CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA HỒ CHỨA ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC LÒNG DẪN 1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 1. Giới thiệu một số công trình nghiên cứu có liên quan trước đây về chế độ thủy văn, thủy lực. Trên thế giới Hồ chứa là công trình lợi dụng tổng hợp nguồn nước, được xây dựng trên các lưu vực sông với mục đích điều hòa sự chênh lệch dòng chảy giữa mùa lũ và mùa kiệt, nhằm mục tiêu lợi dụng, khai thác tổng hợp nguồn nước như phòng lũ, phát điện, cấp nước về mùa kiệt và cải tạo môi trường.
Hệ thống các hồ chứa được xây dựng trên lưu vực sông có dạng bậc thang. Mỗi hồ chứa trong hệ thống có chức năng và biểu đồ hoạt động riêng, nhưng lại hoạt động có tính tổng hợp với nhiều mục tiêu theo một biểu đồ điều phối chung nên có tác động qua lại tương tác với nhau, đồng thời tác động tới thượng và hạ du. Trên thế giới việc xây dựng hồ chứa đã được tiến hành từ rất sớm, Trung Quốc, xây dựng đập đất Shaopi trên vùng đất thuộc tỉnh An Huy ngày nay trong những năm 598 - 591 trước Công nguyên (tr.CN) dưới thời Đông Chu. Đến nay đã có hàng vạn hồ chứa nước được xây dựng trên khắp lãnh thổ Trung Quốc, trong đó lớn nhất là thủy điện Tam Hiệp trên sông Dương Tử, ngoài ra Trung Quốc còn xây dựng hàng loạt công trình thủy điện lớn trên thượng nguồn sông Mê Kông, các nước phát triển khác như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga, Canada, Ấn Độ, Braxin, Mexico v.
Việc xây dựng hồ chứa đã mang lại một số lợi ích nhất định trong phát triển kinh tế như: Điều tiết dòng chảy, tham gia cắt lũ, giảm ngập lụt cho hạ du; cung cấp nguồn thủy điện có giá thành thấp; gia tăng mực nước ngầm; phát triển du lịch. Ngoài những mặt lợi, thì việc xây dựng các hồ chứa lớn ở thượng nguồn, nhất là các hồ chứa lớn cũng tiềm ẩn và gây nên một số tác động bất lợi sau: Rừng đầu nguồn sẽ bị tàn phá; mất đất canh tác; lượng phù sa về hạ lưu bị suy giảm làm suy thoái đất trồng trọt; chế độ dòng chảy hạ lưu thay đổi; gia tăng sạt lở bờ, bãi sông; 11 kích thích hiện tượng động đất phát triển. Ví dụ: Đập thủy điện Zipingpu (Trung Quốc) là tác nhân gây ra trận động đất 7,8 độ Richter ngày 12/5/2008, làm chết hơn 8 vạn người; đập Sayano-Shushenskaya (LBNga) và sự cố khủng khiếp ngày 17/8/2009; đập đất Teton bị vỡngày 5/6/1976, thiệt hại lên tới 2 tỷ USD. Để giảm thiểu các bất lợi đối với hạ du, trên thế giới có hai lựa chọn: i) hạn chế việc xây dựng các hồ chứa lớn vì tiềm ẩn rủi ro rất lớn về an toàn; ii) xây dựng các qui trình, công nghệ để vận hành các hồ chứa một cách khoa học nhất.
Hiện nay, quản lý vận hành hệ thống các hồ chứa cấp nước, phát điện, duy trì dòng chảy môi trường là một trong những vấn đề quan trọng của quản lý lưu vực sông đang được nhiều nước trên thế giới rất quan tâm nghiên cứu và đã có nhiều kết quả và sản phẩm công nghệ có thể tiếp cận để tham khảo và ứng dụng trong thực tế. Cùng với việc tiếp tục xây dựng bổ sung để tiến tới hoàn chỉnh hệ thống các hồ chứa trên các lưu vực sông, các nước trên thế giới cũng đã và đang rất chú trọng đầu tư nghiên cứu trong lĩnh vực quản lý vận hành hệ thống để khai thác sử dụng hợp lý và nâng cao hiệu quả sử dụng nước các hồ chứa của hệ thống, phát điện, cấp nước, duy trì dòng chảy môi trường để bảo vệ các hệ sinh thái nước ở khu vực hạ du. Về phương pháp luận và kinh nghiệm thực tiễn đã có rất nhiều kết quả nghiên cứu về lý thuyết và kết quả nghiên cứu ứng dụng có giá trị của các nước trên thế giới để giải quyết bài toán quản lý vận hành hệ thống các hồ chứa đa mục tiêu. Các kết quả nghiên cứu này đã được trình bày trong nhiều hội thảo quốc tế về quản lý tổng hợp tài nguyên nước, quản lý lưu vực sông, trong nhiều bài báo được công bố trong tạp chí quốc tế về quản lý tài nguyên nước và trong một số sách đã xuất bản về kỹ thuật tài nguyên nước.
(1) Về lý thuyết, vấn đề quản lý vận hành hệ thống hồ chứa đã được thế giới nghiên cứu giải quyết trên cơ sở ứng dụng lý thuyết hệ thống trong phát triển tài nguyên nước (System theory in water resources development), trong đó việc vận hành các hồ chứa không thể xem xét một cách riêng rẽ mà phải nằm trong một hệ thống có mối quan hệ và ràng buộc lẫn nhau nhằm đáp ứng mục tiêu chung về khai thác sử 12 dụng nguồn nước của hệ thống sông. Nhìn chung, những nghiên cứu trên các lưu vực sông của thế giới để giải quyết bài toán quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa đều tập trung vào hai hướng: i) tìm lời giải hợp lý dựa trên xây dựng và ứng dụng các mô hình mô phỏng hệ thống để tìm quy trình vận hành hệ thống hồ chứa; ii) tìm lời giải tối ưu dựa trên ứng dụng lý thuyết tối ưu hệ thống để tìm lời giải vận hành (mô hình quy hoạch tuyến tính, mô hình quy hoạch động). Theo các hướng nghiên cứu trên, để giải bài toán quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa, ngoài tư duy và vận dụng kiến thức về “lý thuyết hệ thống” đối với hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông, cần sử dụng các công cụ rất quan trọng và không thể thiếu, đó là các mô hình toán để mô phỏng hệ thống (trong trường hợp 1) và để tối ưu hóa hệ thống (trong trường hợp 2). Trải qua thời gian dài phát triển, nhóm các nước có nền khoa học và kinh tế phát triển như Nga, Mỹ, Úc, các nước cộng đồng châu Âu đã có những thành tựu rất đáng kể trong việc phát triển lý thuyết, xây dựng và ứng dụng các công cụ nói trên để giải quyết vấn đề quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa của các lưu vực sông lớn theo cả hai hướng tìm lời giải hợp lý và lời giải tối ưu cho quy trình vận hành hệ thống.
(2) Để nâng cao hiệu quả của quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa nhiều mô hình thủy văn, thủy lực, mô hình mô phỏng cân bằng nước hệ thống hồ chứa đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới và ứng dụng có kết quả trong thực tế, làm cơ sở cho việc nghiên cứu xác định quy trình vận hành hồ chứa, thí dụ như các nhóm mô hình: Các mô hình toán thủy văn tất định mô phỏng tính toán và dự báo dòng chảy lưu vực và hệ thống sông từ mưa như mô hình SSARR, STANFORD (Mỹ), mô hình TANK (Nhật), mô hình MIKE NAM (Đan Mạch); Các mô hình thủy lực 1D, 2D để tính toán và dự báo biến đổi chế độ dòng chảy trong sông, đặc biệt dòng chảy lũ, như các mô hình HEC-RAS, MIKE11, MIKE21; Các mô hình cân bằng, phân bổ nguồn nước hệ thống sông như mô hình MITSIM, RIBASIM, MIKE BASIN, GAMS v. Các mô hình này cũng cho phép tìm lời giải tối ưu của hệ thống thủy văn. 13 Bên cạnh các phần mềm mô phỏng, tối ưu hóa và cân bằng phân bổ nguồn nước việc xây dựng các phần mềm trợ giúp này như một công nghệ tiện dụng cho quản lý vận hành hệ thống các hồ chứa nước của lưu vực sông là xu hướng phát triển trên thế giới hiện nay. Ví dụ: Chương trình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa EIS bao gồm 9 hồ chứa trên sông chính và 26 hồ trên các nhánh của lưu vực Tennssee, từ khi bắt đầu (1997) đến nay đã thu được những kết quả tốt đẹp.
Một dự án khác cũng đã mang lại hiệu quả là điều hành hệ thống hồ chứa bang Texas do Wurbs Ralph A. thuộc Viện Tài nguyên nước Texas xây dựng năm 1985 và hoàn thiện năm 2007. (1999) đã phát triển quy trình vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Sabarmati (Ấn Độ) gồm 5 hồ chứa với 4 đập và 1 đập tràn nhằm kiểm soát lũ và cung cấp nước cho các khu vực hạ lưu đập và 2 thành phố Ahmedabad và Gandhinagar. Sau khi xây dựng hồ chứa thượng nguồn, dòng sông được chia thành hai con sông có quá trình vận động khác nhau.
Song song với việc nghiên cứu quá trình bồi tích ở thượng nguồn, người ta quan tâm nhiều đến nghiên cứu sự biến đổi của chế độ thủy động lực học vùng hạ du. Các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới chủ yếu tập trung vào một số vấn đề sau: - Nghiên cứu về quá trình xói phổ biến: Xói phổ biến trong lòng sông hạ du chỉ thấy xuất hiện rất hạn chế trong các nghiên cứu của Maccaveev N.I, của Tạ Giám Hoành, Tiền Ninh (của Trung Quốc) và của một số tác giả của Mỹ, châu Âu v. Với việc tính toán biến hình lòng dẫn trên một đoạn rất dài, yêu cầu có được những lời giải rất chi tiết bằng các mô hình 2D, 3D là rất khó và cũng không cần thiết, thường chỉ áp dụng bài toán 1D, trường hợp cần thiết mới tính bằng mô hình 2D hoặc thí nghiệm trên mô hình vật lý. Riêng bài toán 1D về xói phổ biến cũng có nhiều phương pháp tính toán khác nhau để đơn giản hóa trong mô phỏng và tìm đến những lời giải gần đúng một cách thuận lợi nhất.
- Nghiên cứu về thô hóa bùn cát lòng dẫn: Trong lòng sông nếu đã hình thành lớp chống xói tạo bởi các hạt bùn cát thô thì đó là yếu tố làm cho hiện tượng xói phổ biến trong lòng sông gặp trở ngại. Lúc đó, tính toán xói phổ biến chuyển thành tính 14 toán thô hóa. Các tác giả và thành tựu về thô hóa lòng sông không nhiều, có thể dẫn ra các nghiên cứu của Simion Honcu (Rumania), Kriukin (Nga). - Nghiên cứu về chế độ động lực hạ du: Những nghiên cứu thuộc lĩnh vực động lực dòng sông, chuyển động bùn cát và vấn đề chỉnh trị được phát triển mạnh trong nửa thế kỷ 19 ở các nước Âu-Mỹ.
Những nghiên cứu của các nhà khoa học Pháp như Du Boys về chuyển động bùn cát, Barré de Saint-Venant về dòng không ổn định, L. Fargue về hình thái lòng sông uốn khúc. Động lực học dòng sông và chỉnh trị sông được nghiên cứu từ thế kỷ 19, nhưng phát triển rực rỡ nhất là vào khoảng thời gian 60 năm đầu của thế kỷ 20, với những tên tuổi lớn như Lotchin V.