ThS. Doãn Thị Nội Trường Đại học Giao thông vận tải ThS. Lê Thị Hải Yến Trường Đại học Thủy lợi Người phản biện: TS. Nguyễn Hoàng Sơn   PGS. TS. Trần Đình Nghiên

Tóm tắt: Mô hình toán được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật vì ưu điểm là có thể thay đổi phương án linh hoạt, khối lượng tính toán nhanh và phạm vi tính toán rộng. Hiện nay, việc tính toán thủy văn thiết kế đối với công trình thoát nước trên đường bộ vẫn sử dụng các công thức kinh nghiệm (22TCN273-05)[5]. Trong điều kiện biến đổi khí hậu, các thông số tính toán đã thay đổi nên việc sử dụng mô hình toán là rất cần thiết. Bài báo trình bày nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn (HEC-HMS) kết hợp với hệ thông tin địa lý (GIS) để tính toán lũ cho lưu vực cầu Thác Giềng thuộc tỉnh Bắc Kạn. Kết quả bước đầu cho thấy sự phù hợp và tiện dụng của mô hình HEC-HMS trong tính toán dòng chảy lũ thiết kế cho công trình cầu.

Từ khóa: Cầu Thác Giềng, mô hình HEC-HMS, dòng chảy, GIS, mô hình toán.

Abstract: Mathematical modeling are widely applied in dirferent fields because of advantages that it can change flexible plans, short time calculation andlarge range. Currently,the calculation of design hydrology for drainage work on the road often use the empirical formula(22TCN273-05)[5]. In the climate change, the parametershas changed so using the mathematical model is necessary. This paper presents the research and application of hydrologic mathematical modeling (HEC-HMS) combined with geographic information systems (GIS) to calculate flood in Thac Gieng bridge in Bac Kan province. Initial results show the suitability and usability of the HEC - HMS model to calculatedesignflood for bridges.

Keywords: Mathematical model, GIS, runoff,  HEC-HMS, Thac Gieng bridge.

1. Giới thiệu

Tính toán thủy lực, thủy văn là một nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế công trình thoát nước trên đường. Các tuyến đường xây dựng phải đảm bảo yêu cầu về thoát lũ. Nội dung tính toán bao gồm: Xác định lưu lượng và mực nước thiết kế theo cấp đường; đề xuất mực nước thiết kế nền đường và thiết kế cầu; xác định khẩu độ và diện tích cần thiết thoát nước dưới cầu cống; dự tính xói lở tại trụ mố cầu [1,3,4].

Phương pháp tính lưu lượng thiết kế lũ trong giao thông từ năm 1995 đến nay bằng công thức kinh nghiệm (công thức cường độ giới hạn, công thức triết giảm, công thức Xôkôlôpxky...)[2,5]. Các công thức dựa trên giả thiết về cường độ mưa, thấm không thay đổi suốt trận mưa và đường quá trình lũ lên xuống dạng tam giác. Các giả thiết này làm cho bài toán tính toán trở nên đơn giản, tuy nhiên các quá trình vật lý trên lưu vực không được mô tả đầy đủ.

Những năm gần đây, biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho các hình thế thời tiết cực đoan có xu thế tăng [8]. Mặt khác, các hoạt động phát triển kinh tế (khai thác mỏ, phá rừng đầu nguồn, chuyển đổi mục đích sử dụng đất) làm thay đổi hiện trạng đất, độ dốc và thảm phủ thực vật dẫn đến hệ số dòng chảy lũ thay đổi. Để đáp ứng yêu cầu thực tế, cần phải tiếp cận phương pháp hiện đại (phương pháp mô hình toán kết hợp với GIS) để tính khối lượng dữ liệu lớn, thay đổi linh hoạt các phương án, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn công trình trong mùa lũ.

Mô hình toán HEC-HMS đang được ứng dụng để tính toán thủy văn từ số liệu khí tượng phục vụ cho nhiều lĩnh vực. Ưu điểm của việc sử dụng mô hình HEC-HMS có 1.260 sự lựa chọn để mô phỏng một bài toán thủy văn khu vực công trình cầu thay vì với các công thức kinh nghiệm chỉ cho một kết quả tương đối với sự lựa chọn duy nhất. Việc tích hợp bản đồ GIS (hệ thống thông tin địa lý) cho phép mô phỏng lũ tại công trình cầu, hay bất kỳ vị trí nào trên hệ thống sông. Ngoài ra, mô hình có thể mô phỏng bản đồ ngập lụt khu vực cầu và tích hợp mô hình HEC-RAS để mô phỏng diễn biến lòng sông khu vực cầu. Nghiên cứu đã trình bày tóm tắt kết quả áp dụng kết hợp mô hình HEC-HMS và GIS trong tính toán thủy văn thiết kế cho cầu Thác Giềng thuộc tỉnh Bắc Kạn.

2. Phương pháp nghiên cứu

Trong tính toán thủy văn phục vụ thiết kế cầu đường luôn đòi hỏi phải xác định các đặc trưng lưu vực đến vị trí công trình cầu như: Diện tích, chiều dài, chiều rộng bình quân lưu vực, độ dốc, độ nhám. Trước đây, để tính các đặc trưng này cần phải đi điều tra khảo sát thực địa kết hợp với sử dụng bản đồ giấy. Nhưng với sự phát triển của công nghệ thông tin hiện nay, ta hoàn toàn có thể làm được việc này bằng việc sử dụng GIS và RS để lập bản đồ và xác định các đặc trưng lưu vực theo mô hình số hóa độ cao DEM. Kết quả từ phương pháp GIS và RS sẽ là đầu vào cho mô hình mưa rào dòng chảy, HEC-HMS.

- Phương pháp viễn thám và GIS: Phục vụ phân chia lưu vực khu vực tính toán, lập mạng lưới làm đầu vào cho mô hình toán, lập bản đồ.

- Phương pháp mô hình toán: Tính toán dòng chảy từ mưa đến cầu Thác Giềng.

2.1. Giới thiệu mô hình HEC-HMS

Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System)[7] là phần mềm do các kỹ sư thuộc Trung tâm Thủy văn Công trình thuộc (Cục Kỹ thuật Quân đội Hoa Kỳ) thực hiện. Đây là mô hình mưa rào - dòng chảy dạng tất định, có thông số phân bố. Một lưu vực sông chia thành các lưu vực nhỏ, nhiều hồ chứa, nhiều nhánh sông và các công trình như cầu cống, trạm bơm, đập dâng, kênh chuyển nước từ vùng này sang vùng khác...

- Cấu trúc của mô hình:

+ Basin Model (mô hình lưu vực): Chứa các yếu tố của lưu vực, liên kết và các thông số của dòng chảy;

+ Meteorologic Model (mô hình khí tượng): Chứa các dữ liệu về mưa và bốc hơi;

+ Control Specifications (Các chỉ tiêu điều khiển): Bao gồm thời khoảng tính toán, thời gian bắt đầu và kết thúc tính.

2.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình

Hình 2.1: Cơ sở lý thuyết của mô hình

2.3. Ứng dụng HEC-HMS tính thủy văn thiết kế cho cầu Thác Giềng

2.3.1. Giới thiệu tóm tắt về lưu vực

Sông Cầu thuộc hệ thống sông Thái Bình, bắt nguồn từ các suối chảy trên vùng núi Tam Tao (thuộc địa phận các xã Bằng Phúc, Phương Viên huyện Chợ Đồn). Từ đây, sông Cầu theo hướng chủ yếu Tây - Đông đến thị xã Bắc Kạn ngoặt tại xã Mỹ Thanh, chuyển hướng Bắc - Nam tới xã Quảng Chu (tỉnh Thái Nguyên). Từ thượng nguồn đến Phả Lại (nơi hợp lư­u giữa sông Cầu với sông Thư­ơng và sông Lục Nam thành sông Thái Bình). Sông Cầu dài 288km, trong đó phần qua địa phận Bắc Kạn là 103km, là sông lớn và quan trọng nhất ở Bắc Kạn. Sông Cầu tiếp nhận nguồn nước chảy chủ yếu sườn phía tây cánh cung Ngân Sơn, cung cấp nư­ớc canh tác cho nông - lâm nghiệp, cho các cơ sở công nghiệp, n­ước sinh hoạt của dân c­ư và có vị trí giao thông đ­ường thủy chính yếu của tỉnh.

Quốc lộ 3B chạy dọc sông Cầu đến lý trình Km1+119 xã Xuất Hóa, thị xã Bắc Kạn thì vượt sông bằng công trình cầu dây văng Thác Giềng. Cầu xây dựng năm 1999 và đưa vào khai thác năm 2000.

Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của cầu

 - Vị trí cầu trên Google Earth và ảnh công trình cầu:

Hình 2.2: Hình ảnh cầu Thác Giềng

 2.3.2. Số liệu tính toán

- Số liệu mưa giờ tại ba trạm khí tượng: Chợ Rã, Ngân Sơn và Bắc Kạn từ năm 2008 - 2013 (phần số liệu khí tượng nhiều cho nên trong phần nội dung này chỉ trích phần đồ thị của các trạm). Với mục đích nghiên cứu về thủy văn cầu đường, bài báo đã thu thập và sử dụng mưa giờ trong các năm điển hình gần đây có lượng mưa lớn gây ngập lụt nhiều vị trí trên các tuyến đường.

Hình 2.3: Quá trình mưa tại ba trạm Ngân Sơn, Chợ Rã (tỉnh Bắc Kạn)

 - Số liệu lưu lượng tại trạm Gia Bảy (tỉnh Thái Nguyên) từ 2008 - 2013.

2.3.3. Phân chia lưu vực

Ứng dụng phần mềm Arc GIS 10, tiến hành chia lưu vực sông Cầu đến trạm Gia Bảy thành 5 lưu vực con: Sông Cầu 1, sông Cầu 2, sông Suối Cái, sông Chợ Chu và sông Du. Phần mềm HEC-HMS cho phép tổ hợp dòng chảy tại cửa ra theo sơ đồ tính toán đã lập sẵn cho vùng nghiên cứu.

Hình 2.4: Sơ đồ chia lưu vực sông Cầu GIS và mô hình HEC-HMS

 2.3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

- Hiệu chỉnh mô hình: Chạy mô hình với bước tính là một giờ, sau khi hiệu chỉnh để mô phỏng đường quá trình lũ tính toán phù hợp với số liệu thực đo lũ năm 2009 tìm được bộ thông số cho mô hình. Quá trình hiệu chỉnh bao gồm: Tính tổn thất theo đường cong SCS-Curver number, tính dòng chảy ngầm theo dạng đường cong nước rút (recession), chuyển đổi dòng chảy theo đường lũ đơn vị của Snyder, phương pháp diễn toán lũ theo phương pháp Muskingum.

- Kiểm định mô hình: Sử dụng trận lũ năm 2010 để kiểm định (trial) lại các thông số của mô hình, kết quả nghiên cứu là bộ thông số tối ưu dùng để dự báo lũ hoặc tính toán lũ tại cầu Thác Giềng hoặc các công trình khác dọc tuyến sông.

2.3.5. So sánh kết quả mô phỏng bằng mô hình và phương pháp tính kinh nghiệm

- Kết quả tính theo mô hình HEC-HMS

Hình 2.5: Biểu đồ quá trình lũ

Kiểm tra với chỉ số Nash với giá trị là 0,97 chứng tỏ khả năng mô phỏng lũ tốt. Bộ thông số của mô hình được liệt kê theo Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Bộ thông số của mô hình

 Ứng dụng bộ thông số này để tính và xuất được kết quả tại cầu Thác Giềng: Bản đồ lưu vực cầu, đỉnh lũ, đường quá trình lũ:

+ Đỉnh lũ thiết kế là 678,6 m³/s;

+ Tổng lượng lũ là 47,668.10³m³;

+ Bản đồ lưu vực ở Hình 2.4.

Hình 2.6: Đường quá trình lũ và kết quả từ mô hình HEC-HMS

 - Kết quả tính bằng công thức kinh nghiệm (22TCN-273-05).

Để so sánh kết quả của tính toán theo mô hình với kết quả theo một trong các công thức đang được sử dụng trong Tiêu chuẩn 22TCN-273-05 (Công thức Xôkôlôpxky) tiến hành tính lưu lượng:

 (1)

Trong đó:

F - Diện tích lưu vực, km2; a - Hệ số dòng chảy; δ - Hệ số xét ảnh hưởng ao hồ dầm lầy;  H_T - Lượng mưa tính toán ứng với thời gian tập trung nước, mm; H₀ - Lớp nước tổn thất ban đầu, mm; f - Hệ số hình dạng lũ; Qng - Lưu lượng nước ngầm (m³/s); T_l - Thời gian lũ lên, (h).

Sử dụng số liệu khí tượng đã thu thập và các đặc trưng lưu vực, tính toán lưu lượng lũ thiết kế tại cầu Thác Giềng (22TCN -273 - 05) theo công thức Xôkôlôpsky là: 643.2m³/s.

Bảng 2.3. Số liệu tính toán theo Xôkôlôpsky

 - So sánh

+ Công thức Xôkôlôpxky xây dựng biểu đồ lũ là hai đường cong với f là hệ số hình dạng lũ. Hệ số này lấy theo kinh nghiệm. Với bất kỳ trận lũ nào cũng có một dạng đường cong tương tự.

+ Mô hình HEC-HMS mô phỏng hình dạng quá trình lũ phụ thuộc vào hình dạng quá trình mưa thiết kế Hình 2.6, với mỗi thông số về mưa, lưu vực như độ dốc hay thảm phủ thực vật cho đường quá trình khác nhau và đỉnh lũ khác nhau, thời gian từ khi xuất hiện đỉnh mưa đến lúc xuất hiện đỉnh lũ là T_lag.

Việc tích hợp cả bản đồ GIS vào mô hình cho phép quá trình tính toán mô tả việc phân chia lưu vực tự động, xác định hướng dòng chảy, xác định các đặc trưng lưu vực, kết nối các nhánh sông để diễn toán quá trình dòng chảy đến các nút hoặc cửa ra của lưu vực, mô phỏng bản đồ ngập lụt khu vực cầu. Kết quả tính bằng mô hình HEC-HMS với giá trị đỉnh lũ (678,6m³/s) lớn hơn so với công thức kinh nghiệm (643,2m³/s) cho thấy cần phải đánh giá lại các công thức kinh nghiệm (số liệu, hệ số và cơ sở tính toán) cho phù hợp với yêu cầu thực tế.

3. Kết luận và kiến nghị

Cầu Thác Giềng xây dựng từ năm 1999, với yêu cầu về tính toán thủy văn ở thời điểm đó theo 22 TCN 220-95 (tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ). Trong đó chỉ tính toán lưu lượng đỉnh lũ dựa vào mưa một ngày lớn nhất, theo công thức Xôkôlôpsky mà chưa tính tổng lượng thiết kế.

Theo kết quả sau khi tính thử nghiệm đối với lưu vực sông Cầu - Thác Giềng cho thấy việc ứng dụng mô hình HEC-HMS kết hợp viễn thám và GIS để tính thủy văn cầu đường (thủy văn thiết kế) có tính hiệu dụng và chính xác so với các phương pháp truyền thống. Kết quả này là cơ sở xác lập bài toán nhằm xây dựng hệ thống tiêu chuẩn đồng bộ cho thiết kế cầu đường trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay.

Hạn chế của mô hình là ứng dụng tốt cho các lưu vực có nhiều số liệu thủy văn (mực nước và lưu lượng thực đo), thường ở những lưu vực lớn. Đối với các lưu vực nhỏ và ít số liệu hơn có thể sử dụng một số công thức kinh nghiệm theo 22TCN-273-05, hoặc kết hợp cả hai phương pháp.

Tài liệu tham khảo

[1]. Trần Đình Nghiên và nnk (2003), Thuỷ văn công trình tập 1, NXB. GTVT.

[2]. Bộ GTVT, Tính toán đặc trưng dòng chảy lũ, 22TCN -1995.

[3]. Trần Đình Nghiên (2003), Thiết kế thủy lực cho dự án cầu đường, NXB. GTVT.

[4]. Bộ GTVT (2006), Sổ tay tính toán thủy văn thủy lực cầu đường.

[5]. Bộ GTVT, Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô, 22TCN -273 -01, 05.

[6]. Lê Văn Nghinh và nnk (2005), Mô hình toán thủy văn, NXB. Nông nghiệp.

[7]. Bộ mô hình Hec (http://www.hec.usace.army.mil/software/hechms).

[8]. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam.