Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đánh giá rủi ro lũ lụt vùng hạ du hồ chứa do xả lũ lớn, vỡ đập - Ứng dụng cho hồ chứa nước Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:218

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu đánh giá rủi ro lũ lụt vùng hạ du hồ chứa do xả lũ lớn, vỡ đập - Ứng dụng cho hồ chứa nước Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về rủi ro lũ lụt và ảnh hưởng của hồ chứa nước đến ngập lụt hạ lưu; Cơ sở khoa học bài toán nghiên cứu rủi ro lũ lụt vùng hạ du hồ chứa; Xây dựng đường cong thiệt hại nhà ở do ngập lụt; Ứng dụng đánh giá thiệt hại do lũ lụt hạ du hồ chứa Ngàn Trươi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đánh giá rủi ro lũ lụt vùng hạ du hồ chứa do xả lũ lớn, vỡ đập - Ứng dụng cho hồ chứa nước Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LƯƠNG THỊ THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ RỦI RO LŨ LỤT VÙNG HẠ DU HỒ CHỨA DO XẢ LŨ LỚN, VỠ ĐẬP – ỨNG DỤNG CHO HỒ CHỨA NƯỚC NGÀN TRƯƠI, TỈNH HÀ TĨNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LƯƠNG THỊ THANH HƯƠNG LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ RỦI RO LŨ LỤT VÙNG HẠ DU HỒ CHỨA DO XẢ LŨ LỚN, VỠ ĐẬP – ỨNG DỤNG CHO HỒ CHỨA NƯỚC NGÀN TRƯƠI, TỈNH HÀ TĨNH Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái 2. PGS.TS Mai Văn Công HÀ NỘI, NĂM 2024
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả; các kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2024 Tác giả luận án Lương Thị Thanh Hương i
LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ này được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái và PGS.TS Mai Văn Công. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thuỷ lợi, lãnh đạo Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, Phòng Hành chính - Tổng hợp, Bộ môn Thuỷ công đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường; xin trân trọng cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ, các Nhà khoa học, Chuyên gia đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, gia đình, người thân, bạn bè đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2024 Tác giả luận án Lương Thị Thanh Hương ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH....................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................................. xi DANH MỤC CÁC KHÁI NIỆM, THUẬT NGỮ ....................................................................... xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RỦI RO LŨ LỤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HỒ CHỨA NƯỚC ĐẾN NGẬP LỤT HẠ DU .....................................................................................................7 1.1. Định nghĩa rủi ro, thiệt hại do lũ lụt và phạm vi áp dụng trong luận án .............................. 7 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về rủi ro lũ lụt trên thế giới......................................................... 9 1.2.1. Nghiên cứu về rủi ro lũ lụt ............................................................................................................9 1.2.2. Nghiên cứu về các hàm thiệt hại .............................................................................................. 11 1.2.3. Nghiên cứu về hàm thiệt hại nhà ở .......................................................................................... 20 1.3. Tổng quan các nghiên cứu về rủi ro lũ lụt ở Việt Nam....................................................... 25 1.3.1. Nghiên cứu về hàm thiệt hại và rủi ro lũ lụt ........................................................................... 25 1.3.2. An toàn hạ du và thống kê thiệt hại do ngập lụt ở Việt Nam .............................................. 30 1.4. Các phần mềm trong phân tích thiệt hại và rủi ro thiên tai ................................................. 31 1.5. Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................................................. 32 1.5.1. Các khoảng trống trong nghiên cứu ........................................................................................ 32 1.5.2. Định hướng nghiên cứu ............................................................................................................. 34 1.6. Kết luận chương ...................................................................................................................... 35 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ RỦI RO LŨ LỤT VÙNG HẠ DU HỒ CHỨA NƯỚC .................................................................................................................................... 37 2.1. Khung bài toán rủi ro lũ lụt .................................................................................................... 37 2.1.1. Xác định hiểm họa lũ lụt:........................................................................................................... 38 2.1.2. Ước tính thiệt hại do lũ lụt ......................................................................................................... 38 2.1.3. Đánh giá thiệt hại tiềm tàng ứng với kịch bản ....................................................................... 39 2.1.4. Phạm vi nghiên cứu của bài toán.............................................................................................. 40 2.2. Phân tích lựa chọn các loại hàm thiệt hại và phương pháp đánh giá rủi ro....................... 41 2.2.1. Các loại hàm thiệt hại ................................................................................................................. 41 2.2.2. Phương pháp đánh giá rủi ro ..................................................................................................... 45 2.3. Cơ sở khoa học xây dựng hàm thiệt hại cho các loại kết cấu nhà ở do lũ lụt ................... 47 2.3.1. Tác động của lũ lụt đến kết cấu nhà......................................................................................... 47 iii
2.3.2. Đường cong thiệt hại phụ thuộc vào độ sâu ngập ................................................................. 51 2.3.3. Đường cong thiệt hại phụ thuộc vào độ sâu - vận tốc dòng chảy (đường cong VxH)... 54 2.4. Phần mềm RiskScape và phát triển mô hình tích hợp hàm thiệt hại ................................. 61 2.4.1. Lịch sử phát triển phần mềm RiskScape và khả năng ứng dụng cho nghiên cứu .......... 61 2.4.2. Cấu trúc của phần mềm RiskScape ......................................................................................... 63 2.4.3. Ứng dụng phần mềm Riskscape để ước tính thiệt hại hạ du hồ chứa nước..................... 67 2.5. Kết luận chương ...................................................................................................................... 73 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HÀM THIỆT HẠI CỦA NHÀ Ở DO LŨ LỤT .......................... 75 3.1. Phân tích lựa chọn loại nhà nghiên cứu ................................................................................ 75 3.1.1. Các loại nhà điển hình ................................................................................................................ 75 3.2. Xây dựng đường cong thiệt hại của nhà theo độ sâu ngập ................................................. 77 3.2.1. Nhà tạm......................................................................................................................................... 77 3.2.2. Nhà gạch ....................................................................................................................................... 82 3.2.3. Nhà khung BTCT ....................................................................................................................... 87 3.3. Xây dựng đường cong thiệt hại của nhà khi xét đến vận tốc dòng chảy........................... 89 3.3.1. Quy trình tính toán ...................................................................................................................... 89 3.3.2. Xây dựng đường cong phá hoại về kết cấu cho nhà khung BTCT và nhà gạch ............ 90 3.3.3. Xây dựng đường cong mất ổn định trượt cho các loại nhà ................................................. 98 3.3.4. Phân vùng thiệt hại nhà theo độ sâu ngập và vận tốc dòng chảy ..................................... 102 3.3.5. Nhận xét ...................................................................................................................................... 103 3.4. Thảo luận về kết quả tính toán............................................................................................. 103 3.5. Kết luận chương .................................................................................................................... 105 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ RỦI RO VÙNG HẠ DU HỒ CHỨA NƯỚC NGÀN TRƯƠI ..................................................................................................... 106 4.1. Giới thiệu hồ chứa nước Ngàn Trươi và khu vực hạ du ................................................... 106 4.1.1. Khu vực nghiên cứu ................................................................................................................. 106 4.1.2. Công trình đầu mối và hệ thống đê vùng hạ du................................................................... 107 4.1.3. Hiện trạng dân sinh kinh tế khu vực hạ du ........................................................................... 107 4.2. Thiết lập bài toán đánh giá rủi ro hạ du hồ chứa theo các kịch bản ................................. 108 4.2.1. Xây dựng bài toán điển hình nghiên cứu .............................................................................. 108 4.2.2. Các kịch bản tính toán .............................................................................................................. 109 4.2.3. Dữ liệu thu thập ......................................................................................................................... 110 4.3. Bản đồ ngập lụt thu thập cho các kịch bản (xả lũ ứng với lưu lượng thiết kế, vỡ đập) . 110 iv
4.4. Tính toán thiệt hại hạ du hồ chứa Ngàn Trươi ................................................................... 113 4.4.1. Các loại tài sản nghiên cứu trong khu vực............................................................................ 113 4.4.2. Hiểm họa lũ lụt và khoanh vùng khu vực nghiên cứu ....................................................... 115 4.4.3. Hàm thiệt hại của các loại tài sản tích hợp vào mô hình Riskscape................................. 115 4.4.4. Tính toán số nhà bị thiệt hại ở hạ du ...................................................................................... 117 4.4.5. Tính toán thiệt hại về kinh tế ở hạ du do lũ lụt ..................................................................... 124 4.5. Phân vùng rủi ro nhà bị hư hỏng theo độ sâu và vận tốc dòng chảy ............................... 129 4.6. Thảo luận kết quả tính toán và một số giải pháp định hướng giảm thiểu rủi ro ............. 132 4.6.1. Thảo luận kết quả nghiên cứu................................................................................................. 132 4.6.2. Các giải pháp định hướng giảm thiểu rủi ro lũ lụt trong khu vực..................................... 133 4.7. Kết luận chương .................................................................................................................... 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................ 137 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................................ 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 142 Phụ lục 1: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỂM HOẠ ............................................... 154 Phụ lục 2: THÔNG SỐ LOẠI NHÀ TRONG KHU VỰC NGHIÊN CỨU............................ 155 Phụ lục 3: TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH NHÀ ................................ 160 Phụ lục 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHÀ................................................................ 165 Phụ lục 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NHÀ...................................................... 170 Phụ lục 6: THÔNG SỐ CÔNG TRÌNH ĐẤU MỐI HỒ CHỨA NƯỚC NGÀN TRƯƠI VÀ HỆ THỐNG ĐÊ VÙNG HẠ DU................................................................................................... 172 Phụ lục 7: HIỆN TRẠNG DÂN SINH KINH TẾ KHU VỰC HẠ DU HỒ CHỨA NƯỚC NGÀN TRƯƠI ................................................................................................................................. 182 Phụ lục 8: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CAO TRÌNH MỰC NƯỚC LỚN NHẤT TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ KHU VỰC HẠ DU HỒ NGÀN TRƯƠI TRONG TRƯỜNG HỢP VỠ ĐẬP VÀ XẢ LŨ THIẾT KẾ .................................................................................................................................. 188 Phụ lục 9. TÀI SẢN PHƠI LỘ KHU VỰC HẠ DU ................................................................... 191 Phụ lục 10: SỐ LƯỢNG NHÀ BỊ THIỆT HẠI CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ SÂU VÀ VẬN TỐC ... 195 Phụ lục 11: ƯỚC TÍNH THIỆT HẠI KINH TẾ .......................................................................... 198 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hàm tổn thương của đường cấp xã [40] ......................................................... 13 Hình 1.2 Ổn định của người đi bộ do ảnh hưởng của vận tốc V và độ sâu y của dòng chảy [41] ........................................................................................................................ 13 Hình 1.3 Mức độ nguy hiểm của đối tượng người lớn do ảnh hưởng của dòng nước lũ [42] ...14 Hình 1.4. Hàm thiệt hại độ sâu ngập với các loại sử dụng đất khác nhau [60] .............18 Hình 1.5. Quan hệ giữa độ sâu ngập và tỉ lệ thiệt hại gây ra cho các loại công trình [61] ....... 19 Hình 1.6. Ngưỡng thiệt hại đối với công trình [8] ............................................................. 22 Hình 1.7. Bản đồ phân vùng thiệt hại theo tiêu chí độ sâu và vận tốc dòng chảy [76] .22 Hình 1.8. Đường cong thiệt hại nhà theo a) Clausen (1989) [75] và b) Pistrika và Jonkman (2010) [76] .....................................................................................................22 Hình 1.9. Tổng hợp các đường cong phá hoại mất ổn định của các tác giả khác nhau [78].23 Hình 1.10. Đường cong sập đổ của tường trong các loại kết cấu nhà [79] ...................24 Hình 1.11. Sơ đồ trình tự nghiên cứu của Luận án ....................................................... 36 Hình 2.1 Sơ đồ khung quản lý rủi ro lũ lụt [101] .......................................................... 37 Hình 2.2. Đường cong thiệt hại tuyệt đối theo độ sâu ngập cho các loại tài sản [56] ........43 Hình 2.3. Đường cong thiệt hại tương đối theo độ sâu ngập của các loại nhà [51] ......43 Hình 2.4 Quá trình mô phỏng đánh giá rủi ro lũ lụt [106] ...........................................47 Hình 2.5 Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa các yếu tố đến cơ chế phá hoại nhà [79] .......49 Hình 2.6 Nhà bị phá hoại sau lũ ở Mường La, Việt Nam (ảnh chụp thực tế) ..............51 Hình 2.7 Nhà gạch bị sập tường, hư hỏng nặng [110] ..................................................51 Hình 2.8 Đường cong thiệt hại nhà theo nghiên cứu của Dale và cộng sự và Black [77] 57 Hình 2.9. Đường cong phân vùng mức độ thiệt hại cho nhà tại Việt Nam ...................60 Hình 2.10 Sơ đồ khối tổng quát RiskScape ...................................................................64 Hình 2.11. Minh họa các lựa chọn lấy mẫu của mô hình ..............................................66 Hình 2.12. Các bước xử lý chi tiết trong Riskscape ...................................................... 67 Hình 2.13 Mô tả sơ đồ tính toán thiệt hại vùng hạ du trong Riskscape ........................ 68 Hình 2.14 Xác định các thông số ngập lụt trên bản đồ sử dụng đất .............................. 69 Hình 2.15. Xác định các thông số ngập lụt của đường giao thông................................ 69 Hình 2.16. Cấu trúc thư mục và Tệp project .ini chứa các dấu trang ............................ 70 vi
Hình 2.17. Khai báo các hàm python từ đường cong thiệt hại........................................71 Hình 2.18. Hàm python cho đường cong thiệt hại dựa vào độ sâu ............................... 71 Hình 2.19 . Giao diện cmd sau khi chạy lệnh liệt kê mô hình ......................................72 Hình 2.20. Giao diện cmd sau khi chạy lệnh liệt kê mô hình .......................................72 Hình 3.1 Khảo sát thực địa các loại nhà tại tỉnh Hà Tĩnh (2018) ..................................76 Hình 3.2 Nhà khung BTCT khu vực nghiên cứu (ảnh thực tế thu thập) ....................... 76 Hình 3.3 Nhà gạch và nhà tạm khu vực nghiên cứu (ảnh thực tế thu thập) ..................76 Hình 3.4. Nhà tạm (loại III) trong nghiên cứu tại Ấn Độ [70] ......................................78 Hình 3.5. Đường cong thiệt hại cho các kết cấu nhà bằng gỗ Nhật Bản [67] ...............80 Hình 3.6. Nhà gỗ tại New Zealand (www.alamy.com) .................................................80 Hình 3.7. Đường cong thiệt hại trung bình cho nhà tạm ...............................................82 Hình 3.8 Kết cấu và đường cong thiệt hại nhà gạch nghiên cứu tại Ấn Độ [70] ..........82 Hình 3.9. Nhà gạch 1 tầng ở Queensland (www.alamy.com) .......................................83 Hình 3.10 .Đường cong thiệt hại cho nhà 1 tầng (Dale 2004 [64] và Wehner 2012 [65]) ...84 Hình 3.11 Đường cong thiệt hại cho nhà gạch loại IV (Vũ, 2014) ............................... 86 Hình 3.12 Đường cong thiệt hại cho nhà gạch .............................................................. 87 Hình 3.13. Đường cong thiệt hại cho nhà BTCT [67]...................................................88 Hình 3.14 Đường cong thiệt hại cho nhà BTCT ........................................................... 88 Hình 3.15 Hàm thiệt hại tương ứng với vật liệu nhà (xanh lá: nhà tạm, cam: nhà gạch, xanh dương: nhà BTCT) ................................................................................................ 89 Hình 3.16 Vị trí của tải trọng tác động lên nhà ............................................................. 90 Hình 3.17 Mặt cắt A-A hệ khung điển hình [119] ........................................................ 91 Hình 3.18 Sơ đồ cơ học .................................................................................................91 Hình 3.19 Sơ đồ tính toán và tải trọng tác dụng lên khung nhà BTCT ......................... 96 Hình 3.20 Quan hệ giữa độ sâu và vận tốc dòng chảy tới phá huỷ kết cấu nhà BTCT 97 Hình 3.21 Đường cong thiệt hại độ sâu - vận tốc tại ngưỡng phá hoại kết cấu tường gạch .... 98 Hình 3.22 Sơ đồ trượt phẳng công trình trên nền đất ....................................................99 Hình 3.23 Quan hệ giữa độ sâu và vận tốc dòng chảy tới ổn định nhà BTCT ............100 Hình 3.24 Quan hệ giữa độ sâu và vận tốc dòng chảy tới ổn định nhà gạch ..............101 Hình 3.25 Quan hệ giữa độ sâu và vận tốc dòng chảy tới ổn định nhà gỗ tạm ...........101 Hình 3.26 Đường cong thiệt hại nhà BTCT lũ nhanh .................................................102 vii
Hình 3.27 Đường cong thiệt hại nhà BTCT lũ chậm ..................................................102 Hình 3.28 Đường cong thiệt hại nhà gạch lũ nhanh ....................................................102 Hình 3.29 Đường cong thiệt hại nhà gạch lũ chậm .....................................................102 Hình 3.30 Đường cong thiệt hại nhà tạm lũ nhanh ....................................................102 Hình 3.31 Đường cong thiệt hại nhà tạm lũ chậm.......................................................102 Hình 4.1 Đầu mối hồ chứa và khu vực nghiên cứu .....................................................106 Hình 4.2 Các tiểu lưu vực trên lưu vực sông La khu vực nghiên cứu ........................106 Hình 4.3 Mặt bằng bố trí đê La Giang khu vực hạ du hồ chứa ...................................107 Hình 4.4. Sơ đồ bài toán rủi ro ngập lụt hạ du nghiên cứu .........................................108 Hình 4.5. Bản đồ độ sâu ngập ứng với các kịch bản [126] .........................................111 Hình 4.6. Bản đồ phân bố vận tốc dòng chảy ứng với các kịch bản ...........................112 Hình 4.7. Phân bố tài sản nhà khu vực nghiên cứu .....................................................114 Hình 4.8. Phân bố đường giao thông khu vực nghiên cứu ..........................................114 Hình 4.9. Bản đồ diện tích đất trồng lúa.....................................................................115 Hình 4.10. Hàm tổn thương áp dụng cho đất nông nghiệp P.Giang [89]....................116 Hình 4.11. Đường cong thiệt hại của các loại đường theo độ sâu [51] .......................116 Hình 4.12. Biểu đồ thống kê số nhà thiệt hại theo ngưỡng - cấp huyện -kịch bản lũ thiết kế... 117 Hình 4.13. Biểu đồ thống kê số nhà thiệt hại theo ngưỡng - cấp huyện- kịch bản vỡ đập . 119 Hình 4.14. Bản đồ phân bố nhà ở các mức thiệt hại....................................................118 Hình 4.15. Biểu đồ thống kê thiệt hại nhà theo H .......................................................119 Hình 4.16. Biểu đồ thống kê thiệt hại nhà theo VxH ..................................................119 Hình 4.17. Biểu đồ thiệt hại nhà theo độ sâu – kịch bản vỡ đập – trường hợp lũ chậm ........ 120 Hình 4.18. Biểu đồ thiệt hại nhà theo đường cong độ sâu - vận tốc VxH – TH lũ chậm ..... 120 Hình 4.19. Biểu đồ thiệt hại nhà theo đường cong độ sâu - vận tốc VxH – TH lũ nhanh .... 121 Hình 4.20. So sánh số lượng nhà BTCT bị phá hoại theo các đường cong thiệt hại ..121 Hình 4.21. So sánh số lượng nhà gạch bị phá hoại theo các đường cong thiệt hại .....121 Hình 4.22. So sánh số lượng nhà tạm bị phá hoại theo các đường cong thiệt hại.......122 Hình 4.23. Phân bố các loại nhà và mức độ thiệt hại hoàn toàn .................................123 Hình 4.24. Tài sản bị thiệt hại theo kịch bản xả lũ thiết kế .........................................124 Hình 4.25. Bản đồ rủi ro các loại tài sản theo đơn vị tiền tệ (VND) lũ TK và vỡ đập ..126 viii
Hình 4.26. Bản đồ thiệt hại hạ du hồ Ngàn Trươi kịch bản lũ thiết kế và vỡ đập theo đơn vị cấp xã a ) Kịch bản lũ thiết kế b) Kịch bản vỡ đập ...............................................126 Hình 4.27. Biểu đồ thiệt hại kinh tế ứng kịch bản lũ thiết kế và vỡ đập (chỉ xét đến H) ....127 Hình 4.28. Biểu đồ thiệt hại tổng hợp nhà BTCT .......................................................127 Hình 4.29. Biểu đồ thiệt hại tổng hợp nhà gạch ..........................................................128 Hình 4.30. Biểu đồ thiệt hại tổng hợp nhà tạm ...........................................................128 Hình 4.31. Biểu đồ thiệt hại tổng hợp theo các loại nhà .............................................128 Hình 4.32. Bản đồ phân vùng rủi ro phá hoại nhà trong các kịch bản lũ a) Lũ thiết kế b) Vỡ đập – trường hợp lũ chậm c) Vỡ đập – trường hợp lũ nhanh ..............................130 Hình 4.33. Lựa chọn phương án chiều rộng tràn kinh tế.............................................133 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại thiệt hại [13] ....................................................................................9 Bảng 1.2. Một số nghiên cứu để xây dựng hàm thiệt hại cho các loại tài sản bằng các phương pháp khác nhau dựa vào độ sâu ngập ............................................................... 15 Bảng 1.3. Giá trị thiệt hại lớn nhất cho 1 đơn vị sử dụng của các loại tài sản [61] ......19 Bảng 1.4. Một số nghiên cứu để xây dựng hàm thiệt hại độ sâu ngập cho các loại nhà vật liệu khác nhau ..........................................................................................................21 Bảng 2.1. Phân loại cấp độ rủi ro .................................................................................45 Bảng 2.2. RiskScape – định nghĩa các mô đun Dữ liệu đầu vào..................................65 Bảng 3.1. Bảng thống kê các kích thước điển hình nhà trong nghiên cứu ....................76 Bảng 3.2 Giá trị độ sâu ứng với vận tốc làm phá hoại kết cấu khung nhà ....................97 Bảng 3.3 Giá trị độ sâu ứng với vận tốc làm mất ổn định nhà BTCT .........................100 Bảng 3.4 Giá trị độ sâu ứng với vận tốc làm mất ổn định nhà gạch ...........................101 Bảng 3.5 Giá trị độ sâu ứng với vận tốc làm mất ổn định nhà tạm .............................101 Bảng 4.1. Kịch bản nghiên cứu ...................................................................................109 Bảng 4.2 Vận tốc và độ sâu ứng với các kịch bản khu vực hạ du hồ Ngàn Trươi ......113 Bảng 4.3 Tổng hợp số nhà của hai tỉnh Hà Tĩnh, Nghệ An ........................................114 Bảng 4.4 Phân bố vật liệu làm tường nhà trong khu vực nghiên cứu .........................114 Bảng 4.5 Thống kê độ dài hệ thống đường khu vực hạ du Ngàn Trươi ......................114 Bảng 4.6 Diện tích lúa theo huyện từ hiện trạng sử dụng đất .....................................115 Bảng 4.7 Thiệt hại về diện tích lúa theo huyện (km2) ................................................125 Bảng 4.8 Thiệt hại về đường (km) ..............................................................................125 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ATĐ An toàn đập BTCT Bê tông cốt thép ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long EPP Kế hoạch ứng phó khẩn cấp FEMA The Federeal Emergency Management Agency Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang Mỹ GIS Geographic Information Systems Hệ thống thông tin địa lý GNS Institute of Geological and Nuclear Sciences Limited Cơ quan Khoa học và Công nghệ Quốc gia New Zealand HT Hoạt tải JRC Joint Research Centre Trung tâm nghiên cứu của Ủy ban Châu Âu LHQ Liên Hợp Quốc MNDBT Mực nước dâng bình thường NIWA National Institute of Water and Atmospheric Research Viện Nghiên cứu Nước và Khí Quyển New Zealand NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển nông thôn PCTT Phòng chống thiên tai QCVN Quy chuẩn Việt Nam RISKSCAPE Phần mềm Riskscape TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD Tiêu chuẩn xây dựng TT Tĩnh tải TT43 Thông tư liên tịch số 43/2015/TTLT-BNNPTNT-BKHĐT ngày 23/11/2015 của Bộ Nông nghiệp & PTNN và Bộ Kế hoạch & Đầu tư về Hướng dẫn thống kê, đánh giá thiệt hại do thiên tai gây ra. xi
UBND Uỷ ban nhân dân USACE United States Army Corps of Engineers Liên đoàn kỹ sư quân đội Mỹ WB World Bank (Ngân hàng thế giới) xii
DANH MỤC CÁC KHÁI NIỆM, THUẬT NGỮ Rủi ro lũ lụt Thiệt hại mà lũ lụt có thể gây ra về người, tài sản, môi trường, điều kiện sống và hoạt động kinh tế - xã hội Hiểm họa lũ lụt Khả năng xảy ra lũ lụt ở các mức độ khác nhau Phơi lộ Mức độ tiếp xúc hoặc sự hiện diện của các tài sản, dân cư và cơ sở hạ tầng trong khu vực có nguy cơ bị ngập lụt Tính dễ bị tổn thương Khả năng chống chịu của các đối tượng hoặc nhóm đối tượng trước tác động của lũ lụt Hậu quả Là những tác động tiêu cực xảy ra do lũ lụt, có thể bao gồm các thiệt hại do lũ lụt về tài sản, con người cũng như các yếu tố về an toàn của cộng đồng… Thiệt hại Là tổng hợp các tổn thất về tài sản, con người, môi trường và kinh tế xảy ra trong một khu vực khi nước lũ vượt quá mức an toàn (trong luận án giới hạn ở tổn thất về kinh tế) Vùng hạ du Là vùng bị ngập lụt khi hồ xả nước theo quy trình; xả lũ trong tình huống khẩn cấp hoặc vỡ đập Lũ dâng chậm hay Lũ Hiện tượng nước lũ gia tăng từ từ trong một khu vực bị ảnh chậm (Slow-Rise hưởng, thường kéo dài trong nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều Depth) ngày Lũ dâng nhanh hay Hiện tượng nước lũ gia tăng một cách đột ngột và nhanh chóng Lũ nhanh (Rapid- trong một khu vực bị ảnh hưởng, thường xảy ra trong khoảng Rise Depth) thời gian ngắn, từ vài phút đến vài giờ. Đường cong dễ bị tổn Là đường cong liên quan đến mối nguy hiểm, mức độ tiếp xúc thương và mức độ dễ bị tổn thương trước thiệt hại, thường được thể hiện theo các thuật ngữ tương đối, trên thang điểm từ 0 = không có thiệt hại đến 1 = tổng thiệt hại Đường cong thiệt hại Thể hiện mối quan hệ giữa mức độ ngập lụt và mức độ thiệt hại do lũ lụt gây ra cho một khu vực hoặc một tài sản cụ thể. xiii
Đường cong thiệt hại Là đường cong thể hiện mức độ thiệt hại do lũ lụt xảy ra ở độ chiều sâu sâu nước cụ thể cho mỗi tài sản hoặc mỗi loại hình sử dụng (depth damage function – stage đất (theo giá trị tiền tệ hoặc theo tỉ lệ thiệt hại của tài sản) damage function) (Đường cong theo H) Là quan hệ toán học thể hiện mức độ thiệt hại do lũ lụt xảy ra Hàm số thiệt hại độ ở độ sâu nước cụ thể, thường thể hiện dưới dạng phương trình sâu D=f(H) toán học Đường cong thiệt hại Đường cong thể hiện quan hệ giữa các ngưỡng sập đổ của kết độ sâu - vận tốc cấu tương ứng với cặp giá trị chiều sâu, vận tốc, trong đó đối (Velocity-Depth Damage curve) với một độ sâu nhất định, nếu vận tốc bằng hoặc vượt quá vận (Đường cong VxH) tốc sập đổ, thì kết cấu được cho là sẽ sập đổ. Hàm số thiệt hại độ sâu - vận tốc Quan hệ toán học thường thể hiện dưới dạng phương trình (Velocity-Depth giữa thông số chiều sâu dòng chảy và vận tốc dòng chảy Damage curve) Đường cong thể hiện các ngưỡng sập đổ của kết cấu tương Đường cong sập đổ ứng với cặp giá trị chiều sâu, vận tốc; trong đó đối với một độ (velocity-based sâu nhất định, nếu vận tốc bằng hoặc vượt quá vận tốc sập đổ, building collapse curve) thì kết cấu được cho là sẽ bị phá hoại về kết cấu chịu lực và sập đổ. Đường cong thể hiện các ngưỡng mất ổn định tổng thế của kết cấu (trượt, lật, đẩy nổi) tương ứng với cặp giá trị độ sâu, vận Đường cong mất ổn tốc; trong đó đối với một độ sâu nhất định, nếu vận tốc bằng định hoặc vượt quá vận tốc mất ổn định, thì kết cấu được cho là sẽ mất ổn định Đường cong phá hoại Tên gọi chung của đường cong mất ổn định và đường cong nhà sập đổ Kết cấu chính của Các kết cấu ảnh hưởng đến ổn định của nhà (dầm, cột trong nhà nhà khung BTCT, tường chịu lực trong nhà gạch) xiv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lũ lụt là một loại hình thiên tai gây thiệt hại lớn nhất trên toàn cầu, ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế xã hội và môi trường. Theo ước tính của WB, thiệt hại kinh tế do thiên tai, vào khoảng 520 tỷ USD mỗi năm trên toàn cầu, trong đó thiệt hại do lũ lụt chiếm khoảng 80%; và hàng chục ngàn người chết do lũ lụt [1], ví dụ năm 2020, ước tính khoảng 4.000 người tử vong liên quan đến lũ lụt trên toàn cầu [2]. Thiệt hại về nhà ở và công trình xây dựng là yếu tố được quan tâm hàng đầu do ảnh hưởng đến người dân và an sinh xã hội. Theo báo cáo của Liên Hợp Quốc, khoảng 23 triệu người bị ảnh hưởng bởi lũ lụt trong năm 2019, trong đó trên 10 triệu người mất nhà ở [3]. Tại Việt Nam, thiệt hại kinh tế từ lũ lụt tại Việt Nam ước tính hàng tỷ USD mỗi năm, đặc biệt trong mùa mưa bão [4]. Như vậy, tình hình mưa lũ ngập lụt và rủi ro do lũ lụt trên toàn cầu đang gia tăng ở mức đáng lo ngại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của con người và phát triển kinh tế. Việc xây dựng các hồ chứa trên các hệ thống sông không chỉ mang lại giá trị về phát điện và cấp nước mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc cắt giảm đỉnh lũ cho vùng hạ du trong các đợt mưa lớn. Tuy nhiên, việc vận hành hồ chứa để tối ưu hóa dung tích trữ và kiểm soát lưu lượng xả là một nhiệm vụ phức tạp. Hồ chứa Vực Mấu ở Nghệ An là một ví dụ khi gây thiệt hại lớn cho thị xã Hoàng Mai khi đồng loạt xả 5 cửa tràn (sau khi hồ chứa nâng cấp từ 3 cửa tràn theo thiết kế ban đầu lên 5 cửa) với 20.000 nhà dân bị ngập trong đợt xả lũ vào năm 2013, ước tính thiệt hại lên đến 800 tỷ đồng [5]. Không chỉ gây thiệt hại do xả lũ lớn trong mùa mưa, sự cố của đập đã gây ra những thảm họa lũ lụt cho khu vực hạ du. Một trong những ví dụ điển hình gần đây trên thế giới, thảm họa vỡ đập tại Derna, Libya vào đêm 10-11 tháng 9 năm 2023 làm 20.000 người thiệt mạng và hơn 2.200 tòa nhà bị hủy hoại, hơn 40.000 người phải sơ tán. Một ví dụ khác là sự cố đập Telton tại Mỹ, khi chỉ tiêu tốn khoảng 60 triệu USD để xây dựng đập, nhưng thiệt hại ước tính do sự cố vỡ đập lên tới 1 tỷ USD. (https://www.nytimes.com/1976/07/14/archives/us-is-ready-to-pay-teton-dam-victims.html) 1
Việt Nam là một trong những nước có mạng lưới hồ đập và cơ sở hạ tầng thủy lợi vào diện lớn nhất thế giới, bao gồm có khoảng 7.600 đập thuộc nhiều loại và quy mô khác nhau (WB, 2019). Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, vùng hạ du của các hồ chứa nước vừa và lớn trở thành nơi tập trung đông dân cư và các hoạt động kinh tế, tạo ra những thách thức nghiêm trọng về an toàn và khả năng ứng phó với ngập lụt. Theo quan điểm hiện đại về an toàn đập, an toàn đập không chỉ được hiểu đơn thuần là sự an toàn của công trình đập, mà còn phải xem xét an toàn trong mối quan hệ với các yếu tố thượng và hạ lưu. Phương pháp tiếp cận này về an toàn đập bao gồm: i) Xác định các hiểm họa như lũ lụt, sạt lở, động đất.. và ảnh hưởng từ các hồ chứa trên thượng nguồn đối với đập; ii) Đánh giá an toàn của đập cùng với các công trình trong cụm đầu mối; iii) Định lượng ảnh hưởng của lũ lụt do xả lũ và sự cố đập từ hồ chứa tác động đối với hạ du, thông qua việc xây dựng bản đồ ngập lụt và đánh giá hậu quả của lũ lụt; iv) Cuối cùng, từ những kết quả trên, các giải pháp nâng cao an toàn và giảm thiểu rủi ro như nâng cấp đập, cải thiện khả năng chống chịu của cộng đồng, và tăng cường quản lý an toàn đập cần được đề xuất trở lại để nâng cao an toàn đập và hồ chứa. Trong mối liên hệ giữa các thành phần của bài toán an toàn đập, việc định lượng thiệt hại do lũ lụt cũng như đánh giá rủi ro lũ lụt ở vùng hạ du là rất cần thiết, điều này không chỉ cung cấp cơ sở cho các biện pháp công trình và biện pháp quản lý nhằm giảm thiểu thiệt hại lũ lụt ở khu vực hạ du mà còn tạo kết nối giữa tác động của đập tới vùng hạ du và các giải pháp quản lý rủi ro lũ lụt cần thiết. Hình 1. Vỡ đập Derna, Libya năm 2023 (AP photo /Yousef Murad và Associated Press - Los Angeles Times/Jamal Alkomaty) Xét về tác động đối với vùng hạ du hồ chứa, xả lũ từ hồ chứa mang dòng chảy lưu tốc cao có sự khác biệt hoàn toàn với lũ sông tự nhiên diễn ra với sự biến đổi dần dần của độ sâu và vận tốc dòng chảy. Sự gia tăng đột ngột về độ sâu và vận tốc dòng chảy không 2
chỉ làm tăng sức mạnh tàn phá của dòng nước mà còn khiến cho các hệ thống cảnh báo và ứng phó trở nên kém hiệu quả; làm gia tăng nguy cơ thiệt hại về người và tài sản. Sự cố vỡ đập trên thế giới như sự cố đập Derna (Lybie) năm 2023 đã phá hủy hoàn toàn một phần thành phố ở hạ lưu bao gồm các cơ sở hạ tầng, các tòa nhà BTCT cao tầng... cho thấy sức phá hoại của vận tốc dòng chảy vô cùng lớn (Hình 1). Nguy cơ về vỡ đập tiềm ẩn trong mỗi đợt mưa bão tại Việt Nam cũng là yếu tố cần được xem xét tới, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng hiện nay. Ví dụ gần đây nhất, bão Yagi đã gây ra những cơn mưa lớn, dẫn đến lũ lụt nghiêm trọng tại các tỉnh phía Bắc. Ngày 10/9, lưu lượng lũ đến hồ chứa Thác Bà đã tăng lên đến 5.620 m³/s, lớn hơn lưu lượng lũ tần suất 0,01% 5.100 m³/s; trong khi mở hoàn toàn 3 cửa xả, tổng lưu lượng chạy máy và xả chỉ là 3.000 m³/s [6]. Tình hình này đã khiến hồ thủy điện Thác Bà đứng trước nguy cơ "ngàn cân treo sợi tóc". Nếu như đập chính bị vỡ, lượng nước lên tới 3 tỷ m³ sẽ tràn xuống sông Chảy và đổ ra sông Lô ở Yên Bái, gây lũ lụt nghiêm trọng cho vùng hạ du. Để phòng ngừa tình huống xấu nhất phải phá đập phụ số 4 khi nước trong hồ vượt mức an toàn, hơn 3.186 hộ dân với 11.279 nhân khẩu của 24 thôn đã phải sơ tán [7]. Như vậy, các tình huống xả lũ lớn có thể dẫn đến hiện tượng lũ lụt đột ngột, gây thiệt hại đáng kể về tài sản, hạ tầng và sinh kế của người dân. Đặc biệt, trong trường hợp vỡ đập, tác động có thể nghiêm trọng hơn khi dòng chảy từ hồ chứa có lưu lượng và lưu tốc lớn, tàn phá các công trình xây dựng, đặc biệt là nhà ở của người dân, đe dọa an toàn của người và tài sản trong nhà. Do đó, việc đánh giá rủi ro liên quan đến xả lũ lớn và vỡ đập là cần thiết để giảm thiểu các tác động tiêu cực này và bảo vệ cộng đồng, đặc biệt là hạ du các hồ chứa vừa và lớn. Vì vậy, đề tài nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu đánh giá rủi ro lũ lụt vùng hạ du hồ chứa do xả lũ lớn, vỡ đập - Ứng dụng cho hồ chứa nước Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh” là rất cần thiết, có tính thời sự, khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Xây dựng phương pháp đánh giá rủi ro lũ lụt vùng hạ du hồ chứa do xả lũ lớn và vỡ đập, chi tiết vào tài sản nhà ở. 3
- Xây dựng được các đường cong thiệt hại cho ba loại nhà ở thông dụng ở Việt Nam khi xét đồng thời đến độ sâu ngập và vận tốc dòng chảy lũ cho hai trường hợp lũ lên nhanh và lũ lên chậm. - Phát triển thêm các mô đun mã nguồn mở hàm thiệt hại liên kết với phần mềm Riskscape để hoàn thiện bộ công cụ tính toán thiệt hại do lũ gây ra. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: Rủi ro lũ lụt do hồ chứa xả lũ lớn, vỡ đập - Phạm vi nghiên cứu: i) Phạm vi không gian: vùng hạ du đập thủy lợi, thủy điện vừa và lớn; ii) Phạm vi đối tượng nghiên cứu: thiệt hại đường giao thông, lúa và chi tiết vào thiệt hại của nhà ở do xả lũ lớn hay vỡ đập. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của luận án 4.1. Hướng tiếp cận nghiên cứu Luận án lựa chọn một số cách tiếp cận nghiên cứu sau đây: - Cách tiếp cận hệ thống, tổng thể: Xem xét mục tiêu, nội dung nghiên cứu của đề tài theo một hệ thống logic, nhất quán. Cụ thể là xem xét giải quyết bài toán đánh giá rủi vùng hạ du đập một cách tổng thể trong mối liên hệ với xả lũ, vỡ đập từ hồ chứa. - Cách tiếp cận kế thừa: Tiếp cận mang tính kế thừa các công trình nghiên cứu đã có, các số liệu, kết quả phân tích đã có. - Cách tiếp cận lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết liên quan để giải quyết các vấn đề đặt ra trong nội dung nghiên cứu của luận án. - Cách tiếp cận hiện đại: Điều tra, phân tích, đánh giá bổ sung cho nghiên cứu theo cách tiếp cận mới, khoa học hơn. 4.2. Phương pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu vừa mang tính truyền thống, vừa mang tính hiện đại nhằm đạt được mục tiêu đã đề ra, bao gồm: Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu: Thu thập, phân tích đánh giá tổng hợp các tài liệu đã có; điều tra và khảo sát hiện trường thu thập dữ liệu liên quan đến tài sản nhà ở phục vụ nghiên cứu của luận án. 4