Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Phát triển nguồn nước (mã số: 62 44 92 01) của tác giả Nguyễn Đính, với đề tài "Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu", được thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Đình Thành và PGS.TS. Hoàng Minh Tuyền (bảo vệ năm 2014).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Lưu vực sông Hương là lưu vực sông liên tỉnh nhưng phần lớn diện tích nằm trọn trong địa giới hành chính tỉnh Thừa Thiên Huế. Mặc dù nguồn tài nguyên nước dồi dào, song sự phân bổ dòng chảy trong năm diễn biến rất không đồng đều giữa mùa lũ và mùa kiệt, gây ra các hiện tượng lũ lụt nghiêm trọng vào mùa mưa và hạn hán, xâm nhập mặn vào mùa khô. Nhằm đáp ứng các nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, trên lưu vực đã và đang hình thành hệ thống công trình thủy lợi - thủy điện quy mô lớn.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ rõ: Các công trình nghiên cứu trước đây tại lưu vực sông Hương chủ yếu đánh giá tác động môi trường hoặc tác động thủy văn của từng hồ chứa đơn độc, hoặc nghiên cứu kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng một cách tách biệt. Chưa có nghiên cứu nào đi sâu xem xét và định lượng tác động tổng hợp của toàn bộ hệ thống công trình thượng lưu (các hồ chứa lớn) phối hợp với công trình vùng cửa sông (đập Thảo Long) có xét đến bối cảnh biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu. Do đó, việc nghiên cứu định lượng các tác động tổng hợp này là yêu cầu cấp thiết phục vụ công tác tái cơ cấu ngành nông nghiệp và định hướng xây dựng tỉnh Thừa Thiên Huế phát triển thành đô thị loại I trực thuộc Trung ương.

Mục tiêu nghiên cứu và các nội dung thực hiện

Mục tiêu tổng quát của luận án gồm hai điểm chính:

  1. Làm rõ sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu.
  2. Đề xuất các giải pháp thích ứng nhằm giảm thiểu tác động xấu đến phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường hạ lưu sông Hương.

Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận án giải quyết 5 nội dung nghiên cứu cụ thể:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu các đặc điểm tài nguyên nước, chế độ thủy văn - thủy lực và phân tích các yếu tố tác động đến chế độ thủy văn - thủy lực sông Hương.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu xu thế biến đổi của một số yếu tố khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Hương.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn - thủy lực để tính toán mô phỏng dòng chảy năm, dòng chảy lũ, dòng chảy kiệt sông Hương.
  • Nội dung 4: Đánh giá sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện khi không xét và có xét đến biến đổi khí hậu.
  • Nội dung 5: Đề xuất các giải pháp định hướng để giảm thiểu tác động tiêu cực của các công trình thủy lợi - thủy điện, góp phần phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường trên lưu vực sông Hương.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực chủ yếu ở hạ lưu sông Hương dưới tác động của hệ thống các công trình thủy lợi - thủy điện lớn trên lưu vực.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Hương, trọng tâm là khu vực hạ lưu từ sau các hồ chứa lớn (Bình Điền, Hương Điền, Tả Trạch) đến đập Thảo Long.
  • Phạm vi thời gian: Nghiên cứu đánh giá từ thời kỳ hiện trạng đến mốc thời gian năm 2030 khi chưa có những thay đổi lớn về quy mô hệ thống công trình cũng như tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan 38 công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đánh giá tác động của hồ chứa và biến đổi khí hậu đến dòng chảy hạ lưu:

Các nghiên cứu quốc tế

Các nghiên cứu trên thế giới tập trung vào hai hướng tiếp cận chính:

  1. Hướng tiếp cận so sánh, phân tích diễn biến môi trường và hình thái trước - sau khi có hồ chứa dựa trên số liệu thực đo:

    • S. Shalash (1980) nghiên cứu tác động của đập High Aswan trên sông Nile (giai đoạn 1964–1978), chỉ ra mức độ hạ thấp đáy sông và mực nước hạ lưu sau đập dao động từ 20 đến 50 mm/năm, tốc độ xói hạ thấp cao nhất vào giai đoạn đầu vận hành.
    • Francis J. Magilligan và Keith H. Nislow (2005), kế thừa phương pháp của Richter và cộng sự (1996), áp dụng Chỉ số Biến đổi Thủy văn (Indicators of Hydrologic Alteration - IHA) để định lượng mức độ thay đổi dòng chảy tại các trạm thủy văn ở Hoa Kỳ.
    • Ramon J. Batalla và cộng sự (2004) phân tích chuỗi số liệu tại 38 trạm thủy văn trên 22 nhánh sông thuộc lưu vực sông Ebro (Tây Ban Nha) có 187 đập điều tiết (chiếm 57% dòng chảy năm), cho thấy đỉnh lũ chu kỳ 2 năm và 10 năm giảm trên 30%, trong khi dòng chảy năm không có xu thế biến động rõ rệt.
    • William L. Graf (2005) khảo sát 137 hồ chứa lớn (dung tích > 1,2 km³) trên 72 con sông tại Hoa Kỳ, phát hiện hồ chứa làm giảm lưu lượng đỉnh lũ trung bình 67% (nhiều nơi giảm tới 90%), làm tăng mặt cắt thủy lực dòng chảy kiệt 32% và giảm mặt cắt thủy lực dòng chảy lũ 50%.

  2. Hướng tiếp cận sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu (GCM/RCM):

    • Xu Z. và cộng sự (2008) kết hợp mô hình hoàn lưu tổng quát (GCM), phương pháp chi tiết hóa thống kê và mô hình thủy văn SWAT mô phỏng dòng chảy thượng nguồn sông Hoàng Hà, ghi nhận xu hướng giảm dòng chảy trung bình năm.
    • Kim U. và cộng sự (2008) sử dụng đầu ra của 6 mô hình GCM theo phương pháp gán trọng số sai số kết hợp mô hình 2 bể chứa đơn để đánh giá lưu vực thượng lưu sông Blue Nile (Ethiopia).
    • Hoanh C. và cộng sự (2010) sử dụng bộ mô hình Decision Support Framework (DSF) đánh giá sông Mê Công, chỉ ra dưới kịch bản B2 và A2, dòng chảy năm tại Kratie giai đoạn 2010–2050 tăng tương ứng 7% và 12,5% (khi xét khai thác sử dụng nước thì tăng 3,7% và 9%).
    • K-Vastila và cộng sự (2010) sử dụng mô hình khí hậu khu vực PRECIS (hạ quy mô từ ECHAM4), mô hình thủy văn VIC và mô hình thủy động lực EIA 3D mô phỏng ngập lụt hạ lưu sông Mê Công giai đoạn 2010–2040.
    • ICEM (2010) thực hiện Đánh giá môi trường chiến lược (SEA) cho các bậc thang thủy điện dòng chính sông Mê Công.
    • H. Lauri và cộng sự (2012) dùng 5 mô hình GCM và mô hình thủy văn phân bố VMod cho sông Mê Công thời kỳ 2032–2042, rút ra kết luận tác động của vận hành hồ chứa lớn hơn nhiều so với biến đổi khí hậu đối với dòng chảy mùa khô (tăng 25–160%) và đỉnh lũ mùa mưa (giảm 5–24%).

Các nghiên cứu trong nước và khoảng trống luận án giải quyết

Tại Việt Nam, các nghiên cứu đánh giá tác động của công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đã được quan tâm nhưng đa phần tiếp cận đơn lẻ từng công trình, giả thiết điều kiện mặt đệm và thủy văn không đổi, chưa phân tích định lượng đầy đủ mối quan hệ tương tác phức tạp giữa các hồ chứa thượng nguồn và các công trình kiểm soát triều, ngăn mặn ở hạ lưu.

Luận án lựa chọn hướng khắc phục bằng cách tiếp cận tổng hợp theo hệ thống nguồn nước, phân tích toàn diện lưu vực sông Hương, ứng dụng tích hợp chuỗi mô hình HEC-HMS và HEC-RAS theo các kịch bản vận hành thực tế kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu phát thải trung bình (B2) đến năm 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung tiếp cận và cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu được xây dựng trên ba quan điểm tiếp cận chính:

  • Tiếp cận tổng hợp theo hệ thống nguồn nước: Đánh giá mối quan hệ tương hỗ giữa hồ chứa thượng nguồn, dòng chảy nhập khu giữa, hệ thống sông hạ lưu, công trình cửa sông và vùng đầm phá Tam Giang - Cầu Hai.
  • Tiếp cận mô phỏng hệ thống bằng mô hình toán thủy văn - thủy lực: Mô phỏng liên tục dòng chảy ngày trong năm, dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt.
  • Tiếp cận theo kịch bản: Xây dựng các tổ hợp kịch bản vận hành công trình đơn độc, liên hồ và bổ sung dung tích phòng lũ trong điều kiện hiện trạng và có xét đến biến đổi khí hậu.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp 7 phương pháp nghiên cứu chuyên ngành:

  1. Phương pháp kế thừa: Thu thập, chọn lọc chuỗi dữ liệu lịch sử về khí tượng, thủy văn, tài liệu thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện trên lưu vực.
  2. Phương pháp điều tra, khảo sát: Cập nhật số liệu mặt cắt địa hình, cơ chế vận hành công trình và hiện trạng sử dụng đất.
  3. Phương pháp phân tích thống kê: Ứng dụng kiểm định phi tham số Mann-Kendall và phương pháp độ dốc Sen (Sen's slope) để xác định xu thế biến đổi dài hạn của các chuỗi số liệu nhiệt độ, lượng mưa năm, lượng mưa mùa, lượng mưa ngày lớn nhất và mực nước.
  4. Phương pháp mô hình toán thủy văn - thủy lực:
    • Mô hình thủy văn HEC-HMS: Mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên các lưu vực bộ phận, tính toán dòng chảy đến các tuyến hồ chứa và dòng chảy gia nhập khu giữa.
    • Mô hình thủy lực HEC-RAS (kết hợp HEC-GeoRAS): Mô phỏng chuyển tiếp dòng chảy không ổn định trong hệ thống mạng lưới sông hạ lưu, thiết lập các đoạn mã điều khiển quy trình đóng mở cửa xả tại các công trình đập và cống. Hai mô hình được kết nối thông qua hệ thống lưu trữ dữ liệu chuẩn DSS (Data Storage System).
  5. Phương pháp GIS: Sử dụng ArcGIS và MapInfo để biên tập bản đồ số hóa lưu vực, phân chia lưu vực bộ phận và xác định phân bố chỉ số điều kiện thủy văn đất (Curve Number - CN).
  6. Phương pháp phân tích hệ thống: Phân tích sự lan truyền sóng lũ, điều tiết dung tích cắt lũ và phân phối dòng chảy kiệt của toàn bộ hệ thống.
  7. Phương pháp chuyên gia và tham vấn cộng đồng: Tham khảo ý kiến các nhà khoa học, cơ quan quản lý khai thác công trình thủy lợi và chính quyền địa phương tỉnh Thừa Thiên Huế.

Nguồn tư liệu và dữ liệu tính toán

  • Dữ liệu địa hình: 278 mặt cắt ngang sông đo đạc cập nhật đến năm 2009 (sông Hữu Trạch: 18 mặt cắt; sông Tả Trạch: 24 mặt cắt; sông Hương: 59 mặt cắt; sông Bồ: 37 mặt cắt; các tuyến thoát lũ hạ lưu: 140 mặt cắt) và 27 ô chứa ngập lũ được thiết lập quan hệ mực nước - diện tích - dung tích ($Z-W$).
  • Dữ liệu khí tượng - thủy văn: Số liệu quan trắc mưa, nhiệt độ, bốc hơi, lưu lượng, mực nước tại các trạm Thượng Nhật, Nam Đông, Huế, Kim Long, Phú Ốc, Cổ Bi, Dương Hòa, Bình Điền.
  • Kịch bản biến đổi khí hậu: Kịch bản phát thải trung bình (B2) do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012 (dự báo lượng mưa năm tại Thừa Thiên Huế đến năm 2030 tăng 2,1% so với thời kỳ cơ sở 1980–1999).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này phân tích tổng quan vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội lưu vực sông Hương và hệ thống công trình thủy lợi - thủy điện hiện hữu.

  • Sông Hương có diện tích lưu vực phần lớn nằm trong tỉnh Thừa Thiên Huế, hình thành từ ba nhánh chính: sông Bồ, sông Hữu Trạch và sông Tả Trạch (Tả Trạch là nhánh cung cấp nguồn nước chủ yếu).
  • Hệ thống công trình trên lưu vực gồm: (i) Các hồ chứa thượng nguồn có nhiệm vụ cắt giảm lũ, cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp và phát điện; (ii) Các công trình cống, đập ven các trục sông chính làm nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt nội đồng; (iii) Đập Thảo Long tại cửa sông giữ vai trò kiểm soát mặn, tích trữ nước ngọt và thoát lũ ra đầm phá Tam Giang - Cầu Hai.
  • Tác giả đưa ra tiêu chí lựa chọn các công trình trọng điểm đưa vào mô hình nghiên cứu: Hồ chứa có dung tích $V > 100 \times 10^6 \text{ m}^3$, công suất lắp máy $N_{lm} \ge 5 \text{ MW}$ đối với hồ thuần thủy điện hoặc $> 10 \text{ MW}$ đối với hồ kết hợp, cùng với công trình cửa sông Thảo Long. Theo đó, 4 công trình chính được lựa chọn gồm: hồ Bình Điền (sông Hữu Trạch), hồ Hương Điền (sông Bồ), hồ Tả Trạch (sông Tả Trạch) và đập Thảo Long.

Chương II: Các yếu tố tác động đến chế độ thủy văn - thủy lực sông Hương và thiết lập bộ công cụ tính toán

Chương này đánh giá xu thế biến đổi khí tượng thủy văn, nhận diện các yếu tố tác động tự nhiên - nhân sinh và tiến hành thiết lập, hiệu chỉnh, kiểm định bộ công cụ mô hình tính toán.

  1. Kết quả kiểm định xu thế (Mann-Kendall và Sen):

    • Lượng mưa năm và lượng mưa mùa có xu thế tăng nhẹ nhưng chưa vượt ngưỡng ý nghĩa thống kê 95%; lượng bốc hơi có xu thế giảm.
    • Nhiệt độ trung bình vùng núi có xu thế tăng, trong khi tại trạm Huế có xu thế giảm nhẹ (không thỏa mãn mức ý nghĩa 95%).
    • Mực nước thực đo tại trạm Kim Long và Phú Ốc có xu thế tăng, phù hợp với xu thế biến đổi lượng mưa trên lưu vực.

  2. Nhận diện các yếu tố tác động chính:

    • Mưa bão và hình thế thời tiết: Địa hình đón gió vuông góc với các hướng gió thịnh hành tạo tâm mưa lớn; tổ hợp bão, áp thấp nhiệt đới và không khí lạnh gây mưa cực đoan sinh lũ lớn.
    • Thảm phủ thực vật: Tỷ lệ rừng giàu và trung bình thấp làm suy giảm khả năng điều tiết tự nhiên của lưu vực.
    • Đầm phá và thủy triều: Biên độ triều ảnh hưởng sâu vào hạ lưu; khi chưa có đập Thảo Long, xâm nhập mặn đe dọa nghiêm trọng nguồn nước ngọt mùa kiệt.
    • Tác động thực tế của công trình: Giai đoạn 2007–2009, đập Thảo Long làm dâng mực nước trung bình năm tại Kim Long và Phú Ốc thêm 26–27 cm; giai đoạn 2010–2012, hồ Bình Điền và Hương Điền vận hành làm giảm đỉnh lũ mùa mưa tại Kim Long 53 cm, Phú Ốc 37 cm.

  3. Thiết lập và hiệu chuẩn mô hình toán:

    • Mô hình thủy văn HEC-HMS được hiệu chỉnh với các trận lũ thực tế tại Cổ Bi, Bình Điền, Dương Hòa đạt hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($E_{Nash}$) từ 0,90 đến 0,93; bước kiểm định đạt $E_{Nash}$ từ 0,78 đến 0,95.
    • Mô hình thủy lực HEC-RAS hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy không ổn định mùa lũ và mùa cạn tại Kim Long và Phú Ốc đạt hệ số $E_{Nash}$ từ 0,63 đến 0,77.

Chương III: Đánh giá tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương

Tác giả xây dựng khung đánh giá dựa trên 6 trường hợp tính toán (TH1 đến TH6) kết hợp 3 phương án vận hành hệ thống công trình và xét đến kịch bản biến đổi khí hậu B2 đến năm 2030:

  • PA I (TH2, TH5): Vận hành độc lập theo quy trình đơn hồ.
  • PA II (TH3, TH6): Vận hành phối hợp điều tiết lũ theo các cấp báo động lũ hạ lưu tại Kim Long và Phú Ốc.
  • PA III (TH4): Vận hành phối hợp kết hợp bổ sung dung tích phòng lũ cho các hồ Bình Điền và Hương Điền.
  • Năm đại biểu tính toán: Năm 1984 (năm nước trung bình), lũ lịch sử 1999 (mưa cực đoan tập trung vùng đồng bằng), và lũ đặc biệt lớn 1983 (mưa tập trung vùng núi).
Ký hiệu Điều kiện tính toán công trình và biến đổi khí hậu
TH1 Điều kiện tự nhiên (chưa xây dựng các hồ chứa và đập Thảo Long)
TH2 - PA I 3 hồ (Bình Điền, Hương Điền, Tả Trạch) và đập Thảo Long vận hành độc lập
TH3 - PA II 3 hồ và đập Thảo Long vận hành phối hợp theo cấp báo động lũ hạ lưu
TH4 - PA III Vận hành phối hợp theo cấp báo động lũ hạ lưu + Bổ sung dung tích phòng lũ
TH5 - PA I Vận hành độc lập + Xét biến đổi khí hậu đến năm 2030 (kịch bản B2)
TH6 - PA II Vận hành phối hợp theo cấp báo động lũ hạ lưu + Xét biến đổi khí hậu năm 2030 (B2)

Tác động đến dòng chảy ngày trong năm

Dưới tác động của hệ thống công trình (năm nước trung bình 1984), mực nước trung bình năm ở hạ lưu có xu hướng dâng cao rõ rệt: tại trạm Kim Long tăng +0,64 m (từ 0,01 m lên 0,65 m) và tại Phú Ốc tăng +0,64 m (từ 0,42 m lên 1,06 m). Yếu tố biến đổi khí hậu theo kịch bản B2 đến năm 2030 chỉ làm mực nước trung bình năm tăng thêm 0,01 m (Kim Long) và 0,04 m (Phú Ốc), cho thấy tác động của hệ thống công trình đóng vai trò chi phối áp đảo.

Vị trí TH1 (m) TH2 - PA I (m) Mức tăng so với TH1 (m) TH5 - PA I (m) Mức tăng do BĐKH (m)
Kim Long 0,01 0,65 +0,64 0,66 +0,01
Phú Ốc 0,42 1,06 +0,64 1,10 +0,04

Thời gian duy trì mực nước trên mức Báo động 2 (+2,0 m) tại Kim Long rút ngắn từ 4 ngày xuống còn 2 ngày, nhưng thời gian duy trì mực nước ở mức Báo động 1 (+1,0 m) kéo dài từ 9 ngày lên 47–53 ngày do các hồ xả nước duy trì sau lũ.

Tác động đến dòng chảy lũ

  • Đối với trận lũ lịch sử năm 1999: Mực nước đỉnh lũ tự nhiên tại Kim Long đạt 5,81 m. Khi có công trình vận hành độc lập (TH2-PA I), đỉnh lũ giảm 0,20 m (xuống 5,61 m); vận hành phối hợp (TH3-PA II) giảm 0,27 m (xuống 5,54 m); và vận hành phối hợp có bổ sung dung tích phòng lũ (TH4-PA III) giảm mạnh 0,71 m (xuống 5,10 m). Cường suất truyền lũ lên cực đại giảm từ 0,54 m/h xuống 0,25–0,38 m/h.
Vị trí TH1 (m) TH2 - PA I (m) TH3 - PA II (m) TH4 - PA III (m) TH5 - PA I (+BĐKH) TH6 - PA II (+BĐKH)
Kim Long 5,81 5,61 (-0,20) 5,54 (-0,27) 5,10 (-0,71) 5,81 (+0,20) 5,58 (+0,04)
Phú Ốc 4,60 4,47 (-0,13) 4,47 (-0,13) 4,47 (-0,13) 4,54 (+0,07) 4,48 (+0,01)
  • Đối với trận lũ năm 1983: Mực nước đỉnh lũ tự nhiên tại Kim Long là 5,00 m. Khi vận hành theo PA I, đỉnh lũ giảm 0,30 m (xuống 4,70 m); vận hành theo PA II giảm 1,19 m (xuống 3,81 m); và vận hành theo PA III giảm tới 1,44 m (xuống 3,56 m), đưa đỉnh lũ xuống dưới mức khống chế chống lũ chính vụ của thành phố Huế (+3,71 m).
Vị trí TH1 (m) TH2 - PA I (m) Mức giảm PA I (m) TH3 - PA II (m) Mức giảm PA II (m) TH4 - PA III (m) Mức giảm PA III (m)
Kim Long 5,00 4,70 -0,30 3,81 -1,19 3,56 -1,44
Phú Ốc 4,73 4,43 -0,30 4,30 -0,43 4,30 -0,43

Tác động đến dòng chảy kiệt và bùn cát

  • Dòng chảy kiệt (tháng VI–VIII/1984): Đập Thảo Long và việc xả nước phát điện của các hồ thượng lưu làm mực nước trung bình mùa cạn tại Kim Long tăng từ -0,28 m lên +0,35 m (tăng 0,63 m), tại Phú Ốc tăng từ +0,17 m lên +0,74 m (tăng 0,57 m). Mực nước duy trì ổn định trên +0,4 m đến +0,5 m suốt mùa cạn, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng dao động mặn theo triều, tạo điều kiện tự chảy cấp nước ngọt cho hạ du và tiếp nước cho khu vực Phú Lộc.
  • Diễn biến bùn cát hạ lưu: Sự lắng đọng bùn cát trong các lòng hồ tạo hiệu ứng dòng nước trong sau đập gây xói lở hạ du. Số liệu thực đo tại trạm Bình Điền ghi nhận cùng một cấp lưu lượng xả, mực nước hạ lưu bị tụt giảm trung bình 40 cm sau khi hồ Bình Điền đi vào vận hành.

Chương IV: Đề xuất giải pháp định hướng giảm thiểu tác động tiêu cực và tăng hiệu quả các công trình thủy lợi - thủy điện

Trên cơ sở kết quả mô phỏng, luận án đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình:

  1. Giải pháp phi công trình:

    • Tăng cường thảm phủ thực vật: Xây dựng mối quan hệ tương quan giữa chỉ số điều kiện thủy văn mặt đệm $CN$ và tổng lượng dòng chảy lũ về tuyến hồ ($y = 14,19x - 1261,6; R^2 = 0,994$). Khẳng định hiệu quả điều tiết của rừng phòng hộ đầu nguồn tại các nhánh thượng lưu rõ rệt hơn hạ lưu.
    • Quy hoạch hành lang bảo vệ nguồn nước: Thiết lập hành lang bảo vệ nghiêm ngặt đối với lòng hồ, hành lang bờ sông và hệ sinh thái đầm phá.
    • Xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa phối hợp đập Thảo Long: Điều tiết mực nước trước lũ (MNTL) các hồ: hồ Bình Điền duy trì ở cao trình +80,6 m; hồ Hương Điền duy trì ở +56,0 m; hồ Tả Trạch duy trì ở +25,0 m. Khi lũ về, xả đón lũ căn cứ theo cấp báo động lũ tại trạm Kim Long và Phú Ốc. Đập Thảo Long mở toàn bộ cửa van để thoát lũ tối đa và chỉ đóng hạ cửa khi triều cường dâng cao hơn mực nước thượng lưu đập.

  2. Giải pháp công trình:

    • Bổ sung dung tích phòng lũ: Đề xuất nâng cao dung tích phòng lũ cho hồ Bình Điền từ 50 lên 70 triệu m³ (tăng thêm 20 triệu m³ bằng cách hạ MNTL từ +80,6 m xuống +76,0 m) và hồ Hương Điền từ 150 lên 200 triệu m³ (tăng thêm 50 triệu m³ bằng cách hạ MNTL từ +56,0 m xuống +53,5 m). Tổng dung tích phòng lũ toàn hệ sinh thái 3 hồ đạt 640 triệu m³ (tăng 12,3% so với thiết kế ban đầu 570 triệu m³).
Hồ chứa MNDBT (m) MNTL thiết kế (m) MNTL đề xuất (m) Dung tích phòng lũ thiết kế $V_p$ ($10^6 \text{ m}^3$) Dung tích phòng lũ đề xuất $V'_p$ ($10^6 \text{ m}^3$) Dung tích phòng lũ tăng thêm $\Delta V_p$ ($10^6 \text{ m}^3$)
Bình Điền 85,0 80,6 76,0 50 70 20
Hương Điền 58,0 56,0 53,5 150 200 50
Tả Trạch 45,0 25,0 25,0 370 370 0
Tổng cộng — — — 570 640 70
  • Cải tạo và chỉnh trang trục tiêu thoát lũ: Nạo vét, mở rộng các luồng thoát lũ vùng bắc sông Hương (sông Diên Hồng, An Xuân, Kim Đôi) và nam sông Hương (sông Như Ý, Phổ Lại, Đại Giang); nâng cấp các cống tiêu Hà Đồ, An Xuân, Quán Cửa, Cửa Long; tháo dỡ các đập ngăn tạm thời (Phú Cam, La Ỷ, đập Bảy Cửa) khi quy trình liên hồ vận hành ổn định; củng cố các tuyến đê biển đông/tây phá Tam Giang và đê bao đầm Sam - Thủy Tú - Cầu Hai.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới của luận án

Theo công bố của luận án, công trình có 2 đóng góp mới trọng tâm:

  1. Đã đánh giá được một cách định lượng những tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực sông Hương và tác động của biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn - thủy lực ở hạ lưu hệ thống sông Hương.
  2. Đã đề xuất được các giải pháp phi công trình và công trình nhằm giảm thiểu những tác động tiêu cực của các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực sông Hương đến chế độ dòng chảy ở hạ lưu và nâng cao hiệu quả khai thác của các công trình.

Kiến nghị của tác giả

  1. Nhà nước và địa phương cần đầu tư nâng cấp, hiện đại hóa mạng lưới quan trắc tự động đồng bộ về khí tượng, thủy văn và hải văn; bổ sung các trạm đo mưa chuyên dùng và lưu lượng tự động trên lưu vực để phục vụ hiệu chỉnh, vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực.
  2. Ứng dụng công nghệ dự báo khí tượng thủy văn tiên tiến nhằm kéo dài thời gian dự báo dòng chảy lũ về các hồ chứa.
  3. Tiếp tục nghiên cứu sâu bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm giải quyết hài hòa xung đột lợi ích kinh tế giữa phát điện thương mại và yêu cầu hạ thấp mực nước đón lũ phục vụ an toàn hạ du.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về chuỗi dữ liệu thực nghiệm: Tại thời điểm bảo vệ luận án (năm 2014), công trình trọng điểm hồ Tả Trạch mới bắt đầu khánh thành và đưa vào tích nước vận hành thử nghiệm, do đó chưa có đủ chuỗi số liệu thực đo dài hạn sau khi hoàn thành công trình để kiểm định toàn diện trong thực tế.
  • Hạn chế về số liệu bùn cát: Dữ liệu quan trắc bùn cát và biến động đáy sông hạ lưu sau đập Bình Điền mới chỉ có số liệu 1 năm sau tích nước, chưa phản ánh đầy đủ diễn biến xói lở dài hạn dưới tác động của toàn bộ hệ thống liên hồ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu bài toán vận hành tối ưu hóa liên hồ chứa khi toàn bộ các công trình trên lưu vực đi vào vận hành ổn định lâu dài, đồng thời đánh giá chi tiết cơ chế tương tác bùn cát - hình thái lòng dẫn hạ lưu dưới ảnh hưởng của chế độ dòng nước trong sau các đập thủy điện.

Giá trị tham khảo

  • Đối với cơ quan quản lý và quy hoạch: Cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp cho Ủy ban Nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh, các đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi, thủy điện trong việc ban hành, hiệu chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hương.
  • Đối với nghiên cứu học thuật và đào tạo: Là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Phát triển nguồn nước, Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước trong việc ứng dụng kết nối mô hình HEC-HMS và HEC-RAS qua phần mềm DSS để giải quyết bài toán thủy lực mạng lưới sông phức tạp chịu ảnh hưởng liên hồ chứa và đập ngăn mặn cửa sông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác động của hệ thống công trình thủy lợi - thủy điện đến mực nước hạ lưu sông Hương vào mùa cạn diễn ra như thế nào?

Vào mùa cạn, sự kết hợp giữa việc xả nước phát điện của các hồ thượng lưu và sự vận hành ngăn triều giữ ngọt của đập Thảo Long làm mực nước trung bình mùa cạn (tháng VI–VIII) tại hạ lưu tăng lên đáng kể (tại Kim Long tăng +0,63 m, tại Phú Ốc tăng +0,57 m). Mực nước luôn duy trì trên mức +0,4 m đến +0,5 m, triệt tiêu sự dao động triều mặn, bảo đảm nguồn nước tự chảy cho nông nghiệp và hỗ trợ tiếp nước ngọt cho vùng Phú Lộc.

2. So sánh mức độ tác động giữa hệ thống công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đến mực nước trung bình năm ở hạ lưu?

Kết quả tính toán cho thấy hệ thống công trình đóng vai trò chi phối chủ đạo. Trong năm nước trung bình, hệ thống công trình làm tăng mực nước trung bình năm tại Kim Long và Phú Ốc khoảng +0,64 m. Trong khi đó, kịch bản biến đổi khí hậu B2 đến năm 2030 chỉ làm thay đổi mực nước thêm từ 0,01 m đến 0,04 m.

3. Phương án vận hành liên hồ kết hợp tăng dung tích phòng lũ (PA III) đem lại hiệu quả giảm đỉnh lũ năm 1983 cho thành phố Huế như thế nào?

Phương án PA III bổ sung thêm 70 triệu m³ dung tích phòng lũ (20 triệu m³ tại hồ Bình Điền và 50 triệu m³ tại hồ Hương Điền) kết hợp vận hành liên hồ đã làm giảm mực nước đỉnh lũ năm 1983 tại trạm Kim Long 1,44 m (từ 5,00 m xuống còn 3,56 m). Mức đỉnh lũ này thấp hơn cao trình tiêu chuẩn chống lũ chính vụ của thành phố Huế (+3,71 m).

4. Hiện tượng xói lở hạ lưu sau khi xây dựng hồ chứa được luận án ghi nhận qua số liệu thực tế nào?

Số liệu thực tế tại trạm thủy văn Bình Điền cho thấy sau khi hồ Bình Điền đi vào tích nước và vận hành, hiện tượng giữ bùn cát trong lòng hồ tạo dòng "nước trong" xả về hạ lưu đã làm mực nước tại trạm Bình Điền tụt giảm trung bình 40 cm đối với cùng một trị số lưu lượng xả so với thời kỳ chưa có đập.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Đính đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán đánh giá định lượng sự biến đổi chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động tổng hợp của các công trình thủy lợi - thủy điện lớn và biến đổi khí hậu đến năm 2030. Thông qua bộ công cụ mô hình toán HEC-HMS và HEC-RAS được hiệu chỉnh tin cậy, công trình chứng minh tác động điều tiết dòng chảy của hệ thống công trình có tính chất quyết định so với tác động của biến đổi khí hậu. Các đề xuất nâng cao dung tích phòng lũ liên hồ thêm 70 triệu m³, ban hành quy trình vận hành liên hồ phối hợp đập Thảo Long và chỉnh trang các trục tiêu thoát lũ cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc phục vụ phát triển bền vững tài nguyên nước tỉnh Thừa Thiên Huế.