LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các kết quả nghiên cứu
và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào
và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn
Phan Thị Toàn
i
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, học viên đã hoàn thành đề tài “Dự báo lũ và
cảnh báo ngập lụt sông Ngàn Sâu khi có ảnh hưởng của hồ chứa” theo đúng nội
dung đề cương đã đăng ký.
Để đạt được kết quả trên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo
Trường Đại học Thủy lợi nói chung, các thầy cô Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước
nói riêng đã dành thời gian, công sức giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài nghiên
cứu, đặc biệt là TS Vũ Thanh Tú và PGS.TS Nguyễn Hoàng Sơn, giáo viên trực tiếp
hướng dẫn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Đài
Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành đề
tài nghiên cứu.
Đề tài nghiên cứu sử dụng tài liệu thực tế và vận dụng tổng hợp các kiến thức đã học.
Dù bản thân đã rất cố gắng nhưng do sự hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức
nên đề tài nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót. Để đề tài tiếp tục được
hoàn thiện, tôi mong nhận được sự đóng góp từ các thầy, cô giáo và các anh, chị, bạn
bè và đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày 01 tháng 11 năm 2019
Học viên
Phan Thị Toàn
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC
iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ................................................... ix
MỞ ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu: ............................................................................................. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .........................................................2
5. Bố cục và nội dung nghiên cứu .............................................................................2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ ĐẶC ĐIỂM LƯU
VỰC NGHIÊN CỨU ..............................................................................................................................3
1.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 3
1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong nước ............................................................... 5
1.3 Tổng quan về khu vực nghiên cứu .....................................................................8
1.3.1 Vị trí địa lý ..................................................................................................8
1.3.2 Đặc điểm địa hình .......................................................................................9
1.3.3 Đặc điểm khí tượng, thủy văn ...................................................................10
1.4 Tình hình ngập lụt và vận hành hồ chứa trên lưu vực .....................................14
1.4.1 Hệ thống hồ chứa ......................................................................................14
1.4.2 Tình hình lũ, ngập lụt và thiệt hại trên lưu vực sông ................................ 15
1.5 Các mô hình mô phỏng và dự báo ngập lụt thường được sử dụng tại Việt
Nam. 17
2.1.1. Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains) ............................... 17
2.1.2. Mô hình KOD- 01 và KOD- 02 ...................................................................18
2.1.3. Phần mềm HydroGIS ..................................................................................18
2.1.4. Phần mềm MK4 ........................................................................................... 18
2.1.5. Bộ mô hình MIKE .......................................................................................19
2.1.6. Bộ mô hình HEC ........................................................................................20
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ..............................................................................22
2.2. Phân tích và lựa chọn phương pháp tính toán ....................................................22
2.3. Giới thiệu các mô hình ứng dụng .......................................................................23
2.3.1. Mô hình MIKE-NAM..................................................................................23
iii
2.3.2. Mô hình MIKE-11 ....................................................................................... 27
2.3.3. Mô hình MIKE-21 ....................................................................................... 31
2.3.4. Mô hình MIKE-FLOOD ............................................................................. 34
2.3.5. Mô hình TL ................................................................................................. 37
2.3.5.1. Phương pháp đường lũ đơn vị tam giác ................................................... 38
CHƯƠNG 3
DIỄN TOÁN LŨ VÀ DỰ BÁO NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG NGÀN SÂU 50
3.1 Sơ đồ khối tiếp cận bài toán............................................................................. 50
3.2 Ứng dụng mô hình vận hành hồ chứa TL ........................................................ 51
3.3. Thiết lập mô hình ............................................................................................... 52
3.3.1. Thiết lập mô hình MIKE-NAM .................................................................. 52
3.3.2 Thiết lập mô hình MIKE-11 ......................................................................... 55
3.3.3 Thiết lập mô hình MIKE-21 ........................................................................ 59
3.3.4. Thiết lập mô hình MIKE-Flood .................................................................. 61
3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.................................................................... 61
3.4.1. Mô hình thủy văn MIKE-NAM ................................................................. 64
3.4.2. Mô hình thủy lực MIKE-21 ....................................................................... 69
3.5 Mô phỏng ngập lụt các trận lũ điển hình ......................................................... 74
3.5.1 Mô phỏng ngập lụt năm 2010 ................................................................... 75
3.5.2. Mô phỏng ngập lụt năm 2016 .................................................................... 79
3.5.3. Mô phỏng ngập lụt năm 2018 ..................................................................... 82
3.6 Xây dựng đường quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và vùng ngập ................. 84
3.6.1 Xây dựng đường quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và diện tích ngập ..... 84
3.6.2 Xây dựng đường quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và một số xã thường
xuyên ngập ............................................................................................................ 91
3.6.3 Lựa chọn cách dự báo ngập lụt hạ du sông Ngàn Sâu .............................. 95
3.7 Thử nghiệm dự báo năm 2019 ......................................................................... 95
3.7.1 Cách 1: Chạy bộ mô hình Mike ............................................................... 95
3.7.2 Cách 2: Sử dụng đường quan hệ HHòa Duyệt–Fngập lưu vực và quan hệ HHòa
Duyệt-hngậpmax ............................................................................................................ 99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................................... 101
Kiến nghị ................................................................................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................. 117
iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc trưng hình thái lưu vực sông chính ........................................................12
Bảng 1.2: Danh sách các trạm thủy văn trên lưu vực sông La ......................................13
Bảng 1.3: Danh sách các trạm khí tượng văn trên lưu vực sông La ............................. 13
Bảng 1.4: Các công trình thủy điện trên lưu vực sông La .............................................14
Bảng 3.1: Sơ đồ tiếp cận bài toán dự báo ngập lụt ........................................................51
Bảng 3.2: Diện tích lưu vực bộ phận .............................................................................52
Bảng 3.3: Trọng số lưu vực theo đa giác Theissen .......................................................53
Bảng 3.4: Tọa độ trạm mưa ........................................................................................... 54
Bảng 3.5: Số lượng mặt cắt trên sông ...........................................................................56
Bảng 3.6: Biên trong mô hình MIKE-11 .......................................................................58
Bảng 3.7: Tên các biên trong mô hình MIKE-11 ..........................................................58
Bảng 3.8: Đầu vào MIKE-Flood ...................................................................................61
Bảng 3.9: Liên kết bên trong MIKE-Flood ...................................................................61
Bảng 3.10: Mực nước lớn nhất trạm Hòa Duyệt ........................................................... 62
Bảng 3.11: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định ................................................................ 64
Bảng 3.12: Bộ thông số mô hình MIKE-NAM ............................................................. 68
Bảng 3.13:Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định . ............................................................... 69
Bảng 3.14: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định ................................................................ 70
Bảng 3.15: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định ................................................................ 71
Bảng 3.16: Hệ số nhám trong lòng sông .......................................................................72
Bảng 3.17: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định ................................................................ 73
Bảng 3.18: Diện tích vùng ngập các xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh năm 2010 ........................76
Bảng 3.19: Diện tích vùng ngập các xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh năm 2016 ........................79
Bảng 3.20: Diện tích vùng ngập các xã thuộc tỉnh Hà Tĩnh năm 2018 ........................82
Bảng 3.21: Đường quan hệ mực nước Hòa Duyệt và diện tích bị ngập........................84
Bảng 3.22: Độ sâu ngập sâu nhất tại các vị trí thường xuyên xảy ra ngập ứng với các
cấp mực nước tại Hòa Duyệt .........................................................................................91
Bảng 3.23: Độ sâu ngập sâu nhất tại các vị trí thường xảy ra ngập ứng với các cấp mực
nước tại Hòa Duyệt ........................................................................................................92
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Ngàn Sâu ....................................................................... 9
Hình 2.1: Sơ đồ mô hình NAM ..................................................................................... 24
Hình 2.2: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott .................................................................. 28
Hình 2.3: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t ................................. 28
Hình 2.4: Sai phân với các điểm lưới xen kẽ ................................................................ 29
Hình 2.5: Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu ...................................... 29
Hình 2.6: Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng ...................................................... 29
Hình 2.7: Sơ đồ liên kết chuẩn ...................................................................................... 35
Hình 2.8: Sơ đồ kết nối bên ........................................................................................... 36
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối công trình ............................................................................... 36
Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển lưu vực sông Chu ............................................................ 41
Hình 2.11: Sơ đồ thuật toán dò tìm theo phương pháp Hooke – Jeeves [4] ................. 44
Hình 2.12: Sơ đồ các bước nghiên cứu ......................................................................... 45
Hình 2.13: Giao diện menu chính ................................................................................. 45
Hình 2.14: Menu hệ thống............................................................................................. 46
Hình 2.15: Menu thông số lưu vực bộ phận .................................................................. 47
Hình 2.16: Menu thông số đoạn sông ........................................................................... 47
Hình 2.17: menu tạo dữ liệu cho mô hình ..................................................................... 48
Hình 2.18: Menu vận hành hồ chứa .............................................................................. 48
Hình 2.19: Menu tính toán quá trình lũ (Q~t) tại mặt cắt cửa ra .................................. 49
Hình 3.1: Tiểu lưu vực trong hệ thống mô hình MIKE-NAM ...................................... 54
Hình 3.2: Sơ đồ tính mưa bình quân lưu vực bằng Đa giác Thiessen........................... 55
Hình 3.3: Lược đồ giản thể mô phỏng mạng lưới thủy lực MIKE-11 .......................... 56
Hình 3.4 : Sơ đồ mạng lưới trong mô hình thủy lực MIKE-11 .................................... 57
Hình 3.5: Hệ thống đê trong lưu vực sông La ............................................................... 59
Hình 3.6: Số hóa sông và đê trong lưới tính toán.......................................................... 60
vi
Hình 3.7: Mạng lưới tính toán 2 chiều ..........................................................................60
Hình 3.8: Đường tần suất Hmax tại Hòa Duyệt ............................................................... 63
Hình 3.9: Kết quả hiệu chỉnh Mike Nam tại Sơn Diệm trận lũ T9/1978 đến tháng :
10/1978
...............................................................................................................65
Hình 3.10: Kết quả hiệu chỉnh
30/10/2010
MIKE NAM tại Sơn Diệm từ 12/10/2010 đến
...............................................................................................................66
Hình 3.11: Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE NAM tại Sơn Diệm từ 17/09/2013 đến
27/09/2013
...............................................................................................................67
Hình 3.12: Kết quả kiểm đinh tại Sơn Diệm với trận lũ từ 17/9/2013 đến 24/9/2013 ..68
Hình 3.13: Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại Hòa Duyệt từ 10/12/2010 đến
10/30/2010
...............................................................................................................69
Hình 3.14: Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại Linh Cảm từ 09/17/2013 to
09/26/2013
...............................................................................................................70
Hình 3.15: Kết quả hiệu chỉnh
10/23/2013
MIKE 11 tại
Hòa Duyệt
từ 10/14/2013 đến
...............................................................................................................71
Hình 3.16: Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại Linh Cảm từ 10/14/2013 đến
10/23/2013
...............................................................................................................72
Hình 3.17: Kết quả kiểm định
10/25/2016
tại
trạm Hòa Duyệt
từ 10/12/2016 đến ngày
...............................................................................................................73
Hình 3.18: Kết quả kiểm định mô hình tại trạm Linh Cảm từ 10/12/2016 đến
10/25/2016
...............................................................................................................74
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng ngập lụt trận lũ tháng 10/2010 ......................................75
Hình 3.20: Kết quả mô phỏng ngập lụt trận lũ tháng 10/2016 ......................................79
Hình 3.21: Kết quả mô phỏng ngập lụt trận lũ tháng 8/2018 ........................................82
Hình 3.22: Đường quan hệ HHòa Duyệt-FngậpLV .................................................................85
Hình 3.23: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 7m ..........................................86
Hình 3.24: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 7.5m (BĐ1) ............................ 86
Hình 3.25: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 8.0m .......................................87
Hình 3.26: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 8.5m .......................................87
vii
Hình 3.27: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 9.0m (BĐ2) ............................ 88
Hình 3.28: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 9.5m ....................................... 88
Hình 3.29: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 10.0m ..................................... 89
Hình 3.30: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 10.5m (BĐ3) .......................... 89
Hình 3.31: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 11.0m ..................................... 90
Hình 3.32: Các xã bị ngập khi mực nước ở Hòa Duyệt 11.3m ..................................... 90
Hình 3.33 Quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và độ sâu ngập lớn nhất xã Hương Khê 92
Hình 3.34:Quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và độ sâu ngập lớn nhất xã Gia Phố ...... 93
Hình 3.35: Quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và độ sâu ngập lớn nhất xã Hương
Thủy
................................................................................................................. 93
Hình 3.36 :Quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và độ sâu ngập lớn nhất xã Phương
Điền
................................................................................................................. 94
Hình 3.37 :Quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và độ sâu ngập lớn nhất xã Phương
Mỹ
................................................................................................................. 94
Hình 3.38: Đường quá trình lưu lượng tính toán ra hồ Hố Hô ..................................... 96
Hình 3.39: Đường quá trình lưu lượng tính toán tại Hòa Duyệt trận lũ tháng 9/2019 . 96
Hình 3.40: Đường quá trình mực nước tính toán tại Hòa Duyệt trận lũ tháng 9/2019 . 97
Hình 3.41: Đường quá trình mực nước tính toán tại Chu Lễ trận lũ tháng 9/2019 ....... 97
Hình 3.42: Đường quá trình mực nước tính toán tại Hòa Duyệt trận lũ tháng 9/2019 . 98
Hình 3.43: Đường quá trình mực nước tính toán tại Linh Cảm trận lũ tháng 9/2019 .. 98
Hình 3.44: Kết quả vùng ngập hạ lưu sông Ngàn Sâu trận lũ tháng 9/2019 ................. 99
viii
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
ATNĐ
: Áp thấp nhiệt đới
DHI
: Viện Thủy lực Đan Mạch
MNDBT
: Mực nước dâng bình thường
MNC
: Mực nước chết
NASH
: Nash–Sutcliffe
UBND
: Ủy ban nhân dân
TX
: Thị xã
TP
: Thành phố
BĐ
: Báo động
ix
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các nguyên nhân chính ảnh hưởng tới lũ miền Trung có thể kể đến là biến đổi
khí hậu, biến đổi về địa hình, thảm phủ. Mưa tăng đồng nghĩa với lũ lụt tăng cả về độ
lớn và sự phức tạp. Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện có ảnh hưởng trực tiếp đến lũ, lụt ở
vùng hạ du. Các hồ chứa đa mục tiêu như phòng chống lũ, phát điện, cung cấp nước
cho vùng hạ du càng được xây dựng nhiều, từ đó góp một phần điều tiết lũ cho các
vùng hạ du. Theo thống kê, hiện nay các hồ chứa thuộc lưu vực sông La – Hà Tĩnh có
06 hồ thủy điện bao gồm: Hương Sơn 1, Hương Sơn 2, Kim Sơn, Hố Hô, Ngàn Trươi
và Đá Hàn. Trong đó hồ Hố Hô đóng góp rất lớn trong việc điều tiết lũ trên sông Ngàn
Sâu. Việc vận hành hồ chứa này trong mùa lũ có ảnh hưởng rất lớn tới ngập lụt vùng
hạ du sông Ngàn Sâu. Lượng xả ra từ hồ Hố Hô đóng góp rất lớn đến quá trình hình
thành lũ ở hạ du sông Ngàn Sâu. Vì vậy thực tế việc dự báo lũ trên hạ du sông Ngàn
Sâu không những chỉ dựa vào dự báo mưa, mà còn phải phụ thuộc rất lớn vào sự điều
tiết của hồ Hố Hô.
Là một dự báo viên đang công tác tại Đài KTTV khu vực Bắc Trung Bộ, nhận
thấy thực tế lũ lụt ở Hà Tĩnh diễn ra rất khốc liệt và xảy ra trong thời gian ngắn, đồng
thời chịu ảnh hưởng rất nhiều từ quá trình điều tiết của các hồ chứa phía thượng
nguồn, vì vậy rất cần có một cơ sở để đưa ra các nhận định trong một thời gian ngắn.
Trong khi các số liệu đo đạc quan trắc KTTV chuyển về Đài KTTV khu vực phải qua
rất nhiều bước xử lý và chuyển định dạng mới có thể đưa vào chạy mô hình, làm mất
rất nhiều thời gian mới có thể đưa ra cơ sở để nhận định lũ trên khu vực Hà Tĩnh. Điều
này dẫn đến tình trạng bản tin dự báo lũ nhiều khi còn chưa kịp về mặt thời gian cũng
như chưa đạt về mặt chất lượng.
Xuất phát từ những bất cấp thực tế trên, luận văn sẽ tiếp cập xử lý với tên đề tài:
“Dự báo ngập lụt hạ du sông Ngàn Sâu khi có ảnh hưởng của hồ chứa”.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Luận văn thực hiện những mục tiêu như sau:
- Tính toán điều tiết dòng chảy qua các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ngàn Sâu
- Thiết lập mô hình mô phỏng ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông Ngàn Sâu.
- Tính toán mức độ ngập lụt trên lưu vực sông Ngàn Sâu và xây dựng đường quan
hệ HHòaDuyệt-Fngậplưu vực và HHòaDuyệt-hngập tại một số vị trí
1
- Thử nghiệm dự báo ngập lụt năm 2019 hạ du sông Ngàn Sâu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là hệ thống hồ chứa, công trình chống lũ lưu vực
sông Ngàn Sâu.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là chế độ dòng chảy lũ và các đặc trưng ngập
lụt vụng hạ du sông Ngàn Sâu.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, báo cáo sử dụng một số phương pháp nghiên cứu
dưới đây:
- Phương pháp xử lí số liệu, thu thập thống kê: Tiến hành thu thập số liệu, tài liệu
liên quan đến đề tài nghiên cứu, tài liệu khu vực nghiên cứu lưu vực sông Ngàn
Sâu. Các số liệu được thu thập bao gồm về địa hình, khí tượng, thủy văn, thủy lực
phục vụ tính toán, phân tích.
- Phương pháp mô hình toán: Ứng dựng mô hình toán để mô phỏng lũ và ngập lụt
trên lưu vực sông.
- Phương pháp kế thừa: Để kết quả nghiên cứu đề tài có tính khoa học và thực tiễn
tác giả đã nghiên cứu, tham khảo các kết quả, công trình đã được nghiên cứu trước
đây của các tác giả từ đó rút ra kinh nghiệm và kế thừa một số sản phẩm
5. Bố cục và nội dung nghiên cứu
Ngoài phần Mở đầu và kết luận luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo lũ và đặc điểm lưu vực nghiên cứu
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Diễn toán lũ và dự báo ngập lụt hạ lưu sông Ngàn Sâu.
2
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ ĐẶC
ĐIỂM LƯU VỰC NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới
Những năm gần đây trên thế giới, nghiên cứu vận hành hồ chứa tập trung vào sử dụng
công cụ mô hình toán, lý thuyết tối ưu nhằm tính toán vận hành hồ chứa theo thời gian
thực, tính toán tối ưu vận hành hồ chứa phòng lũ, phát điện, cấp nước hạ du và các vấn
đề liên quan. Tại các nước phát triển, hệ thống số liệu, tài liệu nền của các ngành dùng
nước được xây dựng một cách đầy đủ và đồng bộ. Công tác quản lý tài nguyên nước
cũng được thực hiện một cách hiệu quả và có sự đồng thuận cao giữa các ngành cũng
như các mục tiêu vận hành. Tuy nhiên, dưới tác động của biến đổi khí hậu: bão, lũ lớn
tăng cả tần số lẫn cượng độ cùng với mực nước biển dâng dẫn đến nguy cơ thoát lũ kém,
kèm theo hệ thống phòng, chống lũ nhưng đê điều được xây dựng đã lâu chưa được
nâng cấp hoàn chỉnh làm cho lũ lụt ngày càng xảy ra nghiêm trọng, thiệt hại càng tăng.
Trước thực trạng đó, các quốc gia phát triển đã tập trung nghiên cứu các tác động do
việc xả lũ từ các hồ chứa gây ra để phòng trường hợp thời tiết khí hậu cực đoan, từ đó
đưa ra các phương án khả thi và tăng tính hiệu quả cao cho an toàn hồ chứa, lẫn hạ du.
Long, N. L và nnk [12] đã nghiên cứu kết hợp mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu để
vận hành hồ Hòa Bình giải quyết xung đột chính giữa phòng lũ và phát điện ở giai
đoạn cuối mùa lũ và đầu mùa kiệt. Tác giả đã sử dụng phần mềm MIKE 11 để mô
phỏng hệ thống sông và hồ chứa kết hợp với các thuật toán tối ưu SCE (shuffled
complexevolution) để tìm ra quỹ đạo tối ưu (pareto) khi xem xét cả hai ưu tiên giữa
phòng lũ và phát điện. Kết quả đạt được cho thấy hoàn toàn có thể dùng mô hình mô
phỏng để giải quyết vấn đề phòng lũ cho công trình và cho hạ du mà vẫn có thể duy trì
mực nước cao ở cuối mùa lũ để đảm bảo hiệu ích cao trong phát điện ở mùa kiệt kế
tiếp. Đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy thuật toán tối ưu SCE là một công cụ hữu
hiệu trong giải quyết các bài toán hệ thống phức tạp.
Chang, L. C. và Chang, F. J [23] đã nghiên cứu áp dụng thuật toán tiến hóa (Evolution
Algorithm – NSGA-II) vào vận hành hệ thống hồ chứa gồm hồ Feitsui và Shihmen ở
3
Đài Loan. Các tác giả đã mô phỏng và vận hành hệ thống hồ chứa theo thời đoạn ngày,
sau đó tính toán các chỉ số thiếu hụt nước (shortage indices – SI) cho cả 2 hồ 16 trong
một thời gian dài mô phỏng. Thuật toán NSGA-II đã được sử dụng để làm giảm chỉ số
SI thông qua chiến lược phối hợp vận hành 2 hồ. Với 49 năm số liệu, các tác giả cho
thấy hoàn toàn có thể tìm các chiến lược phối hợp vận hành tốt hơn nhiều so với thực
tế vận hành trong 49 năm qua và giải tối ưu Pareto tìm được cho 2 hồ chính là giải
kiến nghị cho việc vận hành phối hợp.
Wei, C. C. and Hsu, N. S. [25] nghiên cứu áp dụng vận hành tối ưu với các quy tắc
nhánh cây (treebased rules) cho hệ thống hồ chứa đa mục tiêu phòng lũ với thời gian
thực bằng việc tích hợp vào hệ thống mô hình dự báo thủy văn. Phương pháp này đã
được áp dụng cho hệ thống hồ chứa trên sông Tanshui ở Đài Loan. Kết quả vận hành
thử nghiệm cho các trận mưa lũ lịch sử năm 2004 (trận Aere, Haima và Neck-ten) cho
thấy phương pháp này có kết quả tốt nhơn nhiều đảm bảo cắt được đỉnh lũ theo yêu
cầu của các điểm kiểm soát ở hạ lưu mà vẫn đảm bảo yêu cầu tích nước ở cuối mùa lũ
ở các hồ chứa.
Knebla, M. R. và nnk (2005) [24] đã xây dựng một mô hình dự báo lũ cho lưu vực
sông San Antonio (diện tích khoảng 10.000 km2) ở Bang Texas, Hoa Kỳ. Mô hình dự
báo lũ này thực chất là sự kết hợp giữa mô hình thủy văn, thủy lực HEC – HMS, HEC
– RAS và mô hình dự báo mưa bằng radar NEXRAD với sự trợ giúp của công cụ GIS
có tên “Map to Map” sử dụng phần mở rộng ArcHydro trong ArcGIS cho khu vực
nghiên cứu. Mô hình HEC – HMS trong nghiên cứu này là mô hình thông số phân bố
(sử dụng lựa chọn lũ đơn vị ModClark) với ô lưới 4 km x 4 km tương ứng với độ phân
giải của mưa lưới từ mô hình dự báo mưa bằng radar NEXRAD. Công cụ “Map to
Map” được sử dụng để xây dựng các bản đồ đất, thảm phủ dạng lưới làm đầu vào cho
HEC – HMS. Mô hình kết hợp này đã được hiệu chỉnh với lưu lượng thực đo tại 12
trạm thủy văn trong lưu vực và được kiểm định với thông tin từ ảnh vệ tinh Landsat
TM để đảm bảo độ tin cậy. Công cụ GIS được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu bản
đồ ngập lụt. Nghiên cứu đã thử nghiệm dự báo cho trận lũ lớn mùa hè năm 2002 và kết
quả đạt được là khá tốt. Mô hình kết hợp này đã mở ra triển vọng cho việc dự báo lũ
với phạm vi vùng và có thể áp dụng cho nhiều vùng khác nhau ở Hoa Kỳ.
4
1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong nước
Các hồ chứa thượng nguồn đã có những ảnh hưởng không nhỏ đến chế độ lũ và ngập
lụt hạ du các lưu vực sông. Nếu có chế độ vận hành hợp lý các hồ chứa sẽ có tác động
tích cực đến hạ du mà vẫn đảm bảo được mục tiêu phát điện, an toàn hồ chứa, phòng
lũ cho hạ du. Vì vậy, việc đánh giá tác động của hệ thống hồ chứa đến lũ lụt hạ do
trong điều kiện biến đổi khí hậu là hết sức cần thiết.
Nguyễn Tiền Giang và nnk [13] đã đánh giá ảnh hưởng của hệ thống hồ chứa và biến
đổi khí hậu tới quá trình lũ tại hạ du lưu vực sông Bến Hải – Thạch Hãn sử dụng bộ
mô hình mô phỏng bao gồm mô đun mưa rào – dòng chảy, diễn toán lũ trong kênh, và
diễn toán lũ qua hồ chứa, đập dâng. Từ các kết quả từ các kịch bản mà nghiên cứu đã
chọn co thầy tác dụng cắt lũ của các hồ chứa thủy điện, thủy lợi đã lựa chọn đưa vào
kịch bản vận hành là đáng kể. Tác động của điều tiết hồ chứa tới đặc trưng dòng chảy
lũ mạnh mẽ hơn so với biến đổi khí hậu. Khi có sự tham gia của vận hành hồ chứa,
quá trình lưu lượng sau hồ bị điều tiết bởi quy trình vận hành hồ chứa. Lưu lượng xả
phụ thuộc vào mực nước trong hồ. Do vậy, với kịch bản không có hồ thì lũ có đỉnh cao
hơn và xuất hiện sớm hơn đối với kịch bản có hồ, dòng chảy về hồ bị giữ lại và được
xả theo quy trình vận hành hồ chứa. Đối với các hồ chứa thủy lợi có dung tích và diện
tích khống chế nhỏ thì lưu lượng khống chế phòng lũ đáng kể so với tổng lượng dòng
chảy lũ của cả lưu vực. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc đánh giá ảnh hưởng của hồ
chứa đến dòng chảy hạ lưu là rất cần thiết.
Cao Đình Huy, Lê Hùng [1] “Nghiên cứu hiệu quả cắt giảm lũ hạ du của hệ thống hồ
chứa thủy điện trên sông Ba” đã tính toán hai nội dung: Từ dòng chảy lũ đến hồ tiến
hành vận hành điều tiết hồ và diễn toán lũ phía thượng lưu theo các phương án sau đó
và tính toán ngập lụt phía hạ lưu với công cụ tính toán mô phỏng tương ứng theo hai
mô hình là: Mô hình HEC-Ressim để vận hành điều tiết hồ chứa và diễn toán lũ
thượng lưu; Mô hình được thiết lập điều hành hệ thống 3 hồ chứa lớn trên lưu vực
sông Ba là Krông Hnăng, sông Hinh và sông Ba Hạ, các kết quả điều tiết xả lũ tại sông
Ba Hạ và sông Hình làm đầu vào cho mô hình thủy lực MIKE FLOOD (DHI). Nghiên
cứu mô phỏng điều tiết hồ với 2 phương án: Phương án 1 điều tiết các hồ chứa với
mực nước hồ ban đầu là mực nước trước lũ, sau đó hạ mực nước hồ xuống mực nước
5
đón lũ theo Quy trình liên hồ chứa của chính phủ; Phương án 2 là điều tiết giữ nguyên
mực nước hồ bằng mực nước trước theo Quy trình liên hồ chứa của chính phủ, không
hạ mực nước hồ xuống đón lũ. Kết quả nghiên cứu đề xuất chế độ vận hành hệ thống
hồ chứa thượng nguồn lưu vực sông Ba cho 2 phương án: Phương án theo quy trình
liên hồ của chính phủ, tạo dung tích đón lũ và phương án giữ nguyên mực nước đón lũ,
ta thấy việc tạo dung tích đón lũ tuy có hiệu quả cắt đỉnh lũ so với phương án giữ
nguyên mực nước đón trước khoảng 5%; tuy nhiên việc cắt lũ không hiệu quả sẽ làm
thiệt hại sản lượng điện năng của các nhà máy thủy điện. Đề xuất hai nhóm kịch bản
nêu trên, có thể thấy được mức độ phòng lũ của hệ thống hồ chứa sông Ba là không
lớn. Sự khác nhau giữa kịch bản tạo dung tích đón lũ và giữ nguyên mực nước trước lũ
là không đáng kể, trong khi việc vận hành để tạo dung tích đón lũ sẽ gặp nhiều khó
khăn cho người điều hành vì khả năng dự báo lũ hiện nay của các con sông Miền
Trung nói chung và sông Ba nói riêng có độ chính xác thấp, thời gian dự báo không
dài.
Tô Thúy Nga [15] “Nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực sông Vu
Gia – Thu Bồn phục vụ phòng chống lũ” với cơ sở đề xuất phương án vận hành xả lũ
dựa trên khả năng mô phỏng cảnh báo, dự báo lũ khi có thông tin, dự báo mưa từ trung
tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia. Với thời gian dự báo mưa khoảng 3 ngày
sẽ nhận định khả năng gây lũ từ đó vận hành hồ xả nước đón lũ. Điều này cho phép
các hồ chứa vẫn có thể tích nước cao hơn mực nước trước lũ thậm chí có thể tới mực
nước dâng bình thường. Nghiên cứu đã xây dựng mô hình MOPHONG-LU trên cơ sở
tích hợp các mô hình mưa – dòng chảy, mô hình vận hành hồ chứa và diễn toán lũ
trong sông cho phép mô phỏng, cảnh báo, dự báo lũ đến các nút hồ chứa và các nút
sông. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cảnh báo, sự báo mưa có thể xả lũ trước 60h
kéo dài thời gian xả lũ hạ mực nước hồ xuống mực nước trước lũ sau đó tủy quy mô
trận lũ dự báo tiếp theo mà tiến hành hạ tiếp mực nước xuống mực nước đón lũ. Điều
này vẫn đảm bảo hiệu quả cắt lũ hạ du mà không ảnh hưởng nhiệm vụ phát điện và
khả năng tích nước đầy hồ và cuối mùa lũ.
Nguyễn Thế Toàn và Phạm Thị Hương Lan [14] đề tài “Xây dựng bản đồ ngập lụt
theo các kịch bản chống lũ trên lưu vực sông Hoàng Long” sử dụng mô hình MIKE
6
Flood kết hợp mô hình thủy lực một chiều mô phỏng hệ thống sông Hồng – Đáy –
Hoàng Long với mô hình thủy lực hai chiều mô tả ngập lụt vùng bãi; ArcGis để xây
dựng bản đồ ngập lụt với 2 giải pháp quyết định trong quy hoạch phòng chống lũ sông
Hoàng Long: phân lũ vào Đầm Cút với lưu lượng 208 m3/s mục đích chuyển bớt một
phần lũ từ sông Hoàng Long sang sông Đáy; phân lũ qua tràn Lạc Khoái với lưu lượng
303 m3/s để chuyển một phần lũ trên dòng chính Hoàng Long vào khu chậm lũ Lạc
Khoái sau đó thoát dần qua sông Bến Đang ra biển. Kết quả nghiên cứu xác định được
diện tích ngập với độ sâu ngập giúp cho công tác phòng chống lụt bão có tính chủ
động, ứng phó trong trường hợp xảy ra lũ vượt thiết kế.
Dương Quốc Huy nghiên cứu “Ứng dụng mô hình toán xây dựng bản đồ ngập lụt hạ
du lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn” sử dụng bộ phần mềm MIKE phục vụ việc mô
phỏng. Trong đó, mô hình MIKE – UHM được sử dụng cho diễn toán mưa rào – dòng
chảy tại các tiểu lưu vực, các hồ chứa. Các giá trị tính toán được sử dụng làm đầu vào
cho mô hình vận hành hồ chứa, diễn toán dòng chảy lũ trong sông (MIKE 11) và tính
toán các mức độ ngập lụt khác nhau trong vùng đồng bằng của lưu vực (MIKE 21).
Các kịch bản tính toán được xác định với tần suất mưa, lũ 1% và 5% cho kết quả diện
tích ngập lớn nhất lần lượt là 529,7 km2, 494,1 km2 và phân theo từng cấp độ ngập
khác nhau. Kết quả nghiên cứu sẽ phuc vụ trực tiếp cho công tác cảnh báo, phòng
tránh thiên tai lũ lụt. Bên cạnh đó, bản đồ ngập lụt còn là cơ sở quan trọng trong việc
đánh giá ảnh hưởng, đề xuất giải pháp giảm thiểu, quy hoạch hạ tầng phòng chống lũ
hiệu quả.
Hồ Đắc Chương nghiên cứu “Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp để
xây dựng bản đồ ngập lụt hạ du hồ chứa Thác Chuối, Quảng Bình” xây dựng bản đồ
ngập lụt trong hai trường hợp vỡ đập và xả lũ. Phạm vi tính toán của nghiên cứu được
xác định từ hạ lưu hồ Thác Chuối ra đến biển. Đề tài sử dụng công thức kinh nghiệp
Froehlich (1995, 2008) xác định các thông số vết vỡ, quá trình xả lũ xuống hạ du được
nghiên cứu xác định thông qua quá trình điều tiết hồ chứa, còn đường quá trình dòng
chảy lũ do vỡ đập được tính toán dựa vào các thông số vết vỡ đã được xác định.
Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy văn HEC-HMS để mô phỏng biên tiểu lưu vực làm
biên đầu vào cho mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS. Sử dụng số liệu địa hình
7
1:10.000 mô phỏng các ô chứa trong mô hình hai chiều HEC-RAS để tính toán và mô
phỏng. Kết quả xác định được phạm vi ngập cũng như thời gian và cấp độ ngập cho
thấy mô hình 1&2 chiều kết hợp là công cụ thích hợp để mô phỏng ngập lụt cho khu
vực có địa hình phức tạp, đưa ra kết quả trực quan về mô phỏng vỡ đập và xả lũ.
Công ty tư vấn điện 1 (PECC1), “Điều chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa Sơn La,
Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang trong mùa lũ hàng năm” [2] đã nghiên cứu đề
xuất một số hiệu chỉnh quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng theo
Quyết định 198/2001/QĐ-TTg. Đề án đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng lũ
cho hệ thống sông Hồng, sử dụng mô hình lũ PMF và lũ chu kỳ lặp lại 500 băn tại Sơn
Tây tính toán điều chỉnh nâng cao mực nước trước lũ cho hồ chứa Sơn La. Thực tế đã
được Quyết định 1622/2015/QĐ-TTg quy định quy trình vận hành liên hồ chứa trên
lưu vực sông Hồng đã nâng mực nước trước lũ của hồ chứa Sơn La trong thời kỳ lũ
chính vụ từ 194 m lên 197,3 m. Kết quả nghiên cứu trong thời kỳ lũ chính vụ, khi
không có lũ lớn, mực nước hồ Sơn La và hồ Hòa Bình duy trì ở ngưỡng cao hơn mực
nước trước lũ (vận hành theo khung tham chiếu phụ thuộc vào mực nước Hà Nội), khi
dự báo có lũ lớn xảy ra sẽ tiến hành hạ mực nước hồ Sơn La và Hòa Bình về mực
nước trước lũ để sẵn sàng điều tiết, chống lũ thiết kế 500 năm tại Sơn Tây cho hạ du.
Tuy nhiên, đề án chỉ dừng lại điều chỉnh khoản 6 của quy trình 198, chưa đề cập đến
vấn đề vận hành hồ chứa trong thời kỳ lũ muộn khi xảy ra lũ bất thường.
Như vậy các nghiên cứu trước đây đã nghiên cứu khá kỹ và đầy đủ về các
phương pháp dự báo lũ và xây dựng bản đồ ngập lụt. Tuy nhiên chưa có phương pháp
nào đưa ra phương án dự báo mực nước lũ tại một điểm trạm nào đó, sau đó xác định
diện tích ngập tương ứng với mực nước đó và độ sâu ngập lớn nhất tại các xã thường
xuyên xảy ra ngập. Từ đó đưa ra phương pháp dự báo lũ và ngập lụt một cách nhanh
nhất.
1.3 Tổng quan về khu vực nghiên cứu
1.3.1 Vị trí địa lý
Lưu vực sông Ngàn Sâu trải dài từ 17°56'40.725" đến 18°38'41.35"N vĩ độ Bắc, từ
104°56'28.546" đến 106°1'27.277" kinh độ Đông. Phía Bắc giáp lưu vực sông Cả, phía
8
Tây giáp lưu vực sông Mê Công, phía Nam giáp lưu vực sông Gianh và phía Đông
giáp Biển Đông. Tổng diện tích lưu vực là 2.060 km2. Dòng chính sông Ngàn Sâu có
chiều dài 139km (Hình 1.1).
Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Ngàn Sâu
1.3.2 Đặc điểm địa hình
Toàn bộ địa hình của lưu vực sông Ngàn Sâu nằm gọn trong thung lũng lòng máng của
hai dãi núi Trường Sơn và dãy Trà Sơn. Bao gồm nhiều đồi núi nhấp nhô, lượn sóng,
xen giữa đồi gò là đồng ruộng bậc thang, độ dốc thoải dần từ Nam ra Bắc. Riêng ở
thượng nguồn sông Ngàn Phố có độ dốc lớn, nghiêng từ Tây sang Đông. Lưu vực có
nhiều dạng địa hình chuyển tiếp, xen kẽ lẫn nhau, có mật độ sông suối khoảng 0,87 0,9km/km2. Vì vậy bề mặt địa hình bị rửa trôi và xói mòn mạnh. Phần phía Tây là
sườn đông dãy Trường Sơn có độ cao trung bình 1 500m, kế tiếp là đồi bát úp và một
dải đồng bằng hẹp, có độ cao trung bình 5m, thường bị núi cắt ngang và sau cùng là
dải bãi ven hạ du sông La rộng có độ dốc nhỏ. Chênh lệch độ cao giữa các vùng rất
lớn, diện tích đồi gò chiếm đến 80-90% diện tích tự nhiên, đất bằng và thung lũng chỉ
chiếm 10-20% diện tích. Do vậy đất nông nghiệp và đất ở chạy dài theo hướng từ Tây
9
Bắc xuống Đông Nam ở giữa là hai dãy núi phía Tây Nam là dãy Trường Sơn độ cao
từ 800 - 1300m, phía Đông Bắc là dãy Trà Sơn, độ cao từ 300 - 470m. Lưu vực có 4
dạng địa hình cơ bản sau đây:
- Địa hình núi cao và trung bình: thuộc sườn đông của dãy Trường Sơn. Nền địa hình
chủ yếu là đá trầm tích biến chất, các đá magma xâm nhập, phun trào, chiếm 45% diện
tích đất tự nhiên, tập trung ở phía tây và rải rác ở phía Đông (gần biển).
- Địa hình đồi và trung du: đây là dạng địa hình chuyển tiếp giữa núi cao và đồng
bằng, chạy dọc theo Quốc lộ 15, đường Hồ Chí Minh bao gồm các xã vùng thấp của
huyện Hương Sơn, các xã phía tây huyện Đức Thọ, chiếm 25% diện tích tự nhiên. Địa
hình này có dạng xen lẫn giữa các đồi có độ cao trung bình và thấp với đất ruộng, bãi
không bằng phẳng. Thành phần thạch học chủ yếu là đá trầm tích biến chất, đá magma
xâm nhập, phun trào bị phong hóa mạnh.
- Địa hình đồng bằng: chủ yếu nằm ven sông Ngàn Sâu. Vùng này có địa hình tương
đối bằng phẳng do quá trình tích tụ phù sa của các con sông và sản phẩm trên cùng của
vỏ phong hóa từ các đá trầm tích và đá magma xâm nhập, phun trào có tuổi từ Permi
đến Trias.
Tóm lại, địa hình sông Ngàn Sâu tổng hợp nhiều dạng địa hình có thế dốc chung theo
hướng Nam - Bắc, Tây - Đông và rốn trũng nhất là cửa sông La. Độ dốc bình quân lưu
vực lớn, phần đồng bằng hẹp. Địa hình ở lưu vực đa dạng thích hợp cho phát triển kinh
tế tổng hợp đồng thời rất thuận lợi cho nền nông nghiệp đa dạng hoá cây trồng vật
nuôi và có khả năng tạo ra các vùng chuyên canh cây hàng hoá, cây công nghiệp.
1.3.3 Đặc điểm khí tượng, thủy văn
1.3.3.1 Đặc điểm khí tượng:
- Khí hậu lưu vực sông Ngàn Sâu mang tính chất của khí hậu nhiệt đới gió mùa rõ rệt:
Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 7, mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 11.
- Chế độ nhiệt: Nhiệt độ trung bình năm: 23,50C; Nhiệt độ cao nhất: 42,60C (6/1977);
Nhiệt độ thấp nhất: 2,60C (12/1975); Các tháng nóng là từ tháng 4 đến tháng 8, có
10
- Xem thêm -