Tính toán bồi lắng hồ chứa của hệ thống thủy điện bậc thang thượng lưu sông Đà

Nghiên cứu trình bày kết quả tính toán bồi lắng hồ chứa của hệ thống thủy điện bậc thang thượng lưu sông Đà.Trong nghiên cứu này bồi lắng của hồ chứa Sơn La có xét đến tác động khi xây dựng nhà máy thủy điện Lai Châu, Huội Quảng và Bản Chát.

BÀI BÁO KHOA HỌC TÍNH TỐN BỒI LẮNG HỒ CHỨA CỦA HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN BẬC THANG THƯỢNG LƯU SÔNG ĐÀ Trần Kim Châu1 Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày kết tính tốn bồi lắng hồ chứa hệ thống thủy điện bậc thang thượng lưu sông Đà.Trong nghiên cứu bồi lắng hồ chứa Sơn La có xét đến tác động xây dựng nhà máy thủy điện Lai Châu, Huội Quảng Bản Chát Trong nghiên cứu này, mơ hình diễn biến lòng dẫn Hec Ras sử dụng để tính tốn mức độ bồi lắng, xói lở dọc theo nhánh sơng Đà từ biên giới Việt Trung đến hạ lưu thủy điện Sơn La Kết nghiên cứu cho thấy sau nêm bùn cát hình thành phát triểu theo thời gian Các hồ bậc thang phía mức độ biến đổi lớn nhiều so với hồ phía Sau 50 năm, tổng lượng bùn cát bồi lắng hồ Lai Châu Sơn La ước tính 564 111 triệu Nghiên cứu không đưa giá trị định lượng mức độ, vị trí bồi lắng hồ chứa mà cung cấp thơng tin quan trọng để đề xuất giải pháp cho tình trạng bồi lắng hồ chứa tương lai Từ khóa: Bồi lắng hồ chứa, vận chuyển bùn cát, sông Đà, thủy điện bậc thang, Hec - Ras Ban Biên tập nhận bài: 12/7/2017 Ngày phản biện xong: 10/8/2017 Đặt vấn đề Tính tốn bồi lắng hồ chứa vấn đề thiếu thiết kế hồ chứa Đặc biệt hồ chứa lớn, vấn đề bồi lắng hồ chứa quan tâm ảnh hưởng trực tiếp đến dung tích hữu ích hồ mực nước dềnh hồ chứa Ở Việt Nam nay, việc tính tốn bồi lắng cho hồ chứa lớn thông thường sử dụng mơ hình Hec [1] Hiện mơ hình khơng Cục Cơng Binh Mỹ phát triển Bên cạnh mơ hình tính tốn dựa giả không ổn định (quasi - unsteady flow), phương pháp giúp mơ hình ổn định lại khơng bảo tồn tổng lượng dòng chảy khơng thể việc vận hành cơng trình hệ thống sông [3] Điều ảnh hưởng lớn đến kết tính tốn việc vận hành hồ chưa định lưu lượng dòng chảy hồ, từ định tốc độ dịch chuyển nêm bùn cát hồ Do để mơ xác q trình vận chuyển bùn cát hồ cần phải mơ phòng dòng chảy Trường Đại học Thủy Lợi; Email: kimchau_hwru@tlu.edu.vn 50 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 08 - 2017 Ngày đăng bài: 25/8/2017 không ổn đinh (unsteady flow) mô việc vận hành công trình sơng Năm 2016 Cục Cơng Binh Mỹ phát hành phiên Hec Ras 5.0 có khả mơ vận chuyển bùn cát điều kiện dòng khơng ổn định Điều hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề Hồ chứa Sơn La hoàn thành vào năm 2010, đến năm 2016 thủy điện Lai Châu khánh thành.Khi tính tốn bồi lắng thủy điện Sơn La khơng tính tốn đến tác động Lai Châu thủy điện thượng lưu Hội Quảng, Bản Chát Khi hồ chứa xây dựng, chế độ dòng chảy bị thay đổi lớn hồ điều tiết, lượng bùn cát thượng lưu giữ lại hồ phía trên, điều làm thay đổi chế độ bồi lắng hồ chứa Sơn La Từ vấn đề kể nghiên cứu tiến hành mô chế độ bồi lắng bùn cát hệ thống hồ chứa sông Đà từ biên giới Việt Trung đến hạ lưu hồ chứa thủy điện Sơn La Trong nghiên cứu tác giả tập trung mô hồ chứa lớn nhánh sơng hệ thống Sơ đồ hệ thống hồ chứa thể hình BÀI BÁO KHOA HỌC Hình Sơ đồ mạng lưới sơng thủy điện khu vực nghiên cứu Cơ sở liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành theo bước hình Hình Phương pháp nghiên cứu Tiến hành thu thập số liệu địa hình, thủy văn, bùn cát thông tin hồ chứa hệ thống để phục vụ xây dựng mạng thủy lực khu vực nghiên cứu Tuy khu vực nghiên cứu  rộng lớn tình hình số liệu lại hạn chế, đặc biệt số liệu thủy văn bùn cát Điều dẫn đến số giả thiết cần phải đưa thêm vào để thực toán Chi tiết số liệu cần thu thập mô tả tiết phần sau Tiến hành xây dựng mạng thủy lực thượng lưu hệ thống sông Đà bao gồm nhánh sơng Đà phụ lưu sơng Nậm Na, Nậm Mức Nậm Mư Hec Ras Mơ hình thủy lực thể hình Trong mơ hình này, độ nhám Manning lấy từ 0.04 - 0.06 Giá trị kế thừa từ dự án từ trước mà tác giả tham gia [2] Trong mơ hình Hec Ras có lựa chọn cơng thức tính tốn vận chuyển bùn cát Việc sử dụng cơng thức chophù hợp phụ thuộc vào điều kiện bùn cát thủy động lực khu vực nghiên cứu Gary W Brunner (2016) [4], công thức Toffaleti thường áp dụng cho lưu vực sông lớn với hầu hết TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 08 - 2017 51 BÀI BÁO KHOA HỌC liệu để xây dựng công thức từ lưu vực sông lớn có lượng phù sa lơ lửng lớn Ahmed Bilal (2012) [6] luận án tiến sỹ sử dụng công thức áp dụng thành công cho hồ chứa Sakuma Nhật Bản Với điều kiện khu vực thượng lưu sông Đà, điều kiện áp dụng công thức Toffaleti phù hợp áp dụng vào để mô chế độ vận chuyển bùn cát Hình Sơ đồ mạng thủy lực 2.2 Cơ sở liệu Nghiên cứu tiến hành mô tả diễn biến lòng Số liệu địa hình: Trong nghiên cứu này, số dẫn sau có hồ chứa đánh giá tác động hồ chứa đến q trình bồi lắng lòng hồ liệu địa hình thu thập bao gồm mặt cắt Khoảng thời gian mơ mơ hình từ năm nhánh sông thể chi tiết bảng 1959 - 2009 giả sử dòng chảy tương lai Đây mặt cắt thực đo diễn tương tự khứ Kết sử dụng dự án “Xây dựng đồ mơ hình cho thấy mức độ phát triển ngập lụt hạ du hồ chứa tình xả nêm bùn cát hồ chứa lũ khẩn cấp vỡ đập bậc thang thủy điện sông Đà - giai đoạn 1” [2] tổng lượng bùn cát lắng đọng hồ Bảng Thông kê số lượng mặt cắt sử dụng mơ hình Sơng Ĉà Nұm Na Nұm Mӭc Nұm Mѭ 52 Sӕ lѭӧng mһt cҳt 108 18 ChiӅu dài (km) 297.9 81.4 15 35 68.9 130.5 Phҥm vi Biên giӟi ViӋt Trung > 20 km phía sau ÿұp Sѫn La Nhánh Nұm Na Nhánh Nұm Mӭc Nhánh Nұm Mѭ bao gӗm cҧ TĈ Bҧn Chát Huӝi Quҧng Các thông tin hồ chứa: Các thông tin hồ chứa Lai Châu, Bản Chát, Huội Quảng Sơn La nghiên cứu thu thập từ báo cáo quy trình vận hànhhồ chứa [5] Số liệu thủy văn số liệu lưu lượng ngày thực đo từ trạm Lai Châu, Nậm Mức, Nâm Giằng để phục vụ cho việc tính tốn TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 08 - 2017 biên thủy lực Đối với nhánh sơng, khu khơng có trạm đo số liệu dòng chảy tính theo tỷ lệ diện tích lưu vực Biên mơ hình xác định điều kiện “Nomarl depth” cho mặt cắt cuối với độ dốc độ dốc đáy sông Do mơ hình mơ hồ chứa Sơn La, mà lượng xả sau nhà máy gần BÀI BÁO KHOA HỌC không ảnh hưởng mực nước hạ lưu đập nên tác động biên đến kết mơ hình khơng có Trong nghiên cứu sử dụng số liệu lưu lượng dòng chảy tháng lưu lượng phù sa lơ lửng  tháng trạm Lai Châu giai đoạn từ năm 1962 - 2002 để xây dựng tương quan Kết tương quan lưu lượng dòng chảy lưu lượng phù sađược thể hình Dựa tương quan để xác định lưu lượng phù sa lơ lửng nhánh sông Đà Quan hӋ tѭѫng quan RthLC ~ QthLC (VӁ theo tӹ lӋ Loga) 100000 y = 3E-05x 2.426 R² = 0.857 RthLC (kg/s) 10000 1000 100 10 100 1000 10000 QthLC (m3/s) Hình Tương quan lưu lượng lưu lượng phù sa trạm Lai Châu  Đường phân phối hạt phù sa lơ lửng lấy bảng theo số liệu thực đo trạm Pô Lếch thể Bảng Đường cấp phối hạt phù sa lơ lửng di đẩy sông Đà               Phù sa lѫ lӱng Ĉһc trѭng Cӥ hҥt (mm) Bùn 0.001-0.005 Tӹ lӋ (%) 18.4 Ĉһc trѭng Cӥ hҥt (mm) Bөi 0.05-0.1 Tӹ lӋ (%) 5.83 Bөi 0.005-0.01 13.4 19.3 Phù sa di ÿҭy Cát 0.1-0.2 0.2-0.5 36.7 Kết thảo luận  Ngay từ năm chế độ thủy lực thay đổi hồn tồn, dòng chảy đến hồ mang lượng bùn cát lớn tốc độ dòng chảy chậm lại gây bồi lắng vị trí dòng chảy bắt đầu chịu ảnh hưởng hồ chứa Theo thời gian lượng bồi lắng tăng dần làm phát triển nêm bùn cát, tác động dòng chảy nêm dịch chuyển dần phía hạ lưu.Kết mô nghiên cứu cho thấy diễn biến q trình bồi lắng hồ chứa nhánh sau 50 năm mô thể  0.01-0.05 40.3 0.05-0.1 Cát >0.1 25.0 23.9 0.5-1.0 Cuӝi >1.0 16.9 0.27 hình Đối với đập Lai Châu, nêm cát hình thành cách rõ rệt với chiều cao 3.4 m vị trí cách đập 66 km Theo thời gian nêm cát phát triển dần kích thước vị trí Sau 50 năm mơ nêm cát phát triên lên cao 50 m dịch chuyển đến cách hồ km Q trình phát triển nêm cát không đồng nhất, 10 năm đầu nêm cát phát triển tương đối chậm, chiều cao tăng lên 5.5 m dịch chuyển đến vị trí cách đập 62 km Tuy nhiên 10 năm nêm cát phát triển mạnh TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 08 - 2017 53 BÀI BÁO KHOA HỌC kích thước lần tốc độ dịch chuyển Chỉ vòng 10 năm chiều cao nêm phát triển lên 34.5 m dịch chuyển quãng đường 48 km Sau nêm cát phát triển chậm lại độ cao lẫn tốc độ dịch chuyển Sau 40 năm mô phỏng, nêm cát khơng có xu hướng tăng chiều cao tiếp tục dịch chuyển vị trí xuống hạ lưu Độ dốc nêm cát thay đổi theo thời gian Với sườn hạ lưu, độ dốc lớn dần theo thời gian Sườn dốc thượng lưu có độ dốc thoải so với hạ lưu, sau thời gian, sườn xuất hiện tượng xói Trong tượng bồi lắng hồ chứa thủy điện Sơn La diễn nhiều so với thủy điện Lai Châu dobùn cát bồi lắng lớn thủy điện Lai Châu Ngay phía sau hồ Lai Châu xuất hiện tượng xói lở Do tốc độ dòng chảy sau cơng trình lớn, lượng ngậm cát nhỏ dẫn đến gây xói vị trí Tình trạng xói lở kéo dài khoảng 18 km phía hạ lưu thủy điện Lai Châu sau tượng bồi lắng xuất tương tự thủy điện Lai Châu mức độ tốc độ phát triển chậm nhiều Vị trí nêm cát cao hồ chứa Sơn La xuất vị trí  nhập lưu sông Đà sông Nậm Na Chiều cao nêm cát phát triển đến m sau 20 năm sau ổn định Đối với hồ chứa bậc thang nhánh Nậm Mư, trình bồi lắng diễn tương tự thủy điện bậc thang sơng Đà Đối với bậc thang phía hồ Bản Chát mức độ biến đổi lòng dẫn lớn Ngược lại bậc thang phía hồ Huổi Quảng mức độ biến đổi lòng dẫn nhỏ nhiều Do mức độ thay đổi nhánh sông Nâm Na nhỏ, để biểu diễn kết tính tốn cách tường minh, báo thể mức độ biến đổi lòng dẫn hình Mức độ diễn biến lòng dẫn thượng lưu thủy điện Bản Chát diễn biến tương đối phức tạp Đoạn sông thượng lưu cách đập từ 60 km đến 25 km, xu bồi xói thay đổi theo thời gian Do đoạn sơng có độ dốc lớn (i = 0.003), mùa lũ tốc độ dòng chảy lớn dẫn đến lòng sơng có xu xói Nhưng đến mùa cạn tốc độ dòng chảy chậm lại tác động hồ chứa, tượng bồi chiếm xu Đối với khu vực sau đập, nhận thấy phía sau hồ chứa tượng xói lở xuất năm Sau tượng bồi xuất mức độ bồi xói theo thời gian dịch chuyển dần xuống hạ lưu DiӉn biӃn bӗi lҳng hӗ chӭa dӑc nhánh sông Ĉà 290 TĈ Lai Châu Cao trình (m) 240 TĈ Sѫn La Ban ÿҫu 190 năm 10 năm 20 năm 140 30 năm 40 năm 50 năm 90 -300000 -250000 -200000 -150000 Vӏ trí (m) -100000 Hình Q trình bồi lắng hồ chứa sau 50 mô  54 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 08 - 2017 -50000  BÀI BÁO KHOA HỌC Mӭc ÿӝ biӃn ÿәi ÿӏa hình ÿáy nhánh Nұm Mѭ Mӭc ÿӝ biӃn ÿәi (m) TĈ Huәi Quҧng năm 10 năm 20 năm 30 năm 40 năm 50 năm Thuӹ ÿiӋn Bҧn Chát Nhұp lѭu vӟi sông Ĉà -1 -130000 -110000 -90000 -70000 -50000 -30000 -10000 Vӏ trí (m) Hình Mức độ biến đổi lòng dẫn nhánh Nậm Mư Mức độ bồi lắng hồ thể lượng bùn cát bồi lắng này, dung tích hồ chứa bị  qua tổng lượng bồi lắng Bảng thể tổng theo thời gian xác định Đây sẽ lượng bùn cát bồi lắng hồ chứa thơng tin quan trọng việc tính tốn q trình mơ Nhận thấy lượng bùn cát bồi nước dềnh hồ chứa đánh giá tình trạng lắng hồ chứa bậc thang phía lớn hồ nhiều so với bậc thang phía Từ tổng Bảng Tổng lượng bùn cát bồi lắng hồ chứa theo thời gian Sau khoҧng thӡi gian (năm) Bҧn  Chát(triӋu tҩn) Huәi Quҧng(triӋu tҩn) Lai Châu (triӋu tҩn) Sѫn La(triӋu tҩn)  0.47 0.00 11.4 1.7 10 3.90 0.04 115 17.9 Kết luận Nghiên cứu tiến hành mô diễn biến lòng dẫn hệ thống thủy điện bậc thang thượng lưu sông Đà Bằng việc mô biến hình lòng dẫn dòng chảy khơng ổn định nghiên cứu thể kết tính tốn diễn biến bồi lắng hồ chứa thời gian mô Bên cạnh việc tính tốn bồi lắng hồ chứa có xét đến ảnh hưởng cơng trình góp phần 20 8.10 0.07 238 39.6 30 11.4 0.11 334 56.6 40 15.2 0.14 444 80.1  50 19.6 0.19 564 111 làm tăng thêm độ xác kết tính tốn Kết báo cho thấy nêm bùn cát hình thành sau năm phát triển kích thước thay đổi vị trí theo thời gian Tuy nhiên kích thước tốc độ dịch chuyển nêm bùn cát khác hồ chứa Các hồ bậc thang phía mức độ bồi lắng lớn nhiều so với hồ chứa bậc thang phía Tài liệu tham khảo Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng điện 1(2009), Báo cáo khí tượng thủy văn thủy điện Lai Châu giai đoạn thiết kế kỹ thuật Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng điện 1(2014), Xây dựng đồ ngập lụt hạ du hồ chứa tình xả lũ khẩn cấp vỡ đập bậc thang thủy điện sông đà - giai đoạn Gary W Brunner &CEIWR-HEC (2016), Hec Ras User’s Version 5.0 Manual, US Armu Corps of Engineer, Hydrological Engineering Center TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 08 - 2017 55 BÀI BÁO KHOA HỌC Gary W Brunner (2016) Hec Ras Hrydraulic Refrence ManualVersion 5.0, US Armu Corps of Engineer, Hydrological Engineering Center Thủ tướng phủ (2015), Quyết định 1622 QĐ-TTg Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sơng Hồng Ahmed Bilal (2012), Simulating bathymetric changes in reservoirs due to sedimentation, Phd thesis THE RESERVOIR SEDIMENTATION ESTIMATION IN CASCADE RESERVOIR SYSTEM IN THE UPPER DA RIVER Tran Kim Chau1 Thuyloi University Abstract: This study presents the calculation result of reservoir sedimentation in the upper Da River system In which, the impacts of Son La reservoir sedimentation on the construction of Lai Chau, Huoi Quang and Ban Chat hydropower plant are considered Also, HEC RAS model is used to calculate the rate of sedimentation and erosion along Da River, from Vietnam-China border to the downstream of Son La hydropower plant The result shows that the sand bars have created and developed in the reservoirs The upper cascade reservoir has strongly changed than down cascade reservoir After 50 years the total amount of sedimentation into Lai Chau and Son La are estimated at 546 and 111 million ton respectively The research not only brings out quantitative values of the rate and location of reservoir sedimentation but also provides important information for further solutions to reservoir sedimentation problems Keyword: Reservoir sedimentation, sediment transport, Da River,cascade hydro power, Hec Ras 56 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂ5 Số tháng 08 - 2017 ... Đối với hồ chứa bậc thang nhánh Nậm Mư, trình bồi lắng diễn tương tự thủy điện bậc thang sông Đà Đối với bậc thang phía hồ Bản Chát mức độ biến đổi lòng dẫn lớn Ngược lại bậc thang phía hồ Huổi... dẫn hệ thống thủy điện bậc thang thượng lưu sơng Đà Bằng việc mơ biến hình lòng dẫn dòng chảy khơng ổn định nghiên cứu thể kết tính tốn diễn biến bồi lắng hồ chứa thời gian mô Bên cạnh việc tính. .. khác hồ chứa Các hồ bậc thang phía mức độ bồi lắng lớn nhiều so với hồ chứa bậc thang phía Tài liệu tham khảo Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng điện 1(2009), Báo cáo khí tượng thủy văn thủy điện