Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LA ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NƯỚC BIỂN DÂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LA ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NƯỚC BIỂN DÂNG Chuyên ngành: Mã số: Quy hoạch quản lý tài nguyên nƣớc 62-62-30-01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh 2: GS TS Đào Xuân Học HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tác giả, kết nghiên cứu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) đƣợc trích dẫn theo quy định Tác giả luận án La Đức Dũng i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian miệt mài nghiên cứu, luận án hoàn thành dƣới hƣớng dẫn tận tình GS TS Đào Xuân Học PGS TS Nguyễn Tuấn Anh Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy trực tiếp hƣớng dẫn, bảo tận tình tạo điều kiện thuận lợi suốt trình nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn đơn vị, cá nhân tạo điều kiện cung cấp tài liệu tham gia góp ý cho tác giả suốt trình nghiên cứu Xin cảm ơn tác giả cơng trình nghiên cứu cung cấp nguồn tƣ liệu kiến thức liên quan quý báu để tác giả sử dụng q trình nghiên cứu trích dẫn luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng PTNT; Khoa Kỹ thuật tài nguyên nƣớc; Phòng Đào tạo đại học sau đại học; Trƣờng Đại học Thủy lợi; Tổng cục Thủy lợi; Viện Quy hoạch thủy lợi; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; Viện kỹ thuật tài nguyên nƣớc; Công ty TNHH thành viên khai thác công trình thủy lợi Bắc Nam Hà; Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn quốc gia; Viện Khoa học Khí tƣợng thủy văn & Biến đổi khí hậu; Cục Khí tƣợng thủy văn & Biến đổi khí hậu tồn thể thầy, cô giáo; bạn bè; đồng nghiệp; quan gia đình tạo điều kiện, chia sẻ khó khăn, tham gia ý kiến giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận án ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu Bố cục luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà 1.1.1 Vị trí địa lý đặc điểm địa hình 1.1.2 Đặc điểm mƣa, mạng lƣới sơng ngịi chế độ thủy văn 1.1.3 Hiện trạng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà 10 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc tác động BĐKH, NBD đến hệ thống tiêu nƣớc .14 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu giới tác động BĐKH, NBD đến hệ thống tiêu nƣớc 14 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu tác động BĐKH, NBD đến hệ thống tiêu nƣớc Việt Nam 16 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế cho trạm bơm tiêu 21 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu quản lý vận hành hệ thống tiêu Bắc Nam Hà 25 1.5 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU ÚNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƢỚC BIỂN DÂNG 29 2.1 Đánh giá khả tiêu úng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà giai đoạn 29 2.1.1 Xác định nhu cầu tiêu hệ thống 29 2.1.2 Mô hệ thống để kiểm tra lực tiêu 43 iii 2.2 Đánh giá khả tiêu úng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà giai đoạn 2030 2050 70 2.2.1 Xác định kịch BĐKH, NBD cho vùng nghiên cứu 70 2.2.2 Lựa chọn tài liệu mƣa để tính tốn cho vùng nghiên cứu 72 2.2.3 Xác định mực nƣớc sông tƣơng lai ứng với kịch phát thải trung bình cho vùng nghiên cứu 73 2.2.4 Xây dựng mơ hình mƣa tiêu điều kiện biến đổi khí hậu 74 2.2.5 Xây dựng kịch sử dụng đất giai đoạn 2030, 2050 81 2.2.6 Xác định hệ số tiêu thiết kế hệ thống Bắc Nam Hà điều kiện BĐKH NBD 81 2.2.7 Mô hệ thống tiêu ứng với trận mƣa thiết kế trạng hệ thống tƣơng ứng với giai đoạn 2030, 2050 82 2.3 Đánh giá khả tiêu úng hệ thống BNH điều kiện BĐKH, NBD 84 2.4 Kết luận chƣơng 84 CHƢƠNG XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BNH TRONG ĐIỀU KIỆN BĐKH, NBD 86 3.1 Tính tốn cân nƣớc cho hệ thống giai đoạn tại, 2030 2050 86 3.1.1 Phƣơng trình cân nƣớc lƣu vực tiêu 86 3.1.2 Tính tốn cân nƣớc cho hệ thống qua giai đoạn tại, 2030 2050 .87 3.2 Xây dựng quan hệ hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa, chiều sâu trữ định hƣớng quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống BNH điều kiện BĐKH, NBD 92 3.2.1 Xây dựng quan hệ hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hịa chiều sâu trữ cho hệ thống Bắc Nam Hà điều kiện BĐKH NBD 92 3.2.2 Định hƣớng công tác quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống Bắc Nam Hà điều kiện BĐKH NBD 97 3.3 Đề xuất phƣơng pháp xác định tần suất mực nƣớc sông thiết kế trạm bơm tiêu có tổng chi phí xây dựng quản lý vận hành nhỏ 101 3.3.1 Đánh giá mức độ lãng phí điện bơm tiêu thiết kế trạm bơm với tần suất mực nƣớc sông thiết kế 10% 104 3.3.2 Phân tích quan hệ mực nƣớc bể tháo mực nƣớc sông tiêu 111 iv 3.3.3 Ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống để xây dựng phƣơng pháp xác định mực nƣớc sơng thiết kế hợp lý có tổng chi phí xây dựng vận hành trạm bơm nhỏ .113 3.3.4 Thuật toán chƣơng trình tính 119 3.3.5 Ứng dụng phƣơng pháp xác định mực nƣớc sông thiết kế có tổng chi phí xây dựng vận hành quy năm đầu nhỏ cho trạm bơm Hữu Bị 123 3.4 Kết luận chƣơng 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .139 Kết đạt đƣợc luận án 139 Những đóng góp luận án 141 Những tồn hƣớng nghiên cứu tiếp 141 Kiến nghị 142 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 PHỤ LỤC 149 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ họa địa giới hành Hệ thống Bắc Nam Hà Hình 2.1 Sơ đồ xác định loại cột nƣớc tiêu qua đỉnh đƣờng tràn 35 Hình 2.2 Sơ đồ tiêu nƣớc qua đƣờng tràn có chế độ chảy tự 36 Hình 2.3 Sơ đồ tiêu nƣớc qua đƣờng tràn có chế độ chảy ngập 37 Hình 2.4 Sơ đồ loại mực nƣớc hồ điều hồ 40 Hình 2.5 Bản đồ phân vùng tiêu hệ thống Bắc Nam Hà 54 Hình 2.6 Các thành phần hệ thống mô SWMM 5.0 56 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống tiêu Bắc Nam Hà SWMM 5.0 58 Hình 2.8 Sơ đồ khối tính tốn dòng chảy cho hệ thống BNH 59 Hình 2.9 Diễn biếnchiều sâu mực nƣớc điểm đo CG19 Kết kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009 62 Hình 2.10 Diễn biến chiều sâu mực nƣớc điểm đo NTR Kết kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009 63 Hình 2.11 Đƣờng trình mực nƣớc điểm đo NTR- Sơng Nhâm Tràng 66 Hình 2.12 Đƣờng trình mực nƣớc điểm CGI-Sông T5 67 Hình 2.13 Các nút ngập từ kết chạy mơ hình 68 Hình 2.14 Mô đoạn kênh tràn bờ sông Long Xuyên 68 Hình 2.15 Các đoạn kênh tràn bờ từ kết chạy mơ hình 69 Hình 2.16 Quan hệ mƣa năm mƣa ngày max trạm Hƣng Yên (1980-1999) 72 Hình 2.17 Quan hệ mƣa mùa mƣa ngày max trạm Hƣng Yên (1980-1999) 73 Hình 2.18 Xu mƣa 3, 5, ngày Max Trạm Phủ Lý (Giai đoạn 1980-2059) 79 Hình 2.19 Xu mƣa 3, 5, ngày Max Trạm Nam Định (Giai đoạn 1980-2059) 79 Hình 2.20 Xu thời gian ngập qua thời kỳ 83 Hình 3.1 Năng lực nhu cầu tiêu giai đoạn 89 Hình 3.2 Nhu cầu tăng lực bơm tiêu hệ thống qua giai đoạn 89 Hình 3.3 Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2030 94 Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2050 96 Hình 3.5 Ảnh phân bố ao hồ tháng 9/2007 – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam 99 Hình 3.6 So sánh diện tích ao bị lấp – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam 99 vi Hình 3.7 Ảnh phân bố ao tháng 9/2007 – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định 100 Hình 3.8 So sánh diện tích ao bị lấp – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định 100 Hình 3.9 So sánh tần suất mƣa đồng mực nƣớc sơng trạm Nhƣ Trác 103 Hình 3.10 Cắt dọc bể tháo trạm bơm 108 Hình 3.11: Trạm bơm tiêu làm việc trƣờng hợp mực nƣớc sông tiêu nhỏ mực nƣớc bể tháo trạm bơm Phù Đổng 112 Hình 3.12: Sơ đồ tính cột nƣớc địa hình dƣ thừa 112 Hình 3.13: Sơ đồ khối xác định mực nƣớc bể tháo tối ƣu 119 Hình 3.14: Sơ đồ khối tính tốn điện tiêu thụ trạm bơm tiêu 120 Hình 3.15 Giao diện chƣơng trình tính tốn xác định phƣơng án tối ƣu 122 Hình 3.16 Xu chi phí xây dựng theo mực nƣớc sông thiết kế 128 Hình 3.17 Xu Cđnj ~ ZsTK theo phƣơng án I 131 Hình 3.18: Xu Cđnj ~ ZsTK theo phƣơng án II 131 Hình 3.19: Diễn biến Ctổng theo mực nƣớc sông thiết kế (Phƣơng án I) 133 Hình 3.20: Diễn biến Ctổng theo mực nƣớc sông thiết kế (Phƣơng án II) 133 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân bố cao độ ruộng đất khu vực Bắc Nam Hà Bảng 1.2 Các mực nƣớc tháng sông Hồng, sông Đáy, sông Đào Bảng 1.3 Mức báo động số vị trí sơng Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật số trạm bơm 10 Bảng 1.5 Quy mô số trạm bơm hệ thống 11 Bảng 1.6 Hệ thống kênh trục cống điều tiết trạm bơm lớn 12 Bảng 2.1 Thời điểm diễn trận mƣa mƣa 3, 5, ngày max tỷ trọng mƣa trạm Ninh Bình giai đoạn 30 Bảng 2.2 Sự phụ thuộc trận mƣa thời đoạn ngắn vào trận mƣa thời đoạn dài trạm Ninh Bình 32 Bảng 2.3 Tổng hợp phụ thuộc trận mƣa thời đoạn ngắn vào trận mƣa thời đoạn dài tỷ trọng trận mƣa giai đoạn 32 Bảng 2.4 Mơ hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ - Trạm Hƣng Yên 33 Bảng 2.5 Mơ hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ – Trạm Nam Định 34 Bảng 2.6 Mơ hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ – Trạm Ninh Bình 34 Bảng 2.7 Mơ hình mƣa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ – Trạm Phủ Lý 34 Bảng 2.8 Hệ số dòng chảy C cho đối tƣợng tiêu nƣớc hệ thống thủy lợi theo TCVN 10406: 2015 41 Bảng 2.9 Hệ số tiêu thiết kế theo trạm đo mƣa khống chế giai đoạn 42 Bảng 2.10 Cơng trình đầu mối cống điều tiết khu tiêu 52 Bảng 2.11 Bảng đánh giá sai số q trình tính tốn thực đo node CG19-Mỹ Hà 64 Bảng 2.12 Bảng đánh giá sai số trình tính tốn thực đo NTR - Nhâm Tràng 64 Bảng 2.13 Bảng đánh giá sai số q trình tính tốn thực đo vị trí sơng Nhƣ Trác, Sắt, Châu Giang, Nhâm Tràng 66 Bảng 2.14 Bảng đánh giá sai số trình tính tốn thực đo vị trí sông Sắt, sông Châu Giang, sông T5 66 Bảng 2.15 So sánh mực NBD kịch B2 RCP4.5 giai đoạn 2030 2050 74 Bảng 2.16 Trận mƣa 3, 5,7 ngày max trạm Ninh Bình thời kỳ 2030 75 viii