Các cơ sở khoa học và đặc trưng chế độ ngập lụt do xả lũ hồ thủy điện Srok Phu Mieng trên sông Bé, tỉnh Bình Phước

Bài viết mô tả kết quả sử dụng phương pháp phân tích các điều kiện tự nhiên, kết quả khảo sát thực địa và mô hình tích hợp HydroGis để xác lập các cơ sở khoa học mới và đặc trưng do chế độ ngập lụt do xả lũ hồ thủy điện Srok Phu Mieng tại vùng hạ du trong các tổ hợp nhiều kịch bản xả lũ, mưa rào, trước và sau khi có hồ Phước Hòa, có tính đến hoạt động của hệ thống các công trình thủy lợi-thủy điện trên dòng chính sông Bé. Các kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng đối với việc cảnh báo lũ, phân vùng ngập lụt, quy hoạch phát triển hạ tầng, xây dựng hệ thống cột mốc cảnh báo ngập do xả lũ của hồ thủy điện Srok Phu Mieng - một ví dụ điển hình về vấn đề ngập lụt tại hạ du các hồ chứa thủy điện có khả năng điều tiết lũ nhỏ ở Việt Nam.

I. Đặt vấn đề

Sông Bé có hệ thống hồ và công trình thủy lợi-thủy điện bậc thang từ thượng du đến hạ du, bao gồm: Thác Mơ, Cần Đơn, Srok Phu Miêng và Phước Hòa (xem hình 1). Đặc biệt, hồ Srok Phu Miêng là hồ thủy điện có dung tích chứa 99,42 triệu m3 mực nước bình thường (72m) và 70,9 triệu m3 mực nước chết (70m), dung tích hiệu dụng là 28,6 triệu m3, khả năng điều tiết nước lũ không đáng kể, nên phải xả lũ mỗi khi có đợt mưa lớn hoặc các hồ Cần Đơn và Thác Mơ xả lũ. Hiện nay, hạ du hồ Srok Phu Miêng (huyện Hớn Quảng, Chơn Thành và thị Xã Đồng Soài, tỉnh Bình Phước) thường bị ngập lụt do xã lũ hồ Srok Phu Miêng (XLHSPM), gây ra thiệt hại đáng kể về tài sản và môi trường. Ngập lụt xảy ra trong tháng 9 năm 2009 do xả lũ (lưu lượng xả tối đa là 2000m3/s), đã gây ra hậu quả khá nặng. Do đó, việc xây dựng các cơ sở khoa học mới để xác lập chế độ ngập lụt do xả lũ phục vụ công tác cảnh báo lũ, phân vùng ngập lụt, quy hoạch phát triển hạ tầng, xây dựng hệ thống cột mốc cảnh báo ngập do xả lũ hồ thủy điện Srok Phu Miêng là rất cần thiết.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu về độ sâu ngập, cao trình mực nước và thời gian ngập do XLHSPM kết hợp với mưa rào nằm kẹp giữa hồ Srok Phú Miêng đến hồ Phước Hòa.

Hàng năm, vào các tháng 7 - 10, khi có mưa lớn và kéo dài, trên lưu vực sông Bé thường xảy ra lũ lụt. Ngày nay sông Bé được cắt khúc bởi các đập và hồ chứa, nên ngập lụt trên sông Bé chủ yếu là do xả lũ của các hồ. Chế độ ngập lụt tại vùng nghiên cứu (VNC) được xác định ở 4 yếu tố chính (xếp theo tầm quan trọng): (1) Lưu lượng và tổng lượng nước XLHSPM; (2) Cấu tạo địa hình tự nhiên của sông suối và tính chất mặt đệm của vùng ngập lụt, các cánh đồng lũ tràn, của hệ thống sông suối trên VNC; (3) Mưa rào ở khu giữa; (4) Mực nước dâng cao sau khi có Hồ phước Hoà ở hạ du. Một số yếu tố khác có ảnh hưởng nhất định đến ngập bao gồm: (a) Ảnh hưởng của các công trình lên dòng lũ (đường giao thông, công trình thuỷ lợi, hạ tầng khác...); (a) Thấm, nước ngầm và bốc hơi tại khu giũa; (c) Thời gian xả lũ (đầu mùa, cuối mùa, giữa mùa).

Tại VNC, ngoài sông Bé là dòng tải nước chính, còn có một số suối nhỏ khác (xem hình 2). Độ dốc địa hình dọc theo sông Bé và độ dốc đáy sông suối tại VNC không lớn, trung bình đạt 0,6m/10km, nên khi lưu lượng dòng chính >1000m3/s, nước bắt đầu tràn bờ và có thể gây ngập lụt. Để nghiên cứu chế độ ngập lụt ở đây, phương pháp sử dụng các mô hình thủy lực số trị dòng không ổn định là lựa chọn hợp lý. Hơn thế, để nghiên cứu chế độ ngập lụt với các kịch bản XLHSPM khác nhau (theo thiết kế), chúng ta phải áp dụng mô hình thủy lực hoặc mô hình vật lý. Mô hình tích hợp HydroGis (xem [1, 2]) rất phù hợp để nghiên cứu chế độ ngập lụt do xả lũ từ các hồ thủy điện nói chung và XLHSPM nói riêng.

III. Cơ sử dữ liệu đầu vào

Cơ sở dữ liệu (CSDL) đầu vào bao gồm lưới tính thủy lực, CSDL biên cứng và CSDL biên Khí Tượng Thủy văn (KTTV) được số hóa trên lưới tính. Lưới tính của VNC trên mô hình Tích hợp HydroGis như trên hình 2. Dữ liệu gốc để lập CSDL biên cứng trên lưới tính này bao gồm [2]: (1) Số liệu đo đạc địa hình và trắc ngang mặt sông do năm 2009; (2) Bản đồ số DEM điện tử tỷ lệ 1:10.000 của tỉnh Bình Phước; (3) Ảnh vệ tinh phân giải cao; (4) Các bản đồ GIS về sông suối, giao thông, dận cư, thảm thực vật; (5) Số liệu thiết kế hồ Srok Phú Miêng và hồ Phước Hòa. Lưới tính khống chế không gian và quy luật dòng chảy tại VNC là mạng lưới lớn và độ phân giải cao bao gồm: (1) Bộ số liệu mô tả mạng lưới 1873 mặt cắt sông suối và mối liên hệ của chúng với mạng ô tràn; (2) Bộ số liệu xấp xỉ mạng 4845 ô tràn và mối liên hệ của nó với mạng lưới sông suối và các ông trình gắn lên bờ bao; (3) Hệ thống các công trình hạ tầng ảnh hưởng đến dòng chảy và trử nước như cầu, cống, đường giao thông….gồm: 9 điểm biên lưu lượng ở thượng lưu; 1 biên mực nước ở Hạ lưu; 6 công trình cầu, cống các loại. Cấu trúc CSDL của chúng đã được mô tả trong [1].

Để ứng dụng mô hình tích hợp HydroGis, chúng tôi đã lập ra 17 bộ CSDL biên Khí tượng-Thủy văn (KTTV) ứng với:

6 phương án XLHSPM (xả như năm 2009, xả thiết kế tần suất 10%, 5%, 1%, 0,5% và 0,1%, xả 1300m3/s khi chưa có hồ Phước Hòa và sau khi có hồ Phước Hòa);

+ Biên mực nước ở hạ lưu trước khi có hồ Phước Hoà (mực nước thực đo và mực nước lũ tần suất khác nhau tại trạm thủy văn Phước Hòa) và sau khi có hồ Phước Hoà (mực nước thiết kế sau khi tích nước tại trung tâm hồ Phước Hòa);

+ Biên mưa rào tại khu giữa tần xuất 30% cho thời đoạn 3 ngày tại Trạm Chơn Thành;

+ Biên thấm, nước ngầm và bốc hơi được xem là các thông số khí hậu lấy theo trạm Phước Hòa.

Trên bảng 1 minh họa nội dung 3 bộ CSDL biên KTTV trong số 17 bộ nêu trên.

IV. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Mô hình thủy lực số HydroGis đã được kiểm định [2, 3]. Tuy nhiên, khi áp dụng ta cần: (1) hiệu chỉnh các thông số mô hình cho VNC mới; (2) kiểm định độ tin cậy của mô hình số và các CSDL nhập kèm theo. Số liệu thực đo để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình là tài liệu khảo sát thuỷ văn vào tháng 9 năm 2009 bao gồm: (1) Đo mực nước tại 3 điểm H1, H4 và H5 dọc sông Bé cầu Trà Thanh (H1), cầu Nha Bích đến khu vực sẽ là lòng hồ Phước Hoà (H5); (2) đo lưu lượng đi qua mặt cắt cầu Trà Thanh và Cầu Nha Bích; (3) đánh dấu vết lũ và phân vùng ngập lụt do XLHSPM từ ngày 7 đến ngày 13 tháng 9 năm 2009.

Chúng tôi đã thực hiện các thực nghiệm số với các CSDL biên cứng và biên KTTV tương ứng với thời khoảng đo mực nước và lưu lượng từ ngày 1/9/2009 đến đến 16/9/2009. Quá trình này kết thúc khi có sự phù hợp tốt giữa số liệu tính toán và thực đo đồng thời trên toàn lưới tính. Kết quả quá trình hiệu chỉnh và kiểm định là các đồ thị so sánh kết quả tính toán với thực đo mực nước và lưu lượng như trên hình 3, 4.

Bảng 1. Nội dung CSDL đầu vào về biên KTTV

Phân tích kết quả hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy:

- Mô hình HydroGis tương thích rất tốt với VNC. Thời gian chạy mô hình nhỏ, hội tụ nhanh, kết quả tính toán ổn định, tin cậy, mô tả đúng đắn các quy luật động lực học trên vùng dự án và lân cận.

- Các bộ dữ liệu đầu vào có độ tin cậy chấp nhận được. Kết quả mô phỏng mực nước và lưu lượng phù hợp với số liệu thực đo. Sai lệch giữa chúng bé hơn độ tán xạ số liệu thực đo,

- Các thông số tối ưu khi chạy mô hình HydroGis cho VNC là:

+ Đối với vùng khảo sát, khẩu độ hợp lý giữa hai mặt sông nên chọn 50 - 250m.

+ Kích thước theo phương ngang tốt nhất của các ô tràn là 200 - 300m.

+ Bước tính theo thời gian tối ưu 30 - 90 giây, tùy tốc độ dòng chảy lớn hay nhỏ.

+ Hệ số nhám Manning hợp lý là khoảng 0.032 - 0.04 cho các nhánh sông và 0.1 - 0.2 cho các ô lũ tràn qua.

V. Kết quả tính toán trên mô hình

Sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, 17 loạt thực nghiệm số tính toán dự báo diễn biến dòng chảy và bức tranh ngập lụt tại VNC ứng với các kịch bản xả lũ khác nhau nhằm tích hợp các cơ sở khoa học về chế độ ngập lụt do XLHSPM cho 17 tổ hợp kịch bản. Một số kết quả tính toán chế độ đồ ngập lụt do xả tháng 9 năm 2009 và lũ do XLHSPM tần suất 10%, kết hợp với mưa rào tại khu giữa 30% thời đoạn 3 ngày trước và sau khi có hồ Phước Hoà như trên các hình 5,6, 7 và bảng 2, 3.

Bảng 2. Thống kê diện tích theo mức độ sâu ngập lụt (Ha) (trong 15 ngày tính toán)

Bảng 3. Thống kê diện tích theo mức thời gian ngập lụt (Ha) (trong 15 ngày tính toán)

VI. Thảo luận

Phân tích số liệu khảo sát và tính toán dự báo trên mô hình tích hợp HydroGis, chúng ta có thể rút ra các quy luật chính về chế độ ngật lụt do XLHSPM ở hạ du như dưới đây.

Sóng lũ do XLHSPM gây ra tại VNC truyền xuống hạ lưu là sóng động lực điển hình. Đỉnh lũ càng lùi xa về phía hạ lưu càng bẹt do nước lũ tràn bờ, điền trũng và chảy vào các suối nhỏ, gây nên ngập lụt tại các vùng địa hình thấp.

Tốc độ truyền sóng lũ do XLHSPM xuống hạ lưu phụ thuộc vào mức độ xả và tổng lượng xả. Xả càng mạnh, tổng lượng càng cao, lượng nước tràn bờ càng lớn, hiệu thời gian lũ đạt đỉnh giữa vùng thượng du và hạ du VNC càng tăng. Trong trận lũ do xả năm 2009, thời điểm đỉnh lũ tại cầu Nha Bích chậm ở cầu Trà Thanh 17 giờ (khoảng cách giữa chúng theo sông Bé là 40km). Hiệu thời gian này sẽ gấp đôi trong trận lũ do XLHSPM tần suất 1%.

Biên độ mực nước lũ doXLHSPM rất biến động. Mực nước đỉnh lũ do xả hồ vào tháng 9 năm 2009 lớn hơn mực nước trung bình tại cầu Trà Thanh 9m, tại cầu Nha Bích là 5m. Xả lũ 1%, hiệu mực nước giữa đỉnh lũ và mực nước trước khi xả là 17m tại cầu Trà Thanh và gần 10m tại cầu Nha Bích. Đây là đặc điểm cần đặc biệt lưu ý khi chọn giải pháp ứng phó với ngập lụt do XLHSPM. Biện pháp công trình đáp ứng được các tiêu chí chống lũ <10% tại VNC sẽ có giá thành rất cao.

Thời gian ngập lụt tại VNC cũng có sự khác biệt rất lớn giữa các qui mô XLHSPM. Nếu xả dưới 2000 m3/s, kéo dài dưới 12 giờ, thì thời khoảng ngập lụt thường ngắn, chỉ kéo dài 1 - 2 ngày tại cầu Trà Thanh và 2 - 3 ngày tại cầu Nha Bích. Khi xả lũ 5%, 1% và lớn hơn, thời khoảng ngập lụt sẽ kéo dài hơn 2 - 3 lần. Chống được các trận lũ gây ngập như vậy bằng biện pháp công trình là vấn đề khó và tốn kém.

Mực nước lũ do XLHSPM lũ lên và xuống nhanh, có thể đạt tốc độ 5m - 7m trong 1 ngày đêm tại khu vực cầu Trà Thanh và 3m - 5m trong 1 ngày đêm tại cầu Nha Bích. Đây là điều cần lưu ý khi tìm giải pháp ứng phó.

Tại VNC, dòng lũ sẽ tràn bờ sông khi lưu lượng trên sông chính >1300m3/s với thời gian duy trì liên tục >12 giờ. Đây là đặc điểm quan trọng đề lập ra quy trình XLHSPM. Khi tại VNC có mưa rào tần suất 30% vào thời điểm đỉnh lũ, mực nước lũ do xả và mưa kết hợp tăng thêm 20 - 30cm, tùy địa điểm.

Ảnh hưởng của hồ Phước Hòa lên ngập lụt do XLHSPM phụ thuộc thuộc vào mực nước trong hồ và khoảng cách đến mép thượng du hồ Phước Hòa, trong đó: (1) Khi mực nước trong hồ bình thường (42,9m), ảnh hưởng hồ Phước Hòa lên ngập lụt ở VNC không đáng kể, thậm chí, việc duy trì mực nước thấp hơn 42,9m trong hồ Phước Hòa khi XLHSPM mạnh sẽ giảm ngập cho VNC. Ảnh hưởng hồ có thể kéo xa lên phía bắc hồ Phước Hòa, nhất là các khu vực có cao trình mặt đất <43m; (2) Khi mực nước trong hồ cao (46,2m), ảnh hưởng của nó lên ngập lụt ở VNC lớn hơn khi không có hồ, ảnh hưởng này có thể kéo xa lên đến các khu vực có cao trình mặt đất <47,5m; khu vực hạ du cầu Nha Bích bị tác động rất mạnh, khu vực thượng du cầu này cũng bị ảnh hưởng.

VII. Kết luận và kiến nghị

Phân tích điều kiện tự nhiên, kết quả khảo sát thực địa và kết quả mô phỏng trên mô hình thủy lực, chúng tôi đã lập ra các cơ sở khoa khoa học mới và đặc trưng cho chế độ ngập lụt do XLHSPM tại hạ du, đáp ứng khá đầy đủ thực tế tại VNC. Các kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng đối với việc cảnh báo lũ, phân vùng ngập lụt, quy hoạch phát triển hạ tầng, xây dựng hệ thống cột mốc cảnh báo ngập do XLHSPM - một ví dụ điển hình ở Việt Nam về vấn đề ngập lụt tại hạ du các hồ thủy điện có khả năng điều tiết lũ nhỏ.

Đối với VNC, chúng tôi có các kiến nghị như sau:

1. Vì lũ tại VNC do XLHSPM có biên độ biến động mực nước rất lớn, nên giải pháp công trình chống ngập lụt là rất tốn kém, không nên làm đại trà. Việc xác định phạm vi ngập lụt nguy hiểm là rất cần thiết để có giải pháp tối ưu cho các hoạt động khác nhau. Các công trình dân dụng quan trọng nên quy hoạch xây dựng tại khu vực không bị ngập lũ do XLHSPM tần suất <10%.

2. Khi có lũ, cần theo sát diễn biến mưa, lũ, xả lũ từ các hồ thượng du hồ Srok Phu Miêng, các bản tin dự báo thời tiết, để dự báo cường suất và đặc biệt là tổng lượng lũ sẽ gia nhập vào hồ Srok Phú Miêng nhằm chủ động xả lũ ở mức <1300m3/s. Sau khi có hồ Phước Hòa, lưu lượng XLHSPM cần giảm, dưới 1200 m3/s.

3. Trong trường hợp bất khả khá kháng, cần phải xả ở mức cao hơn, nên tăng từ từ lưu lượng xả và xả kéo dài thời gian xả để kịp thời đối phó.

Tác giả cảm ơn Trung tâm Công trình Biện thuộc Viện Kỹ thuật Biển đã cung cấp các số liệu đầu vào để tính toán ngập lụt tại VNC.

Tài liệu tham khảo

[1]. UBND tỉnh Bình Phước (2009). Quy hoạch chi tiết phòng lũ và xây dựng cột mốc cảnh báo lũ hạ lưu  Srok Phu Mieng. (1) Báo cao tài liệu khảo sát địa hình và trắc ngang; (2) Báo cáo tài liệu khảo sát thủy văn.

[2]. Nguyễn Hữu Nhân (2005). Báo cáo chính đề tài cấp bộ: Xây dựng phần mềm mô tả lũ lụt ở vùng ĐBSCL.Bộ Tài nguyên và Môi trường.

[3]. Nguyễn Hữu Nhân (2002). Báo cáo chính đề tài cấp tỉnh: Xây dựng bản độ  ngập lụt sông Cái Nha Trang tỷ lệ 1:10.000. Khánh Hòa.

Tác giả: TS. Nguyễn Hữu Nhân
Viện Kỹ thuật Biển

Tạp chí KH&CN Thủy lợi