Nghiên cứu giải pháp nâng cao năng lực 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 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 và quản lý tài nguyên nƣớc Mã số: 62-62-30-01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh 2: GS. TS Đào Xuân Học HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả, các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc trích dẫn theo đúng quy định. Tác giả luận án La Đức Dũng i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian miệt mài nghiên cứu, luận án đã hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của GS TS Đào Xuân Học và PGS TS Nguyễn Tuấn Anh.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các đơn vị, cá nhân đã tạo điều kiện cung cấp các tài liệu và tham gia góp ý cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu. Xin cảm ơn tác giả các công trình nghiên cứu đã cung cấp nguồn tƣ liệu và những kiến thức liên quan quý báu để tác giả sử dụng trong quá trình nghiên cứu và trích dẫn trong luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng và PTNT; Khoa Kỹ thuật tài nguyên nƣớc; Phòng Đào tạo đại học và sau đại học; Trƣờng Đại học Thủy lợi; Tổng cục Thủy lợi; Viện Quy hoạch thủy lợi; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; Viện kỹ thuật tài nguyên nƣớc; Công ty TNHH một thành viên khai thác công trình thủy lợi Bắc Nam Hà; Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn quốc gia; Viện Khoa học Khí tƣợng thủy văn & Biến đổi khí hậu; Cục Khí tƣợng thủy văn & Biến đổi khí hậu cùng toàn thể các thầy, cô giáo; bạn bè; đồng nghiệp; cơ quan và gia đình đã tạo điều kiện, chia sẻ khó khăn, tham gia ý kiến và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án này.

ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.

Nội dung nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu. Bố cục của luận án .3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN.

Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà. Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình. Đặc điểm mƣa, mạng lƣới sông ngòi và chế độ thủy văn. Hiện trạng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nƣớc. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nƣớc. Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nƣớc ở Việt Nam. Tổng quan tình hình nghiên cứu về phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu.

Tổng quan tình hình nghiên cứu về quản lý vận hành hệ thống tiêu Bắc Nam Hà. Kết luận chƣơng .27 CHƢƠNG 2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU ÚNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƢỚC BIỂN DÂNG. Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong giai đoạn hiện tại. Xác định nhu cầu tiêu của hệ thống.

Mô phỏng hệ thống để kiểm tra năng lực tiêu. Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong các giai đoạn 2030 và 2050. Xác định kịch bản BĐKH, NBD cho vùng nghiên cứu. Lựa chọn tài liệu mƣa để tính toán cho vùng nghiên cứu.

Xác định mực nƣớc sông tƣơng lai ứng với kịch bản phát thải trung bình cho vùng nghiên cứu. Xây dựng mô hình mƣa tiêu trong điều kiện biến đổi khí hậu. Xây dựng kịch bản sử dụng đất giai đoạn 2030, 2050. Xác định hệ số tiêu thiết kế của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD.

Mô phỏng hệ thống tiêu ứng với trận mƣa thiết kế và hiện trạng hệ thống tƣơng ứng với giai đoạn 2030, 2050. Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD. Kết luận chƣơng. 84 CHƢƠNG 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.

Tính toán cân bằng nƣớc cho hệ thống trong các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050. Phƣơng trình cân bằng nƣớc của lƣu vực tiêu. Tính toán cân bằng nƣớc cho hệ thống qua các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050. Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa, chiều sâu trữ và định hƣớng quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD.

Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ cho hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD. Định hƣớng trong công tác quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD. Đề xuất phƣơng pháp xác định tần suất mực nƣớc sông thiết kế trạm bơm tiêu có tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành nhỏ nhất. Đánh giá mức độ lãng phí điện năng bơm tiêu khi thiết kế trạm bơm với tần suất mực nƣớc sông thiết kế 10%.

Phân tích quan hệ giữa mực nƣớc bể tháo và mực nƣớc sông tiêu. Ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống để xây dựng phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế hợp lý có tổng chi phí xây dựng và vận hành trạm bơm nhỏ nhất. Thuật toán và chƣơng trình tính. Ứng dụng phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế có tổng chi phí xây dựng và vận hành quy về năm đầu nhỏ nhất cho trạm bơm Hữu Bị.

Kết luận chƣơng. 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Kết quả đạt đƣợc của luận án. Những đóng góp mới của luận án.

Những tồn tại và hƣớng nghiên cứu tiếp. 142 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .143 TÀI LIỆU THAM KHẢO .149 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ họa địa giới hành chính Hệ thống Bắc Nam Hà. Sơ đồ xác định các loại cột nƣớc tiêu qua đỉnh đƣờng tràn. Sơ đồ tiêu nƣớc qua đƣờng tràn có chế độ chảy tự do.

Sơ đồ tiêu nƣớc qua đƣờng tràn có chế độ chảy ngập. Sơ đồ các loại mực nƣớc trong hồ điều hoà. Bản đồ phân vùng tiêu hệ thống Bắc Nam Hà. Các thành phần của hệ thống mô phỏng bởi SWMM 5.

Sơ đồ hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong SWMM 5. Sơ đồ khối tính toán dòng chảy cho hệ thống BNH. Diễn biếnchiều sâu mực nƣớc tại điểm đo CG19. Kết quả kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009.

Diễn biến chiều sâu mực nƣớc tại điểm đo NTR. Kết quả kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại điểm đo NTR- Sông Nhâm Tràng. Đƣờng quá trình mực nƣớc tại điểm CGI-Sông T5.

Các nút ngập từ kết quả chạy mô hình. Mô phỏng đoạn kênh tràn bờ trên sông Long Xuyên. Các đoạn kênh tràn bờ từ kết quả chạy mô hình. Quan hệ mƣa năm và mƣa 5 ngày max trạm Hƣng Yên (1980-1999).

Quan hệ mƣa mùa và mƣa 5 ngày max trạm Hƣng Yên (1980-1999). Xu thế mƣa 3, 5, 7 ngày Max Trạm Phủ Lý (Giai đoạn 1980-2059). Xu thế mƣa 3, 5, 7 ngày Max Trạm Nam Định (Giai đoạn 1980-2059) 79 Hình 2. Xu thế thời gian ngập qua các thời kỳ.

Năng lực và nhu cầu tiêu các giai đoạn. Nhu cầu tăng năng lực bơm tiêu hệ thống qua các giai đoạn. Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2030. Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2050.

Ảnh phân bố ao hồ tháng 9/2007 – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam. So sánh diện tích ao đã bị lấp – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam. Ảnh phân bố ao tháng 9/2007 – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định. So sánh diện tích ao đã bị lấp – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định.

So sánh tần suất mƣa trong đồng và mực nƣớc sông trạm Nhƣ Trác. Cắt dọc bể tháo trạm bơm .11: Trạm bơm tiêu làm việc trong trƣờng hợp mực nƣớc sông tiêu nhỏ hơn mực nƣớc bể tháo tại trạm bơm Phù Đổng .12: Sơ đồ tính cột nƣớc địa hình dƣ thừa .13: Sơ đồ khối xác định mực nƣớc bể tháo tối ƣu .14: Sơ đồ khối tính toán điện năng tiêu thụ của trạm bơm tiêu. Giao diện chƣơng trình tính toán xác định phƣơng án tối ƣu. Xu thế chi phí xây dựng theo các mực nƣớc sông thiết kế.

Xu thế Cđnj ~ ZsTK theo phƣơng án I .18: Xu thế Cđnj ~ ZsTK theo phƣơng án II .19: Diễn biến Ctổng theo mực nƣớc sông thiết kế (Phƣơng án I) .20: Diễn biến Ctổng theo mực nƣớc sông thiết kế (Phƣơng án II). 133 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Phân bố cao độ ruộng đất khu vực Bắc Nam Hà. Các mực nƣớc tháng trên sông Hồng, sông Đáy, sông Đào.

Mức báo động tại một số vị trí trên sông. Thông số kỹ thuật của một số trạm bơm. Quy mô một số trạm bơm trong hệ thống. Hệ thống kênh trục chính và cống điều tiết của 6 trạm bơm lớn.

Thời điểm diễn ra các trận mƣa mƣa 3, 5, 7 ngày max và tỷ trọng mƣa tại trạm Ninh Bình giai đoạn hiện tại. Sự phụ thuộc giữa các trận mƣa thời đoạn ngắn vào các trận mƣa thời đoạn dài trạm Ninh Bình .