Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn

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

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án tập trung nghiên cứu các nội dung sau: Tổng quan tình trạng ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông ĐN-SG và khu vực Tp.HCM cũng như cách xác định TCAT của các hệ thống công trình KSNL hiện nay; Tóm lược cơ sở khoa học của phương pháp PTRR & LTĐTC và lịch sử phát triển của phương pháp; Xây dựng các bài toán ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC để xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL nhiều thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ; và Ứng dụng xác định MBĐAT cho một hệ thống KSNL cụ thể tại khu vực Tp.HCM.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ XUÂN BẢO ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-02-02 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. MAI VĂN CÔNG Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. FRANZ NESTMANN Phản biện 1: PGS.TS. LÊ XUÂN ROANH Phản biện 2: GS.TS. TĂNG ĐỨC THẮNG Phản biện 3: TS. NGUYỄN KIÊN QUYẾT Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 8 giờ 30 ngày 25 tháng 5 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết phải nghiên cứu Ngập lụt tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) và vùng hạ du sông Đồng Nai- Sài Gòn (ĐN-SG) đang gây nên những khó khăn, thiệt hại cho các hoạt động dân sinh, kinh tế và trở thành vấn đề bức xúc cho người dân. Xây dựng hệ thống kiểm soát ngập lụt (KSNL) hiệu quả đang là yêu cầu cấp bách đối với thành phố. Trong đó, việc xác định Mức bảo đảm an toàn chống ngập (MBĐAT) là yêu cầu quan trọng vì nó quyết định quy mô đầu tư và hiệu quả chống ngập của hệ thống. MBĐAT đang áp dụng cho khu vực Tp.HCM hiện nay tương ứng với Tiêu chuẩn an toàn (TCAT) cho công trình Cấp I với tần suất thiết kế là 1/250 năm (PTK=0,4%). Theo Quy phạm hiện hành, TCAT được xác định căn cứ vào diện tích, dân số, lưu lượng và độ ngập sâu trung bình. Phương pháp xác định TCAT hiện nay còn mang tính chủ quan vì chưa xem xét thấu đáo các yếu tố rủi ro tiềm tàng liên quan đến đặc thù của vùng được bảo vệ như giá trị kinh tế xã hội, tốc độ tăng trưởng, vị trí địa chính trị quan trọng và điều kiện tự nhiên phức tạp khi đồng thời chịu tác động bởi lũ từ sông, nước dâng và thủy triều từ biển. Điều này có thể dẫn đến hai tình huống: i) Giá trị TCAT được chọn cao hơn so với yêu cầu thực tiễn, dẫn đến quy mô đầu tư cao, gây lãng phí trong đầu tư và ii) TCAT thấp hơn dẫn đến không đáp ứng được yêu cầu về an toàn cần thiết. Do đó, cần phải có các nghiên cứu để xác lập cơ sở khoa học trong việc xác định MBĐAT cho khu vực này một cách toàn diện và tin cậy hơn. Chính vì vậy lựa chọn đề tài “Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn” đảm bảo tính khoa học và đáp ứng được tính cấp thiết của thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu là: i) xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp luận xác định MBĐAT cho các hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ phù hợp hơn trong điều kiện Việt Nam; và ii) 1
ứng dụng tính toán cho một hệ thống KSNL tại khu vực Tp.HCM thuộc vùng hạ du sông ĐN-SG. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: là MBĐAT của hệ thống KSNL nhiều thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ gồm: mức độ rủi ro do ngập lụt của vùng được bảo vệ; MBĐAT của hệ thống công trình KSNL điển hình. Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống công trình KSNL tạo thành vành đai khép kín bảo vệ phần phía Nam của vùng IA1-3 thuộc dự án chống ngập khu vực Tp.HCM giai đoạn I và vùng được bảo vệ. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Các phương pháp tiếp cận được sử dụng trong nghiên cứu gồm: tiếp cận hệ thống, tiếp cận tổng hợp, tiếp cận bền vững và tiếp cận hiện đại. Phương pháp nghiên cứu chính là phát triển ứng dụng Phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy (PTRR & LTĐTC) và một số phương pháp khác như: phương pháp kế thừa; phương pháp chuyên gia; phương pháp tổng hợp, phân tích và xử lý các số liệu cơ bản đã có; phương pháp toán thống kê; hay phương pháp mô hình, mô phỏng. 5. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các nội dung sau: 1) Tổng quan tình trạng ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông ĐN-SG và khu vực Tp.HCM cũng như cách xác định TCAT của các hệ thống công trình KSNL hiện nay; 2) Tóm lược cơ sở khoa học của phương pháp PTRR & LTĐTC và lịch sử phát triển của phương pháp; 3) Xây dựng các bài toán ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC để xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL nhiều thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ; và 4) Ứng dụng xác định MBĐAT cho một hệ thống KSNL cụ thể tại khu vực Tp.HCM. 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học Lý giải được việc sử dụng phương pháp PTRR & LTĐTC để xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL nhiều thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ; từ đó đưa ra được các sơ đồ bài toán và thuật giải cụ thể cho nội dung nghiên cứu. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng thành công cho một hệ thống KSNL vùng hạ du sông ĐN-SG, từ đó mở ra hướng áp dụng rộng rãi cho các công trình tương tự. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương gồm: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu MBĐAT của hệ thống KSNL vùng hạ du sông ĐN-SG; Chương 2: Cơ sở khoa học của phương pháp PTRR & LTĐTC; Chương 3: Xây dựng các bài toán ứng dụng PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL nhiều thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ; và Chương 4: Ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC xác định MBĐAT hợp lý cho một hệ thống KSNL khu vực Tp.HCM. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐN-SG 1.1 Tổng quan tình hình ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG và khu vực Tp.HCM Vùng hạ lưu sông ĐN-SG được xác định là khu vực từ sau hồ thuỷ điện Trị An trên sông Đồng Nai, sau đập Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn và sau đập Phước Hòa trên sông Bé ra đến biển. Đại bộ phận các vùng có nguy cơ ngập ở hạ du sông ĐN-SG có cao độ mặt đất tự nhiên thấp hơn 2m, bao gồm hầu hết các khu đô thị ven sông, khu công nghiệp, khu dân cư ổn định, và thường bị thiệt hại lớn nếu xảy ra ngập lụt, đặc biệt là khu vực Tp.HCM. Ngập lụt trong vùng có nguyên nhân từ thủy triều kết hợp với lũ từ sông ĐN-SG và sông Mê Kông (thông qua sông Vàm Cỏ). 3
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến ngập lụt vùng nghiên cứu bao gồm: đặc điểm vị trí và địa hình trũng thấp; các hoạt động dân sinh và đô thị hóa; mưa cục bộ và lũ thượng nguồn; hiện tượng lún nền và Biến đổi khí hậu - Nước biển dâng (BĐKH-NBD). Để khắc phục tình trạng ngập lụt, một số biện pháp quản lý ngập lụt đã được đầu tư thực hiện gồm các biện pháp công trình và phi công trình. Các giải pháp này tuy chưa triệt để nhưng đã góp phần tích cực trong việc chống ngập úng cho khu vực hạ du sông ĐN-SG và Tp.HCM. Tuy nhiên, trong những năm gần đây BĐKH-NBD và các yếu tố ảnh hưởng khác đang diễn ra và tác động theo chiều hướng bất lợi làm cho tình trạng ngập lụt có xu thế ngày càng trầm trọng hơn. 1.2 Luận giải vấn đề nghiên cứu MBĐAT của các hệ thống KSNL ở hạ du sông nói chung và khu vực Tp.HCM nói riêng đang được xác định dựa theo hệ thống tiêu chuẩn hiện hành. Theo đó, thiệt hại của vùng được bảo vệ được xác định gián tiếp thông qua cấp công trình, phụ thuộc vào các yếu tố: số dân bị ảnh hưởng, diện tích bị ngập lụt, lưu lượng lũ và độ ngập sâu trung bình. Việc xác định MBĐAT thiết kế hệ thống công trình KSNL theo tiêu chuẩn hiện nay đang tồn tại bất cập là chưa thiết lập được mối quan hệ chặt chẽ giữa quy mô công trình bảo vệ với giá trị của đối tượng được bảo vệ. Mặt khác, thiết kế và kiểm tra an toàn các công trình KSNL được thực hiện theo phương pháp truyền thống dựa trên hệ số an toàn thành phần với các biên đầu vào xác định, vì vậy tính ngẫu nhiên của điều kiện biên tải trọng và độ bền chưa được xem xét trong quá trình tính toán. Do đó quyết định đưa ra còn mang tính chủ quan. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển phương pháp mới khắc phục được những hạn chế nêu trên để xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL là cần thiết. Luận án này tập trung phát triển mở rộng ứng dụng PTRR & LTĐTC tạo cơ sở khoa học phục vụ phân tích an toàn và xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL. 1.3 Tổng quan phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy 1.3.1 Phương pháp phân tích rủi ro và Lý thuyết độ tin cậy Phương pháp PTRR xác định quy mô các công trình chống ngập lụt dựa trên quan điểm rủi ro chấp nhận được bằng cách thiết lập quan hệ giữa xác suất hư hỏng 4
(hoặc chỉ số độ tin cậy) của công trình với thiệt hại tương ứng của đối tượng được bảo vệ thông qua hàm rủi ro. Lý thuyết độ tin cậy sử dụng phương pháp phân tích hệ thống và lý thuyết ngẫu nhiên xác định xác suất sự cố (Pf) của các cơ chế sự cố của từng thành phần công trình từ đó xác định xác suất sự cố tổng hợp cho mỗi công trình và toàn hệ thống công trình KSNL. An toàn công trình được đánh giá thông qua khả năng xảy ra sự cố (xác suất sự cố) và chỉ số độ tin cậy (). 1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL trên thế giới Hà Lan được coi là quốc gia đi đầu trong ứng dụng phân tích rủi ro cho hệ thống đê biển từ những năm 1970. Thông qua phân tích rủi ro, TCAT của hệ thống đê biển được thiết lập với tần suất xảy ra sự cố từ 1/4000 năm đối với vùng nông nghiệp đến 1/10000 đối với các vùng đô thị và công nghiệp. Từ những năm 1990 trở lại đây, phương pháp này đã được nghiên cứu áp dụng rộng rãi tại các nước phát triển như Bắc Mỹ, Châu Âu, Anh, Nhật, Nga, Trung Quốc… Việc ứng dụng lý thuyết này trong đánh giá an toàn hệ thống và phân tích rủi ro hệ thống phòng chống lũ tại các quốc gia nói trên đã thu được nhiều kết quả thực tế rất tích cực và đáng tin cậy. 1.3.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC phân tích an toàn cho hệ thống KSNL tại Việt Nam và vùng hạ du lưu vực ĐN-SG Lý thuyết PTRR & LTĐTC đã được đưa vào giảng dạy tại các trường đại học kỹ thuật từ những năm 1990. Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng dân dụng, giao thông, công trình biển, cảng biển và đã đạt được nhiều thành quả rất tích cực. Trong lĩnh vực kiểm soát ngập lụt, mặc dù đã có một số nghiên cứu ứng dụng tuy nhiên mới chỉ ở những bước đầu, chưa có tính hệ thống và toàn diện và chưa được tích hợp vào các tiêu chuẩn kỹ thuật hay quy phạm. 1.4 Kết luận Chương 1 Việc phân tích hiện trạng và tổng quan tình hình ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông ĐN-SG và khu vực Tp.HCM cho thấy tình hình ngập lụt tại vùng nghiên 5
cứu đang ngày một trầm trọng hơn. Nguyên nhân chính là do sự gia tăng theo hướng bất lợi của các yếu tố điều kiện tự nhiên trước tác động của biển đổi khí hậu, nước biển dâng và các hoạt động dân sinh. Các giải pháp KSNL hiện tại phần nào đã phát huy tác dụng, tuy nhiên chưa mang tính tổng thể, toàn diện. Các tồn tại cơ bản trong việc thiết kế xây dựng hệ thống KSNL hiện nay bao gồm: chưa thiết lập được quan hệ chặt chẽ giữa quy mô hệ thống công trình KSNL và giá trị của đối tượng được bảo vệ; và việc phân tích an toàn cho các công trình KSNL thực hiện theo phương pháp truyền thống đã không kể đến tính ngẫu nhiên của điều kiện biên tải trọng và độ bền trong quá trình tính toán và chưa xem xét đến tính tổng thể của hệ thống. Từ đó, các vấn đề cần tập trung nghiên cứu được luận giải là phải có các nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học và xây dựng bài toán ứng dụng phù hợp hơn để xác định MBĐAT hợp lý cho các hệ thống KSNL tại các vùng hạ du lưu vực sông. Ứng dụng tính toán cụ thể cho một khu vực tại Tp.HCM nằm tại hạ du sông ĐN-SG. Trong đó phương pháp PTRR & LTĐTC được sử dụng làm nền tảng khoa học để xây dựng các bài toán ứng dụng phân tích an toàn và xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 2.1 Phân tích rủi ro 2.1.1 Phương pháp phân tích rủi ro Phương pháp phân tích rủi ro thiết lập quan hệ giữa xác suất xảy ra sự cố của đối tượng xem xét và thiệt hại tiềm tàng khi sự cố xảy ra thông qua hàm rủi ro tổng quát: Rủi ro = (Xác suất xảy ra sự cố) × (Hậu quả của sự cố) (2-1) Do tính ngẫu nhiên của các yếu tố ảnh hưởng nên hậu quả có tính bất định. Khi đó, rủi ro được mô phỏng bằng hàm mật độ xác suất phụ thuộc vào các biến ngẫu nhiên liên quan. Rủi ro xác định được khi xác định được khả năng xảy ra sự cố và hậu quả của nó. 6
2.1.2 Phân tích rủi ro cho hệ thống KSNL Khung lý thuyết phân tích rủi ro trên sẽ được vận dụng và phát triển để áp dụng cho hệ thống KSNL. Khi đó định nghĩa tổng quát rủi ro được viết lại cho đối tượng là hệ thống KSNL như sau: Rủi ro = (Xác suất xảy ra sự cố ngập lụt) × (Hậu quả của ngập lụt) (2-2) Chi tiết xây dựng bài toán phân tích rủi ro cho hệ thống KSNL được trình bày trong Chương 3 của luận án. 2.1.3 Giá trị rủi ro chấp nhận của hệ thống KSNL Với mỗi hệ thống công trình KSNL cụ thể, khi quy mô đầu tư lớn, hệ thống có mức độ an toàn cao, tức là xác suất sự cố xảy ra ngập lụt nhỏ, dẫn đến rủi ro tiềm tàng thấp. Trong trường hợp ngược lại, rủi ro tiềm tàng sẽ cao. Thực tế, không thể gia tăng quy mô đầu tư rất cao để có được rủi ro rất thấp, mà với mỗi vùng được bảo vệ sẽ phải chấp nhận một mức độ rủi ro hợp lý làm cơ sở để quyết định quy mô đầu tư và mức bảo đảm an toàn thiết kế. Giá trị này là giới hạn lớn nhất của rủi ro tiềm tàng được chấp nhận cho vùng nghiên cứu và được gọi là “giá trị rủi ro chấp nhận được”. Giá trị rủi ro chấp nhận được được xác định từ kết quả phân tích rủi ro. 2.1.4 Đánh giá rủi ro Trường hợp có sẵn các tiêu chuẩn rủi ro, đánh giá rủi ro được thực hiện bằng cách so sánh kết quả phân tích được với các giá trị trong tiêu chuẩn và đề xuất các giải pháp điều chỉnh hệ thống để đảm bảo thỏa mãn tiêu chuẩn rủi ro. 2.1.5 Ra quyết định dựa trên kết quả phân tích rủi ro Giá trị rủi ro chấp nhận của hệ thống KSNL được sử dụng làm cơ sở khoa học cho quá trình ra quyết định. Trên thực tế, quyết định cuối cùng được coi là quyết định mang tính chính trị và phụ thuộc vào các yếu tố khác trong bối cảnh thực tế. Tuy nhiên kết quả phân tích rủi ro thường được được các nhà hoạch định chính sách coi là căn cứ khách quan ban đầu để ra quyết định. 7
2.2 Phân tích độ tin cậy cho một cơ chế sự cố 2.2.1 Khái niệm cơ chế sự cố, hàm độ tin cậy và xác suất sự cố Cơ chế sự cố là kiểu hư hỏng công trình do quá trình cơ học-vật lý tương tác giữa điều kiện biên và công trình. Điểm để cơ chế sự cố xảy ra chính là trạng thái cân bằng giữa độ bền và tải trọng. Hàm tin cậy (Z) mô tả một cơ chế sự cố tổng quát có độ bền R và tải trọng S như sau: Z=R–S (2-3) Sự cố xảy ra khi Z < 0 và ngược lại sự cố không xảy ra khi Z > 0. Ranh giới giữa vùng an toàn và không an toàn có giá trị Z = 0 gọi là biên sự cố. Xác suất xảy ra sự cố được xác định là P{Z
2.3 Phân tích độ tin cậy của hệ thống 2.3.1 Khái niệm Hệ thống Hệ thống là tập hợp các thành phần và đối tượng có chung một mục đích, chức năng được liên kết với nhau thông qua các kiểu liên kết cơ bản (được gọi là cổng). Có hai loại hệ thống cơ bản đó là hệ thống nối tiếp và hệ thống song song. 2.3.2 Các hệ thống cơ bản và cổng liên kết Hệ thống nối tiếp: là hệ thống bao gồm các thành phần trong đó sự cố của bất kỳ một thành phần nào cũng dẫn đến sự cố hệ thống. Các thành phần thuộc hệ thống nối tiếp liên kết với nhau theo cổng “Hoặc”. Xác xuất sự cố hệ thống nối tiếp được xác định theo khoảng biên hẹp Ditlevsen (2-5).  i 1   P R1  S1    max  P Ri  Si    P Ri  Si  R j  S j ,0 n i 2  j 1   (2-5)  Pf   P Ri  Si   max P Ri  Si  R j  S j  n j i i 1 Hệ thống song song: là hệ thống bao gồm các thành phần trong đó hệ thống gặp sự cố chỉ khi tất cả các thành phần trong hệ thống gặp sự cố đồng thời. Các thành phần thuộc hệ thống song song liên kết với nhau theo cổng “Và”. Xác xuất sự cố hệ thống được xác định theo (2-6). Pf = 1  P(E1  E 2   En ) (2-6) 2.3.3 Phân tích hệ thống Trên thực tế một hệ thống công trình gồm nhiều thành phần và có thể bị sự cố theo nhiều cơ chế khác nhau, và được liên kết theo hai hệ thống cơ bản nối tiếp và song song. Phân tích hệ thống chính là phân tích sơ đồ cây sự cố, tiến hành từ cấp chi tiết nhất đến cấp cuối cùng để xác định xác suất sự cố của hệ thống. 2.4 Kết luận Chương 2. Chương 2 trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích rủi ro và lý thuyết độ tin cậy và giới thiệu về các khái niệm chủ yếu như rủi ro, giá trị rủi ro chấp nhận, chỉ số độ tin cậy…và xác suất sự cố. Các kiến thức cơ bản được 9
trình bày một cách có hệ thống về cơ sở lý thuyết của phương pháp PTRR & LTĐTC. Trên cơ sở này, luận án tập trung phát triển các bài toán ứng dụng bao gồm: phân tích rủi ro, phân tích độ tin cậy thành phần công trình và hệ thống. Trong đó: phân tích rủi ro sẽ được triển khai theo phương pháp mô phỏng và định lượng. Phân tích độ tin cậy được thực hiện kết hợp giữa cấp độ II và III (trong Chương 3 và 4). CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG PTRR & LTĐTC CHO HỆ THỐNG KSNL NHIỀU THÀNH PHẦN TẠI VÙ NG HẠ DU SÔNG CHỊU ẢNH HƯỞNG KẾT HỢP CỦA THỦY TRIỀU VÀ LŨ 3.1 Hệ thống kiểm soát ngập lụt nhiều thành phần tại vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp của thủy triều và lũ Hệ thống KSNL tại vùng hạ du sông chịu tác động kết hợp của thủy triều và lũ gồm các công trình KSNL và vùng được bảo vệ (Hình 3.1). Hệ thống các công trình KSNL thường bao gồm: các đoạn đê, kè, các cống… tạo thành “vòng khép kín” bao quanh vùng được bảo vệ. An toàn của hệ thống KSNL sẽ bao gồm an toàn của hệ thống công trình KSNL và an toàn phòng chống ngập lụt cho vùng được bảo vệ. Hai bài toán cần được giải quyết bao gồm: 1) phân tích độ tin cậy của hệ thống công trình KSNL; và 2) phân tích rủi ro xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL. Trường hợp hệ thống KSNL đã có, việc đánh giá an toàn bao gồm: phân tích độ tin cậy của hệ thống công trình KSNL đã có, so sánh kết quả với TCAT hiện hành; và phân tích rủi ro xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL đã có. Phương pháp giải hai bài toán nói trên được trình bày trong Mục Hình 3.1: Sơ họa hệ thống KSNL tổng quát 3.2 và 3.3. 10
3.2 Phân tích rủi ro xác định mức bảo đảm an toàn tối ưu cho hệ thống KSNL Mức rủi ro chấp nhận cho vùng được bảo vệ được xác định bằng phương pháp phân tích tối ưu chi phí và rủi ro, từ đó xác định được MBĐAT tối ưu cho hệ thống KSNL. Trường hợp chỉ căn cứ trên kết quả phân tích rủi ro kinh tế thì giá trị rủi ro chấp nhận được chính là giá trị MBĐAT tối ưu tính được. Trong đó, tổng chi phí của một hệ thống Ctot được xác định bằng tổng giá trị đầu tư mới hoặc nâng cấp hệ thống để đạt được độ an toàn cao hơn IPf. Khi đó, MBĐAT tối ưu được xác định thông qua hệ phương trình tối ưu tổng quát sau:  min C tot   min I Pf  RPf  Hình 3.2: Tối ưu MBĐAT theo quan (3-1) điểm kinh tế Trong đó: Pf là xác suất xảy ra sự cố của hệ thống, và được xác định từ bài toán phân tích độ tin cậy hệ thống (Mục 3.3); Ctot là tổng chi phí của hệ thống; RPf là rủi ro tiềm tàng (trực tiếp, gián tiếp, các giá trị quy được về giá trị kinh tế) khi ngập lụt xảy ra tương ứng MBĐAT [Pf]; Sơ đồ nguyên lý tìm điểm cực tiểu hàm tổng chi phí và xác định điểm MBĐAT tối ưu trình bày tại Hình 3.2. Trong đó đường cong tổng chi phí được xác định từ hai đường cong: Đường 1 là Quan hệ giữa giá trị đầu tư xây dựng hệ thống KSNL, các chi phí duy tu, bảo dưỡng với MBĐAT dự kiến tại trục hoành; Đường 2 là Quan hệ rủi ro do ngập lụt của vùng được bảo vệ khi sự cố hệ thống xảy ra tương ứng với từng MBĐAT dự kiến. Đường 3 Tổng chi phí là tổng của Đường 1 và 2. Điểm có giá trị nhỏ nhất trên đường tổng chi phí tương ứng với giá trị MĐBAT tối ưu. 3.3 Phân tích độ tin cậy hệ thống công trình KSNL 3.3.1 Phân tích độ tin cậy hệ thống công trình KSNL Phân tích độ tin cậy hệ thống KSNL nhằm xác định độ tin cậy hiện tại của hệ thống và so sánh với giá trị xác suất sự cố cho phép lớn nhất [Pf] để từ đó kết 11
luận về mức độ an toàn và tin cậy của hệ thống. Ngoài ra, phân tích độ tin cậy có thể chỉ ra khả năng sự cố của các thành phần công trình trong hệ thống và mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố và các thành phần công trình đến độ tin cậy hệ thống. Hệ thống công trình KSNL xem xét bao gồm các tuyến đê sông, tuyến kè bờ và các cống ngăn triều. Các bước phân tích độ tin cậy cho hệ thống công trình KSNL: Bước 1: Mô tả các thành phần công trình thuộc hệ thống KSNL; Bước 2: Liệt kê các kiểu sự cố có thể xảy ra cho các thành phần công trình; Bước 3: Xây dựng sơ đồ cây sự cố cho toàn hệ thống KSNL; Bước 4: Thiết lập hàm độ tin cậy của các cơ chế sự cố và tiến hành giải các hàm độ tin cậy để xác định xác suất xảy ra sự cố của từng hệ thống con; Bước 5: Xác định xác suất xảy ra sự cố của từng hệ thống con và toàn hệ thống KSNL, phân tích đánh giá và đề xuất điều chỉnh. Kết quả phân tích có thể được trình bày dưới dạng ma trận sự cố trong đó các thành phần công trình liệt kê theo các hàng, các cơ chế sự cố được liệt kê theo các cột tương ứng với từng thành phần công trình. Xác suất sự cố của thành phần công trình thứ i, do cơ chế sự cố thứ j được điền tại ô Hình 3.3: Sơ đồ cây sự cố hệ thống ma trận (i,j) (hàng i, cột j). KSNL điển hình 3.3.2 Phân tích thống kê các số liệu cơ bản Các số liệu cơ bản bao gồm các điều kiện biên tải trọng và độ bền được xem xét là các đại lượng ngẫu nhiên. Chúng được xác định từ các liệt số liệu quan trắc, đo đạc, thông tin lịch sử và xử lý thống kê để xác định đặc trưng ngẫu nhiên gồm: kiểu hàm phân phối xác suất, kỳ vọng và độ lệch chuẩn. Các biến ngẫu nhiên cơ bản phân tích phục vụ tính toán hệ thống công trình KSNL bao gồm: mực nước sông, gió, lưu lượng lũ, các đặc trưng hình học công trình và chỉ tiêu cơ lý đất nền. 12
3.3.3 Phân tích độ tin cậy cho công trình cống dạng trụ đỡ Cống dạng trụ đỡ có kết cấu trụ cống được xây dựng độc lập trong đó tải trọng của cửa van và áp lực nước được truyền các trụ đỡ. Phân tích độ tin cậy cống trụ đỡ bao gồm phân tích khả năng xảy ra sự cố của các thành phần sau: các trụ cống, bản đáy cống nối các trụ đỡ, cửa van cống và hệ thống vận hành. Các cơ chế sự cố có khả năng xảy ra gồm: tràn nước qua đỉnh cống, mất ổn định trụ cống, mất ổn định cửa van và do các nguyên nhân khác. Sơ đồ cây sự cố hệ thống cống trụ đỡ được xây dựng tổng quát như Hình 3.4. Hình 3.4: Sơ đồ cây sự cố cống kiểu trụ đỡ Hàm độ tin cậy của các cơ chế sự cố được thiết lập trên cơ sở các phương trình trạng thái giới hạn của các cơ chế được quy định trong các tiêu chuẩn hiện hành. Xác suất sự cố tổng hợp của cống trụ đỡ được xác định thông qua phân tích sơ đồ cây sự cố (Hình 3.4) sử dụng phương pháp khoảng biên hẹp của Ditlevsens và Monte - Carlo (Mục 2.2.3). 3.3.4 Phân tích độ tin cậy cho công trình đê bao Đê bao được xem xét có mặt cắt hình thang đắp bằng đất đầm nén tốt trên đất nền tự nhiên. Mái đê được trồng cỏ. Các cơ chế sự cố được xem xét gồm: cơ chế sự cố do nước tràn đỉnh đê, cơ chế sự cố do trượt mái, cơ chế sự cố do lún thân và nền đê, cơ chế sự cố do thấm qua đê và cơ chế sự cố do xói ngầm, đẩy trồi. Xác suất sự cố tổng hợp của đê bao được xác định tương tự như đối với cống. 13
Hình 3.5: Sơ đồ cây sự cố đê bao 3.3.5 Phân tích độ tin cậy cho công trình kè tường đứng Công trình kè tường đứng trong nghiên cứu này là dạng tường đứng ghép bằng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực. Sau tường được đắp đất đầm nén đến cao trình đỉnh để kết hợp làm đường đi bộ. Các cơ chế sự cố của kè được xem xét bao gồm: nước tràn đỉnh kè, cơ chế sự cố do mất ổn định trượt sâu, cơ chế sự cố do mất khả năng chịu tải ngang của cọc và cơ chế sự cố do mất khả chịu tải đứng của cọc. Xác suất sự cố tổng hợp của đê bao xác định tương tự như đối với cống. Hình 3.6: Cây sự cố kè tường đứng 3.4 Phân tích rủi ro cho vùng được bảo vệ Phân tích rủi ro cho vùng được bảo vệ gồm các bước: xây dựng bản đồ ngập lụt và bản đồ sử dụng đất, thiết lập hàm thiệt hại, lập bản đồ thiệt hại, thiết lập bản đồ rủi ro và xác định giá trị rủi ro, và đánh giá rủi ro xác định MBĐAT. 3.4.1 Xây dựng bản đồ ngập lụt Bản đồ ngập lụt được xây dựng bằng cách tích hợp kết quả mô phỏng ngập lụt cho các tổ hợp kịch bản điều kiện biên mực nước gây ngập bằng mô hình MIKE vào bản đồ địa hình số độ cao của khu vực nghiên cứu trong cơ sở dữ liệu phần mềm ArcGIS 10.0, từ đó có thể hiển thị độ sâu ngập lụt trung bình theo không 14
gian địa lý- vị trí đơn vị hành chính và theo các ô lưới mô hình định trước. Bản đồ ngập lụt là thành phần quan trọng để thiết lập bản đồ thiệt hại. 3.4.2 Thiết lập hàm thiệt hại Hàm thiệt hại mô tả quan hệ giữa độ sâu ngập lụt và mức độ thiệt hại do ngập lụt. Thiệt hại do ngập lụt thường được chia thành các loa ̣i: thiệt hại trực tiếp và gián tiếp; thiê ̣t ha ̣i hữu hiǹ h và vô hin ̀ h. Các thiê ̣t ha ̣i trực tiế p hữu hiǹ h thường dễ xác định đồng thời chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng thiệt hại. Trong nghiên cứu này tác giả chỉ tập trung xác định các thiệt hại hữu hình. Phương pháp mô hình thống kê mô phỏng thiệt hại kết hợp kiểm chứng bằng số liệu lịch sử/ điều tra được sử dụng trong nghiên cứu này để xây dựng hàm thiệt hại cho vùng nghiên cứu. 3.4.3 Thiết lập bản đồ thiệt hại Bản đồ thiê ̣t ha ̣i (Damage map) thể hiện mức độ thiệt hại của vùng nghiên cứu theo từng ô được chia tương ứng với độ sâu ngập lụt xác định trong bản đồ ngập và mức độ thiệt hại xác định từ hàm thiệt hại. Vùng nghiên cứu được chia thành các ô lưới, sao cho mỗi ô có thể xác định được độ ngập sâu trung bình và giá trị thiệt hại lớn nhất có thể xảy ra. Khi đó, thiê ̣t ha ̣i của từng ô lưới và toàn vùng nghiên cứu được xác định theo công thức (3-2). Các bước minh họa trên Hình 3.8. N và D   Di n Di   Fi  f j ( hi ) j 1 i 1 Hình 3.7: Sơ đồ phương pháp xác định thiệt hại do ngập lụt 15
Trong đó: D là tổ ng thiê ̣t ha ̣i trong vùng nghiên cứu; Di là tổ ng thiê ̣t ha ̣i tại ô lưới thứ i trong vùng nghiên cứu; n là tổng số đối tượng chịu thiệt hại xem xét tại vùng nghiên cứu; N là tổng số ô lưới; Fi là diê ̣n tích ô thứ i; fj(hi) là giá tri ̣ thiê ̣t ha ̣i của ô lưới thứ i tương ứng với độ ngập sâu h của đối tượng thiệt hại thứ j. 3.4.4 Phân tích giá trị rủi ro, thiết lập đường cong rủi ro và bản đồ rủi ro Rủi ro ngập lụt được xác định là tích số giữa xác suất xảy ra ngập lụt và hậu quả (tổng thiệt hại) do ngập lụt xảy ra; Ứng với từng kịch bản ngập lụt, từ bản đồ thiệt hại ta có thể xác định được tổng giá trị thiệt hại cho từng kịch bản và do đó, giá trị rủi ro tổng cộng cho từng kịch bản có thể xác định được. 3.5 Kết luận Chương 3 Các lý thuyết cơ bản trong Chương 2 được sử dụng để xây dựng các bài toán tổng quát cho hệ thống KSNL vùng hạ du sông. Trong đó, các bài toán phát triển để ứng dụng được cho hệ thống KSNL và vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng của thủy triều xem xét được các yếu tố: i) các thiệt hại tiềm tàng của vùng được bảo vệ có kể đến tốc độ phát triển kinh tế trong tương lai; và ii) mô tả được tính ngẫu nhiên của các yếu tố tải trọng và sức chịu tải trong phân tích độ tin cậy đánh giá an toàn hệ thống KSNL. Như vậy các bài toán phát triển tại Chương 3 hoàn toàn có thể áp dụng để giải quyết các câu hỏi nghiên cứu nêu tại phần Mở đầu của Luận án. CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY XÁC ĐỊNH MBĐAT HỢP LÝ CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT KHU VỰC Tp.HCM 4.1 Giới thiệu hệ thống kiểm soát ngập lụt và thiết lập biên phân tích Hệ thống công trình KSNL khu vực Tp.HCM xem xét trong luận án này là khu vực IA1-3 gồm: các cống Bến Nghé, Tân Thuận, Phú Xuân, Mương Chuối, Cây Khô và Phú Định; đoạn kè dọc bờ sông Sài Gòn dài 29,67 km và đoạn đê bao sông Cần Giuộc dài 23,95km (Hình 4.1). MBĐAT hiện tại của hệ thống KSNL sẽ được tổng hợp từ phân tích độ tin cậy các thành phần trong hệ thống gồm các cống, đê bao sông Cần Giuộc và kè sông 16
Sài Gòn. Quy mô kích thước của hệ thống công trình KSNL dùng đề phân tích được lấy theo hồ sơ dự án đầu tư đã được UBND Tp.HCM phê duyệt tại quyết định số 5967/QĐ-UBND ngày 12/11/2015. Biến ngẫu nhiên mực nước được phân tích theo 3 kịch bản gồm: KB1: mực nước trong thời kỳ cơ sở (1988-2007) được coi là kịch bản hiện trạng; KB2: mực nước KB1 có kể BĐKH-NBD tính đến năm 2050; KB3: mực nước KB1 có kể BĐKH-NBD tính đến năm 2100. Hình 4.1: Phạm vi vùng IA1-3 4.2 Phân tích độ tin cậy cống Phú Định Cống Phú Định có nhiệm vụ ngăn triều và lũ từ sông Chợ Đệm vào vùng được bảo vệ. Cống có 1 khoang cấu tạo theo kiểu trụ đỡ và làm bằng bê tông cốt thép. Áp dụng phương pháp phân tích độ tin cậy cho cống ngăn triều tại Chương 3 được kết quả tóm tắt tại Bảng 4.1. Xác suất sự cố của cống Phú Định ứng với các kịch bản KB1, KB2 và KB3 lần lượt là 0,01%, 0,355%; 12,9%. Nếu so sánh với TCAT hiện hành là 0,4%, cống Phú Định đảm bảo an toàn đến năm 2050, nhưng không đảm bảo an toàn khi xem xét NBD đến năm 2100 và cần phải được nâng cấp. Cơ chế sự cố cần nâng cấp là mất khả năng chịu tải trọng ngang của cọc. Phân tích mức độ ảnh hưởng của các cơ chế sự cố đến mức độ an toàn của cống Phú Định cũng chỉ ra cơ chế sự cố khả năng chịu ngang của cọc chiếm tỷ lệ lớn nhất chiếm từ 96,87% đến 99,98% so với tổng mức độ ảnh hưởng của tất cả các cơ chế. 4.3. Phân tích độ tin cậy đê bao sông Cần Giuộc Tuyến đê bao sông Cần Giuộc bắt đầu từ cống Mương Chuối nối qua cống Cây Khô đến cống Phú Định. Áp dụng phương pháp phân tích độ tin cậy cho công trình đê bao tại Chương 3 được kết quả tóm tắt tại Bảng 4.1. Xác suất sự cố của đê bao sông Cần Giuộc ứng với các kịch bản KB1, KB2, KB3 lần lượt là 0,0025%; 0,012%; 0,483%. Nếu so sánh với TCAT hiện hành là 0,4%, đê bao 17
sông Cần Giuộc đảm bảo an toàn đến năm 2050. Nếu tính đến năm 2100 đê bao không đủ an toàn. Cơ chế sự cố cần nâng cấp là chảy tràn qua đỉnh đê bao. 4.4. Phân tích độ tin cậy kè tường đứng bảo vệ bờ sông Sài Gòn Tuyến kè bắt đầu từ cống Bến Nghé chạy dọc sông Sài Gòn và kết thúc tại vị trí cống Mương Chuối. Áp dụng phương pháp phân tích độ tin cậy cho công trình kè tại Chương 3 được kết quả tóm tắt tại Bảng 4.1. Xác suất sự cố của kè sông Sài Gòn ứng với các kịch bản KB1, KB2, KB3 lần lượt là 0,078%; 0,078%; 0,513%. Nếu so sánh với TCAT hiện hành là 0,4%, kè sông Sài Gòn đảm bảo an toàn đến năm 2050. Nếu tính đến năm 2100 kè sông không đủ an toàn. Cơ chế sự cố cần nâng cấp là chảy tràn đỉnh kè. 4.5. Tổng hợp xác suất sự cố của hệ thống công trình KSNL Xác suất sự cố của hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3 được tổng hợp từ kết quả phân tích xác suất sự cố các công trình thành phần gồm: cống, kè, đê bao theo sơ đồ cây sự cố (Hình 4.2). Tổng hợp kết quả theo các chỉ tiêu an toàn của hệ thống trong Bảng 4.1. Với điều kiện biên KB2, xác suất sự cố của từng công trình riêng lẻ đáp ứng được TCAT, tuy nhiên xác suất sự cố tổng hợp của cả hệ thống không đảm bảo an toàn PfSYS = 0,445% > [0,4%]. Khi đó, công trình cần nâng cấp là cống Phú Định. Nếu kể đến NBD tính đến năm 2100 (KB3), xác suất sự cố của từng công trình riêng lẻ và cả hệ thống đều không đáp ứng được TCAT hiện hành. Bảng 4. 1: Tổng hợp kết quả PTAT hệ thống công trình KSNL khu vực IA1-3 Chỉ tiêu Cơ chế sự cố KB1 KB2 KB3 Cống Phú Định 1.01E-04 3.55E-03 1.29E-01 Xác suất Đê bao Cần Giuộc 2.50E-05 1.22E-04 4.83E-03 sự cố Kè sông Sài Gòn 7.85E-04 7.85E-04 5.13E-03 Toàn hệ thống 9.10E-04 4.45E-03 1.36E-01 Cống Phú Định 0.99990 0.99645 0.87100 Xác suất an Đê bao Cần Giuộc 0.99998 0.99988 0.99517 toàn Kè sông Sài Gòn 0.99922 0.99922 0.99487 Toàn hệ thống 0.99909 0.99555 0.86400 Cống Phú Định 3.72 2.69 1.13 Giá trị chỉ số Đê bao Cần Giuộc 4.06 3.67 2.59 độ tin cậy Kè sông Sài Gòn 3.16 3.16 2.57 Toàn hệ thống 3.12 2.62 1.10 Cống Phú Định 9,881 282 7.8 Chu kỳ lặp lại Đê bao Cần Giuộc 40,000 8,180 207 Kè sông Sài Gòn 1,274 1,274 195 Toàn hệ thống 1,099 225 7.4 18