CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nước là nguồn tài nguyên quan trọng không chỉ đối với con người mà đối với tất cả các sinh vật sống và hàng loạt các quá trình khác trên trái đất. Theo thời gian, dân số và kinh tế ngày càng phát triển dẫn đến nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng cao cả về số lượng lẫn chất lượng. Trong khi đó, phân bố nguồn nước tự nhiên lại không đều theo không gian và thời gian.
Theo không gian, những nơi có nguồn nước được xem là dồi dào cả về chất lẫn lượng thì nhu cầu nước chưa hẳn đã lớn và ngược lại. Theo thời gian, những lúc có nhu cầu sử dụng lớn thì nguồn nước lại không đầy đủ hoặc thiếu trầm trọng. Do vậy, để khắc phục những hạn chế này đáp ứng nhu cầu sử dụng nước một cách tốt hơn, hàng loạt các hoạt động liên quan đến phát triển tài nguyên nước đã và đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ. Xây dựng các công trình hồ chứa trên các lưu vực sông nhằm điều chỉnh sự phân bố một cách không cân bằng so với nhu cầu sử dụng là một trong những hoạt động mang lại hiệu quả cao.
Theo báo cáo của Uỷ hội quốc tế về đập (tháng 12 năm 2000) thì đến năm 1950 có ít nhất 45.000 đập lớn được xây dựng trên thế giới phục vụ cho việc phát điện, cấp nước và tưới. Đến đầu thế kỷ 21 này, vẫn còn khoảng 1/3 các quốc gia trên thế giới với một nửa nhu cầu điện năng của họ phụ thuộc vào thuỷ điện. Trong cơ cấu sản xuất điện tại Việt Nam, năm 1995 thuỷ điện chiếm 72,3%, và năm 2000 là 54,7%. Các hồ chứa lớn đã sản xuất khoảng 19% tổng lượng điện sử dụng trên thế giới.
Hơn một nửa số đập trên thế giới được xây dựng phục vụ tưới, và khoảng 40% trong tổng số 271 triệu ha diện tích tưới trên thế giới phụ thuộc vào sự cung cấp nước của các đập dâng, hồ chứa. Rõ ràng, việc xây dựng hồ chứa đã đóng vai trò rất quan trọng trong việc đáp ứng các nhu cầu sử dụng của con người. Tuy nhiên, việc phát triển xây dựng các công trình đập dâng/hồ chứa này đã dẫn đến các sự cố vỡ đập đã gây thiệt hại không nhỏ đối với người và của. Theo thống kê, từ năm 1945 đến 1965 có 36 đập bị hư hỏng trên tổng số 4500 đập được xây dựng (Jansen, 1988) và tính cho đến những năm 70 của thế kỷ trước, đã có khoảng 300 đập bị sự cố trên toàn thế giới (Johnson and Illes, 1976).
Có thể kể đến một số vụ vỡ đập nổi tiếng trên thế giới như đập Purentes ở Tây Ban Nha năm 1802, đập Dale Dyke ở Anh năm 1864, đập Habra ở Algeria năm 1881, đập South Fork ở _____________________________________________________________________ -3- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ TELEMAC-2D NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG VỠ ĐẬP TRỊ AN LÊN VÙNG HẠ LƯU Mỹ năm 1889, đập St Francis ở Mỹ năm 1928, đập Malpasset ở Pháp năm 1959, đập Banqiao ở Trung Quốc năm 1975, đập Stava ở Ý năm 1985, trường hợp vỡ đập Vaiont ở Ý năm 1963 làm 2.600 người chết; vỡ đập Johnstown, ở Pennsylvania, Mỹ xảy ra năm 1889 làm 2.200 người chết; vỡ đập Machhu II ở Ấn độ xảy ra năm 1974 làm trên 2.000 người chết… Đập bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân như do động đất, lún, thấm, nước tràn qua đỉnh, do xuống cấp, do thi công kém chất lượng, …Mặc dù xác suất đập bị hư hỏng là không lớn nhưng hậu quả do vỡ đập gây ra có thể rất nặng nề về nhân mạng, vật chất và môi trường ở vùng hạ lưu. Do đó, những dữ liệu dự báo đầy đủ về lưu lượng, vận tốc, chiều sâu dòng chảy lũ và thời gian lũ truyền đến các vị trí ở hạ lưu đập trở thành những thông tin quan trọng cho việc sẵn sàng ứng phó với tai họa vỡ đập nếu nó xảy ra. Bài toán thủy lực về vỡ đập ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về khai thác và quản lý nguồn nước, bảo vệ môi trường, … nhất là trong tình hình có thể xảy ra các biến cố thủy văn cực hạn do biến đổi khí hậu hiện nay. Trải qua nhiều thập kỷ, đã có nhiều cố gắng liên tục nghiên cứu bài toán thủy lực về vỡ đập.
Trong thực tế do có nhiều khó khăn phát sinh đối với việc thực hiện đo đạc theo thời gian thực khi xảy ra vỡ đập nên phần lớn các nghiên cứu về vỡ đập được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên vì các mô hình vật lý thường bị khống chế bởi những tỉ lệ hình học nhỏ trong phòng thí nghiệm nên không thể biểu thị đầy đủ cơ chế dài hạn của dòng chảy. Điều này đúng đối với những thí nghiệm trên đáy lòng dẫn cứng (cố định) trước đây và mềm (di động) hiện nay. Về mặt lý thuyết, bài toán thủy lực về vỡ đập đã được phát triển từ lâu, xuất phát từ hệ phương trình Saint-Venant 1D (dòng chảy một phương).
Nhiều nhà khoa học đã cố gắng giải hệ phương trình đó bằng phương pháp giải tích. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và tin học, việc nghiên cứu bài toán vỡ đập bằng mô hình toán số đã trở nên rất phổ biến, từ trường hợp 1D đến trường hợp 2DH (dòng chảy hai phương nằm ngang). Trên lưu vực sông Đồng Nai, các công trình hồ chứa lớn có vai trò rất đặc biệt không chỉ đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế trong phạm vi lưu vực mà có ảnh hưởng lớn đối với vùng, quốc gia, đáng kể như các hồ thuỷ điện Đa Nhim (1964), Trị An _____________________________________________________________________ -4- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ TELEMAC-2D NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG VỠ ĐẬP TRỊ AN LÊN VÙNG HẠ LƯU (1988), Thác Mơ (1994), Cần Đơn (2003), Srock Phu Miêng (2005), Hàm Thuận- Đa Mi (2001), công trình hồ chứa Dầu Tiếng (1978) trên sông Sài Gòn. Các công trình này đã đem lại hiệu quả kinh tế-xã hội rất lớn trong quá trình hình thành và phát triển như cung cấp phần lớn nguồn điện năng cho các tỉnh thành khu vực miền Nam, tăng cường dòng chảy về mùa khô ở vùng hạ lưu đáp ứng nhu cầu đẩy mặn phục vụ cho việc cấp nước dân sinh và công nghiệp, nhu cầu tưới ở vùng hạ lưu.
Bên cạnh đó, các công trình này đã tham gia giảm thiểu ngập lũ cũng như tham gia phòng chống ô nhiễm ở vùng hạ lưu. Công trình thủy điện Trị An được xây dựng từ năm 1988: Nằm trên dòng chính sông Đồng Nai, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai, với Flv=14.800 km2, MNDBT=62,0m,MNC=50,0m,MNGC=63,9m,Vtổng=2.567x106m, Vpl=635x106m3, Nlm=400MW, Eo= 1. Cho đến nay hồ đã trãi qua 25 năm ngoài nhiệm vụ phát điện, công trình này đã góp phần gia tăng dòng chảy về mùa kiệt ở hạ lưu tạo điều kiện thuận lợi trong việc tưới cho các cánh đồng vùng hạ du lưu vực sông Đồng Nai. Ngoài ra, công trình này cũng đã góp phần làm giảm dòng chảy lũ, thu hẹp đáng kể diện tích ngập ở vùng hạ lưu này trong mùa lũ.
Với thời gian dài như thế và trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu, hiện tượng chặt phá rừng ở thượng nguồn có thể gây ra những trận lũ lớn mà trong lịch sử chưa từng xảy ra và điều này có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn đập. Tuy nhiên, việc đánh giá các tác động khi có sự cố vỡ đập xảy ra ảnh hưởng như thế nào đến hạ lưu chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Do đó đề tài: “Ứng dụng mô hình toán số TELEMAC – 2D nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng vỡ đập Trị An lên khu vực hạ lưu” là cần thiết.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI a) Mục tiêu chung Mục tiêu chung của đề tài là tạo cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu mô hình toán số ứng dụng mô phỏng vỡ đập để có thể chủ động phòng, chống lũ, phòng chống thảm họa thiên tai. b) Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số giải bài toán truyền sóng do vỡ đập.
- Áp dụng bài toán vỡ đập đối với đập Trị An trên sông Đồng Nai. _____________________________________________________________________ -5- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ TELEMAC-2D NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG VỠ ĐẬP TRỊ AN LÊN VÙNG HẠ LƯU - Đánh giá khả năng ngập lụt ở hạ lưu Hồ Trị An gồm: phạm vi vùng ngập, thời gian truyền lũ trên sông, độ sâu và thời gian ngập, vận tốc truyền lũ. - Đề xuất một số các giải pháp công trình, phi công trình để giảm thiểu thiệt hại khi vỡ đập cũng như đề xuất vùng trú ẩn an toàn phục vụ cho công tác di dân khi có sự cố vỡ đập.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a) Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là diễn biến quá trình lũ ở hạ lưu sau Hồ Trị An và ảnh hưởng của nó về mặt thủy lực tới vùng hạ lưu. b) Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là vùng hạ Đồng Nai – Sài Gòn sau Đập Trị An.
Hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn (ĐN-SG) là vùng đất được tính từ sau thác Trị An trên sông Đồng Nai, từ sau đập Dầu Tiếng trên sông Sài gòn và giới hạn đến hết bờ tả kênh Mỹ Bình – Bo Bo. Diện tích tự nhiên toàn vùng khoảng 452.000 ha, bao gồm phần đất thuộc địa phận các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Long An và thành phố Hồ Chí Minh, trong lưu vực đã và đang hình thành nhiều trung tâm công nghiệp và khu dân cư tập trung lớn trong đó thành phố Hồ Chí Minh là một trong những trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá và khoa học kỹ thuật quan trọng của cả nước; ngoài ra, các tỉnh thành chung quanh thành phố HCM đã phát triển nhanh chóng giúp cho bộ mặt vùng hạ lưu có tốc độ tăng trưởng kinh tế đứng đầu trong cả nước. _____________________________________________________________________ -6- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ TELEMAC-2D NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG VỠ ĐẬP TRỊ AN LÊN VÙNG HẠ LƯU Hình 1-1: Phạm vi vùng nghiên cứu 1.4 HƯỚNG TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tiếp cận thực tiễn, hệ thống và toàn diện. - Tiếp cận kế thừa tri thức, kinh nghiệm của các nghiên cứu đã có trước đó một cách chọn lọc, sáng tạo.
- Ứng dụng mô hình toán để mô phỏng tính toán diễn biến ngập lũ khi vỡ đập. Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở tận dụng tối đa sự phát triển của công nghệ thông tin trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển tài nguyên nước trong nước và trên thế giới, cụ thể là các mô hình toán mô phỏng.