BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Nguyễn Mạnh Linh NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THOÁT LŨ CHO KHU VỰC PHÍA BẮC TP.NHA TRANG - KHÁNH HỊA Chun ngành Thủy văn học : Mã số: 088.604490.0005 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Hùng GS.TS Hà Văn Khối Hà Nội – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Nguyễn Mạnh Linh NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THOÁT LŨ CHO KHU VỰC PHÍA BẮC TP.NHA TRANG - KHÁNH HỊA LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 LỜI CẢM ƠN! Đầu tiên xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS.TS Hà Văn Khối, Trường Đại học Thủy lợi TS Nguyễn Thanh Hùng, Trung tâm Động lực Cửa Sông ven biển Hải Đảo, Phịng thí nghiệm Quốc gia Động lực sông biển, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam tận tình hướng dẫn có định hướng nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Bộ mơn Mơ hình tốn Trung tâm nghiên cứu động lực sơng- Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực sơng - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, tạo điều kiện giúp đỡ thời gian góp ý cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thày, cô giáo Khoa sau đại học, trường Đại học Thuỷ lợi, không ngừng giúp đỡ không việc truyền thụ kiến thức mà việc rèn luyện người thời gian học tập trường, để tơi có kết Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn bạn đồng học tận tình trao đổi đóng góp ý kiến cho luận văn Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ q báu đó! MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CHUNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 10 1.1 Đặc điểm tự nhiên dân sinh kinh tế khu vực nghiên cứu 10 1.1.1 Điều kiện tự nhiên 10 1.1.2 Đặc điểm khí hậu 13 1.1.3 Đặc điểm thủy văn 17 1.1.4 Đặc điểm dân sinh kinh tế - xã hội 24 1.2 Quá trình phát triển thủy lợi sở hạ tầng khu vực nghiên cứu 28 1.2.1 Tình hình qui hoạch thủy lợi có liên quan đến vùng nghiên cứu 28 1.2.2 Hiện trạng cơng trình thủy lợi 29 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TIÊU THOÁT LŨ VÀ LỰA CHỌN MƠ HÌNH TỐN TRONG TÍNH TỐN TIÊU THỐT LŨ 32 2.1 Tổng quan vấn đề tiêu thoát lũ 32 2.2 Lựa chọn mô hình tốn tính tốn tiêu lũ 34 2.2.1 Các loại mơ hình tính toán tiêu thoát lũ 34 2.2.2 Lựa chọn mơ hình tiêu lũ 37 2.2.3 Giới thiệu mơ hình tốn lựa chọn Mike Flood 38 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 47 3.1 Tính tốn mưa ngày lớn thiết kế 47 3.2 Tính tốn dịng chảy năm phân phối dòng chảy năm thiết kế 48 3.3 Tính tốn dịng chảy lũ thiết kế 53 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TRONG XÁC ĐỊNH GIẢI PHÁP TIÊU THOÁT LŨ 55 4.1 Tính tốn xác định biên cho mơ hình thủy lực 55 4.1.1 Xác định biên lưu lượng chảy vào sông, suối kênh tiêu 55 4.1.2 Xác định lượng mưa rơi trực tiếp khu vực tính tốn 57 4.1.3 Xác định biên mực nước triều cửa sông 57 4.2 Ứng dụng mơ hình thủy lực tính tốn tiêu lũ 57 4.2.1 Xây dựng mơ hình thủy lực tính tốn tiêu lũ 57 4.2.2 Hiệu chỉnh kiểm định mô hình thủy lực 65 4.3 Phân tích đề xuất giải pháp lũ cho khu vực phía bắc Tp.Nha Trang - Khánh Hịa 72 4.3.1 Phân tích đề xuất giải pháp tiêu thoát lũ 72 4.3.2 Kết tính tốn phương án tiêu thoát lũ 76 4.3.3 Lựa chọn phương án 100 4.4 Xây dựng đồ ngập lụt cho khu vực nghiên cứu 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 Kết luận 105 Kiến nghị 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 PHỤ LỤC 109 Danh mục hình vẽ Hình 1- 1: Vị trí vùng nghiên cứu .10 Hình 1- 2: Phạm vi nghiên cứu 11 Hình 1- 3: Khu vực nghiên cứu 11 Hình 1- 4: Một vài hình ảnh hệ thống tiêu lũ khu vực nghiên cứu 30 Hình - 1: Sơ đồ hóa kiểu liên kết thơng thường (Standard Link) 44 Hình - 2: Sơ đồ hóa kiểu liên kết bên (Lateral Link) .45 Hình - 3: Sơ đồ hóa liên kết cơng trinh (Structure Link) .46 Hình - 1: Đường trình lưu lượng hiệu chỉnh thực đo tính tốn trạm Đồng Trăng 50 Hình - 2: Đường trình lưu lượng kiểm định thực đo tính tốn trạm Đồng Trăng 51 Hình - 1: Đường trình lưu lượng trận lũ tháng 10/2007 suối, kênh tiêu lưu vực 56 Hình - 2: Đường trình lưu lượng trận lũ P = 10% suối, kênh tiêu lưu vực .56 Hình - 3: Sơ đồ mạng sơng tính tốn 58 Hình - 4: Sơ họa hệ thống sông, suối khu vực nghiên cứu 58 Hình - 5: Đường trắc dọc suối Cái .60 Hình - 6: Sơ đồ hóa mạng tính tốn thủy lực sơng Cái .66 Hình - 7: Tương quan mực nước Đồng Trăng Diên An 67 Hình - 8: Mực nước tính tốn đo đạc Diên An trận lũ tháng 12/1998 .68 Hình - 9: Mực nước tính tốn đo đạc Diên An trận lũ tháng 12/1999 .68 Hình - 10: Mực nước tính tốn đo đạc Diên An trận lũ tháng 10/2007 .68 Hình - 11: Sơ đồ hóa mạng sơng suối chiều khu vực nghiên cứu 69 Hình - 12: Địa hình vùng qui hoạch kết nối mơ hình chiều chiều Mike Flood 70 Hình - 13: Một số vết lũ kiểm tra mơ hình chiều 71 Hình - 14: Các kênh nạo vét khu vực nghiên cứu 75 Hình - 15: Các kênh xây 75 Hình - 16: Vị trí xây dựng hồ chứa .76 Hình - 17: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ 20h ngày 25/10/2007 77 Hình - 18: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 77 Hình - 19: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ 20h ngày 25/10/2007 80 Hình - 20: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 80 Hình - 21: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ 17h20 83 Hình - 22: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 83 Hình - 23: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ lúc 17 h40 86 Hình - 24: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 86 Hình - 25: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ 11h20 91 Hình - 26: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 91 Hình - 27: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ lúc 13 h .94 Hình - 28: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 94 Hình - 29: Đường trình lũ vào hồ xả khỏi hồ .97 Hình - 30: Bản đồ độ sâu ngập khu vực Đắc Lộc thời điểm đỉnh lũ .98 Hình - 31: Đường trắc dọc mực nước dọc suối Cái 98 Hình - 32: Bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu lũ thực tế 2007 103 Hình - 33: Bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu lũ thiết kế ứng với PA-TK1 .103 Hình - 34: Bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu lũ thiết kế ứng với PA-TK2 .104 Hình - 35: Bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu lũ thiết kế ứng với PA-TK3 .104 Danh mục bảng biểu Bảng - 1: Mạng lưới trạm đo khí tượng mưa gần khu vực nghiên cứu 14 Bảng - 2: Nhiệt độ khơng khí trung bình nhiều năm ( 0C) 14 Bảng - 3: Số nắng trung bình tháng năm Nha Trang Cam Ranh (giờ).15 Bảng - 4: Bốc trung bình tháng năm nhiều năm lưu vực (mm) .15 Bảng - 5: Độ ẩm tương đối khơng khí trung bình tháng năm(%) 16 Bảng - 6: Vận tốc gió trung bình tháng năm (m/s) 17 Bảng - 7: Kết tính tần suất mưa năm trạm tỉnh Khánh Hoà 17 Bảng - 8: Mạng lưới trạm thủy văn tỉnh 18 Bảng - 9: Tần suất dòng chảy năm 18 Bảng - 10: Phân phối dòng chảy năm Q75%, W75% vị trí .19 Bảng - 11: Khả xuất lũ vụ Đồng Trăng 20 Bảng - 12: Tỉ lệ xuất lũ lớn năm theo tháng 20 Bảng - 13: Kết tính tốn tần suất mực nước lớn Đồng Trăng 20 Bảng - 14: Đặc trưng lũ thiết kế Đồng Trăng 20 Bảng - 17: Khả xuất dòng chảy kiệt tháng năm (%) 21 Bảng - 18: Dòng chảy nhỏ Đồng Trăng 21 Bảng - 19: Kết tính tốn tần suất dịng chảy kiệt 21 Bảng - 20: Độ đục trung bình tháng, năm Đồng trăng (g/m3) .22 Bảng - 21: Kết tính tốn dịng chảy bùn cát trạm 22 Bảng - 22: Tần suất mực nước triều ngày lớn Qui Nhơn .23 Bảng - 23: Hệ thống cống khu vực qui hoạch .31 Bảng - 1: Tần suất mưa thiết kế trạm thủy văn Nha Trang .48 Bảng - 2: Thống kê trạm KTTV thời gian kiểm tra mơ hình 49 Bảng - 3: Bộ thơng số mơ hình Nam 51 Bảng - 4: Phân phối dòng chảy năm thiết kế P = 75% 53 Bảng - 5: Lưu lượng lớn chảy vào lưu vực tính toán theo trận lũ 54 Bảng - 1: Lưu lượng lớn chảy vào lưu vực tính tốn theo trận lũ 55 Bảng - 2: Tỷ lệ diện tích lưu vực 56 Bảng - 3: Thống kê hệ thống sông suối, kênh mô tính tốn .59 Bảng - 4: Hệ thống cống khu vực qui hoạch 59 Bảng - 5: Mặt cắt đo đạc suối Cái 60 Bảng - 6: Mặt cắt đo đạc suối Giếng Hạ 62 Bảng - 7: Mặt cắt đo đạc kênh tiêu KCN nhà máy dệt 63 Bảng - 8: Biên mô hình thủy lực chiều 64 Bảng - 9: Các vị trí kết kiểm tra mơ hình 71 Bảng - 10: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 78 Bảng - 11: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .78 Bảng - 12: Kết độ sâu ngập vị trí vết lũ khảo sát .81 Bảng - 13: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 81 Bảng - 14: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .81 Bảng - 15: Kết độ sâu ngập vị trí vết lũ khảo sát .84 Bảng - 16: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 84 Bảng - 17: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .85 Bảng - 18: Kết độ sâu ngập vị trí vết lũ khảo sát .87 Bảng - 19: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 87 Bảng - 20: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .88 Bảng - 21: Độ sâu ngập theo phương án tính tốn 88 Bảng - 22: Độ sâu ngập diện tích ngập theo phương án 89 Bảng - 23:Thời gian ngập theo độ sâu ngập khác nhau: .89 Bảng - 24: Kết độ sâu ngập vị trí vết lũ khảo sát .92 Bảng - 25: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 92 Bảng - 26: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .93 Bảng - 27: Kết độ sâu ngập vị trí vết lũ khảo sát .95 Bảng - 28: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 95 Bảng - 29: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .96 Bảng - 30: Thông số hồ chứa Đắc Lộc 97 Bảng - 31: Kết độ sâu ngập vị trí vết lũ khảo sát .99 Bảng - 32: Mực nuớc lớn vị trí lưu lượng lớn chảy qua cống 99 Bảng - 33: Độ sâu ngập diện tích ngập khu vực Đắc Lộc .99 Bảng - 34: Độ sâu ngập theo phương án tính tốn lũ 1.5% 100 Bảng - 35: Độ sâu ngập diện tích ngập theo phương án 101 Bảng - 36: Thời gian ngập theo độ sâu ngập 101 114 Liên kết bên, nội suy dòng chảy Hình rằng, mực nước h Mike 11 nằm phạm vị ảnh hưởng cơng trình nội bộ, dịng chảy phân bố qua điểm theo độ sâu mực nước điểm Nếu khơng nằm phạm vi ảnh hưởng, dịng chảy phân bố tới điểm phía thượng lưu điểm hạ lưu gần dựa khoảng cách nội suy Điều ứng dụng tương tự cho lưới Mike 21 1.3 Cơng trình Liên kết cơng trình mơ tả dạng ẩn, mơ tả q trình động lượng qua nhánh sơng điểm Mike 11 sử dụng chúng để đặt hiệu chỉnh thành phần ẩn mô tả động lượng qua bề mặt ô lưới Theo cách này, đặc tính dịng chảy từ lưới Mike 21 tới ô lưới khác điều chỉnh với miêu tả cơng trình Có thể thấy rõ biểu đồ dưới: 115 Liên kết cơng trình Phương trình động lượng từ điểm lưu lượng Mike 11 đặt vào phương trình động lượng theo phương x phương y phía thượng lưu sơng Mike 21 Điều hiệu chỉnh Mike 21 Chú ý lưới phía cuối hạ lưu nhánh sông sử dụng để trích mực nước đánh giá phương trình động lượng Khi phương trình động lượng mơ hình Mike 11 đặt phương trình động lượng Mike 21, thành phần ẩn phương trình động lượng ô lưới Mike 21 thay 1.4 Liên kết dòng chảy = Nếu kiểu liên kết XFLOW = 0, thành phần động lượng theo hướng X qua bề mặt bên phải ô lưới Mike 21 xác định giá trị lưu lượng q = Điều thực điều chỉnh thành phần ẩn: Tương tự phương Y 116 Phụ lục 2: Cấu trúc mơ hình Mike Nam 2.1 Cấu trúc mơ hình Một mơ hình khái niệm giống NAM dựa phương trình cấu trúc vật lý sử dụng với cấu trúc bán kinh nghiệm Là mơ hình trọn gói, NAM xử lý lưu vực đơn vị riêng lẻ Do đó, tham số biến số trình bày giá trị trung bình cho tồn lưu vực Như kết quả, vài tham số mơ hình đánh giá từ liệu lưu vực vật lý ước tính tham số cuối phải tiến hành cách thẩm định với chuỗi thời gian quan sát thuỷ văn Cấu trúc mơ hình NAM Cấu trúc mơ hình NAM trình bày Hình Nó mơ giai đoạn đất chu kỳ thủy văn NAM mô q trình lượng mưa – dịng chảy mặt việc giải thích liên tục cho thành phần nước bốn 117 lưu trữ tương tác lẫn khác mà trình bày thành tố vật lý lưu vực Những lưu trữ sau: • Lưu trữ tuyết • Lưu trữ bề mặt • Lưu trữ vùng gốc vùng thấp • Lưu trữ nước ngầm Ngồi NAM cho phép xử lý can thiệp người chu kỳ thủy văn tưới bơm nước ngầm Dựa liệu thuỷ văn NAM sản xuất dịng chảy lưu vực thơng tin thành tố khác giai đoạn đất chu kỳ thuỷ văn chẳng hạn biến đổi thời gian bốc hơi, thành phần độ ẩm đất, lượng ngấm nước bề mặt mức nước ngầm Dòng chảy lưu vực kết chia theo dòng chảy mặt đất, chảy vào dịng chảy phía 2.2 Thành phần mơ hình a Lưu trữ bề mặt Độ ẩm bị chắn bề mặt phủ xanh nước bị chặn lại phần đất bị thoái hoá phần trên phần đất canh tác bề mặt trình bày lưu trữ bề mặt Umax biểu thị giới hạn lượng nước lưu trữ bề mặt Lượng nước, U lưu trữ bề mặt liên tục giảm bớt việc tiêu thụ lượng bốc việc rò rỉ nằm ngang (chảy vào nhau) Khi có lưu trữ bề mặt tối đa, mức nước vượt quá, PN, đưa vào dòng chảy dòng chảy bề mặt phần cịn lại chuyển thành lượng thấm vào tầng thấp lưu trữ nước ngầm b Lưu trữ tầng đáy tầng thấp Độ ẩm đất tầng đáy, tầng lớp đất bề mặt từ thảm thực vật lấy nước cho cây, trình bày trữ lượng tầng thấp Lmax biểu thị giới hạn lượng nước lưu trữ Độ ẩm lưu trữ tầng thấp tuỳ thuộc vào thất thoát tiêu thụ từ việc bốc 118 Lượng độ ẩm giám sát khối lượng nước mà vào trữ lượng nước ngầm thành phần nạp lại dòng chảy qua lại dòng chảy bề mặt c Sự bốc nước Nhu cầu bốc nước đáp ứng mức tỷ lệ tiềm lưu trữ bề mặt Nếu mức độ ẩm U lưu trữ bề mặt u cầu (U Umax, số nước thừa PN làm tăng lên dòng chảy bề mặt làm tăng mức nước thấm QOF biểu thị phần PN mà đóng góp cho dịng chảy tràn Nó giả định cân xứng với PN thay đổi tuyến tính với lượng độ ẩm đất tương ứng, L/Lmax tầng lưu trữ thấp CQOF hệ số nước chảy tràn bề mặt (0 < CQOF < 1) TOF giá trị ngưỡng cho dòng chảy tràn (0 < TOF < 1) Phần nước thừa PN không chảy dịng chảy tràn ngấm xuống tầng lưu trữ thấp Một phần, ∆L, nước có sẵn cho việc ngấm, (PN - QOF), đượ giả định tăng lượng độ ẩm L vùng lưu trữ thấp Số lại lượng độ ẩm thấm, G, giả định thấm qua tầng lưu trữ nước ngầm sâu nạp lại e Dịng chảy hội lưu Việc đóng góp dịng chảy hội lưu, QIF giả thiết cân với U thay đổi trực tuyến với lượng độ ẩm tương ứng tầng lưu trữ thấp 119 CKIF số thời gian cho dịng hội lưu TIF giá trị ngưỡng vùng đáy cho dòng hội lưu (0 < TIF < 1) f Lộ trình dịng chảy tràn dịng chảy hội lưu Dịng chảy hội lưu lộ trình qua hai hồ chứa tuyến tính chuỗi thời gian giống với số thời gian CK12 Lộ trình dịng chảy tràn dựa khái niệm hồ chứa tuyến tính với biến số thời gian OF dịng chảy tràn (mm/giờ), OFmin giới hạn cho lộ trình đường thẳng (=0,4 mm/giờ), ị = 0,4 Hằng số β= 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning cho việc lập mơ hình dịng chảy tràn Công thức (4.4) bảo đảm thực tế lộ trình dịng chảy thực động, dịng chảy bề mặt phụ theo NAM hiểu dịng chảy tràn (trong lưu vực mà khơng có thành phần dịng chảy bề mặt thực tế) lộ trình hồ chứa tuyến tính g Nạp (bổ cập) nước ngầm Khối lượng nước thấp G nạp lại vào tầng lưu trữ nước ngầm phụ thuộc vào lượng độ ẩm đất tầng đáy TG giá trị ngưỡng vùng đáy cho lượng nạp vào tầng nước ngầm (0 < TG