Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình và phân tích một số nguyên nhân gây bồi lắng làm cơ sở khoa học cho việc quản lý bền vững hồ

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

94
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm nghiên cứu, đánh giá hiện trạng, diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình và phân tích một số nguyên nhân gây bồi lắng, làm cơ sở cho việc đề xuất một số giải pháp hạn chế bồi lắng, góp phần quản lý sử dụng bền vững hồ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình và phân tích một số nguyên nhân gây bồi lắng làm cơ sở khoa học cho việc quản lý bền vững hồ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------- ĐÁNH GIÁ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƯƠNG ĐỐI VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CỦA THÀNH PHỐ CẦN THƠ Nguyễn Thị Hồng Chiên - 18/01/2012) NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN BỒI LẮNG LÒNG HỒ HÒA BÌNH VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY BỒI LẮNG LÀM CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC QUẢN LÝ BỀN VỮNG HỒ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------------- Nguyễn Thị Hồng Chiên NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN BỒI LẮNG LÒNG HỒ HÒA BÌNH VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY BỒI LẮNG LÀM CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC QUẢN LÝ BỀN VỮNG HỒ Chuyên ngành : Khoa học Môi trường Mã số : 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC CHÍNH: TS. Nguyễn Thị Phương Loan NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PHỤ: PGS.TS. Dương Hồng Sơn Hà Nội - 2015 Hà Nội - 2015
Lời cảm ơn Tác gi xin ư c c ơ ến các thầy cô giáo và cán b nhân viên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Qu c gia Hà N i ã ạo mọi iều kiện thuận l i cho tác gi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành Khóa học. Tác gi ặc biệt xin gửi lời c ơ â ới các thầy giáo, cô giáo K oa ôi rường, các thầy cô trong b môn Sinh thái ã ấp các kiến thức khoa học về ôi rường và kiến thức các ngành khoa học khác, những kiến thứ ó sẽ tạo tiề ề cho tác gi trong quá trình nghiên cứu và công tác sau này. Với lòng kính trọng và biế ơ â ắc, tác gi xin gửi lời c ơ ới TS. Nguyễn Thị P ươ Loa , i viê K oa ôi rường - Trườ Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Qu c gia Hà N i, PGS.T . Dươ H ơ , P ó Viện rưởng - Viện Khoa họ K í ư ng Thủ vă v Biế ổi khí hậu ã iú ỡ tác gi ó ư c nhữ ưở ba ầu về ề tài ũ ư ro t quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Khóa luận. Cô và thầ ã l ô ủng h , ng viên và hỗ tr những iều kiện t t nhấ ể tác gi hoàn thành luận vă . Tác gi ũ xin gửi lời c ơ chân thành ến tập thể cán b công nhân viên chứ v ười lao ng của Trạm quan trắc ôi rường và Lắ ọng axít Hòa Bình, Trung tâm Nghiên cứ ôi rường, Viện Khoa họ K í ư ng Thủ vă và Biế ổi khí hậu ã ù tác gi trong su t các chuyến kh o sát thự ịa trên h và cho phép tác gi sử dụng các tài liệu, kết qu quan trắc vào trong luậ vă . Để hoàn thành ư c khoá luận này, tác gi ũ xi â ơ ự iú ỡ của ng nghiệp, sự ng viên và tạo mọi iều kiện của ia ì , ười thân và bạn bè. Hà N i, ngày 31 tháng 12 ă 5 TÁC GIẢ Nguyễn Thị Hồng Chiên
MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... i DANH MỤC BẢNG.................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... v MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 4 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................................ 4 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..................................................................... 4 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................... 6 1.1.3. Các công trình nghiên cứu tại khu vực nghiên cứu .......................................... 10 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu ....................................................................... 12 1.2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Đà ....................................................... 12 1.2.2. Điều kiện kinh tế xã hội ................................................................................... 18 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 22 2.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 22 2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 23 2.2.1. Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp ............................................................... 23 2.2.2. Phương pháp phân tích nhân quả và phân tích tổng hợp .................................. 24 2.2.3. Phương pháp đo đạc, khảo sát và thu thập, xử lý số liệu .................................. 25 2.2.3.1 .Đánh giá nhanh môi trường ........................................................................... 25 2.2.3.2. Đo và tính bồi lắng lòng hồ ........................................................................... 26 2.2.3.3. Phương pháp đo đạc tính toán xói mòn sườn dốc trên bãi thực nghiệm ....... 30 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.................................... 31 3.1. Đánh giá diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình theo không gian và thời gian..... 31 3.1.1. Kết quả tính toán bồi lắng của hồ Hòa Bình ..................................................... 31 3.1.2. Đánh giá diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình theo không gian và thời gian.. 32 3.1.2.1. Diễn biến bồi lắng lòng hồ theo thời gian...................................................... 32 3.1.2.2. Diễn biến bồi lắng lòng hồ theo không gian .................................................. 37 3.2. Nghiên cứu và phân tích một số nguyên nhân gây bồi lắng lòng hồ ................... 41 i
3.2.1. Lượng bùn cát gia nhập theo dòng chính sông Đà ........................................... 42 3.2.2. Lượng bùn cát gia nhập khu giữa ..................................................................... 44 3.2.2.1. Tác động của xói mòn, rửa trôi trên lưu vực ................................................. 44 3.2.2.2. Bùn cát từ các nhập lưu gia nhập khu giữa .................................................... 52 3.2.2.3. Đặc điểm địa hình lưu vực và hình thái của hồ ............................................. 52 3.3. Những tác động của bồi lấp lòng hồ đến môi trường và hoạt động tổ máy của Nhà máy thủy điện Hòa Bình ..................................................................................... 55 3.4. Một số giải pháp hạn chế bồi lắng và tăng tuổi thọ dung tích của hồ ................. 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 58 1. Kết luận ................................................................................................................... 58 2. Kiến nghị ................................................................................................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 60 PHỤ LỤC.................................................................................................................... 64 ii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Một số thông số của hồ chứa Hòa Bình ........................................................ 22 Bảng 2. Kết quả tính bồi lắng lòng hồ Hòa Bình (1990 - 2013).................................31 Bảng 3. Kết quả tính toán tỷ lệ bồi lắngtheo diện tích mặt cắt trong các giai đoạn vận hành hồ chứa Hoà Bình 1990 - 2013 ..........................................................................34 Bảng 4. Lưu lượng chất lơ lửng từ năm 2010 - 2014 .................................................44 Bảng 5. Tổng hợp kết quả quan trắc xói mòn đất (2005 - 2014) ................................ 45 Bảng 6. Biểu tổng hợp liên quan giữa lượng dòng chảy và xói mòn theo loại rừng và địa hình........................................................................................................................ 48 Bảng 7. Độ đục trung bình nhiều năm trên một số nhập lưu vào hồ Hòa Bình..........52 iii
DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ lưu vực hồ chứa Hòa Bình ...................................................................13 Hình 2. Sơ đồ vị trí các mặt cắt ngang hồ chứa Hòa Bình .........................................27 Hình 3. Sơ đồ đo bình đồ lòng hồ Hòa Bình .............................................................. 29 Hình 4. Sơ đồ đoạn sông, hồ có số liệu mặt cắt ngang ...............................................30 Hình 5. Biểu đồ diễn biến mức độ bồi lắng hồ Hòa Bình theo thời gian ................... 33 Hình 6. Biểu đồ mức độ bồi lắng lòng hồ Hòa Bình theo tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang giai đoạn 1990-1996 ...................................................................................................35 Hình 7. Biểu đồ mức độ bồi lắng lòng hồ Hòa Bình theo tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang giai đoạn (1996-2009) .................................................................................................35 Hình 8. Biểu đồ thể hiện mức độ bồi lắng lòng hồ Hòa Bình theo tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang (2009-2013) ................................................................................................ 35 Hình 9.Biểu đồ phân bố tổng lượng bồi lắng theo không gian dọc hồ (năm 2013) ...38 Hình 10. Biểu đồ thể hiện cao trình đáy hồ tại mặt cắt 44 năm 1990 - 2013 .............40 Hình 11. Biểu đồ thể hiện cao trình đáy hồ tại mặt cắt 37 năm 1990 - 2013 .............40 Hình 12. Biểu đồ thể hiện cao trình đáy hồ tại mặt cắt 22 năm 1990 - 2013 .............40 Hình 13. Biểu đồ thể hiện cao trình đáy hồ tại mặt cắt 19 năm 1990 - 2013 .............40 Hình 14. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi diện tích tại các mặt cắt (1990-2013) ............41 Hình 15. Biểu đồ mặt cắt dọc hồ Hòa Bình qua các thời kỳ (1990 - 2013) ...............41 Hình 16. Hiện tượng đốt nương làm rẫy trên lưu vực hồ ...........................................49 Hình 17. Hiện tượng sạt lở vùng bán ngập hồ Hòa Bình, tháng 6 - năm 2014 ..........54 iv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DT Diện tích mặt cắt KC Khoảng cách MC Mặt cắt PCLBTƯ Phòng chống lụt bão Trung ương QĐ Quyết định S Ký hiệu diện tích mặt cắt TTg Thủ tướng Vs Thể tích lần đo sau Vt Thể tích lần đo trước v
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Thủy điện Hòa Bình trên sông Đà là công trình thế kỷ, được xây dựng từ thập niên 70 của thế kỷ 20, gồm hai hạng mục chính là Nhà máy thủy điện và hồ chứa nước. Hồ chứa Hòa Bình là hồ chứa dạng sông, dài, hẹp, sâu. Trước khi có hồ thủy điện Sơn La, hồ chứa Hòa Bình từng giữ kỷ lục là có các loại dung tích tổng, dung tích hữu ích, dung tích phòng lũ lớn nhất, còn Nhà máy thủy điện thì giữ kỷ lục về công suất phát điện (1.920MW) với 8 tổ máy. Công trình thủy điện Hòa Bình được thiết kế phục vụ đa mục tiêu, bao gồm tích nước cắt lũ cho hạ lưu, cung cấp nguồn nước phục vụ sản xuất điện, cấp nước tưới cho nông nghiệp, cải thiện giao thông thuỷ và nuôi trồng thuỷ sản... Công trình đã đem lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội, đặc biệt sau khi đường dây tải điện 500KV Bắc - Nam hoàn thành đã cho phép dòng điện của Hòa Bình đi khắp mọi miền đất nước. Sự hiện diện của hồ chứa Hòa Bình cũng đồng thời tạo ra nhiều thay đổi trong đời sống kinh tế xã hội của cư dân, từ đó gây ra những tác động đáng kể đến quá trình hình thành dòng chảy và xói mòn trên lưu vực hồ. Việc đắp đập ngăn sông tạo hồ chứa đã làm thay đổi sâu sắc chế độ thủy văn - thủy lực của dòng sông Đà và sông Hồng. Tốc độ dòng chảy khi vào hồ bị giảm đột ngột, nước từ trạng thái động chuyển sang trạng thái tĩnh làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh, chất lượng nước và tổng lượng bùn cát trong hồ. Hồ Hòa Bình đã chính thức tích nước và điều tiết từ năm 1989 và dâng mực nước đến cao trình bình thường từ năm 1990. Đến nay, hồ đã hoạt động được 25 năm. Trong suốt quá trình hoạt động của hồ chứa Hòa Bình, việc đo đạc, quan trắc số liệu dòng chảy, dòng phù sa và đánh giá bồi lắng lòng hồ là hoạt động thường niên của Trạm Môi trường hồ chứa Hòa Bình (nay là Trạm quan trắc Môi trường và Lắng đọng axít Hòa Bình) thuộc Trung tâm Nghiên cứu Môi trường, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu. Theo kết quả đo đạc và tính toán, đã có khoảng hơn 1,4 tỷ m3 bùn cát bồi lắng tại lòng hồ [27]. Và đã có khá nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề bồi lắng lòng hồ Hòa Bình liên tục được triển 1
khai, công bố trong suốt quá trình hoạt động của hồ chứa. Tuy nhiên, những nghiên cứu trước đây mới chỉ xem xét, đánh giá từng giai đoạn hoạt động cụ thể của hồ mà chưa đánh giá được tổng thể mức độ bồi lắng lòng hồ theo không gian và thời gian, đặc biệt khi công trình thủy điện Sơn La đi vào hoạt động. Việc nghiên cứu diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình dựa trên chuỗi số liệu thực đo và phân tích một số nguyên nhân gây bồi lắng làm cơ sở khoa học cho việc quản lý bền vững hồ là rất cần thiết và cấp bách. Đó là cơ sở giúp các nhà nghiên khoa học đưa ra một số giải pháp quản lý và khai thác hồ chứa Hòa Bình, Sơn La và tương lai là hồ chứa Lai Châu một cách hiệu quả. Ngoài ra, với việc hồ chứa thủy điện Sơn La bắt đầu tích nước và điều tiết, chuỗi quan trắc dòng chảy và phù sa của hồ Hòa Bình cũng chịu tác động của các yếu tố mới, nên việc tổng hợp và nghiên cứu trên chuỗi số liệu đồng nhất của giai đoạn hồ Hòa Bình hoạt động không chịu ảnh hưởng của hồ Sơn La là cần thiết và kịp thời. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu - Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng, diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình và phân tích một số nguyên nhân gây bồi lắng, làm cơ sở cho việc đề xuất một số giải pháp hạn chế bồi lắng, góp phần quản lý sử dụng bền vững hồ. Phạm vi nghiên cứu Hồ chứa thủy điện Hòa Bình trên sông Đà, nằm trên địa phận hai tỉnh Hòa Bình và Sơn La. N i dung nghiên cứu và cấu trúc luậ vă Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu đặc điểm khí tượng thủy văn và hoạt động phát triển kinh tế xã hội vùng lòng hồ; - Phân tích, xác định diễn biến bồi lắng lòng hồ theo không gian và thời gian; - Phân tích một số nguyên nhân chính gây bồi lắng lòng hồ; - Đề xuất một số biện pháp hạn chế mức độ bồi lấp lòng hồ. Cấu trúc luận văn Mở đầu 2
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu bồi lắng hồ chứa tập trung giải đáp 2 vấn đề chính là: 1-Xác định lượng bùn cát bồi lắng và tốc độ bồi lắng theo thời gian vận hành hồ; 2-Nghiên cứu phân bố vật liệu bồi lắng theo không gian và thời gian... Để có được những phân tích, đánh giá cho các vấn đề nghiên cứu trong luận văn, tác đã tham khảo tổng quan một số các nghiên cứu trong nước và nước ngoài về vận chuyển bùn cát trong sông nói chung và bồi lắng trong các hồ chứa nói riêng. Trong đó, một số nghiên cứu liên quan đến luận văn như sau: “Sedimentation of rives, reservoirs and canals” K.G. Ranga Raju, Univesity of Roorkee, India đã nghiên cứu và đưa ra được một số phương pháp tính toán tải lượng bùn cát đến hồ và hiệu suất của hồ bằng các công thức kinh nghiệm. “Accumulation of sediment in reservoirs” T.Sumi, T.Hirose, Water storage, Transport and Distribution đã nhận định quá trình bồi lắng trong hồ chứa rất phức tạp, thay đổi phụ thuộc vào lượng bùn cát từ lưu vực, hàm lượng vận chuyển và loại bồi lắng. Bồi lắng làm giảm dung tích hiệu dụng, khả năng cấp nước, phòng lũ, phát điện, giao thông,… của hồ, việc mất dung tích có thể gây nên một số vấn đề ở cả thượng lưu và hạ lưu đập, như gây tác hại đến hệ sinh thái, cân bằng bùn cát, cán cân dinh dưỡng,... Các phương pháp quản lý bùn cát cho hồ chứa là một trong những phương pháp tiết kiệm và đáng quan tâm đối với việc cung cấp bùn cát cho hạ du. EP31A-0789 “Two-dimensional sediment transport modeling for reservoir sediment management: Reventazon River, Costa Rica” của Ian M Dubinski đã nghiên cứu sự phân bố trầm tích theo không gian, thời gian ở hồ chứa thuộc sông Reventazón, Costa Rica trong 40 năm hoạt động, theo các kịch bản bồi lắng khác nhau. Tổng lượng bùn cát đến được tính toán dựa vào lượng bùn cát lơ lửng tính toán và đo đạc được kết hợp với lượng bùn cát đáy, dựa vào phương trình của Wilcock và Crowe (2003). Nghiên cứu cho thấy sự tổn thất dung tích trữ dự kiến trong trường hợp không có quản lý bùn cát sẽ lên đến khoảng 35% tổng số và 33% 4
dung tích hoạt động trong khoảng thời gian 40 năm. Những tổn thất dung tích trữ dự báo là ít hơn đáng kể khi thực hiện xả rút toàn phần và một phẩn đã được mô phỏng. “Uncertainty analysis of reservoir sedimentation”, Jose D. Salas and Hyun- Suk Shin, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 125, No. 4, April, 1999 đã nghiên cứu, việc dự báo sự bồi tích của bùn cát trong hồ chứa là một vấn đề phức tạp, tính toán bồi lắng và tích tụ bùn cát hồ chứa có một số các nhân tố bất định xuất hiện liên quan đến lượng dòng chảy, lượng bùn cát đến, kích thước hạt trầm tích và khối lượng riêng, thành phần khoáng chất và vận hành hồ chứa... Trong nghiên cứu, mô phỏng Monte Carlo và lấy mẫu siêu lập phương La Tinh được sử dụng để định lượng các yếu tố bất định của bồi lắng hồ chứa hàng năm và lũy tích bồi lắng theo thời gian và đề xuất áp dụng cho hộ Kenny trên lưu vực sông White thuộc Colorado. “Surface erosion, sediment transport, and reservoir sedimentation”, Chih Ted Yang, Timothy J.Randle. Các tác giả đã xác định tỉ lệ xói mòn bề mặt lưu vực, vận chuyển bùn cát, lắng đọng và phân phối bùn cát trong hồ chứa đối với tuổi thọ của hồ chứa và giảm thiểu tác động tiêu cực của bồi lắng. Các phương trình mất đất kinh nghiệm tổng quát để xác định lượng xói đất nông nghiệp ở miền Đông Hoa Kỳ vẫn tồn tại những vấn đề trong các trường hợp tính toán khác. Phần lớn các mô hình ứng dụng tính toán xói mòn và bồi lắng là mô hình một chiều. Nghiên cứu đã cung cấp cách tiếp cận tổng hợp và hệ thống dựa trên những phương trình vận chuyển bùn cát đã thiết lập, lý thuyết tỉ lệ tổn thất năng lượng tối thiểu và mô hình của Cục cải tạo đất cho mô phỏng đất phù sa sông (GSTAS 2.0) “Deposition and simulation of sediment transport in the lower Susquehana river reservoir system” Robert A.Hainly et al đã mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát hạ lưu sông Susquehana, New York. Phía thượng lưu sông có 3 đập thủy điện là Safe Harbor (Hồ Clarice) và Holtwood (Hồ Aldred) ở miền nam Pennsylvania, và Conowingo (Conowingo Reservoir) ở miền bắc Maryland. Khoảng 259 triệu tấn phù sa đã được giữ lại trong ba hồ chứa. Dữ liệu lịch sử cho thấy rằng Hồ Clarke và Hồ Aldred đã đạt đến trạng thái cân bằng, và không còn lưu trữ trầm tích. So sánh dữ liệu cắt ngang từ Hồ Clarke và Hồ Aldred với dữ liệu từ hồ Conowingo cho thấy hồ Conowingo sẽ đạt trạng thái cân bằng trong vòng 20 đến 30 năm tới. Vì hồ chứa này 5
đầy trầm tích và tiệm cận cân bằng, lượng trầm tích vận chuyển đến vịnh Chesapeake sẽ tăng lên. Sự gia tăng đáng chú ý nhất sẽ diễn ra khi dòng phía trên xói trầm tích lắng đọng. Nghiên cứu đã sử dụng mô hình HEC-6 để mô phỏng quá trình bồi lắng tại các hồ, mô hình được sử dụng để hiệu chỉnh tải lượng bùn cát theo năm 1987, quá trình hiệu chỉnh được xây dựng với giả thiết với hiệu suất tối đa và phân phối kích thước hạt trầm tích tự nhiên. Luận văn “2 modelling of turbulent transport of cohesive sediments in shallow reservoirs” của JWL de Villiers năm 2006 đã nghiên cứu vận chuyển và nồng độ bùn cát lơ lửng trong các hồ chứa ở Nam Phi. Tác giả đã nghiên cứu và phát triển nhiều lý thuyết và phương trình để tính toán trạng thái cân bằng, vận chuyển bùn cát trong dòng chảy hỗn loạn cho vận chuyển bùn cát thô, đó là hiệu chỉnh phương trình khuếch tán hai chiều không ổn định bằng mô hình 2 chiều Mike 21C của Viện Thủy lực Đan Mạch dùng để mô phỏng diễn biến thủy lực và hình thái lòng trong sông. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Quy luật chung của quá trình bồi lắng hồ chứa kiểu đập chắn ngang sông, tương tự như hồ Hòa Bình, là lượng bồi lắng lớn nhất trong những năm đầu do nguồn phù sa sông bị giữ lại trong hồ (có thể dự báo được) và do nguồn vật liệu bổ xung từ quá trình tái tạo vùng bờ, đáy, xói mòn lưu vực mất rừng do bị chuyển đổi thành đất nông nghiệp hoặc bị khai thác chặt phá, cháy … (khó dự báo). Phân bố bồi lắng cũng có quy luật nhất định, đó là trong giai đoạn đầu bồi lắng xảy ra mạnh phần thượng lưu hồ, với cấp hạt bồi lắng nhỏ dần từ cửa hồ về xuôi, bồi lắng có tác động là trơn dần các địa hình khúc khuỷu vùng đáy và hình thành một nêm bồi tích nổi rõ trên nền đáy, kéo dài đến khoảng giữa hồ, nơi mặt cắt ngang rộng nhất và có thể cao đến trên mực nước chết trong những năm đầu hoạt động. Nêm bồi lắng này sẽ dần dịch chuyển về chân đập trong những năm sau do vật liệu bồi lắng trên sườn nêm bị trượt, di đẩy về phía trán nêm. Nhờ đó vùng nước gần chân đập được bảo toàn dung tích chết và độ sâu trong thời gian dài, nước hồ hầu như rất trong, không ảnh hưởng đến hoạt động của tua bin thủy điện, nhưng không tốt cho cân bằng bùn cát hạ lưu và cung cấp dinh dưỡng cho thủy sinh và phù sa cho nông nghiệp. 6
Đã từ lâu, Việt Nam có khá nhiều công trình nghiên cứu khoa học về vấn đề bồi lắng hồ chứa bao gồm: xác định dung tích chết của các hồ chứa thủy lợi - thủy điện, các phương pháp tính toán bồi lắng hồ chứa và một số mô hình toán một chiều, hai chiều để tính toán và dự báo tốc độ bồi lắng hàng năm cho hồ chứa. Một số công trình nghiên cứu tại một số hồ chứa mà tác giả đã tham khảo là: Nguyễn Kiên Dũng, Cao Phong Nhã, Viện Khí tượng Thủy văn (2005) [16] đã sử dụng mô hình HEC-6 để đánh giá hiện trạng và dự báo diễn biến bùn cát hồ chứa Thác Bà, kết quả cho thấy: Dung tích còn lại của hồ Thác Bà sau 30 năm vận hành vào khoảng 94-95% dung tích ban đầu, ước tính lượng bùn cát đi vào hồ tính đến vị trí đập trung bình nhiều năm theo phương pháp triết giảm theo diện tích là 5,89 x 106m3 và dự báo sau 50 năm vận hành tiếp theo (tính từ năm 2001) tổng lượng bùn cát bồi lắng là 225,87 x 106m, lượng bồi lắng trong phần dung tích chết là 107,10 x 106m3 (chiếm 47,42 % tổng lượng bồi lắng sau 50 năm hồ hoạt động). Kết quả này có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo cần thiết cho công tác vận hành hồ, đặc biệt trong bối cảnh các hồ Na Le, Bắc Hà sắp được xây dựng tạo nên hệ thống thủy điện bậc thang trên sông Chảy. Cao Đăng Dư và Nguyễn Kiên Dũng “Tính toán bồi lắng hồ chứa Sơn La” [12] đã sử dụng phương pháp cân bằng lượng phù sa qua hồ đối với hồ chứa Sơn La. Lượng phù sa chuyển đến hồ từ lưới sông được tính toán dựa trên kết quả đo đạc từ các trạm thủy văn, lượng phù sa gia nhập được tính bằng lượng xói mòn từ diện tích đất dốc hai bờ đổ vào hồ chứa, lượng phù sa tháo ra khỏi hồ được tính toán theo phương pháp Churchill và Brune. Các tác giả đã ước tính được lượng phù sa tháo ra trong quá trình vận hành bằng khoảng 7% lượng phù sa lơ lửng đổ vào hồ hàng năm. Công ty Tư vấn điện I - Tổng công ty điện lực Việt Nam (2005) “Tính toán nước dềnh và hồ chứa thủy điện Sơn La” [8] trong Dự án thuỷ điện Sơn La đã sử dụng mô hình HEC-6 để mô phỏng quá trình thủy lực và bùn cát trong hồ chứa và cho ra kết quả: trong những năm đầu vận hành hồ chứa thuỷ điện Sơn La, chưa có quá trình bồi lắng, khi xảy ra lũ tần suất p=1% trên toàn bộ lưu vực sông Đà thì mực nước cao nhất tại tuyến Pa Vinh là 215m, trạm Quỳnh Nhai cách tuyến Pa Vinh 72,3km là 215,12m, trạm Lai Châu cách Pa Vinh 151,7km là 215,75m, Nậm Nhùn là 7
217,21m. Như vậy sau khi hồ chứa thuỷ điện Sơn La được vận hành khi có lũ p=1% thì mực nước cao nhất hồ chứa Sơn La tại chân đập Lai Châu tuyến Nậm Nhùn là 217,21m. Dự báo khi có lũ tần suất 1% xảy ra: sau 30 - 50 năm vận hành hồ chứa Sơn La, mực nước tại Quỳnh Nhai là 215,16m dềnh 4cm-5cm, tại Lai Châu 218,05m dềnh 2,28m-2,30m và tại Nậm Nhùn 221,18m dềnh 3,97m- 4,07m và sau 100 năm mực nước tại Quỳnh Nhai là 215,81m dềnh 0,59m, tại Lai Châu là 227,69m dềnh 9,94m-11,97m và tại tuyến Nậm Nhùn là 229,96m dềnh 12,75m- 15,60m so với thời điểm ban đầu. “Thiết kế kỹ thuật Thủy điện A Lưới” sử dụng mô hình HEC-6 để tính toán bồi lắng và nước dâng hồ chứa thuỷ điện A Lưới và đã xác định tổng dung tích, sự phân bố của dung tích phù sa bồi lắng theo từng cấp mực nước dâng hồ chứa, theo thời gian vận hành; dự báo quá trình diễn biến lòng hồ, đường nước dềnh hồ chứa ứng với các phương án mực nước dâng bình thường khi có lũ với tần suất p=1% theo không gian và thời gian vận hành hồ chứa và xác định quá trình bùn cát xả xuống hạ lưu tuyến đập. Lương Văn Thanh (2007) [24] sử dụng số liệu đo đạc khí tượng thủy văn và bùn cát từ năm 1995 đến 2002 và mô hình hai chiều để mô phỏng chế độ thủy lực và khả năng bồi lắng của hồ Trị An, dựa vào kết quả tính toán xây dựng bản đồ phân vùng mức độ bồi lắng lòng hồ, từ đó đánh giá khả năng bồi lắng theo từng giai đoạn trong năm và dự đoán được khả năng nâng cao lòng hồ theo thời gian do ảnh hưởng của bồi lắng để có một kế hoạch quản lý vận hành, duy tu và bảo dưỡng hồ hợp lý và an toàn. Tác giả đã tính được có khoảng 25  30% diện tích đáy lòng hồ sẽ bị bồi lắng đáng kể hàng năm, hiện tượng bồi lắng chủ yếu xảy ra trong hồ chính và một phần đầu hồ và không có ảnh hưởng lớn đến cơ chế vận chuyển nước từ hồ chính sang hồ phụ, trong hồ phụ đáp ứng yêu cầu cấp nước cho các tổ máy phát điện của nhà máy điện. Kết quả dự báo bồi lắng lòng hồ Trị An (với điều kiện hiện trạng về thuỷ văn, sử dụng đất, thảm phủ rừng đầu nguồn tương tự như thời điểm tính toán): Sau 10 năm, khu vực có bề dày lớp bồi lắng > 50cm chỉ chiếm khoảng 2,9% diện tích đáy hồ và chưa gây ra sự cản trở đáng kể đối với quá trình tích nước và sự vận chuyển của nước trong hồ, các luồng vận chuyển chính của dòng nước trong hồ 8
không bị ảnh hưởng; sau 50 năm, lòng hồ sẽ thay đổi phần đầu và bên trái hồ chính, còn phần hạ du và bên phải hồ chỉ thay đổi rất ít, có vài khu vực, bề dày lớp bồi tích lên đến 3m và có khoảng 30% diện tích đáy hồ bị bồi tích dày hơn 1m. Quá trình bồi lắng của khu vực đầu hồ thường xảy ra dưới dạng bờ hồ lấn ra lòng hồ thì sự bồi lắng trong lòng hồ chính chủ yếu xảy ra vùng xa bờ, đáy vùng ven bờ của vùng đầu sẽ lấn ra luồng chảy hàng trăm mét, vùng hồ chính sẽ xuất hiện các bãi bồi ngầm. Ngô Lê Long (2012) [18] đã nghiên tính toán được trung bình hồ Núi Cốc mỗi năm bị bồi 520.000m3, tạo lớp bùn cát bồi lắng trung bình năm là 0,02m/năm và dùng công thức của Borland Miller đã dự báo được: sau 25 năm vận hành, lượng bùn cát bồi lắng tại lòng hồ là 12,7 triệu m3; sau 60 năm vận hành, cao trình đáy hồ trước đập là 33m và khi hồ bị bồi vượt cao trình 34m thì lượng bùn cát sẽ lấp dần cửa cống lấy nước, việc lấy lưu lượng bình quân Qbq = 15m3/s qua cửa cống là rất khó. Lê Quang Linh (2012) [17] đã phân tích cơ sở khoa học và khả năng áp dụng một số giải pháp công trình, phi công trình và quản lý vận hành nhằm hạn chế bồi lắng, tăng tuổi thọ dung tích hữu ích, kéo dài thời gian vận hành hồ chứa và làm sống lại các hồ đã bị bồi lấp. Các biện pháp đề xuất đều tập trung vào 3 mục tiêu chính sau: 1-Giảm thiểu và hạn chế khả năng tạo thành dòng chảy bùn cát; 2-Hạn chế dòng chảy bùn cát xâm nhập vào hồ; 3-Đưa bùn cát ra khỏi hồ. Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Môi trường (2014) [33] đã ứng dụng 3 mô hình trong tính toán, dự báo bồi lắng hồ Tuyên Quang gồm: 1-Mô hình SWAT tính toán lượng bùn cát hiện trạng đến hồ và dự báo đến năm 2050; 2-Mô hình Mike 11 xác định và dự báo bồi lắng dọc sông; 3-Mô hình Mike 21 xác định phân bố bùn cát bồi lắng theo không gian và cho ra kết quả tính toán như sau: đến năm 2050, tổng lượng bùn cát lơ lửng đổ đến là 189,47 triệu tấn và nếu lượng bùn cát đáy bằng 40% lượng bùn cát lơ lửng thì tổng lượng bùn cát đổ vào hồ khoảng 265 triệu m3, trung bình 6,6 triệu m3/năm, trong đó lượng bùn cát gia nhập hồ từ thượng lưu Nà Vuồng chiếm đến 71%, sông Ma chiếm 16%, sông Năng chiếm 3%, các sông khác chiếm 10%. Tổng lượng bùn cát hàng năm gia nhập hồ Tuyên Quang qua các thời kỳ (trung bình 10 năm) gia tăng khoảng 14%. Sau 40 năm vận hành, tổng lượng bồi lắng 144 triệu m3, trung bình là 3,6 triệu m3/năm và xét phân bố theo không gian: khu vực bồi 9
khá mạnh từ mặt cắt 45 đến 20, cao trình đáy tăng đến 28m; Khu vực bồi lắng mạnh nhất từ mặt cắt 35 đến 25 cách đập khoảng 40- 60km về phía thượng lưu (thuộc hạ lưu tam giác châu); Khu vực bồi ít từ mặt cắt 24 đến 1, cao trình đáy hồ không thay đổi nhiều. Chênh lệch cao trình đáy khoảng từ 20 đến 30m 1.1.3. Các công trình nghiên cứu tại khu vực nghiên cứu Liên quan đến bài toán thiết kế và nghiên cứu bồi lắng cho hồ Hòa Bình, chúng ta đã nhận được sự hỗ trợ tích cực từ Nhà nước và các nhà khoa học thuộc Liên Xô cũ. Khi dự án bắt đầu được hình thành, đã có khá nhiều công trình trong nước và Quốc tế nghiên cứu cho dự án. Việt Nam cũng đã tích lũy được những kinh nghiệm nhất định từ việc nghiên cứu dòng chảy và xói mòn lưu vực, bồi lắng các hồ chứa thủy lợi... Nghiên cứu đầu tiên về vấn đề bồi lắng hồ chứa Hòa Bình là của Viện thiết kế thủy công Mátxcơva (1974) [2], sử dụng mô hình toán với bước tính 05 ngày trong mùa lũ, cho kết quả dự báo hồ sẽ bị bồi lấp đến cao trình 85m sau 60 năm vận hành. Lượng bồi hàng năm trung bình là 60 triệu m3/năm. Vi Văn Vị, Phạm văn Sơn, Trần Bích Nga (1985) [31] đã nghiên cứu vấn đề xói mòn sườn dốc lưu vực đe dọa tăng bồi lấp lòng hồ Hòa Bình giai đoạn đầu và ước tính được lượng cát bùn gia nhập khu giữa của hồ Hòa Bình là 1,0 triệu tấn/năm. Cao Đăng Dư (1992) [6] đã sử dụng mô hình USLE nghiên cứu xói mòn lưu vực hồ Hòa Bình, xác định lượng bùn cát gia nhập khu giữa là 1,92 triệu tấn/năm, đồng thời nghiên cứu bùn cát di đáy qua Tạ Bú bằng một số công thức khác nhau và đi đến kết luận lượng bùn cát di đáy bằng 30% lượng bùn cát lơ lửng. Nguyễn Kiên Dũng, Trần Văn Quyết (1998) [13] sử dụng bộ số liệu khảo sát của Viện Khí tượng Thủy văn đã tính được lượng bùn cát bồi lắng lòng hồ Hòa Bình thời kỳ 1990 - 1995 là 60 triệu m3/năm, bùn cát di đáy qua cửa vào Tạ Bú bằng 30 % bùn cát lơ lửng. Nguyễn Kiên Dũng, Trần Thục (1999) [14] đã sử dụng mô hình toán với bước tính 01 tháng tính lượng bồi lắng bùn cát lòng hồ Hòa Bình và đưa ra kết quả là trung bình bồi lắng 60 triệu m3/năm. 10
Mai Văn Biểu, Vũ Đình Hòa (1998) [4] đã sử dụng bộ số liệu khảo sát của Viện Khí tượng Thủy văn thời kỳ 1990 - 1998 và tính được tốc độ bồi lắng sau 8 năm đầu tích nước của hồ Hòa Bình trung bình là 69,4 triệu m3/năm. Nguyễn Kiên Dũng (2002) [15] đã sử dụng mô hình toán một chiều HEC-6 tính bồi lắng lòng hồ Hòa Bình trước và sau khi có hồ thủy điện Sơn La, và đã nhận được các kết quả như sau: Trong trường hợp không có hồ thủy điện Sơn La, diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình như sau: Thời kỳ tích nước 1992 - 2000 bồi 62,5 triệu m3/năm; thời kỳ 2001 - 2020 bồi 57,1 triệu m3/năm; thời kỳ 2021 - 2040 bồi 54,2 triệu m3/năm; thời kỳ 2041 - 2060 bồi 51,7 triệu m3/năm; thời kỳ 2061 - 2080 bồi 46,5 triệu m3/năm và trung bình cả thời kỳ 1992 - 2080 lượng bồi lấp lòng hồ Hòa Bình là 54,5 triệu m3/năm, nghĩa là sau 75 năm vận hành, đến năm 2065, lượng bùn cát bồi lắng trong hồ gần bằng dung tích chết. Trong trường hợp hồ thủy điện Sơn La xây đập thấp 215m, diễn biến bồi lắng lòng hồ Hòa Bình như sau: thời kỳ 2021 - 2040 bồi 16,4 triệu m3/năm; thời kỳ 1992 - 2160 bồi 26,7 triệu m3/năm và sau 160 năm vận hành, đến năm 2150, lượng bùn cát bồi lắng trong lòng hồ gần bằng dung tích chết, thời gian hoạt động hiệu quả của hồ Hòa Bình tăng gấp hai lần so với không có công trình thủy điện Sơn La. Trong trường hợp công trình thủy điện Sơn La có đập cao 265m, tốc độ bồi lắng hồ Hòa Bình trung bình thời kỳ 1992 - 2240 là 14,1 triệu m3/năm và sau 250 năm vận hành, đến năm 2240, lượng lượng bùn cát bồi lắng trong hồ gần bằng dung tích chết, thời gian hoạt động có hiệu quả của hồ tăng gấp ba lần so với không có công trình thủy điện Sơn La. Nguyễn Thị Hồng Chiên và nnk (2008) [5] sử dụng bộ số liệu thực đo của Trạm môi trường và Lắng đọng axít Hòa Bình giai đoạn 1989 - 2007 đã tính được tốc độ bồi lắng sau 19 năm là 65,8 triệu m3/năm. Như vậy, các nghiên cứu trên đã tính toán, dự báo mức độ bồi lắng hàng năm của hồ Hòa Bình trung bình từ 60 - 66 triệu m3/năm, lượng bùn cát gia nhập khu giữa dao động từ 1,0 - 1,92 triệu tấn/năm và lượng bùn cát di đáy tại cửa vào trạm Tạ Bú bằng 30% tổng lượng bùn cát lơ lửng. 11
Có thể thấy việc nghiên cứu bồi lắng lòng hồ dựa vào số liệu đo đạc thủy văn hay dùng mô hình toán cho kết quả tính lượng bồi lắng trung bình năm không hoàn toàn trùng khớp nhau. Chưa có cơ sở để khẳng định độ tin cậy vượt trội của bất kỳ kết quả nào và các nhà nghiên cứu luôn kỳ vọng vào việc theo thời gian các quá trình trên lưu vực và trong lòng hồ trở nên ổn định hơn thì việc tính toán sẽ cho kết quả có độ tin cậy cao hơn. Tuy nhiên, với việc hồ chứa Sơn La đã tích nước và điều tiết đến cao trình mực nước dâng bình thường được 4 năm, chuỗi số liệu đo đạc bồi lắng lòng hồ Hòa Bình khi hồ hoạt động độc lập không thể kéo dài hơn. Đồng thời số liệu đo đạc bồi lắng lòng hồ Hòa Bình khi có sự hoạt động của hồ Sơn La cũng đã thu được kết quả. Vì vậy, việc sử dụng bộ số liệu hiện có này để tính toán bồi lắng lòng hồ Hòa Bình là một việc làm cần thiết mà tác giả của luận văn đặt ra trong công trình nghiên cứu của mình. Việc được sử dụng chuỗi số liệu khảo sát bồi lắng lòng hồ tương đối dài và mang tính đại diện cho các thời kỳ hoạt động của hồ, là điều kiện thuận lợi cho phép tác giả luận văn nghiên cứu diễn biến mức độ bồi lắng của hồ Hòa Bình qua các thời kỳ hoạt động của hồ, tác giả đồng thời đã nghiên cứu phân tích một số nguyên nhân gây phát sinh bồi lắng và bước đầu đánh giá ảnh hưởng do hoạt động tích nước của hồ chứa thủy điện Sơn La đến lượng bồi lắng bùn cát lòng hồ hồ Hòa Bình. Để có cơ sở khoa học cho việc đề xuất một số giải pháp hạn chế gây phát sinh bồi lắng lòng hồ. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ kiểm chứng cho các nghiên cứu trước đây về mức độ bồi lắng hồ Hòa Bình. 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu Vị rí ịa lý của h Hòa Bình Hồ chứa Hòa Bình nằm trên sông Đà, một phụ lưu chính của sông Hồng, chạy dài trên địa phận hai tỉnh Hòa Bình và Sơn La. Hồ có tọa độ địa lý từ 20o48’30” vĩ độ Bắc, 105o19’26” kinh độ Đông đến 21o19’43” vĩ độ Bắc, 103o54’52” kinh độ Đông. 1.2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Đà a) Đặ iểm hệ th ng sông su i lư vự ô Đ 12