Tài liệu 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1.PGS.TS PHẠM THỊ HƢƠNG LAN 2.GS.TS HÀ VĂN KHỐI HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Vũ Thị Minh Huệ iii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến các thầy cô hƣớng dẫn khoa học GS.TS Hà Văn Khối và PGS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan đã tận tình định hƣớng, chỉ bảo theo sát tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trƣờng Đại học Thuỷ Lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong quá trình làm Luận án. Tác giả xin cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp trong Khoa Thuỷ Văn và TNN đã dành nhiều thời gian công sức hỗ trợ tác giả hoàn thành Luận án. Đồng thời tác giả cũng nhận đƣợc sự động viên và ủng hộ rất lớn về vật chất và tinh thần từ trƣờng ĐH Thủy lợi, từ gia đình và bạn bè trong đó có chồng và các con. Từ đáy lòng mình, tác giả xin gửi đến họ những lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tác giả xin trân trọng cám ơn . iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………..1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU 6 1.1 Hồ chứa và vấn đề vận hành hồ chứa ................................................................6 1.2 Phƣơng pháp quản lý và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ..8 1.2.1 Các phƣơng pháp quản lý vận hành hệ thống hồ chứa................................8 1.2.2 Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa ....................................................10 1.3 Tổng quan các phƣơng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu.................................................................................................................13 1.3.1 Phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật tối ƣu hóa .................................................14 1.3.2 Phƣơng pháp mô phỏng.............................................................................19 1.3.3 Phƣơng pháp kết hợp .................................................................................20 1.4 Tổng quan về lƣu vực sông Hồng ...................................................................23 1.4.1 Lƣu vực sông và mạng lƣới sông ngòi ......................................................23 1.4.2 Giới thiệu các công trình hồ chứa trên dòng chính sông Hồng .................25 1.4.3 Nhiệm vụ chống lũ hạ du và nguyên tắc chung của chế độ vận hành chống lũ hạ du ..................................................................................................................29 1.4.4 Tổng quan các nghiên cứu phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa lƣu vực sông Hồng trong mùa lũ ........................................................................................30 1.4.5 1.5 Quá trình phát triển văn bản pháp lý .........................................................35 Kết luận chƣơng 1: ..........................................................................................38 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ VẬN CHƢƠNG 2 HÀNH TÍCH NƢỚC TRONG THỜI KỲ MÙA LŨ ĐỐI VỚI HỆ THỐNG HỒ CHỨA HÒA BÌNH VÀ SƠN LA .................................................................................40 2.1 Nhận xét về các quy trình đã ban hành và đề xuất hƣớng nghiên cứu chế độ vận hành tích nƣớc.....................................................................................................40 2.1.1 Nhiệm vụ chống lũ hạ du và nguyên tắc chung của chế độ vận hành cắt lũ 40 2.1.2 Một số hạn chế của các quy trình vận hành hồ chứa đã ban hành ............42 2.1.3 Phân tích thực trạng và những bất cập khi vận hành theo các quy trình đã ban hành .................................................................................................................47 2.1.4 Đánh giá khả năng tích nƣớc đầy hồ của hê thống hồ chứa trên sông Đà 50 v 2.1.5 Sự cần thiết và định hƣớng nghiên cứu bổ sung chế độ vận hành tích nƣớc hồ chứa Hòa Bình và Sơn La.................................................................................55 2.2 Cơ sở khoa học nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành tích nƣớc ..................57 2.2.1 Quan điểm nghiên cứu...............................................................................57 2.2.2 Phân chia thời kỳ tích nƣớc .......................................................................59 2.2.3 Phƣơng pháp thiết lập chế độ vận hành trong thời kỳ tích nƣớc hạn chế .60 2.2.4 Xây dựng chế độ vận hành ứng phó trong trƣờng hợp xảy ra lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc ..........................................................................................63 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 .....................................................................................68 2.3.1 Thực trạng thay đổi chế độ mực nƣớc hạ du thời kỳ mùa lũ ....................68 2.3.2 Phân tích đặc điểm mƣa lũ và sự hình thành lũ lớn trên lƣu vực ..............73 2.3.3 Khả năng dự báo và nhận dạng lũ lớn trên hệ thống sông Hồng ..............76 2.4 Công cụ tính toán .............................................................................................81 2.4.1 Ứng dụng MS Excel tính toán điều tiết dòng chảy qua hồ chứa ...............81 2.4.2 Mô hình MIKE 11 .....................................................................................83 2.5 Kết luận chƣơng 2 ...........................................................................................85 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 86 3.1 Thiết lập bài toán .............................................................................................87 3.1.1 Thiết lập kịch bản mực nƣớc Hà Nội ........................................................89 3.1.2 Chọn phƣơng án lũ để tính toán xác định mực nƣớc giới hạn Hgh ..........89 3.1.3 Kết quả tính toán bảng nguyên tắc vận hành tích nƣớc ............................90 3.1.4 Kiểm tra đánh giá tính khả thi của việc vận hành theo bảng nguyên tắc vận hành tích nƣớc.................................................................................................94 3.2 Kết quả nghiên cứu phƣơng án vận hành ứng phó trong trƣờng hợp xảy ra lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc đầy hồ ..............................................................100 3.2.1 Các giải pháp vận hành ứng phó trong trƣờng hợp khẩn cấp trên lƣu vực sông Hồng ............................................................................................................101 3.2.2 Đề xuất phƣơng án vận hành hệ thống hồ chứa ứng phó trƣờng hợp xảy ra lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc ..................................................................103 3.2.3 Xây dựng kịch bản tính toán ...................................................................104 vi 3.2.4 Kết quả tính toán ....................................................................................108 3.3 Đề xuất cơ chế vận hành tích nƣớc hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La ......................................................................................................................114 3.3.1 Thời kỳ tích nƣớc hạn chế (từ 15/06 đến 21/08 hàng năm) ....................114 3.3.2 Phƣơng án vận hành hồ chứa Sơn La và Hoà Bình ứng phó trƣờng hợp xảy ra lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc, ......................................................115 3.4 Kết luận chƣơng 3 .........................................................................................116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................117 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang [10] ...............................10 Bảng 1-2: Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa song song [11] ..............................12 Bảng 1-3: Các nhà máy thủy điện trên sông Lý Tiên-thƣợng nguồn sông Đà [46] ......25 Bảng 2-1: Quy định về phân bổ dung tích phòng lũ dành cho cắt lũ hạ du theo mực nƣớc khống chế tại Hà Nội của các hồ Sơn La và Hòa Bình trong QT1622. ..............41 Bảng 2-2 Tóm tắt nội dung QT80, QT198 và QT1622 .................................................44 Bảng 2-3: Thống kê mực nƣớc Hà Nội lớn nhất và nhỏ nhất trong mùa lũ ..................45 Bảng 2-4: Thống kê các phƣơng án vận hành ...............................................................52 Bảng 2-5: Thống kê số năm tích đến mực nƣớc dâng bình thƣờng hồ chứa ................54 Bảng 2-6: Thống kê thời điểm tích đầy hồ chứa Sơn La theo phƣơng án 1 và 3 ..........54 Bảng 2-7: Các hình thế thời tiết gây mƣa lớn ở lƣu vực sông Hồng – Thái Bình [54] .74 Bảng 2-8: Đặc trƣng đỉnh lũ đặc biệt lớn trên các sông thuộc sông Hồng [50] ............75 Bảng 2-9: Một số hình thế thời tiết kết hợp gây mƣa lũ lớn và các mực nƣớc đỉnh lũ trong một số trận lũ lớn điển hình trên hệ thống sông Hồng .........................................75 Bảng 2-10: Đánh giá dự báo hạn ngắn và hạn vừa cho trạm Hà Nội 2008 -2013 [56] .78 Bảng 2-11: Các phƣơng pháp dự báo thủy văn hạn vừa trên lƣu vực sông Hồng [55].78 Bảng 2-12: Đánh giá dự báo dòng chảy 3 ngày tại Hòa Bình và Hà Nội [56] ..............80 Bảng 2-13: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình dòng chảy hồ Sơn La năm 2016 [55] .......................................................................................................................................80 Bảng 2-14: Kết quả dự báo tác nghiệp dòng chảy hồ Hòa Bình năm 2016 [55] ..........80 Bảng 2-15: Bảng thống kê các biên trên và biên dƣới ..................................................85 Bảng 3-1: Kết quả tính toán Hgh của hồ chứa Sơn La .................................................90 Bảng 3-2: Quan hệ mực nƣớc và dung tích hồ chứa Hòa Bình và Sơn La ...................94 Bảng 3-3: Tổng hợp các phƣơng án điều chỉnh Hgh ....................................................94 Bảng 3-4: Các trận lũ lớn xảy ra tại Sơn Tây ................................................................ 96 Bảng 3-5: Bảng nguyên tắc vận hành tích nƣớc ............................................................98 Bảng 3-6: Bảng tổng hợp mực nƣớc hồ chứa Sơn La, Hòa Bình và Hà Nội vận hành theo phƣơng án 1 và 3 ...................................................................................................99 Bảng 3-7: Quy định mực nƣớc thấp nhất các hồ chứa đƣợc phép hạ xuống để đón lũ theo QT 1622 ...............................................................................................................103 Bảng 3-8: Đặc trƣng của lũ có chu kỳ lặp lại 500 năm tại Sơn Tây với các dạng lũ năm 1969, 1971 và 1996 .....................................................................................................104 Bảng 3-9: Mực nƣớc các hồ chứa thƣợng nguồn ........................................................107 Bảng 3-10: Tổng hợp các phƣơng án tính toán kiểm tra tính khả thi của phƣơng án vận hành ứng phó trƣờng hợp xảy ra lũ bất thƣờng đề xuất ..............................................108 Bảng 3-11: Bảng nguyên tắc vận hành tích nƣớc ........................................................114 viii Bảng 3-12: Quy định mực nƣớc thấp nhất các hồ chứa đƣợc phép hạ xuống để đón lũ theo QT 1622 ...............................................................................................................116 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sự cần thiết của điều tiết dòng chảy đáp ứng yêu cầu của xã hội [2] ..............7 Hình 1-2: Hệ thống hồ chứa bậc thang ..........................................................................11 Hình 1-3: Hệ thống hồ chứa song song .........................................................................12 Hình 1-4: Bản đồ lƣu vực sông Hồng............................................................................24 Hình 1-5 Sơ đồ các hồ chứa trên thƣợng nguồn sông Đà phía Trung Quốc .................26 Hình 1-6: Bản đồ lƣu vực sông Đà ................................................................................28 Hình 1-7: Sơ đồ khối nghiên cứu chế độ vận hành tích nƣớc cho hệ thống hồ chứa Hòa Bình và Sơn La ..............................................................................................................38 Hình 2-1: Biểu đồ quá trình mực nƣớc hồ Sơn La thời kỳ mùa lũ từ năm 2012-2015 .48 Hình 2-2: Biểu đồ quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình thời kỳ mùa lũ từ năm 2012- 2015 .......................................................................................................................................49 Hình 2-3: Biểu đồ quá trình mực nƣớc Hà Nội thời kỳ mùa lũ năm 2012-2015 ..........49 Hình 2-4 Sơ đồ tính toán thử dần xác định giới hạn của mực nƣớc hồ .........................61 Hình 2-5: Quá trình lũ tháng 09 năm 1985 tại Hà Nội ..................................................64 Hình 2-6: Quá trình lƣu lƣợng mùa lũ (thời đoạn 6h) trạm Trung Ái Kiều và Thổ Khả Hà trên sông Đà năm 2008 ............................................................................................65 Hình 2-7: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu đề xuất giải pháp vận hành ứng phó trong trƣờng hợp lũ bất thƣờng ...........................................................................................................67 Hình 2-8: Đƣờng bao mực nƣớc thấp nhất và mực nƣớc bình quân thời gian tại Hà Nội trƣớc khi có hồ chứa Hòa Bình thời kỳ từ 1/6 đến 15/10 hàng năm. ............................69 Hình 2-9: Đƣờng bao mực nƣớc thấp nhất và mực nƣớc bình quân thời gian tại Hà Nội sau khi có hồ chứa Hòa Bình thời kỳ từ 1/6 đến 15/10 hàng năm ................................ 70 Hình 2-10: Biểu đồ Trị số mực nƣớc trung bình và nhỏ nhất tại Hà Nội theo thời gian mùa lũ giai đoạn 1960-1990 và 1991-2012 ...................................................................71 Hình 2-11: Biểu đồ mực nƣớc Hà Nội lớn nhất và nhỏ nhất trong thời kỳ lũ chính vụ và trong mùa lũ từ năm 1960-2013 ...............................................................................72 Hình 2-12: Đƣờng Q H tại trạm thuỷ văn Hà Nội qua các năm ................................ 72 Hình 2-13: Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống sông lƣu vực sông Hồng. ...........................84 Hình 3-1: Sơ đồ tính toán thiết lập bảng nguyên tắc vận hành ....................................88 Hình 3-2: Quá trình lƣu lƣợng vào và xả qua hồ chứa Sơn La và Hòa Bình điều tiết lũ 500 năm mô hình 1996 với cấp mực nƣớc Hà Nội từ 6,0 m đến 8,0 m. .......................91 Hình 3-3: Quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La và Hòa Bình và Hà Nội với cấp mực nƣớc Hà Nội từ 6,0 m đến 8,0 m. ..................................................................................91 Hình 3-4: Quá trình lƣu lƣợng vào và xả qua hồ chứa Sơn La và Hòa Bình điều tiết lũ 500 năm mô hình 1996 với cấp mực nƣớc Hà Nội từ 4,0 m đến 6,0 m. .......................92 Hình 3-5: Quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La và Hòa Bình và Hà Nội với cấp mực nƣớc Hà Nội từ 4,0 m đến 6,0 m. ..................................................................................92 x Hình 3-6: Quá trình lƣu lƣợng vào và xả qua hồ chứa Sơn La và Hòa Bình điều tiết lũ 500 năm mô hình 1996 với cấp mực nƣớc Hà Nội < 4,0 m. .........................................93 Hình 3-7: Quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La và Hòa Bình và Hà Nội với cấp mực nƣớc Hà Nội < 4,0 m. ....................................................................................................93 Hình 3-8: Sơ đồ mô tả quá trình hiệu chỉnh vận hành xả lũ theo cập nhật số liệu dự báo lũ hàng ngày...................................................................................................................95 Hình 3-9: Sơ đồ nghiên cứu phƣơng án vận hành ứng phó trƣờng hợp lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc. ...............................................................................................101 Hình 3-10: Quá trình lũ tại các biên trên với tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1969 .....................................................................................................................................105 Hình 3-11: Quá trình lũ tại các biên trên với tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1971 .....................................................................................................................................105 Hình 3-12 Quá trình lũ tại các biên trên với tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1996106 Hình 3-13: Quá trình lƣu lƣợng nhập lƣu tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1971 ..106 Hình 3-14: Biểu đồ quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phƣơng án PA1.96_500 ...............................................................................................109 Hình 3-15: Biểu đồ quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phƣơng án PA1.69_500 ...............................................................................................109 Hình 3-16: Biểu đồ quá trình lƣu lƣợng đến Hồ Sơn La và xả qua hồ Hòa Bình và Sơn La theo phƣơng án PA1.69_500 ..................................................................................110 Hình 3-17: Biểu đồ quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phƣơng án PA2.71_300 ...............................................................................................111 Hình 3-18: Quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phƣơng án PA1.71_300 .................................................................................................................111 Hình 3-19: Biểu đồ quá trình lƣu lƣợng đến và xả qua các hồ chứa Sơn La và Hoà Bình theo phƣơng án PA2.69_TN ...............................................................................112 Hình 3-20: Biểu đồ quá trình mực nƣớc hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phƣơng án PA2.69_TN ................................................................................................113 xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT QT198 Quy trình vận hành liên hồ chứa Sơn La - Hòa Bình - Thác Bà Tuyên Quang trong mùa lũ hàng năm, ban hành theo Quyết định số 198/QĐ-TTg ngày 10 tháng 2 năm 2011 của Thủ tƣớng Chính Phủ. QT1622 Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lƣu vực sông Hồng, ban hành theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17 tháng 09 năm 2015 của Thủ tƣớng Chính Phủ. TKKT Thiết kế kỹ thuật KTTV Khí tƣợng Thuỷ văn MNDBT Mực nƣớc dâng bình thƣờng MNTL Mực nƣớc trƣớc lũ: Trạng thái mực nƣớc hồ chứa trƣớc trƣớc khi cắt lũ hạ du. MNLKT Mực nƣớc lũ kiểm tra: Mực nƣớc hồ cao nhất khi cắt lũ kiểm tra. PMF Possible Maximum Flood: Lũ cực hạn (lớn nhất có khả năng xảy ra) DHTNĐ Dải hội tụ nhiệt đới ATNĐ Áp thấp nhiệt đới CATBD Cao áp Thái Bình Dƣơng RTN Rãnh thấp nóng XT Xoáy thuận HTNĐ Hội tụ nhiệt đới KKL Không khí lạnh DAT Dải áp thấp TBNN Trung bình nhiều năm xii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Đồng bằng sông Hồng trải rộng từ vĩ độ 21°34´ Bắc (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi khoảng 19°5´Bắc (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đông (huyện Ba Vì) đến 107°7´Đông (trên đảo Cát Bà). Toàn vùng có diện tích: 15.000 km², chiếm 4,5% diện tích của cả nƣớc. Đồng bằng sông Hồng tập trung nhiều trung tâm kinh tế, văn hóa và chính trị quan trọng, với mật độ dân cƣ cao, tổng số dân trên 20,4 triệu ngƣời (năm 2015) chiếm 22,78% dân số cả nƣớc, GDP là 43,3 tỷ USD trong đó nông nghiệp đóng góp 19,4%. Đây là vùng đồng bằng rộng lớn nằm bao quanh hạ lƣu sông Hồng, bao gồm 11 tỉnh và thành phố: Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dƣơng, Hƣng Yên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Quảng Ninh, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình với tổng diện tích tự nhiên khoảng 2,1 triệu ha. Dân số thành thị tăng nhanh hơn, trong khi dân số nông thôn giảm do quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa. Dự kiến dân số đô thị chiếm 28% tổng dân số và sẽ tăng lên hơn 40% vào năm 2020, 50% vào năm 2030 và 60% vào năm 2050. Theo quyết định số 1554/QĐ-TTg ban hàng ngày 17 tháng 10 năm 2012 phê duyệt quy hoạch thuỷ lợi vùng đồng bằng sông Hồng 2012-2020 và định hƣớng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu và nƣớc biển dâng, lƣợng nƣớc dùng cho phát triển kinh tế xã hội ở hạ du năm 2010 là 24 tỷ m3, dự báo đến năm 2020 là 31 tỷ m3 và đến năm 2050 là 36 tỷ m3. Lƣợng nƣớc cần này chủ yếu trong các tháng mùa kiệt (từ tháng 12 đến tháng 5) chiếm đến 80%. Về mùa lũ, lũ lớn trên thƣợng lƣu luôn là mối hiểm họa hàng năm đối với thủ đô Hà Nội và đồng bằng sông Hồng, ảnh hƣởng không nhỏ đến sự phát triển kinh tế xã hội và dân cƣ trong vùng. Bởi vậy phòng chống lũ lụt là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong mọi giai đoạn quy hoạch khai thác quản lý các công trình trên hệ thống sông Hồng. Vì vậy, các hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà đƣợc quy hoạch và thiết kế đã đƣợc xây dựng đóng vai trò quan trọng về an ninh nguồn nƣớc, cung cấp điện năng cho kinh tế xã hội và phòng chống lũ cho hạ du. Tổng dung tích phòng chống lũ cho hạ du của các hồ chứa Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà khá lớn và đều đặt dƣới mực nƣớc dâng bình thƣờng. Các hồ chứa 1 này theo thiết kế chỉ đƣợc tích nƣớc ở cuối mùa lũ (cuối tháng 8 hàng năm). Do đó, mẫu thuẫn giữa nhiệm vụ chống lũ và phát điện, cấp nƣớc rất gay gắt. Khi lập quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Hồng, các cơ quan lập quy trình với sự tham gia của nhiều chuyên gia đầu ngành và các nhà khoa học của nhiều lĩnh vực đã cố gắng đƣa ra những phƣơng án giảm thiểu các mâu thuẫn trên, điều này đã đƣợc thể hiện trong các quy trình đƣợc ban hành theo quyết định số 198/QĐ –TTg ngày 10/02/2011 và quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17 tháng 09 năm 2015. Tuy nhiên hai quy trình này chỉ tạo khung cứng, vận hành cụ thể còn phải căn cứ vào dự báo quá trình nƣớc đến hồ. Trong thực tế vận hành, vẫn còn có hai câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu, đó là: - Có cho phép các hồ chứa trên đƣợc tích nƣớc từ đầu mùa lũ không, và nếu cho phép thì quy định tích nƣớc phải nhƣ thế nào mới đảm bảo an toàn chống lũ hạ du? - Theo quy định, thời kỳ lũ muộn các hồ chứa phải tích nƣớc dần đến mực nƣớc dâng bình thƣờng, nhƣng nếu xảy ra lũ lớn bất thƣờng thì các hồ chứa sẽ ứng phó nhƣ thế nào để giảm lũ cho hạ du mà vẫn đảm bảo an toàn cho công trình? Hiện nay, chƣa có nghiên cứu nào giải quyết trọn vẹn đƣợc các câu hỏi trên. Thực tiễn vận hành nhiều năm qua các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La trong mùa lũ thƣờng duy trì mực nƣớc cao hơn quy định (tích sớm) để đảm bảo an toàn cấp nƣớc. Điều này cho thấy các cơ quan quản lý nhận thức đƣợc rằng tích nƣớc vào hồ ngay trong thời kỳ mùa lũ là cần thiết và có thể thực hiện đƣợc nhƣng vì chƣa có cơ sở khoa học nên việc tích nƣớc sớm vẫn coi là ảnh hƣởng đến an toàn công trình và chống lũ hạ du. 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 nƣớc các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La nhằm nâng cao hiệu quả tích nƣớc cho phát điện và cấp nƣớc, đảm bảo an toàn công trình và chống lũ hạ du. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu đƣa ra đƣợc cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định chế độ vận hành tích nƣớc trong kỳ mùa lũ, đảm bảo an toàn tích nƣớc đầy hồ, nâng cao hiệu quả cấp nƣớc 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 đề xuất đƣợc 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 đƣợc phép tích nƣớc đầy hồ, đảm bảo giảm thiểu tác động tiêu cực cho hạ du khi xảy ra lũ lớn bất thƣờng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: t n n n cứu: Vận hành điều tiết và chống lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hoà Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ. p ạm v n n cứu: Chế độ điều tiết chống lũ hạ du đƣợc xem xét trong hệ thống liên hồ chứa bao gồm 4 hồ Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà, nhƣng nghiên cứu chế độ vận hành tích nƣớc theo mục tiêu của luận án đƣợc giới hạn nghiên cứu với hệ thống hồ chứa Sơn La và Hoà Bình trên sông Đà. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu: a. P ơn p áp p ân tíc tổn p Phân tích đặc điểm hình thành mƣa lũ trên lƣu vực sông Hồng, hiện trạng vận hành hệ thống trong giai đoạn quản lý vận hành thực tế, khả năng làm việc của hệ thống công trình hồ chứa phòng lũ trên sông Hồng và khả năng đáp ứng dự báo khí tƣợng thủy văn, làm cơ sở xác định các kịch bản vận hành tích nƣớc thời kỳ mùa lũ. b. P ơn p áp kế t ừa Kế thừa những kết quả nghiên cứu có liên quan đến nội dung của luận án, các dữ liệu sử dụng trong tính toán, công cụ tính toán và những kết quả nghiên cứu đã thực hiện có thể là cơ sở cho phát triển trong nghiên cứu trong luận án. 3 c. P ơn p áp mô hình toán Sử dụng mô hình MIKE 11, HEC-RESSIM,… trong tính toán xác định chế độ vận hành tích nƣớc trong thời kỳ mùa lũ cho các hệ thống hồ chứa trên lƣu vực sông Hồng. Các mô hình này đã đƣợc sử dụng rộng rãi cho các nghiên cứu quy hoạch và vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất quan điểm nghiên cứu mới về vận hành hệ thống hồ chứa trên lƣu vực sông Hồng trong thời kỳ mùa lũ theo hƣớng kết hợp với kết quả dự báo để vận hành theo thời gian thực, xem xét khi mực nƣớc Hà Nội ở ngƣỡng thấp để nâng cao mực nƣớc các hồ chứa thƣợng nguồn. Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng chế độ vận hành tích nƣớc hợp lý cho các hồ chứa trên sông Đà đảm bảo đƣợc mục tiêu tối đa hoá lợi ích mà vẫn an toàn cho hạ du là một vấn đề thực tế đang đặt ra. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở cho điều chỉnh, bổ sung các quy định trong quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Hồng thời kỳ mùa lũ; là cơ sở hỗ trợ ra quyết định trong quá trình quản lý, vận hành thực tế chống lũ hàng năm cho các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La. 6. Những đóng góp mới của luận án: - Đề xuất đƣợc chế độ tích nƣớc 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 nƣớc giới hạn trên của quá trình tích nƣớc hồ chứa Sơn La trong thời kỳ tích nƣớc hạn chế, đảm bảo tích nƣớc hiệu quả mà vẫn an toàn chống lũ hạ du và công trình. - Đề xuất đƣợc chế độ vận hành điều tiết chống lũ cho hạ du và phƣơng thức ứng phó khi xảy ra lũ bất thƣờng trong thời kỳ tích nƣớc đầy hồ ở cuối thời kỳ mùa lũ. 7. Cấu trúc luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong ba chƣơng, bao gồm: 4 Chƣơng 1: Tổng quan nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Chƣơng này trình bày về tổng quan các phƣơng pháp quản lý vận hành hồ chứa; Phƣơng pháp lập quy trình vận hành hồ chứa; Giới thiệu đặc điểm của lƣu vực nghiên cứu; Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên sông Hồng từ đó xác định định hƣớng nghiên cứu; 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 Hoà Bình và Sơn La. Nội dung chính của chƣơng gồm có: Đánh giá những tồn tại trong quy trình vận hành hồ chứa Sơn La và Hoà Bình trong thời kỳ mùa lũ; Khả năng cảnh báo, dự báo hạn ngắn và hạn vừa lũ trên hệ thống. Qua những phân tích đánh giá đó, đƣa ra quan điểm về vận hành tích nƣớc của hai hồ chứa, giải pháp vận hành ứng phó trong trƣờng hợp bất thƣờng; phƣơng án tính toán và lựa chọn công cụ tính toán. Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu chế độ vận hành trong thời kỳ tích nƣớc hạn chế và phƣơng án vận hành ứng phó trong trƣờng hợp lũ bất thƣờng. Chƣơng này trình bày kết quả tính toán giới hạn tích nƣớc; đề xuất phƣơng án vận hành ứng phó trong trƣờng hợp lũ bất thƣờng và vận hành thử nghiệm đánh giá tính hợp lý. Đề xuất cơ chế vận hành tích nƣớc cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ. 5 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 Sự tăng trƣởng kinh tế, dân số, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đã làm gia tăng nhu cầu về nƣớc cho các mục đích khác nhau nhƣ cấp nƣớc cho sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, phát điện… Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về nguồn nƣớc cũng nhƣ ứng phó với sự biến đổi khí hậu mạnh mẽ theo không gian và thời gian, nhiều hồ chứa đã đƣợc xây dựng, nhƣ một biện pháp hiệu quả trong công tác quản lý quy hoạch nguồn nƣớc và trở thành cơ sở quan trọng nhất để điều tiết phân bổ nguồn nƣớc hợp lý giữa các mục đích khác nhau [1]. Hồ chứa là công trình trữ nƣớc nhân tạo, đƣợc xây dựng trên các khe suối, trên sông bằng các đập chắn ngang sông. Hồ chứa là biện pháp thiết yếu trong hệ thống các công trình điều tiết, nó có khả năng làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy sông ngòi theo thời gian và không gian. Chức năng chính của hồ chứa là điều tiết dòng chảy tự nhiên nhằm thỏa mãn các nhu cầu khác nhau về nguồn nƣớc của các đối tƣợng sử dụng nƣớc. Ngoài ra nó còn có vai trò quan trọng đặc biệt trong công tác phòng chống lũ đảm bảo an toàn cho hạ du. Vận hành hồ chứa là một khâu trọng yếu trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Sau khi xây dựng hồ chứa, các hƣớng dẫn vận hành chi tiết đƣợc thiết lập nhằm hỗ trợ cho ngƣời quản lý đƣa ra các quyết định hợp lý. Quy trình vận hành quy định lƣợng xả từ lƣợng trữ tại một thời điểm nào đấy phụ thuộc vào trạng thái của hồ chứa, mức yêu cầu cấp nƣớc và các thông tin về lƣợng dòng chảy có thể đến hồ chứa. Bài toán vận hành cho hồ chứa đơn mục tiêu là quyết định quy trình tích, xả từ hồ chứa sao cho lợi ích cho mục tiêu đó là tối đa. Hầu hết các hồ chứa lớn hiện nay đều là hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Tuy nhiên, các mục tiêu cơ bản của hồ chứa thƣờng lại mâu thuẫn với nhau, có thể kể đến các mâu thuẫn sau: (i)Mâu thuẫn giữa mục tiêu phòng lũ và phát điện: mâu thuẫn này xuất hiện khi hồ kết hợp phục vụ phát điện và chống lũ, việc thoả mãn các mục tiêu phát điện 6 đòi hỏi hồ phải đƣợc tích nƣớc càng nhiều càng tốt để tạo ra đầu nƣớc cao, trong khi mục đích phòng lũ lại đòi hỏi có đủ dung tích trống trong hồ; (ii) Mâu thuẫn giữa các mục tiêu cấp nƣớc cho các đối tƣợng sử dụng: cấp nƣớc cho nông nghiệp đƣợc phân phối dựa trên thời vụ, mùa hay tình hình mƣa, nắng trong khi yêu cầu phát điện đòi hỏi hồ vận hành dựa trên nhu cầu thay đổi theo ngày, tuần, hay mùa; (iii) Mâu thuẫn trong cùng một mục tiêu: nhu cầu nƣớc và lƣợng nƣớc đến thƣờng không phải lúc nào cũng thoả mãn theo thời gian, đòi hỏi việc tiết kiệm nƣớc cần đƣợc đặt ra trong khi vận hành các hồ chứa. Hình 1-1 Sự cần thiết của điều tiết dòng chảy đáp ứng yêu cầu của xã hội [2] Đối với hệ thống hồ chứa, các quyết định vận hành cần đƣợc cân nhắc xem xét một cách kỹ lƣỡng trên cơ sở cân đối lƣợng nƣớc trữ trong từng hồ chứa. Quy trình vận hành đơn hồ phù hợp với hồ chứa đó nhƣng không đáp ứng đƣợc với mục tiêu liên hồ chứa vì vậy cần có quy trình vận hành liên hồ chứa giải quyết các mâu thuẫn. Thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa tìm ra giải pháp "thoả hiệp" giữa các mục tiêu là một bài toán khó và cũng là chủ đề chính đƣợc nhiều nhà nghiên cứu trong, ngoài nƣớc quan tâm giải quyết trong nhiều năm qua nhằm khai thác tối đa năng lực của hệ thống hồ chứa. Theo nhận định của Ủy Ban Đập Thế Giới (World Commision on Dams) [3], một trong những nguyên nhân làm cho nhiều hệ thống hồ chứa lớn trên thế giới hoạt động kém hiệu quả, không đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra từ giai đoạn lập dự án là do những 7 công tác điều hành hệ thống. Vì vậy, cần phải quan tâm nghiên cứu xây dựng quy định vận hành hồ chứa, hƣớng dẫn ngƣời điều hành hồ chứa giải quyết các mâu thuẫn, tìm ra giải pháp thỏa hiệp giữa các mục tiêu nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống, tối đa lợi ích kinh tế và lợi ích xã hội, môi trƣờng mà hồ chứa có thể đem lại trong thực tế hoạt động. Để khai thác sử dụng các hồ chứa lợi dụng tổng hợp với 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 lƣợng trữ cấp nƣớc của Rippl (1883) [4] đến các nghiên cứu phức tạp gần đây vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa theo thời gian thực phục vụ đa mục tiêu của Mehdipour và nnk (2012) [5]. Mặc dù đã đƣợc đầu tƣ 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 phƣơng pháp khác nhau để thiết lập quy tắc vận hành cho hệ thống hồ chứa nhƣng các ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù từng hệ thống, không có phƣơng pháp luận, công cụ có thể dùng chung cho mọi hệ thống. 1.2 Phƣơng pháp quản lý và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu 1.2.1 Các phương pháp quản lý vận hành hệ thống hồ chứa Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về điều hành lũ, điều phối cấp nƣớc, phát điện và các lợi ích kinh tế khác của hồ chứa. Một trong những nghiên cứu chuyên sâu là điều tiết hồ chứa, nhằm phân phối tài nguyên nƣớc cho các mục đích khác nhau [6]. Mỗi hệ thống hồ chứa khi hoạt động đều tuân thủ theo một quy trình đã đƣợc thiết lập sẵn, trong đó có các quy tắc vận hành cho từng thời kỳ mà ngƣời quản lý phải tuân thủ theo. Quy trình vận hành hồ chứa đƣợc thiết lập trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật thông qua mô hình mô phỏng hoặc tối ƣu. Các quy tắc vận hành, đƣợc biểu diễn dƣới dạng đồ thị hay bảng hƣớng dẫn theo mực nƣớc (dung tích) ứng với từng thời gian trong năm [7] [8] đƣợc thể hiện trong biểu đồ điều phối, là căn cứ chính cho việc ra quyết định khi vận hành hồ chứa. Vận hành theo các đƣờng cong quy tắc 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 ngƣời quản lý [9]. 8