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

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

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của nghiên cứu luận án là xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ làm cơ sở cho việc quy hoạch, đề xuất giải pháp tiêu cho hệ thống; xây dựng phương pháp xác định tần suất mực nước sông để thiết kế trạm bơm đảm bảo tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành công trình nhỏ nhất.

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 xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LA ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG Chuyên ngành: Quy hoạch quản lý tài nguyên nước Mã số chuyên ngành: 62-62-30-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Đào Xuân Học Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Quang Trung Phản biện 2: GS.TS. Lê Chí Nguyện Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại : Trường Đại học Thủy Lợi vào hồi 8 giờ 30 phút ngày 7 tháng 10 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Quốc gia; Trường Đại học Thủy Lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà(BNH) là một trong những hệ thống tiêu động lực lớn nhất ở Việt Nam, với tổng diện tích tiêu là 85.326 ha, thuộc khu vực đồng chiêm trũng của các tỉnh Nam Định, Hà Nam. Trước khi xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn, đây là vùng bị úng ngập nghiêm trọng, chỉ với trận mưa 150mm đã gây nên ngập lụt toàn vùng trong thời gian dài. Trong thập niên 1960 - 1970 Nhà nước đã đầu tư xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn, bước đầu đã giải quyết được tình trạng ngập úng thường xuyên, kéo dài trên hệ thống. Để nâng cao năng lực tiêu cho hệ thống, thời gian gần đây Nhà nước đã đầu tư xây dựng thêm một số trạm bơm lớn, nâng năng lực tiêu lên hơn 1,6 lần, song hiện tại tình trạng ngập úng vẫn xảy ra khá thường xuyên và ngày càng nghiêm trọng, làm ảnh hưởng lớn đến phát triển kinh tế, xã hội và đời sống nhân dân trong vùng. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên là do: Quá trình phát triển kinh tế - xã hội, trên hệ thống đã làm cho diện tích đất công nghiệp, đô thị tăng nhiều, cùng với tác động tiêu cực của BĐKH, NBD dẫn đến nhu cầu tiêu nước trên hệ thống tăng rất nhanh, tạo ra sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu và nhu cầu tiêu. Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” đã được đề xuất để nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học làm cơ sở cho việc đề xuất giải pháp nâng cao năng lực và hiệu quả của của hệ thống BNH. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống tiêu nước bằng động lực trên hệ thống BNH và các khu vực có điều kiện tương tự. 1
4. Nội dung nghiên cứu Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ làm cơ sở cho việc quy hoạch, đề xuất giải pháp tiêu cho hệ thống; xây dựng phương pháp xác định tần suất mực nước sông để thiết kế trạm bơm đảm bảo tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành công trình nhỏ nhất. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa, điều tra, mô hình mô phỏng, phân tích thống kê, tối ưu hóa, phân tích tổng hợp. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học: Cung cấp được phương pháp luận khoa học cho việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu có tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành nhỏ nhất; - Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng được cơ sở khoa học cho cho việc đề xuất giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa đa mục tiêu nhằm giảm nhu cầu tiêu. 7. Những đóng góp mới của luận án (1). Xây dựng được cơ sở khoa học cho cho việc đề xuất giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa để điều tiết chống ngập; cải thiện môi trường, vi khí hậu; giảm áp lực bơm tiêu trên hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng. (2). Xây dựng được phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu nhằm tiết kiệm điện năng, giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả hệ thống tiêu động lực. 8. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận ángồm 3 chương: Chương 1- Tổng quan Chương 2- Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng Chương 3- Xây dựng cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu BNH trong điều kiện BĐKH NBD. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà Hệ thống thủy lợi BNH thuộc vùng đồng chiêm trũng của Nam Định, Hà Nam có nhiệm vụ tưới cho 59.000ha đất nông nghiệp; tạo nguồn cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp trong vùng; Tiêu nước, cho 85.326ha diện tích phía trong đê, hỗ trợ tiêu cho 15.025 ha ngoài đê. Hệ thống được xây dựng từ những năm 70 của thế kỷ 20 với các chỉ tiêu thiết kế đã lạc hậu. 1.1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình Hệ thống nằm trải dài từ 20036’15” đến 20036’45” vĩ độ bắc, bề ngang kéo dài từ 10505’ đến 106013’ kinh độ đông và được bao bọc bởi 4 sông lớn: Sông Châu, sông Hồng, sông Đào và sông Đáy. Trên hệ thống có nhiều khu vực lòng chảo, phân bố cao độ ruộng đất cao, thấp không đồng đều, lại bị bao bọc bốn bề là sông nên giải pháp tiêu úng cho khu vực rất phức tạp, khó khăn chỉ có duy nhất giải pháp tiêu bằng động lực. 1.1.2 Đặc điểm mưa, mạng lưới sông ngòi và chế độ thủy văn Mưa lớn thường tập trung nhiều vào các tháng 7, 8, 9; mưa lớn ở các khu vực trên hệ thống không cùng thời gian xuất hiện; đỉnh mưa của các trận mưa dài ngày xuất hiện hầu như không có quy luật.Hệ thống chịu ảnh hưởng trực tiếp, mạnh mẽ của việc điều tiết các hồ chứa trên thượng nguồn và thủy triều, nên việc tiêu úng gặp phải rất nhiều khó khăn. 1.1.3 Hiện trạng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà Các trạm bơm lớn máy móc, thiết bị đã cũ kỹ, đã xuống cấp nghiêm trọng, hiệu suất bơm không cao, lưu lượng tiêu thiết kế toàn hệ thống mới chỉ đạt 4,67l/s/ha, không đảm bảo nhu cầu đặt ra; các tuyến kênh trên hệ thống bị bồi lấp mạnh gây ách tắc dòng chảy; các công trình trên kênh, công trình điều tiết được thiết kế theo các tiêu chuẩn đã lạc hậu, qua quá trình khai thác lâu dài đã hỏng hóc, xuống cấp, nhiều công trình không còn phát huy tác dụng; việc phân 3
lưu vực tiêu chưa hợp lý, một số lưu vực có tuyến kênh tiêu quá dài. Từ thực trạng trên dẫn tới việc ngập úng trên diện rộng xảy ra khá thường xuyên trên hệ thống. 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước 1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng số liệu dự báo mưa tương lai được tính toán từ các mô hình khí hậu vùng, mô hình khí hậu toàn cầu để đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến các hệ thống tiêu, từ đó đề xuất các giải pháp ứng phó. 1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước ở Việt Nam Để xác định trận mưa tiêu thiết kế cho tương lai, các tác giả đã giả định mô hình phân phối trận mưa tiêu thiết kế tương lai và ngoại suy tỷ lệ tăng lượng mưa ngày max tương lai từ các quan hệ giữa lượng mưa ngày max với lượng mưa năm, mùa, tháng của quá khứ với mức tăng lượng mưa năm, mùa, tháng của giai đoạn tương lai được dự báo từ các kịch bản BĐKH. Tuy nhiên, mức tương quan giữa lượng mưa ngày max với lượng mưa năm, mùa tháng của quá khứ lại rất thấp nên kết quả tính toán chưa có tính sát thực cao. 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp xác định mực nước sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu Một số tác giả đã đề xuất lựa chọn mực nước sông thiết kế là mực nước bình quân vụ tiêu P = 50% hoặc P ≈ 50% nhằm tạo cho máy bơm làm việc trong vùng hiệu suất cao, hao phí điện năng ít,song lại chưa xem xét thấu đáo sự gia tăng chi phí xây dựng cũng như tính hiệu quả của trạm bơm.Một số tác giả đã quan tâm xem xét sự gia tăng chi phí xây dựng khi hạ thấp cao trình đáy cống tháo để khắc phục cột nước địa hình dư thừa, song lại bỏ qua việc xem xét sự giảm hiệu suất của bơm khi hạ thấp công trình tháo, do cột nước thiết kế bơm 4
tác giả vẫn xác định theo cách thông thường (tương ứng với tần suất mực nước sông 10%). 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về quản lý vận hành hệ thống tiêu Bắc Nam Hà Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất giải pháp cho hệ thống tiêu BNH. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ xoay quanh các vấn đề về điều hành hệ thống và các giải pháp quy hoạch, xây dựng, nâng cấp hệ thống trong điều kiện hiện tại. 1.5 Kết luận chương 1) Các nghiên cứu đã cho thấy sự tác động mạnh mẽ, rõ rệt của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước làm tăng đáng kể nhu cầu tiêu. 2) Hầu hết các nghiên cứu đều chưa cập nhật các kịch bản nồng độ khí nhà kính đặc trưng (RCP) do IPCC mới công bố. 3) Các nghiên cứu sử dụng phương pháp ngoại suy để xác định lượng mưa thiết kế và giả định mô hình phân phối mưa nên kết quả chưa có tính sát thực cao. 4) Chưa có nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH, NBD đến khả năng làm việc của các trạm bơm tiêu. 5) Việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế, chưa giải quyết được bài toán tổng thể, chưa xem xét toàn diện các biến có ảnh hưởng trực tiếp đến sự lãng phí điện năng, hiệu quả dự án cũng như điều kiện làm việc của máy bơm. 6) Chưa có nghiên cứu về tương quan giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ trong điều kiện BĐKH 7) Các nghiên cứu trên hệ thống BNH chưa đánh giá được khả năng đáp ứng nhu cầu tiêu của hệ thống trong điều kiện BĐKH, NBD CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU ÚNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BNH TRONG ĐIỀU KIỆN BĐKH, NBD 5
2.1 Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong giai đoạn hiện tại 2.1.1 Xác định nhu cầu tiêu của hệ thống Từ liệt tài liệu mưa 1980 - 2012 của 4 trạm đo Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Phủ lý. Tiến hành tính toán hệ số tiêu theo Tiêu chuẩn Việt Nam "TCVN 10406: 2015: Công trình thủy lợi - Tính toán hệ số tiêu thiết kế" được kết quả sau: Trạm Hưng Yên q = 9,88 l/s.ha; Trạm Nam Định q = 8,99 l/s.ha; trạm Ninh Bình q = 9,77 l/s.ha; trạm Phủ Lý q = 9,51 l/s.ha. Bình quân gia quyền hệ số tiêu toàn hệ thống q = 9,33 l/s/ha.Kết quả trên cho thấy: Hệ số tiêu hiện có của toàn hệ thống mới chỉ đạt 50,05% hệ số tiêu yêu cầu trong giai đoạn hiện tại, đây là nguyên nhân cơ bản nhất gây úng ngập trên hệ thống BNH. 2.1.2 Mô phỏng hệ thống để kiểm tra năng lực tiêu Sử dụng mô hình SWMM để mô phỏng hệ thống tiêu BNH trong giai đoạn hiện tại được kết quả sau: Các khu bị ngập 14 khu; số đoạn kênh bị tràn bờ 38 đoạn; Thời gian ngập: Ngập ≥ 1 ngày 7 khu, ngập ≥ 2 ngày 6 khu, ngập ≥ 3 ngày 2 khu, ngập ≥ 4 ngày 1 khu, ngập ≥ 5 ngày 1 khu, ngập ≥ 6 ngày 1 khu. 2.2 Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong các giai đoạn 2030 và 2050 2.2.1 Xác định kịch bản BĐKH, NBD cho vùng nghiên cứu Theo khuyến nghị của Bộ Tài nguyên và Môi trường, kịch bản RPC4.5 có nhiều khả năng xảy ra hơn so với các kịch bản RCP khác do vậy, trong Luận án này tác giả lựa chọn kịch bản RCP4.5 để tính toán, nghiên cứu. 2.2.2 Lựa chọn tài liệu mưa để tính toán cho vùng nghiên cứu Trong luận án này, tác giả sử dụng bộ số liệu mưa ngày tương lai đến năm 2100 của Bộ Tài nguyên và Môi trường tính toán theo kịch bản phát thải trung bình RCP4.5 bằng mô hình PRECIS cho tất cả các khu vực ở Việt Nam đã được dùng để xây dựng báo cáo cập nhật kịch bản BĐKH NBD năm 2016. 6
2.2.3 Xác định mực nước sông tương lai ứng với kịch bản phát thải trung bình cho vùng nghiên cứu Trong luận án này tác giả sử dụng các kết quả nghiên cứu trong dự án “Quy hoạch tổng thể thủy lợi Đồng bằng Bắc Bộ trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” của Viện Quy hoạch Thủy Lợi đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2012 để tính toán cho vùng nghiên cứu. 2.2.4 Xây dựng mô hình mưa tiêu trong điều kiện biến đổi khí hậu Từ liệt số liệu mưa ngày tương lai đến năm 2100 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, tác giả lựa chọn liệt số liệu mưa ngày tương lai để tính toán cho giai đoạn 2030 là liệt số liệu từ năm 2020 đến 2039; giai đoạn 2050 là liệt số liệu từ năm 2040 đến 2059 của các Trạm khí tượng: Hưng Yên, Nam Định, Phủ Lý, Ninh Bình để phục vụ việc nghiên cứu, tính toán. Bằng phương pháp thống kê xác định được mô hình mưa tiêu thiết kế cho các giai đoạn tương lai. 2.2.5 Xây dựng kịch bản sử dụng đất giai đoạn 2030, 2050 Tác giả sử dụng cơ cấu sử dụng đất trong dự án “Quy hoạch tổng thể thủy lợi Đồng bằng Bắc Bộ trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” của Viện Quy hoạch Thủy Lợi, được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2012 để tính toán, mô phỏng cho vùng nghiên cứu các giai đoạn 2030, 2050. 2.2.6 Xác định hệ số tiêu thiết kế của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD Tiến hành tính toán nhu cầu tiêu của hệ thống trong các giai đoạn 2030 và 2050 được kết quả như bảng 2.27. Từ kết quả tính toán trên cho thấy: Hệ số tiêu thiết kế của hệ thống tăng mạnh qua các giai đoạn 2030; 2050. Giai đoạn 2030 hệ số tiêu bình quân tăng 38,17% so với hiện tại; giai đoạn 2050 hệ số tiêu bình quân tăng 72,65% so với giai đoạn hiện tại. Nguyên nhân chính là do lượng mưa thời đoạn ngắn tăng rất mạnh trong điều kiện BĐKH và cơ cấu sử dụng đất thay đổi theo xu thế giảm diện tích ao, hồ; tăng diện tích đô thị, công nghiệp. 7
Bảng 2.27. Tổng hợp hệ số tiêu các giai đoạn HST GĐ GĐ 2030 GĐ 2050 Trạm Hiện tại l/s- HST Tăng so với HST l/s- Tăng so với ha l/s-ha GĐHT (%) ha GĐHT (%) H. Yên 9,88 13,21 33,70 15,58 57,69 N. Định 8,99 12,97 42,27 16,41 82,54 N. Bình 9,77 13,85 41,76 15,71 60,80 P.Lý 9,51 12,42 30,60 16,02 68,45 B.QuânG 9,33 12,90 38,17 16,12 72,65 2.2.7 Q Mô phỏng hệ thống tiêu ứng với trận mưa thiết kế và hiện trạng hệ thống tương ứng với giai đoạn 2030, 2050 Tiến hành mô phỏng hệ thống qua các giai đoạn 2030, 2050 được kết quả sau: Với trận mưa thiết kế hệ thống đã bị ngập tới 29 khu vực trong giai đoạn 2030, 36 khu vực trong giai đoạn 2050; các đoạn kênh ngập vàthời gian ngập có xu thế tăng mạnh qua các giai đoạn. 2.3 Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD Từ các kết quả tính toán, mô phỏng trên cho thấy: Năng lực tiêu úng của hệ thống BNH còn rất hạn chế và cách xa yêu cầu tiêu đặt ra, hay nói cách khác là có sự mất cân đối nghiêm trọng giữa nhu cầu tiêu và năng lực tiêu úng của hệ thống BNH. Do vậy, việc ngập úng thường xuyên xảy ra trên hệ thống trong thời gian qua là xu thế tất yếu, mức độ ngập úng trên hệ thống đang gia tăng một cách nhanh chóng trong bối cảnh BĐKH, NBD đang diễn ra. 2.4 Kết luận chương 1) Lần đầu tiên luận án sử dụng liệt số liệu mưa ngày tương lai để xác định mưa ngày max bằng phương pháp thống kê (thay cho phương pháp giả định mô hình và ngoại suy lượng mưa ngày max trong tương lai của các nghiên cứu trước đây). 8
2) Lựa chọn được mô hình toán phù hợp, kiểm định mô hình xác định được bộ thông số để mô phỏng hệ thống tiêu BNH. Kết quả mô phỏng hệ thống trong giai đoạn hiện tại đã cho thấy nhiều vùng bị ngập lụt nghiêm trọng; trong điều kiện BĐKH, NBD các vùng ngập tăng lên đáng kể và mức độ ngập lụt ngày càng nghiêm trọng hơn. 3) Đánh giá được năng lực tiêu úng của hệ thống; xác định được nguyên nhân cơ bản nhất dẫn đến tình trạng ngập úng thường xuyên trên hệ thống; chỉ ra được sự mất cân đối nghiêm trọng giữa nhu cầu tiêu và năng lực tiêu của hệ thống qua các giai đoạn. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BNH TRONG ĐIỀU KIỆN BĐKH, NBD 3.1 Tính toán cân bằng nước cho hệ thống trong các giai đoạn hiện tại, 2030, 2050 Trên cơ sở nhu cầu tiêu nước trong giai đoạn hiện tại và các giai đoạn tương lai, căn cứ vào năng lực của các trạm bơm tiêu hiện có trên các lưu vực tiêu, tiến hành tính toán cân bằng giữa khả năng và nhu cầu tiêu cho từng lưu vực tiêu được kết quả như bảng 3.4. Bảng 3.4. Kết quả tính cân bằng nước của các lưu vực tiêu Lưu Vực tiêu Năng lực Giai đoạn hiện tại Giai đoạn 2030 Giai đoạn 2050 tiêu hiện có m3/s Nhu cầu ΔQ Nhu cầu ΔQ Nhu cầu ΔQ tiêu m3/s m3/s tiêu m3/s m3/s tiêu m3/s m3/s Như Trác 18 39,03 -21,03 52,18 -34,18 61,5 -43,50 Hữu Bị 56 106,41 -50,41 145,66 -89,66 179,8 -123,80 Cốc Thành 93,77 203,72 -109,95 293,9 -200,13 371,9 -278,13 Vĩnh Trị 64,6 169,68 -105,08 237,7 -173,1 291,3 -226,70 Cổ Đam 75,68 115,91 -40,23 158 -82,32 195,3 -119,62 Nhâm Tràng 42,44 65,34 -22,9 86,2 -43,76 109,5 -67,06 Tổng 350,49 700,09 -349,60 973,64 -623,15 1.209,30 -858,81 9
1500 Lưu lượng tiêu (m3/s) 1000 500 0 Năng lực và nhu cầu tiêu các giai đoạn Năng lực hiện tại Nhu cầu Hiện tại Nhu cầu 2030 Nhu cầu 2050 Hình 3.1.Năng lực và nhu cầu tiêu các giai đoạn Từ kết quả tính toán cân bằng nước cho thấy: Để đáp ứng nhu cầu tiêu giai đoạn hiện tại cần tăng năng lực tiêu hệ thống lên 199,7%; 277,8% cho giai đoạn 2030 và 345% cho giai đoạn 2050, so với năng lực hiện có của hệ thống. Do nguồn lực đầu tư có hạn, khó có thể xây dựng thêm các trạm bơm để đáp ứng đủ nhu cầu tiêu cho hệ thống trong điều kiện BĐKH, NBD nên luận án sẽ: i) Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số tiêu thiết kế với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa trên lưu vực tiêu và chiều sâu trữ của hồ cho từng khu tiêu, làm cơ sở cân đối hài hòa giữa nhu cầu giảm nhỏ hệ số tiêu với khả năng cải tạo, nâng cấp, phát triển các hồ điều hòa cho phù hợp với điều kiện, tình hình thực tế. ii) Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế các trạm bơm tiêu nhằm khắc phục sự lãng phí điện năng trong quá trình bơm tiêu, giảm thiểu chi phí quản lý vận hành hệ thốngđểnâng cao hiệu quả của hệ thống BNHtrong điều kiện BĐKH, NBD. 3.2 Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa, chiều sâu trữ và định hướng quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD 3.2.1 Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ cho hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD 10
Kết quả nghiên cứu của tác giả Dương Thanh Lượng, Lê Quang Vinh [24] và dự án “Quy hoạch tổng thể thủy lợi Đồng bằng Bắc Bộ trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” [12] đã xác định tỷ lệ diện tích ao hồ cho khu vực BNH trong các giai đoạn 2030 và 2050 lần lượt là 8,73% và 9,14%; chiều sâu trữ của hồ điều hòa không quá 1,5m. Tiến hành tính toán hệ số tiêu của từng lưu vực tiêu với: Mức tăng tỷ lệ diện tích hồ điều hòa từ: 1%; 2% … đến 10%; mức tăng của Htrữ từ: 0,5m; 0,6m… đến 1,5m, được kết quả như bảng 3.8. Từ kết quả tính hệ số tiêu và biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ có thể lựa chọn được hệ số tiêu hợp lý cho mỗi vùng tiêu khi xác định được tiềm năng xây dựng hồ điều hòa trên vùng tiêu đó hoặc ngược lại; khả năng giảm nhỏ tối thiểu hệ số tiêu của hệ thống vào giai đoạn 2030 có thể đạt đạt tới q = 7,48 l/s-ha (giảm 43,3%); khả năng giảm nhỏ tối thiểu hệ số tiêu của hệ thống vào giai đoạn 2050 có thể đạt đạt tới q = 11,15 l/s-ha (giảm 35,6%) nếu tăng α = 10% với Htrữ = 1,5m. Qua đó, có cơ sở quan trọng cho công tác quy hoạch sử dụng đất và quy hoạch tiêu trong điều kiện BĐKH, NBD. Bảng 3.8. Hệ số tiêu hệ thống bình quân theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 α 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% Htrữ (m) 0,5 13,83 13,71 13,59 13,47 13,34 13,22 13,15 12,98 12,86 12,73 0,6 13,76 13,58 13,39 13,20 13,02 12,83 12,64 12,46 12,27 12,12 0,7 13,70 13,45 13,19 12,94 12,69 12,44 12,19 11,95 11,75 11,54 0,8 13,63 13,32 13,00 12,68 12,37 12,02 11,75 11,49 11,23 10,97 0,9 13,57 13,19 12,80 12,42 12,04 11,67 11,38 11,03 10,71 10,34 1,0 13,50 13,06 12,61 12,17 11,70 11,32 10,95 10,56 10,19 9,79 1,1 13,44 12,93 12,42 11,91 11,41 10,97 10,54 10,10 9,67 9,25 1,2 13,37 12,80 12,22 11,62 11,13 10,63 10,14 9,64 9,16 8,74 1,3 13,30 12,67 12,03 11,39 10,84 10,28 9,73 9,24 8,68 8,29 1,4 13,25 12,54 11,83 11,15 10,55 9,93 9,33 8,76 8,31 7,92 1,5 13,18 12,41 11,64 10,93 10,26 9,59 8,98 8,42 7,90 7,48 11
015 014 Hệ số tiêu (l/s-ha) 013 012 011 010 009 008 007 006 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1% 2% Chiều 3%sâu trữ (m) 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% Hình 3.3 Quan hệ q~α~Htrữ của hệ thống BNH giai đoạn 2030 3.2.2 Định hướng trong công tác quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD Sau khi nghiên cứu các điều kiện địa hình và tập quán dân cư trên hệ thống, luận án đề xuất một số định hướng cho việc quy hoạch phát triển hồ điều hòa trên hệ thống cụ thể như sau: (1). Tập trung rà soát các vùng đất trên hệ thống có cao độ dưới 0,75m chiếm khoảng 15.972ha (18,8%), đặc biệt là các khu vự có cao độ dưới 0,5m chiếm 3.114ha (3,7%) để nghiên cứu, quy hoạch tối đa các hồ điều hòa tập trung vào các khu vực này. (2). Lưu vực tiêu Vĩnh Trị là lưu vực có hệ số tiêu nhỏ nhất (2,9l/s/ha), song lại có trục tiêu dài nhất (sông Sắt dài 37,7 km) nên cần ưu tiên rà soát các khu vực đất trũng, khó tiêu, thường xuyên bị ngập úng để quy hoạch hồ điều hòa trên lưu vực này. (3). Trong công tác quy hoạch cần: Khẳng định ao hồ sinh thái là một thành phần tất yếu tồn tại trong hệ sinh thái nông thôn, đô thị của vùng Đồng Bằng sông Hồng nói chung và khu vực BNH rói riêng; cần quan tâm đúng mức đến việc phát triển hệ thống ao, hồ sinh thái đa mục tiêu ở các khu đô thị, làng mạc 12
nông thôn, trên nguyên tắc đảm bảo cân bằng 4 yếu tố gồm: Xã hội; môi trường; kinh tế và văn hóa. 3.3 Đề xuất phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu có tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành nhỏ nhất Trong thực tế, hầu hết các trạm bơm tiêu (từ cấp III trở lên) trên hệ thống BNH nói riêng và ở các hệ thống khác nói chung đều được thiết kế với tần suất mực nước sông tiêu là 10%.Sở dĩ có việc sử dụng tần suất mực nước sông tiêu bằng 10% để thiết kế các trạm bơm tiêu một cách khá phổ biến là do xuất phát từ quan niệm mưa trong đồng và lũ ngoài sông xuất hiện cùng tần suất, trong khi các tiêu chuẩn thiết kế từ trước đến nay đều quy định tần suất thiết kế mưa tiêu trong đồng với các công trình từ cấp III trở lên là 10%, do vậy hầu hết các công trình tiêu từ cấp III trở lên đã được thiết kế với tần suất mực nước sông tiêu là 10%. Thực tế, mưa trong đồng và lũ ngoài sông hầu như không xuất hiện cùng tần suất, đặc biệt là trong giai đoạn hiện tại, khi mà hầu hết các sông tiêu đều chịu tác động của các hồ thủy điện phía thượng lưu. Tiến hành phân tích tương quan giữa lượng mưa trong đồng và mực nước lũ ngoài sông cho một số trạm bơm cụ thể trong hệ thống BNH cho thấy: Phần lớn các lần bơm tiêu mực nước sông thực tế thấp hơn mực nước sông tần suất 10%; nhiều lần bơm tần suất mưa trong đồng và tần suất mực nước sông sai khác nhau (70 ÷ 80)%. Hiện tượng này đã làm lãng phí cột nước bơm đối với các trạm bơm được thiết kế với tần suất mực nước sông bằng 10%.Kết quả so sánh tần suất xuất hiện mưa trong đồng và tần suất xuất hiện mực nước ngoài sông tại Trạm bơm Như Trác như hình 3.9. Do vậy, việc quan niệm mưa trong đồng và lũ ngoài sông xuất hiện cùng tần suất là không có cơ sở, song từ quan niệm trên lại dẫn tới việc sử dụng tần suất mực nước sông 10% để thiết kế các trạm bơm tiêu một cách khá phổ biến, đã làm lãng phí cột nước bơm và làm cho bơm làm việc trong vùng hiệu suất 13
không cao, gây lãng phí điện năng, tăng chi phí vận hành và giảm hiệu quả của các hệ thống tiêu. Tần suất mưa Tần suất mực nước sông 100 TẦN SUẤT XUẤT HIỆN (%) 80 60 40 20 0 1980 1985 1990 1995 2000 THỜI ĐIỂM SO SÁNH (NĂM) Hình 3.9. So sánh tần suất xuất hiện mưa trong đồng và mực nước sông tại trạm bơm Như Trác 3.3.1 Đánh giá mức độ lãng phí điện năng bơm tiêu khi thiết kế trạm bơm với tần suất mực nước sông thiết kế 10% Để thấy được mức độ lãng phí điện năng của các trạm bơm như đã nêu trên, tác giả tiến hành thống kê và tính toán hao phí điện năng thực tế đối với Trạm bơm Nhân Hòa; thiết kế, tính toán và so sánh mức tiêu thụ điện năng của trạm bơm Cốc Thành trong các trường hợp thiết kế với tần suất mực nước sông 10% và lớn hơn 10%, kết quả cho thấy: Mức độ lãng phí điện năng khi thiết kế công trình tháo với mực nước sông thiết kế P = 10% là rất đáng kể; điện năng tiêu thụ của trạm bơm giảm dần khi tăng tần suất mực nước sông thiết kế. Tuy nhiên, khi tăng tần suất mực nước sông thiết kế sẽ kéo theo sự gia tăng chi phí xây dựng công trình. 3.3.2 Phân tích quan hệ giữa mực nước bể tháo và mực nước sông tiêu Trong quá trình trạm bơm tiêu làm việc có thể xảy ra ba trường hợp mực nước bể tháo và mực nước sông tiêu như sau: (1) Trường hợp mực nước bể tháo 14
đúng bằng mực nước sông (hiếm khi xảy ra):Khi đó không xuất hiện cột nước địa hình dư thừa; (2) Trường hợp mực nước sông tiêu lớn hơn mực nước trong bể tháo:Khi đó cũng không xuất hiện cột nước địa hình dư thừa; (3) Trường hợp mực nước sông nhỏ hơn mực nước bể tháo (hình 3.11):Khi đó xuất hiện cột nước địa hình dư thừa: 𝛥𝐻 = 𝑍𝑡𝑖 − (𝑍𝑆ô𝑛𝑔𝑖 + ℎ𝑡𝑡 ) Trong đó: ΔH - Cột nước dư thừa; 𝑍𝑡𝑖 - Mực nước bể tháo; 𝑍𝑆ô𝑛𝑔𝑖 - Mực nước sông; ℎ𝑡𝑡 - Tổn thất cột nước từ bể tháo đến sông tiêu. Cột nước địa hình dư thừa 𝛥𝐻 mà máy bơm phải khắc phục chính là nguyên nhân gây lãng phí điện năng và làm giảm hiệu suất của các trạm bơm tiêu. Hình 3.11. Trạm bơm tiêu làm việc trong trường hợp mực nước sông tiêu nhỏ hơn mực nước bể tháo tại trạm bơm Phù Đổng (Ảnh minh họa) 3.3.3 Ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống để xây dựng phương pháp xác định 𝒁𝒔𝑻𝑲 có tổng chi phí xây dựng và vận hành nhỏ nhất 3.3.3.1 Xây dựng hàm mục tiêu 15
Trong khoảng dao động mực nước sông vụ tiêu, thiết kế n phương án trạm bơm (n đủ lớn) với các mức nước sông thiết kế 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑗 nhận các giá trị mực nước sông từ: 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑚𝑖𝑛 → 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑚𝑎𝑥 trong vụ tiêu. Với mỗi một phương án mực nước sông thiết kế 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑗 ta sẽ nhận được một giá trị chi phí đầu tư ban đầu𝐶𝑋𝑑𝑗 tương ứng; Với mỗi một phương án mực nước sông thiết kế, tiến hành tính toán tổng chi phí quản lý vận hành trạm bơm trong T năm ta cũng nhận được một giá trị chi phí quản lý vận hành 𝐶𝑄𝑙𝑗 tương ứng. Mực nước sông thiết kế mà ở đó có tổng chi phí đầu tư ban đầu và chi phí quản lý vận hành của trạm bơm trong T năm tính toán quy về năm đầu nhỏ nhất sẽ là mực nước sông thiết kế cần tìm. Gọi 𝐶𝑡ổ𝑛𝑔𝑗 là tổng chi phí xây dựng và chi phí quản lý vận hành trạm bơm tương ứng với phương án mức nước sông thiết kế j trong T năm tính toán quy về năm đầu ta có: 𝑇 𝐶𝑄𝑙𝑗 𝐶𝑡ổ𝑛𝑔𝑗 = 𝐶𝑋𝑑𝑗 + ∑ (3.31) (1 + 𝑖)𝑇 𝑡=1 (1 + 𝑖)𝑇 − 1 𝐶𝑡ổ𝑛𝑔𝑗 = 𝐶𝑋𝑑𝑗 + 𝐶𝑞𝑙𝑏𝑞𝑗 [ ] (3.32) 𝑖(1 + 𝑖)𝑇 (1+𝑖)𝑇 −1 Đặt 𝛽 = [ ], 𝛽 là hệ số quy đổi chi phí quản lý các năm về năm đầu. 𝑖(1+𝑖)𝑇 Hàm mục tiêu cần tìm là: 𝐶𝑡ổ𝑛𝑔 𝑀𝑖𝑛 = 𝑀𝑖𝑛{𝐶𝑡ổ𝑛𝑔𝑗 } = 𝑀𝑖𝑛{𝐶𝑋𝑑𝑗 + 𝛽. 𝐶𝑞𝑙𝑏𝑞𝑗 } (3.34) Trong đó:𝐶𝑡ổ𝑛𝑔 𝑀𝑖𝑛 - Là tổng chi phí xây dựng và chi phí quản lý vận hành của trạm bơm quy về năm đầu nhỏ nhất trong các phương án j; 𝐶𝑞𝑙𝑏𝑞𝑗 - Là chi phí quản lý vận hành bình quân hàng năm tương ứng với phương án j; 3.3.3.2. Điều kiện ràng buộc Lưu lượng bơm:𝑄𝑗 = 𝑄𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢𝑗 ; Tổng lượng nước bơm: 𝑊𝑗 = 𝑊𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢𝑗 ; Máy bơm làm việc trong vùng hiệu suất cao và vận hành ổn định trong tất cả các kỳ bơm nước. 3.3.4 Thuật toán và chương trình tính Xây dựng thuật toán và chương trình tính xác định mực nước sông thiết kế. 16
3.3.5 Ứng dụng phương pháp xác định mực nước sông thiết kế có tổng chi phí xây dựng và vận hành quy về năm đầu nhỏ nhất cho trạm bơm Hữu Bị Tại trạm bơm Hữu Bị xác định được khoảng dao động của mực nước sông thiết kế 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑗 là: 2,72𝑚 ≤ 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑗 ≤ 5,79𝑚. Tiến hành thiết kế 13 phương án trạm bơm trong khoảng xác định của 𝑍𝑠𝑇𝐾𝑗 , mỗi phương án có mực nước sông thiết kế cách nhau 25cm; tính toán xác định chi phí xây dựng và quản lý vận hành trong 50 nămvới giả thiết: khi lượng mưa của trận mưa nhỏ hơn 50mm sẽ tiêu bằng biện pháp chôn, rải, tháo vào kênh, ao, hồ, đầm lầy; khi lượng mưa của trận mưa lớn hơn 50mm sẽ tiến hành bơm tiêu. Lựa chọn được 2 phương án máy bơm thỏa mãn các điều kiện ràng buộc. Kết quả tính toán cho 2 phương án cụ thể như các hình 3.19 và 3.20. Hình 3.19. Diễn biến Ctổng theo mực nước sông thiết kế phương án I Từ kết quả tính toán trên, xác định được tần suất mực nước sông thiết kế có tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành quy về năm đầu nhỏ nhất của trạm bơm Hữu Bị là PsTK = 50% hay ZsTK = 4,54m với phương án chọn máy là ZL5685-8 (phương án II) (với phương án I máy 1500DSZ xác định được PsTK = 70% hay ZsTK = 4,04m). 17
Hình 3.20. Diễn biến Ctổng theo mực nước sông thiết kế phương án II 3.3.5 Nhận xét Từ các kết quả tính toán trên cho thấy: (1). Với phương án I (máy 1500DSZ): Điện năng tiết kiệm được khi thiết kế trạm bơm Hữu Bị với tần suất mực nước sông thiết kế 70% so vớiphương án thiết kế tần suất 10% là 7,29% (hay 11.412.750 kwh tương đương 18,26 tỷ đồng theo giá điện hiện tại); Với phương án II (máy ZL5685-8): Điện năng tiết kiệm được khi thiết kế trạm bơm Hữu Bị với tần suất mực nước sông thiết kế 50% so với phương án thiết kế 10% là 4,06% (hay 4.677.450 kwh tương đương 7,48 tỷ đ theo giá điện hiện tại). (2). Máy bơm chọn ở phương án II (ZL5685-8) có sự phù hợp tốt hơn với quy luật dao động mực nước sông tiêu tại vị trí xây dựng trạm bơm Hữu Bị so với phương án máy I (1500DSZ) nên điện năng tiêu thụ chênh lệch nhau giữa 2 phương án khoảng 34,43 triệu kwh tương đương 55,08 tỷ đ. Do vậy, để tiết kiệm triệt để điện năng trong quá trình bơm tiêu, khi thiết kế nên lựa chọn loại 18