BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM DƢƠNG QUỐC HUY NGHIÊN CỨU MƢA, LŨ CỰC HẠN LƢU VỰC SÔNG VU GIA THU BỒN Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62 44 02 24 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2018 Cơng trình hồn thành tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Tùng Phong Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Ngô Lê Long Phản biện 01: GS.TS Phạm Thị Hương Lan Phản biện 02: GS.TS Lê Đình Thành Phản biện 03: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Vào lúc…….giờ……ngày… tháng…….năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam 1MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong hai thập kỷ trở lại với tác động tiêu cực biến đổi khí hậu, mưa, lũ ngày trở lên cực đoan Những trận mưa có cường độ lớn với tổng lượng mưa đạt max chuỗi quan trắc xảy thường xuyên, cộng với điều kiện lưu vực “suy thoái” nên dòng chảy lũ lớn, thời gian tập trung lũ nhanh có điều kiện hình thành phát triển uy hiếp trực tiếp tới an tồn cơng trình ngập lụt phía hạ du Nhiều cơng trình thiết kế với tần suất trước khơng đảm bảo điều kiện mưa lũ tại, độ tràn số hồ chứa không đáp ứng tải hết lưu lượng đỉnh lũ thực tế, kết hợp với quy trình vận hành chưa bắt kịp với diễn biến lũ nên dòng chảy lũ thường uy hiếp an toàn đập gây nên tượng lũ chồng lũ phía hạ du Lưu vực sơng Vu Gia – Thu Bồn lưu vực sông lớn Việt Nam lưu vực sông quan trọng khu vực miền Trung Lưu vực Vu Gia – Thu Bồn hội tụ đầy đủ đặc trưng đại diện cho lưu vực sông miền Trung, với địa hình ngắn, dốc, thời gian tập trung lũ lưu vực dòng nhanh, kết hợp với vùng đồng nhỏ hẹp, khả trữ lũ điều tiết lũ nên hàng năm khu vực thường xảy ngập lũ diện rộng Do mức độ ngập lũ thường xuyên khốc liệt nên coi “rốn lũ” miền Trung Bên cạnh đó, với ưu địa hình dốc tạo cột nước lớn nên lưu vực phát triển nhiều hồ chứa Nhiều hồ chứa quy mô lớn lưu vực miền Trung nằm hồ thủy điện sông Tranh, Sông Bung 4, Đăk Mi 4….Dưới tác động tượng biến đổi khí hậu, diễn biến mưa, lũ ngày cực đoan làm gia tăng mức độ nguy hiểm cho cơng trình hạ du Đứng trước thực tế đó, luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu mưa, lũ cực hạn lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn” với mục đích xác định giá trị lũ cực hạn cho lưu vực Vu Gia – Thu Bồn nhằm phục vụ cho toán vận hành, thiết kế cơng trình hồ chứa giúp giảm thiểu rủi ro tiềm tàng hồ chứa nói riêng phòng chống lụt cho hạ du nói chung Nhiệm vụ luận án - Đánh giá ưu, nhược điểm phương pháp tính tốn PMP Việt Nam để lựa chọn phương pháp, hệ số KPMP xác định mưa cực hạn phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam - Tính PMP PMF cho lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn, đề xuất phương pháp xác định nhanh giá trị PMF hồ chứa từ khuyến nghị cơng tác an tồn hồ đập trước PMF Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: Tồn lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn với yếu tố tương tác điều kiện phát triển thượng, hạ lưu tượng lũ, ngập úng lưu vực - Đối tượng nghiên cứu: Là tượng mưa, lũ lớn mưa, lũ cực hạn lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp (i) Phương pháp điều tra thực địa; (ii) Phương pháp phân tích thống kê; (iii) Phương pháp mơ hình tốn thủy văn, thủy lực; (iv) Phương pháp chuyên gia tham gia cơng đồng; (v) Phương pháp phân tích hệ thống Những đóng góp luận án - Cải tiến phương pháp xác định mưa cực hạn phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam thơng qua hệ số tần suất KPMP - Xác định PMP, PMF lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn từ đề xuất phương pháp xác định nhanh giá trị PMF hồ chứa phục vụ kiểm soát an toàn hồ đập Cấu trúc luận án Luận án gồm 103 trang, 24 bảng, 46 hình vẽ 40 tài liệu tham khảo Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu mưa cực hạn, lũ cực hạn giới nước Chương 2: Cơ sở khoa học thực tiễn phương pháp tính mưa, lũ cực hạn Chương 3: Tính mưa, lũ cực hạn cho lưu vực sông Vu Gia–Thu Bồn 2CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ MƢA, LŨ CỰC HẠN TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC 1.1 Các khái niệm Mƣa cực hạn: Theo Tổ chức khí tượng giới (WMO, 1986), mưa cực hạn (Probable Maximum Pricipitation - PMP) “lượng nước mưa lớn mặt lý thuyết có khả xảy khu vực lãnh thổ xác định khoảng thời gian định năm” Lũ cực hạn: Lũ cực hạn (Probable Maximum Flood-PMF) trận lũ lớn mặt lý thuyết gây mối đe doạ nghiêm trọng cho việc kiểm soát lũ lưu vực cụ thể Đây trận lũ sinh tổ hợp điều kiện khí tượng thuỷ văn bất lợi hình dung xảy vùng cụ thể 1.2 Tổng quan nghiên cứu PMP, PMF 1.2.1 Các nghiên cứu PMP: Nghiên cứu sớm PMP đưa vào năm 1950 Mỹ, nghiên cứu PMP không ngừng phát triển đến Myers, 1967: Kết luận phụ thuộc lượng mưa PMP với yếu tố độ ẩm khơng khí tốc độ gió mang nguồn ẩm đến lưu vực Miller, 1963: Nghiên cứu mối quan hệ lượng mưa lượng ẩm tiềm khối khơng khí hai đặc điểm quan trọng (i) lượng mưa cực đại ước lượng độ ẩm bão hòa bề mặt mực áp suất 1000hPa khối không khí (ii) lượng ẩm tối đa khối khơng khí ước tính thơng qua nhiệt độ điểm sương Schreiner Riedel, 1978: ứng dụng thành công phương pháp cực đại hóa phương pháp chuyển vị để xây dựng đồ đẳng trị mưa PMP với thời đoạn từ tới 72 cho vùng rộng lớn phía Đơng Mỹ tính từ kinh tuyến trục 1050 Hansen cộng sự, 1987: nghiên cứu đưa ảnh hưởng yếu tố địa hình vào tính tốn PMP giúp kết tính tốn xác, phản ánh chất vật lý tượng che chắn địa hình tới di chuyển khối khơng khí ẩm Hershfield, 1961: đề xuất hướng nghiên cứu PMP Theo đó, ơng coi giá trị lượng mưa PMP giá trị thống kê đặc biệt chuỗi quan trắc, có mối quan hệ tần suất với đại lượng khác chuỗi số thông quan hệ số tần suất theo cơng thức sau: ̅ Trong đó, ̅ Sm giá trị trung bình độ lệch chuẩn chuỗi mưa lớn hàng năm điểm tính tốn, Km hệ số tần suất Để xác định hệ số KPMP, Hershfield phân tích 95.000 số liệu 2.645 trạm đo mưa với 90% số trạm Mỹ từ chọn giá trị Km lớn 15 làm giá trị KPMP Sau năm 1965, Hershfield cho Km thay đổi phụ thuộc vào thời đoạn mưa giá trị ̅ (Hershfield, 1965) Từ đó, Hershfield đề xuất giá trị Km biến đổi từ đến 20 tra theo toán đồ kinh nghiệm Tại Việt Nam, từ khoảng năm 1990 có số nghiên cứu dự án tính tốn mưa PMP, đặc biệt u cầu an tồn hồ chứa ngày tăng, tính tốn kiểm tra với lũ PMF yêu cầu cần thiết cho dự án quan trọng Nhiều quan nghiên cứu Trường Đại học Thuỷ Lợi, Viện Khoa học Thuỷ lợi, Viện Khí tượng thuỷ văn, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, nghiên cứu tính tốn mưa PMP phục vụ tính lũ PMF cho cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện Việt Nam Lê Đình Thành (1996) nghiên cứu ứng dụng tính mưa lũ lớn khả Việt Nam Trong nghiên cứu này, tác giả nghiên cứu phương pháp tính tốn mưa PMP phù hợp cho vùng nhiệt đới gió mùa từ đưa số nhận xét đề xuất tính tốn PMPPMF điều kiện Việt Nam Đỗ Cao Đàm, Vũ Kiên Trung (2005) nghiên cứu tính tốn mưa PMP lũ PMF đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu công nghệ dự báo cảnh báo lũ tính tốn lũ vượt thiết kế hồ chứa vừa nhỏ giải pháp tràn cố” theo phương pháp thống kê Nguyễn Văn Lai nnk (2009) tính tốn PMP cho thuỷ điện Trung Sơn theo phương pháp thống kê tổng quát hố Sau đó, tác giả sử dụng mơ hình Hec-HMS để tính tốn PMF từ PMP Phạm Việt Tiến (2007) tính tốn mưa PMP cho hồ Tả Trạch theo phương pháp thống kê Hershfield PMP cho lưu vực Tả Trạch lấy trung bình theo hai trạm Huế Nam Đơng Tác giả sau sử dụng cơng thức kinh nghiệm Xocolopxki tính lũ PMF cho lưu vực 1.2.2 Các nghiên cứu PMF: Nhìn chung, nghiên cứu cho nên tính PMF từ PMP Phương pháp để chuyển đổi lượng mưa lớn khả sang lượng lũ lớn khả sử dụng mơ hình mưa dòng chảy Chi tiết việc lựa chọn thông số điều kiện ban đầu mơ hình Cục Cơng binh Hoa Kỳ giới thiệu chi tiết vào năm 1996 (USACE, 1996) Một số kỹ thuật lượng tổn thất thấm cần cực tiểu, thời gian sinh lũ cần lấy nhỏ phạm vi (dựa việc phân tích số liệu thực đo)… Lũ PMF bước đầu nghiên cứu Việt Nam từ năm đầu thập kỷ 90 (Lê Đình Thành, 1996), kết nghiên cứu cho thấy QPMF = 0,61  1,71 Q0,01% Nhiều cơng trình nghiên cứu tính tốn lũ PMF phục vụ cho việc tính tốn kiểm tra thiết kế cơng trình tính tốn lũ kiểm tra cho Thuỷ điện Sơn La Hồ Bình GS.TS Ngơ Đình Tuấn thực PGS.TS Nguyễn Văn Lai năm 2004 sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, xác định lưu lượng lũ PMF cho hồ chứa thủy điện Trung Sơn tỉnh Thanh Hóa dao động từ 27.012m3 đến 31.059m3/s PGS.TS Lê Đình Thành năm 2004 tính tốn lũ PMF cho hồ Phú Ninh hay kết tính tốn lũ PMF Nguyễn Quang Trung, Phạm Việt Tiến góp phần làm hồn thiện kho liệu cho lưu vực sông Việt Nam 1.3 Những tồn tính tốn lũ PMF hƣớng tiếp cận tính tốn lũ PMF luận án 1.3.1 Những tồn tính tốn lũ PMF - Giá trị mưa PMP, lũ PMF không mang ý nghĩa xác suất kết xác định lượng mưa PMP lũ PMF phụ thuộc nhiều vào độ dài chuỗi số liệu quan trắc khứ (lũ lịch sử) Trong bối cảnh biến đổi khí hậu tồn cầu, xuất nhiều giá trị vượt giá trị lịch sử quan sát - Kết mưa PMP lũ PMF phụ thuộc nhiều vào chủ quan người tính tốn cách lựa chọn trận mưa điển hình, lựa chọn hệ số tần suất dẫn tới chênh lệch lớn kết tính tốn nhiều tác giả khác cho lưu vực - Lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn trọng điểm lũ lưu vực miền Trung, hình thành mạng lưới hồ chứa thủy điện, thủy lợi thượng nguồn Các hồ chứa thiết kế theo tiêu chuẩn tần suất mà chưa kiểm tra với giá trị lũ PMF 1.3.2 Hướng tiếp cận tính tốn PMF luận án Từ tồn tính toán lũ PMF Việt Nam nay, luận án tập trung phân tích đặc trưng địa hình, hình thái mưa lưu vực ưu nhược điểm phương pháp tính tốn mưa PMP, lũ PMF để xác định phương pháp tính tốn phù hợp cho lưu vực nghiên cứu theo sơ đồ tiếp cận sau: Hình 1.1: Sơ đồ tiếp cận tính toán mưa PMP, lũ PMF luận án Việc lựa chọn phương pháp tính cần đảm bảo yếu tố: - Phù hợp với hình thái gây mưa lưu vực, giải vấn đề ảnh hưởng điều kiện địa hình đến phân bố lượng mưa PMP theo không gian theo thời gian - Phù hợp với đặc trưng lũ lớn lưu vực, xét tới ảnh hưởng yếu tố địa hình mặt đệm đến diễn biến dòng chảy lũ PMF cửa lưu vực vị trí quan tâm 1.4 Đặc điểm lƣu vực sông Vu Gia-Thu Bồn Lưu vực Vu Gia-Thu Bồn giới hạn từ 14°90’ tới 16°20’ vĩ độ Bắc 107°20’ tới 108°70’ kinh độ Đơng với tổng diện tích 9.900km2 (không bao gồm lưu vực sông Cu Đê sơng Trường Giang) Hình 1.2: Bản đồ hành lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn Về địa hình: tồn lưu vực có 6.299km2 có cao độ 300m, tương đương với 64% diện tích lưu vực Phần diện tích có cao độ từ +10m đến +300m 2.902km2, chiếm 23% diện tích tồn lưu vực Địa hình có cao độ nhỏ 10m tập trung toàn tiểu lưu vực Đơng Bằng với diện tích 699km2 Mạng lưới sông: Lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn gồm hai sơng sơng Vu Gia Thu Bồn, bắt nguồn từ vùng núi Ngọc Lĩnh dãy Trường Sơn đổ biển theo hướng Tây Bắc-Đông Nam Trong khu vực hạ du, hai sơng có trao đổi nước mạnh mẽ qua hợp lưu cắt dòng tạo nên mạng lưới sơng dày đặc với chế độ thủy văn, thủy lực phức tạp Phần thượng nguồn hai sơng gồm có sơng Cái, Đakmi thượng lưu sông Vu Gia sông Tranh, sông Khang thượng lưu sơng Thu Bồn Ngồi ra, lưu vực có hai nhánh sơng khác sơng Bung Sông Côn, hai sông nhập lưu vào sông Vu Gia sau trạm thủy văn Thành Mỹ Lòng sơng có độ dốc lớn với độ dốc thượng lưu từ 0,14-1,44%, hạ lưu 0,02 % Đây hai điều kiện thuận lợi cho việc hình thành trận lũ có cường độ lớn, thời gian gian tập trung nhanh gây nhiều khó khăn cho cơng tác quản lý, ứng phó giảm thiểu thiệt hại lũ gây Kết cấu hạ tầng Các hồ chứa thuỷ lợi, thuỷ điện: Hiện nay, lưu vực V u G i a T h u B n xây dựng 72 hồ chứa với tổng dung tích 150 triệu m3, gồm hồ có dung tích từ 10 triệu m3 trở lên, hồ có dung tích từ 1-10 triệu m3, lại hồ chứa có dung tích triệu m3 Theo số liệu thống kê cho thấy dung tích phòng lũ cơng trình hồ chứa thủy lợi lớn lưu vực nhỏ (41,44 x 106m3) so với tổng lượng lũ tần suất % lưu vực Các cơng trình giao thơng: Hiện nay, hệ thống giao thông đường lưu vực phân bố rộng khắp với 686 cầu qua sông, cống thủy lợi, 4.957 km đường 75 km đường sắt tạo giao 11 (Transposition method); v) Phương pháp kết hợp (Combination method); vi) phương pháp thống kê (Statistical method) 2.2.2 Phương pháp tính tốn lũ PMF Phương pháp lũ lịch sử Phương pháp lũ thấy: Đây phương pháp chủ yếu dựa số liệu xảy lịch sử lưu vực vùng rộng lớn cỡ châu lục toàn giới với thời gian quan sát từ hàng trăm đến hàng ngàn năm Theo đó, phương pháp cố gắng xây dựng đường bao lưu lượng lũ lớn giá trị quan sát, thu thập trước Từ đường bao xác định giá trị lũ PMF tương ứng với phạm vi diện tích lưu vực nghiên cứu Phương pháp tính PMF từ mưa PMP Đây phương pháp sử dụng phổ biến tính tốn chuyển đổi lượng mưa PMP sang lượng lũ PMF Phương pháp sử dụng mơ hình tốn mơ q trình mưa rào–dòng chảy để xác định lũ PMF từ mưa PMP 2.3 Lựa chọn phƣơng pháp tính PMP, PMF cho lƣu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn 2.3.1 Phương pháp tính PMP Do nguồn số liệu khí tượng, thủy văn lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn thiếu nhiều yếu tố độ dài chuỗi số Đặc biệt trạm quan trắc mưa chủ yếu nằm vùng hạ du mà thiếu thượng lưu dẫn tới khó khăn việc xác định phân bố lượng mưa Bên cạnh đó, trạm có chủ yếu quan trắc yếu tố mưa đặc trưng khí tượng khác (gió, bốc hơi, nhiệt độ điểm sương) hạn chế Chính vậy, khả sử dụng phương pháp nghiên cứu đòi hỏi mức độ chi tiết số liệu phương pháp suy luận, phương pháp kết hợp phương pháp tổng quát hóa 12 không khả thi Trong phương pháp trên, tác giả nhận thấy phương pháp cực đại hóa phương pháp thống kê hai phương pháp có yêu cầu mức độ chi tiết loại số liệu không nhiều cho phép xác định nhanh giá trị mưa PMP với mức độ xác phù hợp có đối chứng kiểm tra Một số ưu điểm vấn đề cần lưu ý tính lượng mưa PMP hai phương pháp sau Ưu điểm phương pháp cực đại hóa cho phép tính nhanh giá trị PMP khu vực, tồn nhiều nhược điểm cần khắc phục trình sử dụng Thứ nhất, giá trị lượng mưa PMP tính theo cách giá trị cục vị trí nên việc ứng dụng cho vùng rộng lớn yêu cầu phải có số trạm khí tượng đủ dày phải kết hợp thêm với vài phương pháp khác; thứ hai, kết PMP ước tính phụ thuộc nhiều vào độ dài chuỗi liệu quan trắc, chuỗi số liệu quan trắc không thu thập giá trị cực đoan độ ẩm khơng khí vận tốc gió lớn giá trị PMP ước tính chưa sát thực với thực tế Phương pháp thống kê có ưu điểm sử dụng liệu mưa làm tính tốn nên phù hợp với nhiều vùng nghiên cứu Phương pháp cho phép xác định nhanh giá trị lượng mưa PMP cho vị trí có trạm quan trắc Tuy nhiên, phương pháp xác định mưa PMP vị trí nên xác định mưa PMP vùng diện tích lớn lưu vực cần kết hợp nhiều phương pháp thu phóng khác Mặt khác việc xác định lượng mưa PMP nghiên cứu trước thường sử dụng giá trị tần suất KPMP xác định qua biểu đồ tra Hershfield thống kê từ 6.000 trạm quan trắc mưa Mỹ vùng ôn đới, mức độ biến động lượng mưa không lớn vùng nhiệt đới nên đặc trưng quan hệ thống kê giá trị trung bình hệ số tần suất Km cần kiểm chứng sử 13 dụng cho vùng nhiệt đới Việt Nam Chính vậy, tính tốn lượng mưa PMP theo phương pháp luận án phân tích đặc trưng thống kê lưu vực sơng Việt Nam nói chung lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn Việt Nam để xác định giá trị tần suất KPMP phù hợp cho lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn 2.3.2 Phương pháp tính PMF Các số liệu phục vụ toán mô chuyên sâu, chi tiết lưu vực Vu Gia – Thu Bồn thiếu lượng chủng loại Cụ thể không đủ trạm quan trắc lưu lượng lưu vực, chưa có đầy đủ, chi tiết đồ địa chất, thổ nhưỡng, địa hình…nên việc áp dụng mơ hình thủy văn dạng giải thích khơng thể thực Chính vậy, luận án sử dụng mơ hình dạng lũ đơn vị cho việc xác định giá trị PMF lưu vực nghiên cứu Trên sở phân tích khoa học thực tiễn luận án tiến hành tính tốn lũ PMF cửa lưu vực phận hồ chứa Mô chế độ lũ, ngập lũ toàn lưu vực với giá trị PMF Sơ đồ tính tốn thể hình bên Hình 2.3: Sơ đồ tính tốn lũ PMF mơ ngập lụt lưu vực sơng Vu Gia – Thu Bồn 14 4CHƢƠNG 3: TÍNH MƢA, LŨ CỰC HẠN CHO LƢU VỰC SÔNG VU GIA-THU BỒN 3.1 Tính tốn mƣa cực hạn lƣu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn 3.1.1 Tính tốn theo phương pháp thống kê Như phân tích Chương II, bước quan trọng tính tốn PMP phương pháp thống kê xác định giá trị KPMP hợp lý cho lưu vực nghiên cứu Ở Việt Nam, nghiên cứu trước hầu hết sử dụng giá trị KPMP cho sẵn từ biểu đồ Hershfield Qua nghiên cứu phân tích, tác giả cho việc sử dụng hệ số KPMP chưa phù hợp mặt thống kê lưu vực sông Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới có nguyên nhân gây mưa khác xa so với vùng khí hậu ơn đới Mỹ Cụ thể, số nghiên cứu lưu vực Malaysia cho kết hệ số KPMP = (L.M Sidek, 2013) phù hợp với khu vực thay 14 bảng tra Hersfiled Kết nghiên cứu B.Ghahraman năm 2008 giá trị KPMP = 9,63 phù hợp với lưu vực sơng Antrak Iran thay 11 bảng tra Hershfield Chính vậy, nhiệm vụ nghiên cứu tìm giá trị KPMP đại diện cho lưu vực Việt Nam Để xác định giá trị Km này, luận án phân tích giá trị lượng mưa ngày lớn từ chuỗi số liệu 328 trạm đo mưa khắp lãnh thổ Việt Nam có thời gian quan trắc từ 15 năm trở lên Kết tính tốn cho thấy hầu hết giá trị Km nằm khoảng từ 2÷6, giá trị trung bình Đặc biệt xét riêng chuỗi số liệu quan trắc trạm lưu vực Vu Gia Thu Bồn giá trị Km cực đại đạt 6,4 trạm Hội An Nếu sử dụng giá trị Km giá trị KPMP lượng mưa cực hạn ngày lớn tất điểm quan trắc lưu vực nhỏ 1.000mm Giá trị nhỏ so với khả sinh mưa lưu vực 15 Bảng 4.1: Phân bố giá trị tần suất Km STT 10 11 12 Km 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 >12 Số trạm 89 103 65 27 17 7 Chính vậy, để cực đại số Km thành số KPMP, tác giả định hướng cực trị giá trị Km chuỗi số Dựa kết phân bố giá trị Km tính trên, sử dụng hàm phân bố xác suất thống kê tổng quát GEV xác định giá trị tần suất cực trị khơng suy biến giá trị Km có kết hình 3.1 Kết tính tốn cho thấy, xác suất để có Km lớn 11 nhỏ, hay nói cách khác Km=11 coi giá trị lớn Việt Nam Do đó, việc sử dụng giá trị cho tính toán giá trị lượng mưa PMP lưu vực Vu Gia-Thu Bồn phù hợp với điều kiện khí hậu lưu vực Hình 3.1: Biểu đồ tổng hợp phân bố xác suất lý thuyết chuỗi Km Sử dụng giá trị KPMP = 11 làm giá trị tính tốn ta có kết lượng 16 mưa PMP trạm bảng 3.2 Bảng 3.2: Giá trị PMP trạm quan trắc lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn Ái Nghĩa Cẩm Lệ Câu Lâu Đà Nẵng Giao Thủy Hiền (Trạo) Hiệp Đức Hội An 501 595 542 593 481 482 527 667 230 227 211 224 227 194 239 221 87,7 98,6 77,6 91,5 82,9 107,4 82,0 100,1 1194 1312 1063 1231 1139 1375 1141 1322 X1max /XPMP 0.42 0.45 0.51 0.48 0.42 0.35 0.46 0.50 10 11 12 13 14 Hội Khách Tiên Phước Khâm Đức Nông Sơn Trà My Quế Sơn 459 534 531 513 504 527 211 279 249 247 298 251 96,7 96,5 98,5 82,0 97,9 89,0 1274 1341 1332 1148 1375 1230 0.36 0.40 0.40 0.45 0.37 0.43 15 Tam Kỳ 405 245 91,5 1252 0.32 16 Thành Mỹ 622 202 107,0 1379 0.45 530 235 93 1257 0.42 TT 17 Trạm quan trắc Trung bình X1max Xtb Sn PMP1 ngày 3.1.2 Tính tốn mưa cực hạn phương pháp cực đại hóa Dựa chuỗi số liệu quan trắc tất trạm đo mưa lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, tác giả lựa chọn trận mưa từ ngày 01-08 tháng 11 năm 1999 trận mưa lịch sử Đây năm có lượng mưa lớn diện rộng, lượng mưa hầu hết trạm đạt giá trị lịch sử chuỗi quan trắc Từ số liệu mưa đặc trưng khí tượng (gió, nhiệt độ điểm sương) quan trắc trạm, tác giá tính tốn lượng mưa cực hạn trạm lưu vực Vu Gia – Thu Bồn sau: 17 Bảng 3.3: Giá trị hệ số hiệu chỉnh tổng hợp Khc, lượng mưa cực hạn trạm quan trắc TT 10 11 12 13 14 15 16 Trạm đo mƣa Ái Nghĩa Cẩm Lệ Câu Lâu Đà Nẵng Giao Thủy Hiên Hiệp Đức Hội An Hội Khách Tiên Phước Khâm Đức Nông Sơn Trà My Quế Sơn Tam Kỳ Thành Mỹ Trung bình Lƣợng mƣa ngày max (mm) 501 595 542 593 481 482 527 667 459 534 531 513 504 527 405 622 530 Hệ số hiệu chỉnh (Khc) 3,44 2,47 3,72 2,15 3,67 4,05 4,79 3,75 3,98 4,94 4,82 4,30 6,34 4,46 4,73 4,17 Lƣợng mƣa ngày PMP (mm) 1723 1470 2016 1275 1765 1952 2524 2501 1827 2638 2559 2206 3195 2350 1916 2594 2157 3.1.3 Lựa chọn giá trị PMP phù hợp cho lưu vực sơng Vu GiaThu Bồn Kết tính tốn PMP hai phương pháp thống kê phương pháp cực đại hóa lượng mưa cho thấy có chênh lệch lớn kết Nếu giá trị PMP theo phương pháp thống kê 1.257mm phương pháp cực đại hóa giá trị 1.855mm tức lớn 48% so với giá trị PMP theo thống kê Giá trị PMP trạm lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn tính tốn phương pháp cực đại hóa cho thấy biến động lớn độ lớn trạm từ 1275mm Đà Nẵng tới 3.195mm Trà My, tức chênh lệch khoảng 150% Trong đó, tính tốn phương pháp thống kê độ chênh lệch dao động nhỏ từ 18 1.063mm trạm Câu Lâu tới 1379mm trạm Hiên, tức lệch 30% Nếu xét tổng thể toàn chuỗi số liệu quan trắc trạm giá trị PMP tính tốn theo phương pháp thống kê cho thấy phù hợp Dọc theo bờ biển lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, giá trị PMP tính theo phương pháp thống kê đồng đều, dao động từ 1231mm trạm Đà Nẵng đến 1.322mm trạm Hội An Kết phù hợp nguyên nhân hình thành mưa dọc bờ biển Trong đó, giá trị PMP dọc theo bờ biển tính theo phương pháp cực đại hóa lại có biến động lớn từ 1.275mm đến 2.501mm Điều không phù hợp với thực tế Từ nhận định trên, luận án lựa chọn giá trị PMP theo phương pháp thống kê Giá trị PMP trạm tương đồng tỷ lệ lượng mưa ngày lớn quan trắc so với giá trị PMP nằm khoảng từ 0,32 đến 0,51 Đây giá trị hợp lý, phù hợp với nhiều kết nghiên cứu giới tại Malaysia 0,39 – 0,72 3.2 Tính tốn lũ cực hạn (PMF) lƣu vực sông Vu Gia – Thu Bồn 3.2.1 Lựa chọn mơ hình mơ cho lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn Các mơ hình lựa chọn: (i) Về tính tốn thủy văn mơ hình HEC-HMS; (ii) Về tính tốn thủy lực, dòng chảy ngập lũ lưu vực mơ hình MIKE 11, MIKE 21 MIKE FLOOD 3.2.2 Kết tính tốn Trường hợp 1: Đối với trường hợp lượng mưa PMP ngày lũ PMF trạm Nơng Sơn Thành Mỹ có dạng đỉnh với lưu lượng đỉnh lũ PMF trạm Nông Sơn 32.142 m3/s trạm Thành Mỹ 17.206 m3/s (hình 3.2) Trường hợp 2: Tính tốn lũ PMF với lượng mưa PMP ngày thu phóng theo dạng mưa năm 2009 Kết tính toán cho thấy lưu 19 lượng lũ PMF trạm Nông Sơn 35.232 m3/s trạm Thành Mỹ 21.435 m3/s (hình 3.3) Trường hợp 3: Tính tốn lũ PMF với lượng mưa PMP ngày thu phóng theo dạng mưa năm 1999 Kết tính tốn cho thấy lưu lượng lũ PMF trạm Nông Sơn 29.578 m3/s trạm Thành Mỹ 14.221 m3/s (hình 3.4) Hình 3.2: Đường trình lũ PMF trạm thủy văn Thành Mỹ Nông Sơn ứng với lượng mưa PMP ngày Hình 3.3: Đường trình lũ PMF trạm thủy văn Thành Mỹ Nông Sơn ứng với dạng lũ năm 1999 Hình 3.4: Đường trình lũ PMF trạm thủy văn Thành Mỹ Nông Sơn ứng với dạng lũ năm 2009 20 Các kết tính tốn lưu lượng đỉnh lũ PMF tuyến đập hồ chứa cho thấy lưu lượng đỉnh lũ theo tần suất thiết kế tần suất kiểm tra hồ chứa nhỏ so với lưu lượng lũ PMF Các kết tính toán cho thấy lũ PMF xảy hồ chứa việc đảm bảo an tồn cơng trình khơng thể đáp ứng Vì vậy, việc điều chỉnh quy hoạch/thiết kế, kiểm tra an toàn cơng trình theo tiêu chuẩn PMF cần thiết Tuy nhiên, tính tốn lưu lượng đỉnh lũ PMF với hàng loạt bước tính, đòi hỏi phải đảm bảo yêu cầu khoa học kỹ thuật Trong tình trạng chuỗi số liệu quan trắc thiếu thời gian khơng gian Việt Nam việc xác định giá trị khó khăn khơng phải lúc xác định được, đặc biệt cơng trình hồ chứa thủy lợi/thủy điện nhỏ vừa, nơi khơng có trạm quan trắc khí tượng, thủy văn Dựa kết lưu lượng đỉnh lũ PMF hồ chứa lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn luận án xây dựng mối quan hệ/bảng tra để hiệu chỉnh lưu lượng đỉnh lũ theo tần suất thiết kế giá trị đỉnh lũ PMF Với mục tiêu đảm bảo an toàn cho cơng trình thiết kế số 1, giá trị hiệu chỉnh lấy theo đường bao quan hệ độ lặp lại (tần suất thiết kế) với tỷ số lưu lượng tần suất thiết kế/kiểm tra tuyến cơng trình với giá trị PMF tương ứng Hình 3.5: Biểu đồ hiệu chỉnh Khc theo độ lặp lại hồ chứa 21 Quan hệ hình 3.5 cho thấy với tần suất thiết kế nhỏ (Độ lặp lại lớn) giá trị hệ số hiệu chỉnh Khc thường nhỏ ngược lại Cụ thể, với độ lặp lại 100 năm hệ số hiệu chỉnh 2,15, với độ lặp lại 5000 năm giá trị hiệu chỉnh 1,11 Căn vào biểu đồ quan hệ hồn tồn tìm giá trị Khc cho tần suất thiết kế khác Mặc dù biểu đồ quan hệ xây dựng từ số số liệu quan trắc, tính tốn giúp cho việc xác định nhanh giá trị PMF vị trí cần quan tâm lưu vực Quan hệ có giá trị tính tốn, tập hợp lượng số liệu đủ lớn, không lưu vực Vu Gia – Thu Bồn mà lưu vực lân cận 3.3 Mức độ ngập lũ hạ du với lũ PMF Sử dụng mơ hình tốn thiết lập luận án, với lũ PMF tính theo dạng năm 1999, tiến hành mơ q trình ngập lũ hạ du lũ PMF với kết diễn biến ngập lũ sau: a) Diện tích, mức độ ngập lụt vùng hạ du lưu vực Hình 3.6: Bản đồ ngập trận lũ PMF vùng hạ du lưu vực Kết mô ngập lụt với trận lũ PMF cho thấy 74% diện tích tồn lưu vực bị ngập, diện tích có độ ngập sâu 3m lên 22 tới 500 km2 tương đương với 55% diện tích tồn vùng hạ du (hình 3.6) Với mức độ ngập diện rộng ngập sâu khơng có khả chống đỡ khơng có địa điểm an tồn để di dời dân, thiệt hại người tài sản khơng thể lường hết b) Phân bố diện tích ngập vùng ngập lũ Hình 3.7: Bản đồ vận tốc dòng chảy lũ vùng ngập lũ Vận tốc dòng chảy lũ lớn phá hoại sở hạ tầng sở vật chất nhân dân vùng lũ Kết mô cho thấy, xảy lũ PMF vận tốc dòng chảy lũ tràn vùng đồng lên tới 2,5 m/s Vận tốc dòng chảy lũ lớn gây nhiều thiệt hại nghiêm trọng người tài sản vùng lũ qua 3.3 Đề xuất giải pháp giảm nhẹ lũ lớn 3.3.1 Giải pháp quản lý lũ PMF Theo kết tính tốn, lượng mưa PMP xuất tương đối đồng lưu vực, nên khả (lý thuyết) xảy lũ PMF xảy diện rộng, khơng thể ứng phó hiệu Đối với trường hợp này, với mức độ có thể, luận án đề xuất giải pháp sau: Nâng cấp an tồn hồ chứa cách tính lũ kiểm tra với lũ PMF, tiến hành nâng cao đập mở rộng độ tràn để thoát lũ nhanh… 23 Nâng cấp chất lượng dự báo hạn ngắn hạn vừa, tăng cường công tác truyền thông, kịp thời cảnh báo sớm 3.3.2 Giải pháp quản lý lũ lớn a Giải pháp phi cơng trình Nâng cáo kiến thức phòng chống thiên tai Nắm vững thực quy định tính lũ, xả lũ hồ chứa lưu vực để ứng phó kịp thời Nâng cáo chất lượng dự báo lũ Bảo vệ rừng đầu nguồn b Giải pháp cơng trình Chọn phương pháp nâng cao chất lượng cơng trình phù hợp Theo dõi hoạt động cơng trình có khả xảy cố Tổ chức ứng phó kịp thời cơng trình xảy cố Theo dõi cố xảy hai bờ sơng: sạt lở, nứt nẻ, gây nguy hiểm, tổ chức di dời dân đến nơi an toàn… 5KẾT LUẬN Lũ quản lý lũ lớn vấn đề xúc quốc gia tầm quan trọng việc phát triển bền vững kinh tế xã hội an tồn mơi trường lưu vực Đặc biệt điều kiện BĐKH ngày diễn mạnh mẽ, nhiều trận mưa, lũ cực đoan xuất năm trở lại cho thấy việc nghiên cứu lũ lớn, hướng quản lý lũ lớn hiệu vấn đề cấp bách Với việc phân tích phương pháp tính PMP PMF sử dụng kết hợp với đặc trưng mưa, lũ lưu vực tác giả lựa chọn phương pháp tính tốn mưa cực hạn phù hợp với lưu vực nghiên cứu, ứng dụng thành công mơ hình tốn thủy văn HEC-HMS, thủy lực MIKE 11, MIKE FLOOD để tính tốn dòng chảy lũ, ngập lũ lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn 24 Các phân tích luận án ra, điều kiện số liệu Việt Nam việc ứng dụng phương pháp tính tốn thống kê phù hợp, tin cậy so với phương pháp khác Kết tính tốn nghiên cứu cho thấy lượng mưa PMP thường gấp từ – lần lượng mưa lớn quan sát Lượng mưa PMP trung bình tốn lưu vực đạt 1257 mm, có xu phân bố toàn lưu vực, lượng mưa lớn đạt 1379 mm lượng mưa nhỏ đạt 1063 mm chênh lệch không lớn Tương ứng với đó, lượng mưa PMP xảy tồn lưu vực lượng lũ PMF xảy tai nhánh sông Nông Sơn (trạm Nông Sơn), Vu Gia (trạm Thành Mỹ) đạt đỉnh lũ PMF 35.232 m3/s 21.435 m3/s Việc xảy đồng thời diện rộng tượng mưa PMP, lũ PMF kịch giả định, khó xảy thực tế nên toán ngập lũ PMF mang tính chất nghiên cứu, so sánh, khơng mang ý nghĩa xây dựng phương án giảm nhẹ, quản lý lũ lớn thực tế Chính vậy, luận án sâu vào việc ứng dụng giá trị lũ PMF cho việc xác định nhanh giá trị thiết kế hồ chứa cách xây dựng biểu đồ quan hệ giá trị lũ thiết kế với giá trị lũ PMF tiểu lưu vực Đây giá trị có ý nghĩa thiết thực, phục vụ cơng tác thiết kế cho hồ chứa có dung tích khác 6DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1.Dương Quốc Huy, (2016), Đánh giá xác định giá trị mưa cực hạn cho lưu vực Vu Gia-Thu Bồn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 2.Dương Quốc Huy, Nguyễn Văn Duy, Ngô Lê Long, Nguyễn Tùng Phong, (2016), Ứng dụng mơ hình tốn xây dựng đồ ngập lụt hạ du lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, Tuyển tập hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Thủy lợi 3.Dương Quốc Huy, Ngô Lê Long, Ngô Lê An, Dương Thúy Hường, (2016), Nghiên cứu tính tốn lũ cực hạn (PMF) lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, Tuyển tập hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Thủy lợi 4.Dương Quốc Huy, Nguyễn Văn Duy, Nguyễn Thanh Hiền, (2015), Analysing characteristics of rainfall and flood in Vu Gia-Thu Bon river basin, Viet Nam-Japan Workshop on Estuaries, Coasts and Rivers 2015, Construction Publishing House 5.Dương Quốc Huy, Nguyễn Tùng Phong, Ngô Lê Long (2014), Applying generalized extreme value distribution statistical function for estimating probable maximum precipitation in Vu Gia-Thu Bon river basin, The 11th INWEPF Steering Meeting and Symposium Vietnam Water Resources University 6.Dương Quốc Huy, Nguyễn Tùng Phong, Ngô Lê Long, Ngô Lê An, (2013), Giới thiệu số phương pháp tính mưa lớn khả PMP, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam ... sông Vu Gia- Thu Bồn với yếu tố tương tác điều kiện phát triển thượng, hạ lưu tượng lũ, ngập úng lưu vực - Đối tượng nghiên cứu: Là tượng mưa, lũ lớn mưa, lũ cực hạn lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn. .. Sơ đồ tính tốn lũ PMF mô ngập lụt lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn 14 4CHƢƠNG 3: TÍNH MƢA, LŨ CỰC HẠN CHO LƢU VỰC SƠNG VU GIA- THU BỒN 3.1 Tính tốn mƣa cực hạn lƣu vực sơng Vu Gia- Thu Bồn 3.1.1 Tính... tượng lũ chồng lũ phía hạ du Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn lưu vực sông lớn Việt Nam lưu vực sông quan trọng khu vực miền Trung Lưu vực Vu Gia – Thu Bồn hội tụ đầy đủ đặc trưng đại diện cho lưu vực