Nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Hồng và đề xuất giải pháp ổn định khu vực cửa vào sông Đáy

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Hồng qua cửa Đáy; Xây dựng mô hình toán sử dụng phần mềm MIKE21 FM-ST là mô hình 2D lòng động làm công cụ nghiên cứu, đề xuất và đánh giá hiệu quả giải pháp chỉnh trị ổn định đoạn sông Hồng qua cửa Đáy.

1.  GIỚI THIỆU CHUNG

Trước năm 1934, sông Đáy là phân lưu tự nhiên của sông Hồng. Giai đoạn từ 1934 đến 1937 người Pháp xây dựng đập Đáy ngăn dòng sông tự nhiên này. Từ đó đập Đáy chỉ được mở khi lũ sông Hồng lớn để phân lũ vào sông Đáy nhằm hạ thấp mực nước sông Hồng tại Thủ đô Hà nội. Khi có đập Đáy, sông Đáy không còn là một dòng sông tự nhiên nữa. Lượng nước mùa kiệt của sông Đáy rất thiếu không đủ cung cấp cho các yêu cầu dùng nước, cho sản xuất nông nghiệp của các tỉnh ven sông như Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình. Vì chỉ có chức năng phân lũ nên đập Đáy chỉ được mở khi lũ sông Hồng dâng cao vượt quá 13,10m.

Trước khi có các hồ Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang, phân lũ vào sông Đáy đảm bảo an toàn cho Hà Nội là điều bắt buộc. Sau khi có các hồ điều tiết, nhiệm vụ cắt lũ của sông Đáy cần được điều chỉnh lại. Từ năm 2004, Bộ NN&PTNT đã thực hiện dự án cải tạo lại cửa vào và lòng sông Đáy. Mục tiêu của dự án là cung cấp thêm một lượng dòng chảy vào sông về mùa kiệt, làm sống lại các đoạn sông Đáy và vẫn duy trì chức năng phân lũ công trình đập Đáy. Hạng mục chính của dự án là: cống lấy nước Cẩm Đình (mới) và các hạng mục khác như: kênh dẫn thượng lưu từ sông Hồng tới cống và kênh dẫn từ cống Cẩm Đình (mới) tới Hiệp Thuận (bên cạnh Đập Đáy) để cấp nước mùa kiệt có lưu lượng 36 m3/s.

Cần giải quyết hai vấn đề chính của sông Đáy là: ổn định dòng chảy trong lòng dẫn sông Đáy và ổn định cửa vào sông Đáy. Trong khuôn khổ bài viết này sẽ tập trung đến vấn đề ổn định cửa vào sông Đáy, vị trí này nằm trên sông Hồng và không đề cập đến vấn đề ổn định lòng dẫn sông Đáy. Bài báo này trình bày tóm tắt kết quả đề tài "Nghiên cứu biến động lòng dẫn sông Hồng và đề xuất các giải pháp ổn định khu vực cửa vào sông Đáy mới được tái lập"

2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1. Nghiên cứu diễn biến lịch sử lòng dẫn sông Hồng qua cửa Đáy

2.1.1. Biến hình ngang

Diễn biến sông tại một vị trí cục bộ có liên quan chặt chẽ đến biến động chung của cả đoạn sông. Để nghiên cứu đoạn sông Hồng tại khu vực cửa Đáy, cần thiết phải xem xét cả đoạn sông dài từ Sơn Tây qua Bá Giang tới Liên Mạc [2][3]:

Năm 1962, 1963: Lòng sông xói sâu vào bãi Trung Hà - huyện Vĩnh Lạc hình thành đỉnh cong thứ nhất phía bờ trái, đỉnh cong thứ hai chuyển qua bờ phải tại đầu bãi Bá Giang còn đỉnh cong thứ ba lại chuyển sang bờ trái gần Văn Quán.

Năm 1964: Đã xảy ra hiện tượng cắt cong, lòng sông chảy thẳng hơn. Từ Vân Cốc qua Trung Hà đến Đan Hoài chỉ còn duy nhất một đỉnh cong.

Ngay sau khi bị cắt thẳng, bắt đầu vào các năm 1966, 1967 trở đi quá trình lòng sông uốn cong lại bắt đầu, bãi Trung Hà lại bị xói theo quy luật uốn cong hình sin và dần dần tạo lại hình cong đầu tại phía bãi Trung Hà. Điều này là hợp qui luật bởi vì dạng lòng sông dài chỉ với một đỉnh cong thường là dạng không ổn định, không thể tồn tại lâu.

 Khoảng năm 1980, 1981: Bờ lõm phía bãi Trung Hà tiếp tục bị xói và lòng sông càng cong hơn, dạng lòng sông gần như năm 1962-1963 với 3 đỉnh cong ở Trung Hà, Bá Giang và Văn Quán [3].

Theo các số liệu lịch sử từ năm 1945 trở lại đây đã xảy ra 3 lần cắt cong. Lần đầu khoảng năm 1945, lần thứ 2 vào năm 1964 và lần thứ 3 vào năm 1989, 1990. Từ năm 1965 đến 1988 là một chu kỳ uốn cong, cắt thẳng. Một chu kỳ uốn cong mới bắt đầu từ năm 1989 đến năm 1997. Như vậy, mỗi chu kỳ vận động lòng sông trên đoạn sông Sơn Tây – Liên Mạc kéo dài khoảng 20-25 năm.

Tại vị trí cửa Cẩm Đình dẫn nước vào sông Đáy, theo phân tích diễn biến mặt cắt ngang sông Hồng các năm 1976, 1991, 1996, 2000 và 2003 nhận thấy lạch sâu dao động trong khoảng cao độ từ +2m đến -2,5m, lạch sâu phần lớn nằm phía cửa lấy nước bờ hữu (1976, 1991, 1996 và 2000), chỉ có năm 2003 lạch sâu nằm phía bờ tả đối diện gây bất lợi cho cửa lấy nước. Như vậy ở cao độ ≥+2m sẽ ít bị bồi.

2.1.2. Mực nước mùa kiệt hạ thấp

Để đưa nước thường xuyên vào sông Đáy phục vụ cấp nước cho giao thông, du lịch và cải tạo môi trường theo tài liệu của Viện Quy hoạch Thuỷ lợi cần: Lưu lượng mùa kiệt là 106m3/s, mực nước tần suất 85% đầu kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận là 4,22m, cao độ đáy kênh là +2m (suy ra độ sâu dòng chảy là 2,22m). Theo tiêu chuẩn lấy nước mùa kiệt 85%, mực nước tại Hà Nội 2,15m, nếu tính từ độ dốc chênh lệch mực nước giữa Hà Nội và Cẩm Đình giao động trong khoảng 2,07m÷2,53m mực nước tại cửa kênh khoảng 4,22m÷4,68m; với độ sâu 2,22m cao độ đáy kênh + 2m÷2,46m.

Mực nước mùa kiệt hạ thấp có khả năng do xói sâu lòng dẫn. Ở những năm kiệt lịch sử như năm 2009 (200 năm) thể hiện ở Hình 1a và 1b: mực nước Hà Nội có thời điểm là 0,76m suy ra mực nước tại cửa Cẩm Đình - Hiệp Thuận khoảng 2,83m÷3,29m. Với trường hợp chọn đáy kênh bằng +2m thì vẫn có dòng chảy vào kênh, do đó cửa lấy nước Cẩm Đình - Hiệp Thuận có cao độ đáy kênh bằng +2m là hợp lý.

2.2. Đề xuất giải pháp chỉnh trị ổn định đoạn sông Hồng qua cửa Đáy

2.2.1. Tuyến chỉnh trị trên đoạn Sơn Tây-Trung Hà - Bá Giang [3]

Trên cơ sở quy luật vận động của lòng sông, các yêu cầu khai thác đoạn sông, ngay từ năm 1975 Cục đê điều và sau này Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam đã đề xuất tuyến chỉnh trị đoạn sông Sơn Tây - Trung Hà - Bá Giang. Về cơ bản, tuyến chỉnh trị được chọn gần giống tuyến lòng sông năm 1972, 1973 và tuyến lòng sông năm 1994, 1995. Tuyến chỉnh trị sông của đề tài sẽ kế thừa tuyến chỉnh trị sông đã được nghiên cứu trước đây, nhưng có điều chỉnh lại để thuận lợi hơn cho việc dẫn nước vào sông Đáy. 

2.2.2. Các thông số cơ bản của tuyến chỉnh trị

a. Lưu lượng tạo lòng:

Lưu lượng tạo lòng của sông Hồng qua Sơn Tây và Hà Nội đã được nhiều tác giả nghiên cứu, hầu hết đều tính toán theo phương pháp Makkavêep. Đề tài sử dụng liệt số liệu thuỷ văn năm 1990-1998, nhận thấy năm 1997 có lưu lượng bình quân năm là 3579 m3/s, gần bằng lưu lượng bình quân nhiều năm và lưu lượng bùn cát bình quân năm là 1535 kg/s, gần bằng lượng bùn cát bình quân nhiều năm 1435 kg/s, nên chọn năm 1997 làm năm điển hình để tính lưu lượng tạo lòng và cho kết quả:

+ Từ Sơn Tây đến cửa Đuống: 10.750m3/s (≈11.000m3/s);

+ Từ cửa Đuống tới cửa Luộc: 7.650m3/s.

c. Kích thước mặt cắt tuyến chỉnh trị:

Theo kết quả phân tích hình thái sông, tuyến chỉnh trị có [5]:

- Chiều rộng trung bình lòng sông tuyến chỉnh trị: 788 m.

- Chiều sâu trung bình lòng sông tuyến chỉnh trị: 8.98 m.

d. Các phương án tuyến chỉnh trị.

Do phải đảm bảo các yêu cầu phân lũ thuận tiện, nên tuyến chỉnh trị trước đây và tuyến chỉnh trị dự kiến đều có hình dạng giống nhau về cơ bản, chỉ khác nhau ở đoạn sông trước cửa Đáy tới Trung Hà, xem Hình 1.

Tuyến B (tuyến của VKHTLVN [3]) gồm ba khúc cong ngược chiều nối tiếp nhau.

Tuyến A (tuyến dự kiến của Đề tài) cũng bao gồm 3 khúc cong ngược chiều, với bán kính lần lượt là R1=8.950m, R2=2820m, R3=4760m. Điểm khác biệt lớn nhất của tuyến A ở chỗ tuyến A đi sát cửa cống Vân Cốc và cống Cẩm Đình hơn. Đoạn cong thứ 2 của tuyến A nhỏ hơn để gần với địa hình của sông Hồng khu vực Trung Hà trong giai đoạn hiện nay.

Từ các thông số về mặt bằng tuyến chỉnh trị, đã đề xuất các phương án tuyến chỉnh trị như Hình 2.

Hình 2:  Các phương án tuyến chỉnh trị

2.2.3. Giải pháp công trình chỉnh trị cho đoạn sông Hồng - cửa Đáy

Theo kết quả nghiên cứu của Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, chu kỳ vận động uốn cong - cắt thẳng của đoạn sông này từ 20 đến 25 năm. Đỉnh cong Trung Hà phía bờ trái hiện tại đang bị cong gấp, bãi bên Hát Môn bờ phải đang bị bồi mạnh và mở rộng về cửa cống Cẩm Đình. Hiện tại, một bãi giữa trước cửa lấy nước đã hình thành. Vì thế, cần phải có giải pháp công trình bằng mỏ hàn để đưa dòng chảy đi theo tuyến chỉnh trị sông dự kiến. Cụm công trình này gồm 3 mỏ hàn cứng M1, M2, M3 phía bờ trái, bắt đầu từ ngang làng Xuân Chiểu tới đầu làng Tam Kỳ, xem Hình 3. Các mỏ hàn này tạo thành tuyến chỉnh trị sông ổn định lòng dẫn ép dòng chảy về phía Cẩm Đình.

Hình 3. Hệ thống công trình chỉnh trị đoạn sông Hồng – cửa Đáy

2.3. Xây dựng mô hình toán ứng dụng phần mềm MIKE 21FM-ST mô phỏng đoạn sông Hồng qua cửa Đáy

2.3.1. Xây dựng mô hình mô phòng đoạn sông nghiên cứu

Xây dựng lưới và địa hình tính toán đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Chèm phục vụ cho tính toán như Hình 4 thể hiện.

Hình 4: Lưới và địa hình tính toán đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Chèm

2.3.2. Điều kiện biên và kiểm định mô hình

Căn cứ số liệu thuỷ văn cụ thể phục vụ cho tính toán hiệu chỉnh, kiểm định mô hình như sau:

- Biên vào là lưu lượng dòng chảy thực đo tại Sơn Tây từ 10/8/1996 – 30/8/1996.

- Biên ra là mực nước tại Chèm từ 10/8/1996 – 30/8/1996, trích từ mô hình 1 chiều [1].

- Lưu lượng và mực nước trên sông Hồng tại vị trí cửa vào sông Đáy từ 10/8/1996 – 30/8/1996, trích từ mô hình 1 chiều được sử dụng làm số liệu để hiểu chỉnh, kiểm định mô hình MIKE 21FM.

So sánh kết quả tính toán mô hình MIKE 21FM khu vực cửa vào sông Đáy đoạn từ Sơn Tây đến Chèm với chuỗi số liệu thuỷ văn tháng 8/1996 trích từ mô hình 1 chiều, được thể hiện ở Hình 5a và Hình 5b cho thấy kết quả mô hình đã mô phỏng tương đối tốt. Kết quả tính toán lưu lượng và mực nước tại vị trí cửa vào sông Đáy gần đúng với số liệu tính toán từ mô hình một chiều [1]. Với kết quả này, ta sẽ dùng bộ thông số để tính toán với các cấp lưu lượng tạo lòng và cấp lũ của Đề tài ghi ở Bảng 1.  

Theo tiêu chuẩn phòng chống lũ trong quyết định số 92/2007/QĐ-TTg (21/6/2007): Tại Hà Nội bảo đảm chống được lũ tương ứng với mực nước sông Hồng tại trạm Long Biên là 13,40m và thoát được lưu lượng tối thiểu là 20.000m3/s, tương ứng với lưu lượng tại Sơn Tây là 27.500 m3/s. Tổng hợp với kết quả về lưu lượng tạo lòng ở Mục 2.2.2., Đề tài đã chọn lưu lượng lũ thiết kế và lưu lượng tạo lòng khu vực Sông Hồng trước và sau phân lưu sông Đuống ở Bảng 1.

Bảng 1: Cấp lưu lượng lưu lượng lũ và lưu lượng tạo lòng

Đối với cấp lưu lượng lũ, Đề tài đã nghiên cứu đoạn sông Hồng qua cửa Đáy trong các phương án điều kiện hiện trạng và phương án lựa chọn tương ứng với cấp lưu lượng qua Sơn Tây là 27.500 m3/s và tại Hà Nội là 20.000 m3/s [4].

3. HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ ỔN ĐỊNH LÒNG DẪN SÔNG HỒNG QUA CỬA ĐÁY

3.1. Mực nước lũ phương án chọn theo Qlũ (27.500 m3/s)

 Mức nước đảm bảo chống lũ ở khu vực nghiên cứu được lấy theo mực nước tại trạm thuỷ văn Hà Nội 13,40m trong trường hợp có hồ chứa Tuyên Quang và hồ chứa Sơn La.

Với phương án công trình lựa chọn, mực nước lũ thượng lưu cụm công trình các mỏ hàn M1, M2 và M3 tăng khoảng 3cm và tắt dần ở thượng lưu cách mỏ hàn M1 2km, khu vực công trình giữa các mỏ hàn mực nước giảm 2cm và ở hạ lưu, mực nước giao động tăng giảm so với đường mực nước hiện trạng. Với lưu lượng lũ thiết kế 27.500 m3/s tại Sơn Tây, các công trình đề xuất đã ít ảnh hưởng đến sự thay đổi mực nước lũ thiết kế đối với đoạn sông Hồng qua cửa Đáy thể hiện ở Hình 6.

3.2. Diễn biến lòng dẫn sông Hồng qua cửa Đáy theo QTL (11.000 m3/s)

Để phân tích diễn biến lòng dẫn đoạn sông Hồng qua cửa Đáy, trong mô hình lựa chọn mặt cắt dọc theo lạch sâu thể hiện trên Hình 7. Cấp lưu lượng nghiên cứu được chọn là cấp lưu lượng tạo lòng bằng 11 000 m3/s. Từ kết quả nhận thấy trong thời gian 5 năm trường hợp đặt 3 kè mỏ hàn theo phương án lựa chọn, biến động lòng dẫn đoạn cửa Đáy có những cải thiện tốt. Cụ thể, hố xói thượng lưu và hạ lưu khu vực cửa đáy đã có xu hướng bồi nhẹ, bãi bồi trước cửa Đáy xói sâu hơn tạo điều kiện lấy nước vào cửa, địa hình đáy sông trơn thuận hơn. Với phương án hiện trạng không có công trình: khu vực thượng lưu cống Cẩm Đình (hố xói 1) sau 5 năm xói sâu thêm trung bình 3-3,5m và tại khu vực cửa cống bồi cao thêm 2m. Với phương án có giải pháp công trình: cũng sau thời gian 5 năm, diễn biến lòng dẫn đoạn cửa cống lấy nước vào sông Đáy đã có hiệu quả đáng kể. Cụ thể, hố xói thượng lưu khu vực cửa công lấy nước đã có xu hướng bồi nhẹ, bãi bồi trước cửa cống lấy nước xói sâu hơn.

KẾT LUẬN

1. Sau khi tổng hợp, phân tích các đặc trưng thuỷ văn, thuỷ lực và nghiên cứu quy luật biến động lòng dẫn sông Hồng khu vực cửa lấy nước vào sông Đáy, nhận thấy vị trí cửa cống Cẩm Đình (mới) tương đối ổn định cho việc lấy nước vào sông Đáy. Để hạn chế những biến động bất lợi từ phía thượng lưu gây bồi cho vị trí cửa vào sông Đáy cần có giải pháp chỉnh trị.

 2. Bằng việc ứng dụng mô hình Mike 21 FM-ST, đã xây dựng thành công mô hình toán mô phỏng thuỷ lực và hình thái sông cho khu vực nghiên cứu. Mô hình đã được xây dựng và kiểm chứng, chọn được bộ thông số thuỷ lực và hình thái sông phục vụ cho công việc nghiên cứu các giải pháp ổn định đoạn sông nghiên cứu.

3. Kết quả nghiên cứu diễn biến lòng dẫn hiện trạng và khi có công trình ổn định cửa vào sông Đáy, nhận thấy hiệu quả của giải pháp chỉnh trị sông như sau:

- Đối với phương án hiện trạng không có công trình: khu vực thượng lưu cống Cẩm Đình (hố xói 1) sau 5 năm xói sâu thêm trung bình 3-3,5m và tại khu vực cửa cống bồi cao thêm 2m.

- Với phương án có giải pháp công trình: cũng sau thời gian 5 năm, diễn biến lòng dẫn đoạn cửa cống lấy nước vào sông Đáy đã có hiệu quả đáng kể. Cụ thể, hố xói thượng lưu khu vực cửa công lấy nước đã có xu hướng bồi nhẹ, bãi bồi trước cửa cống lấy nước xói sâu hơn.

- Đối với cấp lưu lượng lũ thiết kế 27.500 m3/s tại Sơn Tây, các công trình đề xuất đã ít ảnh hưởng đến sự thay đổi mực nước lũ thiết kế đối với đoạn sông Hồng qua cửa Đáy.

Vì vậy, giải pháp của phương án chỉnh trị đã đảm bảo được các mục tiêu ổn định được lòng dẫn sông Hồng khu vực cửa vào sông Đáy, thuận lợi cho việc lấy nước vào cống Cẩm Đình (mới). 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. "Quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông Lô phục vụ đa mục tiêu, đảm bảo an toàn và phát triển kinh tế xã hội đồng bằng bắc bộ", GS.TS. Nguyễn Tuấn Anh- Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, 2007.

[2]. "Chỉnh trị sông", Sổ tay kỹ thuật thuỷ lợi, tập IV-NXB Nông nghiệp, GS.TS. Lương Phương Hậu, 1986.

[3]. "Biến hình lòng dẫn đoạn sông Hồng Việt Trì - Hà Nội", GS.TS. Vũ Tất Uyên, Tuyển tập báo cáo khoa học về động lực sông, 2001.

[4]. "Nghiên cứu biến động lòng dẫn sông Hồng và đề xuất các giải pháp ổn định khu vực cửa vào sông Đáy mới được tái lập" - Đề tài NCTX, TS. Phạm Đình - Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, năm 2010.   

[5]. "Studies to Determine Dimensions for River Training Works in the Hanoi Segment of the Red River", (TS. Phạm Đình, Báo cáo tại Hội nghị quốc tế lần thứ 3 về hố xói và sạt lở bờ tại Amsterdam Hà Lan - 11/2006).

Tác giả: TS. Phạm Đình, ThS. Nguyễn Ngọc Đẳng
Phòng Thí nghiệm trọng điểm QG về ĐLHSB - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
 

Tạp chí KH&CN Thủy lợi