Tính toán thủy lực mô phỏng hiện tượng nước dềnh vùng lòng hồ thủy điện A Lưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN HỮU TUYẾN TÍNH TOÁN THỦY LỰC MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG NƯỚC DỀNH VÙNG LÒNG HỒ THỦY ĐIỆN A LƯỚI Chuyên ngành : Xây dựng công trình thuỷ M

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HỮU TUYẾN

TÍNH TOÁN THỦY LỰC MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG NƯỚC DỀNH VÙNG LÒNG HỒ THỦY ĐIỆN A LƯỚI

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thuỷ

Mã số: 85.80.202

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng- Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Tô Thúy Nga

Phản biện 1: TS Hoàng Ngọc Tuấn

Phản biện 2: TS Võ Ngọc Dương

Luận văn sẽ được bảo vệ cấp khoa trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 10 tháng 11 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng Thủy Lợi – Thủy Điện, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

Đặc biệt, địa hình lòng hồ có hình dạng thắt cổ chai, nên khi xảy ra lũ lớn thì dẫn đến hiện tượng nước dềnh, (chênh lệch mực nước tại vị trí thu hẹp so với mực nước hồ trước đập), đây là điều đã xảy ra trong trận lũ năm 2013 Khi

đó, mực nước dềnh đầu hồ lên đến cao trình trên 554,78m trong khoảng thời gian vài giờ do lượng mưa về quá lớn, tại thời điểm đó mực nước hồ vẫn giữ

ở 553m (chênh lệch 1,78m) Qua thông tin Huyện A Lưới cung cấp có một số

hộ dân thượng lưu hồ phải sơ tán trong đêm 18/9/2013 do nước ngập vào nhà dân khi vượt quá mực nước lũ kiểm tra (mốc đã đền bù)

Qua các phân tích nói trên có thể thấy rằng cần phải có một mô hình thủy lực tính nước dềnh để đơn vị quản lý vận hành chủ động trong việc vận hành, điều tiết hồ, giảm thiểu ngập lụt cho các xã thượng lưu hồ chứa Do đó tác giả chọn đề tài: “tính toán thủy lực mô phỏng hiện tượng nước dềnh vùng lòng hồ thủy điện A Lưới”

Đính kèm: (i) Bảng các thông số chính của công trình

(ii) Bản đồ lưu vực A Lưới

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bộ thông số mô hình thủy lực bằng mô hình MIKE 11 để tính nước dềnh lòng hồ A Lưới nhằm chủ động vận hành, điều tiết góp phần giảm thiểu ngập lụt cho các vùng dân cư, các xã thượng lưu hồ chứa và đảm bảo hiệu quả phát điện

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Nghiên cứu mô hình thủy lực để tính toán mực nước dềnh thượng lưu hồ chứa thủy điện A Lưới

2

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Về không gian: tính toán thủy văn - thủy lực vùng thượng lưu hồ chứa

A Lưới mà trọng tâm là mô phỏng hiện tượng nước dềnh trong hồ chứa thủy điện A Lưới do địa hình co thắt

+ Về thời gian: Đánh giá co thất ứng với các trận lũ theo tần suất 10%, 5%, 1%, 0,2%

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích, thống kê

- Phương pháp mô hình

- Phương pháp kế thừa nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đối với tác giả và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu: Nâng cao

trình độ chuyên môn cho bản thân kỹ sư tham gia thực hiện Xây dựng bộ thông số mô hình phù hợp với lưu vực nghiên cứu làm cơ sở giúp cho cán bộ làm công tác theo dõi, quản lý điều hành có thể mô phỏng được quá trình nước dềnh phục vụ kịp thời công tác vận hành hồ chứa trong mùa lũ

- Đối với kinh tế, xã hội và môi trường: Số liệu mô phỏng của luận văn

giúp cho đơn vị quản lý, vận hành hồ chứa A Lưới hợp lý vừa đảm bảo an toàn cho công trình, tạo tiền đề cho việc chủ động vận hành điều tiết lũ nhằm giảm ngập lụt các xã thượng lưu hồ chứa, có phương án di dời dân trong trường hợp nước dềnh vượt quá mực nước lũ kiểm tra, góp phần đảm bảo an sinh xã hội khu vực dự án Do vậy kết quả của đề tài sẽ là tài liệu tham khảo quan trọng trong công tác vận hành hồ chứa thủy điện A Lưới

6 Bố cục đề tài

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2 Thiết lập mô hình thủy văn xác định dòng chảy lũ thượng lưu

hồ chứa thủy điện a lưới

Chương 3: Ứng dụng mô hình thủy lực để mô phỏng dòng chảy cho vùng thượng lưu hồ chứa

Kết luận và kiến nghị

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Lưu vực sông A Sáp thuộc địa phận huyện A Lưới tỉnh Thừa Thiên Huế, nằm cách trung tâm Thành phố Huế 70 km theo quốc lộ 49 về hướng Tây, cách cửa khẩu Lao Bảo 70 km về phía Nam theo đường Trường Sơn (Quốc lộ 14) Trên lưu vực sông A Sáp, tại đồng bằng A Lưới thổ nhưỡng chủ yếu là đất trầm tích aluvi Trên các sườn đồi là đất nâu-đỏ, xám-vàng chiều dày 1-2m, là sản phẩm phong hóa từ các đá phiến, trầm tích và xâm nhập sâu Tại bề mặt các sườn đồi quá trình bóc mòn xảy ra mạnh mẽ, phần cao nhất bị rửa trôi sau

đó là các rãnh xâm thực cắt sâu vào các sườn, hiện nay bề mặt sườn bị phân cắt mạnh, do lớp phủ thực vật bị tàn phá và những trận mưa kéo dài, do đó làm tăng hàm lượng bùn cát trên sông

Thủy điện A Lưới đã có Quy trình vận hành hồ chứa do Bộ Công Thương phê duyệt, tuy nhiên quy trình này chỉ mới đưa ra cách vận hành ứng với 2 trận

lũ 1% và 0,2% Với trận lũ 1% thì quá trình xả lũ được xả bằng lượng lũ đến, gần như không cắt lũ cho hạ du, còn trận lũ 2% thì có cắt lũ cho hạ du Quy trình cũng quy định việc luôn duy trì mực nước hồ chứa ở mực nước dâng bình thường như vậy do đặc điểm của hồ có đoạn co hẹp nên ở mực nước này thượng nguồn bị ngập Chính vì vậy có thể thấy quy trình hiện nay cần phải thay đổi cho sát hơn với thực tế dựa trên khả năng dự báo dòng chảy đến của hồ chứa

Mực nước dềnh cao nhất tại khu vực cửa nhận nước: 554.78m (đã giải phóng mặt bằng và di dân đến 554.5m)

- Đặc điểm hồ Thuỷ điện A Lưới là hồ nhỏ chỉ có dung tích hữu ích 24,04x106 m3, trong khi đó tổng lượng nước về hồ ngày 18/9/2013 lên đến 85 triệu m3, do đó hồ không có khả năng cắt lũ, khi mực nước hồ đạt mực nước dâng bình thường thì buộc phải xả lưu lượng bằng với lưu lượng về

4

- Theo tính toán thiết kế, hồ chỉ được phép tích nước cao hơn mực nước dâng bình thường khi lưu lượng về quá lớn vượt quá khả năng xả tràn của 3 cửa van cung (khi đó cả 3 cửa đã mở hoàn toàn) Thực tế ngày 18/9 độ mở tối

đa của 3 cửa van cung là 4,5/10m

+ Phía thượng lưu lòng hồ: Mực nước dềnh đầu hồ lên đến cao trình trên 554,78m trong khoảng thời gian vài giờ do lượng mưa về quá lớn, tại thời điểm

đó mực nước hồ vẫn giữ ở 553m Qua thông tin Huyện A Lưới cung cấp có một số hộ dân phải sơ tán trong đêm 18/9

+ Phía hạ lưu đập: Mực nước sông SêKông đoạn thấp của huyện KLừm - Lào được thông báo là dâng lên 3m, không có thiệt hại

Đối với trận lũ này, Nhà máy đã chủ động xả sớm khi bắt đầu dự báo mưa trước 6 giờ, lưu lượng xả cao nhất là 2796 m3/s, cao hơn nhiều so với đỉnh

lũ, tuy nhiên theo biểu đồ vận hành cho thấy đường lũ đến và xả lũ chênh lệch khá lớn, việc này tiềm ẩn nhiều rủi ro cho Chủ đập Nguyên nhân là công tác

dự báo chưa được thực hiện đúng mức

1.2.2 Hiện trạng công tác dự báo của Chủ đập:

Khi nhà máy được đưa vào vận hành, Công ty cổ phần Thủy điện miền Trung đã chủ động khảo sát và lập 3 trạm đo mưa trên lưu vực và thuê nhân công địa phương đo quan trắc và báo về công ty hàng ngày bằng tin nhắn điện thoại

5

Hình 1.1: Bản đồ bố trí trạm đo mưa lưu vực lòng hồ

1.3 Đặc điểm tự nhiên và dòng chảy hồ chứa thủy điện A Lưới

1.3.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực Sông A Sáp

Lưu vực công trình thủy điện A Lưới nằm về phía Tây tỉnh Thừa Thiên - Huế, trên sườn Tây dãy Trường Sơn, phía Bắc tiếp giáp với lưu vực sông A Lin, phía Tây bên bờ trái tiếp giáp với lưu vực sông Sê Lôn (Lào), phía Nam tiếp giáp với lưu vực sông Sê Lôn, phía Đông tiếp giáp với lưu vực sông Bồ Toàn bộ lưu vực dự án nằm trong địa phận của các xã Nhâm, Hồng Thái, Hồng Quảng, Sơn Thủy, Phú Vinh thuộc huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế Công trình thủy điện A Lưới nằm trên sông A Sáp, là phụ lưu cấp 3 của

hệ thống sông Mê Kông Sông A Sáp bắt nguồn từ dãy núi cao 1200m trên đỉnh Trường Sơn, tại biên giới Việt - Lào Ở thượng nguồn, sông A Sáp chảy theo hướng Đông Nam - Tây Bắc, khi nhập với phụ lưu bên bờ phải là sông

Tà Rình dòng chảy chuyển theo hướng Đông - Tây, sau khi thêm nhiều nhánh suối lớn nhỏ, đến biên giới Việt - Lào có phụ lưu bờ phải là sông A Lin, sau

đó theo sông Xê Xáp chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, đến hợp lưu với sông Sê Lôn bên bờ trái rồi chảy vào sông Xê Kông, một nhánh lớn của hệ thống sông Mê Kông trên lãnh thổ nước Lào

6

Hình 1.2: Hình ảnh vị trí lưu vực hồ chưa thủy điện A Lưới

Bảng 1.1: Đặc trưng hình thái lưu vực sông

TT Tuyến Flv

(km2)

Lsc (km)

Js (%o)

Hbqlv (m)

Bbqlv (km)

D (km/km2)

1.3.2.2 Chế độ mưa

Phân bố lượng mưa: lưu vực sông A Sáp là vùng có lượng mưa tương đối lớn, lượng mưa năm trung bình nhiều năm dao động trong khoảng từ 2800-3400mm Nơi có lượng mưa TB năm lớn nằm ở vùng núi phía Tây Bắc của khu vực A Lưới, đạt trên 3.400mm Nơi ít mưa hơn là khu vực giáp với huyện Hương Trà, khoảng từ 2.800-3.200mm Nhìn chung, khu vực nghiên cứu có

Vị trí co hẹp

Đập dâng

7

lượng mưa TB năm cao hơn so với các khu vực khác trong tỉnh Thừa Thiên Huế

1.4 Tổng quan về các mô hình thuỷ văn, thuỷ lực

1.4.1 Các mô hình thuỷ văn

• Mô hình Ltank: do PGS.TS Nguyễn Văn Lai đề xuất năm 1986 và ThS Nghiêm Tiến Lam chuyển về giao diện máy vi tính trên ngôn ngữ VisualBasic,

là một phiên bản cải tiến từ mô hình Tank gốc của tác giả Sugawara (1956)

Mô hình toán mưa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao đổi lượng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lưu vực, và bốc hơi ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ

• Mô hình Hec-HMS: là mô hình mưa dòng chảy của Trung tâm Thuỷ văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ được phát triển từ mô hình HEC-1, mô hình có những cải tiến đáng kể cả về kỹ thuật tính toán và khoa học thuỷ văn thích hợp với các lưu vực sông vừa và nhỏ Là dạng mô hình tính toán thuỷ văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mưa trên lưu vực Trong đó các thành phần mô tả lưu vực sông gồm các công trình thuỷ lợi, các nhánh sông

Kết quả của Hec-HMS được biểu diễn dưới dạng sơ đồ, biểu bảng tường minh rất thuận tiện cho người sử dụng Ngoài ra, chương trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mô hình thuỷ lực Hec-RAS

• Mô hình NAM: được xây dựng 1982 tại khoa thuỷ văn viện kỹ thuật thuỷ động lực và thuỷ lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch Mô hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng đứng và hồ chứa tuyến tính Mô hình tính quá trình mưa - dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm

bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau Các mô hình thuỷ văn trên đây cho kết quả là các quá trình dòng chảy tại các điểm khống chế (cửa ra lưu vực) vì vậy

tự thân chúng đứng độc lập chưa đủ khả năng để đưa ra các thông tin về diện tích và mức độ ngập lụt mà phải kết hợp với một số các công cụ khác như GIS, hoặc là biên cho các mô hình thủy động lực 1-2 chiều khác

• Mô hình đường đơn vị (UHM): Được sử dụng để thay thế cho mô hình NAM để mô phỏng lũ lụt ở các khu vực, nơi không có hồ sơ dòng chảy lũ

8

1.4.2 Các mô hình thuỷ lực

• Mô hình Vrsap: tiền thân là mô hình KRSAL do cố PGS.TS Nguyễn Như Khuê xây dựng và được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong vòng 25 năm trở lại đây

• Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển dựa trên kết quả giải hệ phương trình Saint-Venant dạng rút gọn, phục vụ tính toán thủy lực, dự báo lũ

• Mô hình Wendy: do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn

• Mô hình Hec-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ xây dựng được áp dụng để tính toán thủy lực cho hệ thống sông Phiên bản mới hiện nay đã được bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán Mô hình HEC-RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong

hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông

Hec-RAS là một tổ hợp các phần mềm được thiết kế dưới dạng thức có thể tương trợ lẫn nhau dùng để phân tích, tính toán các đặc trưng thủy lực Sau khi file dữ liệu hình học được nhập vào Ras, các dự liệu hình học được hoàn chỉnh và kết hợp với số liệu dòng chảy để tính toán mặt nghiêng của bề mặt nước dựa trên các yếu tố thủy lực Sau đó tài liệu mặt nghiêng của bề mặt nước

sẽ được nhập vào Hec-GeoRas để phân tích không gian và diễn toán diện tích

và độ sâu ngập lụt

• Họ mô hình MIKE: do Viện thủy lực Đan mạch (DHI) xây dựng được tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước

- MIKE 11: là mô hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập

lũ, trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thủy lực trong các ô ruộng là "giả 2 chiều"

9

- MIKE 21: Là mô hình thủy động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới Mô hình MIKE21 HD là mô hình thủy động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy

- MIKE-Flood được sử dụng khi cần có sự mô tả hai chiều ở một số khu vực (MIKE 21) và tại những nơi cần kết hợp mô hình một chiều (MIKE 11) Trường hợp cần kết nối một chiều và hai chiều là khi cần có một mô hình vận tốc chi tiết cục bộ (MIKE 21) trong khi sự thay đổi dòng chảy của sông được điều tiết bởi các công trình phức tạp (cửa van, cống điều tiết, các công trình thúy lợi đặc biệt ) mô phỏng theo mô hình MIKE 11 Khi đó mô hình một chiều MIKE 11 có thể cung cấp điều kiện biên cho mô hình MIKE 21 (và ngược lại)

- MIKE 11-GIS sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu sông MIKE 11-GIS là bộ công cụ mạnh trong trình bày và biểu diễn về mặt không gian và thích hợp công nghệ mô hình bãi ngập và sông của MIKE 11 cùng với khả năng phân tích không gian của hệ thống thông tin địa lý trên môi trường ArcGIS

MIKE 11-GIS có thể mô phỏng diện ngập lớn nhất, nhỏ nhất hay diễn biến từ lúc nước lên cho tới lúc nước xuống trong một trận lũ Độ chính xác của kết quả tính từ mô hình và thời gian tính toán phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của DEM Nó cho biết diện ngập và độ sâu tương ứng từng vùng nhưng không xác định được hướng dòng chảy trên đó

1.5 Phân tích lựa chọn các mô hình tính toán nước dềnh áp dụng cho nhà máy thủy điện A Lưới

1.5.1 Kế thừa mô hình thủy văn MIKE NAM để tính dòng chảy lũ

Kế thừa nghiên cứu từ luận văn của Hồ Hoàn Kiếm, các nghiên cứu của giáo viên hướng dẫn về giải pháp hạn chế nước dềnh vùng lòng hồ thủy điện

A lưới để có dòng chảy đến hồ và các nút nhập lưu mô phỏng thủy lực đánh giá nước dềnh lòng hồ

Lưu vực hồ chứa Thủy điện A Lưới là lưu vực nhỏ, tình hình tài liệu khí tượng thủy văn thu thập được đến hiện tại phục vụ nghiên cứu dự báo chưa

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

về số liệu đầu vào

- Đã được áp dụng để dự báo lũ cho nhiều lưu vực sông ở Miền Trung và

Tây Nguyên và cho kết quả dự báo với độ tin cậy khá cao

Với những nhận xét được trình bày ở trên thì mô hình thủy văn NAM là

lựa chọn phù hợp để tính toán dòng chảy lũ cho hồ chứa nhà máy thủy điện A

Lưới

1.5.2 Lựa chọn mô hình thủy lực MIKE 11 để mô phỏng thủy lực cho

vùng thượng lưu hồ chứa

Từ kết quả tính toán dòng chảy lũ từ mô hình MIKE NAM (xác định lưu

lượng biên thượng lưu và các nhánh bên), sử dụng mô hình MIKE 11 để mô

phỏng thủy lực vùng thượng lưu hồ chứa thủy điện A Lưới

11

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN XÁC ĐỊNH DÒNG

CHẢY LŨ THƯỢNG LƯU HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN A LƯỚI 2.1 Mô hình thủy văn MIKE NAM

2.1.1 Giới thiệu

Hiện nay trong mô hình thủy động lực MIKE 11 (do Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI xây dựng), mô hình NAM đã được tích hợp như là một môđun tính quá trình dòng chảy từ mưa, coi như mô hình MIKE-NAM

2.1.2 Xây dựng bộ thông số mô hình NAM để tính dòng chảy lũ về

hồ chứa thủy điện A Lưới

Lưu vực thuỷ điện A Lưới thuộc phía Tây dãy Trường Sơn tiếp giáp với biên giới nước Lào, sông A Sáp là phụ lưu đổ về Sông Mê Kông Việc nghiên cứu tính toán dòng chảy và ảnh hưởng của nó trên lưu vực này thường gặp khó khăn về số liệu Trạm đo mưa thưa và số liệu mưa không đồng bộ Hiện lưu vực có 3 trạm đo mưa do Nhà máy thuỷ điện A Lưới lập và mới quan trắc từ cuối năm 2012; Năm 2015 lắp thêm 2 trạm thành 5 trạm, đến 2017 lắp thêm 2 trạm khu vực đập nữa thành 7 trạm và 1 trạm đặt ở nhà máy

Phân chia tiểu lưu vực bằng Arcgis: Sử dụng DEM 30x30 phân chia lưu vực A Lưới thành 4 tiểu lưu vực như bảng 2.4 và hình 2.2

Bảng 2.1: Diện tích các tiểu lưu vực hồ chứa thủy điện A Lưới

Tên lưu vực Diện tích (km2) Tiểu lưu vực 1 (LV1) 160.5 Tiểu lưu vực 2 (LV2) 78.1 Tiểu lưu vực 3 (LV3) 34.9 Tiểu lưu vực 4 (LV4) 57.5