Tính phân phối dòng chảy năm của trạm thủy văn thành mỹ khi hồ chứa đắk mi 4 vận hành có kể đến biến đổi khí hậu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH NGỌC HỢI TÍNH PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY NĂM CỦA TRẠM THỦY VĂN THÀNH MỸ KHI HỒ CHỨA ĐẮK MI 4 VẬN HÀNH CÓ KỂ ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH NGỌC HỢI

TÍNH PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY NĂM CỦA TRẠM THỦY VĂN THÀNH MỸ KHI HỒ CHỨA ĐẮK MI 4 VẬN HÀNH CÓ

KỂ ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Thủy

Mã số: 60.58.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TÔ THÚY NGA

Phản biện 1: TS NGUYỄN CHÍ CÔNG

Phản biện 2: TS VÕ NGỌC DƯƠNG

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy họp tại Trường Đại

học Bách Khoa vào ngày 20 tháng 8 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Trường Đại học

Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn là hệ thống sông lớn nhất của tỉnh Quảng Nam và cùng là một trong những con sông lớn nhất của các tỉnh vùng Duyên hải Trung Bộ Lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diện tích lưu vực: 10.350 km2, phía Bắc giáp lưu vực sông Cự Đê, phía Nam giáp lưu vực sông Trà Bồng và Sê San, phía Tây giáp Lào, phía Đông giáp biển Đông là lưu vực sông Tam

Kỳ

Trong khoảng 10 năm trở lại đây lưu vực Vu Gia Thu Bồn là một trong những lưu vực chịu ảnh hưởng nặng nề bởi lũ lụt và hạn hán, lũ lụt thì tần suất xảy ra nhiều hơn như các trận lũ trên sông Vu Gia tại Ái Nghĩa và Cẩm Lệ luôn nằm trên báo động 3 (các năm

2007, 2009, 2011, 2013), trong khi hạn hán xâm nhập mặn đe dọa hằng năm đến cấp nước sinh hoạt cho thành phố luôn là vấn đề nóng bỏng tranh chấp giữa Đà Nẵng, Quảng Nam và các nhà máy trên hệ thống điện

Trong bối cảnh BĐKH làm cho lượng mưa mùa lũ có xu hướng tăng dẫn đến sự gia tăng dòng chảy mùa lũ và và lưu lượng giảm mùa kiệt làm giảm dòng chảy về mùa cạn Theo kịch bản BĐKH của Bộ tài Nguyên môi trường năm 2012, thì lượng mưa từ tháng 3 đến tháng 5 giảm đến 8,3% tại Quảng Nam và 9,9% tại Đà Nẵng đối ứng với năm 2100, trong khi đó mùa lũ thì lượng mưa gia tăng 12,5% tại Quảng Nam và 9,3% tại Đà Nẵng vào mùa lũ

Do đó việc nghiên cứu mô phỏng dòng chảy trung bình năm tại trạm thủy văn Thành Mỹ trong tương lai theo các kịch bản BĐKH

trên lưu vực là rất cấp thiết nhằm sớm các giải pháp ứng phó với mùa

lũ và sử dụng nguồn nước hợp lý hơn về mùa kiệt

Biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên phạm vi toàn cầu, bao gồm cả các thay đổi trong thành phần hoá học của khí quyển, biến đổi nhiệt độ bề mặt, nước biển dâng, các hiện tượng khí hậu cực đoan

và thiên tai tăng lên đáng kể về số lượng và cường độ

Những thay đổi này dẫn đến những thay đổi trong các hệ thống vật lý, hệ sinh học và hệ thống kinh tế - xã hội trên toàn hành tinh và

đe doạ sự phát triển, đe doạ cuộc sống của tất cả các loài, các hệ sinh thái

Nghiên cứu về biến đổi khí hậu, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và đề xuất các giải pháp thích nghi là sự đóng góp đáng kể để bảo vệ cuộc sống, phục vụ phát triển bền vững

Dòng chảy của trạm thủy văn Thành Mỹ nằm trong lưu vực Vu Gia-Thu Bồn, thường xuyên chịu nhiều tác động của các hiện tượng liên quan đến BĐKH như: lũ lụt, bão, áp thấp nhiệt đới BĐKH sẽ làm thay đổi chế độ dòng chảy trong sông, tăng nguy cơ ngập lụt, hạn hán, xâm nhập mặn và nhiều ảnh hưởng tiêu cực khác, tác động xấu đến phát triển KT - XH và môi trường của tỉnh Quảng Nam và Đà Nẵng

Xuất phát từ các lý do trên, tác giả đề xuất đề tài luận văn là:

“Tính phân phối dòng chảy năm của trạm Thủy văn Thành Mỹ

khi hồ chứa Đắk Mi 4 vận hành có kể đến biến đổi khí hậu”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Sự biến đổi dòng chảy vùng thượng lưu Vu Gia Thu Bồn khi xét đến Biến đổi khí hậu và hồ chứa thủy điện Đắk Mi 4 đi vào vận hành

- Phạm vi nghiên cứu: Thượng lưu lưu vực Vu Gia Thu Bồn

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Cách tiếp cận

Từ các số liệu thực tế và kịch bản biến đổi khí hậu đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012, công bố cho từng vùng, áp dụng mô hình toán thủy văn tính toán dòng chảy trên các tiểu lưu vực, tìm trị số mưa, tính truyền lũ Sau đó, áp dụng mô hình điều tiết dòng chảy tính toán vận hành hồ chứa thủy điện Đắk Mi 4 trên lưu vực Thành Mỹ

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kế thừa nghiên cứu: kế thừa một số các tài liệu,

cơ sở dữ liệu và kết quả nghiên cứu các đề tài nghiên cứu đi trước về biến đổi khí hậu trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn;

Phương pháp phân tích, thống kê: phân tích xử lý số liệu; Phương pháp ứng dụng mô hình toán: Dựa trên khả năng ứng

dụng và sự phổ cập của các mô hình, trong nghiên cứu này tác giả đề xuất sử dụng mô hình MIKE NAM, HEC-RESSIM, để mô phỏng biến đổi dòng chảy và thiết lập mô hình vận hành hồ chứa trên lưu vực Thành Mỹ

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

4.1 Đối với tác giả và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu

- Nâng cao trình độ chuyên môn cho bản thân kỹ sư tham gia thực hiện Xây dựng bộ thông số mô hình phù hợp với chế độ dòng chảy ứng với kịch bản BĐKH

- Mô phỏng phân phối dòng chảy trên lưu vực Thành Mỹ khi thủy điện Đắk Mi 4 đi vào vận hành

- Dưới sự điều tiết dòng chảy của các hồ chứa thì dòng chảy sẽ được phân phối lại phù hợp với nhu cầu sử dụng

- Dòng chảy dưới tác động của BĐKH trở nên thay đổi không ngừng, phân bố không đều theo không gian và thời gian

4.2 Đối với kinh tế - xã hội và môi trường

- Số liệu dự báo sẽ giúp cho đơn vị có liên quan có cái nhìn tổng thể về chế độ dòng chảy trong kịch bản BĐKH trong tương lai,

từ đó đề xuất các phương án quản lý, vận hành, thiết kế, thi công phù hợp góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh cho doanh nghiệp và đảm bảo an sinh xã hội khu vực dự án

- Có thêm những nghiên cứu mới để đánh giá lượng dòng chảy

về hạ lưu, cần đề cập đầy đủ và chính xác hơn về các điểm lấy nước

và đánh giá chất lượng nguồn nước trên toàn lưu vực Vu Gia-Thu Bồn

5 Nội dung luận văn bao gồm

Dự kiến bố cục và nội dung của luận văn gồm:

PHẦN MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC THÀNH MỸ

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY ĐẾN LƯU VỰC THÀNH MỸ THEO CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHI THỦY ĐIỆN ĐẮK MI 4 VẬN HÀNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1 Khái niệm về biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu là sự biến đổi trạng thái của khí hậu so với trung bình trong một khoảng thời gian dài

Biến đổi khí hậu có thể là do các quá trình tự nhiên bên trong hoặc các tác động bên ngoài, hoặc do hoạt động của con người làm thay đổi thành phần của khí quyển hay trong khai thác sử dụng đất

1.2 Tổng quan về Biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước

1.2.1 Biến đổi khí hậu trên phạm vi toàn cầu

Các nghiên cứu và tính toán mới nhất của IPCC về biến đổi khí hậu trong tương lai cho thấy, đến năm 2100 nhiệt độ bề mặt trái đất

có thể tăng từ 1,5 đến 4,5oC Nhiệt độ mặt đất tăng nhanh hơn mặt biển Nhiệt độ Bắc bán cầu tăng nhiều hơn Nam bán cầu Lượng mưa tăng không đều, mưa nhiều hơn ở các vùng cực Mực nước biển có thể dâng lên từ 30 đến 90 cm Hiện tượng El-Nino hoạt động mạnh lên cả về cường độ và tần suất

1.2.2 Tình hình Biến đổi khí hậu ở Việt Nam

1.2.2.2 Lượng mưa (%) (Nguồn: IMHEN/2010) [13]

1.2.2.3 Không khí lạnh

1.2.2.4 Bão

1.2.2.5 Mưa phùn

1.2.2.6 Mực nước biển

1.3 Tổng quan về những nghiên cứu về tác động BĐKH đối với tài nguyên nước trên thế giới và ở Việt Nam

1.3.1 Các kịch bản được xây dựng trên thế giới : Theo đánh giá lần

thứ 4 của Ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC, 2007)

- Kịch bản gốc A1

- Kịch bản gốc A2

- Kịch bản gốc B1

- Kịch bản gốc B2

1.3.2 Các kịch bản được xây dựng tại Việt Nam

Các tiêu chí để lựa chọn phương pháp tính toán xây dựng kịch bản biến đổikhí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam bao gồm: Mức độ tin cậy của kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu; Độ chi tiết của kịch bản biến đổi khí hậu; Kinh tế thừa;Tính thời sự của kịch bản; Tính phù hợp địa phương; Tính đầy đủ của các kịch bản; Khả năng chủ động cập nhật

1.3.2.1 Kịch bản biến đổi khí hậu

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

2.1.1 Vị trí địa lý khu vực

2.1.2 Địa hình

2.2 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng khu vực nghiên cứu

2.2.1 Điều kiện địa chất

2.2.2 Điều kiện thổ nhưỡng, thảm thực vật

2.3.1.3 Bốc hơi (mm)

2.3.1.4 Gió, bão (m/s)

2.3.1.5 Nắng (giờ)

2.3.1.6 Lượng mưa (mm)

2.3.2 Đặc điểm thuỷ văn

2.3.2.1 Mạng lưới sông ngòi

5 Hệ số dòng chảy năm: 

Dòng chảy chuẩn hay còn gọi là chuẩn dòng chảy năm: là trị

số trung bình của đặc trưng dòng chảy năm trong thời kỳ nhiều năm

đã tiến tới ổn định, với điều kiện cảnh quan địa lý, điều kiện địa chất không thay đổi, không kể đến quy luật tự nhiên của dòng chảy do các hoạt động dân sinh kinh tế con người

Dòng chảy chuẩn bao gồm các đặc trưng sau:

1 Lưu lượng bình quân nhiều năm Q0;

2 Tổng lượng dòng chảy bình quân nhiều năm W0;

3 Mô đun dòng chảy bình quân nhiều năm M0;

4 Lớp bình quân dòng chảy bình quân nhiều năm Y0;

5 Hệ số dòng chảy bình quân nhiều năm 0;

6 Hệ số phân tán của chuỗi dòng chảy năm Cv;

2.3.2.3 Dòng chảy lũ

2.3.2.4 Dòng chảy kiệt

NHẬN XÉT

CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN TRÊN LƯU

VỰC THÀNH MỸ 3.1 Tổng quan về mô hình thủy văn

3.1.1 Giới thiệu chung

3.1.2 Các bước thiết lập mô hình

3.1.3 Phân loại mô hình dòng chảy

3.1.3.1 Mô hình hộp đen

3.1.3.2 Mô hình quan niệm

3.1.4 Các mô hình thủy văn tiêu biểu

- Mô hình sử dụng các hệ thức toán học đơn giản để chuyển đổi mưa thành dòng chảy, ít thông số và dễ sử dụng

- Là mô hình với thông số tập trung nên không yêu cầu nhiều

và chi tiết về số liệu đầu vào

- Đã được áp dụng để tính toán dòng chảy đến cho nhiều lưu vực sông ở Miền Trung và Tây Nguyên và cho kết quả với độ tin cậy khá cao

- Tuy nhiên các mô hình mưa – dòng chảy trước đến nay hầu hết là mô hình thương mại nên khó kết hợp chúng thành một mô hình tổng thể, khả năng đánh giá độ nhạy của mô hình và phân tích tính bất định của tham số trong mô hình đó là chưa được chú trọng và không thực hiện được nếu không có các sửa đổi phù hợp mã nguồn Với những nhận xét được trình bày ở trên thì mô hình thủy văn NAM là lựa chọn phù hợp để tính toán dòng chảy đến cho lưu vực Thành Mỹ

3.2 Khái quát mô hình NAM

3.2.1 Các điều kiện ban đầu

3.2.2 Điều kiện ban đầu của mô hình

3.2.3 Các thông số cơ bản của mô hình

3.3 Xây dựng mô hình Mike Nam cho lưu vực Thành Mỹ

3.3.1 Dữ liệu đầu vào

- Số liệu mưa thực đo của trạm Thủy văn Thành Mỹ từ năm

Hình 3.3 Dữ liệu thực đo mưa, lưu lượng tại trạm thủy văn Thành

Mỹ và dữ liệu bốc hơi tại trạm Trà My từ năm 1980 - 2010

Hình 3.4 Dữ liệu mưa để hiệu chỉnh tại trạm Thành Mỹ từ năm

1980-1995

Hình 3.5 Dữ liệu mưa để kiểm định tại trạm Thành Mỹ từ năm

1996-2010

Lưu vực Thành Mỹ sử dụng 2 trạm đo mưa trên lưu vực là Khâm Đức và Thành Mỹ Mưa lấy theo trọng số sao cho cộng lại bằng 1 Theo Phương pháp bình quân số học thì tổng các trọng số phải bằng 1 Còn ở đây trọng số mưa tùy theo vị trí lấy theo khoảng cách từ trọng tâm lưu vực đến vị trí trạm đo mưa và có hiệu chỉnh thử dần cho kết quả tốt nhất

3.3.2 Để đánh giá mức độ hiệu quả của mô hình sử dụng các chỉ

số sau

3.4 Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình tại trạm Thành Mỹ

Số liệu khí tượng thủy văn được chia thành hai chuỗi: Chuỗi

số liệu thực đo từ năm 1980-1995 lấy làm thời đoạn hiệu chỉnh thông

số của mô hình và từ năm 1996-2010 lấy làm số liệu kiểm định mô

hình

3.4.1 Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM

Hình 3.6 Kết quả hiệu chỉnh mô hình Nam

3.4.2 Kết quả kiểm định mô hình NAM

Hình 3.7 Kết quả kiểm định mô hình Nam

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm được trình bày trong (bảng

3.5) So sánh dòng chảy tính toán và dòng chảy thực đo tại trạm

Thành Mỹ được đánh giá bằng chỉ tiêu Nash-Sutclifee

Sau khi tính toán ta có kết quả Bộ thông số mô hình NAM

cho các lưu vực Thành Mỹ được trình bày tại (bảng 3.6)

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy, mô hình NAM mô phỏng khá tốt quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên lưu vực Thành Mỹ, các chỉ số Nash và hệ số tương quan từ 0.742 đến 0.91 nằm trong phạm vi khá tốt

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY ĐẾN LƯU VỰC THÀNH MỸ THEO CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

KHI THỦY ĐIỆN ĐẮK MI 4

VẬN HÀNH 4.1 Áp dụng mô hình MIKE NAM theo các kịch bản BĐKH cho lưu vực thượng lưu Đắk Mi 4 - Thành Mỹ

4.1.1 Lựa chọn các kịch bản tính toán

IMHEN đã chọn ra ba (B1, B2 và A2) trong sáu kịch bản để xây dựng kịch bản BĐKH ở Việt Nam Ba kịch bản này bao gồm kịch bản phát thải thấp (B1), kịch bản phát thải trung bình của nhóm kịch bản trung bình (B2), và kịch bản phát thải trung bình của nhóm kịch bản cao (A2) Trong số những kịch bản được lựa chọn để sử dụng tại Việt Nam, kịch bản phát thải môi trường B2 được chính thức

đề xuất là cơ sở chính để lên kế hoạch và quy hoạch ứng phó với biến đổi khí hậu Theo kết quả nghiên cứu tương lai Việt Nam sẽ phải đối mặt với:

5.1.1.1 Mực nước biển dâng

5.1.1.2 Thay đổi lượng mưa

5.1.1.3 Nhiệt độ trung bình gia tăng

5.1.1.4 Gia tăng lũ lụt

5.1.1.5 Thay đổi hình thế bão

5.1.1.6 Xâm nhập mặn và thiếu nước ngọt

Trong luận văn này lựa chọn kịch bản đánh giá mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến chế độ dòng chảy theo kịch bản phát thải trung bình B2 thì lượng mưa năm ở lưu vực có thể tăng khoảng

từ 2 ÷ 3% so với trung bình giai đoạn 1890-1999

Căn cứ Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012, ta có mức thay đổi (%) lượng mưa các mùa trong năm so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) khu vực tỉnh Quảng Nam theo các mốc thời gian của thế kỷ 21 từ năm 2030, 2050, 2100 (bảng 4.1)

Bảng 4.1 Mức thay đổi (%) lượng mưa các mùa trong năm so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) khu vực

tỉnh Quảng Nam [12]

STT Tên mùa Các mốc thời gian của thế kỷ 21

2030 2050 2100

4.1.2 Áp dụng mô hình NAM mô phỏng dòng chảy đến theo kịch bản BĐKH

Việc mô phỏng dòng chảy đến theo các kịch bản của biến đổi khí hậu trên lưu vực Đắk Mi 4 - Thành Mỹ được thực hiện theo các bước tính toán sau:

Bước 1 Sử dụng các bộ thông số mô hình thủy văn đã được

Hình 4.2 Kết quả tính toán lưu lượng trung bình đến hồ Đắk Mi 4

ứng với các kịch bản BĐKH

NHẬN XÉT

Từ bảng 4.2, 4.4, 4.5 và hình 4.2 ta thấy, theo thời gian tác động của hiện tượng BĐKH có ảnh hưởng lớn đến chế độ dòng chảy tại Đắk Mi 4 cụ thể là, sự thay đổi dòng chảy trung bình năm đều có

xu hướng tăng lên trong các năm theo kịch bản BĐKH, mức độ tăng dần giai đoạn sau cao hơn giai đoạn trước

Tuy vậy lưu lượng dòng chảy trung bình theo mùa lại biến thiên không đồng đều theo không gian và thời gian qua các giai đoạn 1980-1999, 2030, 2050, 2100, mùa lũ tăng mạnh ở các tháng 10, tháng 11, tháng 12 Mùa kiệt nằm ở các tháng 1 đến tháng 9, tháng lũ lớn nhất là tháng 11 từ 292,51(m3/s) năm 1990-1999 tăng lên 303,91(m3/s) năm 2030 tăng lên 313,09(m3/s) năm 2050 tăng lên 332,08(m3/s) năm 2100, tháng kiệt nhất là tháng 4, các tháng còn lại biến đổi không nhiều

NHẬN XÉT

Từ bảng 4.6, 4.8, 4.9 và hình 4.3 ta thấy, theo thời gian tác động của hiện tượng BĐKH có ảnh hưởng lớn đến chế độ dòng chảy tại lưu vực Thành Mỹ cụ thể là, sự thay đổi dòng chảy trung bình năm đều có xu hướng tăng lên trong các năm theo kịch bản BĐKH, mức độ tăng dần giai đoạn sau cao hơn giai đoạn trước