Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Làm rõ sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu. Đề xuất các giải pháp thích ứng nhằm giảm thiểu tác động xấu đến phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường hạ lưu sông Hương.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÍNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN - THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÍNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN - THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. LÊ ĐÌNH THÀNH 2. PGS. TS. HOÀNG MINH TUYỂN HÀ NỘI - 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Đính, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. TÁC GIẢ NGUYỄN ĐÍNH
ii LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Lê Đình Thành, PGS. TS. Hoàng Minh Tuyển đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án. Trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu Khoa học Miền Trung (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tạo điều kiện thời gian cho tác giả tập trung học tập và nghiên cứu. Tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan: Viện Khoa học Khí tượng, Thủy văn và Môi trường, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Thừa Thiên Huế, các Sở - Ban - ngành của tỉnh Thừa Thiên Huế đã giúp đỡ tác giả trong quá trình thu thập tài liệu, thông tin cần thiết liên quan đến vấn đề nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu nặng đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án. TÁC GIẢ NGUYỄN ĐÍNH
iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình ảnh MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN ................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2 3. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................................................... 2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................... 3 5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN ............................................................................. 4 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ..................................................... 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................. 5 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN ....... 5 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 5 1.1.2 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 9 1.1.3 Những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây trên lưu vực sông Hương và hướng khắc phục ................................................................................... 16 1.1.4 Hướng tiếp cận của luận án........................................................................... 18 1.2 ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG ........................................................ 21 1.2.1 Đặc điểm tự nhiên......................................................................................... 21 1.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội .............................................................................. 33 1.3 XU THẾ BIẾN ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG, THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG .................................................................................. 35 1.3.1 Dữ liệu và phương pháp đánh giá xu thế ....................................................... 35
iv 1.3.2 Xu thế biến đổi một số yếu tố khí tượng ....................................................... 38 1.3.3 Xu thế biến đổi một số yếu tố thủy văn ......................................................... 44 1.3.4 Đánh giá chung về xu thế diễn biến một số yếu tố khí tượng, thủy văn và kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho lưu vực sông Hương ............................. 47 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG I ................................................................................. 49 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ................................................... 50 2.1. HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG .................................................................................................... 50 2.1.1 Các công trình thủy lợi –thủy điện ................................................................ 50 2.1.2 Đặc điểm các công trình thủy lợi – thủy điện ................................................ 51 2.1.3 Lựa chọn các công trình chính nghiên cứu trong luận án............................... 52 2.1.4 Khung đánh giá tác động .............................................................................. 55 2.2. CÁC YẾU TỐ CHÍNH TÁC ĐỘNG ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN – THỦY LỰC SÔNG HƯƠNG ........................................................................................... 56 2.2.1 Mưa, bão và các hình thế thời tiết gây mưa lũ .............................................. 56 2.2.2 Điều kiện địa hình, thảm phủ ....................................................................... 59 2.2.3 Đầm phá và thủy triều................................................................................... 61 2.2.4 Hoạt động kinh tế - xã hội trên lưu vực ......................................................... 62 2.3. CÁC TÁC ĐỘNG CHÍNH CỦA HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN – THỦY LỰC SÔNG HƯƠNG ......... 64 2.3.1 Về mùa lũ (Khi chưa có qui trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hương được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt)....................................................... 64 2.3.2 Về mùa cạn .................................................................................................. 66 2.4. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC – HMS VÀ HEC – RAS ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG ......................................................... 68 2.4.1 Giới thiệu chung về mô hình HEC-HMS và HEC-RAS ................................ 68 2.4.2 Ứng dụng mô hình HEC-HMS VÀ HEC-RAS cho lưu vực sông Hương .... ..69 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG II ................................................................................ 92
v CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 93 3.1 CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH ........................................................................................ 93 3.1.1 Các trường hợp nghiên cứu ........................................................................... 93 3.1.2 Phương án vận hành hệ thống công trình để đánh giá tác động ..................... 93 3.1.3 Xác định năm đại biểu và lượng mưa theo kịch bản đến năm 2030 ............. 100 3.2 TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN - THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG ............................................................................................................................ 102 3.2.1 Vị trí kiểm tra và đánh giá .......................................................................... 102 3.2.2 Tác động đến dòng chảy ngày trong năm .................................................... 103 3.2.3 Tác động đến dòng chảy lũ ......................................................................... 106 3.2.4 Tác động đến dòng chảy kiệt ...................................................................... 114 3.2.5 Tác động đến vấn đề bùn cát hạ lưu ............................................................ 116 3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƯỚNG GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG TIÊU CỰC VÀ TĂNG HIỆU QUẢ CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN.. ............................................................................................................................ 118 3.3.1 Mục tiêu và cơ sở đề xuất giải pháp ........................................................... 118 3.3.2 Các giải pháp phi công trình ...................................................................... 120 3.3.3 Giải pháp công trình .................................................................................. 128 3.3.4 Nhận xét hiệu quả của các giải pháp đề xuất .............................................. 133 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG III ............................................................................ 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 139 Kết luận ............................................................................................................... 139 Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 140 Kiến nghị............................................................................................................. 141 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...... 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 143 Tiếng Việt ........................................................................................................... 143 Tiếng Anh ........................................................................................................... 148
vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BĐKH ............................................................................................. Biến đổi khí hậu GCM ................................ Mô hình hoàn lưu tổng quát (General Circulation Model) GIS ................................ Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) JICA ................................................................... Tổ chức Hợp tác Quốc tế Nhật Bản JBIC ............................................................... Ngân hàng Hợp tác Quốc tế Nhật Bản IPCC .......................................................... Ban Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu .......................................................... (Intergovernmental Panel on Climate Change) KT-XH ............................................................................................. Kinh tế - Xã hội KT-TV ................................................................................... Khí tượng – Thủy văn MNDBT ....................................................................... Mực nước dâng bình thường MNGC ..................................................................................... Mực nước gia cường MNTL .......................................................................................... Mực nước trước lũ NBD ................................................................................................. Nước biển dâng NN & PTNT ..................................................... Nông nghiệp và Phát triển nông thôn RCM ........................................ Mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Model) TN & MT ......................................................................... Tài nguyên và Môi trường TL-TĐ ....................................................................................... Thủy lợi- Thủy điện TTH ................................................................................................ Thừa Thiên Huế TV-TL ........................................................................................ Thủy văn- Thủy lực UBND ............................................................................................ Ủy ban Nhân dân
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Mạng lưới trạm khí tượng – thủy văn lưu vực sông Hương và lân cận ... 25 Bảng 1.2: Lượng mưa tháng năm trung bình nhiều năm tại các trạm ..................... 27 Bảng 1.3: Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Hương .......... 30 Bảng 1.4: Lưu lượng tháng năm trung bình nhiều năm theo số liệu thực đo tại các trạm trên lưu vực sông Hương .............................................................................. 31 Bảng 1.5: Trạm khí tượng và số liệu thực đo sử dụng để đánh giá xu thế .............. 35 Bảng 1.6: Kết quả kiểm định xu thế nhiệt độ trung bình năm ................................ 38 Bảng 1.7: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa năm ............................................ 39 Bảng 1.8: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa mùa ............................................ 41 Bảng 1.9: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất .. 42 Bảng 1.10: Kết quả kiểm định xu thế lượng bốc hơi năm ...................................... 43 Bảng 1.11: Kết quả kiểm định xu thế dòng chảy tại trạm Thượng Nhật ................ 46 Bảng 1.12: Kết quả kiểm định xu thế biến đổi mực nước hạ lưu sông Hương ........ 47 Bảng 1.13: Mức tăng nhiệt độ (oC) trung bình năm, mùa so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) tỉnh Thừa Thiên Huế ................................ 48 Bảng 1.14: Mức thay đổi (%) lượng mưa năm, mưa mùa so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) tỉnh Thừa Thiên Huế ................................ 48 Bảng 1.15: Mực nước biển dâng từ Đèo Ngang- Đèo Hải Vân, kịch bản phát thải cao......................................................................................................................... 49 Bảng 2.1: Một số công trình thủy lợi chủ yếu trên các tuyến sông chính ................ 50 Bảng 2.2: Các công trình thủy điện trên lưu vực sông Hương ................................ 51 Bảng 2.3: Một số công trình thoát lũ ở các cửa sông vùng đồng bằng sông Hương 52 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật chủ yếu công trình Thảo Long .................................. 54 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa ........................................... 54 Bảng 2.6: Lượng mưa trong một số trận mưa cực lớn do ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới trên lưu vực sông Hương ................................................................. 58 Bảng 2.7: Các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn ở lưu vực sông Hương ................. 58 Bảng 2.8: Chênh lệch lớn nhất giữa Qmax và Qmin .............................................. 59 Bảng 2.9: Độ che phủ rừng tỉnh Thừa Thiên Huế thời kỳ 2000-2011 ..................... 60 Bảng 2.10: Đặc trưng mực nước triều tại Tam Giang- Cầu Hai (1978-1982) ......... 61
viii Bảng 2.11: Đặc trưng mực nước tại các trạm trên sông Hương từ 1977-2006 ....... 62 Bảng 2.12: Một số đặc trưng mực nước hạ du sông Hương theo số liệu thực đo ... 63 Bảng 2.13: Danh sách các lưu vực bộ phận trên lưu vực sông Hương .................... 70 Bảng 2.14: Chiều dài các đoạn sông và số mặt cắt ngang trong sơ đồ thủy lực ...... 75 Bảng 2.15: Bộ thông số mô hình HEC-HMS cho các lưu vực bộ phận .................. 78 Bảng 2.16: Chỉ tiêu Nash hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS ................ 79 Bảng 2.17: Số liệu lũ thực đo dùng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS . 83 Bảng 2.18: Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình HEC-HMS cho các lưu vực ....... 85 Bảng 3.1: Các trường hợp tính toán ....................................................................... 99 Bảng 3.2: Phân phối mưa trung bình lưu vực các năm đại biểu ............................ 101 Bảng 3.3: Mực nước tương ứng với các cấp báo động lũ trên lưu vực sông Hương ............................................................................................................................ 103 Bảng 3.4: Thay đổi mực nước trung bình năm nước trung bình ở hạ du sông Hương theo các trường hợp ............................................................................................ 105 Bảng 3.5: Thời gian duy trì mực nước theo các trường hợp tại Kim Long ........... 105 Bảng 3.6: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1999 ở hạ du sông Hương theo các trường hợp..................................................................................................... 107 Bảng 3.7: Một số đặc trưng lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long theo các trường hợp ...................................................................................................................... 108 Bảng 3.8: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1983 ở hạ du sông Hương theo các trường hợp..................................................................................................... 110 Bảng 3.9: Một số đặc trưng lũ tính toán năm 1983 tại Kim Long theo các trường hợp ...................................................................................................................... 110 Bảng 3.10: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1999 ở hạ du sông Hương có xét đến biến đổi khí hậu ....................................................................................... 111 Bảng 3.11: Thay đổi mực nước mùa cạn năm 1984 ở hạ du sông Hương theo các trường hợp ........................................................................................................... 115 Bảng 3.12: Một số đặc trưng mực nước mùa cạn tại Kim Long theo các trường hợp ............................................................................................................................ 116 Bảng 3.13: Mức giảm mực nước theo cấp lưu lượng tại trạm Bình Điền.............. 117 Bảng 3.14: Chỉ số CN trung bình lưu vực sông Hương ước tính theo các kịch bản ............................................................................................................................ 122
ix Bảng 3.15: Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất và che phủ rừng đến dòng chảy lũ năm 1983 đến 3 tuyến hồ chứa trên lưu vực sông Hương .................................... 122 Bảng 3.16: Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất và che phủ rừng đến dòng chảy lũ năm 1983 ở hạ lưu sông Hương .......................................................................... 123 Bảng 3.17: Hiệu quả giảm lũ ở hạ lưu sông Hương khi các hồ vận hành phối hợp so với vận hành độc lập............................................................................................ 126 Bảng 3.18: Dung tích phòng lũ đề xuất của các hồ trên lưu vực sông Hương ...... 129 Bảng 3.19: Hiệu quả giảm lũ hạ lưu sông Hương khi các hồ vận hành phối hợp và tăng dung tích phòng lũ so với giữ nguyên dung tích phòng lũ và vận hành độc lập ....... 132 Bảng 3.20: Mức tăng, giảm mực nước hạ lưu sông Hương dưới tác động của các công trình và biến đổi khí hậu so với không có công trình ................................... 137 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án ................................................... 20 Hình 1.2: Lưu vực sông Hương trên lãnh thổ Việt Nam......................................... 21 Hình 1.3: Hình thể địa lý và ranh giới lưu vực sông Hương ................................... 22 Hình 1.4: Sơ đồ mạng lưới sông ngòi lưu vực sông Hương.................................... 29 Hình 1.5: Sơ đồ đẳng trị lớp dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Hương .............................................................................................................................. 30 Hình 1.6: Biến đổi nhiệt độ trung bình năm trên lưu vực sông Hương ................... 38 Hình 1.7: Biến đổi lượng mưa năm trên lưu vực sông Hương ............................... 39 Hình 1.8: Biến đổi lượng mưa mùa mưa trên lưu vực sông Hương ........................ 40 Hình 1.9: Biến đổi lượng mưa mùa khô trên lưu vực sông Hương ......................... 41 Hình 1.10: Biến đổi lượng bốc hơi năm tại Huế và Nam Đông .............................. 43 Hình 1.11: Số trận bão ảnh hưởng đến Thừa Thiên Huế từ năm 1950-2009 ........... 44 Hình 1.12: Số lần xuất hiện đỉnh lũ trên báo động II tại Kim Long ........................ 44 Hình 1.13: Biến đổi lưu lượng trung bình mùa hàng năm tại Thượng Nhật ............ 45 Hình 1.14: Biến đổi lưu lượng 1, 3 tháng liên tiếp nhỏ nhất, lớn nhất tại Thượng Nhật ...................................................................................................................... 45 Hình 1.15: Biến đổi mực nước thấp nhất và cao nhất tại Kim Long và Phú Ốc ...... 46 Hình 2.1: Vị trí các công trình thủy lợi – thủy điện lớn trên lưu vực sông Hương .. 53
x Hình 2.2: Khung đánh giá tác động của các công trình thủy lợi- thủy điện đến một số yếu tố thủy văn- thủy lực sông Hương............................................................... 55 Hình 2.3: Phân chia các lưu vực bộ phận lưu vực sông Hương .............................. 70 Hình 2.4: Phân bố chỉ số CN lưu vực sông Hương năm 2000 ................................ 72 Hình 2.5: Sơ đồ thủy văn lưu vực sông Hương trong mô hình HEC-HMS ............ 73 Hình 2.6: Sơ đồ mạng lưới thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương .......................... 74 Hình 2.7: Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Hương trong HEC-RAS........................... 76 Hình 2.8: Đường quan hệ mực nước, diện tích, dung tích hồ Tả Trạch .................. 76 Hình 2.9: Biên triều tại cửa Thuận An các thời đoạn tính toán ............................... 78 Hình 2.10: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Cổ Bi năm 1983.... 80 Hình 2.11: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Cổ Bi năm 1984.... 80 Hình 2.12: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Bình Điền năm 1983 .............................................................................................................................. 81 Hình 2.13: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Bình Điền năm 1984 . .............................................................................................................................. 81 Hình 2.14: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Dương Hòa năm 1986 ..................................................................................................................... 82 Hình 2.15: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Dương Hòa năm 1987 ..................................................................................................................... 82 Hình 2.16: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC–HMS tại Cổ Bi .............................. 84 Hình 2.17: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC–HMS tại trạm Bình Điền ................ 84 Hình 2.18: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC–HMS tại trạm Dương Hòa .............. 85 Hình 2.19: Kết quả kiểm định mô hình HEC–HMS tại Cổ Bi ................................ 86 Hình 2.20: Kết quả kiểm định mô hình HEC–HMS tại trạm Bình Điền ................. 86 Hình 2.21: Kết quả kiểm định mô hình HEC–HMS tại trạm Dương Hòa ............... 87 Hình 2.22: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC-RAS năm 1984 tại Kim Long .......... 88 Hình 2.23: Kết quả kiểm định mô hình HEC-RAS năm 1999 tại Kim Long .......... 88 Hình 2.24: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC-RAS năm 1984 tại Phú Ốc .............. 89 Hình 2.25: Kết quả kiểm định mô hình HEC-RAS năm 1999 tại Phú Ốc ............... 89 Hình 2.26: Kết quả kiểm định dòng chảy lũ tháng X/1984 tại Kim Long ............... 90 Hình 2.27: Kết quả kiểm định dòng chảy lũ tháng X/1984 tại Phú Ốc ................... 91
xi Hình 2.28: Kết quả kiểm định dòng chảy kiệt từ 1/VI-31/VIII/1984 tại Kim Long .... .............................................................................................................................. 91 Hình 2.29: Kết quả kiểm định dòng chảy kiệt từ 1/VI-31/VIII/1984 tại Phú Ốc ......... .............................................................................................................................. 92 Hình 3.1: Minh họa thiết lập chương trình vận hành hồ chứa ............................... 100 Hình 3.2: Quá trình mực nước trong năm nước trung bình tại Kim Long ............. 104 Hình 3.3: Quá trình mực nước trong năm nước trung bình tại Phú Ốc ................. 104 Hình 3.4: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long theo các trường hợp ...................................................................................................................... 106 Hình 3.5: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Phú Ốc theo các trường hợp ...................................................................................................................... 107 Hình 3.6: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1983 tại Kim Long theo các trường hợp ...................................................................................................................... 109 Hình 3.7: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1983 tại Phú Ốc theo các trường hợp ...................................................................................................................... 109 Hình 3.8: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long khi các hồ vận hành theo phương án I, xét biến đổi khí hậu ........................................................ 112 Hình 3.9: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long khi các hồ vận hành theo phương án II, xét biến đổi khí hậu ....................................................... 112 Hình 3.10: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Phú Ốc khi các hồ vận hành theo phương án I, xét biến đổi khí hậu ........................................................ 113 Hình 3.11: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Phú Ốc khi các hồ vận hành theo phương án II, xét biến đổi khí hậu ....................................................... 113 Hình 3.12: Quá trình mực nước mùa cạn năm nước trung bình tại Kim Long ...... 114 Hình 3.13: Quá trình mực nước mùa cạn năm nước trung bình tại Phú Ốc........... 115 Hình 3.14: Quan hệ lưu lượng và mực nước tại trạm Bình Điền trước và sau khi có hồ Bình Điền ....................................................................................................... 117 Hình 3.15: Biểu đồ điều phối vận hành hồ Bình Điền .......................................... 130 Hình 3.16: Biểu đồ điều phối vận hành hồ Hương Điền ....................................... 130
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Sông Hương là sông liên tỉnh song chủ yếu thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế, có tài nguyên nước rất phong phú nhưng phân bố rất không đều trong năm, những đặc điểm của tài nguyên nước và điều kiện lưu vực tạo ra những khó khăn trong khai thác phục vụ phát triển kinh tế – xã hội. Hiện nay trên lưu vực đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi – thủy điện lớn, có tác động đáng kể đến chế độ thủy văn - thủy lực sông Hương. Để có thể quản lý và khai thác tài nguyên nước lưu vực sông Hương hiệu quả hơn, cần xác định, hiểu rõ và định lượng được những thay đổi của chế độ dòng chảy ở hạ lưu sông Hương do tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực. Những năm gần đây đã có một số nghiên cứu liên quan đến đánh giá tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông Hương. Tuy nhiên các nghiên cứu này mới xem xét các tác động một cách riêng rẽ, tập trung chủ yếu vào đánh giá tác động môi trường của từng hồ chứa đơn độc. Một số nghiên cứu xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu trên lưu vực và đề xuất các giải pháp ứng phó, một số khác nghiên cứu tác động của nước biển dâng đối với vùng ven biển mà chưa đi sâu nghiên cứu đánh giá tác động của cả hệ thống công trình thủy lợi- thủy điện đến tài nguyên nước và chế độ thủy văn- thủy lực của sông Hương. Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội hiện nay của tỉnh Thừa Thiên Huế, việc nghiên cứu tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện đến chế độ dòng chảy sông Hương là vấn đề cấp thiết phục vụ cho qui hoạch và quản lý khai thác sử dụng tổng hợp có hiệu quả tài nguyên nước. Vì vậy việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu” là cần thiết, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững kinh tế - xã hội trên lưu vực, đặc
2 biệt phục vụ cho công tác cấu trúc lại cơ cấu nông nghiệp và xây dựng tỉnh Thừa Thiên Huế phát triển thành thành đô thị loại I trực thuộc Trung ương. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU  Làm rõ sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu.  Đề xuất các giải pháp thích ứng nhằm giảm thiểu tác động xấu đến phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường hạ lưu sông Hương. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án thực hiện các nội dung sau: 1) Nghiên cứu các đặc điểm tài nguyên nước, chế độ thủy văn - thủy lực và phân tích các yếu tố tác động đến chế độ thủy văn - thủy lực sông Hương. 2) Nghiên cứu xu thế biến đổi một số yếu tố khí hậu, thủy văn trên lưu vực sông Hương. 3) Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn - thủy lực để tính toán mô phỏng dòng chảy năm, dòng chảy lũ, dòng chảy kiệt sông Hương. 4) Đánh giá sự thay đổi một số yếu tố thủy văn – thủy lực hạ lưu sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện khi không xét và có xét đến biến đổi khí hậu. 5) Trên cơ sở các kết quả phân tích đánh giá, luận án đề xuất những giải pháp định hướng để giảm thiểu tác động tiêu cực của các công trình thủy lợi - thủy điện, góp phần phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường trên lưu vực sông Hương. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung đánh giá thay đổi về một số yếu tố thủy văn, thủy lực vùng hạ lưu sông Hương dưới tác động của hệ thống các công trình thủy lợi – thủy điện lớn trên lưu vực.
3 Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Hương, chủ yếu là khu vực hạ lưu từ sau đập các hồ chứa lớn đến đập Thảo Long. Phạm vi thời gian: Từ nay đến năm 2030 khi chưa có những thay đổi lớn về hệ thống công trình cũng như biến đổi khí hậu, nước biển dâng. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các phương pháp được sử dụng trong luận án bao gồm: 1) Phương pháp kế thừa: Thừa kế có chọn lọc các kết quả nghiên cứu, điều tra cơ bản trước đây có liên quan đến nội dung của Luận án. 2) Điều tra, khảo sát: Nhằm thu thập, bổ sung, cập nhật các số liệu khí tượng - thủy văn, địa hình, điều kiện tự nhiên, các hoạt động quản lý và khai thác trên lưu vực sông. 3) Phân tích thống kê: Phân tích xử lý các số liệu về khí tượng, khí hậu, thủy văn, điều kiện dân sinh - kinh tế nhằm tìm ra xu thế diễn biến khí hậu, qui luật diễn biến về lũ, kiệt, xu thế biến đổi các điều kiện mặt đệm và phát triển kinh tế - xã hội. 4) Mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực: Là phương pháp được sử dụng để lượng hóa các tác động của các công trình thủy lợi- thủy điện đến chế độ thủy văn- thủy lực của hệ thống sông. 5) Phương pháp GIS: Sử dụng các phần mềm GIS để biên tập, trình bày các bản đồ và tính toán các thông số. Các phần mềm được sử dụng chính trong đề tài: ArcGIS, Mapinfo. 6) Phân tích hệ thống: Đánh giá các tác động gây biến đổi dòng chảy dựa trên cơ sở phân tích toàn hệ thống lưu vực sông bao gồm các hồ chứa thủy lợi - thủy điện, thông qua từng lưu vực bộ phận, từ đó rút ra các qui luật biến đổi của chúng và đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực. 7) Phương pháp chuyên gia và tham vấn ý kiến cộng đồng: Thông qua các hội thảo và điều tra khảo sát thực địa để thu thập thông tin, trao đổi để đi đến thống
4 nhất về những quan điểm, nguyên nhân và các giải pháp phòng, chống và giảm thiểu thích hợp. 5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày theo 3 chương: Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương II: Phân tích và tính toán. Chương III: Kết quả và thảo luận. 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Thông qua các kết quả nghiên cứu, luận án có thể rút ra một số đóng góp mới như sau: 1) Đã đánh giá được một cách định lượng những tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện trên lưu vực sông Hương và tác động của biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn - thủy lực ở hạ lưu hệ thống sông Hương. 2) Đã đề xuất được các giải pháp phi công trình và công trình nhằm giảm thiểu những tác động tiêu cực của các công trình thủy lợi – thủy điện trên lưu vực sông Hương đến chế độ dòng chảy ở hạ lưu và nâng cao hiệu quả khai thác của các công trình.
5 Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Theo thống kê chưa đầy đủ của Ủy ban Đập lớn Thế giới, hiện nay có trên 50.000 hồ chứa nước lớn (với đập cao hơn 15m hoặc dung tích hơn 3 triệu m3) được xây dựng trên toàn thế giới. Ba quốc gia nhiều đập lớn nhất thế giới là Trung Quốc có khoảng 22.000 đập, Hoa Kỳ 6.575 đập và Ấn Độ 4.291 đập [66]. Lợi ích các hồ chứa nước là rất lớn và khá đa dạng, điển hình nhất là cung cấp nước cho các nhu cầu khác nhau, phát điện, chống lũ hạ lưu, tạo cơ hội phát triển kinh tế - xã hội, xóa đói giảm nghèo, cải thiện vi khí hậu,… Tuy nhiên, những tác động làm thay đổi chế độ thủy văn - thủy lực và các vấn đề môi trường khác là rất đáng kể và phức tạp. Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến tác động của các hồ chứa và biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu của lưu vực sông, một số công trình nghiên cứu tiêu biểu có thể tóm tắt như sau: - S. Shalash (1980) [89] đã nghiên cứu sự sụt giảm bùn cát đáy, mức độ hạ thấp đáy sông và mực nước sau đập trong giai đoạn 1964-1978 để đánh giá ảnh hưởng của đập High Aswan lên chế độ thủy văn- thủy lực ở hạ lưu sông Nile bằng phương pháp khảo sát, đo đạc địa hình lòng dẫn hạ lưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ hạ thấp đáy sông và mực nước ở hạ lưu sau đập biến đổi trong khoảng từ 50 đến 20 mm mỗi năm, tốc độ hạ thấp mực nước và đáy sông đạt cao nhất trong thời gian bắt đầu vận hành đập và giảm dần theo thời gian. Nghiên cứu này được thực hiện sớm, công phu và tốn kém nhiều kinh phí, tập trung chủ yếu vào nghiên cứu xói mòn lòng dẫn. - Trên cơ sở phát triển của Richter và nnk (1996) [86], Francis J. Magilligan và Keith H. Nislow (2003) [78] đã nghiên cứu các ảnh hưởng của các đập hồ chứa đến chế độ dòng chảy hạ lưu các con sông ở Hoa Kỳ bằng việc sử dụng Chỉ số Biến
6 đổi Thủy văn (the Indicators of Hydrologic Alteration) để định lượng những thay đổi chế độ dòng chảy tại các trạm thủy văn từ các số liệu đo đạc trước và sau khi vận hành công trình. - Ramon J. Batalla và nnk (2000) [76] đã nghiên cứu sự thay đổi chế độ dòng chảy do ảnh hưởng của các công trình hồ chứa nước trên lưu vực sông Ebro ở vùng đông bắc Tây Ban Nha chịu sự điều tiết của trên 187 đập nước, với tổng dung tích xấp xỉ 57% tổng lượng dòng chảy trung bình năm. Nghiên cứu đã phân tích số liệu của 38 trạm thủy văn trên 22 nhánh sông để đánh giá sự thay đổi thủy văn do các hồ chứa trên lưu vực gây ra. Kết quả cho thấy dòng chảy lũ với tần suất 2 năm xảy ra 1 lần và 10 năm xảy ra 1 lần trung bình giảm trên 30%, còn với dòng chảy năm không có xu thế rõ rệt. - William L. Graf (2005) [96] đã nghiên cứu 137 hồ chứa rất lớn (dung tích hồ hơn 1,2 km3) và khảo sát, phân tích dữ liệu của 72 con sông trên khắp lãnh thổ Hoa Kỳ, kết quả nghiên cứu cho thấy: trung bình các hồ chứa nước đã làm giảm nhỏ đỉnh lũ đến 67% (nhiều nhất đến 90%), giảm lưu lượng trung bình lớn nhất hàng năm 60%, và trung bình ngày lớn nhất 64%. So với những con sông không bị điều tiết (không có hồ chứa) thì những con sông bị điều tiết bị thay đổi mạnh mẽ về kích thước lòng dẫn: mặt cắt thủy lực dòng chảy kiệt tăng lên 32%, mặt cắt thủy lực dòng chảy lũ giảm đi 50%; khả năng hoạt động của các vùng đồng bằng lũ ven sông giảm 79%, và vùng đồng bằng lũ không còn chức năng hoạt động tăng 3,6 lần. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong những năm gần đây về tác động của biến đổi khí hậu đến lượng mưa, dòng chảy, lũ lụt, hạn hán trên các lưu vực sông trên cơ sở sử dụng kết quả dự tính khí hậu của các mô hình hoàn lưu tổng quát GCM (General Circulation Model) làm đầu vào cho các mô hình khác để cuối cùng là mô phỏng dòng chảy trong tương lai. Một số nghiên cứu gần đây như sau: - Xu Z.X. và nnk (2008) [95] sử dụng kết quả của các mô hình hoàn lưu tổng quát GCM và phương pháp chi tiết hóa thống kê để dự tính mưa và nhiệt độ trong tương lai, đồng thời sử dụng mô hình thủy văn SWAT (Soil and Water Assessment Tool) để tính toán dòng chảy cho lưu vực thượng nguồn sông Hoàng
7 Hà. Kết quả cho thấy xu hướng giảm dòng chảy trung bình năm trong các thời kỳ tương lai, tuy nhiên kết quả dự tính dòng chảy ứng với mỗi số liệu của mỗi mô hình GCM là khác nhau tương đối lớn. - Kim U. và nnk (2008) [83] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và vận hành đập thủy điện đối với chế độ thủy văn và tài nguyên nước trên lưu vực thượng lưu sông Blue Nile ở Ethiopia, là khu vực có số liệu quan trắc hạn chế. Nghiên cứu này cũng sử dụng đầu ra của 6 mô hình GCM làm đầu vào cho mô hình thủy văn 2 bể chứa đơn. Dựa trên độ chính xác của từng mô hình GCM trong kết quả tính toán mưa và nhiệt độ cho khu vực nghiên cứu, đề tài đã tổ hợp kết quả của các mô hình GCM theo trọng số, sai số tuyệt đối trung bình của từng mô hình càng nhỏ thì trọng số càng lớn. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy mô hình thủy văn 2 bể chứa đơn có thể sử dụng thành công ước tính dòng chảy từ mưa, tuy nhiên để cải thiện độ tin cậy cần tăng cường thu thập, quan trắc khí tượng thủy văn. - Hoanh, C. T. và nnk (2010) [80] trong nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu và sự phát triển đến chế độ dòng chảy sông Mê Công đã sử dụng bộ mô hình DSF (Decision Support Framework) để đánh giá ảnh hưởng của các hồ chứa thượng nguồn thuộc Trung Quốc và các đập trên dòng chính phía hạ lưu thuộc Lào, Campuchia đến dòng chảy hạ lưu thuộc châu thổ Mê Công. Kết quả cho thấy, dưới tác động của biến đổi khí hậu, so với giai đoạn 1985-2000, mức tăng trung bình trong thời kỳ 2010-2050 của dòng chảy năm tại Kratie là 7% theo kịch bản B2, 12,5% theo kịch bản A2. Nếu xét đến cả khai thác sử dụng nước trên lưu vực thì dòng chảy năm tại Kratie trung bình thời kỳ 2010-2050 vẫn tăng lên nhưng mức độ ít hơn, chỉ khoảng 3,7% theo kịch bản B2 và 9% theo kịch bản A2. Tương tự, dòng chảy mùa lũ trung bình tại Kratie tăng 5% và 11% tương ứng theo kịch bản B2 và A2. - K.Vastila và nnk (2010) [94] đã nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến thay đổi cân bằng nước và mực nước biển dâng đến lũ lụt trong vùng đồng bằng ngập lũ hạ lưu sông Mê Công. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chi tiết hóa động lực bằng mô hình khí hậu khu vực PRECIS để hạ qui mô các yếu tố nhiệt độ,