Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:206

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là đánh giá tác động và khả năng đáp ứng yêu cầu tiêu của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH, NBD; Xây dựng cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của của hệ thống Bắc Nam Hà.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LA ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NƯỚC BIỂN DÂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LA ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NƯỚC BIỂN DÂNG Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc Mã số: 62-62-30-01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh 2: GS. TS Đào Xuân Học HÀ NỘI, NĂM 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả, các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc trích dẫn theo đúng quy định. Tác giả luận án La Đức Dũng i
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian miệt mài nghiên cứu, luận án đã hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của GS TS Đào Xuân Học và PGS TS Nguyễn Tuấn Anh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các đơn vị, cá nhân đã tạo điều kiện cung cấp các tài liệu và tham gia góp ý cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu. Xin cảm ơn tác giả các công trình nghiên cứu đã cung cấp nguồn tƣ liệu và những kiến thức liên quan quý báu để tác giả sử dụng trong quá trình nghiên cứu và trích dẫn trong luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng và PTNT; Khoa Kỹ thuật tài nguyên nƣớc; Phòng Đào tạo đại học và sau đại học; Trƣờng Đại học Thủy lợi; Tổng cục Thủy lợi; Viện Quy hoạch thủy lợi; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; Viện kỹ thuật tài nguyên nƣớc; Công ty TNHH một thành viên khai thác công trình thủy lợi Bắc Nam Hà; Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn quốc gia; Viện Khoa học Khí tƣợng thủy văn & Biến đổi khí hậu; Cục Khí tƣợng thủy văn & Biến đổi khí hậu cùng toàn thể các thầy, cô giáo; bạn bè; đồng nghiệp; cơ quan và gia đình đã tạo điều kiện, chia sẻ khó khăn, tham gia ý kiến và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án này. ii
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ........................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu..........................................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu ........................................................3 7. Bố cục của luận án ...................................................................................................3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................4 1.1. Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà ..................................................................4 1.1.1. Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình ................................................................ 5 1.1.2. Đặc điểm mƣa, mạng lƣới sông ngòi và chế độ thủy văn ...........................7 1.1.3. Hiện trạng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà ......................................................10 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nƣớc ...............................................................................14 1.2.1. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nƣớc .........................................................................................14 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nƣớc ở Việt Nam ..........................................................................................16 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu về phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu ..........................................................................................21 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu về quản lý vận hành hệ thống tiêu Bắc Nam Hà ............................................................................................................................... 25 1.5. Kết luận chƣơng ..................................................................................................27 CHƢƠNG 2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU ÚNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƢỚC BIỂN DÂNG ..........29 2.1. Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong giai đoạn hiện tại ................................................................................................................................ 29 2.1.1. Xác định nhu cầu tiêu của hệ thống ..........................................................29 2.1.2. Mô phỏng hệ thống để kiểm tra năng lực tiêu...........................................43 iii
2.2. Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong các giai đoạn 2030 và 2050 ..............................................................................................................70 2.2.1. Xác định kịch bản BĐKH, NBD cho vùng nghiên cứu ............................ 70 2.2.2. Lựa chọn tài liệu mƣa để tính toán cho vùng nghiên cứu .........................72 2.2.3. Xác định mực nƣớc sông tƣơng lai ứng với kịch bản phát thải trung bình cho vùng nghiên cứu ...........................................................................................73 2.2.4. Xây dựng mô hình mƣa tiêu trong điều kiện biến đổi khí hậu .................74 2.2.5. Xây dựng kịch bản sử dụng đất giai đoạn 2030, 2050 .............................. 81 2.2.6. Xác định hệ số tiêu thiết kế của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD ........................................................................................................81 2.2.7. Mô phỏng hệ thống tiêu ứng với trận mƣa thiết kế và hiện trạng hệ thống tƣơng ứng với giai đoạn 2030, 2050 ...................................................................82 2.3. Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD . 84 2.4. Kết luận chƣơng .................................................................................................. 84 CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BNH TRONG ĐIỀU KIỆN BĐKH, NBD ....................................................................86 3.1. Tính toán cân bằng nƣớc cho hệ thống trong các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050 ............................................................................................................................ 86 3.1.1. Phƣơng trình cân bằng nƣớc của lƣu vực tiêu...........................................86 3.1.2. Tính toán cân bằng nƣớc cho hệ thống qua các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050 .....................................................................................................................87 3.2. Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa, chiều sâu trữ và định hƣớng quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD .................................................................................................................................... 92 3.2.1. Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ cho hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD........................92 3.2.2. Định hƣớng trong công tác quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD .........................................................................97 3.3. Đề xuất phƣơng pháp xác định tần suất mực nƣớc sông thiết kế trạm bơm tiêu có tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành nhỏ nhất.......................................... 101 3.3.1. Đánh giá mức độ lãng phí điện năng bơm tiêu khi thiết kế trạm bơm với tần suất mực nƣớc sông thiết kế 10% ................................................................104 3.3.2. Phân tích quan hệ giữa mực nƣớc bể tháo và mực nƣớc sông tiêu .........111 iv
3.3.3. Ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống để xây dựng phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế hợp lý có tổng chi phí xây dựng và vận hành trạm bơm nhỏ nhất .............................................................................................................113 3.3.4. Thuật toán và chƣơng trình tính ..............................................................119 3.3.5. Ứng dụng phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế có tổng chi phí xây dựng và vận hành quy về năm đầu nhỏ nhất cho trạm bơm Hữu Bị ..........123 3.4. Kết luận chƣơng ................................................................................................ 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................139 1. Kết quả đạt đƣợc của luận án ............................................................................... 139 2. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 141 3. Những tồn tại và hƣớng nghiên cứu tiếp.............................................................. 141 4. Kiến nghị .............................................................................................................. 142 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................143 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................144 PHỤ LỤC ....................................................................................................................149 v
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ họa địa giới hành chính Hệ thống Bắc Nam Hà ...................................... 5 Hình 2.1. Sơ đồ xác định các loại cột nƣớc tiêu qua đỉnh đƣờng tràn ....................... 35 Hình 2.2. Sơ đồ tiêu nƣớc qua đƣờng tràn có chế độ chảy tự do ............................... 36 Hình 2.3. Sơ đồ tiêu nƣớc qua đƣờng tràn có chế độ chảy ngập ............................... 37 Hình 2.4. Sơ đồ các loại mực nƣớc trong hồ điều hoà ............................................... 40 Hình 2.5. Bản đồ phân vùng tiêu hệ thống Bắc Nam Hà .......................................... 54 Hình 2.6. Các thành phần của hệ thống mô phỏng bởi SWMM 5.0 ......................... 56 Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong SWMM 5.0 ................................. 58 Hình 2.8. Sơ đồ khối tính toán dòng chảy cho hệ thống BNH .................................. 59 Hình 2.9. Diễn biếnchiều sâu mực nƣớc tại điểm đo CG19. Kết quả kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009 ........................................................................................................... 62 Hình 2.10. Diễn biến chiều sâu mực nƣớc tại điểm đo NTR. Kết quả kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009 ........................................................................................................... 63 Hình 2.11. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại điểm đo NTR- Sông Nhâm Tràng. ......... 66 Hình 2.12. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại điểm CGI-Sông T5 ................................. 67 Hình 2.13. Các nút ngập từ kết quả chạy mô hình ..................................................... 68 Hình 2.14. Mô phỏng đoạn kênh tràn bờ trên sông Long Xuyên .............................. 68 Hình 2.15. Các đoạn kênh tràn bờ từ kết quả chạy mô hình. ..................................... 69 Hình 2.16. Quan hệ mƣa năm và mƣa 5 ngày max trạm Hƣng Yên (1980-1999).... 72 Hình 2.17. Quan hệ mƣa mùa và mƣa 5 ngày max trạm Hƣng Yên (1980-1999).... 73 Hình 2.18. Xu thế mƣa 3, 5, 7 ngày Max Trạm Phủ Lý (Giai đoạn 1980-2059)....... 79 Hình 2.19. Xu thế mƣa 3, 5, 7 ngày Max Trạm Nam Định (Giai đoạn 1980-2059) 79 Hình 2.20. Xu thế thời gian ngập qua các thời kỳ ..................................................... 83 Hình 3.1. Năng lực và nhu cầu tiêu các giai đoạn ..................................................... 89 Hình 3.2. Nhu cầu tăng năng lực bơm tiêu hệ thống qua các giai đoạn .................... 89 Hình 3.3. Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2030 ........................................... 94 Hình 3.4. Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2050 .......................................... 96 Hình 3.5. Ảnh phân bố ao hồ tháng 9/2007 – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam .................................................................................................... 99 Hình 3.6. So sánh diện tích ao đã bị lấp – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam .................................................................................................... 99 vi
Hình 3.7. Ảnh phân bố ao tháng 9/2007 – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định .......................................................................................................... 100 Hình 3.8. So sánh diện tích ao đã bị lấp – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định .......................................................................................................... 100 Hình 3.9. So sánh tần suất mƣa trong đồng và mực nƣớc sông trạm Nhƣ Trác ...... 103 Hình 3.10. Cắt dọc bể tháo trạm bơm ...................................................................... 108 Hình 3.11: Trạm bơm tiêu làm việc trong trƣờng hợp mực nƣớc sông tiêu nhỏ hơn mực nƣớc bể tháo tại trạm bơm Phù Đổng .............................................................. 112 Hình 3.12: Sơ đồ tính cột nƣớc địa hình dƣ thừa ..................................................... 112 Hình 3.13: Sơ đồ khối xác định mực nƣớc bể tháo tối ƣu ....................................... 119 Hình 3.14: Sơ đồ khối tính toán điện năng tiêu thụ của trạm bơm tiêu ................... 120 Hình 3.15. Giao diện chƣơng trình tính toán xác định phƣơng án tối ƣu ............... 122 Hình 3.16. Xu thế chi phí xây dựng theo các mực nƣớc sông thiết kế .................... 128 Hình 3.17. Xu thế Cđnj ~ ZsTK theo phƣơng án I .................................................. 131 Hình 3.18: Xu thế Cđnj ~ ZsTK theo phƣơng án II ................................................. 131 Hình 3.19: Diễn biến Ctổng theo mực nƣớc sông thiết kế (Phƣơng án I) ............... 133 Hình 3.20: Diễn biến Ctổng theo mực nƣớc sông thiết kế (Phƣơng án II) .............. 133 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân bố cao độ ruộng đất khu vực Bắc Nam Hà ......................................... 6 Bảng 1.2. Các mực nƣớc tháng trên sông Hồng, sông Đáy, sông Đào ........................ 8 Bảng 1.3. Mức báo động tại một số vị trí trên sông ..................................................... 9 Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật của một số trạm bơm ................................................... 10 Bảng 1.5. Quy mô một số trạm bơm trong hệ thống ................................................ 11 Bảng 1.6. Hệ thống kênh trục chính và cống điều tiết của 6 trạm bơm lớn .............. 12 Bảng 2.1. Thời điểm diễn ra các trận mƣa mƣa 3, 5, 7 ngày max và tỷ trọng mƣa tại trạm Ninh Bình giai đoạn hiện tại. ............................................................................. 30 Bảng 2.2. Sự phụ thuộc giữa các trận mƣa thời đoạn ngắn vào các trận mƣa thời đoạn dài trạm Ninh Bình ............................................................................................ 32 Bảng 2.3. Tổng hợp sự phụ thuộc giữa các trận mƣa thời đoạn ngắn vào các trận mƣa thời đoạn dài và tỷ trọng giữa các trận mƣa giai đoạn hiện tại .......................... 32 Bảng 2.4. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại - Trạm Hƣng Yên ....... 33 Bảng 2.5. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại – Trạm Nam Định ....... 34 Bảng 2.6. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại – Trạm Ninh Bình ....... 34 Bảng 2.7. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại – Trạm Phủ Lý ............ 34 Bảng 2.8. Hệ số dòng chảy C cho đối tƣợng tiêu nƣớc trong các hệ thống thủy lợi theo TCVN 10406: 2015 ............................................................................................ 41 Bảng 2.9. Hệ số tiêu thiết kế theo các trạm đo mƣa khống chế giai đoạn hiện tại .... 42 Bảng 2.10. Công trình đầu mối và cống điều tiết trong các khu tiêu......................... 52 Bảng 2.11. Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo node CG19-Mỹ Hà ............................................................................................................................... 64 Bảng 2.12. Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo NTR - Nhâm Tràng .......................................................................................................................... 64 Bảng 2.13. Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo tại các vị trí trên sông Nhƣ Trác, Sắt, Châu Giang, Nhâm Tràng .................................................................. 66 Bảng 2.14. Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo tại các vị trí trên sông Sắt, sông Châu Giang, sông T5 .................................................................................. 66 Bảng 2.15. So sánh mực NBD kịch bản B2 và RCP4.5 giai đoạn 2030 và 2050 ...... 74 Bảng 2.16. Trận mƣa 3, 5,7 ngày max tại trạm Ninh Bình thời kỳ 2030 ................. 75 viii
Bảng 2.17. Sự phụ thuộc giữa các trận mƣa thời đoạn ngắn vào các trận mƣa thời đoạn dài trạm Ninh Bình thời kỳ 2030....................................................................... 76 Bảng 2.18. Trận mƣa 3, 5,7 ngày max tại trạm Hƣng Yên thời kỳ 2050 .................. 76 Bảng 2.19. Sự phụ thuộc giữa các trận mƣa thời đoạn ngắn vào các trận mƣa thời đoạn dài trạm Hƣng Yên thời kỳ 2050 ....................................................................... 77 Bảng 2.20. Tổng hợp sự phụ thuộc giữa các trận mƣa thời đoạn ngắn vào các trận mƣa thời đoạn dài và tỷ trọng giữa các trận mƣa giai đoạn 2030 .............................. 77 Bảng 2.21. Sự phụ thuộc mƣa thời đoạn ngắn vào mƣa thời đoạn dài GĐ 2050 ...... 77 Bảng 2.22. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2030 - Ninh Bình................ 80 Bảng 2.23. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2030 – Nam Định ............... 80 Bảng 2.24. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2050 – Ninh Bình ............... 80 Bảng 2.25. Mô hình mƣa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2050 – Nam Định ............... 81 Bảng 2.26. Diện tích các loại đất khu vực BNH qua các giai đoạn ........................... 81 Bảng 2.27. Tổng hợp hệ số tiêu các giai đoạn ........................................................... 82 Bảng 2.28. Số khu ngập và các đoạn kênh ngập qua các thời kỳ .............................. 82 Bảng 2.29. Thời gian ngập tại các khu ngập qua các thời kỳ .................................... 83 Bảng 3.1. Nhu cầu tiêu nƣớc cho các tiểu lƣu vực trong giai đoạn hiện tại .............. 87 Bảng 3.2. Nhu cầu tiêu nƣớc cho các tiểu lƣu vực trong giai đoạn 2030 .................. 88 Bảng 3.3. Nhu cầu tiêu nƣớc cho các tiểu lƣu vực trong giai đoạn 2050 .................. 88 Bảng 3.4. Kết quả tính cân bằng nƣớc của các lƣu vực tiêu ..................................... 89 Bảng 3.5. Khả năng đáp ứng nhu cầu tiêu của các lƣu vực tiêu trong các giai đoạn 90 Bảng 3.6. Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 Trạm Nam Định (l/s-ha)............. 93 Bảng 3.7. Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 Trạm Phủ Lý (l/s-ha) .................. 93 Bảng 3.8. Hệ số tiêu bình quân toàn hệ thống theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 ............ 94 Bảng 3.9. Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2050 Trạm Hƣng Yên (l/s-ha) ............ 95 Bảng 3.10. Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2050 Trạm Ninh Bình (l/s-ha) .......... 95 Bảng 3.11. Hệ số tiêu bình quân toàn hệ thống theo α, Htrữ, giai đoạn 2050 .......... 96 Bảng 3.12. Kết quả so sánh tần suất xuất hiện mƣa trong đồng và tần suất xuất hiện mực nƣớc sông tƣơng ứng ở trạm bơm Nhƣ Trác ................................................... 103 Bảng 3.13. Tổng hợp kết quả tính toán tổn thất cột nƣớc và điện năng lãng phí tại trạm bơm Nhân Hòa từ năm 2004 đến năm 2011 .................................................... 106 Bảng 3.14. Các thông số thiết kế của trạm bơm Cốc Thành.................................... 109 ix
Bảng 3.15. Tổng hợp kết quả tính điện năng tiêu thụ của trạm bơm Cốc Thành từ năm 1990 đến năm 2012 theo các phƣơng án (Kwh) .............................................. 110 Bảng 3.16. Cao trình và cột nƣớc bơm thiết kế theo các phƣơng án ....................... 124 Bảng 3.17. Thông số làm việc của máy bơm theo các phƣơng án .......................... 126 Bảng 3.18. Chi phí xây dựng công trình tháo theo các phƣơng án mực nƣớc thiết kế .............................................................................................................................. 127 Bảng 3.19. Chi phí điện năng bình quân năm theo các phƣơng án mực nƣớc thiết kế .............................................................................................................................. 129 Bảng 3.20. Chi phí điện năng quy về năm đầu (Cđnj) theo các phƣơng án mực nƣớc thiết kế ...................................................................................................................... 130 Bảng 3.21. Tổng chi phí xây dựng, quản lý vận hành quy về năm đầu theo các phƣơng án mực nƣớc thiết kế .................................................................................. 132 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ BĐKH - Biến đổi khí hậu BĐKH NBD - Biến đổi khí hậu nƣớc biển dâng ĐBBB - Đồng Bằng Bắc Bộ IPCC - Tổ chức liên chính phủ về biến đổi khí hậu RCP - Kịch bản nồng độ khí nhà kính đặc trƣng RCP2.6 - Kịch bản nồng độ khí nhà kính thấp RCP4.5 - Kịch bản nồng độ khí nhà kính trung bình thấp RCP6.0 - Kịch bản nồng độ khí nhà kính trung bình cao RCP8.5 - Kịch bản nồng độ khí nhà kính cao AGCM/MRI - Mô hình của Viện nghiên cứu khí tƣợng Nhật Bản PRECIS - Mô hình khí hậu khu vực của Trung tâm khí tƣợng Hadlay Vƣơng quốc Anh CCAM - Mô hình khí quyển bảo giác lập phƣơng RegCM - Mô hình khí hậu khu vực clWRF - Mô hình WRF phiên bản cho nghiên cứu khí hậu SRES - Báo cáo đặc biệt về kịch bản phát thải A1FI - Kịch bản phát thải cao nhất B2 - Kịch bản phát thải trung bình B1 - Kịch bản phát thải thấp xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà (BNH) là một trong những hệ thống tiêu động lực lớn nhất ở Việt Nam, với tổng diện tích tiêu 85.326 ha thuộc khu vực đồng chiêm trũng của các tỉnh Nam Định, Hà Nam. Trước khi xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn, đây là vùng bị úng ngập nghiêm trọng, tình trạng ngập úng thường xuyên diễn ra trong mùa mưa, chỉ với trận mưa 150mm đã gây ngập lụt cho toàn vùng trong thời gian dài và người dân đã phải thốt lên “Thà rằng ở vậy cho xong, chớ đi lấy chồng ở chốn đồng chiêm”, bởi cái cảnh sống ngâm da và chết ngâm xương.. Trong thập niên 1960 - 1970, Nhà nước đã đầu tư xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn: Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng với tổng lưu lượng bơm tiêu là 220 m3/s, hệ số tiêu bình quân toàn vùng đạt 2,9 l/s/ha. Sau khi hoàn thành xây dựng hệ thống 6 trạm bơm lớn, bước đầu đã giải quyết được tình trạng ngập úng thường xuyên trong khu vực và nâng diện tích cấy lúa vụ mùa và diện tích trồng màu lên đáng kể. Trải qua hơn 50 năm khai thác vận hành, sau nhiều lần quy hoạch, đầu tư xây dựng bổ sung, một số trạm bơm đã được xây dựng để nâng cao năng lực tiêu cho hệ thống như: Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh, Quang Trung…đã nâng hệ số tiêu của hệ thống lên 4,67l/s/ha với tổng lưu lượng bơm là 350,49m3/s. Tuy nhiên, trải qua một quá trình phát triển kinh tế - xã hội, trong hệ thống đã có nhiều biến động lớn: Cơ cấu kinh tế, cơ cấu cây trồng vật nuôi có những thay đổi đáng kể; diện tích dành cho công nghiệp, khu dân cư và đô thị tăng nhiều, kéo theo là việc san lấp ao, hồ cũng gia tăng, cùng với tác động tiêu cực của Biến đổi khí hậu, nước biển dâng, đã làm cho nhu cầu tiêu nước của hệ thống tăng lên rất nhanh. Bên cạnh đó, hệ thống công trình thuỷ lợi sử dụng lâu năm đã xuống cấp, không còn đảm bảo năng lực thiết kế, hệ thống kênh trục dẫn nước bị bồi lắng, công trình bị lấn chiếm đã làm hạn chế đáng kể năng lực tiêu, dẫn đến sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu và nhu cầu tiêu của hệ thống, nên tình trạng ngập úng trong khu vực xảy ra thường xuyên 1
và ngày càng khốc liệt, làm ảnh hưởng lớn đến phát triển kinh tế, xã hội và đời sống nhân dân trong vùng. Với những lý do đã nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” đã được đề xuất để nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tác động và khả năng đáp ứng yêu cầu tiêu của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH, NBD; - Xây dựng cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của của hệ thống Bắc Nam Hà. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Hệ thống tiêu nước bằng động lực; nhu cầu tiêu và các biện pháp tiêu nước mặt do tác động của sự thay đổi các yếu tố tự nhiên và xã hội. - Phạm vi nghiên cứu ứng dụng là hệ thống tiêu Bắc Nam Hà và các vùng có điều kiện tự nhiên, xã hội và công trình tương tự. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan các công trình khoa học liên quan đến đề tài; - Đánh giá năng lực tiêu trong giai đoạn hiện tại và nguyên nhân gây nên ngập úng. - Nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH, NBD đến nhu cầu tiêu của hệ thống; đánh giá năng lực tiêu của hệ thống hiện tại trong điều kiện BĐKH, NBD; - Cân bằng nước cho hệ thống trong các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050; - Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích ao hồ và chiều sâu trữ làm cơ sở cho việc quy hoạch và đề xuất giải pháp tiêu cho hệ thống; - Xây dựng phương pháp xác định tần suất mực nước sông để thiết kế trạm bơm đảm bảo tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành công trình nhỏ nhất. 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu và thành tựu khoa học của các tác giả đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan. - Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu: Điều tra, thu thập tài liệu, khảo sát và nghiên cứu thực tế, phân tích đánh giá và tổng hợp tài liệu để từ đó rút ra các cơ sở khoa học và khả năng ứng dụng vào thực tiễn. - Phương pháp mô hình mô phỏng: Sử dụng mô hình toán để mô phỏng hệ thống tiêu. - Phương pháp phân tích thống kê: Sử dụng trong tính toán tần suất mưa, mực nước sông thiết kế và xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm. - Phương pháp tối ưu hóa: Để xác định tần suất mực nước sông thiết kế tối ưu. - Phương pháp phân tích tổng hợp. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã cung cấp được phương pháp luận khoa học cho việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế hợp lý đảm bảo tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành các trạm bơm tiêu là nhỏ nhất; xây dựng được mối quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích ao hồ và chiều sâu trữ cho hệ thống BNH. - Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã xác định được nhu cầu tiêu và đánh giá năng lực tiêu của hệ thống trong điều kiện BĐKH, NBD; Xây dựng được cơ sở khoa học cho cho việc đề xuất giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa đa mục tiêu nhằm giảm nhu cầu tiêu. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương: Chương 1- Tổng quan Chương 2- Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng Chương 3- Xây dựng cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu BNH trong điều kiện BĐKH NBD. 3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà Hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà là một trong số 22 vùng thủy lợi của Đồng Bằng Bắc Bộ, hệ thống có nhiệm vụ tưới cho 59.000ha đất nông nghiệp; tạo nguồn cấp nước sinh hoạt cho khoảng 1,2 triệu dân, các khu công nghiệp và các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp trong vùng; Tiêu nước, chống ngập úng cho khoảng 85.326ha diện tích phía trong đê, hỗ trợ tiêu cho diện tích trong bối ngoài đê khoảng 15.025 ha. Trước khi xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn, đây là vùng bị úng ngập nghiêm trọng, tình trạng úng ngập thường xuyên diễn ra trong mùa mưa, chỉ với trận mưa 150mm đã gây nên ngập lụt toàn vùng trong thời gian dài. Trong thập niên 60, 70 của thế kỷ 20 nhà nước đã đầu tư xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn: Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng với tổng lượng bơm tiêu ra ngoài khu vực 220 m3/s, hệ số tiêu bình quân toàn vùng đạt 2,9 l/s/ha. Sau khi hoàn thành xây dựng hệ thống 6 trạm bơm lớn, bước đầu đã giải quyết được tình trạng ngập úng thường xuyên trong khu vực và nâng diện tích cấy lúa vụ mùa lên đáng kể. Trải qua hơn 50 năm khai thác, vận hành, sau nhiều lần quy hoạch, đầu tư xây dựng bổ sung, một số trạm bơm đã được xây dựng để nâng cao năng lực tiêu của hệ thống như: Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh, Quang Trung…đã nâng hệ số tiêu của hệ thống lên 4,67l/s/ha với tổng lưu lượng bơm ra ngoài khu vực đạt 350,49m3/s. Trong thời gian qua cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, hệ thống đã có nhiều biến động lớn: cơ cấu kinh tế, cây trồng vật nuôi có những thay đổi đáng kể; tốc độ công nghiệp, đô thị hoá nhanh cùng với tác động tiêu cực của BĐKH NBD đã làm cho nhu cầu tiêu nước của hệ thống tăng rất nhanh. Bên cạnh đó hệ thống công trình thuỷ lợi sử dụng lâu năm đã xuống cấp, không còn đảm bảo năng lực thiết kế; hệ thống kênh trục dẫn nước bị bồi lắng; công trình bị lấn chiếm làm hạn chế đáng kể năng lực tiêu của hệ thống dẫn đến sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu và nhu cầu tiêu của hệ thống, nên tình trạng ngập úng trong khu vực xảy ra thường xuyên và ngày càng khốc liệt. 4
Với những lý do trên, tác giả đã lựa chọn hệ thống tiêu Bắc Nam Hà để nghiên cứu trong luận án này. 1.1.1. Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình Bắc Nam Hà là vùng đồng chiêm trũng của Đồng bằng Bắc Bộ, nằm trải dài từ 20o36’15” đến 20o36’45” vĩ độ bắc, bề ngang kéo dài từ 105o5’ đến 106o13’ kinh độ đông và được bao bọc bởi 4 sông lớn: Hình 1.1. Sơ họa địa giới hành chính Hệ thống Bắc Nam Hà [1] - Phía Bắc giáp sông Châu, sông Hồng; - Phía Nam giáp sông Đáy, sông Đào; 5
- Phía Đông giáp sông Hồng, sông Nam Định (Sông Đào); - Phía Tây giáp sông Đáy. Tổng diện tích tự nhiên của hệ thống 91.839 ha, trong đó có 85.326 ha đất trong đê của 8 huyện, thị ở các tỉnh Nam Định, Hà Nam. Các huyện thị của tỉnh Nam Định gồm: Thành phố Nam Định, huyện Mỹ Lộc, Vụ Bản, Ý Yên; các huyện, thị của tỉnh Hà Nam gồm: Thành phố Phủ Lý, huyện Thanh Liêm, Bình Lục, Lý Nhân. Đặc điểm địa hình của hệ thống khá phức tạp, cao thấp xen kẽ, nhiều khu vực lòng chảo; hướng dốc từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Ruộng đất phần lớn ở cao độ (+0,75 ÷ +1,5)m; các khu vực cao thuộc Bắc Lý Nhân, ven sông Đào, sông Châu; các khu vực trũng, thấp có cao độ từ (+0,7 ÷ +0,8)m phân bố tại Vụ Bản, Bình Lục, Ý Yên. Tình hình phân bố cao độ ruộng đất thể hiện trong bảng sau Bảng 1.1. Phân bố cao độ ruộng đất khu vực Bắc Nam Hà [2] Cao độ (m) Diện tích (ha) Tỷ lệ (%) Cộng dồn (%) 3,0 2.491,25 2,9 96,34 Đồi núi 406,25 0,47 96,81 Ao hồ 2.374,86 3,2 100 Với đặc điểm địa hình có nhiều khu vực lòng chảo, phân bố cao độ ruộng đất cao, thấp không đồng đều, lại bị bao bọc bốn bề là sông nên giải pháp tiêu úng cho khu vực rất phức tạp, khó khăn chỉ có duy nhất giải pháp tiêu bằng động lực. 6
1.1.2. Đặc điểm mưa, mạng lưới sông ngòi và chế độ thủy văn 1.1.2.1. Đặc điểm mưa Bao quanh hệ thống Bắc Nam Hà có 24 trạm đo mưa quốc gia và khu vực có số liệu quan trắc liên tục và khá dài (đều trên 40 năm), trong đó có 4 trạm đo mưa quốc gia nằm ngay sát khu vực và nằm về 4 phía của khu vực Bắc Nam Hà, các trạm này có số liệu khá dài và có thời gian quan trắc liên tục, đủ điều kiện để nghiên cứu và phân tích mưa cho khu vực, gồm các Trạm: Nam Định, Ninh Bình, Phủ Lý và Hưng Yên. Mưa trong khu vực có một số đặc điểm sau: - Trận mưa lớn nhất năm có thể xuất hiện vào tất cả các tháng trong mùa mưa; các trận mưa lớn thường tập trung nhiều vào các tháng 7, 8, 9. - Lượng mưa có sự thay đổi rất lớn giữa 4 trạm đo mưa bao quanh hệ thống BNH; nhiều trận mưa lớn ở các khu vực trên hệ thống không cùng thời gian xuất hiện. Do vậy, không thể dùng một trạm đo để tính toán đại diện cho cả hệ thống, mà cần phải có phương pháp tính phù hợp để xác định sát thực giá trị mưa trên từng tiểu lưu vực trong quá trình tính toán. - Đối với các trận mưa dài ngày, đỉnh mưa xuất hiện hầu như không có quy luật. 1.1.2.2. Đặc điểm sông ngòi và chế độ thủy văn Bao quanh Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà có các sông: Sông Hồng chảy qua phía Đông, Bắc với chiều dài 36 km; Sông Đào chảy qua phía Nam nối liền sông Hồng và sông Đáy, chiều dài 30 km; sông Đáy chảy qua phía Tây, Nam với chiều dài 65 km; sông Châu chảy trên phía Bắc, thông với sông Đáy qua cống Phủ Lý. Những con sông này ngoài nhiệm vụ cấp nước tưới, còn là nơi nhận nước tiêu cho khu vực. - Sông Hồng: Là con sông có hàm lượng phù sa lớn, cung cấp nguồn nước tưới cho lưu vực và cũng là nơi nhận nước tiêu cho hệ thống BNH; sông có chiều rộng trung bình khoảng (500 - 600)m; lũ trên sông Hồng bắt đầu từ tháng VI đến hết tháng X, lũ chính vụ thường từ 15/VII đến 15/VIII. Về mùa lũ nước sông thường dâng cao hơn mực nước trong đồng từ (6 – 7)m làm ảnh hưởng lớn đến việc tiêu úng. 7