Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình công nghiệp hóa và phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng nước cho các ngành sản xuất và dân sinh không ngừng gia tăng. Sự gia tăng này làm sâu sắc thêm mâu thuẫn giữa quy luật phân phối nguồn nước tự nhiên vốn không đồng đều theo không gian, thời gian và nhu cầu thực tế của nền kinh tế. Dòng chảy sông ngòi tại khu vực Nam Bộ nói chung và tỉnh Đồng Nai nói riêng có sự phân hóa mùa sâu sắc: mùa lũ tập trung khoảng 79% - 80% tổng lượng dòng chảy năm nhưng thường gây ngập úng cục bộ, trong khi mùa kiệt chỉ chiếm 20% - 21% dẫn đến tình trạng thiếu nước tưới nghiêm trọng tại nhiều khu vực. Điều tiết dòng chảy bằng hệ thống hồ chứa là công cụ kỹ thuật then chốt nhằm tái phân phối nguồn nước, bảo đảm an ninh tài nguyên nước và giảm thiểu rủi ro thiên tai.
Hồ chứa Sông Mây là công trình thủy lợi đầu mối cấp IV, được xây dựng từ năm 1978 và đưa vào vận hành từ năm 1981 trên địa bàn xã Bắc Sơn, huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai. Công trình có diện tích lưu vực $41\text{ km}^2$, dung tích thiết kế 15 triệu $\text{m}^3$, phục vụ tưới tiêu cho gần 1.000 ha đất canh tác lúa ba vụ, hoa màu và hơn 320 ha nuôi trồng thủy sản. Sau hơn 36 năm khai thác liên tục, sự biến động về phương thức canh tác, gia tăng diện tích sản xuất nông nghiệp và suy giảm nguồn nước đến đòi hỏi phải tính toán, đánh giá lại năng lực điều tiết của công trình để xây dựng quy trình vận hành hợp lý.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Ứng dụng mô hình thủy văn HEC-HMS để mô phỏng và tính toán quá trình dòng chảy đến hồ chứa Sông Mây.
- Ứng dụng mô hình HEC-ResSim để tính toán điều tiết cấp nước, từ đó đánh giá định lượng khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng nước ở hạ du của hồ chứa Sông Mây.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan điều kiện địa lý tự nhiên, dân sinh kinh tế và hiện trạng công trình thủy lợi tỉnh Đồng Nai.
- Thu thập, chỉnh biên và đồng bộ hóa chuỗi dữ liệu khí tượng, thủy văn và đặc trưng công trình hồ chứa Sông Mây.
- Tính toán mô hình mưa thiết kế và ứng dụng mô hình HEC-HMS xác định quá trình dòng chảy đến hồ.
- Tính toán nhu cầu dùng nước thực tế tại hạ du và ứng dụng mô hình HEC-ResSim để mô phỏng bài toán điều tiết hồ chứa.
- Đánh giá khả năng cấp nước và đề xuất nguyên tắc vận hành công trình.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy đến lưu vực và chế độ điều tiết cấp nước của hồ chứa Sông Mây.
- Phạm vi không gian: Lưu vực hồ chứa Sông Mây thuộc hệ thống sông Buông (sông Lá Buông), huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai với diện tích lưu vực $41\text{ km}^2$.
- Phạm vi thời gian và dữ liệu: Chuỗi số liệu khí tượng - thủy văn quan trắc liên tục 30 năm (giai đoạn 1978 - 2007) từ các trạm đo lân cận đại diện gồm An Viễn, Thống Nhất, Trị An và trạm khí tượng Biên Hòa.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết thủy văn công trình, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và ứng dụng các bộ công cụ mô hình toán chuyên ngành:
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan vùng nghiên cứu
Chương này trình bày chi tiết về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh Đồng Nai và hiện trạng kỹ thuật hồ chứa Sông Mây:
- Đặc điểm tự nhiên: Tỉnh Đồng Nai có diện tích tự nhiên $589.473\text{ ha}$, địa hình chuyển tiếp từ cao nguyên xuống đồng bằng với $78%$ diện tích có độ dốc $< 3^\circ$, $16%$ diện tích có độ dốc $3^\circ - 8^\circ$. Đất đai gồm 3 nhóm chính: đất phát triển trên đá bazan ($39,1%$), đất trên phù sa cổ và phiến sét ($41,9%$), đất phù sa mới ven sông. Khí hậu mang tính chất nhiệt đới gió mùa cận xích đạo: nhiệt độ trung bình năm $27^\circ\text{C}$, tổng số giờ nắng $2.655\text{ giờ/năm}$, độ ẩm trung bình $81%$, tổng lượng bốc hơi đạt trên $1.500\text{ mm/năm}$. Mạng lưới sông ngòi có môđun dòng chảy bình quân $32,5\text{ l/s.km}^2$, lớp dòng chảy năm đạt $1.024\text{ mm}$, hệ số dòng chảy $0,47$.
- Hiện trạng kinh tế và công trình thủy lợi: Dân số toàn tỉnh năm 2015 là $2.905,85$ nghìn người. Toàn tỉnh có 123 công trình thủy lợi phục vụ $23.355\text{ ha}$ đất canh tác và $955,5\text{ ha}$ thủy sản.
- Đặc trưng kỹ thuật hồ chứa Sông Mây: Công trình cấp IV với diện tích lưu vực $41\text{ km}^2$, mực nước dâng bình thường (MNDBT) $+40,5\text{ m}$, mực nước gia cường (MNGC) $+40,9\text{ m}$, dung tích thiết kế $15\text{ triệu m}^3$.
| Hạng mục công trình |
Thông số kỹ thuật thiết kế |
| Đập chính |
Đập đất, chiều dài $L = 800\text{ m}$, chiều cao lớn nhất $H_{\max} = 14\text{ m}$, cao trình đỉnh đập $+42,0\text{ m}$ |
| Cống lấy nước |
Kích thước khẩu độ $1,0 \times 1,2\text{ m}$, cao trình ngưỡng $+32,0\text{ m}$, lưu lượng thiết kế $Q_{TK} = 2,5\text{ m}^3/\text{s}$ |
| Tràn xả lũ chính |
Tràn tự do, bề rộng $B_{tr} = 40,0\text{ m}$, cao trình ngưỡng tràn $+40,5\text{ m}$ |
| Tràn sự cố |
Mặt cắt hình thang, bề rộng đáy $B_{tr} = 16,5\text{ m}$, cao trình ngưỡng tràn $+40,9\text{ m}$ |
| Nhiệm vụ cấp nước |
Tưới tự chảy: 415 ha lúa Đông Xuân, 375 ha lúa Hè Thu, 365 ha lúa Mùa; 30 ha rau Đông Xuân, 10 ha rau Hè Thu; 321,2 ha nuôi trồng thủy sản |
- Quy định khống chế mực nước vận hành:
- Mùa lũ (Tháng VI - XI): Mực nước cuối tháng VI khống chế ở $+35,0\text{ m}$, tháng VII $+36,0\text{ m}$, tháng VIII $+37,0\text{ m}$, tháng IX $+38,0\text{ m}$, tháng X $+39,0\text{ m}$, tháng XI đạt $+40,5\text{ m}$.
- Mùa kiệt (Tháng XII - V): Mực nước hạ dần từ $+40,5\text{ m}$ (cuối tháng XII) xuống $+39,5\text{ m}$ (tháng I), $+38,0\text{ m}$ (tháng II), $+36,0\text{ m}$ (tháng III), $+34,5\text{ m}$ (tháng IV) và $+33,0\text{ m}$ (cuối tháng V).
Chương 2: Tính toán dòng chảy đến hồ chứa Sông Mây
Chương 2 tập trung tính toán mưa thiết kế và mô phỏng dòng chảy nhập lưu vào lòng hồ:
- Tính toán mưa thiết kế $P = 75%$: Áp dụng phương pháp đường thích hợp trên chuỗi số liệu lượng mưa ngày 30 năm (1978 - 2007) tại 3 trạm ảnh hưởng trực tiếp (xác định qua đa giác Thiessen). Mùa mưa được xác định từ tháng V đến tháng X, mùa khô từ tháng XI đến tháng IV năm sau.
| Thông số thống kê và thiết kế |
Trạm An Viễn |
Trạm Thống Nhất |
Trạm Trị An |
| Lượng mưa năm trung bình $\bar{X}$ (mm) |
$1.903,0$ |
$1.978,0$ |
$2.109,0$ |
| Hệ số biến sai mưa năm $C_v$ |
$0,16$ |
$0,17$ |
$0,15$ |
| Lượng mưa năm thiết kế $X_{n75%}$ (mm) |
$1.682,0$ |
$1.646,0$ |
$1.836,0$ |
| Lượng mưa mùa khô trung bình $\bar{X}_K$ (mm) |
$278,0$ |
$275,0$ |
$303,0$ |
| Lượng mưa mùa khô thiết kế $X_{K75%}$ (mm) |
$158,0$ |
$136,0$ |
$172,84$ |
| Lượng mưa năm điển hình $X_{nđh}$ (mm) |
$1.689,0$ |
$1.914,0$ |
$1.517,0$ |
| Lượng mưa mùa khô điển hình $X_{Kđh}$ (mm) |
$125,5$ |
$138,0$ |
$164,0$ |
| Hệ số thu phóng mùa khô $K_1$ |
$1,262$ |
$0,985$ |
$1,054$ |
| Hệ số thu phóng mùa mưa $K_2$ |
$0,974$ |
$0,851$ |
$1,231$ |
- Mô hình hóa mưa - dòng chảy bằng HEC-HMS:
- Tác giả so sánh các mô hình thủy văn phổ biến (NAM, TANK, SSARR, HEC-HMS) và lựa chọn HEC-HMS nhờ tính phù hợp với lưu vực nhỏ ($41\text{ km}^2$), cấu trúc thông số rõ ràng, liên kết tương thích định dạng dữ liệu DSS với HEC-ResSim.
- Sử dụng công cụ HEC-GeoHMS phân chia lưu vực suối Lá Buông và hồ Sông Mây, trích xuất mạng lưới sông và đặc trưng hình học lưu vực.
- Áp dụng phương pháp SCS Curve Number để xác định tổn thất thấm và giữ nước mặt; phương pháp đường đơn vị tổng hợp Clark để chuyển hóa mưa thành dòng chảy mặt.
- Kết quả mô phỏng xuất ra đường quá trình lưu lượng đến hồ $Q \sim t$ theo từng thời đoạn, làm biên đầu vào phục vụ bài toán điều tiết.
Chương 3: Ứng dụng mô hình HEC – Ressim tính toán điều tiết hồ chứa Sông Mây
Chương 3 trình bày việc thiết lập và vận hành mô hình mô phỏng điều tiết hệ thống hồ chứa:
- Tính toán các thành phần tổn thất lòng hồ:
- Tổn thất do bốc hơi mặt nước: Xác định theo chuỗi số liệu bốc hơi trung bình nhiều năm của trạm khí tượng Biên Hòa.
- Tổn thất do thấm: Tính toán theo tiêu chuẩn thấm tương ứng với đặc tính địa chất công trình đầu mối.
- Xác định nhu cầu nước hạ du: Ứng dụng phần mềm Cropwat tính toán mức tưới cho các đối tượng: lúa vụ Đông Xuân ($415\text{ ha}$), lúa Hè Thu ($375\text{ ha}$), lúa Mùa ($365\text{ ha}$), hoa màu rau đậu ($40\text{ ha}$) và diện tích nuôi trồng thủy sản ($321,2\text{ ha}$).
- Thiết lập mô hình HEC-ResSim:
- Mô-đun Watershed Setup: Thiết lập sơ đồ mạng lưới sông suối, vị trí nút nhập lưu và vị trí đập hồ Sông Mây.
- Mô-đun Reservoir Network: Khai báo đường đặc tính hình học lòng hồ gồm quan hệ mực nước - diện tích ($Z \sim F$) và mực nước - dung tích ($Z \sim V$); khai báo đặc tính thủy lực công trình xả ($Z \sim Q$), quy tắc đóng mở cống tưới ($Q_{TK} = 2,5\text{ m}^3/\text{s}$) và ngưỡng tràn xả lũ ($+40,5\text{ m}$).
- Mô-đun Simulation: Chạy mô phỏng điều tiết liên tục theo chu kỳ năm với chuỗi dòng chảy đến tần suất $P = 75%$.
- Đánh giá kết quả vận hành: Mô hình kết xuất biểu đồ dao động mực nước hồ, đường quá trình lưu lượng xả qua cống chính, lưu lượng tràn tự do và biểu đồ so sánh giữa khả năng xả với tổng nhu cầu nước thực tế ở hạ lưu.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán định lượng:
- Xác lập được bộ thông số mưa thiết kế tần suất $P = 75%$ cho 3 trạm khí tượng thủy văn đại diện khu vực với lượng mưa năm thiết kế dao động từ $1.646,0\text{ mm}$ đến $1.836,0\text{ mm}$, trong đó lượng mưa mùa khô thiết kế đạt từ $136,0\text{ mm}$ đến $172,84\text{ mm}$.
- Xác định được quá trình dòng chảy đến hồ chứa Sông Mây bằng mô hình HEC-HMS và bộ thông số lưu vực trích xuất từ HEC-GeoHMS.
- Mô phỏng thành công chế độ điều tiết cấp nước bằng mô hình HEC-ResSim, xác định chi tiết tương quan giữa khả năng tháo của cống lấy nước ($Q_{TK} = 2,5\text{ m}^3/\text{s}$), tổn thất bốc hơi - thấm và tổng nhu cầu dùng nước thực tế cho $1.155\text{ ha}$ gieo trồng lúa/hoa màu cùng $321,2\text{ ha}$ thủy sản.
- Kết quả mô phỏng chứng minh quy trình điều tiết hiện tại đáp ứng được nhu cầu cấp nước cho hạ du theo tần suất thiết kế $P = 75%$, đồng thời giữ mực nước hồ dao động an toàn trong phạm vi giới hạn từ cao trình chết $+32,0\text{ m}$ đến mực nước dâng bình thường $+40,5\text{ m}$.
- Giải pháp và kiến nghị vận hành của tác giả:
- Tuân thủ biểu đồ điều phối mực nước theo mùa: hạ thấp mực nước đón lũ trong các tháng đầu mùa mưa (tháng VI khống chế ở $+35,0\text{ m}$) và tích nước dần đạt $+40,5\text{ m}$ vào cuối tháng XI để phục vụ mùa kiệt.
- Trong mùa kiệt, khi mực nước hồ hạ thấp nằm trong vùng hạn chế cấp nước, đơn vị quản lý khai thác cần chủ động điều chỉnh kế hoạch phân phối nước theo từng đợt tưới, hạn chế thất thoát trên hệ thống kênh mương.
- Cần nâng cấp hệ thống kiên cố hóa kênh mương sau cống lấy nước để tối ưu hóa hiệu quả dẫn nước, giảm tổn thất do ngấm dọc tuyến kênh.
- Đóng góp học thuật và thực tiễn: Thiết lập quy trình tính toán liên hoàn từ xử lý mưa thiết kế, mô phỏng dòng chảy lưu vực nhỏ bằng HEC-HMS kết hợp HEC-GeoHMS đến điều tiết hồ chứa bằng HEC-ResSim cho một công trình thủy lợi cụ thể tại vùng Đông Nam Bộ sau thời gian dài khai thác.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Mô hình HEC-HMS trong nghiên cứu không có mô-đun cập nhật sai số trực tiếp thời gian thực, do đó kết quả tính toán chủ yếu phục vụ bài toán quy hoạch, thiết kế và lập quy trình điều tiết tĩnh, chưa áp dụng trực tiếp cho dự báo tác nghiệp thời gian thực.
- Do trong lòng lưu vực hồ Sông Mây không có trạm quan trắc thủy văn chuyên dụng, số liệu mưa và dòng chảy phải ngoại suy và tính toán thông qua trọng số của các trạm lân cận (An Viễn, Thống Nhất, Trị An) và trạm khí tượng Biên Hòa.
- Nghiên cứu chưa xem xét sâu đến biến động dòng chảy mặt do quá trình đô thị hóa và thay đổi sử dụng đất diễn ra nhanh chóng tại huyện Trảng Bom trong giai đoạn sau năm 2015.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Bổ sung trạm đo mưa tự động và quan trắc lưu lượng thực đo trực tiếp tại cửa vào hồ Sông Mây để hiệu chỉnh, kiểm định bộ thông số mô hình HEC-HMS và HEC-ResSim với độ chính xác cao hơn.
- Tích hợp các kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản chuyển đổi cơ cấu cây trồng nông nghiệp công nghệ cao vào mô hình HEC-ResSim để đánh giá an toàn nguồn nước trong dài hạn.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo:
- Sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên Nước, Thủy văn học, Quản lý Tài nguyên và Môi trường thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu tính toán thủy văn lưu vực nhỏ.
- Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư tại các công ty khai thác công trình thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam và các Chi cục Thủy lợi tham khảo phương pháp tính toán điều tiết hồ chứa vừa và nhỏ.
- Nội dung giá trị nhất:
- Quy trình chi tiết tính toán mô hình mưa thiết kế theo phương pháp đường thích hợp và phân chia hệ số thu phóng hai mùa $K_1, K_2$.
- Phương pháp chuẩn hóa số liệu và thiết lập liên kết dữ liệu định dạng DSS giữa công cụ trích xuất không gian HEC-GeoHMS, mô hình thủy văn HEC-HMS và mô hình điều phối HEC-ResSim.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn tần suất thiết kế $P = 75%$ cho bài toán tính toán mưa và cấp nước hồ chứa Sông Mây?
Căn cứ theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Công trình Thủy lợi QCVN 04-05:2012/BNNPTNT, hồ chứa Sông Mây là công trình thủy lợi đầu mối cấp IV. Đối với công trình cấp IV phục vụ sản xuất nông nghiệp, tần suất thiết kế cấp nước tưới quy định chuẩn là $P = 75%$.
2. Các thông số hình học và năng lực phục vụ chính của hồ chứa Sông Mây là gì?
Hồ có diện tích lưu vực $41\text{ km}^2$, dung tích thiết kế 15 triệu $\text{m}^3$, mực nước dâng bình thường $+40,5\text{ m}$, mực nước gia cường $+40,9\text{ m}$. Công trình phục vụ tưới cho 415 ha lúa Đông Xuân, 375 ha lúa Hè Thu, 365 ha lúa Mùa, 40 ha hoa màu và cấp nước cho $321,2\text{ ha}$ diện tích nuôi trồng thủy sản; không đảm nhận nhiệm vụ cấp nước sinh hoạt.
3. Vì sao tác giả lựa chọn mô hình HEC-HMS thay vì mô hình NAM hay TANK để tính toán dòng chảy đến?
HEC-HMS có cấu trúc tham số gắn liền với ý nghĩa vật lý lưu vực, không đòi hỏi chi phí bản quyền thương mại lớn như bộ mô hình MIKE/NAM, ít tham số trừu tượng khó xác định như mô hình TANK, đồng thời được kiểm nghiệm đạt độ chính xác cao đối với các lưu vực có diện tích từ $15\text{ km}^2$ đến $1.500\text{ km}^2$ (phù hợp với diện tích $41\text{ km}^2$ của hồ Sông Mây) và xuất nhập dữ liệu đồng bộ định dạng DSS với HEC-ResSim.
4. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán tổn thất và quá trình tập trung dòng chảy trong HEC-HMS?
Nghiên cứu sử dụng phương pháp SCS Curve Number (chỉ số số đường cong CN) dựa trên phân loại nhóm đất thủy văn (A, B, C, D) và độ ẩm kỳ trước (AMC) để tính lượng tổn thất thấm; sử dụng phương pháp đường quá trình đơn vị tổng hợp Clark (Clark Unit Hydrograph) để tính toán chuyển đổi lượng mưa hiệu quả thành đường quá trình lưu lượng dòng chảy mặt.
5. Giới hạn mực nước khống chế điều tiết hồ Sông Mây trong mùa lũ và mùa kiệt được quy định cụ thể như thế nào?
Trong mùa lũ, mực nước cuối các tháng được khống chế tăng dần: tháng VI ($+35,0\text{ m}$), tháng VII ($+36,0\text{ m}$), tháng VIII ($+37,0\text{ m}$), tháng IX ($+38,0\text{ m}$), tháng X ($+39,0\text{ m}$) và tháng XI ($+40,5\text{ m}$). Trong mùa kiệt, mực nước hạ dần từ $+40,5\text{ m}$ (cuối tháng XII) xuống $+39,5\text{ m}$ (tháng I), $+38,0\text{ m}$ (tháng II), $+36,0\text{ m}$ (tháng III), $+34,5\text{ m}$ (tháng IV) và đạt mức thấp nhất $+33,0\text{ m}$ vào cuối tháng V.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư của tác giả Đoàn Ngọc Thu đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán thủy văn và điều tiết cấp nước cho hồ chứa Sông Mây, tỉnh Đồng Nai bằng việc tích hợp chuỗi công cụ HEC-GeoHMS, HEC-HMS, Cropwat và HEC-ResSim. Các kết quả tính toán mô phỏng dựa trên chuỗi dữ liệu 30 năm đã cung cấp luận cứ kỹ thuật định lượng chứng minh năng lực đáp ứng nguồn nước của công trình cho nông nghiệp và thủy sản với tần suất thiết kế $P = 75%$. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao về phương pháp ứng dụng mô hình toán trong quản lý và vận hành hồ chứa thủy lợi vừa và nhỏ.