(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Tính Toán Ngập Lụt Và Ảnh Hưởng Của Nó Đến Hạ Du Hồ Chứa Khe Tân Trong

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sỹ khoa học “Nghiên cứu tính toán ngập lụt và ảnh hưởng của

nó đến hạ du hồ chứa Khe Tân trong trường hợp xả lũ và vỡ đập” hoàn thành tại

Khoa Thủy văn & Tài nguyên nước trường Đại học thủy lợi vào tháng 3 năm 2016,

dưới sự trực tiếp hướng dẫn của TS. Trần Kim Châu.

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Trần Kim Châu (Trường

ĐH Thủy Lợi) đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo cho em những điều kiện tốt nhất, định

hướng cho em cách tiếp cận với bài toán và đã giành nhiều thời gian quý báu để

đọc, đóng góp những ý kiến, nhận xét để em có thể hoàn thành luận văn của mình.

Nhân đây cũng xin cảm ơn tới tất cả các anh, em và các bạn trong tập thể lớp

21V21 những người đã cùng tôi học tập, nghiên cứu và phấn đấu trong suốt khóa

học vừa qua đã đóng góp ý kiến, thảo luận giúp tôi hoàn thiện luận văn của mình.Và

cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể các thầy cô giáo trường Đại

học Thủy Lợi, và đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Thủy Văn & Tài Nguyên Nước

đã tạo cho em một môi trường học tập lành mạnh, cho em những cơ hội để phấn đấu

và dần trưởng thành hơn trong suốt khóa học vừa qua

Hà Nội, tháng 3 năm 2016 .

Học viên

Lê Vĩnh Hưng

BẢN CAM KẾT

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công

trình nào khác.

Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được

cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Vĩnh Hưng

i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1

BẢN CAM KẾT ......................................................................................................... 2

MỤC LỤC ................................................................................................................... i

DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, ĐẬP

KHE TÂN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VỠ ĐẬP ................................................... 4

I.1 Tổng quan các nghiên cứu về vỡ đập .................................................................... 4

I.1.1 Một số trường hợp vỡ đập trên thế giới và Việt Nam ........................................ 4

I.1.1.1 Một số trường hợp vỡ đập trên thế giới ........................................................... 4

I.1.1.2 Một số trường hợp vỡ đập tại Việt Nam .......................................................... 5

I.1.2 Tình hình nghiên cứu sóng vỡ đập trên thế giới ................................................. 8

I.1.3 Tổng quan các nghiên cứu sóng vỡ đập tại Việt Nam ...................................... 11

I.1.4 Phương pháp luận ............................................................................................. 12

I.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên ...................................................................................... 13

I.2.1 Vị trí địa lý ........................................................................................................ 13

I.2.2 Điều kiện địa hình ............................................................................................. 15

I.2.3 Điều kiện địa chất ............................................................................................. 16

I.2.4 Điều kiện thổ nhưỡng, thảm phủ ...................................................................... 16

I.3 Đặc điểm khí tượng, khí hậu ................................................................................ 16

I.3.1 Chế độ nhiệt ...................................................................................................... 16

I.3.2 Chế độ gió ......................................................................................................... 17

ii

I.3.3 Chế độ mưa ....................................................................................................... 18

I.3.4 Chế độ bốc hơi .................................................................................................. 21

I.4 Đặc điểm thủy văn ............................................................................................... 21

I.4.1 Mạng lưới sông ngòi ......................................................................................... 21

I.4.1.1 Sông Thu Bồn ................................................................................................ 22

I.4.1.2 Sông Vu Gia ................................................................................................... 22

I.4.2 Chế độ dòng chảy lũ ......................................................................................... 23

I.4.2.1 Lũ sớm ........................................................................................................... 24

I.4.2.2 Lũ muộn ......................................................................................................... 24

I.4.2.3 Lũ giữa mùa ................................................................................................... 25

I.5 Mạng lưới trạm khí tượng – thủy văn .................................................................. 25

I.6 Tình hình dân sinh, kinh tế và xã hội ................................................................... 26

I.7 Đặc điểm thông số kỹ thuật, hiện trạng đập Khe Tân ......................................... 27

I.7.1 Cấp công trình ................................................................................................... 27

I.7.2 Thành phần quy mô và hiện trạng công trình ................................................... 27

I.7.3 Điều kiện địa chất công trình đầu mối .............................................................. 29

I.7.3.1 Công trình đập chính...................................................................................... 29

I.7.3.2 Công trình đập phụ 1 ..................................................................................... 30

I.7.3.3 Công trình đập phụ 2 ..................................................................................... 31

CHƯƠNG II ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN THỦY LỰC TÍNH TOÁN MÔ

PHỎNG NGẬP LỤT HẠ DU HỒ CHỨA ............................................................... 33

II.1 Ứng dụng mô hình thủy văn tính toán biên nhập lưu và lũ đến hồ .................... 33

II.1.1 Phân tích và lựa chọn mô hình ........................................................................ 33

II.1.1.1 Mô hình MIKE - NAM................................................................................. 33

iii

II.1.1.2 SWAT ........................................................................................................... 33

II.1.1.3 HEC-HMS .................................................................................................... 34

II.1.1.4 Nhận xét và lựa chọn mô hình ...................................................................... 34

II.1.2 Cơ sở lý thuyết mô hình .................................................................................. 35

II.1.2.1 Mưa ............................................................................................................... 35

II.1.2.2 Tổn thất ......................................................................................................... 36

II.1.2.3 Đường đơn vị ................................................................................................ 37

II.1.2.4 Tính toán dòng chảy ngầm ........................................................................... 38

II.1.2.5 Diễn toán dòng chảy ..................................................................................... 39

II.1.3 Thiết lập mô hình ............................................................................................. 39

II.1.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ................................................................... 42

II.1.4.1 Lựa chọn trận lũ để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ................................. 42

II.1.4.2 Hiệu chỉnh mô hình trận lũ năm 2007 .......................................................... 42

II.1.4.3 Kiểm định trận lũ năm 2009 ......................................................................... 43

II.1.5 Tính toán lũ đến hồ và các biên nhập lưu ........................................................ 45

II.1.5.1 Biên nhập lưu của mô hình ........................................................................... 45

II.1.5.2 Tính toán dòng chảy đến các biên ................................................................ 46

II.1.5.3 Tính toán lưu lượng lũ thiết kế đến lưu vực hồ Khe Tân ............................. 50

II.2 Ứng dụng mô hình thủy lực tính toán ngập lụt hạ du hồ chứa ........................... 52

II.2.1 Phân tích và lựa chọn mô hình ........................................................................ 52

II.2.1.1 Mô hình VRSAP ........................................................................................... 52

II.2.1.2 Mô hình SAL ................................................................................................ 53

II.2.1.3 Mô hình ISIS ................................................................................................ 53

II.2.1.4 Bộ mô hình MIKE ........................................................................................ 53

iv

II.2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình .................................................................................. 56

II.2.3 Thiết lập mô hình thủy lực sông Vu Gia – Thu Bồn ....................................... 60

II.2.3.1 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 60

II.2.3.2 Các biên của mô hình ................................................................................... 61

II.2.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ................................................................... 62

II.2.4.1 Nguyên tắc chung ......................................................................................... 62

II.2.4.2 Hiệu chỉnh mô hình thủy lực với trận lũ tháng 11 năm 2007 ...................... 62

II.2.4.3 Kiểm định mô hình thủy lực với trận lũ tháng 9-10 năm 2009 .................... 64

CHƯƠNG III MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP

LỤT ỨNG VỚI CÁC KỊCH BẢN ........................................................................... 66

III.1 Phân tích các nguyên nhân và xây dựng các kịch bản vỡ đập .......................... 66

III.1.1 Phân tích các nguyên nhân vỡ đập ................................................................. 66

III.1.2 Xây dựng các kịch bản ................................................................................... 68

III.2 Tính toán các kịch bản ...................................................................................... 71

III.2.1 Thiết lập mô hình HEC HMS tính điều tiết và vỡ đập .................................. 71

III.2.2 Lưu lượng xả đến hạ du tương ứng với các kịch bản..................................... 74

III.2.2.1 Nguyên lý điều tiết lũ .................................................................................. 74

III.2.2.2 Tính toán lưu lượng tràn thiết kế ................................................................ 78

III.2.2.3 Tính toán lưu lượng qua tràn tương ứng với các kịch bản .......................... 79

III.3 Xây dựng bản đồ ngập lụt ................................................................................. 82

III.3.1 Xây dựng bản đồ ngập lụt .............................................................................. 82

III.3.1.1 Nguyên lý xây dựng bản đồ ngập lụt .......................................................... 82

III.3.1.2 Thiết lập mạng thủy lực hạ lưu hồ Khe Tân ............................................... 83

III.3.1.3 Xây dựng bản đồ ngập lụt ........................................................................... 85

v

III.3.2 Thống kê diện tích ngập ................................................................................. 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 93

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình I.1 Phương pháp thực hiện luận văn ................................................................ 13

Hình I.2 Bản đồ vị trí địa lý lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn ..................................... 14

Hình I.3 Bản đồ vị trí địa lý lưu vực nghiên cứu hồ Khe Tân .................................. 15

Hình I.4 Mặt cắt ngang đại diện đập chính ............................................................... 29

Hình I.5 Mặt cắt ngang đại diện đập phụ số 1 .......................................................... 30

Hình I.6 Mặt cắt ngang đại diện đập phụ số 2 .......................................................... 32

Hình II.1 Bản đồ phân vùng trọng số mưa các tiểu lưu vực trạm Thành Mỹ ........... 40

Hình II.2 Mô hình hóa dòng chảy trạm thủy văn Thành Mỹ .................................... 41

Hình II.3 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2007 .......... 43

Hình II.4 Đường lũy tích tổng lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2009 ........... 43

Hình II.5 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2009 .......... 44

Hình II.6 Đường lũy tích tổng lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2009 ........... 44

Hình II.7 Bản đồ biên nhập lưu vùng nghiên cứu ..................................................... 46

Hình II.8 Mô hình hóa dòng chảy các biên nhập lưu của lưu vực ............................ 48

Hình II.9 Đường quá trình lũ thiết kế đến lưu vực hồ chứa Khe Tân ....................... 52

Hình II.10 Mạng sơ đồ thủy lực sông Vu Gia Thu Bồn trong mô hình HEC RAS .. 61

Hình II.11 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Ái Nghĩa (hiệu

chỉnh) ......................................................................................................................... 63

Hình II.12 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Giao Thủy (hiệu

chỉnh) ......................................................................................................................... 63

Hình II.13 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Ái Nghĩa (kiểm

định) .......................................................................................................................... 64

Hình II.14 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Giao Thủy (kiểm

định) .......................................................................................................................... 65

Hình III.1 Các nguyên nhân vỡ đập .......................................................................... 67

Hình III.2 Hình ảnh vỡ đập Teton năm 1976 ............................................................ 67

Hình III.3 Hình thức tràn đỉnh và xói ngầm.............................................................. 68

vii

Hình III.4 Đường quá trình lưu lượng đến hồ Khe Tân tương ứng với các kịch bản

1, 2, 3 ......................................................................................................................... 72

Hình III.5 Đường quá trình lưu lượng đến hồ Khe Tân tương ứng với các kịch bản

4, 5 ............................................................................................................................. 72

Hình III.6 Mô hình hóa hồ Khe Tân ......................................................................... 73

Hình III.7 Thông số vỡ đập ngày mưa ...................................................................... 73

Hình III.8 Thông số vỡ đập ngày nắng ..................................................................... 73

Hình III.9 Quan hệ giữa lưu lượng và lượng trữ ....................................................... 76

Hình III.10 Quan hệ mực nước – lưu lượng xả thiết kế qua đập tràn hồ Khe Tân ... 79

Hình III.11 Đường quá trình lưu lượng xả qua tràn với kịch bản 1 .......................... 80

Hình III.12 Đường quá trình lưu lượng xả qua tràn với kịch bản 2 .......................... 80

Hình III.13 Đường quá trình lưu lượng xả qua tràn với kịch bản 3 .......................... 81

Hình III.14 Đường quá trình lưu lượng xả xuống hạ du với kịch bản 4 ................... 81

Hình III.15 Đường quá trình lưu lượng xả xuống hạ du với kịch bản 5 ................... 82

Hình III.16 Mô phỏng mạng sông và khu chứa hạ lưu hồ Khe Tân ......................... 84

Hình III.17 Các công trình bên mô phỏng trong HEC RAS ..................................... 84

Hình III.18 Bản đồ ngập lụt tương ứng với kịch bản 1 – Xả lũ thiết kế ................... 86

Hình III.19 Bản đồ ngập lụt tương ứng với kịch bản 2 – Xả lũ kiểm tra .................. 86

Hình III.20 Bản đồ ngập lụt tương ứng với kịch bản 3 – Xả lũ vượt thiết kế ........... 87

Hình III.21 Bản đồ ngập lụt tương ứng với kịch bản 4 – Vỡ đập ngày nắng ........... 87

Hình III.22 Bản đồ ngập lụt tương ứng với kịch bản 5 – Vỡ đập ngày mưa ............ 88

Hình III.23 Model tính toán diện tích ngập trong ArcGIS........................................ 89

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng I.1 Nhiệt độ tối cao, tối thấp của một số trạm ................................................. 17

Bảng I.2 Nhiệt độ trung bình tháng, năm tại các trạm .............................................. 17

Bảng I.3 Tốc độ gió bình quân và lớn nhất, hướng các vị trí ................................... 17

Bảng I.4 Tần suất mưa năm ở một số trạm ............................................................... 19

Bảng I.5 Lượng mưa mùa lũ, mùa kiệt và tỷ lệ so với lượng mưa năm ................... 20

Bảng I.6 Lượng bốc hơi bình quân tháng, năm ........................................................ 21

Bảng I.7 Đặc trưng hình thái sông chính vùng nghiên cứu ...................................... 23

Bảng I.8 Tần suất lưu lượng đỉnh lũ sớm các trạm thủy văn trong lưu vực ............. 24

Bảng I.9 Tần suất lưu lượng đỉnh lũ muộn các trạm thủy văn trong lưu vực ........... 25

Bảng I.10 Tần suất lưu lượng đỉnh lũ giữa mùa các trạm thủy văn trong vùng ....... 25

Bảng I.11 Mạng lưới các trạm khí tượng thủy văn ................................................... 26

Bảng I.12 Phân bố dân cư trong khu vực hạ lưu hồ .................................................. 27

Bảng II.1 Trọng số mưa các tiểu lưu vực trạm thủy văn Thành Mỹ ........................ 39

Bảng II.2 Kết quả đánh giá số liệu thực đo và tính toán khi hiệu chỉnh trận lũ 2007

................................................................................................................................... 43

Bảng II.3 Kết quả đánh giá số liệu thực đo và tính toán khi kiểm định trận lũ 2009

................................................................................................................................... 44

Bảng II.4 Bộ thông số trận lũ năm 2007 ................................................................... 45

Bảng II.5 Đặc trưng lưu vực tại các tuyến ................................................................ 46

Bảng II.6 Bộ thông số biên lưu vực sông Bung ........................................................ 48

Bảng II.7 Bộ thông số biên lưu vực sông Con .......................................................... 49

Bảng II.8 Bộ thông số biên lưu vực khu giữa 1 ........................................................ 49

Bảng II.9 Bộ thông số biên lưu vực khu giữa 2 ........................................................ 50

Bảng II.10 Đặc trưng lượng mưa 1, 3, 5 ngày lớn nhất trạm Thành Mỹ .................. 51

Bảng II.11 Tổng hợp các biên trong mô hình ........................................................... 62

Bảng II.12 Vị trí và mặt cắt kiểm tra ........................................................................ 62

Bảng II.13 Kết quả thực đo và tính toán khi hiệu chỉnh trận lũ 2007 ....................... 63

Bảng II.14 Các chỉ tiêu đánh giá sau khi hiệu chỉnh................................................. 64

ix

Bảng II.15 Kết quả thực đo và tính toán kiểm định trận lũ 2009 .............................. 65

Bảng II.16 Các chỉ tiêu đánh giá sau khi kiểm định ................................................. 65

Bảng III.1 Kịch bản tính toán và các thông số vỡ đập .............................................. 71

Bảng III.2 Các phương trình lưu lượng qua đập tràn ................................................ 77

Bảng III.3 Lưu lượng xả xuống hạ lưu hồ Khe Tân với các kịch bản ...................... 82

Bảng III.4 Diện tích ngập ứng với kịch bản 1 – xả lũ thiết kế .................................. 89

Bảng III.5 Diện tích ngập ứng với kịch bản 2 – xả lũ kiểm tra ................................ 90

Bảng III.6 Diện tích ngập ứng với kịch bản 3 – xả lũ vượt thiết kế ......................... 90

Bảng III.7 Diện tích ngập ứng với kịch bản 4 – vỡ đập ngày nắng .......................... 90

Bảng III.8 Diện tích ngập ứng với kịch bản 5 – vỡ đập ngày mưa ........................... 90

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống, là tài

nguyên vô cùng quý giá, có tầm quan trọng đặc biệt đến sự sống trên trái đất. Trong

công cuộc chinh phục và cải tạo thiên nhiên, con người đang dần dần nâng cao khả

năng khai thác những mặt có lợi và hạn chế những mặt có hại mà nước gây ra. Hàng

ngàn công trình thủy lợi mọc lên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước, đem lại

những hiệu quả đáng kể trong công cuộc xây dựng và phát triển nền kinh tế - xã hội,

hồ thủy lợi Khe Tân là một trong số đó. Hồ Khe Tân, xã Đại Chánh (huyện Đại

Lộc) là một trong những hồ rộng lớn ở Quảng Nam với diện tích gần 840ha, dung

tích hơn 46 triệu mét khối nước. Hồ không chỉ là nơi nuôi trồng thủy sản và cấp

nước tưới, nước sinh hoạt cho nhân dân các xã lân cận mà còn là điểm du lịch sinh

thái.

Như ta đã biết, các hồ thủy lợi thường được xây dựng phục vụ đa mục tiêu, tuy

nhiên các hồ, đập thủy lợi luôn là những công trình dễ bị tổn thương nhất là khi có

mưa lũ lớn. Các hồ chứa ở lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn nói chung và hồ thủy lợi

Khe Tân nói riêng với đặc điểm là dung tích phòng lũ nhỏ, do vậy khi có lũ thì hầu

như toàn bộ lượng lũ về hồ sẽ được xả hết, dẫn đến lưu lượng dòng chảy hạ du đột

ngột tăng cao làm cho hiện tượng ngập lụt xảy ra và còn có thể gây nên sự sạt lở của

đất đá, đe dọa nghiêm trọng đời sống và tính mạng dân sinh kinh tế vùng hạ du.

Ngoài ra do sự thay đổi của khí hậu toàn cầu làm cho diễn biến thủy văn trở nên

phức tạp, lũ lụt xuất hiện nhiều hơn và bất thường hơn. Chính những yếu tố này làm

quá trình khai thác và quản lý hồ chứa cũng như phòng chống lũ chưa thật sự hiệu

quả, và việc giảm thiểu những tác động bất lợi có thể xảy ra là công tác đang được

đặt lên hàng đầu.

Bên cạnh việc xả lũ thiết kế của hồ thì người dân ở vùng hạ lưu hồ Khe Tân

còn phải đối mặt với một nguy cơ rủi ro cao, đó là sự cố vỡ đập. Vỡ đập sẽ khiến

cho hàng ngàn hộ dân vùng hạ du chìm trong ngập lụt, gây ra những thiệt hại to lớn

về người và tài sản. Từ năm 2012 đã có một số báo cáo không chính thức về tình