Luận án Nghiên cứu nguy cơ sự cố do mưa lũ nhằm nâng cao an toàn các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu nguy cơ sự cố do mưa lũ nhằm nâng cao an toàn các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƯA LŨ NHẰM NÂNG CAO AN TOÀN CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN VĂN LỢI NGUYỄN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƯA LŨ NHẰM NÂNG CAO AN TOÀN CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 62 58 02 12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàngn Văn Hoàng HÀ NỘI - 2017
3. i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Lợi
4. ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám đốc Viện và tập thể cán bộ ở Ban Tổ chức Hành chính - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm Tƣ vấn và Chuyển giao Công nghệ Thủy lợi - Tổng cục Thủy lợi, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc cho tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp luôn sát cánh động viên tác giả vƣợt qua mọi khó khăn trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Nguyễn Văn Lợi
5. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xiii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài nghiên cứu ....................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ............................................................................ 2 3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................. 3 6. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 4 7. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................... 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU NGUY CƠ SỰ CỐ CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ................................................................. 6 1.1. Sự cố các hồ chứa trên thế giới và ở Việt Nam .................................................. 6 1.1.1. Trên thế giới .............................................................................................. 6 1.1.2. Ở Việt Nam .............................................................................................. 10 1.2. Tổng quan nghiên cứu về mƣa lũ gây nguy cơ sự cố hồ-đập trên thế giới và ở Việt Nam ................................................................................................................... 14 1.2.1. Trên thế giới ............................................................................................. 14 1.2.2. Ở Việt Nam .............................................................................................. 23 1.3. Kết luận Chƣơng 1 ............................................................................................ 28 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ MƢA VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP LUẬN PHÂN CẤP NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƢA LŨ CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ .................................................................. 30 2.1. Đặc trƣng mƣa gây lũ trên diện rộng khu vực nghiên cứu ................................ 30
6. iv 2.1.1. Đặc trƣng mƣa trong các đợt lũ lụt lớn tại Nghệ An .............................. 31 2.1.2 . Đặc trƣng mƣa trong các trận lũ lụt lớn tại Hà Tĩnh .............................. 33 2.1.3. Đặc trƣng mƣa trong các trận lũ lụt lớn tại Quảng Trị ........................... 34 2.2. Các yếu tố lƣu vực ảnh hƣởng đến sự hình thành dòng chảy lũ ........................ 36 2.3. Vai trò của quy luật phân bố mƣa theo thời gian đối với nguy cơ mất an toàn hồ chứa .......................................................................................................................... 39 2.4. Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 1 ngày lớn nhất và mƣa 24h liên tục lớn nhất ........ 40 2.5. Lƣợng mƣa 1 ngày lớn nhất và lƣợng mƣa 24h liên tục lớn nhất ...................... 43 2.6. Đặc trƣng mƣa 24h liên tục lớn nhất khu vực nghiên cứu ................................. 47 2.7. Vai trò của phân bố mƣa trong sức chịu tải dòng chảy lũ đến hồ của các công trình hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ ...................................................................... 52 2.7.1. Đặc tính phân bố mƣa vùng BTB ........................................................... 52 2.7.2. Cơ sở khoa học của quy luật phân bố mƣa 24h liên tục lớn nhất ........... 52 2.7.3. Xác định phân bố lệch chuẩn mƣa 24h liên tục lớn nhất đối với khu vực nghiên cứu ......................................................................................................... 55 2.7.4. Về phân bố mƣa ngắn hơn 24h liên tục lớn nhất đối với khu vực nghiên cứu ................................................................................................................. 70 2.8. Phƣơng pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố liên quan đến mƣa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ vùng BTB. ........................................................................... 72 2.8.1. Phƣơng pháp luận và cơ sở lựa chọn phân cấp nguy cơ sự cố ............... 72 2.8.2. Phân cấp nguy cơ sự cố theo các chỉ số KV , KS ,KQ .............................. 76 2.9. Kết luận Chƣơng 2 ............................................................................................. 82 CHƢƠNG 3. PHÂN CẤP NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƢA LŨ, ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ KHẢ NĂNG XẢ LŨ NHẰM NÂNG CAO AN TOÀN CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ ...................... 84 3.1. Phân cấp mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mƣa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ tỉnh Nghệ An ............................................................................................. 84 3.1.1. Theo tỷ số giữa dung tích hồ chứa và diện tích lƣu vực thu nƣớc KV .... 84 3.1.2. Theo tỷ số giữa diện tích hồ chứa và diện tích lƣu vực thu nƣớc (KS) ... 86
7. v 3.1.3. Theo tỷ số giữa lƣu lƣợng nƣớc do mƣa 1h lớn nhất tần suất P=1% và chiều rộng đập tràn (KQ) ................................................................................... 87 3.1.4. Phân cấp nguy cơ sự cố theo các chỉ số KV, KS và KQ ........................... 88 3.1.5. Đánh giá kết quả phân cấp nguy cơ sự cố và sự cố thực tế hồ chứa khu vực tỉnh Nghệ An .............................................................................................. 92 3.2. Kết quả phân cấp mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mƣa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ khu vực Hà Tĩnh và Quảng Trị .................................................... 97 3.2.1 Tỉnh Hà Tĩnh ............................................................................................ 97 3.2.2 Tỉnh Quảng Trị ....................................................................................... 100 3.3. Mô hình đánh giá ảnh hƣởng của phân bố mƣa 24h LTLN tới dòng chảy lũ đến hồ và nhu cầu xả lũ của hồ chứa ............................................................................. 103 3.3.1. Phần mềm mô hình HEC-HMS ............................................................ 104 3.3.2. Đặc điểm phân bố mƣa 24h liên tục lớn nhất và 1h lớn nhất ............... 105 3.3.3 Mô hình đánh giá ảnh hƣởng của phân bố mƣa tới dòng chảy lũ đến hồ và nhu cầu xả lũ hồ chứa nƣớc Khe Nu .......................................................... 109 3.4. Đề xuất công tác nâng cao an toàn hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ do ảnh hƣởng của mƣa lũ .................................................................................................... 128 3.4.1. Xác định sức chịu tải và yêu cầu xả lũ nhằm nâng cao an toàn cho hồ chứa ............................................................................................................... 128 3.4.2. Đề xuất các bƣớc tiến hành phân cấp nguy cơ sự cố hồ chứa nhỏ vùng BTB ............................................................................................................... 133 3.5. Kết luận Chƣơng 3 .......................................................................................... 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 137 1. Những kết quả đã đạt đƣợc của luận án .............................................................. 137 2. Kiến nghị ............................................................................................................. 138 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 141 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 146
8. vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1- 1: Ảnh nhìn từ phía Đông Nam lên thƣợng lƣu đập: trong khi bị vỡ 34 .... 6 Hình 1- 2: Đỉnh đập và tƣờng chắn sóng đập Banquia (Trung Quốc) sau sự cố năm 1975 19 ..................................................................................................................... 8 Hình 1-3: Ảnh vỡ đập Tây Nguyên, Nghệ An 2012 20 ......................................... 12 Hình 1- 4: Ảnh vỡ đập Khe Mơ, Hà Tĩnh năm 2010 21 ........................................ 12 Hình 1- 5: Ảnh đập thủy điện Đakrông 3 bị vỡ, Quảng Trị năm 2012 22 ............. 13 Hình 1- 6: Ngày 01/10/2013, 01 đập hồ chứa Khe Tuần bị tràn 23 ....................... 13 Hình 1- 7: Ngày 01/10/2013 vỡ đập hồ Đồng Đáng, xã Trƣờng Lâm, huyện Tĩnh Gia 25 ..................................................................................................................... 13 Hình 1- 8: Khung chƣơng trình đánh giá nguy cơ sự cố hồ chứa tại Anh Quốc [26] ................................................................................................................................... 16 Hình 1- 9: Các bƣớc chính trong quá trình đánh giá nguy cơ sự cố hồ chứa [42] .... 17 Hình 1-10: Minh họa hàm mật độ xác suất phân bố Gumbel, Frechet, Weibull chuẩn hóa 45 ..................................................................................................................... 21 Hình 1- 11: Các trƣờng hợp khác nhau hàm xác suất lƣu lƣợng lũ sông Dnipro 29 ................................................................................................................................... 22 Hình 1- 12: Sơ đồ đánh giá an toàn hồ chứa theo tiêu chí lũ 9 .............................. 28 Hình 2-1: Lƣợng mƣa 3÷7 ngày lớn nhất thời kỳ 1990÷2012 tại Nghi Lộc ............ 32 Hình 2-2: Lƣợng mƣa 1, 2 và 3 ngày lớn nhất thời kỳ 1991÷2000 tại Hƣơng Khê . 33 Hình 2-3: Lƣợng mƣa 1, 2 và 3 ngày lớn nhất thời kỳ 2001÷2012 tại Hƣơng Khê . 34 Hình 2-4: Lƣợng mƣa 1, 2 và 3 ngày lớn nhất thời kỳ 1990÷2012 tại Hải Lăng ..... 35 Hình 2- 5: Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 1 ngày LN tại Nghi Lộc - Nghệ An ............. 41 Hình 2- 6: Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 24h LTLN tại Nghi Lộc - Nghệ An ............. 41 Hình 2- 7: Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 1 ngày LN tại Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ............. 41 Hình 2- 8: Đƣờng tấn suất lƣợng mƣa 24h LTLN tại Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ............ 42 Hình 2- 9: Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 1 ngày LN tại Đông Hà-Quảng Trị .............. 42 Hình 2- 10: Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 24h LTLN tại Đông Hà-Quảng Trị ........... 42
9. vii Hình 2- 11: Đƣờng quan hệ lƣợng mƣa 24h LTLN và mƣa 1 ngày LN tại Nghi Lộc ................................................................................................................................... 46 Hình 2- 12: Đƣờng quan hệ lƣợng mƣa 24h LTLN và mƣa 1 ngày LN tại Hƣơng Khê ............................................................................................................................ 46 Hình 2- 13: Đƣờng quan hệ lƣợng mƣa 24h LTLN và mƣa 1 ngày LN tại Đông Hà ................................................................................................................................... 47 Hình 2-14: Đƣờng phân bố lƣợng mƣa 24h liên tục lớn nhất chuẩn hóa trạm KTTV Vinh thời kỳ 1991÷2012 ........................................................................................... 48 Hình 2-15: Đƣờng cong tích lũy mƣa 24h liên tục lớn nhất chuẩn hóa trạm KTTV Vinh thời kỳ 1991-2012 ........................................................................ 49 Hình 2-16: Đƣờng phân bố lƣợng mƣa 24h liên tục lớn nhất chuẩn hóa trạm KTTV Hƣơng Khê thời kỳ 1990÷2012 ............................................................ 49 Hình 2-17: Đƣờng cong tích lũy mƣa 24h liên tục lớn nhất chuẩn hóa trạm KTTV Hƣơng Khê thời kỳ 1990÷2012 ................................................................................ 50 Hình 2-18: Đƣờng phân bố lƣợng mƣa 24h liên tục lớn nhất chuẩn hóa trạm KTTV Đông Hà thời kỳ 1991÷2012 ..................................................................................... 50 Hình 2-19: Đƣờng cong tích lũy mƣa 24h liên tục lớn nhất chuẩn hóa trạm KTTV Đông Hà thời kỳ 1990÷2012 ..................................................................................... 51 Hình 2-20: Đồ thị minh họa phân bố lệch chuẩn ...................................................... 53 Hình 2-21: Hình minh họa hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn chuẩn hóa............. 56 Hình 2-22: Lƣợng mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN tháng 10/1991, Vinh-Nghệ An ........................................................................................................... 58 Hình 2-23: Lƣợng mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN tháng 10/1991, Vinh-Nghệ An ............................................................................................ 58 Hình 2-24: Lƣợng mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN tháng 10/2010, Vinh-Nghệ An ........................................................................................................... 58 Hình 2-25: Lƣợng mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN tháng 10/2010, Vinh-Nghệ An ............................................................................................ 58
10. viii Hình 2-26: Phân bố lệch chuẩn mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN với phƣơng sai khác nhau - trạm KTTV Vinh-Nghệ An ................................................ 61 Hình 2-27: Phân bố lệch chuẩn mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN với phƣơng sai khác nhau - trạm KTTV Vinh-Nghệ An ............................... 62 Hình 2-28: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN tháng 7/1990- Hƣơng Khê-Hà Tĩnh .............................................................................................................. 64 Hình 2-29: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN tháng 7/1990- Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ................................................................................................. 64 Hình 2-30: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN tháng 10/2010- Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ................................................................................................. 64 Hình 2-31: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN tháng 10/2010-Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ................................................................................... 64 Hình 2-32: Phân bố lệch chuẩn mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN với phƣơng sai khác nhau - Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ........................................................... 65 Hình 2-33: Phân bố lệch chuẩn mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN với phƣơng sai khác nhau - Hƣơng Khê-Hà Tĩnh ......................................... 65 Hình 2-34: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN tháng 11/1990- Đông Hà-Quảng Trị .................................................................................................. 67 Hình 2-35: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN tháng 11/1990- Đông Hà-Quảng Trị ................................................................................................... 67 Hình 2-36: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN tháng 11/2010- Đông Hà-Quảng Trị ............................................................................................................ 67 Hình 2-37: Mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN tháng 11/2010- Đông Hà-Quảng Trị .................................................................................. 67 Hình 2- 38: Phân bố lệch chuẩn mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa đợt mƣa 24h LTLN với độ lệch chuẩn khác nhau - Đông Hà-Quảng Trị ................................................. 68 Hình 2-39: Phân bố lệch chuẩn mƣa thời đoạn 1h chuẩn hóa tích lũy đợt mƣa 24h LTLN với phƣơng sai khác nhau - Đông Hà-Quảng Trị .......................................... 68