Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện sông hinh

Trong nghiên cứu này, tác giả dựa vào tài liệu thực đo áp dụng mô hình HEC-HMS tìm bộ thông số mô hình để có thể dự báo dòng chảy lũ đến lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh.. Với kết quả

LÊ VĂN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ CHỨA

THỦY ĐIỆN SÔNG HINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ VĂN HÓA

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ CHỨA

THỦY ĐIỆN SÔNG HINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Văn Hóa

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn thạc sĩ với đề tài “Ứng

dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện Sông Hinh” đã được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo, sự động viên của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Để hoàn thành được luận văn, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng tới thầy

TS Lê Hùng công tác tại Khoa Xây dựng Thủy Lợi - Thủy điện, trường Đại học Bác Khoa Đà Nẵng đã chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả rất tận tình trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Đại học Đà Nẵng và toàn thể các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn

Tác giả cũng chân thành cảm ơn tới các bạn đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt Công ty Cổ phần thủy điện Vĩnh Sơn - Sông Hinh nơi tác giả đang công tác

đã hỗ trợ chuyên môn, thu thập tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành Do thời gian nghiên cứu không dài, trình độ và kinh nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên luận văn chắc chắn không thể tránh được những hạn chế và thiếu sót Tác giả kính mong các thầy, cô giáo, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Tóm tắt luận văn v

Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt (nếu có) vi

Danh mục các bảng (nếu có) vii

Danh mục các hình (nếu có) viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng dòng chảy lũ 3

1.1.1 Mô hình toán thủy văn 4

1.1.2 Mô hình Mưa - dòng chảy 6

1.2 Tình hình nghiên cứu lũ lụt trên thế giới 8

1.2.1 Các mô hình phổ biến hiện nay các nước trên thế giới đang áp dụng để dự báo lũ 8

1.2.2 Một số công trình nghiên cứu về dự báo ngập lụt ở nước ngoài 10

1.3 Tình hình nghiên cứu lũ lụt ở Việt Nam 10

1.3.1 Quá trình nghiên cứu mô phỏng, dự báo dòng chảy 10

1.3.2 Một số công trình nghiên cứu về mô phỏng, dự báo lũ ở khu vực 13

1.4 Sự cần thiết mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh 15

1.5 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên và dòng chảy trên lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh 16

1.5.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên 16

1.5.2 Đặc điểm khí hậu lưu vực nghiên cứu 20

1.5.3 Đặc điểm khí tượng thủy văn trên lưu vực 23

CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY ĐẾN HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG HINH 26

2.1 Phân tích lựa chọn mô hình để mô phỏng 26

2.2 Giới thiệu về mô hình HEC-HMS 26

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm HEC-HMS 26

2.2.2 Ứng dụng của phần mềm 27

2.3 Cơ sở lý thuyết của phần mềm 27

2.3.1 Các phương pháp tính mưa trong mô hình 29

2.3.2 Các phương pháp tính tổn thất 31

2.3.3 Đường quá trình lũ đơn vị 37

2.3.4 Tính toán dòng chảy ngầm 43

2.3.5 Diễn toán dòng chảy 45

2.4 Thiết lập mô hình thủy văn HEC-HMS cho lưu vực sông Hinh 55

2.4.1 Phân chia lưu vực 56

2.4.2 Sơ đồ tính 57

2.4.3 Thiết lập mô hình HEC-HMS cho lưu vực sông Hinh 57

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS MÔ PHỎNG LŨ ĐẾN HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG HINH 64

3.1 Xây dựng bộ thông số mô hình HEC-HMS để mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện Sông Hinh 64

3.1.1 Hiệu chỉnh mô hình HEC-HMS cho lưu vực Sông Hinh 64

3.1.2 Kiểm định cho trận lũ từ ngày 23-26/11/2017 68

3.1.3 Kiểm định cho trận lũ từ ngày 01-03/12/2017 69

3.1.4 Nhận xét kết quả hiệu chỉnh, kiểm định 70

3.2 Dự báo dòng chảy đến hồ chứa Sông Hinh 71

3.2.1 Dự báo thử nghiệm với trận lũ từ ngày 03-05/11/2017 71

3.2.2 Đánh giá kết quả 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) 80

PHỤ LỤC 81

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Mã số: 11970 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ

CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG HINH

APPLY HYDROLOGICAL MODEL TO SIMULATE FLOOD FLOW INTO SONG

HINH HYDROPOWER RESERVOIR

Tóm tắt: Những năm gần đây, lũ lụt xảy ra ngày một nghiêm trọng và khó kiểm soát

Nghiên cứu và mô phỏng chính xác quá trình lũ đến hồ chứa thủy điện Sông Hinh sẽ góp phần đáng kể trong việc đưa ra các giải pháp thích hợp để điều tiết vận hành hồ chứa hợp lý nhằm giảm nhẹ thiệt hại do lũ gây ra là rất cần thiết Trong nghiên cứu này, tác giả dựa vào tài liệu thực đo áp dụng mô hình HEC-HMS tìm bộ thông số mô hình để có thể dự báo dòng chảy lũ đến lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh Tác giả

sử dụng số liệu thực đo của trận lũ năm 2017 để hiệu chỉnh tìm bộ thông số mô hình, sau đó dùng bộ thông số này kiểm định với số liệu thực đo các trận lũ năm 2017 Với kết quả hiệu chỉnh, kiểm định, đường quá trình lũ mô phỏng từ mô hình và thực đo có chỉ số Nash trên 0,826, hình dạng lũ cũng tương đối phù hợp, từ đó ta có thể thấy bộ thông số của mô hình HEC-HMS là đủ tin cậy khi mô phỏng dự báo lũ trên lưu vực hồ

chứa thủy điện Sông Hinh

Từ khóa: Thủy điện Sông Hinh, mô hình HEC-HMS, dòng chảy lũ, bộ thông số mô

hình, mô hình thủy văn

Abstract: In recent years, flooding has appeared to be more and more serious and

difficult to control The exact study and simulation of the process of flood flowing into the reservoir of Song Hinh which is neccesary will contribute significantly to the development of appropriate solutions to regulate the operation of the reservoir and to mitigate damage caused by the flood In this study, the author bases on the actual measuring datum which applied the HEC-HMS model to find the model parameters and predict the flood flow into Song Hinh hydropower reservoir The author uses the actual measuring datum of the 2017 floods to calibrate the model parameters and then uses this data set to compare with the actual measuring datum of 2017 floods With calibration and comparing results, the flood curves simulated from the model and actual measuring have Nash value of above 0.826 The flood shape is also relatively consistent, so that we can see that the data set of HEC-HMS model is reliable enough

to simulate flood forecast in reservoir area of Song Hinh hydropower

Key word: Song Hinh hydropower, HEC-HMS model, flood flow, model data set,

hydrological model

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU

Flv Diện tích lưu vực

Hbqlv Độ cao bình quân lưu vực

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.4 Giá trị trung bình và cực trị của nhiệt độ không khí trạm Sơn

Hòa

21

1.8 Phân phối bốc hơi và tổn thất bốc hơi mặt nước hồ chứa sông

Hinh

22

1.10 Số ngày mưa và phân phối lượng mưa các tháng trong năm

(trạm Sông Hinh)

23

1.12 Phân phối dòng chảy 3 năm điển hình tại tuyến đập Sông

Hinh

24

1.9 Bản đồ mạng lưới trạm đo mưa và khí tượng lưu vực sông

2.2 Phương pháp tính mưa theo đa giác Theissen và đường đẳng

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công trình thủy điện Sông Hinh do Công ty cổ phần thủy điện Vĩnh Sơn - Sông Hinh làm chủ đầu tư Hồ chứa được xây dựng trên sông Hinh ở xã Ea Trol, huyện Sông Hinh, tỉnh Phú Yên Thủy điện Sông Hinh nằm cách thành phố Tuy Hòa 45km về hướng Tây Nam

Sông Hinh là một trong ba nhánh sông lớn của Sông Ba, phần lớn lưu vực thuộc tỉnh Đăk Lắk (chiếm 60%) Vị trí lưu vực nằm trong khoảng tọa độ:

12035’ đến 12055’ vĩ độ Bắc

108045’ đến 109007’ kinh độ Đông Trong những năm gần đây do biến đổi khí hậu nên lượng mưa và tần suất các đợt mưa lớn xảy ra liên tục gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản Mặt khác do yêu cầu phát triển kinh tế xã hội, mật độ dân cư tăng nhanh và các khu công nghiệp liên tục phát triển, các tuyến đường giao thông được nâng cấp hoàn chỉnh nên phần nào ảnh hưởng đến việc tiêu thoát lũ, gây ngập lụt trên diện rộng Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện trên thượng nguồn thường không có dung tích phòng lũ để cắt lũ cho hạ du mỗi khi xảy ra lũ lớn

Năm 2014, Chính phủ đã ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa trong mùa lũ hàng năm trên lưu vực sông Ba, bao gồm các hồ: Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H’Năng, Ayun Hạ và An Khê - Ka Nak theo Quyết định số

1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014

Để có thể góp phần hỗ trợ ra quyết định vận hành điều tiết hồ chứa thủy điện Sông Hinh đảm bảo theo đúng quy trình vận hành liên hồ chứa, giảm thiểu đến mức thấp nhất những thiệt hại về người và tài sản cho vùng hạ du do việc xả

lũ gây ra, vừa đảm bảo hiệu quả phát điện Qua các phân tích nói trên có thể thấy rằng cần phải có một mô hình dự báo lũ để chủ động trong việc điều tiết,

vận hành hồ chứa hợp lý Do đó tác giả chọn đề tài: “Ứng dụng mô hình thủy

văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện Sông Hinh”

2 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng bộ thông số mô hình thủy văn bằng mô hình HEC-HMS để

mô phỏng dòng chảy mùa lũ trên lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh

- Dự báo dòng chảy lũ đến hồ chứa thủy điện Sông Hinh bằng mô hình HEC-HMS để chủ động điều tiết, vận hành hợp lý nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất về ngập lụt cho hạ du, vừa đảm bảo hiệu quả phát điện

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Nghiên cứu mô hình thủy văn để tính toán dòng chảy về hồ chứa thủy điện sông Hinh

- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu mô phỏng dòng chảy lũ, lưu vực thượng nguồn hồ chứa thủy điện Sông Hinh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích, thống kê và xử lý số liệu: phương pháp này

được sử dụng trong việc phân tích, xử lý các số liệu về địa hình, khí tượng thủy văn, thủy lực phục vụ cho tính toán và dự báo

- Phương pháp kế thừa nghiên cứu: kế thừa một số các tài liệu, kết quả nghiên cứu có liên quan

- Phương pháp mô hình: dùng mô hình thủy văn HEC-HMS tính toán, mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông Hinh

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: 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, dự báo dòng chảy lũ làm cơ sở giúp cho cán bộ làm công tác theo dõi, quản

lý điều hành có thể dự báo được quá trình lưu lượng lũ đến phục vụ công tác vận hành, điều tiết hợp lý hồ chứa trong mùa lũ

- Thực tiễn đề tài: Số liệu mô phỏng của luận văn giúp cho đơn vị quản lý,

vận hành hồ chứa thủy điện Sông Hinh hợp lý, góp phần đáng kể trong việc giảm nhẹ ngập lụt ở hạ du, 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 quản lý, vận hành hồ chứa thủy điện Sông Hinh

6 Cấu trúc của luận văn

Để thể hiện nội dung và kết quả nghiên cứu của luận, cấu trúc của luận văn bao gồm:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng dòng chảy lũ

Mô phỏng, dự báo thuỷ văn là công việc rất khó, để có giá trị dự báo đảm bảo tin cậy đòi hỏi phải vận dụng các kiến thức liên quan đến khí tượng, thuỷ văn, thuỷ lực, máy tính và phần mềm, công cụ tính toán Kết quả dự báo chính xác sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế, xã hội, an toàn công trình Bản tin dự báo thuỷ văn chỉ có giá trị sử dụng khi nó được chuyển đến người sử dụng kịp thời

Để mô phỏng, dự báo các quá trình ngẫu nhiên nghiên cứu có khả năng xảy ra trong tương lai trên cơ sở phân tích khoa học các dữ liệu đã thu thập được Khi tiến hành mô phỏng, dự báo cần căn cứ vào việc thu thập, xử lý số liệu trong quá khứ và hiện tại để xác định xu hướng vận động các hiện tượng trong tương lai nhờ vào một số mô hình toán học

Trước tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay, các trận mưa lớn gây lũ có

xu thế ngày càng gia tăng đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho nhiều hồ chứa và đe dọa sự an toàn cho các công trình, gây ngập lụt ở hạ du Do đó việc

áp dụng bài toán dự báo thủy văn trong công tác mô phỏng, dự báo, cảnh báo dòng chảy lũ là rất cần thiết, đáp ứng yêu cầu thực tiễn hiện nay Trong thực tế việc mô phỏng, dự báo lũ cho nhiều đối tượng theo những đặc thù khác nhau, cụ thể: Mô phỏng, dự báo lũ cho hệ thống sông chính; cho hồ chứa đảm bảo an toàn công trình và vận hành điều tiết hợp lý; cho việc nghiên cứu ảnh hưởng ngập lụt vùng hạ du, cho việc quản lý và quy hoạch lưu vực

Kết quả nghiên cứu, tính toán dự báo lũ giúp cho các Chủ đập cũng như nhân dân chủ động ứng phó, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại về con người và tài sản, đồng thời nó cũng là một trong những nền tảng cho công tác

quy hoạch lũ và định hướng phát triển kinh tế xã hội bền vững hơn

Trong giai đoạn hiện nay, khoa học dự báo đã phát triển mạnh mẽ trên thế

giới cũng như tại Việt Nam Với sự phát triển của máy tính điện tử và phương pháp tính đã tạo ra điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mô hình toán, cấu trúc mô hình ngày càng đa dạng, phức tạp, mô tả sát thực hiện tượng thủy văn nên việc giải quyết bài toán mô phỏng, dự báo ngày một chính xác hơn Xu thế hiện nay là sử dụng các phương pháp dự báo số trị thông qua các mô hình để giải bài toán thủy động lực một cách nhanh chóng với độ chính xác cao

1.1.1 Mô hình toán thủy văn [1]

a) Khái niệm:

Thủy văn là một quá trình tự nhiên phức tạp, chịu tác động của rất nhiều yếu tố Thủy văn học là khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, cũng giống như nhiều ngành khoa học tự nhiên khác, quá trình nghiên cứu, phát triển của nó thường trải qua các giai đoạn:

- Quan sát hiện tượng, mô tả, ghi chép thời điểm xuất hiện

- Thực nghiệm: lặp lại những điều đã xảy ra trong tự nhiên với quy mô thu nhỏ

- Giải thích hiện tượng, phân tích rút ra quy luật, Kiểm tra mức độ phù hợp của quy luật với điều kiện thực tế, ứng dụng phục vụ lợi ích của con người

Hiện nay mô hình toán thủy văn đang phát triển rất nhanh chóng vì có các

ưu điểm sau:

- Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với rất nhiều loại mô hình Mô hình toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho lưu vực sông, hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản lý khai thác nguồn nước lưu vực sông, …

- Ứng dụng toán trong mô hình thủy văn giá thành rẻ hơn và cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý

- Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh

b) Phân loại mô hình toán:

Việc phân loại các mô hình toán thủy văn không thống nhất vì các mô hình luôn phát triển đa dạng, khi xây dựng mô hình người ta chú ý nhiều tới khả năng áp dụng thuận tiện để giải quyết bài toán thực tế đặt ra chứ không chú ý tới xếp loại Cụ thể có các loại mô hình toán thủy văn như sau:

+ Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên

+ Mô hình toán thủy văn tất định

+ Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên - tất định

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn

c) Quá trình ứng dụng mô hình toán:

Để ứng dụng một mô hình toán vào bài toán thực tế ta cần thực hiện theo các bước sau:

- Lựa chọn mô hình ứng dụng,

- Thu thập và phân tích chuẩn bị số liệu đầu vào của mô hình,

- Hiệu chỉnh xác định thông số mô hình,

- Kiểm định mô hình,

- Ứng dụng mô hình,

- Đánh giá và kiểm tra tính hợp lý kết quả ứng dụng mô hình

1.1.2 Mô hình Mưa - dòng chảy (mô hình tất định) [1]

1.1.2.1 Quá trình hình thành dòng chảy:

Sau một trận mưa rơi trên lưu vực, kết quả tại mặt cắt cửa ra ta thu được quá trình lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình xảy ra đồng thời Như vậy từ khi có mưa rơi xuống đến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra

đã xảy ra các quá trình (hình 1.2):

Hình 1.2: Quá trình hình thành dòng chảy Quá trình mưa: Mưa là một quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong

sự hình thành dòng chảy trên lưu vực Lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy

Quá trình tổn thất: Tổn thất cũng là một quá trình phức tạp, nhiều thành

phần và chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố khác nhau Tổn thất bao gồm các thành phần sau:

- Tổn thất tích đọng: gồm tổn thất tích đọng bề mặt và tổn thất tích đọng trong điền trũng

- Tổn thất do thấm: là tổn thất lớn nhất, nó chiếm phần lớn tổn thất lưu vực khi mưa xảy ra

- Tổn thất bốc hơi: bao gồm bốc hơi mặt đất, mặt nước và bốc thoát hơi nước thực vật

Quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc:

Khi mưa rơi trên bề mặt sườn dốc, có hai trường hợp xảy ra:

- Cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm, lúc đó tất cả lượng mưa bị tổn thất do thấm vào đất Trường hợp này xảy ra khi cường độ mưa quá bé hoặc ở giai đoạn đầu của trận mưa trước thời điểm to nào đó Thời điểm này phụ thuộc vào cường độ mưa và độ ẩm ban đầu trong đất

- Cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm, lượng nước dư thừa tập trung vào các điền trũng, nước bắt đầu chảy qua các ngưỡng tràn theo độ dốc tập trung thành các dòng nhỏ và dần dần thành các dòng chảy lớn dần cho tới khi đổ vào khe suối nhỏ để chảy vào hệ thống sông

Quá trình hình thành dòng chảy sườn dốc là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mưa, độ dốc, độ dài sườn dốc, đặc điểm bề mặt của

nó Phạm vi xuất hiện dòng chảy mặt sườn dốc cũng khá phức tạp và phụ thuộc vào thời gian, quá trình và lớp nước mưa, vào lớp đất thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật trên sườn dốc

Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông:

Tốc độ chảy trên sườn dốc phụ thuộc vào các yếu tố như:

- Lớp dòng chảy sườn dốc (lớp nước mưa hiệu quả)

- Độ dốc sườn dốc

- Độ nhám sườn dốc

Sau khi dòng chảy các sông suối đổ vào sông chính, chúng chuyển động

về hạ lưu, quá trình dòng chảy sẽ bị biến dạng và là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông, vào hệ thống sông nhánh

đổ vào sông chính

1.1.2.2 Các loại mô hình tất định

Trong các loại mô hình toán thủy văn, mô hình tất định mà cụ thể là các

mô hình tính dòng chảy từ mưa (mô hình mưa - dòng chảy) ra đời sớm nhất Khái niệm hệ số dòng chảy chính là dạng mô hình toán thủy văn đơn giản nhất Năm 1932 phương pháp đường đơn vị do Shecman đưa ra đã được nhiều nước chấp nhận như là phương pháp hiệu quả nhất để tính dòng chảy lũ theo số liệu mưa, trong thời gian này công thức căn nguyên dòng chảy cũng được dùng phổ biến ở Liên xô cũ, Trung Quốc và các nước khác Đặc biệt sự ra đời của máy tính điện tử đã tạo ra bước nhảy vọt về mô hình toán

Hiện nay các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa có rất nhiều loại:

- Các mô hình phát triển công thức căn nguyên dòng chảy như mô hình quan hệ (Ratinal model), tỷ lệ thời gian và diện tích (Time-Area model)

- Các mô hình kiểu lũ đơn vị: mô hình HEC-HMS

- Các mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK, SSARR, NAM, …

Các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa thường được dùng để khôi phục, bổ sung số liệu dòng chảy khi biết số liệu mưa, phục vụ thiết kế các công trình trên sông, tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch thủy lợi và tính toán dự báo dòng chảy lũ

1.2 Tình hình nghiên cứu lũ lụt trên Thế giới

Trên thế giới hiện nay, việc nghiên cứu áp dụng các mô hình toán thủy văn, thủy lực để mô phỏng và giải các bài toán thủy động lực nhằm phục vụ cho công tác dự báo lũ là rất phổ biến và ngày càng đạt đến trình độ cao, cụ thể như

số liệu đầu vào được đo đạc liên tục, truyền đi, cập nhật vào mô hình dự báo hoàn toàn bằng tự động hóa đạt độ chính xác cao, nhanh chóng, kịp thời

1.2.1 Các mô hình phổ biến hiện nay các nước trên thế giới đang áp dụng để dự báo lũ [6]

Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System): Đây là mô hình thuỷ văn mưa - dòng chảy của Hiệp hội các

kỹ sư quân sự Hoa Kỳ, là một hệ thống mô hình tương đối hoàn chỉnh tổng hợp

và rất phổ biến ở nước ta, có thể ứng dụng cho nhiều vùng địa lý khác nhau nhằm giải quyết bài toán trên phạm vi rộng Nó bao gồm cung cấp nước ở lưu vực sông lớn, dòng chảy lũ, dòng chảy ở đô thị nhỏ hoặc dòng chảy lưu vực tự nhiên Mô hình được xây dựng để mô phỏng quá trình mưa - lũ của hệ thống lưu vực (chia lưu vực thành các lưu vực con) dựa trên hệ thống thông tin địa lý (GIS) - Kỹ thuật GIS được sử dụng trong các số hoá cơ sở dữ liệu như bản đồ địa hình, địa mạo dạng đất đai của lưu vực, sông suối, tọa độ kích thước của các lưu vực con và chiều dài của nó đến mặt cắt cửa ra …

Mô hình chuyển hoá quá trình mưa thành quá trình dòng chảy trên từng lưu vực bộ phận, sau đó là quá trình diễn toán lũ trong sông thiên nhiên và hồ chứa …

Mô hình sử dụng các tham số trung bình về thời gian và không gian để

mô phỏng quá trình dòng chảy Tùy theo đặc điểm địa vật lý của từng lưu vực,

số liệu mưa, lượng nước có sẵn trong đất, sông để ứng dụng các phương pháp (phương pháp tính tổn thất, phương pháp diễn toán) thích hợp Với phiên bản của mô hình đang nghiên cứu Version 4.2.1 - March 2017 [2] có tính năng mạnh hơn so với các mô hình trước là có nhiều phương pháp tính lượng mưa hiệu quả

từ lưu vực ít số liệu cho đến lưu vực đầy đủ số liệu, đồng thời cũng có nhiều phương pháp diễn toán dòng chảy trong sông Vì vậy, khả năng ứng dụng của nó

rộng rãi hơn các mô hình ở phiên bản trước Ngoài ra mô hình còn cho phép ứng dụng thử dần để người dự báo có thể chọn được bộ thông số thích hợp đối với từng lưu vực

- Mô hình TANK: Là dạng mô hình bể chứa, tổng hợp dòng chảy trên

lưu vực do M.Sugawara xây dựng năm 1956 và đã qua nhiều lần hoàn thiện tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia phòng chống thiên tai tại Tokyo Mô hình này thuộc loại mô hình thông số tập trung, đã được ứng dụng để tính toán dòng chảy

từ mưa ở nhiều nước trên thế giới và nước ta Trong mô hình TANK, lưu vực được mô phỏng như một chuỗi các bể chứa được xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang Giả thiết cơ bản là dòng chảy và quá trình truyền ẩm là các

hàm số của lượng trữ nước trong các tầng đất Mô hình TANK có 2 dạng cấu trúc đơn và kép Mô hình TANK đơn không xét đến sự biến đổi của độ ẩm đất

theo không gian Mô hình TANK kép có xét sự biến đổi của độ ẩm đất theo không gian, lưu vực được chia ra thành các vành đai có độ ẩm khác nhau, mỗi vành đai được mô phỏng bằng mô hình TANK đơn

Hiện nay nhiều cơ quan ứng dụng mô hình LTANK (được cải tiến từ mô hình TANK do PGS Nguyễn Văn Lai và Thạc sĩ Nghiêm Tiến Lam viết bằng ngôn ngữ VISUALBASIC chạy trên môi trường EXCEL7.0 với giao diện rất tiện ích đối với người sử dụng)

Tuy nhiên do mô hình có khá nhiều thông số, việc xác định các thông số đòi hỏi nhiều kinh nghiệm và yêu cầu các tài liệu khí tượng thuỷ văn, lưu vực khá chi tiết

- Mô hình NAM (Nedbor-Afstromnings-Model hay

Precipitation-Runoff-Model): Mô hình mưa rào - dòng chảy NAM thuộc loại mô hình nhận

thức tất định, thông số tập trung của Viện Thuỷ lực Đan Mạch đã được ứng dụng ở rất nhiều nước trong khu vực châu Á như Thái Lan, Malaysia, Philippin,

Ấn Độ, Srilanka…và Việt Nam Mô hình này có thể được dùng trong bài toán phân tích thuỷ văn, dự báo dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt, khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy Về cấu trúc mô hình NAM cũng là mô hình dạng bể chứa giống

mô hình TANK, tuy nhiên thông số hiệu chỉnh mô hình ít hơn

- Ngoài ra còn có một số mô hình như: Mô hình thuỷ văn MARINE

(Modélisation de l'Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des évé Nements Extrêmes) do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (Pháp) xây dựng và

được chuyển giao cho Viện Cơ học ; Mô hình DIMOSOP (DIstributed

hydrological MOdel for the Special Observing Period)

1.2.2 Một số công trình nghiên cứu dự báo ngập lụt ở nước ngoài [14]

- M.R Knebla và các tác giả khác (2005) đã nghiên cứu mô hình HMS/RAS mô phỏng ngập lụt quy mô lớn có sử dụng dữ liệu ra đa và GIS (hình 1.3) Kết quả của nghiên cứu được ứng dụng cho việc dự báo ngập lụt ở khu vực lớn

HEC-Hình 1.3: Sơ đồ sử dụng mô hình HEC-HMS/RAS, mưa ra đa và GIS để tính

toán ngập lụt [14]

- Chris Nielsen (2006) đã ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán ngập lụt vùng đồng bằng và tiêu thoát nước đô thị, đã áp dụng cho khu vực Đông Nam Á đông đúc dân cư sinh sống với đặc trưng các dòng sông lớn chảy qua các vùng đồng bằng trũng và các khu đô thị

1.3 Tình hình nghiên cứu lũ lụt ở Việt Nam

1.3.1 Quá trình nghiên cứu mô phỏng, dự báo dòng chảy [15]

Trong thời kỳ đầu (khoảng năm 1960-1975), các phương pháp dự báo mưa - dòng chảy chủ yếu dựa trên các phân tích diễn biến lịch sử, đường cong lũy tích chu kỳ nguồn nước, phân tích xu thế

Từ năm 1975, công tác dự báo đã có nhiều bước tiến mới, ứng dụng các

kỹ thuật máy tính phát triển các phương trình đơn lẻ phân tích thống kê các phương trình hồi quy tương quan dòng chảy với mưa và với các đặc trưng dòng chảy theo thời gian… Trong giai đoạn này, sử dụng một số phương pháp dự báo biến động dòng chảy như:

+ Mô hình thống kê đa biến,

+ Mô hình nhận dạng,

+ Sử dụng hàm điều hòa,

+ Phân tích chuỗi thời gian như mô hình ARIMA,

+ Mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN…lập tương quan dòng chảy với

dự báo dòng chảy tháng trong cả mùa lũ và mùa cạn đã được sử dụng trên các lưu vực sông

Từ năm 1990, các mô hình toán thủy văn mưa rào dòng chảy, mô hình thủy lực được ứng dụng nhiều Ban đầu, các mô hình này được sử dụng dự báo dòng chảy hạn ngắn sau đó phát triển dần thành các mô hình dự báo hạn vừa 5 -

10 ngày và dự báo hạn tháng với đầu vào là các trường mưa dự báo hạn vừa và hạn dài Cụ thể, các mô hình thủy văn thông số tập trung như:

- Mô hình TANK (Nhật Bản): Lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa xếp theo tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa chất,… Mưa trên lưu vực được xem như lượng vào của bể chứa trên cùng Mỗi bể chứa đều có một cửa ra ở đáy Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4 bể trên một cột Phù hợp cho các lưu vực nhỏ có độ ẩm cao Mô hình phức tạp hơn là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực và các bể mô tả quá trình truyền sóng lũ trong sông

- Mô hình NAM (Đan Mạch): Dựa trên nguyên tắc mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy bằng chuỗi các bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng và các

bể chứa tuyến tính (tương tự như TANK) Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, các thông số và các biến là các giá trị trung bình hoá đại diện cho toàn lưu vực Mô hình tính quá trình dòng chảy theo lượng ẩm trong các bể chứa có tương tác lẫn nhau Mô hình được sử dụng để tính toán khôi phục dòng chảy từ mưa; tuy nhiên, chỉ thích hợp với lưu vực vừa và nhỏ khi tác dụng điều tiết của sườn dốc có thể được xét thông qua các bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng Mô hình NAM có số lượng tham số vừa phải (16 thông số), dễ sử dụng hơn TANK

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc mô hình NAM [15]

- Mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE (Pháp): Mô hình dựa trên phương trình Saint-Vernant, tính toán dự báo quá trình lưu lượng tại các tuyến

hạ lưu Mô hình MARINE đòi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ, mạng lưới trạm KTTV đủ dày, đặc biệt phải dự báo được mưa với độ phân giải cao Lưu vực được chia theo lưới ô vuông Phương trình liên tục được sử dụng

để tính giá trị mực nuớc trong mỗi ô Tốc độ dòng chảy mặt trên lưu vực được xác định bằng phương trình sóng khuyếch tán Hệ số thấm là hàm số phụ thuộc vào mực nước trong từng ô Dòng chảy trong sông được xác định bằng hệ phương trình Saint-Vernant đầy đủ với các hàm Q gia nhập khu giữa được xác định từ các lưu vực liền kề

Hình 1.5: Mô hình tham số phân bố MARIN kết hợp với DEM và GIS [15]

- Mô hình WETSPA (Bỉ): là một mô hình thủy văn phân bố dựa trên quy luật tự nhiên dùng cho dự báo trao đổi nước và nhiệt giữa đất, thảm phủ thực vật, khí quyển trong phạm vi một vùng, một lưu vực, theo bước thời gian ngày

Hình 1.6: Cấu trúc mô hình WETSPA [15]

1.3.2 Một số công trình nghiên cứu về mô phỏng, dự báo lũ ở khu vực

- Lê Văn Nghinh, Hoàng Thanh Tùng (2007) [12] đã ứng dụng các mô hình toán và hệ thống thông tin địa lý để xây dựng các phương án dự báo, cảnh báo lũ và ngập lụt cho các sông lớn ở miền Trung Phương pháp nghiên cứu của tác giả được thể hiện trên hình 1.7

Hình 1.7: Phương pháp nghiên cứu dự báo, cảnh báo và ngập lụt [12]

- Theo [14], việc áp dụng các mô hình toán đã có một số công trình sau: (i) Năm 2000, Lê Xuân Cầu và Nguyễn Văn Chương, đã ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo (ANN) để dự báo lũ sông Cầu, Trà Khúc và sông Vệ, Nguyễn Hữu Khải và Lê Xuân Cầu (2000), đã ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo (ANN) để dự báo lũ quét

(ii) Năm 2000, Trần Thục, Lê Đình Thành, Đặng Thu Hiền đã ứng dụng

mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) để tính toán dự báo lũ cho các sông Tả trạch, Trà Khúc, sông Vệ và lũ quét trên sông Dinh

(iii) Năm 2000, Trần Thanh Xuân, Hoàng Minh Tuyền, đã sử dụng mô hình TANK để tính toán lũ trên sông Tả Trach; Bùi Đức Long áp dụng mô hình SSARR để dự báo lũ trên sông Trà Khúc (2001) và sông Cả (2003)

- Năm 2012, Ngô Lê An, Nguyễn Thị Bích Ngọc [5], “Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến hồ chứa trên lưu vực sông Ba” Tác giả dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa chính trên lưu vực bằng mô hình mưa dòng chảy (HEC-HMS),

mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa (HEC-RESSIM) kết hợp với kết quả dự báo từ mô hình khí tượng BOLAM Kết quả dự báo thử nghiệm cho thấy, chỉ số đảm bảo phương án đều đạt trên 80% tại Củng Sơn, An Khê, Ayun Hạ

- Năm 2015, Lương Tuấn Anh, Nguyễn Thanh Sơn [7], “Áp dụng mô hình thuỷ văn, thuỷ lực trong dự báo thuỷ văn” Bài báo trình bày một số kinh

nghiệm áp dụng mô hình thuỷ văn, thuỷ lực trong dự báo thuỷ văn Kinh nghiệm

xử lý số liệu đầu vào - đầu ra của các mô hình trong quá trình xác định và kiểm định mô hình dựa trên bản chất phản ứng có tính trễ của hệ thống thuỷ văn với đầu vào

- Năm 2011, Nguyễn Hữu Khải, Lê Thị Huệ [4], “Mô phỏng vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ bằng mô hình HEC-RESSIM” Báo cáo này trình bày việc lựa chọn quy tắc và kết quả áp dụng mô hình HEC-RESSIM trong vận hành liên hồ chứa sông Ba nhằm tạo dung tích đón lũ và xác định ngưỡng cắt giảm đỉnh lũ, đảm bảo xả lũ an toàn cho hạ du và bản thân các hồ chứa, đồng thời hạn chế tổn thất điện năng

Với sự biến động bất thường của thời tiết và có xu hướng ngày càng ác liệt hơn cùng với sự phát triển kinh tế xã hội nên vấn đề thiệt hại do lũ sẽ gây ra

là rất lớn Vì vậy, công tác dự báo lũ để phòng tránh nhằm giảm thiệt hại đến mức thấp nhất là rất cần thiết

1.4 Sự cần thiết mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh

Hồ chứa thủy điện Sông Hinh được tích nước đến mực nước dâng bình thường vào ngày 02/12/1999, bắt đầu vận hành thương mại năm 2000 Tuy nhiên, trong thời gian vận hành việc cập nhật quan trắc số liệu các trận lũ không đầy đủ, trên lưu vực không có trạm quan trắc khí tượng thủy văn, công tác dự báo bằng thủ công nên sai số rất nhiều dẫn đến việc điều tiết, vận hành hồ chứa còn nhiều bất cập Cụ thể như trận lũ từ ngày 02-04/11/2009 lưu lượng về hồ thấp hơn rất nhiều

so với lưu lượng xả tràn để đón lũ (hình 1.8):

Đối với trận lũ này, nhà máy đã chủ động xả sớm khi bắt đầu dự báo mưa, lưu lượng xả cao nhất là 3.400 m3/s lúc 7h00 ngày 03/11/2009 cao hơn nhiều so với đỉnh lũ (2.592,92 m3

/s) Theo biểu đồ vận hành cho thấy đường Qđến và Qxả đón lũ chênh lệch khá lớn, việc này tiềm ẩn nhiều rủi ro cho Chủ đập Nguyên nhân là công tác dự báo thiếu chính xác, việc vận hành hồ chứa dựa vào lượng mưa dự báo của Trung tâm khí tượng thủy văn Nam Trung bộ, tuy nhiên số liệu này qua quá trình thực hiện thấy sai số rất lớn, khó khăn trong công tác dự báo vận hành hồ chứa trong mùa lũ nên việc giảm lũ cho hạ du chưa đạt hiệu quả mong muốn

Đầu năm 2017, Chủ đập mới lắp đặt 6 trạm đo mưa tự động trên lưu vực

hồ chứa để lấy số liệu mưa phục vụ công tác dự báo Tuy nhiên, đây cũng là công tác thu thập số liệu, tính toán dự báo thủ công Trên lưu vực hồ chứa chưa

có một công nghệ dự báo và tính toán lũ nào có cơ sở khoa học, nên việc xây dựng bộ thông số mô hình bằng phần mềm thủy văn để dự báo dòng chảy lũ về

hồ chứa thủy điện Sông Hinh là rất cần thiết

1.5 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên và dòng chảy trên lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh

1.5.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên [9]

1.5.1.1 Vị trí địa lý, hiện trạng lưu vực sông

Vị trí lưu vực nằm trong khoảng 12035’ đến 12055’ vĩ độ Bắc và 108045’ đến 109007’ kinh độ Đông Độ cao bình quân lưu vực 580 m Bao bọc xung xung là các dãy núi cao trên 1000 m ở phía Nam và phía Đông Các đỉnh núi cao thuộc nhánh Vọng Phu - Đèo Cả, đây là nhánh núi lớn đâm ra Biển Đông Diện tích lưu vực đến tuyến đập chính là 772 km2

Sông ngòi Phú Yên phân bố tương đối đều trong đó có sông Ba thuộc loại sông lớn, số còn lại thuộc loại vừa và nhỏ Trong khu vực dự án hệ thống sông suối khá dày, sông chính bắt nguồn từ dãy Trường Sơn, chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc đổ vào sông Đà Rằng tại Củng Sơn rồi chảy ra biển Đông

Công trình thủy điện Sông Hinh đang vận hành hoạt động, tuyến nhà máy được xây dựng tại xã Ea Trol, huyện Sông Hinh, tính Phú Yên có công suất 70

MW, điện năng sản xuất khoảng 370 triệu kWh/năm

Các đặc trưng lưu vực sông của thủy điện Sông Hinh (bảng 1-1):

Bảng 1-1: Đặc trưng hình thái lưu vực tính đến tuyến đập Sông Hinh

(%)

D (km/km2)

1.5.1.2 Đặc điểm địa hình, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật, dân cư trong vùng

Lưu vực sông Hinh được bao bọc ba mặt là núi, phía Tây là rìa Đông của dãy Trường Sơn Ở giữa sườn Đông của dãy núi Trường Sơn có một dãy núi

thấp đâm ngang ra Biển tạo nên cao nguyên Vân Hòa là ranh giới phân chia hai đồng bằng trù phú do sông Ba và sông Kỳ Lộ bồi lấp

Đất đai của tỉnh Phú Yên được hình thành trên mẫu đất phù sa, gồm ba

loại chính là: Granít, Bazan, Trần Tích Vùng lưu vực sông Hinh gồm các loại đất như: đất Xám, đất Đen, đất Đỏ Vàng, đất mùn, …

Thảm thực vật trên lưu vực sông Hinh chủ yếu là thực vật tự nhiên, kiểu rừng nhiệt đới núi thấp rậm rạp, một số khu vực đã phát triển rừng trồng

Tỉnh Phú yên có khoảng 30 thành phần dân tộc đang sinh sống, trong đó người dân tộc Kinh chiếm khoảng 93% dân số toàn tỉnh Mật độ dân số trong toàn tỉnh là 164 người/km2, các huyện đồng bằng ven biển 190÷380 người/km2, các huyện miền núi 40÷60 người/km2

1.5.1.3 Mức độ nghiên cứu khí tượng thủy văn trên lưu vực

a) Các nghiên cứu khí tượng thủy văn đã thực hiện trong vùng

Trong vùng có khá nhiều tài liệu nghiên cứu về khí tượng thủy văn, hiện tại có một số tài liệu như sau: Đặc điểm khí hậu thủy văn tỉnh Phú Yên, Quy hoạch định hướng lũ miền Trung và Tây nguyên (chuyên đề: tính toán thủy lực mùa lũ sông Ba) … Ngoài ra còn các báo cáo tính toán thủy văn phục vụ tính toán thiết kế thủy điện, thủy lợi trong vùng như: Báo cáo tính toán thủy văn - thủy điện sông Ba Hạ, Báo cáo tính toán thủy văn - thủy điện Đá Đen, Báo cáo tính toán thủy văn - hồ thủy lợi Đá Bàn, Báo cáo tính toán thủy văn - thủy điện sông Hinh

Hình 1.9: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng và đo mưa lưu vực nghiên cứu [9]

b) Tài liệu quan trắc khí tượng

Trên lưu vực sông Hinh không có trạm quan trắc khí tượng nhưng lân cận lưu vực có những trạm đã quan trắc trong thời gian dài như trạm khí tượng Sơn Hòa cách công trình 17 km về phía Bắc-Tây Bắc, trạm M’drắc cách 32 km về phía Tây Nam Xa hơn nữa có trạm khí tượng Tuy Hòa về phía Đông Bắc (hình 1.9)

Bảng 1-2: Danh sách trạm khí tượng và trạm đo mưa lân cận lưu vực

Trong đó: X: Lượng mưa; T: Nhiệt độ không khí;

Z: Lượng bốc hơi; U: Độ ẩm không khí

c) Tài liệu đo đạc thủy văn

Trên lưu vực sông Hinh có trạm thủy văn sông Hinh cách tuyến đập không xa về phía thượng lưu, trạm thủy văn Ea Krông Hin được xây dựng dùng riêng ở thượng lưu lưu vực sông Hinh Ngoài ra, lân cận còn có các trạm Đồng Trăng trên lưu vực sông Cái Nha Trang, ngay phía dưới điểm nhập lưu sông Hinh vào sông Ba có trạm thủy văn Củng Sơn Tại tuyến đập sông Hinh có tài liệu quan trắc dòng chảy trên kênh dẫn dòng các năm 1996÷1998 trong thời kỳ thi công, năm 2000 khi nhà máy đi vào hoạt động có quan trắc dòng chảy đến

hồ Các số liệu này là cơ sở rất tốt cho việc nghiên cứu tính toán đặc trưng thủy văn cho lưu vực thủy điện sông Hinh (hình 1.9)

Bảng 1-3: Danh sách trạm thủy văn trong và lân cận lưu vực sông Hinh

Trong đó: Q: Lượng lượng bình quân ngày;

H: Mực nước bình quân ngày; ρ: Phù sa

1.5.2 Đặc điểm khí hậu lưu vực nghiên cứu [9]

Ở phái Bắc tỉnh, từ đèo Cù Mông chạy về hướng Tây Phú Yên là vùng khuất gió mùa mùa Đông Tổng lượng mưa năm ở vùng thung lũng chỉ từ 1600÷1800 mm Trong khi đó vùng đón gió thuộc tỉnh Bình Định, ở cùng độ cao tương ứng thì có tổng lượng mưa năm đều đạt trên 2000 mm Tại đèo Cù Mông, một khe hẹp có gió Đông Bắc đi qua có lượng mưa năm 2226 mm Từ huyện Tuy An về phía Nam, lượng mưa năm có xu hướng tăng dần tới khoảng

2100 mm ở phía Bắc cao nguyên Vân Hòa, sau đó lại giảm dần ở vùng khuất gió thuộc huyện Phú Hòa, Sơn Hòa vào khoảng 1700 mm Bắt đầu từ thành phố Tuy Hòa, huyện Tây Hòa, Đông Hòa và Sông Hinh lại là khu vực đón gió mùa Đông Bắc, do nằm trước dãy núi Vọng Phu - Đèo Cả Tính từ dãy núi này về phía Bắc khoảng 15÷20 km lượng mưa năm đạt từ 1900÷2400 mm, càng lên cao lượng mưa tăng dần, đến độ cao 1000 m thì lượng mưa năm vào khoảng 2600 mm, hơn

400 mm so với vùng khuất gió mùa mùa Đông Nếu so sánh điểm đo mưa tại vùng khuất gió Sơn Hòa và vùng đón gió Sơn Thành, hai điểm này cách nhau vài km nhưng lượng mưa năm chênh lệch nhau gần 500 mm

Về gió Tây khô nóng, cùng nằm trong thung lũng sông Ba nơi có đồi núi thấp đón gió mùa Hạ, Sơn Hòa nằm trong thung lũng, xung quanh chỉ là đồi núi thấp còn M’drắc nằm trong vùng thung lũng giữa hai dãy núi cao Kiểu thời tiết gió Tây khô nóng tại Sơn Hòa thường bắt đầu từ tháng II, trong khi đó M’drắc bắt đầu từ tháng V Xét về cường độ thì tại M’drắc mạnh gấp hơn 2 lần so với Sơn Hòa

Mùa Đông là thời kỳ thịnh hành gió có thành phần Bắc và Đông Bắc, nhưng vùng Sơn Hòa hướng gió thịnh hành lại lệch Đông Đông Bắc và Đông,

còn tại M’drắc thịnh hành hướng gió Đông và Đông Nam Điều này do ảnh hưởng của yếu tố địa hình, Sơn Hòa nằm trong thung lũng sông Ba trải dài theo hướng từ Tây sang Đông bị kẹp giữa dãy núi đèo Cả và cao nguyên Vân Hòa nên khi gió Đông Bắc thổi đến gặp cao nguyên Vân Hòa phải vòng qua cao nguyên men theo thung lũng sông Ba đi lên chuyển thành gió Đông khi tới Sơn Hòa M’drắc nằm giữa hai dải núi cao, kéo dài theo hướng từ Tây sang Đông khi gió Đông hay Đông Bắc thổi tới thường xuyên qua khe núi chuyển thành Đông hoặc Đông Nam, nơi đây hút gió mạnh tốc độ gió lớn nhất thường lớn hơn tại Sơn Hòa Hướng gió thịnh hành của Sơn Hòa và M’drắc chủ yếu là hướng Tây vào mùa Hạ, hướng Đông vào mùa Động

1.5.2.1 Nhiệt độ không khí

Trạm khí tượng Sơn Hòa được chọn là trạm đại biểu cho khu vực tuyến công trình, nhiệt độ bình quân nhiều năm là 25,8 0C, nóng nhất là tháng IV với 41,7 0C, tháng lạnh nhất là tháng I với 11,50C

Đặc trưng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Ttb (0C) 21,6 23,0 25,4 27,6 28,7 28,5 28,4 28,3 26,9 25,5 23,9 22,0 25,8 Tmax (0C) 35,4 38,3 39,8 41,7 40,9 40,0 38,9 38,6 38,2 31,7 32,9 31,6 41,7 Tmin (0C) 11,5 12,7 15,0 19,1 21,3 20,7 19,4 21,5 21,3 17,7 15,5 11,8 11,5

1.5.2.2 Độ ẩm không khí

Độ ẩm tương đối của không khí ở khu vực này khá lớn, giá trị bình quân năm tại trạm Sơn Hòa đạt 81%, nhỏ nhất đã quan trắc được là 22%

Bảng 1-.5: Độ ẩm tương đối không khí tại Sơn Hòa (%)

Bảng 1-6: Tần suất xuất hiện các hướng gió trạm Sơn Hòa

1.5.2.4 Chế độ bốc hơi

Do độ ẩm không khí lớn, nên lượng bốc hơi lưu vực nhỏ Theo tài liệu bốc hơi piche tại trạm Sơn Hòa, các tháng có lượng bốc hơi lớn trùng với các tháng mùa khô và ngược lại Phân phối bốc hơi, tổn thất bốc hơi các tháng trong năm (bảng 1-8)

Bảng 1-8: Phân phối bốc hơi và tổn thất bốc hơi mặt nước hồ chứa Sông Hinh

IX và kết thúc vào tháng XII, lượng mưa 4 tháng mùa mưa chiếm khoảng 80)% lượng mưa cả năm Nguyên nhân gây mưa lớn do các nhiễu động thời tiết gây nên, nhất là có sự kết hợp của bão và gió mùa Đông Bắc, số ngày mưa trong năm khá lớn, tại trạm thủy văn sông Hinh bình quân có tới 162 ngày mưa/năm

(70 Lượng mưa 1 ngày lớn nhất tại trạm sông Hinh đã đo được 674 mm (năm 1981), tại Tuy Hòa đo được 551,5 mm (năm 1988)

Lượng mưa 1 ngày lớn nhất thiết kế tại 2 trạm Tuy Hòa và Sông Hinh (bảng 1-9)

Bảng 1-9: Lượng mưu 1 ngày lớn nhất thiết kế (mm)

Bảng 1-10: Số ngày mưa và phân phối lượng mưa các tháng trong năm

(trạm Sông Hinh)

X(mm) 69,2 29,1 38,8 53,5 115,1 98 100,8 89,7 234,8 489 711 280 2.309

1.5.3 Đặc điểm khí tượng thủy văn trên lưu vực [9]

1.5.3.1 Đặc điểm chung về chế độ dòng chảy

Việc quan trắc thủy văn trên lưu vực chỉ được tiến hành từ cuối năm 1978

ở trạm thủy văn sông Hinh Ban đầu trạm này chỉ đo mực nước và mưa, từ năm

1980 đo cả lưu lượng nước và nhiệt độ nước Khởi công xây dựng công trình thì

đo lưu lượng trên kênh dẫn dòng trong các năm 1996÷1998

Ngoài ra trên hệ thống sông Ba còn có các trạm thủy văn khác như: Củng Sơn nằm ở gần vị trí hợp lưu giữa sông Hinh và sông Ba, hoạt động từ năm 1977 đến nay Lân cận lưu vực còn có một số trạm thủy văn khác như trạm Đá Bàn (1976÷1982), trạm Đồng Trăng (1977 đến nay) Tài liệu của các trạm thủy văn này rất đáng tin cậy để phục vụ cho tính toán các đặc trưng thủy văn hồ chứa thủy điện sông Hinh

Chế độ dòng chảy sông Hinh phụ thuộc chủ yếu vào chế độ mưa ở khu vực, theo tài liệu dòng chảy trạm sông Hinh, dòng chảy chia làm hai mùa rõ rệt Mùa lũ từ tháng X÷XII, mùa kiệt từ tháng I÷IX Mùa lũ diễn ra tương đối ngắn

so với mùa kiệt, song nó chiếm 70÷80% lượng nước cả năm, các trận lũ lớn thường xuất hiện vào tháng XI Tháng lớn nhất mùa lũ chiếm khoảng gần 50% lượng nước cả mùa lũ Mùa kiệt diễn ra dài, tháng kiệt nhất là tháng VII Lũ trên sông Hinh có hai dạng chính là lũ một đỉnh và lũ hai đỉnh, các trận lũ lớn đã quan trắc thường kéo dài từ 3 ngày đến 5 ngày

1.5.3.2 Dòng chảy năm thiết kế tại tuyến đập chính

a) Phân tích chế độ mưa và dòng chảy trong vùng

Từ phân tích tài liệu mưa và dòng chảy của trạm sông Hinh, mùa mưa (tháng IX÷XII) đến sớm hơn mùa lũ (từ tháng X÷XII) là một tháng

b) Chuẩn dòng chảy năm đến tuyến đập (xem bảng 1-11)

Bảng 1-11: Đặc trưng dòng chảy năm tại tuyến đập Sông Hinh

c) Phân phối dòng chảy 3 năm điển hình (xem bảng 1-12)

Tháng X XI XII I II II IV V VI VII VIII IX M.K Năm

Nhiều nước

(10%) 114,7 296,0 65,9 87,7 34,0 27,7 15,2 15,7 14,5 16,2 9,7 22,9 243,5 160,0 Trung bình

Tính trung bình cho một trận lũ, lượng mưa thường đạt 100÷130 mm, những trận lũ báo động cấp III trở lên thường đạt trung bình 150÷250 mm Đặc biệt trận lũ tháng 10/1993 lượng mưa ngày toàn tỉnh phổ biến từ 400÷666 mm

Do địa hình dốc, cường độ mưa lớn, diện tích lưu vực rộng nên lũ ở đây phổ biến là lũ một đỉnh và hai đỉnh

b) Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đến tuyến đập (xem bảng 1-13)

Bảng 1-13: Đặc trưng dòng chảy lũ thiết kế tuyến đập Sông Hinh

- Tổng lượng lũ ứng với tần suất thiết kế (xem bảng 1-14):

Đặc trưng

Qmax (m3/s)

W1p (106m3)

W3p (106m3)

W5p (106m3)

W7p (106m3)

W9p (106m3) Tần suất

- Đường quá trình lũ thiết kế:

Các trận lũ quan trắc được tại trạm Sông Hinh có hai dạng lũ chính: lũ một đỉnh và lũ hai đỉnh Theo kết quả tính toán điều tiết lũ, mô hình lũ năm 1986 cho kết quả bất lợi hơn Vì vậy, mô hình lũ năm 1986 là mô hình được chọn để thu phóng đường quá trình lũ thiết kế

Đường quá trình lũ thu phóng theo mô hình lũ năm 1986 (xem hình 1.10),

số liệu được nêu trong phụ lục IV:

Hình 1.10: Đường quá trình lũ thiết kế tại tuyến đập Sông Hinh

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY ĐẾN HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN

SÔNG HINH

2.1 Phân tích lựa chọn mô hình để mô phỏng dòng chảy về hồ

Mô phỏng, dự báo lũ đến hồ chứa đóng vai trò quan trọng và quyết định trong công tác vận hành hồ chứa an toàn và hiệu quả Để làm tốt công việc này bên cạnh việc thiết lập các trạm đo mưa ở thượng lưu hồ, tổ chức đo đạc tại hồ (lưu lượng, mực nước, ) thì việc lựa chọn một mô hình tính toán dòng chảy từ mưa phù hợp cũng rất quan trọng Hiện nay có rất nhiều công cụ, mô hình dự báo dòng chảy đến các mô hình mưa dòng chảy có thể làm được việc này như:

- Phần mềm MIKE NAM của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI): là mô hình dự báo dòng chảy đến các tiểu lưu vực và hồ chứa, tuy nhiên mô hình này không tính được truyền lũ trên sông, muốn tính được thì cần phải kết hợp với MIKE 11 thì mới tính toán, dự báo lũ

- Phần mềm TANK của Nhật Bản: cũng tương tự như mô hình NAM tính toán dòng chảy đến các tiểu lưu vực, tuy nhiên không tính toán được truyền lũ trên sông, quá nhiều tham số để hiệu chỉnh mô hình, chưa tích hợp công cụ dò tìm tối ưu

- Phần mềm HEC-HMS của Quân đội Hoa Kỳ (USACE): có ít tham số và

dễ sử dụng, không yêu cầu cao về tài liệu địa hình lưu vực, độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm nghiệm đối với các lưu vực từ 15÷1.500 km2

(Flv hồ Sông

Hinh là 772 km2); phần mềm mạnh chuyên về dự báo lũ và đã được các Đài khí tượng thủy văn dùng để dự báo cho nhiều lưu vực sông ở miền Trung, Tây Nguyên và cho kết quả dự báo với độ tin cậy khá cao

Với những nhận xét được trình bày như trên thì việc lựa chọn mô hình HEC-HMS để mô phỏng, dự báo dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện Sông Hinh

là phù hợp

2.2 Giới thiệu về mô hình HEC-HMS

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm HEC-HMS

HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Model System)

là sản phẩm của tập thể kỹ sư thủy văn thuộc hiệp hội thủy văn quân đội Hoa

Kỳ Mô hình đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những con sông nhỏ, không có trạm đo lưu lượng Cho đến thời điểm này, mô hình đã

liên tục được nâng cấp từ các phiên bản từ mô hình HEC1 chạy trong môi trường DOS đến nay là mô hình HEC-HMS với các version 2.0, hiện nay phiên bản mới nhất là mô hình HEC-HMS Version 4.2.1 chạy trong môi trường Windows

Phần mềm HEC-HMS có thể được Download miễn phí tại trang Web: www.hec.usace.army.mil

2.2.2 Ứng dụng của phần mềm

Mô hình HEC-HMS rất thích hợp cho việc tính toán dòng chảy lũ tại những con sông không có trạm đo lưu lượng, cho việc tính toán mô phỏng tại những lưu vực nhỏ

HEC-HMS không những được ứng dụng trong phạm vi nước Mỹ, mà còn được ứng dụng rộng rãi trên nhiều nước trên thế giới Tại Việt Nam, mô hình HEC-HMS đã được nghiên cứu và ứng dụng tính toán dòng chảy lũ trên các sông suối nhỏ thuộc miền Trung, Tây Nguyên, vùng núi Bắc Bộ

Với phiên bản mới Version 4.2.1 thì HEC-HMS được ứng dụng để:

- Mô phỏng diễn biến của dòng chảy lũ trên lưu vực

- Tính toán lũ thiết kế trên lưu vực

- Dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực

- Điều tiết dòng chảy lũ qua hồ chứa

2.3 Cơ sở lý thuyết của phần mềm HEC-HMS

Mô hình HEC-HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy lũ trên lưu vực theo sơ đồ sau:

và thấm Khi cường độ mưa vượt quá cường độ thấm (mưa hiệu quả) thì trên bề mặt bắt đầu hình thành dòng chảy, chảy tràn trên bề mặt lưu vực, sau đó tập trung vào mạng lưới sông suối Sau khi đổ vào sông, dòng chảy chuyển động về

hạ lưu, trong quá trình chuyển động này dòng chảy bị biến dạng do ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông

Theo sơ đồ này HEC-HMS bao gồm tổ hợp nhiều phương pháp tính toán: Tính toán mưa bình quân lưu vực

Tính toán tổn thất trên bề mặt lưu vực

Tính toán dòng chảy đơn vị

Diễn toán dòng chảy lũ

Diễn toán dòng chảy qua hồ chứa

Diễn toán dòng chảy qua công trình trên hồ chứa: Đập, tràn, cửa lấy nước

+ Tổn thất

Một tập hợp các phương pháp khác nhau có sẵn trong mô hình để tính toán tổn thất Có thể lựa chọn một phương pháp tính toán tổn thất trong số các phương pháp: Phương pháp tính thấm theo hai giai đoạn - Thấm ban đầu và thấm hằng số (Initial and Constant), thấm theo số đường cong thấm của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ (SCS Curve Number), thấm theo Gridded SCS Number và thấm theo hàm Green and Ampt Phương pháp Deficit and Constant có thể áp dụng cho các mô hình liên tục đơn giản Phương pháp tính độ ẩm đất bao gồm 5 lớp đước áp dụng cho các mô hình mô phỏng quá trình thấm phức tạp và bao gồm bốc hơi

+ Chuyển đổi dòng chảy

Có nhiều phương pháp để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy trên bề mặt của khu vực Các phương pháp đường đơn vị bao gồm: đường đơn

vị tổng hợp Clack, Snyder và đường đơn vị không thứ nguyên của cơ quan bảo

vệ đất Hoa Kỳ Ngoài ra phương pháp tung độ đường đơn vị xác định bởi người

sử dụng cũng có thể được dùng Phương pháp Clark sửa đổi (Mod Clark) là một phương pháp đường đơn vị không phân bố tuyến tính được dùng với lưới mưa

Mô hình còn bao gồm cả phương pháp sóng động học

+ Diễn toán kênh hở

Một số phương pháp diễn toán thủy văn được bao gồm để tính toán dòng chảy trong các kênh hở Diễn toán mà không tính đến sự suy giảm có thể được

mô phỏng trong phương pháp trễ Mô hình bao gồm cả phương pháp diễn toán truyền thống Muskingum Phương pháp Puls sửa đổi cũng có thể được dùng để

mô phỏng một đoạn sông như là một chuỗi các thác nước, các bể chứa với quan

hệ lượng trữ - dòng chảy ra được xác định bởi người sử dụng Các kênh có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác hay hình cong có thể được

mô phỏng với phương pháp sóng động học hay Muskingum-Cunge Các kênh có diện tích bãi được mô phỏng với phương pháp Muskingum-Cunge và phương pháp mặt cắt ngang 8 điểm

+ Tính toán mưa - dòng chảy

Chương trình tính toán được tạo bằng cách kết hợp mô hình lưu vực, mô hình khí tượng - thủy văn và mô hình điều khiển chương trình

Các kết quả tính toán được xem từ lược đồ mô hình lưu vực Bảng tổng kết chung và bảng tổng kết từng phần chứa các thông tin về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng Mỗi một yếu tố đều có các bảng tổng kết và đồ thị

+ Hiệu chỉnh thông số

Hầu hết thông số của các phương pháp có trong mô hình lưu vực và trong yếu tố đoạn sông đều có thể ước tính bằng phương pháp dò tìm tối ưu Mô hình gồm có 4 hàm mục tiêu để dò tìm thông số Việc dò tìm thông số tối ưu nhằm mục đích tìm ra bộ thông số thích hợp nhất để cho kết quả tính toán phù hợp với kết quả thực đo

2.3.1 Các phương pháp tính mưa trong mô hình

Trong phần mềm HEC-HMS bao gồm các phương pháp tính toán mưa bình quân trên lưu vực như sau:

* Phương pháp biểu đồ mưa

* Phương pháp tính mưa bình quân

- Phương pháp bình quân số học

- Phương pháp trung bình có trọng số

+ Phương pháp đa giác Theissen + Phương pháp đường đẳng trị mưa

a) Phương pháp biểu đồ mưa

Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưu vực

Mô hình HEC-HMS là mô hình thông số tập trung, mỗi lưu vực con có một trạm đo mưa đại diện Lượng mưa ở đây được xem là mưa bình quân lưu vực (phân bố đồng đều trên toàn lưu vực) Dù mưa được tính theo cách nào đều tạo nên một biểu đồ mưa như hình 2.1 Biểu đồ mưa biểu thị chiều sâu lớp nước trung bình trong một thời đoạn tính toán

Hình 2.1: Biểu đồ mưa tính toán