Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong an toàn hồ chứa thủy lợi Việt Nam

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

MỞ ĐẦU

0.1. Tính cấp thiết của đề tài

0.2. Mục tiêu nghiên cứu

0.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

0.4. Hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu

0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

0.6. Cấu trúc của luận án

1. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO

1.1. Tổng quan về an toàn hồ chứa, lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro

1.1.1. Khái niệm về an toàn hồ chứa, lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro

1.1.2. Vấn đề ngập lụt hạ du

1.1.3. Một số sự cố hồ chứa nƣớc trên thế giới

1.1.4. Hiện trạng hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam

1.1.5. Một số sự cố hồ chứa thủy lợi những năm gần đây

1.1.6. Nguyên nhân dẫn đến sự cố hồ chứa nƣớc

1.1.7. Một số giải pháp tăng cƣờng quản lý an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam

1.2. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng LTĐTC và PTRR trong lĩnh vực thủy lợi và đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc

1.2.1. Các nghiên cứu điển hình trên thế giới

1.2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc

1.2.3. Các công cụ giải hàm tin cậy của cơ chế sự cố

1.3. Tồn tại của nghiên cứu đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam

1.4. Định hƣớng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của Luận án

1.5. Kết luận Chƣơng 1

2. CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA

2.1. Lý thuyết độ tin cậy trong đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc

2.1.1. Độ tin cậy của một cơ chế sự cố

2.1.2. Sơ đồ cây sự cố

2.1.3. Hàm tin cậy của một hệ thống

2.2. Phân tích rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa

2.2.1. Định nghĩa rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa

2.2.2. Nguyên lý và trình tự phân tích rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa

2.2.3. Hậu quả ngập lụt hạ du và xác định thiệt hại ngập lụt hạ du hồ chứa

2.2.3.1. Hậu quả của ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc

2.2.3.2. Phƣơng pháp đánh giá thiệt hại vùng hạ du hồ chứa nƣớc

2.4. Đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du

2.4.1. Đánh giá rủi ro ngập lụt hạ du

2.4.2. Đánh giá an toàn hồ chứa nƣớc

2.5. Kết luận Chƣơng 2

3. CHƢƠNG 3 THIẾT LẬP BÀI TOÁN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ CHỨA CÓ XÉT ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU

3.1. Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa CTĐM và vùng hạ du

3.1.1. Sơ đồ hóa công trình đầu mối

3.1.2. Sơ đồ hóa vùng ngập lụt hạ du hồ chứa nƣớc

3.1.3. Kết nối giữa an toàn công trình đầu mối và ngập lụt hạ du

3.1.4. Giới hạn trƣờng hợp nghiên cứu

3.2. Thiết lập sơ đồ cây sự cố của hồ chứa nƣớc

3.2.1. Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của đập đất

3.2.2. Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của tràn xả lũ

3.2.3. Cơ chế sự cố và sơ đồ cây sự cố của cống lấy nƣớc

3.3. Thiết lập hàm độ tin cậy của cơ chế sự cố hồ chứa nƣớc

3.3.1. Nguyên tắc thiết lập

3.3.2. Một số hàm tin cậy của đập đất

3.3.3. Một số hàm tin cậy của tràn xả lũ

3.3.4. Một số hàm tin cậy của cống lấy nƣớc

3.3.5. Giải hàm tin cậy

3.4. Bài toán 1: Xác định xác suất sự cố và phân tích độ tin cậy của hệ thống công trình đầu mối hồ chứa nƣớc

3.4.2. Nội dung bài toán

3.4.3. Kết quả và ý nghĩa của bài toán 1

3.5. Bài toán 2: Xác định độ tin cậy yêu cầu của công trình đầu mối theo rủi ro ngập lụt hạ du

3.5.2. Nội dung bài toán

3.5.3. Kết quả và ý nghĩa của Bài toán 2

3.6. Bài toán 3: Thiết kế sửa chữa, nâng cấp công trình đầu mối hồ chứa theo độ tin cậy yêu cầu có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du hồ chứa

3.6.1. Mục tiêu bài toán

3.6.2. Nội dung bài toán

3.6.3. Kết quả và ý nghĩa của bài toán 3

3.7. Giải pháp bảo đảm an toàn hồ chứa, giảm thiểu rủi ro ngập lụt hạ du

3.7.1. Nhóm giải pháp giảm thiểu rủi ro ngập lụt hạ du

3.7.2. Nhóm giải pháp phòng, tránh rủi ro ngập lụt hạ du

3.7.3. Giải pháp kết hợp giữa giảm thiểu và phòng, tránh rủi ro ngập lụt hạ du

3.8. Kết luận Chƣơng 3

4. CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỒ NÚI CỐC CÓ XÉT ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU

4.1. Giới thiệu chung về hồ Núi Cốc

4.1.1. Vị trí, đặc điểm tự nhiên, đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu

4.2. Khái quát về hồ chứa Núi Cốc

4.3. Đánh giá hiện trạng an toàn của hồ Núi Cốc có xét đến rủi ro ngập lụt hạ du

4.3.1. Sơ đồ tiếp cận phân tích an toàn hồ Núi Cốc

4.3.2. Xác định xác suất sự cố và chỉ số độ tin cậy hiện trạng của hồ Núi Cốc

4.3.3. Xác định độ tin cậy yêu cầu của công trình đầu mối theo rủi ro ngập lụt vùng hạ du

4.3.4. Kết quả đánh giá an toàn hồ Núi Cốc có xét đến ngập lụt hạ du

4.3.5. Phân tích lựa chọn giải pháp sửa chữa, nâng cấp hồ Núi Cốc

4.3.6. Thiết kế hồ Núi Cốc đạt độ tin cậy yêu cầu

4.3. Kết luận Chƣơng 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1. Kết quả đạt đƣợc của luận án

5.2. Những đóng góp mới của luận án

5.3. Các tồn tại và hƣớng phát triển

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

7.1. PHỤ LỤC 1: Thống kê một vài sự cố vỡ đập 10 năm gần đây và các thông số kỹ thuật cơ bản của hồ Núi Cốc

7.2. PHỤ LỤC 2: Tính toán xác suất sự cố hiện trạng, độ tin cậy yêu cầu của hồ Núi Cốc

7.2.1. Tính toán phân bố xác xuất biến mực nƣớc Zmn. Một số thông số kỹ thuật công trình

7.2.2. Tính toán XSSC của từng cơ chế thành phần từng hạng mục thuộc CTĐM hồ Núi Cốc

7.2.4. Tính cho trƣờng hợp mực nƣớc cực trị năm có phân bố loga chuẩn Zmn = (46,51; 0,51)

7.2.5. Thiết lập đƣờng cong sự cố nƣớc tràn đỉnh đập, mất ổn định mái hạ lƣu đập chính

7.3. P2. Tính toán chi phí đầu tƣ sửa chữa, nâng cấp và chi phí quản lý vận hành PV(M) hồ Núi Cốc, Thái Nguyên

7.4. Đánh giá ngập lụt hạ du và xác định thiệt hại

I. Tổng quan về an toàn hồ chứa và lý thuyết độ tin cậy

Nghiên cứu về an toàn hồ chứa là một lĩnh vực quan trọng trong quản lý tài nguyên nước. Lý thuyết độ tin cậy cung cấp các công cụ để đánh giá khả năng hoạt động của các công trình thủy lợi. Việc áp dụng lý thuyết này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hồ chứa, từ đó đưa ra các giải pháp quản lý hiệu quả. Theo nghiên cứu, các sự cố hồ chứa trên thế giới cho thấy tầm quan trọng của việc áp dụng các phương pháp phân tích rủi ro. Các sự cố này không chỉ gây thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến an toàn tính mạng của người dân. Do đó, việc đánh giá độ tin cậy và phân tích rủi ro là cần thiết để đảm bảo an toàn cho các hồ chứa thủy lợi tại Việt Nam.

1.1 Khái niệm về an toàn hồ chứa

An toàn hồ chứa được định nghĩa là khả năng của hồ chứa trong việc ngăn chặn các sự cố có thể xảy ra, như vỡ đập hoặc tràn lũ. Việc đánh giá an toàn hồ chứa cần dựa trên các tiêu chí cụ thể, bao gồm thiết kế, xây dựng và quản lý. Phân tích rủi ro là một phần quan trọng trong việc đánh giá an toàn, giúp xác định các nguy cơ tiềm ẩn và đưa ra các biện pháp phòng ngừa. Theo thống kê, nhiều hồ chứa ở Việt Nam đã gặp phải sự cố do thiếu sót trong quản lý và bảo trì, điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong quản lý hồ chứa.

1.2 Hiện trạng hồ chứa thủy lợi ở Việt Nam

Hiện nay, Việt Nam có hàng nghìn hồ chứa thủy lợi, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho nông nghiệp và sinh hoạt. Tuy nhiên, nhiều hồ chứa đang trong tình trạng xuống cấp, tiềm ẩn nguy cơ gây ra các sự cố nghiêm trọng. Việc áp dụng phân tích rủi ro và đánh giá độ tin cậy là cần thiết để cải thiện tình trạng này. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc đầu tư vào công nghệ và kỹ thuật hiện đại có thể giúp nâng cao độ tin cậy của các hồ chứa, từ đó giảm thiểu rủi ro cho cộng đồng.

II. Cơ sở khoa học của lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro

Lý thuyết độ tin cậy cung cấp một khung lý thuyết vững chắc cho việc đánh giá an toàn hồ chứa. Các phương pháp như sơ đồ cây sự cố và hàm tin cậy được sử dụng để phân tích các cơ chế sự cố. Phân tích rủi ro giúp xác định xác suất xảy ra các sự cố và đánh giá hậu quả của chúng. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện an toàn cho hồ chứa mà còn nâng cao khả năng quản lý rủi ro trong các tình huống khẩn cấp. Các nghiên cứu điển hình cho thấy rằng, việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy có thể giúp giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và các sự cố khác liên quan đến hồ chứa.

2.1 Độ tin cậy của một cơ chế sự cố

Độ tin cậy của một cơ chế sự cố được xác định dựa trên khả năng của hệ thống trong việc hoạt động bình thường mà không xảy ra sự cố. Các yếu tố như thiết kế, vật liệu và điều kiện môi trường đều ảnh hưởng đến độ tin cậy. Việc sử dụng các mô hình toán học để tính toán độ tin cậy giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc bảo trì và nâng cấp hồ chứa. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc cải thiện độ tin cậy có thể giảm thiểu rủi ro cho cộng đồng sống xung quanh hồ chứa.

2.2 Phân tích rủi ro ngập lụt vùng hạ du hồ chứa

Phân tích rủi ro ngập lụt là một phần quan trọng trong việc đánh giá an toàn hồ chứa. Việc xác định các kịch bản ngập lụt và đánh giá thiệt hại tiềm tàng giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về nguy cơ. Các phương pháp như mô phỏng và phân tích thống kê được sử dụng để dự đoán các tình huống xấu nhất có thể xảy ra. Kết quả từ phân tích này không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy của hồ chứa mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc lập kế hoạch ứng phó với thiên tai.

III. Thiết lập bài toán ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro

Việc thiết lập bài toán ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong đánh giá an toàn hồ chứa là một bước quan trọng trong nghiên cứu. Các mô hình toán học được xây dựng để mô phỏng các cơ chế sự cố và xác định xác suất xảy ra sự cố. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong thiết kế và quản lý hồ chứa giúp nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu rủi ro. Các bài toán cụ thể được thiết lập để đánh giá hiệu quả của các giải pháp quản lý, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho việc cải thiện an toàn hồ chứa.

3.1 Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa CTĐM và vùng hạ du

Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa công trình đầu mối (CTĐM) và vùng hạ du là một phần quan trọng trong việc đánh giá an toàn hồ chứa. Việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn của CTĐM giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về nguy cơ. Các mô hình được xây dựng để mô phỏng các tình huống khác nhau, từ đó đánh giá khả năng xảy ra sự cố và thiệt hại tiềm tàng. Kết quả từ các mô hình này cung cấp thông tin quan trọng cho việc lập kế hoạch ứng phó và cải thiện an toàn cho cộng đồng.

3.2 Thiết lập sơ đồ cây sự cố của hồ chứa nước

Sơ đồ cây sự cố là một công cụ hữu ích trong việc phân tích các cơ chế sự cố của hồ chứa. Việc thiết lập sơ đồ này giúp xác định các yếu tố gây ra sự cố và đánh giá xác suất xảy ra. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng sơ đồ cây sự cố có thể giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc bảo trì và nâng cấp hồ chứa. Kết quả từ phân tích này không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy mà còn giảm thiểu rủi ro cho cộng đồng sống xung quanh hồ chứa.

Luận án tiến sĩ về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phân tích rủi ro trong đánh giá an toàn hồ chứa thủy lợi tại Việt Nam