Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước (mã số: 62 58 02 12) của nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Lợi, được thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đoàn Doãn Tuấn và PGS. Nguyễn Văn Hoàng, mang tiêu đề: "Nghiên cứu nguy cơ sự cố do mưa lũ nhằm nâng cao an toàn các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng Bắc Trung Bộ (BTB) gồm 6 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên – Huế, sở hữu địa hình chia cắt phức tạp với các dãy núi Hoàng Mai, Hồng Lĩnh và dải Trường Sơn Bắc. Đây là khu vực có điều kiện khí tượng khắc nghiệt, thường xuyên chịu ảnh hưởng của các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão, mưa lớn kéo dài, lũ lụt và hạn hán. Theo thống kê của Tổng cục Thủy lợi (năm 2014), vùng BTB tập trung số lượng lớn hồ chứa quy mô nhỏ: nhóm dung tích từ 1 đến 3 triệu $\text{m}^3$ chiếm 29,6% và nhóm dung tích từ 0,2 đến 1 triệu $\text{m}^3$ chiếm 32,6% tổng số hồ cùng loại của cả nước.

Phần lớn các hồ chứa nhỏ tại khu vực được xây dựng từ những năm 70 và 80 của thế kỷ XX trong điều kiện kinh tế khó khăn, công tác khảo sát, thiết kế và thi công còn nhiều hạn chế, phần lớn thiếu hồ sơ thiết kế cơ bản hoặc chỉ được sửa chữa, nâng cấp theo kinh nghiệm địa phương. Sau nhiều thập kỷ khai thác, cùng với năng lực quản lý và kinh phí duy tu hạn chế, các công trình đã xuống cấp nghiêm trọng. Dưới tác động của biến đổi khí hậu làm gia tăng các trận mưa cực đoan, nguy cơ mất an toàn đập do nước lũ tràn đỉnh trở nên phổ biến.

Nhằm thực hiện Chỉ thị số 21/CT-TTg ngày 14/10/2013 của Thủ tướng Chính phủ về việc tăng cường quản lý và bảo đảm an toàn hồ chứa nước, yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải xây dựng phương pháp luận khoa học để phân cấp mức độ nguy cơ sự cố cho các hồ chứa nhỏ, đồng thời làm rõ quy luật phân bố mưa lớn gây dòng chảy lũ vượt khả năng xả để phục vụ công tác quy hoạch, cải tạo và sửa chữa ưu tiên.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu xác định phân bố mưa 24 giờ liên tục lớn nhất có nguy cơ gây ra sự cố cho công trình hồ chứa và thông số của phân bố lệch chuẩn mưa 24 giờ liên tục lớn nhất có vai trò lớn nhất đến quá trình dòng chảy lũ đến hồ chứa, phục vụ tính toán thiết kế công trình xả lũ và đề xuất giải pháp nhằm nâng cao an toàn hồ chứa do ảnh hưởng của mưa lũ.
  2. Nghiên cứu đề xuất phương pháp khoa học phân cấp mức độ nguy cơ sự cố do mưa lũ các công trình hồ chứa nhỏ và áp dụng cho khu vực nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các hồ chứa nước nhỏ có kết cấu đập đất và công trình xả lũ là tràn tự do, chia thành 2 nhóm dung tích: từ 1 đến 3 triệu $\text{m}^3$ và từ 0,5 đến 1 triệu $\text{m}^3$.
  • Phạm vi không gian: Tập trung chủ yếu vào địa bàn 3 tỉnh đại diện vùng Bắc Trung Bộ là Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Trị — nơi có mật độ hồ chứa nhỏ cao và ghi nhận nhiều sự cố công trình đập trong lịch sử.
  • Phạm vi thời gian và tư liệu: Chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn, các trận mưa lũ lịch sử và hiện trạng công trình thu thập từ năm 1956 đến năm 2012.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã tổng thuật các công trình nghiên cứu và thống kê sự cố hồ đập quốc tế:

  • Thống kê sự cố vỡ đập: Thống kê lịch sử tại Mỹ của Guadalupe-Blanco River Authority và Chương trình Quốc gia về đập (NPDP) ghi nhận các sự cố tiêu biểu như đập Baldwin Hills (1963, 0,95 triệu $\text{m}^3$ tràn qua đập làm 5 người chết), đập đất Kelly Barnes (1977, tràn đỉnh làm 39 người chết), đập Lawn Lake (1982, thoát 830.000 $\text{m}^3$ nước). Tại Nga, E. Jledenesoï (2010) chỉ ra 35% sự cố đập đất do tràn đỉnh (như đập Trirlian năm 1994, đập Kuriei năm 1992). Tại Châu Á, thảm họa vỡ đập Machhu-2 tại Ấn Độ (1979) do lưu lượng lũ thực tế đạt 16.307 $\text{m}^3/\text{s}$ vượt xa năng lực xả thiết kế 5.663 $\text{m}^3/\text{s}$; thảm họa vỡ đập Bản Kiều (Banqiao) và Thạch Mạn Than (Shimantan) tại Trung Quốc (1975) do bão Nina làm vỡ liên hoàn 60 hồ chứa thượng nguồn; đập Câu Hậu (Gouhou) tại Thanh Hải (1993). Tại Châu Âu, sự cố đập Malpasset (Pháp, 1959), đập Vajont (Ý, 1963), đập Stava (Ý, 1985), đập Gleno (Ý, 1923). Keith Mills (2013) đã phân tích 8 sự cố hồ đập điển hình trong lịch sử (South Fork, Saint Francis, Vaiont, Lower Van Norman, Teton, Lawn Lake, Simplot LG I, Kaloko).
  • Khung đánh giá rủi ro: Khung quản lý nguy cơ sự cố hồ chứa của Anh Quốc (Defra, 2004) gồm 4 thành phần: Xác định nguy cơ, tính toán ước lượng, đánh giá mức độ, kiểm soát nguy cơ; được Mark Morris và cộng sự (2012) cập nhật thành quy trình hướng dẫn cụ thể. Chương trình Phục hồi Lưu vực (Watershed Rehabilitation Program, 2009) của Cục Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS) thuộc Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) nghiên cứu phân cấp đánh giá 81 đập nguy cơ cao để lựa chọn 27 đập xử lý.
  • Phương pháp phân tích xác suất mưa lũ cực trị: Phân bố giá trị cực trị tổng quát (GEV) theo Demetris Koutsoyiannis (1998); phương pháp Hershfield (1961) xác định lượng mưa lớn nhất có thể (PMP); J. Schulze (2002) tại Nam Phi. Lý thuyết giá trị cực trị của Fisher và Tippett (1928), Gumbel (1941, Loại I), Fréchet (1927, Loại II), Weibull (1939, Loại III); các hàm phân phối xác suất Pearson loại III, Log-Pearson loại III, phân phối Gamma 3 thông số của Kritsky - Menkel (1941) tại Liên Xô; phân tích xác suất dòng chảy sông Dnipro của Dmytro V. Stefanyshyn và Julia D. Stefanyshyna (2003). Đề xuất thay thế tiêu chuẩn mưa 6 giờ bằng mưa 24 giờ liên tục lớn nhất của NRCS (Mỹ).

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Hiện trạng an toàn hồ đập: Báo cáo Tổng cục Thủy lợi (2014) ghi nhận cả nước có 6.831 hồ chứa với 49,88 tỷ $\text{m}^3$ dung tích (trong đó có 6.648 hồ thủy lợi). Tại vùng Đông Bắc, Tây Bắc, Miền Trung và Tây Nguyên, trong 5.039 hồ dung tích nhỏ hơn 10 triệu $\text{m}^3$ thì có 1.004 hồ đã từng xảy ra sự cố; trong 17 vụ vỡ đập ghi nhận có 10 vụ đập đất vỡ do mưa lũ (chiếm 59%). Các sự cố điển hình tại BTB: hồ Quán Hài (1978), Đồn Húng (1978), Tây Nguyên (2012), Khe Tranh (2013), Đồng Sàng (2013) tại Nghệ An; đập Z20 (2009), hồ Khe Mơ (2010), Đập Trứng (2010) tại Hà Tĩnh; hồ Cây Tắt, Khe Cay, Miếu Bà tại Quảng Bình; hồ Đakrông 3 tại Quảng Trị; hồ Khe Tuần, Ông Già, Thung Cối, Cây Trầu, Đồng Đáng (2013) tại Thanh Hóa; hồ Hoàng Tân (2013) tại Tuyên Quang.
  • Nghiên cứu kỹ thuật và tiêu chuẩn: Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2001–2005) nghiên cứu công nghệ dự báo lũ và tính toán lũ vượt thiết kế ở hồ chứa nhỏ qua giải pháp tràn sự cố (áp dụng hồ Ngòi Vần, Liệt Sơn, Núi Cốc). Vũ Đình Hùng (2007) phân tích các nguyên nhân vỡ đập do tràn xả lũ chiếm 25,39% và phân tích bất cập của các quy phạm C6-77, Quy phạm 08-76, TCVN 5060-90. Dự án An toàn đập của Ngân hàng Thế giới (2004–2012) nâng cấp 10 đập tại Nghệ An, Quảng Trị, Đà Nẵng, Quảng Nam. Nguyễn Chiến (2013) phân tích tính dễ bị tổn thương của hồ đập trong điều kiện mưa lũ lớn bất thường (như bão số 10 và bão số 11 năm 2013 tại miền Trung). Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2013–2015) xây dựng bộ 5 tiêu chí đánh giá an toàn đập đất (Lũ, Địa chất - Địa chấn, Thấm, Kết cấu - Ổn định, Quản lý vận hành).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Mặc dù đã có các nghiên cứu về tiêu chuẩn lũ và tiêu chí an toàn đập, nhưng chưa có công trình nào xây dựng phương pháp luận phân cấp nhanh nguy cơ sự cố do mưa lũ thông qua hệ thống chỉ số định lượng không thứ nguyên phản ánh phương trình cân bằng nước kết hợp nghiên cứu quy luật phân bố thời gian mưa 24 giờ liên tục lớn nhất dạng lệch chuẩn áp dụng cho các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm

  • Phương trình cân bằng nước hồ chứa: Cơ sở lý thuyết xác lập mối quan hệ giữa lượng nước đến từ lưu vực, dung tích trữ, diện tích mặt nước hồ và năng lực thoát nước qua công trình xả lũ.
  • Lý thuyết giá trị cực trị và phân bố xác suất thủy văn: Ứng dụng hàm phân phối Gumbel loại I, Pearson loại III, Log-Pearson loại III và Kritsky-Menkel 3 thông số để thiết lập đường tần suất lượng mưa 1 ngày lớn nhất, 24 giờ liên tục lớn nhất và 1 giờ lớn nhất.
  • Quy luật phân bố mưa lệch chuẩn (Skewed Distribution): Sử dụng hàm mật độ xác suất chuẩn hóa để mô tả phân bố lượng mưa thời đoạn 1 giờ trong các đợt mưa 24 giờ liên tục lớn nhất.
  • Mô hình hóa mưa – dòng chảy: Lý thuyết chuyển hóa mưa thành dòng chảy lũ trên lưu vực thông qua phương pháp số đường cong dòng chảy (Curve Number - CN) của Cục Bảo tồn Tài nguyên Đất (SCS/NRCS - USDA) và lý thuyết đường quá trình thủy văn đơn vị.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc các lý thuyết, tiêu chuẩn thiết kế đập, tràn sự cố và tài liệu nghiên cứu về sự cố hồ đập trong và ngoài nước.
  2. Phương pháp thu thập, điều tra thực địa: Tổng hợp chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn tại các trạm đại diện (Quán Hành, Vinh, Hương Khê, Đông Hà, Hải Lăng), khảo sát thông số hình học, kỹ thuật của các hồ chứa trên địa bàn Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Trị.
  3. Phương pháp xác suất thống kê và phân tích tương quan:
    • Xây dựng đường tần suất kinh nghiệm bằng các công thức:
      • Hazen: $P = \frac{m - 0,5}{n} \times 100%$
      • Khổng - Menkel (K-M): $P = \frac{m}{n + 1} \times 100%$
      • Tregodaev: $P = \frac{m - 0,3}{n + 0,4} \times 100%$
      • Blokhin: $P = \frac{m - 0,3}{n + 0,2} \times 100%$
    • Phân tích tương quan giữa lượng mưa 1 ngày lớn nhất và mưa 24 giờ liên tục lớn nhất; phân tích tham số thống kê (kỳ vọng, phương sai, độ lệch chuẩn $\sigma$) của chuỗi số liệu.
  4. Phương pháp mô hình số trị thủy văn: Ứng dụng bộ phần mềm HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System) để mô phỏng quá trình lũ đến hồ và quá trình xả lũ qua tràn.
  5. Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến các nhà khoa học chuyên ngành công trình thủy công, tài nguyên nước, thủy văn và thủy lực tại các viện nghiên cứu và trường đại học.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu mưa ngày, mưa tự ghi nhiều năm (chuỗi 1956–2012, 1990–2012) từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia tại các trạm Quán Hành, Vinh (Nghệ An), Hương Khê (Hà Tĩnh), Đông Hà (Quảng Trị).
  • Hồ sơ kỹ thuật, thông số đập, tràn xả lũ của hệ thống hồ chứa nhỏ từ Sở Nông nghiệp và PTNT các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Trị và Tổng cục Thủy lợi.
  • Dữ liệu đo đạc địa hình lòng hồ, đường cong quan hệ dung tích ($V-Z$), diện tích ($F-Z$) và đường cong xả tràn của hồ chứa thử nghiệm Khe Nu (Nghệ An).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU NGUY CƠ SỰ CỐ CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Chương 1 hệ thống hóa các sự cố hồ đập lịch sử trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích các nguyên nhân gây hư hỏng đập đất, trong đó lũ tràn đỉnh chiếm tỷ lệ lớn nhất. Tác giả tổng hợp các khung đánh giá nguy cơ sự cố (như hướng dẫn của Anh Quốc năm 2004 và 2012, chương trình NRCS của Mỹ năm 2009) và các phương pháp xác định phân bố tần suất mưa lũ cực trị (Gumbel, Frechet, Weibull, Pearson III, Log-Pearson III, Kritsky-Menkel, phương pháp 3 điểm của Alekseev).

Tại Việt Nam, qua thống kê 1.004 sự cố trong tổng số 5.039 hồ chứa nhỏ miền núi và miền Trung cùng 17 trường hợp vỡ đập (với 59% do mưa lũ gây tràn), tác giả phân tích các dạng hư hỏng chủ yếu: thấm thân/nền đập, sạt lở mái thượng lưu, nước tràn đỉnh đập vượt tần suất thiết kế, xói lở thân và tiêu năng tràn xả lũ, hư hỏng cống lấy nước. Chương 1 khẳng định khoảng trống về một phương pháp phân cấp nguy cơ sự cố cho hồ chứa nhỏ vùng BTB và xác lập sơ đồ nghiên cứu 8 bước thực hiện của luận án.

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ MƯA VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LUẬN PHÂN CẤP NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƯA LŨ CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ

1. Đặc trưng mưa gây lũ diện rộng khu vực Bắc Trung Bộ

Phân tích 29 đợt lũ lớn thời kỳ 1990–2010 cho thấy 3 hình thế thời tiết chính gây mưa lớn diện rộng:

  1. Bão hoặc bão kết hợp không khí lạnh.
  2. Không khí lạnh kết hợp các hình thế thời tiết khác (áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới, cao áp Thái Bình Dương đón gió tại sườn đông dãy Trường Sơn).
  3. Dải hội tụ nhiệt đới kết hợp không khí lạnh (chiếm khoảng 10% số tình huống).

Thống kê lượng mưa các đợt lũ lớn tại 3 tỉnh đại diện:

  • Nghệ An (Lưu vực sông Cả - trạm Quán Hành, Nghi Lộc): Lũ lụt xảy ra khi mưa kéo dài từ 3 ngày trở lên với tổng lượng mưa 3 ngày đạt từ 300 mm trở lên (điển hình năm 2010 mưa 3 ngày đạt 619 mm, 7 ngày đạt 858 mm; năm 1978 mưa 3 ngày đạt 600–700 mm).
  • Hà Tĩnh (Lưu vực sông Ngàn Sâu - trạm Hương Khê): Mưa gây lũ kéo dài từ 3 ngày trở lên với tổng lượng mưa 3 ngày từ 562 mm (năm 2002) đến 808,5 mm (năm 2010), đợt mưa tháng 10/2010 kéo dài 5 ngày đạt 1.083 mm; năm 1978 đạt 1.464 mm trong 12 ngày.
  • Quảng Trị (Lưu vực sông Thạch Hãn - trạm Hải Lăng, Đông Hà): Đợt lũ lớn tháng 10–11/1983 có mưa 3 ngày đạt 630 mm tại Đông Hà, 420 mm tại Quảng Trị, 330 mm tại Khe Sanh.

Bảng tổng hợp đặc trưng các đợt mưa lũ điển hình trích xuất từ luận án:

Khu vực / Trạm Đợt mưa lũ Thời gian mưa Tổng lượng mưa ghi nhận
Nghi Lộc (Nghệ An) 14/9 – 23/9/1978 3 – 9 ngày 600 mm (Nam Đàn)
Nghi Lộc (Nghệ An) 12/10 – 19/10/2010 3 – 7 ngày 619 mm (3 ngày) / 858 mm (7 ngày)
Hương Khê (Hà Tĩnh) 14/9 – 23/9/1978 9 – 12 ngày 1.464 mm
Hương Khê (Hà Tĩnh) 15/10 – 20/10/2010 3 – 5 ngày 808,5 mm (3 ngày) / 1.083 mm (5 ngày)
Đông Hà (Quảng Trị) 29/10 – 1/11/1983 3 ngày 630 mm

2. Phân tích đường tần suất và quy luật phân bố mưa

  • Xây dựng đường tần suất lượng mưa 1 ngày lớn nhất ($W_{\text{1ngày}}$), mưa 24 giờ liên tục lớn nhất ($W_{\text{24h}}$) và lượng mưa 1 giờ lớn nhất ($W_{\text{1h}}$) tại các trạm Nghi Lộc, Vinh, Hương Khê, Đông Hà theo các hàm phân phối xác suất. Thiết lập quan hệ tương quan giữa $W_{\text{24h}}$ và $W_{\text{1ngày}}$.
  • Chuẩn hóa phân bố lượng mưa 24 giờ liên tục lớn nhất: Tác giả chứng minh lượng mưa thời đoạn 1 giờ trong các trận mưa 24 giờ liên tục lớn nhất tuân theo quy luật phân bố lệch chuẩn (Skewed distribution) với các tham số đặc trưng về độ lệch và phương sai, thể hiện tính tập trung cao độ của cường suất mưa tại các thời đoạn đỉnh.

3. Phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố do mưa lũ

Tác giả đề xuất phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố cho các hồ chứa nhỏ dựa trên 3 chỉ số kỹ thuật:

  1. Chỉ số $K_V$: Tỷ số giữa dung tích toàn bộ hồ chứa ($V$) và diện tích lưu vực thu nước ($F_{\text{lv}}$): $$K_V = \frac{V}{F_{\text{lv}}} \quad (\text{triệu m}^3/\text{km}^2 \text{ hoặc m})$$ Phản ánh khả năng trữ nước của lòng hồ tương quan với lượng dòng chảy sinh ra từ lưu vực.
  2. Chỉ số $K_S$: Tỷ số giữa diện tích mặt nước hồ chứa ($F_{\text{hồ}}$) và diện tích lưu vực thu nước ($F_{\text{lv}}$): $$K_S = \frac{F_{\text{hồ}}}{F_{\text{lv}}}$$ Phản ánh khả năng điều tiết mặt thoáng của hồ chứa trước dòng chảy lũ.
  3. Chỉ số $K_Q$: Tỷ số giữa lưu lượng đỉnh lũ do mưa 1 giờ lớn nhất ứng với tần suất $P = 1%$ tập trung từ lưu vực vào hồ và chiều rộng ngưỡng tràn xả lũ ($B_{\text{tràn}}$): $$K_Q = \frac{Q_{1\text{h}(P=1%)}}{B_{\text{tràn}}} \quad (\text{m}^3/\text{s}/\text{m})$$ Phản ánh tải trọng xả lũ tập trung trên một đơn vị chiều dài tràn xả lũ tự do.

CHƯƠNG 3. PHÂN CẤP NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƯA LŨ, ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ KHẢ NĂNG XẢ LŨ NHẰM NÂNG CAO AN TOÀN CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ

1. Kết quả phân cấp nguy cơ sự cố hồ chứa nhỏ tại Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Trị

  • Ứng dụng ma trận kết hợp các cặp chỉ số ($K_V - K_S$) và ($K_S - K_Q$) để phân nhóm nguy cơ sự cố cho các hồ chứa nhỏ tại 3 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Trị thành 2 nhóm dung tích: (1–3 triệu $\text{m}^3$) và (0,5–1 triệu $\text{m}^3$).
  • Kiểm chứng thực tế: Đối chiếu vị trí các hồ chứa từng xảy ra sự cố trong lịch sử trên ma trận phân cấp (như hồ Tây Nguyên tại Nghệ An vỡ năm 2012; hồ Khe Mơ tại Hà Tĩnh vỡ năm 2010) cho thấy các công trình này đều rơi vào nhóm có chỉ số $K_V, K_S$ thấp bất lợi và chỉ số $K_Q$ cao vượt ngưỡng an toàn, khẳng định tính chính xác của phương pháp phân cấp.

2. Ứng dụng mô hình số trị HEC-HMS tính toán cho hồ chứa Khe Nu (Nghệ An)

  • Thông số công trình hồ Khe Nu: Hồ chứa đất có đập tràn tự do, lưu vực phân chia thành các tiểu lưu vực trong mô hình HEC-HMS. Đường đặc tính dung tích ($V-Z$), diện tích ($F-Z$) và đường cong xả tràn được nạp vào mô hình.
  • Mô phỏng thủy văn: Đưa dạng phân bố mưa lệch chuẩn 24 giờ liên tục lớn nhất và lượng mưa 1 giờ lớn nhất tần suất $P = 0,5%$ (theo trận lũ lịch sử tháng 10/2010) làm biên đầu vào.
  • Phân tích độ nhạy: Khảo sát 6 kịch bản biến thiên giá trị độ lệch chuẩn ($\sigma$) của phân bố mưa lệch chuẩn và các kịch bản thay đổi diện tích lưu vực thu nước ($F_{\text{lv}}$).
  • Kết quả mô phỏng: Mức độ tập trung mưa (phản ánh qua tham số phân bố lệch chuẩn) làm thay đổi rõ rệt lưu lượng đỉnh lũ đến hồ ($Q_{\text{max đến}}$), dẫn đến mực nước dâng gia cường trong hồ vượt mực nước lũ kiểm tra và làm tăng lưu lượng xả qua tràn ($Q_{\text{tràn}}$), trực tiếp đe dọa an toàn đỉnh đập đất.

3. Đề xuất các giải pháp nâng cao an toàn hồ chứa nhỏ

  • Giải pháp công trình: Đánh giá lại sức chịu tải của tràn xả lũ hiện hữu; mở rộng khẩu diện tràn hoặc hạ thấp ngưỡng tràn kết hợp cửa van đối với các hồ có chỉ số $K_Q$ quá cao; xây dựng bổ sung tràn sự cố cho các công trình có nguy cơ tràn đỉnh đập đất.
  • Giải pháp phi công trình: Thiết lập quy trình vận hành đón lũ dựa trên dự báo phân bố mưa 24 giờ liên tục lớn nhất; quy định mực nước tích nước an toàn trước mùa mưa lũ đối với các hồ thuộc nhóm nguy cơ sự cố cao theo phân cấp $K_V, K_S, K_Q$.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về mặt thủy văn và khí tượng: Luận án đã xác định được tần suất mưa 1 ngày lớn nhất, tần suất mưa 24 giờ liên tục lớn nhất tại khu vực Bắc Trung Bộ; chứng minh vai trò của lượng mưa 24 giờ liên tục lớn nhất trong tính toán thiết kế công trình xả lũ hồ chứa và xác lập phương trình tương quan giữa mưa 1 ngày lớn nhất và mưa 24 giờ liên tục lớn nhất. Luận án đã xác định quy luật phân bố mưa thời đoạn 1 giờ trong các trận mưa 24 giờ liên tục lớn nhất tuân theo dạng phân bố lệch chuẩn.
  2. Về mặt phương pháp luận và an toàn công trình: Xây dựng và đề xuất phương pháp luận phân cấp mức độ nguy cơ sự cố do mưa lũ cho các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ thông qua hệ thống 3 chỉ số đặc trưng ($K_V, K_S, K_Q$) có cơ sở khoa học gắn liền với phương trình cân bằng nước hồ chứa.
  3. Về mặt ứng dụng tính toán: Ứng dụng thành công mô hình HEC-HMS tích hợp phân bố mưa lệch chuẩn để mô phỏng định lượng quá trình lũ đến, xác định sức chịu tải và nhu cầu xả lũ cho hồ chứa nhỏ điển hình (hồ Khe Nu).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị các cơ quan quản lý nhà nước áp dụng bộ chỉ số $K_V, K_S, K_Q$ để rà soát, xếp thứ tự ưu tiên đầu tư kinh phí gia cố, nâng cấp hệ thống hồ chứa nhỏ tại các tỉnh Bắc Trung Bộ.
  • Bổ sung quy định sử dụng chỉ tiêu mưa 24 giờ liên tục lớn nhất và phân bố mưa thời đoạn ngắn dạng lệch chuẩn vào quy chuẩn, tiêu chuẩn tính toán thủy văn thiết kế hồ chứa thủy lợi nhỏ thay cho việc chỉ dùng lượng mưa 1 ngày lớn nhất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi nghiên cứu của luận án chỉ tập trung vào nhóm hồ chứa nhỏ (dung tích từ 0,5 đến 3 triệu $\text{m}^3$) có kết cấu đập đất và tràn tự do tại 3 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Trị.
  • Các phân tích phân bố mưa chi tiết mới dừng lại ở thời đoạn 1 giờ trong đợt mưa 24 giờ liên tục lớn nhất do sự giới hạn của chuỗi số liệu đo mưa tự ghi lịch sử.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu quy luật phân bố mưa với các thời đoạn ngắn hơn (15 phút, 30 phút, 45 phút) trong các trận mưa lớn cực đoan để phục vụ cho các lưu vực hồ chứa nhỏ có thời gian tập trung nước rất nhanh.
  • Phát triển và hoàn thiện phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố bằng cách tích hợp thêm các chỉ số về địa chất nền, trạng thái thấm thân đập, kết cấu công trình đầu mối và mức độ rủi ro dân sinh ở hạ du cho các vùng địa lý khác trên phạm vi cả nước.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

  • Cơ quan quản lý nhà nước (Tổng cục Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và PTNT các tỉnh): Sử dụng phương pháp phân cấp $K_V, K_S, K_Q$ tại Chương 2 và Chương 3 để lập danh mục, phân loại thứ tự ưu tiên sửa chữa, nâng cấp hồ chứa theo tinh thần Chỉ thị 21/CT-TTg.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế và quy hoạch thủy lợi: Tham khảo phương pháp xác định đường tần suất mưa 24 giờ liên tục lớn nhất, quan hệ tương quan với mưa 1 ngày lớn nhất và phân bố mưa lệch chuẩn 1 giờ trong tính toán khẩu diện tràn xả lũ và tràn sự cố.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn công trình, Thủy công: Tham khảo tài liệu tổng quan lịch sử sự cố đập, cơ sở lý thuyết phân phối xác suất cực trị và quy trình ứng dụng phần mềm HEC-HMS mô phỏng thủy văn hồ chứa nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba chỉ số $K_V, K_S, K_Q$ dùng để phân cấp nguy cơ sự cố hồ chứa được xác định như thế nào?

  • Chỉ số $K_V$: Là tỷ số giữa dung tích hồ chứa ($V$) và diện tích lưu vực thu nước ($F_{\text{lv}}$), đại diện cho khả năng dung nạp dòng chảy đến hồ.
  • Chỉ số $K_S$: Là tỷ số giữa diện tích mặt nước hồ chứa ($F_{\text{hồ}}$) và diện tích lưu vực thu nước ($F_{\text{lv}}$), đại diện cho năng lực điều tiết mặt thoáng hồ.
  • Chỉ số $K_Q$: Là tỷ số giữa lưu lượng nước do mưa 1 giờ lớn nhất tần suất $P = 1%$ tập trung từ lưu vực vào hồ và chiều rộng đập tràn ($B_{\text{tràn}}$), đại diện cho tải trọng xả lũ tập trung trên ngưỡng tràn.

2. Các hình thế thời tiết chính nào gây ra mưa lớn diện rộng và lũ lụt tại vùng Bắc Trung Bộ?

Qua phân tích 29 đợt lũ lịch sử (1990–2010), luận án xác định 3 loại hình thế thời tiết chủ yếu gây mưa lớn:

  1. Bão hoặc bão kết hợp với không khí lạnh.
  2. Không khí lạnh kết hợp với các hình thế thời tiết khác (áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới, cao áp Thái Bình Dương gặp địa hình chắn gió sườn đông Trường Sơn).
  3. Dải hội tụ nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh (chiếm khoảng 10% các tình huống).

3. Vì sao luận án đề xuất sử dụng mưa 24 giờ liên tục lớn nhất thay cho lượng mưa 1 ngày lớn nhất trong tính toán an toàn hồ chứa nhỏ?

Lượng mưa 1 ngày đo theo ngày quan trắc cố định (từ 19h hôm trước đến 19h hôm sau) thường chia cắt các trận mưa lớn liên tục diễn ra qua hai ngày, làm giảm giá trị thực tế của đỉnh mưa. Lượng mưa 24 giờ liên tục lớn nhất phản ánh chính xác tổng lượng và cường suất thực của đợt mưa cực đoan tập trung, phù hợp với thời gian tập trung dòng chảy của các lưu vực sông suối nhỏ tại Bắc Trung Bộ, từ đó phản ánh đúng nguy cơ xuất hiện đỉnh lũ vượt thiết kế của công trình.

4. Luận án đã ứng dụng mô hình HEC-HMS thử nghiệm cho công trình hồ chứa nào và ghi nhận kết quả gì?

Mô hình HEC-HMS được áp dụng mô phỏng cho hồ chứa nước Khe Nu (tỉnh Nghệ An). Kết quả tính toán cho thấy khi đưa phân bố mưa thời đoạn 1 giờ dạng lệch chuẩn của đợt mưa 24 giờ liên tục lớn nhất tần suất $P = 0,5%$ vào tính toán, sự biến thiên của độ lệch chuẩn ($\sigma$) và diện tích lưu vực ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng đỉnh lũ đến hồ, làm mực nước dâng cao vượt mực nước kiểm tra và gia tăng đột biến lưu lượng xả qua tràn, làm tăng nguy cơ mất an toàn đập đất.

5. Tỷ lệ hồ chứa nhỏ bị sự cố do nguyên nhân mưa lũ tại Việt Nam theo số liệu của Tổng cục Thủy lợi (2014) là bao nhiêu?

Theo thống kê năm 2014 của Tổng cục Thủy lợi tại các vùng Đông Bắc, Tây Bắc, Miền Trung và Tây Nguyên, có 1.004 đập trong tổng số 5.039 hồ chứa dung tích nhỏ hơn 10 triệu $\text{m}^3$ đã xảy ra sự cố. Trong 17 sự cố vỡ đập được ghi nhận, có 10 đập đất bị vỡ trực tiếp do nguyên nhân mưa lũ gây tràn đỉnh, chiếm tỷ lệ 59%.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Lợi đã giải quyết vấn đề cấp bách về an toàn hồ chứa nhỏ tại vùng Bắc Trung Bộ thông qua việc nghiên cứu đặc trưng phân bố mưa cực trị và đề xuất phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố. Bằng việc xác lập quy luật phân bố lệch chuẩn của mưa 24 giờ liên tục lớn nhất và xây dựng bộ ba chỉ số không thứ nguyên ($K_V, K_S, K_Q$), công trình đã tạo ra công cụ khoa học phục vụ sàng lọc, đánh giá nhanh rủi ro mất an toàn đập. Kết quả ứng dụng mô hình số trị HEC-HMS trên hồ Khe Nu cùng các giải pháp kỹ thuật đề xuất cung cấp cơ sở tin cậy cho công tác quy hoạch, sửa chữa và nâng cao an toàn hệ thống hồ đập thủy lợi trong bối cảnh biến đổi khí hậu.