Tài liệu Mô phỏng ngập lụt vùng hạ du sông kôn hà thanh khi xét đến điều tiết hồ chứa định bình

ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1.Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1 2.Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3 5. Ý ngh a khoa học và thực ti n của luận án .............................................................4 6. Bố cục đề tài ............................................................................................................4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LŨ LỤT VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA .................................................................................................... 5 1.1.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về điều tiết và vận hành hồ chứa ......5 1.1.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài ...................................................................5 1.1.2.Các nghiên cứu trong nước .......................................................................7 1.1.3.Các nghiên cứu liên quan đến sông Kôn - Hà Thanh................................9 1.1.4. Tình hình điều tiết hồ Định Bình trong thời gian gần đây. ....................11 1.2.Định hướng nghiên cứu trên hệ thống sông Kôn - Hà Thanh .............................14 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ XÃ HỘI LƢU VỰC SÔNG KÔN - HÀ THANH .................................................................................... 17 2.1. Điều kiện địa lý tự nhiên ....................................................................................17 2.1.1. Vị trí địa lý..............................................................................................17 2.1.2. Đặc điểm địa hình...................................................................................17 2.1.3. Mạng lưới sông ngòi ..............................................................................19 2.1.4. Khí hậu ...................................................................................................21 2.1.5.Thủy văn ..................................................................................................24 2.1.6. Thủy triều. ..............................................................................................32 2.1.7. Địa chất thủy văn ....................................................................................33 2.1.8. Các tác động của biến đổi khí hậu đến điều kiện tự nhiên. ....................33 2.2. Điều kiện kinh tế xã hội .....................................................................................34 2.2.1. Tổ chức hành chính lưu vực sông Kôn Hà Thanh..................................34 2.2.2. Dân số và lao động. ................................................................................34 iii 2.2.3. Văn hóa - giáo dục..................................................................................35 2.2.4. Khoa học- công nghệ ..............................................................................36 2.2.5. Cơ sở hạ tầng ..........................................................................................36 2.2.6. Kinh tế. ...................................................................................................38 2.3. Tình hình ngập lụt sông Kôn - Hà Thanh ..........................................................38 2.3.1. Hiện trạng ngập lũ và thiệt hại do lũ. .....................................................38 2.3.2. Hiện trạng các công trình phòng chống lũ và tiêu úng...........................39 2.3.3. Yêu cầu, tiêu chuẩn phòng chống lũ lụt. ................................................40 CHƢƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA HEC-RESSIM, MÔ HÌNH MIKE NAM & MÔ HÌNH THỦY LỰC MIKE FLOOD CHO LƢU VỰC SÔNG KÔN - HÀ THANH ....................................... 42 3.1. Giới thiệu chung bộ mô hình MIKE ..................................................................42 3.2. Thiết lập mô hình thủy văn MIKE NAM ...........................................................43 3.2.1. Mô hình và thông số mô hình .................................................................43 3.2.2. Yêu cầu số liệu đầu vào. .........................................................................47 3.2.3. Dò tìm bộ thông số .................................................................................49 3.2.4. Đánh giá kết quả dò tìm thông số mô hình ............................................53 3.2.5. Kết quả dòng chảy lũ ứng vối các tiểu lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ..53 3.3. Mô hình thủy lực MIKE FLOOD. .....................................................................55 3.3.1. Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 ...................................................55 3.3.2. Mô hình MIKE 21 ..................................................................................62 3.3.3. Mô hình MIKE FLOOD .........................................................................65 3.3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực MIKE Flood ứng với trận lũ năm 2013 và 2016. ...........................................................................................67 3.4. Mô hình vận hành hồ chứa HEC-ResSim ..........................................................77 3.4.1. Giới thiệu mô hình..................................................................................77 3.4.2. Cấu trúc mô hình ....................................................................................78 iv CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN VẬN HÀNH HỒ CHỨA HECRESSIM VÀ NGẬP LỤT HẠ LƢU SÔNG KÔN - HÀ THANH BẰNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD ............................................................................................. 86 4.1. Các kịch bản điều tiết hồ chứa bằng mô hình HEC-ResSim .............................86 4.1.1. Giới thiệu ................................................................................................86 4.1.2. Các kịch bản điều tiết hồ chứa ...............................................................87 4.2. Mô phỏng mô hình MIKE FLOOD theo các kịch bản xả lũ của hồ Định Bình 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 98 v TÓM TẮT LUẬN VĂN MÔ PHỎNG NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG KÔN - HÀ THANH KHI XÉT ĐẾN ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA ĐỊNH BÌNH Tóm tắt: Hệ thống Sông Kôn - Hà Thanh là sông lớn nhất tỉnh Bình Định có tổng diện tích lưu vực 3.647km2. Hồ Định Bình là hồ chứa nhân tạo có dung tích phòng lũ lớn nhất của lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. Tuy nhiên, nằm ở thượng nguồn hệ thống sông Kôn - Hà Thanh, nên hoạt động điều tiết của hồ Định Bình có ảnh hưởng rất lớn đến ngập lụt vùng hạ du sông Kôn - Hà Thanh. Với mục đích mô phỏng ngập lụt vùng hạ du sông Kôn - Hà Thanh, nghiên cứu được thực hiện bằng cách mô phỏng các kịch bản khác nhau của vấn đề điều tiết hồ chứa Định Bình. Mô hình hóa dựa trên mô hình MIKE (DHI) và mô hình HEC-RESSIM được hy vọng cung cấp những điều cơ bản hữu ích cho chính quyền địa phương và cơ quan quản lý thiên tai trên địa bàn tỉnh những thông tin cần thiết để chủ động đối phó cũng như giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. Từ Khoá: Ngập lụt; sông Kôn - Hà Thanh; mô hình MIKE; mô hình HECRESSIM. SIMULATION OF FLOOD IN THE DOWNSTREAM AREA OF KON RIVER, HA THANH IN CASE OF REGULATING DINH BINH RESERVOIR Abstract: The Kon - Ha Thanh river is the largest river in Binh Dinh province with the total area of 3,647 km2. Dinh Binh Lake is the largest reservoir of flood prevention capacity in Kon - Ha Thanh river basin. However, because Dinh Binh reservoir is located in the upstream area of Kon- Ha Thanh river system, the regulation of Dinh Binh reservoir will have a great impact on flood in the downstream area of Kon - Ha Thanh river. For the purpose of simulating flood in the downstream area of Kon– Ha Thanh river, the study was conducted by simulating different scenarios of regulating Dinh Binh reservoir. Modeling was based on the MIKE (DHI) and the HEC-RESSIM model in order to provide local authorities and disaster management agencies in the province with useful information to coping with disaster as well as minimize the damage caused by flood in the Kon- Ha Thanh river. Keywords: Flood; Kon - Ha Thanh river; MIKE model; HEC-RESSIM model vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC CHỮ VIẾT TẮT TCKT : Tiêu chuẩn kỹ thuật TCTL : Tiêu chuẩn thủy lợi GDP : Cơ cấu sản phẩm KTTV : Khí tượng thủy văn MN : Mực nước MNDBT : Mực nước dâng bình thường MNLTK : Mực nước lũ thiết kế MNC : Mực nước chết MNLKT : Mực nước lũ kiểm tra MNHL : Mực nước hạ lưu BNN : Bộ Nông nghiệp TT : Thứ tự KB : Kịch bản vii CÁC KÝ HIỆU F : Diện tích lưu vực (km2) P% : Tần suất Q : Lưu lượng t : Thời gian Qp% : Lưu lượng tương ứng với từng tần suất Vc : Thể tích chết VMNDBT : Thể tích mực nước dâng bình thường X : Lượng mưa năm Znc : Lượng bốc hơi đo bằng mực nước Z : Mực nước U : Lượng ẩm Wtb : Dung tích toàn bộ. Qđh : Lưu lượng điển hình R : Hệ số NASH RMSE : Sai số tuyệt đối từng cặp giá trị E : Sai số tương quan về từng cặp viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Thông số cơ bản các hồ trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ................... 16 Bảng 2. 1. Đặc trưng hình thái các lưu vực sông. ..................................................... 20 Bảng 2. 2. Lượng mưa ngày lớn nhất ở các vị trí. .................................................... 22 Bảng 2. 3. Các đặc trưng thống kê mưa lớn nhất thời đoạn 1,3,5,7 ngày max ......... 23 Bảng 2. 4. Lưới trạm KTTV và thời gian quan trắc.................................................. 24 Bảng 2. 5. Đặc trưng dòng chảy các sông chính trong lưu vực ................................ 26 Bảng 2. 6. Phân phối dòng chảy năm các sông chính trong lưu vực ........................ 27 Bảng 2. 7. Phân phối dòng chảy các tháng trong năm các sông chính ..................... 27 Bảng 2. 8. Lưu lượng lũ lớn nhất thực đo vùng hạ du sông Kôn - Hà Thanh. ......... 30 Bảng 2. 9: Đặc trưng lũ thiết kế các trạm. ................................................................ 30 Bảng 2. 10. Đặc trưng lũ tiểu mãn, lũ sớm, lũ muộn thiết kế . ................................. 30 Bảng 2. 11. Đặc trưng mực nước lũ thiết kế các trạm. ............................................. 30 Bảng 2. 12: Đặc trưng 1 số trận lũ lớn. ..................................................................... 31 Bảng 2. 13. Cấp báo động lũ ở một số trạm. ............................................................. 31 Bảng 2. 14. Mực nước triều max thiết kế trạm Quy Nhơn ứng với các tần suất ...... 32 Bảng 2. 15. Dung tích phòng lũ của một số hồ chứa lớn trong lưu vực sông Kôn Hà Thanh ................................................................................................................... 39 Bảng 3. 1.Tiêu chuẩn đánh giá hệ số NSE ................................................................ 47 Bảng 3. 2. Diện tích và trọng số mưa tiểu lưu vực sông Kôn - Hà Thanh tính theo phương pháp đa giác Thiessen .................................................................................. 49 Bảng 3. 3. Bộ thông số của lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ...................................... 49 Bảng 3. 4. Kết quả hệ số Nash mô hình MIKE NAM .............................................. 52 Bảng 3. 5.Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan (Theo Moriasi, 2007) .................. 68 Bảng 3. 6. Chỉ tiêu Nash và sai số đỉnh lũ trận lũ năm 2013 tại trạm Bình Nghi ..... 69 Bảng 3. 7. Kết quả so sánh ngập lụt giữa mô phỏng và điều tra vết lũ trận 2013 .... 71 Bảng 3. 8. Chỉ tiêu Nash và sai số đỉnh lũ trận lũ năm 2016 tại trạm Bình Nghi ..... 73 Bảng 3. 9. Kết quả so sánh ngập lụt giữa mô phỏng và điều tra vết lũ trận 12/2016 ................................................................................................................................... 74 ix Bảng 3. 10. Kết quả hệ số nhám sau khi hiệu chỉnh ................................................. 75 Bảng 4. 1. Các thông số chủ yếu hồ chứa nước Định Bình ...................................... 86 Bảng 4. 2. Đặc trưng lòng hồ chứa nước Định Bình ................................................ 87 x DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1.Đường quá trình lũ và điều tiết lũ của hồ Định Bình năm 2013 ............... 13 Hình 1. 2. Đường quá trình lũ và điều tiết lũ của hồ Định Bình năm 2016 .............. 14 Hình 1. 3. Bản đồ khu vực nghiên cứu ..................................................................... 15 Hình 2. 1. Bản đồ phân bố sông ngòi và các trạm KTTV......................................... 18 Hình 3. 1. Bản đồ phân chia tiểu lưu vực của lưu vực Sông Kôn - Hà Thanh ......... 48 Hình 3. 2. Bộ thông số lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ............................................. 50 Hình 3. 3. Kết quả mô phỏng trận lũ 2013 ................................................................ 51 Hình 3. 4. Kết quả kiểm định trận lũ năm 2016 ........................................................ 52 Hình 3. 5. Kết quả lưu lượng tính được cho trận lũ từ ngày 14 - 18/11/2013 .......... 53 Hình 3. 6. Kết quả lưu lượng tính được cho trận lũ từ ngày 29/11 đến 3/12/2016 ... 54 Hình 3. 7. Kết quả lưu lượng tính được cho trận lũ 15 - 19/12/2016 ....................... 54 Hình 3. 8. Bảo toàn khối lượng ................................................................................. 55 Hình 3. 9. Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm ......................................................... 57 Hình 3. 10. Nhánh sông với các điểm lưới xem kẽ ................................................... 57 Hình 3. 11. Sơ đồ tính qua công trình ....................................................................... 60 Hình 3. 12. Sơ đồ thủy lực mạng lưới song Kôn - Hà Thanh mô hình MIKE 11 ... 61 Hình 3. 13. Mô hình thủy lực 2 chiều lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ...................... 65 Hình 3. 14. Các trường hợp liên kết giữa mô hình MIKE 11 và MIKE 21 .............. 66 Hình 3. 15. Dạng kết nối bên theo hình thức đập tràn từ mô hình MIKE 11 liên kết với mô hình MIKE 21 ............................................................................................... 67 Hình 3. 16. Mô hình MIKE FLOOD kết nối mô hình MIKE 11 với MIKE 21 ....... 67 Hình 3. 17.Biểu đồ mực nước tính toán và mực nước thực đo tại trạm Bình Nghi năm 2013 ................................................................................................................... 68 Hình 3. 18. Biểu đồ mực nước tính toán và mực nước thực đo tại trạm Thạnh Hòa năm 2013 ................................................................................................................... 69 Hình 3. 19. Kết quả mô phỏng ngập lụt lớn nhất trận lũ năm 2013.......................... 70 Hình 3. 20.Biểu đồ mực nước tính toán và mực nước thực đo tại trạm Bình Nghi năm 2016 ................................................................................................................... 72 xi Hình 3. 21. Biểu đồ mực nước tính toán và mực nước thực đo tại trạm Thạnh Hòa năm 2016 ................................................................................................................... 72 Hình 3. 22. Kết quả mô phỏng ngập lụt lớn nhất trận lũ năm 2016.......................... 73 Hình 3. 23. Thông tin về mô hình HEC-RESSIM .................................................... 79 Hình 3. 24. Các chức năng khai báo lưu vực sông và hồ chứa trong mô hình HECRESSIM .................................................................................................................... 80 Hình 3. 25. Các chức năng về thiết lập mạng lưới hồ chứa ...................................... 80 Hình 3. 26. Lượng trữ của lòng dẫn di n ra trong quá trình sóng lũ ........................ 81 Hình 3. 27. a. Hồ làm việc nối tiếp b. Hồ làm việc song song ................................. 84 Hình 3. 28. Khai báo mạng lưới hệ thống hồ chứa Định Bình ................................. 84 Hình 4. 1. Vận hành điều tiết hồ chứa Định Bình kịch bản 1 ................................... 88 Hình 4. 2. Vận hành điều tiết hồ chứa Định Bình kịch bản 2 ................................... 89 Hình 4. 3. Lưu lượng xả lũ hồ Định Bình ứng với kịch bản 1, 2 & 3 ....................... 91 Hình 4. 4. Kết quả mô phỏng ngập lụt với kịch bản không điều tiết (KB1). ............ 91 Hình 4. 5. Kết quả mô phỏng ngập lụt với kịch bản điều tiết (KB3). ....................... 92 Hình 4. 6. Mực nước tại trạm Bình Nghi kịch bản 1, 2 và 3 .................................... 92 Hình 4. 7. Mực nước tại trạm Thạnh Hòa kịch bản 1, 2 và 3 ................................... 93 Hình 4. 8. Lưu lượng xả lũ hồ Định Bình ứng với kịch bản 4, 5 & 6 ....................... 94 Hình 4. 9. Mực nước tại trạm Bình Nghi kịch bản 4, 5 và 6 .................................... 95 Hình 4. 10. Mực nước tại trạm Thạnh Hòa kịch bản 4, 5 và 6 ................................. 95 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống Sông Kôn - Hà Thanh là sông lớn nhất tỉnh Bình Định có tổng diện tích lưu vực 3.647km2 nằm trên địa phần các huyện V nh Thạnh, Tây Sơn, An Nhơn, Vân Canh, Tuy Phước và Thành Phố Quy Nhơn. Sông Kôn có tổng diện tích lưu vực là 3.067km2, chiều dài sông chính 178km. Sông bắt nguồn từ vùng rừng núi của dãy Trường Sơn với độ cao từ 700 - 1.000m. Sông chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đến Thanh Quan - V nh Phúc sông chảy theo hướng Bắc - Nam, về đến Bình Tường sông chảy theo hướng Tây - Đông và đến Bình Thạnh sông chia thành hai nhánh chính gồm, nhánh Đập Đá chảy ra cửa An Lợi rồi đổ vào đầm Thị Nại, nhánh Tân An có nhánh sông Gò Chàm cách ngã ba về phía hạ lưu khoảng 2 km, sau khi chảy trên vùng đồng bằng rồi nhập với sông Tân An cùng đổ vào đầm Thị Nại tại cửa Tân Giảng. Tất cả các nhánh sông Đập Đá và Tân An sau khi đổ vào đầm Thị Nại được thông ra biển qua cảng Quy Nhơn. Sông Hà Thanh bắt nguồn từ những đỉnh núi cao 1.100m phía Tây Nam huyện Vân Canh chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc. Khi chảy về đến Diêu Trì sông chia thành hai nhánh, nhánh Hà Thanh và Trường Úc đổ vào đầm Thị Nại qua hai cửa Hưng Thạnh và Trường Úc rồi thông ra biển qua cảng Quy Nhơn. Diện tích lưu vực toàn bộ là 580km2, chiều dài sông chính là 58km. Lưu vực sông Kôn - Hà Thanh bao gồm các hồ chứa đã xây dựng V nh Sơn A, V nh Sơn B, Trà Xom 1, Định Bình, Núi Một, Thuận Ninh và Văn Phong; Các hồ đang xây dựng V nh Sơn 4, V nh Sơn 5 ngoài ra còn có hồ V nh Sơn C chuyển nước từ lưu vực sông Ba sang lưu vực sông Kôn. Trong đó, hồ Định Bình có dung tích phòng lũ lớn nhất, được xây dựng hoàn thành và đưa vào khai thác sử dụng năm 2009. Hàng năm, đến mùa lũ, nước dồn từ thượng lưu về gây ngập lụt nghiêm trọng cho hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh. Lũ đã gây thiệt hại khá lớn về người và tài sản trên lưu vực. Mưa lũ gây chết người, nhà cửa bị ngập, bị sập, các công trình hạ tầng 2 cơ sở như trường học, bệnh viện bị hư hỏng, đường sá cầu cống công trình thuỷ lợi bị sạt lở, bị vỡ và bồi lấp. Diện tích đất trồng trọt bị ngập lâu ngày làm cho lúa, hoa màu và các loại cây trồng khác bị chết gây thất thu. Theo thống kê một số năm gần đây cho thấy tình hình lũ lụt trên lưu vực ngày càng nghiêm trọng với mức độ thiệt hại có xu thế ngày càng tăng. Theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh (số 1841/QĐ-TTg ngày 29 tháng 10 năm 2015). Từ năm 2015 đến nay, các hồ vận hành theo Quy trình được ban hành góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nước, phòng, chống lũ, lụt và đảm bảo dòng chảy tối thiểu trong mùa cạn đáp ứng nhu cầu sử dụng nước ở hạ du và hài hòa với hiệu quả phát điện của các nhà máy thủy điện. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành các năm vừa qua, một số vấn đề khó khăn trong quá trình vận hành, không phù hợp với tình hình thực tế lũ của lưu vực. Lưu lượng lũ đến hồ tăng, giảm đột ngột, liên tục và tốc độ lưu lượng lũ đến hồ tăng lên rất nhanh, các hồ không thể vận hành điều tiết theo kịp lưu lượng, thời đoạn lũ đến và vận hành xả tăng, giảm đột ngột rất nguy hiểm cho vùng hạ lưu. Do tính chất nghiêm trọng của lũ đối với vùng hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh nhất là khi điều tiết hồ chứa nước Định Bình, nên việc cần thiết hiện nay là phải xây dựng cơ sở khoa học và thực ti n nhằm đưa ra được phương án vận hành xả lũ hồ chứa hợp lý, vừa đảm bảo mục tiêu phát điện đồng thời cắt lũ hiệu quả, giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt vùng hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh. Từ đó đề xuất các phương án phòng chống thông qua các cảnh báo về khả năng và diện tích ngập lụt ứng với các trận lũ khác nhau. Do vậy, đề tài “Mô phỏng ngập lụt vùng hạ du sông Kôn - Hà Thanh khi điều tiết hồ chứa Định Bình” sẽ là cơ sở quy hoạch phòng chống lũ cho cả khu vực hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh, cũng như làm tài liệu tham khảo cho các nhà hoạch định chính sách và ra quyết định ở địa phương. 2.Mục tiêu nghiên cứu Đề tài này nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng các kịch bản vận hành hồ chứa Định Bình, nhằm nâng cao hiệu quả giảm lũ và ít gây tác động tiêu cực cho 3 vùng hạ du, trong khi vẫn đảm bảo nhiệm vụ phát điện. Đồng thời, giúp cho cấp lãnh đạo và các cơ quan ban, ngành liên quan cũng như toàn dân chủ động ứng phó khi có mưa lũ xảy ra, để hạn chế thiệt hại đến mức thấp nhất. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mô phỏng quá trình lũ ở hạ du sông Kôn - Hà Thanh khi xét đến điều tiết hồ chứa nước Định Bình. - Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực hệ thống sông Kôn - Hà Thanh. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến l nh vực vận hành hồ chứa, từ đó xác định hướng tiếp cận khoa học cho bài toán đặt ra. - 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 cho việc đánh giá, cảnh báo lũ và vận hành hệ thống. - Phương pháp phân tích hệ thống: Ứng dụng các mô hình toán thủy văn, 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 Kôn - Hà Thanh. - 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, báo cáo quy hoạch thủy lợi sông Kôn - Hà Thanh La tinh, báo cáo xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định, báo cáo Lập quy trình vận hành hệ thống liên hồ trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh và các tài liệu liên quan khác. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vận hành điều tiết hồ chứa, thủy lực mạng lưới sông và tràn bờ. Áp dụng mô hình vận hành điều tiết hồ chứa HECRESSIM, mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM, mô hình thủy lực một chiều MIKE 11, mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21, mô hình kết nối MIKE Flood, thiết lập mô phỏng lũ hồ chứa và vùng hạ du Kôn - Hà Thanh. 4 5. Ý ngh a hoa học và thực ti n của luận án Trong những năm gần đây, nhà cửa ruộng vườn thường xuyên bị cuốn trôi khi đến mùa mưa lũ, gây thiệt hại nghiêm trọng đến đời sống và tình hình sản xuất của nhân dân. Các biện pháp dự báo hiện nay còn nhiều hạn chế, do vậy việc nghiên cứu, mô phỏng ảnh hưởng của việc điều tiết hồ chứa Định Bình đến ngập lụt hạ du Kôn - Hà Thanh, sẽ giúp cho cấp lãnh đạo và các cơ quan ban ngành liên quan cũng như toàn dân chủ động ứng phó khi có mưa lũ xảy ra, để hạn chế thiệt hại đến mức thấp nhất. 6. Bố cục đề tài Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu, để đạt mục tiêu đề ra và đảm bảo tính logic và chỉnh thể của vấn đề nghiên cứu, ngoài hai phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn được cấu trúc gồm 4 chương sau đây: - Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu lũ lụt và vận hành hồ chứa. - Chương 2. Đặc điểm tự nhiên xã hội lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. - Chương 3. Thiết lập mô hình vận hành điều tiết hồ chứa HEC-RESSIM , mô hình MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE FLOOD cho lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. - Chương 4. Mô phỏng các kịch bản vận hành hồ chứa HEC-RESSIM và ngập lụt hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh bằng mô hình thủy lực MIKE FLOOD. 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LŨ LỤT VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA 1.1.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về điều tiết và vận hành hồ chứa 1.1.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài Hiện nay sự biến đổi khí hậu trên toàn cầu đang hàng ngày gây ra sự nóng lên của trái đất, kéo theo đó là vô số hệ lụy như băng tan, nước biển dâng cao, mưa bão. Những trận lũ lịch sử xảy ra ở nhiều nước trên thế giới đã gây thiệt hại nghiêm trọng về người và của. Thiên tai lũ lụt đang có xu thế gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ. Nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức quốc tế đã tập trung nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp phòng chống và phòng tránh hữu hiệu giảm thiệt hại do lũ lụt gây ra. Đối với các nước thế giới, nghiên cứu ngập lụt tập trung vào những nội dung chính như xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt trên cơ sở mô hình thủy văn, thủy lực kết hợp hệ thống thông tin địa lý, ứng dụng công nghệ vi n thám, xây dựng tổ chức quản lý lưu vực sông và phòng ngừa lũ lụt theo hướng “Quản lý lưu vực sông và phòng ngừa lũ lụt” và đang tiến tới quản lý tổng hợp. Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về điều tiết vận hành hồ chứa, nhằm cắt lũ, chống ngập cho hạ du đã được các nhà khoa học, các cơ quan quản lý khai thác lưu vực sông trên thế giới đầu tư nghiên cứu từ những năm 50 và 60 của thế kỷ 20. Kết quả nghiên cứu đã góp phần tăng hiệu quả khai thác hệ thống nguồn nước các lưu vực sông trên toàn thế giới, có thể kể đến các nghiên cứu về vận hành liên hồ chứa ở bang California Mỹ, nghiên cứu của cơ quan năng lượng quốc gia Brazin về quản lý hồ chứa thủy điện trên sông Amazon… Mặt dù, đã được nghiên cứu từ khá lâu nhưng vẫn chưa xác định được phương pháp, công cụ chung cho xây dựng quy trình hệ thống liên hồ chứa mà các nghiên cứu vẫn phụ thuộc rất nhiều vào đặc thù riêng của từng hệ thống hồ chứa cụ thể. Các nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa, nhìn chung 3 nhóm phương pháp 6 thường được sử dụng nhất, bao gồm: mô phỏng, tối ưu và kết hợp mô phỏng với tối ưu. 1.1.1.1. Phương pháp mô phỏng Do không có điều kiện để thí nghiệm với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Một trong số các mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi nhất là mô hình HEC-5, phát triển bởi Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ (Feldman 1981, Wurbs 1996). Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng khác là mô hình Acres (Sigvaldson 1976), tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR) (USACE 1987), Mô phỏng hệ thống sóng tương tác (IRIS) (Loucks và nnk 1989). Gói phần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP) (Wurbs và nnk, 1993). Lund và Ferriera (1996) đã nghiên cứu hệ thống hồ chứa sông Missouri và xây dựng mô hình mô phỏng trong đó nâng cấp kỹ thuật hồi quy cổ điển và sử dụng mô hình quy hoạch động. Jain và Goel (1996) đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường quy tắc điều phối. Mặc dù, có sẵn một số các mô hình tổng quát vẫn cần thiết phải phát triển các mô hình mô phỏng cho một (hệ thống) hồ chứa cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng. 1.1.1.2. Phương pháp tối ưu hóa Kỹ thuật tối ưu hóa bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP) đã được sử dụng rộng rãi trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Loucks và nnk (1981) đã minh họa áp dụng LP, quy hoạch phi tuyến NLP và DP cho tài nguyên nước. Nhiều công trình nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993). Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng quy tắc vận hành chung từ kết quả tối ưu hóa. Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động (DP) Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte - Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy nhân tạo. Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích 7 hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được phát triển bởi Windsor (1975). Karamouz và Houck (1987) đã đề ra quy tắc vận hành chung khi sử dụng quy hoạch động (DP) và hồi quy (DPR). Mô hình DPR sử dụng hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được Bhaskar và Whilach (1980) gợi ý. Một phương pháp khác xác định quy trình điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa khác là quy hoạch động bất định (Stochastic Dynamic Programing - SDP). Phương pháp này yêu cầu mô tả rõ xác suất của dòng chảy đến và tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks và nnk (1981) và nhiều người khác sử dụng. Mô hình tối ưu hóa thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo như đầu vào. Datta và Bunget (1984) đề xuất một quy trình điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hóa với mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự đánh đổi giữa một đơn vị lượng trữ và một đơn vị lượng xả từ các giá trị đích tương ứng thì phép giải tối ưu hóa phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như dạng hàm tổn thất. 1.1.2.Các nghiên cứu trong nước Vận hành hệ thống hồ chứa là một trong những vấn đề đã được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu vì tính quan trọng cũng như sự cấp thiết của nó. Các nghiên cứu do các cơ quan của Bộ Nông Nghiệp và PTNT, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, Bộ Công Thương, các Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, Viện Cơ học, Viện Khí tượng Thủy văn cũng như các trường Đại học trong nước tiến hành chủ yếu nhiệm vụ chống lũ, xây dựng các quy trình vận hành hồ chứa trong mùa lũ. Một số nghiên cứu như sau: Năm 2007, Nguy n Hữu Khải và Lê Thị Huệ Áp [8], dụng mô hình HECRESSIM điều tiết lũ hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hương, mô hình cho phép xác định các thông số và thời gian thích hợp trong vận hành hệ thống để đảm bảo an toàn hạ lưu và an toàn bản thân các hồ chứa. 8 Năm 2010, Nguy n Lan Châu [6], đề xuất dự thảo quy trình vận hành hệ thống hồ chứa Đak Mi 4, A Vương, Sông Tranh, tư tưởng của đề xuất này tạo dung tích hồ trống để đón lũ và dựa trên cơ sở là sẽ dự báo được dòng chảy lũ về trong khoảng 6-24 giờ. Năm 2010, Hà Văn Khối [9], trình bày một số ý kiến cũng như kết quả tính toán sơ bộ về vai trò chống lũ hạ du của hồ chứa A Vương và xem xét khả năng giao thêm nhiệm vụ chống lũ hạ du cho các hồ chứa trên sông Vu Gia - Thu Bồn. Năm 2011, Nguy n Lan Châu và Bùi Đình Lập [7], đã sử dụng các mô hình mưa rào dòng chảy TANK và di n toán Muskingum - Cunge dự báo dòng chảy thượng lưu hệ thống sông Đà, Thao, Lô và Thái Bình. Năm 2011, Ngô Lê Long đã áp dụng mô hình MIKE 11 [12], mô phỏng hệ thống liên hồ chứa sông Srêpook với mục đích cắt giảm lũ cho hạ du, tác giả đã ứng dụng kết hợp với mô đun vận hành công trình (SO) mô phỏng vận hành các công trình cửa van. Năm 2012 Tô Thúy Nga [14], “Áp dụng mô hình Nam tính toán dòng chảy lũ trên lưu vực Nông Sơn”. Trong nghiên cứu này, dùng phương pháp đa giác Thiessen tìm trọng số của sáu trạm đo mưa trên lưu vực Nông Sơn. Với số liệu đo của trận lũ năm 2007 hiệu chỉnh tìm bộ thông số mô hình, sau đó kiểm định bộ thông số này với số liệu đo của trận lũ 2009 và 2010. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định cho hệ số tương quan giữa đường quá trình lũ mô phỏng và thực đo đều xấp xỉ trên 0,8 và hình dạng lũ cũng tương đối phù hợp, nên có thể thấy bộ thông số này là đủ tin cậy khi mô phỏng dự báo lũ cho lưu vực trạm Nông Sơn. Năm 2012, Tô Thúy Nga, Lê Hùng [13], đã nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng lại trận lũ năm 2009 và đánh giá ảnh hưởng của việc xả lũ hồ A Vương đến ngập lụt hạ du. Năm 2013, Lê Hùng, Tô Thúy Nga [10], đã áp dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. 9 Ngày 21/8/2014 Thủ tướng đã phê duyệt quy trình vận hành liên hồ chứa cho lưu vực sông Kôn - Hà Thanh và đã được điều chỉnh tại Quyết định số 1841/QĐTTg, ngày 29 tháng 10 năm 2015[1]. Năm 2014, Lê Hùng, Tô Thúy Nga [11] đánh giá vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện trên các lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn sao cho đảm bảo lợi ích mục tiêu phát điện của các hồ chứa đồng thời giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra cho hạ du. Năm 2016, Đặng Thanh Mai [4], Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho các sông chính tỉnh Bình Định và Khánh Hòa, phục vụ cảnh báo lũ và ngập lụt trước 24 - 36 giờ, dự báo lũ trước 12 - 24 giờ. Nhìn chung, các công trình nghiên cứu ở Việt Nam sử dụng mô hình mô phỏng là công cụ chủ yếu để vận hành quản lý hồ chứa, cũng như dự báo lũ lụt. 1.1.3.Các nghiên cứu liên quan đến sông Kôn - Hà Thanh Hạ du lưu vực sông Kôn - Hà Thanh là thành phố Quy Nhơn, là tỉnh lị Bình Định và là một trong 8 đô thị loại 1 trực thuộc tỉnh của Việt Nam, là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá, khoa học k thuật và du lịch lại thường xuyên bị ngập lụt và hạn hán. Chính phủ và chính quyền địa phương rất quan tâm đến công tác phòng chống lụt bão, giảm nhẹ thiên tai cho thành phố Quy Nhơn và các huyện lân cận, đặc biệt là các huyện Tây Sơn, Tuy Phước, An Nhơn và Phù Cát. Những năm gần đây, để phục vụ phát triển kinh tế, xã hội vùng hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh, đã có một số nghiên cứu liên quan đến công tác phòng chống lũ lụt khu vực hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh như: - Rà soát thống kê các hồ chứa thủy điện thủy lợi có dung tích từ 0,5 triệu m3 trở lên thuộc nguồn vốn đối ứng dự án “Xây dựng quy trình và tăng cường năng lực cấp phép khai thác, sử dụng tài nguyên nước cho thủy điện” - Hoàn thành năm 2009. Kết quả của nhiệm vụ là bảng thống kê các hồ chứa thủy điện, thủy lợi trên phạm vi toàn quốc có dung tích từ 0,5 triệu m3 trở lên, trong đó có lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. - Xây dựng bản đồ lưu vực các cấp sông của hệ thống sông Miền Trung và Tây Nguyên (Hoàn thành năm 2008). Sản phẩm của dự án là bộ bản đồ các cấp 10 sông thuộc vùng Miền Trung và Tây Nguyên, kết quả của dự án này dùng để tham khảo trong quá trình xây dựng, thiết lập và chạy mô hình toán, thủy văn của dự án. - Xây dựng danh mục lưu vực sông Việt Nam (hoàn thành năm 2009). Sản phẩm dự án là danh mục tất cả các lưu vực sông Việt Nam, kết quả của dự án này là tài liệu tham khảo cho xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. - Dự án “Điều tra tài nguyên nước, tình hình khai thác, sử dụng và xả nước thải vào nguồn nước trên lưu vực sông Trà Khúc - Kôn” do Cục Quản lý tài nguyên nước thực hiện (Hoàn thành năm 2007). Sản phẩm của dự án dùng để tham khảo trong quá trình xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Kôn - Hà Thanh. - Dự án “Xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định” [3] thực hiện từ tháng 01/2007 đến tháng 3/2009 do kỹ sư Nguy n Văn Lý làm chủ nhiệm cùng các đồng nghiệp thuộc Đài Khí tượng Thủy Văn khu vực Nam Trung Bộ. Dự án đã tiến hành thu thập các bản đồ kỹ thuật số tỉ lệ 1/10.000; các yếu tố địa hình địa mạo; các số liệu về dân sinh, kinh tế xã hội, bản đồ quy hoạch phát triển kinh tế vùng. Đã điều tra thu thập tổng cộng 233 vết lũ trên các sông Lại Giang, La Tinh, Kôn và Hà Thanh. Đã đo tổng cộng 71 mặt cắt thủy lực; Sông Lại Giang: 22 mặt cắt; sông La Tinh: 12 mặt cắt và trên sông Kôn - Hà Thanh: 37 mặt cắt. - Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho các sông chính tỉnh Bình Định và Khánh Hòa” [4] do TS Đặng Thanh Mai chủ nhiệm có thể kế thừa số liệu. - Quy hoạch thủy lợi sông Kôn - Hà Thanh - La Tinh [2]. Sản phẩm của dự án dùng để tham khảo trong quá trình xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Kôn - Hà Thanh. - Dự án “Quy hoạch thủy lợi khu vực miền Trung giai đoạn 2012 - 2020 và định hướng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng” của Viện Quy hoạch thủy lợi. Kết quả của dự án: Thủ tướng chính phủ đã cho ban hành Quyết định số 1588/QĐ-TTg ngày 24 tháng 10 năm 2012 về việc Phê duyệt Quy hoạch thủy lợi khu vực miền Trung giai đoạn 2012 - 2020 và định hướng đến năm