Xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ hồ chứa nước vực mấu tỉnh Nghệ An
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ VẬN HÀNH KHẨN CẤP KI ỂM SOÁ T LŨ
HỒ CHỨA NƯỚC VỰC MẤU TỈNH NGHỆ AN
Nguyễn Đăng Giáp, Nguyễn Tài Trí
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển
Tóm tắt: Vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ cần đạt hai mục tiêu chính là bảo đảm an toàn đập và
hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại có thể vùng hạ lưu. Vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ có hiệu
quả thường được dựa vào biểu đồ vận hành khẩn cấp. Biểu đồ vận hành khẩn cấp được biểu
diễn dưới dạng họ các đường cong quy tắc. Các đường cong này biểu diễn lưu lượng xả của hồ
chứa là hàm của trạng thái hồ (thường là dòng chảy đến hồ và mực nước hồ). Biểu đồ vận hành
khẩn cấp không phụ thuộc vào kết quả dự báo lượng mưa và dự báo lưu lượng đến hồ chứa và
điều kiện lũ hạ lưu hoặc các dữ liệu khác. Các biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ hướng
dẫn người vận hành hoạt động trong điều kiện khẩn cấp. Cơ sở lý thuyết của phương pháp xây
dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ và kết quả áp dụng cho hồ chứa Vực Mấu, tỉnh
Nghệ An được trình bày trong bài báo này.
Từ khóa: Vận hành khẩn cấp, kiểm soát lũ hồ chứa, an toàn hồ chứa, hồ chứa Vực Mấu
Summary: Emergency operation for flood control to achieve two main objectives that are to
ensure dam safety and protection for downstream as possible. Emergency operation for effective
flood control often rely on emergency operation chart. Emergency operation chart is a family of
curve rule . The curves represented the discharge of lake water as a function of the state of the
lake (usually inflow and the reservoir water level). Emergency operation chart is not dependent
on rainfall forecasting results and forecasting inflow, on downstream flood conditions or other
condition . The Emergency operation chart guides action of operator in emergency conditions .
Scientific basis of graph construction methods and Emergency operation chart applies to Vuc
Mau reservoir is presented in this paper
Key words: Emergency operation, Flood control reservoir, Safe reservoirs.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
chúng hoàn toàn phụ thuộc vào dung tích còn
trống của hồ chứa có đủ khả năng để chứa
tổng lượng lũ trong tương lai hay không.
Vận hành hồ chứa kiểm soát lũ là giải pháp
vận hành trên cơ sở thu được lợi ích lớn nhất
từ sử dụng dung tích hồ chứa trong một trận Vận hành trong trường hợp bình thường khi
lũ. Mục tiêu chính của vận hành kiểm soát lũ dung tích còn trống hoàn toàn đủ khả năng
là giảm thiểu thiệt hại do lũ ở hạ du, đồng thời chứa tổng lượng lũ, ngược lại khi dung tích
đảm bảo chắc chắn rằng dung tích trữ tối đa còn trống không đủ khả năng chứa tổng
của hồ chứa không bao giờ vượt quá giới hạn lượng dòng chảy lũ đến trong tương lai thì
cho phép. Có hai trường hợp vận hành kiểm hồ chứa sẽ được chuyển sang trường hợp vận
soát lũ hồ chứa riêng biệt là bình thường và hành khẩn cấp.
khẩn cấp được sử dụng thay đổi lẫn nhau,
Trong trường hợp vận hành bình thường, mục
đích chính khi vận hành hồ chứa là giảm thiểu
thiệt hại cho vùng hạ du. Do đó, các quyết
định đưa ra hoàn toàn tùy thuộc vào điều kiện
Ngày nhận bài: 08/11/2017
Ngày thông qua phản biện: 22/9/2017
Ngày duyệt đăng: 8/12/2017
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
1
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
dàng buộc ở hạ du, ở các hồ chứa có dung tích đủ khả năng để chứa tổng lượng dòng chảy
phòng lũ thì dung tích này đủ khả năng để của các con lũ vừa và nhỏ. Cùng với điều kiện
chứa các trận lũ thường xuyên xảy ra và tổng lượng chảy đến không được lớn hơn dung
trường hợp vận hành bình thường là chủ yếu.
tích trống hiện tại, lưu lượng xả khỏi hồ chứa
được quyết định dựa vào khả năng thoát lũ lớn
nhất tại điểm khống chế ở hạ du. Trong điều
kiện vận hành bình thường khi có lũ, lượng
nước khỏi hồ được quyết định sao cho dung
tích trống phải bảo đảm chứa gọn con lũ. Khi
có mưa lớn hoặc lượng mưa dự báo lớn, các
cửa xả lũ được đóng đến khi lũ chưa đạt đỉnh
và mực nước điểm kiểm soát hạ lưu dưới mực
nước khống chế. Đối với hệ thống hồ chứa,
lượng nước xả không lớn hơn khả năng thoát
lũ tại điểm khống chế chung ở hạ lưu. Lưu
lượng xả được quyết định dựa trên nguyên tắc
bảo đảm dung tích chứa lũ tương đương của
mỗi hồ chứa. Quyết định lưu lượng xả còn phụ
thuộc vào phân bố dòng chảy vùng không
kiểm soát. Đối với các điểm khống chế xa hồ
chứa, có thể dòng chảy vùng không kiểm soát
chiếm một phần đáng kể khả năng thoát lũ của
dòng sông. Bất kỳ khi nào có lũ, nếu lũ lớn
xảy ra trong khi dung tích trống của hồ chỉ có
hạn và không chứa được tổng lượng lũ, vận
hành hồ chứa sẽ chuyển sang chế độ vận hành
khẩn cấp.
Tuy nhiên, khả năng xảy ra một trận lũ lớn là
hiện hữu trong điều kiện hiện nay. Khi đó tổng
lượng lũ đến vượt quá khả năng chứa của hồ
chứa, đe dọa đến an toàn của công trình. Do
vậy, cần thiết phải xây dựng biểu đồ vận hành
khẩn cấp. Mục tiêu chính trong trường hợp
vận hành khẩn cấp là đảm bảo an toàn đập.
Vi ệc xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp sẽ là
một công cụ quan trọng giúp người vận hành
ra quyết định vận hành xả lũ với lưu lượng là
bao nhiêu, trong thời gian bao lâu nhằm đảm
bảo an toàn đập trong trường hợp có lũ lớn hay
trong các tình huống khẩn cấp.
Phương pháp xây dựng biểu đồ vận hành hồ
chứa trong trường hợp khẩn cấp được đề xuất
bởi USACE (1959). Với dung tích hồ chứa
còn trống cho trước, lưu lượng xả lũ được xác
định dựa vào kết quả tính toán dự báo tổng
lượng dòng chảy lũ đến hồ từ thời điểm vận
hành đến thời điểm kết thúc lũ. Tổng lượng
dòng chảy đến hồ có được khi giả thiết rằng
đường quá trình lưu lượng dòng chảy đến đạt
đỉnh và tổng lượng dòng chảy được tính theo
nhánh suy giảm của con lũ.
2.2. Trường hợp khẩn cấp
Vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ được thực
hiện dựa trên biểu đồ vận hành khẩn cấp. Biểu
2. VẬN HÀNH KIỂM SOÁT LŨ HỒ CHỨA
Các biến số chủ yếu tác động đến vận hành hồ đồ vận hành khẩn cấp được biểu diễn dưới
chứa kiểm soát lũ là: Dung tích còn trống tại dạng họ các đường cong qui tắc. Các đường
thời điểm hiện tại và tổng lượng dự kiến dòng cong này biểu diễn lưu lượng xả của hồ chứa
chảy đến trong tương lai. Mặc dù dung tích là hàm của trạng thái hồ. Biểu đồ vận hành
khẩn cấp không phụ thuộc vào kết quả dự báo
lượng mưa, dòng chảy đến và điều kiện lũ hạ
lưu hoặc các dữ liệu khác. Các biểu đồ vận
hành khẩn cấp hướng dẫn người vận hành ra
quyết định trong điều kiện khẩn cấp. Biểu đồ
vận hành khẩn cấp rất thuận tiện khi thông tin
bị gián đọan, khi tại đập hoàn toàn bị cô lập,
khi kết quả dự báo dòng chảy đến có sai số lớn
so với thực tế. Đối với các lưu vực sông nhỏ
khi mà khoảng thời gian phản ứng và thời gian
còn trống luôn biết trước nhưng tổng lượng dự
kiến dòng chảy đến hồ chứa luôn luôn là một
yếu tố bất định.
2.1. Trường hợp bình thường
Nguyên tắc vận hành kiểm soát lũ hồ chứa
trong trường hợp bình thường là làm giảm
mực nước gây thiệt hại tại điểm khống chế ở
hạ lưu khi có lũ đơn, với điều kiện dung tích
trống của hồ chứa cho trước. Dung tích trống
2
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
dự kiến dự báo rất ngắn thì việc sử dụng thông (2004), đề xuất biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm
tin thu thập tại hồ rất quan trọng và có thể thực soát lũ dựa vào tính toán mạo hiểm. Hình sau là
hiện được. Ưu tiên số một khi vận hành lũ biểu đồ vận hành khẩn của USACE.
khẩn cấp là bảo đảm mực nước không được
vượt quá cao trình cho phép khi thiết kế đập.
Quyết định lưu lượng xả chỉ phụ thuộc vào
trạng thái của hồ chứa mà không dựa vào điều
kiện ở hạ lưu, vì vậy mực nước hạ lưu có thể
vượt cao độ một số vị trí. Cơ sở của vận hành
khẩn cấp là xả lũ với lưu lượng tương đối lớn
trước khi hồ chứa bị đầy sẽ có lợi thế hơn
nhiều so với cách đợi đến khi hồ đầy rồi mới
xả lũ. Vận hành xả nước đón lũ được nghiên
Hình 1. Biểu đồ vận hành khẩn cấp
cứu bởi (Seth 1998) Trong khi mục tiêu số 1
vận hành khẩn cấp là bảo đảm an toàn đập,
mục tiêu số 2 vận hành khẩn cấp là giảm thiểu
thiệt hại nhiều nhất có thể vùng hạ lưu.
theo USACE
3.2. Các bước xây dựng biểu đồ vận hành
khẩn cấp
3. XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ̀ VẬN HÀNH
KHẨN CẤP - PHƯƠNG PHÁP US ACE
Xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp được
USACE giới thiệu năm 1959 và bổ sung chỉnh
sửa năm 1987 gồm các bước như sau:
3.1. Phương pháp xây dựng biểu đồ vận
hành khẩn cấp
+ Bước 1: Xác định hằng số suy giảm lưu
lượng lũ
Biểu đồ vận hành khẩn cấp được xây dựng dựa
trên kết quả ước tính tổng lượng dòng chảy đến
nhỏ nhất tính từ thời điểm tính toán cho tới thời
điểm kết thúc con lũ đơn. Tổng lượng dòng
chảy đến được ước tính khi giả thiết rằng lũ đạt
đỉnh ở thời điểm tính toán và tính tổng lượng
dòng chảy đến dựa vào quy luật suy giảm lưu
lượng nhánh xuống của con lũ. Sự suy giảm lưu
lượng nhánh xuống đường quá trình lũ được
tính dựa vào tốc độ suy giảm lưu lượng không
đổi của nhánh xuống. Sau khi tính được tổng
lượng dòng chảy đến nhỏ nhất (khi biết lưu
lượng dòng chảy đến và lưu lượng dòng ra cho
trước), lấy dung tích hồ lớn nhất trừ đi tổng
lượng dòng chảy đến nhỏ nhất ta có dung tích
hồ lúc khởi đầu sự suy giảm lưu lượng. Từ đó
ta có mực nước lúc bắt đầu suy giảm lưu lượng.
Mực nước này được xác định dựa vào quan hệ
tương quan giữa dung tích và mực nước hồ
chứa. Một họ các đường cong quy tắc
Qxả=f(Qđế n, Zhồ) tạo thành biểu đồ vận hành
khẩn cấp lũ (Beard 976). Rivera-Ramirez
Quá trình suy giảm lưu lượng nhánh xuống
được xác định bằng phương trình:
Qt = Q0 k t
(1)
Trong đó:
Q0 : Lưu lượng xuất hiện ban đầu
Qt : Lưu lượng tại thời điểm t kể từ khi Q = Q0
Kt : Hằng số suy giảm lưu lượng
Với thời gian giới hạn T = t và T = ∞, có trữ
lượng nước (W)
(2)
Từ đó:
(3)
Từ phương trình (3) có thể thấy rằng tổng
lượng nước trữ và lưu lượng là tỷ lệ với nhau
và tỷ số giữa chúng là không đổi.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
3
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
(4)
(7)
Trong đó: M(t) dòng chảy đến, N(t) dòng
chảy ra
Ts là đơn vị thời gian, Ts là một tham số mô tả
nhánh xuống con lũ.
Từ đó liên quan đến Ts bằng phương trình:
Nếu t là thời gian cần thiết cho việc xả giảm từ
Q1 vào thời điểm T1 đến Q2 tại thời điểm T2 thì
(8)
, Công thức (4) có thể được viết
Thay thế giá trị t trong công thức (6) vào (8) ta
có :
dưới dạng sau:
(9)
(5)
+ Bước 3: Tính mực nước hồ ban đầu trước
khi suy giảm lưu lượng theo công thức:
Phương trình (5) có thể được viết lại như sau:
(6)
WI = Wmax – Wmin
(10)
Trong đó : Wmax là dung tích cho phép lớn
nhất hồ chứa
Từ phương trình (6) ta thấy Ts = T2 - T1 khi và
chỉ khi ln
Từ (*) cho biết khi ln
. Do đó, Ts là thời gian tương
ứng để lưu lượng giảm từ Q1 xuống Q2.
= -1 (*)
+ Bước 4: Giả thiết các cặp giá trị Q1, Q2 tính
được mực nước bắt đầu suy giảm, sau đó tính
lặp theo bước 2 và bước 3 có bảng giá trị
Qđến;Qra; Zhồ
= -1 thì
Hình 2. Đường quá trình lũ đến hồ chứa
Hình 3. Khả năng chứa của hồ chứa
+ Bước 2: Tính toán tổng lượng dòng chảy
đến nhỏ nhất Wmin do suy giảm lưu lượng từ
dòng chảy ban đầu đầu Q1 và giảm đến một
giá trị bằng một dòng chảy không đổi Q2.
+ Bước 5: Vẽ họ đường cong vận hành hồ
khẩn cấp Qra= f(Qđến, Zhồ)
Để xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm
soát lũ cần các dữ liệu sau:
Sự thay đổi trữ lượng được mô tả bởi phương
trình cân bằng nước sau:
- Đường quá trình lưu lượng lũ (dòng chảy
đến hồ)
4
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
- Các đặc trưng hồ chứa, bao gồm:
Bảng 1. Quan hệ Q ~ Z
hồ chứa nước Vực Mấu
+ Quan hệ diện tích mặt hồ và mực nước hồ
F = f(Z)
Z(m)
15.50
16.00
17.00
18.00
19.00
Q(m3/s) Z(m)
Q(m3/s)
621
0
20.00
21.00
22.00
+ Quan hệ dung tích hồ và mực nước hồ
F = f(Z)
23
120
839
1.078
1.336
1.611
+ Quan hệ khả năng xả và mực nước hồ
257
426
23.00
24.00
Q
max = f(Z)
- Mực nước hồ lớn nhất cho phép Zmax
Bảng 2. Quan hệ Z ~ W ~ F
hồ chứa nước Vực Mấu
Biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ
được sử dụng như sau: Tại thời điểm vận
hành cho trước t ta sẽ có Qđến, Zt. Tra biểu
đồ được Qxả _tra, nếu Qxả_t < Qxả_tra , khi đó hồ
sẽ chuyển sang chế độ vận hành khẩn cấp
Z
0
2
4
5
6
7
10.0
8
F
1.38 2.11 4.46 5.83 7.65
với lưu lượng xả khỏi hồ Qxả _t ≥ Qxả_tra
.
W
Z
0.21 0.58 1.26 1.77 2.45 3.34
10 11 12 13
13.3 16.2 19.3 22.5 27.4 34.4
8
9
3.2. Xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp
kiểm soát lũ hồ chứa Vực Mấu
F
9
9
2
4
2
6
Lưu vực hồ chứa nước Vực Mấu, tỉnh Nghệ
An có vị trí địa lý từ 19o04’ đến 19o27’ vĩ độ
Bắc và 105o29’ đến 105o48’ kinh độ Đông.
Khu vực nghiên cứu được phân làm 3 vùng:
ở khu vực thượng lưu là vùng đồi núi thấp,
có diện tích là 215km2 bao gồm cả phần diện
tích mặt thoáng của hồ chứa nước Vực Mấu
ứng với MNDBT là 13.8km2; và ở khu vực
hạ lưu là vùng bán sơn địa có đồi núi thấp
xen kẽ những đồng bằng hẹp và đồng bằng
ven biển.
6.35
7
W
Z
4.21 5.39
7.95 9.89 12.5
14 15 16 17 18 19
43.6 52.8 64.0 74.4 84.5 98.4
F
3
2
5
7
3
2
26.8 33.4 41.6 52.1
6
20 21 22 23 24 25
118. 138. 153. 175. 198. 216.
W
Z
16.7 21.3
4
3
6
F
5
61.9
4
2
2
6
0
7
89.5 106. 125. 144.
1
W
74.1
2
1
7
Z: m ; W: 106m3 ~ F: km2
Bảng 3. Thông số cơ bản hồ
chứa nước Vực Mấu
TT Thông số
Đ. vị Giá trị
1
2
3
4
5
Diện tích lưu v ực
k m 2
2 1 5
T ần su ất lũ th iết k ế
%
0, 5
T ần su ất lũ k iểm tra
M ực n ước d âng bình th ường
%
0, 1
m
2 1
Hình 4. Lưu vực hồ chứa nước Vực Mấu,
tỉnh Nghệ An
M ực
n ước
d ân g
g ia
m
2 2, 2 1
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
5
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
4. KẾT LUẬN
cườn g (P =0 . 5 % )
M ực n ước lũ kiểm tra
(P=0 . 1 %)
Biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ hồ
chứa nước Vực Mấu, tỉnh Nghệ An được xây
dựng dựa trên cơ sở khoa và số liệu từ thực
tiễn. Biểu đồ được sử dụng dựa trên ước tính
tổng lượng dòng chảy đến nhỏ nhất tính từ thời
điểm tính toán cho tới thời điểm kết thúc con
lũ. Biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ là
công cụ hữu hiệu, cần thiết trong trường hợp
thông tin bị gián đọan, hồ chứa hoàn toàn bị cô
lập với bên ngoài và khi kết quả dự báo lưu
lượng đến hồ có sai số lớn. Đặc biệt đối với hồ
chứa cho các lưu vực vừa và nhỏ khi mà
khoảng thời gian phản ứng, thời gian dự kiến
dự báo rất ngắn.
6
7
8
m
1 06 m 3
1 06 m 3
2 3, 5 3
6 2, 8
Du n g tích h ữu ích
Du n g tích to àn b ộ
7 4, 1
cửa
9
T ràn x ả lũ
v an
Có
Với số liệu thông số cơ bản hồ Vực Mấu, đặc
tính hồ chứa và khả năng xả hồ. Tiến hành
xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm
soát lũ hồ chứa nước Vực Mấu, biểu đồ được
xây dựng với trường hợp Zmax = Và đường
quá trình lũ dạng lũ năm 2013 tần suất đảm
bảo tương ứng với lũ kiểm tra P = 0,1%. Kết
quả xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp
kiểm soát lũ hồ chứa nước Vực Mấu thể hiện
trên Hình 5.
Cách sử dụng biểu đồ vận hành khẩn cấp
kiểm soát lũ:
1. Sau mỗi khoảng thời gian nhất định, tương
với Z, Qđến và lưu lượng ra khỏi hồ Qxả tại
thời điểm hiện tại, tiến hành tra Qxả_tra theo
biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ được
xây dựng.
2. Thực hiện vận hành hồ chứa như sau
Hình 5. Biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát
lũ hồ chứa nước Vực Mấu
- Nếu Qxả_tra < Qxả thì tiếp tục vận hành bình
thường như thời điểm hiện tại
- Nếu Qxả_tra > Qxả thì chuyển sang chế độ vận
hành khẩn cấp với Qxả ≥ Qxả_tra.
- Lặp lại các bước như trên sau khoảng thời
gian nhất định ( 30’, 60’, 120’).
3. Nếu Zhồ ≥ Zmax = 23.53m cho xả lũ tương
ứng với Qxả = Qđến .
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đăng Giáp &nnk (2016). Nghiên cứu xây dựng bản đồ cảnh báo ngập lụt phục vụ
công tác chỉ huy phòng chống lũ lụt hạ du hồ chứa nước nước Vực Mấu, tỉnh Nghệ An.
Báo cáo tổng hợp đề tài cấp tỉnh NghệAn, Hà Nội -2016.
[2] Department of the Army U.S Army Corps of Engineers, Washington, DC 20314-1000.
(1987). “ Management of water control systems”.
6
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
CHUYỂN GIAO
CÔNG NGHỆ
[3] David Rivera Ramirez (2004). Flood control reservoir reservoir operations for conditions
for conditions of limited storage capacity Leo R. Beard (1976). “Flood Control by
Reservoir, HEC-IHD-Volume 7.
[4] Seth, S. M. ( 1998). “Flood Control Regulation of A Multi-reservoir System.” National
Institude of Hydrology, Jal Vigyan Bhawan, Roorkee, 247 667 (India).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
7
7 trang
13/01/2024
17000
Free
Bạn đang xem tài liệu "Xây dựng biểu đồ vận hành khẩn cấp kiểm soát lũ hồ chứa nước vực mấu tỉnh Nghệ An", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xay_dung_bieu_do_van_hanh_khan_cap_kiem_soat_lu_ho_chua_nuoc.pdf
