Mô hình số 3D bài toán thấm khu vực phân lưu sông Hồng - Sông Đào

Nội dung text: Mô hình số 3D bài toán thấm khu vực phân lưu sông Hồng - Sông Đào

1. BÀI BÁO KHOA HỌC MÔ HÌNH SỐ 3D BÀI TOÁN THẤM KHU VỰC PHÂN LƯU SÔNG HỒNG - SÔNG ĐÀO Bùi Văn Trường1 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp, kết quả mô phỏng bài toán thấm khu vực phân lưu của sông Hồng - sông Đào bằng mô hình số 3D. Kết quả mô hình cho phép xác định các thông số của trường thấm ở bất kỳ thời điểm và vị trí nào trong khu vực, là cơ sở quan trọng cho việc tính toán, dự báo và lựa chọn các giải pháp xử lý đảm bảo ổn định hệ thống đê, kè và công trình. Phần cuối bài báo trình bày kết quả ứng dụng mô hình trong bài toán dự báo nguy cơ phát sinh biến dạng thấm ở nền đê khu vực phân lưu của sông. Từ khóa: Mô hình 3D, bài toán thấm, phân lưu sông. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ1 h(x, y, z) được mô tả bằng một phương trình Nơi dòng sông phân lưu và nơi sông chảy đạo hàm riêng (Todd D.K, 1980) như sau: uốn khúc là những nơi biên sông có hình thái  h  h  h h K K K W S (1) biến đổi phức tạp, dòng thấm từ sông về phía xx yy zz s trong đó: x x yK ,  Ky ,  Kz - zh ệ số thấm t theo đồng và từ đồng ra sông phát triển rất phức tạp. xx yy zz Đây cũng là nơi có chế độ thủy động lực, địa các hướng x, y và z; chất nền đê biến đổi rất phức tạp trong không h - cốt cao MN tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t; gian. Do vậy việc giải các bài toán thấm theo W - module dòng ngầm; bài toán phẳng thường kém chính xác và gặp Ss - hệ số nhả nước đơn vị (1/m). khó khăn khi chọn mặt cắt tính toán. Trong điều Phương trình (1) mô tả động thái của nước kiện đó, mô hình (MH) hóa hệ thống tự nhiên - dưới đất (NDĐ) trong môi trường không đồng kỹ thuật (TNKT) khu vực bằng mô hình số 3D nhất và dị hướng. Phương trình (1) cùng với các là phương pháp (PP) tiếp cận hợp lý. điều kiện biên, điều kiện ban đầu tạo thành MH Phần mềm Visual Modflow phiên bản toán học của dòng thấm. 4.2.0.151 được viết từ hệ phần mềm MODFLOW 2.2. Phương pháp giải của Mỹ có những tính năng hiện đại, linh hoạt, Trong thực tế, miền thấm có điều kiện rất cho phép mô phỏng khá đầy đủ các tính chất, phức tạp, do vậy (1) được giải bằng PP sai hình thái của môi trường và các hợp phần của hệ phân hữu hạn (Raudkivi A. J et al, 1975). Với thống. Sử dụng phần mềm này cùng với sự hỗ PP này, môi trường thấm được chia thành các trợ của hệ phần mềm Surfer, Mapinfor cho phép lớp. Mỗi lớp lại được chia thành các ô nhỏ. Từ mô hình hóa hệ thống TNKT khu vực phân lưu đó thiết lập được hệ phương trình có số phương của sông theo bài toán không gian, từ đó xác trình tương ứng với số ô lưới. Giải hệ phương định được các thông số của trường thấm ở bất trình này bằng PP lặp sẽ xác định được h(x, y, kỳ thời điểm và vị trí nào trong khu vực, là cơ z) ở bất kỳ thời điểm (t) nào đó trong môi sở quan trọng cho việc tính toán, dự báo và lựa trường thấm. chọn các giải pháp xử lý (GPXL) đảm bảo ổn 3. MÔ HÌNH SỐ 3D BÀI TOÁN THẤM định hệ thống đê, kè và công trình. 3.1. Cơ sở tài liệu của mô hình 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH Mô hình khu vực được xây dựng trên cơ sở 2.1. Mô hình toán học tổng hợp các loại tài liệu và số liệu sau (Bùi Sự biến đổi độ cao mực nước (MN) dưới đất Văn Trường, 2004, 2009): - Bản đồ địa hình, địa hình đáy sông; tài liệu 1 Bộ môn Địa kỹ thuật - Đại học Thủy lợi. đo vẽ cắt ngang đê sông; 68 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015)
2. - Tài liệu khảo sát ĐCCT-ĐCTV nền đê, tài trình. Để MH hóa bề mặt địa hình, tác giả sử liệu khảo sát ĐC, ĐCTV, môi trường các đề án; dụng phần mềm Surfer của Mỹ số hoá bản đồ - Số liệu quan trắc MNDĐ năm 1996, 2003, địa hình nền, xây dựng bản đồ bề mặt địa hình 2004; 3D để đưa vào mô hình. - Số liệu thuỷ văn trạm Nhật Tảo trên sông 3.2.2. Mô hình hóa các lớp đất nền Hồng và trạm Nam Định trên sông Đào; Trên cơ sở tài liệu địa chất nền đê, các công - Số liệu khí tượng (lượng mưa, bốc hơi, ) trình trên đê, , tiến hành lập hệ thống bản đồ của trạm Thái Bình, Nam Định. đẳng đáy và bản đồ đẳng bề dày các lớp đất để 3.2. Mô hình hóa hệ thống mô phỏng các lớp đất nền. Các bản đồ này đồng 3.2.1. Mô hình hóa bề mặt địa hình thời được sử dụng cho tính toán, chỉnh lý MH, Hình thái bề mặt địa hình bao gồm bề mặt tính toán xác định gradien áp lực thấm (ALT) đáy sông, bãi sông, công trình đê, là yếu tố của các lớp đất nền. Mô hình 3D mô phỏng khu quyết định sự tương tác giữa môi trường nước vực phân lưu của sông Hồng - sông Đào được sông với môi trường địa chất (MTĐC) và công thể hiện ở hình 01. Lớp 1- Sét pha dẻo mềm; Lớp 2- Sét pha kẹp cát, chảy; Lớp 3- Bùn sét pha xen kẹp cát; Lớp 4- Cát pha, chảy; Lớp 5 - Cát hạt nhỏ, chặt vừa-xốp; Lớp 6: Bùn sét pha. Hình 1. Mô hình 3D mô phỏng hệ thống tự nhiên - kỹ thuật khu vực phân lưu của sông trong môi trường 6 lớp 3.2.3. Tính thấm, giá trị bổ cập và bốc hơi có quan hệ thuỷ lực trực tiếp với NDĐ nên được Để mô phỏng trường thấm khu vực, từ số đặt là biên loại III (biên sông “River”). Biên này liệu ĐCTV, phân tích quy luật biến đổi bề dày được xác lập trên cơ sở quan hệ tương tác giữa và tính thấm của tầng chứa nước (TCN), đã môi trường nước sông với MTĐC và được xác tiến hành phân vùng và MH hóa độ nhả nước, lập theo các trường hợp cụ thể (hình 03). Diễn phân chia tính thấm và xây dựng sơ đồ phân biến MN trên biên sông theo các pha nước lũ dâng và rút được xác định theo tài liệu quan trắc vùng hệ số thấm của tầng chứa nước (hình 02). tại 2 trạm thuỷ văn Nhật Tảo và Nam Định Lượng mưa, bốc hơi tính toán trong MH được (Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia, 2008). xác định theo số liệu quan trắc của trạm Thái Trị số sức cản thấm C của sông được xác định Bình, Nam Định. theo các tài liệu khảo sát và nghiên cứu lớp bùn 3.2.4. Điều kiện biên của mô hình đáy sông. Tại khu vực phân lưu, sông đào cắt vào TCN, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015) 69
3. 3.2.5. Điều kiện mực nước ban đầu và hệ làm điều kiện ban đầu. Mạng lưới lỗ khoan quan thống lỗ khoan quan trắc trắc được thiết lập theo các mặt cắt ngang đê. Để chỉnh lý MH, mực nước tại thời điểm đầu Chuỗi số liệu quan trắc năm 2003 &2004 được của pha nước lũ dâng ngày 20/7/2004 được lấy cập nhật vào MH để so sánh với MN tính toán. Hình 2. Sơ đồ phân vùng hệ số thấm tầng chứa nước sau khi được mô hình hoá Hình 3. Sơ đồ điều kiện biên và lưới sai phân trong mô hình 3.3. Chỉnh lý mô hình lại diện mạo của trường thấm, cụ thể là bề mặt Dòng thấm nước dưới đất ở khu vực bị chi mực nước áp lực (MNAL) ở khu vực tại thời phối mạnh bởi chế độ thuỷ văn của sông, đặc điểm chỉnh lý. Lời giải của bài toán tìm được biệt là khi có lũ về. Năm 2004 ở hệ thống sông bằng PP giải lặp. Độ tin cậy của MH được xuất hiện 3 đợt lũ. Biến đổi MN rõ nét nhất từ đánh giá bởi sai số trung bình (ME), sai số ngày 20/718/8/2004 với 2 pha nước lũ dâng và trung bình tuyệt đối (MAE), sai số trung bình 2 pha lũ rút, do vậy đã chọn giai đoạn này để quân phương (RMS) và sai số trung bình quân chỉnh lý MH. Chuỗi số liệu quan trắc MN trong phương tiêu chuẩn (NRMS). Kết quả bài toán mùa lũ năm 2003 & 2004 là số liệu để kiểm tra chỉnh lý (bảng 01 & hình 04) đã xác lập được khi giải bài toán chỉnh lý không ổn định theo bề mặt MNAL cho mô hình ở thời điểm ngày các bước thời gian. 20/7/2004 (hình 05). Kết quả này phù hợp với 3.3.1. Kết quả bài toán chỉnh lý ổn định điều kiện tự nhiên và kết quả quan trắc MNAL Bài toán chỉnh lý ổn định nhằm khôi phục ở nền đê. 70 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015)
4. Bảng 1. Kết quả tính toán sai số mực nước 3.3.2. Kết quả chỉnh lý không ổn định theo bài toán chỉnh lý ổn định Bài toán chỉnh lý không ổn định đã xác lập được sự phân bố mực nước áp lực ở nền đê theo từng bước thời gian của 2 pha nước lũ dâng và 2 pha lũ rút. Điều kiện biên và các thông số của MH được chỉnh lý qua từng bước thời gian. Độ tin cậy của MH phản ánh qua sai số và tương quan giữa cốt cao MN trên MH với MN quan trắc thực tế tại các lỗ khoan ở các thời điểm đỉnh lũ 1 (ĐL1), chân lũ 1 (CL1), đỉnh lũ 2 (ĐL2), chân lũ 2 (CL2) được thể hiện ở bảng Hình 4. Tương quan MN tính toán 02, hình 06 & hình 07. với quan trắc theo bài toán chỉnh lý ổn định Bảng 2. Sai số MN theo kết quả bài toán chỉnh lý không ổn định Thời ME MAE RMS NRMS điểm (m) (m) (m) (%) ĐL1 0.002 0.009 0.010 0.36 CL1 0.002 0.009 0.009 0.89 ĐL2 0.002 0.009 0.010 0.62 Hình 5. Bản đồ đẳng mực nước áp lực CL2 0.005 0.016 0.018 1.77 theo bài toán chỉnh lý ổn định. Hình 6. Tương quan MN tính toán và quan trắc Hình 7. Biến đổi MN tính toán và quan trắc theo bài toán chỉnh lý không ổn định theo bài toán chỉnh lý không ổn định Kết quả chỉnh lý theo bài toán không ổn định theo hướng từ phía sông vào trong đồng làm gia cho thấy sự phù hợp với điều kiện tự nhiên và kết tăng áp lực ở nền đê (hình 08a). Mức độ gia tăng quả quan trắc MNAL theo từng bước thời gian. Ở phụ thuộc vào MN tác dụng ở phía sông và thời pha nước lũ dâng, dòng thấm chủ yếu vận động gian dâng lũ. Ở pha nước lũ rút dòng thấm phát KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015) 71
5. triển theo hai hướng, một hướng từ phía đồng ra phía đồng hình thành các đường phân thuỷ rất rõ sông và một hướng tiếp tục thấm từ phía sông về nét trên bản đồ đẳng áp (hình 08b). a b Hình 8. Bản đồ đẳng mực nước áp lực theo kết quả bài toán chỉnh lý không ổn định tại thời điểm đỉnh lũ (a) và chân lũ (b) 3.4. Kết quả mô hình trường thấm ở nền đê tại các thời điểm và vị Kết quả mô hình đã cho phép xác định trí khác nhau (hình 09), từ đó cho phép giải được mực nước áp lực, các thông số của các bài toán thấm chính xác và hiệu quả. a b c d Hình 9. Bản đồ đẳng cao trình mực nước áp lực khu vực phân lưu của sông tại thời điểm BĐI (a), BĐII (b), BBĐIII (c), ĐL (d) 72 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015)
6. 4. DỰ BÁO BIẾN DẠNG THẤM BĐII, BĐIII và ĐL (hình 09). Để thấy rõ tính ưu việt, độ chính xác và tiện 4.2. Xác định mực nước áp lực cho phép ích của MH, kết quả MH được ứng dụng cho bài Trên cơ sở kết quả thí nghiệm xác định cột toán dự báo khả năng phát sinh biến dạng thấm nước áp lực giới hạn của các lớp đất tầng phủ tại (BDT) ở nền đê. hiện trường và số liệu về cao độ bề mặt địa Bài toán dự báo được xây dựng với kịch bản, hình, chiều dày các lớp đất tầng phủ đã xác định trên hệ thống sông xuất hiện đợt lũ có cường được cột nước áp lực giới hạn, cột nước áp lực suất và tính chất tương tự đợt lũ lịch sử tháng 8 cho phép (Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ, năm 1996. Đây là đợt lũ lớn với những đặc 2008) và cao trình MNAL cho phép (Hcf). Từ trưng nguy hiểm nhất. Thời gian dự báo bắt đầu kết quả này, sử dụng PP nội suy Kriking bằng từ ngày 10/8÷26/8/1996 gồm 13 ngày lũ dâng phần mềm Surfer đã lập được bản đồ đẳng cao và 4 ngày lũ rút với các cấp báo động I (BĐI), trình MNAL cho phép tại khu vực. báo động II (BĐII), đỉnh lũ (ĐL), sau đỉnh lũ 4.3. Dự báo phạm vi phát sinh biến dạng thấm 2 ngày (SĐL2) và sau đỉnh lũ 4 ngày (SĐL4). Kết quả MH đã lập được hệ thống bản đồ BDT xảy ra tại vị trí có cột nước áp lực thực đẳng cao trình MNAL thực tế (Htt) ứng với các tế vượt quá cột nước áp lực cho phép của tầng thời điểm lũ (hình 09). Chập các bản đồ này với phủ thấm nước yếu. Do vậy, để dự báo khả năng bản đồ đẳng cao trình MNAL cho phép (Hcf) dễ phát sinh BDT cần xác định cao trình MNAL dàng xác định được phạm vi có nguy cơ phát thực tế khi có lũ và MNAL cho phép tại các vị sinh BDT theo từng thời điểm lũ. trí ở nền đê. Phạm vi có nguy có phát sinh BDT ứng với 4.1. Xác định áp lực thấm ở nền đê từng thời điểm lũ là phạm vi có Htt ở mức lũ Kết quả MH cho phép xác định được áp lực xem xét lớn hơn Hcf (hình 10). thấm ở nền đê tại từng tời điểm nước lũ. Phân bố Tổng hợp loạt bản đồ dự báo BDT theo từng áp lực lên đáy tầng phủ được thể hiện cụ thể trên mức lũ đã thành lập được bản đồ dự báo BDT loạt bản đồ đẳng MNAL ở mức báo động BĐI, cho các mức lũ ở khu vực nghiên cứu (hình 11). Hình 10. Bản đồ dự báo phạm vi phát sinh BDT khu vực phân lưu sông tại thời điểm đỉnh lũ (ĐL) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015) 73
7. g n å o h µ § g g n « S n « S Chó gi¶i : S«ng §ª chÝnh §ª bèi Kªnh dÉn Khu d©n sinh Ph¹m vi ph¸t sinh BDT ë thêi ®iÓm B§II, B§III, §L, Hình 11. Bản đồ dự báo phạm vi phát sinh BDT khu vực phân lưu sông theo các mức nước lũ Từ kết quả dự báo có thể rút ra một số nhận ổn định cho đê chính, đồng thời để khai thác xét như sau : quỹ đất vùng bãi sông có thể nghiên cứu xây - Cấu trúc nền đê ảnh hưởng rất lớn đến mức dựng các tuyến đê bối ngăn lũ ở phía ngoài. độ gia tăng và phân bố ALT ở dải ven đê. Mức - Mức độ nguy hiểm và phạm vi phát sinh độ và phạm vi ảnh hưởng được thể hiện rõ trên BDT phụ thuộc vào cấu trúc nền đê, MN lũ và MH và bản đồ đẳng MNAL theo từng thời thời gian duy trì lũ. Kết quả dự báo cho thấy, điểm, từng cấp báo động (hình 09). Phân tích phạm vi phát sinh BDT có thể phát triển đến vị loạt bản đồ này cho thấy, nơi sông sát đê, ALT trí cách chân đê 70-150m về phía trong đồng. Ở gia tăng mạnh, cùng pha với nước lũ, mức độ thời điểm sau đỉnh lũ 2-4 ngày, tình hình BDT nguy hiểm BDT rất cao; nơi có bãi sông phía vẫn có nguy cơ diễn ra rất nghiêm trọng. Nếu ngoài đê, MNAL gia tăng chậm pha hơn nhưng tầng phủ bị đào khoét, bóc mỏng hơn hoặc bị nguy cơ phát sinh BDT ở thời điểm sau đỉnh lũ xâm hại, BDT có thể phát sinh ở mức độ nguy cũng rất nguy hiểm. hiểm và phạm vi rộng hơn so với dự báo. - Những nơi có đê bối, có ảnh hưởng rất rõ 5. KẾT LUẬN đối với sự vận động của dòng thấm. Khi nước lũ - Mô hình số 3D với sự hỗ trợ của hệ phần chưa tràn qua đê bối, dòng thấm chủ yếu vận mềm Visual Modflow cho phép giải chính xác động theo phương ngang và nhận đê bối làm bài toán thấm. Mô hình này cho phép dự báo, biên sông, ALT biến đổi mạnh ở dải song song mô phỏng các GPXL từ đó có thể so sánh, lựa với đê bối, nguy cơ phát sinh BDT ở trong đê chọn phương án tối ưu, rất thuận tiện và chính chính chưa cao. Sau khi nước lũ tràn qua đê bối, xác ở những nơi có điều kiện ĐCCT-ĐCTV, dòng thấm xuyên phát triển ở vùng bãi giữa đê điều kiện biên và chế độ thủy văn biến đổi phức chính và đê bối, biên sông được dịch chuyển tạp ở khu vực phân lưu của sông, ở những đoạn vào sát đê chính, ALT biến đổi mạnh ở dải song sông cong và những nơi sông có hình thái biến song với đê chính. Khi đó BDT có nguy cơ phát đổi phức tạp. sinh ở phía trong đê chính với mức độ lớn và - Mô hình cho phép xác định trường phân bố, nguy hiểm hơn. Như vậy, để nâng cao khả năng biến đổi ALT trong không gian và thời gian. Kết 74 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015)
8. quả dự báo được xác định theo phạm vi trên mặt trong trường hợp lũ không cao và khi lũ đã bắt bằng là bức tranh rất cụ thể về nguy cơ phát sinh đầu rút. Kết quả dự báo phù hợp với tình tình BDT theo tình trạng lũ trên sông, đáp ứng kịp thời BDT đã diễn ra trong thực tế, là cơ sở quan cho công tác phòng chống lụt và quản lý đê điều. trọng xác định phạm vi có nguy cơ phát sinh - Dự báo BDT theo các mức lũ có ý nghĩa BDT (phạm vi nguy hiểm) từ đó lập hành lang thực tế rất lớn, cho phép xác định phạm vi cần bảo vệ đê phù hợp, giúp đơn vị quản lý và địa được bảo vệ ứng với từng mức lũ để chủ động phương xây dựng chiến lược bảo vệ đê theo phòng chống các sự cố có thể xảy ra ngay cả hướng trước mắt và lâu dài. TÀI LIỆU THAM KHẢO Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia (2008), Số liệu quan trắc thủy văn trạm Nhật Tảo, trạm Triều Dương, trạm Nam Định, Hà Nội. Bùi Văn Trường (2004), Nghiên cứu, đánh giá khả năng ổn định thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình, Báo cáo đề tài khoa học cấp tỉnh, Thái Bình. Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2008), Biến dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình và một số kết quả nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập công trình khoa học, Hội thảo khoa học toàn quốc “Tai biến địa chất và giải pháp phòng chống”, Hà Nội. Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2009), Nghiên cứu, dự báo biến dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình bằng phương pháp mô hình không gian, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội. Bùi Văn Trường (2009), Nghiên cứu biến dạng thấm nền đê hạ du sông Hồng địa phận tỉnh Thái Bình và đánh giá thực nghiệm các giải pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ thuật , Hà Nội. Bùi Văn Trường (2013), Cơ chế phá hủy thấm nền đê hạ du sông Hồng, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 4- 2013, Hà Nội. Raudkivi A. J., Callander R. A (1975), Analysis of groundwater, New Zealand. Todd D.K. (1980), Groundwater hydrology, John Wiley & Sons, New York chichester Bribane Toronto. Waterloo Hydrogeologic, Visual Modflow 4.2.0.151, Canada. Abstract: 3D MODEL FOR SEEPAGE PROBLEM RED RIVER REGION SHARE WITH DAO RIVER This article presents method, simulation results of seepage problem Red river area share with Dao river by 3D model number. The results of the model allows to identify the parameters of seepage field at any time and any location in the region, is an important basis for the calculation, forecasts and selection of handling, solutions ensure stability of the system of dykes, embankments and buildings. The last part of the article presents the results of modeling applications the problem arises risk prediction destruction seepage dyke foundation Keywords: 3D model, seepage problem, share of river flow. BBT nhận bài: 15/11/2015 Phản biện xong: 14/12/2015 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 51 (12/2015) 75