Tài liệu Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn thủy lực hạ lưu hệ thống sông hương dưới tác động của các công trình thủy lợi thủy điện và biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÍNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN -THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Đình Thành PGS.TS. Hoàng Minh Tuyển Phản biện 1: TS. Lê Hùng Nam Tổng cục Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và PTNT Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thanh Sơn Trường Đại học KHTN, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện3: PGS. TS. Nguyễn Thanh Hùng Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Thủy lợi Vào hồi 8 giờ 30 phút ngày 24 tháng 6 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Hiện nay trên lưu vực sông Hương đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi – thủy điện lớn, có tác động đáng kể đến chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu. Đồng thời biến đổi khí hậu cũng có những tác động đến tài nguyên nước trên lưu vực. Vì vậy việc nghiên cứu đề tài luận án “Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu” là cần thiết, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững kinh tế - xã hội trên lưu vực, đặc biệt phục vụ cho công tác cấu trúc lại cơ cấu nông nghiệp và xây dựng tỉnh Thừa Thiên Huế phát triển thành thành đô thị loại I trực thuộc Trung ương. Mục tiêu nghiên cứu: Làm rõ sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu và đề xuất các giải pháp thích ứng nhằm giảm thiểu tác động xấu đến phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường hạ lưu sông Hương. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đánh giá tác động của hệ thống các công trình thủy lợi – thủy điện lớn trên lưu vực đến một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu sông Hương từ sau các hồ chứa đến đập Thảo Long có xét đến biến đổi khí hậu đến năm 2030. Phương pháp nghiên cứu: Luận án đã sử dụng các phương pháp: kế thừa, điều tra, khảo sát, phân tích thống kê, mô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực, GIS, phân tích hệ thống, phương pháp chuyên gia và tham vấn ý kiến cộng đồng Những đóng góp mới của Luận án: 1) Đã đánh giá được một cách định lượng những tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện trên lưu vực sông Hương và tác động của biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn - thủy lực ở hạ lưu hệ thống sông Hương. 2) Đã đề xuất được các giải pháp phi công trình và công trình nhằm giảm thiểu những tác động tiêu cực của các công trình 2 thủy lợi – thủy điện trên lưu vực sông Hương đến chế độ dòng chảy ở hạ lưu và nâng cao hiệu quả khai thác của các công trình. Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN Luận án đã tiến hành nghiên cứu tổng quan 38 công trình nghiên cứu trên thế giới, trong nước và trên lưu vực sông Hương. 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến tác động của các hồ chứa và biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu các lưu vực sông trên thế giới. Các công trình nghiên cứu nói chung thường tập trung vào các lưu vực sông có qui mô lớn, có thể chia thành hai hướng chính: (i) so sánh phân tích diễn biến môi trường của các giai đoạn trước và sau khi có các hồ chứa bằng số liệu thực đo, và (ii) sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực để đánh giá các tác động tới dòng chảy hạ lưu. 1.1.2 Các nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, việc đánh giá tác động của các công trình và biến đổi khí hậu đến dòng chảy gần đây đã được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt từ khi có các công trình thủy lợi - thủy điện (TL-TĐ) lớn trên các hệ thống sông. Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước chưa đi sâu đánh giá chi tiết và định lượng tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đến các yếu tố thủy văn - thủy lực ở hạ lưu các hệ thống sông. 1.1.3 Những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây trên lưu vực sông Hương và hướng khắc phục Tác động tổng hợp của các công trình thượng, hạ lưu và biến đổi khí hậu (BĐKH) đến chế độ thủy văn - thủy lực (TV-TL) hạ lưu sông Hương chưa được nghiên cứu sâu và chi tiết. Cách tiếp cận trong các nghiên cứu chưa xét đủ các thành phần của hệ thống, hầu 3 hết dựa trên giả thiết là các điều kiện thủy văn và mặt đệm lưu vực không thay đổi, việc đánh giá định lượng các tác động chưa thật đầy đủ. Hướng khắc phục của luận án: - Xem xét đánh giá trên quan điểm phân tích hệ thống của lưu vực sông Hương, tập trung vào các công trình chính có tác động đáng kể đến chế độ dòng chảy hạ lưu sông Hương. - Đánh giá định lượng được tác động của các công trình và BĐKH, bước đầu xem xét đến vai trò của sử dụng đất và lớp thảm phủ rừng trên cơ sở lựa chọn dòng chảy năm và các trận lũ cụ thể để nghiên cứu thay đổi của một số yếu tố TV-TL điển hình - Đề xuất được các giải pháp có cơ sở khoa học và thực tiễn, có tính khả thi, thiết thực và hiệu quả. 1.1.4 Hướng tiếp cận của luận án - Tiếp cận tổng hợp theo hệ thống nguồn nước - Tiếp cận mô phỏng hệ thống bằng mô hình toán thủy văn - thủy lực - Tiếp cận theo kịch bản. 4 Sơ đồ tiếp cận của luận án xem hình 1.1. Thu thập số liệu khí hậu, thủy văn, địa hình, công trình TL-TĐ Phân tích các yếu tố tác động đến chế độ TV-TL Tác động của hệ thống hồ chứa thủy lợi – thủy điện lớn ở thượng lưu Tác động của các công trình thủy lợi vùng cửa sông Mô hình mưa – dòng chảy Thay đổi dòng chảy đến các hồ Vận hành hồ chứa thủy lợi – thủy điện Đánh giá xu thế thay đổi một số yếu tố khí hậu Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu, NBD Chi tiết kịch bản biến đổi BĐKH Mô hình toán thủy văn thủy lực Thay đổi chế độ thủy văn- thủy lực hạ lưu So sánh với kết quả điều tra, khảo sát Đề xuất giải pháp định hướng Hình 1.1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án Hình 1.2: Lưu vực sông Hương trên lãnh thổ Việt Nam 5 6 1.2 1.2.1 ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG Đặc điểm tự nhiên Lưu vực sông Hương nằm gần trọn trong tỉnh Thừa Thiên Huế (hình 1.2), gồm ba nhánh lớn: sông Bồ, Hữu Trạch và Tả Trạch, trong đó Tả Trạch là nguồn nước chính của sông Hương. Tài nguyên nước lưu vực sông Hương có vai trò rất quan trọng đối với phát triển kinh tế, văn hóa - xã hội, bảo vệ môi trường của tỉnh Thừa Thiên Huế. 1.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội Những năm gần đây trên lưu vực sông Hương có nhiều công trình TL-TĐ được xây dựng để đáp ứng các nhu cầu phát triểnvề kinh tế - xã hội trên lưu vực, các công trình TL-TĐ cùng với sự thay đổi cơ cấu sử dụng đất trên lưu vực sẽ có những tác động đáng kể đến chế độ TV-TL của sông Hương. 1.3 HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG VÀ LỰA CHỌN CÔNG TRÌNH ĐƯA VÀO NGHIÊN CỨU 1.3.1 Các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực sông Hương Hệ thống công trình rất đa dạng, gồm: (i) các hồ chứa ở thượng nguồn có nhiệm vụ chống lũ, cấp nước, phát điện; (ii) các công trình cống, đập ven các tuyến sông chính được xây dựng ở cửa vào các chi lưu có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, lấy nước tưới cho các vùng nội đồng, ngăn lũ tiểu mãn, lũ sớm; và (iii) các công trình vùng cửa sông có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt và tiêu thoát lũ sông Hương và vùng đồng bằng, trong đó quan trọng nhất là đập Thảo Long. 1.3.2 Lựa chọn các công trình chính nghiên cứu trong luận án Tiêu chí lựa chọn: V hồ chứa ≥ 100.106m3, N lắp máy ≥ 30MW đối với hồ chứa thủy điện, ≥ 10MW đối với hồ chứa kết hợp, đập Thảo Long ở cửa sông Hương có tác động lớn đối với dòng chảy mùa cạn trên toàn hệ thống, do đó các hồ Bình Điền, Hương Điền, Tả Trạch và đập Thảo Long được đưa vào nghiên cứu. 1.4 Kết luận chương I Trên lưu vực sông Hương, các đánh giá tác động của các công trình chưa nghiên cứu sâu và đầy đủ về mặt định lượng những 7 thay đổi các yếu tố thủy văn – thủy lực ở hạ lưu khi các hồ chứa lớn trên thượng nguồn cùng hoạt động với công trình ngăn mặn ở cửa sông, đặc biệt tình hình biến đổi khí hậu đang đặt ra những thách thức mới cho quản lý tổng hợp tài nguyên nước nhằm đáp ứng những yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của địa phương. Trên cơ sở định hướng nghiên cứu và tiếp cận của luận án, ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực và phân tích tổng hợp sẽ được chọn là phương pháp chủ đạo trong đánh giá tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện chính trên lưu vực. Các hồ chứa ở thượng lưu gồm: Tả Trạch, Bình Điền, Hương Điền và đập ngăn mặn Thảo Long ở hạ lưu là các công trình lớn, có vai trò quan trọng, có tác động đáng kể đến chế độ TV-TL hạ lưu sông Hương. Luận án đã lựa chọn những công trình này cho nghiên cứu. Chương II CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN- THỦY LỰC SÔNG HƯƠNG VÀ THIẾT LẬP BỘ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN 2.1 XU THẾ BIẾN ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG, THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 2.1.1 Dữ liệu và phương pháp đánh giá xu thế Sử dụng số liệu nhiệt độ, mưa, bốc hơi và mực nước thu thập được của các trạm đo đạc trên khu vực để tiến hành phân tích và đánh giá xu thế của một số yếu tố khí tượng, thủy văn bằng phương pháp kiểm định Mann Kendall và phương pháp Sen. 2.1.2 Xu thế biến đổi một số yếu tố khí tượng Các đặc trưng mưa có xu thế tăng nhưng không rõ ràng (không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%), ngược lại, bốc hơi có xu thế giảm. Nhiệt độ trung bình ở khu vực miền núi tăng, song tại Huế có xu thế giảm tuy không rõ ràng (không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%). 2.1.3 Xu thế biến đổi một số yếu tố thủy văn Các đặc trưng mực nước ở các trạm Kim Long, Phú Ốc có xu thế tăng, phù hợp với xu thế tăng của lượng mưa trên lưu vực. 8 2.1.4 Đánh giá chung về xu thế diễn biến một số yếu tố khí tượng, thủy văn và lựa chọn kịch bản BĐKH, NBD cho lưu vực sông Hương Kết quả đánh giá xu thế cho thấy một số yếu tố khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Hương có xu thế diễn biến khá phù hợp với điều kiện BĐKH, trong đó đáng chú ý là xu thế tăng lượng mưa cả mùa khô, mùa mưa, cũng như lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất, là yếu tố chính gây lũ trên lưu vực. Năm 2012 Bộ Tài nguyên và Môi trường (TN&MT) đã công bố các kịch bản BĐKH, NBD cho Việt Nam, trong đó có khu vực Thừa Thiên Huế với mức thay đổi lượng mưa trung bình năm vào thời kỳ 2030 tăng 2,1% so với thời kỳ nền 1980-1999 (B2). Trên cơ sở khuyến nghị của Bộ về việc sử dụng kịch bản phát thải trung bình (B2) trong định hướng ban đầu để đánh giá tác động của BĐKH, luận án chọn kịch bản phát thải trung bình B2 để nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn – thủy lực sông Hương. 2.1.5 Tính toán lượng mưa theo kịch bản biến đổi khí hậu năm 2030 Chuỗi mưa năm điển hình cho mỗi trạm trên toàn khu vực nghiên cứu được lựa chọn theo năm đại biểu và thay đổi theo tỉ lệ biến đổi lượng mưa theo kịch bản B2 của Bộ TN&MT công bố năm 2012. Kết quả chuỗi mưa dự tính theo kịch bản biến đổi khí hậu sẽ làm dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy văn HEC-HMS để tính toán dòng chảy trên lưu vực trong trường hợp có xét đến biến đổi khí hậu. 2.2 CÁC YẾU TỐ CHÍNH TÁC ĐỘNG ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN - THỦY LỰC SÔNG HƯƠNG 2.2.1 Mưa, bão và các hình thế thời tiết gây mưa lũ Chế độ mưa phân phối rất không đồng đều về không gian và thời gian, tạo nên sự phân hóa sâu sắc trong chế độ thủy văn – thủy lực sông Hương: mùa ít mưa, dòng chảy trên sông cạn kiệt; mùa mưa, dòng chảy lũ rất lớn tràn bờ gây ngập lụt nặng nề hàng năm. Bão là yếu tố quan trọng tác động lớn đến chế độ thủy văn – thủy lực của sông Hương, nhất là dòng chảy lũ. Bão, áp thấp nhiệt đới kết hợp với các hình thế thời tiết khác như không khí lạnh, hội tụ nhiệt đới,... thường gây mưa lớn đến rất lớn sinh ra lũ lụt nghiêm 9 trọng trên vùng đồng bằng hạ lưu và khu vực đầm phá. 2.2.2 Điều kiện địa hình, thảm phủ Hướng núi, hướng bờ biển nằm gần vuông góc với hướng gió thịnh hành có tác dụng chắn gió gây ra mưa lớn. Hình thể lưu vực có dạng bồn thu nước rộng, vùng núi – đồi sát vùng đồng bằng – đầm phá ven biển tạo ra tính chất dòng chảy lũ khốc liệt. Độ che phủ rừng khá cao, nhưng vai trò điều tiết của toàn bộ thảm phủ đối với chế độ dòng chảy sông Hương chưa cao do tỉ lệ rừng giàu và rừng trung bình còn thấp, lại có xu hướng giảm. 2.2.3 Đầm phá và thủy triều Khi chưa có đập Thảo Long, hệ thống đầm phá Tam Giang - Cầu Hai có tác động rất rõ rệt đến chế độ dòng chảy sông Hương. Với đặc điểm triều thấp thường trùng với thời gian kiệt và triều cao trùng với thời gian lũ lớn nên tác động của thủy triều càng làm tăng khó khăn trong cấp nước mùa kiệt do xâm nhập mặn, và tiêu thoát lũ trong mùa mưa. 2.2.4 Hoạt động kinh tế xã hội trên lưu vực Trong giai đoạn 2007-2009, đập Thảo Long làm nâng cao mực nước trung bình năm tại Kim Long và Phú Ốc tăng 26-27 cm, mực nước thấp nhất, cao nhất trung bình mùa kiệt tăng 20-31 cm, mực nước cao nhất trung bình mùa lũ tăng 4-7 cm. Trong giai đoạn 2010-2012, hồ Bình Điền, Hương Điền làm giảm mực nước cao nhất trung bình mùa lũ tại Kim Long 53 cm, Phú Ốc 37 cm, làm nâng cao mực nước mực nước thấp nhất trung bình mùa kiệt ở Kim Long 37 cm, Phú Ốc 22 cm. 2.3 CÁC TÁC ĐỘNG CHÍNH CỦA HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TL-TĐ ĐẾN CHẾ ĐỘ TV-TL SÔNG HƯƠNG 2.3.1 Về mùa lũ Về mùa lũ các hồ chứa có tác động hạ thấp mực nước và lưu lượng đỉnh lũ ở hạ lưu do điều tiết lũ. Tuy vậy, có khả năng gây lũ chồng lên lũ, tạo ra lũ nhân tạo khi chưa có qui trình vận hành liên hồ chứa. Bùn cát bị giữ lại trên các hồ chứa, tạo hiệu ứng nước trong, gây biến hình lòng dẫn hạ lưu, gia tăng rủi ro do sự cố… 10 2.3.2 Về mùa cạn Đập Thảo Long tạo ra chế độ dòng chảy hồ lòng sông, làm ngọt hóa sông Hương, tạo ra tiềm năng chuyển bớt nước ngọt về tưới cho vùng Phú Lộc, hỗ trợ hệ thống thủy lợi hồ Truồi; đập có vai trò rất lớn đảm bảo không cho nước mặn xâm nhập vào sông kể cả do nước biển dâng. Các hồ thượng lưu điều tiết nước phát điện, cấp nước, đảm bảo yêu cầu môi trường, làm thông thoáng dòng chảy, cùng với đập Thảo Long làm nâng cao mực nước mùa cạn hạ lưu sông Hương. 2.4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS VÀ HEC-RAS CHO LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 2.4.1 Giới thiệu chung về mô hình HEC – HMS và HEC-RAS Mô hình toán thủy văn HEC-HMS được sử dụng để tính toán dòng chảy đến hồ và các biên nhập bên, kết quả được sử dụng làm đầu vào cho mô hình toán thủy lực HEC-RAS để diễn toán dòng chảy hạ lưu hồ chứa theo các phương án vận hành đóng, mở các cửa xả được lập trình bằng các đoạn mã lệnh điều khiển. Hai mô hình được kết nối chặt chẽ với nhau thông qua phần mềm DSS. 2.4.2 Ứng dụng mô hình HEC-HMS và HEC-RAS cho lưu vực sông Hương Luận án đã sử dụng số liệu 278 mặt cắt địa hình được đo đạc cập nhật đến năm 2009 gồm: sông Hữu Trạch 18 mặt cắt (MC), sông Tả Trạch 24 MC, sông Hương 59 MC, sông Bồ 37 MC, các tuyến thoát lũ ở hạ lưu 140 MC. Có 27 ô chứa được xây dựng với quan hệ Z-W được tính toán từ phần mềm HEC-GeoRAS. Sử dụng số liệu mưa, lưu lượng và mực nước thực đo tại các trạm trên lưu vực để tính toán mô hình. Thông qua xây dựng bản đồ chỉ số CN và các bước thiết lập mạng thủy văn, thủy lực, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dòng chảy lũ cho thấy bộ thông số mô hình HEC-HMS đạt yêu cầu với hệ số Nash 0,90-0,92 (hiệu chỉnh, hình 2.1) và 0,78- 0,95 (kiểm định, hình 2.2); hệ số Nash mô hình HEC-RAS đạt 0,63-0,77 (hình 2.3, 2.4) 11 Hình 2.1: Hiệu chỉnh mô hình HEC-HMS tại Bình Điền Hình 2.3: Kiểm định mô hình HEC-RAS tại Kim Long 2.5 Hình 2.2: Kiểm định mô hình HEC-HMS tại Dương Hòa Hình 2.4: Kiểm định mô hình HEC-RAS tại Phú Ốc KẾT LUẬN CHƯƠNG II Xu thế biến đổi của một số yếu tố khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Hương là khá phù hợp với kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Trên cơ sở khuyến nghị của Bộ về việc sử dụng kịch bản phát thải trung bình (B2) trong định hướng ban đầu để đánh giá tác động của BĐKH, luận án chọn kịch bản phát thải trung bình B2 mà Bộ TN&MT công bố năm 2012 để nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn – thủy lực sông Hương. Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy hoạt động của các công trình Thảo Long, Bình Điền và Hương Điền trong thời gian qua đã có những tác động đáng kể đến một số yếu tố thủy văn – thủy lực hạ lưu sông Hương, do đó cần được nghiên cứu đánh giá định lượng trong các trường hợp khác nhau, đặc biệt là khi có thêm công trình hồ Tả Trạch đi vào vận hành và xét đến biến đổi khí hậu. 12 Bộ mô hình toán HEC-HMS và HEC- RAS được thiết lập và ứng dụng cho lưu vực sông Hương để mô phỏng dòng chảy ngày trong năm, dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt. Các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình là khả quan, chấp nhận được để đánh giá sự thay đổi của một số yếu tố thủy văn – thủy lực hạ lưu sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện và biến đổi khí hậu. Chương III ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI- THỦY ĐIỆN VÀ BĐKH ĐẾN MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN – THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG 3.1 KHUNG ĐÁNH GIÁ VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG 3.1.1 Khung đánh giá tác động Trên cơ sở phân tích lựa chọn các công trình đưa vào nghiên cứu, khung đánh giá tác động và các trường hợp nghiên cứu được trình bày trong hình 3.1 Hình 3.1: Khung đánh giá tác động của các công trình thủy lợi- thủy điện và BĐKH đến một số yếu tố TV-TL sông Hương Luận án nghiên cứu 3 trường hợp (1) Điều kiện tự nhiên, chưa có 13 công trình thủy lợi – thủy điện (thời kỳ nền); (2) Có hồ Bình Điền (BĐ), Hương Điền (HĐ), Tả Trạch (TT) và đập Thảo Long, không xét đến biến đổi khí hậu; (3) Có hồ BĐ, HĐ, TT, đập Thảo Long và có xét đến biến đổi khí hậu đến năm 2030 theo kịch bản B2 của Bộ TN&MT 2012. 3.1.2 Các phương án vận hành hệ thống công trình để đánh giá tác động Luận án đề xuất 3 phương án vận hành hệ thống công trình (PA) để đánh giá tác động, gồm: (1) PAI: vận hành dựa vào qui trình của từng hồ đơn độc; (2) PAII: vận hành phối hợp điều tiết lũ theo cấp báo động lũ ở hạ lưu; và (3) PAIII: bổ sung dung tích phòng lũ hạ lưu cho hồ Bình Điền, Hương Điền. Các trường hợp tính toán đánh giá tác động của các công trình và BĐKH đến một số yếu tố TV-TL hạ lưu sông Hương được tóm tắt trong bảng 3.1. Bảng 3.1: Các trường hợp tính toán TT Kí hiệu Điều kiện tính toán 1 TH1 Dòng chảy tự nhiên, chưa có công trình 2 TH2-PAI Có 3 hồ Bình Điền, Hương Điền, Tả Trạch và đập Thảo Long vận hành theo qui trình độc lập 3 TH2-PAII Có 3 hồ BĐ, HĐ, TT và đập Thảo Long vận hành phối hợp theo mực nước báo động lũ ở hạ lưu 4 TH2-PAIII Có 3 hồ BĐ, HĐ, TT và đập Thảo Long vận hành phối hợp theo mực nước báo động lũ ở hạ lưu, bổ sung dung tích phòng lũ cho các hồ chứa 5 TH3-PAI Có 3 hồ BĐ, HĐ, TT và đập Thảo Long, vận hành theo qui trình độc lập và xét đến biến đổi khí hậu đến năm 2030 theo kịch bản B2 6 TH3-PAII Có 3 hồ BĐ, HĐ, TT và đập Thảo Long vận hành phối hợp theo mực nước báo động lũ ở hạ lưu và xét đến BĐKH đến năm 2030 theo kịch bản B2 Các phương án vận hành công trình được viết thành các mã lệnh điều khiển đưa vào các mô đun tích hợp trong mô hình HEC-RAS để tính toán điều tiết dòng chảy qua các hồ chứa. 3.1.3 Lựa chọn năm đại biểu Sau khi xem xét tài liệu KT-TV trong thời kỳ nền, luận án chọn 14 năm 1984 là năm nước trung bình để đánh giá dòng chảy năm, dòng chảy kiệt; chọn trận lũ lịch sử năm 1999 với đặc điểm mưa lũ cực đoan, mưa đồng bằng lớn hơn mưa vùng núi và lũ đặc biệt lớn năm 1983 có mưa vùng núi lớn hơn đồng bằng để đánh giá tác động đến dòng chảy lũ. 3.2 TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH TL-TĐ VÀ BĐKH ĐẾN MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN – THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG 3.2.1 Tác động đến dòng chảy ngày trong năm Kết quả mô phỏng mực nước trung bình ngày trong năm nước trung bình tại Kim Long trong các trường hợp công trình vận hành theo phương án I được thể hiện trong hình 3.2, bảng 3.2. Hình 3.2: Quá trình mực nước trung bình ngày trong năm tại Kim Long Bảng 3.2: Thay đổi mực nước trung bình năm nước trung bình (m) Vị trí TH1 TH2-PAI TH3-PAI H0 H1 H1-H0 H2 H2-H1 Kim Long 0,04 0,68 +0,64 0,69 +0,01 Phú Ốc 0,42 1,02 +0,60 1,06 +0,04 Khi không xét đến BĐKH, mực nước trung bình năm ở hạ lưu sông Hương trong năm nước trung bình dưới tác động của các công trình có xu hướng tăng, mức tăng khoảng 0,60 m so với khi chưa có đập Thảo Long và các hồ. Khi có xét đến BĐKH, mực nước hạ lưu sông Hương tăng không đáng kể so với tác động của các công trình TL-TĐ. Điều đó cho thấy sự thay đổi dòng chảy hạ lưu sông Hương chịu tác động từ hệ thống công trình TL-TĐ lớn hơn nhiều so với tác động của BĐKH theo kịch bản nghiên cứu. 15 Trước khi có các công trình, mực nước vào mùa cạn dao động theo thủy triều, vào mùa lũ mực nước lên xuống đột ngột, đỉnh lũ cao. Sau khi có các công trình, mực nước mùa cạn duy trì ổn định, không còn dao động theo triều biển; vào mùa lũ, đỉnh lũ hạ thấp, thời gian duy trì mực nước trên báo động 2 (H≥ +2,0 m) tại Kim Long trung bình giảm từ 4 ngày xuống còn 2 ngày song thời gian duy trì mực nước trên báo động 1 (H≥ +1,0 m) trung bình tăng từ 9 ngày lên 47-53 ngày. 3.2.2 Tác động đến dòng chảy lũ Trường hợp không xét đến BĐKH, kết quả tính toán dòng chảy lũ hạ lưu sông Hương theo các phương án trong hình 3.3, 3.4, bảng 3.3, 3.4. Hình 3.3: Quá trình mực nước Hình 3.4: Quá trình mực nước lũ tính toán 1999 tại Kim Long lũ tính toán 1983 tại Kim Long Bảng 3.3: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1999 ở hạ lưu sông Hương theo các trường hợp (m) Vị trí TH1 TH2- PAI TH2-PAII TH2-PAIII H0 H1 H1-H0 H2 H2-H0 H3 H3-H0 Kim Long 6,09 5,81 -0,28 5,13 -0,96 5,10 -0,99 Phú Ốc 4,68 4,60 -0,08 4,48 -0,20 4,47 -0,21 Phân tích sự thay đổi một số đặc trưng lũ tính toán 1999 tại Kim Long trước và sau khi có các hồ chứa cho thấy chế độ lũ ở hạ lưu có sự thay đổi đáng kể. Khi chưa có các hồ, đỉnh lũ cao; sau khi có các hồ, đỉnh lũ hạ thấp, cường suất lũ lên cực đại giảm từ 0,54 m/giờ xuống còn 0,24 – 0,52 m/giờ, cường suất lũ lên trung bình giảm từ 0,2 m/giờ xuống còn 0,1 – 0,15 m/giờ tùy theo từng phương án vận hành, thời gian duy trì mực nước trên 16 báo động 3 (H ≥ +3,5 m) giảm từ 4-8 giờ, lũ ít khốc liệt hơn. Bảng 3.4: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1983 ở hạ lưu sông Hương theo các trường hợp (m) Vị trí TH1 TH2- PAI TH2- PAII TH2- PAIII H0 H1 H1-H0 H2 H2-H0 H3 H3-H0 Kim Long 5,00 4,70 -0,30 3,81 -1,19 3,56 -1,44 Phú Ốc 4,73 4,43 -0,30 4,41 -0,32 4,30 -0,43 Với lũ 1983 kết quả tính toán cho thấy một số đặc trưng lũ tại Kim Long có sự thay đổi đáng kể. Khi chưa có các hồ, cường suất lũ lên cực đại 0,35 m/giờ, sau khi có hồ giảm xuống còn 0,14 – 0,33 m/giờ, cường suất lũ lên trung bình giảm từ 0,09 m/giờ xuống còn 0,05 – 0,07 m/giờ tùy theo từng phương án vận hành, thời gian duy trì mực nước trên báo động 3 giảm từ 8 – 9 giờ, lũ điều hòa hơn. Trường hợp có xét đến BĐKH, kết quả tính toán lũ 1999 tại hạ lưu theo các phương án vận hành xem hình 3.5, 3.6, bảng 3.5 Hình 3.5: Quá trình mực nước lũ Hình 3.6: Quá trình mực nước lũ tính toán 1999 tại Kim Long, các tính toán 1999 tại Kim Long, các hồ vận hành PAI, xét BĐKH hồ vận hành PAII, xét BĐKH Bảng 3.5: Thay đổi mực nước đỉnh lũ năm 1999 ở hạ lưu sông Hương có xét đến biến đổi khí hậu (m) Vị trí TH1 H0 Kim Long Phú Ốc 6,09 4,68 PA I TH2 TH3 H2-H1 (H1) (H2) 5,81 6,15 + 0,34 4,60 4,71 + 0,11 PA II TH2 TH3 H4-H3 (H3) (H4) 5,13 5,32 + 0,29 4,48 4,56 + 0,08 17 Như vậy, qua các kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi chế độ dòng chảy lũ ở hạ lưu sông Hương phụ thuộc rất lớn vào chế độ vận hành điều tiết lũ của các hồ chứa ở thượng lưu, đặc biệt là hồ Tả Trạch. Cả hai phương án PAII (vận hành phối hợp) và PA III (vận hành phối hợp + tăng dung tích phòng lũ) đều làm giảm mực nước đỉnh lũ năm 1983 tại Kim Long từ 1,2-1,4 m, đảm bảo tiêu chuẩn giảm lũ chính vụ năm 1983 cho thành phố Huế. Trong các trường hợp nghiên cứu, tác động của BĐKH đến năm 2030 theo các phương án vận hành hồ chứa tới sự thay đổi mực nước đỉnh lũ ở hạ lưu là không đáng kể so với tác động do các hồ chứa gây ra. 3.2.3 Tác động đến dòng chảy kiệt Các kết quả tính toán mực nước dòng chảy kiệt (tháng I-VIII) năm nước trung bình theo phương án vận hành độc lập ở bảng 3.6. Bảng 3.6: Thay đổi mực nước mùa cạn năm nước trung bình (m) TH1 TH2-PAI TH3-PAI Vị trí H1 H2 H2-H1 H3 H3-H2 Kim Long -0,11 0,52 +0,63 0,52 0,00 Phú Ốc 0,17 0,74 +0,57 0,75 +0,01 Kết quả tính toán cho thấy vào mùa cạn vai trò của đập Thảo Long và các hồ chứa là rất lớn, chúng làm tăng mực nước trung bình mùa cạn ở hạ lưu lên tới trên dưới 0,60m. Trường hợp có xét đến biến đổi khí hậu đến năm 2030, kết quả tính toán cho thấy mực nước trung bình mùa cạn tại Kim Long, Phú Ốc hầu như không đổi. Tại Kim Long, sau khi có các công trình, mực nước trên +0,4 m duy trì suốt mùa cạn, mực nước trung bình mùa cạn đạt cao trình +0,52 m, đảm bảo cung cấp nguồn nước tưới tự chảy cho vùng đồng bằng sông Hương, đủ khả năng chuyển nước cho vùng Phú Lộc. 3.2.4 Tác động đến vấn đề bùn cát hạ lưu Kết quả tính toán cho thấy mực nước tại trạm Bình Điền giảm đáng kể so với cùng cấp lưu lượng. Cùng một trị số lưu lượng, mực nước đã hạ thấp trung bình 40 cm so với khi chưa có hồ. Do chỉ có số liệu khảo sát 1 năm sau khi hồ Bình Điền đi vào vận hành nên chưa phản ánh đầy đủ và chính xác nguyên nhân hạ thấp mực nước tại trạm Bình Điền, nhưng sơ bộ cho thấy hồ Bình Điền đã có tác 18 động nhất định đến sự thay đổi bùn cát ở hạ lưu, là một trong những nguyên nhân làm xói lở lòng sông, làm cho các quan hệ thủy văn thủy lực biến đổi. Khi có thêm hồ Tả Trạch vận hành, diễn biến dòng chảy bùn cát ở hạ lưu sông Hương có thể còn nhiều thay đổi. 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Bằng cách tiếp cận tổng hợp và sử dụng các mô hình toán thủy văn thủy lực HEC-HMS và HEC-RAS, luận án đã bước đầu định lượng được một số tác động chính của các công trình thủy lợi – thủy điện và biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn – thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương. Kết quả cho thấy tác động của các công trình TL-TĐ trên hệ thống sông Hương đến một số yếu tố TV-TL hạ lưu là rất đáng kể, cần đặc biệt lưu ý đến (i)- quy trình vận hành của hồ Bình Điền và Hương Điền trong mùa lũ; và (ii)- vai trò chủ đạo trong giảm lũ của phần dung tích phòng lũ, điển hình là hồ Tả Trạch và vai trò ngăn ảnh hưởng triều của đập Thảo Long. Tác động của BĐKH theo kịch bản B2 đến năm 2030 tới dòng chảy năm, dòng chảy kiệt ở hạ lưu là không đáng kể so với tác động của công trình TL-TĐ. Đối với dòng chảy lũ, trong trường hợp mưa lũ cực đoan (lũ năm 1999) tác động của BĐKH trở nên rõ ràng hơn. Chương IV ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƯỚNG GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG TIÊU CỰC VÀ TĂNG HIỆU QUẢ CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN 4.1 MỤC TIÊU VÀ CƠ SỞ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 4.1.1 Mục tiêu giải pháp - Giảm nhẹ các tác động bất lợi của các công trình thủy lợi - thủy điện đến vùng hạ lưu trong mùa lũ và mùa cạn nhằm phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường; - Nâng cao hiệu quả của các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực nhằm giải quyết các mâu thuẫn giữa năng lượng và phòng chống lũ, an toàn và giảm nhẹ thiệt hại cho vùng hạ lưu. 4.1.2 Cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất giải pháp - Điều kiện đặc thù tự nhiên vùng hạ lưu; - Vai trò của các công trình thủy lợi – thủy điện; - Yêu cầu phát triển bền vững và bảo vệ môi trường lưu vực.