Tiến Sĩ Nghiên cứu dự báo mưa, lũ trung hạn cho vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ -ứng dụng cho lưu vực sôn

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA, LŨ TRUNG HẠN CHO VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA PHÒNG LŨ -ỨNG DỤNG CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ
Chuyên ngành: Thủy văn học
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2011
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA, LŨ TRUNG HẠN, VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về dự báo mưa, lũ trung hạn và vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới.
1.1.1. Dự báo mưa, lũ trung hạn.
1.1.2. Vận hành hệ thống hồ chứa.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước về dự báo mưa, lũ trung hạn và vận hành hồ chứa.
1.2.1. Dự báo mưa.
1.2.2. Dự báo lũ trung hạn.
1.2.3. Vận hành hệ thống hồ chứa.
1.3. Những tồn tại và hướng phát triển.
1.4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
1.4.1. Hướng tiếp cận.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu dự báo mưa trung hạn.
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu dự báo lũ trung hạn.
1.4.4. Phương pháp nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa.
1.5. Giới thiệu lưu vực hệ thống sông Cả và hệ thống hồ chứa.
1.5.1. Vị trí địa lý.
1.5.2. Đặc điểm địa hình.
1.5.3. Đặc điểm địa chất.
1.5.4. Đặc điểm mạng lưới sông ngòi trong lưu vực.
1.5.5. Đặc điểm khí hậu.
1.5.6. Hệ thống hồ chứa nước trên lưu vực.
Kết luận chương I

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ
2.1. Hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn trên lưu vực sông Cả.
2.1.1 Các vùng mưa lũ trên lưu vực sông Cả.
2.1.2 Các hệ thống thời tiết chủ đạo chi phối chế độ mưa lũ lớn.
2.1.3 Đặc điểm quá trình synop gây mưa lớn trên khu vực Bắc Trung
Bộ trong đó có lưu vực sông Cả.
2.2. Nghiên cứu dự báo mưa trên lưu vực sông Cả.
2.2.1 Dự báo mưa bằng mô hình số trị - BOLAM.
2.2.2 Dự báo mưa dựa vào phân tích nhận dạng hình thế thời tiết gây mưa.
Kết luận chương II

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ TRUNG HẠN CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ
3.1. Một số khái niệm và thực trạng dự báo lũ tác nghiệp cho lưu vực sông Cả
3.1.1. Khái niệm dự báo thủy văn
3.1.2. Phân loại dự báo thủy văn
3.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá dự báo thủy văn
3.1.4. Thực trạng dự báo lũ tác nghiệp cho lưu vực sông Cả
3.2. Nghiên cứu dòng chảy lũ lưu vực sông Cả.
3.3. Nghiên cứu dự báo lũ trung hạn lưu vực sông Cả khi chưa có hồ chứa
3.3.1. Dự báo lũ trung hạn lưu vực sông Cả bằng mô hình lai ghép tất định (HEC-HMS) và ngẫu nhiên (ARIMA(p,d,q).
3.3.2. Dự báo lũ trung hạn lưu vực sông Cả bằng mô hình lai ghép mạng Nơ ron nhân tạo EANN và ARIMA(p,d,q).
3.4. Nghiên cứu phương án dự báo lũ trung hạn khi các hồ chứa trên lưu vực sông Cả được đưa vào vận hành.
Kết luận chương III

CHƯƠNG IV: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA PHÒNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẢ
4.1. Lựa chọn và giới thiệu tóm tắt các hồ chứa đưa vào nghiên cứu vận hành để phòng lũ trên lưu vực sông Cả.
4.2. Nghiên cứu xác định các yêu cầu đối với việc vận hành hệ thống hồ chứa.
4.3. Mô hình hóa hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Cả.
4.4. Xây dựng các phương án vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa tương ứng với từng kịch bản/tình huống dòng chảy đến hồ.
4.5. Tích hợp mô hình dự báo mưa, lũ với mô hình vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Cả.
4.6. Thiết lập cơ sở khoa học vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa.
Kết luận chương IV

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết luận
Những nội dung chính của Luận án đã được thực hiện.
Bàn luận
Những đóng góp mới của Luận án.
Hướng phát triển của Luận án.
Kiến nghị

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1-1 Phân bố diện tích lưu vực một số sông nhánh lớn của lưu vực sông Cả 31
Bảng 1-2: Đặc trưng hình thái lưu vực sông nhánh lớn của lưu vực sông Cả 31
Bảng 1-3: Các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Cả 37
Bảng 2-1: Thống kê lượng mưa do KKL ảnh hưởng gây mưa vừa và to ở một số vùng lưu vực sông Cả 47
Bảng 2-2: Thống kê lượng mưa do XTNĐ ảnh hưởng gây mưa vừa và to ở một số vùng lưu vực sông Cả 54
Bảng 2-3: Cấu hình động lực, vật lý và phương pháp số của 2 phiên bản mô hình BOLAM trong dự báo định lượng mưa cho Việt Nam 61
Bảng 2-4: Bảng nhận dạng hình thế thời tiết gây mưa trên lưu vực sông Cả 67
Bảng 3-1: Bảng chỉ tiêu chất lượng của phương án dự báo 74
Bảng 3-2: Mực nước lũ thực đo tại một số vị trí 77
Bảng 3-3: Mức báo động lũ dọc sông Cả 81
Bảng 3-4: Các trận lũ sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC – HMS 86
Bảng 3-5: Kết quả đánh giá mô hình cho các lưu vực bộ phận 86
Bảng 3-6: Bộ thông số của mô hình HEC-HMS cho các lưu vực bộ phận 87
Bảng 3-7: Các chỉ tiêu đánh giá kết quả kiểm định 87
Bảng 3-8: Bộ thông số của các đoạn sông sử dụng diễn toán Muskingum 87
Bảng 3-9: Các chỉ tiêu đánh giá kết quả dự báo với thời gian Tdk = 3 ngày 89
Bảng 3-10: Các chỉ tiêu đánh giá kết quả dự báo với thời gian Tdk = 5 ngày
Bảng 3-11: Kết quả đánh giá mô hình cho các lưu vực hồ chứa 98
Bảng 3-13: Bộ thông số của mô hình HEC-HMS cho các lưu vực hồ chứa
Bảng 3-14: Các chỉ tiêu đánh giá kết quả kiểm định mô hình cho các lưu vực hồ chứa
Bảng 4-1: Quy tắc phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Cả

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1-1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 23
Hình 1-2: Sơ đồ nghiên cứu dự báo mưa 24
Hình 1-3: Sơ đồ nghiên cứu dự báo lũ 25
Hình 1-4: Sơ đồ nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa 29
Hình 1-5: Bản đồ lưu vực sông Cả trên lãnh thổ Việt Nam 32
Hình 1-6: Bản đồ địa hình lưu vực sông Cả 33
Hình 2-1: Đường đi các cơn bão đổ bộ hoặc ảnh hưởng đến lưu vực sông Cả từ năm 1970 - 2009
Hình 2-2: Tấn suất xuất hiện các trận bão đổ bộ và ảnh hưởng đến lưu vực sông Cả từ năm 1970 – 2009
Hình 2-3: Miền số liệu đầu vào của mô hình toàn cầu GFS và miền tính toán của mô hình khu vực BOLAM cho phiên bản FATHER
và SON 61
Hình 2-4: Phân bố sai số trung bình theo phân tích và dự báo với hạn dự báo 1 và 2 ngày theo BOLAM_FATHER và BOLAM_SON
Hình 2-5: Phân bố hệ số tương quan COR theo phân tích và dự báo với hạn dự báo 1 và 2 ngày theo BOLAM_FATHER và BOLAM_SON.
Hình 3-1: Khả năng xuất hiện lũ vào các tháng trong năm trên lưu vực sông Cả

Hình 3-2: Sơ đồ mô phỏng lưu vực sông Cả bằng mô hình HEC –Geo- HMS 82
Hình 3-3: Kết quả mô phỏng lưu vực sông Cả bằng mô hình HEC –
Geo-HMS - đầu vào của mô hình thủy văn HEC - HMS 84
Hình 3-4: Bản đồ CNtb cho từng tiểu lưu vực sông Cả đến trạm thủy văn Dừa 84
Hình 3-5: Các giá trị lưới CN cho vực sông Cả 85 đến trạm thủy văn Dừa – một đầu vào cho mô hình thủy văn phân bố
Hình 3-6: Sơ đồ ứng dụng mô hình lai ghép HEC-HMS và ARIMA(p,d,q) 88
Hình 3-7: Đường quá trình lũ thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 3 ngày bằng mô hình Lai ghép cho trận lũ năm 2006 tại trạm Đô Lương(a), Nam Đàn(b) 89
Hình 3-8: Đường quá trình lũ thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 5 ngày bằng mô hình Lai ghép cho trận lũ năm 2006 tại trạm
Đô Lương(a), Nam Đàn(b)
Hình 3-9: Đường quá trình mực nước thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 3 ngày bằng mô hình EANN cho trận lũ năm 2007 tại trạm Dừa(a), Đô Lương(b), Nam Đàn(c) 94
Hình 3-10: Đường quá trình mực nước thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 5 ngày bằng mô hình EANN cho trận lũ năm 2007 tại trạm Dừa(a), Đô Lương(b), Nam Đàn(c)
Hình 3-11: Sơ đồ ứng dụng mô hình lai ghép EANN và ARIMA(p,d,q) 96
Hình 3-12: Đường quá trình mực nước thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 3 ngày bằng mô hình EANN-ARIMA (p,d,q) cho trận lũ năm 2007 tại trạm Dừa(a), Đô Lương(b), Nam Đàn(c)
Hình 3-13: Sơ đồ mô phỏng lưu vực sông Cả trong HEC-HMS 98
Hình 4-1: Vị trí các hồ chứa trên lưu vực sông Cả 102
Hình 4-2: Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Cả mô phỏng trong HEC-ResSim
Hình 4-3: Minh họa thiết lập các quy tắc phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa
a) hồ Bản Vẽ, b) hồ Khe Bố, c) hồ Bản Mồng, d) hồ Sông Sào, e) hồ Thác Muối
Hình 4-4: Sơ đồ tính toán 114
Hình 4-5: Minh họa bảng tính, quá trình mô phỏng để xây dựng biểu đồ điều phối cho hồ Bản Mồng
Hình 4-6: Minh họa kết nối dự báo lũ với phối hợp vận hành hệ thống 5
hồ chứa, báo cáo hỗ trợ ra quyết định- Decision report, biểu đồ điều tiết
Hình 4-7: Minh họa kết nối dự báo lũ với vận hành hệ thống 5 hồ chứa, báo cáo hỗ trợ ra quyết định- Decision report, biểu đồ điều tiết 119
Hình 4-8: Minh họa kết nối dự báo lũ với vận hành hệ thống 5 hồ chứa, báo cáo hỗ trợ ra quyết định- Decision report, biểu đồ điều
tiết hồ

MỞ ĐẦU
Những năm gần đây ở Miền Trung nước ta, thiên tai lũ lụt và hạn hán xảy ra nhiều hơn, với mức độ trầm trọng hơn, đặc biệt là năm 2007 (có tới 5 trận lũ xảy ra liên tiếp trong vòng 1 tháng) gây thiệt hại nặng nề về người và của cho các tỉnh miền Trung, trong đó có nhiều huyện như Quế Phong, Quỳ Châu, Nghĩa Đàn tỉnh Nghệ An thuộc lưu sông Cả; Ngoài các nguyên nhân khách quan do thời tiết, khí hậu, còn có những nguyên nhân chủ quan khác như khả năng dự báo mưa lũ trung và dài hạn chưa tốt, sự phối hợp quản lý, vận hành các hồ chứa hiện có trên các lưu vực sông chưa hợp lý.
Trên lưu vực hệ thống sông Cả đã và đang xây dựng nhiều hồ chứa nước lớn như hồ chứa Bản Mồng trên sông Hiếu, hồ sông Sào trên sông Sào (nhánh đổ vào sông Hiếu), hồ chứa Bản Vẽ, hồ chứa Khe Bố trên sông Cả, và hồ Thác Muối trên sông Giăng. Đây đều là các hồ chứa đa mục tiêu: phòng lũ, phát điện, cấp nước cho các ngành kinh tế trên lưu vực sông Cả. Tuy nhiên, các hồ chứa nước vẫn chưa có
quy trình phối hợp vận hành để phòng chống lũ cho khu vực.
Giảm nhẹ thiệt hại do bão lũ lụt gây ra, tăng cường hiệu quả kinh tế - xã hội và môi trường từ việc vận hành hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực là những mục tiêu chính đặt ra cho chúng ta. Để đạt được mục tiêu đó thì việc nghiên cứu dự báo mưa lũ trung hạn cũng như xây dựng các phương án điều hành liên hồ chứa là một công việc rất cần thiết và cấp bách cho lưu vực sông Cả. Với ý nghĩa đó, Tác giả đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu dự báo mưa lũ trung hạn cho vận hành hệ thống hồ chứa phòng chống lũ - ứng dụng cho lưu vực sông Cả“ làm đề tài nghiên cứu của Luận án tiến sĩ của mình.
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu dự báo mưa, lũ trung hạn phục vụ vận hành phối hợp các hồ chứa nước trên lưu vực đảm bảo việc phòng chống lũ cho hạ du, vận hành an toàn hồ chứa và hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ gây ra trên toàn hệ thống. Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm:
i) Nghiên cứu dự báo mưa;
ii) Nghiên cứu dự báo lũ trung hạn
và iii) Nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa trong mùa lũ cho lưu vực sông Cả.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là lưu vực sông Cả ở phần lãnh thổ Việt Nam, giới hạn từ biên giới Việt – Lào đến cầu Yên Xuân (thuộc địa phận xã Hưng Xuân, huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An) cách điểm nhập lưu của sông La với sông Cả tại Chợ Tràng 4 km về phía thượng lưu.
Để đạt được mục tiêu đề ra tác giả đã tiến hành thu thập các số liệu cần thiết, tiến hành nghiên cứu tổng quan dự báo mưa, lũ trung hạn và vận hành hệ thống hồ chứa ở trong nước và trên thế giới từ đó lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên cứu.
Các phương pháp được sử dụng trong Luận án bao gồm:
i) phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá nguyên nhân gây mưa, lũ và nhận dạng các hình thế thời tiết gây mưa lũ trên lưu vực;
ii) phương pháp phân tích ảnh viễn thám, GIS và chập bản đồ để hỗ trợ cho mô phỏng lưu vực trong các mô hình toán; iii) phương pháp mô hình toán (sử dụng các mô hình thuỷ văn, thủy lực họ HEC) mô phỏng quá trình thủy động lực học trên hệ thống sông Cả; và iv) phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng