ĐỀ CƯƠNG THẠC sĩ kỹ THUẬT (chuyên ngành phát triển nguồn nước)

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐIỀU PHỐI CÁC HỒ CHỨA LỚN CẤP NƯỚC MÙA CẠN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG THÁI BÌNH I. Tính cấp thiết của đề tài Lưu vực sông Hồng sông Thái Bình là một hệ thống sông liên quốc gia chảy qua ba nước Trung Quốc, Việt Nam và Lào. Đây là một trong những lưu vực sông có lượng nước dồi dào đứng thứ 22 trên thế giới với tổng lượng nước hàng năm khoảng 130 đến 140 km3. Phần lưu vực sông Hồng sông Thái Bình thuộc lãnh thổ Việt Nam bao gồm 26 tỉnh là nơi sinh sống của khoảng 25 triệu dân. Đặc biệt các khu dân cư tập trung ở vùng châu thổcó thủ đô Hà Nộilà trung tâm chính trị, văn hoá, kinh tế của cả nước. Sông Hồng sông Thái Bình có lượng nước nhiều song phân bố không đều theo không gian và thời gian. Hơn 90% bề mặt của lưu vực là đồi núi, nguồn nước mặt chủ yếu do mưa. Về mùa mưa một lượng nước lớn tập trung nhanh thành dòng chảy mặt gây nên lũ lớn trên diện rộng. Về mùa khô các sông suối thượng nguồn khô hạn, nhiều vùng thiếu nước nghiêm trọng ảnh hưởng lớn đến hoạt động phát triển kinh tế trên lưu vực. Thiếu nước nhiều khi nghiêm trọng ảnh hưởng đến cả lượng nước cho ăn uống và sinh hoạt của người dân sống trên lưu vực. Thiếu nước cũng dẫn đến nước mặn xâm nhập, giao thông thuỷ bị gián đoạn, lượng nước duy trì hệ sinh thái sông không được đảm bảo.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI



ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐIỀU PHỐI CÁC HỒ CHỨA LỚN CẤP NƯỚC MÙA CẠN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG - THÁI BÌNH

Hà Nội, tháng năm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI



ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐIỀU PHỐI CÁC HỒ CHỨA LỚN CẤP NƯỚC MÙA CẠN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG - THÁI BÌNH

Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước

Mã số: 60 - 44 - 92

Học viên cao học:

Người hướng dẫn khoa học:

Hà Nội, tháng 5 năm 2006

Mục lục

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

II.1 Ngoài nước 3

II.2 Trong nước 4

II.3 Về dòng chảy mùa cạn và giải quyết mâu thuẫn giữa phát điện với các nhu cầu nước khác cho hệ thống 6

III Mục tiêu 7

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng 7

V Phương pháp nghiên cứu, công cụ sử dụng 7

V.1 Phương pháp 7

V.2 Công cụ sử dụng 7

VI Các nội dung dự kiến 8

VII Chuẩn bị của Nghiên cứu sinh 9

VII.1 Tham gia các dự án, đề tài nghiên cứu khoa học 9

VII.2 Chuẩn bị của Nghiên cứu sinh 10

VIII Kế hoạch dự kiến thực hiện nghiên cứu 10

IX Tài liệu tham khảo 11

Vùng nghiên cứu: lưu vực sông Hồng - Thái Bình

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐIỀU PHỐI CÁC HỒ CHỨA LỚN CẤP NƯỚC MÙA CẠN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG - THÁI BÌNH

I Tính cấp thiết của đề tài

Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình là một hệ thống sông liên quốc gia chảy qua ba nước Trung Quốc, Việt Nam và Lào Đây là một trong những lưu vực sông có lượng nước dồi dào - đứng thứ 22 trên thế giới với tổng lượng nước hàng năm khoảng 130 đến 140 km3

Phần lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình thuộc lãnh thổ Việt Nam bao gồm 26 tỉnh là nơi sinh sống của khoảng 25 triệu dân Đặc biệt các khu dân cư tập trung

ở vùng châu thổ-có thủ đô Hà Nội-là trung tâm chính trị, văn hoá, kinh tế của cả nước

Sông Hồng - sông Thái Bình có lượng nước nhiều song phân bố không đều theo không gian và thời gian Hơn 90% bề mặt của lưu vực là đồi núi, nguồn nước mặt chủ yếu do mưa Về mùa mưa một lượng nước lớn tập trung nhanh thành dòng chảy mặt gây nên lũ lớn trên diện rộng Về mùa khô các sông suối thượng nguồn khô hạn, nhiều vùng thiếu nước nghiêm trọng ảnh hưởng lớn đến hoạt động phát triển kinh tế trên lưu vực Thiếu nước nhiều khi nghiêm trọng ảnh hưởng đến cả lượng nước cho ăn uống và sinh hoạt của người dân sống trên lưu vực Thiếu nước cũng dẫn đến nước mặn xâm nhập, giao thông thuỷ bị gián đoạn, lượng nước duy trì hệ sinh thái sông không được đảm bảo

Hệ thống công trình thuỷ lợi đã được liên tục đầu tư phát triển trên toàn phạm vi lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình Nhiều hồ chứa trên dòng chính, dòng nhánh đã được xây dựng Hệ thống các trạm bơm, đập dâng, cống lấy nước, bơm tiêu, hệ thống kênh trục, kênh dẫn nước tưới, các hệ thống đê, công trình phòng chống lũ, nhà máy thuỷ điện, công trình phục vụ giao thông thuỷ đã được đầu tư xây dựng

Tuy vậy cho đến nay hàng năm bão lũ, hạn hán vẫn thường xuyên xảy ra trên phạm vi rộng Đặc biệt tình hình thiếu nước ngày càng trở nên trầm trọng và có diễn biến bất thường như mùa khô năm 2004, 2005 và 2006 mực nước sông Hồng tại Hà Nội đã xuống tới mức báo động khoảng 1,38 đến 1,45 m (năm

2006), thấp nhất trong vòng 100 năm qua, thiếu nước đe dọa các hoạt động kinh

tế xã hội, đặc biệt là sản xuất nông nghiệp của người nông dân trên toàn lưu vực Một số hệ thống thủy nông đã phải tận dụng thủy triều lấy nước triều ngược vào hệ thống (hệ thống Bắc Hưng Hải) nên chất lượng nước khó đảm bảo Tuy nhiên, qua đợt hạn năm 2004, 2005 và hiện nay là năm 2006, nhờ có hệ thống hồ điều tiết thượng lưu, đặc biệt là các hồ lớn như Hoà Bình, Thác Bà

đã điều phối cấp nước tưới trong giai đoạn đầu của vụ đông xuân, nhưng thiệt hại do hạn hán và mực nước sông hạ thấp gây ra vẫn vô cùng lớn

Một số lưu vực sông có tiềm năng phát triển thuỷ điện lớn ở nước ta như lưu vực sông Đà, Lô ở miền Bắc, lưu vực sông Srepok, Sesan ở Tây Nguyên, lưu vực sông Đồng Nai thuộc Đông Nam Bộ… có nhiều công trình thuỷ điện lớn và vừa đã xây dựng và đi vào vận hành phục vụ đa mục tiêu phát điện, chống lũ và cấp nước cho hạ du… Khi thiết kế các công trình thuỷ điện đều có quy trình vận hành tuy mới ở mức độc lập, riêng rẽ phục vụ chủ yếu cho phát điện và chống

lũ Việc phối hợp vận hành hợp lý của các hồ chứa bậc thang phục vụ đa mục tiêu như sản xuất điện, nông nghiệp, công nghiệp, dân sinh, du lịch, sinh thái, môi trường,…chưa được xem xét một cách chi tiết, đặc biệt là chưa có quy trình vận hành điều phối cấp nước trong mùa cạn

Hồ Hoà Bình trên sông Đà được xây dựng và đưa vào vận hành từ năm 1989 với quy trình vận hành năm 1994 (thiết kế) và qui trình vận hành chống lũ hạ du ban hành năm 1997, 2005 Công trình đã vận hành hơn 15 năm, đã tham gia chống lũ rất có hiệu quả, cấp nước cho hạ du hàng năm (từ tháng 1 đến tháng 3) theo yêu cầu thực tế của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, chứ chưa có quy trình vận hành một cách chủ động Hiện tại ở thượng lưu vực sông Hồng có hai hồ lớn là Hòa Bình và Thác Bà, trong tương lai không xa sẽ có thêm một số

hồ chứa lớn tham gia vào phát điện và điều tiết dòng chảy cho hạ du (năm 2007

hồ Tuyên Quang trên sông Gâm, sau năm 2010 hồ Sơn La, Lai Châu (Nậm Nhùn), Huổi Quảng, Bản Chát trên lưu vực sông Đà, hồ Văn Lăng và Nà Lạnh thượng du sông Thái Bình) Theo các nghiên cứu qui hoạch cấp nước lưu vực sông Hồng - Thái Bình do Viện QHTL thực hiện thì các hồ trên sẽ đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội đến năm 2010 và 2020 Mặc dù vậy, lượng nước tích ở các hồ chứa có hạn, nhu cầu phát triển kinh tế sẽ tăng mạnh sau năm 2010 cùng với biến đổi khí hậu bất lợi thì việc thiếu nước là điều khó tránh khỏi Do

đó, việc nghiên cứu các biện pháp phát triển tài nguyên nước trên lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình là đặc biệt quan trọng

Vì vậy, việc điều phối cấp nước hợp lý trong mùa cạn của các hồ chứa lớn thượng nguồn cho đồng bằng sông Hồng điều hòa lợi ích của các hộ dùng nước khác nhau với mục tiêu mang lại hiệu quả kinh tế lớn nhất cho đồng bằng sông Hồng - Thái Bình là rất cần thiết

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

II.1 Ngoài nước

Trên thế giới, việc nghiên cứu điều hành lũ, điều phối cấp nước, phát điện và các lợi ích khác được nhiều học giả và các chuyên gia nghiên cứu rất sâu Đối với việc quản lý hệ thống các hồ phòng lũ, phát điện và cấp nước có thể tóm tắt những hướng phát triển chính như sau:

(1) Quản lý hệ thống theo biểu đồ điều phối cấp nước: Hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng đối với các hồ chứa độc lập và đơn thuần chỉ có nhiệm vụ cấp nước, phát điện và chống lũ cho bản thân công trình Đối với hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện đã nghiên cứu phát triển các phương pháp tối ưu hoá để xác định chế độ làm việc tối ưu của hệ thống hồ chứa (2) Quản lý theo mô hình: đây là hướng phát triển hiện đại Hệ thống các hồ chứa và công trình phân phối nước được thiết lập như một hệ thống tổng hợp Các nghiên cứu tập trung xây dựng các mô hình mô phỏng kết hợp với dự báo để trợ giúp điều hành cho công tác quản lý vận hành

Theo hướng này, một loạt các mô hình mô phỏng phục vụ công tác điều hành

và quản lý hệ thống đã được phát triển: Các mô hình mô phỏng tính toán dòng chảy trong hệ thống sông như mô hình thuỷ lực 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều, họ mô hình HEC (HEC-3, HEC-5, HEC-RAS, HEC-ResSim) Các mô hình tính toán vỡ đập như DWOPER, DAMBRK, FLDWAY; tính toán và điều phối nguồn nước lưu vực (MIKE11, MIKE21, MIKE BASIN, MITSIM, RIBASIM)

(3) Tự động hoá trong công tác điều hành: Việc tự động hoá đã được thực hiện ở những nước tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Đài loan, Trung quốc

Theo hướng này, để có thể tự động hoá trong điều hành hệ thống cần thiết phải kèm theo các thiết bị đo và điều khiển tự động

b) Công nghệ dự báo hiện đại

Nhiều mô hình toán đã kết nối với hệ thống cơ sở dữ liệu như hệ thông tin địa lý (GIS), các vệ tinh, Rada để tăng tính hiệu quả của các mô hình toán Kỹ thuật

dự báo số trong dự báo tác nghiệp được phát triển mạnh

c) Các trung tâm kiểm soát và điều độ nguồn nước phạm vi quốc gia

Nhằm điều hành thống nhất và có hiệu quả kiểm soát lũ, chia sẻ nguồn nước trên phạm vi quốc gia phần lớn các nước tiên tiến như Nga, Mỹ, Anh, Nhật, Hà Lan, Đan Mạch, Canada, Cộng hoà Liên bang Đức v.v đã xây dựng các trung tâm, chia sẻ thông tin với nhau Ở các trung tâm này có các trang thiết bị thu phát thông tin hiện đại, các phần mềm mạnh và đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ viễn thám cho phép phân tích ngập lụt, hạn hán và tổn thất thiên tai, nhằm trợ giúp lựa chọn giải pháp phòng tránh hiệu quả Các trung tâm có trang WEB riêng và thường xuyên phát tin trên mạng Internet

II.2 Trong nước

a) Các dự án làm thay đổi cơ sở hạ tầng

- Dự án nâng lõi đập hồ Hòa Bình đến cao trình 122,5m phục vụ chống lũ 49.000 m3/s đã được công ty Hydroproject của Cộng hoà liên bang Nga thực hiện, Bộ Công nghiệp và Bộ Khoa học & Công nghệ đã tiến hành thẩm định và đệ trình phê duyệt

- Hồ chứa Tuyên Quang trên sông Gâm sẽ vận hành tổ máy đầu tiên vào năm 2007 Sự ra đời của hồ Tuyên Quang sẽ bổ sung thêm dung tích điều tiết phòng lũ và cấp nước cho hạ du

- Hồ Sơn La trên sông Đà đưa tổ máy số 1 vào hoạt động năm 2009 sẽ nâng tổng dung tích phòng lũ hạ du lên 7 tỷ m3 Hồ Lai Châu (Nậm Nhùn) và

hồ Bản Chát, hồ Nậm Quảng trên nhánh sông Nậm Mu cũng sẽ đưa vào hoạt động năm 2010 - 2013 Toàn cảnh bức tranh về phòng lũ và khai thác

tài nguyên nước trên đồng bằng sông Hồng - Thái Bình sẽ thay đổi sâu sắc khi hệ thống hồ ra đời Cần nắm bắt những thay đổi này và thể hiện trong quy trình điều tiết cấp nước cho đồng bằng sông Hồng - Thái Bình

- Dự án “làm sống lại sông Đáy” đang được thử nghiệm với những bước đi ban đầu như xây dựng mới cống Vân Cốc 3 cửa, tiến tới 9 cửa, kênh dẫn

lũ Ngọc Tảo, cống Đáy, thực hiện dẫn nước sông Hồng vào sông Đáy 50

m3/s trong mùa kiệt, thực hiện phân lưu lượng thường xuyên 600 m3/s vào đầu và cuối mùa lũ hàng năm vào sông Đáy Với sự ra đời của các hồ chứa nước lớn thượng nguồn, con người mơ ước trong một tương lai gần

sẽ loại bỏ việc phải sử dụng hai cánh đồng màu mỡ Chương Mỹ, Mỹ Đức, nơi có gần 1 triệu người đang sinh sống làm khu phân chậm lũ

b) Các tiêu chuẩn tính toán và phương pháp luận

- Tiêu chuẩn ngành về phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng - Thái Bình: chống lũ 500 năm giữ mực nước Hà Nội không vượt 13,4 m, mực nước Phả Lại không vượt 7,2 m đã được thông qua Đê không tôn cao, chỉ gia cố tăng mức nước an toàn

c) Các dự án và nghiên cứu liên quan đến điều phối cấp nước trong lưu vực

- Dự án xây dựng “Quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông

Lô phục vụ đa mục tiêu, đảm bảo an toàn và phát triển kinh tế xã hội đồng bằng Bắc Bộ”, 2005-2007 (Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi) Trong dự án này chỉ xét đến 3 hồ chứa Hòa Bình (trên sông Đà), Thác Bà (trên sông Chảy) và Tuyên Quang (trên sông Gâm)

- Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học, thực tiễn điều hành cấp nước mùa cạn cho đồng bằng sông Hồng”, 2005-2007 (Trường Đại học Thủy lợi) Trong đề tài này chỉ xét đến 4 hồ chứa Sơn La và Hòa Bình (trên sông Đà), Thác Bà (trên sông Chảy) và Tuyên Quang (trên sông Gâm)

II.3 Về dòng chảy mùa cạn và giải quyết mâu thuẫn giữa phát điện với

các nhu cầu nước khác cho hệ thống

a) Nhiệm vụ cấp nước cho hạ lưu đã thay đổi so với thiết kế ban đầu

- Theo thiết kế xả xuống hạ du mùa kiệt không nhỏ hơn 600 m3/s, trong đó dòng chảy sinh thái chưa được xác định một cách có cơ sở khoa học

- Tần suất cấp nước thiết kế hiện tại p = 75%, nhưng theo quy hoạch phát triển sẽ nâng lên p = 85%

- Các nghiên cứu giai đoạn trước khi có thêm các hồ chứa mới như Tuyên Quang và Sơn La mới là cân bằng lượng nước cho cả mùa mà chưa nghiên cứu cho tuần, tháng nên đã gây tình trạng thiếu nước trong các năm từ 2003 - 2004

b) Tình hình thời tiết biến động, do ảnh hưởng của Elnino và Lanila, các chu kỳ khô hạn có xu thế gia tăng và nước đến trong mùa cạn có xu thế ngày càng ít

do mưa mùa cạn giảm làm tăng tính khốc liệt của tình hình thiếu nước Trong khi yêu cầu dùng nước của các ngành kinh tế có xu thế ngày càng tăng

do phát triển kinh tế, dân số tăng, đặc biệt là cấp nước vụ đông - đang trở thành vụ chính do tăng vụ và thâm canh Điều đó đồng nghĩa với lượng nước cần tăng đột biến

c) Đối với hồ chứa Hòa Bình và Thác Bà mới chỉ có quy trình vận hành chống

lũ chứ chưa có quy trình cấp nước trong mùa cạn cho vùng đồng bằng, chính vì vậy chưa chủ động trong việc lập kế hoạch hàng năm cho phát điện và cấp nước hạ du

d) Đối với hệ thống công trình cấp và phân phối nước vùng đồng bằng hiện chưa có quy trình điều hành chung cho cả hệ thống

e) Chưa có những nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc xác định nhu cầu nước sinh thái cho các hệ thống sông Hồng - Thái Bình

Với những vấn đề được trình bày ở trên, việc nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm điều hành hệ thống các hồ chứa lớn phục vụ điều phối và chia sẻ nguồn nước cho các hộ dùng nước khác nhau trong mùa cạn, nhằm tránh những tổn thất lớn

về kinh tế xã hội là rất cấp thiết

III Mục tiêu

- Đánh giá diễn biến dòng chảy mùa cạn có xem xét đến nhu cầu dùng nước phục vụ phát triển kinh tế xã hội ở đồng bằng sông Hồng - Thái Bình

- Đề xuất cơ sở khoa học điều phối các hồ chứa lớn cấp nước mùa cạn cho đồng bằng sông Hồng - Thái Bình

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là dòng chảy mặt mùa cạn ở hạ du lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là (về không gian) lưu vực sông Hồng -Thái Bình, (về thời gian) tập trung vào thời gian mùa cạn chủ yếu từ tháng

1 đến tháng 3 - là thời gian căng thẳng về nước - lượng nước đến nhỏ trong khi đó lượng nước sử dụng cho nông nghiệp lại lớn Dự kiến các hồ chứa lớn cần đưa vào nghiên cứu bao gồm các hồ đã có như Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang và các hồ sẽ được xem xét như Sơn La, Lai Châu (Nậm Nhùn), Huổi Quảng, Bản Chát

V Phương pháp nghiên cứu, công cụ sử dụng

V.1 Phương pháp

- Phương pháp điều tra, khảo sát phân tích tổng hợp

- Phương pháp phân tích hệ thống, phân tích thống kê

- Phương pháp mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực, cân bằng nước và ứng dụng công nghệ hiện đại GIS

- Phương pháp chuyên gia

V.2 Công cụ sử dụng

- Khai thác, sử dụng các phần mềm phù hợp với những nội dung nghiên cứu Xây dựng và khai thác các mô hình tính toán thủy văn, thủy lực điều tiết cấp nước từ hệ thống hồ chứa phục vụ cho các hoạt động kinh tế xã hội vùng đồng bằng

- Một số mô hình và phần mềm có thể được sử dụng: Mike 11(-GIS), Mike Basin, HEC-ResSim, …