ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BAN QUẢN LÝ DỰ ÁN 11-P04-VIE
-----------------

Dự án
NGHIÊN CỨU THUỶ TAI DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THƠNG TIN NHIỀU BÊN THAM GIA
NHẰM GIẢM THIỂU TÍNH DỄ BỊ TỔN THƯƠNG

Ở BẮC TRUNG BỘ VIỆT NAM (CPIS)
Mã số: 11.P04.VIE

(Thuộc Chương trình thí điểm hợp tác nghiên cứu
Việt Nam - Đan hạch 2012-2015)

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN NĂM 2012-2013

Nội dung 5.1: Báo cáo phát triển mơ hình thủy lực tích hợp 1-D, 2-D cho bãi
bồi ở lưu vực sông Nhật Lệ

Nhóm nghiên cứu: WP4

Chủ dự án: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Giám đốc dự án: GS. TS. Phan Văn Tân

Những người thực hiện:

Trưởng nhóm: PGS.TS. Trần Ngọc Anh

Các thành viên: ThS. Hồng Thái Bình

Hà Nội, 2014
MỤC LỤC
I. MỞ ĐẦU..........................................................................................................2
II. PHẦN 1. GIỚI THIỆU LƯU VỰC VÀ HỆ THỐNG THỦY VĂN ...............3
1.1 Mô tả về lưu vực và hệ thống thủy văn 3
1.2 Đặc điểm lũ lụt 5
III. PHẦN 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH ....................................................8
2.1. Lựa chọn mơ hình 8
2.2. Giới thiệu mơ hình 8
IV. PHẦN 3. THU THẬP SỐ LIỆU....................................................................14
V. PHẦN 4. THIẾT LẬP MIỀN TÍNH..............................................................16
4.1. Thiết lập miền tính mơ hình MIKE 21FM16
4.2. Kết nối mơ hình 1 - 2 chiều trong MIKE FLOOD 16
4.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình 19
VI. KẾT LUẬN....................................................................................................26
VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................27

1

MỞ ĐẦU

Lũ lụt miền Trung nói chung và lưu vực sơng Nhật Lệ nói riêng là một trong
những tai biến tự nhiên, thường xuyên đe dọa cuộc sống của người dân và sự phát triển
kinh tế xã hội trong vùng.

Vào những năm cuối thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI, thiên tai lũ lụt đã liên tiếp xảy
ra ở lưu vực sông Nhật Lệ. Đặc biệt các trận lũ lịch sử vào tháng XI và tháng

XII/1999 ước tính tổn thất nhiều tỷ đồng, làm chết hàng trăm người... Lũ lụt đã
để lại hậu quả hết sức nặng nề, hàng ngàn hộ dân phải di dời khỏi các vùng sạt lở, ngập
lụt, hệ sinh thái môi trường các vùng cửa sông ven biển bị hủy hoại nghiêm trọng.

Lũ lụt Miền Trung có những nét đặc trưng cơ bản: tần suất lớn, trung bình hàng
năm có khoảng 3 - 4 trận lũ xuất hiện trên các sông; thời gian truyền lũ rất
nhanh, ngập lụt xảy ra khi có mưa lớn chỉ sau từ 2 đến 8 giờ; thời gian duy trì ngập lụt
ngắn; cường suất lũ rất lớn và rất bất ổn định, thay đổi theo từng đoạn sông và từng
trận lũ; biên độ lũ cao, trung bình từ 2 đến 3m, trong một số trận lũ đặc biệt lớn biên
lũ có thể lên đến 4-5m; thời gian lũ lên rất ngắn từ 1 đến 3 ngày gây ra ngập lụt
nghiêm trọng ởvùng hạ lưu.

Sơng Nhật Lệ có diện tích lưu vực 2.653 km2, nằm trong vùng trũng của duyên
hải Trung bộ. Địa hình lưu vực sơng Nhật Lệ chủyếu là đồi núi thấp, độ cao bình
quân lưu vực đạt 234 m và độ dốc đạt 20,1%. Lưu vực có dạng hình trịn, là tập hợp
của 2 nhánh sơng Kiến Giang và Long Đại. Nhánh sơng Kiến Giang có chiều dài 96
km chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc ở phần thượng du, sau đó chuyển sang
hướng Đơng Nam - Tây Bắc ở phần hạ lưu, chạy song song với đường bờ biển và
được ngăn cách với biển bằng dãy đụn cát cao. Nhánh Long Đại chảy theo hướng
Tây Nam - Đông Bắc với chiều dài 93 km. Bề mặt lưu vực bị chia cắt mạnh nên mạng
lưới sông suối khá phát triển với mật độ lưới sông 0,84 km/km2. Phần hạlưu sông
thuận lợi cho việc tập trung nước nên dễ bị úng ngập trong mùa mưa. Hàng năm khu
vực vẫn chịu ảnh hưởng của các trận lũ gây úng ngập, gây thiệt hại về nhiều mặt kinh
tế xã hội cho dân cư trong vùng và uy hiếp thành phố Đồng Hới.

Hiện tượng biến đổi khí hậu càng làm trầm trọng hơn bức tranh lũ lụt của khu vực
nghiên cứu. Tần suất xuất hiện các trận mưa lớn ngày càng nhiều với diễn biến phức
tạp và liên tục vượt lịch sử gây nên những bất lợi xấu nhất cho người dân trên lưu vực
sông Nhật Lệ


Chuyên đề này với mục tiêu xây dựng mạng thủy lực 2 chiều cho lưu vực sơng
Nhật Lệ nhằm mục đích kết nối mơ hình này với mơ hình thủy động lực 1 chiều tính
tốn tính tốn mức độ ngập lụt khu vực nghiên cứu. Chuyên đề được thực hiện trong
khuôn khổ của đề tài “Nghiên cứu thủy tai do BĐKH và xây dựng hệ thống thông tin

2

nhiều bên tham gia nhằm giảm thiểu tính dễ tổn thương ở Bắc trung bộ Việt Nam
(CPIS)’ Mã số 11.P04.VIE.

PHẦN 1. GIỚI THIỆU LƯU VỰC VÀ HỆ THỐNG THỦY VĂN
1.1 Mô tả về lưu vực và hệ thống thủy văn

Lưu vực sông Nhật Lệ thuộc địa phận tỉnh Quảng Bình với diện tích tự nhiên
khoảng 2,653km2 (chiếm khoảng 34.7% diện tích tỉnh Quảng Bình), thuộc địa phận 3
huyện thị: TP.Đồng Hới, Quảng Ninh và Lệ Thủy. Lưu vực nằm trong phạm vi 17031’
– 16055’ vĩ độ Bắc và 106017’ – 106059’ kinh độ Đơng.

Về phía Bắc, lưu vực tiếp giáp với huyện Bố Trạch, Quảng Bình. Phía Tây là dãy
Trường Sơn dài 202km, giáp với tỉnh Khăm Muộn của CHDCND Lào. Phía Đơng giáp
với dải cồn cát Biển Đông với đường bờ biển dài 126km. Đoạn hẹp nhất từ Tây sang
Đông đi qua TP. Đồng Hới dài chừng 45km (hình 1).

3

Hình 1. Bản đồ vị trí địa lý lưu vực sơng Nhật Lệ
Đây là hệ thống sông lớn thứ 2 của tỉnh, sau hệ thống sông Gianh. Sông Nhật Lệ
nhận nước từ 2 con sông chính là sơng Kiến Giang và sơng Long Đại. Đoạn sơng mang
tên Nhật Lệ được tính từ ngã 3 sơng Long Đại (cách cầu Long Đại 1,5 km) về đến cửa
Nhật Lệ (Đồng Hới) dài 17 km. Nếu tính từ nguồn Kiến Giang về đến cửa Nhật Lệ có

chiều dài 96 km. Hệ thống sơng Nhật Lệ có lưu vực rộng 2.647 km2. Hệ thống sông
bao gồm 24 phụ lưu vực 45 km2, bình qn sơng, suối trong lưu vựa có chiều dài 0,84
km/km2.[6, 16]

- Sông Kiến Giang
Là hợp lưu của nhiều nguồn sông suối phát nguyên từ vùng núi phía Tây -Nam
huyện Lệ Thủy đổ về phường Luật Sơn (xã Trường Thủy, Lệ Thủy) chảy theo hướng
Nam Bắc. Từ đây, sông chảy theo hướng Tây Nam-Đông Bắc, về đến ngã ba Thượng
Phong, sông chảy theo hướng Đông Nam- Tây Bắc, đến đoạn ngã ba Phú Thọ (An

4

Thủy, Lệ Thủy), sơng đón nhận thêm nước của sơng Cẩm Ly (chảy từ hướng Tây đổ
về), tiếp tục chảy theo hướng trên, băng qua cánh đồng trũng huyện Lệ Thủy (đoạn này
sông rất hẹp). Sắp hết đoạn đồng trũng huyện Lệ Thủy để vào địa phận huyện Quảng
Ninh, sông được mở rộng và chảy băng qua phá Hạc Hải (có chiều dài gần 2km) về
đến xã Duy Ninh (Quảng Ninh), sông tiếp tục chảy ngược về hướng Tây đến ngã ba
Trần Xá thì hợp lưu với sơng Long Đại đổ nước vào sơng Nhật Lệ. Sơng kiến Giang có
độ dốc nhỏ.[6, 16]

- Sông Long Đại

Đây là hợp lưu của 3 phụ lưu chính. Nhánh phía Bắc phát nguyên từ vùng núi
Cô-Ta-Rum trên biến giới Việt Lào, chảy trọn trong vùng địa hình Karst của Bố Trạch
và đến động Hiềm (gần bến Tiêm huyện Quảng Ninh) thì gặp sơng Long Đại. Trước
khi đổ nước vào sơng Nhật Lệ, sơng Long Đại cịn đón thêm nước ở hai phụ lưu là Rào
Trù và Rào Đá (xã Trường Xuân, Quảng Ninh). Ba nhánh sông đầu nguồn của sông
Long Đại nằm trong một vùng núi có lượng mưa khá lớn, nên về mùa lũ con sông này
nước lên rất lớn và dữ. Sông Long Đại không lớn bằng sông Gianh nhưng cường độ
cấp nước lũ ngang với sông Gianh (70-85m3/s/km2).[6, 16]


1.2 Đặc điểm lũ lụt

Tại hạ lưu sông Nhật Lệ mỗi khi đến mùa mưa lũ thì việc tiêu thốt lũ tại đây xảy
ra rất chậm và gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân kết hợp với nhau tạo nên.
Mùa mưa chính lệch về cuối hè sang thu và kéo đến đầu đông với lượng mưa rất lớn là
do ảnh hưởng của các hình thái gây mưa như gió mùa đơng bắc kết hợp với các nhiễu
động gây mưa lớn trên diện rộng như bão, áp thấp nhiệt đới, hội tụ nhiệt đới,...(do có vị
trí gần biển nên chịu ảnh hưởng rất lớn của các cơn bão) dẫn đến thừa nước, thậm chí
gây lũ lụt, úng ngập tại hạ lưu. Lượng mưa chiếm 65-70% lượng mưa cả năm nên lưu
lượng nước trong mùa mưa này chiếm 70-80% lượng nước cả năm. Hơn nữa mùa mưa
lại trùng vào với thời kỳ khơng khí ẩm và thời gian hoạt động các khối khơng khí lạnh
cực đối biến tính, trong các tháng này độ ẩm tháng đạt 85 -90% nên bầu trời lãnh thổ
đầy mây và mưa. Những tháng mùa Đông là thời kỳ ẩm do khối khơng khí lạnh biến
tính khi đi qua biển đã mang theo hơi nước gây mưa.

Với một lượng nước lớn gây nên những cơn lũ lớn như vậy, thì tại khu vực
nghiên cứu (KVNC) lại có địa hình bề ngang khá hẹp, nơi hẹp nhất là khoảng 45km
bên phía tây lại có vùng núi trung bình thấp nên sơng ở đây vừa ngắn lại vừa dốc đã tạo
điều kiện để tập trung nhanh lượng nước hình thành những cơn lũ nhanh chóng đổ về
hạ lưu. Còn tại hạ lưu nơi cuối nguồn của con sông, như tại các nơi khác sau khi nhận
nước từ thượng nguồn thì sẽ chảy thẳng ra biển bằng nhiều cửa sông (sông Cửu
Long...). Nhưng tại đây, sau khi nhận được 1 lượng nước khổng lồ tại thượng nguồn đổ

5

về với tốc độ khá nhanh thì nó khơng thể đổ thẳng ra biển vì gặp phải một dãy cồn cát
khá cao (30- 40m) chạy song song với bờ biển như một con đê chắn lũ đã ngăn dòng
chảy đổ thẳng ra biển mà buộc nó uốn khúc chảy dọc theo dãy cồn cát, và chỉ có một
cửa thốt duy nhất là cửa Nhật Lệ. Sự xuất hiện của hệ thống cồn cát này là một yếu tố

địa hình bất lợi nhiều mặt. Dưới tác động của gió, hiện tượng cát bay, cát chảy đã làm
cho các cồn cát tiến dần về phía lục địa, thu hẹp đồng bằng, làm tăng tình trạng úng lụt
vùng cửa sơng Nhật Lệ.

Như vậy sau khi nước tập trung ở hạ lưu gây ra ngập lụt thì thời gian tiêu thốt
nước, ngập úng trở nên khó khăn hơn. Mưa lớn gây ngập úng ngập thì tại cửa thốt lũ
duy nhất của KVNC, tại cửa biển Nhật Lệ thì khi bão về còn kèm theo nước dâng sinh
do cơ chế hiệu ứng nước dồn khi gió thổi mạnh (trong mùa này sóng dâng cao từ 4,5-
6.0m đo tại Cồn Cỏ). Khi mùa lũ đến, dịng chảy sơng lấn át dịng triều, nhưng khi
triều lên thì dịng lũ và dịng triều ngược nhau sẽ gây ra hiện tượng nước dồn ứ trong
khu vực cửa sơng. Trong mùa lũ, dịng chảy sơng ngịi tăng lên nhanh, tỷ lệ giữa thời
gian chảy ngược và chảy xi giảm mạnh và biến mất hồn tồn khi có dịng lũ lớn.
Ngồi ra khi bão đổ bộ vào đất liền thường kèm theo hiện tượng nước dâng, mùa mưa
trùng với mùa bão, dịng lũ từ sơng chảy ra va nước dâng từ biển chảy vào gây dồn ứ
nước tại cửa sơng, làm cho việc tiêu thốt lũ càng khó khăn và chậm trễ.

Ngồi ra, thời gian tiêu thốt lũ chậm gây rất nhiều thiệt hại không chỉ bị quyết
định bởi điều kiện địa lý tự nhiên mà còn do điều kiện kinh tế xã hội cũng ảnh hưởng
tới nó. Khi nước lũ tràn về và gây ngập úng thì chính những điều kiện kinh tế này cũng
góp phần làm tăng thêm tình trang ngập úng. Ở các huyện Quảng Ninh, Lệ Thủy và
thành phố Đồng Hới có mật độ dân số khá lớn và tập trung nhiều dân cư. Họ sinh sống
ở 2 bên bờ sông Nhật Lệ, đặc biệt là ở Đồng Hới tập trung mật độ dân số cao nhất tỉnh.
Việc tập trung dân cư đông đúc với mật độ cao ở hai bên bờ sông Nhật Lệ cũng gây
khó khăn cho việc thốt lũ của Nhật Lệ. Những cơng trình xây dựng như nhà cửa, đê
điều ... làm cản dòng chảy khi lũ về.

Dân cư sinh sống hai bên bờ sông đã phát triển nghế nuôi trồng thủy sản khá
mạnh, hoạt đông kinh tế này trực tiếp làm biến đổi, thay đổi dịng sơng, lấy nước, xây
các hồ ni tơm cá trên sông. Đặc biệt tại Đồng Hới, các khu công nghiệp, dân số, các
cơ sở kinh doanh tập trung dày đặc hai bên bờ sông cũng gây cản trở rất lớn cho dịng

chảy vì bị ngăn cản khá nhiều, làm cho dòng chảy chậm hơn, tăng thời gian úng ngập
tại đồng bằng. Mặt khác đời sống dân cư ở đây cịn nghèo làm cho các cơng trình phục
vụ dân sinh và sản xuất kém chất lượng không đủ độ bền vững, và rất sơ sài dễ bị phá
huỷ khi có thiên tai bão - lũ. Chính các vật liệu từ các cơng trình dân sinh này đã làm
gia tăng, thậm chí trực tiếp gây ra bồi lấp luồng lạch sơng Nhật Lệ.

6

Hệ thống đường giao thông vận tải đường bộ, đường sắt và đường thủy nội địa có
hướng vng góc với dịng chảy của sơng nên làm giảm khả năng tiêu thoát nước, nhất
là tuyến đường Quốc lộ 1A và đường sắt Bắc - Nam, chúng trở thành các tuyến đê
ngăn cản đường tiêu thoát lũ. Nếu như khơng có các tuyến đường này thì dịng chảy
khơng bị ngăn cản nhưng giờ dịng chảy phải vượt qua những tuyến đường có tác động
như những con đê chắn lũ, và một phần nước bị chúng giữ lại làm cho tình trạng úng
ngập càng thêm trầm trọng. Tại đây cũng có rất nhiều cơng trình thủy lợi được xây
dựng để phục vụ đời sống cũng như sản xuất nông nghiệp.

Cụ thể đầu tiên là đập Mỹ Trung sau khi đi vào hoạt động đã làm xuất hiện khá
nhiều bãi nổi, bãi cạn nằm so le, những bãi này cũng làm cho dòng chảy bị ngăn cản
chậm lại. Các hồ chứa khá nhiều nhưng đa số là với dung tích nhỏ chỉ chủ yếu nhằm
phục vụ cho việc tưới tiêu vào mùa khơ cịn để phịng chống lũ thì với dung tích nhỏ
như vậy lại đứng trươc những cơn lũ lớn, trong khi đó hai hồ chứa lớn là An Mã và
Cẩm Ly lại nằm ở đầu nguồn nên việc làm giảm lượng nước, tiêu thốt lũ khơng có tác
dụng ở hạ lưu.

Ngoài ra hệ thống đê điều hệ thống đê của KVNC nằm trong vùng trũng của dải
địa hình hẹp nhất Trung bộ và cả nước, lượng mưa lớn và lượng dòng chảy tập trung
nhanh nên khu vực đồng bằng hạ du sông Nhật Lệ thường bị ngập úng. Khi lũ tiểu
mãn xuất hiện hay những khi lũ ít thì việc chống ngập úng là hồn tồn được. Nhưng
khi lũ lớn thì hệ thống đê này lại hồn tồn ngập trong nước và cũng góp phần làm cho

việc tiêu thốt lũ trở nên khó khăn, tăng tình trạng ngập úng tại hạ lưu sơng Nhật Lệ.

7

PHẦN 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH

2.1. Lựa chọn mơ hình

Tiêu chí để lựa chọn cơng cụ mơ phỏng là mơ hình có thể mơ tả và diễn tốn
được dịng chảy trong sơng, dịng chảy qua các địa vật trên sơng (cầu, cống, đập
dâng...) và dịng chảy tràn trên bãi, đồng thời mơ hình đưa ra được kết quả cho việc
xây dựng bản đồ ngập lụt. Căn cứ vào các tiêu chí trên, nghiên cứu sử dụng kết hợp mơ
hình một chiều, hai chiều và mơ hình kết nối giữa mơ phỏng dịng chảy một chiều và
dịng chảy hai chiều để tính tốn mơ phỏng lũ tràn và xây dựng bản đồ ngập lụt. Mơ
hình một chiều mơ phỏng dịng chảy trong sơng suối và các cơng trình cầu cống trên
sơng, cịn mơ hình hai chiều mơ phỏng dịng chảy trên các vùng bãi tràn. Hiện nay chỉ
có một số mơ hình trên thế giới giải quyết được u cầu trên, như mơ hình Mike Flood
(Đan Mạch), mơ hình SoBek (Hà Lan)… nhưng các mơ hình này đều có bản quyền
nên việc sử dụng gặp nhiều khó khăn, địi hỏi kinh phí lớn để mua phần mềm. Với việc
có bản quyền mơ hình Mike và các ưu việt về tính năng và thuận tiện sử dụng của mơ
hình này đảm bảo được các tiêu chí của đề tài, đề tài sử dụng mơ hình Mike Flood để
tính tốn mơ phỏng dịng chảy lũ làm cơ sở cho việc đề xuất định hướng quy hoạch
phòng chống tiêu thốt lũ cho khu vực nghiên cứu.

2.2. Giới thiệu mơ hình

Mơ hình thủy lực Mike Flood là sự kết hợp giữa mô hình thủy lực một chiều
Mike 11 HD tính tốn dịng chảy trong kênh và mơ hình thủy lực hai chiều Mike 21
HD tính tốn thủy lực vùng bãi tràn.


+ Mơ hình thủy lực 1 chiều Mike 11 HD

Modun mơ hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mơ
hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các modun bao gồm dự báo lũ, tải
khuyếch tán, chất lượng nước và các modun vận chuyển bùn lắng không có cố kết.
Modun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo
tính liên tục và động lượng, nghĩa là phương trình Saint Venant.

Phương trình Saint Venant được thiết lập từ dạng phương trình chuẩn đối với
việc bảo toàn khối lượng và động lượng dựa trên bốn giả thiết sau:

- Nước là chất đồng nhất, khơng nén được, có thể bỏ qua thay đổi về khối lượng
riêng.

- Độ dốc của sông nhỏ, nên giá trị Cosin của góc độ dốc có thể coi bằng 1.

- Bước sóng của mặt nước phải lớn hơn độ sâu của sông, điều đó để đảm bảo rằng
dịng chảy tại mọi nơi có thể coi là song song với đường đáy sông.

- Trạng thái dòng chảy là dưới tới hạn. Trạng thái dịng chảy tới hạn thì phương
trình động lượng được giải với trường hợp tối giản, trong đó bỏ qua các thành
phần không tuyến tính.

8

Với những giả thiết nêu trên, hệ phương trình chuẩn về bảo tồn khối lượng và
động lượng có thể chuyển đổi thành phương trình 3.1 và 3.2 dưới đây, trong đó có xét
đến dịng chảy nhập lưu.

Phương trình liên tục:


Q A (3.1)
 q

x t

Phương trình động lượng:

 Q2 
 
 
Q  A  h QQ
(3.2)
  gA  g 2 0

t x x C AR

Trong đó:
Q: lưu lượng (m3/s).

x : chiều dài dọc theo dòng chảy (m).
g: gia tốc trọng trường (m3/s)
q: lưu lượng gia nhập bên đơn vị (m2/s)

R: bán kính thuỷ lực (m)
A: diện tích mặt cắt ướt (m2)

t: thời gian (s)
h: cao trình mặt nước (m)


C: hệ số Chezy.

 : Hệ số phân bố động lượng.

Trong chương trình Mike 11 hệ phương trình trên được biến đổi thành hệ
phương trình sai phân hữu hạn ẩn và được giải cho các lưới điểm (tại mỗi nút). Phương
trình Saint Venant ở trên được đơn giản hoá cho trường hợp mặt cắt ngang sơng là hình
chữ nhật. Mặt cắt sơng tự nhiên thường khơng phải là hình chữ nhật, vì vậy mơ hình
Mike 11 chia mặt cắt thành nhiều hình chữ nhật nhỏ theo hướng ngang và giải hệ
phương trình trên cho những hình chữ nhật đó và sau đó tổng hợp lại.

+ Mơ hình thủy lực 2 chiều Mike 21 HD

Mơ hình MIKE 21 được phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch (Denmark
Hydraulic Institute), là mơ hình 2 chiều lưới thẳng gồm các modun thủy lực, thủy văn,
chất lượng nước, vận chuyển bùn cát, vỡ đập v.v.... Hiện nay mơ hình đã được chuyển
giao, đào tạo và ứng dụng có hiệu quả tại một số cơ quan trong Bộ Nông nghiệp và
PTNT. Mô hình cũng được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về Hệ thống mơ
hình dự báo dịng chảy tại các nước trên thế giới như Anh, Ba Lan, Đức, Ấn Độ,
Bangladest, Trung Phi, Thái Lan, Trung Quốc, Indonesia... Mô hình MIKE 21-HD là

9

mơđun thủy động lực dùng để mơ hình hóa dịng chảy tràn, được dùng để mô phỏng sự
biến động mực nước, lưu lượng ứng với các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ
và các vùng chảy tràn. Mực nước, lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa
khu vực nghiên cứu khi có dữ liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió...

+) Mơ hình M K 21FM


Là mơ hình hai chiều được xây dựng và phát triển bởi Viện Thuỷ lực Đan Mạch
(DHI) từ cuối những năm 90. Mơ hình Mike 21FM đã có mặt tại Việt Nam vào tháng
11 năm 2005 qua con đường chuyển giao khoa học công nghệ giữa DHI và Viện Quy
hoạch Thuỷ lợi. Mike 21 lo model FM, FM được viết tắt của từ tiếng Anh lexible
mesh (nghĩa là lưới linh hoạt), cho thấy điểm nổi bật và khác biệt với những mơ hình
hai chiều khác về việc tạo lưới tính tốn mà thường là lưới chữ nhật hoặc lưới cong.
Đối với những mơ hình dựa trên lưới tính tốn hình chữ nhật cho lời giải có độ chính
xác vừa đủ trong việc mô phỏng vùng bãi sông. Đối với những đoạn sơng có địa hình
phức tạp, đặc biệt là ở những đoạn sông cong và các đoạn sông tồn tại bãi bồi dòng
chảy mở rộng và co hẹp đột ngột, u cầu phải có sự mơ phỏng chính xác đường biên
và điều đó đỏi hỏi việc sử dụng lưới linh hoạt. Và đây chính là điểm mạnh của Mike
21FM khi nghiên cứu chế độ thuỷ động lực sông.

Mike 21FM tạo lưới linh hoạt trong các mơ phỏng vùng tính tốn. Việc sử dụng
lưới linh hoạt so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số điểm lưới ít hơn vì có thể thay đổi
kích thước ơ lưới theo địa hình vùng tính tốn, mơ phỏng đường bao tốt hơn và do đó
kết quả tính tốn có độ chính xác cao hơn. Trong mơ hình lưới linh hoạt, bước thời
gian dài hơn có thể được sử dụng và độ phân giải của đường dịng chảy được cải thiện
nhiều hơn bởi vì đường lưới ln bám sát theo đường dịng chảy. Khi chạy mơ hình
lưới linh hoạt, do số điểm được định nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung
lượng trữ.

Module thủy động lực học là module tính tốn cơ bản của tồn bộ mơ hình Mike
21 FM, đưa ra cơ sở thủy động lực học cho các module còn lại, dựa trên cơ sở số hóa
các phương trình nước nơng hai chiều – Các phương trình Navier-Stokes trung bình
với hệ số Reynolds không nén kết hợp độ sâu. Như vậy mô hình bao gồm các phương
trình: liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ mặn và mật độ. Trong vùng làm việc thì cả hai
tọa độ đề các và tọa độ cầu đều được sử dụng. Tính rời rạc theo khơng gian của các
phương trình được thể hiện bằng cách sử dụng phương pháp lưu lượng giới hạn tập
trung theo ô. Vùng làm việc được phân chia thành nhiều vùng nhỏ là các ô liên tục mà

không chồng chéo lên nhau. Sử dụng lưới phi cấu trúc trên vùng làm việc theo chiều
ngang tạo thành các hình tam giác hoặc tứ giác. Mơ hình sử dụng hệ số xấp xỉ Riemann
để tính tốn các dịng đối lưu, từ đó có thể kiểm sốt các trạng thái khơng liên tục.

Với những ưu điểm về việc tạo lưới linh hoạt và những cơ sở khoa học của
Mike 21FM đã trình bày ở trên cho thấy mơ hình có khả năng ứng dụng đối với các bài
tốn nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu chế độ thuỷ lực tổng thể trên tồn đoạn sơng và chi tiết tại từng vị
trí. Bao gồm những đặc trưng về mực nước, lưu lượng, vận tốc dòng chảy và phân bố

10

của chúng theo phương ngang. Đặc biệt là khả năng tính tốn dịng chảy ở những đoạn
sơng đổi hướng lớn, thành phần quan trọng trong nghiên cứu xói lở và bồi đắp bờ sông;

- Tính tốn biến hình lịng dẫn (xói, bồi lịng sơng) và xói lở bờ sơng trong trạng
thái tự nhiên cũng như các phương án khai thác đoạn sông trong tương lai.

Trong nghiên cứu này sử dụng mơ hình MIKE 21FM với lưới tính phi cấu trúc
linh hoạt nhằm mơ phỏng tốt cho điều kiện địa hình phức tạp của lưu vực, đồng thời
tiết kiệm tối đa ơ lưới tính tốn.

a. Cấu trúc mơ hình

Mơ hình dịng chảy Mike 21 là một mơ hình trong bộ phần mềm Mike của DHI,
nó có các modun chính sau:

- Modun thuỷ động lực học (Hydrodynamic): mô phỏng chuyển động của dịng
chảy theo cả khơng gian và thời gian.


- Modun thuỷ động lực học và truyền tải khuyếch tán (Hydrodynamic and
Advection - Dispersion): có mơ phỏng thêm sự khuyếch tán của các chất.

- Modun thuỷ động lực học và vận chuyển bùn cát (Hydrodynamic and Mud
Transport).

- Modun thuỷ động lực học và chất lượng nước ECO Lab.

b. Các phương trình cơ bản trong Mike 21 FM

Mơ hình Mike 21 FM là mơ hình thủy động lực học mơ phỏng tốt mực nước và
dịng chảy ở vùng sơng, cửa sơng, vịnh và vùng biển. Nó mơ phỏng dịng chảy khơng
ổn định theo 2 hướng trong mỗi tầng chất lỏng và được ứng dụng rất rộng rãi.

Phương trình mơ phỏng bao gồm phương trình liên tục kết hợp với phuơng trình
động lượng mơ tả sự biến đổi của mực nước và lưu lượng. Lưới tính tốn sử dụng
trong mơ hình là lưới phi cấu trúc. Các phương trình mơ phỏng gồm 3 phương trình
dưới đây:

 p q (3.3)
  0

t x y

 p   p 2    pq    p2  q2 1    
       gh  gp 2 2   h  xx   h  xy 
  w  x
t x  h  y  h  x Ch y 
(3.4)


  q  fVV x  h pa  0

 w x

 q   q 2    pq    p2  q2 1    
       gh  gq 2 2   h  yy   h  xy 
  w  y
t y  h  x  h  y Ch x 
(3.5)

  p  fVV y  h pa  0

 w y

11

Trong phương trình các ký hiệu được sử dụng như sau:
h ( x, y , t ) - độ sâu mực nước tại điểm (x,y) tính từ 0

 ( x , y , t ) - cao độ mặt nước tính từ 0
p , q , ( x , y , z ) - mật độ thông lượng theo chiều x và y (m3/s/m=(uh,vh); (u,v) vận
tốc trung bình theo chiều sâu theo hướng x và y)
C ( x , y , t ) - hệ số Chezy (m1/2/s)

g - gia tốc trọng trường
f (V ) - hệ số ma sát gió

V ,V x ,V y ( x , y , t ) - vận tốc gió theo chiều x và y
 ( x , y ) - hệ số Coriolis(s-1)

p a ( x , y , t ) - áp suất khí quyển (kg/m/s2)
 w - mật độ nước (kg/m3)

x,y - tọa độ không gian (m)
t - thời gian (s)
 xx , xy , yy - các thành phần ứng suất tiếp

Phương pháp giải ẩn luân hướng (ADI) với thuật toán quét kép (DS) đối với ma
trận của từng hướng được sử dụng để giải số hệ phương trình liên tục và bảo tồn động
lượng của dịng chảy.
c. Khả năng ứng dụng của mơ hình

Modun thuỷ động lực học Mike 21 HD có thể ứng dụng:
- Tính tốn lưu lượng và vận tốc dòng chảy theo hai hướng, độ sâu mực nước và
cao trình mực nước của tất cả các điểm tính tốn ở tất cả các bước thời gian.
- Tính tốn các đặc trưng thuỷ văn trên khi có ảnh hưởng của các cơng trình
thuỷ lợi.
- Mơ phỏng và tính tốn tốt ở những vùng có ảnh hưởng triều như cửa sông ven
biển, vịnh, biển.
+ Mơ hình mơ phỏng lũ Mike Flood
Mike Flood là một hệ thống mơ hình thủy lực kết nối giữa mơ hình một chiều
Mike Urban, Mike 11 và mơ hình 2 chiều Mike 21 lưới chữ nhật hoặc Mike 21 FM
lưới phi cấu trúc.
Những đặc điểm nổi bật của Mike Flood:
- Bảo toàn động lượng qua các link liên kết.

12

- Liên kết bên, cho phép mơ phỏng dịng chảy tràn từ sông vào các bãi tràn.
- Có mơ phỏng các cơng trình thủy lực

- Công trình liên kết mơ phỏng dưới dạng ẩn.
- Mô phỏng các lỗ cống nơi kết nối giữa hệ thống cống, kênh tiêu với dòng chảy
tràn trên mặt.
- Có sự kết nối với GIS.
- Các liên kết giữa mơ hình 1 chiều và 2 chiều theo mọi hướng.
- Có các công cụ cho phép nhập và xem kết quả một cách dễ dàng.
- Có đầy đủ tài liệu hướng dẫn sử dụng với hệ thống trợ giúp trực tiếp.
Có nhiều lợi ích trong sử dụng mơ hình Mike Flood và nhiều ứng dụng được cải
thiện qua việc sử dụng nó, bao gồm:

 Ứng dụng mô phỏng lũ tràn
 Nghiên cứu sóng dâng do bão
 Tiêu thoát nước đô thị
 Vỡ đập
 Thiết kế các cơng trình thủy lực
 Ứng dụng cho vùng cửa sông rộng lớn.
Mơ hình Mike Flood là sự kết hợp giữa những đặc điểm tốt nhất của mô hình 1
chiều và mơ hình 2 chiều. Những khó khăn của mơ hình 1 chiều trong mơ phỏng dịng
chảy tràn bãi và vùng cửa sông, ven biển được mô phỏng tốt trong mơ hình 2 chiều. Việc
mơ phỏng các cơng trình và vận hành cơng trình chưa được mơ phỏng rõ ràng trong mơ
hình thủy lực 2 chiều thì trong mơ hình 1 chiều hồn tồn mơ phỏng tốt.

13

PHẦN 3. THU THẬP SỐ LIỆU
Tài liệu địa hình

a) Tài liệu bản đồ
Trong khuôn khổ nghiên cứu đã sử dụng bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 được cung
cấp bởi Trung tâm thông tin dữ liệu đo đạc và bản đồ, Cục đo đạc bản đồ Việt Nam

(Bộ TN&MT).
a) Tài liệu đo đạc bổ sung
Trong khn khổ thực hiện Dự án, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đo đạc bổ sung
địa hình các khu vực bãi ngập lũ hạ lưu sông Nhật Lệ. Đặc biệt tại khu vực thôn Hà
Thiệp và Trúc Ly (xã Võ Ninh- Quảng Ninh).

Hình 2. Khảo sát đo đạc trên lưu lực
Các thông tin về địa hình, số liệu đo đạc được biên tập, xử lý, đồng nhất về hệ tọa
đồ WGS84 phù hợp với mạng lưới thủy lực 1D đã được thiết lập ở các nghiên cứu
trước. Hệ cao độ sử dụng được quy chuẩn về mốc cao độ Quốc gia. Sau đó xây dựng
mơ hình cao độ số DEM với độ phân giải 10m cho tồn bộ khu vực nghiên cứu
(hình2).

14

Hình 3. Bản đồ số độ cao của lưu vực sông Nhật Lệ
15

PHẦN 4. THIẾT LẬP MIỀN TÍNH
4.1. Thiết lập miền tính mơ hình MIKE 21FM

Mơ hình MIKE 21 được sử dụng để tính tốn dịng chảy trên bãi ngập lũ, vùng
tính tốn 2 chiều trong vùng nghiên cứu được xác định trên cơ sở bản đồ địa hình kết
hợp số liệu điều tra khảo sát các trận lũ lịch sử nhằm đảm bảo vùng tính tốn bao trùm
được vùng ngập trên lưu vực. Từ bản đồ địa hình 1:10.000 do Bộ Tài nguyên và Môi
trường cấp, nghiên cứu đã tiến hành xây dựng lưới tính cho miền tính 2 chiều. Khu vực
nghiên cứu được rời rạc hóa theo lưới phần tử hữu hạn (FEM) với kích thước mỗi cạnh
ơ lưới từ 100 – 200m cho khu vực có địa hình tương đối bằng phẳng, cịn với những
khu vực có sự thay đổi nhiều về địa hình như hệ thống giao thơng, đê kè, hay các khu
dân cư thì lưới tính nhỏ hơn với kích thước thay đổi dần từ 30 – 100m (Hình 4.1).


Sau khi xây dựng mạng lưới thủy lực trong MIKE 11 và MIKE 21 nghiên cứu tiến
hành Coupling cà 2 mạng lưới thủy lực 1 chiều và 2 chiều, các liên kết bên được lựa
chọn để kết nối 2 mơ hình.

Hình 4. Miền tính 2 chiều trong vùng nghiên cứu
4.2. Kết nối mơ hình 1 -2 chiều trong MIKE FLOOD

Mạng sơng đưa vào tính tốn thuỷ lực bao gồm tồn bộ dịng chính và các phụ
lưu chính của vùng trung, hạ du trong lưu vực sông Nhật Lệ, cụ thể như sau:

 Dịng chính sơng Nhật Lệ: từ đoạn hợp lưu của sông Long Đại với sông Kiến
Giang đến cửa sông (Cửa Nhật Lệ);

16

 Sông Long Đại: từ trạm thuỷ văn Tám Lu đến nhập lưu vào sông Nhật Lệ.
 Sông Kiến Giang: từ trạm thuỷ văn Kiến Giang đến nhập lưu vào sông Nhật

Lệ.

Hình 5. Sơ đồ mạng thủy lực 1D vùng nghiên cứu
Còn vùng 2 chiều được bao bởi: phía Đơng là đường sắt, phía Tây và Tây nam là
đường bình độ +10m, phía Bắc là đường bình độ +9m, và tổng diện tích là 333 km2.

17

Vùng 2D

Hình 6. Sơ đồ vùng lưới tính 2D


Hình 7. Thực hiện kết nối mạng 1 -2D trên lưu vực sông Nhật Lệ
Mạng thủy lực 1D được kết nối với mơ hình 2D bởi 729 kết nối bên, được thể hiện
trong bảng 1.

Bảng 1. Lựa chọn kết nối trong mô hình MIKE FLOOD
18

Loại kết Sông Từ (km) Đến (km) Số điểm kết nối
nối Nhật Lệ 50
Kết nối bên Nhật lệ 0 17938 50
Phải Long Đại 12
Kết nối bên Long Đại 0 17930 13
trái Kiến Giang
Kết nối bên Kiến Giang 31523 35692 224
phải Sao Vàng 224
Kết nối bên Sao Vàng 31523 35692
trái Hội Dài 30
Kết nối bên Hội Dài 0 52082 30
phải Nhánh nội 43
Kết nối bên đồng 0 52082 43
trái 10
Kết nối bên 0 6833
phải
Kết nối bên 0 6833
trái
Kết nối bên 0 7106
phải
Kết nối bên 0 7106
trái

0 1017
Kết nối bên

4.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình

4.3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình mưa – dòng chảy

Trong báo cáo này, sử dụng mơ hình NAM để khơi phục số liệu dịng chảy tại
các tiểu lưu vực.

- Trận lũ 10/2010 sử dụng cho hiệu chỉnh

- Trận lũ 9/2012 sử dụng cho kiểm định

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình NAM được biểu diễn trong các hình 5
và 6.

19