CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.3. Phương pháp đo đạc, khảo sát và thu thập, xử lý số liệu
2.2.3.1 .Đánh giá nhanh môi trường
a) Kh o sát thự ịa
Quan sát định kỳ, ghi chép, chụp ảnh tuyến nghiên cứu dọc theo hồ để nhận diện các thay đổi tại mặt cắt đo đạc và các vùng bờ, vùng nước; Ghi nhận các thay đổi hoạt động canh tác vùng bán ngập, các vết trượt lở vùng bờ, điểm cháy rừng….
b) Phỏng vấn
Phỏng vấn khơng chính thức: Phỏng vấn được thực hiện đối với những người
địa phương tình cờ gặp trên đường trong các kỳ đo đạc. Thông qua phỏng vấn nhanh có thể thu thập được các thơng tin về hoạt động sản xuất nông nghiệp trên vùng bán ngập, điều kiện sống và những khó khăn mà họ gặp phải trong quá trình canh tác vén trên vùng bán ngập hay khai thác thủy sản trong lòng hồ.
Phỏng vấn bán chính thức các chuyên gia: Tác giả sử dụng kỹ thuật phỏng vấn bán chính thức đối với một số chun gia có trình độ chun mơn cao, hoặc giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực đo đạc, tính tốn, nghiên cứu bồi lắng hồ chứa, đặc biệt các nhà khoa học đã có những cơng trình nghiên cứu về bồi lắng hồ Hịa Bình, một số chuyên gia đã nhiều năm đi khảo sát thực địa cùng tác giả, có bề dầy kinh nghiệm trong lĩnh sử dụng thiết bị đo ngồi hiện trường tham gia góp ý cho Luận văn. Với
phương pháp này, tác giả đã tiếp thu được những ý kiến đóng góp quý báu và chuyên sâu hơn trong lĩnh vực bồi lắng, giúp kết quả nghiên cứu của tác giả được hoàn thiện hơn (Danh sách chuyên gia trong phần phụ lục).
2.2.3.2. Đo và tính bồi lắng lịng hồ
Trong các chuyến đi thực địa, nhiệm vụ chính của tác giả là sử dụng máy hồi âm đo sâu đa tần, máy định vị GPS 2 tần,... để xác định tọa độ, độ sâu tại các điểm đo trên các mặt cắt ngang của hồ từ thượng lưu về đến hạ lưu, điều tra sạt lở 2 bên bờ, vị trí và chiều dài các bãi bồi, quan trắc, lấy mẫu trầm tích đáy hồ và đo và lấy mẫu giám sát chất lượng nước hồ.
a) Hệ th ng tuyế o ặt cắt ngang h Hịa Bình:
Căn cứ hồ sơ thiết kế xây dựng hồ chứa Hịa Bình và kết quả khảo sát của Viện khoa học Khí tượng Thủy văn, hai mặt cắt Tạ Bú và chân đập được chọn làm tuyến cửa vào và cửa ra của hồ, được bố trí đặt 2 trạm đo đạc thủy văn theo quy chuẩn. Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Cơng ty thủy điện Hịa Bình cũng đã xây dựng được hệ thống mặt cắt chuẩn cố định để đo đạc giám sát bồi lắng lịng hồ theo phương pháp so sánh thể tích. Mỗi mặt cắt ngang có 04 mốc bê tơng kiên cố: PA, PB, TA, TB lần lượt là mốc bờ phải chính, phụ và mốc bờ trái chính, phụ. Cao độ và tọa độ của mốc tại các mặt cắt đã được Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Cơng ty thủy điện Hịa Bình dẫn truyền từ mạng lưới cao - tọa độ Quốc gia hạng IV trong năm 1990. Để thuận tiện cho việc xác định vị trí các điểm đặc trưng của mặt cắt, quy ước lấy mốc chính bờ trái (TjA) làm mốc khởi điểm, hướng đi từ TjA đến TjB hoặc các điểm nằm giữa TjA và TjB mang dấu âm (-) [27].
Về nguyên tắc, nếu các mặt cắt ngang bố trí càng dày thì kết quả tính tốn thể tích lịng hồ và lượng bùn cát bồi lắng càng chính xác, song như vậy sẽ rất tốn kém. Dựa theo kết quả nghiên cứu 57 hồ chứa có diện tích vực từ 30 ha đến 15.000 ha, Cục khai hoang Hoa Kỳ đã xây dựng được công thức kinh nghiệm (2) tính số mặt cắt ngang tối thiểu Ncstheo diện tích mặt hồ As (ha) ứng với mực nước dâng bình thường, phục vụ tính bồi lắng hồ chứa bằng phương pháp so sánh thể tích theo cơng thức (1):
Năm 1989, khi hồ bắt đầu tích nước đến cao trình 90m và điều tiết phát điện, hệ thống thiết lập được 39 mặt cắt phân bố từ cửa đập (mặt cắt số 1) đến Chim Vàn, huyện Mai Sơn, tỉnh Sơn La (cách đập 154km). Năm 1990, khi mực nước dâng đến cao trình bình thường, hệ thống phát triển lên đến Bản Trang, huyện Mường La, tỉnh Sơn La và có 64 mặt cắt (hình 2).
Hình 2. Sơ đồ vị trí các mặt cắt ngang hồ chứa Hịa Bình
Ngu n: Trung tâm Nghiên cứu Môi rường
Ứng với cao trình 115m, mặt hồ Hịa Bình rộng 19.730ha, nên theo công thức (1), hồ phải được giám sát với số mặt cắt ngang tối thiểu là 110 mặt cắt. Thực tế trước đây chỉ bố trí được 64 mặt cắt trên lịng chính, trung bình khoảng 3km/1 mặt cắt, nhưng có nơi cách tới trên 10km (mặt cắt 18-19), các phụ lưu lớn của hồ như Hiền Lương, suối Rút, Suối Tốc.... khơng có tuyến khống chế nghiên cứu, nên kết quả tính tốn bồi lắng chỉ đạt được độ tin cậy nhất định [15]. Từ năm 1998 các tuyến mặt cắt trên đoạn hồ từ Tạ Bú đến Bản Trang (mặt cắt 56 - 60) bị loại bỏ không quan trắc. Năm 2013, hệ thống lại thay đổi, xây thêm được 33 mặt cắt tại những vị trí giữa các mặt cắt có khoảng cách lớn như một số mặt cắt tại phía hạ lưu, do đó tổng cộng có 97 mặt cắt, sẽ được đưa vào đo đạc từ năm 2015.
b) P ươ á o kh o á ịa hình lịng h :
Thời gian khảo sát địa hình lịng hồ thường được tiến hành vào cuối tháng XII hàng năm (thời điểm mực nước hồ cao và ổn định, lượng bùn cát về hồ nhỏ nhất, lòng hồ tương đối ổnđịnh để đảm bảo tính đồng nhất của bộ số liệu đo đạc) [27].
Địa hình lịng hồ phần bị ngập nước được đo bằng máy hồi âm đo sâu FURUNO-600 và FURUNO-400 của Nhật, phần không bị ngập nước (phần cạn) được đo bằng máy thủy chuẩn Ni-025 của Đức. Góc định vị của các điểm phất cờ được đo bằng máy kinh vĩ THEO-020A của Đức. Đường đáy và khoảng cách giữa hai mốc PA-TA được đo bằng máy đo khoảng cách bằng ánh sáng của Nga.
Từ năm 2002, đo bồi lắng lòng hồ đã được thay đổi và áp dụng theo nguyên lý tích hợp số liệu GPS 2 tần TSIMBLE-R4 và máy hồi âm đo sâu đa tần HDROTRAC-II của Mỹ. Mơ hình đo bình đồ lịng hồ được thể hiện trong hình 3.
Tọa độ các điểm được xác định bằng công nghệ DGPS RTK - kỹ thuật đo nhanh có độ chính xác cao của máy 2 tần, trong đó:
Tọa độ của điểm B là: (XB=XA+dX, YB=YA+dY, ZB=ZA+dZ) (2) Tọa độ của điểm C là: (XC=XB, YC=YB , ZC=F+H+XB) (3) Trong đó: A là điểm gốc đã biết tọa độ, nơi đặt trạm máy tĩnh, B là điểm của trạm máy động (tọa độ xác định bằng công nghệ DSPS RTK), dX, dY, dZ là gia số tọa độ được tính tốn sau khi giải mã các tín hiệu vệ tinh thu được từ 2 máy thu tĩnh và động, C là điểm cần các xác định tọa độ và độ sâu, F là khoảng cách từ ăng ten máy GPS động đến ăng ten máy đo sâu hồi âm, H là độ sâu xác định bằng máy đo sâu hồi âm theo công thức:
2
vt
H (4), với v là vận tốc sóng âm, t là thời gian từ khi phát sóng đến khi thu được sóng phản hồi.
Máy đo sâu hồi âm là thiết bị có nhiệm vụ phát và thu tín hiệu để tính khoảng cách từ bộ phát biến đến đáy sơng dựa vào sóng âm. Khi đo, tại mỗi một mặt cắt đo 3 tuyến (tuyến thượng lưu, tuyến chính và tuyến hạ lưu của mặt cắt). Như vậy cứ một mặt cắt có 3 chuỗi số liệu đo sâu.
Hình 3. Sơ đồ đo bình đồ lịng hồ Hịa Bình
c) P ươ á í b i lắng h Hịa Bình
Để xác định lượng bùn cát bồi lắng hồ Hịa Bình, dùng phần mềm TOBO nội suy đường đồng mức ở khu vực mặt cắt theo mơ hình mặt cắt. Vẽ mặt cắt chính qua điểm đầu TA và điểm cuối PA với khoảng cách giữa 2 điểm đo sâu là 10 - 15m. Xuất số liệu sang file TXT rồi dùng phần mềm trong NC để tính ra thể tích.
Thể tích hồ ứng với cao trình 120 m tính theo cơng thức (4) hoặc (5) [22]:
(4)
hoặc: (5)
Trong đó: V là thể tích hồ ứng với mực nước nào đó (m3), A là diện tích mặt cắt ngang ứng với mực nước nào đó (m2), ∆F là diện tích mặt hồ khống chế giữa 2 mặt cắt ngang (m2), B là độ rộng của hồ ứng với mực nước nào đó (m), ∆L là khoảng cách giữa 2 mặt cắt ngang liên tiếp (m), J là số thứ tự các mặt cắt ngang.
Hình 4. Sơ đồ đoạn sơng, hồ có số liệu mặt cắt ngang
2.2.3.3. Phương pháp đo đạc tính tốn xói mịn sườn dốc trên bãi thực nghiệm
Hệ thống bãi đo xói mịn gồm 8 bãi được xây dựng năm 1996, thiết kế cho 4 độ dốc 3%, 7%, 10% và 15%, mỗi độ dốc 2 bãi với 2 kiểu thảm thực vật khác nhau, diện tích mỗi bãi là 50m2. Các bãi có tường xây bao giữ dịng chảy và có 2 bể (có mái che mưa) đặt ở cuối bãi để hứng dịng chảy và vật chất xói mịn cuốn theo (1 bể hứng dịng mặt, một bể hứng dịng ngầm) [27].
Xói mịn trên đất dốc được đo và tính theo phương pháp sau:
* Phương pháp cân đong trực tiếp: Khi mưa kết thúc, đọc mực nước, đo độ đục. Sau đó tháo nước, vét bùn đáy bể, cân sấy và tính tốn theo các bước sau:
- Tính lượng dịng chảy V hứng được theo công thức: V= (Hc- Hđ) x S (m3) (6) Trong đó: Hđ, Hc là mực nước đọc lần đầu,l ần cuối, S là diện tích đáy bể. - Lượng bùn cát lơ lửng (BCLL) tính theo cơng thức: BCLL = x V (kg) (7)
Trong đó: là độ đục trung bình
- Tổng lượng bùn cát (BCTT) tính theo cơng thức: BCTT = BCLL+BCĐ (kg)(8) Trong đó: BCĐ là bùn cát đáy.
Từ đó tính được lượng đất bị xói mịn, rửa trơi của từng bãi. h i Lj Aj Aj+1 Bj+1 Bj
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đánh giá diễn biến bồi lắng lịng hồ Hịa Bình theo khơng gian và thời gian
3.1.1. Kết quả tính tốn bồi lắng của hồ Hịa Bình
Kết quả tính lượng bồi lắng lịng hồ được trình bày trong bảng 2 [5], [27].
Bảng 2. Kết quả tính bồi lắng lịng hồ Hịa Bình (1990 - 2013) Năm Lượng nước về (109m3)
Khối lượng bồi lắng (106m3) 1990 66,9 84,0 1991 59,9 79,0 1992 40,3 58,9 1993 46,0 46,7 1994 57,1 61,1 1995 62,9 69,3 1996 68,8 87,5 Tr bì ời ỳ 99 - 1996 57,4 69,5 1997 60,3 77,1 1998 57,5 85,8 1999 67,3 73,6 2000 53,1 68,9 2001 60,4 78,4 2002 63,0 73,1 2003 87,7 42,7 2004 46,8 47,5 2005 49,8 46,4 2006 45,5 60,6 2007 56,6 73,6 2008 62,2 71,1 2009 47,0 47,2 Tr bì ời ỳ 997 - 2009 58,2 65,1 2010 32,8 - 2011 34,7 30,6 2012 45,7 - 2013 47,7 24,0 Tr bì ời ỳ - 2013 40,2 13,7 Tổng cộng 1319,9 1423,1 Trung bình 55,0 57,8
3.1.2. Đánh giá diễn biến bồi lắng lịng hồ Hịa Bình theo khơng gian và thời gian
Để có thể đánh giá q trình bồi lắng hồ Hịa Bình một cách chi tiết, tác giả chia thời gian đánh giá làm 3 giai đoạn là: 1-Giai đoạn chưa hình thành hồ chứa Hịa Bình; 2-Giai đoạn hình thành hồ chứa Hịa Bình và bắt đầu tích nước; 3-Giai đoạn tích nước và điều tiết đến cao trình mực nước dâng bình thường 115 - 117m.
* Giai đoạn chưa hình thành hồ (1961 - 1986):
Theo số liệu thống kê, khi chưa có hồ chứa Hịa Bình, hàng năm lượng cát bùn chuyển qua mặt cắt Tạ Bú là 93,4 triệu tấn, qua mặt cắt Hịa Bình là 83,9 triệu tấn, nghĩa là đã bị hụt khoảng 9,5 triệu tấn (7,3 triệu m3) do bồi lắng hoặc chuyển sang di đẩy (trường hợp thiếu hụt như trên chiếm 80% số năm tính tốn). Năm thiếu hụt lớn là 1966 (56,7 triệu tấn) [15].
* Giai đoạn hình thành hồ và bắt đầu tích nước:
Trong 3 năm đầu xây dựng mạnh mẽ nhất (1987 - 1989), trung bình lượng bùn cát chuyển vào hồ qua mặt cắt Tạ Bú đạt khoảng 57 triệu tấn/năm, bằng 63% bình quân nhiều năm, qua mặt cắt Hịa Bình giảm mạnh chỉ cịn 10,1 triệu tấn/năm. Do đập chưa hoàn thiện, ổn định, mực nước hồ thường chỉ được duy trì ở cao trình 22 - 42m, hồ vận hành như sông, nước về bao nhiêu xả qua đập bấy nhiêu, nên lượng bùn cát bị giữ lại trong hồ không nhiều, khoảng 36,1 triệu m3/năm [15], [30].
* Giai đoạn hồ tích nước và điều tiết đến cao trình mực nước dâng bình thường: Đây là thời kỳ có mức độ bồi lấp diễn biến phức tạp, phân bố không đều theo không gian và thời gian. Theo số liệu thực đo, trong giai đoạn 1990 - 2013, lượng bồi lắng lịng hồ trung bình là 57,8 triệu m3/năm [27]. Tổng lượng bồi lắng đã bằng 37% dung tích chết, một số mặt cắt khu vực trung lưu hồ đã bị bồi lấp vào phần dung tích hữu ích.
3.1.2.1. Diễn biến bồi lắng lòng hồ theo thời gian
Diễn biến bồi lắng lòng hồ qua các năm được thể hiện trong hình 4.
Phân tích hình 4 cho thấy: Khối lượng bồi lắng qua các năm là khác nhau, năm có lượng bồi lắng lớn nhất là năm 1996 với khối lượng là 87,5 triệu m3, nguyên nhân là do năm 1996 có lũ lịch sử với lưu lượng đỉnh lũ đạt 22.650m3/s đã chuyển về hồ một lượng bùn cát khổng lồ. Năm có lượng bồi lắng ít nhất là năm 2013, nguyên
nhân là hồ thủy điện Sơn La đã tích nước và điều tiết đến cao trình mực nước dâng bình thường và đóng vai trị chính trong nhiệm vụ cắt lũ cho phía hạ du nên phần lớn lượng bùn cát lơ lửng đã được lắng đọng tại hồ Sơn La.
Hình 5. Biểu đồ diễn biến mức độ bồi lắng hồ Hịa Bình theo thời gian (1990 - 2013) (1990 - 2013)
Diễn biến bồi lắng hồ Hịa Bình (từ 1990 đến 2013) được đánh giá thông qua sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang đo được qua các năm. Từ kết quả đo diện tích mặt cắt ngang, áp dụng cơng thức (9) có thể xác định được tỷ lệ diện tích bị bồi, xói đối với từng mặt cắt giữa hai lần đo (năm trước và năm sau) cho từng thời kỳ với cao trình mực nước nhất định (cao trình mực nước được chọn là 120 m) [5].
100% (9)
Trong đó: ai là tỷ lệ phần diện tích mặt cắt thứ i bị bồi hoặc xói giữa 2 năm đo đạc thứ n và thứ n+1, đơn vị %; Si,n là diện tích mặt cắt i năm đo n, đơn vị m2; Si,n+1 là diện tích mặt cắt i năm đo n+1, đơn vị m2.
Nếu ai >0: diện tích mặt cắt bị thu hẹp lại, mặt cắt đó bị bồi; Nếu ai <0: diện tích mặt cắt mở rộng ra, mặt cắt đó bị xói;
Nếu ai =0: diện tích mặt cắt khơng thay đổi, khơng bồi, khơng xói.
Kết quả tính tốn tỷ lệ bồi, xói lịng hồ tại một số mặt cắt theo thời gian từ năm 1990 đến năm 2013 của hồ chứa Hồ Bình được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3. Kết quả tính tốn tỷ lệ bồi lắng theo diện tích mặt cắt trong các giai đoạn vận hành hồ chứa Hồ Bình 1990 - 2013
Số hiệu mặt cắt Khoảng cách đến đập (m) Thời gian 1990-1996 1996-2009 2009 -2013 1990-2013 (%) (%) (%) (%) Đập 0 1 2900 17.1 -16.8 -0.4 2.9 5 23100 6.1 3.1 -3.9 5.6 9 34275 9.3 -12.0 3.3 1.7 13 50325 7.9 -7.9 6.1 6.7 17 65150 8.0 -2.7 2.3 7.7 21 88025 14.2 39.0 -6.3 44.4 24a 106600 16.0 39.0 -8.3 44.5 28 119575 21.4 13.9 1.4 33.3 31a 132050 12.0 28.1 -14.8 27.4 35 141825 18.3 4.7 7.3 27.8 39 154750 11.3 10.3 -6.4 15.4 44 162500 11.9 10.3 -1.1 20.1 47 168450 11.4 -14.0 -10.4 -11.5 50 177575 7.2 -12.6 2.0 -2.4 56 189375 4.4 2.4 16.8 22.4 60 197925 47.4
Từ kết quả nghiên cứu trên có thể phân chia q trình bồi lắng lịng hồ một cách tương đối thành 3 thời kỳ như sau:
+ Thời kỳ bồi điền trũng và sạt lở bờ dần đi vào ổn định (1990 - 1996) + Thời kỳ bồi lắng ổn định (1996 - 2009)
+ Thời kỳ hồ thủy điện Sơn La đi vào hoạt động (2009 - 2013)
a) Thời kỳ b i iề rũ v ạt lở bờ dầ i v o ổ ịnh (từ 1990 - 1996)
Từ số liệu bảng 3, xây dựng biểu đồ bồi lắng theo tỷ lệ diện tích cho từng thời kỳ được thể hiện trong hình 6, 7, 8.
Hình 6. Biểu đồ mức độ bồi lắng lịng hồ Hịa Bình theo tỷ lệ diện tích mặt