I.4. Hiện trạng và Quy hoạch hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Mã
I.4.2. Thông tin về các hồ chứa đưa vào nghiên cứu
Vị trí công trình: Công trình hồ chứa nước Cửa Đạt xây dựng trên sông Chu, thuộc xã Xuân Mỹ, huyện Thường Xuân, tỉnh Thanh Hóa. Đây là hồ chứa có dung tích lớn nhất trên hệ thống sông Mã (dung tích toàn bộ là 1.364 triệu m3).
Nhiệm vụ của công trình:Đây là công trình đa mục tiêu với các nhiệm vụ theo thiết kế như sau:
- Cắt giảm lũ bảo vệ hạ lưu với tần suất lũ thiết kế bảo vệ hạ lưu là P = 0,6%, đảm bảo cho mực nước sông Chu tại Xuân Khánh (huyện Thọ Xuân) không vượt quá
Học viên: Vũ Kim Thắng 45 13,71 m;
- Cấp nước sinh hoạt và công nghiệp ổn định với lưu lượng Q = 7,715 m3/s;
- Tạo nguồn nước tưới ổn định cho 86.862 ha đất nông nghiệp (trong đó: Nam sông Chu là 54.301 ha và Bắc sông Chu – Nam sông Mã là 32.831 ha);
- Kết hợp phát điện với công suất Nlm = 97MW;
- Bổ sung nước mùa kiệt cho hạ lưu sông Mã với lưu lượng Q = 30,42 m3/s để độ mặn tại Hàm Rồng không vượt quá 1 ‰.
Các thông số chính của công trình hồ chứa nước Cửa Đạt cho trong Bảng sau:
Bảng 14: Thông số hồ chứa nước Cửa Đạt
TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Trị số
1 Diện tích lưu vực (đến vị trí tuyến đập) F km2 5.938
2 Dòng chảy trung bình nhiều năm Q0 m3/s 115
3 Mực nước chết MNC m 73,00
4 Mực nước lớn nhất sau luc m 112,00
5 Cao trình đỉnh đập ∇đỉnh đập m 121,30
6 Cao trình tường chắn sóng ∇tường chắn sóng
m 122,50 I Tràn xảlũ có cửa
1 Chiều rộng tràn Btr m 11
2 Số tràn n 5
3 Cao trình ngưỡng Zng m 97
II Tuy nen cấp nước
1 Đường kính tuynen D m 7,5
2 Số tuy nen n 1
3 Cao trình ngưỡng Zng m 55
4 Chế độ điều tiết Năm
Quy trình vận hành hồ chứa nước Cửa Đạt đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ban hành tại Quyết định số 3944/QĐ-BNN-TCTL ngày 16/9/2014.
b. Hồ chứa nước Hủa Na
Vị trí công trình: Công trình hồ chứa nước Hủa Na xây dựng trên sông Chu, thuộc xã Đồng Văn. Huyện Quế Phong, tỉnh Nghệ An. Đây là hồ chứa có dung tích lớn(dung tích toàn bộ 533 triệu m3), là bậc thang phía trên của hồ Cửa Đạt.
Học viên: Vũ Kim Thắng 46 Nhiệm vụ công trình hồ chứa nước Hủa Na:Đây là công trình đa mục tiêu với các nhiệm vụ sau:
- Nhiệm vụ chính là sản xuất điện năng với công suất lắp máy N=180MW, điện năng trung bình năm E0=712,2 triệu kwh/năm;
- Chống lũ cho hạ du có dung tích phòng lũ là 100 triệu m3;
- Cấp nước tưới cho hạ du và góp phần làm tăng khả năng sản xuất điện năng cho Thủy điện Cửa Đạt ở hạ du là 20 triệu kwh/năm;
- Nuôi trồng thủy sản, khai thác du lịch lòng hồ.
Công trình này đã đi vào vận hành, ngoài các nhiệm vụ nêu trên thì hồ Hủa Na còn phải đảm bảo xả thường xuyên lưu lượng tối thiểu 7,96 m3/s xuống dưới hạ du theo Quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường tại Giấy phép khai thác, sử dụng nước mặt số 515/GP-BNTMT ngày 17/02/2010.
Các thông số chính của công trình hồ chứa nước Hủa Na cho trongBảng sau. Bảng 15: Các thông số chính của công trình hồ chứa nước Hủa Na
TT Thông số Đơn vị Số lượng
I Thông số tự nhiên
1 Diện tích lưu vực Flv km2 5.345
2 Dòng chảy trung bình năm Q0 m3/s 94,63 3 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế P = 0,5% m3/s 5750 4 Lưu lượng đỉnh lũ kiểm tra P = 0,1% m3/s 8.200 II Thông số hồ chứa
1 Diện tích mặt hồ km2 20,6
2 Dung tích toàn bộ 106 m3 569,35
4 Dung tích hữu ích 106 m3 390,99
5 MNDBT m 240
6 MNC m 215
III Công trình chính Đập dâng
1 Cao trình đỉnh đập m 244,5
2 Chiều cao lớn nhất m 91,7
Công trình xả lũ
1 Tràn xả mặt có cửa van cung Thực dụng
2 Cao trình ngưỡng tràn m 226,00
3 Số lượng và kích thước cửa van n(BxH) 4(12,5x16)
4 Cao độ mũi phun m 192,00
Học viên: Vũ Kim Thắng 47 5 Khả năng xả khi MNLTK (P=0,5%) m3/s 5262
6 Khả năng xả khi MNLKT (P=0,1%) m3/s 6652
8 MNLTK(lũ 0,5%) m 240,40
9 MNLKT(lũ 0,1%) m 242,89
Nhà máy thủy điện
1 Lưu lượng thiết kế m3/s 198,00
2 Cột nước lớn nhất m 119,50
3 Cột nước thiết kế m 103,7
4 Cột nước nhỏ nhất m 85,43
5 Công suất lắp máy MW 180
6 E0 106kWh 712,2
7 Số tổ máy Tổ 2
8 Kiểu turbin - Fancis
9 Cao trình lăp máy m 117,0
10 Cao trình sàn máy phát m 129,90
11 Cao trình sàn lắp ráp, sửa chữa m 134,50
Quy trình vận hành hồ chứa: Quy trình vận hành hồ chứa nước Hủa Na đãđược Bộ Công thương ban hành theo Quyết định số 5482/QĐ-BCT ngày 10/10/2008.
c) Hồ chứa nước Trung Sơn
Vị trí công trình: Công trình hồ chứa nước Trung Sơn thuộc xã Trung Sơn, huyện Quan Hóa, tỉnh Thanh Hóa
Nhiệm vụ công trình hồ chứa nước Trung Sơn:
- Phát điện với công suất lắp máy 260 MW;
- Phòng lũ cho hạ du với dung tích phòng lũ là 112 x 106 m3.
Các thông số chính của công trình hồ chứa nước Trung Sơn cho trong Bảng sau.
Bảng 16: Các thông số chính của công trình hồ chứa nước Trung Sơn
TT Thông số Đơn vị Số lượng
I Thông số tự nhiên
1 Diện tích lưu vực Flv km2 13.175
2 Dòng chảy trung bình năm Q0 m3/s 243,7
3 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế P = 0,5% m3/s 10.400 4 Lưu lượng đỉnh lũ kiểm tra P = 0,1% m3/s 13.400 II Thông số hồ chứa
1 Diện tích mặt hồ km2 13,13
2 MNDBT m 160
3 MNC m 150
Học viên: Vũ Kim Thắng 48
TT Thông số Đơn vị Số lượng
4 Mực nước trước lũ m 150
5 Dung tích toàn bộ Wth 106 m3 348,53
6 Dung tích hữu ích Whi 106 m3 112,13
7 Dung tích phòng lũ thường xuyên Wpl 106 m3 112,00
8 Dung tích chết Wc 106 m3 236,40
III Công trình chính Đập dâng
1 Cao trình đỉnh đập m 163,7
2 Chiều cao lớn nhất m 88
Công trình xả lũ
1 Số khoang tràn 6
2 Cao trình ngưỡng tràn m 145
3 Khẩu độ tràn B x H m 14x15
4 Kích thước cửa van cung B x H m 14x15,5
5 Khả năng xả khi MNLTK (P=0,5%) m3/s 8841
6 Khả năng xả khi MNLKT (P=0,1%) m3/s 12.046 Nhà máy thủy điện
1 Lưu lượng thiết kế m3/s 503,84
2 Cột nước lớn nhất m 71,1
3 Cột nước tính toán m 56,5
4 Cột nước nhỏ nhất m 54,2
5 Công suất lắp máy MW 250
6 Số tổ máy Tổ 4
Quy trình vận hành hồ chứa: Quy trình vận hành hồ chứa nước Trung Sơn đã được Bộ Công thương ban hành theo Quyết định số 5134/QĐ-BCT ngày 23/09/2008.
d) Hồ chứa nước Bá Thước 2
Vị trí công trình: Công trình hồ chứa nước Bá Thước 2 thuộc xã Điền Lư, huyện Bá Thước, tỉnh Thanh Hóa.
Nhiệm vụ công trình hồ chứa nướcBá Thước 2: - Phát điện với công suất lắp máy 80 MW;
- Dạng công tình: hồ chứa, nhà máy thủy điện sau đập.
- Chế độ vận hành: ngày đêm.
Hiện trạng: công trình đãđi vào vận hành ngày 24/5/2013. Công trình đãđược Bộ Tài nguyên và Môi trường cấp Giấy phép khai thác sử dụng nước mặt số 115/GP-
Học viên: Vũ Kim Thắng 49 BTNMT ngày 23 tháng 1 năm 2014. Theo giấy phép thì công trình luôn phải xả đảm bảo duy trì dòng chảy tối thiểu 120 m3/s.
Bảng 17: Các thông số chính công trình thủy điện Bá Thước 2
TT Các thông số Đơn vị Giá trị
1 Diện tích lưu vực Km2 17.150
2 Lưu lượng trung bình nhiều năm m3/s 337
3 Mực nước dâng bình thường m 41
4 Mực nước chết m 40
5 Dung tích toàn bộ triệu m3 44,18
6 Dung tích hữu ích triệu m3 12,68
7 Lưu lượng phát điện lớn nhất m3/s 750
8 Lưu lượng phát điện nhỏ nhất m3/s 98
9 Công suất lắp máy MW 80
10 Công trình cấp II
Học viên: Vũ Kim Thắng 50 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
II.1. Tổng quan tìnhhình nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa đến dòng chảy
Khi xây dựng đập ngăn sông tạo hồ chứa nước cho mục đích thuỷ điện hoặc cấp nước sẽ làm cho chế độ thuỷ lực, thuỷ văn và lòng dẫn của thượng và hạ lưu đập có những thay đổi căn bản. Ở vùng thượng lưu đập dâng sẽ hình thành một hồ trữ nước lớn và được điều tiết theo chế độ vận hành của nhà máy thuỷ điện. Ở đó mực nước dâng cao, diện tích, dung tích tăng lên và tốc độ dòng chảy giảm nhỏ làm cho bùn cát của sông lắng đọng lại trong hồ chứa. Quá trình bồi lắng kéo dài theo theo tuổi thọ của hồ. Do hồ chứa giữ lại bùn cát trong lòng hồ dẫn đến mất cân bằng bùn cát ở sông hạ du. Sự mất cân bằng giữa khả năng tải cát của dòng nước (St) với lượng chuyển cát thực tế của dòng sông hạ lưu S0 mà St luôn lớn hơn S0 (St>S0). Vì thế dòng chảy luôn đói bùn cát sẽ đào xói lòng dẫn hạ lưu để lấy lại trạng thái cân bằng vận chuyển bùn cát. Cũng vì vậy lòng dẫn hạ bị hạ thấp. Quá trình xói lòng dẫn nhưtrên gọi là xói phổ biến hạ du công trình thủy điện. Xói phổ biếnkéo dài theo thời gian và lan truyền theo không gian về phía hạ lưu cho tới giai đoạn và khu vực ổn định. Ở vùng sát đập chịu ảnh hưởng trực tiếp dòng xả của tuabin và đập tràn xuất hiện hiện tượng xói cục bộ với hố xói lớn
Mực nước ở hạ lưu thấp làm cho các cửa lấy nước được xây dựng trước đây có thể bị “treo” không lấy nước được nước, các hoạt động giao thông thủy cũng bị ảnh hưởng. Đặc biệt các vùng phân nhập lưu trong phạm vi của xói phổ biến cũng bị ảnh hưởng và lan truyền ra các nhánh sông theo hiệu ứng của vùng phân nhập lưu. Đó là chưa kể vận hành theo chế độ điều tiết phụ tải ngày đêm của thủy điện làm thay đổi đột ngột mực nước hạ lưu cũng dẫn tới tăng mất ổn định bờ, gây sạt lở vùng hạ lưu rất mạnh.
Sự biến đổi hình thái lòng dẫn kéo theo sự thayđổi quan hệ thuỷ văn giữa mực nước (H) và lưu lượng (Q) ở lòng sông hạ du. Khi lòng dẫn bị xói thì với cùng 1 cấp lưu lượng Q thì mực nước H đã bị giảm, sự giảm mực nước H đãảnh hưởng trực tiếp tới các hoạt động kinh tế khai thác và quản lý lòng sông.
Học viên: Vũ Kim Thắng 51 Nghiên cứu trong nước
II. 2. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu của đề tài trọng điểm cấp nhà nước KC08.32/11-15 ”Nghiên cứu đánh giá tác đông của các hồ chứa thượng nguồn đến biến động lòng dẫn hạ du, cửa sông ven biển hệ thống sông Mã và đề xuất giải hạn chế tác động bất lợi nhằm phát triển bền vững” tiến hành xây dựng mô phỏng mạng lưới sông hệ thống sông Mã, phân tích những số liệu thủy văn, thủy lực thực đo và tính toán nhằm đánh giá những thay đổi chế độ thủy văn thủy lực hạdu dưới tác động của hồ chứa thượng nguồn.
Các phương pháp nghiên cứu sử dụng bao gồm:
(1) Phương pháp nghiên cứu hệ thống
Hệ thống sông trên lưu vực chảy từ thượng nguồn đổ ra biển với quy luật chi phối về tổng lượng nước và bùn cát theo một cân bằng động lực trong đó dòng chảy từ thượng nguồn về hạ du là liên tục. Khi đắp các hồ chứa trên thượng nguồn quy luật này bị thay đổi tác động đến lòng dẫn hệ thống sông, các vùng cửa sông và cách tiếp cận của phương pháp luận nghiên cứu hệ thống bao gồm:
- Nghiên cứu đánh giá được hiện trạng diễn biến chế độ thủy văn thủy lực vùng hạ lưu sông Mã trước và sau khi xây dựng các hồ chứa thượng nguồn.
- Phương pháp mô hình hóa được đưa vào sử dụng cho nghiên cứu dựa trên cơ sở tiếp cận trực tiếp các số liệu quan trắc về lưu lượng, tổng lượng nước, số liệu điều tra đánh giá hiện trạng hình thái, số liệu đo đạc địa hình, địa chất, thủy văn. Đây là cách tiếp cận hệ thống của phương pháp hiện đại có tính khái quát cao cả không gian và thời gian, trong đó mô hình được xây dựng theo số liệu đầu vào được kiểm nghiệm từ thực tiễn khách quan.
(2) Phương pháp thu thập chỉnh lý phân tích số liệu
Do vấn đề nghiên cứu rộng về không gian và thời gian, phải sử dụng tối đa các kết quả nghiên cứu trước đây của các đề tài, dự án các cấp, chương trình điều tra hệ
Học viên: Vũ Kim Thắng 52 thống sông và vùng cửa sông, dải ven biển phần hạ lưu và các hồ chứa tại thượng nguồn.
Các tài liệu số liệu quan trắc vềmưa, bốc hơi, lưu lượng, mực nước và bùn cát tại các trạm quan trắc trên hệ thống sông trên lưu vực trước và sau khi xây dựng các hồ chứa để có được các số liệu đánh giá khách quan và thực tế tác động của các hồ chứa thượng nguồn, số liệu thu thập dùng để hiệu chỉnh kiểm định mô hình thủy văn, thủy lực.
Thu thập các tài liệu về hồ chứa thượng nguồn đã được xây dựng và sẽ được xây dựng trong tương lai (đã được quy hoạch). Các tài liệu thu thập tập trung vào quy mô, công suất, chức năng và quản lý vận hành điều tiết nguồn nước và hiện trạng hồ chứa có tác động đến thay đổi chếđộ thủy động lực dòng chảy, tương tác sông - biển.
Trong đề tài này, phương pháp chỉnh lý, phân tích số liệu thực đo được ứng dụng trong phân tích sự thay đổi chế độ thủy văn, thủy lực qua đó đánh giá các tác động của các hồ chứa thượng nguồn đối với các chế độ thủy động lực và diễn biến lòng dẫn hạ du hệ thống sông Mã.
(3) Phương pháp chuyên gia
Các nghiên cứu về tác động của hồ chứa thượng nguồn đến chế độ thủy văn thủy lực hạ du vẫn luôn là vấn đề phức tạp, đặc biệt trên lưu vực sông Mã số liệu về dòng chảy, vận tốc rất hạn chế. Do vậy việc tham vấn ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực thủy văn thủy lực, các nhà khoa học đã có những nghiên cứu về hồ chứa trên hệ thống sông Mã và các lưu vực sông tương tự là rất cần thiết cho nghiên cứu.
(4) Phương pháp mô hình toán
Dựa trên cơ sở tiếp cận hệ thống, mô hình toán được sử dụng để mô hình hoá các đối tượng cũng như những biến đổi của chúng theo không gian và thời gian. Các cơ sở khoa học tiếp cận mô hình là:
Sự thay đổi động lực tương tác giữa mưa và dòng chảy, giữa dòng chảy phía thượng nguồn đến diễn biến thủy văn thủy lực hạ du.
Sự điều tiết của hồ chứa thượng nguồn tác động đến quá trình dòng chảy, diễn biến thủy văn thủy lực phía hạ du.
Học viên: Vũ Kim Thắng 53 Dựa trên sự tương quan nhân - quả giữa thay đổi động lực tương tác khi các hồ chứavận hành, diễn biến hình thái lòng sông, vùng cửa sông có thể được dự báo trên cơ sở các kịch bản sử dụng nước, vận hành hồ trên toàn hệ thống.
Các phương pháp mô hình là hết sức quan trọng đối với nghiên cứu đánh giá tác động của các hồ chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái lòng sông và vùng cửa sông trước và sau xây dựng các hồ chứa.
Hiện nay mô hình toán thủy văn thủy lực đang phát triển nhanh chóng vì các các ưu điểm như phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với rất nhiều loại mô hình, phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho lưu vực sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản lý lưu vực.
Mô hình thủy văn
Trong các mô hình thủy văn, mô hình tính dòng chảy từ mưa (mô hình mưa- dòng chảy) ra đời sớm nhất. Khái niệm về 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 được nhiều nước chấp nhận như là phương pháp hiệu quả nhất để tính dòng chảy lũ theo số liệu mưa. Hiện nay các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa rất nhiều loại.
Mô hình phát triển công thức căn nguyên dòng chảy như mô hình quan hệ, tỷ lệ thời gian và diện tích. Các mô hình kiểu lũ đơn vị: mô hình HEC-HMS. Các mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK, SSARR, NAM….Sau đây là đặc điểm cụ thể của một số mô hình ứng dụng ở Việt Nam:
- Mô hình quan hệ: là mô hình tất định hộp đen. Sử dụng để tính toán lưu lượng đỉnh lũ ở các lưu vực nhỏ. Mô hình đơn giản và tính toán rất nhanh, xác định ngay được lưu lượng đỉnh. Nhưng mô hình không dùng được cho lưu vực lớn vì phương pháp này giả thiết cường độ mưa là đồng đều trên toàn lưu vực, không tính đến tổn thất ban đầu như thấm điền trũng, bốc thoát hơi. Mặt khác, hệ số dòng chảy được tính toán dựa trên các đặc tính của lưu vực mà không quan tâm đến nhân tố khác như mùa, mưa.
- Mô hình TANK: Là mô hình tất định nhận thức. Mô hình TANK đơn quan niệm lưu vực sông là một dãy các bể chứa xếp theo phương thẳng đứng. Bể thứ nhất
Học viên: Vũ Kim Thắng 54 mô tả thêm lớp đất mặt nên có thêm cơ cấu truyền ẩm, từ bể thứ hai trở đi có cấu tạo tương tự nhau. Do mô hình TANK đơn quan niệm lưu vực chỉ có 1 bể chứa theo phương nằm ngang nên rất khó áp dụng cho các lưu vực có độ dốc bề mặt lớn. Để khắc phục nhược điểm này của TANK đơn, người ta dùng TANK kép. Mô hình TANK kép quan niệm theo phương nằm ngang, lưu vực cũng có nhiều bể chứa xếp liên tiếp như phương thẳng đứng. Mô hình TANK chứa thông số khí hậu lớn, chưa được miêu tả vật lý, chỉ thiết lập cho lưu vực sau nhiều lần thử sai. Hiện nay mô hình này được sử dụng rất rộng ở Việt Nam (Trung Tâm dự báo khí tượng thủy văn Quốc Gia…).
- Mô hình SSARR: Là mô hình tổng hợp dòng chảy là mưa và điều tiết hồ chứa.
Mô hình có thể sử dụng cho lưu vực có diện tích tương đối lớn, những vùng có lũ do mưa hoặc tuyết tan. Mô hình SSARR được áp dụng cho các lưu vực lớn.
Ở Việt Nam, lần đầu tiên mô hình được ứng dụng cho dự báo lũ ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long có tính đến ảnh hưởng triều và các pha lũ tràn bờ.
- Mô hình lũ đơn vị HEC-HMS: Là sản phẩm của tập thể các kỹ sư thủy văn thuộc quân đội Hoa Kỳ, góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại các con sông nhỏ không có trạm đo lưu lượng. Về lý thuyết, HEC-HMS cũng dựa trên cơ sở lý luận của mô hình HEC-1 nhằm mô phỏng quá trình mưa- dòng chảy. Mô hình bao gồm hầu hết các phương pháp tính dòng chảy lưuvực và diễn toán, phân tích đường tần suất lưu lượng, công trình xả của hồ chứa và vỡ đập của HEC-1. Những phương pháp tính toán mới được đề cập trong mô hình là: tính toán đường quá trình liên tục trong thời đoạn dài và tính toán dòng chảy phân bố trên cơ sở các ô lưới lưu vực.
- Mô hình NAM: Mô hình NAM là mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa- dòng chảy diễn ra trên lưu vực. Đây là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung, mô phỏng liên tục.Mô hình gồm bốn bể chứa, nguyên lý tính toán trong mỗi bểchứa là giải phương trình cân bằng nước. Điều khác biệt so với mô hình TANK là dòng chảy từ các bể chứa vào sông, tính theo TANK là theo quy luật tuyến tính còn theo NAM là quy luật phi tuyến (dạng đường cong nước rút).
Mô hình NAM là một mô đun tính mưa từ dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE11 do viện Thủy Lực Đan Mạch xây dựng và phát triển. Hiện