Tài liệu Nghiên cứu đánh giá tác động của các hồ chứa thượng nguồn đến chế độ thủy động lực khu vực hợp lưu các sông thao, đà, lô và đề xuất giải pháp giảm thiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI LÊ THẾ CƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC HỒ CHỨA THƯỢNG NGUỒN ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC KHU VỰC HỢP LƯU CÁC SÔNG THAO, ĐÀ, LÔ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI LÊ THẾ CƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC HỒ CHỨA THƯỢNG NGUỒN ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC KHU VỰC HỢP LƯU CÁC SÔNG THAO, ĐÀ, LÔ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60-44-90 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Nguyễn Đăng Giáp 2. PGS.TS Ngô Lê Long Hà Nội – 2015 BẢN CAM KẾT Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn và có tính kế thừa từ các công trình nghiên cứu, kết quả của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày ..... tháng ..... năm 2015 Lê Thế Cường LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu đánh giá tác động của các hồ chứa thượng nguồn đến chế độ thủy động lực khu vực hợp lưu các sông Thao, Đà, Lô và đề xuất giải pháp giảm thiểu” được hoàn thành với sự giúp đỡ, động viên về mọi mặt của tập thể Trung tâm Nghiên cứu phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai – Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc Gia về Động lực học sông biển dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đăng Giáp và PGS.TS Ngô Lê Long. Tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Ngô Lê Long và TS. Nguyễn Đăng Giáp đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn. Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới nhóm thực hiện đề tài KC.08.02/11-15 đã cung cấp các số liệu, tài liệu cho luận văn, các Thầy, Cô giáo trong Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước trường Đại học Thủy Lợi đã hỗ trợ, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức chuyên môn, tạo điều kiện tối đa cho học viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, cổ vũ, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày ..... tháng ..... năm 2015 Lê Thế Cường 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................7 1. SỰ CẦN THIẾT VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...........................7 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ..............8 1. Mục tiêu: ..............................................................................................................8 2. Nội dung, phạm vi nghiên cứu: ...........................................................................8 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................................................9 4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN .............................................................................9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA HỒ CHỨA ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC LÒNG DẪN ..................................................10 1.1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY ...........................10 1.1.1. Giới thiệu một số công trình nghiên cứu có liên quan trước đây về chế độ thủy văn, thủy lực. .................................................................................................10 1.1.2. Một vài nhận xét và đánh giá về kết quả nghiên cứu trước đây; .................19 1.1.3. Các vấn đề tồn tại trong các kết quả nghiên cứu .........................................21 1.1.4. Những hạn chế của các sản phẩm nghiên cứu .............................................23 1.2. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT HỆ THỐNG HỒ CHỨA THƯỢNG NGUỒN SÔNG HỒNG. ..........................................................................................................23 1.2.1. Hồ Thác Bà ..................................................................................................23 1.2.2. Hồ Tuyên Quang ..........................................................................................24 1.2.3. Hồ Sơn La ....................................................................................................25 1.2.4. Hồ Hòa Bình ................................................................................................25 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ TÌNH HÌNH DÂN SINH KINH TẾ KHU VỰC NGHIÊN CỨU .....................................................................27 2.1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG .........................27 2.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................................27 2.1.2. Địa hình, địa mạo .........................................................................................28 2.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng ...................................................................................31 2.1.4. Thảm phủ thực vật .......................................................................................35 2.1.5. Điều kiện khí hậu, thủy văn .........................................................................37 2.2. TÌNH HÌNH DÂN SINH KINH TẾ ..................................................................49 2 CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC KHU VỰC NGHIÊN CỨU ......................................................51 3.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC. ....................51 3.1.1. Mô hình MIKE 21 ....................................................................................51 3.1.2. Mô hình SMS ...........................................................................................56 3.1.3. Mô hình TREM ........................................................................................61 3.2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔ HÌNH ...........................................................61 3.3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN. ..........................................................65 3.3.1. Xử lý số liệu địa hình và thiết lập lưới tính toán. .....................................65 3.3.2. Hiệu chỉnh mô hình. .................................................................................72 3.3.3. Kiểm định bộ thồn số mô hình. ................................................................76 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN CHO NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH SỰ BIẾN ĐỘNG VỀ CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC KHU VỰC NGHIÊM CỨU ...............................................................................................82 4.1. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN LŨ PHỤC VỤ CHO NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TOÁN. .....................................................82 4.1.1. Lựa chọn trận lũ để tính toán tổ hợp ............................................................82 4.1.2. Sơ bộ đánh giá sự thay đổi của các đặc trưng thủy văn, thủy lực vùng nghiên cứu khi có tác động của các công trình hồ chứa thượng nguồn. ...............85 4.1.2.1. Biến đổi các giá trị mực nước đặc trưng: ..............................................85 4.1.2.2. Biến đổi các giá trị lưu lượng đặc trưng: ..............................................86 4.1.2.3. Biến đổi của chế độ bùn cát: ................................................................86 4.1.3. Đề xuất giải pháp chỉnh trị...........................................................................87 4.1.3.1. Giải pháp phi công trình. .......................................................................87 4.1.3.2 Giải pháp công trình. ..............................................................................88 4.2. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21FM ĐỂ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC KHU VỰC NGHIÊN CỨU THEO CÁC KỊCH BẢN TÍNH TOÁN. ...................................................................................................93 4.2.1. Nghiên cứu chế độ thủy động lực ứng với trường hợp địa hình hiện trạng của khu vực nghiên cứu. ........................................................................................93 4.2.1.1. Phân tích kết quả tính toán độc dốc mực nước dọc sông. .....................93 4.2.1.2. Phân tích kết quả lưu tốc dòng chảy......................................................94 3 4.2.2. Nghiên cứu chế độ thủy động lực học của khu vực nghiên cứu dưới tác dụng của phương án chỉnh trị. ...............................................................................95 4.2.2.1. Đánh giá hiệu quả về điều chỉnh mực nước và độ dốc dọc sông ..........95 4.2.2.2. Đánh giá hiệu quả về điều chỉnh lưu tốc dòng chảy của phương án công trình.....................................................................................................................96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................103 PHỤ LỤC ................................................................................................................105 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu ..............................................................27 Hình 2.2: Bản đồ cao độ số lưu vực sông Hồng .......................................................28 Hình 2.3: Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình ........................36 Hình 3.1: Bùn (trái) và cát (phải) ..............................................................................63 Hình 3.3: Vùng nghiên cứu mở rộng (vùng tính toán thực tế), VNC .......................68 Hình 3.4: Lưới tính cho mô hình Mike 21 FM ứng với phương án hiện trạng.........69 Hình 3.5: Lưới tính cho mô hình Mike 21 FM ứng với phương án công trình ........70 Hình 3.6: Lưới tính chi tiết tại vị trí công trình ........................................................70 Hình 3.7: Số liệu lưu lượng đầu vào tại các biên trên của mô hình ..........................73 Hình 3.8: Số liệu mực nước tại biên dưới Sơn Tây và các vị trí dùng để hiệu chỉnh ...................................................................................................................................73 Hình 3.9: So sánh số liệu mực nước thực đo và tính toán tại vị trí trạm Trung Hà ..74 Hình 3.10: So sánh mực nước tính toán bẳng MIKE 11 và MIKE 21FM tại MC2 (hợp lưu Thao – Đà) ..................................................................................................74 Hình 3.11: So sánh mực nước tính toán bẳng MIKE 11 và MIKE 21FM tại MC3..75 Hình 3.12: So sánh mực nước tính toán bẳng MIKE 11 và MIKE 21FM tại MC4..75 Hình 3.13: So sánh mực nước tính toán bẳng MIKE 11 và MIKE 21FM tại MC5..76 Hình 3.14: Số liệu lưu lượng các nhánh trích từ mô hình MIKE 11 ........................77 Hình 3.15: Số liệu mực nước trạm Sơn Tây và các vị trí kiểm định trích từ mô hình MIKE 11 ....................................................................................................................77 Hình 3.16: So sánh kết quả kiểm định trận lũ năm 2002 tại vị trí hợp lưu Thao – Đà ...................................................................................................................................78 Hình 3.17: So sánh kết quả kiểm định trận lũ năm 2002 vị trí cắt ngang bãi Cổ Đô ...................................................................................................................................78 Hình 3.18: So sánh kết quả kiểm định trận lũ năm 2002 vị trí hợp lưu Lô – Hồng .79 Hình 3.19: So sánh kết quả kiểm định trận lũ năm 2002 vị trí cách trạm Sơn Tây 5km về phía thượng lưu ............................................................................................79 Hình 4.1: Tổ hợp lũ tần suất p=0,2% dạng lũ năm 1996 ..........................................83 Hình 4.2: Biên tính toán cho mô hình hai chiều dạng lũ năm 1996 .........................85 Hình 4.3: Quy hoạch chỉnh trị đoạn hợp lưu Thao – Đà – Lô ..................................90 Hình 4.4: Cao trình mặt nước dọc khu hợp lưu Thao, Đà, Lô địa hình hiện trạng ...93 5 Hình 4.5: Trường phân bố lưu tốc tại thời điểm trận lũ đạt đỉnh cắt lũ PA1 ứng với địa hình hiện trạng .....................................................................................................94 Hình 4.6: Trường phân bố lưu tốc tại thời điểm trận lũ đạt đỉnh cắt lũ PA2 ứng với địa hình hiện trạng .....................................................................................................95 Hình 4.7: Cao trình mặt nước dọc khu hợp lưu Thao Đà Lô ứng với phương án công trình ...........................................................................................................................96 Hình 4.8: Trường phân bố lưu tốc và lưu hướng dòng chảy tại vị trí các công trình chỉnh trị .....................................................................................................................99 Hình 4.9: Kết quả so sánh lưu tốc dòng chảy khu vực nghiên cứu giữa phương án chỉnh trị CTPA2 và phương án địa hình hiện trạng ................................................100 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc trưng hồ chứa và công trình lớn trên hệ thống sông Hồng ...............19 Bảng 2.1: Bảng phân phối độ cao của lưu vực sông Hồng .......................................30 Bảng 2.2: Thống kê các loại đất trên lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình .............33 Bảng 3.1: So sánh mực nước tính toán bằng MIKE 21FM và MIKE 11 .................76 Bảng 3.2: So sánh mực nước kiểm định tại một số vị trí trong khu vực tính toán ...80 Bảng 4.1: Các kịch bản tính toán cho mô hình 2 chiều dạng lũ 500 năm.................83 Bảng 4.2: Các giá trị đặc trưng của mực nước qua các thời kỳ ................................85 Bảng 4.3: Các giá trị đặc trưng của lưu lượng bình quân ngày qua các thời kỳ .......86 Bảng 4.4: Giá trị đặc trưng của bùn cát qua các thời kỳ ...........................................86 Bảng 4.5: Thống kê các công trình chỉnh trị .............................................................90 Bảng 4.6: Tổng hợp mực nước và độ dốc dọc sông phương án địa hình hiện trạng 94 Bảng 4.7: Tổng hợp mực nước và độ dốc dọc sông phương án công trình ..............96 7 MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Hệ thống sông Hồng là hệ thống sông lớn thứ hai của Việt Nam, đây là lưu vực có tài nguyên nước khá dồi dào, tuy nhiên lưu lượng nước phân bổ không đều theo không gian và thời gian. Lưu vực sông Hồng có tiềm năng thủy điện vào loại lớn nhất nước ta, vì vậy trên thượng nguồn đã xây dựng hàng loạt các hồ chứa lớn nhằm khai thác thủy năng và điều tiết dòng chảy cho hạ du. Đến năm 2010, phần thượng nguồn sông Hồng thuộc lãnh thổ Việt Nam đã có rất nhiều các hồ chứa đi vào hoạt động, trong đó có 4 hồ chứa lớn là Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và Sơn La. Ngoài việc phòng chống lũ cho hạ du, cung cấp điện cho lưới điện Quốc gia, các hồ chứa cũng có ảnh hưởng hưởng không nhỏ đến chế độ thủy động lực vùng hạ lưu, gây ra hiện tượng sạt lở bờ sông, bãi sông, ảnh hưởng tới các hoạt động phát triển kinh tế, môi trường ở hạ du. Các vấn đề nghiên cứu quá trình biến đổi cơ chế động lực học dòng sông hạ du có thể tổng hợp như sau: - Quá trình xói phổ biến và sự lan truyền về hạ du: Trong điều kiện dòng chảy từ hồ chứa xả xuống là dòng nước có hàm lượng bùn cát thấp, lòng sông hạ du sẽ xuất hiện xói phổ biến, xuất phát từ gần chân đập sau đó lan truyền về hạ du. - Thay đổi hướng trục động lực dòng chảy, thay đổi lạch sâu, bãi cạn: Hầu hết hồđập đều làm thay đổi chếđộ dòng chảy trong lòng dẫn hạ du. - Thô hóa thành phần hạt của dòng sông: Sự bào xói phổ biến trong lòng sông hạ du hồ chứa sẽ dẫn đến hiện tượng thô hóa lòng sông. Quá trình thô hóa tùy theo kết cấu tạo lòng sông cũ khác nhau mà có đặc điểm khác nhau. - Điều chỉnh hình thái mặt cắt ngang sông: Xói phổ biến lòng sông hạ du hồ chứa sẽ làm cho hình thái mặt cắt, độ dốc lòng sông có những điều chỉnh rõ rệt. - Điều chỉnh độ dốc dọc lòng sông:Đồng thời với việc điều chỉnh trên mặt cắt ngang, độ dốc dọc lòng sông cũng có những điều chỉnh tương ứng. - Chuyển hóa loại hình sông: Sau khi xây dựng hồ chứa trên thượng nguồn, sự 8 thay đổi các loại điều kiện nói chung là có lợi cho sự phát triển theo xu thếổn định lòng sông. - Phát sinh các tình thế nguy hiểm mới:Ở hạ du các hồ chứa, vào thời kỳđầu khai thác, do quá trình tái tạo lòng dẫn xảy ra rất mãnh liệt, lòng sông bị xói sâu, mực nước cũng bị hạ thấp, công trình dọc theo tuyến sông như đê điều, trạm bơm, cửa lấy nước, kè cống, cầu qua sông v.v không thích ứng với điều kiện mới, thường xảy ra các tình thế nguy hiểm như: sạt lở bờ sông, bãi sông, uy hiếp sự an toàn của đê, xói sâu cục bộ tại các công trình. Vào mùa kiệt mâu thuẫn trong các hộ dùng nước sẽ dẫn đến sự suy giảm mực nước ở hạ du làm ảnh hưởng đến sự làm việc của các trạm bơm và ảnh hưởng đến an toàn của luồng lạch giao thông thủy. Chính vì thế, luận văn “Nghiên cứu đánh giá tác động của các hồ chứa thượng nguồn đến chế độ thủy động lực khu vực hợp lưu các sông Thao, Đà, Lô và đề xuất giải pháp giảm thiểu” là rất cần thiết. 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Mục tiêu: - Phân tích, đánh giá chế độ thủy văn, thủy lực ở hạ du khi vận hành các hồ chứa lớn: Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà. - Đưa ra giải pháp để giảm thiểu các tác động bất lợi của việc vận hành hồ chứa đến khu vực hợp lưu. 2. Nội dung, phạm vi nghiên cứu: a-Nội dung: - Phân tích số liệu, đánh giá chế độ vận hành của các hồ chứa và các ảnh hưởng đến khu vực nghiên cứu; - Nghiên cứu xây dựng các kịch bản lũ khi có sự vận hành của các hồ chứa phục vụ cho nghiên cứu trên mô hình toán; - Ứng dụng mô hình toán để mô phỏng tính toán chế độ thủy văn, thủy lực của khu vực nghiên cứu. - Đề xuất giải pháp khắc phục; 9 b-Phạm vi nghiên cứu: Vùng hợp lưu sông Thao - Đà và Lô - Hồng nằm ở 21005’ đến 21025’ vĩ độ Bắc và 105015’ đến 105030’ kinh độ Đông thuộc địa bàn 3 tỉnh, thành phố là Hà Nội, Phú Thọ và Vĩnh Phúc, có chiều dài khoảng 20km. 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để đạt được mục đích và giải quyết tốt nhiệm vụ nêu trên, luận văn đã sử dụng tổng hợp một số phương pháp nghiên cứu dưới đây: - Phương pháp kế thừa: Thu thập, hệ thống hóa, xử lý các kết quả nghiên cứu có liên quan; - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa nhằm bổ xung tài liệu và kiểm tra kết quả nghiên cứu; - Phương pháp chỉnh lý và phân tích số liệu thực đo; - Phương pháp mô hình toán hệ thống sông; 4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, Luận văn gồm 4 chương chính như sau: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu tác động của hồ chứa đến chế độ thủy văn, thủy lực lòng dẫn. Chương 2: Đặc điểm địa lý tự nhiên và tình hình dân sinh kinh tế khu vực nghiên cứu. Chương 3: Thiết lập mô hình toán nghiên cứu chế độ thủy văn, thủy lực khu vực nghiên cứu. Chương 4: Ứng dụng mô hình toán cho nghiên cứu, tính toán và phân tích sự biến động về chế độ thủy văn, thủy lực khu vực nghiêm cứu. 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA HỒ CHỨA ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN, THỦY LỰC LÒNG DẪN 1.1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 1.1.1. Giới thiệu một số công trình nghiên cứu có liên quan trước đây về chế độ thủy văn, thủy lực. Trên thế giới Hồ chứa là công trình lợi dụng tổng hợp nguồn nước, được xây dựng trên các lưu vực sông với mục đích điều hòa sự chênh lệch dòng chảy giữa mùa lũ và mùa kiệt, nhằm mục tiêu lợi dụng, khai thác tổng hợp nguồn nước như phòng lũ, phát điện, cấp nước về mùa kiệt và cải tạo môi trường. Hệ thống các hồ chứa được xây dựng trên lưu vực sông có dạng bậc thang. Mỗi hồ chứa trong hệ thống có chức năng và biểu đồ hoạt động riêng, nhưng lại hoạt động có tính tổng hợp với nhiều mục tiêu theo một biểu đồ điều phối chung nên có tác động qua lại tương tác với nhau, đồng thời tác động tới thượng và hạ du. Trên thế giới việc xây dựng hồ chứa đã được tiến hành từ rất sớm, Trung Quốc, xây dựng đập đất Shaopi trên vùng đất thuộc tỉnh An Huy ngày nay trong những năm 598 - 591 trước Công nguyên (tr.CN) dưới thời Đông Chu. Đến nay đã có hàng vạn hồ chứa nước được xây dựng trên khắp lãnh thổ Trung Quốc, trong đó lớn nhất là thủy điện Tam Hiệp trên sông Dương Tử, ngoài ra Trung Quốc còn xây dựng hàng loạt công trình thủy điện lớn trên thượng nguồn sông Mê Kông, các nước phát triển khác như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga, Canada, Ấn Độ, Braxin, Mexico v.v. Việc xây dựng hồ chứa đã mang lại một số lợi ích nhất định trong phát triển kinh tế như: Điều tiết dòng chảy, tham gia cắt lũ, giảm ngập lụt cho hạ du; cung cấp nguồn thủy điện có giá thành thấp; gia tăng mực nước ngầm; phát triển du lịch. Ngoài những mặt lợi, thì việc xây dựng các hồ chứa lớn ở thượng nguồn, nhất là các hồ chứa lớn cũng tiềm ẩn và gây nên một số tác động bất lợi sau: Rừng đầu nguồn sẽ bị tàn phá; mất đất canh tác; lượng phù sa về hạ lưu bị suy giảm làm suy thoái đất trồng trọt; chế độ dòng chảy hạ lưu thay đổi; gia tăng sạt lở bờ, bãi sông; 11 kích thích hiện tượng động đất phát triển. Ví dụ: Đập thủy điện Zipingpu (Trung Quốc) là tác nhân gây ra trận động đất 7,8 độ Richter ngày 12/5/2008, làm chết hơn 8 vạn người; đập Sayano-Shushenskaya (LBNga) và sự cố khủng khiếp ngày 17/8/2009; đập đất Teton bị vỡngày 5/6/1976, thiệt hại lên tới 2 tỷ USD. Để giảm thiểu các bất lợi đối với hạ du, trên thế giới có hai lựa chọn: i) hạn chế việc xây dựng các hồ chứa lớn vì tiềm ẩn rủi ro rất lớn về an toàn; ii) xây dựng các qui trình, công nghệ để vận hành các hồ chứa một cách khoa học nhất. Hiện nay, quản lý vận hành hệ thống các hồ chứa cấp nước, phát điện, duy trì dòng chảy môi trường là một trong những vấn đề quan trọng của quản lý lưu vực sông đang được nhiều nước trên thế giới rất quan tâm nghiên cứu và đã có nhiều kết quả và sản phẩm công nghệ có thể tiếp cận để tham khảo và ứng dụng trong thực tế. Cùng với việc tiếp tục xây dựng bổ sung để tiến tới hoàn chỉnh hệ thống các hồ chứa trên các lưu vực sông, các nước trên thế giới cũng đã và đang rất chú trọng đầu tư nghiên cứu trong lĩnh vực quản lý vận hành hệ thống để khai thác sử dụng hợp lý và nâng cao hiệu quả sử dụng nước các hồ chứa của hệ thống, phát điện, cấp nước, duy trì dòng chảy môi trường để bảo vệ các hệ sinh thái nước ở khu vực hạ du. Về phương pháp luận và kinh nghiệm thực tiễn đã có rất nhiều kết quả nghiên cứu về lý thuyết và kết quả nghiên cứu ứng dụng có giá trị của các nước trên thế giới để giải quyết bài toán quản lý vận hành hệ thống các hồ chứa đa mục tiêu. Các kết quả nghiên cứu này đã được trình bày trong nhiều hội thảo quốc tế về quản lý tổng hợp tài nguyên nước, quản lý lưu vực sông, trong nhiều bài báo được công bố trong tạp chí quốc tế về quản lý tài nguyên nước và trong một số sách đã xuất bản về kỹ thuật tài nguyên nước. (1) Về lý thuyết, vấn đề quản lý vận hành hệ thống hồ chứa đã được thế giới nghiên cứu giải quyết trên cơ sở ứng dụng lý thuyết hệ thống trong phát triển tài nguyên nước (System theory in water resources development), trong đó việc vận hành các hồ chứa không thể xem xét một cách riêng rẽ mà phải nằm trong một hệ thống có mối quan hệ và ràng buộc lẫn nhau nhằm đáp ứng mục tiêu chung về khai thác sử 12 dụng nguồn nước của hệ thống sông. Nhìn chung, những nghiên cứu trên các lưu vực sông của thế giới để giải quyết bài toán quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa đều tập trung vào hai hướng: i) tìm lời giải hợp lý dựa trên xây dựng và ứng dụng các mô hình mô phỏng hệ thống để tìm quy trình vận hành hệ thống hồ chứa; ii) tìm lời giải tối ưu dựa trên ứng dụng lý thuyết tối ưu hệ thống để tìm lời giải vận hành (mô hình quy hoạch tuyến tính, mô hình quy hoạch động). Theo các hướng nghiên cứu trên, để giải bài toán quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa, ngoài tư duy và vận dụng kiến thức về “lý thuyết hệ thống” đối với hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông, cần sử dụng các công cụ rất quan trọng và không thể thiếu, đó là các mô hình toán để mô phỏng hệ thống (trong trường hợp 1) và để tối ưu hóa hệ thống (trong trường hợp 2). Trải qua thời gian dài phát triển, nhóm các nước có nền khoa học và kinh tế phát triển như Nga, Mỹ, Úc, các nước cộng đồng châu Âu đã có những thành tựu rất đáng kể trong việc phát triển lý thuyết, xây dựng và ứng dụng các công cụ nói trên để giải quyết vấn đề quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa của các lưu vực sông lớn theo cả hai hướng tìm lời giải hợp lý và lời giải tối ưu cho quy trình vận hành hệ thống. (2) Để nâng cao hiệu quả của quản lý vận hành hệ thống liên hồ chứa nhiều mô hình thủy văn, thủy lực, mô hình mô phỏng cân bằng nước hệ thống hồ chứa đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới và ứng dụng có kết quả trong thực tế, làm cơ sở cho việc nghiên cứu xác định quy trình vận hành hồ chứa, thí dụ như các nhóm mô hình: Các mô hình toán thủy văn tất định mô phỏng tính toán và dự báo dòng chảy lưu vực và hệ thống sông từ mưa như mô hình SSARR, STANFORD (Mỹ), mô hình TANK (Nhật), mô hình MIKE NAM (Đan Mạch); Các mô hình thủy lực 1D, 2D để tính toán và dự báo biến đổi chế độ dòng chảy trong sông, đặc biệt dòng chảy lũ, như các mô hình HEC-RAS, MIKE11, MIKE21; Các mô hình cân bằng, phân bổ nguồn nước hệ thống sông như mô hình MITSIM, RIBASIM, MIKE BASIN, GAMS v.v. Các mô hình này cũng cho phép tìm lời giải tối ưu của hệ thống thủy văn. 13 Bên cạnh các phần mềm mô phỏng, tối ưu hóa và cân bằng phân bổ nguồn nước việc xây dựng các phần mềm trợ giúp này như một công nghệ tiện dụng cho quản lý vận hành hệ thống các hồ chứa nước của lưu vực sông là xu hướng phát triển trên thế giới hiện nay. Ví dụ: Chương trình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa EIS bao gồm 9 hồ chứa trên sông chính và 26 hồ trên các nhánh của lưu vực Tennssee, từ khi bắt đầu (1997) đến nay đã thu được những kết quả tốt đẹp. Một dự án khác cũng đã mang lại hiệu quả là điều hành hệ thống hồ chứa bang Texas do Wurbs Ralph A. thuộc Viện Tài nguyên nước Texas xây dựng năm 1985 và hoàn thiện năm 2007. Jain S. K. và Goel M. K. (1999) đã phát triển quy trình vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Sabarmati (Ấn Độ) gồm 5 hồ chứa với 4 đập và 1 đập tràn nhằm kiểm soát lũ và cung cấp nước cho các khu vực hạ lưu đập và 2 thành phố Ahmedabad và Gandhinagar. Sau khi xây dựng hồ chứa thượng nguồn, dòng sông được chia thành hai con sông có quá trình vận động khác nhau. Song song với việc nghiên cứu quá trình bồi tích ở thượng nguồn, người ta quan tâm nhiều đến nghiên cứu sự biến đổi của chế độ thủy động lực học vùng hạ du. Các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới chủ yếu tập trung vào một số vấn đề sau: - Nghiên cứu về quá trình xói phổ biến: Xói phổ biến trong lòng sông hạ du chỉ thấy xuất hiện rất hạn chế trong các nghiên cứu của Maccaveev N.I, của Tạ Giám Hoành, Tiền Ninh (của Trung Quốc) và của một số tác giả của Mỹ, châu Âu v.v. Với việc tính toán biến hình lòng dẫn trên một đoạn rất dài, yêu cầu có được những lời giải rất chi tiết bằng các mô hình 2D, 3D là rất khó và cũng không cần thiết, thường chỉ áp dụng bài toán 1D, trường hợp cần thiết mới tính bằng mô hình 2D hoặc thí nghiệm trên mô hình vật lý. Riêng bài toán 1D về xói phổ biến cũng có nhiều phương pháp tính toán khác nhau để đơn giản hóa trong mô phỏng và tìm đến những lời giải gần đúng một cách thuận lợi nhất. - Nghiên cứu về thô hóa bùn cát lòng dẫn: Trong lòng sông nếu đã hình thành lớp chống xói tạo bởi các hạt bùn cát thô thì đó là yếu tố làm cho hiện tượng xói phổ biến trong lòng sông gặp trở ngại. Lúc đó, tính toán xói phổ biến chuyển thành tính 14 toán thô hóa. Các tác giả và thành tựu về thô hóa lòng sông không nhiều, có thể dẫn ra các nghiên cứu của Simion Honcu (Rumania), Kriukin (Nga). - Nghiên cứu về chế độ động lực hạ du: Những nghiên cứu thuộc lĩnh vực động lực dòng sông, chuyển động bùn cát và vấn đề chỉnh trị được phát triển mạnh trong nửa thế kỷ 19 ở các nước Âu-Mỹ. Những nghiên cứu của các nhà khoa học Pháp như Du Boys về chuyển động bùn cát, Barré de Saint-Venant về dòng không ổn định, L. Fargue về hình thái lòng sông uốn khúc. Động lực học dòng sông và chỉnh trị sông được nghiên cứu từ thế kỷ 19, nhưng phát triển rực rỡ nhất là vào khoảng thời gian 60 năm đầu của thế kỷ 20, với những tên tuổi lớn như Lotchin V.M về tính ổn định của lòng sông; của Bernadski N.M về chuyển động hai chiều; của Makavêép V.M về dòng thứ cấp; của Velicanốp M.A về quá trình lòng sông; của Gôntrarôp V.N và Lêvi I.I về chuyển động bùn cát; của Altunin S.T, Grisanin K.B, Kariukin S.N về chỉnh trị sông v.v. Từ những năm 60 của thế kỷ 20 đến nay, do ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật và đặc biệt là những tiến bộ trong tính toán, động lực học dòng sông có những bước phát triển mới, sâu sắc trong việc hoàn thiện mô hình hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp. Vì vậy, trong nghiên cứu thực địa đã có những thiết bị đo hiện đại, nhanh chóng, chính xác; trong nghiên cứu mô hình vật lý đã thực hiện được những tiêu chuẩn tương tự khó; trong mô hình toán giải quyết được các bài toán về dòng không ổn định nhiều chiều bằng phương pháp số v.v. Bên cạnh những tên tuổi riêng biệt mới xuất hiện như Cunge J.A (Pháp), Bogardi J.L (Hungari), Hâncu Simion (Rumani), Mamak W (Balan), Grisanhin K.V (Liên Xô) v.v. đã xuất hiện những công trình mang tên của tập thể tác giả hoặc tên của một cơ quan nghiên cứu như Bureau of Reclamation (Mỹ), SOGREAH (Pháp), VNIIG (Liên Xô), DELFT (Hà Lan), DHI (Đan Mạch), ĐH Vũ Hán (Trung Quốc). Ở Việt Nam Việc xây dựng các hồ chứa thủy lợi, thủy điện được tiến hành rất sớm, đầu thế kỷ 20 người Pháp đã xây dựng đập Bái Thượng trên sông Chu (Thanh Hóa), hệ thống thủy nông Liễn Sơn (Vĩnh Phúc). Ngày nay, đã có nhiều công trình lớn được xây dựng như hồ Dầu Tiếng (Tây Ninh), đập Định Bình (Bình Định), Cửa Đạt (Thanh Hóa) v.v. Song song với các công trình thủy lợi, chúng ta cũng xây dựng các công 15 trình thủy điện lớn như: thủy điện Thác Bà, Hòa Bình, Trị An, Yaly, sông Hinh, Tuyên Quang, rồi đến thủy điện lớn nhất khu vực Đông Nam Á là Sơn La và thủy điện Lai Châu. Việc xây dựng các công trình thủy lợi đã mang lại một số lợi ích cho xã hội như: i) khi thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang đi vào vận hành thì đồng bằng Bắc Bộ về cơ bản đã khống chế được lũ, nên mới đây Thủ tướng Chính phủ đã quyết định xóa bỏ các khu chậm lũ của lưu vực sông Hồng, sông Thái Bình; ii) phần nào đã bổ sung được một lượng nước nhất định về mùa kiệt cho hạ du. Nhưng ngược lại thì các hồ chứa lớn cũng gây ra một số mặt bất lợi như: i) Cường độ, tốc độ lũ truyền xuống hạ du, khả năng ngập lụt ở hạ du sẽ tăng lên nếu vận hành các hồ không khoa học; ii) giảm lượng phù xa xuống hạ lưu làm suy thoái đất trồng trọt; iii) làm gia tăng xâm nhập mặn, giảm mực nước ngầm vùng hạ du (điển hình là xâm nhập mặn làm nhà máy nước Thủ Đức không thể hoạt động theo thiết kế). Đối với đồng bằng Bắc Bộ thì nguồn nước ngầm ngày càng khan hiếm, suy kiệt. Đặc biệt là mực nước sông Hồng suốt từ năm 2005 đến nay năm nào cũng lập kỷ lục mới trong hạ thấp mực nước so với các năm trước đó, cụ thể như sau: Theo các số liệu cụ thể về sự khô hạn vào mùa kiệt đoạn sông Hồng qua Hà Nội ngày càng kiệt quệ, nhiều đoạn trơ đáy. Năm 2004, mực nước thấp nhất là 1,95 m; năm 2005 là 1,46 m; năm 2006 là 1,28 m; năm 2007 là 1,10 m; năm 2008 là 0,79 m; năm 2009 là 0,91 m. Thậm chí vào tháng I/2010 mực nước Sông Hồng có lúc xuống tới 0,56 m và đặc biệt là cuối tháng II năm 2010 có thời điểm lạch nước chỉ sâu có 0,1m. Việc xây dựng các công trình thủy điện trên thượng nguồn sông Đà, Lô sẽ giữ lại phần lớn lượng bùn cát ở trên lòng hồ, lượng cát xuống hạ du qua trạm Sơn Tây giảm đáng kể, đây là lý do chính gây nên hiện tượng xói, bồi không theo qui luật tự nhiên ở hạ du, nhất là vùng hợp lưu Thao-Đà-Lô-Hồng, đồng thời gây sạt lở lớn ở khu vực hợp lưu Thao-Đà và Lô-Hồng cũng như toàn bộ hạ lưu sông Hồng, sông Thái Bình. Ví dụ: Theo số liệu của các nghiên cứu trước đây và số liệu quan trắc của trạm Hòa Bình, phân tích cho hai thời kỳ là trước và sau khi hồ Hòa Bình đi vào tích nước (giai đoạn 1961-1985 và 1986-2002) cho thấy phân bố bùn cát sau khi Hòa Bình đi 16 vào hoạt đông đã giảm đi đáng kể, cụ thể như sau: Thời kỳ 1961-1985: - Lưu lượng bùn cát trung bình là: R=1951 kg/s - Độ đục trung bình là ρ=1153 g/m3 Thời kỳ 1986-2002: - Lưu lượng bùn cát trung bình là: R=323 kg/s - Độ đục trung bình là ρ=183 g/m3 Như vậy lượng bùn cát sông Đà sau khi có hồ Hòa Bình chỉ còn bằng 16% so với trước đây, số liệu này thể hiện sự thiếu hụt nghiêm trọng lượng bùn cát ở hạ du. Để phát huy những lợi ích do hồ chứa mang lại, chúng ta đã và đang xây dựng các qui trình vận hành cho hệ thống hồ chứa trên các lưu vực sông như: sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Vu Gia-Thu Bồn, sông Lam v.v. Trong đó, hồ chứa trên hệ thống sông Hồng được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, thể hiện trong kết quả nghiên cứu của các tác giả: Trịnh Quang Hòa, Nguyễn Tuấn Anh, Nguyễn Lan Châu, Nguyễn Hữu Khải, Lâm Hùng Sơn, Tô Trung Nghĩa, Hà Văn Khối v.v. Mặc dù các hồ chứa đã được quan tâm nghiên cứu xây dựng qui trình vận hành cho từng hồ và gần đây là cho cả hệ thống hồ chứa trên lưu vực. Các qui trình vận hành được xây dựng đầy đủ, chi tiết và bài bản. Nhưng việc vận hành các hồ chứa vẫn còn nhiều vấn đề tranh cãi, nhất là các hồ chứa thủy điện mới xây dựng, việc vận hành hồ chứa không hợp lý đã gây nên những bất lợi lớn cho hạ du như: i) vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn năm 2008, sông Ba năm 2009; i) vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng làm sạt lở, biến động lớn các bãi khu vực hợp lưu Thao-Đà đến Lô-Hồng và hạ du, làm mực nước sông Hồng tại Hà Nội luôn hạ thấp trong 10 năm trở lại đây. Để làm giảm thiểu các tác động do vận hành hồ chứa thượng nguồn mang lại, đã có nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đầu ngành về lĩnh vực động lực học dòng sông và chỉnh trị sông, kết quả nghiên cứu gắn liền với các tên tuổi của các tác giả như: Vũ Tất Uyên, Hoàng Hữu Văn, Nguyễn Văn Toán, Lê Ngọc Bích, Nguyễn Tuấn