Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Nghiên cứu dự báo mưa, lũ trung hạn cho vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ - ứng dụng cho lưu vực sông Cả
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
---------------*---------------
HOÀNG THANH TÙNG
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
Mã số: 62 44 90 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
HOÀNG THANH TÙNG
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 ggành: Thủy văn học
Mã số: 62 44 90 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. VŨ MINH CÁT, ĐH THỦY LỢI, VIỆT NAM
2. GS. TS. ROBETTO RANZI, ĐH BRESCIA, ITALIA
Hà Nội - 2011
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Hoàng Thanh Tùng. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và chưa
được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.
TÁC GIẢ
HOÀNG THANH TÙNG
LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.
TS. Vũ Minh Cát, ĐH Thủy Lợi, Việt Nam , đến GS. TS. Robeto Ranzi, ĐH
Brescia, Italia đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và
hoàn thiện Luận án.
Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo và các bạn
đồng nghiệp ở trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong
suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án.
Tác giả cũng trân trọng cảm ơn các cơ quan: Trung tâm Dự báo Khí tượng
Thủy văn Trung Ương, Đài Khí tượng Thủy văn Bắc Trung Bộ đã giúp đỡ tác giả
trong quá trình thu thập tài liệu, các thông tin cần thiết liên quan đến vấn đề nghiên
cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và người thân
đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập,
nghiên cưu và thực hiện Luận án.
TÁC GIẢ
HOÀNG THANH TÙNG
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
4
4
4
10
13
13
16
19
20
22
22
23
24
28
30
30
33
34
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
34
36
36
37
39
39
39
39
45
58
58
65
71
72
72
72
72
72
75
75
81
81
91
97
99
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 CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1: Giới thiệu phương pháp Ẩn “Implicit”, Hiện “Explicit”, và
Quy hoạch động sử dụng trong vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa.
PHỤ LỤC 2: Các thông số chính của các hồ chứa trên lưu vực sông Cả.
101
101
104
107
117
119
123
126
127
127
127
128
128
128
129
130
132
136
138
149
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KTTV Khí tượng Thủy văn
KTTVTW Khí tượng Thủy văn Trung ương
KTTVQG Khí tượng Thủy văn Quốc gia
NCKH Nghiên cứu khoa học
PTNT Phát triển Nông thôn
PCLBTW Phòng chống lụt bão Trung ương
ĐHTL Đại học Thủy lợi
BPNN Mạng Nơ ron thần kinh lan truyền ngược
ANN Mạng trí tuệ nhân tạo
KKL Không khí lạnh
XTNĐ Xoáy thuận nhiệt đới
ATNĐ Áp thấp nhiệt đới
ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới
NW Gió mùa đông bắc
SE Gió mùa tây nam
Cao áp TBD Cao áp Thái Bình dương
Tdk Thời gian dự kiến/dự báo
VHHC Vận hành hồ chứa
QTVH Quy trình vận hành
NCS Nghiên cứu sinh
GHTND Giải hội tụ nhiệt đới
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
90
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
99
Bảng 3-14: Các chỉ tiêu đánh giá kết quả kiểm định mô hình cho các
lưu vực hồ chứa
99
Bảng 4-1: Quy tắc phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ trên
lưu vực sông Cả
124
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
51
Hình 2-2: Tấn suất xuất hiện các trận bão đổ bộ và ảnh hưởng đến lưu
vực sông Cả từ năm 1970 – 2009
52
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
64
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.
65
Hình 3-1: Khả năng xuất hiện lũ vào các tháng trong năm trên lưu vực
sông Cả
76
Hình 3-2: Sơ đồ mô phỏng lưu vực sông Cả bằng mô hình HEC –GeoHMS
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)
90
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)
95
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)
97
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
110
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
111
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
115
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
117
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
122
1
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.
2
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
kết hợp với lý thuyết điều khiển để vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa.
Ngoài phần mở đầu, kết quả và bàn luận, Luận án được trình bày trong 4
chương bao gồm:
Chương I: Tổng quan về tình hình nghiên cứu mưa, lũ trung hạn, vận hành hệ
thống hồ chứa và định hướng nghiên cứu cho lưu vực sông Cả
Chương II: Nghiên cứu dự báo mưa cho lưu vực sông Cả.
Chương III: Nghiên cứu dự báo lũ trung hạn cho lưu vực sông Cả.
Chương IV: Vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Cả.
Những đóng góp mới của Luận án
1) Xây dựng cơ sở khoa học cho việc vận hành phối hợp các hồ chứa phòng lũ trên
lưu vực sông Cả, bao gồm: i) bảng nhận dạng hình thế thời tiết gây mưa lớn trên
lưu vực; ii) đặc điểm, tổ hợp lũ và kết quả mô phỏng mô hình toán thủy văn tính
toán và dự báo lũ đến các hồ chứa, nhập lưu khu giữa trong hệ thống; và iii) mô
hình mô phỏng hệ thống hồ chứa kết hợp với các quy tắc phối hợp vận hành các
hồ chứa phòng lũ cho lưu vực.