Luận án Tiến sĩ Thủy văn học: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng góp phần nâng cao hiệu quả điều hành hệ thống liên hồ chứa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm xây dựng được cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng theo các thời kỳ mùa, tháng và 5 ngày. Đề xuất điều chỉnh phân bổ dung tích phòng lũ của các hồ chứa góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Thủy văn học: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng góp phần nâng cao hiệu quả điều hành hệ thống liên hồ chứa

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU  TRỊNH THU PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NHẬN DẠNG LŨ LỚN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG GÓP PHẦN NÂNG CAO HIỆU QUẢ ĐIỀU HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Hà Nội, 2021
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU  NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NHẬN DẠNG LŨ LỚN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG GÓP PHẦN NÂNG CAO HIỆU QUẢ ĐIỀU HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Tác giả luận án Giáo viên hướng dẫn 1 Giáo viên hướng dẫn 2 Trịnh Thu Phương PGS.TS. Hoàng Minh Tuyển GS.TS. Ngô Đình Tuấn Hà Nội, 2021
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 chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được trích dẫn theo đúng quy định. Tác giả Luận án Trịnh Thu Phương
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài nghiên cứu, Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của GS TS Ngô Đình Tuấn và PGS TS Hoàng Minh Tuyển. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy đã hướng dẫn và chỉ bảo 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 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 tư 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 Phòng Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia, Công ty thủy điện Sơn La, Công ty thủy điện Hòa Bình, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện quốc gia 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. Tác giả Luận án Trịnh Thu Phương
i MỤC LỤC MỤC LỤC BẢNG ........................................................................................... iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết ............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 4 4. Câu hỏi nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu và luận điểm bảo vệ ............ 5 5. Những đóng góp mới của luận án .............................................................. 6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................... 6 6.1. Ý nghĩa khoa học ....................................................................................... 6 6.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................ 6 7. Cách tiếp cận................................................................................................ 6 8. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 8 9. Cấu trúc của Luận án ................................................................................. 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG LŨ LỚN VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA....................................................................................................... 10 1.1. Tổng quan nhận dạng lũ và vận hành hồ chứa trên thế giới ............. 10 1.1.1. Phương pháp nhận dạng lũ .................................................................... 10 1.1.2. Tổng quan về vận hành hồ chứa ........................................................... 20 1.2. Tổng quan nhận dạng lũ và vận hành hồ chứa ở Việt Nam .............. 24 1.3. Hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 33 1.4. Tiểu kết Chương 1 .................................................................................. 37 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NHẬN DẠNG LŨ LỚN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LỚN .................................................................................................... 39 2.1. Tổng quan về lưu vực sông Hồng ......................................................... 39 2.1.1. Hệ thống sông ngòi ............................................................................... 39 2.1.2. Đặc điểm nguồn nước mưa và dòng chảy trên sông Hồng ................... 40
ii 2.2. Vận hành vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng phòng chống lũ và phát điện ............................................................................................... 42 2.2.1. Hệ thống hồ chứa phòng, chống lũ trên lưu vực sông Hồng ................ 42 2.2.2. Thay đổi lượng trữ trên lưu vực sông Hồng ......................................... 46 2.2.3. Tổ hợp lũ sông Hồng............................................................................. 50 2.2.4. Mối quan hệ tương tác giữa sự đóng góp lũ trên các nhánh sông, chế độ vận hành các cửa xả lũ của các hồ chứa tới mực nước hạ lưu sông Hồng tại Hà Nội ................................................................................................................... 54 2.3. Nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng ........................................... 61 2.3.1. Sự hình thành đường trữ nước tiềm năng trên thượng lưu sông Hồng . 61 2.3.2. Mối quan hệ giữa mưa, các hình thế thời tiết và sự hình thành lũ trên thượng lưu sông Hồng ..................................................................................... 68 2.3.2.1. Các hình thế thời tiết đơn lẻ gây mưa, lũ lớn ..................................... 68 2.3.2.2. Các hình thế thời tiết tổ hợp gây mưa, lũ lớn .................................... 71 2.3.2.3. Mối quan hệ định lượng giữa tổng lượng mưa và lũ lớn đến các hồ chứa trên sông Hồng ................................................................................................ 74 2.3.3. Phân tích mối liên hệ giữa các nhân tố khí tượng với các đặc trưng lũ trước 1 tháng, mùa trên lưu vực sông Hồng ................................................... 78 2.3.3.1. Hiện tượng ENSO .............................................................................. 78 2.3.3.2. Chỉ số áp cao Thái Bình Dương ......................................................... 79 2.3.3.3. Mối quan hệ giữa các nhân tố khí hậu và các đặc trưng dòng chảy trên thượng lưu sông Hồng ..................................................................................... 79 2.3.4. Thiết lập mô hình hồi quy đa biến và mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN nhận dạng lũ thời hạn 5 ngày, 1 tháng, mùa trên lưu vực sông Hồng .. 88 2.3.4.1. Cơ sở khoa học của phương pháp hồi quy nhiều biến ....................... 88 2.3.4.2. Cơ sở khoa học của mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN ........... 91 2.3.4.3. Mô hình hồi quy đa biến và ANN nhận dạng lũ lớn trước tháng, mùa ....................................................................................................................... 100 2.4. Tiểu kết Chương 2 ................................................................................ 102 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ÁP DỤNG NHẬN DẠNG LŨ LỚN PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LỚN TRONG MÙA LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG ................................................................. 106
iii 3.1. Kết quả luyện mạng nơ ron trong mô hình ANN nhận dạng lũ lớn trước 5 ngày, tháng và mùa. ....................................................................... 106 3.2. Kết quả ứng dụng đường trữ nước tiềm năng, mô hình hồi quy đa biếnvà mô hình ANN nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng ........... 116 3.2.1. Kết quả nhận dạng lũ trước 5 ngày bằng đường trữ nước tiềm năng . 116 3.2.2. Kết quả nhận dạng lũ trước 5 ngày bằng mô hình ANN trong năm 2016 ....................................................................................................................... 121 3.2.3. Kết quả nhận dạng lũ trước tháng, mùa bằng mô hình hồi quy đa biến và mô hình ANN trong năm 2015 và 2016........................................................ 123 3.2.4. Ứng dụng nhận dạng lũ trong điều hành hồ chứa qua các thời kỳ trong năm 2015 và 2016 ......................................................................................... 126 3.3. Đề xuất cơ chế phối hợp vận hành liên hồ chứa giữa các hồ ........... 127 3.4. Tiểu kết Chương 3 ................................................................................ 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 143 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 149
iv MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1. Tỷ lệ dòng chảy các mùa trên sông Hồng tại một số trạm ............. 40 Bảng 2.2 Thông số các hồ chứa lớn trên sông Hồng ...................................... 44 Bảng 2.3. Thống kê các đợt lũ đặc biệt lớn trên hệ thống sông Hồng từ năm 1960 ................................................................................................................. 50 Bảng 2.4. Cặp nhân tố mưa và mặt đệm lưu vực ............................................ 61 Bảng 2.5 Lượng mưa trung bình lưu vực phổ biến trên các lưu vực sông trong các đợt bão hoặc ATNĐ .................................................................................. 70 Bảng 2.6. Phân chia tỉ lệ (%) các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn trên các lưu vực hồ chứa Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, hồ Thác Bà và Tuyên Quang ...... 73 Bảng 2.7. Phân cấp quan hệ mưa và lũ Qx = f(X, Qc) tại hồ Lai Châu ......... 76 Bảng 2.8. Phân cấp quan hệ mưa và lũ Qx = f(X, Qc) tại hồ Sơn La............. 76 Bảng 2.9. Phân cấp quan hệ mưa và lũ Qx = f(X, Qc) tại hồ Hòa Bình ......... 77 Bảng 2.10. Phân cấp quan hệ mưa và lũ Qx = f(X, Qc) tại hồ Thác Bà ........ 77 Bảng 2.11. Phân cấp quan hệ mưa và lũ Qx = f(X, Qc) tại hồ Tuyên Quang 77 Bảng 2.12 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu và đặc trưng đỉnh lũ lớn nhất mùa lũ tại các hồ chứa ..................................................................................... 82 Bảng 2.13 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu và đặc trưng dòng chảy trung bình mùa lũ tại các hồ chứa............................................................................. 83 Bảng 2.14 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại trạm Mường Lay với đặc trưng dòng chảy lớn nhất đến hồ Lai Châu trong các tháng mùa lũ ............... 84 Bảng 2.15 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại trạm Sơn La với đặc trưng dòng chảy lớn nhất đến hồ Sơn La trong các tháng mùa lũ ............................ 85 Bảng 2.16 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại trạm Hòa Bình với đặc trưng dòng chảy lớn nhất đến hồ Hòa Bình trong các tháng mùa lũ .............. 85 Bảng 2.17 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại Yên Bái với đặc trưng dòng chảy lớn nhất trạm Yên Bái trong các tháng mùa lũ ....................................... 86 Bảng 2.18 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại Lục Yên với đặc trưng dòng chảy lớn nhất hồ Thác Bà trong các tháng mùa lũ ................................. 86 Bảng 2.19 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại Hàm Yên với đặc trưng dòng chảy lớn nhất tại trạm Hàm Yên trong các tháng mùa lũ ...................... 87 Bảng 2.20 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại Chiêm Hóa với đặc trưng dòng chảy lớn nhất tại hồ Tuyên Quang trong các tháng mùa lũ ................... 87
v Bảng 2.21 Hệ số tương quan các nhân tố khí hậu tại Than Uyên với đặc trưng dòng chảy lớn nhất tại hồ Bản Chát trong các tháng mùa lũ .......................... 88 Bảng 2.22. Các hình thế thời tiết gây mưa lớn được mã hóa.......................... 97 Bảng 3.1 Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Thác Bà ...................................................................... 107 Bảng 3.2 Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Lai Châu..................................................................... 107 Bảng 3.3 Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Sơn La ........................................................................ 107 Bảng 3.4 Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Bản Chát .................................................................... 108 Bảng 3.5. Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Tuyên Quang ............................................................. 108 Bảng 3.6.Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại Yên Bái ........................................................................... 108 Bảng 3.7.Bảng kết quả huấn luyện và kiểm tra bằng mô hình ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại Hàm Yên ......................................................................... 108 Bảng 3.8 Các nhân tố có tương quan cao với các yếu tố nhận dạng lũ thời đoạn mùa tại các trạm chính trên thượng lưu sông Hồng ...................................... 112 Bảng 3.9 Các nhân tố khí tượng có tương quan cao với các yếu tố nhận dạng lũ thời đoạn tháng tại các trạm chính đối với hồ Sơn La .................................. 113 Bảng 3.10 Các nhân tố khí tượng có tương quan cao với các yếu tố nhận dạng lũ thời đoạn tháng tại các trạm chính đối với hồ Thác Bà ............................ 113 Bảng 3.11 Các nhân tố khí tượng có tương quan cao với các yếu tố nhận dạng lũ thời đoạn tháng tại các trạm chính đối với hồ Tuyên Quang.................... 114 Bảng 3.12 Các nhân tố khí tượng có tương quan cao với các yếu tố nhận dạng lũ thời đoạn tháng tại các trạm chính đối với trạm Hàm Yên ....................... 114 Bảng 3.13 Các nhân tố khí tượng có tương quan cao với các yếu tố nhận dạng lũ thời đoạn tháng tại các trạm chính đối với trạm Yên Bái ......................... 115 Bảng 3.14 Nhận dạng lũ lớn tại vùng hồ Lai Châu từ năm 2012-2018 ........ 118 Bảng 3.15 Nhận dạng lũ lớn tại vùng hồ Sơn La từ năm 2012-2018 ........... 118 Bảng 3.16 Nhận dạng lũ lớn tại vùng hồ Hòa Bình từ năm 2012-2018 ....... 119 Bảng 3.17 Nhận dạng lũ lớn tại vùng hồ Thác Bà từ năm 2012-2018 ........ 119
vi Bảng 3.18 Nhận dạng lũ lớn tại vùng hồ Tuyên Quang từ năm 2012-2018 120 Bảng 3.19 Nhận dạng lũ lớn tại trạm Hàm Yên từ năm 2012-2018 ............ 120 Bảng 3.20 Nhận dạng lũ lớn tại trạm Yên Bái từ năm 2012-2018 .............. 121 Bảng 3.21 Kết quả thử nghiệm ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Thác Bà ....................................................................................................................... 121 Bảng 3.22 Kết quả thử nghiệm ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại Hàm Yên ....................................................................................................................... 121 Bảng 3.23 Kết quả thử nghiệm ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày tại hồ Tuyên Quang ............................................................................................................ 122 Bảng 3.24 Kết quả thử nghiệm ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày đến trạm yên Bái đỉnh lũ tháng 5 và tháng 8/2016 ............................................................. 122 Bảng 3.25 Kết quả thử nghiệm ANN nhận dạng lũ trước 5 ngày đến các hồ trên sông Đà đỉnh lũ tháng 8/2016 ....................................................................... 122 Bảng 3.26 Kết quả thử nghiệm nhận dạng lũ thời hạn mùa đến các hồ chứa và trạm thủy văn thượng lưu sông Hồng ........................................................... 123 Bảng 3.27 Kết quả thử nghiệm nhận dạng dòng chảy lớn nhất tháng 6-9 hồ Sơn La năm 2015 .................................................................................................. 124 Bảng 3.28 Kết quả thử nghiệm nhận dạng dòng chảy lớn nhất tháng 6-9 hồ Sơn La năm 2016 .................................................................................................. 124 Bảng 3.29 Kết quả thử nghiệm nhận dạng dòng chảy lớn nhất tháng 6-9 hồ Tuyên Quang năm 2015 ................................................................................ 125 Bảng 3.30 Kết quả thử nghiệm nhận dạng dòng chảy lớn nhất tháng 6-9 hồ Tuyên Quang năm 2016 ................................................................................ 125 Bảng 3.31. Mực nước hồ Sơn La, Hòa Bình và Tuyên Quang vận hành thực tế trong các năm 2015-2018 .............................................................................. 130 Bảng 3.32. Tổng lượng lũ đến các hồ Lai Châu, Sơn La và Bản Chát (tỷ m3) ....................................................................................................................... 131 Bảng 3.33. Dung tích phòng lũ (W) phân bổ và mực nước (H) tương ứng của các hồ thời kỳ lũ chính vụ ............................................................................. 132 Bảng 3.34. Kết quả sản xất điện năng ứng với điều tiết theo PA2 ............... 133 Bảng 3.35. Kết quả vận hành thử nghiệm liên hồ chứa các phương án ....... 135
vii MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Các phương pháp nhận dạng lũ lớn trên thế giới ............................ 16 Hình 1.2. Sơ đồ nghiên cứu của Luận án ........................................................ 36 Hình 2.1. Bản đồ lưu vực sông Hồng (thuộc Việt Nam) ................................ 39 Hình 2.2 Bản đồ phân bố lượng mưa năm trên lưu vực sông Hồng [11] ....... 41 Hình 2.3 Bản đồ phân bố mô đun dòng chảy trên lưu vực sông Hồng [11] ... 42 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống hồ chứa lớn và các trạm thủy văn chính trên lưu vực sông Hồng ....................................................................................................... 45 Hình 2.5 Phân phối tổng lượng dòng chảy đến và ra khỏi của hồ Sơn La ..... 47 Hình 2.6 Phân phối tổng lượng dòng chảy đến và ra khỏi của hồ Hòa Bình . 47 Hình 2.7 Phân phối tổng lượng dòng chảy đến và ra khỏi của hồ Thác Bà ... 47 Hình 2.8 Phân phối tổng lượng dòng chảy đến và ra khỏi của hồ Tuyên Quang ......................................................................................................................... 47 Hình 2.9 Diễn biến lưu lượn dòng chảy sông Hồng tại Sơn Tây.................... 48 Hình 2.10 Tổng lượng dòng chảy mùa lũ sông Hồng tại Sơn Tây ................. 48 Hình 2.11 Diễn biến mực nước lớn nhất tại Hà Nội ....................................... 48 Hình 2.12 Diễn biến tổng lượng xả 3 hồ Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà và mực nước trung bình tại Hà Nội trong các đợt xả nước............................. 49 Hình 2.13 Mối quan hệ giữa đỉnh lũ trên sông Đà với đỉnh lũ hạ lưu sông Hồng tại Sơn Tây ...................................................................................................... 52 Hình 2.14 Mối quan hệ giữa đỉnh lũ trên sông Lô (trạm Vụ Quang) với đỉnh lũ hạ lưu sông Hồng tại Sơn Tây ......................................................................... 52 Hình 2.15 Mối quan hệ giữa đỉnh lũ trên sông Thao (trạm Yên Bái) với đỉnh lũ hạ lưu sông Hồng tại Sơn Tây ......................................................................... 53 Hình 2.16 Mối quan hệ giữa độ gia tăng tổng lượng nước từ Hòa Bình (HB), Yên Bái (YB) và Vụ Quang (VQ) và độ gia tăng mực nước tại trạm Hà Nội () trong 24 giờ ứng với cấp mực nước từ 5-6m ......................................... 53 Hình 2.17 Tỉ lệ đóng góp dòng chảy năm của các nhánh sông Đà, Thao và Lô với dòng chảy tại Sơn Tây hạ lưu sông Hồng ................................................. 54 Hình 2.18 Mối quan hệ giữa độ gia tăng lượng nước xả từ hồ Hòa Bình (Q) và độ gia tăng mực nước tại trạm Hà Nội (H) trong 24 giờ ứng với cấp mực nước từ 5 đến 6m............................................................................................. 58
viii Hình 2.19 Mối quan hệ giữa độ gia tăng lượng nước lũ từ Yên Bái (Q)và độ gia tăng mực nước tại trạm Hà Nội ()trong 24 giờ ứng với mực nước từ 5 đến 6m ............................................................................................................. 58 Hình 2.20 Quan hệ giữa sự gia tăng lượng xả lũ (Q) từ hồ Thác Bà và sự gia tăng mực nước Vụ Quang () sau 6 giờ....................................................... 59 Hình 2.21 Mối quan hệ tương quan giữa sự gia tăng lưu lượng tại Vụ Quang (Q)và sự gia tăng mực nước Hà Nội () trong 6-12 giờ tương ứng với mực nước từ 6 đến 7m............................................................................................. 59 Hình 2.22 Mối quan hệ tương quan giữa gia tăng lưu lượng xả từ hồ Tuyên Quang và mực nước tại Tuyên Quang sau 6 -12 giờ ...................................... 60 Hình 2.23 Đường trữ nước tiềm năng trên các lưu vực hồ chứa Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình ................................................................................................... 66 Hình 2.24 Đường trữ nước tiềm năng trên các lưu vực hồ chứa Tuyên Quang, Thác Bà và trạm thủy văn Yên Bái, Hàm Yên ............................................... 67 Hình 2.25 Các khu vực đổ bộ vào đất liền của bão có thể gây mưa lớn trên lưu vực sông Hồng ................................................................................................ 70 Hình 2.26 Các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn đên các hồ chứa trên Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang ................................................ 74 Hình 2.27 Các trạm khí tượng và hồ chứa được lựa chọn phân tích tương quan trên lưu vực sông Hồng ................................................................................... 81 Hình 2.28 Cấu trúc một nơron nhân tạo.......................................................... 93 Hình 2.29 Mô hình mạng nơron truyền thẳng một lớp ................................... 95 Hình 2.30 Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp............................................... 95 Hình 2.31 Sơ đồ mô hình ANN nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng thời hạn 5 ngày ....................................................................................................... 99 Hình 2.32 Giao diện luyện mô hình ANN và đánh giá mức độ phù hợp của mô hình theo số nơ ron tính toán đỉnh lũ, lượng lũ trung bình ........................... 100 Hình 2.33 Sơ đồ khối nhận dạng đặc trưng dòng chảy lũ theo mô hình hồi quy đa biến ........................................................................................................... 101 Hình 2.34 Sơ đồ các phương pháp nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng thời hạn tháng, mùa ....................................................................................... 102 Hình 2.35 Giao diện mô hình ANN lựa chọn các nhân tố khí hậu và thủy văn nhận dạng lũ thời hạn tháng, mùa ................................................................. 102 Hình 2.36. Sơ đồ xác định phương pháp nhận dạng lũ từ xa tới gần ........... 105
ix Hình 3.1 Kết quả mô phỏng nhận dạng đỉnh lũ thời 5 ngày tại hồ Bản Chát bằng mô hình ANN ................................................................................................ 108 Hình 3.2 Kết quả mô phỏng nhận dạng đỉnh lũ thời 5 ngày tại hồ Sơn La bằng mô hình ANN ................................................................................................ 109 Hình 3.3 Kết quả mô phỏng nhận dạng đỉnh lũ thời 5 ngày tại hồ Hòa Bình bằng mô hình ANN ....................................................................................... 109 Hình 3.4 Kết quả mô phỏng dự báo nhận dạng đỉnh lũ thời 5 ngày tại hồ Thác Bà bằng mô hình ANN .................................................................................. 109 Hình 3.5 Kết quả mô phỏng nhận dạng đỉnh lũ thời hạn mùa tại hồ Thác Bà bằng mô hình ANN ....................................................................................... 110 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng nhận dạng đỉnh lũ thời hạn mùa tại hồ Sơn La bằng mô hình ANN ....................................................................................... 110 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng nhận dạng đỉnh lũ thời hạn mùa tại hồ Bản Chát bằng mô hình ANN ....................................................................................... 111 Hình 3.8 Mực nước các hồ ứng với phương án phân bổ sung tích và phối hợp vận hành PA2 ................................................................................................ 137
x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa LVS Lưu vực sông NDL Nhận dạng lũ THL Tổ hợp lũ MNDBT Mực nước dâng bình thường MNC Mực nước chết Wtb Dung tích toàn bộ Whi Dung tích hữu ích Wc Dung tích chết CBĐL Cấp báo động lũ BĐI Báo động cấp I BĐII Báo động cấp II BĐIII Báo động cấp IIII Q~H Quan hệ giữa lưu lượng và mực nước QTVH Quy trình vận hành TBNN Trung bình nhiều năm KTXH Kinh tế và Xã hội KHCN Khoa học Công nghệ NCKH Nghiên cứu khoa học EN Chỉ số của hiện tượng ENSO AC Chỉ số Áp cao Thái Bình Dương
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Sông Hồng là một hệ thống sông liên quốc gia, chảy qua ba nước là Trung Quốc, Việt Nam và Lào, được hình thành từ ba sông nhánh lớn là sông Đà, sông Lô và sông Thao. Trên thượng nguồn sông Hồng, các công trình hồ chứa thủy điện Sơn La, Huội Quảng- Bản Chát, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang là các hồ chứa khai thác đa mục tiêu, có dung tích lớn được quy định nhiệm vụ phục vụ phòng, chống lũ ở hạ du và kết hợp cấp nước cho vùng hạ du... đáp ứng nhu cầu nước cho dân cư, nông nghiệp, giao thông… và môi trường. Hệ thống hồ chứa thủy điện trên sông Hồng đóng góp tỉ trọng lớn về sản lượng điện trong hệ thống điện Quốc gia. Tuy nhiên, các hồ chứa có tỷ lệ dung tích kết hợp so với dung tích hiệu dụng khá lớn (hồ chứa Hòa Bình và Sơn La chiếm xấp xỉ 59%; hồ Tuyên Quang chiếm 58%) nên luôn tồn tại mâu thuẫn giữa nhiệm vụ phòng lũ với nhiệm vụ tích nước đầy hồ phục vụ cấp nước. Hiện nay, cơ sở pháp lý quy định vận hành hồ chứa, phát huy hiệu quả phát điện, chống lũ đảm bảo an toàn các công trình và cấp nước cho hạ du là QTVH liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 17 tháng 6 năm 2019 tại Quyết định số 740/QĐ-TTg [26]. Các hồ chứa trên thượng lưu sông Hồng thực hiện quy định trong mùa lũ dành tổng dung tích phòng lũ hồ Sơn La và hồ Hòa Bình trên sông Đà là 07 tỷ m3, hồ Tuyên Quang trên sông Gâm là 01 tỷ m3, hồ Thác Bà trên sông Chảy là 450 triệu m3 [25], [26] và đặt ra hai mục tiêu trong vận hành mùa lũ như sau: 1. Đảm bảo an toàn công trình: Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình thủy điện, không được để mực nước các hồ chứa vượt cao trình mực nước gia cường với mọi trận lũ nhỏ hơn hoặc bằng lũ thiết kế tần suất 0,01% đối với hồ Hoà Bình và Thác Bà; lũ
2 kiểm tra PMF đối với hồ Lai Châu, Sơn La và lũ kiểm tra tần suất 0,02% đối với hồ Tuyên Quang, Bản Chát và Huội Quảng. 2. Đảm bảo an toàn chống lũ cho hạ du: - Đảm bảo an toàn cho đồng bằng Bắc Bộ với các trận lũ tại Sơn Tây có chu kỳ lặp lại nhỏ hơn hoặc bằng 300 năm, giữ mực nước sông Hồng tại Hà Nội không vượt quá cao trình 13,1m; - Đảm bảo an toàn cho thủ đô Hà Nội với các trận lũ tại Sơn Tây có chu kỳ lặp lại nhỏ hơn hoặc bằng 500 năm, giữ mực nước sông Hồng tại Hà Nội không vượt quá cao trình 13,4m. Trong các hồ chứa trên, các hồ Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, Lai Châu và Bản Chát đều có dung tích lớn trên 1 tỉ m3. Tuy nhiên, trong Quy hoạch phòng lũ trên lưu vực sông Hồng [25] và QTVH liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng [26], nhiệm vụ sử dụng dung tích phòng lũ chỉ được quy định cho các hồ Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà. Hệ thống các hồ này phải gánh dung tích phòng, chống lũ cho toàn hệ thống. Các hồ chứa Lai Châu và Bản Chát chưa được quy định dành dung tích tham gia phòng, chống lũ cho hạ du. Điều này có thể dẫn đến chưa hiệu quả trong sử dụng nguồn nước và tận dụng dung tích của các hồ chứa. Trong hơn 20 năm gần đây, mực nước hạ lưu sông Hồng tại trạm Hà Nội trong mùa lũ chính vụ rất thấp, chỉ có 9 năm (2000-2008), mực nước tại Hà Nội hạ lưu sông Hồng đạt mức BĐI - BĐII, vượt BĐII chỉ có 3 năm (2001, 2002 và 2004). Từ năm 2009-2019, mực nước lũ tại Hà Nội đều dưới BĐI. Đặc biệt năm 2011, mực nước đỉnh lũ năm tại Hà Nội ở mức thấp nhất trong lịch sử quan trắc, chỉ đạt 4,76m. Như vậy, các hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang đã phải để trống một lượng dung tích khá lớn trong các mùa lũ để phòng lũ lớn xuất hiện, gây lãng phí nếu trong năm không có lũ lớn. Ý tưởng thay đổi góp
3 phân nâng cao hiệu quả vận hành sẽ là: Trong điều kiện xảy ra các đợt mưa lũ lớn, nếu huy động được dung tích của cả hệ thống hồ chứa, các hồ phối hợp tạo thêm dung tích cắt giảm lũ. Đồng thời, mực nước trước lũ của các hồ chứa sẽ không nhất thiết phải duy trì cố định một ngưỡng trong cả thời kỳ lũ chính vụ, không chỉ riêng hồ 4 hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang mà huy động linh hoạt thêm các hồ Lai Châu, Bản Chát cùng tham gia dành dung tích phòng lũ. Trong điều kiện chưa có lũ lớn xẩy ra, các hồ được phép điều chỉnh mực nước lên cao trong một giới hạn an toàn so với mực nước trước lũ để nâng cao hiệu quả phát điện. Khi nhận định có khả năng lũ lớn xẩy ra, các hồ sẽ điều chỉnh và phối hợp phân bổ dung tích trên cả 6 hồ chứa (Lai Châu, Bản Chát, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang) hạ dần mực nước về mức nước lũ tính toán để phục vụ cắt lũ hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo tích nước và phát điện hiệu quả. Công tác dự báo phục vụ vận hành hồ chứa trong mùa lũ đã phát sinh hai vấn đề bất cập dẫn đến không chủ động trong vận hành, gây lãng phí nguồn nước: phân bổ dung tích hồ chứa lũ (chủ yếu là lũ chính vụ và lũ muộn) và độ chính xác của dự báo lượng nước đến các hồ. Trong một số năm lũ kết thúc sớm hoặc lũ không lớn, do không nhận dạng trước diễn biến lũ nên không quyết định tích nước sớm hoặc nâng cao mực nước trước lũ, các hồ không thể tích đầy nước vào thời kỳ cho phép (từ 22/8-30/9), nhiều năm phải hạn chế phát điện tới tháng 11 và 12 mới tích được nước đầy hồ hoặc gần đầy hồ, gây ảnh hưởng đến cấp nước, duy trì dòng chảy trên hệ thống (năm 1992, 2009, 2019). Ngược lại, có những năm không dự báo được những đợt lũ lớn xuất hiện trong thời kỳ lũ muộn (tháng 9/1985, 10/1999, 10/2006, 10/2007, 11/2008, 12/2010, 12/2013, 10/2017), khi các hồ chứa đã được tích đầy hoặc không còn đủ dung tích để cắt lũ, lưu lượng lũ đến vượt quá lưu lượng tối đa phát điện của các hồ, gây lúng túng đối với công tác điều hành hệ thống hồ. Do đó, nhận dạng trước
4 khả năng xuất hiện và quy mô lũ lớn trước một thời gian rất quan trọng trong quyết định huy động dung tích hồ chứa điều tiết chống lũ, tích nước hồ. Trên cơ sở đó, Luận án đặt ra mục tiêu nghiên cứu là Nghiên cứu xác định được cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng góp phần nâng cao hiệu quả điều hành hệ thống liên hồ chứa. Trên cơ sở nhận dạng lũ lớn, phương án vận hành của từng hồ, hệ thống hồ và cách thức phân bổ dung tích giữa các hồ chứa trong phối hợp vận hành theo quy trình sẽ được tính toán đảm bảo kiểm soát lũ, an toàn công trình và cắt lũ hạ du đồng thời nâng cao hiệu quả phát điện và sử dụng nước. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng được cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng theo các thời kỳ mùa, tháng và 5 ngày. - Đề xuất điều chỉnh phân bổ dung tích phòng lũ của các hồ chứa góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian nghiên cứu của Luận án là hệ thống sông Hồng trên lãnh thổ Việt Nam với diện tích khoảng 86.660 km2. Phạm vi thời gian nghiên cứu của Luận án là thời kỳ mùa lũ trên lưu vực sông Hồng. Đối tượng nghiên cứu Luận án: - Những trận lũ có đỉnh lũ lớn hơn TBNN trên lưu vực sông Hồng từ tháng 6 đến tháng 10 tại các hồ chứa thủy điện: Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Bản Chát, Thác Bà và Tuyên Quang; các trạm thủy văn Yên Bái trên sông Thao, trạm thủy văn Hàm Yên trên sông Lô, trạm thủy văn Sơn Tây và Hà Nội trên sông Hồng. Trong Luận án này, những trận lũ đó được gọi là lũ lớn.
5 - Mối quan hệ giữa các nhân tố khí tượng, khí hậu, dòng chảy với khả năng hình thành lũ lớn trên lưu vực sông Hồng 4. Câu hỏi nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu và luận điểm bảo vệ a. Câu hỏi nghiên cứu - Nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng được thực hiện dựa trên các cơ sở khoa học nào? - Các yếu tố nào sẽ được lựa chọn để nhận dạng khả năng hình thành lũ lớn trên lưu vực sông Hồng? - Nhận dạng lũ lớn sẽ được ứng dụng trong vận hành hệ thống các hồ chứa trên lưu vực sông Hồng như thế nào? b. Nhiệm vụ nghiên cứu - Đặc điểm các vùng mưa do bão gây lũ lớn; Đường trữ nước tiềm năng trên các nhánh sông lớn thuộc lưu vực sông Hồng; Điều kiện hình thành các đợt lũ lớn trên lưu vực sông Hồng từ thượng lưu tới hạ lưu. - Đề xuất phương thức nhận dạng lũ lớn tới các hồ chứa và các nhánh sông thượng lưu hệ thống sông Hồng và phương án vận hành hệ thống hồ chứa phục vụ phòng, chống lũ hạ du và góp phần nâng cao hiệu quả điều hành hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng. c. Luận điểm bảo vệ - Lũ lớn trên lưu vực sông Hồng có thể nhận dạng được trước một khoảng thời gian theo thời hạn mùa, tháng và 5 ngày với một độ tin cậy nhất định. - Nhận dạng được lũ lớn từ xa (thời hạn mùa, tháng) đến gần (thời hạn 5 ngày) có thể tạo cơ sở phối hợp các hồ chứa huy động linh hoạt dung tích phòng chống lũ trong thời kỳ lũ chính vụ phục vụ nâng cao hiệu quả khai thác nguồn nước và vận hành hồ chứa lưu vực sông Hồng.
6 5. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng được đường trữ nước trên các nhánh sông lớn thuộc lưu vực sông Hồng, là cơ sở nhận dạng sơ bộ khả năng xuất hiện lũ lớn. - Đề xuất được cơ sở, phương pháp và xây dựng được công nghệ nhận dạng lũ lớn phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng. - Đề xuất hướng điều chỉnh phân bổ dung tích phòng lũ của các hồ trên sông Đà tạo cơ sơ điều chỉnh QTVH liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ luận cứ, cơ sở khoa học về nhận dạng lũ lớn đến các hồ chứa Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Bản Chát, Thác Bà và Tuyên Quang, các nhánh sông Lô và Thao theo thời kỳ mùa, tháng, 5 ngày. Trên cơ sở nhận dạng sớm lũ lớn, chế độ vận hành trong thời kỳ lũ chính vụ các hồ chứa trên nhánh sông Đà sẽ được tính toán, đề xuất vận hành linh hoạt theo hướng chia sẻ, phân bổ lại dung tích phòng lũ hạ lưu của các hồ nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nước, điều hành hồ mà vẫn đảm bảo nhiệm vụ phòng, chống lũ hạ du. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu góp phần tạo tiền đề để đề xuất điều chỉnh nội dung vận hành trong mùa lũ của QTVH liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng (có sự phối hợp đẩy đủ của hệ thống hồ chứa lớn trong phòng, chống lũ hạ du). 7. Cách tiếp cận Tổng hợp đa ngành: Hệ thống các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Hồng có nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu là phòng chống lũ công trình, tiếp đó là phòng chống hạ du, bảo đảm an toàn cho thủ đô Hà Nội, sau đó là đảm bảo cấp nước