Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu đưa ra được cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định chế độ vận hành tích nước trong kỳ mùa lũ, đảm bảo an toàn tích nước đầy hồ, nâng cao hiệu quả cấp nước và phát điện mà vẫn đảm bảo an toàn chống lũ hạ du và chống lũ cho công trình cho hai hồ chứa Hòa Bình và Sơn La.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ MINH HUỆ NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TÍCH NƢỚC TRONG THỜI KỲ MÙA LŨ CHO HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG HOÀ BÌNH VÀ SƠN LA TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Hà Văn Khối Phản biện 01: PGS.TS Nguyễn Tiền Giang Phản biện 02: PGS.TS Dƣơng Văn Tiển Phản biện 03: PGS.TS Vũ Minh Cát Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại ……………………………………………………………………………. Vào lúc …. giờ …ngày … tháng … năm 2017. Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên thượng nguồn sông Đà hiện nay có nhiều công trình hồ chứa đa mục tiêu đóng góp tỷ trọng lớn về sản lượng điện, cấp nước phục vụ phát triển kinh tế cho đồng bằng sông Hồng và tham gia điều tiết chống lũ hạ du với hiệu quả hết sức to lớn. Hồ chứa Sơn La và Hòa Bình là hai hồ có dung tích dành chống lũ cho hạ du lớn nhất (7 tỉ m3), phần dung tích này được thiết kế nằm dưới mực nước dâng bình thường. Do vậy, nẩy sinh mâu thuẫn giữa nhiệm vụ chống lũ và phát điện, cấp nước rất gay gắt. Mặt dù quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng được ban thành theo quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17 tháng 09 năm 2015 đã tạo khung vận hành cứng, vận hành cụ thể còn phải căn cứ vào dự báo quá trình nước đến hồ. Nhưng vẫn còn có hai câu hỏi mà yêu cầu thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu, đó là: - Có cho phép các hồ chứa trên được tích nước từ đầu mùa lũ không, và nếu cho phép thì quy định tích nước phải như thế nào mới đảm bảo an toàn chống lũ hạ du? - Theo quy định, thời kỳ lũ muộn các hồ chứa phải tích nước dần đến mực nước dâng bình thường, nhưng nếu xẩy ra lũ lớn bất thường thì các hồ chứa sẽ ứng phó như thế nào để giảm lũ cho hạ du mà vẫn đảm bảo an toàn cho công trình? Do vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La” với mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học về chế độ vận hành tích nước 1
các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La nhằm nâng cao hiệu quả tích nước cho phát điện và cấp nước, đảm bảo an toàn công trình và chống lũ hạ du. 2. Nhiệm vụ của luận án - Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định chế độ vận hành tích nước trong kỳ mùa lũ, đảm bảo an toàn tích nước đầy hồ, nâng cao hiệu quả cấp nước và phát điện mà vẫn đảm bảo an toàn chống lũ hạ du và chống lũ cho công trình cho hai hồ chứa Hòa Bình và Sơn La. - Nghiên cứu chế độ vận hành điều tiết cắt lũ cho hạ du trong thời kỳ lũ muộn, khi mà các hồ chứa Sơn La và Hòa Bình được phép tích nước đầy hồ, đảm bảo giảm thiểu tác động tiêu cực cho hạ du khi xảy ra lũ lớn bất thường. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Vận hành điều tiết tích nước và chống lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hoà Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ. Đối tượng nghiên cứu: Chế độ điều tiết chống lũ hạ du được xem xét trong hệ thống liên hồ chứa bao gồm 4 hồ Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà, nhưng nghiên cứu chế độ vận hành tích nước theo mục tiêu của đề tài được giới hạn nghiên cứu với hệ thống hồ chứa Sơn La và Hoà Bình trên sông Đà. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp (i) Phương pháp kế thừa; (ii) Phương pháp phân tích tổng hợp; (iii) Phương pháp mô hình toán. 5. Những đóng góp mới của luận án - Đề xuất được chế độ tích nước sớm có điều kiện cho 2 hồ chứa Sơn La và Hòa Bình. Trên cơ sở đó, đề xuất cơ sở khoa học xác định mực nước giới hạn trên của quá trình tích nước hồ chứa Sơn La trong thời kỳ tích nước hạn chế, đảm bảo tích nước hiệu quả mà vẫn an toàn chống lũ hạ du và công trình. 2
- Đề xuất được chế độ vận hành điều tiết chống lũ cho hạ du và phương thức ứng phó khi xảy ra lũ bất thường trong thời kỳ tích nước đầy hồ ở cuối thời kỳ mùa lũ. 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 118 trang, 30 bảng, 40 hình vẽ và 67 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu vận hành vận hành hồ chứa đa mục tiêu Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ đối với hệ thống hồ chứa Hòa Bình và Sơn La Chương 3: Kết quả nghiên cứu chế độ vận hành trong thời kỳ tích nước hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU 1.1 Hồ chứa và vấn đề vận hành hồ chứa Để khai thác sử dụng các hồ chứa lợi dụng tổng hợp đem lại lợi ích cao nhất, các nhà khoa học trên thế giới tập trung tìm ra quy tắc vận hành hợp lý, giải quyết các mẫu thuẫn giữa các mục tiêu khác nhau nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa, từ các nghiên cứu đơn giản lượng trữ cấp nước của Rippl (1883) đến các nghiên cứu phức tạp gần đây vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa theo thời gian thực phục vụ đa mục tiêu của Mehdipour và nnk (2012). Mặc dù đã được đầu tư nghiên cứu rất bài bản và chi tiết từ các cơ quan quản lý khai thác sử dụng, nhiều nhà khoa học cũng đã sử dụng các phương pháp khác nhau để thiết lập quy tắc vận hành cho hệ thống hồ chứa nhưng các ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù từng hệ thống, không có phương pháp luận, công cụ nào có thể dùng chung cho mọi hệ thống. 3
1.2 Phƣơng pháp quản lý và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Mỗi hệ thống hồ chứa khi hoạt động đều tuân thủ theo một quy trình vận hành đã được thiết lập sẵn, trong đó có các quy tắc vận hành cho từng thời kỳ mà người quản lý vận hành phải tuân thủ theo. Quy trình vận hành của các hồ được thiết lập trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật thông qua mô hình mô phỏng hoặc tối ưu. Các quy tắc vận hành được biểu diễn dưới dạng đồ thị hay bảng hướng dẫn theo mực nước (dung tích) hồ theo thời gian trong năm (Yeh, 1985) (Long, N. L, Madsen, H., and Rosbjerg, D., 2007) được thể hiện trong biểu đồ điều phối là căn cứ chính cho việc ra quyết định khi vận hành hồ chứa. Các đường cong quy tắc điều hành là một trong những cách quản lý đơn giản và phổ biến nhất, nhằm hỗ trợ việc ra quyết định điều hành hồ chứa của người quản lý (Liu P; Guo S.L; Xu X.W; Chen J.H, 2011). Đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu có hai hướng quản lý: (i) Quản lý theo biểu đồ điều phối và (ii) Quản lý vận hành theo thời gian thực. Quy tắc điều hành hệ thống hồ chứa bậc thang đa mục tiêu: (i) với mục tiêu chống lũ là khi cần cắt lũ, tích đầy hồ thượng lưu trước, khi cần dung tích trống chuẩn bị điều tiết trận lũ sau thì xả trống hồ hạ lưu trước, (ii) với mục tiêu cung cấp nước chỉ đơn giản là trữ vào các hồ chứa cao hơn trước, và thấp nhất cuối cùng. 1.3 Tổng quan các phƣơng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa là bài toán đa dạng và phức tạp, cho đến nay các nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới, đặc biệt các nghiên cứu này ở Việt Nam đã được nhiều cơ quan chức năng và nhà khoa học quan tâm. Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa thường tập trung sử dụng công cụ mô hình toán như áp dụng lý thuyết tối ưu hoặc mô phỏng. Kỹ thuật tối ưu thường được sử dụng để thiết lập ra quy tắc vận hành khung, xây dựng biểu đồ điều phối cho từng hồ chứa trong hệ thống. Phương pháp mô phỏng giúp chi tiết hoá vận hành hệ thống hồ chứa với những các kịch bản khác nhau để lựa 4
chọn phương án vận hành hợp lý giải quyết các mâu thuẫn nhằm tối đa hoá các mục tiêu của hệ thống hồ chứa. Chính vì vậy, mặc dù phương pháp sử dụng mô hình tối ưu ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưng tìm ra quy tắc vận hành tối ưu vẫn gặp nhiều khó khăn (Labadie, 1997), nên phương pháp mô phỏng vẫn được ứng dụng rộng rãi nhằm xác định các quy tắc vận hành hợp lý và linh hoạt. 1.4 Tổng quan về lƣu vực sông Hồng Hệ thống hồ chứa Lưu vực sông Hồng là lưu vực sông lớn nhất miền Bắc Việt Nam. Hệ thống sông Hồng bắt nguồn từ tỉnh Vân Nam, Trung Quốc với 05 phụ lưu lớn khi chảy vào địa phận Việt Nam hợp thành 03 nhánh sông chính là Đà, Thao, Lô. Hình 1-6: Bản đồ lưu vực sông Đà Do điều kiện địa hình thuận lợi, lưu vực sông Hồng ngày càng khai thác mạnh mẽ nguồn nước thượng nguồn. Trên thượng lưu sông Đà (sông Lý Tiên) thuộc Trung Quốc, hiện có 11 hồ chứa được quy hoạch, trong đó có 9 hồ đã đi vào vận hành. Phía Việt Nam, ngoài nhiệm vụ cấp nước và phát điện trong thời kỳ mùa lũ, hồ chứa Sơn La và Hòa Bình (trên sông Đà) dành 7 tỷ m3 cùng với 1,0 tỉ m3 của 5
Tuyên Quang (trên sông Gâm) và 0,45 tỉ m3 của Thác Bà (trên sông Chảy) bảo vệ an toàn cho Hà Nội không vượt mực nước 13,4 m với trận lũ có chu kỳ lặp lại 500 năm. Quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên lƣu vực sông Hồng Nhận thấy tầm quan trọng của các hồ chứa này, ngay khi hồ chứa Hòa Bình đi vào hoạt động đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu để hỗ trợ cơ quan quản lý ra văn bản pháp lý quy định quy trình vận hành phù hợp với sự phát triển của hệ thống. Các quy trình đã ban hành quy định vận hành hệ thống hồ chứa trong thời kỳ tích nước khá linh hoạt với việc được duy trì mực nước hồ lên trên mực nước trước lũ. Tuy nhiên chưa có quy định rõ ràng về thời điểm được tích và khi hồ chứa đã được tích lên mực nước cao mà gặp lũ lớn thì xử lý như thế nào? Vấn đề vận hành hệ thống hồ chứa trong thời kỳ tích nước còn một số hạn chế gây khó khăn cho người ra quyết định vận hành (vấn đề này sẽ được phân tích kỹ trong chương 2) cần được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành. Vấn đề dự báo lũ Dự báo dòng chảy đến hồ là một trong những nhiệm vụ quan trọng cần thiết trong công tác vận hành hệ thống hồ chứa, chất lượng dự báo trong các bản tin tư vấn ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả vận hành liên hồ chứa, mà đặc biệt là dự báo dòng chảy trong thời kỳ tích nước. Dự báo lũ trên hệ thống sông Hồng là bài toán phức tạp, còn nhiều khó khăn khi ngày càng nhiều hồ chứa thượng nguồn được xây dựng và tình trạng thiếu thông tin từ các trạm đo trên địa phận Trung Quốc, vấn đề về chất lượng dự báo mưa số trị. Tuy nhiên, báo lũ trên hệ thống đã được nhiều nhà khoa học (Trịnh Quang Hòa và nnk, 1994) (Nguyễn Văn Điệp, 2013) (Bùi Đình Lập, 2016) quan tâm ứng dụng những công nghệ hiện đại, tiên tiến trên thế giới nâng cao lượng dự báo phục vụ hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng, đảm bảo yêu cầu vận hành theo thời gian thực. Dự báo dòng chảy lũ với thời gian dự kiến 72h đạt mức dự báo “Tốt” là một trong những điều kiện cho việc giải quyết mâu thuẫn giữa tích nước và phòng lũ hệ thống hồ chứa trên hệ thống sông Hồng. 6
1.5 Định hƣớng nghiên cứu Hệ thống hồ chứa Sơn La, Hoà Bình đã có nhiều nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng cùng rất nhiều báo cáo phân tích thực tiễn vận hành với nhiều công nghệ hiện đại tuy nhiên người ra quyết định vận hành còn gặp rất nhiều khó khăn ở những thời điểm mà quy trình không có quy định cụ thể. Vì vậy, luận án lựa chọn nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng trong thời kỳ tích nước, sơ đồ nghiên cứu được thể hiện trong Hình 1-7 dưới đây. Hình 1-7: Sơ đồ khối nghiên cứu chế độ vận hành tích nước cho hệ thống hồ chứa Hòa Bình và Sơn La Quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng hiện nay (QT1622), đã đề ra một khung vận hành cứng cho việc quản lý vận hành hồ chứa. Do vậy, luận án lựa chọn phương pháp mô phỏng với ưu điểm giúp chi tiết hoá vận hành hệ thống hồ chứa khi vận hành theo các kịch bản khác nhau 7
để lựa chọn phương án vận hành hợp lý, giải quyết các mâu thuẫn nhằm tối đa hoá các mục tiêu của hệ thống. CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TÍCH NƢỚC TRONG THỜI KỲ MÙA LŨ ĐỐI VỚI HỆ THỐNG HỒ CHỨA HÒA BÌNH VÀ SƠN LA 2.1 Nhận xét về các quy trình đã ban hành và đề xuất hƣớng nghiên cứu chế độ vận hành tích nƣớc Nhiệm vụ chống lũ hạ du QT 1622 quy định hồ chứa Sơn La và Hòa Bình dành phần dung tích đủ lớn để để đảm bảo khi xảy ra lũ thiết kế có thể khống chế được mực nước lớn nhất tại Hà Nội theo mức 13,1 m với lũ 300 năm và 13,4 m với lũ 500 năm tại Sơn Tây (xem Bảng 2-1). Bảng 2-1: Quy định về phân bổ dung tích phòng lũ dành cho cắt lũ hạ du theo mực nước khống chế tại Hà Nội của các hồ Sơn La và Hòa Bình trong QT1622. Mức nƣớc Dung tích dành cắt lũ theo mực nƣớc khống chế tại Hà Nội cần khống (tỷ m3) chế tại Hà Hồ Sơn La Hồ Hòa Bình Tổng cộng Nội 1,00 1,13 ZHN 11,5 m (mực nước hồ từ (mực nước hồ từ 2,13 197,3÷203 m) 101÷107m) 3,00 1,87 ZHN > 13,1 m (mực nước hồ từ 203 (mực nước hồ từ 4,87 Đến 13,4 m ÷217,2 m) 107 ÷117 m) Một số hạn chế của quy trình vận hành Trong thời kỳ lũ sớm và lũ chính vụ quy trình vận hành chủ yếu quan tâm đến các quy định cắt lũ khi mực nước Hà Nội có khả năng vượt cao trình 11,5 m, chưa có quy định vận hành cụ thể khi mực nước Hà Nội ở dưới mức này. Tính toán trong hồ sơ kỹ thuật, lập quy trình sử dụng 3 mô hình lũ bất lợi tần suất 0,33% và 0,2% với mực nước chân lũ tại Hà Nội ở ngưỡng 10,5 đến 8
11,5 m mà không tính cho trường hợp không xảy ra lũ lớn. Do vậy, quy trình QT198 và QT1622 chỉ quy định chung chung là trường hợp không có lũ, tùy theo diễn biến của thời tiết và mực nước tại Hà Nội, cho phép dâng mực nước các hồ chứa cao hơn MNTL và khi dự báo có lũ xảy ra, xả nước để đưa mực nước các hồ về MNTL. Như vậy, cần xác định mực nước cao hơn có giới hạn là bao nhiêu và dự báo thế nào thì cho phép dâng mực nước cao hơn ? Mặt khác, theo tài liệu thống kê 56 năm (từ năm 1959-2015) chỉ có 9 năm ( 16%) mực nước Hà Nội trong điều kiện tự nhiên có khả năng vượt 11,5 m, các hồ chứa phải tham gia cắt lũ cho hạ du. Do vậy, việc quy định cụ thể chế độ vận hành hồ chứa trong mùa lũ khi không có lũ (mực nước Hà Nội
lũ chính vụ và lũ muộn. Thời điểm bắt đầu tích nước vào hồ chứa được quy định vào đầu thời kỳ lũ muộn (sau ngày 21 tháng 08 hàng năm) và chỉ cho phép tích nước sớm từ ngày 10 tháng 8 hàng năm với điều kiện dự báo mùa lũ kết thúc sớm. Phân tích thực trạng và những bất cập của các quy trình vận hành theo các quy trình đã ban hành. Mặc dù các quy trình đã quy định mực nước lớn nhất trong thời kỳ mùa lũ, nhưng trong quá trình vận hành thực tế đã vận hành theo hướng tích nước trước thời điểm cho phép. Cụ thể, 04 năm (2012-2015) sau khi có hồ chứa Sơn La, vận hành hệ thống hồ chứa tuân theo QT 198, quy định MNTL của Sơn La là 194 m và Hòa Bình là 101 m, thời điểm tích nước không sớm hơn ngày 10/08 nhưng các hồ đều giữ mực nước cao hơn quy định mặc dù không có lũ (Hình 2-1). Đặc biệt năm 2012, mực nước hồ chứa Sơn La lớn nhất đạt 201,84 m cao hơn 5,84 m, mực nước lớn nhất hồ Hòa Bình là 106,76 m cao hơn 5,76 m. Các hồ chứa đã tích sớm nhưng cuối mùa lũ, dòng chảy trong sông giảm nhanh, các hồ chứa này có những thời gian giảm công suất phát điện để đảm bảo tích nước được đầy hồ chứa an toàn cấp nước cho hạ du mùa kiệt. Hình 2-1: Biểu đồ quá trình mực nước hồ Sơn La thời kỳ mùa lũ từ năm 2012-2015 10
Định hƣớng nghiên cứu chế độ vận hành tích nƣớc hồ chứa Hòa Bình và Sơn La. Từ những phân tích về quy trình và thực tiễn vận hành, luận án định hướng nghiên cứu với hai nội dung chính như sau: - Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước thời kỳ mùa lũ nhằm nâng cao hiệu quả phát điện, cấp nước, đảm bảo an toàn tích nước đầy hồ và vẫn an toàn chống lũ cho hạ du và cho công trình. - Nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành điều tiết cắt lũ, giảm thiểu tác động tiêu cực cho hạ du trong trường hợp xảy ra lũ lớn bất thường vào thời kỳ tích nước sau ngày 21/8 hàng năm hoặc sau ngày 10/8 khi cho phép tích nước sớm. 2.2 Cơ sở khoa học nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành tích nƣớc Quan điểm nghiên cứu. Luận án đề nghị nghiên cứu áp dụng chế độ tích nước sớm có điều kiện (phương án trung gian) đối với hồ chứa Sơn La và Hòa Bình. Tuy nhiên, dù hồ chứa được tích nước sớm nhưng không có nghĩa là nên tích nước ngay đến mực nước dâng bình thường trước thời điểm kết thúc mùa lũ mà chỉ nên tích nước đến một giới hạn nào đó để khi dự báo có lũ lớn xảy ra, thì phải kịp đưa mực nước hồ về mực nước trước lũ, sẵn sàng làm nhiệm vụ chống lũ theo thiết kế. Chế độ tích nước được gọi là có điều kiện vì tại mỗi thời điểm tích nước, mực nước được tích trong hồ phụ thuộc vào 3 yếu tố: (1) Mực nước hồ chứa và mực nước hạ du (tại Hà Nội) tại thời điểm tích nước; (2) Mức độ dự báo lũ và diễn biến dòng chảy đến hồ và mực nước hạ du trong thời gian dự kiến; (3) Ràng buộc về chế độ điều tiết xả lũ qua công trình xả lũ. Theo đó, mùa lũ được phân thành 02 thời kỳ vận hành: Thời kỳ tích nước hạn chế (trước ngày 21/08 hàng năm): là thời kỳ vận hành tích nước hạn chế gồm thời kỳ lũ sớm và lũ chính vụ. Đây là thời kỳ mà nhiệm vụ cắt lũ cho hạ du là chính, bởi vậy các hồ chứa chỉ cho phép tích nước đến mực nước nhất định gọi là mực nước giới hạn Hgh. Hgh được xác định sao cho khi dự báo hoặc cảnh báo có lũ lớn kịp đưa mực nước hồ về mực nước trước lũ để kịp sẵn sàng cắt lũ an toàn cho hạ du. 11
Thời kỳ tích nước đầy hồ (sau ngày 21/08 hàng năm): là thời kỳ tích nước bắt buộc các hồ chứa phải tích nước đến mực nước dâng bình thường. Đối với trường hợp này phải xây dựng chế độ vận hành cắt giảm lũ để hạn chế đến mức tối thiểu thiệt hại cho hạ du khi các hồ chứa không đủ khả năng cắt lũ theo đúng tiêu chuẩn thiết kế phòng lũ hạ du. Phƣơng pháp thiết lập chế độ vận hành trong thời kỳ tích nƣớc hạn chế. Trong thời kỳ tích nước hạn chế, hệ thống hồ chứa Hòa Bình và Sơn La vận hành tương ứng với các Hgh. Xác định Hgh theo các mức khác nhau của mực nước tại Hà Nội, sao cho trong thời gian dự kiến dự báo (cảnh báo lũ), kịp đưa mực nước về mực nước trước lũ và mực nước tại Hà Nội không vượt quá 11,5 m. Từ đó lập quan hệ Hgh phụ thuộc vào mực nước Hà Nội, được gọi là “Bảng nguyên tắc vận hành tích nƣớc” để sử dụng trong quá trình vận hành tích nước. Để xác định Bảng nguyên tắc vận hành tích nước cần thực hiện 2 nội dung tính toán sau: Nội dung 1: Với mỗi kịch bản về mực nước Hà Nội tại thời điểm quyết định tích nước, xác định mực nước giới hạn Hgh khi có dự báo xuất hiện lũ lớn tương đương với lũ thiết kế phòng lũ tại tuyến phòng lũ (lũ 500 năm tại Sơn Tây). Từ đó xác định các phương án Hgh theo cấp mực nước Hà Nội. Giá trị mực nước giới hạn Hgh phụ thuộc vào thời gian dự kiến của phương pháp dự báo đã áp dụng. Đối với lưu vực sông Hồng, thời gian dự kiến của dự báo có thể chọn bằng 3-5 ngày (sẽ phân tích ở mục 2.3). Nội dung 2: Tính toán kiểm tra với các trận lũ lớn đã xảy ra trong thực tế. Trên cơ sở đó lựa chọn phương án Hgh thiết lập “Bảng nguyên tác vận hành”. Nếu thấy không đáp ứng yêu cầu chống lũ cho hạ du cần phải tiến hành xác định lại Hgh theo các bước nội dung 1. Xây dựng chế độ vận hành ứng phó trong trƣờng hợp xảy ra lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc. 12
Trong phạm vi nghiên cứu, luận án chỉ tập trung nghiên cứu trường hợp xảy ra lũ bất thường trong giai đoạn tích nước của các hồ chứa nghĩa là khi hồ chứa không còn đủ khả năng phòng lũ cho hạ du ứng với trận lũ thiết kế. Phương hướng nghiên cứu được thể hiện trong Hình 2-7. Hình 2-7: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu đề xuất giải pháp vận hành ứng phó trong trường hợp lũ bất thường. 2.3 Phân tích cơ sở thực tiễn và tính khả thi xác định mực nƣớc giới hạn Hgh cho hồ chứa Sơn La và Hòa Bình 2.3.1 Thực trạng thay đổi chế độ mực nước hạ du thời kỳ mùa lũ Diễn biến mực nước hạ du sông Hồng càng ngày càng phức tạp với xu thế giảm dần, đặc biệt là tại Hà Nội. Theo thống kê dòng chảy tại trạm thuỷ văn Hà Nội từ năm 1960 đến năm 1988 và dòng chảy hoàn nguyên từ năm 1989 đến năm 2013 cho thấy: - Mực nước lớn nhất trong mùa lũ rơi vào thời kỳ lũ chính vụ và có 09 năm mực nước Hà Nội lớn nhất vượt cao trình 11,5 m, như vậy chỉ có 16% số năm các hồ chứa thượng nguồn bắt buộc phải làm nhiệm vụ cắt lũ cho hạ du. - Xu thế mực nước thấp nhất ngày càng giảm theo thời gian, nếu như những năm trước 2002 mực nước thường trên 6,0 m thì những năm sau lại giảm nhỏ 13
hơn nhiều đặc biệt năm 2006, 2011 xuống còn 2,6 m trong thời kỳ lũ chính vụ và trong mùa lũ có thời điểm giảm xuống dưới 2,0 m. - Mực nước chân lũ tại Hà Nội nằm dưới 6,0 m và tăng dần từ đầu mùa đến thời kỳ lũ chính vụ sau đó giảm dần. - Mặt khác, theo tài liệu phân tích ( Hà Văn Khối, 2010), khi mực nước Hà Nội nhỏ hơn 7,0 m thì lòng dẫn có thể tải thêm 1300 m3/s để tăng mực nước thêm 1,0 m. Lòng dẫn tải thêm được 2000 m3/s khi tăng mực nước Hà Nội từ 8,0 m lên 9,0 m. Trong toàn mùa lũ, có tới 50% thời gian mùa lũ mực nước Hà Nội thấp hơn 8,0 m. 2.3.2 Phân tích đặc điểm mưa lũ và sự hình thành lũ lớn trên lưu vực Mưa lũ lớn trên diện rộng toàn lưu vực thường do sự phối hợp của các hình thế thời tiết chủ yếu với các hình thế thời tiết khác tạo gây nên. Phần lớn các trận lũ lớn trên sông Hồng tại Hà Nội có mực nước đỉnh lũ (Hmax) trên mức báo động III (11,5 m) đều do hoạt động liên tiếp các loại hình thế thời tiết nêu trên gây ra. Các trận lũ lớn trên sông Hồng vào các năm: 1968, 1969, 1971, 1986, 1996 (Hmax > 12,0m) đều do 02 hoặc nhiều loại hình thời tiết cùng hoạt động hay hoạt động liên tiếp gây ra. Chưa xảy ra tổ hợp bất lợi nhất hình thành lũ sông Hồng khi có mưa lũ đặc biệt lớn đồng bộ trên cả 3 sông Đà, Thao, Lô. Song các trận đặc biệt lớn 1969, 1971 và 1996 đều do mưa lớn xảy ra trên cả 3 lưu vực sông nhánh và không phải đều đã gây lũ lớn lịch sử ở 3 sông. Lũ đặc biệt lớn tại Hà Nội xảy ra khi có lũ đặc biệt lớn trên 01 hoặc 02 sông. Lũ đặc biệt lớn tại Hà Nội thường do 01 đến 03 đợt lũ liên tiếp, kéo dài 08 - 10 ngày với lượng mưa phổ biến 100 - 300 mm, có nơi tới 500 - 700 mm và tâm mưa khoảng 700 - 800 mm. 2.3.3 Khả năng dự báo và nhận dạng lũ lớn trên hệ thống sông Hồng Dự báo ngắn hạn và hạn vừa (5 ngày) rất quan trọng cho bài toán vận hành liên hồ chứa. Theo đánh giá của Trung tâm dự báo KTTV Trung Ương, chất lượng dự báo hạn vừa đối với trạm Hà Nội và đến hồ chứa Sơn La đạt chất lượng tốt 14
( 80%); đối với hồ chứa Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà đạt mức trên 70%. Mức đảm bảo đối với dự báo hạn ngắn trong những năm gần đây đạt trên 85% với thời gian dự kiến 24h, trên 80% với thời gian dự kiến 36h và trên 75% với thời gian dự kiến 48h. Chất lượng nhận dạng lũ ngày càng được nâng cao do nguyên nhân gây lũ lớn ở khu vực miền Bắc hầu như là do hoạt động liên tiếp hoặc tổ hợp từ hai hình thế thời tiết trở nên gây ra. Bởi vậy, chất lượng bản tin dự báo lũ lưu vực sông Hồng hoàn toàn đảm bảo yêu cầu vận hành tích nước theo đề xuất của luận án, nghĩa là có thể khi các phân tích hình thế thời tiết gây mưa lớn có thể nhận được khá sớm. Đây là một trong những cơ sở có đủ thời gian hạ mực nước của hồ chứa Hòa Bình và Sơn La về MNTL theo kết quả dự báo. 2.4 Công cụ tính toán 2.4.1 Ứng dụng MS Excel tính toán điều tiết dòng chảy qua hồ chứa Thiết lập chương trình tính toán điều tiết dòng chảy qua hệ thống hồ chứa trên sông Hồng trên MS Excel. Với nguyên lý tính toán như sau: Nguyên lý tính toán điều tiết dòng chảy qua hồ chứa: dựa vào hệ phương trình cân bằng nước và phương trình động lực cùng với các đường đặc trưng, tham số mô tả đặc tính của hệ thống công trình Diễn toán dòng chảy trên sông: sử dụng phương pháp Muskingum để diễn toán dòng chảy trong một đoạn sông tự nhiên là một phương pháp cổ điển nhưng rất hiệu quả. 2.4.2 Mô hình MIKE 11 Diễn toán dòng chảy cho toàn lưu vực sông Hồng của các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình Mike 11 cho kết quả mô phỏng dòng chảy rất sát với thực tế. Vì vậy, tác giả kế thừa toàn bộ mạng lưới sông, mặt cắt và các thông số của MIKE 11 đã được thiết lập cho lưu vực sông Hồng làm công cụ tính toán để mô phỏng dòng chảy từ sau hệ thống hồ chứa về đến hạ du. Toàn bộ hệ thống sông 15
gồm có 25 sông chính chia thành 52 nhánh sông, được thiết lập trên mặt cắt đo đạc năm 2012. Biên trên và biên dưới: Là quá trình lưu lượng xả từ các hồ chứa Hòa Bình (sông Đà), Thác Bà (sông Chảy), Tuyên Quang (sông Gâm). Quá trình lưu lượng và mực nước tại trạm thủy văn (Yên Bái, Hàm Yên, Quảng Cư, Thác Huống, Cầu Sơn, Chũ, Chí Thủy, Hưng Thi, Như Tân, Phú Lễ, Ba Lạt, Định Cư, Đông Xuyên, Quang Phục, Kiến An và Cửa Cấm) Biên khu giữa: Các khu giữa được xác định trên cơ sở các tài liệu địa hình và tài liệu khí tượng thuỷ văn. Các khu giữa có nguồn bổ sung dòng chảy đáng kể cho hệ thống sông được xác định gồm 06 khu vực. 2.5 Kết luận chƣơng 2 Luận án phân tích những tồn tại của quy trình vận hành, những bất cập trong thực tiễn điều hành từ đưa ra quan điểm nghiên cứu chế độ vận hành tích nước theo hướng đồng nhất vận hành tích sớm có điều kiện. Với quan điểm nghiên cứu này, luận án đề xuất phương pháp tính toán mực nước giới hạn Hgh (cho thời kỳ tích nước hạn chế) và thiết lập phương án vận hành trong trường hợp xảy ra lũ bất thường. Luận án phân tích cơ chế hình thành mưa lũ lớn, chế độ dòng chảy lũ và chất lượng dự báo lũ, chứng minh tính khả thi của định hướng nghiên cứu. CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TRONG THỜI KỲ TÍCH NƢỚC HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG HÒA BÌNH VÀ SƠN LA 3.1 Thiết lập bài toán Thiết lập bảng nguyên tắc vận hành, luận án tiến hành thử dần xác định Hgh, sơ đồ tính thể hiện trong Hình 3-2, với mực nước Hà Nội theo 3 cấp: (i) Từ 6,0-8,0 m; (ii) Từ 4,0-6,0 m; (iii) và nhỏ hơn 4,0 m; với mực nước lớn hơn 8,0 m thì duy trì mực nước hồ chứa bằng MNTL. 16
Lựa chọn mực nước khống chế an toàn tại Hà Nội là 10,5 m (do sai số dự báo). Trạng thái ban đầu hồ chứa Tuyên Quang và Thác Bà bằng MNTL. Mô hình lũ 1996 là mô hình bất lợi cho vận hành điều tiết các hồ chứa trên sông Đà (lưu lượng đỉnh lũ vào hồ chứa Sơn La là 31.863 m3/s, tổng lượng lũ 20 ngày nhánh sông Đà chiếm hơn 50% tổng lượng hạ du) nên luận án chọn mô hình lũ này để tính toán. Quá trình dòng chảy lũ 3 ngày trước tại các biên được xác định từ trạng thái ban đầu của hệ thống nối với điểm bắt đầu của quá trình lũ thiết kế. Hình 3-1: Sơ đồ tính toán thiết lập bảng nguyên tắc vận hành Để đơn giản trong tính toán lựa chọn cố định mực nước Hòa Bình là 101 m, thử dần nâng dần mực nước của hồ chứa Sơn La. Sau đó điều chỉnh theo nguyên tắc bảo toàn tổng lượng tích vào hồ. Kết quả tính toán được trình bày trong Bảng 3- 1 và Bảng 3-3. Bảng 3-1: Kết quả tính toán Hgh của hồ chứa Sơn La Mực nước (m)/ Lưu lượng (m3/s) Ban Mực nước Hà Nội (m) đầu Hgh của Hồ Sơn La (m) 207,5 205,5 200,5 197,3 Sơn La Mực nước Hà Nội (m) 8,3 9,67 9,75 xuống 3 MNTL Qmax Hoà Bình (m /s) 8.270 11.289 11.126 17
Bảng 3-3: Tổng hợp các phương án điều chỉnh Hgh Mực nước Hà Nội (m) Z Sơn La (m) 197,3 200,5 205,5 207,5 Phương án 1 Z Hòa Bình (m) 101,0 101,0 101,0 101,0 Z Sơn La (m) 197.3 200.5 203 205 Phương án 2 Z Hòa Bình (m) 101,0 101,0 103,5 103,5 Z Sơn La (m) 197,3 200,5 202,4 204,4 Phương án 3 Z Hòa Bình (m) 101,0 101,0 104,0 104,0 Z Sơn La (m) 197,3 200,5 201,5 203,5 Phương án 4 Z Hòa Bình (m) 101,0 101,0 105,0 105,0 Để đánh giá tính khả thi của các phương án mực nước Hgh của hồ chứa Sơn La và Hòa Bình, luận án tiến hành vận hành hệ thống hồ chứa thử nghiệm 10 trận lũ lớn đã xảy ra trong thực tế 1969, 1970, 1971, 1972, 1996, 1999, 2000, 2002, 2006 và 2008. Kết quả vận hành điều tiết thử nghiệm theo các phương án Hgh đề xuất đều khả thi. Vận hành điều chỉnh mực nước hồ chứa theo cấp mực nước Hà Nội linh hoạt và không gây lũ nhân tạo cho hạ du, hồ chứa Hòa Bình chỉ vận hành mở tối đa 7 cửa xả đối với hai trận lũ lớn 1971 và 1996. Đối với các trận lũ tính toán, mực nước hồ chứa đều được đưa về gần MNTL theo quy định để sãn sàng cắt lũ hạ du và mực nước Hà Nội không vượt quá cao trình 10,5 m. Luận án lựa chọn phương án chỉ nâng cao mực nước hồ chứa Sơn La hơn MNTL (197,3 m) và đề xuất bảng nguyên tắc vận hành tích nước (Bảng 3-5) để chủ động trong vận hành thực tế và an toàn khi xảy ra lũ lớn ở khu giữa. Bảng 3-5: Bảng nguyên tắc vận hành tích nước Mực nước Hà Nội (m) Hgh của Hồ Sơn La (m) 207,5 205,5 200,5 197,3 Hgh của Hồ Hòa Bình (m) 101,0 101,0 101,0 101,0 18