Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Thu Bồn có diện tích tự nhiên 4.256 km², giữ vị trí huyết mạch đối với sự phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng. Do đặc thù nằm trọn ở sườn Đông dãy Trường Sơn với độ dốc bình quân lưu vực lên tới 25%, dòng chảy tập trung nhanh và cường suất lũ thường diễn biến đặc biệt khốc liệt. Hàng năm, trên lưu vực xuất hiện từ 4 đến 5 trận lũ lớn, cá biệt có năm ghi nhận tới 7 đến 8 trận lũ, trong đó bão đóng góp khoảng 55% tần suất và không khí lạnh chiếm khoảng 23% các hình thế gây mưa sinh lũ cực đoan.

Sự hình thành và phát triển của hệ thống 73 hồ chứa nước trên địa bàn tỉnh Quảng Nam với tổng dung tích trữ khoảng 500 triệu m³, tiêu biểu là công trình thủy điện Sông Tranh 2 có dung tích toàn bộ 733,4 triệu m³ và công suất lắp máy 190 MW, đã làm thay đổi đáng kể chế độ thủy văn tự nhiên. Tuy nhiên, việc vận hành hồ chứa trong mùa mưa lũ cũng đặt ra những thách thức lớn đối với công tác kiểm soát rủi ro ngập lụt vùng hạ du.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng tác động của công trình hồ chứa đến dòng chảy lũ trên lưu vực sông Thu Bồn thông qua việc hoàn nguyên lũ tự nhiên và mô phỏng cơ chế điều tiết lũ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống sông Thu Bồn với trạm thủy văn khống chế Nông Sơn, khai thác chuỗi số liệu các trận lũ lịch sử năm 1998, 1999, 2007 và giai đoạn vận hành từ năm 2009 đến năm 2013. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo thủy văn và hỗ trợ các nhà quản lý xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa tối ưu nhằm bảo vệ an toàn tính mạng, tài sản của hàng triệu người dân hạ du.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng khung lý thuyết mô hình thủy văn tất định, dạng thông số gộp NAM (Nedbør-Afstrømnings-Model) kết hợp cùng mô hình điều tiết hồ chứa chuyên dụng HEC-RESSIM do Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn Công binh Hoa Kỳ (USACE) phát triển.

Mô hình NAM mô phỏng liên tục chu trình thủy văn thông qua cấu trúc 5 bể chứa tượng trưng cho các tầng trữ nước trong lưu vực: bể chứa mặt với giới hạn trữ ẩm Umax, bể chứa tầng rễ cây với dung tích hữu hiệu Lmax, bể chứa ngầm tầng trên và tầng dưới cùng bể chứa tuyết tan (được lược bỏ trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam). Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được định hình qua tham số thời gian truyền lũ CK12, trong khi dòng chảy ngầm được diễn toán qua tham số CKBF.

Mô hình HEC-RESSIM hoạt động dựa trên nguyên lý giải hệ phương trình vi phân cân bằng nước liên tục: dV/dt = Qvào(t) - Qra(t). Quá trình xả lũ có điều khiển qua các cửa van đập tràn và tuốc bin phát điện được giải tích thông qua thuật toán Runge-Kutta. Dòng chảy sau hồ xuống hạ du được diễn toán theo phương pháp Muskingum. Các khái niệm then chốt được vận dụng gồm: mực nước đón lũ (MNĐL), dung tích hữu ích (Whi = 521,1 triệu m³), lưu lượng đỉnh lũ thiết kế (P = 0,5% đạt 10.300 m³/s) và hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô hình bao gồm chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn đo đạc tại 2 trạm khí tượng (Đà Nẵng, Trà My), 12 trạm đo mưa phân bố đều trên các tiểu lưu vực và 5 trạm thủy văn chính (Nông Sơn, Giao Thủy, Câu Lâu, Vĩnh Điện, Hội An). Trạm thủy văn Nông Sơn có diện tích lưu vực khống chế khoảng 2.250 km² được lựa chọn làm mặt cắt kiểm định và đánh giá chính. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ chuỗi số liệu các đợt lũ điển hình với bước thời gian tính toán chi tiết 2 giờ (Δt = 2h). Phương pháp đa giác Thiessen được áp dụng để tính toán phân bổ trọng số mưa cho từng tiểu lưu vực.

Lý do lựa chọn phương pháp mô hình hóa thay vì phân tích thống kê thuần túy xuất phát từ thực tế công trình hồ thủy điện Sông Tranh 2 mới đi vào vận hành từ năm 2011, chuỗi số liệu thực tế sau khi có hồ chỉ ghi nhận khoảng 5 trận lũ, chưa đủ độ dài thống kê theo quy chuẩn thủy văn. Do đó, việc ứng dụng mô hình toán FORTRAN kết hợp bộ phần mềm MIKE NAM và HEC-RESSIM là giải pháp khoa học tối ưu để hoàn nguyên dòng chảy tự nhiên và mô phỏng các kịch bản vận hành thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình thủy văn NAM thể hiện độ chính xác cao trong quá trình khôi phục dòng chảy lũ tại lưu vực sông Thu Bồn. Kết quả hiệu chỉnh mô hình với trận lũ tháng 10 năm 2010 đạt chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe R² = 73,79% (xếp loại Khá), trong đó đường quá trình dòng chảy tính toán bám sát lưu lượng thực đo với đỉnh lũ xấp xỉ 1.200 m³/s. Quá trình kiểm định với trận lũ đặc biệt lớn tháng 9 năm 2009 đạt hệ số Nash-Sutcliffe R² = 72,10%, tái hiện chuẩn xác pha lên và pha xuống của trận lũ có lưu lượng đỉnh vượt 11.500 m³/s tại trạm Nông Sơn.

Hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2 với dung tích hữu ích 521,1 triệu m³ và diện tích hứng nước 1.100 km² đóng vai trò trọng yếu trong việc điều tiết dòng chảy lũ thượng nguồn. Phân tích hoàn nguyên và mô phỏng điều tiết trận lũ lớn năm 2007 (đỉnh lũ tự nhiên tại Nông Sơn đạt 10.233 m³/s) cho thấy công trình có khả năng cắt giảm từ 15% đến 28% lưu lượng đỉnh lũ tùy thuộc vào mực nước hồ trước khi đón lũ.

Bên cạnh khả năng giảm đỉnh lũ, sự vận hành của hồ chứa làm chậm thời gian truyền đỉnh lũ về hạ du tại trạm Nông Sơn từ 4 đến 8 giờ. Biên độ dao động mực nước hạ lưu giảm đáng kể, cường suất lũ lên trung bình giảm từ khoảng 28-49 cm/giờ xuống mức an toàn hơn, kéo dài thời gian chuẩn bị ứng phó cho các vùng trũng thấp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp công trình đạt hiệu quả cắt lũ cao là nhờ tỷ lệ dung tích phòng lũ lớn so với tổng lượng lũ đến tuyến đập kết hợp với quy trình duy trì mực nước đón lũ hợp lý trước mỗi đợt mưa bão. Địa hình lưu vực Thu Bồn có độ dốc lớn trên 30% ở vùng thượng du khiến dòng chảy dồn về lòng hồ với tốc độ rất cao. Việc mở cửa xả đáy hoặc duy trì dung tích trống trước khi đỉnh lũ xuất hiện giúp hấp thụ đáng kể năng lượng dòng chảy.

Biểu đồ hydrograph so sánh giữa đường quá trình dòng chảy thực đo và dòng chảy hoàn nguyên thể hiện rõ sự san phẳng đỉnh lũ. Dữ liệu quan hệ giữa cao trình mực nước, diện tích mặt nước và dung tích hồ (quan hệ Z-F-W) cho thấy khi mực nước dâng từ cao trình chết 140 m lên mực nước dâng bình thường 175 m, dung tích trữ tăng vọt từ 212,3 triệu m³ lên 733,4 triệu m³. So sánh với các nghiên cứu thủy văn trên lưu vực sông Hương và sông Ba, tỷ lệ cắt lũ 15% - 28% của hồ Sông Tranh 2 hoàn toàn tương đồng với các hồ chứa lớn có cửa xả sâu điều tiết tại khu vực miền Trung.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra hạn chế: nếu không kiểm soát chặt chẽ mực nước hồ trước lũ mà duy trì ở mức cao trên 170 m, dung tích đón lũ bị thu hẹp, hồ sẽ mất khả năng cắt lũ và buộc phải xả tràn với lưu lượng bằng lưu lượng đến, gây nguy cơ lũ nhân tạo chồng lũ tự nhiên tại vùng hạ lưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ban hành và thực thi nghiêm ngặt quy trình vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực trên lưu vực sông Thu Bồn. Cơ quan điều hành cần chủ động hạ mực nước hồ Sông Tranh 2 về cao trình đón lũ an toàn trước ít nhất 24 đến 48 giờ khi có bản tin cảnh báo mưa lớn diện rộng trên 200 mm, phấn đấu bảo đảm mục tiêu duy trì tỷ lệ cắt giảm lưu lượng đỉnh lũ hạ du tối thiểu 20%. Chủ thể thực hiện là Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Quảng Nam phối hợp với các chủ hồ.

Thứ hai, nâng cấp mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn chuyên dùng trong giai đoạn 2024-2026. Cần lắp đặt bổ sung từ 10 đến 15 trạm đo mưa tự động tại vùng thượng nguồn và các nhánh sông phụ lưu của hồ Sông Tranh 2, nâng tần suất đo đạc lên 15 phút/lần nhằm giảm thiểu sai số tính toán lượng mưa bình quân lưu vực. Đơn vị chủ trì là Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Công ty Thủy điện Sông Tranh.

Thứ ba, tích hợp bộ công cụ mô hình số NAM và HEC-RESSIM vào hệ thống phần mềm hỗ trợ ra quyết định trực tuyến. Hệ thống cần tự động cập nhật dữ liệu viễn thám và dự báo mưa định lượng theo thời đoạn 1 giờ để tự động tính toán lưu lượng lũ về hồ và đề xuất phương án mở cửa van xả tối ưu. Trách nhiệm triển khai thuộc về Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia và các đơn vị tư vấn kỹ thuật.

Thứ tư, hoàn thiện quy chế phối hợp liên tỉnh giữa tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng trong việc quản lý và vận hành tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. Cần thiết lập kênh chia sẻ dữ liệu trực tuyến minh bạch 100% về lưu lượng xả đáy, xả mặt và mực nước hồ chứa, giúp các huyện hạ du như Đại Lộc, Duy Xuyên, Điện Bàn và thành phố Hội An chủ động sơ tán dân cư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Cơ quan quản lý nhà nước và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai: Cán bộ thuộc Cục Quản lý Tài nguyên nước, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có thể sử dụng các chỉ số thủy văn và kịch bản mô phỏng trong luận văn để phê duyệt quy trình vận hành liên hồ và xây dựng bản đồ ngập lụt vùng hạ du.

Chủ đầu tư và đơn vị quản lý vận hành nhà máy thủy điện: Các kỹ sư vận hành tại Công ty Thủy điện Sông Tranh và Tập đoàn Điện lực Việt Nam có thể khai thác phương pháp tính toán cân bằng nước nhằm tối ưu hóa mục tiêu phát điện (sản lượng 679,6 triệu kWh/năm) đồng thời đảm bảo an toàn tuyệt đối cho đập và cắt lũ hiệu quả.

Đơn vị tư vấn quy hoạch và thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện: Các kỹ sư chuyên ngành có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp mô hình NAM và HEC-RESSIM với bước thời gian 2 giờ để áp dụng tính toán điều tiết hồ chứa cho các lưu vực sông dốc tại khu vực miền Trung.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu thuộc chuyên ngành Thủy văn học, Biến đổi khí hậu và Kỹ thuật tài nguyên nước về kỹ thuật hoàn nguyên dòng chảy và giải thuật điều tiết lũ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu phải sử dụng mô hình NAM để hoàn nguyên dòng chảy thay vì dùng số liệu thống kê truyền thống? Do hồ thủy điện Sông Tranh 2 mới đi vào hoạt động từ năm 2011 nên chuỗi số liệu sau khi có công trình chỉ có khoảng 5 trận lũ, chưa đủ điều kiện tối thiểu để áp dụng phương pháp phân tích tần suất thống kê. Mô hình NAM với 5 bể chứa giúp tái tạo chính xác quá trình mưa - dòng chảy tự nhiên từ số liệu mưa thực tế với hệ số Nash đạt trên 72%.

Hồ Sông Tranh 2 có dung tích bao nhiêu và khả năng cắt lũ cho trạm Nông Sơn như thế nào? Hồ chứa có dung tích toàn bộ đạt 733,4 triệu m³, dung tích hữu ích 521,1 triệu m³ và diện tích lưu vực hứng nước 1.100 km². Khi duy trì mực nước đón lũ đúng quy trình, hồ có khả năng cắt giảm từ 15% đến 28% lưu lượng đỉnh lũ tự nhiên tại trạm Nông Sơn, làm giảm áp lực ngập úng đáng kể cho hạ du.

Mô hình HEC-RESSIM đảm nhiệm chức năng gì trong nghiên cứu? Mô hình HEC-RESSIM thực hiện tính toán mô phỏng điều tiết hệ thống hồ chứa qua 3 mô-đun chức năng. Phần mềm giải phương trình cân bằng liên tục bằng giải thuật Runge-Kutta để tính toán chính xác lưu lượng xả qua tuốc bin và công trình xả tràn, kết hợp phương pháp Muskingum diễn toán truyền lũ dọc sông.

Độ tin cậy của bộ thông số mô hình thủy văn trong luận văn được đánh giá ra sao? Độ tin cậy được định lượng qua chỉ số Nash-Sutcliffe. Kết quả hiệu chỉnh với trận lũ năm 2010 đạt R² = 73,79% và kiểm định với trận lũ năm 2009 đạt R² = 72,10%. Cả hai giá trị đều nằm trong dải 65% - 85%, đạt chuẩn xếp loại Khá theo tiêu chuẩn quốc tế trong mô phỏng thủy văn lưu vực đồi núi.

Phương pháp nghiên cứu này có thể áp dụng cho các lưu vực sông khác không? Quy trình công nghệ kết hợp mô hình NAM và HEC-RESSIM với thời đoạn tính toán 2 giờ hoàn toàn có thể chuyển giao và áp dụng hiệu quả cho các lưu vực sông có độ dốc lớn trên 20%, sông ngắn dốc và mạng lưới trạm đo mưa phân tán tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ.

Kết luận

  • Thiết lập thành công bộ thông số mô hình thủy văn NAM cho lưu vực Nông Sơn khống chế 2.250 km² với chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe đạt từ 72,10% đến 73,79%.
  • Chứng minh định lượng vai trò của hồ chứa Sông Tranh 2 (dung tích 733,4 triệu m³) giúp cắt giảm 15% đến 28% lưu lượng đỉnh lũ và làm chậm thời gian truyền đỉnh lũ từ 4 đến 8 giờ.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng điều tiết liên hoàn HEC-RESSIM giải quyết bài toán cân bằng nước và xả lũ an toàn cho hạ du sông Thu Bồn.
  • Đề xuất giải pháp vận hành hồ đón lũ chủ động, kết hợp hài hòa mục tiêu phát điện công suất 190 MW và nhiệm vụ phòng chống thiên tai.
  • Hoàn thiện lộ trình hiện đại hóa mạng lưới đo mưa tự động và phần mềm cảnh báo sớm lũ trực tuyến cho giai đoạn 2024-2026.

Các cơ quan chức năng, ban quản lý hồ chứa và chính quyền địa phương cần khẩn trương nghiên cứu đưa bộ công cụ mô phỏng số vào áp dụng thực tế để nâng cao năng lực ứng phó thiên tai và phát triển bền vững lưu vực sông Thu Bồn.