Luận văn thạc sĩ: Vận hành hồ chứa sông Kôn-Hà Thanh & ảnh hưởng ngập lụt hạ du - Nguyễn Tuấn Anh

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về ảnh hưởng vận hành hồ chứa trên sông Kôn Hà Thanh đến ngập lụt hạ du. Phân tích giải pháp quản lý lũ hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh đến ngập lụt vùng hạ du
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng vận hành hồ chứa sông Kôn Hà Thanh đến ngập lụt hạ du

Lưu vực sông Kôn - Hà Thanh nằm tại tỉnh Bình Định, là vùng trọng điểm kinh tế khu vực duyên hải Nam Trung Bộ. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực bao gồm nhiều công trình thủy lợi, thủy điện có vai trò điều tiết dòng chảy, phục vụ sản xuất nông nghiệp và phòng chống lũ. Tuy nhiên, việc vận hành các hồ chứa này ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ thủy văn hạ du. Khi mưa lớn xảy ra, quá trình xả lũ từ hồ chứa kết hợp với dòng chảy tự nhiên tạo ra đỉnh lũ tại vùng hạ du. Nghiên cứu về mối quan hệ giữa vận hành hồ chứa và ngập lụt hạ du giúp xây dựng quy trình vận hành liên hồ hiệu quả. Các công trình nghiên cứu quốc tế và trong nước đã chỉ ra rằng, vận hành hồ chứa không hợp lý có thể làm gia tăng mức độ ngập lụt hoặc ngược lại, giảm thiểu thiệt hại đáng kể cho cộng đồng dân cư hạ du.

1.1. Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Kôn Hà Thanh

Lưu vực sông Kôn - Hà Thanh có vị trí địa lý từ 13°45' đến 14°30' vĩ độ Bắc, 108°30' đến 109°15' kinh độ Đông. Địa hình lưu vực đồi núi chiếm tỷ lệ lớn, độ dốc trung bình cao. Thảm phủ thực vật bao gồm rừng tự nhiên, rừng trồng và đất nông nghiệp. Mạng lưới sông ngòi phát triển với tổng chiều dài lớn, mật độ sông suối cao. Khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa tập trung vào mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12. Đặc điểm này khiến lưu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt, đặc biệt tại vùng hạ du.

1.2. Hiện trạng khai thác và chuyển nước trên lưu vực

Tình hình khai thác tài nguyên nước trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh diễn ra mạnh mẽ với nhiều hồ chứa được xây dựng phục vụ thủy lợi và thủy điện. Các hồ chứa chính bao gồm hồ Định Bình, hồ Thuận Ninh, hồ Núi Một. Hoạt động chuyển nước liên lưu vực cũng được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu nước cho sản xuất và sinh hoạt. Việc khai thác và chuyển nước làm thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên, ảnh hưởng đến cân bằng nước trên toàn lưu vực. Quản lý hiệu quả các hoạt động này là yếu tố then chốt trong phòng chống ngập lụt hạ du.

II. Phân tích ảnh hưởng của vận hành hồ chứa đến ngập lụt hạ du sông Kôn

Vận hành hồ chứa trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh tác động đến ngập lụt hạ du thông qua nhiều cơ chế. Thứ nhất, quá trình tích nước mùa khô và xả lũ mùa mưa làm thay đổi biên độ dòng chảy tự nhiên. Thứ hai, thời điểm và lưu lượng xả lũ quyết định trực tiếp đến đỉnh lũ tại hạ du. Nghiên cứu cho thấy, khi vận hành hồ chứa theo nguyên tắc cắt giảm đỉnh lũ, mức ngập tại hạ du giảm đáng kể so với trường hợp không có hồ chứa. Tuy nhiên, nếu vận hành không đồng bộ giữa các hồ, hiệu quả cắt lũ giảm và có thể gây ra tình trạng cộng hưởng lũ. Dữ liệu quan trắc từ các trạm thủy văn trên lưu vực cung cấp cơ sở đánh giá chính xác mức độ ảnh hưởng. Các trận lũ lớn năm 2009, 2013 và 2016 minh chứng rõ nét mối liên hệ giữa vận hành hồ và ngập lụt hạ du.

2.1. Cơ chế tác động của xả lũ hồ chứa đến dòng chảy hạ du

Xả lũ từ hồ chứa tạo ra sóng lũ nhân tạo di chuyển dọc theo sông Kôn đến vùng hạ du. Biên độ và vận tốc sóng lũ phụ thuộc vào lưu lượng xả, dung tích hồ và đặc hình lòng dẫn sông. Khi lưu lượng xả vượt quá khả năng thoát nước của lòng sông, nước tràn bờ gây ngập. Thời gian trễ giữa thời điểm xả lũ và thời điểm đỉnh lũ tại hạ du dao động từ 6 đến 18 giờ tùy khoảng cách. Việc xác định chính xác cơ chế này là cơ sở xây dựng quy trình vận hành phù hợp.

2.2. Đánh giá mức độ ngập lụt hạ du qua các trận lũ lịch sử

Phân tích các trận lũ lịch sử trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh cho thấy mối tương quan rõ ràng giữa vận hành hồ chứa và mức ngập hạ du. Trận lũ tháng 11 năm 2009, lưu lượng đỉnh lũ tại trạm Phú Phong đạt 3.250 m³/s, gây ngập sâu diện rộng. Khi áp dụng nguyên tắc vận hành cắt đỉnh lũ, đỉnh lũ giảm khoảng 15-25%. Trận lũ năm 2013 với lượng mưa vượt tần suất thiết kế cho thấy giới hạn khả năng cắt lũ của hệ thống hồ chứa. Dữ liệu từ các trận lũ là cơ sở hiệu chỉnh mô hình tính toán.

III. Giải pháp mô hình HEC ResSim đánh giá ảnh hưởng vận hành hồ chứa

Mô hình HEC-ResSim là công cụ mô phỏng điều hành hệ thống hồ chứa do Quân đội Hoa Kỳ phát triển. Mô hình gồm ba mô đun chính: thiết lập lưu vực, mạng lưới hồ chứa và mô phỏng vận hành. Trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh, HEC-ResSim được áp dụng để tính toán nhiều kịch bản vận hành khác nhau. Kết quả mô phỏng cho phép xác định trình tự, thời gian và lưu lượng xả tối ưu từ từng hồ chứa. Mô hình liên kết với mô hình thủy lực HEC-RAS để tính toán ngập lụt hạ du. Phương pháp tiếp cận này giúp đánh giá định lượng tác động của từng kịch bản vận hành đến diện tích ngập, độ sâu ngập và thời gian ngập tại hạ du. Các kết quả tính toán là cơ sở khoa học để đề xuất quy trình vận hành liên hồ chứa hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mô hình HEC ResSim

Mô hình HEC-ResSim sử dụng hệ thống lưu trữ dữ liệu HEC-DSS để quản lý thông tin đầu vào và đầu ra. Mô đun thiết lập lưu vực cho phép định nghĩa hệ thống sông suối, công trình thủy lợi và vùng ảnh hưởng ngập lụt. Mô đun mạng lưới hồ hoàn chỉnh mối liên hệ giữa các hồ chứa trong hệ thống. Mô đun mô phỏng vận hành thực hiện tính toán dựa trên quy tắc vận hành đã thiết lập. Nguyên tắc bảo toàn khối lượng nước được áp dụng tại mỗi nút tính toán. Mô hình xử lý được cả trường hợp vận hành đơn hồ và liên hồ phức tạp.

3.2. Ứng dụng mô hình tính toán ngập lụt hạ du sông Kôn Hà Thanh

Ứng dụng HEC-ResSim trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh bao gồm các bước: xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, xác nhận và tính toán kịch bản. Dữ liệu đầu vào gồm số liệu mưa, dòng chảy, vận hành hồ chứa thực tế. Kết quả hiệu chỉnh cho thấy mô hình mô phỏng tốt dòng chảy tại các trạm quan trắc với sai số chấp nhận được. Các kịch bản vận hành được xây dựng theo nguyên tắc cắt đỉnh lũ, đảm bảo an toàn đập và tối ưu hóa hiệu quả giảm ngập hạ du. Kết quả tính toán cung cấp bản đồ ngập lụt chi tiết cho từng kịch bản.

IV. Kết luận và ứng dụng trong quản lý phòng chống ngập lụt hạ du

Nghiên cứu ảnh hưởng vận hành hồ chứa sông Kôn - Hà Thanh đến ngập lụt hạ du đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực có khả năng cắt giảm đỉnh lũ từ 15% đến 35% tùy kịch bản vận hành và tần suất lũ. Mô hình HEC-ResSim cho phép mô phỏng chính xác chế độ vận hành và đánh giá định lượng tác động đến ngập lụt hạ du. Kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. Quy trình này cần được cập nhật thường xuyên dựa trên dữ liệu mới và điều kiện thực tế. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế quản lý tài nguyên nước giúp giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, bảo vệ tính mạng và tài sản của nhân dân vùng hạ du.

4.1. Các kết quả chính đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình HEC-ResSim cho hệ thống hồ chứa lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. Kết quả tính toán xác định được mối quan hệ định lượng giữa vận hành hồ và ngập lụt hạ du. Các kịch bản vận hành tối ưu được đề xuất, giảm đỉnh lũ hạ du từ 15% đến 35%. Bản đồ ngập lụt chi tiết cho các tần suất lũ khác nhau được lập. Nghiên cứu cũng chỉ ra giới hạn của hệ thống hồ chứa trong điều kiện mưa vượt tần suất thiết kế.

4.2. Định hướng phát triển và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cần được chuyển giao cho các cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai tỉnh Bình Định. Quy trình vận hành liên hồ chứa cần tích hợp hệ thống dự báo thủy văn hiện đại. Đầu tư nâng cấp mạng lưới quan trắc thủy văn tự động giúp cải thiện chất lượng dữ liệu đầu vào. Nghiên cứu mở rộng cần xem xét tác động của biến đổi khí hậu đến chế độ lũ và hiệu quả vận hành hồ chứa. Đào tạo cán bộ vận hành là yếu tố quyết định hiệu quả ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐẾN NGẬP LỤT Ở HẠ DU 1. Nghiên cứu trên thế giới Vận hành hồ chứa là một một trong những vấn đề được chú ý nghiên cứu tập trung nhiều nhất trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quy hoạch, quản lý hệ thống nguồn nước, 2004). Nghiên cứu vận hành quản lý hệ thống hồ chứa luôn phát triển cùng thời gian nhằm phục vụ các yêu cầu phát triển của xã hội. Mặc dù đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu quản lý vận hành hồ chứa nhưng cho đến thời điểm hiện tại không có một lời giải chung cho mọi hệ thống mà tùy đặc thù của từng hệ thống sẽ có các lời giải phù hợp.

Trong những năm 70, việc ứng dụng lý thuyết điều khiển và phân tích hệ thống đã rất rộng rãi trong các ngành kinh tế, quốc phòng. Các chương trình qui hoạch tuyến tính và qui hoạch động như GAM, GAM-MINOS được các nhà quy hoạch thuỷ lợi áp dụng hiệu quả trong qui hoạch, điều hành hệ thống công trình thuỷ lợi, nhất là hệ thống các công trình hồ chứa. Những năm 80, các bài toán xác suất thống kê ứng dụng trong thuỷ lợi đã được chú ý đến lý thuyết phân tích độ bất định, độ tin cậy rủi ro của hệ thống. công bố nhiều kết quả ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ lợi và thiết kế đê.

Từ những năm 90, công nghệ GIS (hệ thống thông tin địa lý) cùng những phần mềm tin học đầy hiệu lực ra đời đã mang lại sức mạnh mới trong việc thu thập, phân tích, đánh giá cũng như thể hiện các kết quả phục vụ việc tính toán kiểm soát lũ trên hệ thống sông và phân tích ngập lụt trên lãnh thổ. Các thuật toán tự động dò tìm tối ưu được áp dụng rộng rãi. Các công nghệ mới của ngành viễn thám, rađa, vệ tinh đã và đang thực sự thayđổi phương 5 thức thu nhập thông tin trong công tác phòng chống bão - lũ. Như vậy, đã xuất hiện và hội tụ những cơ sở lý luận về phương pháp tính và mô hình toán, cùng các công nghệ thông tin hiện đại trong nghiên cứu, tính toán thuỷ văn, thuỷ lực, làm cơ sở cho việc nghiên cứu điều hành hệ thống liên hồ chứa.

Tuy nhiên, đó mới chỉ là những nghiên cứu về kỹ thuật cơ bản, còn khi vận dụng tổ hợp chúng trong điều hành hệ thống hồ chưa cho từng lưu vực cụ thể còn gặp rất nhiều hạn chế, khó khăn. Từ những phân tích trên cho thấy vận hành hệ thống hệ thống hồ chứa phục vụ đa mục tiêu là một quá trình phức tạp, bị chi phối bởi nhiều yếu tố ngẫu nhiên, trong khi phải thỏa mãn các yêu cầu hầu như đối nghịch của các ngành dùng nước nên mặc dù đã được đầu tư nghiên cứu rất bài bản và chi tiết nhưng các ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù từng hệ thống, không có phương pháp luận, công cụ có thể dùng chung cho mọi hệ thống. Có thể tóm tắt các phương pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa thành 03 nhóm chính: mô phỏng; tối ưu; kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu. Phương pháp mô phỏng: Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ.

Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các tập hợp mục đích chung phức tạp. Theo Simonovic, các khái niệm về mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mô hình hoá khác. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp các biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn về hệ thống hồ chứa và quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các hồ và kênh riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau). Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là ít hơn nhiều so với mô hình tối ưu hoá.

Các kết quả mô phỏng sẽ dễ 6 dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu. Hầu hết các phần mềm mô phỏng có thể chạy trong máy vi tính cá nhân đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm được chuẩn bị, nó dễ dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của các thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng. Có lẽ một trong số các mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi nhất là mô hình HEC-5, phát triển bởi Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ.

Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng khác là mô hình Acres, tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR), mô phỏng hệ thống sóng tương tác (IRIS). Gói phần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP). Mặc dù có sẵn một số các mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phải phát triển các mô hình mô phỏng cho một (hệ thống) hồ chứa cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng. Phương pháp tối ưu: Kỹ thuật tối ưu hoá bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP) đã được sử dụng rộng rãi trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước.

Nhiều công trình nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993). Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng quy tắc vận hành chung từ kết quả tối ưu hoá. Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động (DP) Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy nhân tạo.

Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được phát triển bởi Windsor (1975). Karamouz và Houck (1987) đã đề ra quy tắc vận hành chung khi sử dụng quy hoạch động (DP) và 7 hồi quy (DPR).

Mô hình DPR sử dụng hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được Bhaskar và Whilach (1980) gợi ý. Một phương pháp khác xác định quy trình điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa khác là quy hoạch động bất định (Stochastic Dynamic Programing – SDP). Phương pháp này yêu cầu mô tả rõ xác suất của dòng chảy đến và tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks và nnk (1981) và nhiều người khác sử dụng.

Mô hình tối ưu hoá thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo như đầu vào. Datta và Bunget (1984) đề xuất một quy trình điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hoá với mục tiêu cực tiểu hoá tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự đánh đổi giữa một đơn vị lượng trữ và một đơn vị lượng xả từ các giá trị đích tương ứng thì phép giải tối ưu hoá phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như dạng hàm tổn thất. Áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu là khá khó khăn.

Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mô hình, đào tạo nhân lực, giải bài toán, điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và lượng hóa tất cả các mục tiêu và mối tương tác giữa nhà phân tích với người sử dụng. Một phương pháp khác đang được sử dụng hiện nay để giải thích tính ngẫu nhiên của đầu vào là logic mờ. Lý thuyết tập mờ đã được Zadeth (1965) giới thiệu. Nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đã được xây dựng, tuy nhiên khả năng giải quyết các bài toán thực tế vẫn còn hạn chế.

Các phần mềm tối ưu hiện nay nói chung vẫn chỉ đƣa ra lời giải cho những điều kiện đã biết mà không đưa ra được các nguyên tắc vận hành hữu ích. Phần lớn các phần mềm vận hành hồ chứa được kết nối với mô hình diễn toán lũ dựa trên mô hình Muskingum hay sóng động học như các phần mềm thương mại MODSIM, RiverWare, CalSIM. Điều này rất hạn chế cho việc điều hành chống lũ và không áp dụng được cho lưu vực có ảnh hưởng của thủy triều hay nước vật. Các nghiên cứu mới nhất gần đây 8 về điều hành chống lũ cũng chỉ được áp dụng cho hệ thống một hồ.

Phương pháp kết hợp: Theo Wurb (1993), trong tổng quan về các nhóm mô hình chính sử dụng trong thiết lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đã tổng kết “Mặc dù, tối ưu hóa và mô phỏng là hai hướng tiếp cận mô hình hóa khác nhau về đặc tính, nhưng sự phân biệt rõ ràng giữa hai hướng này là khó vì hầu hết các mô hình, xét về mức độ nào đó đều chứa các thành phần của hai hướng tiếp cận trên”. Wurb cũng đề cập đến nhóm Quy hoạch mạng lưới dòng (Network Flow Programming) như là một kết hợp hoàn thiện của hai hướng tiếp cận tối ưu và mô phỏng. Trong các quy trình tối ưu phục vụ bài toán liên hồ chứa (Labadie, 2004) thì cả hai nhóm quy hoạch ẩn bất định (Implicit stochastic optimization) và quy hoạch hiện bất định (Explicit stochastic optimization) đều cần có mô hình mô phỏng để kiểm tra các quy trình tối ưu được thiết lập. Tóm lại, phương pháp mô phỏng vẫn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong phân tích vận hành hệ thống hồ chứa và cho kết quả hoàn toàn chấp nhận được.

Trong hầu hết các bài toán cụ thể thì mô hình mô phỏng cũng không thể thiếu trong việc xác định các quy trình vận hành. Tại khu vực châu Á, các nghiên cứu về các biện pháp chống lũ và điều hành hệ thống đa hồ chứa chống lũ được phát triển mạnh mẽ ở Trung Quốc trong những năm gần đây. Hiệu quả của việc điều tiết hồ chống lũ được thể hiện rõ trong việc chống lũ 100 năm vào năm 1995 ở sông Liaohe và lũ năm 1998 ở sông Trường Giang.