Luận văn thạc sĩ xây dựng phương án dự báo lũ phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông vu gia thu bồn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông vu gia thu bồn, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đoàn Thị Vân
• Người hướng dẫn: GS.TS Hà Văn Khối
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Đề tài: Phương Án Dự Báo Lũ Hiệu Quả Cho Vận Hành Hồ Chứa Trên Lưu Vực Sông Vu Gia Thu Bồn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan các nghiên cứu về dự báo lũ phục vụ quy trình vận hành hệ thống hồ chứa

Chương này tập trung vào việc tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về dự báo lũ và vận hành hồ chứa. Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra những hạn chế trong việc dự báo mưa lớn và mực nước triều, đặc biệt ở các lưu vực sông miền Trung như sông Vu Gia và sông Thu Bồn. Các hồ chứa thủy điện thường gặp khó khăn trong việc tích nước do thiếu lũ, dẫn đến hiệu quả vận hành thấp. Các nghiên cứu ngoài nước cũng được đề cập, nhấn mạnh sự cần thiết của việc áp dụng các công nghệ dự báo tiên tiến để nâng cao hiệu quả quản lý nước.

1.1. Nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng việc dự báo lũ ở các lưu vực sông miền Trung như sông Vu Gia và sông Thu Bồn gặp nhiều thách thức do địa hình dốc và mạng lưới trạm đo thưa thớt. Các hồ chứa thủy điện như A Vương và Krông Hnăng thường không đạt được mực nước dâng bình thường do thiếu lũ. Các nghiên cứu cũng đề xuất việc sử dụng các mô hình toán học như MIKE-NAM và HEC-HMS để cải thiện độ chính xác của dự báo.

1.2. Nghiên cứu ngoài nước

Các nghiên cứu ngoài nước nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tích hợp các công nghệ dự báo tiên tiến như mô hình thời tiết số trị HRM và ETA vào quy trình vận hành hồ chứa. Các mô hình này giúp dự báo lũ trung hạn (5 ngày) và cải thiện hiệu quả quản lý nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nguy cơ lũ ngày càng gia tăng.

II. Điều kiện tự nhiên và đặc điểm lũ lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn

Chương này phân tích các đặc điểm tự nhiên và chế độ lũ của lưu vực sông Vu Gia và sông Thu Bồn. Lưu vực này có địa hình phức tạp, khí hậu nhiệt đới gió mùa, và chế độ dòng chảy lũ biến động mạnh. Các yếu tố như hình thế thời tiết gây mưa lớn và tốc độ tập trung dòng chảy nhanh đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lũ. Ngoài ra, chương cũng đề cập đến hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội và tác động của các hồ chứa đến môi trường và sinh thái vùng hạ du.

2.1. Đặc điểm địa lý và khí hậu

Lưu vực sông Vu Gia và sông Thu Bồn có địa hình dốc, khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa lớn tập trung vào mùa mưa. Các yếu tố này góp phần vào việc hình thành lũ nhanh và mạnh, đặc biệt khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới. Các trận lũ lớn thường gây ngập lụt nghiêm trọng ở vùng hạ du.

2.2. Chế độ dòng chảy lũ

Chế độ dòng chảy lũ trên lưu vực sông Vu Gia và sông Thu Bồn được đặc trưng bởi tốc độ tập trung nhanh và biên độ lũ lớn. Các trận lũ thường xảy ra đột ngột và kéo dài trong thời gian ngắn, gây khó khăn cho công tác dự báo và vận hành hồ chứa. Các hồ chứa như A Vương và Krông Hnăng đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết lũ nhưng cũng gặp nhiều thách thức do thiếu lũ về hồ.

III. Phương pháp và mô hình dự báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn

Chương này trình bày các phương pháp và mô hình được sử dụng để dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia và sông Thu Bồn. Các phương pháp bao gồm thống kê, xử lý số liệu, và mô hình toán thủy văn. Các mô hình như MIKE-NAM và HEC-HMS được lựa chọn để mô phỏng dòng chảy lũ và thiết lập hệ thống dự báo phục vụ vận hành hồ chứa. Chương cũng đề cập đến việc hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình để đảm bảo độ chính xác trong dự báo.

3.1. Phương pháp dự báo lũ

Các phương pháp dự báo lũ bao gồm thống kê, xử lý số liệu, và mô hình toán thủy văn. Các mô hình như MIKE-NAM và HEC-HMS được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ và thiết lập hệ thống dự báo. Các phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác của dự báo và hỗ trợ quyết định trong vận hành hồ chứa.

3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Việc hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình dự báo lũ là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác. Các thông số của mô hình MIKE-NAM và HEC-HMS được hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực đo và kiểm định qua các trận lũ lịch sử. Kết quả cho thấy các mô hình này có khả năng ứng dụng cao trong dự báo lũ và vận hành hồ chứa.

IV. Ứng dụng mô hình dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn

Chương này trình bày kết quả ứng dụng các mô hình dự báo lũ đã được thiết lập trên lưu vực sông Vu Gia và sông Thu Bồn. Các mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định qua các trận lũ lịch sử, cho thấy khả năng dự báo chính xác và hiệu quả trong vận hành hồ chứa. Chương cũng đề xuất các kiến nghị nhằm cải thiện quy trình vận hành và nâng cao hiệu quả quản lý nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nguy cơ lũ ngày càng gia tăng.

4.1. Kết quả dự báo thử nghiệm

Các mô hình dự báo lũ đã được thử nghiệm qua các trận lũ lịch sử trên lưu vực sông Vu Gia và sông Thu Bồn. Kết quả cho thấy khả năng dự báo chính xác và hiệu quả trong việc điều tiết lũ và vận hành hồ chứa. Các mô hình này cũng giúp giảm thiểu tác động của lũ đến vùng hạ du.

4.2. Kiến nghị cải thiện quy trình vận hành

Dựa trên kết quả dự báo, các kiến nghị được đề xuất nhằm cải thiện quy trình vận hành hồ chứa. Các kiến nghị bao gồm việc tích hợp các công nghệ dự báo tiên tiến, nâng cao năng lực dự báo mưa và lũ, và tăng cường hợp tác giữa các bên liên quan trong quản lý nước. Các biện pháp này giúp nâng cao hiệu quả quản lý nước và giảm thiểu nguy cơ lũ trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO LŨ PHỤC VỤ QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1. Tổng quan các nghiên cứu trong nước Hiện nay, tuy đã có quy trình vận hành của một số các lưu vực sông trên cả nước nói chung và lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn nói riêng do Chính phủ ban hành, cũng như một số tác giả đã xây dựng quy trình cho các lưu vực sông ở miền Trung và Tây Nguyên. Tuy nhiên quy trình vận hành hồ chứa dựa trên dự báo lũ có nhiều rủi ro vì khả năng dự báo mưa lớn ở thượng nguồn, mực nước triều ở vùng cửa sông khi có bão trên các lưu vực sông còn rất hạn chế. Địa hình miền Trung dốc, sông ngắn nên lũ lên rất nhanh, cộng với việc các trạm đo mưa rất thưa nên việc dự báo thủy văn khó chính xác.

Các hồ chứa thủy điện ở Miền Trung hiện nay thì việc tích nước được đầy hồ chứa hay không phụ thuộc vào có lũ về hồ nhiều hay ít. Nếu không có lũ thì thường các hồ chứa rất khó khăn trong việc đầy hồ như A Vương (2010, và 2012 mực nước hồ cuối mùa lũ lần lượt là 363,4m và 363m so với mực nước dâng bình thương là 380m) và tương tự hồ chứa Krông Hnăng mực nước hồ cuối mùa lũ 3 năm trở lại đây đều rất thấp và cách rất xa mực nước dâng bình thường. Hồ chứa thủy điện A Vương sau trận lũ lịch sử 2009 ngập lụt lớn cho hạ du, tuy nhiên sau 3 tháng còn lại của mùa mưa không có lũ, thì cuối mùa mưa mực nước hồ chứa đạt khoảng cao trình 377m. Do đó việc dựa vào dự báo dòng chảy về hồ chứa 6, 12, 24 giờ để tạo dung tích phòng chống lũ, vận hành là không an toàn và không phù hợp với đặc thù của các lưu vực sông Miền Trung.

Các công trình và đề tài nghiên cứu của các tác giả trong nước Năm 2005, Nguyễn Lan Châu và Nguyễn Quốc Anh [15] đã trình bày kết quả ứng dụng hệ thống thủy văn thủy lực trong bài toán điều hành hồ Hoà Bình mùa lũ năm 2005, sử dụng các mô hình MARINE+TL (cho thượng lưu sông Đà), mô hình FIRR (cho thượng nguồn sông Lô, Thao và Đà), mô hình điều tiết dự báo hồ Hòa Bình, mô hình thủy lực 2 chiều cho các vị trí hạ lưu Hà Nội trên sông Hồng, Phả Lại trên sông Thái Bình. 6 Năm 2005, Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Đức Diện, nnk [21], xây dựng mô hình dự báo lũ và đề xuất các kịch bản tính toán. Các tác giả đã xây dựng và đưa vào áp dụng thử nghiệm mô hình dự báo lũ trung hạn (5 ngày) nhằm phục vụ điều hành hồ chứa trong mùa mưa lũ. Năm 2006, Ngô Huy Cẩn, Nguyễn Thành Đôn và Nguyễn Tuấn Anh [14] đã nghiên cứu tính toán cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình với các mục tiêu: - Gia cố hệ thống đê - Điều tiết lũ bằng các hồ chứa Hòa Bình, Thác Bà - Phân lũ vào sông Đáy - Chậm lũ và các khu chậm lũ - Cho tràn qua một số đoạn đê đã chuẩn bị sẵn gọi là các đường tràn cứu hộ.

Các tác giả dùng mô hình dòng chảy một chiều và mô hình hai chiều, đánh giá khả năng cắt lũ của các hồ chứa. Năm 2006, Đoàn Xuân Thủy, Hà Ngọc Hiến, Nguyễn Văn Điệp, Ngô Huy Cẩn và cộng sự [30], tính toán điều tiết lũ phục vụ quy trình vận hành liên hồ cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình với dung tích khoảng 500-700 triệu m3. Các tác giả đã trình xây dựng các kịch bản lũ cho trận lũ 125 năm, phục vụ cho việc xây dựng quy trình tính toán liên hồ chứa. Sử dụng bộ chương trình IMECH_1D được phát triển bởi Viện Cơ học với các modun tính toán điều tiết hồ tự động và dự báo mực nước hạ du.

Kết quả tính toán cho thấy khi có thêm hồ Tuyên Quang thì có thể nâng cao được mực nước trước lũ của thủy điện Hòa Bình lên 2-3m, làm tăng 6,8% sản lượng điện trong mùa lũ. Năm 2007, Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ [18] Áp dụng mô hình HEC- RESSIM điều tiết lũ hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hương, mô hình cho phép xác 7 định các thông số và thời gian thích hợp trong vận hành hệ thống để đảm bảo an toàn hạ lưu và an toàn bản thân các hồ chứa. Năm 2010, Nguyễn Lan Châu [16] đề xuất dự thảo quy trình vận hành hệ thống hồ chứa Đak Mi 4, A Vương, Sông Tranh, tư tưởng của đề xuất này tạo dung tích hồ trống để đón lũ và dựa trên cơ sở là sẽ dự báo được dòng chảy lũ về trong khoảng 6-24 giờ. Năm 2010, Hoàng Minh Tuyển [34] xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba cắt giảm lũ cho hạ du.

Nghiên cứu đã đề xuất các vấn đề mang đặc thù riêng của hệ thống hồ chứa sông Ba. Đây là những luận cứ thực tiễn phục vụ xây dựng dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba cắt giảm lũ đã được thủ tướng phê duyệt 9/2010. Năm 2010, Hà Văn Khối [19], trình bày một số ý kiến cũng như kết quả tính toán sơ bộ về vai trò chống lũ hạ du của hồ chứa A Vương và xem xét khả năng giao thêm nhiệm vụ chống lũ hạ du cho các hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn. Tác giả đã đề xuất cần nghiên cứu bổ sung (1) về quy trình chống lũ khi mực nước hồ đang ở mực nước thấp để vừa đảm bảo an toàn tích nước hồ chứa vừa nâng cao hiệu quả giảm lũ hạ du; (2) Tăng thêm nhiệm vụ phòng chống lũ cho các hồ chứa, nhưng phải đảm bảo không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả phát điện và hiệu quả cắt lũ phải mang lại lợi ích xã hội lớn, đồng thời giải quyết hài hòa quyền lợi giữa chủ đầu tư và Nhà nước nếu có bổ sung thêm về nhiệm vụ chống lũ.

Năm 2011, Nguyễn Lan Châu và Bùi Đình Lập [17] đã sử dụng các mô hình mưa rào dòng chảy TANK và diễn toán Muskingum - Cunge dự báo dòng chảy thượng lưu hệ thống sông Đà, Thao, Lô và Thái Bình; Mô hình thủy lực IMECH- 1D lấy dữ liệu đầu vào tại sáu biên trên từ hệ mô hình này (TANK+Muskingum- Cunge) dự báo dòng chảy hạ du hệ thống sông Hồng tại Phả Lại với thời gian dự kiến là 5 ngày. Dữ liệu mưa dự báo phục vụ đầu vào của bộ công nghệ dự báo này là mưa số trị từ hệ thống mô hình thời tiết số trị HRM (của Đức), ETA (Mỹ) hoặc 8 BOLAM (Italy) đang được chạy tác nghiệm tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương. Công nghệ được thử nghiệm trong hai mùa lũ 2006, 2007 cho kết quả tốt và đưa vào dự báo tác nghiệp từ mùa lũ 2008 với 3 loại bản tin cấp cho Ban chỉ đạo PCLB Trung ương, Bản tin cấp lên mạng nội bộ của Trung tâm và bản tin đưa lên trang Web của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương. Năm 2011, Ngô Lê Long đã áp dụng mô hình MIKE 11 [26] mô phỏng hệ thống liên hồ chứa sông Srêpook với mục đích cắt giảm lũ cho hạ du, tác giả đã ứng dụng kết hợp với mô đun vận hành công trình (SO) mô phỏng vận hành các công trình cửa van.

Bước đầu đã đề xuất được nguyên tắc điều tiết hệ thống hồ chứa phục vụ cắt giảm lũ cho hạ du, tạo cơ sở khoa học cho việc đề xuất qui trình vận hành liên hồ chứa phòng chống lũ cho hạ du. Năm 2011, Hoàng Thanh Tùng, Vũ Minh Cát và Ngô Lê An [32] đã tích hợp dự báo mưa trung hạn trong vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cho lưu vực sông Cả, tiến hành vận hành thử nghiệm cho các kịch bản dòng chảy lũ khác nhau đến các hồ chứa, từ đó xây dựng cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cho lưu vực sông Cả. Bên cạnh đó đã tích hợp mô hình dự báo mưa, lũ với mô hình vận hành hồ chứa, nghiên cứu đã tạo tiền đề cho việc vận hành hồ chứa theo thời gian thực, giúp cho công tác vận hành hồ trở nên mềm dẻo và hiệu quả hơn, đây là phương pháp mà các nước trên thế giới đang thực hiện. Năm 2011 Hoàng Thanh Tùng, Vũ Minh Cát, GS.

Robeto Ranzi, Trương Tùng Hoa [33] đã nghiên cứu dự báo lũ trung hạn cho lưu vực sông Cả. Nhóm tác giả đã lựa chọn các mô hình lai ghép tất định và ngẫu nhiên như HEC-HMS lai ghép với ARIMA(p,d,q) và EANN (mô hình mạng Neuron) lai ghép với ARIMA(p,d,q) để xây dựng phương án dự báo lũ trung hạn phù hợp cho lưu vực sông Cả. Việc lai ghép các mô hình trên cho phép tận dụng được những ưu điểm của các phương pháp dự báo trung hạn truyền thống với các phương pháp hiện đại. Kết quả áp dụng cho lưu vực sông Cả là khá tốt.

9 Năm 2012, Tô Thúy Nga, Lê Hùng [28, 29] đã nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng lại trận lũ năm 2009 và đánh giá ảnh hưởng của việc xả lũ hồ A Vương đến ngập lụt hạ du với 3 trường hợp: Khi hồ A Vương xả lũ theo số liệu thực tế năm 2009, khi xem như không có hồ và khi hồ xả lũ theo đề nghị của tác giả. Nếu vận hành theo phương kiến nghị, thì quá trình xả sẽ không gây ra “sốc” đồng thời sẽ làm giảm ngập lụt ở hạ du so với vận hành thực tế như đã thực hiện năm 2009: tại Hội Khách sẽ giảm 0,606m, tại Ái Nghĩa sẽ giảm 0,109m, tại Giao Thủy sẽ giảm 0,114m, Cao Lâu sẽ giảm 0,012m. Đây là cơ sở định hướng cho việc nâng cao hiệu quả cắt lũ theo thời gian thực mà tác giả đang và sẽ tiếp tục nghiên cứu. Qua kết quả tính toán ở trên ta thấy các hồ chứa thủy điện cần phải xả lũ theo quy trình hợp lý, không nên tích nước vào đầu thời điểm lũ lên mà tập trung tích nước vào cuối thời kỳ lũ lên và thời kỳ lũ xuống; các hồ chứa vẫn tích nước được đầy hồ vào cuối trận lũ mà hiệu quả giảm lũ rõ rệt.