Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đề xuất quy trình vận hành cho hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội trong điều kiện đô thị hóa và biến đổi khí hậu

Chia sẻ: Tri Tâm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:226

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là đề xuất quy trình vận hành cho hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội trong điều kiện đô thị hóa và biến đổi khí hậu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đề xuất quy trình vận hành cho hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội trong điều kiện đô thị hóa và biến đổi khí hậu

LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên cứu đề xuất quy trình vận hành cho hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội trong điều kiện đô thị hóa và biến đổi khí hậu.” được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội với sự giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo, của các đồng nghiệp và bạn bè. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS. Lưu Văn Quân, người hướng dẫn khoa học đã rất chân tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu, các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, các thầy giáo cô giáo các bộ môn trong Trường Đại học Thủy lợi. Xin chân thành cảm ơn đến các cơ quan đoàn thể, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ và góp những ý kiến quý báu trong luận văn này. Cuối cùng xin cảm tạ tấm lòng của những người thân trong gia đình, đã tin tưởng động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Do đề tài giải quyết vấn đề mới mẻ, cũng như thời gian và tài liệu thu thập chưa thực sự đầy đủ, luận văn khó tránh khỏi các thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự thông cảm, góp ý chân tình của các thầy cô và đồng nghiệp quan tâm tới vấn đề này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, …. tháng …. Năm 2019 Tác giả: Vũ Thúy Huyền i
LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận văn xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và những kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Việc tham khảo, trích dẫn các nguồn tài liệu đã được ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Vũ Thúy Huyền ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................................... ii MỤC LỤC.............................................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................................v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................................... viii MỞ ĐẦU..................................................................................................................................................1 I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................................................1 II. MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................................................3 1. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................................................3 2. Phạm vi nghiên cứu: .....................................................................................................................3 III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: ...............................................................3 1. Cách tiếp cận: ...............................................................................................................................3 2. Phương pháp nghiên cứu:.............................................................................................................3 IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC. ..................................................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................................................5 1.1.Tổng quan về tiêu nước ......................................................................................................................5 1.1.1. Tổng quan về vấn đề tiêu nước ..................................................................................................5 1.1.2.Tổng quan về đô thị hóa ..............................................................................................................6 1.1.3.Tổng quan về biến đổi khí hậu ....................................................................................................8 1.1.4. Tổng quan về quy trình vận hành hệ thống tiêu động lực ..........................................................9 1.1.5. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan ..............................................................................10 1.1.5.1. Trên thế giới ......................................................................................................................10 1.1.5.2. Trong nước ........................................................................................................................12 1.2. Tổng quan về vùng nghiên cứu .......................................................................................................15 1.2.1. Điều kiện tự nhiên ....................................................................................................................15 1.2.2. Tình hình dân sinh kinh tế và các yêu cầu phát triển của hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên ...................................................................................................................20 1.2.3.Phương hướng phát triển kinh tế xã hội trong vùng ..................................................................24 CHƯƠNG 2. ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG TIÊU NƯỚC VÀ XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN .......................................................................................................................................................25 2.1. Hiện trạng các công trình tiêu nước ...........................................................................................25 2.1.1. Khu đầu mối (03 trạm bơm) .....................................................................................................25 2.1.2. Hệ thống kênh và công trình trên kênh ....................................................................................35 2.2. Tình hình ngập úng trong vùng và các nguyên nhân gây ngập úng ............................................39 iii
2.2.1.Tình hình ngập úng trong vùng ................................................................................................ 39 2.2.2.Nguyên nhân gây ngập úng ...................................................................................................... 40 2.3. Xây dựng các kịch bản tính toán .................................................................................................... 41 2.3.1.Chọn kịch bản BĐKH cho lưu vực tính toán............................................................................ 41 2.3.2. Chọn mưa tiêu tính toán .......................................................................................................... 42 2.3.3. Cơ cấu sử dụng đất .................................................................................................................. 43 2.3.4. Đề xuất các kịch bản tính toán................................................................................................. 43 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN YÊU CẦU TIÊU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH VẬN HÀNH ................ 44 3.1.Mưa tiêu thiết kế .............................................................................................................................. 44 3.1.1.Chọn trạm, thời đoạn tính toán ............................................................................................ 44 3.1.2. Phương pháp tính toán lượng mưa tiêu thiết kế....................................................................... 45 3.1.3. Kết quả tính toán ..................................................................................................................... 49 3.1.4.Xác định mưa tiêu tính toán thời kỳ tương lai 2030 ................................................................. 50 3.2. Tính toán chế độ tiêu cho hệ thống................................................................................................. 54 3.3. Mô phỏng tính toán và kiểm định mô hình .................................................................................... 59 3.3.1. Lựa chọn mô hình .................................................................................................................... 59 3.3.2. Giới thiệu sơ lược về mô hình SWMM ................................................................................... 59 3.3.3. Kiểm định mô hình .................................................................................................................. 60 3.4. Phân tích đề xuất quy trình vận hành cho từng trạm bơm tương ứng với các trường hợp tính toán trên. ........................................................................................................................................................ 67 3.4.1.Phân tích sử dụng điện năng của từng trạm bơm...................................................................... 67 3.4.2.Tính toán, đề xuất quy trình vận hành tương ứng từng kịch bản.............................................. 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................................... 87 1. Kết luận ......................................................................................................................................... 87 2. Kiến nghị ....................................................................................................................................... 89 iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Bản đồ khu vực hệ thống 3 trạm bơm tiêu Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên ................................................................................................................................ 25 Hình 2.2: Chính diện đầu hồi phải nhà máy bơm.......................................................... 26 Hình 2.3: Bên trong nhà máy bơm ................................................................................ 27 Hình 2.4: Khu quản lý nhìn từ mặt đê sông Đuống ...................................................... 28 Hình 2.5: Trạm bơm Thịnh Liên ................................................................................... 30 Hình 2.6: Hình ảnh trong nhà trạm ................................................................................ 32 Hình 2.7: Nhà trạm ........................................................................................................ 34 Hình 3-1: Sơ đồ tính toán tiêu nước mặt ruộng bằng đập tràn, chế độ chảy tự do ....... 56 Hình 3-2: Sơ đồ tính toán tiêu nước mặt ruộng bằng đập tràn, chế độ chảy ngập ........ 58 Hình 3.1.Sơ đồ hệ thống 3 trạm bơm ............................................................................ 63 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-2. Lượng mưa trung bình tháng, năm khu vực Hà Nội ( đơn vị :mm) ............. 17 Bảng 1-3. Độ ẩm không khí trung bình tháng, năm khu vực Hà Nội (đơn vị :%) ........ 17 Bảng 1-4. Bốc thoát hơi trung bình tháng, năm khu vực Hà Nội ( đơn vị : mm) ......... 18 Bảng 1-5. Số giờ nắng trung bình tháng, năm khu vực Hà Nội ( đơn vị: giờ/ngày). .... 19 Bảng 1-6. Tốc độ gió trung bình tháng, năm khu vực Hà Nội ( đơn vị: m/s) ............... 19 Bảng 3-1: Các đặc trưng thuỷ văn thiết kế của đường tần suất lý luận ........................ 49 Bảng 3-3: Lượng mưa 5 ngày max kể đến BĐKH từ năm 2020 đến 2039 .................. 52 Bảng 3-4. Bảng đánh giá sai số tổng số giờ bơm giữa tính toán và thực đo tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên. ........................................................................ 64 Bảng 3-5. Bảng đánh giá sai số mực nước tại bể hút giữa tính toán và thực đo tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên. ................................................................ 65 Bảng 3-6: Bảng đánh giá sai số tổng số giờ bơm giữa tính toán và thực đo tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên. ........................................................................ 66 Bảng 3-7: Bảng đánh giá sai số mực nước tại bể hút giữa tính toán và thực đo tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên. ................................................................ 66 Bảng 3-8: Bảng tính toán công suất bơm tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB1 ............................................................................................................... 72 Bảng 3-9: Bảng tổng hợp theo KB1a ........................................................................... 72 Bảng 3-10: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB1b1 ......................................................................... 73 Bảng 3-11: Bảng tổng hợp theo KB1b1 ....................................................................... 73 Bảng 3-12: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB1b2 ......................................................................... 74 Bảng 3-13: Bảng tổng hợp theo KB1b2 ....................................................................... 74 Bảng 3-14: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB1b3 ......................................................................... 75 Bảng 3-15: Bảng tổng hợp theo KB1b3 ....................................................................... 75 Bảng 3-16: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB2a ........................................................................... 76 vi
Bảng 3-17: Bảng tổng hợp theo KB2a ......................................................................... 77 Bảng 3-18: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB2b1 ......................................................................... 77 Bảng 3-19: Bảng tổng hợp theo KB2b1 ....................................................................... 77 Bảng 3-20: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB3a............................................................................ 78 Bảng 3-21: Bảng tổng hợp theo KB3a ......................................................................... 79 Bảng 3-22: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB3b ........................................................................... 79 Bảng 3-23: Bảng tổng hợp theo KB3b ......................................................................... 80 Bảng 3-24: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB4a............................................................................ 81 Bảng 3-26: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB4b ........................................................................... 82 Bảng 3-27: Bảng tổng hợp theo KB4b ......................................................................... 82 Bảng 3-28: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB5a............................................................................ 83 Bảng 3-29: Bảng tổng hợp theo KB5a ......................................................................... 83 Bảng 3-30: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB5b ........................................................................... 84 Bảng 3-31: Bảng tổng hợp theo KB5b ......................................................................... 84 Bảng 3-32: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB6a............................................................................ 85 Bảng 3-33: Bảng tổng hợp theo KB6a ......................................................................... 85 Bảng 3-34: Bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ theo từng ngày tại 3 trạm bơm Dương Hà-Phù Đổng-Thịnh Liên theo KB6b ........................................................................... 86 Bảng 3-35: Bảng tổng hợp theo KB6b ......................................................................... 86 vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BĐKH - Biến đổi khí hậu. ĐBSH - Đồng bằng sông Hồng. ĐBSCL - Đồng bằng sông Cửu Long. QLVH - Quản lý vận hành. HTT - Hệ thống tưới. HTT - Hệ thống tưới. HTTN - Hệ thống thủy nông. CTTL - Công trình thủy lợi. viii
MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Thời tiết ở Việt Nam những năm gần đây ngày càng bất thường. Hạn hán, ngập lụt, sạt lở, giông tố, bão lũ có diễn biến phức tạp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp của nước ta. Đặc biệt, Việt Nam được đánh giá là một trong những quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu (BĐKH) do có bờ biển dài. Nếu nước biển dâng một mét thì 40% diện tích Đồng bằng sông Cửu Long và 10% diện tích Đồng bằng sông Hồng sẽ bị ngập, ảnh hưởng trực tiếp đến 20-30 triệu người dân. Cùng với tình hình biến đổi khí hậu, quá trình công nghiệp hoá, đô thị hóa làm gia tăng yêu cầu tiêu nước mưa khiến nhiều hệ thống tiêu quá tải gây ngập úng. Một yếu tố khiến ngập úng trầm trọng hơn là quy trình vận hành hệ thống chưa khoa học sẽ làm tăng mức thiệt hại do ngập úng. Với những hệ thống tiêu lớn như sông Nhuệ, Bắc Hưng Hải… đã có quy trình vận hành được cấp có thẩm quyền chuyên ngành thẩm định và ban hành. Những hệ thống tiêu nhỏ có vài trạm bơm tiêu liên thông với nhau thì hầu như chưa có quy trình vận hành nhằm tiết kiệm năng lượng hay tối ưu thiệt hại… Hệ thống tiêu 3 trạm bơm: Dương Hà, Phù Đổng, Thịnh Liên là hệ thống trạm bơm tiêu chủ yếu cho khu vực Gia Lâm, tiêu ra sông Đuống. Ba trạm bơm có hệ thống kênh tiêu thông với nhau, chung lưu vực tiêu. Nhưng có các cống điều tiết để phân lưu vực cho từng trạm bơm khi cần thiết. Trạm bơm tiêu Phù Đổng xây dựng năm 1974, gồm 25 máy bơm loại 12LTX40. Đến nay, trải qua 39 năm khai thác sử dụng, công trình đã xuống cấp toàn bộ, từ máy móc đến nhà trạm, công trình nối tiếp…, cụ thể là: máy bơm và động cơ cũ, hiệu suất thấp, thường xuyên hỏng hóc; đường ống cũ nát, hoen gỉ, thủng rỗ nhiều chỗ, gây rò rỉ nước; hệ thống điện cũ nát, các thiết bị đóng mở điện không an toàn và đồng bộ; mái nhà máy bị dột thấm gây nên hiện tượng bong tróc lớp vữa trát, cốt thép bỉ hở, han gỉ; nền nhà máy bị bong tróc, luôn ẩm ướt; tường nhà máy bị bong tróc lớp trát, ẩm ướt; toàn bộ hệ thống cửa đều cũ nát, hư hỏng; Nhà máy rất chật hẹp do các tổ máy bơm bố 1
trí so le gây khó khăn cho việc quản lý, vận hành. Ngoài ra, hệ thống kênh tiêu, bể hút, bể tháo, nhà quản lý, trạm biến áp cũng xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo việc tiêu nước trong mùa mưa. Hiện nay, lưu lượng bơm thực tế của hệ thống chỉ đạt khoảng 60% so với lưu lượng thiết kế. Trạm bơm Dương Hà chịu trách nhiệm tiêu úng cho khu dân sinh và diện tích sản xuất nông nghiệp địa phận xã Ninh Hiệp với tổng diện tích phụ trách khoảng 1100ha. Hiện nay, trạm bơm này còn sử dụng khá tốt gồm 27 máy trục ngang 1000m3/h. Bể hút trạm bơm bằng bê tông kết hợp gạch xây; bể hút rộng khoảng 35m. Hiện nay, bể hút cũng bị bồi lắng, gây ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng làm việc của trạm bơm. Cao trình đáy bể hút thiết kế là +3.35m. Trên khu vực có tuyến kênh đất dài 2623,53m, bề rộng kênh, đáy kênh không đều, nhiều vị trí bị sạt lở, bồi lắng chỉ còn rộng 2,5m; có đoạn kênh cao gần bằng mặt ruộng và có những đoạn không còn bờ kênh. Nhiều đoạn trong lòng kênh bị phủ bởi lớp bèo, cỏ rác và các loại cây, bụi cây, làm cản trở đến khả nằng tiêu thoát nước của kênh. Vì vậy, hiện trạng công trình tiêu nước nói chung không đảm bảo khả năng tiêu nước gây nên ngâp úng làm ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế của nhân dân. Trạm bơm tưới tiêu Thịnh Liên xây dựng năm 1994, phụ trách tiêu với diện tích tiêu là 1.921,95 ha cho các xã Trung Mầu, Phù Đổng, Ninh Hiệp. Trạm bơm gồm 9 máy bơm Hải Dương hướng trục trục đứng, lưu lượng tiêu 1 máy: 0,63 m3/s. Đến nay, trải qua hơn 20 năm khai thác, sử dụng, công trình đã xuống cấp toàn bộ từ máy móc đến nhà trạm, công trình nối tiếp..... Do tình hình biến đổi khí hậu hết sức phức tạp theo chiều hướng cực đoan. Nền kinh tế đang dịch chuyển dần sang hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Diện tích đất nông nghiệp giảm, diện tích đô thị và các dịch vụ khác tăng khiến yêu cầu tiêu tăng nhanh. Thêm vào đó là hệ thống công trình thủy lợi thì ngày càng xuống cấp, không phát huy được hết công suất thiết kế ban đầu. Đối với hệ thống tiêu có nhiều công trình đưa nước ra khỏi lưu vực thì rất cần có quy trình vận hành hợp lý nhằm giảm chi phí điện năng tiêu thụ, giảm thiệt hại do ngập úng gây ra. Lưu vwucj tiêu của 3 trạm bơm (Dương Hà, Phù Đổng, Thịnh Liên) là vùng trũng nên toàn bộ nước mưa phải tiêu động lực ra sông Đuống khiến lượng điện tiêu thụ hàng năm rất lớn. Vì vậy, cần phải 2
có quy trình vận hành phù hợp để vận hành ba trạm bơm sao cho hiệu quả tiêu là tốt nhất, điện năng tiêu thụ là thấp nhất. Đề tài ” Nghiên cứu đề xuất quy trình vận hành cho hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội trong điều kiện đô thị hóa và biến đổi khí hậu.” có ý nghĩa thực tế và khoa học cao. II. MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Mục đích nghiên cứu Đề xuất quy trình vận hành cho hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội trong điều kiện đô thị hóa và biến đổi khí hậu. 2. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hệ thống tiêu 3 trạm bơm Dương Hà – Phù Đổng – Thịnh Liên, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội. III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 1. Cách tiếp cận: - Tiếp cận thực tế: đi khảo sát, nghiên cứu, thu thập các số liệu cần thiết; - Tiếp cận hệ thống: Tiếp cận, tìm hiểu, phân tích hệ thống từ tổng thể đến chi tiết, đầy đủ và hệ thống. - Tiếp cận các phương pháp hiện đại: Mô phỏng thủy văn, thủy lực bằng phần mềm. 2. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa : Thu thập số liệu về bề rộng kênh, hệ số nhám lòng kênh, độ dốc lòng kênh, số máy bơm, loại máy bơm từng trạm….để nhập vào phần mềm SWMM. - Phương pháp kế thừa : kế thừa những nghiên cứu của những người trước về vẽ mô hình mưa. 3
- Phương pháp phân tích hệ thống, thống kê : tiến hành phân tích hiện trạng, tình hình ngập úng từ đầu mối điến mặt ruộng; Tổng hợp các số liệu như: mưa, số giờ bơm…. - Phương pháp mô hình toán : sử dụng phần mềm SWMM để mô phỏng thủy văn, thủy lực. IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC. - Tính toán các tần suất mưa. - Đề xuất được kịch bản cơ cấu sử dụng đất trong tương lai và biến đổi khí hậu (năm 2030). - Tính toán yêu cầu nước cho hệ thống ứng với điều hiện hiện tại, điều kiện phát triển kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu. - Đề xuất quy trình vận hành cho từng trạm bơm tương ứng với các trường hợp tính toán nêu trên với yêu cầu không gây thiệt hại do ngập úng. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.TỔNG QUAN VỀ TIÊU NƯỚC 1.1.1. Tổng quan về vấn đề tiêu nước Nước ta có địa hình đồi núi chiếm đến 3/4 diện tích lãnh thổ, tập trung phần lớn ở vùng Đông Bắc, Tây Bắc và miền Trung, phần diện tích còn lại là châu thổ và đồng bằng phù sa, chủ yếu là ở ĐBSH và ĐBSCL. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình nhiều năm trên toàn lãnh thổ vào khoảng 1.940 mm/năm nhưng do ảnh hưởng của địa hình đồi núi, lượng mưa phân bố không đều trên cả nước và biến đổi mạnh theo thời gian nên gây khó khăn cho việc tiêu khi mưa lớn xảy ra. Đặc biệt là khi đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, quá trình đô thị hóa ngày càng tăng cao, làm giảm đáng kể khả năng tiêu thoát nước ở các vùng đô thị, nhất là những đô thị lớn, đang phát triển mạnh. Tại đồng bằng sông Hồng: Các sông tự nhiên đều có đê bao phòng chống lũ. Trong nội đồng thường có các kênh rạch tự nhiên và nhân tạo làm nhiệm vụ tưới và tiêu. Mối liên hệ giữa các kênh rạch và các con sông chính được thực hiện qua cống lấy nước tự chảy hoặc các công trình tháo nước hoặc các trạm bơm. Tại các hệ thống ven biển miền Trung: Do quy mô của các hệ thống tiêu thoát nước nhỏ, việc phòng chống lũ và ngăn chặn nước mặn lại do các đê biển đảm nhiệm. Các hệ thống tưới tiêu riêng biệt hầu hết là tự chảy, nhưng cũng có nhiều vùng tưới tiêu bằng bơm. Thiệt hại do ngập lụt, ngập úng vẫn xảy ra thường xuyên và nghiêm trọng. Vùng cao nguyên, miền núi: Hệ thống tưới tiêu riêng biệt và thường là tự chảy đối với vùng địa hình cao, đôi khi dùng bơm để lấy nước sông với vùng có địa hình thấp hoặc các hệ thống hỗn hợp. Ở đồng bằng sông Cửu Long: Ngập lụt phụ thuộc rất nhiều vào lũ từ thượng nguồn, mưa nội đồng, địa hình thấp, triều cường, các kênh rạch và các cống ngăn mặn ở cửa sông. Các công trình đê biên giới, đê sông Tiền, sông Hậu chỉ có tác dụng vào đầu mùa lũ, khi lũ cao hệ thống này không chống được lũ. Công trình thoát lũ ra biển Tây hiệu 5
quả chưa cao nên ngập lụt ở đồng bằng sông Cửu Long vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết. Việt Nam phát triển kinh tế nhanh trong vài thập kỷ gần đây kéo theo sự phát triển đô thị và công nghiệp diễn ra trên cả nước, đặc biệt nhanh với những vùng ven các đô thị lớn. Việc phát triển đô thị hay công nghiệp đã làm tăng yêu cầu tiêu, trong khi các hệ thống tiêu không cải tạo, nâng cấp để đáp úng sự phát triển trên nên gây ra ngập úng. Ngoài ra, yếu tố làm gia tăng quá trình ngập úng là hệ thống tiêu bị mất diện tích trữ nước tạm thời, diện tích thấm nước, sự xuống cấp của công trình tiêu và biến đổi bất thường theo hướng bất lợi của khí hậu. Nhiều hệ thống tiêu chỉ được thiết kế, xây dựng tiêu nước cho nông nghiệp nhưng hiện nay phải gánh vác thêm diện tích đô thị, công nghiệp khiến quá tải. Với những hệ thống tiêu nhiều đầu mối tiêu (cống tự chảy hay trạm bơm tiêu) thì quy trình vận hành hợp lý có thể giảm bớt mức độ ngập úng và giảm chi phí điện năng. 1.1.2.Tổng quan về đô thị hóa Hiện nay,quá trình đô thị hoá ở nước ta đang là nguyên nhân gây biến động nguồn tài nguyên nước, theo đó, các con sông, hồ trong các đô thị ngày một bị thu hẹp dòng chảy, thậm chí bị lấp hoàn toàn để lấy đất phục vụ cho quá trình phát triển kinh tế- xã hội, xây dựng các công trình giao thông, khu dân cư, khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp… Quá trình đô thị hoá đã và đang tác động sâu sắc đến các hoạt động kinh tế- xã hội. Do tác động của quá trình này, các đoạn sông chảy qua các khu đô thị, khu dân cư tập trung và các cơ sở sản xuất kinh doanh vùng ngoại thành thường xuyên nằm trong tình trạng báo động. Gia Lâm - vùng đất địa linh nhân kiệt, nằm ở cửa ngõ phía Đông của Thủ đô Hà Nội ngàn năm văn hiến, nơi giao thoa của dòng văn hoá Thăng Long và Kinh Bắc. Gia Lâm được xác định là vùng kinh tế trọng điểm. Trên địa bàn huyện có nhiều tuyến đường giao thông quan trọng đã và đang được đầu tư xây dựng: Quốc lộ 1A; Quốc lộ 1B; Quốc lộ 3 mới Hà Nội - Thái Nguyên; Quốc lộ 5; Đường ôtô cao tốc Hà Nội - Hải Phòng; đường Hà Nội - Hưng Yên; đường 181...; đường thuỷ sông Hồng, sông Đuống, ga Yên Viên và hệ thống đường sắt ngược lên phía Bắc, Đông Bắc và xuôi cảng biển Hải phòng. Trên địa bàn huyện có nhiều khu đô thị, khu công nghiệp và các trung tâm 6
thương mại được hình thành; nhiều làng nghề nổi tiếng, thu hút đông khách thập phương trong và ngoài nước như làng gốm sứ Bát Tràng, dát vàng, may da Kiêu Kỵ, chế biến thuốc bắc Ninh Giang. Đây chính là những động lực và tiềm năng to lớn để phát triển kinh tế thương mại, du lịch, dịch vụ giao thông, giao lưu hàng hoá hiện nay và trong tương lai. Đặc biệt, tháng 6/2018, UBND thành phố Hà Nội có quyết định phê duyệt Quy hoạch chi tiết Khu đô thị Gia Lâm, tỷ lệ 1/500 tại khu vực thị trấn Trâu Quỳ và các xã: Dương Xá, Kiêu Kỵ, Đa Tốn. Tổng diện tích đất khu vực nghiên cứu quy hoạch khoảng 420ha và quy mô dân số khoảng 89.500 người. “Siêu” đô thị mới này được nghiên cứu quy hoạch bao gồm: Khu biệt thự cao cấp được bố trí bên trong lòng đô thị, các khu nhà ở cao tầng với chiều cao từ 25 - 38 tầng, các trường mầm non, trường học các cấp bố trí trung tâm các khu ở, hệ thống công trình công cộng thành phố bố trí, hệ thống các công trình công cộng dịch vụ hỗ trợ và bãi đỗ xe... Để phát triển hạ tầng cho đô thị, huyện cũng triển khai dự án nhà máy nước sạch khu vực Yên Viên. Ngoài ra, Dự án Nhà máy nước mặt sông Đuống (giai đoạn 1), với công suất 150.000 m3/ngày đêm sẽ được khánh thành vào đúng tháng 10/2018. Tổng quy mô dự án với diện tích gần 61,5 ha, tổng vốn đầu tư gần 5000 tỷ đồng tại xã Phù Đổng và xã Trung Mầu. Đặc biệt, Gia Lâm là một trong những huyện đi đầu trong đầu tư đồng bộ hệ thống chiếu sáng. Theo đó, 411,8km hệ thống chiếu sáng trên địa bàn huyện được đầu tư. Huyện cũng triển khai đồng bộ việc cải tạo, xây dựng trụ sở làm việc, trạm y tế, nhà văn hóa, trung tâm văn hóa xã; đến nay đã có 153/171 thôn, làng, tổ dân phố, cụm dân cư có nhà văn hóa; 100% trạm y tế các xã đạt chuẩn; 58/75 trường đạt chuẩn quốc gia. Do quá trình đô thị hóa trên địa bàn diễn ra với tốc độ nhanh. Diện tích đất nông nghiệp giảm, diện tích đất đô thị tăng. Các công trình tiêu thoát nước trước đây chủ yếu phục vụ cho muc đích tiêu cho nông nghiệp. Nên vấn đề tiêu thoát nước cho đô thị và công nghiệp đang trở thành bài toán khó cho ban lãnh đạo khu vực nghiên cứu . 7
1.1.3.Tổng quan về biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu trái đất là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm: khí quyển, thủy quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai, bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo trong một giai đoạn nhất định. Nguyên nhân chính làm BĐKH trái đất là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải nhà kính, các hoạt động khai thác quá mức các bể hấp thụ và bể chứa khí nhà kính như sinh khối, rừng, các hệ sinh thái biển, ven bờ và đất liền khác. Việt Nam là một quốc gia nằm trong khu vực Đông Nam Á, chịu ảnh hưởng của vùng gió mùa, khí hậu nóng và ẩm rất đặc trưng. Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200km với 75% dân số sống gần biển. Việt Nam là nước đứng thứ 2 trong 5 nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu. Nhiệt độ trong 50 năm qua (1958–2007), nhiệt độ trung bình năm ở Việt Nam tăng lên khoảng từ 0,5đ0C đến 0,70C. Nhiệt độ mùa đông tăng nhanh hơn nhiệt độ mùa hè và nhiệt độ ở các vùng khí hậu phía Bắc tăng nhanh hơn ở các vùng khí hậu phía Nam. Lượng mưa giảm từ 5 đến 10% trên đa phần diện tích phía Bắc nước ta và đang tăng khoảng 5 đến 20% ở các vùng khí hậu phía Nam. Xu thế diễn biến của lượng mưa năm tương tự như lượng mưa mùa mưa, tăng ở các vùng khí hậu phía Nam, giảm ở các vùng khí hậu phía Bắc. Khu vưc Nam Trung Bộ có lượng mưa mùa khô, mùa mưa và lượng mưa năm tăng mạnh nhất so với các vùng khác ở nước ta, nhiều nơi đến 2% trong 50 năm qua. Số lượng xoáy thuận nhiệt đới họat động trên khu vực Biển Đồng có xu hướng tăng nhẹ, trong khi đó số cơn ảnh hưởng hoặc đổ bộ vào đất liền Việt Nam không có xu hướng biến đổi rõ ràng. Khu vực đổ bộ của các cơn bão và áp thấp nhiệt đới vào Việt Nam có xu hướng lùi dần về phía Nam nước ta; số lượng các cơn bão rất mạnh có xu hướng gia tăng, mùa bão có dấu hiệu kết thúc muộn hơn trong thời gian gần đây. Mức độ ảnh hưởng của bão đến nước ta có xu hướng mạnh lên. Tình hình BĐKH diễn biến ngày càng phức tạp theo hướng cực đoan và bất lợi cho việc tưới và tiêu. Số trận mưa có cường độ lớn và tổng lượng lớn bất thường xuất hiện 8
ngày càng thường xuyên. Trong khi nhiều công trình trong hệ thống tiêu xuống cấp và thiết kế với mức đảm bảo thấp đã không đáp ứng được yêu cầu tiêu hiện tại và tương lai. 1.1.4. Tổng quan về quy trình vận hành hệ thống tiêu động lực Việt Nam là một nước nông nghiệp, có đến 70% dân số lao động trong lĩnh vực này. Vì vậy, sản xuất nông nghiệp đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, đóng góp khoảng 24% GDP, gần 30% giá trị hàng hóa xuất khẩu. Ngành xuất khẩu chủ yếu của nước ta đó chính là lúa nước. Nhưng nhiều năm trở lại đây, sản lượng gạo xuất khẩu giảm, một phần là do ảnh hưởng của BĐKH, còn phần lớn là do quy trình quản lý vận hành, khai thác hệ thống của nước ta chưa tốt. Đặc biệt là khi hiện nay, nước ta chủ yếu tiêu úng bằng động lực (trạm bơm tiêu động lực). Cả nước có 172 công ty quản lý thuỷ nông với 75 hệ thống thuỷ lợi vừa và lớn, nhiều hệ thống thuỷ lợi nhỏ, trong đó có khoảng 2000 trạm bơm điện lớn vừa có công suất lắp máy 250 MW cho tưới và 300 MW cho tiêu và hơn 755.000 máy bơm vừa và nhỏ do hợp tác xã và hộ nông dân mua sắm. Ngoài ra còn có trạm bơm dầu, nhưng với số lượng rất nhỏ, không đáng kể. Chi phí vận hành của các trạm bơm điện (chủ yếu là điện năng) là rất lớn, ước tính trung bình chiếm 45% đến 50% tổng chi phí quản lý vận hành. Như vậy, nếu tính trên bình diện cả nước thì chi phí vận hành bơm hàng năm lên đến hàng trăm tỷ đồng. Thời gian gần đây, Chính phủ đã khuyến cáo các doanh nghiệp phải tìm các biện pháp để giảm nhỏ chi phí vận hành các hệ thống thủy lợi, đặc biệt là ở các hệ thống tiêu bằng động lực. Thực hiện chủ trương này, hầu hết các doanh nghiệp đã thực hiện các qui trình tiêu nước vào những giờ thấp điểm để giảm chi phí vận hành. Nhiều biện pháp kỹ thuật đã được áp dụng để nâng cao hiệu quả quản lý nhưng thực tế cho thấy, tình trạng ngập lụt vẫn xảy ra trầm trọng ở một số nơi, đặc biệt là BĐKH diễn ra ngày càng phức tạp. Theo số liệu đánh giá của Cục Thuỷ Lợi, hiện nay diện tích được tiêu của các hệ thống thuỷ nông chỉ đạt 50% đến 65% so với thiết kế. 9
Các hệ thống lớn như hệ thống CTTL Bắc Nam Hà, hệ thống sông Nhuệ…. đều có quy trình vận hành được Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn ban hành cho từng hệ thống. Trong khi đó, những hệ thống tiêu vừa và nhỏ có từ 2 trạm bơm tiêu trở lên chưa có quy trình vận hành khoa học cho từng trạm bơm. Thực tế, các trạm bơm tiêu trong hệ thống vận hành đồng thời, đồng đều…nên chưa phát huy được ưu điểm của hệ thống tiêu liên thông các trạm bơm và chưa tiết kiệm điện năng. 1.1.5. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan 1.1.5.1. Trên thế giới Trong những năm gần đây, đã có nhiều tác giả nghiên cứu về tác động của BĐKH đến mưa tiêu, nhu cầu tiêu và hệ thống tiêu, quy trình vận hành hệ thống điển hình như các nghiên cứu sau: *Grum M. và Jorgensen [3]- Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến tiêu nước đô thị: một đánh giá dựa trên mô phỏng mô hình khí hậu vùng. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng phương pháp mô phỏng mô hình khí hậu vùng (RCM) để đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến sự thay đổi của cường độ mưa và biểu đồ mưa, từ đó đánh giá được ảnh hưởng đến dòng chảy trong hệ thống tiêu thoát nước đô thị. *O.Mark, G.Svensson và nnk [4] – Nghiên cứu Phân tích và thích nghi với những tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu. Mục đích của nghiên cứu là nâng cao hiểu biết và kiến nghị chiến lược thích ứng BĐKH đối với các hệ thống thoát nước nhằm giảm thiểu tổn thương do BĐKH gây ra. Nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của BĐKH đến sự thay đổi trong biểu đồ mưa ở những nước Bắc Âu và đã phác thảo chiến lược giảm thiểu tác động của BĐKH đến các hệ thống tiêu. Nghiên cứu đã tập chung vào: hướng dẫn liên quan đến chiến lược giảm thiểu tác động của BĐKH đến hệ thống tiêu; hướng dẫn về cách thực hiện phân tích đánh giá tác động của BĐKH đến hệ thống tiêu và giới thiệu kết quả phân tích tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu ở Helsingborg, Kalmar Sweden và Odense của Đan Mạch. 10
* Linmei Nie, Oddvar Lindholm và nkk [6] – Nghiên cứu Tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu đô thị – Một nghiên cứu điển hình ở Fredrikstad, Norway. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng bất lợi của BĐKH đến úng ngập bề mặt, hiện tượng tràn kênh, dòng chảy qua tràn tách nước mưa được phân tích. Dựa trên những kịch bản BĐKH đã có, nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tổng lượng nước ngập tại các giếng thu nước mưa tăng lên 2 – 4 lần, lượng tăng của mưa và tổng dòng chảy tràn tại các tràn tách nước mưa của hệ thống cống chung sẽ tăng 1,5 – 3 lần mức tăng của mưa. Kết quả mô phỏng cũng chỉ ra rằng, số lượng các giếng thu bị ngập và số lượng đoạn cống, mương bị tràn có thể thay đổi đột ngột và không đều với sự thay đổi không đáng kể của mưa và thay đổi theo các trận và thời lượng mưa. * Supria Paul, A.K.M. Saiful Islam và nnk [8] – Nghiên cứu tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu đô thị ở ba thị trấn ven biển của Bangladesh. Trong nghiên cứu này, mô hình SWMM đã được sử dụng để đánh giá những điều kiện tiêu thoát trong tương laic ho 3 vùng thị trấn ven biển là Amtali, Galachipa và Pirojpur. Mưa thiết kế thời lượng 2 giờ, tần suất 10% và mực nước của các sông bao quanh tần suất 5% đã được chọn mô phỏng hệ thống tiêu. Đối với mưa tương lai, những thông tin BĐKH phân giải cao đã được tạo ra qua sử dụng kịch bản phát thải trung bình SRES A1B được tính từ mô hình khí hậu vùng REGCM3. Số liệu mực nước biển dâng tù nguồn cấp hai đã được bổ sung với tần suất 5% để mô phỏng kịch bản tương lai. Độ phân giải DEM 10m đã được sử dụng để mô tả địa hình lưu vực và hệ thống tiêu. Kết quả mô phỏng đã cho thấy rằng, những mương nhánh cấp 2 sẽ không đủ năng lực để dẫn nước mưa ứng cới trận mưa thiết kế và vùng ngập úng sẽ tăng lên đáng kể từ sau năm 2030. * Eric A.Rosenberg [7] – Nghiên cứu mưa cực hạn và những tác động của BĐKH đến công trình tiêu nước ở bang Washington. Tác giả đã sử dụng số liệu mưa đo đạc trong quá khứ và số liệu mưa mô phỏng để đánh giá những thay đổi trong phân bố xác suất của mưa cực hạn ở vùng nghiên cứu. Mưa đo đạc sử dụng trong khoảng thời gian 1949 – 2007 và mưa tương lai được xác định từ mô hình khí hậu vùng WRF trong khoảng thời gian 1970 – 2000 và 2020 – 2050 và thu phóng từ mô hình khí hậu toàn cầu ECHAM5 và CCSM3. Chuỗi mưa giờ từ phân tích thống kê được sử dụng như đầu vào của mô hình thủy văn HSOF để mô phỏng dòng chảy trong 2 lưu vực đô thị ở 11
miền trung Puget Sound. Nghiên cứu kết luận rằng, những công trình tiêu nước được thiết kế khi sử dụng số liệu mưa trong thế kỷ 20 cần thiết phải được nâng cấp với tiêu chuẩn thiết kế mới để có thể đáp ứng được yêu cầu tiêu do BĐKH gây ra. 1.1.5.2. Trong nước Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng BĐKH đến hệ thống tiêu và quy trình vận hành hệ thống tiêu. a) Nghiên cứu tác động BĐKH và đô thị hóa đến tiêu: * Bùi Nam Sách [10]– Nghiên cứu sự biến đổi của nhu cầu tiêu và biện pháp tiêu nước cho hệ thống thủy nông Nam Thái Bình có xét đến ảnh hưởng của BĐKH toàn cầu. Tác giả đã chỉ ra một số kết quả sau: +Về hệ số tiêu: Nếu chỉ xét riêng về ảnh hưởng của BĐKH đến yêu cầu tiêu thì hệ số tiêu mặt ruộng, lưu lượng tiêu thiết kế của các công trình đầu mối và tổng lượng nước cần tiêu của hệ thống thủy nông tăng theo tỷ lệ thuận với mức độ tăng của tổng lượng trận mưa tiêu thiết kế. Nếu xét thêm ảnh hưởng của biến động cơ cấu sử dụng đất do công nghiệp hóa và đô thị mang lại thì so với thời điểm hiện tại khi lượng mưa tiêu tăng thêm 3,1% thì hệ số tiêu thiết kế tăng 5,62%, khi lượng mưa tăng thêm 7,9% thì hệ số tiêu thiết kế tăng 17,12% và khi lượng mưa tăng thêm 19,1% thì hệ số tiêu năng 35,65%. +Về biện pháp tiêu: vùng tiêu tự chảy giảm từ 82,54% diện tích cần tiêu tại thời điểm hiện nay xuống còn 62,9% vào năm 2020, 39,9% vào năm 2050, 33,10% vào năm 2100. Ngược lại quy mô vùng tiêu bằng động lực tăng lên tương ứng với mức độ giảm của vùng tiêu tự chảy: tăng từ 10.435 ha ở thời điểm hiện nay lên 20.958 ha vào năm 2020, 34.670 ha vào năm 2050 và 38,732 ha vào năm 2100. +Với hệ số tiêu thiết kế đang áp dụng trong hệ thống thủy nông Nam Thái Bình khoảng 7,0 l/s, ở thời điểm hiện tại các công trình tiêu nước đã có trên hệ thống này mới chỉ có khả năng đáp ứng được khoảng 60% nhu cầu tiêu, đến năm 2020 đáp ứng được 58%, năm 2050 đáp ứng được trên 52% và năm 2100 đáp ứng được trên 45% nhu cầu tiêu. 12