Luận án đặt ra mục tiêu Nghiên cứu xác định được cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng góp phần nâng cao hiệu quả điều hành hệ thống liên hồ chứa.. 3 Nhận d
Trang 1BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
TRỊNH THU PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NHẬN DẠNG LŨ LỚN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG GÓP PHẦN NÂNG CAO HIỆU QUẢ ĐIỀU HÀNH
Trang 2Công trình hoàn thành tại:
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu
Người hướng dẫn khoa học:
1 PGS TS Hoàng Minh Tuyển
Vào hồi giờ , ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện quốc gia Việt Nam
- Thư viện Viện Khoa học Khí tượng Thủy và Biến đổi khí hậu
-
Trang 3DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1 Trịnh Thu Phương, Lương Hữu Dũng (2013), “Ứng dụng phương pháp hồi quy nhiều biến trong dự báo đặc trưng nguồn nước thượng
lưu sông Hồng”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thuỷ lợi và Môi trường,
42 - 9/2013, tr.25-32
2 Trịnh Thu Phương (2013), “Ảnh hưởng của điều tiết hệ thống công trình hồ chứa đến chế độ dòng chảy hạ lưu sông Hồng những năm
gần đây”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 631-7/2013, tr.43-51
3 Trịnh Thu Phương, Lương Hữu Dũng (2016), “Nghiên cứu đặc điểm các hình thế thời tiết gây lũ trên hệ thống sông Hồng phục vụ nhận
dạng lũ đến các hồ chứa”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 10/2016,
reservoirs operation”, Water Security and Climate conference, San
Luis Potosi, Mexico, Oct, 2019, pp.70
6 Trịnh Thu Phương, Lương Hữu Dũng (2020), “Nghiên cứu cơ sở và phương pháp xây dựng đường trữ nước tiềm năng để nhận dạng lũ
lớn đến hồ lưu vực sông Hồng”, Tạp chí Khoa học và Biến đổi khí
hậu, tháng 12/2020
Trang 4lũ tại Hà Nội rất thấp (dưới BĐI) Các hồ chứa đã phải để trống một lượng dung tích khá lớn trong các mùa lũ để phòng lũ lớn xuất hiện, sẽ gây lãng phí nếu không có lũ lớn Việc huy động được dung tích của cả hệ thống hồ chứa sẽ tạo thêm dung tích cắt giảm lũ Mực nước trước lũ của các hồ chứa
sẽ không nhất thiết phải duy trì cố định một ngưỡng trong cả thời kỳ lũ chính
vụ Công tác dự báo đã phát sinh hai vấn đề bất cập: phân bổ dung tích hồ chứa lũ và độ chính xác của dự báo Những đợt lũ lớn không nhận biết sớm gây khó khăn vận hành Ngược lại, lũ kết thúc sớm hoặc lũ không lớn, nhận dạng trước quy mô lũ lớn đóng vai trò quan trọng trong quyết định tích nước Luận án đặt ra mục tiêu Nghiên cứu xác định được cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng góp phần nâng cao hiệu quả điều hành hệ thống liên hồ chứa Trên cơ sở nhận dạng lũ lớn, phương
án vận hành của từng hồ, hệ thống hồ và cách thức phân bổ dung tích giữa các hồ chứa sẽ được tính toán đảm bảo kiểm soát lũ, an toàn công trình và cắt lũ hạ du đồng thời nâng cao hiệu quả phát điện và sử dụng nước
2 Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng được cơ sở khoa học và thực tiễn nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng theo các thời kỳ mùa, tháng và 5 ngày
- Đề xuất điều chỉnh phân bổ dung tích phòng lũ của các hồ chứa góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng
Trang 52
3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Phạm vi không gian nghiên cứu của Luận án là hệ thống sông Hồng trên lãnh thổ Việt Nam với diện tích khoảng 86.660 km2 Phạm vi thời gian nghiên cứu của Luận án là thời kỳ mùa lũ
Đối tượng nghiên cứu Luận án:
- Những trận lũ có đỉnh lũ lớn hơn TBNN trên lưu vực sông Hồng từ tháng 6 -10 tại các hồ chứa thủy điện: Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Bản Chát, Thác Bà và Tuyên Quang; các trạm thủy văn Yên Bái trên sông Thao, trạm thủy văn Hàm Yên trên sông Lô, trạm thủy văn Sơn Tây và Hà Nội trên sông Hồng Trong Luận án này, những trận lũ đó được gọi là lũ lớn
- Mối quan hệ giữa các nhân tố khí tượng, khí hậu, dòng chảy với khả năng hình thành lũ lớn trên lưu vực sông Hồng
4 Câu hỏi nghiên cứu và luận điểm bảo vệ của luận án
4.1 Câu hỏi nghiên cứu
(1) Nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng được thực hiện dựa trên các cơ sở khoa học nào?
(2) Các yếu tố nào sẽ được lựa chọn để nhận dạng khả năng hình thành
lũ lớn trên lưu vực sông Hồng?
(3) Nhận dạng lũ lớn sẽ được ứng dụng trong vận hành hệ thống các
hồ chứa trên lưu vực sông Hồng như thế nào?
4.2 Luận điểm bảo vệ của luận án
Luận điểm 1: Lũ lớn trên lưu vực sông Hồng có thể nhận dạng được trước một khoảng thời gian theo thời hạn mùa, tháng và 5 ngày với một độ tin cậy nhất định
Luận điểm 2: Nhận dạng được lũ lớn từ xa (thời hạn mùa, tháng) đến gần (thời hạn 5 ngày) có thể tạo cơ sở phối hợp các hồ chứa huy động linh hoạt dung tích phòng chống lũ trong thời kỳ lũ chính vụ phục vụ nâng cao hiệu quả khai thác nguồn nước và vận hành hồ chứa lưu vực sông Hồng
Trang 63
5 Phương pháp nghiên cứu
Để trả lời các câu hỏi nghiên cứu, Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
(1) Phương pháp phân tích tương quan đánh giá mối liên hệ giữa mưa
do bão, áp thấp nhiệt đới, các hình thế thời tiết gây mưa lớn và hiện tượng ENSO tới quá trình hình thành đỉnh lũ lớn trên lưu vực sông Hồng
(2) Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hồi quy đa biến, mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) được sử dụng trong phân tích, tính toán nhận dạng dòng chảy lũ tới các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Hồng
6 Đóng góp mới của Luận án
- Xây dựng được đường trữ nước trên các nhánh sông lớn thuộc lưu vực sông Hồng, là cơ sở nhận dạng sơ bộ khả năng xuất hiện lũ lớn trong điều kiện có hệ thống hồ chứa
- Đề xuất được cơ sở, phương pháp và xây dựng được công nghệ nhận dạng lũ lớn phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng
- Đề xuất hướng điều chỉnh phân bổ dung tích phòng lũ của các hồ trên sông Đà tạo cơ sơ điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng
7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
7.1 Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ luận cứ, cơ sở khoa học về nhận dạng lũ lớn đến các hồ chứa Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Bản Chát, Thác Bà và Tuyên Quang, các nhánh sông Lô và Thao theo thời kỳ mùa, tháng, 5 ngày Trên cơ sở nhận dạng sớm lũ lớn, việc phân bổ lại dung tích phòng lũ của các hồ được đề xuất góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nước, điều hành hồ chứa mà vẫn đảm bảo nhiệm vụ phòng, chống lũ hạ du 7.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu góp phần tạo tiền đề để đề xuất điều chỉnh nội dung vận hành trong mùa lũ của Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu
Trang 74 vực sông Hồng (có sự phối hợp đẩy đủ của hệ thống hồ chứa lớn trong phòng, chống lũ hạ du)
Chương 3: Phân tích, đánh giá áp dụng nhận dạng lũ lớn phục vụ vận
hành hệ thống hồ chứa lớn trong mùa lũ trên lưu vực sông Hồng
Trang 85
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG LŨ LỚN
VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA 1.1 Tổng quan nhận dạng lũ và vận hành hồ chứa trên thế giới
Nhận dạng lũ chính là việc dựa trên các cơ sở khoa học, những mối liên hệ về sự hình thành dòng chảy lũ trên lưu vực để đưa ra những dự đoán trên quy mô khái quát về đỉnh lũ, lượng lũ Dự báo lũ là một cách thức của nhận dạng lũ nhưng ở mức độ, quy mô chi tiết hơn, tính toán dự đoán trước quá trình lũ, trong đó bao gồm đỉnh lũ, tổng lượng lũ Tùy theo thời hạn, đặc điểm lưu vực và mức độ đầy đủ của số liệu trên lưu vực, các phương pháp
và cách thức tiếp cận khác nhau sẽ được lựa chọn áp dụng đưa ra kết quả nhận dạng lũ hay dự báo lũ Với thời hạn dài như tháng, mùa việc nhận dạng chi tiết quá trình lũ chưa thể thực hiện được Với thời hạn từ 5-10 ngày, nhận dạng lũ thường được thực hiện trên cả quy mô chi tiết và quy mô tổng quát Nghiên cứu nhận dạng lũ trên thế giới dựa trên cơ sở phương pháp thống kê và mô hình toán Phương pháp thống kê dựa trên các mối quan hệ tương quan về mưa, dòng chảy lũ, cơ chế gây mưa Phương pháp mô hình toán bao gồm các mô hình thủy văn, thủy lực và mô hình thống kê Hiện nay,
sự phát triển của các mô hình dự báo thời tiết số trị cho kết quả dự báo mưa khá chi tiết theo các thời đoạn 3-6 giờ trước 5-10 ngày Tuy nhiên, kết quả
dự báo mưa còn nhiều biến động và có sai số lớn theo thời đoạn Việc ứng dụng mô hình thống kê là phương án được lựa chọn song song để nhận dạng khái quá quy mô của đợt lũ về tổng lượng cũng như độ lớn của đỉnh lũ
1.2 Tổng quan nhận dạng lũ và vận hành hồ chứa tại Việt Nam
Ở Việt Nam nói chung và nhận dạng lũ trên sông Hồng nói riêng phần lớn các nghiên cứu là kế thừa, phát triển những công cụ, mô hình toán và phương pháp nghiên cứu trên thế giới Việc nghiên cứu nhận dạng lũ đã được thực hiện tại các trạm thủy văn trên các lưu vực sông chính tại Việt Nam Nhận dạng lũ từ xa đến gần theo quy mô khái quát và chi tiết Đối với nhận dạng càng xa, các thông tin nhận dạng khái quát và có độ chính xác tương
Trang 96 đối Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vấn đề dự báo lũ thời hạn ngắn, thời hạn vừa trong điều kiện chưa có hồ chứa Nhận dạng lũ từ xa còn chưa có nhiều Mô hình toán thủy văn là phương pháp được lựa chọn phổ biến trong các nghiên cứu nhận dạng gần Đối với nhận dạng lũ từ xa theo thời hạn tháng, mùa còn chưa có nhiều nghiên cứu
Vận hành hệ thống hồ chứa là một bài toán khá phức tạp phụ thuộc vào nhiều biến điều khiển và phải thỏa mãn nhiều mục đích khác nhau như chống lũ, phát điện, cấp nước nông nghiệp và giao thông thuỷ Trên thực
tế, mục tiêu khai thác hệ thống còn liên quan đến lợi ích chính trị - xã hội dẫn tới việc điều hành càng phức tạp Hiện nay, lũ lớn trên lưu vực sông Hồng có nhiều cơ sở cho phép phân tích, nhận dạng trước 3-5 ngày với độ tin cậy cho phép Nghiên cứu các mối quan hệ mưa, lũ, quan hệ các nhân tố khí tượng, khí hậu sẽ là cơ sở cho cơ sở khoa học nhận dạng lũ theo thời hạn
từ xa (tháng, mùa) đến gần
Hình 1.2 Sơ đồ nghiên cứu của Luận án
Trang 10cơ sở khoa học nhận dạng lũ theo thời hạn từ xa (tháng, mùa) đến gần, từ đó
là cơ sở đề xuất hướng điều chỉnh dung tích phòng lũ phối hợp các hồ trong vận hành, nâng cao mực nước trước lũ nhưng vẫn đảm bảo an toàn hạ du, hài hòa với mục tiêu phát điện và cấp nước của hệ thống
Trang 118
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NHẬN DẠNG LŨ LỚN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG PHỤC
VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LỚN
2.1 Tổng quan về lưu vực sông Hồng
Hệ thống sông Hồng do ba sông lớn là sông Thao, Đà và Lô hợp thành (Hình 2.1) Sự phân bố nguồn nước mưa trên lưu vực sông Hồng ảnh hưởng rất rõ rệt bởi địa hình Lưu
vực sông Đà và sông Thao
có diện tích gần bằng nhau
nhưng nguồn nước mặt của
sông Đà dồi dào hơn, chiếm
tới 47%, sông Lô chiếm
30%, sông Thao chỉ chiếm
23% tổng lượng nguồn nước
mặt hàng năm của ba nhánh
sông [11]
Hệ thống hồ chứa lớn
trên lưu vực sông Hồng đã
thực hiện vai trò cắt giảm
hoàn toàn lũ vùng hạ lưu sông
Hình 2.11 Diễn biến mực nước lớn nhất tại Hà Nội trong các năm
Trang 129 sông nhánh gặp lũ sông Hồng như sau: lũ sông Đà gặp lũ sông Hồng là 30%;
lũ sông Thao gặp lũ sông Hồng 11%; lũ sông Lô gặp lũ sông Hồng 3%; lũ sông Đà, sông Lô gặp lũ sông Hồng 14%; lũ sông Đà, sông Thao gặp lũ sông Hồng 19%; lũ sông Lô, sông Thao gặp lũ sông Hồng 6%; lũ 3 sông Đà, Thao,
Lô gặp lũ sông Hồng 17%
Để tạo nên một con lũ rất lớn ở hạ lưu, điều kiện cần là phải có mưa lớn kéo dài rộng khắp trên toàn lưu vực Trong thực tế, chưa có trận lũ lớn nào là tổ hợp đồng thời của lũ lớn nhất lịch sử tại cả 3 nhánh sông Đà, Thao
và Lô Lũ lớn nhất trong lịch sử tháng 8/1971 cũng chỉ là tổ hợp lũ lớn nhất trên sông Lô gặp lũ lớn nhất trên sông Thao, còn ở sông Đà chỉ xảy ra lũ vừa (Bảng 2.3)
2.3 Nhận dạng lũ trên lưu vực sông Hồng
2.3.1 Sự hình thành đường trữ nước tiềm năng trên thượng lưu sông Hồng
Quá trình lũ là điển hình của sự kết hợp hài hoà giữa các nhiễu động thời tiết gây mưa và sự điều tiết đặc thù của mặt đệm từng lưu vực Lượng trữ nước trên lưu vực đóng vai trò như nền nước gốc của lưu vực Khi có điều kiện phát triển những nhiễu động thời tiết hình thành những đợt mưa lớn, lũ lớn sẽ xuất hiện trên lưu vực Nền nước gốc lưu vực mang tính quá trình và có thể nhận biết được khá sớm từ những tài liệu quan trắc về mưa và
lũ trong những thời kỳ kế cận trước Đường trữ nước tiềm năng tại các lưu vực hồ chứa lớn (Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang) trên sông Đà, Gâm, Chảy và trạm Yên Bái trên sông Thao được xây dựng dựa trên tổ hợp số liệu dòng chảy những năm lũ lớn từ năm 1961-2018 Những năm lũ lớn lựa chọn là những năm có đỉnh lũ năm lớn hơn TBNN Đường trữ nước tiềm năng được xây dựng là giới hạn trên của tập hợp các chân lũ của các trận lũ lớn trong các năm, có xu hướng tăng dần từ tháng 6 đến đầu tháng tháng 8 sau đó giảm dần Tùy từng lưu vực sông, xu hướng tăng dần
có thể kết thúc vào các thời điểm khác nhau Đường lũy trữ nước tiềm năng của lưu vực có thể biểu thị bằng phương trình toán học ở dạng đa thức
Trang 1310 Đường trữ nước tiềm năng phát triển trong thời kỳ lũ sớm và lũ chính vụ chính là những dấu hiệu cơ sở thể hiện khả năng nội sinh lũ lớn và mức độ điều tiết của lưu vực nếu xuất hiện hình thế thời tiết nguy hiểm gây mưa lớn trên toàn lưu vực, có thể sử dụng trong nhận dạng sơ bộ, nhận dạng nhanh một cách định tính khả năng xuất hiện lũ lớn Phân tích dữ liệu khoảng 50 năm, có một số trường hợp khác biệt, lượng trữ nước trên lưu vực khá nhỏ, chân lũ nằm dưới đường trữ nước tiềm năng, nhưng do những nhiễu động thời tiết mạnh, gây mưa rất to dẫn đến lũ lớn hình thành Tuy nhiên, những năm này chiếm một tỉ lệ rất nhỏ trong chuỗi số liệu phân tích (Hình 2.23, Hình 2.24)
Hình 2.23 Đường trữ nước tiềm năng trên các lưu vực hồ chứa Lai Châu,
Sơn La, Hòa Bình 2.3.2 Mối quan hệ giữa mưa, các hình thế thời tiết và sự hình thành lũ trên thượng lưu sông Hồng
Thống kê hình thế thời tiết của hơn 250 trận lũ đến các hồ chứa và các trạm thủy văn từ năm 1965-2018 trên trên các lưu vực sông cho thấy các hình thế thời tiết tổ hợp gây mưa lớn, lũ lớn gồm rãnh thấp và xoáy thấp, không
Trang 1411 khí lạnh kết hợp rãnh thấp và xoáy thấp, bão kết hợp với các hình thế thời tiết trên lưu vực các hồ chứa trên sông Đà, sông Chảy và sông Gâm có xu hướng nhiều hơn chiếm khoảng 50-60% các trận lũ Các hình thế thời tiết đơn lẻ như không khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới, Áp cao gây lũ khoảng (khoảng 8-15%) ít hơn so với hình thế bão, áp thấp nhiệt đới (khoảng 10-25%)
Bảng 2.5 Lượng mưa trung bình lưu vực phổ biến trên các lưu vực sông
trong các đợt bão hoặc ATNĐ
Lưu vực Sông Chảy
Lưu vực Sông
Lô (mm)
S Lưu vực ông Gâm (mm)
Hồ
Lai
Châu
Hồ Sơn
La
Hồ Hòa Bình
Trạm Yên Bái
Hồ Thác
Bà
Trạm Hàm Yên
Hồ Tuyên Quang
và vùng khu giữa Lai Châu- hồ Sơn La có mối quan hệ mưa, đỉnh lũ tương đối chặt chẽ, với hệ số tương quan R = 0,6-0,7; lưu vực hồ Thác Bà trên sông Chảy và hồ Lai Châu trên sông Đà có hệ số tương quan mưa và đỉnh lũ thấp nhất, R=0,3 - 0,36 Lượng mưa hình thành dòng chảy lũ tại vùng hồ Lai Châu chỉ chiếm khoảng 30%-40% lượng dòng chảy đến hồ Lai Châu trong các trận
Trang 1512
lũ Quan hệ mưa và đỉnh lũ trên sông Đà đến hồ Lai Châu không chặt là do dòng chảy lũ phụ thuộc nhiều vào dòng chảy từ thượng nguồn Trung Quốc Đối với lưu vực hồ Thác Bà và hồ Hòa Bình, quan hệ mưa và đỉnh lũ không chặt là do số lượng các trạm đo mưa trên lưu vực còn ít, nên lượng mưa trung bình lưu vực chưa phản ánh được lượng mưa sinh lũ trên lưu vực
2.3.3 Phân tích mối liên hệ giữa các nhân tố khí tượng với các đặc trưng lũ trước 1 tháng, mùa trên lưu vực sông Hồng
Nghiên cứu mối quan hệ giữa các nhân tố khí hậu và các đặc trưng dòng chảy lớn nhất và trung bình nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng lẫn nhau của các cặp nhân tố - yếu tố tại các vị trí nhận dạng lũ được lựa chọn Các nhân tố khí hậu được lựa chọn gồm: 1 Số ngày mưa trong tháng
- RN; 2 Tổng lượng mưa tháng - RB; 3 Nhiệt độ trung bình tháng - TB; 4 Nhiệt độ cao nhất tháng -TX; 5 Nhiệt độ thấp nhất tháng -TI; 6 Độ ẩm trung bình tháng - HB; 7 Độ ẩm nhỏ nhất tháng - HI; 8 Lượng bốc hơi tháng -
EB Các nhân tố dòng chảy thời kỳ trước được đưa vào các phương trình tương quan với đặc trưng dòng chảy thời kỳ sau gồm: Dòng chảy lớn nhất tháng - QX; Dòng chảy nhỏ nhất tháng - QI; Dòng chảy trung bình tháng - Qtb
Kết quả xây dựng tương quan giữa các nhân tố khí hậu và đặc trưng dòng chảy đến các hồ chứa, trạm thủy văn cho thấy: nhân tố nền dòng chảy hay lưu lượng trung bình và lưu lượng nhỏ nhất phổ biến có mối tương quan với các yếu tố dự báo cao hơn cả trong các thời kỳ hạn mùa và hạn tháng, mức độ tương quan cao nhất đạt từ R=0,50-0,69; Các nhân tố khí hậu cho tương quan cao hơn là: TB, TX, TI, HI, HB, mức tương quan R từ 0,35-0,65 Mối quan hệ giữa các nhân tố khí tượng và đặc trưng hồ lũ vùng hồ Bản Chát
có mối tương quan chặt hơn tại các lưu vực hồ chứa khác, mức độ tương quan phổ biến đạt R từ 0,45-0,65 đối với cả thời kỳ mùa lũ và các tháng trong mùa lũ