CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu bồi lắng hồ chứa tập trung giải đáp 2 vấn đề chính là: 1-Xác định lượng bùn cát bồi lắng và tốc độ bồi lắng theo thời gian vận hành hồ; 2-Nghiên cứu phân bố vật liệu bồi lắng theo không gian và thời gian.
Để có được những phân tích, đánh giá cho các vấn đề nghiên cứu trong luận văn, tác đã tham khảo tổng quan một số các nghiên cứu trong nước và nước ngoài về vận chuyển bùn cát trong sông nói chung và bồi lắng trong các hồ chứa nói riêng. Trong đó, một số nghiên cứu liên quan đến luận văn như sau: “Sedimentation of rives, reservoirs and canals” K. Ranga Raju, Univesity of Roorkee, India đã nghiên cứu và đưa ra được một số phương pháp tính toán tải lượng bùn cát đến hồ và hiệu suất của hồ bằng các công thức kinh nghiệm. “Accumulation of sediment in reservoirs” T.Hirose, Water storage, Transport and Distribution đã nhận định quá trình bồi lắng trong hồ chứa rất phức tạp, thay đổi phụ thuộc vào lượng bùn cát từ lưu vực, hàm lượng vận chuyển và loại bồi lắng.
Bồi lắng làm giảm dung tích hiệu dụng, khả năng cấp nước, phòng lũ, phát điện, giao thông,… của hồ, việc mất dung tích có thể gây nên một số vấn đề ở cả thượng lưu và hạ lưu đập, như gây tác hại đến hệ sinh thái, cân bằng bùn cát, cán cân dinh dưỡng,. Các phương pháp quản lý bùn cát cho hồ chứa là một trong những phương pháp tiết kiệm và đáng quan tâm đối với việc cung cấp bùn cát cho hạ du. EP31A-0789 “Two-dimensional sediment transport modeling for reservoir sediment management: Reventazon River, Costa Rica” của Ian M Dubinski đã nghiên cứu sự phân bố trầm tích theo không gian, thời gian ở hồ chứa thuộc sông Reventazón, Costa Rica trong 40 năm hoạt động, theo các kịch bản bồi lắng khác nhau. Tổng lượng bùn cát đến được tính toán dựa vào lượng bùn cát lơ lửng tính toán và đo đạc được kết hợp với lượng bùn cát đáy, dựa vào phương trình của Wilcock và Crowe (2003).
Nghiên cứu cho thấy sự tổn thất dung tích trữ dự kiến trong trường hợp không có quản lý bùn cát sẽ lên đến khoảng 35% tổng số và 33% 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com dung tích hoạt động trong khoảng thời gian 40 năm. Những tổn thất dung tích trữ dự báo là ít hơn đáng kể khi thực hiện xả rút toàn phần và một phẩn đã được mô phỏng. “Uncertainty analysis of reservoir sedimentation”, Jose D. Salas and Hyun- Suk Shin, Journal of Hydraulic Engineering, Vol.
4, April, 1999 đã nghiên cứu, việc dự báo sự bồi tích của bùn cát trong hồ chứa là một vấn đề phức tạp, tính toán bồi lắng và tích tụ bùn cát hồ chứa có một số các nhân tố bất định xuất hiện liên quan đến lượng dòng chảy, lượng bùn cát đến, kích thước hạt trầm tích và khối lượng riêng, thành phần khoáng chất và vận hành hồ chứa. Trong nghiên cứu, mô phỏng Monte Carlo và lấy mẫu siêu lập phương La Tinh được sử dụng để định lượng các yếu tố bất định của bồi lắng hồ chứa hàng năm và lũy tích bồi lắng theo thời gian và đề xuất áp dụng cho hộ Kenny trên lưu vực sông White thuộc Colorado. “Surface erosion, sediment transport, and reservoir sedimentation”, Chih Ted Yang, Timothy J. Các tác giả đã 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.
Các phương trình mất đất kinh nghiệm tổng quát để xác định lượng xói đất nông nghiệp ở miền Đông Hoa Kỳ vẫn tồn tại những vấn đề trong các trường hợp tính toán khác. Phần lớn các mô hình ứng dụng tính toán xói mòn và bồi lắng là mô hình một chiều. Nghiên cứu đã cung cấp 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 2.0) “Deposition and simulation of sediment transport in the lower Susquehana river reservoir system” Robert A.Hainly et al đã mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát hạ lưu sông Susquehana, New York. Phía thượng lưu sông có 3 đập thủy điện là Safe Harbor (Hồ Clarice) và Holtwood (Hồ Aldred) ở miền nam Pennsylvania, và Conowingo (Conowingo Reservoir) ở miền bắc Maryland.
Khoảng 259 triệu tấn phù sa đã được giữ lại trong ba hồ chứa. Dữ liệu lịch sử cho thấy rằng Hồ Clarke và Hồ Aldred đã đạt đến trạng thái cân bằng, và không còn lưu trữ trầm tích. So sánh dữ liệu cắt ngang từ Hồ Clarke và Hồ Aldred với dữ liệu từ hồ Conowingo cho thấy hồ Conowingo sẽ đạt trạng thái cân bằng trong vòng 20 đến 30 năm tới. Vì hồ chứa này 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com đầy trầm tích và tiệm cận cân bằng, lượng trầm tích vận chuyển đến vịnh Chesapeake sẽ tăng lên.
Sự gia tăng đáng chú ý nhất sẽ diễn ra khi dòng phía trên xói trầm tích lắng đọng. Nghiên cứu đã 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 “2 modelling of turbulent transport of cohesive sediments in shallow reservoirs” của JWL de Villiers năm 2006 đã nghiên cứu vận chuyển và nồng độ bùn cát lơ lửng trong các hồ chứa ở Nam Phi. Tác giả đã nghiên cứu và phát triển nhiều lý thuyết và phương trình để tính toán trạng thái cân bằng, vận chuyển bùn cát trong dòng chảy hỗn loạn cho vận chuyển bùn cát thô, đó là hiệu chỉnh phương trình khuếch tán hai chiều không ổn định bằng mô hình 2 chiều Mike 21C của Viện Thủy lực Đan Mạch dùng để mô phỏng diễn biến thủy lực và hình thái lòng trong sông.
Tình hình nghiên cứu trong nước Quy luật chung của quá trình bồi lắng hồ chứa kiểu đập chắn ngang sông, tương tự như hồ Hòa Bình, là lượng bồi lắng lớn nhất trong những năm đầu do nguồn phù sa sông bị giữ lại trong hồ (có thể dự báo được) và do nguồn vật liệu bổ xung từ quá trình tái tạo vùng bờ, đáy, xói mòn lưu vực mất rừng do bị chuyển đổi thành đất nông nghiệp hoặc bị khai thác chặt phá, cháy … (khó dự báo). Phân bố bồi lắng cũng có quy luật nhất định, đó là trong giai đoạn đầu bồi lắng xảy ra mạnh phần thượng lưu hồ, với cấp hạt bồi lắng nhỏ dần từ cửa hồ về xuôi, bồi lắng có tác động là trơn dần các địa hình khúc khuỷu vùng đáy và hình thành một nêm bồi tích nổi rõ trên nền đáy, kéo dài đến khoảng giữa hồ, nơi mặt cắt ngang rộng nhất và có thể cao đến trên mực nước chết trong những năm đầu hoạt động. Nêm bồi lắng này sẽ dần dịch chuyển về chân đập trong những năm sau do vật liệu bồi lắng trên sườn nêm bị trượt, di đẩy về phía trán nêm. Nhờ đó vùng nước gần chân đập được bảo toàn dung tích chết và độ sâu trong thời gian dài, nước hồ hầu như rất trong, không ảnh hưởng đến hoạt động của tua bin thủy điện, nhưng không tốt cho cân bằng bùn cát hạ lưu và cung cấp dinh dưỡng cho thủy sinh và phù sa cho nông nghiệp.
6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đã từ lâu, Việt Nam có khá nhiều công trình nghiên cứu khoa học về vấn đề bồi lắng hồ chứa bao gồm: xác định dung tích chết của các hồ chứa thủy lợi - thủy điện, các phương pháp tính toán bồi lắng hồ chứa và một số mô hình toán một chiều, hai chiều để tính toán và dự báo tốc độ bồi lắng hàng năm cho hồ chứa. Một số công trình nghiên cứu tại một số hồ chứa mà tác giả đã tham khảo là: Nguyễn Kiên Dũng, Cao Phong Nhã, Viện Khí tượng Thủy văn (2005) [16] đã sử dụng mô hình HEC-6 để đánh giá hiện trạng và dự báo diễn biến bùn cát hồ chứa Thác Bà, kết quả cho thấy: Dung tích còn lại của hồ Thác Bà sau 30 năm vận hành vào khoảng 94-95% dung tích ban đầu, ước tính lượng bùn cát đi vào hồ tính đến vị trí đập trung bình nhiều năm theo phương pháp triết giảm theo diện tích là 5,89 x 106m3 và dự báo sau 50 năm vận hành tiếp theo (tính từ năm 2001) tổng lượng bùn cát bồi lắng là 225,87 x 106m, lượng bồi lắng trong phần dung tích chết là 107,10 x 106m3 (chiếm 47,42 % tổng lượng bồi lắng sau 50 năm hồ hoạt động). Kết quả này có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo cần thiết cho công tác vận hành hồ, đặc biệt trong bối cảnh các hồ Na Le, Bắc Hà sắp được xây dựng tạo nên hệ thống thủy điện bậc thang trên sông Chảy. Cao Đăng Dư và Nguyễn Kiên Dũng “Tính toán bồi lắng hồ chứa Sơn La” [12] đã sử dụng phương pháp cân bằng lượng phù sa qua hồ đối với hồ chứa Sơn La.
Lượng phù sa chuyển đến hồ từ lưới sông được tính toán dựa trên kết quả đo đạc từ các trạm thủy văn, lượng phù sa gia nhập được tính bằng lượng xói mòn từ diện tích đất dốc hai bờ đổ vào hồ chứa, lượng phù sa tháo ra khỏi hồ được tính toán theo phương pháp Churchill và Brune. Các tác giả đã ước tính được lượng phù sa tháo ra trong quá trình vận hành bằng khoảng 7% lượng phù sa lơ lửng đổ vào hồ hàng năm. Công ty Tư vấn điện I - Tổng công ty điện lực Việt Nam (2005) “Tính toán nước dềnh và hồ chứa thủy điện Sơn La” [8] trong Dự án thuỷ điện Sơn La đã sử dụng mô hình HEC-6 để mô phỏng quá trình thủy lực và bùn cát trong hồ chứa và cho ra kết quả: 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 mực nước cao nhất tại tuyến Pa Vinh là 215m, trạm Quỳnh Nhai cách tuyến Pa Vinh 72,3km là 215,12m, trạm Lai Châu cách Pa Vinh 151,7km là 215,75m, Nậm Nhùn là 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Như vậy sau khi hồ chứa thuỷ điện Sơn La được vận hành khi có lũ p=1% thì mực nước cao nhất hồ chứa Sơn La tại chân đập Lai Châu tuyến Nậm Nhùn là 217,21m.