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 Đ
Trang 1TRƯỜNG 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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2014
Trang 2Công 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
Vào hồi giờ ngày tháng năm 2014
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
Trang 3MỞ 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
Trang 4các 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 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 của 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
Trang 5các hệ thống sông Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước tập trung đánh giá thay đổi nguồn nước trên lưu vực, 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
Các nghiên cứu trên lưu vực sông Hương trước đây thường đánh giá tác động của từng công trình, tác động tổng hợp của các công trình và biến đổi khí hậu (BĐKH) đến chế độ thủy văn - thủy lực (TV-TL) hạ lưu sông Hương chưa được xem xét đầy đủ Cách tiếp cận trong nghiên cứu chưa xét đủ tính hệ thống và tích hợp, hầu hết dựa trên giả thiết là các điều kiện thủy văn và mặt đệm lưu vực không thay đổi, đánh giá định lượng các tác động vẫn còn hạn chế
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 theo mô hình toán thủy văn thủy lực
- Tiếp cận theo kịch bản
Trang 6Sơ đồ tiếp cận của luận án xem hình 1.1
Hình 1.1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án
Tác động của hệ thống hồ
chứa thủy lợi – thủy điện
lớn ở thượng lưu
Đề xuất giải pháp định hướng
Vận hành hồ chứa thủy lợi – thủy điện
Mô hình toán thủy văn thủy lực
-Thay đổi chế độ thủy văn- thủy lực
hạ lưu
Thay đổi dòng chảy đến các hồ
Đánh giá xu thế thay đổi một số yếu tố khí hậu
Mô hình mưa – dòng chảy
Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu, NBD
Chi tiết kịch bản biến đổi BĐKH
So sánh với kết quả điều tra, khảo sát
Trang 81.2 ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG
1.2.1 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 XU THẾ BIẾN ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG
THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG
1.3.1 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
1.3.2 Xu thế biến đổi một số yếu tố khí hậu
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%)
1.3.3 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
1.3.4 Đánh giá chung về xu thế diễn biến một số yếu tố khí tượng, thủy văn và kịch bản BĐKH, NBD cho lưu vực sông Hương
Kết quả đánh giá xu thế cho thấy một số yếu tố khí tượng,
Trang 9thủy 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 đã công bố các kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng 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
1.4 Kết luận chương I
Các nghiên cứu liên quan trên lưu vực sông Hương đến nay thường đánh giá tác động của từng công trình Một số nghiên cứu đánh giá tác động đến dòng chảy nhưng chưa chi tiết và đầy đủ về mặt định lượng những thay đổi các yếu tố TV-TL khi các hồ chứa lớn trên thượng nguồn cùng hoạt động với đập Thảo Long ở hạ lưu, đặc biệt tình hình BĐKH đang đặt ra những thách thức mới cho quản lý tổng hợp tài nguyên nước trên lưu vực sông Hương.
Xu thế biến đổi của một số yếu tố khí hậu, thủy văn trên lưu vực sông Hương là khá phù hợp với kịch bản BĐKH của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012 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 TL-TĐ lớn trên lưu vực với kịch bản BĐKH trung bình B2 đã được công bố
Chương II PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN
2.1 HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN TRÊN
LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG
2.1.1 Các công trình thủy lợi - thủy điện
Liên quan trực tiếp đến các tuyến sông chính trên lưu vực có các công trình hồ chứa thủy lợi, thủy điện, các công trình cống đập lấy
Trang 10nước kết hợp ngăn mặn, thoát lũ, công trình ngăn mặn tiêu thoát lũ ở cửa sông Hương và các chi lưu
2.1.2 Đặc điểm các công trình thủy lợi- thủy điện
Hệ thống công trình rất đa dạng, gồm các hồ thượng nguồn có nhiệm vụ chống lũ, cấp nước, phát điện Các công trình vùng cửa sông
có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt và tiêu thoát lũ
2.1.3 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
2.1.4 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 2.2
Hình 2.2: Khung đánh giá tác động của các công trình thủy lợi- thủy
điện và BĐKH đến một số yếu tố TV-TL sông Hương
Trang 112.2 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 trọng trên vùng đồng bằng hạ du 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 mùa 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 26-27cm, mực nước thấp nhất, cao nhất trung bình mùa kiệt tăng 20-31cm, mực nước cao nhất trung bình mùa lũ tăng 4 cm tại Kim Long, 22 cm tại Phú Ốc 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
Trang 12Ốc 37 cm, làm nâng cao mực nước mực nước thấp nhất trung bình mùa kiệt ở Kim Long 37 cm, Phú Ốc 22 cm
2.3.2 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 hệ thống thủy lợi hồ Truồi, hỗ trợ lượng dòng chảy từ thượng lưu để đảm bảo yêu cầu môi trường, thông thoáng dòng chảy; 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 cùng với đập Thảo Long làm nâng cao mực nước mùa cạn hạ du sông Hương
2.4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS VÀ HEC-RAS ĐỂ MÔ
PHỎNG DÒNG CHẢY 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
Trang 13mực 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 2.17) và 0,78- 0,95 (kiểm định, hình 2.21);
hệ số Nash mô hình HEC-RAS đạt 0,63-0,77 (hình 2.26, 2.27)
Hình 2.17: Hiệu chỉnh mô hình Hình 2.21: Kiểm định mô hình
HEC-HMS tại Bình Điền HEC-HMS tại Dương Hòa
Hình 2.26: Kiểm định mô hình Hình 2.27: Kiểm định mô hình
HEC-RAS tại Kim Long hình HEC-RAS tại Phú Ốc
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG II
Các hồ chứa thượng lưu gồm Tả Trạch, Bình Điền, Hương Điền và đập ngăn mặn Thảo Long ở hạ lưu là các công trình có vai trò quan trọng và có tác động đáng kể đến chế độ thủy văn – thủy lực hạ
du sông Hương, được lựa chọn đưa vào nghiên cứu trong luận án
Hoạt động của các công trình Thảo Long, Bình Điền và Hương Điền trong thời gian qua tuy chưa dài nhưng kết quả phân tích cho thấy đã có những tác động đáng kể đến một số yếu tố thủy văn –
