8. Cấu trúc luận án:
1.3. xuất hướng nghiên cứu
Có thể nói, cho đến nay các nghiên cứu về phương pháp vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực ở Việt Nam cịn rất hạn chế. Chỉ có lưu vực sơng Hồng đã áp dụng rõ rệt phương pháp này cho vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ hạ du nhưng nói chung cịn nhiều tồn tại, đặc biệt là việc giải quyết mâu thuẫn giữa phịng lũ hạ du và tích nước hồ chứa cho đến nay vẫn còn chưa giải quyết được.
Tổng quan tình hình nghiên cứu thế giới cho thấy trong thời gian qua đã phát triển mạnh về cơng cụ tính tốn cũng như các cơng trình nghiên cứu, nhưng do hệ thống sơng mỗi lưu vực có đặc thù riêng, trong hệ thống hồ chứa, mỗi hồ chứa có những mục tiêu khác nhau, do đó cách tiếp cận mỗi nơi đều khác nhau, và bài toán vận hành hệ thống hồ chứa thời gian thực nhìn chung phụ thuộc vào đặc điểm địa hình, địa chất khí hậu của từng lưu vực sơng, các mục tiêu khác nhau của hệ thống hồ chứa trên lưu vực đó, điều kiện về số liệu đo đạc....từ đó mới có thể đưa ra sách lược vận hành cụ thể phù hợp cho mỗi lưu vực khác nhau. Các lưu vực miền Trung bên cạnh có đặc điểm chung là lũ lên nhanh xuống nhanh, nhưng tính chất ngập lụt ở mỗi vùng khác nhau điển hình như Vu Gia – Thu Bồn và sông Hương. Hệ thống sông Hương tuy thượng nguồn có đặc điểm giống Vu Gia - Thu Bồn nhưng hạ lưu
sông Hương tiếp giáp trực tiếp với vùng đầm phá, nên nội thành phố Huế thường ngập lớn về mùa lũ.
Nói chung có rất nhiều cách tiếp cận khác nhau cho bài tốn thời gian thực, bởi vì mỗi lưu vực có đặc thù khác nhau, các mục tiêu đặt ra của mỗi bài toán cũng khác nhau nên rất khó đưa ra một hướng nghiên cứu tổng quát nào.
Với bài toán vận hành theo thời gian thực, mỗi tác giả xây dựng mơ hình tính ứng dụng cho một cơng trình cụ thể, mỗi hệ thống lại đưa ra các mơ hình tính khác nhau, do đó khơng mang tính tổng quát.
Xuất phát từ những phân tích tên tác giả đề xuất hướng nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên thượng du sông Vu Gia – Thu Bồn sao cho ảnh hưởng ngập lụt của hệ thống là thấp nhất, và lợi ích điện năng đạt được của các hồ chứa này vẫn được đảm bảo.
Hiện nay, các nghiên cứu về chế độ vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực được phát triển theo 3 hướng chính sau đây: Phương pháp tối ưu hóa; Phương pháp sử dụng mơ hình mơ phỏng; Sự kết hợp giữa tối ưu hóa và phương pháp mơ phỏng. Việc chọn phương pháp nào để nghiên cứu cho một lưu vực cụ thể còn tùy thuộc vào đặc điểm của hệ thống, mục tiêu cần hướng tới và bài toán cần được giải quyết được đặt ra như thế nào. Đối với bài toán vận hành hồ chứa thời kỳ mùa kiệt thì phương pháp tối ưu hóa được coi là lựa chọn tốt nhất. Đối với bài toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa lũ có thể lựa chọn theo cả 3 phương pháp và tùy thuộc vào đặc điểm của hệ thống, cụ thể như sau:
+ Nếu mục tiêu chống lũ hạ du đã rõ ràng và là nhiệm vụ chính thời kỳ mùa lũ, thì phương pháp tối ưu được lựa chọn cho mục tiêu cấp nước hoặc phát điện;
+ Đối với hệ thống hồ chứa mà nhiệm vụ phịng lũ hạ du khơng phải là nhiệm vụ chính (kết hợp phịng lũ) thì phương pháp mơ phỏng là lựa chọn chính và có thể kết hợp với phương pháp tối ưu hóa khi xem xét hiệu quả cắt giảm lũ cần đạt được ở mức tối đa và không gây ra tác động tiêu cực đối với vùng hạ du. Trong trường hợp này cần giải quyết mâu thuẫn giữa nhiệm vụ cấp nước và phát điện với nhiệm vụ phịng lũ. Nói chung, nghiệm tối ưu cho trường hợp này khó được chấp
nhận vì thiệt hại cho mục đích cấp nước, phát điện sẽ rất lớn so với nhiệm vụ thiết kế đã được duyệt trước khi xây dựng cơng trình. Trong trường hợp này người ta hướng tới một sự thỏa hiệp có thể chấp nhận được và được gọi là phương án “hợp lý”.
Theo phân tích trên, với bài toán đặt ra cho hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn, luận án sẽ nghiên cứu giải quyết bài toán theo hướng xây dựng phương án vận hành “hợp lý”. Phương pháp mô phỏng hệ thống và mơ hình
vận hành theo thời gian thực sẽ là nội dung cốt lõi được vận dụng, áp dụng cho luận án. Phương án vận hành gọi là hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ hạ du được xem xét trên cơ sở nghiên cứu khả năng huy động phần dung tích hiệu dụng của các hồ chứa cho nhiệm vụ cắt giảm lũ hạ du sao cho những thiệt hại về điện năng ở mức chấp nhận được.
Xác định chế độ vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ đối với hệ thống hồ chứa có thể được mơ tả với những nội dung chính như sau:
1. Xây dựng mơ hình dự báo/cảnh báo lũ từ mưa, trong đó mưa gây lũ nhận được từ các cơ quan dự báo Quốc gia hoặc địa phương. Các vị trí dự báo gồm các nút hồ chứa và nút sông (nhập lưu).
2. Mơ hình tính tốn điều tiết lũ được liên kết trong mơ hình mơ phỏng hệ thống theo thời gian thực.
3. Các phần mềm về diễn tốn lũ trong hệ thống sơng.
4. Ứng dụng mơ hình mơ phỏng đã xây dựng được ở đây áp dụng cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa đã được xây dựng trong luận án. Các kịch bản vận hành hệ thống được lựa chọn trên cơ sở xác định chế độ vận hành “hợp lý” khi giải quyết thỏa đáng mâu thuẫn giữa phát điện và nhiệm vụ cắt giảm lũ hạ du.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THEO THỜI GIAN THỰC THỜI KỲ MÙA LŨ CHO HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN SÔNG VU GIA-THU BỒN
2.1. Đặc điểm về sự hình thành lũ trên lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn
2.1.1. Vị trí địa lý
Sông Vu Gia - Thu Bồn là hệ thống sơng lớn ở vùng Dun hải Trung Trung Bộ. Tồn bộ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diện tích lưu vực: 10.350 km2, trong đó diện tích nằm ở tỉnh Kon Tum là: 301,7 km2, còn lại chủ yếu thuộc địa phận tỉnh Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng.
Hình 2.1. Bản đồ khu vực nghiên cứu. Nguồn [8]
Lưu vực có vị trí toạ độ : 16o03’ - 14o55’ vĩ độ Bắc; 107o15’ - 108o24’ kinh độ Đơng. Có ranh giới lưu vực : Phía Bắc giáp lưu vực sơng Cu Đê, phía Nam giáp
lưu vực sơng Trà Bồng và Sê San, phía Tây giáp Lào và phía Đơng giáp biển Đơng và lưu vực sông Tam Kỳ.
Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn bao gồm đất đai của 17 huyện, thành phố của 3 tỉnh Kon Tum, Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng, đó là Bắc Trà My, Nam Trà My, Tiên Phước, Phước Sơn, Hiệp Đức, Đông Giang, Tây Giang, Nam Giang, Quế Sơn, Duy Xuyên, Đại Lộc, Điện Bàn, Thành phố Hội An, thành phố Đà Nẵng, Hoà Vang và một phần của huyện Thăng Bình, Đăk Glei (Kon Tum).
2.1.2. Đặc điểm địa hình
Nhìn chung địa hình của lưu vực biến đổi khá phức tạp và bị chia cắt mạnh. Địa hình có xu hướng nghiêng dần từ Tây sang Đơng đã tạo cho lưu vực có 4 dạng địa hình chính sau:
2.1.2.1. Địa hình vùng núi
Vùng núi chiếm phần lớn diện tích của lưu vực, dãy núi Trường Sơn có độ cao phổ biến từ 500 ÷ 2.000 m. Đường phân thuỷ của lưu vực là những đỉnh núi có độ cao từ 1.000 m ÷ 2.000 m, được kéo dài từ đèo Hải Vân ở phía Bắc có cao độ 1.700 m sang phía Tây rồi Tây Nam và phía Nam lưu vực hình thành một cánh cung bao lấy lưu vực. Điều kiện địa hình này rất thuận lợi đón gió mùa Đơng Bắc và các hình thái thời tiết từ biển Đơng đưa lại hình thành các vùng mưa lớn gây lũ quét cho miền núi và ngập lụt cho vùng hạ du.
2.1.2.2 . Địa hình vùng gị đồi
Tiếp theo vùng núi về phía Đơng là vùng đồi có địa hình lượn sóng độ cao thấp dần từ Tây sang Đơng. Đỉnh đồi trịn, nhiều nơi khá bằng phẳng, sườn đồi có độ dốc thay đổi từ 20 ÷ 30o.
2.1.2.3 . Địa hình vùng đồng bằng
Là dạng địa hình tương đối bằng phẳng, ít biến đổi, tập trung chủ yếu là phía Đơng lưu vực, hình thành từ sản phẩm tích tụ của phù sa cổ, trầm tích và phù sa bồi đắp của biển, sông, suối... Do đặc điểm đồi núi ăn sát biển nên đồng bằng thường nhỏ hẹp chạy dọc theo hướng Bắc - Nam.
2.1.2.4. Đia hình vùng cát ven biển
bờ và nhờ tác dụng của gió, cát được đưa đi xa bờ về phía Tây tạo nên các đồi cát có dạng lượn sóng chạy dài hàng trăm km dọc bờ biển.
2.1.3. Đặc điểm sơng ngịi
Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn được bắt nguồn từ vùng núi cao sườn phía Đơng của dãy Trường Sơn, độ dài của sông ngắn và độ dốc lịng sơng lớn. Vùng núi lịng sơng hẹp, bờ sơng dốc đứng, sơng có nhiều ghềnh thác, độ uốn khúc từ 1÷2 lần. Phần giáp ranh giữa trung lưu và hạ lưu lịng sơng tương đối rộng và nơng, có nhiều cồn bãi giữa dịng, về phía hạ lưu lịng sơng thường thay đổi, bờ sông thấp nên vào mùa lũ hàng năm nước tràn vào đồng ruộng, làng mạc gây ngập lụt. Sông Vu Gia - Thu Bồn gồm 2 nhánh chính: sơng Vu Gia và sơng Thu Bồn.
2.1.3.1. Sông Vu Gia
Sông Vu Gia: Lưu vực sông Vu Gia nằm bên trái sông Thu Bồn thuộc địa
phận của các huyện Phước Sơn, Tây Giang, Đông Giang, Nam Giang, Đại Lộc, Điện Bàn và huyện Hoà Vang thuộc thành phố Đà Nẵng. Sông Vu Gia gồm nhiều nhánh sông hợp thành, đáng kể là các sông Đak Mi (sông Cái), sông Bung, sông A Vương, sơng Con. Sơng Vu Gia có chiều dài đến cửa ra tại Đà Nẵng là 204 km, đến Cẩm Lệ: 189 km, đến Ái Nghĩa: 166 km. Diện tích lưu vực đến Ái Nghĩa là 5.180 km2. Sơng có các phụ lưu sau :
- Sông Cái (Đắk Mi): Được bắt nguồn từ những đỉnh núi cao trên 2.000 m (Ngọc Linh) thuộc tỉnh Kon Tum. Sơng có chiều dài 129 km với diện tích lưu vực 1.900 km2 có hướng chảy Bắc Nam sau nhập vào sơng Bung.
- Sông Bung: Bắt nguồn từ những dãy núi cao ở phía Tây Bắc, sơng chảy theo hướng Tây Đông, với chiều dài 131 km có diện tích lưu vực 2.530km2. Sơng Bung có nhiều nhánh nhỏ nhưng đáng kể là sông A Vương có diện tích Flv = 898 km2, chiều dài sông 84 km.
- Sông Con: Được bắt nguồn từ vùng núi cao của huyện Đơng Giang, diện tích lưu vực 627 km2, chiều dài sơng 47 km với hướng chảy chính Bắc Nam.
2.1.3.2. Sông Thu Bồn
2000m ở sườn Đông Nam dãy Ngọc Linh chảy theo hướng bắc nam qua các huyện Nam Trà My, Bắc Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn, Nông Sơn đến Giao Thuỷ sông tiếp nhận thêm nước của sông Vu Gia từ nhập lưu sông Quảng Huế rồi chảy qua huyện Duy Xuyên, Điện Bàn, Hội An và đổ ra biển tại cửa Đại.
Sông được bắt nguồn từ vùng biên giới 3 tỉnh Quảng Nam, Kon Tum và Quảng Ngãi ở độ cao hơn 2.000 mm sông chảy theo hướng Nam - Bắc, về Phước Hội sông chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc khi đến Giao Thuỷ sông chảy theo hướng Tây - Đông và đổ ra biển tại Cửa Đại. Diện tích lưu vực từ thượng nguồn đến Nông Sơn: 3.150 km2, dài 126 km, diện tích lưu vực tính đến Giao Thuỷ là 3.825 km2, dài 152 km. Sơng Thu Bồn gồm có nhiều sông suối, đáng kể là các sông sau:
- Sơng Tranh có diện tích lưu vực 644 km2 với chiều dài 196 km - Sơng Khang có diện tích lưu vực 609 km2, chiều dài 57 km - Sông Trường có diện tích lưu vực 446 km2, chiều dài 29 km
Diện tích tồn bộ lưu vực Vu Gia- Thu Bồn tính từ thượng nguồn đến cửa sông là 10.350 km2. Phần hạ lưu dịng chảy của 2 sơng có sự trao đổi với nhau là: Sông Quảng Huế dẫn một lượng nước từ sông Vu Gia sang sông Thu Bồn. Cách Quảng Huế 16 km, sông Vĩnh Điện lại dẫn 1 lượng nước sông Thu Bồn trả lại sông Vu Gia.
Có thể nói phần hạ lưu mạng lưới sơng ngịi khá dày, ngồi sự trao đổi dòng chảy của hai sơng với nhau cịn có sự bổ sung thêm bởi một số nhánh sông khác. Phía sơng Vu Gia có sơng T Loan, diện tích lưu vực: 309 km2, dài 30 km. Sơng Thu Bồn có nhánh sơng Ly Ly, diện tích lưu vực: 275 km2, chiều dài: 38 km.
2.1.4. Đặc điểm về sự hình thành lũ trên hệ thống sơng
2.1.4.1. Đặc điểm mưa gây lũ
Các hình thế thời tiết gây mưa lớn như bão, áp thấp nhiệt đới, khơng khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới và các nhiễu động khác như sóng đơng đều có thể gây nên mưa lũ ở Quảng Nam, đặc biệt khi có sự tác động kết hợp giữa các hình thế thời tiết này thì khả năng mưa lũ sẽ rất lớn.
Mưa lớn kết hợp với địa hình dốc là ngun nhân chính gây nên lũ ở Quảng Nam. Ở Quảng Nam, mưa là nguyên nhân chính gây nên dịng chảy lũ, các địa phương trên địa bàn tỉnh có lượng mưa năm khá lớn nhưng lại phân bố không đều, khu vực mưa lớn tập trung ở vùng núi phía nam. Lượng mưa năm lớn nhưng phân bố không đều, tập trung chủ yếu vào mùa lũ, tổng lượng mưa 2 tháng 10 và 11 chiếm 65 - 70% tổng lượng mưa cả năm. Cường độ mưa lớn và thời gian mưa kéo dài nên thời gian lũ cũng kéo dài và thường xuất hiện lũ kép.
Các loại hình thể thời tiết gây mưa lũ trên đã gây ra mưa lớn và gây lũ trong toàn vùng nghiên cứu như các năm 1964, 1970, 1985, 1996, 1998, 1999, 2007, 2009, 2010 hoặc một số năm cũng gây lũ đặc biệt lớn ở một số vùng như các năm 1969, 1975, 1999, 2007, 2009, 2010. Cường độ mưa do bão gây nên rất lớn, với 30 phút mưa có thể đạt tới 90mm tại Đà Nẵng, 120 phút có thể đạt lượng mưa cao nhất: 190mm ở Đà Nẵng. Lượng mưa lớn nhất trong 1440 phút đạt 600-800 mm tại các trạm đo mưa.
Bảng 2.1: Đặc trưng lượng mưa thời đoạn lớn nhất tại các trạm trên lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn Đơn vị (mm)
X1 ngày max X3 ngày max X5 ngày max X7 ngày max Trạm Lượng (mm) Thời gian Lượng (mm) Thời gian Lượng (mm)
Thời gian Lượng (mm) Thời gian Ái Nghĩa 501 11/3/99 1073 11/1-3/99 1230 11/1-5/99 1306 10/399 Bà Nà 398 11/16/83 604 11/14/83 705 10/20/93 852 10/19/93 Cẩm Lệ 595 11/3/99 846 11/1/99 980 11/1/99 1053 10/31/99 Câu Lâu 542 11/3/99 981 11/1/99 1108 11/1/99 1177 10/31/99 Đà Nẵng 530 11/3/99 748 11/1/99 875 11/1/99 926 10/31/99 Giao Thủy 481 11/3/99 1073 11/1/99 1223 11/1/99 1309 10/31/99 Hội An 667 11/3/99 1140 11/1/99 1251 11/1/99 1315 10/31/99 Hội Khách 459 10/31/83 997 11/1/99 1154 11/1/99 1254 11/1/99 KhâmĐức 531 10/29/96 949 11/15/80 1030 11/14/80 1316 10/23/96 Nông Sơn 513 10/31/83 940 11/1/99 1130 11/1/99 1203 11/1/99