CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU BỒI LẮNG HỒ CHỨA 1. Các nghiên cứu trên thế giới về bồi lắng hồ chứa Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vận chuyển bùn cát trong sông nói chung và bồi lắng trong các hồ chứa nói riêng. Những nghiên cứu này sử dụng các phương pháp khác nhau để tính toán, phân tích và dự báo tình hình bồi lắng trong tương lai.
Phương pháp dựa trên các công thức kinh nghiệm, phương pháp mô hình vật lý, phương pháp mô hình toán một chiều, hai chiều. “Sedimentation of rivers, reservoirs and canals” K. Ranga Raju, Univesity of Roorkee, India. Việc nghiên cứu về vận chuyển bùn cát có ý nghĩa rất quan trọng đối với hoạt động của các hồ chứa, đập dâng và các kênh tưới khai thác nước trên sông.
Trong các thiết kế của các công trình này thường quan tâm đến tải lượng bùn cát trên sông. Nghiên cứu đã đề cập đến vai trò của việc tính toán bồi lắng bùn cát đối với hoạt động của hồ chứa, đặc biệt đối với hiệu suất của hồ. Nghiên cứu cũng đã đưa ra một số phương pháp tính toán tải lượng bùn cát đến hồ sử dụng các công thức kinh nghiệm. EP31A-0789 “Two-dimensional sediment transport modeling for reservoir sediment management: Reventazon River, Costa Rica” của Ian M Dubinski.
Nghiên cứu đưa ra nhằm tính toán sự phân bố theo không gian và thời gian của trầm tích lắng đọng trong một hồ chứa dự kiến thuộc sông Reventazón, Costa Rica trong thời gian hoạt động là 40 năm theo các kịch bản bồi lắng khác nhau. Mô hình vận chuyển bùn cát hai chiều Mike 21C xây dựng bởi DHI được sử dụng để mô phỏng trầm tích bồi lắng cho trường hợp cơ bản (không có xả bùn cát) và đánh giá hiệu quả dự đoán của hai chiến lược quản lý bùn cát (rút xả hoàn toàn và rút xả một phần cát bùn). Tổng lượng bùn cát đến được tính toán dựa vào lượng bùn cát lơ 5 lửng tính toán và đo đạc, kết hợp với lượng bùn cát đáy dựa vào phương trình của Wilcock và Crowe (2003). “Uncertainty analysis of reservoir sedimentation”, Jose D.
Salas and Hyun-Suk Shin, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. Trong nghiên cứu, mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để định lượng các yếu tố bất định của bối lắng hồ chứa hàng năm và lũy tích bồi lắng theo thời gian. Ngoài ra, phân tích độ nhạy được thực hiện để xem xét tầm quan trọng của hàng loạt các yếu tố mang tính bất định trong bồi lắng hồ chứa hàng năm. Các quy trình đề xuất được áp dụng cho hồ Kenny trên lưu vực sông White thuộc Colorado.
Sự không chắc chắn của bồi lắng hồ chứa hàng năm và tác động của mỗi yếu tố không chắc chắn của các hồ chứa tích lũy bùn cát theo thời gian đã được kiểm tra. Kết quả cho thấy lưu lượng dòng chảy hàng năm và lượng phù sa là những yếu tố quan trọng nhất quyết định sự thay đổi của bồi lắng hồ chứa và tích lũy bùn cát hàng năm của hồ chứa.Trong trường hợp của hồ chứa Kenny, sự không chắc chắn thể hiện bằng hệ số biến đổi có thể là 65% cho bồi lắng hồ chứa hàng năm và 39% cho hồ chứa tích lũy bùn cát. “Surface erosion, sediment transport, and reservoir sedimentation”, Chih Ted Yang, Timothy J.Randle, 1998 Các tác giả phân tích tầm quan trọng của việc xác định tỉ lệ xói mòn bề mặt lưu vực, vận chuyển bùn cát, lắng đọng và phân phối bùn cát trong hồ chứa đối với tuổi thọ của hồ chứa và giảm thiểu tác động tiêu cực của bồi lắng. Nghiên cứu đã trình bày ngắn gọn về cách tiếp cận tổng hợp và hệ thống dựa trên những phương trình vận chuyển bùn cát đã thiết lập, lý thuyết tỉ lệ tổn thất năng lượng tối thiểu và mô hình của Cục cải tạo đất cho mô phỏng đất phù sa sông (GSTAS 2.
Nghiên cứu này trình bày tóm lược cách tiếp cận có hệ thống và hợp lý để xác định tỷ lệ xói mòn bề mặt, vận chuyển bùn cát trong sông và khả năng phát triển kỹ thuật tính toán bồi lắng hồ chứa và mô hình quản lý bằng máy tính. “Deposition and simulation of sediment transport in the lower Susquehana river reservoir system” Robert A.Hainly et al, 1995. Nghiên cứu này đã mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát hạ lưu sông Susquehana, New York. Nghiên cứu sử dụng mô hình HEC-6 để mô phỏng quá trình bồi lắng tại các hồ.
Mô hình được sử dụng để hiệu chỉnh tải lượng bùn cát theo năm 1987, quá trình hiệu chỉnh được xây dựng với giả thiết với hiệu suất tối đa và phân phối kích thước hạt trầm tích tự nhiên. Luận văn “2D modelling of turbulent transport of cohesive sediments in shallow reservoirs” của JWL de Villiers năm 2006. Do tính chất xáo trộn cao của quá trình bồi lắng trong hồ chứa, nghiên cứu thực hiện hiệu chỉnh phương trình khuếch tán hai chiều không ổn định bằng mô hình Mike21C. Đây là mô hình hai chiều lưới cong được xây dựng bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) dùng để mô phỏng diễn biến thủy lực và hình thái lòng dẫn trong sông và hồ chứa.
“Sedimentation Modeling for Rivers and Reservoirs” Francisco J. SimBes and Chih Ted Yang. Nghiên cứu những thay đổi sông tự nhiên và sự can thiệp của con người trong các vùng nước tự nhiên là một hoạt động khó khăn nhưng quan trọng, như gia tăng dân số, thay đổi nhu cầu dùng nước. Có hai loại mô hình: mô hình toán học và mô hình vật lý (còn được gọi là mô hình tỉ lệ ).
Nghiên cứu này cung cấp tổng quan về phương pháp toán học và mô hình số dựa trên kỹ thuật tính toán, trái ngược với mô hình vật lý, vốn dựa trên các kỹ thuật phòng thí nghiệm truyền thống và đo lường. Tóm tại, với công nghệ hiện nay, ngoài đo đạc khảo sát thực tế, xu thế chung trên thế giới dự tính bồi lắng hồ chứa bằng mô phỏng số với các mô hình thủy động lực 1,2 hoặc 3 chiều và mô hình vật lý. Nhờ các công cụ này mà việc dự tính bồi lắng hồ chứa được thực hiện chi tiết, nhanh và rẻ hơn nhiều so với đo đạc thực điạ. Các nghiên cứu trong nước về bồi lắng hồ chứa Hiện nay ở Việt Nam đã có rất nhiều các nghiên cứu áp dụng mô hình toán về bồi lắng hồ chứa, đặc biệt là các hồ chứa thuộc hệ thống sông Hồng.
Một số nghiên cứu đáng lưu ý sau: 1. “Tính toán dự báo nước dềnh bồi lắng hồ chứa công trình thủy điện Hoà Bình” do Công ty CP Tư vấn xây dựng Điện I thực hiện năm 2008 [1]. Đề tài được xây dựng nhằm mục đích sau: - Đánh giá hiện trạng tổng lượng phù sa bồi lắng ở phần dung tích chết, dung tích hữu ích và dung tích tổng cộng của hồ chứa Hòa Bình theo tài liệu quan trắc - Xác định quá trình diễn biến lắng theo không gian và thời gian dọc theo hồ. - Xác định lượng phù sa xả xuống hạ lưu.
- Tính toán dự báo tổng lượng phù sa bồi lắng hồ chứa thuỷ điện Sơn La khi có hồ Lai Châu. - Tính toán dự báo sau 100 năm tổng lượng phù sa bồi lắng hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình khi có hồ Sơn La. - Tính toán dự báo nước dềnh hồ Hoà Bình sau 100 năm bồi lắng ứng với mực nước hồ cao nhất khi có lũ thiết kế xảy ra. Công cụ được sử dụng trong đề tài là mô hình HEC-6 để mô hình hóa trao đổi bùn cát theo chiều thắng đứng.
HEC-6 tính đến hai nguồn bùn cát: bùn cát lơ lửng có trong dòng chảy đến và bùn cát ở đáy. “Đánh giá mức độ bồi lắng hồ Trị An phục vụ công tác quản lý bảo vệ an toàn hồ chứa” do Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam thực hiện năm 2009. Đề tài sử dụng số liệu đo đạc khí tượng thủy văn và bùn cát từ năm 1995 đến 2002 và mô hình hai chiều để mô phỏng chế độ thủy lực và khả năng bồi lắng của hồ Trị An. Dựa trên kết quả tính toán để xây dựng bản đồ phân vùng mức độ bồi lắng lòng hồ, đánh giá khả năng bồi lắng theo từng giai đoạn trong năm từ đó dự đoán được khả năng nâng cao lòng hồ theo thời gian do ảnh hưởng của bồ lắng để có một kế hoạch quản lý vận hành, duy tu và bảo dưỡng hồ hợp lý và an toàn.
“Tính toán nước dềnh và hồ chứa thủy điện Sơn La” - Công ty Tư vấn điện I – Tổng công ty điện lực Việt Nam – 2005. Dự án thuỷ điện Sơn La là dự án thuỷ điện lớn nhất Việt Nam nằm trên sông Đà là một phụ lưu lớn của sông Hồng. Công trình được thiết kế xây dựng trên tuyến 8 Pa Vinh nằm cách thị xã Sơn La 40km có nhiệm vụ chính là phát điện và chống lũ cho hạ du là hồ Hoà Bình và thủ đô Hà nội. Đề tài sử dụng mô hình HEC-6 để mô phỏng quá trình thủy lực và bùn cát trong hồ chứa.
Kết quả cho thấy trong những năm đầu vận hành hồ chứa thuỷ điện Sơn La, chưa có quá trình bồi lắng, khi xảy ra lũ tần suất p=1% trên toàn bộ lưu vực sông Đà thì tại tuyến Pa Vinh mực nước cao nhất là 215m, tại trạm Quỳnh Nhai cách tuyến Pa Vinh 72,3km mực nước là 215,12m, tại trạm thuỷ văn Lai Châu cách Pa Vinh 151,7km mực nước là 215,75m và tại Nậm Nhùn mực nước là 217,21m. Như vậy sau khi hồ chứa thuỷ điện Sơn La được vận hành khi có lũ p=1% thì mực nước cao nhất tại hồ chứa Sơn La là 217,21m tại chân đập Lai Châu tuyến Nậm Nhùn. “Thiết kế kỹ thuật Thủy điện A Lưới” cũng nghiên cứu về hiện tượng bồi lắng hồ chứa và nước dềnh. Tính toán bồi lắng và nước dâng hồ chứa thuỷ điện A Lưới là một khâu quan trọng không thể thiếu trong thiết kế công trình trong việc đánh giá tác động của hồ chứa tới môi trường vùng hồ, đặc biệt là ảnh hưởng của nó tới các công trình nhà cửa, ruộng nương nằm trong khu vực, tới di dân vùng hồ cũng như mức độ xói lở hạ lưu công trình, và ảnh hưởng đến các công trình đầu mối.
Bài toán bồi lắng hồ chứa, nước dâng hồ thủy điện A Lưới sử dụng mô hình HEC-6 nhằm: - Xác định tổng dung tích, sự phân bố của dung tích phù sa bồi lắng theo từng cấp mực nước dâng hồ chứa, theo thời gian vận hành, ảnh hưởng của bồi lắng tới dung tích hữu ích hồ chứa, khả năng phát điện của công trình.