các biện pháp kiểm soát lũ, tăng khả năng thoát lũ được thực hiện như xây dựng hệ thống đê, nạo vét lòng dẫn tăng khả năng thoát lũ, các công trình thoát lũ thông qua việc tạo dòng mới ở phía thượng lưu.