Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến hồ chứa Buôn Kuôp trên lưu vực sông Srêpôk

Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 201792 NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA BUÔN KUÔP TRÊN LƯU VỰC SÔNG SRÊPÔK Trần Văn Tình, Nguyễn Thị Bích Ngọc, Hoàng Thị Nguyệt Minh Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tóm tắt Lũ trên hệ thống sông Srêpôk có xu hướng tăng cả quy mô và cường độ. Trong khi đó, trên lưu vực đã và đang xây dựng nhiều hồ chứa thủy điện. Đa phần các hồ chứa đều không có nhiệm vụ phòng lũ cho hạ du. Những trận lũ lớn xảy ra trong thời gian gần đây trên lưu vực đã đặt ra rất nhiều vấn đề cần được giải quyết cấp bách, trong đó có việc xây dựng phương án dự báo lũ đến hồ chứa trên lưu vực. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến hồ chứa Buôn Kuôp trên lưu vực bằng mô hình thủy văn (NAM) kết hợp diễn toán bằng phương pháp Muskingum. Kết quả dự báo thử nghiệm cho thấy, chỉ số đảm bảo phương án đều đạt trên 90%. Từ khóa: Dự báo lũ; Sông Srêpôk; Hồ chứa Buôn Kuôp. Abstract Research on fl ood forecasting for Buon Kuop reservoir in the Srepok river Floods on Srepok river system have been increasing in magnitude and intensity. Along the river basin, many reservoirs have been constructed. Most of them do not have fl ood control volume for downstream. Recent fl ood events occurred create many serious issues and lead to the demand to establish a fl ood forecasting for reservoirs in the basin. This paper presents a fl ood forecasting procedure for Buon Kuop reservoir on Srepok basin using hydrological model (NAM) combined with Muskingum method. Key word: Flood forecasting; Srepok river; Buon Kuop reservoir. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Những năm gần đây, trên các lưu vực sông tại khu vực miền Trung và Tây Nguyên thường xuyên xảy ra hiện tượng lũ lớn cả về quy mô và cường độ, đặc biệt là lưu vực sông Srêpôk nơi có địa hình chia cắt mạnh, lòng sông bé và dốc. Lưu vực sông Srêpôk có diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam là 16000 km2 [1] (Hình 1), lưu vực có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của khu vực. Trên lưu vực có nhiều thác nước tự nhiên với độ chênh cao lớn nên rất phù hợp để xây dựng các hồ chứa thủy điện. Hồ chứa thủy điện Buôn Kuôp nằm trên sông Srêpôk có diện tích lưu vực đến hồ là 7980 km2[1] và là hồ chứa thủy điện lớn thứ 2 ở khu vực Tây Nguyên. Vấn đề dự báo dòng chảy tới hồ là vô cùng quan trọng trong công tác vận hành hồ chứa. Nó quyết định tới hiệu suất phát điện, khả năng cấp nước cho hạ du và bảo vệ an toàn công trình. Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu liên quan tới dự báo dòng chảy đến hồ Buôn Kuôp. Tuy nhiên, những nghiên cứu này chủ yếu kết hợp dự báo đến các hồ chứa khác như: Buôn Tua Srah, Srêpôk 3 và Srêpôk 4 nhằm phục vụ vận hành liên hồ chứa, mà chưa có nghiên cứu nào nghiên cứu dự báo chi tiết cho dòng chảy lũ đến hồ chứa Buôn Kuôp. Kết quả nghiên cứu của bài báo sẽ là tài liệu tham khảo cho công tác vận hành hồ chứa Buôn Kuôp nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế phát điện đồng thời đảm bảo an toàn cho công trình và hạ du. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017 93 Hình 1: Bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu 2. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cơ sở dữ liệu Theo yêu cầu dữ liệu đầu vào mô hình là l ượng mưa bình quân lưu vực, b ốc hơi bình quân lưu vực, dòng chảy tại các trạm thuỷ văn của lưu vực nghiên cứu. Dựa trên tình hình thu thập tài liệu đối với từng lưu vực bộ phận, số liệu được lựa chọn dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bao gồm các năm 2007, 2008, 2009, của các trạm trên lưu vực và các trạm đo mưa mượn của lưu vực lân cận, đây là những năm có đầy đủ và có sự đồng bộ về số liệu nhất để tính toán: + Số liệu m ưa thực đo thời đoạn Δt = 6h và số liệu b ốc hơi của các trạm: Đà Lạt, Đăk Nông, Đức Xuyên, Thanh Bình, Buôn Ma Thuột, Cầu 14, M Đrắk, Giang Sơn, Buôn Hồ + Số liệu l ưu lượng nước giờ tại các trạm thuỷ văn: Giang Sơn, Đức Xuyên, Cầu 14 2.2. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp chính được sử dụng trong nghiên cứu này là: phương pháp thống kê và xử lý số liệu dùng trong việc phân tích và xử lý số liệu đầu vào của bài toán; phương pháp mô hình toán dựa vào đặc điểm địa hình lưu vực sông Srêpôk, tình hình thu thập số liệu Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 201794 của các trạm đo trên lưu vực, mục tiêu là dự báo dòng chảy tới hồ Buôn Kuôp nhằm phục vụ vận hành cho công trình. Do vậy, trong nghiên cứu đã chọn mô hình NAM, đưa các trận lũ vào hiệu chỉnh chọn ra bộ thông tối ưu cho từng tiểu lưu vực, dựa vào bộ thông số này dự báo dòng chảy tới các trạm thuỷ văn Giang Sơn, thuỷ văn Đức Xuyên và khu giữa Cầu 14 từ đó sử dụng phương pháp Muskingum diễn toán dòng chảy tới hồ Buôn Kuôp. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Phân chia các tiểu lưu vực Do thủy điện Buôn Kuôp đi vào vận hành từ cuối năm 2009, lưu lượng đến hồ những năm trước được đánh giá và kiểm định thông qua giá trị đo tại trạm thủy văn Cầu 14. Lượng dòng chảy đến hồ thuỷ điện Buôn Kuôp (lưu vực Cầu 14) là sự tổng hợp của 3 lưu vực bộ phận. Việc phân chia và tính diện tích các tiểu lưu vực (Hình 3) được thực hiện trên phần mềm MapInfo. Hình 2: Sơ đồ phân chia tiểu lưu vực sông Srêpôk Bảng 1. Bảng phân chia các tiểu lưu vực và diện tích tương ứng STT LƯU VỰC BỘ PHẬN Tên lưu vực Khu vực khống chế Diện tích (km2) 1 Lưu vực Giang Sơn Khống chế bởi trạm thuỷ văn Giang Sơn 3046 2 Lưu vực Đức Xuyên Khống chế bởi hồ thuỷ điện Buôn TuaSrah 2920 3 Lưu vực Cầu 14 Lượng nước ra nhập khu giữa của đoạn sông được giới hạn từ phía dưới 2 trạm thủy văn Giang Sơn, Đức Xuyên và phía trên trạm Cầu 14 2476 3.2. Hiệu chỉnh mô hình NAM Để xác định bộ thông số của mô hình cho các tiểu lưu vực, nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng, hiệu chỉnh tối ưu cho 3 trận lũ: Lũ 1: 1h 30/VII/2007 - 19h 31/VIII/2007; lũ 2: 1h 25/X/2007 - 19h 24/XI/2007; lũ 3: 1h 6/IX/2009 - 19h 27/IX/2009 đối với tiểu lưu vực Giang Sơn và trận lũ từ 6/IX - 27/IX/2009 cho tiểu lưu vực Đức Xuyên. Các chỉ tiêu chất lượng mô phỏng được thống kê trong bảng 2. Từ kết quả hiệu chỉnh mô hình trong bảng 2 và so ánh các đường quá trình tính toán và thực đo trên các hình 4 đến hình 7, cho thấy bộ thông số của mô hình có thể sử dụng để tính toán dòng chảy lũ từ mưa trên lưu vực sông Srêpôk. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017 95 Hình 3: Biểu đồ so sánh giữa đường quá trình lũ tính toán với thực đo theo trận lũ ngày 30/VII-31/VIII/2007 tại trạm Giang Sơn Hình 4: Biểu đồ so sánh giữa đường quá trình lũ tính toán với thực đo theo trận lũ ngày 25/X - 24/XI/2007 tại trạm Giang Sơn Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 201796 Hình 5: Biểu đồ so sánh giữa đường quá trình lũ tính toán với thực đo theo trận lũ ngày 06/IX - 27/IX/2009 tại trạm Giang Sơn Hình 6: Biểu đồ so sánh giữa đường quá trình lũ tính toán với thực đo theo trận lũ ngày 6/IX đến 27/IX/2009 tại trạm Đức Xuyên Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017 97 Bảng 2. Bảng thống kê các chỉ tiêu đánh giá hiệu chỉnh mô hình Lưu vực Trận lũ NASH Q max (m3/s) Thời gian xuất hiện đỉnh Tính toán Thực đo Tính toán Thực đo Giang Sơn 1h 30/VII/2007 - 19h 31/VIII/2007 0.967 688 727 7:00:00 8/VIII/2007 13:00:00 8/VIII/2007 1h 25/X/2007 - 19h 24/XI/2007 0.837 765 718 13:00:00 7/XI/2007 19:00:00 7/XI/2007 1h 6/IX/2009 - 19h 27/IX/2009 0.830 158 152 13:00:00 13/IX/2009 13:00:00 13/IX/2009 Đức Xuyên 1h 6/IX/2009 - 19h 27/IX/2009 0.946 297 306 1:00:00 11/IX/2009 1:00:00 11/IX/2009 3.3. Kiểm định mô hình NAM Để đảm bảo khả năng ứng dụng mô hình này vào tính toán lũ, nghiên cứu đã tiến hành kiểm định bộ thông số của mô hình thông qua việc áp dụng chúng để tính toán cho các trận lũ: 1h 14/XI/2008 - 19h 21/XII/2008 đối với tiểu lưu vực Giang Sơn, và trận lũ ngày 30/VII - 23/ VIII/2007 của tiểu lưu vực Đức Xuyên. Các chỉ tiêu chất lượng mô phỏng của mô hình khi kiểm định được thống kê trong bảng 3. Với kết quả như trong bảng 3 và sự phù hợp của đường quá trình lũ tại các trạm thủy văn Đức Xuyên, Giang Sơn (hình 8 và 9) cho thấy mô hình NAM có khả năng mô phỏng được qua trình lũ trên các tiểu lưu vực của lưu vực sông Srêpôk. Hình 7: Biểu đồ so sánh giữa đường quá trình lũ tính toán với thực đo theo trận lũ Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 201798 ngày 14/XI - 4/XII/2008 tại trạm Giang Sơn Hình 8: Biểu đồ so sánh giữa đường quá trình lũ tính toán với thực đo theo trận lũ ngày 30/VII - 23/VIII/2007 tại trạm Đức Xuyên Bảng 3. Bảng thống kê các chỉ tiêu đánh giá hiệu chỉnh mô hình Lưu vực Trận lũ NASH Q max (m3/s) Thời gian xuất hiện đỉnh Tính toán Thực đo Tính toán Thực đo Giang Sơn 14/XI/2008 - 21/XII/2008 0.913 972 905 7:00:00 28/XI/2009 7:00:00 28/XI/2009 Đức Xuyên 30/VII/2008 - 23/VIII/2007 0.824 1874 1940 7:00:00 5/VIII/2007 1:00:00 5/VIII/2007 3.4. Diễn toán dòng chảy đến hồ chứa Buôn Kuôp bằng phương pháp Muskingum Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của các lưu vực hoàn thành, tiếp tục tính toán dòng chảy tới cửa ra của toàn lưu vực (Cầu 14) bằng phương pháp diễn toán Muskingum. Trong quá trình tính toán này sẽ hiệu chỉnh để tìm ra các thông số K và X của đoạn sông để tìm ra giá trị K và X thích hợp nhất. Nhìn chung xu thế của các đường quá trình lũ tính toán và thực đo khá giống nhau. Đối với trận lũ 1 giá trị lớn nhất đều trên 2000 m3/s, nên sai số đỉnh lũ không lớn. Thời gian xuất hiện đỉnh lũ tính toán và thực đo là trùng nhau 13h ngày 6/VIII/2007. Trận lũ 2 có sườn lũ lên của đường tính toán có sự biến động mạnh do kết quả của trận mưa lớn ngày 18/XI trên lưu vực Đức Xuyên, sườn xuống đường quá trình lũ tính toán có xu thế tương tự như đường quá trình lũ thực đo, tuy vậy giá trị lưu lượng tính toán của sườn lũ xuống nhỏ hơn thực đo điều này sẽ ảnh hưởng đến Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017 99 Bảng 4. Các trận lũ hiệu chỉnh và kiểm định phương pháp diễn toán Muskingum Lưu vực Trận lũ hiệu chỉnh Trận lũ kiểm địnhTrận lũ 1 Trận lũ 2 Trận lũ 3 1. Giang Sơn 2. Đức Xuyên 3. Khu giữa Cầu 14 4. Cầu 14 1h 30/VII/2007 - 19h 25/VIII/2007 1h 14/XI/2008 - 19h 21/XII/2008 1h 6/IX/2009 - 19h 27/IX/2009 1h 25/X/2007 - 19h 23/XI/2007 Hình 9: Biểu đồ so sánh kết quả tính toán và thực đo lũ 1 trạm thuỷ văn Cầu 14 Hình 10: Biểu đồ so sánh kết quả tính toán và thực đo lũ 2 trạm thuỷ văn Cầu 14 sai số tổng lượng. Đỉnh lũ đường tính toán thấp hơn đường thực đo, sai số này có thể do sai sót trong công tác đo đạc, tính toán số liệu hoặc phương pháp diễn toán Muskingum chưa phản ánh được đầy đủ sự biến động của các trận lũ lớn trên lưu vực. Trận lũ 3 có đường quá trình lũ thực đo và tính toán có sự biến đổi rất phức tạp, tuy vậy hai đường này khá đồng dạng với sườn lũ lên và sườn lũ xuống của đường quá trình lũ tính toán khá giống đường quá trình lũ thực đo, thời gian xuất hiện đỉnh lũ tính toán chậm hơn thời gian xuất hiện đỉnh lũ thực đo là 6h. Sau khi tìm được bộ thông số cho từng trận lũ, lấy trung bình bộ thông số cho các trận lũ ta được K=5.7; X=0.25 và đưa vào dự báo. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017100 Hình 11: Biểu đồ so sánh kết quả tính toán và thực đo lũ 3 trạm thuỷ văn Cầu 14 Hình 12: Biểu đồ so sánh kết quả tính toán và thực đo lũ 4 trạm thuỷ văn Cầu 14 3.5. Dự báo thử nghiệm dòng chảy lũ tới hồ thủy điện Buôn Kuôp 3.5.1. Phương án dự báo Chọn trận lũ 23/IX - 24/IX/2008 để dự báo thử nghiệm. Thời gian bắt đầu dự báo thử nghiệm là từ ngày 23/IX/2008. Các bước dự báo thử nghiệm: + Trên cơ sở tài liệu mưa dự báo, bốc hơi của các trạm trên lưu vực tiến hành tính toán lượng mưa, lượng bốc hơi bình quân các tiểu lưu vực: Giang Sơn, Đức Xuyên, khu giữa Cầu 14. + Kết quả thu được sẽ làm đầu vào cho mô hình NAM tính toán dòng chảy tại mặt cắt cửa ra của từng tiểu lưu vực. + Sử dụng phương pháp Muskingum diễn toán lượng dòng chảy của các tiểu lưu vực về hồ thuỷ điện Buôn Kuôp. Như vậy, để dự báo được dòng chảy tới hồ thuỷ điện, cần có được các thông tin dự báo lượng mưa trên lưu vực. Nghiên cứu đã sử dụng kết quả mưa số trị trên trang yr.no. 3.5.2. Kết quả dự báo thử nghiệm a. Dự báo lưu lượng với thời gian dự kiến 12h Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017 101 Hình 13: Biểu đồ quá trình dự báo thử nghiệm thời gian dự kiến 12h trạm Cầu 14 từ 23/IX đến ngày 24/IX/2008 Bảng 5. Đánh giá phương án dự báo thử nghiệm tại trạm Cầu 14 với thời gian dự kiến 12h Scp s/σ η P% Độ chính xác của phương án 38.2 0.56 0.83 97 Đạt b. Dự báo lưu lượng với thời gian dự kiến 24h Hình 14: Biểu đồ quá trình dự báo thử nghiệm thời gian dự kiến 24h trạm Cầu 14 từ 23/IX đến ngày 24/IX/2008 Bảng 6. Đánh giá phương án dự báo thử nghiệm tại trạm Cầu 14 với thời gian dự kiến 24h Scp s/σ η P% Độ chính xác của phương án 31 0.47 0.88 97 Đạt Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 18 - năm 2017102 Nhận xét: - Đối với thời gian dự kiến 12 giờ lấy dữ liệu mưa dự báo từ trang yr.no, lưu lượng dự báo tới hồ thuỷ điện Buôn Kuôp cho kết quả khá tốt so với lưu lượng thực đo. - Đối với thời gian dự kiến 24 giờ lấy dữ liệu mưa dự báo từ trang yr.no, lưu lượng dự báo cho kết quả kém hơn. - Với thời gian dự kiến ngắn thì kết quả dự báo tốt hơn thời gian dự kiến dài. Với các số liệu Khí tượng, Thủy văn của các trận lũ trong các năm 2007, 2008, 2009 thu thập được đầy đủ và đồng bộ để xác định bộ thông số tối ưu cho các tiểu lưu vực nhằm phục vụ dự báo lũ đến hồ. Kết quả dự báo đánh giá với mức đảm bảo của các phương án dự báo đều lớn hơn 90%, cho thấy chất lượng của các phương án dự báo là tốt. Tuy nhiên, để tăng chất lượng của các phương án dự báo cần kiểm định với nhiều trận lũ lớn, trung bình, nhỏ và trên lưu vực cần bổ sung thêm các trạm đo mưa. 6. KẾT LUẬN Với việc ứng dụng mô hình NAM kết hợp diễn toán bằng phương pháp Muskingum trong dự báo dòng chảy tới hồ cho kết quả tương đối tốt. Mô hình NAM mô phỏng khá tốt quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực, đồng thời việc diễn toán Muskingum cho kết quả đường quá trình lũ tính toán khá phù hợp với đường quá trình lũ thực đo. Các chỉ tiêu quan trọng như chỉ số NASH, sai số tổng lượng đều khá cao, đạt yêu cầu về dự báo. Kết quả dự báo lưu lượng tới hồ thuỷ điện Srêpôk với thời gian dự kiến 12 giờ có xu thế khá giống với đường thực đo, với thời gian dự báo 24 giờ cho kết quả thấp hơn. Sai số đỉnh lũ còn khá lớn, có thể đưa ra một số nguyên nhân chính như sau: Trong quá trình tính toán có thể gặp sai sót, việc dò tìm tối ưu bộ thông số chưa đạt được hợp lý cao nhất; Mưa sinh lũ trên lưu vực luôn có sự thay đổi về thời gian và không gian nên việc xác định lưu lượng đỉnh lũ là rất khó khăn; Việc mượn bộ thông số để tính toán dòng chảy cho khu giữa Cầu 14 sẽ có sai số nên ảnh hưởng đến kết quả dự báo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2006). Báo cáo xây dựng mô hình thủy văn thủy lực cho lưu vực sông Srêpôk. [2]. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2008). Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Dự báo lũ. [3]. Nguyễn Kim Đồng. “Thuỷ điện Srêpôk 4 - Thiết kế kỹ thuật”. [4]. Lê Văn Nghinh, Bùi Công Quang, Hoàng Thanh Tùng (2005). Bài giảng “Mô hình toán Thuỷ văn”. Trường Đại học Thuỷ Lợi, Hà Nội. [5]. Nguyễn Viết Thi (2006). Giáo trình “Dự báo thuỷ văn”. Nhà xuất bản Bản đồ, Hà Nội. BBT nhận bài: Ngày 21/8/2017; Phản biện xong: Ngày 09/10/2017