Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết nguồn nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt, đồng thời góp phần phòng chống thiên tai, đặc biệt là lũ lụt. Tại Việt Nam, với đặc điểm khí hậu có hai mùa rõ rệt – mùa mưa và mùa khô – việc quản lý nguồn nước trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các công trình thủy lợi như đập dâng và hồ chứa đã góp phần ổn định nguồn nước, giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra. Tuy nhiên, việc xây dựng đập dâng tràn tại các vị trí hạ lưu hồ chứa như đập Định Bình có thể ảnh hưởng đến dòng chảy lũ, gây ngập lụt thượng lưu nếu không được thiết kế và vận hành hợp lý.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đập dâng Văn Phong đến dòng chảy lũ ở hạ lưu đập Định Bình, tỉnh Bình Định, trong giai đoạn từ năm 1999 đến 2010. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng tháo lũ của đập dâng Văn Phong với thiết kế tràn ngưỡng kiểu phím Piano, từ đó đề xuất các giải pháp quy hoạch phòng tránh lũ hiệu quả cho vùng hạ lưu. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống thủy lợi, đồng thời góp phần giảm thiểu rủi ro thiên tai cho cộng đồng dân cư và phát triển kinh tế vùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực dòng chảy hở, trong đó hệ phương trình Saint-Venant được sử dụng làm cơ sở tính toán dòng chảy một chiều không ổn định trên hệ thống sông. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Đập dâng tràn (Weir): công trình thủy lợi vừa chắn dòng chảy vừa cho nước tràn qua để khai thác dòng chảy tự nhiên.
  • Tràn ngưỡng kiểu phím Piano (Piano Keys Weir): dạng tràn có cấu trúc hình học đặc biệt, tăng khả năng tháo lũ so với tràn truyền thống.
  • Hệ số lưu lượng (Discharge coefficient): đại lượng phản ánh hiệu quả tháo nước của tràn, phụ thuộc vào các thông số hình học và điều kiện dòng chảy.
  • Mô hình toán - thủy lực HEC-RAS: mô hình tính toán dòng chảy một chiều không ổn định, được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và mực nước trên hệ thống sông Kôn – Hà Thanh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Khảo sát thực địa và thu thập dữ liệu: đo đạc, thu thập số liệu khí tượng thủy văn, địa hình, địa chất và các công trình thủy lợi trong khu vực nghiên cứu.
  • Phân tích thống kê: xử lý dữ liệu khí tượng thủy văn, lưu lượng dòng chảy tại các trạm đo như Bình Tường, Cây Muỗng, Diêu Trì để xác định các tần suất lũ thiết kế (0,5%, 3%, 10%).
  • Mô hình toán - thủy lực: áp dụng mô hình HEC-RAS để mô phỏng dòng chảy trên hệ thống sông Kôn – Hà Thanh trong các điều kiện có và không có đập dâng Văn Phong, từ đó đánh giá ảnh hưởng của đập dâng đến mực nước và khả năng thoát lũ.
  • Thí nghiệm mô hình vật lý: tham khảo các kết quả thí nghiệm mô hình tràn ngưỡng kiểu phím Piano để xác định hệ số lưu lượng và hệ số ngập phù hợp cho tính toán.
  • Phân tích so sánh: so sánh các phương án thiết kế đập dâng Văn Phong với các đặc điểm kỹ thuật khác nhau về diện tích ngập lụt, số hộ dân bị ảnh hưởng và khả năng tháo lũ.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm số liệu lưu lượng và mực nước tại các trạm thủy văn trong khoảng 10 năm, cùng các mô hình vật lý và mô hình số được hiệu chỉnh phù hợp với điều kiện thực tế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các trạm đo và tính khả thi trong mô phỏng thủy lực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng tháo lũ của đập dâng Văn Phong với tràn ngưỡng kiểu phím Piano vượt trội so với các loại tràn truyền thống: Lưu lượng đơn vị qua tràn phim Piano loại B đạt khoảng 4,25 m³/s/m, cao hơn ít nhất 4 lần so với tràn Creager truyền thống. Chiều dài tràn chính diện của đập Văn Phong là 301,75 m, tổng chiều dài tràn nước 1728 m, giúp tăng khả năng tháo lũ hiệu quả.

  2. Ảnh hưởng của đập dâng Văn Phong đến mực nước thượng lưu đập Định Bình: Khi có đập dâng, mực nước thượng lưu tăng khoảng 0,3 – 0,5 m tùy theo tần suất lũ (0,5% đến 10%), nhưng diện tích ngập lụt thượng lưu giảm đáng kể so với phương án không có đập dâng. Cụ thể, diện tích ngập lụt giảm từ khoảng 595 ha xuống còn 416 ha ở tần suất lũ 10%.

  3. Phương án kết hợp tràn phim Piano với cửa van tại đập dâng Văn Phong là tối ưu: Phương án này giảm diện tích ngập lụt thượng lưu xuống còn khoảng 284 ha, số hộ dân bị ảnh hưởng giảm từ 1973 xuống còn 610 hộ ở tần suất lũ 10%. Đồng thời, phương án này đảm bảo khả năng tháo lũ cao và dễ dàng quản lý vận hành.

  4. Mô hình HEC-RAS mô phỏng chính xác dòng chảy và mực nước trên hệ thống sông Kôn – Hà Thanh: Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với số liệu thực đo tại các trạm thủy văn, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của đập dâng đến dòng chảy lũ và mực nước hạ lưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng tháo lũ vượt trội của tràn ngưỡng kiểu phím Piano là do cấu trúc hình học đặc biệt, tăng chiều dài ngưỡng tràn mà không làm tăng chiều rộng tràn, từ đó tăng lưu lượng xả mà không làm tăng áp lực lên kết cấu. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với các công trình tương tự ở Pháp, Algeria và Trung Quốc, nơi tràn phím Piano đã được ứng dụng thành công.

Việc kết hợp tràn phim Piano với cửa van giúp chủ động điều tiết lưu lượng, giảm thiểu ngập lụt thượng lưu và tăng độ an toàn vận hành. Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi chi phí đầu tư và quản lý cao hơn, phù hợp với các công trình quy mô lớn và khu vực có mật độ dân cư cao.

Mô hình HEC-RAS được lựa chọn do khả năng mô phỏng dòng chảy không ổn định, tính toán mực nước và lưu lượng chi tiết, phù hợp với điều kiện địa hình và thủy văn phức tạp của hệ thống sông Kôn – Hà Thanh. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đường mực nước và lưu lượng tại các trạm thủy văn, bảng so sánh diện tích ngập lụt và số hộ dân bị ảnh hưởng theo từng phương án thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thiết kế đập dâng với tràn ngưỡng kiểu phím Piano kết hợp cửa van nhằm tăng khả năng tháo lũ và giảm diện tích ngập lụt thượng lưu. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế và quản lý công trình thủy lợi.

  2. Tăng cường công tác quản lý, vận hành đập dâng Văn Phong với hệ thống giám sát mực nước và lưu lượng tự động, đảm bảo vận hành linh hoạt theo tình hình lũ thực tế. Thời gian triển khai trong 1 năm, chủ thể là Ban quản lý dự án và chính quyền địa phương.

  3. Xây dựng kế hoạch quy hoạch phòng tránh lũ cho vùng hạ lưu đập Định Bình dựa trên kết quả mô phỏng thủy lực, bao gồm các biện pháp cảnh báo sớm, di dời dân cư và cải tạo hệ thống kênh mương. Thời gian thực hiện 3-5 năm, phối hợp giữa các cơ quan quản lý thiên tai và địa phương.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng mô hình toán – thủy lực trong quản lý nguồn nước cho các công trình thủy lợi khác trên toàn quốc, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng và giảm thiểu rủi ro thiên tai. Chủ thể là các viện nghiên cứu, trường đại học và cơ quan quản lý thủy lợi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và kỹ sư thủy lợi: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật về thiết kế đập dâng tràn kiểu phím Piano, giúp tối ưu hóa công trình và nâng cao hiệu quả thoát lũ.

  2. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Thông tin về ảnh hưởng của đập dâng đến dòng chảy lũ và các giải pháp phòng tránh lũ hỗ trợ công tác quy hoạch và quản lý vùng hạ lưu.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy lợi, xây dựng công trình thủy: Tài liệu tham khảo về mô hình toán – thủy lực, phương pháp mô phỏng dòng chảy và ứng dụng thực tiễn trong công trình thủy lợi.

  4. Chính quyền địa phương và cộng đồng dân cư vùng hạ lưu: Hiểu rõ tác động của công trình thủy lợi đến môi trường sống, từ đó phối hợp trong công tác phòng chống thiên tai và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đập dâng tràn kiểu phím Piano có ưu điểm gì so với tràn truyền thống?
    Tràn phím Piano tăng chiều dài ngưỡng tràn mà không làm tăng chiều rộng, giúp tăng lưu lượng xả lên ít nhất 4 lần so với tràn Creager, đồng thời giảm chi phí xây dựng và thân thiện với môi trường.

  2. Ảnh hưởng của đập dâng Văn Phong đến ngập lụt thượng lưu như thế nào?
    Đập dâng làm tăng mực nước thượng lưu khoảng 0,3 – 0,5 m nhưng giảm diện tích ngập lụt từ khoảng 595 ha xuống còn 416 ha, giúp giảm thiểu thiệt hại cho vùng hạ lưu.

  3. Tại sao chọn mô hình HEC-RAS để mô phỏng dòng chảy?
    HEC-RAS mô phỏng dòng chảy không ổn định một chiều, phù hợp với điều kiện địa hình phức tạp, cho kết quả chính xác và dễ dàng trình bày qua đồ thị, bảng biểu phục vụ quản lý và thiết kế.

  4. Phương án kết hợp tràn phim Piano với cửa van có nhược điểm gì?
    Phương án này có chi phí đầu tư và quản lý cao hơn, đòi hỏi kỹ thuật vận hành phức tạp, phù hợp với công trình quy mô lớn và khu vực có mật độ dân cư cao.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của vật nổi trên tràn phim Piano?
    Có thể sử dụng lưới chắn, hệ thống trục vớt vật nổi tự động để hạn chế tắc nghẽn, đảm bảo lưu lượng xả không giảm quá 10% khi cột nước tràn từ 1 đến 2 m.

Kết luận

  • Đập dâng Văn Phong với tràn ngưỡng kiểu phím Piano nâng cao khả năng tháo lũ, tăng lưu lượng xả gấp 4 lần so với tràn truyền thống.
  • Phương án kết hợp tràn phim Piano với cửa van giảm diện tích ngập lụt và số hộ dân bị ảnh hưởng đáng kể, đồng thời đảm bảo an toàn vận hành.
  • Mô hình HEC-RAS là công cụ hiệu quả để mô phỏng dòng chảy và mực nước, hỗ trợ đánh giá tác động và quy hoạch phòng chống lũ.
  • Nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán thủy lực cho hệ thống sông có công trình đập dâng, có giá trị ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng công trình thủy lợi, giảm thiểu rủi ro thiên tai cho vùng hạ lưu đập Định Bình.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và vận hành đập dâng Văn Phong, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các công trình tương tự trên toàn quốc nhằm phát triển hệ thống thủy lợi bền vững và an toàn.