Đánh giá khả năng tháo lũ công trình tràn hồ chứa nước cây khế, huyện đức phổ trong điều kiện biến đổi khí hậu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG XUÂN THÁI

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THÁO LŨ CƠNG TRÌNH TRÀN
HỒ CHỨA NƯỚC CÂY KHẾ, HUYỆN ĐỨC PHỔ
TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng – Tháng 9/2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

ĐẶNG XUÂN THÁI

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THÁO LŨ CƠNG TRÌNH TRÀN
HỒ CHỨA NƯỚC CÂY KHẾ, HUYỆN ĐỨC PHỔ
TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy.
Mã số: 8580202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TIẾN SĨ LÊ HÙNG

Đà Nẵng – Năm 2019


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
TRANG TÓM TẮT
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 5
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 5
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................ 5
6. Bố cục đề tài .......................................................................................................... 5

CHƯƠNG 1...................................................................................................... 7
TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA................................................. 7
1.1. NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ LỤT VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA ................ 7

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................... 7
1.1.2.Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................. 10
1.2. CÔNG TÁC DỰ BÁO VÀ HIỆN TRẠNG LŨ LỤT TẠI KHU VỰC HỒ
CHỨA NƯỚC CÂY KHẾ ..................................................................................... 12
1.3. VẤN ĐỀ LUẬN VĂN GIẢI QUYẾT ............................................................ 13

CHƯƠNG 2.................................................................................................... 14


ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN VÀ DÒNG CHẢY HỒ CHỨA NƯỚC CÂY KHẾ
......................................................................................................................... 14
2.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC ............................................... 14

2.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................... 14
2.1.2. Đặc điểm địa hình địa mạo khu vực cơng trình ............................ 14
2.1.3. Điều kiện địa chất và thảm phủ thực vật....................................... 15
2.2. ĐẶC ĐIỂM THỦY VĂN ................................................................................ 16
2.3. ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU LƯU VỰC ................................................................ 16

2.3.1. Đặc điểm chung............................................................................. 16
2.3.2. Chế độ nhiệt độ ............................................................................. 17
2.3.3. Chế độ ẩm ..................................................................................... 17
2.3.4. Chế độ nắng................................................................................... 17
2.3.5. Chế độ mưa ................................................................................... 18
2.4. ĐẶC ĐIỂM LŨ LỤT ....................................................................................... 18
2.5. ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỰA CHỌN KỊCH BẢN
BĐKH ĐỂ TÍNH TỐN ........................................................................................ 20

2.5.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu …………………………………20
2.5.2. Lựa chọn các kịch bản BĐKH để tính tốn khả năng tháo lũ hồ chứa
thủy lợi Cây Khế ............................................................................................. 22
CHƯƠNG 3.................................................................................................... 26
TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ VÀ MƠ HÌNH VẬN HÀNH
ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA HEC-RESSIM ..................................................... 26
3.1. TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LŨ .................................................................... 26

3.1.1 Cơ sở lý thuyết về cơng thức tính lũ .............................................. 26


3.1.2. Các cơng thức tính tốn lũ ............................................................ 27
3.1.3. Kết quả tính tốn lũ và đường q trình lũ thu phóng .................. 30
3.2. THIẾT LẬP MƠ HÌNH HEC-RESSIM TRONG TÍNH TỐN ĐIỀU TIẾT
HỒ ............................................................................................................................ 32
* Lý do chọn mơ hình HEC-RESSIM: ................................................................. 32

3.2.1. Ngun lý của mơ hình HEC-RESSIM…………………………..33
3.2.2. Thiết lập mơ hình hồ chứa nước Cây Khế bằng HEC-RESSIM .. 38
CHƯƠNG 4.................................................................................................... 39
ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HEC-RESSIM TÍNH TỐN ............................. 39
ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA THỦY LỢI CÂY KHẾ ....................................... 39
4.1. CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG ĐIỀU TIẾT HỒ CÂY KHẾ ..................... 39
4.2. KẾT QUẢ ÁP DỤNG MƠ HÌNH HEC-RESSIM ĐỂ MÔ PHỎNG ......... 39
4.3.ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO AN TỒN CHO CƠNG TRÌNH ..... 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO).
PHỤ LỤC


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

Tác giả đề tài

Đặng Xuân Thái


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, tác giả đã hoàn thành luận văn Thạc sỹ kỹ
thuật “Đánh giá khả năng tháo lũ cơng trình tràn hồ chứa nước Cây Khế, huyện
Đức Phổ trong điều kiện biến đổi khí hậu". Trong q trình học tập, nghiên cứu,
hồn thành luận văn ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, cịn có sự giúp đỡ rất nhiệt
tình và hữu ích của Thầy cơ giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Lê Hùng đã trực tiếp hướng dẫn
và giúp đỡ học viên từ lúc bắt đầu viết Đề cương đến lúc hoàn thành luận văn.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến các Thầy, Cơ giáo trong trường đã truyền đạt
những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập. Xin cảm ơn Khoa Thủy lợi - Thủy điện
trường Đại học Bách khoa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập cũng như
trong quá trình thực hiện luận văn của tác giả.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ, động viên,
khích lệ to lớn của gia đình, các anh chị và bạn bè ... trong q trình học tập và thực
hiện luận văn.
Trong khn khổ một luận văn, do thời gian và điều kiện có hạn nên khơng tránh
khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý
báu của các Thầy, Cô và đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày

tháng

Học viên

Đặng Xuân Thái

năm 2019


ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THÁO LŨ CƠNG TRÌNH TRÀN HỒ CHỨA NƯỚC
CÂY KHẾ, HUYỆN ĐỨC PHỔ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Học viên: Đặng Xuân Thái.Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 8580202
Khóa 35. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN.
Tóm tắt – Hồ chứa nước Cây Khế là một cơng trình thủy lợi quan trọng của
xã Phổ Thạnh, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi. Do những ảnh hưởng của biến đổi
khí hậu đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng, làm cho lượng nước mưa có khả năng
tăng cao, nên công tác vận hành điều tiết hồ chứa đang gặp rất nhiều khó khăn. Để
đối phó với tác động của biến đổi khí hậu, chúng ta cần phải có những hành động,
những phương án dự phịng để đối phó với những hậu quả mà biến đổi khí hậu gây
ra. Tác giả đã dựa vào các kịch bản biến đổi khí hậu, thu thập các số liệu, vận dụng
mơ hình HEC-RESSIM để mơ phỏng các kịch bản có thể xảy ra và dự báo khả năng
làm việc của hồ Cây Khế. Từ những kết quả đạt được, tác giả đã đề xuất ra biện
pháp xử lý để vận hành hồ được an toàn, nhằm đảm bảo an tồn cho nhân dân vùng
hạ
du.
Từ khóa – biến đổi khí hậu, HEC-RESSIM, cơng trình thủy lợi, hồ Cây Khế,
mơ phỏng.
EVALUATING THE POSSIBILITY FLOOD ESCAPE OF THE SPILL
IN CAY KHE RESEVOIR, DUC PHO DISTRICT IN THE CLIMATE
CHANGE CONDITIONS
Abstract - Cay Khe reservoir is an important irrigation project of Pho Thanh
commune, Duc Pho district, Quang Ngai province. Because the effects of climate
change are becoming more serious, causing the amount of rain water to increase, so

the operation of regulating the reservoir is facing many difficulties. To deal with the
effects of climate change, we need to take actions, contingency plans to deal with
the consequences of climate change. The author has based on climate change
scenarios, collected data, applied HEC-RESSIM model to simulate possible
scenarios and forecast the working capacity of Cay Khe lake. From the achieved
results, the author has proposed a solution to handle the lake safely, to ensure safety
for people in the downstream area.
Key words - climate change, HEC-RESSIM, irrigation works, Cay Khe
reservoir, simulation.


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

+ MNDBT:

Mực nước dâng bình thường

+ MNC:

Mực nước chết

+ MNDGC:

Mực nước dâng gia cường

+ NN&PTNT:

Nông nghiệp và phát triển nông thôn

+ BĐKH:

Biến đổi khí hậu

+ KTTV:

Khí tượng thủy văn

+ ATNĐ:

Áp thấp nhiệt đới


DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

Nội dung

Trang

2.1

Độ ẩm bình quân theo tháng khu vực hồ chứa Cây Khế

17

2.2

Số giờ nắng bình quân theo tháng khu vực hồ Cây Khế

18

2.3

Mưa năm theo tần suất trạm Đức Phổ

18

2.4

Mưa ngày lớn nhất theo tần suất trạm Đức Phổ

18

2.5

Đặc trưng lũ tại một số vị trí lân cận vùng nghiên cứu

19

2.6

Lũ lớn nhất trong vùng từ 1976 -2001

20

2.7

2.8

Khả năng xuất hiện lũ lớn nhất trong năm tại một số vị trí

trạm đo
Mức thay đổi (%) lượng mưa theo mùa khu vực Quảng Ngãi
với các mốc thời gian của thế kỉ 21

20

22

2.9

Các thông số kỹ thuật hồ chứa Cây Khế

23

3.1

Các thơng số đặc trưng hình thái lưu vực hồ Cây Khế.

29

3.2

Kết quả tính tốn đỉnh lũ bằng công thức cường độ giới hạn
theo các trường hợp

30

4.1

Các kịch bản mô phỏng điều tiết hồ Cây Khế

39

4.2

Tổng hợp kết quả điều tiết hồ Cây Khế theo các kịch bản

44


DANH MỤC CÁC HÌNH

Nội dung

Tên hình

Trang

1

Vị trí cơng trình

1

2

Đỉnh và mái đập hiện trạng

2

3

Dịng thấm phía hạ lưu vai hữu đập đất

3

4

Hiện trạng vị trí tràn xả lũ

3

5

Hạ lưu tràn xả lũ

4

2.1

Hiện trạng vùng lịng hồ

15

3.1

Đường q trình lũ thiết kế theo kịch bản nền năm 1999

30

3.2

Đường quá trình lũ thiết kế theo kịch bản BĐKH 2050

31

3.3

Đường quá trình lũ thiết kế theo kịch bản BĐKH 2100

31

3.4

Thông tin về mô hình HEC-RESSIM

35

3.5

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

Các chức năng khai báo lưu vực sơng và hồ chứa trong mơ
hình HEC-RESSIM
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản I-1, tần suất
lũ 1,5%
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản I-2, tần suất
lũ 0,5%
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây khế theo kịch bản II-2, BĐKH
2050, tần suất lũ 1,5%
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo trường hợp I-2,
BĐKH năm 2050, tần suất lũ 0,5%
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây khế theo trường hợp II-3,
BĐKH 2100, tần suất 1,5%

35

40

40

41

42

42


Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản I-3,
4.6

4.7

4.8

4.9

4.10

4.11

4.12

4.13

4.14

BĐKH 2100, tần suất lũ 1,5%
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây khế theo kịch bản I-2, BĐKH
2050, tần suất 0,5% ứng với tràn 31,8m.
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây khế theo kịch bản I-2, BĐKH
2050, tần suất 0,5% ứng với tràn 40m.
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây khế theo kịch bản I-3, BĐKH
2100, tần suất 0,5% ứng với tràn 31,8m
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây khế theo kịch bản I-3, BĐKH
2100, tần suất 0,5% ứng với tràn 40m
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản II-2, BĐKH
2050, tần suất 1,5% ứng với tràn 31,8m
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản II-2, BĐKH
2050, tần suất 1,5% ứng với tràn 40m
Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản II-3, BĐKH
2100, tần suất 1,5% ứng với tràn 31,8m

Vận hành điều tiết hồ chứa Cây Khế theo kịch bản II-3, BĐKH
2100, tần suất 1,5% ứng với tràn 40m

43

45

46

46

47

47

48

48

49


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Xã Phổ Thạnh là một xã thuộc địa phận huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi,
giáp ranh giữa tỉnh Quảng Ngãi và Bình Định. Lượng mưa vùng này ít hơn các
vùng khác trong tỉnh. Tại đây vào những năm 80 của thế kỷ XX đã đầu tư xây dựng
cơng trình Hồ chứa nước Cây Khế để phục tưới cho khoảng 65,0 ha đất canh tác. Từ

khi đi vào hoạt động, cơng trình đã góp phần làm thay đổi cuộc sống của một bộ
phận người dân xã Phổ Thạnh, giảm được số hộ đói, nghèo, ổn định sản xuất và
nâng cao năng suất, sản lượng cây trồng. Cơng trình hồ chứa nước Cây Khế là cơng
trình thuỷ lợi quan trọng của xã Phổ Thạnh, là nguồn cung cấp nước tưới lớn nhất
cho xã và giữ một vị trí quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội của xã.
Qua thời gian hơn 30 năm vận hành, khai thác, những năm gần đây mái đập
xảy ra hiện tượng lún, sụt, thấm mất nước lớn, làm cơng trình thiếu nước, khơng giữ
năng lực tưới như ban đầu, đặc biệt là tràn xả lũ đã bị hư hỏng nặng nề gây mất an
toàn đập. Hiện nay cụm cơng trình đầu mối đã hư hỏng và xuống cấp, tại một số vị
trí chân đập hạ lưu xuất hiện dòng thấm cục bộ, nhất là rò rỉ nước qua thân đập tại
ví trí cống lấy nước, gây mất ổn định tổng thể cho cơng trình, đe doạ tính mạng và
tài sản của nhân dân ở hạ lưu vào mùa mưa lũ.
Cơng trình hồ chứa nước Cây Khế nằm cách thành phố Quảng Ngãi khoảng
60km về phía Tây Nam thành phố Quảng Ngãi – tỉnh Quảng Ngãi.
Hồ chứa nước Cây Khế, huyện Đức Phổ có toạ độ địa lý:
Vĩ độ Bắc

: 14039'29"

Kinh độ Đơng

: 109002'12"

Hình 1 - Vị trí cơng trình


2

Qua hơn 30 năm hoạt động, cơng trình đã có nhiều hư hỏng, xuống cấp, làm
suy giảm năng lực thiết kế tưới, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cao đối với cơng trình

đầu mối và uy hiếp hạ du. Tràn xả lũ hiện trạng có kết cấu bằng đá xây kết hợp bê
tông cốt thép bị hư hỏng và xuống cấp dẫn đến khả năng tháo lũ của tràn bị hạn chế.
Tràn xả lũ có trụ pin bằng kết cấu bằng đá xây tuy nhiên qua thời gian dài khai thác
thì vữa xây đã bị mục, nhiều vị trí đã bị hư hỏng nặng đặc biệt là các vị trí trụ pin,
hai vai; tại vị trí liên kết giữa phần tràn và không tràn đã bị hư hỏng khá lớn, bề
rộng ngưỡng B=26,80m, tiêu năng mặt trên nền đá gốc hạ lưu sau ngưỡng tràn.
Một số hình ảnh hiện trạng hồ chứa nước Cây Khế:

Hình 2 - Đỉnh và mái đập hiện trạng


3

Hình 3 - Dịng thấm phía hạ lưu vai hữu đập đất

Hình 4 - Hiện trạng vị trí tràn xả lũ


4

Hình 5 - Hạ lưu tràn xả lũ
Dữ liệu tính toán lũ thiết kế và kiểm tra trước đây là giai đoạn những năm 80
của thế kỷ trước là quá cũ, chưa cập nhật được dữ liệu mới trong vòng 30 năm trở
lại đây. Bên cạnh đó, biến đổi khí hậu ở khu vực miền Trung nói chung và tỉnh
Quảng Ngãi nói riêng, có những biểu hiện như nhiệt độ tăng cao trong mùa hè, mưa
lớn bất thường vào mùa bão sẽ trở thành những rủi ro tiềm tàng tác động lên sự vận
hành các hồ chứa nước. Đặc biệt, nguy cơ lũ lụt diễn biến bất thường do tác động từ
biến đổi khí hậu và vận hành hồ chứa sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất và
sinh hoạt vùng hạ lưu. Vì vậy, với sự gia tăng dịng chảy trong tương lai do biến đổi
khí hậu thì liệu rằng hồ chứa Cây Khế có đảm bảo khả năng thoát lũ ứng với trận lũ

thiết kế và kiểm tra mới hay không? Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi đề xuất đề
tài “Đánh giá khả năng tháo lũ cơng trình tràn hồ chứa nước Cây Khế, huyện
Đức Phổ trong điều kiện biến đổi khí hậu”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tính tốn cập nhật số liệu dịng chảy đến hồ, phục vụ cho việc tính tốn điều
tiết vận hành hồ chứa.
- Xây dựng các kịch bản vận hành điều tiết cho hồ chứa nước Cây Khế, huyện
Đức Phổ vào mùa lũ bằng mơ hình HEC-RESSIM.


5

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa thủy lợi Cây Khế, mơ hình HEC-RESSIM.
- Phạm vi nghiên cứu là lưu vực thượng nguồn hồ chứa nước Cây Khế.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích thống kê: Tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong
và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực vận hành hồ chứa, từ đó xác định hướng tiếp
cận khoa học cho bài tốn đặt ra.
- Phương pháp mơ hình tốn: Dựa trên khả năng ứng dụng và sự phổ cập của
các mơ hình, trong luận văn, học viên sử dụng mơ hình HEC - RESSIM.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đối với tác giả và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu:
Việc thực hiện đề tài sẽ nâng cao trình độ chuyên môn cho bản thân học viên
khi tham gia thực hiện đề tài này, giúp học viên nắm bắt được cách xây dựng bộ
thơng số mơ hình phù hợp với lưu vực nghiên cứu làm cơ sở phục vụ cho công việc
hiện tại, đồng thời giúp theo dõi, kiểm khả năng làm việc của Hồ chứa nước Cây
Khế khi xuất hiện các trận lũ đến. Từ những tính tốn, kết quả nghiên cứu của đề
tài, nếu có điều kiện, học viên sẽ kiến nghị những biện pháp sửa chữa, nâng cấp Hồ
chứa nước Cây Khế cho phù hợp với tình hình mới.

- Đối với kinh tế - xã hội và môi trường:
Kết quả kiểm tra, đánh giá của đề tài sẽ giúp cho đơn vị quản lý xem xét xem
liệu với các thông số thiết kế cũ vào những năm thập niên 80 của thế kỷ XX thì Hồ
chứa nước Cây Khế có thể vận hành tốt được hay khơng? Từ đó đề xuất phương án
để vận hành hồ chứa thủy lợi Cây Khế, giúp ổn định và phát triển nông nghiệp cho
65ha hoa màu thuộc địa phận xã Phổ Thạnh, huyện Đức Phổ. Đồng thời sẽ giúp cho
đơn vị quản lý vận hành hồ chứa nước Cây Khế mốt cách hợp lý, đảm bảo an tồn
cho cơng trình góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.
6. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về vận hành hồ chứa.
Chương 2: Đặc điểm tự nhiên và dòng chảy hồ chứa nước Cây Khế.
Chương 3: Cơ sở tính tốn dịng chảy lũ đến hồ và mơ hình vận hành điều tiết
hồ chứa HEC-RESSIM.


6

Chương 4: Ứng dụng mơ hình HEC-RESSIM tính tốn điều tiết hồ chứa nước
Cây Khế.
Kết luận và kiến nghị.


7

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA
1.1. NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ LỤT VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Thiên tai và những tác động của chúng đến kinh tế, xã hội và môi trường ngày
càng gia tăng trên toàn thế giới với một tốc độ rất đáng báo động. Con người, tài

sản, xã hội và môi trường đang bị ảnh hưởng rất nhiều từ các hiểm họa tự nhiên.
Những sự thay đổi như: hiện tượng nóng lên tồn cầu, tăng dân số, tăng trưởng kinh
tế, đơ thị hóa, cơng nghiệp hóa, phá rừng, mở rộng khu dân cư, di canh, di cư... đã
làm cho xã hội trở nên dễ bị tổn thương hơn trước các hiểm họa tự nhiên. Theo
Jonkman (2005), tổng số người chết và bị ảnh hưởng do các loại thiên tai trên thế
giới giai đoạn 1975-2001 tương ứng là 2 triệu và 4,2 tỷ. Trong đó số người chết và
bị ảnh hưởng do lũ lụt trong giai đoạn này tương ứng là 175 nghìn và 2,2 tỷ người.
So với các loại thiên tai khác, mặc dù không phải nguyên nhân gây tử vong lớn
nhất, lũ lụt lại có mức độ ảnh hưởng rất lớn.
Năm 2011, lũ lịch sử đã gây ngập lụt nghiêm trọng tại Thái Lan. Trận lũ này
đã gây thiệt hại: 813 người chết và bị thương; ảnh hưởng đến 2,5 triệu người và
1,886 triệu hộ gia đình, làm thiệt hại 32 tỷ đơ la. Trung Quốc có nhiều hệ thống
sơng lớn, trong lịch sử đã có nhiều trận lũ kinh hoàng xảy ra và gây ra những thảm
họa không kể hết. Hằng năm, lũ lụt và sạt lở đất làm chết khoảng 300 người, 20.000
người mất nhà cửa, thiệt hại ước tính 8 triệu đơ la. Tại Mỹ, từ năm 1989-1994, 80%
trong số thiên tai công bố ở cấp liên bang liên quan đến lũ lụt và làm thiệt hại 4 tỷ
đô la mỗi năm.
Nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức quốc tế đã tập trung nghiên cứu nhằm tìm
ra các giải pháp phịng chống và phịng tránh hữu hiệu giảm thiệt hại do lũ lụt gây
ra. Đối với các nước phát triển các nghiên cứu về lũ lụt thường gắn với quản lý tài
nguyên, môi trường theo lưu vực sông. Đối với các nước đang phát triển việc dự
báo, cảnh báo lũ lụt còn gặp nhiều khó khăn, các nghiên cứu này chủ yếu phục vụ
cho cơng tác phịng tránh, giảm nhẹ thiên tai.
Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về điều tiết vận hành hồ chứa, nhằm cắt
lũ, chống ngập cho hạ du. Bước đầu là các phương pháp tính tốn điều tiết hồ chứa,
chủ yếu dựa vào phương trình cân bằng nước. Ở Liên Xô cũ việc nghiên cứu này
được nhiều nhà khoa học quan tâm như Kritski-Menkel, Xvanhidze, Pleskov,


8

Gugly, Potapov, Matiski, Ratkovich; họ đã nghiên cứu các phương pháp điều tiết
cho các mục đích khác nhau. Phương trình cân bằng nước có thể được áp dụng cho
bất kỳ thời khoảng tính tốn nào. Các phương pháp tính tốn điều tiết này hợp lại
thành 3 loại chính như sau:
a. Phương pháp tối ưu hóa
Kỹ thuật tối ưu hóa bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP)
đã được sử dụng rộng rãi trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Loucks và
nnk (1981) đã minh họa áp dụng LP, quy hoạch phi tuyến NLP và DP cho tài
ngun nước.
Nhiều cơng trình nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài
nguyên nước Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993).
Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây
dựng quy tắc vận hành chung từ kết quả tối ưu hóa. Phương pháp mà ơng đã dùng
được gọi là “quy hoạch động (DP) Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp của ông
dùng kỹ thuật Monte - Carlo tạo ra một số chuỗi dịng chảy nhân tạo. Quy trình tối
ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích
hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết quả
là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực.
Mơ hình tối ưu hóa thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa
sử dụng dòng chảy dự báo như đầu vào. Datta và Bunget (1984) đề xuất một quy
trình điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hóa với
mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự đánh
đổi giữa một đơn vị lượng trữ và một đơn vị lượng xả từ các giá trị đích tương ứng
thì phép giải tối ưu hóa phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như dạng
hàm tổn thất.
Áp dụng mơ hình tối ưu hóa cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu là khá khó
khăn. Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mơ hình, đào tạo nhân lực, giải
bài toán, điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và lượng hóa
tất cả các mục tiêu và mối tương tác giữa nhà phân tích với người sử dụng. Một

phương pháp khác đang được sử dụng hiện nay để giải thích tính ngẫu nhiên của
đầu vào là logic mờ. Lý thuyết tập mờ đã được Zadeth (1965) giới thiệu. Jairaj và
Vedula (2000) đã áp dụng phương pháp này cho tối ưu hóa hệ thống liên hồ chứa.
b. Phương pháp diễn toán hồ chứa
Cơ sở toán học của phương pháp này là phương trình cân bằng nước hồ chứa,
biểu thị quan hệ giữa lượng dòng chảy đến, tổn thất trên hồ, dòng chảy xả khỏi hồ
và thay đổi lượng trữ trong hồ.


9

Phương pháp diễn tốn hồ chứa địi hỏi phải biết mối quan hệ giữa cao độ hồ
chứa, lượng trữ và lưu lượng. Mối quan hệ này là một hàm của địa hình vị trí hồ
chứa và các đặc tính của cơng trình xả nước.
Việc diễn tốn dịng chảy qua một hồ chứa là một phần quan trọng của phân
tích hồ chứa mà các ứng dụng chính của nó là: xác định mực nước lớn nhất trong
thời kỳ thiết kế hồ chứa, thiết kế các cơng trình xả tràn, cửa xả nước và phân tích
sóng lũ vỡ đập. Một hồ chứa có thể hoặc được kiểm sốt hoặc khơng được kiểm
sốt. Hồ chứa được kiểm sốt có cơng trình xả tràn với các cửa cống để kiểm sốt
dịng chảy ra. Cơng trình xả tràn của một hồ chứa khơng kiểm sốt khi khơng có
cửa cống. Diễn tốn hồ chứa địi hỏi phải biết mối quan hệ giữa cao độ hồ chứa,
lượng trữ và lưu lượng. Mối quan hệ này là một hàm của địa hình hồ chứa và các
đặc tính của cơng trình xả nước.
c. Phương pháp mơ phỏng
Vì khơng có khả năng để thí nghiệm với hồ chứa thực, mơ hình mơ phỏng
tốn học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Thí nghiệm có thể thực hiện
bằng cách sử dụng các mơ hình này để cung cấp những hiểu biết sâu về bài tốn.
Mơ hình mơ phỏng đường quá trình lũ kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính
tốn cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ. Kỹ thuật mô
phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống

hồ chứa đến các tập hợp mục đích chung phức tạp. Theo Simonovic (1992), các
khái niệm về mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mơ hình hóa
khác.
Các mơ hình mơ phỏng có thể cung cấp các biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn
về hệ thống hồ chứa và quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các
hồ và kênh riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau).
Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mơ hình và các u cầu tính tốn khác
của mơ phỏng là ít hơn nhiều so với mơ hình tối ưu hố. Các kết quả mơ phỏng sẽ
dễ dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu. Số phần mềm máy tính đa mục tiêu
phổ biến có sẵn có thể sử dụng để phân tích mối quan hệ quy hoạch, thiết kế và vận
hành hồ chứa. Hầu hết các phần mềm có thể chạy trong máy vi tính cá nhân đang sử
dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm thực
hành đã được chuẩn bị, nó dễ dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của
các thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá
nhanh chóng.
Hiện nay có hàng loạt mơ hình có thể áp dụng nhằm mơ phỏng và phân tích
sâu hơn phương thức hoạt động của hồ chứa và tác động của chúng đối với lưu vực
như; mơ hình tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR) (USACE 1987),
mơ hình HEC-RESSIM được Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ (Feldman 1981,
Wurbs 1996) phát triển lên từ mơ hình HEC-5; mơ hình MIKE11 một phần của thế
hệ phần mềm mới của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) dùng để diễn tốn dịng
chảy, tính tốn vận hành hồ chứa, đánh giá các phương án chống lũ, đánh giá mức


10

độ ngập lụt, vận hành hệ thống tưới tiêu; mô hình lũ đơn vị do Sherman đưa ra vào
năm 1932 là một mơ hình đơn giản để xây dựng các q trình đường dịng chảy
trong sơng ...
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Lũ lụt là một trong những tai biến tự nhiên, thường xuyên đe dọa cuộc sống
của người dân và sự phát triển kinh tế xã hội trong vùng. Lũ lụt đã để lại hậu quả
hết sức nặng nề, hàng ngàn hộ dân bị ngập lụt, các công trình bị tàn phá, các hoạt
động kinh tế - xã hội bị gián đoạn...
Để tăng cường ứng phó với lũ lụt ngồi các biện pháp cơng trình (đê kè, hồ
chứa thượng lưu,...) thì các biện pháp phi cơng trình đóng vai trị rất quan trọng, mà
phần lớn trong số đó có tính dài hạn và bền vững như các biện pháp quy hoạch sử
dụng đất và bố trí dân cư, nâng cao nhận thức của người dân. Mặt khác, ứng phó
nhanh với lũ lụt bằng các biện pháp tức thời như cảnh báo, dự báo vùng ngập, di dời
và sơ tán dân cư đến khu vực an toàn,... đã tỏ ra rất hiệu quả trong việc hạn chế
những thiệt hại về người và tài sản.
Các tư liệu cho thấy đã có nhiều cơn bão hoặc siêu bão gây nước dâng kết hợp
triều cường làm ngập lụt lớn cho vùng cửa sơng, ven biển trên diện tích rộng. Việt
Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa và thuộc một trong những ổ bão lớn nhất
trên thế giới. Theo số liệu thống kê thời kỳ 1959-2015, trung bình hàng năm có
khoảng 12 cơn bão và áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) hoạt động trên Biển Đơng, trong
đó khoảng 45% số cơn hình thành ngay trên Biển Đơng và 55% số cơn hình thành
từ Thái Bình Dương di chuyển vào. Mỗi năm có ít nhất khoảng 7 cơn bão và áp
thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến Việt Nam, trong đó có 5 cơn đổ bộ hoặc ảnh hưởng
trực tiếp đến đất liền nước ta. Nơi có tần suất hoạt động của bão và áp thấp nhiệt đới
lớn nhất nằm ở phần giữa của khu vực Bắc Biển Đông. Khu vực bờ biển miền
Trung từ 16oN đến 18oN và khu vực bờ biển Bắc Bộ (từ 20oN trở lên) có tần suất
hoạt động của bão và áp thấp nhiệt đới cao nhất trong cả dải ven biển Việt Nam.
Riêng đối với Quảng Ngãi, vào năm 2009, do ảnh hưởng của cơn bão số 9
(Ketsana) đã gây ra mưa đặc biệt lớn, lượng mưa đo được phổ biến từ 350-550mm,
đặc biệt có khu vực Trà Bồng đạt 899mm, làm cho mực nước các sông trong tỉnh
đều vượt mức báo động 3, gây ngập lụt nặng nề ở vùng hạ du.
Phân tích số liệu cho thấy trong 50 năm qua bão mạnh tại khu vực Biển Đông
tăng nhẹ, bão rất mạnh có xu hướng tăng. Đặc biệt những năm gần đây bão cường
độ mạnh có xu hướng gia tăng rõ rệt do tác động của Biến đổi khí hậu tồn cầu , đã

có nhiều cơn bão với cường độ mạnh cấp 12-13 đổ bộ vào khu vực Trung Bộ và gây


11

ra những thiệt hại lớn về người và tài sản. Hoạt động và ảnh hưởng của bão và áp
thấp nhiệt đới đến nước ta trong những năm gần đây có những diễn biến bất thường.
Tháng 3/2012, bão Pakhar đổ bộ vào miền Nam Việt Nam với cường độ gió mạnh
nhất theo số liệu qua trắc được. Bão Sơn Tinh (10/2012) và Hai Yan (10/2012) có
quỹ đạo khác thường khi đổ bộ vào miền Bắc vào cuối mùa bão. Năm 2013 có số
lượng bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Việt Nam nhiều nhất (8 cơn bão và 1 áp
thấp nhiệt đới).
Một trong các biện pháp hạn chế và kiểm soát ngập lụt vùng hạ du là việc vận
hành các hồ chứa nước một cách có hiệu quả. Hồ chứa nước thủy lợi đóng vai trị
quan trọng trong q trình phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, góp phần ổn định
phát triển bền vững tài nguyên nước. Thời gian qua, Chính phủ đã có chỉ đạo quyết
liệt để bảo đảm nhiệm vụ an toàn hồ chứa. Việt Nam đã có chương trình an tồn hồ
chứa, cùng với đó là dự án sửa chữa và nâng cấp an toàn hồ đập vay vốn Ngân hàng
Thế giới gần 10 nghìn tỷ đồng để hỗ trợ chương trình tại 35 tỉnh, thành phố trên cả
nước. Trong khoảng 10 năm, đã nâng cấp hơn 600 hồ đập lớn, tuy nhiên, tình hình
an tồn đập trong những năm vừa qua vẫn diễn biến hết sức nghiêm trọng.
Nước ta có khoảng 6.500 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích khoảng 11 tỷ
mét khối, trong đó có khoảng 3.500 hồ chứa có dung tích lớn hơn 0.2 triệu m3. Hệ
thống hồ chứa nước ở nước ta có thể là hồ tự nhiên hoặc nhân tạo trải dài từ Bắc
vào Nam. Tỉnh có nhiều hồ nhất là Nghệ An (249 hồ), Hà Tĩnh (166 hồ), Thanh
Hóa (123 hồ), Phú Thọ (118 hồ), Đắk Lăk (116 hồ) và Bình Định (108 hồ). Các hồ
chứa có thể sử dụng trong tưới tiêu nơng nghiệp, ni trồng khai thác thủy sản, khai
thác thủy điện, phát triển du lịch, ...ngồi ra các hồ chứa cịn giữ vị trí quan trọng
trong việc điều hịa sinh thái, bảo vệ môi trường sống của con người. Trong những
năm gần đây khi mà thiên tai diễn biến ngày càng phức tạp, vai trò của những hồ

chứa nước càng trở nên quan trọng hơn.
Theo tính tốn của Bộ Tài ngun và Mơi trường (MONRE, 2016), ở Việt
Nam, trong khoảng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm đã tăng khoảng 0,62°C
trong thời kỳ 1958-2014, mực nước biển đã dâng khoảng 20cm. Hiện tượng ElNino, La-Nina ngày càng tác động mạnh mẽ đến Việt Nam. Biến đổi khí hậu thực
sự đã làm cho thiên tai, đặc biệt là bão, lũ, hạn hán ngày càng nghiêm trọng.
Vận hành hệ thống hồ chứa là một trong những vấn đề được nhiều cơ quan
nghiên cứu quan tâm như các Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, Viện Cơ học, Viện
Khí tượng Thủy văn, cũng như các trường Đại học trong nước nghiên cứu ứng dụng
vào thực tiễn hệ thống các hồ chứa ở nước ta. Trong việc sử dụng và vận hành hồ


12

chứa nếu khơng có lũ thì thường các hồ chứa rất khó khăn trong việc tích đầy hồ.
Đồng thời do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ngày càng cao, hạn hán xảy ra kéo
dài, tần suất mưa lũ giảm nhưng cường độ lại tăng gây khó khăn trong việc vận
hành và điều tiết hồ.
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, cơng tác kiểm tra, đánh giá khả năng làm việc của hồ chứa thủy lợi
dưới sự ảnh hưởng của BĐKH, để phòng tránh nhằm giảm thiệt hại về người và tài
sản nhân dân đến mức thấp nhất là rất cần thiết; đặc biệt là tại những vùng chịu ảnh
hưởng trực tiếp của mưa lũ mà trong vùng này có Trung tâm hành chính, khu cơng
nghiệp, khu di tích và các cơ sở hạ tầng quan trọng khác.
1.2. CÔNG TÁC DỰ BÁO VÀ HIỆN TRẠNG LŨ LỤT TẠI KHU VỰC HỒ
CHỨA NƯỚC CÂY KHẾ
Theo số liệu thống kê, trung bình hàng năm tỉnh Quảng Ngãi có 0,28 cơn bão
đổ bộ trực tiếp; nếu xét về mưa và cường độ gió từ cấp 6 trở lên có 1 cơn bão hoặc
áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp; nếu chỉ xét đơn thuần ảnh hưởng về mưa
(gián tiếp và trực tiếp) thì trung bình hàng năm có 4 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới

ảnh hưởng đến tỉnh Quảng Ngãi. Do đặc điểm địa hình trong vùng và diễn biến thời
tiết phức tạp, trong những năm gần đây lũ lụt đã liên tiếp xảy ra làm ngập lụt đồng
bằng hạ lưu sông gây thiệt hại lớn cho mùa màng, ách tắc giao thơng, làm hư hỏng
các cơng trình thuỷ lợi đặc biệt là tính mạng của người dân, nhà cửa, trạm xá bị hư
hỏng, sụp đổ.
Huyện Đức Phổ thuộc vùng mưa ít nhất của tỉnh Quảng Ngãi, nằm ở phía
đơng dọc theo dải đồng bằng ven biển, có tổng lượng mưa dưới 1.650mm. Lượng
mưa trong năm tập trung chủ yếu từ tháng 8 đến 12, chiếm 70 - 80% tổng lượng
mưa năm. Mưa chỉ tập trung cao vào 3 - 4 tháng cuối năm nên dễ gây lũ lụt, ngập
úng. Có đợt mưa liên tục 5 - 7 ngày liền, kèm theo thời tiết giá lạnh, gió bấc, gây
nhiều ách tắc cho sản xuất và sinh hoạt.
Theo thiết kế cơng trình hồ chứa nước Cây Khế được phê duyệt vào những
năm 80 của thế kỷ trước, lưu lượng lũ thiết kế QTK(P=1,5%) = 120,98m3/s, cơng
trình có tràn xả lũ là tràn tự do có kết cấu đá xây kết hợp bê tơng, cao trình đỉnh tràn
là +152.36m, lưu lượng xả lũ tối đa Qmax =94,05 m³/s. Hồ có cao trình mực nước
dâng bình thường +152.36m, mực nước chết +146.33m, dung tích hồ chứa ~0,6
triệu khối. Đây là cơng trình cấp III theo QCVN 04-05:2012/BNNPTNT.


13

Hiện nay, tại khu vực hồ Cây Khế chưa có 1 cơng trình dự báo lũ nào đáng tin
cậy để có thể làm cơ sở vận hành cơng trình. Thực tế khi lũ về, lưu lượng lũ khi đạt
đến cao trình +152.36m sẽ tràn qua tràn tự do có chiều rộng Btràn = 26,8m. Do vốn
đầu tư để duy tu, sửa chữa thường xun cịn nhiều hạn chế; cơng tác quản lý, khai
thác và bảo vệ còn tồn tại; diễn biến mưa lũ xảy ra với tần suất và cường độ ngày
càng cao làm cho cơng trình xuống cấp nghiêm trọng, khơng duy trì được năng lực
thiết kế.
Diện tích lưu vực hồ Cây Khế tuy không lớn (3,45km2) nhưng vùng hạ du là
hơn 65ha đất canh tác kết hợp với đất ở của nhân dân xã Phổ Thạnh, trong khi đó

trên lưu vực của hồ chứa Cây Khế chưa có một cơng nghệ dự báo và tính tốn lũ
nào có cơ sở khoa học, nên việc tính tốn, cấp nhật dịng chảy lũ đến hồ và xây
dựng mơ hình tính toán điều tiết vận hành hồ chứa Cây Khế xét đến ảnh hưởng của
BĐKH là rất cần thiết.
1.3. VẤN ĐỀ LUẬN VĂN GIẢI QUYẾT
Luận văn này sẽ cập nhật số liệu mưa, sử dụng chuỗi số liệu mưa từ năm
1978-2016, tính tốn cập nhật dịng chảy lũ đến hồ chứa thủy lợi Cây Khế ứng với
các kịch bản lũ. Từ các kịch bản nền, tôi sẽ sử dụng kịch bản biến đổi khí hậu, nước
biển dâng cho Việt Nam (MONRE,2016) để mơ phỏng đường q trình lũ về hồ khi
xét đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.
Trên cơ sở kết quả dự báo thử nghiệm, luận văn mô phỏng quá trình điều tiết
của hồ chứa Cây Khế ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu nhằm nâng cao hiệu
quả trong công tác vận hành cho đơn vị quản lý.