Luận văn thạc sĩ về tác động của hồ chứa đến ngập lụt hạ lưu sông Lam

• Tác giả: Dinh Thi Hai Yen
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyen Hoang Son
• Trường học: Truong Dai Hoc Thuy Loi
• Chuyên ngành: Thuy Van
• Đề tài: Nghien Cuu Danh Gia Tac Dong Cua Cac Ho Chua Den Ngap Lut Ha Luu Song Lam
• Loại tài liệu: luan van
• Địa điểm: Ha Noi

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tổng quan các nghiên cứu trên lưu vực sông
• 1.4. Đặc điểm địa hình
• 1.5. Đặc điểm khí tượng, thủy văn
• 1.6. Đặc điểm kinh tế xã hội trên lưu vực
• 1.7. Tình hình ngập lụt vì thượng hồ chứa trên lưu vực
• 1.8. Hệ thống hồ chứa và đập dâng trên lưu vực sông Cả
• 1.9. Tình hình lũ, ngập lụt và thiệt hại trên lưu vực sông
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ DU HỒ CHỨA
• 2.1. Cơ sở khoa học lựa chọn mô hình tính toán ngập lụt hạ du hồ chứa
• 2.2. Mô hình vận hành hồ chứa HEC-RESSIM
• 2.3. Mô hình MIKE FLOOD
• 2.4. Mô hình mưa dòng chảy MIKE-NAM
• 2.5. Mô hình thủy lực MIKE 11 (1D)
• 2.6. Mô hình MIKE 21 Flow Model FM (2D)
• 2.7. Nguyên lý và phương pháp sử dụng xây dựng bản đồ ngập lụt
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG HỒ CHỨA ĐẾN HẠ LƯU SÔNG LAM
• 3.1. Xây dựng mô hình vận hành hồ chứa HEC-RESSIM
• 3.2. Thiết lập mạng lưới mô phỏng một chiều (MIKE 11)
• 3.2.1. Sơ đồ mạng lưới và biên tính toán
• 3.2.2. Tính toán biên đầu vào (nhập lưu khu giữa - NAM)
• 3.2.3. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số NAM
• 3.3. Thiết lập mô hình MIKE 21 (2D)
• 3.3.1. Thiết lập miền tính, lưới và địa hình vùng nghiên cứu
• 3.3.2. Thiết lập hệ thống đê, đường giao thông trên miền tính
• 3.3.3. Kết nối mô hình một chiều và hai chiều (MIKE FLOOD)
• 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.5. Kết quả hiệu chỉnh mô hình
• 3.6. Xây dựng các kịch bản mô phỏng vận hành hồ chứa
• 3.7. Đánh giá tác động của việc vận hành hồ chứa đến ngập lụt vùng hạ lưu sông
• 3.7.1. Đánh giá mực nước tại các trạm thủy văn hạ lưu sông Lam
• 3.7.2. Đánh giá ngập lụt vùng hạ lưu sông Lam
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tính cấp thiết của Đề tài

Lưu vực sông Cả là một hệ thống sông lớn ở vùng Bắc Trung Bộ với diện tích toàn lưu vực là 27.200 km². Mặc dù có diện tích lớn và nguồn nước dồi dào, sự phân bố nước lại không đồng đều, chủ yếu tập trung vào mùa lũ. Điều này gây ra nhiều khó khăn cho công tác chống lũ và ảnh hưởng đến phát triển kinh tế xã hội ở hạ du. Các hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết lũ và cung cấp nước cho các hoạt động kinh tế. Tuy nhiên, việc xả lũ từ các hồ chứa trong điều kiện mưa lớn có thể gây ngập lụt nghiêm trọng cho vùng hạ du. Do đó, việc đánh giá tác động của các hồ chứa đến ngập lụt hạ lưu sông Lam là cần thiết để nâng cao hiệu quả phòng chống lũ. Theo tác giả, nghiên cứu này không chỉ góp phần vào việc quản lý tài nguyên nước mà còn giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định đúng đắn trong việc vận hành hồ chứa, từ đó giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá tác động của các hồ chứa đến tình hình ngập lụt ở hạ lưu sông Lam trong bối cảnh có lũ lớn. Nghiên cứu sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc vận hành hồ chứa và tác động của chúng đến chế độ dòng chảy ở hạ lưu. Bằng cách sử dụng các mô hình toán học và dữ liệu thực tế, nghiên cứu sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về mối quan hệ giữa việc điều tiết hồ chứa và tình hình ngập lụt. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp xác định các kịch bản vận hành hồ chứa hiệu quả, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho việc quản lý nước và phòng chống lũ. Điều này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc bảo vệ tài sản và tính mạng của người dân sống ở vùng hạ du.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Cả, đặc biệt là khu vực hạ lưu sông Lam, nơi có nhiều hồ chứa thủy điện và thủy lợi. Đối tượng nghiên cứu bao gồm việc vận hành các hồ chứa và đánh giá tác động của chúng đến tình hình ngập lụt ở hạ lưu. Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thu thập và phân tích số liệu từ các nguồn tài liệu có sẵn, kết hợp với mô hình toán học để dự đoán các kịch bản ngập lụt. Nghiên cứu cũng sẽ xem xét các yếu tố tự nhiên như địa hình, khí hậu và thủy văn ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy và ngập lụt. Qua đó, nghiên cứu sẽ đưa ra những nhận định và khuyến nghị cụ thể cho việc quản lý và vận hành hồ chứa trong điều kiện khí hậu hiện tại.

IV. Tổng quan các nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Nghiên cứu về tác động của hồ chứa đến ngập lụt đã được thực hiện nhiều nơi trên thế giới, với việc sử dụng các công cụ mô hình toán học để tối ưu hóa vận hành hồ chứa. Các nghiên cứu này cho thấy rằng, nếu được vận hành hợp lý, các hồ chứa có thể giảm thiểu đáng kể thiệt hại do ngập lụt gây ra. Tại Việt Nam, nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng các hồ chứa có ảnh hưởng lớn đến chế độ lũ và ngập lụt ở hạ du. Các tác giả đã sử dụng nhiều mô hình khác nhau để đánh giá tác động của hồ chứa, từ đó đưa ra các kịch bản vận hành nhằm tối ưu hóa hiệu quả phòng chống lũ. Những kết quả này không chỉ có giá trị cho việc quản lý tài nguyên nước mà còn góp phần vào việc xây dựng các chính sách phòng chống thiên tai hiệu quả hơn.

V. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này dựa trên cơ sở khoa học từ các lý thuyết về thủy văn, khí tượng và mô hình toán học. Phương pháp nghiên cứu bao gồm thu thập và phân tích số liệu thực địa, sử dụng các mô hình toán học như HEC-RESSIM và MIKE FLOOD để mô phỏng tình hình ngập lụt và đánh giá tác động của hồ chứa. Các số liệu thu thập sẽ được xử lý và phân tích để đưa ra các kết quả đáng tin cậy. Ngoài ra, nghiên cứu cũng sẽ tham khảo các công trình nghiên cứu trước đây để rút ra kinh nghiệm và áp dụng vào nghiên cứu này. Kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày dưới dạng bản đồ ngập lụt và các kịch bản mô phỏng, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho công tác quản lý tài nguyên nước và phòng chống lũ.

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả, với diện tích khoảng 27.200 km², trong đó phần diện tích trên đất Việt Nam chiếm khoảng 17.730 km², là một trong những hệ thống sông lớn và quan trọng ở vùng Bắc Trung Bộ. Khu vực này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các hiện tượng khí tượng thủy văn như mưa lớn, bão và lũ lụt, đặc biệt là trong các tháng mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 10 hàng năm. Theo thống kê trong 52 năm (1959-2010), trung bình mỗi năm có khoảng 1,8 trận lũ lớn xảy ra trên lưu vực, gây ra thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển kinh tế - xã hội vùng hạ lưu.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào đánh giá tác động của các hồ chứa thủy điện và thủy lợi trên lưu vực sông Cả đến hiện tượng ngập lụt ở vùng hạ lưu sông Lam. Mục tiêu chính là phân tích ảnh hưởng của việc vận hành các hồ chứa trong điều kiện lũ lớn, từ đó đề xuất các giải pháp vận hành hồ chứa nhằm giảm thiểu ngập lụt, bảo vệ an toàn cho vùng hạ lưu và nâng cao hiệu quả phòng chống lũ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực sông Cả, đặc biệt tập trung vào vùng hạ lưu sông Lam thuộc các huyện Nam Đàn, Yên Thành, Diễn Châu, Thanh Chương, Anh Sơn, Hưng Nguyên, TX. Vinh (Nghệ An) và các huyện Đức Thọ, Can Lộc, Lộc Hà, TX. Hồng Lĩnh (Hà Tĩnh).

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác vận hành hồ chứa, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra, đồng thời hỗ trợ quy hoạch và quản lý tài nguyên nước hiệu quả trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng tần suất các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa và mô phỏng thủy văn thủy lực, bao gồm:

• Lý thuyết cân bằng nước và phương trình động lực: Áp dụng trong mô hình vận hành hồ chứa HEC-RESSIM để mô phỏng quá trình điều tiết dòng chảy và cân bằng nước trong hồ chứa.
• Mô hình thủy lực một chiều và hai chiều: Sử dụng mô hình MIKE 11 (1D) và MIKE 21 (2D) để mô phỏng dòng chảy trên mạng lưới sông và phân bố ngập lụt trên vùng đồng bằng.
• Mô hình thủy văn mưa-dòng chảy MIKE NAM: Mô phỏng quá trình chuyển hóa lượng mưa thành dòng chảy trên lưu vực, bao gồm các bể chứa tuyết, bể mặt, bể sát mặt và bể ngầm.
• Khái niệm chính: Vận hành hồ chứa, ngập lụt hạ lưu, dung tích hữu ích hồ chứa, tần suất lũ, mô hình dự báo lũ, bản đồ ngập lụt, quy trình vận hành liên hồ chứa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, kết hợp thu thập số liệu thực tế và mô hình toán học để đánh giá tác động của hồ chứa đến ngập lụt hạ lưu:

• Nguồn dữ liệu: Số liệu khí tượng thủy văn, địa hình, thủy lực, vận hành hồ chứa và các trận lũ lịch sử trên lưu vực sông Cả từ các trạm quan trắc như Sơn Diệm, Nam Đàn, Hòa Duyệt, Linh Cảm, Chu Lễ, Dừa, Yên Thượng.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các trạm thủy văn tiêu biểu trên lưu vực để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
• Phương pháp phân tích:
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy văn MIKE NAM với số liệu lũ các năm 1978, 2010, 2013, 2016.
  • Vận hành mô hình hồ chứa HEC-RESSIM để mô phỏng các kịch bản vận hành hồ chứa với các tần suất lũ khác nhau (1%, 0.5%, 0.1%).
  • Mô phỏng dòng chảy và ngập lụt hạ lưu bằng mô hình thủy lực MIKE FLOOD kết hợp MIKE 11 và MIKE 21.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu trong vòng 6 tháng, xây dựng và hiệu chỉnh mô hình trong 8 tháng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong 4 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của vận hành hồ chứa đến mực nước hạ lưu: Việc vận hành hồ chứa theo quy trình liên hồ chứa đã làm giảm đỉnh lũ tại các trạm hạ lưu như Nam Đàn, Dừa với mức giảm đỉnh lũ khoảng 5-10% so với trường hợp không vận hành hồ chứa. Ví dụ, tại trạm Nam Đàn, mực nước đỉnh lũ giảm từ 9,64 m xuống còn khoảng 9,1 m trong kịch bản vận hành hồ chứa.

2. Diện tích ngập lụt thay đổi theo kịch bản vận hành hồ chứa: Bản đồ ngập lụt cho thấy diện tích ngập lụt hạ lưu sông Lam giảm đáng kể khi áp dụng kịch bản cắt lũ với tần suất 1%, diện tích ngập giảm khoảng 10-15% so với trường hợp không cắt lũ. Ở tần suất lũ 0,1%, diện tích ngập giảm lên đến 20%.

3. Hiệu quả vận hành hồ chứa phụ thuộc vào tần suất lũ và dung tích hồ: Các hồ chứa lớn như Khe Bố, Chi Khê có dung tích hữu ích lần lượt khoảng 1.383 triệu m³ và 978 triệu m³, đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết lũ. Tuy nhiên, hiệu quả cắt lũ giảm khi tần suất lũ tăng cao do dung tích hồ không đủ để chứa toàn bộ lưu lượng lũ.

4. Tác động phối hợp của các hồ chứa: Việc phối hợp vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Cả giúp giảm thiểu ngập lụt hiệu quả hơn so với vận hành đơn lẻ từng hồ. Mô hình mô phỏng cho thấy sự phối hợp này có thể giảm đỉnh lũ tại các trạm hạ lưu từ 5% đến 12%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm đỉnh lũ và diện tích ngập lụt là do các hồ chứa được vận hành theo quy trình tạo dung tích đón lũ, hạ thấp mực nước hồ trước mùa lũ để tích trữ nước lũ, từ đó giảm lưu lượng xả về hạ lưu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về vận hành hồ chứa đa mục tiêu nhằm cân bằng giữa phòng chống lũ và phát điện.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy mô hình HEC-RESSIM kết hợp MIKE FLOOD là công cụ hiệu quả trong việc mô phỏng vận hành hồ chứa và đánh giá tác động ngập lụt. Việc xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết theo các kịch bản vận hành giúp các nhà quản lý có cơ sở khoa học để đưa ra quyết định vận hành hồ chứa phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường mực nước tại các trạm thủy văn, bảng thống kê diện tích ngập lụt theo từng kịch bản và bản đồ ngập lụt chi tiết thể hiện sự khác biệt giữa các phương án vận hành hồ chứa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng và áp dụng quy trình vận hành liên hồ chứa linh hoạt: Đề xuất các quy trình vận hành hồ chứa theo từng giai đoạn lũ với mục tiêu hạ thấp mực nước hồ trước mùa lũ, tạo dung tích đón lũ tối ưu nhằm giảm đỉnh lũ hạ lưu. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý hồ chứa và Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển hệ thống dự báo và cảnh báo lũ tích hợp: Tăng cường ứng dụng mô hình dự báo mưa, lũ kết hợp với mô hình vận hành hồ chứa để dự báo chính xác hơn, từ đó có kế hoạch vận hành hồ chứa kịp thời. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia và các địa phương, triển khai trong 3 năm tới.

3. Nâng cấp và mở rộng mạng lưới quan trắc thủy văn: Cải thiện chất lượng và độ phủ của các trạm quan trắc để cung cấp dữ liệu chính xác phục vụ mô hình hóa và vận hành hồ chứa. Chủ thể thực hiện là Bộ Tài nguyên và Môi trường, thời gian thực hiện 5 năm.

4. Tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức cộng đồng và cán bộ quản lý: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành hồ chứa, phòng chống lũ lụt cho cán bộ địa phương và cộng đồng dân cư vùng hạ lưu nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý địa phương, triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng quy trình vận hành hồ chứa, lập kế hoạch phòng chống lũ lụt hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại cho vùng hạ lưu.

2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn, thủy lực: Tham khảo phương pháp mô hình hóa tích hợp và kết quả phân tích để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vận hành hồ chứa và quản lý lũ.

3. Đơn vị vận hành hồ chứa thủy điện, thủy lợi: Áp dụng các kịch bản vận hành tối ưu nhằm cân bằng giữa mục tiêu phát điện và phòng chống lũ, nâng cao hiệu quả khai thác công trình.

4. Cộng đồng dân cư và các tổ chức xã hội tại vùng hạ lưu: Hiểu rõ tác động của hồ chứa đến ngập lụt, từ đó phối hợp với chính quyền trong công tác phòng chống và ứng phó thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Hồ chứa có thể giảm ngập lụt hạ lưu đến mức nào?
   Việc vận hành hồ chứa theo quy trình liên hồ chứa có thể giảm đỉnh lũ tại các trạm hạ lưu từ 5% đến 12%, đồng thời giảm diện tích ngập lụt khoảng 10-20% tùy theo tần suất lũ và dung tích hồ chứa.

2. Mô hình nào được sử dụng để mô phỏng vận hành hồ chứa và ngập lụt?
   Luận văn sử dụng mô hình HEC-RESSIM để vận hành hồ chứa và mô hình MIKE FLOOD kết hợp MIKE 11 và MIKE 21 để mô phỏng dòng chảy và ngập lụt hạ lưu.

3. Tại sao cần phối hợp vận hành liên hồ chứa?
   Phối hợp vận hành giúp tận dụng dung tích các hồ chứa trên lưu vực, điều tiết dòng chảy hiệu quả hơn, giảm thiểu ngập lụt và xung đột giữa các mục tiêu phát điện và phòng chống lũ.

4. Các kịch bản vận hành hồ chứa được xây dựng dựa trên cơ sở nào?
   Các kịch bản dựa trên số liệu lịch sử lũ, dung tích hồ chứa, tần suất lũ và quy trình vận hành hiện hành, nhằm đánh giá tác động trong các điều kiện lũ khác nhau.

5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa trong tương lai?
   Cần phát triển hệ thống dự báo lũ chính xác, nâng cấp mạng lưới quan trắc, đào tạo cán bộ vận hành và xây dựng quy trình vận hành linh hoạt, phù hợp với biến đổi khí hậu và điều kiện thực tế.

Kết luận

• Lưu vực sông Cả có đặc điểm khí tượng thủy văn phức tạp, với tần suất lũ lớn trung bình khoảng 1,8 trận/năm, gây ngập lụt nghiêm trọng vùng hạ lưu sông Lam.
• Việc vận hành hồ chứa theo quy trình liên hồ chứa có tác động tích cực trong việc giảm đỉnh lũ và diện tích ngập lụt, góp phần bảo vệ vùng hạ lưu.
• Mô hình HEC-RESSIM kết hợp MIKE FLOOD là công cụ hiệu quả để mô phỏng vận hành hồ chứa và đánh giá ngập lụt, hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước.
• Đề xuất các giải pháp vận hành hồ chứa linh hoạt, phát triển hệ thống dự báo lũ và nâng cấp mạng lưới quan trắc nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống lũ.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và tích hợp các yếu tố biến đổi khí hậu để hoàn thiện quy trình vận hành hồ chứa trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành hồ chứa cần phối hợp triển khai áp dụng các quy trình vận hành tối ưu, đồng thời đầu tư nâng cấp hệ thống dự báo và quan trắc để giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra.