Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông kôn hà thanh đến ngập lụt vùng hạ du

Luận văn thạc sĩ phân tích ảnh hưởng vận hành hệ thống hồ chứa sông Kôn Hà Thanh đến ngập lụt vùng hạ du, đề xuất giải pháp quản lý hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh đến ngập lụt vùng hạ du
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu vận hành hồ chứa đến ngập lụt ở hạ du

Nghiên cứu về vận hành hồ chứa và ảnh hưởng ngập lụt hạ du đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới và Việt Nam. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình vận hành để giảm thiểu tác động đến hạ du, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Các phương pháp như mô hình toán, quản lý nước, và phòng chống thiên tai được áp dụng để đánh giá và dự báo ngập lụt. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về sông Kôn và Hà Thanh đã chỉ ra sự cần thiết của việc quản lý liên hồ chứa để giảm thiểu ngập lụt hạ du.

1.1. Nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu quốc tế về vận hành hồ chứa đã phát triển từ những năm 1970, với sự ứng dụng của lý thuyết điều khiển và phân tích hệ thống. Các mô hình như GAM và GAM-MINOS được sử dụng để tối ưu hóa quy trình vận hành. Từ những năm 1990, công nghệ GIS và viễn thám đã mang lại bước tiến lớn trong việc thu thập và phân tích dữ liệu, hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai.

1.2. Nghiên cứu ở Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về sông Kôn và Hà Thanh đã tập trung vào việc xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa. Các mô hình như Hec-ResSim và Mike 11 được sử dụng để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng ngập lụt hạ du. Các kết quả nghiên cứu đã góp phần vào việc cải thiện quản lý nước và giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.

II. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Kôn Hà Thanh

Lưu vực sông Kôn và Hà Thanh có đặc điểm địa lý tự nhiên phức tạp, bao gồm địa hình, địa mạo, thổ nhưỡng, và thảm phủ thực vật. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến thủy văn và ngập lụt hạ du. Lưu vực có mạng lưới sông ngòi dày đặc, với các trạm quan trắc khí tượng thủy văn được thiết lập để thu thập dữ liệu. Các đặc điểm kinh tế - xã hội của khu vực cũng được phân tích để đánh giá tác động của quy hoạch sử dụng đất đến ngập lụt.

2.1. Đặc điểm địa hình và thủy văn

Lưu vực sông Kôn và Hà Thanh có địa hình đồi núi chiếm phần lớn, với các dòng chảy mùa kiệt và mùa lũ rõ rệt. Các trạm quan trắc thủy văn được thiết lập để theo dõi dòng chảy, giúp dự báo và quản lý ngập lụt. Các yếu tố như biến đổi khí hậu và quy hoạch sử dụng đất cũng ảnh hưởng đến đặc điểm thủy văn của lưu vực.

2.2. Đặc điểm kinh tế xã hội

Khu vực hạ du sông Kôn và Hà Thanh là trung tâm kinh tế, chính trị của tỉnh Bình Định, với các hoạt động nông nghiệp và công nghiệp phát triển. Tuy nhiên, khu vực này thường xuyên bị ngập lụt, gây thiệt hại lớn về kinh tế và xã hội. Các giải pháp quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai được đề xuất để giảm thiểu tác động của ngập lụt.

III. Ứng dụng mô hình tính toán ảnh hưởng của vận hành hồ chứa đến ngập lụt hạ du

Các mô hình toán học như Hec-ResSim và Mike 11 được sử dụng để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng ngập lụt hạ du do vận hành hồ chứa. Các mô hình này giúp tính toán quá trình xả nước từ các hồ chứa thượng nguồn và dự báo ngập lụt tại các khu vực hạ du. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc vận hành hợp lý các hồ chứa có thể giảm thiểu đáng kể ngập lụt hạ du.

3.1. Mô hình Hec ResSim

Mô hình Hec-ResSim được sử dụng để mô phỏng chế độ vận hành của các hồ chứa thượng nguồn sông Kôn. Mô hình này giúp tính toán quá trình xả nước và đánh giá ảnh hưởng ngập lụt hạ du. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy độ chính xác cao trong việc dự báo ngập lụt.

3.2. Mô hình Mike 11

Mô hình Mike 11 được sử dụng để tính toán thủy lực và dự báo ngập lụt tại các khu vực hạ du sông Kôn. Mô hình này kết hợp với công nghệ viễn thám để xây dựng bản đồ ngập lụt, giúp đánh giá chính xác tác động môi trường và đề xuất các giải pháp phòng chống thiên tai.

IV. Đề xuất giải pháp quản lý giảm ngập úng cho hạ du lưu vực sông Kôn Hà Thanh

Các giải pháp quản lý nước và phòng chống thiên tai được đề xuất để giảm thiểu ngập lụt hạ du sông Kôn và Hà Thanh. Các giải pháp bao gồm cả công trình và phi công trình, như xây dựng hệ thống đê bao, cải tạo rừng, và nâng cao nhận thức cộng đồng. Các giải pháp này nhằm tăng cường khả năng chống chịu của khu vực hạ du trước biến đổi khí hậu và ngập lụt.

4.1. Giải pháp công trình

Các giải pháp công trình bao gồm xây dựng hệ thống đê bao, kiên cố hóa kênh mương, và mở rộng lòng sông thoát lũ. Các giải pháp này giúp tăng cường khả năng thoát lũ và giảm thiểu ngập lụt hạ du sông Kôn và Hà Thanh.

4.2. Giải pháp phi công trình

Các giải pháp phi công trình bao gồm trồng rừng, chuyển đổi cơ cấu cây trồng, và xây dựng hệ thống cảnh báo lũ. Các giải pháp này nhằm nâng cao nhận thức cộng đồng và tăng cường khả năng chống chịu của khu vực hạ du trước ngập lụt và biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐẾN NGẬP LỤT Ở HẠ DU 1. Nghiên cứu trên thế giới Vận hành hồ chứa là một một trong những vấn đề được chú ý nghiên cứu tập trung nhiều nhất trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quy hoạch, quản lý hệ thống nguồn nước, 2004). Nghiên cứu vận hành quản lý hệ thống hồ chứa luôn phát triển cùng thời gian nhằm phục vụ các yêu cầu phát triển của xã hội. Mặc dù đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu quản lý vận hành hồ chứa nhưng cho đến thời điểm hiện tại không có một lời giải chung cho mọi hệ thống mà tùy đặc thù của từng hệ thống sẽ có các lời giải phù hợp.

Trong những năm 70, việc ứng dụng lý thuyết điều khiển và phân tích hệ thống đã rất rộng rãi trong các ngành kinh tế, quốc phòng. Các chương trình qui hoạch tuyến tính và qui hoạch động như GAM, GAM-MINOS được các nhà quy hoạch thuỷ lợi áp dụng hiệu quả trong qui hoạch, điều hành hệ thống công trình thuỷ lợi, nhất là hệ thống các công trình hồ chứa. Những năm 80, các bài toán xác suất thống kê ứng dụng trong thuỷ lợi đã được chú ý đến lý thuyết phân tích độ bất định, độ tin cậy rủi ro của hệ thống. công bố nhiều kết quả ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ lợi và thiết kế đê.

Từ những năm 90, công nghệ GIS (hệ thống thông tin địa lý) cùng những phần mềm tin học đầy hiệu lực ra đời đã mang lại sức mạnh mới trong việc thu thập, phân tích, đánh giá cũng như thể hiện các kết quả phục vụ việc tính toán kiểm soát lũ trên hệ thống sông và phân tích ngập lụt trên lãnh thổ. Các thuật toán tự động dò tìm tối ưu được áp dụng rộng rãi. Các công nghệ mới của ngành viễn thám, rađa, vệ tinh đã và đang thực sự thay đổi phương 5 thức thu nhập thông tin trong công tác phòng chống bão - lũ. Như vậy, đã xuất hiện và hội tụ những cơ sở lý luận về phương pháp tính và mô hình toán, cùng các công nghệ thông tin hiện đại trong nghiên cứu, tính toán thuỷ văn, thuỷ lực, làm cơ sở cho việc nghiên cứu điều hành hệ thống liên hồ chứa.

Tuy nhiên, đó mới chỉ là những nghiên cứu về kỹ thuật cơ bản, còn khi vận dụng tổ hợp chúng trong điều hành hệ thống hồ chưa cho từng lưu vực cụ thể còn gặp rất nhiều hạn chế, khó khăn. Từ những phân tích trên cho thấy vận hành hệ thống hệ thống hồ chứa phục vụ đa mục tiêu là một quá trình phức tạp, bị chi phối bởi nhiều yếu tố ngẫu nhiên, trong khi phải thỏa mãn các yêu cầu hầu như đối nghịch của các ngành dùng nước nên mặc dù đã được đầu tư nghiên cứu rất bài bản và chi tiết nhưng các ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù từng hệ thống, không có phương pháp luận, công cụ có thể dùng chung cho mọi hệ thống. Có thể tóm tắt các phương pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa thành 03 nhóm chính: mô phỏng; tối ưu; kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu. Phương pháp mô phỏng: Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ.

Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các tập hợp mục đích chung phức tạp. Theo Simonovic, các khái niệm về mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mô hình hoá khác. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp các biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn về hệ thống hồ chứa và quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các hồ và kênh riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau). Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là ít hơn nhiều so với mô hình tối ưu hoá.

Các kết quả mô phỏng sẽ dễ 6 dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu. Hầu hết các phần mềm mô phỏng có thể chạy trong máy vi tính cá nhân đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm được chuẩn bị, nó dễ dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của các thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng. Có lẽ một trong số các mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi nhất là mô hình HEC-5, phát triển bởi Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ.

Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng khác là mô hình Acres, tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR), mô phỏng hệ thống sóng tương tác (IRIS). Gói phần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP). Mặc dù có sẵn một số các mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phải phát triển các mô hình mô phỏng cho một (hệ thống) hồ chứa cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng. Phương pháp tối ưu: Kỹ thuật tối ưu hoá bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP) đã được sử dụng rộng rãi trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước.

Nhiều công trình nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993). Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng quy tắc vận hành chung từ kết quả tối ưu hoá. Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động (DP) Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy nhân tạo.

Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được phát triển bởi Windsor (1975). Karamouz và Houck (1987) đã đề ra quy tắc vận hành chung khi sử dụng quy hoạch động (DP) và 7 hồi quy (DPR).

Mô hình DPR sử dụng hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được Bhaskar và Whilach (1980) gợi ý. Một phương pháp khác xác định quy trình điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa khác là quy hoạch động bất định (Stochastic Dynamic Programing – SDP). Phương pháp này yêu cầu mô tả rõ xác suất của dòng chảy đến và tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks và nnk (1981) và nhiều người khác sử dụng.

Mô hình tối ưu hoá thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo như đầu vào. Datta và Bunget (1984) đề xuất một quy trình điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hoá với mục tiêu cực tiểu hoá tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự đánh đổi giữa một đơn vị lượng trữ và một đơn vị lượng xả từ các giá trị đích tương ứng thì phép giải tối ưu hoá phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như dạng hàm tổn thất. Áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu là khá khó khăn.

Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mô hình, đào tạo nhân lực, giải bài toán, điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và lượng hóa tất cả các mục tiêu và mối tương tác giữa nhà phân tích với người sử dụng. Một phương pháp khác đang được sử dụng hiện nay để giải thích tính ngẫu nhiên của đầu vào là logic mờ. Lý thuyết tập mờ đã được Zadeth (1965) giới thiệu. Nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đã được xây dựng, tuy nhiên khả năng giải quyết các bài toán thực tế vẫn còn hạn chế.

Các phần mềm tối ưu hiện nay nói chung vẫn chỉ đƣa ra lời giải cho những điều kiện đã biết mà không đưa ra được các nguyên tắc vận hành hữu ích. Phần lớn các phần mềm vận hành hồ chứa được kết nối với mô hình diễn toán lũ dựa trên mô hình Muskingum hay sóng động học như các phần mềm thương mại MODSIM, RiverWare, CalSIM. Điều này rất hạn chế cho việc điều hành chống lũ và không áp dụng được cho lưu vực có ảnh hưởng của thủy triều hay nước vật. Các nghiên cứu mới nhất gần đây 8 về điều hành chống lũ cũng chỉ được áp dụng cho hệ thống một hồ.

Phương pháp kết hợp: Theo Wurb (1993), trong tổng quan về các nhóm mô hình chính sử dụng trong thiết lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đã tổng kết “Mặc dù, tối ưu hóa và mô phỏng là hai hướng tiếp cận mô hình hóa khác nhau về đặc tính, nhưng sự phân biệt rõ ràng giữa hai hướng này là khó vì hầu hết các mô hình, xét về mức độ nào đó đều chứa các thành phần của hai hướng tiếp cận trên”. Wurb cũng đề cập đến nhóm Quy hoạch mạng lưới dòng (Network Flow Programming) như là một kết hợp hoàn thiện của hai hướng tiếp cận tối ưu và mô phỏng. Trong các quy trình tối ưu phục vụ bài toán liên hồ chứa (Labadie, 2004) thì cả hai nhóm quy hoạch ẩn bất định (Implicit stochastic optimization) và quy hoạch hiện bất định (Explicit stochastic optimization) đều cần có mô hình mô phỏng để kiểm tra các quy trình tối ưu được thiết lập. Tóm lại, phương pháp mô phỏng vẫn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong phân tích vận hành hệ thống hồ chứa và cho kết quả hoàn toàn chấp nhận được.

Trong hầu hết các bài toán cụ thể thì mô hình mô phỏng cũng không thể thiếu trong việc xác định các quy trình vận hành. Tại khu vực châu Á, các nghiên cứu về các biện pháp chống lũ và điều hành hệ thống đa hồ chứa chống lũ được phát triển mạnh mẽ ở Trung Quốc trong những năm gần đây. Hiệu quả của việc điều tiết hồ chống lũ được thể hiện rõ trong việc chống lũ 100 năm vào năm 1995 ở sông Liaohe và lũ năm 1998 ở sông Trường Giang.