Bài viết Nghiên cứu phương pháp tính toán bồi lắng hồ chứa bằng mô hình toán đề xuất phương pháp tính toán bồi lắng hồ chứa bằng mô hình toán. Lượng bùn cát đến hồ được tính toán trên cả hai phương diện bùn cát lưu vưc được xác định thông qua mô hình SWAT và bùn cát vận chuyển dọc sông bằng mô hình HEC-RAS.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN BỒI LẮNG HỒ CHỨA BẰNG MƠ HÌNH TỐN Đỗ Xn Khánh1, Trần Kim Châu1, Phạm Thị Hương Lan1 Trường Đại học Thủy lợi, email: khanh.thuyluc@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Hồ chứa cơng trình thủy lợi đặc biệt, có nhiệm vụ điều tiết nguồn nước đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội khu vực Tuy nhiên nhiều hồ chứa, sau thời gian sử dụng bị bồi lắng mạnh, ảnh hưởng đến việc khai thác vận hành hồ Sự bồi lắng không ảnh hưởng đến tuổi thọ chức hồ chứa mà kéo theo nhiều hệ lụy khác mơi trường xã hội Hiện có nhiều phương pháp tính tốn bồi lắng hồ chứa, phương pháp có ưu nhược điểm riêng Các phương pháp kể đến phương pháp so sánh thể tích qua việc đo đạc địa hình lịng hồ hàng năm (Levec Skinner 2004 [1]), phương pháp sử dụng phương trình kinh nghiệm mơ tả mối quan hệ lưu lượng nước với phù sa (Mohammad nnk 2006 [2]), phương pháp sử dụng đồng vị phóng xạ (Krishnawami nnk 1971 [3]) phương pháp sử dụng mơ hình tốn (Mohammad nnk 2016 [4]) Trong phương pháp trên, phương pháp mơ hình tốn đánh giá hiệu xét đến chi phí tính tốn độ xác Đặc biệt, phương pháp thích hợp sử dụng khu vực khơng có có số liệu đo đạc khí tượng thủy văn Các mơ hình tiêu biểu cho xu hướng kể đến HEC6 (Phạm 2004 [5]) hay G-STARS (Ahn nnk 2017 [6]) hay HEC-RAS MIKE 11 (Trần 2017 [7]) Việc lựa chọn mơ hình tính tốn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm mục đích nghiên cứu tình hình số liệu địa hình, khí tượng thủy văn, vv… Trong hầu hết nghiên cứu trước lượng bùn cát đến hồ tính tốn chủ yếu từ q trình vận chuyển dọc hồ mơ hình chiều giả chiều So với mơ hình chiều, mơ hình chiều có nhiều hạn chế mơ tả q trình bồi lắng theo khơng gian, nhiên chúng lại khả thi xét đến thời gian mô hồ chứa dài hạn Tuy nhiên áp dụng mơ hình thủy lực 1, chiều chưa mơ lượng bùn cátgia nhập từ khu xói mịn sạt lở Chính lượng bùn cát nàyvốn bị chi phối mạnh mưa tình trạng sử dụng đấtlại có vai trị định ảnh hưởng trực tiếp đến tượng bồi lắng hồ chứa Hiện nay, đặc biệt Việt nam chưa có nhiều nghiên cứu bồi lắng hồ chứa xét đến đồng thời hai phương diện bùn cát dọc sông bùn cát lưu vực Do mục tiêu nghiên cứu đề xuất sử dụng đồng thời mơ hình tính tốn xói mịn lưu vực (SWAT) mơ hình vận chuyển bùn cát sơng (HEC-RAS) để tính tốn bồi lắng hồ chứa Phương pháp tính tốn áp dụng cho hồ chứa Đăk Uy lưu vực sông Sê San, Tây Nguyên PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình SWAT Mơ hình SWAT sử dụng để đánh giá tác động việc sử dụng đất xói mịn lên hệ thống lưu vực sơng Việc mơ tả q trình thủy văn chia làm hai phần bao gồm phần xảy lưu vực với chu trình thủy văn kiểm sốt khối lượng nước, bùn cát truyền tải tới kênh dẫn phần diễn tốn dịng chảy, bùn cát hệ thống kênh tới mặt cắt cửa lưu vực (SWAT 2012 user’s manual [8]) 314 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 2.2 Mơ hình HEC-RAS Mơ hình HEC-RAS mơ hình có khả tính tốn thủy lực bùn cát chi tiết cho mạng lưới sông kênh Để xác định lượng vận chuyển bùn cát sông HEC RAS cho phép lựa chọn cơng thức tính tốn bao gồm công thức Ackers White, Englund-Hansen, Laursen, Myer-Peter-Muller, Tofaleti, Yang cho phù với điều kiện bùn cát thủy động lực khu vực nghiên cứu (HEC-RAS 5.1 user’s manual [9]) Tiểu lưu vực Đăk Mốt SwatLandUseClass(LandUse4) Classes Nước Đất nông nghiệp Cây công nghiệp Đất rừng COFF Cây bụi URBN Đất đô thị WATR Bản đồ sử dụng đất Thổ nhưỡng Đăk Mốt Kon plông AGRR Đăk Tô CORN FRST UTM_48N Sa Thầy 10 20 30 40 Kilometers Hình Vị trí tiểu lưu vực Đak Mốt tiểu lưu vực hồ Đăk Uy lưu vực Sêsan Các trạm có số liệu đo mưa tương đối đầy đủ bao khoảng thời gian dài từ năm 1977 đến năm 2017 Trong số có trạm thủy văn Đăk Mốt có đồng thời số liệu đo đạc dòng chảy bùn cát Do vậy, để xác định lưu lượng bùn cát đến hồ Đăk Uy, nghiên cứu trước tiên sử dụng số liệu thực đo trạm Đăk Mốt để xác định tham số mơ hình SWAT cho tiểu lưu vực Đăk Mốt,sau áp dụng nguyên lý lưu vực tương tự cho lưu vực hồ Đăk Uy Khí hậu SWAT Lưu lượng bùn cat _Qsed (ton/ngày) Mặt cắt hồ chứa Trạm đo mưa Trạm thủy văn Hồ chứa Tiểu lưu vực hồ Đăk Uy Chú giải 2.3 Sơ đồ tính tốn bồi lắng hồ chứa DEM Đăk Glei HEC-RAS Phân bố bùn cát dọc hồ chứa Hình Sơ đồ tính tốn Hai mơ hình SWAT HEC-RAS chạy độc lập nối tiếp mô tả sơ đồ tính tốn hình Trước tiên mơ hình SWAT xét đến ảnh hưởng yếu tố khí hậu (mưa, nhiệt độ, độ ẩm, vv…), địa hình, sử dụng đất thổ nhưỡng để xác định tổng lượng bùn cát từ lưu vực đến hồ Lượng bùn cát biểu diễn dạng chuỗi thời gian với đơn vị tấn/ngày Đây số liệu đầu vào cần thiết,được mơ hình HEC-RAS sử dụng sau để mơ tả vận chuyển phân bố bùn cát dọc hồ chứa theo thời gian 2.4 Khu vực nghiên cứu Hồ chứa Đăk Uyvới dung tích hữu ích khoảng 29 triệum3 nằm sơng Đăk Uy nhánh cấp I sông Krông Pô Cô Hồ nằm phần thượng lưu lưu vực sông Sê San nơi xung quanh có trạm khí tượng thủy văn Đăk Glei, Đăk Mốt, Đăk Tô, Sa Thầy Kon Plong (Hình 2) KẾT QUẢ Mơ hình SWAT trước tiên thiết lập cho lưu vực Đăk Mốt dựa đồ DEM (https://earthexplorer.usgs.gov/), sử dụng đất (http://www.globallandcover.com/GLC30Do wnload/index.aspxnăm 2010) thổ nhưỡng (sở TNMT 2014) liệu khí hậu Có thể thấy loại hình sử dụng đất phổ biến lưu vực Đak Mốt đất rừng chiếm tới 62% tổng diện tích lưu vực, sau đất nơng nghiệp với 23%, cịn lại loại hình sử dụng đất khác nước, thị… Hình mơ tả kết mơ dịng chảy bùn cát trạm Đăk Mốt so sánh với số liệu thực đo trình hiệu chỉnh (2005-2013) kiểm định (2014-2016) mơ hình Việc lựa chọn thời gian tính tốn từ năm 2005 đến 2016 phụ thuộc vào số liệu thực đo bùn cát có sẵntại trạm Đăk Mốt Mặt khác khoảng thời gian này, thượng ngồn lưu vực Đăk Mốt tự nhiên chưa có can thiệp 315 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 người thông qua công trình điều tiết hồ chứa Kết cho thấy dịng chảy bùn cát mơ mơ hình SWAT có tương quan tốt so với kết quan trắc với giá trị Nash lớn 0.55 Bảng trình bày số tham số lưu vực Đak Mốt Các tham số sau sử dụng để tính tốn lượng bùn cát tới hồ Đăk Uy theo nguyên lý lưu vực tương tự hai lưu vực nằm gần nhau, có điều kiện địa hình, thổ nhưỡng sử dụng đất tương tự Quan sát Hình cho ta thấy loại hình sử dụng đất lưu vực Đak Uy đất rừng, sau đất nơng nghiệp Hình biểu diễn lưu lượng bùn cát tới hồ theo năm từ 1999 đến 2017, lượng bùn cát biến động lớn khoảng từ 3000 đến khoảng 22000 tấn/năm Giá trị trung bình nhiều năm khoảng 10.023 (Hình 4) Qsedtb=10.023 ton Hình Lưu lượng bùn cát trung bình năm tới hồ Đăk Uy Bảng Các tham số lưu vực CN2 Sol_AWC Sol_K USLE_ K 68 0.01 mm/hr 0.12 Lưu lượng bùn cát (ton) 350000 Hiệu chỉnh 300000 250000 200000 Qsed_sim Hình Phân bố bùn cát dọc hồ chứa KẾT LUẬN Qsed_obs Kiểm định R2=0.71 Nash=0.57 R2=0.79 Nash=0.72 150000 100000 50000 Thời gian (tháng) Hình So sánh bùn cát đo đạc mơ Hình miêu tả diễn biến bồi lắng hồ Đăk Uy theo thời gian Quá trình bồi lắng diễn phức tạp Trong khoảng 10 năm đầu, lịng hồ xuất q trình bồi xói vị trí phía hồ Sau 30 năm sau, bồi lắng trở thành xu với xuất Nêm bùn cát hình thành khoảng 2500m phía thượng lưu đập Xu bồi lắng tiếp tục sau 20 năm với tốc độ nhỏ Theo thời gian, nêm bùn cát dâng cao dịch chuyển chậm phía hạ lưu, đến khoảng 90 năm sau nêm cát vị trí cách đập khoảng 1000m Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính tốn bồi lắng hồ chứa mơ hình tốn Lượng bùn cát đến hồ tính tốn hai phương diện bùn cát lưu vưc xác định thơng qua mơ hình SWAT bùn cát vận chuyển dọc sơng mơ hình HEC-RAS Kết áp dụng cho hồ Đăk Uy cho thấy tổng lượng bùn cát đến hồ hàng năm khoảng 10.023 Quá trình hình thành nêm bùn cát phát triển phức tạp Nêm có xu hướng dịch chuyển với tốc độ chậm dần phía hạ lưu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Kim Châu 2017 “Tính tốn bồi lắng hồ chứa hệ thống thủy điện bậc thang thượng lưu sơng Đà” Tạp chí khí tượng thủy văn, Vol 6, pp- 50-56 [2] SWAT 2012 User’s manual [3] HEC-RAS 5.1 User’s manual 316 ... cắt hồ chứa Trạm đo mưa Trạm thủy văn Hồ chứa Tiểu lưu vực hồ Đăk Uy Chú giải 2.3 Sơ đồ tính toán bồi lắng hồ chứa DEM Đăk Glei HEC-RAS Phân bố bùn cát dọc hồ chứa Hình Sơ đồ tính tốn Hai mơ hình. .. xuất phương pháp tính tốn bồi lắng hồ chứa mơ hình tốn Lượng bùn cát đến hồ tính tốn hai phương diện bùn cát lưu vưc xác định thơng qua mơ hình SWAT bùn cát vận chuyển dọc sơng mơ hình HEC-RAS... bồi lắng hồ Đăk Uy theo thời gian Quá trình bồi lắng diễn phức tạp Trong khoảng 10 năm đầu, lòng hồ xuất trình bồi xói vị trí phía hồ Sau 30 năm sau, bồi lắng trở thành xu với xuất Nêm bùn cát hình