Luận án Tiến sĩ: Mô hình vận hành điều tiết hồ chứa Vu Gia Thu Bồn mùa lũ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG -------ooo------- TÔ THÚY NGA MÔ HÌNH VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT THỜI GIAN THỰC THỜI KỲ MÙA LŨ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN SÔNG VU GIA – THU BỒN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước ĐÀ NẴNG - 2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Tô Thúy Nga. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. TÁC GIẢ 2 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đến các thầy hướng dẫn GS.

Nguyễn Thế Hùng và GS. Hà Văn Khối đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, Ban Đào tạo sau Đại học Đại học Đà Nẵng, Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện, Phòng Quản lý Sau đại học trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp, đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án.

Cuối cùng, với tình yêu từ đáy lòng, tác giả cảm ơn bố, mẹ, chồng, các anh chị, em và hai con của tác giả, những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh tác giả, động viên tác giả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận án của mình. TÁC GIẢ 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn hiện có nhiều hồ chứa đã, đang và sẽ được xây dựng trên thượng nguồn (A Vương, sông Bung 2, Sông Bung 4, ĐăkMi 4, sông Tranh…). Theo quy hoạch các hồ chứa này có nhiệm vụ phát điện là chính nên phần dung tích dành cho cắt giảm lũ hạ du không lớn.

Sau khi có thêm các hồ chứa thượng nguồn chế độ lũ và ngập lụt hạ du sẽ bị ảnh hưởng điều tiết của các hồ chứa này. Nếu có chế độ vận hành hợp lý sẽ có tác động tích cực đối với vùng hạ du và vẫn đảm bảo được mục tiêu phát điện và an toàn hồ chứa, trong trường hợp ngược lại sẽ có tác động tiêu cực và trong nhiều trường hợp gây thiệt hại lớn cho vùng hạ du. Trong thực tế đã xảy ra tác động tiêu cực do ảnh hưởng điều tiết của các hồ chứa thượng nguồn, đó là trường hợp lũ năm 2009 trên sông Vu Gia-Thu Bồn sau khi có hồ A Vương và trường hợp tương tự đối với trận lũ 2010 trên sông Ba. Trường hợp xả lũ của hồ chứa A Vương, có lưu lượng xả không vượt lưu lượng đến hồ, nhưng quá trình xả gây “sốc” cho hạ du do lưu lượng xả tăng đột biến trong một thời gian ngắn.

Trường hợp hồ Sông Hinh và sông Ba Hạ cũng xảy ra tương tự, thậm chí lưu lượng xả còn lớn hơn lưu lượng đến hồ ở khu vực đỉnh lũ. Nguyên nhân của những tồn tại này là do các quy trình vận hành hồ chứa đã ban hành là các quy trình cứng, chưa có các phương án cảnh báo và dự báo lũ phục vụ vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa nói trên. Hiện nay, nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực chưa được ứng dụng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt là các hồ chứa thuộc khu vực miền Trung. Do vậy, việc nghiên cứu chế độ vận hành theo thời gian thực có sử dụng mô hình cảnh báo, dự báo lũ đối với hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Đây là vấn đề khoa học cần được nghiên cứu ứng dụng không phải chỉ với các hồ chứa trên hệ thống sông Vu Gia- Thu Bồn mà còn cần thiết với các hệ thống hồ chứa khác thuộc khu vực miền 4 Trung. Chính vì vậy, đề tài luận án được chọn để nghiên cứu là : “ Mô hình hình vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn”. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Đề tài này nghiên cứu xây dựng mô hình vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ và ứng dụng cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn nhằm nâng cao hiệu quả giảm lũ và không gây tác động tiêu cực cho vùng hạ du, trong khi vẫn đảm bảo nhiệm vụ phát điện.

Nhiệm vụ nghiên cứu (1) Phân tích, thiết lập bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực; (2) Nghiên cứu xây dựng mô hình cảnh báo, dự báo lũ đến các hồ chứa trên hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn phục vụ vận hành hệ thống; (3) Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên cơ sở tích hợp các mô hình mưa-dòng chảy, điều tiết hồ chứa, diễn toán lũ trên hệ thống sông phục vụ cho bài toán vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa phòng lũ trên sông Vu Gia - Thu Bồn, nhằm xác định chế độ vận hành các hồ chứa thỏa mãn hai mục tiêu giảm lũ cho hạ du và đảm bảo nhiệm vụ phát điện; (4) Đánh giá khả năng ứng dụng trong thực tế vận hành các hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn và khả năng ứng dụng cho các hệ thống hồ chứa khác thuộc khu vực miền Trung. Phương pháp nghiên cứu (1) Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực vận hành hồ chứa theo thời gian thực, từ đó xác định hướng tiếp cận khoa học cho bài toán đặt ra. (2) Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành: Trên cơ sở phân tích đặc điểm mưa và sự hình thành lũ trên hệ thống sông, lựa chọn hoặc thiết lập mô hình mô phỏng lũ phục vụ dự báo, cảnh báo lũ và vận hành hệ thống. (3) Phương pháp phân tích hệ thống: Ứng dụng các mô hình toán thủy văn, 5 thủy lực đánh giá tác động của vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ, từ đó đề xuất các kịch bản vận hành hợp lý và hiệu quả, làm cơ sở cho việc vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn.

(4) Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu đã có liên quan đến đề tài: các tài liệu đo đạc địa hình lòng dẫn, các báo cáo quy hoạch phòng chống lũ lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, các báo về quy trình vận hành hồ chứa và các tài liệu liên quan khác. Trên cơ sở lý thuyết mô hình (NAM, MUSKINGUM), xây dựng mô hình mô phỏng lũ MOPHONG-LU cho khu vực thượng du và liên kết với mô hình MIKE 11 có sẵn đối với vùng hạ du phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống Vu Gia –Thu Bồn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực là bài toán đa dạng và phức tạp, cho đến nay các nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới còn chưa đầy đủ, đặc biệt các nghiên cứu này ở Việt Nam còn rất hạn chế. Hiện nay, phương pháp vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ mới chỉ được nghiên cứu ứng dụng cho các hồ chứa thuộc lưu vực sông Hồng, nhưng vẫn còn những tồn tại và hạn chế nhất định và đang được các nhà khoa học phải tiếp tục nghiên cứu.

Thực tế quản lý hồ chứa, đặc biệt là quản lý lũ và hồ chứa đối với khu vực miền Trung đang rất cần nghiên cứu phương pháp vận hành hồ chứa theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ và xả lũ an toàn cho vùng hạ du đồng thời điện năng mất đi không đáng kể. Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu "Mô hình vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn” sẽ góp phần phát triển ngành khoa học vận hành hệ thống hồ thủy lợi tại Việt Nam, cũng như đóng góp cho sự phát triển chung của lĩnh vực phát triển nguồn nước trên thế giới. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài này định hướng về giải pháp kỹ thuật với mục tiêu cụ thể là xây dựng chương trình tính toán có khả năng hỗ trợ ra quyết định trong việc vận hành điều hệ thống hồ chứa phòng lũ. Nghiên cứu bài toán vận hành theo thời gian thực thời kỳ 6 mùa lũ đối với sông Vu Gia-Thu Bồn sẽ là cơ sở khoa học cho việc bổ sung các quy trình vận hành đã có và cũng là nghiên cứu điển hình có thể xem xét áp dụng cho những lưu vực sông khác thuộc khu vực miền Trung.

Mô hình mô phỏng mà tác giả xây dựng có thể áp dụng cho công tác dự báo lũ và vận hành an toàn các hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn. Phương pháp tiếp cận khoa học (1) Trên cơ sở lý thuyết và mô hình đã có, xây dựng một mô hình mô phỏng dự báo lũ từ mưa và vận hành hệ thống hồ chứa cho vùng thượng du. Mô hình được kết nối với khu vực hạ du được mô phỏng bằng mô hình có sẵn MIKE 11. Mô hình tính toán điều tiết lũ được liên kết trong mô hình mô phỏng hệ thống theo thời gian thực.

(2) Trên cơ sở mô hình được thiết lập và các kết quả dự báo mưa 3 đến 5 ngày do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn cung cấp hàng ngày, sẽ kéo dài thời gian dự báo lũ đến 3 đến 5 ngày. Từ đó xem xét các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những hạn chế của quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành do hạn chế về thời gian dự báo lũ. (3) Với công cụ mô hình mô phỏng đã thiết lập, xây dựng một quy trình vận hành theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ, xả lũ an toàn và đảm bảo an toàn tích nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước hạ du.