Nghiên cứu khả năng thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ bằng mô hình toán

Khả năng thoát lũ (KNTL) của lòng dẫn thể hiện sự tiêu thoát nhanh hay chậm dòng chảy lũ. Đối với những đoạn sông có số liệu dòng chảy thì việc tính toán KNTL phục vụ cho những nghiên cứu khác nhau là tương đối đơn giản. Nhưng ở hạ lưu sông Trà Khúc và sông Vệ (tỉnh Quảng Ngãi) không có trạm đo lưu lượng dòng chảy nên rất khó khăn trong việc xác định KNTL. Bài viết trình bày những kết quả nghiên cứu về KNTL sông Trà Khúc, sông Vệ bằng mô hình toán. Các nghiên cứu bao gồm: Thiết lập mô hình toán, tính toán KNTL với các trận lũ lịch sử, xây dựng và tính toán KNTL theo tần suất lũ thiết kế và cuối cùng là đề xuất các giải pháp nhằm tăng cường KNTL.

1. Giới thiệu chung

Quảng Ngãi là tỉnh thuộc duyên hải Trung Trung Bộ với đặc điểm chung là núi lấn sát biển, địa hình có tính chuyển tiếp từ địa hình đồng bằng ven biển ở phía đông đến địa hình miền núi cao ở phía tây. Miền núi chiếm khoảng 3/4 diện tích tự nhiên toàn tỉnh, đồng bằng nhỏ hẹp chiếm 1/4 diện tích tự nhiên. Hệ thống sông suối tương đối dày đặc và phát triển theo hình nan quạt. Độ dốc đáy sông thường rất lớn ở vùng núi nhưng lại giảm nhỏ ở vùng đồng bằng khiến cho khả năng tiêu thoát lũ gặp nhiều bất lợi. Lũ thường tập trung nhanh ở thượng lưu và trung lưu các sông nhưng lại tiêu thoát chậm do vùng đồng bằng có độ dốc nhỏ và nhiều vùng trũng có thể gây ngập, úng ảnh hưởng đến an sinh - kinh tế và phát triển chính trị - xã hội của địa phương.

Lũ sông Trà Khúc và sông Vệ mang đặc trưng chung của lũ Miền Trung Việt Nam. Lũ lên nhanh và có cường suất lớn nên thường xuyên tràn bờ gây ngập lụt vùng đồng trũng và những vùng trọng điểm kinh tế gây nên những tổn thất to lớn.

Nghiên cứu này sẽ tập trung đánh giá KNTL của lưu vực sông Vệ, sông Trà Khúc bằng cách sử dụng kết hợp các mô hình toán thủy văn – thủy lực và tính toán cho các kịch bản nhằm tăng cường KNTL. Kết quả tính toán sẽ là cơ sở để quy hoạch và xây dựng các biện pháp phòng chống lũ cho toàn lưu vực cũng như đề xuất và đánh giá hiệu quả của các biện pháp tăng cường khả năng thoát lũ cho khu vực nghiên cứu.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Khái niệm về KNTL và phương pháp xác định

Theo GS.TS. Vũ Tất Uyên và nnk trong “Kiểm soát lũ và thoát lũ”, Khả năng thoát lũ được định nghĩa như sau:

Khả năng thoát lũ (KNTL) của một đoạn sông được đánh giá bằng trị số lưu lượng thoát qua đoạn sông ứng với mức nước xác định. Phân tích biến động KNTL theo thời gian nhằm đánh giá xem đoạn sông thoát được lượng lũ nhiều hay ít hơn trước, nguyên nhân gây biến động KNTL, từ đó có phương hướng xử lý để tăng KNTL.

Như vậy, KNTL được hiểu là khả năng chuyển tải lưu lượng lũ của đoạn sông ứng với các điều kiện khác nhau của không gian và thời gian. Cũng có thể có các khái niệm khác về KNTL, tuy nhiên trong bài báo này, thống nhất sử dụng khái niệm trên.

Các phương pháp xác định KNTL bao gồm:

+ Phương pháp nghiên cứu qua số liệu thực đo: Phương pháp này chủ yếu sử dụng các số liệu thực đo mực nước và lưu lượng trong một khoảng thời gian dài, sau đó xây dựng đường quan hệ Q ~ H qua các thời kỳ khác nhau. Từ đó, đánh giá sự biến đổi của KNTL qua các thời kỳ, xác định nguyên nhân và đưa ra những giải pháp phù hợp.

+ Phương pháp mô hình hóa: Để bù đắp lại những hạn chế của phương pháp nghiên cứu qua số liệu thực đo, phương pháp mô hình hóa được đề xuất. Mô hình hóa là phương pháp mô phỏng hệ thống dưới dạng mô hình, thường có 2 loại được sử dụng phổ biến là mô hình toán và mô hình vật lý. Nhưng trong báo cáo này, mô hình toán được sử dụng để nghiên cứu.

2.2. Thiết lập mô hình toán

2.2.1. Lựa chọn mô hình

Mô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực hiện có nhiều loại, nhưng qua nhiều năm sử dụng và có nhiều kinh nghiệm trong việc xây dựng mô hình cho các lưu vực sông khác nhau, tác giả nhận thấy bộ mô hình MIKE của DHI có khả năng đáp ứng được các yêu cầu tính toán nên quyết định sử dụng bộ công cụ này để nghiên cứu, tính toán. Các mô hình được sử dụng bao gồm: MIKE 11, MIKE 21FM, MIKE NAM, MIKE FLOOD.

2.2.2. Thiết lập mô hình thuỷ lực 1 chiều

Mô hình thuỷ lực 1 chiều được thiết lập trên nền của phần mềm MIKE 11. Phạm vi của mô hình được thiết lập như sau:

+ Sông Trà Khúc:

- Đoạn từ Sơn Giang đến Thạch Nham: Do đoạn sông này không có số liệu đo đạc mặt cắt ngang nên không thể mô phỏng thuỷ lực 1 chiều mà phải tính toán theo phương pháp diễn toán lũ trong sông Muskingum.

- Đoạn từ Thạch Nham đến vị trí kết nối với mô hình thuỷ lực 2 chiều: Đoạn này dài 4,5km có 3 mặt cắt ngang.

+ Sông Vệ: Không thiết lập mô hình thuỷ lực 1 chiều vì từ trạm An Chỉ đến cửa ra thuộc phạm vi mô phỏng của mô hình thuỷ lực 2 chiều

2.2.3. Thiết lập mô hình thuỷ lực 2 chiều

Mô hình thuỷ lực 2 chiều được thành lập dựa trên mô hình MIKE 21 FM với tổng số ô lưới là 29419. Các thành phần khác nhau của lưu vực được mô phỏng với mức độ chi tiết khác nhau, cụ thể như sau:

+ Phần địa hình trong sông: Kích thước ô lưới nhỏ nhất là 50m2.

+ Đường giao thông: Kích thước ô lưới nhỏ nhất là 60m2.

+ Địa hình mặt đất: Kích thước ô lưới nhỏ nhất là 500m2.

Sau khi việc chia lưới hoàn tất, đã sử dụng chức năng “Smooth” để làm mịn hơn tại những vùng giáp ranh có kích thước ô lưới thay đổi.

 Hình 1. Địa hình và lưới tính trong mô hình thuỷ lực 2 chiều

Một trong những vấn đề phức tạp của mô hình thuỷ lực 2 chiều đó là hệ số nhám. Do có nhiều ô lưới nên hệ số nhám cần được thiết lập cho từng ô hoặc lấy tổng thể. Nếu lấy một hệ số nhám cho cả khu vực tính toán thì mô hình sẽ không chính xác. Do đó, cần có những thiết lập phức tạp để đảm bảo sự chính xác của mô hình. Ở đây, tác giả đã thiết lập hệ số nhám cho từng vùng theo số liệu dạng file. (Hình 2)

2.2.4. Thiết lập mô hình MIKE FLOOD

Thực chất đây là mô hình kết nối giữa mô hình thuỷ lực 1 chiều MIKE 11 và mô hình thuỷ lực 2 chiều MIKE 21. Sau khi đã thiết lập mô hình thuỷ lực 1 chiều và 2 chiều, ta xác định các vị trí kết nối và sử dụng MIKE FLOOD để kết nối lại thành một mô hình duy nhất mô phỏng lũ sông Trà Khúc.

2.2.5. Thiết lập mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM

Mô hình mưa - dòng chảy được sử dụng để mô phỏng lượng nhập lưu khu giữa sông Trà Khúc từ trạm Sơn Giang đến đập Thạch Nham. Đoạn này có khoảng cách là 15,33km, diện tích lưu vực nhập lưu ước tính khoảng 222km2.

 Hình 2. Phân vùng hệ số nhám Manning - Strickler trong mô hình MIKE 21 FM

2.2.5. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1. Sai số NASH trong hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại một số vị trí

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy, bộ công cụ mô hình đã xây dựng đủ độ tin cậy để đáp ứng các yêu cầu tính toán.

2.3. Đánh giá khả năng thoát lũ qua các trận lũ lịch sử

Để nghiên cứu khả năng thoát lũ theo từng thời kỳ, cần có quan hệ Q ~ H tương ứng. Do các thuỷ văn hạ lưu (trạm Trà Khúc và trạm Sông Vệ) không đo lưu lượng nên kết quả tính toán từ mô hình thuỷ lực được coi là một giải pháp. Sau khi tính toán, mô phỏng cho các trận lũ lịch sử khác nhau (lũ 1999, 2003, 2009) các đường quan hệ Q ~ H được xây dựng như sau:

 Hình 3. Quan hệ Q ~ H của các trận lũ năm 1999, 2003, 2009 tại trạm Trà Khúc

 Hình 4. Quan hệ Q ~ H của các trận lũ năm 1999, 2003, 2009 tại trạm Sông Vệ

Từ kết quả tính toán có một số nhận xét như sau:

- Đường quan hệ Q ~ H của các trận lũ tháng 10/1999 và 12/2003 tại 2 vị trí nghiên cứu không có sự biến đổi nhiều. Tại trạm Trà Khúc, hai đường này chập vào lên nhau nên rất khó phân biệt. Tại trạm sông Vệ có sự tách biệt nhưng không đáng kể đối với những điểm mực nước cao hơn 3,5m. Từ đó thấy rằng khả năng thoát lũ của 2 trận lũ lịch sử ứng với các cấp mực nước chênh lệch không nhiều, điều này có thể là do các nguyên nhân sau:

+ Đặc trưng 2 đường quá trình lũ năm 1999 và 2003 có sự tương đồng về lưu lượng đỉnh lũ và dạng đường quá trình lũ. Vì thế, chế độ thuỷ lực không thay đổi nhiều.

+ KNTL hầu như không có sự thay đổi vì hai trận lũ được chọn để mô phỏng có thời kỳ gần nhau (4 năm) nên điều kiện địa hình và điều kiện khí tượng thuỷ văn không có sự biến đổi nhiều.

+ Mô hình toán đã xây dựng và mô phỏng cho 2 trận lũ là cùng một bộ số liệu địa hình nên không thể hiện được sự biến đổi của chúng theo thời gian gây ảnh hưởng đến khả năng thoát lũ.

- Đường quan hệ Q ~ H của trận lũ tháng 10/2009 thì lại có sự tách biệt khá lớn với đường quan hệ Q ~ H tháng 10/1999 và 12/2003.

Bảng 2. Mực nước và lưu lượng thoát lũ của trạm Trà Khúc và Sông Vệ qua các trận lũ lịch sử năm 1999 và 2003

Đối với trạm Trà Khúc: Đường quan hệ Q ~ H năm 2009 cắt đường quan hệ Q ~ H của 2 năm 1999 và 2003 tại giá trị mực nước là 6,00m. Tại đây cũng phân đường này thành 2 miền rõ rệt. Nếu mực nước nhỏ hơn 6,00m thì lưu lượng thoát lũ của năm 2009 lớn hơn các năm 1999 và 2003. Đoạn lớn hơn 6,00m thì ngược lại, với cùng cấp mực nước thì lưu lượng thoát lũ của năm 2009 nhỏ hơn các năm 1999 và 2003. Đặc biệt, ở phần mực nước cao đến 8,00m, lưu lượng thoát lũ năm 2009 nhỏ hơn đến 2300m3/s - một con số khá lớn.

Đối với trạm Sông Vệ: Đường Q ~ H năm 2009 tách biệt hẳn và gần như tịnh tiến lên trên các đường Q ~ H năm 1999 và 2003. Điều này thể hiện KNTL của năm 2009 là kém hơn các năm 1999 và 2003. Lưu lượng thoát lũ của năm 2009 chỉ bằng xấp xỉ 50% lưu lượng thoát lũ của các năm trước đó so với cùng cấp mực nước.

Sự suy giảm và biến đổi KNTL chắc chắn sẽ có những nguyên nhân ảnh hưởng. Nhưng nguyên nhân cơ bản nhất dẫn tới hiện tượng nêu trên được xác định là do đặc điểm của quá trình lũ.

2.4. Nghiên cứu khả năng thoát lũ theo các kịch bản lũ

Các kịch bản lũ tính toán bao gồm: lũ 1%, 5% và 10%. Sau khi tính toán, mô phỏng thu được kết quả sau: 

 Bảng 3. Lưu lượng ứng với mực nước lũ lớn nhất tại các vị trí theo các quá trình lũ thiết kế

Bảng trên cho thấy rằng, lưu lượng lũ trên sông Trà Khúc lớn hơn rất nhiều lần lưu lượng lũ trên sông Vệ, do đó, vấn đề ngập lụt hạ lưu sông Trà Khúc và sông Vệ chủ yếu là do lũ sông Trà Khúc gây nên. Tuy nhiên, lũ trên sông Trà Khúc và sông Vệ thường cùng xuất hiện và gây ngập lụt tới vùng hạ lưu nên cần được nghiên cứu đồng thời. Trong thực tế và qua mô phỏng bằng mô hình toán thấy rằng nhiều trận lũ, lũ sông Vệ đã tràn vào khu vực hạ lưu trước khi lũ sông Trà Khúc kịp tràn vào và gây ngập úng khu vực này.

2.5. Đề xuất các giải pháp tăng cường KNTL

2.5.1. Các phương án tính toán

Dựa trên những nghiên cứu về thực trạng thoát lũ và các nguyên nhân gây ngập. Tác giả đề xuất các phương án nhằm làm tăng KNTL như sau:

+ Phương án 1 (PA1) - Nạo vét 2 bãi sông, bao gồm: Bãi 1 giữa cầu Trường Xuân và cầu Trà Khúc, bãi 2 nằm ở hạ lưu cầu Trà Khúc, sông Vệ giữ nguyên hiện trạng. Bãi 1 nạo vét đến cao trình +1,5m, bãi 2 đến cao trình +1,00m. Khối lượng nạo vét ước tính khoảng 8 triệu m3 bùn cát.

+ Phương án 2 (PA2) - Nạo vét và mở rộng cửa sông: Phương án được đưa ra là mở rộng cửa Đại đến 800m và Cửa Lở đến 300m. Mục tiêu của việc mở rộng cửa sông ngoài sự đảm bảo khả năng thoát lũ còn đảm bảo giao thông thuỷ.

 Hình 5. Sơ đồ nạo vét lòng sông

+ Phương án 3 (PA3) - Kết hợp 2 phương án trên.

2.5.2. Kết quả tính toán

Trên bộ mô hình đã xây dựng, thay đổi địa hình của các khu vực nạo vét, tính toán với số liệu lũ 1% ta được các kết quả sau:

 Bảng 4. Kết quả tính toán mô phỏng các phương án

Qua kết quả tính toán, có một số nhận xét sau:

+ Đối với phương án PA1 (nạo vét 2 bãi nằm ở thượng lưu và hạ lưu cầu Trà Khúc): Mực nước tại Tịnh Sơn giảm khoảng 10 cm, đoạn qua thành phố Quảng Ngãi giảm khá nhiều khoảng 30 – 40 cm. Tuy nhiên, mực nước ở khu vực Tịnh Long có xu hướng tăng, nguyên nhân là do đây là vùng cửa sông nên khi nạo vét phía thượng lưu sẽ làm cho quá trình lũ tập trung nhanh hơn. Trên sông Vệ chưa có biện pháp gì nên mực nước hầu như không thay đổi nhiều.

+ Đối với phương án PA2  (mở rộng cửa Đại và cửa Lở):  Mực nước trên sông Trà Khúc giảm không nhiều khoảng 10cm. Tuy nhiên khi mở cửa Lở mực nước trên sông Vệ giảm tương đối lớn, đặc biệt từ Đức Lợi đến Nghĩa Hà giảm khoảng từ 20 – 45 cm.

+ Đối với phương án PA3 (kết hợp nạo vét 2 bãi trên sông Trà Khúc và mở rộng cửa Đại, cửa Lở): Đây là phương án làm giảm mực nước trên sông Trà Khúc và sông Vệ nhiều nhất. Trên sông Trà Khúc đoạn qua thành phố Quảng Ngãi mực nước giảm từ 35 – 45 cm, còn trên sông Vệ đoạn từ  Đức Lợi đến Nghĩa Hà mực nước giảm từ 25 – 50 cm.

3. Kết luận

Lũ trên sông và ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Trà Khúc, sông Vệ là một vấn đề tương đối phức tạp. Từ trước tới nay, vùng hạ lưu của hệ thống sông này thường xuyên phải gánh chịu nhiều thảm hoạ do lũ gây ra, thiệt hại về kinh tế là rất lớn và ảnh hưởng tới an sinh - kinh tế và phát triển xã hội cũng như chính trị của địa phương.

Để có những giải pháp phòng chống lũ lụt và giảm nhẹ thiên tai cho vùng hạ lưu sông Trà Khúc và sông Vệ, cần có những nghiên cứu cơ bản và nghiêm túc về lũ, khả năng thoát lũ, các giải pháp kỹ thuật và những định hướng của địa phương về công tác phòng chống lũ. Bài báo đã trình bày một số nghiên cứu của tác giả về đánh giá KNTL sông Trà khúc, sông Vệ tỉnh Quảng Ngãi và đề xuất một số giải pháp nhằm tăng cường KNTL có tính toán mô phỏng bằng phương pháp mô hình toán. Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu cũng có thể có nhiều sai sót mong nhận được những ý kiến xây dựng của bạn đọc.

Tài liệu tham khảo:

[1]. Ban chỉ đạo Phòng chống Lụt bão Trung ương (2010), Báo cáo tổng hợp. Đề tài: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lớn khu vực miền Trung và đề xuất giải pháp giảm thiểu thiệt hại, Hà Nội.

[2]. Viện Địa lý - Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam (2010), Báo cáo tổng hợp. Đề tài: Nghiên cứu quy hoạch phòng, chống và tiêu thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ tỉnh Quảng Ngãi, Hà Nội.

[3]. Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam (2010), Báo cáo chuyên đề Tính toán thuỷ văn sông Trà Khúc và sông Vệ. Đề tài: Nghiên cứu quy hoạch phòng, chống và tiêu thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ tỉnh Quảng Ngãi, Hà Nội.

[4]. Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam (2010), Báo cáo chuyên đề Tính toán thuỷ lực sông Trà Khúc và sông Vệ. Đề tài: Nghiên cứu quy hoạch phòng, chống và tiêu thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ tỉnh Quảng Ngãi, Hà Nội.

[5]. Vũ Tất Uyên và nnk (2004), Kiểm soát lũ và thoát lũ, Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội.

[6]. K.W. Pilarczyk (1995), River trainning techniques.

[7]. MWR, UNDP, DHA (April, 1995), First update of the strategy and action plan for mitigating water disasters in Vietnam, Hanoi, Vietnam.

[8]. P.Ph. Jansen (1979, Facsimile edition 1994), Principles of river engineerring.

[9]. United nations development programme (1991), Manual and giudelines for comprehensive flood loss prevention and management.

Tác giả: ThS. Nguyễn Đức Diện - Phòng TNTĐ QG

Tạp chí KH&CN Thủy lợi