ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN DỰ BÁO DÒNG CHẢY MÙA CẠN VỚI THỜI ĐOẠN 10 NGÀY PHỤC VỤ VẬN HÀNH MỘT SỐ HỒ CHỨA THƯỢNG NGUỒN SÔNG VU GIA - THU BỒN LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu này được đề xuất nhằm nâng cao khả năng ứng dụng mô hình thủy văn dự báo lưu lượng dòng chảy đến hồ với thời đoạn 10 ngày trong mùa cạn tại các vị trí hồ chứa thủy điện Sông T

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÙNG HỒNG LONG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN DỰ BÁO DÒNG CHẢY MÙA CẠN VỚI THỜI ĐOẠN 10 NGÀY PHỤC VỤ

VẬN HÀNH MỘT SỐ HỒ CHỨA THƯỢNG NGUỒN SÔNG VU GIA - THU BỒN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÙNG HỒNG LONG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN DỰ BÁO DÒNG CHẢY MÙA CẠN VỚI THỜI ĐOẠN 10 NGÀY PHỤC VỤ

VẬN HÀNH MỘT SỐ HỒ CHỨA THƯỢNG NGUỒN SÔNG VU GIA - THU BỒN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60.58.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Hùng

Đà Nẵng - Năm 2017

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phùng Hồng Long

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN DỰ BÁO DÒNG CHẢY MÙA CẠN VỚI THỜI ĐOẠN 10 NGÀY PHỤC VỤ VẬN HÀNH MỘT SỐ HỒ CHỨA

THƯỢNG NGUỒN SÔNG VU GIA - THU BỒN

Học viên: Phùng Hồng Long Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy

Mã số:60.58.02.02 Khóa: 2015-2017 Trường Đại học Bách khoa- ĐHĐN

Tóm tắt - Trong những năm gần đây, mô hình thủy văn được sử dụng rất nhiều trong

dự báo lũ Nghiên cứu này được đề xuất nhằm nâng cao khả năng ứng dụng mô hình thủy văn

dự báo lưu lượng dòng chảy đến hồ với thời đoạn 10 ngày trong mùa cạn tại các vị trí hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2, Đắk Mi 4 thuộc hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn Từ nguyên lý mưa

- dòng chảy, tác giả đã sử dụng lượng mưa dự báo và quá trình dòng chảy tại các thời đoạn trước thời điểm tiến hành dự báo, cho phép xây dựng các phương án dự báo dòng chảy mùa cạn với thời gian dự kiến 10 ngày và có thể lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa với thời gian dự kiến 10 ngày Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc điều hành hiệu quả các hồ chứa theo thời gian thực Làm cơ sở cho việc vận hành liên hồ chứa để phát huy hiệu quả cao nhất, vừa đảm bảo chống hạn cho hạ du, vừa đảm bảo sản lượng điện phục vụ kinh tế xã hội đồng thời giảm thiểu thất thoát nguồn nước

Từ khóa – dự báo thủy văn, dự báo 10 ngày, dự báo Sông Tranh 2, dự báo Đắk Mi 4,

in effectively managing the reservoirs in real time that one is a basis for inter-reservoir operation to maximize the effectiveness while also ensuring drought protection for the downstream area as well as ensuring electricity production for socio-economic development while minimizing water source losses

Keywords: Hydrological forecasting, 10 days forecast Song Tranh 2 forecast, Dak

Mi 4 forecast, NAM models…

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

6 Nội dung luận văn bao gồm 4

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY MÙA CẠN 5

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dòng chảy mùa cạn và điều tiết hồ chứa 5

1.1 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 9

1.2 Phạm vi tính toán của đề tài 10

Chương 2 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DÒNG CHẢY MÙA CẠN TRÊN SÔNG VU GIA – THU BỒN 12

2.1 Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn 12

2.1.1 Vị trí đi ̣a lý 12

2.1.2 Điều kiện địa hình 13

2.1.3 Đă ̣c điểm sông ngòi 13

2.2 Điều kiện kinh tế xã hội lưu vực sông 14

2.3 Đặc điểm chế độ mưa mùa cạn 15

2.3.1 Tổng lượng mưa mùa cạn 15

2.3.2 Phân phối mưa mùa cạn theo thời gian 16

2.3.3 Thời gian mưa 16

2.4 Đặc điểm dòng chảy mùa cạn 16

2.4.1 Dòng chảy mùa cạn 16

2.4.2 Đặc điểm nguồn nước mùa cạn thượng nguồn sông Vu Gia - Thu Bồn 19

2.5 Hệ thống hồ chứa Sông Tranh 2, Đăk Mi 4 và nhiệm vụ điều tiết trong mùa cạn 20

2.5.1 Hiện trạng các công trình thủy điện 20

2.5.2 Đảm bảo dòng chảy tối thiểu trên sông 21

2.5.3 Nhiệm vụ điều tiết và quy trình vận hành liên hồ chứa thời kỳ mùa cạn 22

Chương 3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN PHỤC VỤ DỰ BÁO DÒNG CHẢY 10 NGÀY MÙA CẠN CHO THƯỢNG NGUỒN SÔNG VU GIA - THU BỒN 23

3.1 Lư ̣a cho ̣n mô hình dự báo 23

́c đi ̣nh mô hình Thủy văn phục vụ dự báo dòng chảy 23

3.1.3 Lý thuyết mô hình NAM 24

3.2 Số liệu khí tượng thủy văn sử dụng trong nghiên cứu 29

3.3 Ứng dụng mô hình thủy văn MIKE-NAM tính toán dòng chảy 10 ngày mùa cạn thượng nguồn hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn 30

3.3.1 Thu thập, xử lý tài liệu địa hình, số liệu mưa, bốc hơi, lưu lượng 31

3.3.2 Thiết lâ ̣p lưu vực tính toán 31

3.3.3 Tạo lưu vực sông và file đầu vào mô hình MIKE-NAM 32

3.3.4 Thiết lập file thông số mô hình MIKE-NAM 34

3.4 Hiê ̣u chỉnh và kiểm đi ̣nh mô hình MIKE-NAM 36

3.4.1 Đối với lưu vực Nông Sơn, Thành Mỹ 36

3.4.2 Đối với lưu vực Sông Tranh 2, Đắk Mi 4 43

Chương 4 DỰ BÁO THỬ NGHIỆM DÒNG CHẢY 10 NGÀY MÙA CẠN ĐẾN HỒ CHỨA SÔNG TRANH 2 VÀ ĐẮK MI 4 50

4.1 Lập phương án dự báo dòng chảy thời đoạn 10 ngày mùa cạn đến các hồ chứa Sông Tranh 2 và hồ chứa Đắk Mi 4 50

4.2 Khả năng dự báo mưa lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn 50

4.3 Dư ̣ báo thử nghiê ̣m lưu lượng dòng chảy về hồ chứa Sông Tranh 2 và hồ chứa Đắk Mi 4 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

1 Kết luận 58

2 Kiến nghị 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

PHỤ LỤC

TB: Trung bình LV: Lưu vực TV: Thủy văn TBNN: Trung bình nhiều năm KTTV: Khí tượng thủy văn MT: Môi trường

ESNO: El Nino Southern Oscillation M: Mô đuyn dòng chảy

Q: Lưu lượng dòng chảy W: Tổng lượng dòng chảy

Whi: Dung tích hữu ích H: Đô ̣ cao mực nước Kp: Hệ số phân phối MND: Mực nước dâng MNDGC: Mực nước dâng gia cường MNC: Mực nước chết

Enăm: Tổng điện năng năm WBL: Chênh lệch tổng lượng dòng chảy tính toán và thực đo NCKH: Nghiên cứu khoa học

NNC: Nhóm nghiên cứu

3.4 Số liệu các trạm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 31

3.5 Danh sách các tiểu lưu vực của thượng nguồn sông Vu Gia - Thu

trạm thuỷ văn trong hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn 192.3 Hệ thống các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn 22

3.2 Sơ đồ mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn và đo mưa trên lưu

3.3 Các bước tính toán dòng chảy bằng mô hình MIKE-NAM 303.4 Lưu vực thượng nguồn sông Vu Gia – Thu Bồn 323.5 File số liệu lượng mưa, lượng bốc hơi làm đầu vào mô hình

3.9 Thông số mô hình mưa dòng chảy MIKE-NAM 36

3.10 Lưu lượng thực đo và tính toán trạm TV Nông Sơn (1/1/1980

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây do biến đổi khí hậu, nền nhiệt độ nóng lên, mưa ít đi

đã gây nên các đợt hạn hán nghiêm trọng kéo dài cả tháng hoặc nhiều tháng liên tục,

có nơi hạn hán kéo dài cả năm hoặc vài năm liên tiếp

Nhìn chung, nhịp độ xuất hiện hạn hán, thiếu nước ngày càng gia tăng, tác hại của nó đối với các ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt là sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp

và môi trường sinh thái ngày càng lớn

Nhìn chung, nhịp độ xuất hiện hạn hán, thiếu nước ngày càng gia tăng, tác hại của nó đối với các ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt là sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp

và môi trường sinh thái ngày càng lớn Có thể nêu các ví dụ điển hình về thiệt hại do hạn hán trong những qua như sau:

Đông xuân 1994/1995, hạn xảy ra gay gắt ở một số tỉnh thuộc cao nguyên Trung Bộ Trong đó, Đắk Lắk đã bị hạn chưa từng thấy trong 50 năm qua làm ảnh hưởng rất lớn đến cây trồng, đặc biệt là cà phê - nguồn kinh tế lớn của nhân dân địa phương, nước sinh hoạt hàng ngày cũng bị thiếu nghiêm trọng Thiệt hại cho sản xuất khoảng 600 tỷ đồng

Đông xuân 1995/1996, hạn cũng đã xảy ra ở nhiều nơi trên phạm vi toàn quốc

ở Trung du, miền núi Bắc Bộ diện tích bị hạn là 13.380 ha, ở đồng bằng Bắc Bộ là 100.000 ha Hạn xảy ra nghiêm trọng ở các tỉnh thuộc khu vực Tây Nguyên

Đông xuân 1997/1998 xảy ra hạn trầm trọng trên diện rộng, với ảnh hưởng của

El Nino hoạt động mạnh từ tháng 11/1997 đến tháng 5/1998 làm cho nhiều nước trên thế giới bị hạn hán nghiêm trọng, gây tổn thất lớn cho nền kinh tế và sự phát triển của

xã hội Chỉ tính riêng thiệt hại về vật chất trong nông nghiệp ở Việt Nam đã tới con số 5.000 tỷ đồng và trên 5,5 triệu người chủ yếu là tập trung ở miền Trung, Đông Nam

Bộ và Tây Nguyên bị thiếu nước sinh hoạt trầm trọng

Như vậy, hạn hán là một hiện tượng tự nhiên được coi là thiên tai (đứng hàng thứ 3 sau lũ lụt và bão), tạo thành do sự thiếu hụt nghiêm trọng lượng mưa so với chuẩn trong điều kiện nhiệt độ không khí cao, kéo dài làm cạn kiệt nguồn nước dự trữ

ở các sông, suối, hồ chứa, suy kiệt lượng ẩm trong đất, ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của cây trồng, làm mùa màng bị giảm sút hoặc mất trắng, gây hậu quả nghiêm trọng đến đời sống chính trị, kinh tế - xã hội Do đó, buộc chúng ta phải có cách nhìn khác đối với thiên tai hạn hán, để có giải pháp hữu hiệu làm giảm nhẹ thiệt hại do hạn hán gây ra

Năm 2010: do tình hình nắng nóng gay gắt, liên tục trong các tháng 01, tháng

02 nên đến đầu tháng 3 dòng chảy trên các sông hệ Thu Bồn xuống thấp hơn cùng kỳ

từ 0,3 đến 0,4 mét, nước mặn theo thuỷ triều xâm nhập sâu vào hạ lưu sông, đến cửa hút các trạm bơm, do vậy một số trạm bơm trên sông Thu Bồn không hoạt động được

vì nguồn nước bị nhiễm mặn Riêng khu vực Tứ câu (Điện Bàn) có 176,69 ha không sản xuất được

Năm 2012: Vụ Hè Thu 2012, khu vực Tứ Câu do nguồn nước thường xuyên bị nhiễm mặn nên có 30,01 ha cuối kênh không thể sản xuất được

Năm 2013 khu vực sông Vu Gia, mực nước tại Ái Nghĩa xuống thấp kết hợp với việc bồi lấp lòng sông nên phải đào vét sông mới có nước để trạm bơm Ái Nghĩa hoạt động, riêng khu vực Tứ Câu có 27,28 ha diện tích lúa không sản xuất được

Năm 2014, tình hình thời tiết tiếp tục khó khăn, vào mùa cạn do hoạt động của một số công trình thủy điện đã làm thay đổi sự phân bố dòng chảy theo không gian và thời gian, lưu lượng sông Vu Gia về phía hạ lưu đập giảm hẳn và dòng chảy bên sông Thu Bồn tăng lên rõ rệt (sông Cái tại Thành Mỹ thuộc hệ thống sông Vu Gia chỉ đạt 10% lưu lượng TBNN cùng kỳ; sông Thu Bồn tại Nông Sơn đạt 148%), hạn hán đã làm cho 458 ha không gieo sạ được, hơn 500 ha lúa nước miền núi đang gieo sạ bị thiếu nước

Hình 1: Mạng lưới sông Vu Gia - Thu Bồn và các hồ chứa thủy điện

Hiện nay, trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn có khá nhiều hồ chứa thủy điện- đây là một trong nguồn cung cấp nước quan trọng trong mùa khô Tuy nhiên, việc vận hành liên hồ như thế nào để phát huy hiệu quả cao nhất, vừa đảm bảo chống hạn cho

hạ du, vừa đảm bảo sản lượng điện phục vụ kinh tế xã hội đồng thời giảm thiểu thất thoát nguồn nước là một vấn đề cần phải nghiên cứu kỹ Đề tài này sẽ tập trung giải quyết những vấn đề trên

Năm 2015, Chính phủ đã ban hành quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (số 1537/QĐ-TTg) đã có quy định về vận hành các hồ chứa A Vương, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2, sông Bung 4, Sông Bung 4A và Sông Bung 5 trong mùa cạn Nguyên tắc vận hành trong mùa cạn như sau:

- Vận hành hồ theo các thời kỳ sử dụng nước gia tăng, sử dụng nước bình thường và theo thời đoạn 10 ngày

- Vận hành các hồ theo giá trị mực nước tại các Trạm TV Ái Nghĩa và Giao Thủy

- Trong thời gian vận hành hồ chứa phải căn cứ vào mực nước hồ hiện tại và dự báo dòng chảy đến hồ trung bình trong 10 ngày tới để điều chỉnh việc vận hành sao cho mực nước hồ tại các thời điểm tương ứng không nhỏ hơn gía trị giới hạn dưới của các hồ

Với quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành thì ta thấy công tác dự báo dòng chảy đến hồ trong thời đoạn 10 ngày đóng vai trò quan trọng trong việc điều hành hiệu quả các hồ chứa theo thời gian thực Làm cơ sở cho việc vận hành liên hồ như thế nào để phát huy hiệu quả cao nhất, vừa đảm bảo chống hạn cho hạ du, vừa đảm bảo sản lượng điện phục vụ kinh tế xã hội, đồng thời giảm thiểu thất thoát nguồn nước

Do đó tác giả chọn đề tài Ứng dụng mô hình thủy văn dự báo dòng chảy mùa cạn với thời đoạn 10 ngày phục vụ vận hành một số hồ chứa thượng nguồn sông Vu Gia - Thu Bồn

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng mô hình toán để tính toán dự báo lưu lượng 10 ngày trong mùa cạn tại các vị trí hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2, Đak Mi 4 và trạm TV Nông Sơn, Thành Mỹ thuộc hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn, làm cơ sở để đề xuất vận hành theo Quy trình vận hành liên hồ chứa của Chính phủ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Dự báo dòng chảy đến các nút hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2, Đắk Mi 4 và

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập, xử lý và đánh giá số liệu: Thu thập và xử lý số liệu, các tài liệu liên quan cần thiết đến lĩnh vực nghiên cứu cũng như các nội dung tính toán trong báo cáo

- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình MIKE-NAM để tính toán dòng

chảy từ mưa trên các lưu vực bộ phận trong mùa cạn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Là tài liệu phục vụ cho xây dựng, phát triển kinh tế xã hội có liên quan đến nguồn tài nguyên nuớc

Là tài liệu phục vụ cho nghiên cứu khu vực thượng nguồn sông Vu Gia - Thu Bồn

Kết quả cảnh báo, dự báo dòng chảy tại các hồ chứa Sông Tranh 2, Đắk Mi 4 làm cơ sở để các hồ chứa vận hành vừa đảm bảo mục tiêu phát điện vừa đảm bảo vận hành cấp nước cho hạ du trong mùa cạn

6 Nội dung luận văn bao gồm

Ngoài hai phần Mở đầu và Kết luận, kiến nghị đề tài gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu tính toán dòng chảy mùa cạn

Chương 2 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và dòng chảy mùa cạn trên sông Vu Gia

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

DÒNG CHẢY MÙA CẠN

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dòng chảy mùa cạn và điều tiết hồ chứa

1.1 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, do tác động của biển đổi khí hậu, trong đó có hiện tượng ENSO đã gây ảnh hưởng rất lớn đến các yếu tố khí tượng và thuỷ văn toàn cầu nhất là khu vực nhiệt đới Thái Bình Dương Qua kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy, giá trị cực đại về số giờ nắng, nhiệt độ không khí, bốc thoát hơi tiềm năng thường xuất hiện vào các năm El-Nino; đỉnh lũ năm của phần lớn các sông lớn ở Việt Nam thường xảy ra vào những năm La-Nina Giá trị nhỏ nhất của độ ẩm tương đối, lượng mưa và dòng chảy thường xuất hiện vào các năm El-Nino và dẫn đến sự thiếu nước, hạn trong các vụ Đông Xuân ở các tỉnh miền Trung và Nam Bộ

Về khoa học kỹ thuật, hiện nay với sự hỗ trợ của máy móc thiết bị, nghiên cứu

và ứng dụng các mô hình hiện đại vào tính toán và dự báo TV ngày càng trở nên phổ biến Các mô hình được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực dự báo thủy văn gồm: Mô hình SSARR, TANK,

Ngoài ra, về phương diện dự báo hạn vừa, hạn dài trong thuỷ văn cũng đã được nghiên cứu ứng dụng như phương pháp phân tích chuỗi thời gian - như mô hình ARIMA, các phương pháp vật lý thống kê xét tương quan các yếu tố thuộc loại mô hình tất định kết hợp với dự báo mưa dài hạn

Các công trình nghiên cứu về dự báo dòng chảy mùa cạn trong những năm gần đây đã được nghiên cứu sâu Các công trình nghiên cứu về nguồn nước nói chung, dự báo thủy văn nói riêng chủ yếu do các đơn vị, tổ chức khoa học thực hiện như: Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, Trung tâm

dự báo KTTV Trung ương, Viện Địa lý, Viện Khoa học Thủy lợi, Trường Đại học Thủy lợi, Nội dung các công trình nghiên cứu tập trung vào đánh giá nguồn nước, dự báo dòng chảy, cân bằng nước, điều tiết hồ chứa,

Hạn hán là một hiện tượng tự nhiên được coi là thiên tai đứng hàng thứ 3 sau lũ lụt và bão, tạo thành do sự thiếu hụt nghiêm trọng lượng mưa so với chuẩn trong điều kiện nhiệt độ không khí cao, kéo dài làm cạn kiệt nguồn nước dự trữ ở các sông, suối,

hồ chứa, suy kiệt lượng ẩm trong đất, ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của cây trồng, làm mùa màng bị giảm sút hoặc mất trắng, gây hậu quả nghiêm trọng đến đời sống chính trị, kinh tế - xã hội

Hạn thuỷ văn xảy ra cùng pha với hạn khí tượng và hạn nông nghiệp Cũng là

sự thiếu hụt giáng thuỷ trong một thời gian dài làm cạn kiệt nước trên các sông ngòi, dòng chảy, hồ chứa Hạn thuỷ văn được đặc trưng bằng sự suy giảm dòng chảy sông

và thiếu hụt các nguồn nước mặt và nước ngầm

Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa là một trong những bài toán được nhiều cơ quan nghiên cứu quan tâm như các Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, Viện Cơ học, Viện khoa học Khí tượng Thủy văn, cũng như các trường Đại học trong nước nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn hệ thống các hồ chứa ở nước ta

Ngày 13/10/2010 Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải đã ký văn bản số TTg phê duyệt danh mục các hồ thủy lợi, thủy điện trên lưu vực sông phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa Theo đó, các hồ chứa xây dựng trên lưu vực 11 sông đã được ghi trong văn bản này phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa để thống nhất về việc vận hành liên hồ, đảm bảo an toàn công trình, giảm lũ cho hạ du trong mùa lũ, đảm bảo dòng chảy tối thiểu trên sông và nhu cầu sử dụng nước tối thiểu ở hạ

1879/QĐ-du trong mùa cạn, và đảm bảo hiệu quả phát điện Hiện có 11 quy trình vận hành liên

hồ chứa trên 11 lưu vực sông được ban hành, trong đó có 10 quy trình vận hành trong

cả năm và 01 quy trình vận hành trong mùa lũ Tuy nhiên, do thời gian thực hiện các quy trình còn tương đối ít, đặc biệt là quy trình vận hành liên hồ chứa trong mùa cạn (hầu hết các quy trình mới được ban hành cuối năm 2014 và cuối 2015) nên một số bất cập phát sinh chưa kịp điều chỉnh khiến hiệu quả vận hành chưa cao, thậm chí gây lúng túng, bất nhất ở một vài địa phương Thực tế cho thấy các quy định vận hành liên

hồ chứa cần “mềm” hơn nhằm đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng giữa việc tích nước phát điện và xả nước phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất ở hạ du

Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn được Thủ tướng Chính phủ ban hành Theo đó, hàng năm các hồ: A Vương, Đắk Mi 4, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Sông Bung 4A và Sông Bung 5 trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn phải vận hành theo nguyên tắc thứ tự ưu tiên:

Trong mùa lũ, đảm bảo an toàn công trình; góp phần giảm lũ cho hạ du; đảm bảo hiệu quả phát điện

Trong mùa cạn, phải vận hành theo nguyên tắc thứ tự ưu tiên: Đảm bảo an toàn công trình, đảm bảo dòng chảy tối thiểu trên sông và nhu cầu sử dụng nước tối thiểu ở

hạ du; đảm bảo hiệu quả phát điện Quy trình nêu rõ, mùa lũ từ ngày 01 tháng 9 đến ngày 15 tháng 12; mùa cạn từ ngày 16 tháng 12 đến ngày 31 tháng 8 năm sau

TỔNG LƯỢNG DÒNG CHẢY CÁC THÁNG MÙA CẠN

TẠI 2 TRẠM THÀNH MỸ VÀ NÔNG SƠN

Hình 1.1: Tổng lượng dòng chảy các tháng mùa cạn

(Nguô ̀n: Đặc điểm KTTV Quảng Nam 2013)

Quy trình quy định rõ, việc phân bổ nguồn nước của các hồ chứa để bảo đảm khả năng điều tiết của từng hồ, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước trong suốt thời gian mùa cạn, đặc biệt là những năm cạn kiệt, thiếu nước vẫn phải bảo đảm đến cuối mùa cạn, đồng thời tránh việc lãng phí, khi thừa nước, khi thiếu nước

Hơn nữa, Quy trình còn quy định mực nước tối thiểu của từng hồ vào đầu mùa cạn và từng thời đoạn 10 ngày tiếp theo cho đến cuối mùa cạn để cân bằng hồ, cân đối nguồn nước trên cơ sở lượng nước nước đến, lưu lượng xả của từng hồ

Những chỉ số mực nước tối thiểu trên được quy định cụ thể, dựa trên những tính toán khoa học Nếu các chủ hồ nghiêm túc vận hành điều tiết hồ theo đúng các chỉ số được đưa ra, nhu cầu tối thiểu về nước cho hạ du sẽ được đảm bảo, hơn nữa, an toàn

hồ chứa cũng sẽ được đảm bảo

Các đề tài về lĩnh vực dự báo dòng chảy cạn và cảnh báo hạn hán đã được nghiên cứu rất sâu ở Việt Nam Sau đây là một số đề tài tiêu biểu:

1 - Đề tài NCKH cấp Tổng cục KTTV: “Dự báo hạn dài hạn thời kỳ hè thu (tháng VII-IX) khu vực đồng bằng và trung du Bắc Bộ” thực hiện năm 2001 [1] Đề tài

đã xác định chỉ tiêu hạn, đánh giá tác động của hiện tượng ENSO đến tình hình khô hạn - úng ngập và xây dựng một loạt phương trình hồi quy dự báo hạn - úng ở các tỉnh đồng bằng và trung du Bắc Bộ Phương pháp này đã được đưa vào dự báo thử nghiệm trong năm 2002, kết quả tốt

2 - Viện Quy hoạch Thủy lợi thực hiện tiểu dự án “Xây dựng quy trình vận hành hồ chứa bậc thang sông Đà và Lô điều tiết nước trong mùa khô cho hạ du sông Hồng – Thái Bình” do TS Tô Trung Nghĩa làm chủ nhiệm [4] Dự án thực hiện từ

2006

3 - Đề tài “Đánh giá tác động của các hệ thống hồ chứa trên sông Đà, sông Lô đến dòng chảy mùa cạn hạ du sông Hồng và đề xuất giải pháp đảm bảo nguồn nước hạ du”, 2009 Do TS Nguyễn Lan Châu làm chủ nhiệm [8] đã xây dựng công nghệ dự báo dòng chảy 5 ngày mùa cạn trên hệ thống sông Hồng

4 - Chuyên đề “Hạn hán và sa mạc hóa ở Việt Nam” do Cục Quản lý Nước và Công trình Thủy lợi thực hiện trong khuôn khổ Dự án VIE/97/002 - Hỗ trợ hệ thống quản lý thiên tai ở Việt Nam [3] cũng đề cập đến các vấn đề về: (i) Hiện trạng hạn hán

và tác động của hạn hán đến kinh tế xã hội ở nước ta; (ii) Đánh giá kết quả các biện pháp phòng chống hạn và sa mạc hóa đã thực hiện ở Việt Nam; (iii) Chiến lược phòng chống và giảm nhẹ thiệt hại do hạn hán và sa mạc hóa gây ra

5 - Chuyên đề: “Thử nghiệm xây dựng mô hình dự báo hạn ở 7 vùng khí hậu Việt Nam trên cơ sở mối quan hệ giữa nhiệt độ mặt nước biển với chỉ số khô hạn” (2001), do ThS Nguyễn Đức Hậu và TS Phạm Đức Thi [2] cùng thực hiện Đã xác định chỉ tiêu hạn, đánh giá tác động của hiện tượng ENSO đến tình hình hạn và xây dựng một loạt phương trình hồi quy dự báo hạn cho 7 vùng khí hậu Việt Nam: Tây Bắc, vùng núi phía Bắc, đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ

Các đề tài liên quan đến lĩnh vực dự báo dòng chảy mùa cạn và cảnh báo hạn hán trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn gồm:

Dự án “Điều tra đánh giá tình hình khai thác và sử dụng tài nguyên nước lưu vực Vu Gia – Thu Bồn” Viện Quy hoạch thủy lợi, 2006 [6] Đề tài này đã sử dụng mô hình thủy văn, thủy lực thuộc họ Mike để tính toán dòng chảy và trữ lượng nước cho lưu vực Sản phẩm đề tài phục vụ cho công tác quy hoạch phát triển kinh tế xã hội, xây dựng các công trình cấp nước cũng như quy hoạch sản xuất trên toàn lưu vực Hiện nay, do tốc độ phát triển nhanh chóng của hạ tầng kỹ thuật cũng như dân sinh trên lưu vực, do tác động của con người như chặt phá rừng, xây dựng hệ thống hồ chứa, phát triển công nghiệp và biến đổi khí hậu làm cho nhiều dữ liệu đầu vào bị thay đổi cần được cập nhật bổ sung Sản phẩm đề tài chủ yếu tính toán cân bằng nước, không xây dựng công cụ tính toán dự báo nên không sử dụng trực tiếp trong dự báo tác nghiệp được

Đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp nhà nước 2007 - 2010 “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp quản lý sử dụng tổng hợp tài nguyên nước lưu vực Vu Gia – sông Hàn đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững thành phố Đà Nẵng” mã số ĐTĐL.2007G/43

do PGS.TS Nguyễn Hồng Khánh làm chủ nhiệm [9] đã sử dụng mô hình thủy văn phân bố MARINE, thủy lực 1 chiều, 2 chiều, chất lượng nước, truyền lũ, ngập lụt và

đề xuất kế hoạch chiến lược quản lý, sử dụng tổng hợp tài nguyên nước sông Vu Gia Đây là một đề tài có sản phẩm nghiên cứu rất quan trọng phục vụ cho chiến lược quản

lý, quy hoạch nguồn nước phục vụ thành phố Đà Nẵng, một trong những thành phố đang có sự phát triển nhanh chóng tại khu vực Miền Trung Đề tài đã tính toán cân

bằng nước, trữ lượng nước, khả năng cấp nước cho thành phố, tuy nhiên không xây dựng công cụ dự báo để vận hành cụ thể một hoạt động nào trên sông

Dự án “Lập quy trình vận hành liên hồ chứa Vu Gia – Thu Bồn” do Cục Quản

lý Tài nguyên nước [12] thực hiện năm 2010-2014 đã nghiên cứu đánh giá nhu cầu sử dụng nước hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn và việc vận hành 4 hồ chứa Đăk Mi 4, A Vương, Sông Tranh 2 và Sông Bung 4 để đảm bảo sử dụng nước ở hạ du trong mùa cạn Theo quy trình này thì trạm TV Ái Nghĩa trên sông Vu Gia và trạm TV Giao Thủy trên sông Thu Bồn được chọn làm điểm kiểm soát dòng chảy mùa cạn Quy trình quy định để đảm bảo sử dụng nước cho hạ du thì mực nước tại Ái Nghĩa là 2.8m và Giao Thủy là 1.16m trong thời kỳ sử dụng nước gia tăng (từ ngày 11 tháng 5 đến ngày

10 tháng 6) và tại Ái Nghĩa là 2.67m và Giao Thủy là 1.02m trong thời kỳ sử dụng nước bình thường (từ ngày 16 tháng 12 đến ngày 10 tháng 5 năm sau) và (từ ngày 11 tháng 6 đến ngày 31 tháng 8) Quy trình được ban hành sẽ là hành lang pháp lý quan trọng điều tiết lượng nước phục vụ dân sinh – kinh tế cả khu vực hạ du của hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, điều chỉnh hoạt động của nhiều đơn vị liên quan trong đó cả lĩnh vực quản lý của địa phương, hệ thống hồ chứa và cũng như công tác dự báo dòng chảy đến các điểm kiểm soát dòng chảy để phục vụ cho việc vận hành liên hồ trong mùa cạn

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, dự báo thủy văn trên thế giới đã có nhiều chuyển biến theo xu hướng mô hình hóa sự vận động của các yếu tố thủy văn Quá trình hình thành và vận động của dòng chảy sông ngòi được mô phỏng bằng các mô hình thủy văn, thủy lực Các mô hình thủy văn, thủy lực sử dụng các phương pháp mô phỏng, tính toán và cho kết quả đầu ra tùy thuộc vào đặc điểm của các lưu vực (vùng khí hậu, địa hình, phạm vi, ) và các mục đích sử dụng sản phẩm Một số mô hình thủy văn, thủy lực điển hình có khả năng ứng dụng trong dự báo thủy văn đã được các tổ chức khoa học trên thế giới nghiên cứu xây dựng

Dòng chảy hạ du chịu tác động mạnh bởi thủy triều Việc dự tính thủy triều trên thế giới cũng đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, có thể kể đến công trình nghiên cứu của Lamb, 1932; Proudman, 1952 khi các tác giả này giải hệ các phương trình thủy động lực học 2 chiều mô phỏng hiện tượng thủy triều trong vùng nước sâu Tiếp đến các nghiên cứu khác dựa vào hệ phương trình nước nông 2 chiều để mô phỏng các quá trình lan truyền triều vào khu vực ven bờ như Dronker và cộng sự, 1955; Wunsch, C.H., 1968 Với sự phát triển của nhiều lý thuyết và sơ đồ tính toán mới, các quá trình vật lý khác ảnh hưởng đến quá trình lan truyền triều như nhiệt độ, độ mặn, gió, sóng cũng lần lượt được đưa vào nghiên cứu trong các nghiên cứu của Rinsenberg, S.J., Rattray, J.M., 1975; Winant, C.D và Bratkovich, A.W., 1981; Kato và cộng sự, 1982; Forbed và Groves, 1987…)

1.2 Phạm vi tính toán của đề tài

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới cho thấy trong thời gian qua đã phát triển mạnh về công cụ tính toán cũng như các công trình nghiên cứu, nhưng do hệ thống sông mỗi lưu vực có đặc thù riêng, trong hệ thống hồ chứa, mỗi hồ chứa có những mục tiêu khác nhau, do đó cách tiếp cận mỗi nơi đều khác nhau, và bài toán vận hành hệ thống hồ chứa trong mùa cạn phụ thuộc vào đặc điểm địa hình, địa chất, khí hậu của từng lưu vực sông, các mục tiêu khác nhau của hệ thống hồ chứa trên lưu vực đó, điều kiện về số liệu đo đạc từ đó mới có thể đưa ra sách lược vận hành

cụ thể phù hợp cho mỗi lưu vực khác nhau

Các nhà khoa học đã cung cấp cơ sở khoa học, công nghệ, công cụ bước đầu đáp ứng một phần yêu cầu của công tác dự báo nguồn nước mùa cạn gây nên trên các

hệ thống sông, đặc biệt khu vực Nam Bộ đã có nhiều công cụ phục vụ dự báo

Đối với Hệ thống Sông Vu Gia – Thu Bồn mới chỉ có các nghiên cứu tính toán xâm nhập mặn trên hệ thống sông, chưa có nghiên cứu công nghệ dự báo dòng chảy mùa cạn

Việc nghiên cứu cảnh báo, dự báo dòng chảy mùa cạn trên hệ thống sông Vu

Gia – Thu Bồn vẫn còn một số vấn đề tồn tại:

- Chưa có công cụ cảnh báo tình trạng thiếu nước cạn kiệt trên lưu vực sông

- Chưa có một công nghệ hoàn chỉnh để dự báo quá trình dòng chảy trong mùa cạn phục vụ cho công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai cũng như khai thác hợp

lý tài nguyên nước trên lưu vực sông

- Các nghiên cứu về phương pháp, công nghệ cảnh báo tình trạng thiếu nước phục vụ kinh tế - xã hội trên hệ thống sông đã được xây dựng nhưng chưa được đưa vào thực hiện trong nghiệp vụ Đặc biệt, đề tài KC08.22 đã xây dựng được các công cụ

và chỉ tiêu dự báo mùa cạn và cảnh báo hạn hán ở lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Tuy nhiên, đây mới là các kết quả ban đầu chưa đưa vào nghiệp vụ dự báo nguồn nước mùa cạn

Hiện nay, ngành khí tượng thủy văn đang vận hành các hệ thống mô hình khu vực phân giải cao như mô hình HRM của Đức, WRF của Mỹ,… cùng với các hệ thống

dự báo tổ hợp hạn ngắn và hạn vừa Hàng ngày, các hệ thống dự báo thời tiết số trị nói trên cung cấp từ 2 đến 4 bản tin dự báo định lượng các yếu tố thời tiết tổ hợp với thời gian dự báo là 5-10 ngày Tuy nhiên kết quả chưa đáp ứng được bài toán dự báo dòng chảy trên lưu vực nghiên cứu

Mô hình dự báo thời tiết WRF trong thời gian gần đây đã được cộng đồng các nhà nghiên cứu, ứng dụng tập trung vào nâng cấp để hoàn thiện các cơ chế động lực của mô hình, hoàn thiện các sơ đồ tham số hóa nhằm nâng cao chất lượng dự báo thời tiết hạn ngắn Đến nay đã có phiên bản V3.6 ra đời 18/9/2014 với hệ thống mã nguồn

mở và cung cấp miễn phí trên internet; bên cạnh đó hệ thống mô hình toàn cầu cũng đã đầu tư đồng bộ, đến nay đã cung cấp kết quả dự báo trường toàn cầu cho các mô hình

khu vực đến hạn dự báo 384 giờ với độ phân giải của lưới là 0.25 độ

Hiện nay, do tác động của hoạt động kinh tế xã hội, các công trình điều tiết nước nên kết quả dự báo từ các phương án xây dựng trước đây không còn phù hợp, kết quả không sát với thực tế và nhu cầu của các đối tượng sử dụng sản phẩm Đồng thời hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học dự báo và hỗ trợ của máy tính, sản phẩm dự báo chi tiết hơn (dự báo quá trình thay cho đặc trưng thời đoạn), thời gian

dự kiến được kéo dài hơn; độ chính xác cao hơn và tần suất bản tin nhiều hơn, đáp ứng được phần nào nhu cầu của xã hội

Từ yêu cầu thực tế về thông tin dòng chảy mùa cạn phục vụ điều tiết hồ chứa cung cấp nước cho nhu cầu dân sinh – kinh tế xã hội và phòng chống thiên tai hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, cùng với khả năng ứng dụng của các mô hình tính toán dự báo, thông tin, số liệu, kết quả dự báo của các mô hình thời tiết, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có đề tài này sẽ giải quyết các vấn đề sau:

1- Ứng dụng sản phẩm mô hình dự báo thời tiết WRF trong mùa khô (thời gian

dự kiến 10 ngày) làm đầu vào cho mô hình dự báo dòng chảy mùa cạn trên khu vực nghiên cứu

2- Nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn vào dự báo dòng chảy- nguồn nước mùa cạn (thời gian dự kiến 10 ngày) cho các nút hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2, Đắk

Mi 4 và các vị trí Trạm TV Nông Sơn, Thành Mỹ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn trên cơ sở dự báo thời tiết bằng mô hình số trị

Công nghệ được tích hợp các nghiên cứu ứng dụng các mô hình thủy văn, phân tích số liệu, tối ưu hóa Sản phẩm đầu ra của công nghệ dự báo quá trình dòng chảy trên thượng nguồn hệ thống Vu Gia – Thu Bồn trong 10 ngày Tin học hóa quy trình

dự báo dòng chảy mùa cạn, đưa vào thực hiện trong dự báo thủy văn trên hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn Hệ thống dự báo nguồn nước - dòng chảy mùa cạn (tại nút hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2, Đắk Mi 4 và vị trí trạm TV Nông Sơn, Thành Mỹ trên

hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia) có các chức năng tính toán xác định quá trình dòng chảy với thời đoạn 10 ngày trên cơ sở sản phẩm của mô hình dự báo mưa số trị

Chương 2 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DÒNG CHẢY

MÙA CẠN TRÊN SÔNG VU GIA – THU BỒN

2.1 Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

Sông Vu Gia - Thu Bồn là hê ̣ thống sông lớn ở vùng Duyên hải Trung Trung

Bộ Toàn bô ̣ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diê ̣n tích lưu vực: 10.350 km2, trong đó diê ̣n tích nằm ở tỉnh Kon Tum là: 301,7 km2, còn la ̣i chủ yếu thuộc đi ̣a phâ ̣n tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng

Hình 2.1: Ba ̉n đồ khu vực nghiên cứu (Nguô ̀n: Đặc điểm KTTV Quảng Nam 2013)

Lưu vực có vi ̣ trí toa ̣ đô ̣: 16o03’ - 14o55’ vĩ đô ̣ Bắc; 107o15’ - 108o24’ kinh độ Đông Có ranh giới lưu vực: Phía Bắc giáp lưu vực sông Cu Đê, phía Nam giáp lưu

vực sông Trà Bồng và Sê San, phía Tây giáp Lào và phía Đông giáp biển Đông và lưu

vực sông Tam Kỳ

Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn bao gồm đất đai của 17 huyê ̣n, thành phố của

3 tỉnh Kon Tum, Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng, đó là Bắc Trà My, Nam Trà My, Tiên Phước, Phước Sơn, Hiê ̣p Đức, Đông Giang, Tây Giang, Nam Giang, Quế Sơn, Duy Xuyên, Đa ̣i Lô ̣c, Điê ̣n Bàn, Thành phố Hội An, Hoà Vang - thành phố Đà Nẵng

và mô ̣t phần của huyê ̣n Thăng Bình, Đăk Glei (Kon Tum)

2.1.2 Điều kiện địa hình

Nhìn chung đi ̣a hình của lưu vực biến đổi khá phức ta ̣p và bi ̣ chia cắt ma ̣nh Đi ̣a

hình có xu hướng nghiêng dần từ Tây sang Đông đã ta ̣o cho lưu vực có 4 da ̣ng đi ̣a

Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn là một trong 9 lưu vực sông lớn của cả nước

và là lưu vực sông lớn nhất khu vực Trung Trung Bộ Đây là lưu vực cung cấp nguồn nước chính cho tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng

Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn gồm 2 lưu vực sông chính là Vu Gia và Thu Bồn, có diện tích lưu vực là 10350 km2, chiếm trên 80 % diện tích tỉnh Quảng Nam Hai lưu vực sông Vu Gia và Thu Bồn kết nối - trao đổi nước với nhau qua sông Quảng Huế, sông Vĩnh Điện và một số sông khác Dòng chính là sông Thu Bồn và sông Vu Gia có chiều dài khoảng 205 km

- Sông Thu Bồn:

Sông Thu Bồn thượng nguồn gọi là sông Tranh hay sông Tĩnh Gia bắt nguồn từ sườn đông nam của dãy núi Ngọc Linh với độ cao trên 2000 m Sông chảy theo hướng bắc nam qua các huyện Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn; đến Giao Thuỷ sông chảy qua vùng đồng bằng các huyện Duy Xuyên, Điện Bàn, Hội An Chiều dài sông chính đến cửa Đại (Hội An) là 198 km, diện tích lưu vực tính đến Giao Thủy (cách Hội An 30 km) là 3825 km2 Thượng lưu sông Thu Bồn có các nhánh lớn như: Sông Khang, Sông Vang, sông Tranh, sông Gềnh Gềnh

Sau đây là đặc trưng của một số sông nhánh chính ở thượng nguồn:

- Sông ngọn Thu Bồn bắt nguồn từ núi Ngok Gle Long cao 1865 m ở huyện Phước Sơn Sông chảy theo hướng tây nam - đông bắc và đổ vào bờ tả sông Thu Bồn Sông dài 35 km, diện tích lưu vực 488 km2

- Sông Khang bắt nguồn từ dãy núi răng cưa cao 1152 m thuộc huyện Trà My, giáp gianh với huyện Trà Bồng tỉnh Quảng Ngãi, chảy theo hướng đông nam - tây bắc qua các huyện Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức và đổ vào phía bờ hữu sông Tranh (sông Thu Bồn) hạ lưu thị trấn Hiệp Đức Chiều dài sông 57 km, diện tích lưu vực 609

km2 Sông Khang có một số nhánh lớn như sông Tiên với diện tích lưu vực 137 km2, sông Lung diện tích lưu vực 26 km2

- Sông Vang bắt nguồn từ vùng núi huyện Trà Bồng tỉnh Quảng Ngãi, chảy

theo hướng đông nam - tây bắc qua huyện Trà My rồi đổ vào sông Tranh phía hạ lưu cách thị trấn Trà My khoảng 10km bên bờ hữu Sông Vang dài 24 km, diện tích lưu vực 249 km2

- Sông Trầu bắt nguồn từ vùng Tiên Cảnh, Cẩm Hà huyện Tiên Phước, chảy theo hướng đông - tây đổ vào sông Tranh tại thị trấn Tân An, sông dài 21 km, diện tích lưu vực 93 km2

- Sông Vu Gia:

Sông Vu Gia là một trong hai sông hợp thành hệ thống sông Thu Bồn và là sông lớn thứ hai của tỉnh Quảng nam Lưu vực sông Vu Gia nằm bên trái sông Thu Bồn thuộc địa phận của các huyện Hiên, Phước Sơn, Nam Giang, Tây Giang, Đại Lộc, Điện Bàn và hạ lưu là huyện Hoà Vang thuộc thành phố Đà Nẵng Sông gồm nhiều nhánh sông hợp thành: Sông Cái, sông Bung, sông Côn Chiều dài tính từ thượng nguồn sông Cái đến cửa Đà Nẵng dài 204 km Tổng diện tích lưu vực tính đến Ái Nghĩa là 5180 km2 (thượng nguồn sông Vu Gia có một đoạn nguồn nằm trên đất tỉnh Kon Tum, với chiều dài 38 km, tương ứng với diện tích là 500 km2) Phần hạ lưu, khi chảy đến Ái Nghĩa có phân lưu là sông Quảng Huế mang nước từ sông Vu Gia đổ vào sông Thu Bồn Dòng chính trước khi chảy qua địa phận thành phố Đà Nẵng chia ra hai phân lưu chính: Sông Yên và sông Chu Bái Sông Yên chảy về phía An Trạch sau đó nhập lưu với sông Túy Loan chảy vào sông Hàn đổ ra biển ở cửa Đà Nẵng

Sau đây là đặc trưng sông chính ở thượng nguồn:

Sông Cái là dòng chính của sông Vu Gia, bắt nguồn từ vùng núi cao trên 2000m

ở vùng biên giới Tây Nam của tỉnh, sông chảy theo hướng từ nam đến bắc rồi chuyển sang hướng từ tây nam đến đông bắc, đến thôn Đầu Gò, xã Đại Sơn, huyện Đại Lộc thì gặp nhánh sông Bung đổ vào ở bờ trái Sông Cái dài 130 km, tổng diện tích lưu vực là

1850 km2

2.2 Điều kiện kinh tế xã hội lưu vực sông

Theo niên giám thống kê tỉnh Quảng Nam xuất bản năm 2015: Toàn tỉnh có diện tích đất tự nhiên là 10406.83 km2 Dân số năm 2015 là 1.435.629 người, được phân bố rất không đều trên 14 huyện, thị Mật độ dân số bình quân toàn tỉnh là 132 người/km2, tập trung nhiều nhất là hai thị xã và các huyện đồng bằng ven biển

Trong lúc đó các huyện miền núi có mật độ dân số thấp như: Nam Giang 10 người/km2, Phước Sơn 16 người/km2, Hiên 19 người/km2 Tại các huyện miền núi đồng bào dân tộc thiểu số chiếm đa số, bao gồm: Ka - tu, Ca - dong, Bơ - nông, Xê - đăng, Kon - ve, Ta - riên, Mơ – nông

Kinh tế Quảng Nam bao gồm các ngành công nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, thương mại và du lịch, trong đó cơ cấu GDP theo nhóm ngành như sau: Nông lâm, thủy sản chiếm 43.34 % GDP, dịch vụ chiếm 33.15 %, công nghiệp, xây dựng chiếm 22.51 %

Diện tích cây trồng hàng năm từ 1995 đến 1999: từ 134 đến 143 nghìn ha, sản

lượng quy ra thóc 376.6x103 tấn

2.3 Đặc điểm chế độ mưa mùa cạn

2.3.1 Tổng lượng mưa mùa cạn

Tỉnh Quảng Nam nằm trong vành đai nhiệt đới Bắc bán cầu, thừa hưởng một chế độ bức xạ năng lượng mặt trời rất phong phú của vùng nhiệt đới, đồng thời còn chịu sự chi phối chủ yếu của các hoàn lưu gió mùa, tín phong và chịu ảnh hưởng trực tiếp của các nhiễu động nhiệt đới như: bão, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới, Thời tiết khí hậu nằm trong vùng khí hậu của khu vực duyên hải Miền Trung, là nơi chuyển tiếp đan xen giữa khí hậu miền Bắc và khí hậu miền Nam, được chia làm hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô Mùa mưa từ tháng 10 đến tháng 12, mùa khô từ tháng 1 đến tháng 9

Lượng mưa trung bình hàng năm ở các ở thượng nguồn lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thuộc vào loại lớn so với các nơi khác trong khu vực cũng như toàn quốc Tổng lượng mưa trung bình năm vùng trung du Nông Sơn, Phước Sơn lượng mưa phổ biến 2500 - 3000 mm; vùng núi cao như Trà My, Tiên Phước có lượng mưa phổ biến

Bảng 2 1: Mưa trung bình tháng, năm thời đoạn 1980-2012 Đơn vị: mm

Tháng

Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Mùa cạn Hiên 26.8 20.8 36.3 98.7 204.1 167.1 156.7 192.4 349.94 1252.8 Khâm Đức 88.5 42.8 55.7 87.0 162.4 117.2 95.0 157.3 381.8 1187.7 Thành Mỹ 37.2 19.4 33.3 89.5 232.6 185.9 152.3 202.2 298.9 1251.3 Hội Khách 56.6 24.3 25.6 90.8 211.6 174.0 146.2 176.3 304.5 1209.9

Ái Nghĩa 66.6 28.4 31.6 57.6 156.6 124.3 101.8 172.3 312.8 1052.0 Trà My 141.8 68.0 64.5 102.0 278.9 202.7 168.9 215.1 415.4 1657.3 Tiên Phước 109.2 43.2 48.9 80.4 183.3 128.6 103.3 154.8 382.3 1234.0 Hiệp Đức 97.3 52.7 49.4 92.2 228.8 141.6 146.6 214.7 412.9 1436.2 Nông Sơn 72.0 36.2 38.2 95.0 231.3 193.7 168.1 210.5 359.8 1404.8 Giao Thủy 72.7 32.2 31.5 54.8 137.1 134.0 108.4 168.2 313.2 1052.1 Câu Lâu 68.0 24.9 24.4 38.7 79.7 91.2 81.8 145.7 292.1 846.5 Hội An 76.1 34.2 24.5 42.3 81.9 78.7 68.0 136.4 318.7 860.8

(Nguô ̀n: Đặc điểm KTTV Quảng Nam 2013)

2.3.2 Phân phối mưa mùa cạn theo thời gian

Trong mùa cạn lượng mưa tập trung nhiều nhất vào tháng 5, 6, và tháng 9 tổng lượng mưa trong 2 tháng 5, 6 trung bình 350 mm

Thời kỳ mưa nhỏ nhất trong mùa cạn thường rơi vào tháng 2, 3, đặc biệt là tháng

3 - lượng mưa tháng này trung bình chỉ đạt 30 mm, một số nơi có lượng mưa lớn hơn như Trà My: 72 mm Tuy nhiên trong một số năm vào tháng 1, tháng 5, tháng 8 cũng

có lượng mưa khá nhỏ

2.3.3 Thời gian mưa

Từ tháng 1 đến tháng 9 hàng năm trung bình trong toàn tỉnh có 92 ngày mưa; nơi có số ngày mưa nhiều nhất là Trà My (117 ngày) và nơi có số ngày mưa ít nhất là Tiên Phước (57 ngày) Tháng 5, 6 trung bình mỗi tháng có khoảng 10 ngày mưa Tháng 2, tháng 3 có ít ngày mưa nhất - trung bình chỉ khoảng 4 - 5 ngày

Từ tháng 5 đến tháng 8 hầu như năm nào cũng có mưa, khả năng không mưa trong các tháng này tại hầu hết các trạm là không có Tháng 2 - 4 trong nhiều năm không có ngày mưa nào - khả năng không mưa của 3 tháng này theo số liệu quan trắc

tế và ngược lại sự cạn kiệt dòng chảy sẽ tạo ra sự hạn hán Sự suy giảm dòng chảy trong mùa cạn sẽ làm tăng khả năng xâm nhập mặn vùng cửa sông, làm cho sản xuất nông nghiệp bị ảnh hưởng nghiêm trọng, đời sống sinh hoạt của nhân dân gặp nhiều khó khăn Nghiên cứu chế độ dòng chảy mùa cạn nhằm mục đích tạo lập một cơ sở cho các biện pháp giải quyết tình trạng hạn hán, thiếu nước trong mùa cạn

Dòng chảy mùa cạn được cung cấp chủ yếu bởi lượng nước ngầm và lượng mưa trong mùa cạn Trong các tháng khô hạn như tháng 2 – 4, tháng 7 - 8 dòng chảy trong sông chủ yếu là do nước ngầm cung cấp Theo số liệu thống kê cho thấy dòng chảy nhỏ nhất thường xuất hiện vào tháng 3, 4 hoặc tháng 7, 8 Sau khi kết thúc mùa lũ dòng chảy trên các sông sẽ giảm dần đến tháng 5, 6 Nếu năm nào xuất hiện mưa tiểu mãn thì dòng chảy các sông sẽ được bổ sung, làm cho lượng dòng chảy các tháng còn lại của mùa cạn tăng lên Vì vậy thời kỳ cạn kiệt nhất của dòng chảy trong năm có mưa tiểu mãn thường xuất hiện vào tháng 3 hoặc tháng 4 Những năm không có mưa tiểu mãn, hoặc có nhưng không đáng kể, lượng dòng chảy trên sông có xu thế giảm dần từ tháng 1 cho đến tháng 8 nên thời kỳ cạn kiệt nhất trong năm thường xuất hiện vào tháng 7 hoặc 8, thậm chí có thể xuất hiện vào thời kỳ đầu tháng 9

Qua chuỗi số liệu đo đạc về dòng chảy tại 2 trạm Thành Mỹ (sông Cái - thượng nguồn sông Vu Gia) và Nông Sơn (sông Thu Bồn), đặc trưng dòng chảy trung bình các

tháng mùa cạn trên 2 sông này được tính như ở bảng 2.2

Từ kết quả ở bảng 2.2 cho thấy tổng lượng dòng chảy trong mùa cạn trên lưu vực sông Cái nhỏ hơn lưu vực sông Thu Bồn - do lưu vực sông Thu Bồn có diện tích lớn hơn, nhưng Moduyn dòng chảy trung bình trong các tháng mùa cạn trên 2 sông này tương đương nhau - sông Thu Bồn có MTB = 38.4 l/s.km2; sông Cái: MTB = 37.1 l/s.km2

Tổng lượng dòng chảy toàn mùa cạn trên sông Vu Gia tại Thành Mỹ trung bình nhiều năm là: 1.485*109 m3 - chiếm 36.8 % tổng lượng dòng chảy năm; trên sông Thu Bồn tại Nông Sơn là 2.746*109 m3 - chiếm 31.1 % tổng lượng dòng chảy năm Tháng

có tổng lượng dòng chảy nhỏ nhất là tháng 4 - trên sông Cái tổng lượng dòng chảy trong tháng này chỉ có 0.106*109 m3 - chiếm 2.63 % tổng lượng dòng chảy năm và trên sông Thu Bồn cũng chỉ có 0.191*109 m3 - chiếm 2.16 % tổng lượng dòng chảy năm Lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất xuất hiện trong thời kỳ quan trắc trên sông Cái lại rơi vào tháng 9 là tháng chuyển tiếp sang mùa lũ - lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất chỉ có 11.3 m3/s; trên sông Thu Bồn rơi vào tháng 6 là tháng thường có mưa tiểu mãn - lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất xuống tới 20.6 m3/s Vì vậy trong suốt mùa cạn từ tháng 1 đến tháng 9 nguy cơ hạn hán cũng có thể xảy ra trong bất kỳ một thời gian nào Tháng

1 thường là tháng có tổng lượng dòng chảy lớn nhất - trên sông Vu Gia là 0.284*109

m3- chiếm 7.05 % tổng lượng dòng chảy năm; trên sông Thu Bồn: 0.6*109 m3- chiếm 6.80 % tổng lượng dòng chảy năm Nguyên nhân do tháng 1 là tháng chuyển tiếp từ mùa lũ sang mùa cạn nên trong thời gian này lượng dòng chảy ngầm do mùa lũ năm trước cung cấp còn rất phong phú

Bảng 2.2: Dòng chảy các tháng mùa cạn trung bình nhiều năm và tỷ số phân phối của

nó so với dòng chảy năm

Tháng Đặc trưng Trạm Thành Mỹ Trạm Nông Sơn

Tháng Đặc trưng Trạm Thành Mỹ Trạm Nông Sơn

1 ngày 10 ngày 20 ngày 30 ngày

Qmin Mmin Qmin Mmin Qmin Mmin Qmin Mmin (m3/s) (l/s.km2) (m3/s) (l/s.km2) (m3/s) (l/s.km2) (m3/s) (l/s.km2) Thành Mỹ 11.3 6.1 15.8 8.6 17.7 9.6 22.0 11.9 Nông Sơn 20.6 6.6 22.5 7.2 36.8 11.8 33.8 10.8

(Nguô ̀n: Đặc điểm KTTV Quảng Nam 2013)

Đánh giá chung về đặc điểm thủy văn mùa cạn:

- Mùa cạn ở Quảng Nam bắt đầu từ tháng 1 và kết thúc vào tháng 9 hàng năm

- Tháng 2, 3 và 7, 8 thường là những tháng có lượng dòng chảy nhỏ nhất

- Tháng 5, 6 hàng năm thường xuất hiện mưa, lũ tiểu mãn nên lượng dòng chảy trong 2 tháng này khá phong phú

- Trong mùa cạn có một số thời kỳ không mưa kéo dài, có khi trong cả tháng,

có nơi thời gian không mưa liên tục có thể kéo dài trong 2 tháng - thời gian này thường

xảy ra trong các tháng 2 - 4 Vì vậy, tỉnh Quảng Nam ngoài chịu ảnh hưởng nặng nề của lũ lụt trong mùa mưa còn có khả năng chịu ảnh hưởng của sự hạn hán có thể xảy

ra bất kỳ thời gian nào trong mùa cạn

Căn cứ vào lượng nước và tính biến động của nó có thể chia mùa cạn ra 3 giai đoạn:

Giai đoạn đầu mùa cạn: đây là thời kỳ chuyển tiếp từ mùa lũ sang mùa cạn, lượng nước trong sông còn dồi dào

Giai đoạn giữa mùa cạn: là thời kỳ nước sông cạn nhất, nguồn nước sông do nước ngầm, nước từ các hồ chứa là chính

Giai đoạn cuối mùa cạn: là thời kỳ chuyển tiếp từ mùa cạn sang mùa lũ, nước sông tăng lên rõ rệt do những trận mưa đầu mùa cung cấp

Mùa cạn kéo dài từ 7 - 9 tháng nhưng tổng lượng dòng chảy mùa cạn chiếm từ

20 - 40% dòng chảy năm

Hình 2.2: Phân phối trong năm lưu lượng trung bình tháng tại một số trạm thuỷ văn

trong hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn (Nguô ̀n: Đặc điểm KTTV Quảng Nam 2013)

2.4.2 Đặc điểm nguồn nước mùa cạn thượng nguồn sông Vu Gia - Thu Bồn

a Đặc điểm nguồn nước mùa cạn sông Thu Bồn:

Nguồn nước sông Thu Bồn được kết nối, bổ sung bởi nhiều sông, suối, hồ chứa Trong đó có các sông nhánh lớn như: Sông Tranh, sông Trường, sông Khang,… và hồ thủy điện Sông Tranh 2, Đăk Mi 4…

Nguồn nước bổ sung của hai nhà máy thủy điện Sông Tranh 2, Đăk Mi 4 và các

hồ chứa thủy lợi khác trên lưu vực ảnh hưởng rất lớn tới lượng dòng chảy của sông

Thời kỳ giữa mùa cạn được tính từ tháng 3 đến tháng 8 đây là thời kỳ mực nước trên sông cạn kiệt nhất, giai đoạn này lượng bốc hơi nước trên lưu vực rất lớn, nguồn nước để duy trì dòng chảy trong sông chủ yếu là lưu lượng xả của các nhà máy phát điện Ngoài ra trong thời kỳ này cũng có năm vào tháng 5 hoặc tháng 6 có xuất hiện mưa, lũ tiểu mãn và đây cũng là nguồn cung cấp bổ sung, nâng cao dòng chảy trong sông

Thời kỳ chuyển tiếp mùa cạn là tháng 9 hàng năm, trong tháng này thường xuất hiện những cơn mưa đầu mùa bổ sung nguồn nước quý giá cho hệ thống sông

b Đặc điểm nguồn nước sông Vu Gia:

Nguồn nước của hệ thống sông Vu Gia trong mùa cạn bao gồm: lượng nước từ các hồ chứa thủy điện, thủy lợi trên lưu vực và lượng nước ngầm trên các lưu vực sông

Mùa cạn trên lưu vực sông Vu Gia cũng được bắt đầu từ tháng 1 đến tháng 9 hàng năm và được chia thành 3 thời kỳ:

Thời kỳ đầu của mùa cạn từ tháng 1-2, thời kỳ này dòng chảy trong sông vẫn ở mức cao Bởi sau mùa mưa lượng nước ngầm bổ sung cho sông vẫn tương đối lớn

Thời kỳ giữa mùa cạn được tính từ tháng 3 đến tháng 8 đây là thời kỳ mực nước trên sông Vu Gia cạn kiệt nhất, giai đoạn này lượng bốc hơi nước trên lưu vực rất lớn, nguồn nước để duy trì dòng chảy trong sông chủ yếu được cung cấp bởi nước ngầm trên các tiểu lưu vực và lượng nước xả phát điện của hai hồ thủy điện lớn: Thủy điện sông Bung 4, thủy điện A vương, thủy điện sông Côn 2 Ngoài ra trong thời kỳ này cũng có năm vào tháng 5 hoặc tháng 6 có xuất hiện mưa, lũ tiểu mãn và đây cũng là nguồn cung cấp bổ sung, nâng cao dòng chảy trong sông

Thời kỳ chuyển tiếp mùa cạn là tháng 9 hàng năm, đây là tháng cuối của mùa cạn

và đầu của mùa mưa, thường xuất hiện những cơn mưa đầu mùa bổ sung nguồn nước quý giá cho hệ thống sông

2.5 Hệ thống hồ chứa Sông Tranh 2, Đăk Mi 4 và nhiệm vụ điều tiết trong mùa cạn

2.5.1 Hiện trạng các công trình thủy điện

a Thủy điện Sông Tranh 2:

Nhà máy thủy điện Sông Tranh 2 được đặt tại Huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam, trên Sông Tranh thuộc hệ thống Sông Vu Gia – Thu Bồn Nhà máy Thủy điện Sông Tranh 2 được khởi công xây dựng vào tháng 3/2006 và được hoàn thiện vào giữa năm 2011 Công suất thiết kế của hồ chứa cho nhà máy thủy điện là hơn 730 triệu m3

nước, đây là một trong những hồ chứa lớn nhất tại khu vực Miền Trung Việt Nam Đập chính được xây dựng với kỹ thuật bê tông đầm lăn Nhà máy có hai tuabin chính với tổng công suất lắp đặt là 190MW Tiềm năng sản lượng điện hàng năm lên tới 680 triệu kWh

Thông số nhà máy:

Thuỷ điê ̣n Đắk Mi 4 [12] gồm 2 bậc, bậc trên có diện tích lưu vực: 1.112 km2

dự kiến xây dựng mô ̣t đâ ̣p bê tông đầm lăn cao: 90 m, dài 556,8 m Được xem xét với MNGC: 258,2 m, MND: 258,0 m và MNC: 240 m, ta ̣o hồ chứa có dung tích: 310,32.106 m3 và Whi: 158,03.106 m3 Nhà máy thuỷ điê ̣n kết hợp với đường hầm dẫn nước dài: 2070 m được đă ̣t ở bên lưu vực sông Thu Bồn Cô ̣t nước phát điê ̣n khoảng

135 m, Nlm: 141 MW, Enăm: 582,4.106 Kwh Bậc dưới có Flv: 29 km2 dự kiến xây

dựng mô ̣t đâ ̣p đất đồng chất cao: 90 m,dài 556,8 m Được xem xét với MNGC: 108,45

m, MND: 106,0 m và MNC: 105 m, ta ̣o hồ chứa có dung tích: 2,57.106 m3 và Whi: 0,57.106 m3 Nhà máy thuỷ điê ̣n đặt sau đập có Nlm: 39 MW, Enăm: 161,1.106 Kwh Tổng cả 2 bậc: Nlm: 180 MW, Enăm: 743,5.106 Kwh

2.5.2 Đảm bảo dòng chảy tối thiểu trên sông

Do những nguyên nhân khác nhau nên dung tích hiệu dụng và dung tích đảm bảo dòng chảy tối thiểu trên sông và nhu cầu sử dụng nước tối thiểu ở hạ du khác nhau Các hồ chứa thượng nguồn đã và đang xây dựng lấy nhiệm vụ phát điện và cấp nước là chính, do vậy dòng chảy tối thiểu trên sông và nhu cầu sử dụng nước tối thiểu

ở hạ du của các hồ chứa này đã tăng đáng kể

Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (Theo Quyết định số 1537/QĐ-TTg ngày 07 tháng 9 năm 2015 của Thủ tướng Chính phủ), quy định các hồ chứa “A Vương, Đắk Mi 4, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Sông Bung 4A và Sông Bung 5 trong mùa cạn hàng năm” trong thời gian vận hành các hồ chứa phải căn cứ vào mực nước hồ hiện tại và dự báo dòng chảy đến hồ trung bình 10 ngày tới để điều chỉnh việc vận hành sao cho mực nước hồ tại các thời điểm tương ứng không nhỏ hơn giá trị quy định

Hình 2.3: Hệ thống các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn

2.5.3 Nhiệm vụ điều tiết và quy trình vận hành liên hồ chứa thời kỳ mùa cạn

Vận hành hồ theo các thời kỳ sử dụng nước gia tăng, sử dụng nước bình thường (thời kỳ sử dụng nước gia tăng: từ ngày 11 tháng 5 đến ngày 10 tháng 6; thời kỳ sử dụng nước bình thường: từ ngày 16 tháng 12 đến ngày 10 tháng 5 năm sau và từ ngày

11 tháng 6 đến ngày 31 tháng 8) và theo thời đoạn 10 ngày

Vận hành các hồ theo giá trị mực nước tại các trạm TV Ái Nghĩa và Giao Thủy Trong thời gian vận hành các hồ chứa phải căn cứ vào mực nước hồ hiện tại và

dự báo dòng chảy đến hồ trung bình 10 ngày tới để điều chỉnh việc vận hành sao cho mực nước hồ tại các thời điểm tương ứng không nhỏ hơn giá trị quy định

Các hồ chứa đều vận hành tích nước, xả lũ theo đúng quy trình đã phê duyệt, nên có tác dụng điều hòa dòng chảy hơn, làm giảm lũ và cung cấp nước cho vùng hạ

du về mùa cạn, tuy nhiên trong một số trường hợp vào mùa khô do nhu cầu sử dụng điện thực tế thay đổi theo từng ngày dẫn đến nước về hạ lưu cũng thay đổi theo từng ngày, đồng thời một số năm tích nước vào hồ chứa trong mùa lũ không đủ dẫn đến lượng nước về hạ lưu mùa khô ít làm tình trạng hạn hán vùng hạ du gia tăng, nhìn chung dòng chảy hạ du các hồ chứa biến đổi khá phức tạp

Chương 3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN PHỤC VỤ DỰ BÁO DÒNG CHẢY 10 NGÀY MÙA CẠN CHO THƯỢNG NGUỒN

SÔNG VU GIA - THU BỒN

3.1 Lư ̣a cho ̣n mô hình dự báo

3.1.1 Giới thiệu chung về các mô hình thủy văn phục vụ dự báo dòng chảy

Trong những năm gần đây, mô hình thủy văn được sử dụng rất nhiều trong dự báo thủy văn, đặc biệt khi người ta muốn kéo dài thời gian dự kiến thì phải sử dụng mưa thực đo hoặc mưa dự báo Phương pháp này, có ưu điểm là thời gian dự báo trước được kéo dài, thêm vào đó nếu mô hình mưa – dòng chảy là mô hình thủy văn có thông số phân bố thì tại một thời điểm chạy mô hình có thể đưa ra thông báo cho bất

kỳ vị trí nào trên lưu vực và trên hệ thống sông Tuy nhiên, chất lượng dự báo chưa cao vì phụ thuộc nhiều vào kết quả dự báo mưa và biến đổi cho các nhân tố ảnh hưởng trên lưu vực do vậy phương pháp này thường được dùng cho dự báo trung hạn và hạn dài

Hiện nay có rất nhiều mô hình thủy văn mưa – dòng chảy được sử dụng để tính toán trong các bài toán thủy văn như mô hình TANK, NAM, HMS…

Mô hìnhTANK:

Mô hình TANK là mô hình bể chứa mô tả quan hệ mưa - dòng chảy có bộ thông

số khá lớn (36 thông số) Bộ thông số của mô hình giữa các lưu vực khác nhau trong cùng một khu vực có sự biến đổi lớn

Các mô hình này đã và đang phát huy những hiệu quả tích cực trong công nghệ

dự báo thủy văn cho các lưu vực sông, trong các mô hình đó phải kể đến mô hình MIKE-NAM của viện thủy lợi Đan Mạch, đây là một mô hình có thể giải quyết được bài toán trong tính toán, dự báo thủy văn đối với các lưu vực có ít trạm đo như thượng nguồn lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, nếu sử dụng mô hình MIKE-NAM sẽ khắc phục được những hạn chế về số lượng trạm đo trên lưu vực nghiên cứu

Ở trong nước, bộ mô hình MIKE-NAM đang được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh vực dự báo thủy văn Trong công tác dự báo của thủy văn ngoài dự báo lũ thì dự

báo hạn cũng là một trong yếu tố cực kỳ quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu Đặc biệt đối với thượng nguồn lưu vực Vu Gia - Thu Bồn là lưu vực có ít trạm

đo, nếu sử dụng mô hình NAM sẽ khắc phục được những hạn chế về số lượng trạm đo trên lưu vực nghiên cứu

Dựa trên khả năng ứng dụng của mô hình MIKE-NAM vào giải quyết bài toán dự báo thủy văn, đề tài chọn mô hình MIKE-NAM làm công cụ để xây dựng công cụ dự báo dòng chảy mùa cạn ở thượng nguồn sông Vu Gia – Thu Bồn.

3.1.3 Lý thuyết mô hình NAM

NAM là chữ viết tắt từ chữ Đan Mạch "Nedbor – Afstromming - Model", nghĩa

là mô hình mưa - dòng chảy Mô hình NAM thuộc loại mô hình thuỷ văn tất định - nhận thức - gộp, được xây dựng vào khoảng năm 1982 tại khoa Thuỷ văn Viện kỹ thuật thuỷ động lực và thuỷ lực thuộc trường Đại học kỹ thuật Đan Mạch

Mô hình NAM đã được sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch, và một số nước nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau như Borneo, Mantania, Slilanca, Thái Lan, Ấn

Độ, ở Việt Nam, mô hình này đã được nghiên cứu sử dụng trong tính toán dự báo lũ thượng lưu sông Thái Bình

a Cấu trúc của mô hình

Cấu trúc của mô hình NAM [13] được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa

theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng

- Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta, không xét đến bể chứa này

- Bể chứa mặt: Lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu bằng Umax

- Bể chứa tầng dưới: Đây là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu bằng

Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của

bể chứa

- Bể chứa nước ngầm tầng trên

- Bể chứa nước ngầm tầng dưới

Hình 3.1: Cấu trúc của mô hình NAM

Mô hình mô phỏng quá trình mưa và dòng chảy trên các lưu vực, bằng việc thực hiện việc tính toán liên tục lượng ẩm của các lớp đất trong các bể chứa được liên kết nội với nhau Các bể chứa này đại diện cho các thành phần vật lý của lưu vực

Mưa hoặc tuyết tan trước tiên đi vào bể chứa mặt Lượng nước U trong bể chứa mặt liên tục tiêu hao cho bốc thoát hơi và thấm ngang để tạo thành dòng chảy sát mặt Khi lượng nước U vượt quá giới hạn Umax , phần lượng nước thừa sẽ tạo thành dòng chảy tràn để trực tiếp chảy ra sông, phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới

và bể chứa nước ngầm

Lượng cấp nước ngầm được chia ra thành 2 bể chứa: bể chứa nước ngầm tầng trên và bể chứa nước ngầm tầng dưới Hoạt động của hai bể chứa này như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau Nước trong hai bể chứa này sẽ tạo thành dòng chảy ngầm

Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất Sau đó, tất cả các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ hai Cuối cùng sẽ được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra

Các thành phần của dòng chảy được xác định như sau:

1 Bể chứa mặt

Lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương nằm ngang (dòng chảy sát mặt) Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng PN sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm

 Với L/Lmax >TOF (3.1)

0 Vớ i L/Lmax < TOF

Trong đó: CQOF là hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF≤ 1)

TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF≤ 1)

Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống dưới Một phần (PN - QOF) thấm xuống dưới sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây Phần còn lại sẽ thẩm thấu xuống sâu hơn để bổ sung cho bể chứa tầng ngầm

 Với L/Lmax >TIF (3.2)

= 0 Với L/Lmax < TIF

Trong đó: TIF là ngưỡng sinh ra dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF≤ 1)

CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt

L QOF

1

max)

8 Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt

Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông qua hai bể chứa tuyến tính theo thời gian với cùng một hằng số thời gian CK1,2

9 Diễn toán dòng chảy ngầm

Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính theo thời gian với hằng số thời gian CKBF

b Các thông số của mô hình

1- CQOF là hệ số dòng chảy mặt không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.90 Đây là một thông số quan trọng xác định lượng nước dư thừa tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm Về mặt vật lý, nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm Thông số này ảnh hưởng đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút nước ở những lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị

CQOF tương đối nhỏ, ở những lưu vực mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ lớn

2- CQIF: Là hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ )-1 Thông

số này, cùng với Umax, xác định tổng lượng dòng chảy sát mặt Nó chính là phần của lượng ẩm trong bể chứa mặt sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian Bởi vậy trong thực tế nó là thông số diễn toán của dòng chảy sát mặt do CKIF>>CK1, CK2

Nó hiếm khi là thành phần dòng chảy chính và ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng

có thể chỉ dùng một trong hai bể chứa ngầm Khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lượng cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên

4- CLOF, CLIF, CLG là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1 Chúng có liên quan với độ ẩm tương đối trong đất Khi giá trị của các ngưỡng này nhỏ hơn L / L max thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm

Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trưng lưu vực sông Do vậy, giá trị của các ngưỡng của lưu vực nhỏ và đồng nhất thường lớn hơn so với lưu vực lớn ít đồng nhất

5- Umax và Lmax là các thông số xác định giới hạn chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dưới Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm của lưu vực Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt quá PN xuất hiện, tức là U  Umax Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lượng mưa trước khi

có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được dùng làm Umax ban đầu

6- CK1,CK2, CKBFU và CKBFL là các hằng số thời gian của các hồ chứa tuyến tính tức là thông số về thời gian tập trung nước Chúng là những thông số rất quan trọng, nhất là hai thông số CK1 và CK2, ảnh hưởng lớn đến dạng đường quá trình và đỉnh

7- Hệ số mưa K(i) ảnh hưởng lớn đến kết quả của mô hình, nhất là tổng lượng Các thông số trên được xác định thông qua việc hiệu chỉnh mô hình

c Các điều kiện ban đầu của mô hình

1- U: Lượng nước chứa trong bể chứa mặt, mm

2- L: Lượng nước chứa trong bể chứa tầng dưới, mm

3- OF1: Cường suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể chứa tuyến tính thứ

8- BFU: Cường suất dòng chảy ngầm tầng trên sau khi qua bể chứa tuyến tính thứ 2, mm/h

9- BFL1: Cường suất dòng chảy ngầm tầng dưới trước khi qua bể chứa tuyến tính thứ 2, mm/h

10- BFL: Cường suất dòng chảy ngầm tầng dưới sau khi qua bể chứa tuyến tính

thứ 2, mm/h

3.2 Số liệu khí tượng thủy văn sử dụng trong nghiên cứu

Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn cơ bản hiện nay trên lưu vực do Trung tâm Khí tượng thủy văn quốc gia – Bộ Tài nguyên và Môi trường quản lý Hầu hết các trạm có số liệu đo đạc từ năm 1977 đến nay

Các trạm đo cơ bản trên thượng nguồn lưu vực Vu Gia - Thu Bồn hiện nay đang hoạt động gồm có: 1 trạm khí tượng, 3 trạm thủy văn, 2 trạm đo mưa nhân dân

Trạm khí tượng: Trạm Khí tượng Trà My, trạm Trà My đặt vùng núi huyện Bắc Trà My (bảng 3.1)

Trạm thủy văn: Thượng nguồn lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn có 3 trạm thủy văn trong đó có 2 trạm trên sông Thu Bồn, 1 trạm trên sông Vu Gia, trong 3 trạm này

có 2 trạm thủy văn cấp I có đo đầy đủ các yếu tố (bảng 3.2)

Trạm đo mưa: Trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn hiện có 2 trạm Các trạm này hiện nay được trang bị máy đo tự động, tự truyền tin (bảng 3.3)

Bảng 3.2: Danh sách trạm thủy văn

2 Nông Sơn Xã Quế Trung - H.Nông Sơn -

Truyền thống và

tự động

Từ 1976 đến nay

3 Thành Mỹ TT.ThaQua ̀nh Mỹ - H.Nam Giang -

Truyền thống và

tự động

Từ 1976 đến nay

Bảng 3.3: Danh sách trạm đo mưa

TT Tên trạm Vị trí Phương thức đo Thời gian đo

đạc

1 Khâm Đức TT Khâm Đức - H.Phước

Sơn- Quảng Nam

Truyền thống v

và tự động

Từ 1979 đến nay

Hình 3.2: Sơ đồ mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn và đo mưa trên lưu vực

sông Vu Gia - Thu Bồn (Nguô ̀n: Đài KTTV tỉnh Quảng Nam)

3.3 Ứng dụng mô hình thủy văn MIKE-NAM tính toán dòng chảy 10 ngày mùa cạn thượng nguồn hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn

Các bước thực hiện gồm:

Hình 3.3: Các bước tính toán dòng chảy bằng mô hình MIKE-NAM