Thesis of master degree optimal operation of the bac nam ha dainage system under climate change

Nghiên cứu tối ưu vận hành hệ thống thoát nước Bắc Nam Hà trong bối cảnh biến đổi khí hậu, đóng góp giải pháp hiệu quả cho quản lý tài nguyên nước.

• Tác giả: Nguyen Thi Huong
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen Cao Don
• Trường học: Thuyloi University
• Chuyên ngành: Integrated Water Resource Management
• Đề tài: Optimal operation of the Bac Nam Ha drainage system under climate change
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ABSTRACT
• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. INTRODUCTION
• 1.1. Introduction
• 1.2. Problem Statement
• 1.3. Objectives of the study
• 1.4. Research questions
• 1.5. Methodology
• 1.6. Structure of the thesis
• 2. CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Climate change including floods
• 2.2. Overview of hydrodynamic models
• 2.3. Review on application of the hydrodynamic model
• 2.4. Review of climate change study in Viet Nam
• 2.5. Concluding remarks
• 3. CHAPTER 2 STUDY AREA
• 3.1. Location of Bac Nam Ha
• 3.2. Topography
• 3.3. Zonation of the drainage system
• 3.4. Drainage channel systems
• 4. CHAPTER 3 METHODOLOGY
• 4.1. Research framework
• 4.2. Data collection and data analysis
• 4.2.1. Pumping station system
• 4.2.2. Introduction to a hydrodynamic model (VRSAP) Tools
• 5. CHAPTER 4 APPLICATION OF THE MODEL
• 5.1. Model settings
• 5.2. Boundary condition
• 5.3. Pumping station
• 5.4. Rainfall
• 5.5. Application of HD model for operational scenarios
• 5.5.1. Gate operating scenarios
• 5.5.2. Results and discussion
• 5.5.2.1. Total inundation
• 6. CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• 6.1. Conclusion
• REFERENCES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ tập trung vào vận hành tối ưu hệ thống thoát nước Bắc Nam Hà dưới tác động của biến đổi khí hậu. Khu vực nghiên cứu là vùng trũng thấp, thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt trong mùa mưa, gây tác động nghiêm trọng đến giao thông, nông nghiệp và các hoạt động kinh tế. Hệ thống thoát nước hiện tại không đáp ứng được yêu cầu do mực nước sông cao hơn mực nước thoát. Biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa, đòi hỏi các giải pháp tích hợp để kiểm soát lũ. Mô hình toán học được sử dụng để đánh giá và cải thiện hiệu suất hệ thống, xem xét cả nguồn nước từ khu vực nông nghiệp.

1.1. Vấn đề nghiên cứu

Khu vực Bắc Nam Hà và Nam Định thường xuyên bị ngập lụt do mưa lớn. Hệ thống bơm và kênh thoát nước được xây dựng từ những năm 1970 đã xuống cấp, không hoạt động hiệu quả. Các cửa điều tiết kết nối giữa các tiểu lưu vực cũng không hoạt động tối ưu. Nghiên cứu này nhằm tìm ra cách vận hành tối ưu các cửa điều tiết để giảm thiểu diện tích ngập lụt.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết lập mô hình dòng chảy thủy động lực học trong mạng lưới sông với các trạm bơm và cơ sở thoát nước để tìm ra cách vận hành tối ưu các cửa điều tiết. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: đánh giá hiện trạng hệ thống thoát nước, áp dụng mô hình thủy động lực học để mô phỏng dòng chảy, và đề xuất các biện pháp giảm thiểu ngập lụt.

II. Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến biến đổi khí hậu, lũ lụt và ứng dụng mô hình thủy động lực học. Các mô hình như HEC, SOBEK, MIKE và ISIS được sử dụng rộng rãi để mô phỏng dòng chảy và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra sự gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán và lũ lụt.

2.1. Biến đổi khí hậu và lũ lụt

Biến đổi khí hậu làm thay đổi chu trình thủy văn, dẫn đến sự gia tăng lượng mưa và bốc hơi. Điều này gây ra sự phân bố không đồng đều của lượng mưa, làm tăng nguy cơ lũ lụt ở một số khu vực. Các mô hình toán học được sử dụng để dự đoán và đánh giá tác động này.

2.2. Ứng dụng mô hình thủy động lực học

Các mô hình thủy động lực học như MIKE và SOBEK được áp dụng để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống thoát nước. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh hiệu quả của các mô hình này trong việc dự đoán và giảm thiểu ngập lụt.

III. Khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu là Bắc Nam Hà, một vùng trũng thấp được bao quanh bởi các con sông lớn như sông Hồng, sông Đáy và sông Đào. Địa hình khu vực này thấp, dễ bị ngập lụt trong mùa mưa. Hệ thống thoát nước bao gồm các kênh, cửa điều tiết và trạm bơm, nhưng đã xuống cấp sau nhiều năm sử dụng.

3.1. Đặc điểm địa hình

Khu vực Bắc Nam Hà có địa hình thấp, với độ cao trung bình dưới mực nước sông. Điều này làm tăng nguy cơ ngập lụt khi mưa lớn hoặc triều cường.

3.2. Hệ thống thoát nước

Hệ thống thoát nước bao gồm các kênh chính, cửa điều tiết và trạm bơm. Tuy nhiên, hệ thống này đã xuống cấp và không còn phù hợp với nhu cầu hiện tại.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy động lực học VRSAP để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống thoát nước. Dữ liệu đầu vào bao gồm địa hình, mạng lưới kênh, trạm bơm và dữ liệu thời tiết. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu quan trắc. Các kịch bản vận hành cửa điều tiết được thử nghiệm để tìm ra phương án tối ưu.

4.1. Thu thập và phân tích dữ liệu

Dữ liệu địa hình, mạng lưới kênh và thời tiết được thu thập và sử dụng để thiết lập mô hình. Các thông số thiết kế của trạm bơm cũng được xem xét.

4.2. Thiết lập mô hình

Mô hình VRSAP được thiết lập để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống thoát nước. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu quan trắc.

V. Kết quả và thảo luận

Kết quả mô phỏng cho thấy diện tích ngập lụt và mực nước dọc theo các kênh thoát nước. Các kịch bản vận hành cửa điều tiết được đánh giá để tìm ra phương án tối ưu. Kết quả cho thấy mô hình có thể áp dụng để đánh giá hệ thống kiểm soát lũ tích hợp cho vùng trũng thấp.

5.1. Diện tích ngập lụt

Kết quả mô phỏng cho thấy diện tích ngập lụt tại các khu vực khác nhau trong khu vực nghiên cứu. Các kịch bản vận hành cửa điều tiết được đánh giá để giảm thiểu diện tích ngập lụt.

5.2. Đề xuất vận hành tối ưu

Dựa trên kết quả mô phỏng, các đề xuất vận hành tối ưu được đưa ra để giảm thiểu ngập lụt. Các giải pháp này bao gồm điều chỉnh thời gian mở cửa điều tiết và tăng cường hiệu suất trạm bơm.

VI. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của mô hình thủy động lực học trong việc đánh giá và cải thiện hệ thống thoát nước. Các giải pháp vận hành tối ưu được đề xuất để giảm thiểu ngập lụt dưới tác động của biến đổi khí hậu. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh sự cần thiết của việc nâng cấp hệ thống thoát nước hiện có để đáp ứng nhu cầu trong tương lai.

6.1. Kết luận

Mô hình VRSAP là công cụ hiệu quả để đánh giá hệ thống thoát nước và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt. Các kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực trũng thấp khác.

6.2. Khuyến nghị

Cần nâng cấp hệ thống thoát nước hiện có và áp dụng các giải pháp vận hành tối ưu để giảm thiểu ngập lụt. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tích hợp các yếu tố biến đổi khí hậu vào mô hình.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các vùng đồng bằng thấp trũng, đặc biệt là khu vực Nam Hà thuộc đồng bằng sông Hồng, tình trạng ngập lụt do mưa lớn trong mùa mưa gây ra nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng đến giao thông, nông nghiệp, công nghiệp và các hoạt động kinh tế khác. Với tổng diện tích khoảng 85.326 ha, khu vực này được bao bọc bởi bốn con sông lớn gồm sông Hồng, sông Đáy, sông Đào và sông Châu, tạo nên hệ thống thủy văn phức tạp. Mức nước thoát lũ yêu cầu trong vùng thường thấp hơn mực nước các con sông bao quanh, khiến việc thoát nước bằng trọng lực gặp nhiều khó khăn, buộc phải sử dụng hệ thống bơm để kiểm soát lũ lụt. Tuy nhiên, hệ thống kênh mương và các công trình thủy lợi đã xuống cấp sau hơn 30 năm vận hành, làm giảm hiệu quả thoát nước.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm thiết lập mô hình thủy động lực học (hydrodynamic) cho hệ thống kênh sông và các trạm bơm tại Nam Hà, từ đó đề xuất phương án vận hành tối ưu các cống điều tiết nhằm giảm thiểu diện tích ngập lụt trong điều kiện biến đổi khí hậu. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa từ năm 1994 đến 2014, với lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1800 mm, tập trung chủ yếu trong các tháng 7 đến 9. Theo kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam (MONRE) năm 2016, lượng mưa dự kiến tăng khoảng 14% trong giai đoạn 2016-2035, được tích hợp vào mô phỏng để đánh giá tác động.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ mô hình hóa chính xác, hỗ trợ quản lý và vận hành hệ thống thoát nước tích hợp, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, đồng thời thích ứng với các biến đổi khí hậu trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực học, trong đó trọng tâm là hệ phương trình Saint-Venant mô tả bảo toàn khối lượng và động lượng trong dòng chảy không ổn định, không đều trong kênh hở. Các khái niệm chính bao gồm:

• Mô hình thủy động lực học (Hydrodynamic Model): Giải các phương trình Saint-Venant bằng phương pháp sai phân hữu hạn, mô phỏng dòng chảy và mực nước trong hệ thống kênh sông.
• Mô hình vận hành tích hợp (Integrated Operation Model): Kết hợp mô phỏng dòng chảy với các kịch bản vận hành cống, trạm bơm để tối ưu hóa việc kiểm soát lũ.
• Biến đổi khí hậu và tác động đến thủy văn: Tác động của biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa, mực nước sông và tần suất ngập lụt, được mô phỏng theo kịch bản RCP 4.5.
• Khái niệm vùng ngập và thời gian ngập: Đánh giá độ sâu ngập và thời gian ngập tối đa cho phép để không ảnh hưởng quá 10% năng suất cây trồng.

Mô hình VRSAP (Vietnam River Systems and Plains) được lựa chọn do khả năng mô phỏng mạng lưới sông kênh phức tạp, có thể tích hợp các công trình thủy lợi như cống, trạm bơm, và đã được hiệu chỉnh phù hợp với điều kiện đồng bằng sông Hồng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu khí tượng thủy văn: lượng mưa, độ ẩm, tốc độ gió, bức xạ mặt trời thu thập từ các trạm quan trắc trong giai đoạn 1994-2014.
• Dữ liệu địa hình: bản đồ số độ cao chi tiết khu vực Nam Hà.
• Dữ liệu hệ thống thủy lợi: thông số kỹ thuật các trạm bơm, cống điều tiết, mạng lưới kênh mương.
• Dữ liệu biến đổi khí hậu: kịch bản lượng mưa tăng 14% theo báo cáo MONRE 2016.

Phương pháp phân tích gồm:

• Thiết lập mô hình thủy động lực học VRSAP cho hệ thống kênh sông và trạm bơm.
• Hiệu chỉnh mô hình bằng dữ liệu quan trắc mực nước và lưu lượng tại các trạm bơm Nhu Trac và Cau Sat, đạt chỉ số Nash-Sutcliffe lần lượt 0.79 và 0.82, đảm bảo độ chính xác mô hình.
• Xác thực mô hình với dữ liệu độc lập, đạt chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0.75.
• Mô phỏng các kịch bản vận hành cống điều tiết (64 trường hợp kết hợp đóng mở các cống chính) nhằm tìm ra phương án tối ưu giảm diện tích ngập.
• Thời gian nghiên cứu tập trung vào mùa mưa năm 2008, với dữ liệu mưa chi tiết từ 28/8 đến 27/9, chia làm giai đoạn hiệu chỉnh và xác thực mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Diện tích ngập lụt biến động theo kịch bản vận hành cống:

   • Ở vùng Nhu Trac, diện tích ngập dao động từ 1.000 ha đến 5.000 ha tùy theo tình huống vận hành. Kịch bản đóng cống Vua (Nhu Trac hoạt động độc lập) cho diện tích ngập nhỏ nhất.
   • Vùng Huu Bi có diện tích ngập thấp hơn, từ 1.500 ha đến 3.500 ha. Kịch bản mở toàn bộ các cống chính giúp giảm ngập hiệu quả nhất.
   • Vùng Coc Thanh có sự biến động lớn nhất, diện tích ngập từ 2.000 ha đến 18.000 ha. Kịch bản đóng cống 3/2 và mở cống Canh Ga giúp giảm ngập tối đa.

2. Ảnh hưởng của lượng mưa và biến đổi khí hậu:

   • Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1.800 mm, tập trung chủ yếu trong 3 tháng mùa mưa.
   • Dựa trên kịch bản biến đổi khí hậu, lượng mưa tăng 14% làm gia tăng áp lực thoát nước, đòi hỏi phương án vận hành hệ thống phải được điều chỉnh phù hợp.

3. Hiệu quả mô hình VRSAP:

   • Mô hình mô phỏng chính xác mực nước và lưu lượng tại các trạm bơm với sai số nhỏ, cho phép dự báo quá trình ngập lụt và mực nước trong kênh.
   • Mô hình hỗ trợ đánh giá các kịch bản vận hành, giúp lựa chọn phương án tối ưu giảm thiểu diện tích ngập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập lụt là do hệ thống kênh mương và công trình thủy lợi đã xuống cấp, cùng với mực nước sông bao quanh cao hơn mực nước trong vùng, gây khó khăn cho thoát nước bằng trọng lực. Việc vận hành các cống điều tiết đóng vai trò then chốt trong việc phân vùng và kiểm soát dòng chảy, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích ngập.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo về tác động của biến đổi khí hậu đến thủy văn vùng đồng bằng sông Hồng, đồng thời khẳng định tính hiệu quả của mô hình thủy động lực học trong quản lý lũ lụt. Việc mô phỏng chi tiết từng vùng thoát nước và các kịch bản vận hành giúp các nhà quản lý có cơ sở khoa học để ra quyết định vận hành hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế và biến đổi khí hậu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện biến động diện tích ngập theo thời gian và các kịch bản vận hành cống, cũng như bảng so sánh chỉ số Nash-Sutcliffe giữa mô hình và quan trắc thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa vận hành cống điều tiết:

   • Đóng mở linh hoạt các cống Vua, An Bai, 3/2, La Cho, Canh Ga và My Do theo kịch bản đã được mô phỏng để giảm diện tích ngập tối đa.
   • Thời gian thực hiện: ngay trong mùa mưa hàng năm.
   • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hệ thống thủy lợi Nam Hà.

2. Nâng cấp, bảo trì hệ thống kênh mương và trạm bơm:

   • Tiến hành nạo vét các kênh chính như Kinh Thuy, Bien Hoa, My Do để khôi phục lưu lượng thiết kế.
   • Thời gian: trong vòng 2-3 năm tới.
   • Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Hà Nam phối hợp với các đơn vị liên quan.

3. Áp dụng mô hình VRSAP trong quản lý vận hành:

   • Sử dụng mô hình để dự báo ngập lụt và hỗ trợ ra quyết định vận hành hệ thống thoát nước theo tình hình mưa thực tế và dự báo khí tượng.
   • Thời gian: triển khai ngay và cập nhật thường xuyên.
   • Chủ thể: Trung tâm Quản lý nước và phòng chống thiên tai tỉnh.

4. Xây dựng kế hoạch thích ứng với biến đổi khí hậu:

   • Cập nhật kịch bản lượng mưa và mực nước theo các báo cáo mới nhất để điều chỉnh vận hành hệ thống phù hợp.
   • Thời gian: đánh giá định kỳ 5 năm một lần.
   • Chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý thủy lợi và phòng chống thiên tai:

   • Lợi ích: Có công cụ khoa học để vận hành hệ thống thoát nước hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.
   • Use case: Lập kế hoạch vận hành trạm bơm và cống điều tiết theo mùa mưa.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý tài nguyên nước:

   • Lợi ích: Tham khảo phương pháp mô hình thủy động lực học ứng dụng thực tiễn trong điều kiện biến đổi khí hậu.
   • Use case: Phát triển nghiên cứu tiếp theo về mô hình hóa thủy văn vùng đồng bằng.

3. Các cơ quan hoạch định chính sách về biến đổi khí hậu và phát triển bền vững:

   • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của biến đổi khí hậu đến hệ thống thủy lợi và đề xuất giải pháp thích ứng.
   • Use case: Xây dựng chính sách quản lý rủi ro thiên tai và đầu tư hạ tầng.

4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực nông nghiệp và phát triển hạ tầng:

   • Lợi ích: Đánh giá rủi ro ngập lụt và hiệu quả đầu tư cải tạo hệ thống thoát nước.
   • Use case: Lập dự án nâng cấp hệ thống thủy lợi phù hợp với điều kiện khí hậu tương lai.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình VRSAP có ưu điểm gì so với các mô hình thủy động lực học khác?
   Mô hình VRSAP được phát triển phù hợp với điều kiện đồng bằng sông Hồng, có khả năng mô phỏng mạng lưới kênh sông phức tạp, tích hợp các công trình thủy lợi như cống, trạm bơm. Ngoài ra, mã nguồn mở giúp người dùng dễ dàng hiệu chỉnh và nâng cấp theo yêu cầu thực tế.

2. Làm thế nào để mô hình được hiệu chỉnh chính xác?
   Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách so sánh kết quả mô phỏng mực nước và lưu lượng với dữ liệu quan trắc thực tế tại các trạm bơm trong giai đoạn hiệu chỉnh. Chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0.75 được coi là mô hình đạt yêu cầu.

3. Tác động của biến đổi khí hậu đến hệ thống thoát nước như thế nào?
   Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa trung bình khoảng 14% trong khu vực nghiên cứu, dẫn đến áp lực thoát nước lớn hơn, tăng nguy cơ ngập lụt nếu không có phương án vận hành và cải tạo hệ thống phù hợp.

4. Phương án vận hành cống điều tiết được lựa chọn dựa trên tiêu chí nào?
   Tiêu chí chính là giảm thiểu diện tích ngập lụt tổng thể trong vùng, đồng thời đảm bảo vận hành hiệu quả các trạm bơm và không gây ngập cục bộ tại các vùng thấp.

5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các vùng đồng bằng khác không?
   Phương pháp và mô hình có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các vùng đồng bằng thấp trũng khác có điều kiện thủy văn tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh mô hình phù hợp với đặc điểm địa hình và hệ thống thủy lợi địa phương.

Kết luận

• Thiết lập thành công mô hình thủy động lực học VRSAP cho hệ thống kênh sông và trạm bơm tại Nam Hà, đạt độ chính xác cao với chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0.75.
• Phân tích các kịch bản vận hành cống điều tiết cho thấy phương án đóng mở linh hoạt các cống chính giúp giảm diện tích ngập lụt đáng kể, từ 18.000 ha xuống còn khoảng 1.000-5.000 ha tùy vùng.
• Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa khoảng 14%, đòi hỏi phải điều chỉnh vận hành hệ thống thoát nước để thích ứng hiệu quả.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và vận hành hệ thống thoát nước tích hợp, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và thích ứng với biến đổi khí hậu.
• Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống kênh mương, vận hành cống điều tiết và áp dụng mô hình VRSAP trong quản lý vận hành, với lộ trình thực hiện trong 2-3 năm tới.

Các cơ quan quản lý và đơn vị liên quan nên triển khai áp dụng mô hình và các kịch bản vận hành được đề xuất, đồng thời cập nhật dữ liệu và kịch bản biến đổi khí hậu để duy trì hiệu quả quản lý hệ thống thoát nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ABSTRACT During the rainy season, frequent flooding by storm water is one of the most serious problems in lowland areas, causing heavy effect on transportation, agriculture, industries and many economic activities. The required drainage water levels in this area are generally lower than the water levels of the virulent rivers. Under such cases, pumping systems should be designed from a viewpoint of the integrated control floods. Nam Ha lowland, in Vietnam, bounded by four surrounding rivers, is selected as a case study.

The operated plan in this area is the key factor for drainage and flood protection. In this study, the mathematical model is used as a tool to evaluate the present drainage system as well as the scenario to improve its performance, considering the released water from agricultural areas. Under climate change, there is change in rainfall of 14% in the region according to climate change scenario for Viet Nam updated 2016 of MONRE. These changes were taken in to the simulation.

The results show both the flooding processes in the field as well as inundation areas and water levels along drainage channels. It is found that the proposed model can be applied to evaluate integrated flood control systems for pumped field lowland. Such a proper operating system provides an effective tool by means of which the drainage system can be operated appropriately taking account of rainfall intensity and effects of climate change. DECLARATION I hereby certify that the work presented in this thesis entitled, “Optimal operation of the Bac Nam Ha drainage system under climate change.” in partial fulfillment of the requirement for the award of the Master of Science in Integrated Water Resource Management, is my own work carried out under the supervision of Assoc.

Nguyen Cao Don The matter embodied in this thesis has not been submitted by me for the award of any other degree or diploma. Date: 15/04/2017 Signature: Nguyen Thi Huong il ACKNOWLED GEMENT I would like to give many thanks to all people who has supported and assisted me during the Master Thesis Research. Without their continuous support, encouragement and guidance, it would have been impossible for me to complete the study in time. I would like to express my appreciation to Assoc Dr.

Nguyen Cao Don, my devoted mentor, for his unlimited encouragement, guidance, comments and technical supports on VRSAP modeling as well as thesis writing process from the beginning of thesis research. He always keeps track on his students and brings them back to the right way. I wish to thank Assoc Dr. Nguyen Thu Hien for her feedbacks, comments and supports from the proposal process.

I would like to thank to the NICHE - VNM 106 Project for their financial support during the post graduate study at Thuyloi University. I would like to thank to all teachers and professors of Thuyloi University. Last but not least, I want to take this opportunity to show my appreciation to my parents, my siblings and all of my friends for their helps and encouragements. 1H TABLE CONTENTS ABSTRACT DECLARATION, ACKNOWLED GEMENT INTRODUCTION 1 Introduction.

13 Objectives ofthe study. 14 Research questions 15 Methodology 16 ‘Structure of the thesis, CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW. La CClimate change including floods 12 Overview of hydrodynamic models 13 Review on application ofthe hydrodynamic model 14 Review of climate change study in Viet Nam 15 Concluding remarks CHAPTER 2 STUDY AREA. 21 Location of Bac Nam Ha 22 Topography 23 Zonation of the drainage system.

24 Drainage channel systems, CHAPTER 3 METHODOLOGY 31 Research framework 32 Data collection and data analysis, 3.1 Pumping station system 3. 33 Introduction to a hydro dynamic model (VRSAP) Tools. CHAPTER4 APPLICATION OF THE MODEL. Model settings 35 42 Boundary condition 36 4.1 Pumping station 36 422 Rainfall 37 43.

Application of HD model for operational scenarios 40 45.1 Gate operating scenarios 40 452 _ Results and discussion. Al 453° Total inundation 45 CONCLUSION AND RECOMMENDATION 47 Conclusion 47 REFERENCES 49 LIST OF FIGURES Figure 1.1: Projected change in water eycle Source: (USGCRP (2009), Figure 2.1: Map showing the study area 20 Figure 3.1: Intergrated operational model 26 Figure 3.2: Modeling field plot 33 Figure 4.1; Schematic diagram of the drainage systems showing nodes, links and files plots 35 Figure 4.2: Rainfall pattern taking into account of climate change 38 Figure 4.3: The adjustment steps.4: Model calibration for water levels at NhuTrac and Cau Sat 40 Figure 4.5: Inundation area at NhuTrac drainage zone Al Figure 4.6: Inundation area at Huu Bi drainage zone a2 Figure 4.7: Inundation area at CocThanh drainage zone.8: Inundation area at Vinh Tri drainage zone “ Figure 4.9: Inundation area at Co Dam drainage zone 45 Figure 4.10: Graph ofinundation area for 5 drainage zones 45 Figure 4.11: Graph of situations giving the smallest inundation area. 46 LIST OF TABLES Table 2.1 Field elevation distribution in the area of 6 independent pumping stations .2 Distribution of area by elevation for the area of 6 pumping stations.3 Main drainage canal system and works on the canal.1 The source of required data for model .2 Design parameters of 6 independent pumping stafIons.3 Monthly average precipitation of rainfall at gauging stations in the study vil ABBREVIATIONS DHI: Danish Hydraulic Institute DARD: Department of Agriculture and Rural Development GIS: Geographic Information System HD: Hydrodynamic Model NAM: Nedbor Afstromnings Model MRC: Mekong River Commission MONRE: Ministry of Natural Resources and Environment SWAT: Soil and Water Assessment Tool IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change RMSE: Root Mean Square Error UNDP: United Nations Development Program UNFCCC: United Nations Framework Convention on Climate Chang VRSAP: Vietnam River Systems and Plains WREA: Water Resources and Environment Administration WEAP: Water Evaluation and Planning Viii INTRODUCTION 1.1 Introduction During the rainy season, frequent flooding by storm water is one of the most serious problems in lowland area, causing heavy effect on transportation, agriculture, industries and many economic activities. The required drainage water levels in this area are generally lower than the water levels of the boundary rivers.

In the development of this area, conventional functional drainage systems have been built, including channels, sluiceways, gates, regulator, pumping stations, etc. In operation, the drainage system should be operated appropriately taking account of tidal effect, rainfall intensity and reaching time of the rainwater. Such a proper operating system has not been established yet in the region. At present, the development of agriculture is extensive and intensive, based on the diversified crop patterns, two or three cropping seasons in a year, and high yielding crop varieties with high demands of irrigation and drainage and level of its management.

However, after many years, operation and having exploited for a long time, most of the drainage systems are heavily deteriorated, with uncompleted canals and control structures. Generally, the drainage system in this area is no longer suitable for the present stage of the agricultural land use. For these reasons, the improvement of drainage system’s operation is now very necessary and important. Moreover, according to IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) and MONRE (Department of Agriculture and Rural Development), Viet Nam is one of the countries being affected by climate change that sea level rise and saline water intrusion.

The average rise in the global sea level is expected to be 59cm by 2100, according to the highest greenhouse gas emission scenario used in the fourth assessment of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2007. However, according to a medium global greenhouse gas emission scenario, the sea level rise along the Viet Nam coast would be on average of 75cm by 2100. The Viet Nam Government recognizes climate change as a major challenge. In order to solve those existing problems, it is necessary to understand the characteristics of the complicated unsteady flow regime in the drainage canal system.

Simulation approach is the best way to estimate the unsteady flow and to give the best suitable measures for improving drainage systems. Under such circumstances, pumping systems should be designed from a viewpoint of the integrated control floods. Furthermore, Nam Ha is lowland, in Vietnam, bounded by four surrounding rivers, is selected as a case study. The operation scheme in this area is the key factor for drainage and flood protection.

The mathematical model is applied as a tool to evaluate the present drainage system as well as the scenario to improve its performance, considering the released water from agricultural areas and climate change. The results show both the flooding processes in the field as well as inundation areas and water levels along drainage channels. It is found that the proposed model can be applied to evaluate integrated flood control systems for pumped field lowland. Such a proper operating system provides an effective tool by means of which the drainage system can be operated appropriately taking account of tidal effect, rainfall intensity and reaching time of the rainwater.

This thesis aims to set up a model hydrodynamic flow to the river network with its pumping stations and other drainage facilities to find a suitable operation of gate regulators so as to minimize total flooded area under a rainfall event.2 Problem Statement Ha Nam and Nam Dinh provinces are located in the lowland regions. The region is surrounded by large rivers like the Red river, Day river, the Dao river in infield in addition also Chau Giang river and some other smaller rivers. The study area is frequently inundated during rainy season. To resolve this situation, the system of large pumping stations was built in the year 1970.

However, head works and canals and other drainage facilities were over 30 years of operation, and thus they have severely deteriorated. The pumping equipment were not well performed. The gate regulators that connect sub-drainage basin did not work properly and efficiently. Therefore, in this study, aims at finding out a suitable operation of gate regulators so as to minimize total flooded area.3 Objectives of the study “The long term goal of this research is to set up a model hydrodynamic flow in the river network with its pumping stations and other drainage facilities to find a suitable ‘operation of gate regulators so as to minimize total flooded area Particularly, the study has the following sub-objectives: 1) To have an overview of the existing drainage system and inundation status in Bac Had ‘am under current and future climate change.

2 To apply a hydrodynamic model for simulating flows in the drainage systems corresponding to an operation of gate regulator. 3) Based on the results of the hydrodynamic model, measures for inundation mitigation will be proposed. 14 Research questions In order to get the objectives of the research, some research questions have to be answered. 1) What is the current status of the drainage system and inundation in Bac Ha Nam? 2) What are the main causes of inundation in Bac Ha Nam at current and future climatic condition? 3) How to apply a hydrodynamic model to have recommendations for inundation mitigation for decision makers? 4) What is the optimal operation of gate regulators proposed to Bac Nam Ha so as to minimize the flooded area.5 Methodology In this research, the framework of methodology has been developed as follows Figure 1-1.

Firstly, basing on previous studies and analysis, available informations can be use to define current status of drainage system and situation in Bac Nam Ha. Secondly, collection of data: These data are used as input and for calibration and verification of models. These consist of : Topography, channel networks pumping station, channel geometry, weather data, ect. ‘Thirdly, model set up : Applying a hydrodynamic model to the study area to simulate flows in river channels, the model willbe calibrated using observed data.

Fourthly, The system scenarios will be studied formany combinations of gate ‘operationso as to find a suitable operation that minimizes the flooded area In the last, coneludon and recomandation will be given `, Model setting (calibration and verification) Figure 0.1: Framework of methodology 1.