Tổng quan nghiên cứu

Hồ chứa nước Đá Đen, xây dựng từ năm 1997 và hoàn thành năm 2004 tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, có dung tích thiết kế 33,4 triệu m³, phục vụ tưới cho 2.773 ha đất nông nghiệp và cung cấp nước thô cho các nhà máy nước với lưu lượng 500.000 m³/ngày. Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình hàng năm khá lớn, hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nguồn nước sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp và công nghiệp cho khu vực. Tuy nhiên, do sự phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng cao, trong khi biến đổi khí hậu và hiện tượng thời tiết cực đoan làm biến động nguồn nước, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt nguồn nước trong mùa khô và áp lực lên an toàn công trình hồ chứa.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của việc tăng dung tích hồ chứa nước Đá Đen đến an toàn công trình, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao dung tích hữu ích của hồ để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước tăng cao trong tương lai. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích thực trạng hồ chứa, đánh giá các yếu tố thủy văn, khí hậu, kỹ thuật và an toàn đập, áp dụng cho hồ Đá Đen tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác nguồn nước, đảm bảo an toàn công trình và phát triển bền vững kinh tế xã hội khu vực Đông Nam Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết vận hành hồ chứa và lý thuyết ổn định đập. Lý thuyết vận hành hồ chứa tập trung vào các quy định về điều tiết lũ, giữ mực nước hồ trong mùa mưa và mùa kiệt, cũng như các biện pháp vận hành xã lũ đảm bảo an toàn công trình. Lý thuyết ổn định đập bao gồm các phương pháp tính toán áp lực thấm, áp lực nước trong thân đập, ổn định trượt và thấm qua nền đập, sử dụng các phần mềm chuyên dụng như SEEP/W và SLOPE/W thuộc bộ GEO-SLOPE của Canada.

Các khái niệm chính bao gồm: dung tích hữu ích hồ chứa, áp lực thấm, gradient thấm, ổn định mái đập, lưu lượng xả lũ, và biểu đồ điều phối hồ chứa. Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng các mô hình toán học như mô hình TANK để tính toán dòng chảy tự nhiên đến hồ, dự báo nhu cầu nước đến năm 2025 và tầm nhìn 2035, cũng như các công thức tính toán lưu lượng lũ theo quy phạm QP.C6-77.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ số liệu thủy văn, khí tượng, kỹ thuật hồ chứa Đá Đen, các báo cáo quy hoạch phát triển tài nguyên nước và quản lý lưu vực sông. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm chuỗi số liệu dòng chảy trung bình nhiều năm, số liệu mưa, và các thông số kỹ thuật công trình.

Phương pháp phân tích bao gồm: phân tích thống kê số liệu, mô hình toán học (SLOPE/W, SEEP/W, MIKE BASIN) để tính toán khả năng tăng dung tích hồ và đánh giá ổn định công trình đập khi nâng cao mực nước. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ khảo sát thực trạng, phân tích lý thuyết, mô phỏng kỹ thuật đến đề xuất giải pháp và kiểm tra sơ bộ khả năng ổn định công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng hồ chứa Đá Đen: Hồ có dung tích 33,4 triệu m³, phục vụ tưới cho 2.773 ha đất nông nghiệp và cung cấp nước thô 500.000 m³/ngày. Qua hơn 15 năm vận hành, một số hạng mục công trình có dấu hiệu xuống cấp như bong tróc lớp đá bảo vệ mái thượng lưu, hư hỏng hệ thống thoát nước mái đập, và phát triển cây dại ảnh hưởng đến quan sát kiểm tra.

  2. Nhu cầu sử dụng nước tăng cao: Đến năm 2020, nhu cầu nước trong nông nghiệp tăng 6,12%, sinh hoạt tăng 54%, công nghiệp tăng 53,06% so với năm 2010. Dân số tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu dự kiến đạt 1,67 triệu người vào năm 2035, với nhu cầu nước sinh hoạt bình quân 100 lít/người/ngày.

  3. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: Dòng chảy mùa kiệt giảm đáng kể, trong khi dòng chảy mùa lũ tăng, làm giảm dung tích hữu ích hồ chứa do tăng bốc hơi và bồi lắng bùn cát. Điều này đòi hỏi phải nâng cao dung tích hồ để đảm bảo nguồn nước trong mùa khô và an toàn công trình.

  4. Đánh giá kỹ thuật các giải pháp tăng dung tích: Hai giải pháp chính được đề xuất là nâng cao trình cửa van kết hợp nâng cao trình đỉnh đập và nâng cao trình cửa van kết hợp xã lũ sớm. Cả hai giải pháp đều giữ nguyên cao trình ngưỡng tràn 39m, nâng cao trình cửa van từ 45,5m lên 46,1m, đảm bảo an toàn ổn định đập và không ảnh hưởng đến khả năng tháo lũ.

Thảo luận kết quả

Việc nâng cao dung tích hồ chứa Đá Đen là cần thiết để đáp ứng nhu cầu nước ngày càng tăng của tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm giảm nguồn nước mùa kiệt. Các số liệu về nhu cầu nước và dòng chảy được mô hình hóa chi tiết, cho thấy sự phù hợp của các giải pháp kỹ thuật đề xuất.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc áp dụng mô hình TANK và phần mềm GEO-SLOPE giúp đánh giá chính xác áp lực thấm và ổn định đập khi nâng cao mực nước. Biểu đồ điều phối hồ chứa được xây dựng phù hợp với quy định vận hành, đảm bảo an toàn trong mùa lũ và mùa kiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ nhu cầu nước theo lưu vực sông, bảng tính toán lưu lượng lũ định kỳ, và sơ đồ mô phỏng áp lực thấm trong thân đập, giúp minh họa rõ ràng các ảnh hưởng và hiệu quả của giải pháp nâng dung tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cao trình cửa van kết hợp nâng cao trình đỉnh đập: Thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là Ban quản lý hồ chứa phối hợp với đơn vị thi công, nhằm tăng dung tích hữu ích mà không làm thay đổi kết cấu tràn, đảm bảo an toàn công trình.

  2. Áp dụng vận hành xã lũ sớm: Chủ đập cần phối hợp với cơ quan khí tượng thủy văn để dự báo chính xác, vận hành xã lũ sớm nhằm giảm áp lực nước lên đập, bảo vệ an toàn công trình trong mùa mưa lũ.

  3. Tăng cường công tác bảo trì, sửa chữa công trình: Khắc phục các hư hỏng hiện tại như bong tróc lớp đá bảo vệ, sửa chữa hệ thống thoát nước mái đập, kiểm soát phát triển cây dại để đảm bảo công tác quan sát và kiểm tra định kỳ.

  4. Xây dựng kế hoạch quản lý và sử dụng nước bền vững: Căn cứ vào dự báo nhu cầu nước đến năm 2035, phối hợp với các ngành liên quan để điều phối nguồn nước hợp lý, ưu tiên cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đồng thời khuyến khích sử dụng nước tiết kiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý công trình thủy lợi và hồ chứa nước: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn công trình.

  2. Chuyên gia và kỹ sư thủy lợi, xây dựng đập: Tham khảo các phương pháp tính toán áp lực thấm, ổn định đập và mô hình toán học ứng dụng trong thiết kế và cải tạo hồ chứa.

  3. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội: Sử dụng dữ liệu dự báo nhu cầu nước và giải pháp tăng dung tích hồ để lập kế hoạch phát triển bền vững.

  4. Các nhà nghiên cứu về biến đổi khí hậu và quản lý nguồn nước: Tài liệu cung cấp phân tích tác động biến đổi khí hậu đến nguồn nước và các biện pháp ứng phó kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tăng dung tích hồ chứa Đá Đen?
    Nhu cầu sử dụng nước tăng cao do phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu làm giảm dòng chảy mùa kiệt, gây thiếu hụt nguồn nước. Tăng dung tích hồ giúp đảm bảo cung cấp nước ổn định và an toàn công trình.

  2. Giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để tăng dung tích hồ?
    Hai giải pháp chính là nâng cao trình cửa van kết hợp nâng cao trình đỉnh đập và nâng cao trình cửa van kết hợp xã lũ sớm, giữ nguyên cao trình ngưỡng tràn để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  3. Ảnh hưởng của việc tăng dung tích hồ đến an toàn đập như thế nào?
    Tăng mực nước hồ làm tăng áp lực thấm và gradient thấm trong thân đập, có thể giảm ổn định mái đập. Do đó, cần tính toán kỹ lưỡng và áp dụng các biện pháp chống thấm, kiểm tra ổn định trượt để đảm bảo an toàn.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán dòng chảy và ổn định đập?
    Mô hình TANK được dùng để tính toán dòng chảy tự nhiên, phần mềm SEEP/W và SLOPE/W thuộc bộ GEO-SLOPE được sử dụng để phân tích áp lực thấm và ổn định mái đập.

  5. Làm thế nào để vận hành hồ chứa an toàn trong mùa lũ và mùa kiệt?
    Cần xây dựng biểu đồ điều phối hồ chứa, vận hành điều tiết giữ mực nước trong giới hạn an toàn, phối hợp dự báo khí tượng thủy văn, thông báo kịp thời cho các bên liên quan và áp dụng các biện pháp xã lũ phù hợp.

Kết luận

  • Hồ chứa nước Đá Đen có vai trò quan trọng trong cung cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp cho tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
  • Nhu cầu sử dụng nước tăng mạnh đến năm 2020 và dự báo đến 2035, trong khi biến đổi khí hậu làm giảm dòng chảy mùa kiệt, đòi hỏi nâng cao dung tích hồ chứa.
  • Hai giải pháp kỹ thuật nâng cao trình cửa van kết hợp nâng cao trình đỉnh đập và xã lũ sớm được đề xuất, đảm bảo an toàn công trình và tăng dung tích hữu ích.
  • Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô hình toán học và phần mềm chuyên dụng giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng kỹ thuật và thủy văn.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thi công giải pháp nâng cao trình cửa van, tăng cường bảo trì công trình và xây dựng kế hoạch quản lý nguồn nước bền vững.

Luận văn khuyến nghị các cơ quan quản lý và kỹ sư thủy lợi áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả khai thác hồ chứa nước Đá Đen, góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững khu vực Đông Nam Bộ.