Tổng quan nghiên cứu

Hồ chứa nước Bản Lải, công trình cấp 1 lớn nhất tỉnh Lạng Sơn, nằm trên sông Kỳ Cùng với diện tích lưu vực khoảng 457 km², đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết dòng chảy và giảm thiểu ngập lụt cho vùng thượng lưu. Lưu vực sông Kỳ Cùng có diện tích 6.660 km², dài 243 km, bắt nguồn từ vùng núi Bắc Xa với độ cao 1.166 m, chảy qua các huyện Lộc Bình, thành phố Lạng Sơn và tiếp tục sang Trung Quốc. Vùng nghiên cứu có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9, chiếm khoảng 74-78% tổng lượng mưa năm, trung bình khoảng 1.629 mm/năm tại lưu vực hồ Bản Lải. Lũ trên sông Kỳ Cùng chủ yếu xuất hiện vào các tháng mùa mưa, đặc biệt là tháng 6, 7, 8 và 9, với thời gian truyền lũ trung bình từ 6 đến 12 giờ dọc theo dòng chảy.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình thủy lực tính toán hiện tượng nước dềnh vùng thượng lưu hồ Bản Lải theo các kịch bản thiết kế nhằm xác định phạm vi ngập lụt, phục vụ công tác bồi thường, di dân tái định cư và vận hành hồ chứa hiệu quả. Nghiên cứu tập trung vào phân tích dòng chảy lũ, mô phỏng thủy lực và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt cho vùng lòng hồ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm vùng thượng lưu hồ chứa nước Bản Lải, với dữ liệu thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn xung quanh như Lạng Sơn, Đình Lập, Lộc Bình, và các trận lũ lớn trong các năm 1971, 2008, 2014.

Ý nghĩa nghiên cứu không chỉ nâng cao trình độ chuyên môn cho kỹ sư tài nguyên nước mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý vận hành hồ chứa, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, đảm bảo an sinh xã hội và phát triển kinh tế vùng dự án.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai mô hình chính trong lĩnh vực kỹ thuật tài nguyên nước: mô hình thủy văn MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE 11.

  • Mô hình thủy văn MIKE NAM dựa trên nguyên tắc mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy bằng chuỗi các bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng và tuyến tính, mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm. Mô hình này có ưu điểm là sử dụng ít thông số, dễ hiệu chỉnh và phù hợp với lưu vực vừa và nhỏ như lưu vực hồ Bản Lải. Các khái niệm chính bao gồm: lưu trữ bề mặt (Umax), lưu trữ tầng đáy (Lmax), dòng chảy tràn (CQOF), dòng chảy sát mặt (CKIF), và dòng chảy cơ bản (CKBF). Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) và hệ số tương quan (R²) để đảm bảo độ tin cậy.

  • Mô hình thủy lực MIKE 11 là mô hình một chiều giải hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ, dùng để mô phỏng dòng chảy không ổn định trên hệ thống sông, kênh và vùng ngập lũ. Mô hình sử dụng phương pháp sai phân ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến, xác định lưu lượng và mực nước tại các mặt cắt ngang theo thời gian. MIKE 11 có khả năng mô phỏng các công trình thủy lợi như đập, cống và kết nối với các mô hình thủy văn khác, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích chi tiết và vận hành hồ chứa.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, mực nước dềnh, hệ số Nash-Sutcliffe, phương trình Saint-Venant, và mô hình bể chứa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn thu thập từ các trạm Lạng Sơn, Đình Lập, Lộc Bình, Bản Chắt, Mẫu Sơn, và Bình Liêu, với chuỗi số liệu từ năm 1956 đến nay, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy. Dữ liệu dòng chảy và mực nước được thu thập từ các trận lũ lớn trong các năm 1971, 2008, 2014 tại các trạm thủy văn Bản Lải và Lạng Sơn.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Xây dựng mô hình thủy văn MIKE NAM để tính toán dòng chảy lũ đến thượng lưu hồ Bản Lải, hiệu chỉnh thông số mô hình dựa trên số liệu thực đo, sử dụng hệ số NSE và R² để đánh giá độ chính xác.

  • Thiết lập mô hình thủy lực MIKE 11 mô phỏng dòng chảy không ổn định, tính toán mực nước dềnh vùng thượng lưu hồ chứa theo các kịch bản lũ thiết kế với tần suất từ 1% đến 0,2%.

  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo các trận lũ lịch sử, sử dụng phương pháp đồ thị và số liệu thống kê.

  • Phân tích kết quả mô phỏng để xác định phạm vi ngập lụt, mức độ ảnh hưởng đến khu dân cư và đất canh tác trong vùng lòng hồ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2020, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô hình MIKE NAM trong tính toán dòng chảy lũ: Sau hiệu chỉnh, mô hình đạt hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) trên 0,75 và hệ số tương quan R² trên 0,8, cho thấy mô hình mô phỏng dòng chảy lũ phù hợp với số liệu thực đo tại trạm Bản Lải trong các trận lũ năm 1971, 2008 và 2014.

  2. Mực nước dềnh thượng lưu hồ Bản Lải: Mô phỏng thủy lực với mô hình MIKE 11 cho thấy mực nước dềnh tại vùng thượng lưu hồ có thể tăng lên từ 0,5 đến 1,2 m tùy theo kịch bản lũ thiết kế (P=1%, P=5%, P=0,2%). Mực nước dềnh này làm tăng diện tích ngập lụt vùng lòng hồ khoảng 15-20% so với hiện trạng chưa có hồ.

  3. Ảnh hưởng của hồ chứa đến giảm ngập lụt hạ du: Hồ Bản Lải có khả năng giảm mực nước lũ tại trạm Lạng Sơn khoảng 1,8 m đối với lũ có tần suất 1% (tương đương trận lũ năm 1986), góp phần giảm thiểu thiệt hại cho khu dân cư và các ngành kinh tế vùng hạ du.

  4. Phạm vi ngập lụt và ảnh hưởng đến đất canh tác: Diện tích đất canh tác bị ngập trong vùng lòng hồ tăng lên khoảng 1.600 ha trong các kịch bản lũ lớn, ảnh hưởng đến việc giải phóng mặt bằng và tái định cư dân cư.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mực nước dềnh thượng lưu hồ Bản Lải chủ yếu do địa hình lòng hồ dài khoảng 35 km, dốc lớn và dạng lòng sông hẹp, khiến dòng chảy bị chậm lại và nước dâng cao khi có lũ lớn. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hiện tượng nước dềnh tại các hồ chứa thủy điện và thủy lợi ở Việt Nam.

So sánh với các nghiên cứu tương tự, mô hình MIKE 11 và MIKE NAM được đánh giá cao về độ chính xác và khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy và mực nước dềnh. Việc kết hợp hai mô hình này giúp cung cấp bức tranh toàn diện về thủy văn và thủy lực lưu vực, hỗ trợ hiệu quả cho công tác quản lý vận hành hồ chứa.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng thực đo và mô phỏng, bản đồ phân bố mực nước dềnh và diện tích ngập lụt theo các kịch bản lũ, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của hồ chứa đến vùng thượng lưu và hạ du.

Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học cho công tác bồi thường, giải phóng mặt bằng, di dân tái định cư và vận hành hồ chứa nhằm giảm thiểu ngập lụt, bảo vệ an toàn công trình và phát triển kinh tế xã hội vùng dự án.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết vùng thượng lưu hồ Bản Lải: Sử dụng kết quả mô phỏng thủy lực để lập bản đồ ngập lụt phục vụ công tác bồi thường, giải phóng mặt bằng và tái định cư dân cư trong vòng 1 năm, do Ban Quản lý dự án phối hợp với các cơ quan địa phương thực hiện.

  2. Áp dụng các biện pháp kỹ thuật giảm ngập lụt: Thiết kế và xây dựng các công trình điều tiết bổ sung như cống thoát nước, kênh dẫn để giảm mực nước dềnh, nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa trong vòng 2-3 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn chủ trì.

  3. Tăng cường công tác quản lý vận hành hồ chứa: Xây dựng quy trình vận hành hồ linh hoạt theo các kịch bản lũ, kết hợp với hệ thống cảnh báo sớm để chủ động điều tiết lũ, giảm thiểu ngập lụt cho khu dân cư thượng lưu trong vòng 1 năm, do Ban Quản lý hồ chứa phối hợp với Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh thực hiện.

  4. Nâng cao nhận thức và hỗ trợ cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, tập huấn về phòng chống ngập lụt và di dân tái định cư cho người dân vùng lòng hồ, đồng thời xây dựng kế hoạch di dời dân cư khi có lũ lớn, trong vòng 1-2 năm, do UBND huyện Lộc Bình phối hợp với các tổ chức xã hội thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch vận hành hồ chứa, quản lý lũ và phát triển hệ thống thủy lợi vùng thượng lưu hồ Bản Lải.

  2. Chủ đầu tư và đơn vị thi công công trình thủy lợi: Áp dụng mô hình thủy lực và thủy văn trong thiết kế, thi công và vận hành công trình nhằm giảm thiểu rủi ro ngập lụt và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp xây dựng, hiệu chỉnh mô hình thủy văn và thủy lực, cũng như các kết quả phân tích dòng chảy và mực nước dềnh trong lưu vực sông miền núi.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội tại vùng lòng hồ: Hiểu rõ về phạm vi ngập lụt, tác động của hồ chứa đến đời sống và sản xuất, từ đó chủ động tham gia các chương trình phòng chống thiên tai và di dân tái định cư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE NAM có ưu điểm gì trong tính toán dòng chảy lũ?
    Mô hình MIKE NAM sử dụng cấu trúc bể chứa đơn giản, ít thông số, dễ hiệu chỉnh và phù hợp với lưu vực vừa và nhỏ. Nó cho phép mô phỏng chính xác quá trình chuyển đổi mưa thành dòng chảy mặt và ngầm, giúp dự báo lũ hiệu quả.

  2. Tại sao chọn mô hình MIKE 11 để mô phỏng thủy lực hồ Bản Lải?
    MIKE 11 giải hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ, mô phỏng dòng chảy không ổn định một chiều, có khả năng mô phỏng chi tiết mực nước và lưu lượng trên hệ thống sông phức tạp, phù hợp với đặc điểm địa hình và thủy văn vùng nghiên cứu.

  3. Hiện tượng nước dềnh là gì và ảnh hưởng như thế nào đến vùng thượng lưu hồ?
    Nước dềnh là hiện tượng mực nước dâng cao và chậm rút do địa hình lòng hồ dốc và hẹp, gây ngập lụt diện rộng vùng thượng lưu, ảnh hưởng đến đất canh tác và khu dân cư, đòi hỏi phải có giải pháp giảm thiểu hiệu quả.

  4. Các giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để giảm thiểu ngập lụt?
    Bao gồm xây dựng công trình điều tiết bổ sung, cải tạo kênh mương thoát nước, vận hành hồ linh hoạt theo kịch bản lũ, và nâng cao hệ thống cảnh báo sớm kết hợp với công tác di dân tái định cư.

  5. Làm thế nào để kết quả nghiên cứu hỗ trợ công tác quản lý vận hành hồ chứa?
    Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu về mực nước, lưu lượng và phạm vi ngập lụt theo các kịch bản lũ, giúp đơn vị quản lý xây dựng quy trình vận hành hồ chủ động, giảm thiểu rủi ro ngập lụt và đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

  • Hồ chứa nước Bản Lải có vai trò quan trọng trong điều tiết lũ và cung cấp nước cho vùng Lạng Sơn với diện tích lưu vực 457 km².
  • Mô hình thủy văn MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE 11 được lựa chọn và hiệu chỉnh thành công, đạt độ chính xác cao trong mô phỏng dòng chảy và mực nước dềnh.
  • Mực nước dềnh thượng lưu hồ có thể tăng từ 0,5 đến 1,2 m, làm tăng diện tích ngập lụt vùng lòng hồ khoảng 15-20%.
  • Hồ chứa góp phần giảm mực nước lũ tại trạm Lạng Sơn khoảng 1,8 m đối với lũ tần suất 1%, giảm thiểu thiệt hại cho khu dân cư và kinh tế hạ du.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành nhằm giảm thiểu ngập lụt, bảo vệ an toàn công trình và phát triển bền vững vùng dự án.

Next steps: Triển khai xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết, hoàn thiện quy trình vận hành hồ chứa, và tổ chức các chương trình đào tạo cộng đồng.

Call to action: Các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và cộng đồng dân cư cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, nâng cao hiệu quả phòng chống ngập lụt và phát triển bền vững vùng lưu vực hồ Bản Lải.