MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, hiểm họa lũ lụt diễn ra ngày càng nguy hiểm và phức tạp gây ra hậu quả nghiêm trọng cho con người. Việc nhận biết trước diễn biến lũ trở nên vô cùng quan trọng trong công tác phòng chống thiên tai. Đặc biệt, đối với những lưu vực sông có hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu như lưu vực sông Đà.
Nghiên cứu nâng cao khả năng dự báo lũ có ý nghĩa to lớn trong việc vận hành hiệu quả các hồ chứa và phòng chống lũ giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra. Lưu vực sông Đà là phụ lưu lớn nhất của sông Hồng, có chế độ lũ khá phức tạp, ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của vùng đồng bằng sông Hồng. Nhiều giải pháp công trình và phi công trình đã được ứng dụng nhằm giảm nhẹ những thiệt hại, ảnh hưởng của lũ như: xây dựng hệ thống đê, hồ chứa, phân chậm lũ, quy hoạch phòng chống lũ, hệ thống dự báo, cảnh báo trên toàn lưu vực. Hiện nay, trên lưu vực sông Đà gồm có các công trình hồ chứa thủy điện lớn như Sơn La, Hòa Bình, Bản Chát, Lai Châu đã và sắp đi vào hoạt động.
Hệ thống hồ chứa đa mục tiêu này đóng góp tỉ trọng lớn về sản lượng điện trong hệ thống điện Quốc gia cũng như đóng vai trò quan trọng trong việc tham gia cắt lũ và cấp nước cho hạ du sông Hồng. Các hồ chứa khai thác đa mục tiêu có dung tích kết hợp khá lớn so với dung tích hiệu dụng, do vậy mâu thuẫn giữa nhiệm vụ phòng lũ với các nhiệm vụ khác luôn luôn tồn tại. Trong mùa lũ, hiệu quả vận hành công trình xả lũ khi có lũ phụ thuộc vào kết quả dự báo ngắn hạn (24h, 48h). Việc tính toán và tìm ra kết quả dự báo lũ tốt trên lưu vực sông Đà là khá cần thiết, nó không chỉ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai cho vùng sông Đà mà còn đóng vai trò quan trọng cắt giảm, chống lũ triệt để cho hạ du với sông Hồng và đồng bằng Bắc Bộ.
Trong bối cảnh như vậy, học viên đã lựa chọn luận văn: “Ứng dụng mô hình toán dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực sông Đà” nhằm nghiên cứu một phương pháp khoa học về dự báo lũ trên lưu vực sông đã và đang tồn tại hệ thống hồ chứa lớn nhất đất nước, đóng vai trò vô cùng quan trọng đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, phòng lũ, cấp nước cho đồng bằng sông Hồng. Mục đích của đề tài Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán vận hành điều tiết hồ chứa và dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực sông Đà nhằm hạn chế, giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống các hồ và dòng chảy lũ trên lưu vực sông Đà.
Phạm vi nghiên cứu Toàn bộ lưu vực sông Đà đến đập thủy điện Hòa Bình. Thời gian mùa lũ từ tháng VI đến tháng X. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu a. Cách tiếp cận: - Theo quan điểm hệ thống.
- Theo quan điểm thực tiễn và tổng hợp đa mục tiêu b. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thống kê và xử lý số liệu: phương pháp này được sử dụng trong việc xử lý các tài liệu về địa hình, khí tượng thủy văn, thủy lực phục vụ cho tính toán và dự báo. - Phương pháp mô phỏng: Tính toán mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông Đà bằng mô hình HEC-HMS - Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện luận án đã sử dụng các kết quả có liên quan đã được nghiên cứu trước đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức khác. Những kế thừa nhằm mục đích kết quả tính toán phù hợp với thực tiễn của vùng nghiên cứu.
TỔNG QUAN DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới Nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới hiện nay đã và đang nhận được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, đặc biệt là vấn đề nâng cao chất lượng dự báo, rất nhiều công nghệ dự báo nghiệp vụ đã và đang được phát triển dựa trên sự kết hợp các mô hình thủy văn, thủy lực. Nhiều mô hình đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác quy hoạch phòng lũ. Một số mô hình đã được ứng dụng thực tế trong công tác mô phỏng và dự báo dòng chảy cho các lưu vực sông có thể liệt kê ra như sau: - Viện thủy lực Đan Mạch (Danish Hydralics Institute. DHI) xây dựng phần mềm dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa: Mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt.
Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên thế giới. Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực sông Mun-Chi và SongKla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh và Indonesia. Hiện nay công ty tư vấn CTI của Nhật Bản đã mua bản quyển của mô hình, thực hiện những cải tiến để mô hình có thể phù hợp với điều kiện thủy văn của Nhật Bản. Wallingford kết hợp với Hacrow đã xây dựng phần mềm ISIS cho tính toán dự báo lũ và ngập lụt.
Phần mềm bao gồm các mô đun: Mô hình đường đơn vị tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; mô hình ISIS tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng khá rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, đã được áp dụng cho sông Mê Kông trong trương trình Sử dụng Nước do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện ở Việt Nam. Mô hình ISIS được sử dụng để tính toán trong dự án phân lũ và phát triển thủy lợi lưu vực sông Đáy do Hà Lan tài trợ. - Trung tâm khu vực START Đông Nam Á ( Southeast Asia START Regional Center) đang xây dựng “ Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông Mê Kông”.
Hệ Thống này được xây dựng trên mô hình thủy văn khu vực có thông số phân bố tính toàn dòng chảy từ mưa. Hệ thống dự báo được phân thành 3 phần: thu nhận số liệu từ 3 vệ tinh và các trạm tự động dự báo thủy văn và dự báo ngập lụt. Thời gian dự kiến dự báo là 1 hoặc 2 ngày. - Viện Điện lực ( EDF) của pháp đã xây dựng phần mềm TElEMAC tính các bài toán thủy lực 1 và 2 chiều.
Mô hình này đã được áp dụng tính toán rất nhiều nơi ở Cộng hòa pháp và trên thế giới. - Trung tâm kỹ thuật thủy văn ( Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính toán thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong sông. Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới. Ở Châu Á, mô hình đã được áp dụng ở Indonesia, Thái Lan và ở Việt Nam.
Gần đây, mô hình được cải tiến và phát triển thành HMS có giao diện đồ họa thuận lợi cho người sử dụng. - Trong một nghiên cứu về hệ thống dự báo lũ cho sông Maritsa và Tundzha, Roelevink và cộng sự đã kết hợp sử dụng mô đun mưa – dòng chảy Mike 11-NAM và mô đun thủy lực Mike 11-HD để tiến hành dự báo. Các mô hình này đã được hiệu chỉnh sử dụng số liệu các trận lũ năm 2005 và 2006. Kết quả từ 2 mô hình này được kết hợp sử dụng với phần mềm FloodWatch để kết xuất ra mực nước dự báo và các cảnh báo tại các điểm xác định.
Kết quả cho thấy rằng số liệu đầu vào quyết định lớn của thời gian dự kiến. Kết quả sẽ chính xác hơn nếu thời gian dự kiến ngắn và ngược lại. Trong nghiên cứu này cũng đã sử dụng chức năng cập nhật mực nước và lưu lượng tính toán theo mực nước và lưu lượng thực đo tại các vị trí biên đầu vào - Một trong số các mô hình dự báo lũ cho một hệ thống sông-hồ chứa đã được xây dựng tại trường đại học Texas (Hoa Kỳ). Hệ thống hồ chứa ở Highland Lakes vùng hạ du lưu vực sông Colorado gồm 7 hồ chứa nối tiếp.
Mô hình dự báo lũ cho vùng này được sử dụng để ra các quyết định vận hành trong suốt thời kỳ lũ, mô hình bao gồm 2 mô đun chính là mô đun quản lý dữ liệu và mô đun điều khiển lũ sử dụng mô hình mưa-dòng chảy, mô hình DWOPER và GATES. - Cục công binh Hoa Kỳ phát triển hệ mô hình họ HEC: mô hình thủy văn HEC-RASS tính toán dự báo dòng chảy từ mưa, mô hình thủy lực HEC-HMS diễn toán dòng chảy, HEC-RESSIM điều tiết hồ chứa phân phối dòng chảy 4 - Việc nghiên cứu môi trường Stockholm (SEI)- Thủy Điển đã phát triển mô hình WEAP tính toán cân bằng giữa các nhu cầu của các dạng sử dụng nước phân bổ nguồn nước từ các công trình cấp nước, với nguồn nước cung cấp bao gồm nước mặt, nước ngầm, nước hồ chứa và các vận chuyển nguồn nước. Mô hình được ứng dụng thành công tại nhiều lưu vực sông của các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Châu Phi… - Nhật Bản đang phát triển và thử nghiệm Hệ thống cảnh báo lũ toàn cầu (Global Flood Alert System, GFAS) và mạng lưới lũ quốc tế (International Flood Network, IFNet), sử dụng số liệu mưa bề mặt cùng các số liệu ước lượng mưa từ vệ tinh để cảnh báo khả năng hay xác suất xảy ra lũ trên các sông lớn toàn cầu (IFNet) khi lượng mưa đã rơi vượt ngưỡng giới hạn mưa hiệu quả sinh lũ được xác định trước cho từng lưu vực. Hệ thống này chưa tính tới điều kiện mặt đệm lưu vực, ảnh hưởng của địa hình, tình trạng ẩm, hiện trạng lũ của lưu vực nên độ chính xác không cao, chỉ có tính cảnh báo xác suất có khả năng xảy ra lũ trên lưu vực sông lớn.
- Viện Nghiên cứu Công chính Nhật Bản (Public Works Research Institute, PWRI) được xây dựng từ năm 2007 Hệ thống phân tích dự báo lũ sử dụng số liệu mưa vệ tinh (Integrated Flood Analysis System, IFAS).