Luận án Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu

162 trang thiennha21 13/04/2022 5811

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_su_thay_doi_mot_so_yeu_to_thuy_van_thuy_l.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÍNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN - THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN ĐÍNH NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN - THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. LÊ ĐÌNH THÀNH 2. PGS. TS. HOÀNG MINH TUYỂN HÀ NỘI - 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Đính, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. TÁC GIẢ NGUYỄN ĐÍNH
ii LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Lê Đình Thành, PGS. TS. Hoàng Minh Tuyển đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án. Trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu Khoa học Miền Trung (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tạo điều kiện thời gian cho tác giả tập trung học tập và nghiên cứu. Tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan: Viện Khoa học Khí tượng, Thủy văn và Môi trường, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Thừa Thiên Huế, các Sở - Ban - ngành của tỉnh Thừa Thiên Huế đã giúp đỡ tác giả trong quá trình thu thập tài liệu, thông tin cần thiết liên quan đến vấn đề nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu nặng đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án. TÁC GIẢ NGUYỄN ĐÍNH
iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình ảnh MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2 3. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN 4 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN 5 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới 5 1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 9 1.1.3 Những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây trên lưu vực sông Hương và hướng khắc phục 16 1.1.4 Hướng tiếp cận của luận án 18 1.2 ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 21 1.2.1 Đặc điểm tự nhiên 21 1.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 33 1.3 XU THẾ BIẾN ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG, THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 35 1.3.1 Dữ liệu và phương pháp đánh giá xu thế 35
iv 1.3.2 Xu thế biến đổi một số yếu tố khí tượng 38 1.3.3 Xu thế biến đổi một số yếu tố thủy văn 44 1.3.4 Đánh giá chung về xu thế diễn biến một số yếu tố khí tượng, thủy văn và kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho lưu vực sông Hương 47 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 49 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN 50 2.1. HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 50 2.1.1 Các công trình thủy lợi –thủy điện 50 2.1.2 Đặc điểm các công trình thủy lợi – thủy điện 51 2.1.3 Lựa chọn các công trình chính nghiên cứu trong luận án 52 2.1.4 Khung đánh giá tác động 55 2.2. CÁC YẾU TỐ CHÍNH TÁC ĐỘNG ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN – THỦY LỰC SÔNG HƯƠNG 56 2.2.1 Mưa, bão và các hình thế thời tiết gây mưa lũ 56 2.2.2 Điều kiện địa hình, thảm phủ 59 2.2.3 Đầm phá và thủy triều 61 2.2.4 Hoạt động kinh tế - xã hội trên lưu vực 62 2.3. CÁC TÁC ĐỘNG CHÍNH CỦA HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY VĂN – THỦY LỰC SÔNG HƯƠNG 64 2.3.1 Về mùa lũ (Khi chưa có qui trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hương được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt) 64 2.3.2 Về mùa cạn 66 2.4. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC – HMS VÀ HEC – RAS ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 68 2.4.1 Giới thiệu chung về mô hình HEC-HMS và HEC-RAS 68 2.4.2 Ứng dụng mô hình HEC-HMS VÀ HEC-RAS cho lưu vực sông Hương 69 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 92
v CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 93 3.1 CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH 93 3.1.1 Các trường hợp nghiên cứu 93 3.1.2 Phương án vận hành hệ thống công trình để đánh giá tác động 93 3.1.3 Xác định năm đại biểu và lượng mưa theo kịch bản đến năm 2030 100 3.2 TÁC ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN MỘT SỐ YẾU TỐ THỦY VĂN - THỦY LỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HƯƠNG 102 3.2.1 Vị trí kiểm tra và đánh giá 102 3.2.2 Tác động đến dòng chảy ngày trong năm 103 3.2.3 Tác động đến dòng chảy lũ 106 3.2.4 Tác động đến dòng chảy kiệt 114 3.2.5 Tác động đến vấn đề bùn cát hạ lưu 116 3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƯỚNG GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG TIÊU CỰC VÀ TĂNG HIỆU QUẢ CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN 118 3.3.1 Mục tiêu và cơ sở đề xuất giải pháp 118 3.3.2 Các giải pháp phi công trình 120 3.3.3 Giải pháp công trình 128 3.3.4 Nhận xét hiệu quả của các giải pháp đề xuất 133 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG III 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139 Kết luận 139 Những đóng góp mới của luận án 140 Kiến nghị 141 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 Tiếng Việt 143 Tiếng Anh 148
vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu GCM Mô hình hoàn lưu tổng quát (General Circulation Model) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) JICA Tổ chức Hợp tác Quốc tế Nhật Bản JBIC Ngân hàng Hợp tác Quốc tế Nhật Bản IPCC Ban Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change) KT-XH Kinh tế - Xã hội KT-TV Khí tượng – Thủy văn MNDBT Mực nước dâng bình thường MNGC Mực nước gia cường MNTL Mực nước trước lũ NBD Nước biển dâng NN & PTNT Nông nghiệp và Phát triển nông thôn RCM Mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Model) TN & MT Tài nguyên và Môi trường TL-TĐ Thủy lợi- Thủy điện TTH Thừa Thiên Huế TV-TL Thủy văn- Thủy lực UBND Ủy ban Nhân dân
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Mạng lưới trạm khí tượng – thủy văn lưu vực sông Hương và lân cận 25 Bảng 1.2: Lượng mưa tháng năm trung bình nhiều năm tại các trạm 27 Bảng 1.3: Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Hương 30 Bảng 1.4: Lưu lượng tháng năm trung bình nhiều năm theo số liệu thực đo tại các trạm trên lưu vực sông Hương 31 Bảng 1.5: Trạm khí tượng và số liệu thực đo sử dụng để đánh giá xu thế 35 Bảng 1.6: Kết quả kiểm định xu thế nhiệt độ trung bình năm 38 Bảng 1.7: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa năm 39 Bảng 1.8: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa mùa 41 Bảng 1.9: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất 42 Bảng 1.10: Kết quả kiểm định xu thế lượng bốc hơi năm 43 Bảng 1.11: Kết quả kiểm định xu thế dòng chảy tại trạm Thượng Nhật 46 Bảng 1.12: Kết quả kiểm định xu thế biến đổi mực nước hạ lưu sông Hương 47 Bảng 1.13: Mức tăng nhiệt độ (oC) trung bình năm, mùa so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) tỉnh Thừa Thiên Huế 48 Bảng 1.14: Mức thay đổi (%) lượng mưa năm, mưa mùa so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) tỉnh Thừa Thiên Huế 48 Bảng 1.15: Mực nước biển dâng từ Đèo Ngang- Đèo Hải Vân, kịch bản phát thải cao 49 Bảng 2.1: Một số công trình thủy lợi chủ yếu trên các tuyến sông chính 50 Bảng 2.2: Các công trình thủy điện trên lưu vực sông Hương 51 Bảng 2.3: Một số công trình thoát lũ ở các cửa sông vùng đồng bằng sông Hương 52 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật chủ yếu công trình Thảo Long 54 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa 54 Bảng 2.6: Lượng mưa trong một số trận mưa cực lớn do ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới trên lưu vực sông Hương 58 Bảng 2.7: Các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn ở lưu vực sông Hương 58 Bảng 2.8: Chênh lệch lớn nhất giữa Qmax và Qmin 59 Bảng 2.9: Độ che phủ rừng tỉnh Thừa Thiên Huế thời kỳ 2000-2011 60 Bảng 2.10: Đặc trưng mực nước triều tại Tam Giang- Cầu Hai (1978-1982) 61
viii Bảng 2.11: Đặc trưng mực nước tại các trạm trên sông Hương từ 1977-2006 62 Bảng 2.12: Một số đặc trưng mực nước hạ du sông Hương theo số liệu thực đo 63 Bảng 2.13: Danh sách các lưu vực bộ phận trên lưu vực sông Hương 70 Bảng 2.14: Chiều dài các đoạn sông và số mặt cắt ngang trong sơ đồ thủy lực 75 Bảng 2.15: Bộ thông số mô hình HEC-HMS cho các lưu vực bộ phận 78 Bảng 2.16: Chỉ tiêu Nash hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS 79 Bảng 2.17: Số liệu lũ thực đo dùng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS . 83 Bảng 2.18: Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình HEC-HMS cho các lưu vực 85 Bảng 3.1: Các trường hợp tính toán 99 Bảng 3.2: Phân phối mưa trung bình lưu vực các năm đại biểu 101 Bảng 3.3: Mực nước tương ứng với các cấp báo động lũ trên lưu vực sông Hương 103 Bảng 3.4: Thay đổi mực nước trung bình năm nước trung bình ở hạ du sông Hương theo các trường hợp 105 Bảng 3.5: Thời gian duy trì mực nước theo các trường hợp tại Kim Long 105 Bảng 3.6: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1999 ở hạ du sông Hương theo các trường hợp 107 Bảng 3.7: Một số đặc trưng lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long theo các trường hợp 108 Bảng 3.8: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1983 ở hạ du sông Hương theo các trường hợp 110 Bảng 3.9: Một số đặc trưng lũ tính toán năm 1983 tại Kim Long theo các trường hợp 110 Bảng 3.10: Thay đổi mực nước đỉnh lũ tính toán năm 1999 ở hạ du sông Hương có xét đến biến đổi khí hậu 111 Bảng 3.11: Thay đổi mực nước mùa cạn năm 1984 ở hạ du sông Hương theo các trường hợp 115 Bảng 3.12: Một số đặc trưng mực nước mùa cạn tại Kim Long theo các trường hợp 116 Bảng 3.13: Mức giảm mực nước theo cấp lưu lượng tại trạm Bình Điền 117 Bảng 3.14: Chỉ số CN trung bình lưu vực sông Hương ước tính theo các kịch bản 122
ix Bảng 3.15: Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất và che phủ rừng đến dòng chảy lũ năm 1983 đến 3 tuyến hồ chứa trên lưu vực sông Hương 122 Bảng 3.16: Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất và che phủ rừng đến dòng chảy lũ năm 1983 ở hạ lưu sông Hương 123 Bảng 3.17: Hiệu quả giảm lũ ở hạ lưu sông Hương khi các hồ vận hành phối hợp so với vận hành độc lập 126 Bảng 3.18: Dung tích phòng lũ đề xuất của các hồ trên lưu vực sông Hương 129 Bảng 3.19: Hiệu quả giảm lũ hạ lưu sông Hương khi các hồ vận hành phối hợp và tăng dung tích phòng lũ so với giữ nguyên dung tích phòng lũ và vận hành độc lập 132 Bảng 3.20: Mức tăng, giảm mực nước hạ lưu sông Hương dưới tác động của các công trình và biến đổi khí hậu so với không có công trình 137 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án 20 Hình 1.2: Lưu vực sông Hương trên lãnh thổ Việt Nam 21 Hình 1.3: Hình thể địa lý và ranh giới lưu vực sông Hương 22 Hình 1.4: Sơ đồ mạng lưới sông ngòi lưu vực sông Hương 29 Hình 1.5: Sơ đồ đẳng trị lớp dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Hương 30 Hình 1.6: Biến đổi nhiệt độ trung bình năm trên lưu vực sông Hương 38 Hình 1.7: Biến đổi lượng mưa năm trên lưu vực sông Hương 39 Hình 1.8: Biến đổi lượng mưa mùa mưa trên lưu vực sông Hương 40 Hình 1.9: Biến đổi lượng mưa mùa khô trên lưu vực sông Hương 41 Hình 1.10: Biến đổi lượng bốc hơi năm tại Huế và Nam Đông 43 Hình 1.11: Số trận bão ảnh hưởng đến Thừa Thiên Huế từ năm 1950-2009 44 Hình 1.12: Số lần xuất hiện đỉnh lũ trên báo động II tại Kim Long 44 Hình 1.13: Biến đổi lưu lượng trung bình mùa hàng năm tại Thượng Nhật 45 Hình 1.14: Biến đổi lưu lượng 1, 3 tháng liên tiếp nhỏ nhất, lớn nhất tại Thượng Nhật 45 Hình 1.15: Biến đổi mực nước thấp nhất và cao nhất tại Kim Long và Phú Ốc 46 Hình 2.1: Vị trí các công trình thủy lợi – thủy điện lớn trên lưu vực sông Hương 53
x Hình 2.2: Khung đánh giá tác động của các công trình thủy lợi- thủy điện đến một số yếu tố thủy văn- thủy lực sông Hương 55 Hình 2.3: Phân chia các lưu vực bộ phận lưu vực sông Hương 70 Hình 2.4: Phân bố chỉ số CN lưu vực sông Hương năm 2000 72 Hình 2.5: Sơ đồ thủy văn lưu vực sông Hương trong mô hình HEC-HMS 73 Hình 2.6: Sơ đồ mạng lưới thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương 74 Hình 2.7: Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Hương trong HEC-RAS 76 Hình 2.8: Đường quan hệ mực nước, diện tích, dung tích hồ Tả Trạch 76 Hình 2.9: Biên triều tại cửa Thuận An các thời đoạn tính toán 78 Hình 2.10: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Cổ Bi năm 1983 80 Hình 2.11: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Cổ Bi năm 1984 80 Hình 2.12: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Bình Điền năm 1983 81 Hình 2.13: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Bình Điền năm 1984 . 81 Hình 2.14: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Dương Hòa năm 1986 82 Hình 2.15: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Dương Hòa năm 1987 82 Hình 2.16: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC–HMS tại Cổ Bi 84 Hình 2.17: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC–HMS tại trạm Bình Điền 84 Hình 2.18: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC–HMS tại trạm Dương Hòa 85 Hình 2.19: Kết quả kiểm định mô hình HEC–HMS tại Cổ Bi 86 Hình 2.20: Kết quả kiểm định mô hình HEC–HMS tại trạm Bình Điền 86 Hình 2.21: Kết quả kiểm định mô hình HEC–HMS tại trạm Dương Hòa 87 Hình 2.22: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC-RAS năm 1984 tại Kim Long 88 Hình 2.23: Kết quả kiểm định mô hình HEC-RAS năm 1999 tại Kim Long 88 Hình 2.24: Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC-RAS năm 1984 tại Phú Ốc 89 Hình 2.25: Kết quả kiểm định mô hình HEC-RAS năm 1999 tại Phú Ốc 89 Hình 2.26: Kết quả kiểm định dòng chảy lũ tháng X/1984 tại Kim Long 90 Hình 2.27: Kết quả kiểm định dòng chảy lũ tháng X/1984 tại Phú Ốc 91
xi Hình 2.28: Kết quả kiểm định dòng chảy kiệt từ 1/VI-31/VIII/1984 tại Kim Long 91 Hình 2.29: Kết quả kiểm định dòng chảy kiệt từ 1/VI-31/VIII/1984 tại Phú Ốc 92 Hình 3.1: Minh họa thiết lập chương trình vận hành hồ chứa 100 Hình 3.2: Quá trình mực nước trong năm nước trung bình tại Kim Long 104 Hình 3.3: Quá trình mực nước trong năm nước trung bình tại Phú Ốc 104 Hình 3.4: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long theo các trường hợp 106 Hình 3.5: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Phú Ốc theo các trường hợp 107 Hình 3.6: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1983 tại Kim Long theo các trường hợp 109 Hình 3.7: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1983 tại Phú Ốc theo các trường hợp 109 Hình 3.8: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long khi các hồ vận hành theo phương án I, xét biến đổi khí hậu 112 Hình 3.9: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Kim Long khi các hồ vận hành theo phương án II, xét biến đổi khí hậu 112 Hình 3.10: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Phú Ốc khi các hồ vận hành theo phương án I, xét biến đổi khí hậu 113 Hình 3.11: Quá trình mực nước lũ tính toán năm 1999 tại Phú Ốc khi các hồ vận hành theo phương án II, xét biến đổi khí hậu 113 Hình 3.12: Quá trình mực nước mùa cạn năm nước trung bình tại Kim Long 114 Hình 3.13: Quá trình mực nước mùa cạn năm nước trung bình tại Phú Ốc 115 Hình 3.14: Quan hệ lưu lượng và mực nước tại trạm Bình Điền trước và sau khi có hồ Bình Điền 117 Hình 3.15: Biểu đồ điều phối vận hành hồ Bình Điền 130 Hình 3.16: Biểu đồ điều phối vận hành hồ Hương Điền 130
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Sông Hương là sông liên tỉnh song chủ yếu thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế, có tài nguyên nước rất phong phú nhưng phân bố rất không đều trong năm, những đặc điểm của tài nguyên nước và điều kiện lưu vực tạo ra những khó khăn trong khai thác phục vụ phát triển kinh tế – xã hội. Hiện nay trên lưu vực đã và đang xây dựng nhiều công trình thủy lợi – thủy điện lớn, có tác động đáng kể đến chế độ thủy văn - thủy lực sông Hương. Để có thể quản lý và khai thác tài nguyên nước lưu vực sông Hương hiệu quả hơn, cần xác định, hiểu rõ và định lượng được những thay đổi của chế độ dòng chảy ở hạ lưu sông Hương do tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực. Những năm gần đây đã có một số nghiên cứu liên quan đến đánh giá tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông Hương. Tuy nhiên các nghiên cứu này mới xem xét các tác động một cách riêng rẽ, tập trung chủ yếu vào đánh giá tác động môi trường của từng hồ chứa đơn độc. Một số nghiên cứu xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu trên lưu vực và đề xuất các giải pháp ứng phó, một số khác nghiên cứu tác động của nước biển dâng đối với vùng ven biển mà chưa đi sâu nghiên cứu đánh giá tác động của cả hệ thống công trình thủy lợi- thủy điện đến tài nguyên nước và chế độ thủy văn- thủy lực của sông Hương. Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội hiện nay của tỉnh Thừa Thiên Huế, việc nghiên cứu tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện đến chế độ dòng chảy sông Hương là vấn đề cấp thiết phục vụ cho qui hoạch và quản lý khai thác sử dụng tổng hợp có hiệu quả tài nguyên nước. Vì vậy việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu” là cần thiết, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững kinh tế - xã hội trên lưu vực, đặc
2 biệt phục vụ cho công tác cấu trúc lại cơ cấu nông nghiệp và xây dựng tỉnh Thừa Thiên Huế phát triển thành thành đô thị loại I trực thuộc Trung ương. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Làm rõ sự thay đổi một số yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu. Đề xuất các giải pháp thích ứng nhằm giảm thiểu tác động xấu đến phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường hạ lưu sông Hương. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án thực hiện các nội dung sau: 1) Nghiên cứu các đặc điểm tài nguyên nước, chế độ thủy văn - thủy lực và phân tích các yếu tố tác động đến chế độ thủy văn - thủy lực sông Hương. 2) Nghiên cứu xu thế biến đổi một số yếu tố khí hậu, thủy văn trên lưu vực sông Hương. 3) Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn - thủy lực để tính toán mô phỏng dòng chảy năm, dòng chảy lũ, dòng chảy kiệt sông Hương. 4) Đánh giá sự thay đổi một số yếu tố thủy văn – thủy lực hạ lưu sông Hương dưới tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện khi không xét và có xét đến biến đổi khí hậu. 5) Trên cơ sở các kết quả phân tích đánh giá, luận án đề xuất những giải pháp định hướng để giảm thiểu tác động tiêu cực của các công trình thủy lợi - thủy điện, góp phần phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường trên lưu vực sông Hương. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung đánh giá thay đổi về một số yếu tố thủy văn, thủy lực vùng hạ lưu sông Hương dưới tác động của hệ thống các công trình thủy lợi – thủy điện lớn trên lưu vực.
3 Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Hương, chủ yếu là khu vực hạ lưu từ sau đập các hồ chứa lớn đến đập Thảo Long. Phạm vi thời gian: Từ nay đến năm 2030 khi chưa có những thay đổi lớn về hệ thống công trình cũng như biến đổi khí hậu, nước biển dâng. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các phương pháp được sử dụng trong luận án bao gồm: 1) Phương pháp kế thừa: Thừa kế có chọn lọc các kết quả nghiên cứu, điều tra cơ bản trước đây có liên quan đến nội dung của Luận án. 2) Điều tra, khảo sát: Nhằm thu thập, bổ sung, cập nhật các số liệu khí tượng - thủy văn, địa hình, điều kiện tự nhiên, các hoạt động quản lý và khai thác trên lưu vực sông. 3) Phân tích thống kê: Phân tích xử lý các số liệu về khí tượng, khí hậu, thủy văn, điều kiện dân sinh - kinh tế nhằm tìm ra xu thế diễn biến khí hậu, qui luật diễn biến về lũ, kiệt, xu thế biến đổi các điều kiện mặt đệm và phát triển kinh tế - xã hội. 4) Mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực: Là phương pháp được sử dụng để lượng hóa các tác động của các công trình thủy lợi- thủy điện đến chế độ thủy văn- thủy lực của hệ thống sông. 5) Phương pháp GIS: Sử dụng các phần mềm GIS để biên tập, trình bày các bản đồ và tính toán các thông số. Các phần mềm được sử dụng chính trong đề tài: ArcGIS, Mapinfo. 6) Phân tích hệ thống: Đánh giá các tác động gây biến đổi dòng chảy dựa trên cơ sở phân tích toàn hệ thống lưu vực sông bao gồm các hồ chứa thủy lợi - thủy điện, thông qua từng lưu vực bộ phận, từ đó rút ra các qui luật biến đổi của chúng và đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực. 7) Phương pháp chuyên gia và tham vấn ý kiến cộng đồng: Thông qua các hội thảo và điều tra khảo sát thực địa để thu thập thông tin, trao đổi để đi đến thống
4 nhất về những quan điểm, nguyên nhân và các giải pháp phòng, chống và giảm thiểu thích hợp. 5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày theo 3 chương: Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương II: Phân tích và tính toán. Chương III: Kết quả và thảo luận. 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Thông qua các kết quả nghiên cứu, luận án có thể rút ra một số đóng góp mới như sau: 1) Đã đánh giá được một cách định lượng những tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện trên lưu vực sông Hương và tác động của biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn - thủy lực ở hạ lưu hệ thống sông Hương. 2) Đã đề xuất được các giải pháp phi công trình và công trình nhằm giảm thiểu những tác động tiêu cực của các công trình thủy lợi – thủy điện trên lưu vực sông Hương đến chế độ dòng chảy ở hạ lưu và nâng cao hiệu quả khai thác của các công trình.
5 Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY CÓ LIÊN QUAN 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Theo thống kê chưa đầy đủ của Ủy ban Đập lớn Thế giới, hiện nay có trên 50.000 hồ chứa nước lớn (với đập cao hơn 15m hoặc dung tích hơn 3 triệu m3) được xây dựng trên toàn thế giới. Ba quốc gia nhiều đập lớn nhất thế giới là Trung Quốc có khoảng 22.000 đập, Hoa Kỳ 6.575 đập và Ấn Độ 4.291 đập [66]. Lợi ích các hồ chứa nước là rất lớn và khá đa dạng, điển hình nhất là cung cấp nước cho các nhu cầu khác nhau, phát điện, chống lũ hạ lưu, tạo cơ hội phát triển kinh tế - xã hội, xóa đói giảm nghèo, cải thiện vi khí hậu, Tuy nhiên, những tác động làm thay đổi chế độ thủy văn - thủy lực và các vấn đề môi trường khác là rất đáng kể và phức tạp. Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến tác động của các hồ chứa và biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu của lưu vực sông, một số công trình nghiên cứu tiêu biểu có thể tóm tắt như sau: - S. Shalash (1980) [89] đã nghiên cứu sự sụt giảm bùn cát đáy, mức độ hạ thấp đáy sông và mực nước sau đập trong giai đoạn 1964-1978 để đánh giá ảnh hưởng của đập High Aswan lên chế độ thủy văn- thủy lực ở hạ lưu sông Nile bằng phương pháp khảo sát, đo đạc địa hình lòng dẫn hạ lưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ hạ thấp đáy sông và mực nước ở hạ lưu sau đập biến đổi trong khoảng từ 50 đến 20 mm mỗi năm, tốc độ hạ thấp mực nước và đáy sông đạt cao nhất trong thời gian bắt đầu vận hành đập và giảm dần theo thời gian. Nghiên cứu này được thực hiện sớm, công phu và tốn kém nhiều kinh phí, tập trung chủ yếu vào nghiên cứu xói mòn lòng dẫn. - Trên cơ sở phát triển của Richter và nnk (1996) [86], Francis J. Magilligan và Keith H. Nislow (2003) [78] đã nghiên cứu các ảnh hưởng của các đập hồ chứa đến chế độ dòng chảy hạ lưu các con sông ở Hoa Kỳ bằng việc sử dụng Chỉ số Biến
6 đổi Thủy văn (the Indicators of Hydrologic Alteration) để định lượng những thay đổi chế độ dòng chảy tại các trạm thủy văn từ các số liệu đo đạc trước và sau khi vận hành công trình. - Ramon J. Batalla và nnk (2000) [76] đã nghiên cứu sự thay đổi chế độ dòng chảy do ảnh hưởng của các công trình hồ chứa nước trên lưu vực sông Ebro ở vùng đông bắc Tây Ban Nha chịu sự điều tiết của trên 187 đập nước, với tổng dung tích xấp xỉ 57% tổng lượng dòng chảy trung bình năm. Nghiên cứu đã phân tích số liệu của 38 trạm thủy văn trên 22 nhánh sông để đánh giá sự thay đổi thủy văn do các hồ chứa trên lưu vực gây ra. Kết quả cho thấy dòng chảy lũ với tần suất 2 năm xảy ra 1 lần và 10 năm xảy ra 1 lần trung bình giảm trên 30%, còn với dòng chảy năm không có xu thế rõ rệt. - William L. Graf (2005) [96] đã nghiên cứu 137 hồ chứa rất lớn (dung tích hồ hơn 1,2 km3) và khảo sát, phân tích dữ liệu của 72 con sông trên khắp lãnh thổ Hoa Kỳ, kết quả nghiên cứu cho thấy: trung bình các hồ chứa nước đã làm giảm nhỏ đỉnh lũ đến 67% (nhiều nhất đến 90%), giảm lưu lượng trung bình lớn nhất hàng năm 60%, và trung bình ngày lớn nhất 64%. So với những con sông không bị điều tiết (không có hồ chứa) thì những con sông bị điều tiết bị thay đổi mạnh mẽ về kích thước lòng dẫn: mặt cắt thủy lực dòng chảy kiệt tăng lên 32%, mặt cắt thủy lực dòng chảy lũ giảm đi 50%; khả năng hoạt động của các vùng đồng bằng lũ ven sông giảm 79%, và vùng đồng bằng lũ không còn chức năng hoạt động tăng 3,6 lần. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong những năm gần đây về tác động của biến đổi khí hậu đến lượng mưa, dòng chảy, lũ lụt, hạn hán trên các lưu vực sông trên cơ sở sử dụng kết quả dự tính khí hậu của các mô hình hoàn lưu tổng quát GCM (General Circulation Model) làm đầu vào cho các mô hình khác để cuối cùng là mô phỏng dòng chảy trong tương lai. Một số nghiên cứu gần đây như sau: - Xu Z.X. và nnk (2008) [95] sử dụng kết quả của các mô hình hoàn lưu tổng quát GCM và phương pháp chi tiết hóa thống kê để dự tính mưa và nhiệt độ trong tương lai, đồng thời sử dụng mô hình thủy văn SWAT (Soil and Water Assessment Tool) để tính toán dòng chảy cho lưu vực thượng nguồn sông Hoàng
7 Hà. Kết quả cho thấy xu hướng giảm dòng chảy trung bình năm trong các thời kỳ tương lai, tuy nhiên kết quả dự tính dòng chảy ứng với mỗi số liệu của mỗi mô hình GCM là khác nhau tương đối lớn. - Kim U. và nnk (2008) [83] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và vận hành đập thủy điện đối với chế độ thủy văn và tài nguyên nước trên lưu vực thượng lưu sông Blue Nile ở Ethiopia, là khu vực có số liệu quan trắc hạn chế. Nghiên cứu này cũng sử dụng đầu ra của 6 mô hình GCM làm đầu vào cho mô hình thủy văn 2 bể chứa đơn. Dựa trên độ chính xác của từng mô hình GCM trong kết quả tính toán mưa và nhiệt độ cho khu vực nghiên cứu, đề tài đã tổ hợp kết quả của các mô hình GCM theo trọng số, sai số tuyệt đối trung bình của từng mô hình càng nhỏ thì trọng số càng lớn. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy mô hình thủy văn 2 bể chứa đơn có thể sử dụng thành công ước tính dòng chảy từ mưa, tuy nhiên để cải thiện độ tin cậy cần tăng cường thu thập, quan trắc khí tượng thủy văn. - Hoanh, C. T. và nnk (2010) [80] trong nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu và sự phát triển đến chế độ dòng chảy sông Mê Công đã sử dụng bộ mô hình DSF (Decision Support Framework) để đánh giá ảnh hưởng của các hồ chứa thượng nguồn thuộc Trung Quốc và các đập trên dòng chính phía hạ lưu thuộc Lào, Campuchia đến dòng chảy hạ lưu thuộc châu thổ Mê Công. Kết quả cho thấy, dưới tác động của biến đổi khí hậu, so với giai đoạn 1985-2000, mức tăng trung bình trong thời kỳ 2010-2050 của dòng chảy năm tại Kratie là 7% theo kịch bản B2, 12,5% theo kịch bản A2. Nếu xét đến cả khai thác sử dụng nước trên lưu vực thì dòng chảy năm tại Kratie trung bình thời kỳ 2010-2050 vẫn tăng lên nhưng mức độ ít hơn, chỉ khoảng 3,7% theo kịch bản B2 và 9% theo kịch bản A2. Tương tự, dòng chảy mùa lũ trung bình tại Kratie tăng 5% và 11% tương ứng theo kịch bản B2 và A2. - K.Vastila và nnk (2010) [94] đã nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến thay đổi cân bằng nước và mực nước biển dâng đến lũ lụt trong vùng đồng bằng ngập lũ hạ lưu sông Mê Công. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chi tiết hóa động lực bằng mô hình khí hậu khu vực PRECIS để hạ qui mô các yếu tố nhiệt độ,
8 lượng mưa từ mô hình khí hậu toàn cầu ECHAM4 đến qui mô lưu vực sông Mê Công, đồng thời sử dụng mô hình thủy văn VIC (Variable Infiltration Capacity) và mô hình thủy động lực EIA 3D để mô phỏng ngập lụt. Kết quả cho thấy sự gia tăng mực nước lũ lớn nhất và trung bình trong mùa lũ thời kỳ 2010-2049. - Trung tâm Quốc tế về Quản lý Môi trường (ICEM, 2010) [45] đã thực hiện đánh giá môi trường chiến lược (SEA) của các dự án thủy điện đề xuất trên dòng chính sông Mê Công, chưa nghiên cứu chi tiết định lượng tác động của các công trình thủy điện đến chế độ thủy văn, thủy lực sông Mê Công. - H. Lauri và nnk (2012) [82] sử dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê kết quả đầu ra nhiệt độ trung bình tháng và tổng lượng mưa hàng tháng từ 5 mô hình GCM và mô hình thủy văn phân bố VMod để mô phỏng dòng chảy sông Mê Công. Dưới tác động của biến đổi khí hậu thì lưu lượng tại Kratie thời kỳ 2032 – 2042 so với thời kỳ cơ sở 1982-1992 thay đổi từ -11% đến +15% trong mùa mưa và -10% đến +13% trong mùa khô. Nghiên cứu cũng chỉ ra tác động của vận hành các hồ chứa là lớn hơn nhiều so với tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt mùa khô dòng chảy tăng từ 25-160%, và mùa mưa hạ thấp đỉnh lũ tại Kratie từ 5-24%. Nhìn chung, các công trình nghiên cứu nói trên tập trung chủ yếu vào các lưu vực sông có qui mô lớn, có nhiều giá trị về mặt khoa học và thực tiễn, có thể chia thành hai hướng chính: (i) so sánh phân tích diễn biến môi trường của các giai đoạn trước và sau khi có các hồ chứa bằng số liệu thực đo, và (ii) sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực để đánh giá các tác động tới dòng chảy hạ lưu. Mỗi hướng nghiên cứu nêu trên đều có những ưu điểm riêng, nhưng vẫn còn những hạn chế: - So sánh phân tích diễn biến môi trường trước và sau khi có các công trình cần có số liệu đủ dài về quan trắc, khảo sát các yếu tố địa hình, địa mạo, thủy văn, môi trường, nên rất tốn kém cả về thời gian, kinh phí và kỹ thuật để đảm bảo tính đồng bộ và chất lượng số liệu, đặc biệt đối với các sông thiếu mạng lưới quan trắc thường xuyên - Điều kiện lưu vực luôn thay đổi do sử dụng, khai thác tài nguyên như đất, rừng và thậm chí cả tài nguyên nước, chính những thay đổi này có tác động đến
9 dòng chảy hạ lưu. Do vậy rất khó đánh giá chính xác và tách biệt được những tác động này trong các số liệu đo đạc. - Sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực và mô hình khí hậu để đánh giá tác động của công trình và biến đổi khí hậu đến chế độ dòng chảy hạ lưu có khả năng mô tả chi tiết quá trình dòng chảy theo các kịch bản khác nhau. Tuy nhiên còn những hạn chế như yêu cầu số liệu rất lớn và chi tiết về số liệu địa hình, mặt cắt mạng lưới sông trong sơ đồ tính toán, số liệu về khí hậu, sử dụng đất, thảm phủ rừng, Ngoài ra do khối lượng tính toán lớn nên đòi hỏi về năng lực máy tính và đặc biệt là chuyên môn sâu về mô hình của người nghiên cứu. Các nghiên cứu hiện nay cũng cho thấy, trên cùng một lưu vực sông, khi áp dụng các mô hình khí hậu GCM khác nhau sẽ cho ra các kết quả thay đổi thủy văn khác nhau không chỉ về độ lớn thay đổi mà còn khác nhau về xu hướng biến đổi do tác động của biến đổi khí hậu [77, 82, 94]. Do vậy ngoài việc cải thiện nâng cao độ phân giải của các mô hình khí hậu, lựa chọn mô hình có độ tin cậy cao nhất, còn cần kết hợp với việc phân tích diễn biến của các yếu tố khí tượng thủy văn quan trắc dài hạn trong quá khứ để đưa ra sự lựa chọn thích hợp để dự tính khí hậu tương lai [82]. Có thể nói nghiên cứu tác động của các hồ chứa thượng lưu và biến đổi khí hậu đến chế độ dòng chảy đến nay đã đạt được nhiều kết quả quan trọng về mặt phương pháp luận và kỹ thuật sử dụng. Hầu hết các nghiên cứu trong thời gian gần đây đã sử dụng công cụ mô hình toán thủy văn, thủy lực để đánh giá sự thay đổi chế độ dòng chảy trong tương lai dưới tác động của công trình và biến đổi khí hậu. Cách tiếp cận phân tích xu thế biến đổi các yếu tố khí hậu trong quá khứ để lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu phù hợp cho lưu vực nghiên cứu, kết hợp sử dụng mô hình toán để nghiên cứu sự thay đổi các yếu tố thủy văn - thủy lực hạ lưu do tác động của các công trình thủy lợi, thủy điện và biến đổi khí hậu đã và đang là hướng phù hợp và hiệu quả, đây là hướng tiếp cận mà luận án sẽ kế thừa và vận dụng trong nghiên cứu. 1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 1.1.2.1 Ở Việt Nam
10 Trong mấy thập kỷ qua, Việt Nam đã xây dựng hàng nghìn hồ chứa thủy lợi - thủy điện trên hầu hết các lưu vực sông của cả nước. Bên cạnh những lợi ích cho phát triển kinh tế - xã hội và phòng chống thiên tai, các hồ chứa ở nước ta cũng gây ra các tác động bất lợi đối với hạ lưu. Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về tác động của các hồ chứa thủy lợi - thủy điện, gồm các nhóm: (1) Các nghiên cứu đánh giá tác động môi trường của các công trình thủy lợi, thủy điện: Lê Đông Hải và nnk (1995) [17] nghiên cứu đánh giá hiện trạng, dự báo biến đổi môi trường tại khu vực công trình Trị An, đề xuất các phương hướng và phương án phát triển kinh tế - xã hội; Nguyễn Thượng Hùng và nnk (1995) [19] nghiên cứu đánh giá tác động môi trường của hồ Hòa Bình; Lê Đình Thành và nnk (2008-2009) [42] nghiên cứu đánh giá tác động của các hồ chứa thủy điện thượng lưu phía Việt Nam đến hạ du thuộc Campuchia, và nhiều nghiên cứu đánh giá tác động môi trường của các dự án thủy lợi, thủy điện trên khắp cả nước. Các nghiên cứu này chủ yếu sử dụng các phương pháp đánh giá tác động môi trường như đo đạc, khảo sát, điều tra xã hội học, kiểm tra danh mục các thông số môi trường, ma trận môi trường, để xác định các tác động đến môi trường sinh thái và kinh tế xã hội, đề xuất các giải pháp giảm thiểu nhằm phát triển bền vững toàn lưu vực, không đi sâu vào đánh giá đến sự thay đổi các yếu tố thủy văn - thủy lực. (2) Các nghiên cứu tác động của các công trình đến chế độ thủy văn thủy lực dòng chảy khu vực hạ lưu: - Ngô Đình Tuấn và nnk (1999) [48] nghiên cứu dự báo tác động của hồ Pa Vinh (hồ Sơn La) và các hồ khác có thể được xây dựng đối với chế độ thủy văn hệ thống sông Hồng. Các kết quả đã xác định phân bố dung tích phòng lũ cho các hồ trên hệ thống và đánh giá những thay đổi dòng chảy mùa lũ đối với hạ lưu, một phần xem xét về bồi lắng bùn cát trong các hồ chứa. - Lê Đình Thành, Trịnh Quang Hòa và nnk (2005) [41] thực hiện đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều hành trợ giúp chỉ đạo hệ thống công trình phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng”. Nghiên cứu chủ yếu tập trung đánh giá các tác
11 nhân ảnh hưởng đến công tác điều hành chống lũ cho đồng bằng sông Hồng, nghiên cứu mô hình hóa tổ hợp lũ từ các nhánh sông về hạ lưu bằng phương pháp Monte Carlo, từ đó xác định điều kiện biên của bài toán điều hành chống lũ để xây dựng công nghệ điều hành tổ hợp công trình phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng, bao gồm thiết kế hệ thống thông tin, thiết kế công nghệ dự báo lũ ngắn hạn, trung hạn và dài hạn, tính toán ngập lụt và cảnh báo ngập lụt cho vùng đồng bằng sông Hồng. - Lê Kim Truyền, Hà Văn Khối và nnk (2007) [46] nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn điều hành cấp nước mùa cạn cho đồng bằng sông Hồng. Thông qua việc phân tích hiện trạng chế độ dòng chảy vùng hạ lưu sông Hồng do ảnh hưởng của hồ chứa Hòa Bình và Thác Bà, tính toán nhu cầu dùng nước vùng đồng bằng sông Hồng, điều tiết hệ thống hồ chứa, ứng dụng mô hình MIKE 11 đánh giá hiện trạng diễn biến mực nước và xâm nhập mặn vùng hạ lưu sông Hồng, đề tài đã đánh giá khả năng gia tăng cấp nước của các hồ chứa thượng nguồn khi gặp những năm hạn kiệt, đề xuất chế độ vận hành các hồ chứa phục vụ phát điện và cấp nước trong thời kỳ mùa kiệt trên hệ thống sông Hồng, không đi sâu đánh giá toàn diện tác động của các hồ chứa đến chế độ thủy văn – thủy lực hạ lưu sông Hồng. - Nguyễn Hữu Khải và nnk (2011) [23] đã xây dựng công nghệ điều hành hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba để giảm lũ và cấp nước mùa kiệt cho vùng hạ lưu. Các tác giả đã sử dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực với các phương án mực nước đón lũ khác nhau, dòng chảy sau khi được điều tiết qua hồ chứa được diễn toán về hạ lưu bằng mô hình thủy lực MIKE 11. Kết quả đã lựa chọn qui tắc và áp dụng mô hình trong vận hành liên hồ chứa trên sông Ba nhằm tạo dung tích đón lũ và xác định ngưỡng cắt giảm đỉnh lũ, đảm bảo an toàn công trình và hạn chế tổn thất điện năng. Mặc dù đã chỉ ra tác động giảm lũ đáng kể nhưng qui trình đề xuất chưa thể đảm bảo hạ thấp mực nước lũ đạt yêu cầu phòng chống lũ ở hạ lưu. - Nguyễn Lập Dân và nnk (2013) [16] nghiên cứu đánh giá tác động của phát triển thủy điện đến tài nguyên nước khu vực Tây Nguyên, kết quả cho thấy việc
12 phát triển thủy điện mang lại các tác động tích cực như phát điện, bổ sung nguồn nước ngầm, chuyển nước cho các vùng khô hạn, song có nhiều tác động tiêu cực như làm thay đổi chế độ thủy văn, làm tăng tổn thất nước, tạo ra các khúc sông chết ở hạ lưu đập. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá định lượng tác động của các hồ chứa thủy điện đến chế độ thủy động lực hạ lưu. (3) Các nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông: - Sapkota M. và nnk (2010) [87] sử dụng mô hình thủy văn phân bố Hydro- BEAM (Hydrological River Basin Environment Assessment Model) để nghiên cứu tác động của biển đổi khí hậu đối với dòng chảy sông Hồng. Mô hình sử dụng số liệu khí tượng từ đầu ra của mô hình khí hậu toàn cầu GCM với độ phân giải theo không gian 20km và theo thời gian từng giờ ứng với kịch bản A1B của IPCC. Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy văn tại trạm Hà Nội khá tốt với chỉ số Nash đạt 0,77 và sai số dòng chảy tổng vượt 5,5%. - Trần Thanh Xuân, Trần Thục và Hoàng Minh Tuyển (2011) [74, 75] nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước trên 6 lưu vực sông lớn của Việt Nam, gồm sông Hồng - Thái Bình, sông Cả, sông Vu Gia - Thu Bồn, sông Ba, sông Đồng Nai và sông Cửu Long. Dưới tác động của biến đổi khí hậu, dòng chảy sông trong các giai đoạn tương lai được đánh giá bằng mô hình mưa – dòng chảy NAM theo các kịch bản biến đổi khí hậu B2 và A2. Kết quả cho thấy không có sự chênh lệch đáng kể giữa 2 kịch bản, dòng chảy năm của các sông ở phía Nam từ Hà Tĩnh trở vào có xu thế giảm trung bình thấp hơn 2% vào thời kỳ 2020-2039, thấp hơn 4% vào thời kỳ 2040-2059; dòng chảy trung bình mùa lũ tăng thấp hơn 2% và 4% tương ứng 2 thời kỳ nói trên. Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất năm Qmax tương ứng với các tần suất 1% và 5% đều tăng trên phần lớn các sông miền trung với mức tăng khoảng 1 - 7% trong thời kỳ trước 2059 theo kịch bản B2. - Vũ Văn Minh, Trần Hồng Thái và nnk (2011) [26] đã đánh giá xu hướng thay đổi của dòng chảy lũ sông Hồng dưới tác động của biến đổi khí hậu, nhưng chỉ
13 dừng lại ở phân tích mực nước lũ lớn nhất trên phạm vi rộng của cả lưu vực sông Hồng – Thái Bình. Kết quả cho thấy dòng chảy lũ dự tính trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình tăng dần qua từng thời kỳ. - Nguyễn Ý Như, Trần Ngọc Anh và nnk (2012) [29] đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước tỉnh Khánh Hòa. Trong nghiên cứu này, chuỗi mưa và bốc hơi năm điển hình cho mỗi trạm trên toàn khu vực nghiên cứu theo nguyên tắc lựa chọn năm đại biểu được thay đổi theo tỉ lệ biến đổi lượng mưa theo kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2009). Sử dụng mô hình thủy văn NAM để khôi phục dòng chảy cho giai đoạn nền 1980-1999 và dự tính dòng chảy giai đoạn 2050 và 2100 theo 3 kịch bản phát thải B1, B2 và A2, kết quả cho thấy biến đổi khí hậu gây ra biến động lớn về dòng chảy của khu vực nghiên cứu. - Năm 2012, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt qui hoạch thủy lợi giai đoạn 2012-2020 và định hướng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng đối với các khu vực: đồng bằng sông Cửu Long (Quyết định 1397/QĐ- TTg) [56], đồng bằng sông Hồng (Quyết định 1554/QĐ-TTg) [57], khu vực miền Trung (Quyết định 1588 QĐ/TTg) [58]. Tóm lại, ở Việt Nam việc đánh giá tác động của các công trình và biến đổi khí hậu đến dòng chảy gần đây đã được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt từ khi có các công trình thủy lợi, thủy điện lớn trên các hệ thống sông. Các nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước thường tập trung đánh giá thay đổi nguồn nước trên lưu vực, chưa đi sâu đánh giá chi tiết và định lượng tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện và biến đổi khí hậu đến các yếu tố thủy văn - thủy lực ở hạ lưu các hệ thống sông 1.1.2.2 Ở lưu vực sông Hương Đến nay đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến tác động của các công trình đến chế độ thủy văn – thủy lực sông Hương, các nghiên cứu tiêu biểu như sau: - Ngô Đình Tuấn, Lê Đình Thành và nnk (2002) [49] trong “Đánh giá tác động môi trường dự án hồ chứa nước Tả Trạch” đã xác định lưu lượng sinh thái
14 sông Hương qua đập Thảo Long là 31 m3/s. Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA), Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên Thế giới (IUCN) đã chấp nhận con số này. - Tổ chức Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA, 2003) [21] trong dự án nghiên cứu về phát triển và quản lý tài nguyên nước cho 14 lưu vực sông tại Việt Nam trong đó có lưu vực sông Hương đã sử dụng mô hình thủy văn MIKE-NAM và mô hình Sacramento để tính toán dòng chảy tự nhiên nhưng chỉ giới hạn đến ngã ba Tuần (hợp lưu của sông Tả Trạch và Hữu Trạch) và trạm Cổ Bi ở sông Bồ, tính toán dự báo nhu cầu nước, đề xuất phương án phát triển lưu vực bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình, đánh giá tác động môi trường của dự án hồ Tả Trạch chủ yếu đến chất lượng nước, môi trường sinh thái và môi trường xã hội. - Lê Mạnh Hùng và nnk (2005) [20] xây dựng “Qui hoạch chỉnh trị ổn định sông Hương đoạn từ hạ lưu hồ Tả Trạch đến đập Thảo Long” đã sử dụng mô hình MIKE 11 và MIKE 21C nghiên cứu biến đổi lòng dẫn sông Hương làm cơ sở đề xuất các công trình chỉnh trị chống xói lở bờ sông, đánh giá khả năng cắt lũ của các hồ chứa Tả Trạch và Bình Điền, mô phỏng ngập lụt hạ du trong trường hợp vỡ đập, nhưng không đi sâu vào đánh giá tác động của các công trình đến chế độ thủy văn - thủy lực ở khu vực hạ du, không xét đến hồ Hương Điền trong hệ thống. - Viện Qui hoạch Thủy lợi (2005) [71] lập “Qui hoạch tổng hợp nguồn nước lưu vực sông Hương”, đã nghiên cứu đề xuất các giải pháp phát triển thủy lợi nhằm khai thác, sử dụng tổng hợp và bảo vệ nguồn nước lưu vực sông Hương bao gồm qui hoạch cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, cấp nước tưới, nuôi trồng thủy sản; qui hoạch tiêu úng, phòng chống lũ và qui hoạch xây dựng 3 hồ chứa lợi dụng tổng hợp Tả Trạch, Bình Điền và Cổ Bi (Hương Điền) để chống lũ, phát điện, cấp nước, cải thiện môi trường cho hạ du. - Hoàng Minh Tuyển và nnk (2010) [51] thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng và đề xuất qui trình vận hành điều tiết nước mùa cạn hệ thống hồ chứa trên sông Hương”, đề xuất qui trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn có giá trị tham khảo vì còn một số tồn tại trong việc xác định các hàm mục tiêu và các ràng buộc của hệ thống, không nghiên cứu dòng chảy năm, dòng chảy lũ.
15 - Huỳnh Công Hoài và nnk (2011) [18] nghiên cứu “Đánh giá sự biến động của dòng chảy và môi trường nếu loại bỏ một số cống đập trên vùng hạ du khi có các công trình thủy lợi, thủy điện trên dòng chính” sử dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng ngập lụt ở hạ lưu theo các kịch bản phá bỏ các cống - đập, bao gồm: cống La Ỷ, đập Đá, cống Phú Cam, trong điều kiện có và không có sự điều tiết của các hồ chứa lớn ở thượng lưu sông Hương. Đề tài nghiên cứu tác động của các hồ chứa đến vấn đề lũ lụt, xem xét sự bồi xói tại các vị trí cống La Ỷ và đập Đá khi các công trình này bị phá bỏ và chất lượng nước trên các chi lưu. - Nguyễn Quang Trung và nnk (2011) [44] trong đề tài cấp Nhà nước KC08.25/06-10 “Nghiên cứu đánh giá tác động của các công trình trên dòng chính và giải pháp quản lý, sử dụng hiệu quả tài nguyên nước mặt lưu vực sông Hương” đã đánh giá tác động của hệ thống hồ chứa đến biến đổi lòng dẫn hạ lưu sông Hương, chất lượng nước và môi trường sinh thái vùng đầm phá, đề xuất các giải pháp giảm thiểu các tác động tiêu cực và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước mặt. Nghiên cứu đề cập đến hiệu quả cắt lũ của các hồ chứa Tả Trạch, Bình Điền, Hương Điền và khả năng cung cấp nước cho vùng đồng bằng khi có các hồ nhưng không xét đến vận hành đập Thảo Long. Một số nghiên cứu liên quan đến biến đổi khí hậu trên lưu vực sông Hương trong những năm gần đây gồm: - Laurens M. Bouwer và Jeroen C.J.H. Aerts (2006) [85] trong chương trình hợp tác vùng bờ Việt Nam- Hà Lan, đã sử dụng mô hình toán thủy văn STREAM ước tính những tác động tiềm năng của biến đổi khí hậu trên lưu vực sông Hương. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ sẽ tăng lên trong cả hai kịch bản phát thải khí nhà kính A2 và B2 (IPCC, 2000). Trong thời kì 2069-2099, nhiệt độ dự tính đến năm 2099 gia tăng khoảng 3,5 - 2,1oC theo kịch bản A2 và khoảng 2,2 - 1,8oC theo kịch bản B2. Theo mô hình khí hậu HadCM3, lượng mưa năm trung bình trên lưu vực sông Hương sẽ gia tăng khoảng 12-14,8% vào năm 2099. Theo mô hình khí hậu ECHAM4 lượng mưa sẽ gia tăng nhẹ khoảng 5% đối với kịch bản A2 và ngược lại, sẽ giảm nhẹ vào khoảng 4,1% đối với kịch bản B2.
16 - Trần Thục và các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường thực hiện dự án “Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu ở lưu vực sông Hương và chính sách thích nghi ở huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế” (2007-2008) [43, 52, 68] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước sông Hương, chưa nghiên cứu chi tiết tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện đến chế độ thủy văn – thủy lực. - Tổ chức Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) (2010-2011) [22] thực hiện dự án “Nâng cao Năng lực Thích ứng Thiên tai tại khu vực Miền Trung Việt Nam” với mục tiêu hỗ trợ phía đối tác lập kế hoạch Quản lý lũ lụt tổng hợp lưu vực sông Hương đến 2020. Dự án tập trung nghiên cứu về quản lý lũ, không đi sâu nghiên cứu tác động của hệ thống công trình thủy lợi – thủy điện đến chế độ thủy văn – thủy lực sông Hương. Tóm lại, các nghiên cứu trên lưu vực sông Hương cho đến nay chủ yếu liên quan đến qui hoạch khai thác, sử dụng nguồn nước, đánh giá tác động môi trường của các dự án hồ chứa, đánh giá hiệu quả cắt giảm lũ của các hồ chứa và bồi xói lòng dẫn vùng hạ lưu, bước đầu nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước. 1.1.3 Những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây trên lưu vực sông Hương và hướng khắc phục 1.1.3.1 Những hạn chế Từ các kết quả nghiên cứu đã thực hiện trên lưu vực sông Hương liên quan đến tác động của các công trình thủy lợi- thủy điện và biến đổi khí hậu cho thấy những hạn chế chủ yếu sau đây: - Các nghiên cứu đã thực hiện thường đánh giá tác động của từng công trình, tác động tổng hợp của các công trình thượng lưu, hạ lưu và biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn - thủy lực hạ lưu hệ thống sông Hương chưa được xem xét đầy đủ. Quan điểm tiếp cận trong nghiên cứu chưa xét đủ tính hệ thống và tích hợp, ví dụ Lê Mạnh Hùng và nnk (2005) không xét đến hồ Hương Điền, hay Nguyễn Quang
17 Trung và nnk (2011) không xét đến sự vận hành của đập Thảo Long; Hoàng Minh Tuyển và nnk (2010) chỉ xét yếu tố dòng chảy mùa cạn, Huỳnh Công Hoài và nnk (2011) chưa xét đến biến đổi khí hậu. - Các nghiên cứu đến nay hầu hết dựa trên giả thiết là các điều kiện thủy văn và mặt đệm lưu vực không thay đổi. Thực tế sử dụng đất và lớp phủ rừng trên bề mặt lưu vực luôn thay đổi, tương lai đến 2030 có thể thay đổi lớn so với hiện nay do xu thế và tiềm năng phát triển trên lưu vực, chúng sẽ tác động đến các yếu tố thủy văn – thủy lực trên lưu vực sông Hương. - Việc đánh giá định lượng các tác động vẫn còn hạn chế trong một số vấn đề như: (i) Khả năng cắt giảm lũ cho hạ du khi điều tiết các hồ chứa ở thượng lưu theo các phương án vận hành khác nhau, đặc biệt là khi có xét đến biến đổi khí hậu; (ii) Tác động của đập Thảo Long đến việc dâng cao mực nước ở khu vực hạ lưu từ sau các hồ chứa đến đập Thảo Long; và (iii) Tác động đến dòng chảy bùn cát ở hạ lưu khi các hồ chứa thượng nguồn đi vào hoạt động. 1.1.3.2 Định hướng khắc phục Với những hạn chế của những nghiên cứu trước đây và nhận thức đánh giá tác động của hệ thống công trình thủy lợi – thủy điện và biến đổi khí hậu đến một số yếu tố dòng chảy hạ lưu sông Hương là vấn đề phức tạp, do vậy định hướng khắc phục là: - Xem xét đánh giá trên quan điểm phân tích hệ thống của lưu vực sông Hương, tập trung vào các công trình chính có tác động đáng kể đến chế độ dòng chảy hạ lưu sông Hương. - Đánh giá định lượng được tác động của các công trình và biến đổi khí hậu đến một số yếu tố thủy văn – thủy lực hạ du sông Hương, bước đầu xem xét đến vai trò của sử dụng đất và lớp thảm phủ rừng trên lưu vực trong bài toán tổng thể đánh giá tác động trên cơ sở lựa chọn dòng chảy năm và các trận lũ cụ thể để nghiên cứu thay đổi của một số yếu tố thủy văn - thủy lực điển hình, từ đó tạo cơ sở khoa học và thực tiễn cho những nghiên cứu tiếp theo.
18 - Bước đầu đề xuất được các giải pháp có cơ sở khoa học và thực tiễn, có tính khả thi, thiết thực và hiệu quả, phù hợp với tình hình đặc điểm của lưu vực để giảm thiểu các tác động bất lợi và nâng cao hiệu quả của các công trình. 1.1.4 Hướng tiếp cận của luận án 1.1.4.1 Tiếp cận tổng hợp theo hệ thống nguồn nước Hệ thống nguồn nước của một lưu vực sông được cấu thành bởi các thành phần khác nhau, chúng tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau, vì vậy cần dựa trên quan điểm hệ thống để giải quyết các bài toán liên quan đến chế độ thủy văn - thủy lực của lưu vực. Các thành phần chủ yếu của hệ thống nguồn nước lưu vực gồm: - Thành phần khí hậu trong đó quan trọng nhất là các yếu tố mưa, nhiệt độ, bốc hơi. Có thể coi đây là các yếu tố đầu vào của hệ thống và chúng quyết định đến cân bằng nước của hệ thống tài nguyên nước lưu vực. - Điều kiện lưu vực đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình hình thành dòng chảy từ mưa, trong đó địa hình, thảm phủ, thổ nhưỡng và sử dụng đất trên lưu vực quyết định đến tính chất dòng chảy mặt. - Các công trình thuỷ lợi- thuỷ điện trên lưu vực với vai trò điều chỉnh phân bố tài nguyên nước theo không gian, thời gian để đáp ứng các nhu cầu dùng nước trong hệ thống tài nguyên nước. Vận hành hệ thống công trình thủy lợi – thủy điện để đáp ứng các mục tiêu sẽ làm thay đổi dòng chảy tự nhiên vốn có của sông vùng hạ lưu, hay nói cách khác là làm thay đổi đầu ra của hệ thống. - Hiện nay biến đổi khí hậu là một thực tế đã được chấp nhận, trên quan điểm hệ thống cần phải xem xét biến đổi khí hậu trong nghiên cứu phát triển nguồn nước nhằm đảm bảo khai thác, sử dụng và quản lý tổng hợp đạt hiệu quả bền vững. 1.1.4.2 Tiếp cận mô phỏng theo mô hình toán thủy văn thủy lực Tài nguyên nước lưu vực sông là hệ thống phức tạp, trong đó chế độ dòng chảy sông ngòi thay đổi theo không gian và thời gian, vì vậy tiếp cận mô phỏng sử dụng các mô hình toán thủy văn, thủy lực với sự trợ giúp của kỹ thuật viễn thám và GIS tạo thuận lợi cho nghiên cứu đánh giá hiện trạng, các kịch bản và dự báo sự thay đổi trong tương lai. Mặt khác, để nâng cao chất lượng nghiên cứu nhất là trong các bài toán dự báo, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước đòi
19 hỏi chúng ta phải sử dụng công cụ mô hình toán mà các công nghệ nghiên cứu truyền thống khó có thể thực hiện được. Đối với các lưu vực sông Việt Nam, trong lĩnh vực quản lý phát triển tài nguyên nước, vận hành hệ thống công trình thủy lợi – thủy điện cho mục tiêu sử dụng nước, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai thì mô hình toán thủy văn, thủy lực là một công cụ rất có hiệu quả. Kết hợp với các phương pháp truyền thống như điều tra, khảo sát, đo đạc, các mô hình toán có khả năng ứng dụng rất tốt trong nghiên cứu đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm hạn chế những tác động bất lợi của các công trình thủy lợi - thủy điện cũng như nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội và môi trường của chúng. 1.1.4.3 Tiếp cận theo kịch bản Nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu nói chung hiện nay đều tiếp cận theo kịch bản. Thông qua các kịch bản sẽ cho phép đánh giá những tác động khác nhau đến tài nguyên nước. Mặt khác, biến đổi khí hậu là vấn đề hệ trọng đối với mỗi quốc gia, vì vậy nghiên cứu biến đổi khí hậu và tác động của nó phải gắn liền với các kịch bản biến đổi khí hậu theo từng thời kỳ của quốc gia đó. Đối với các lưu vực sông trong nước, việc nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu nên căn cứ vào kịch bản biến đổi khí hậu Quốc gia mà Bộ Tài nguyên và Môi trường đã cập nhật và công bố, đồng thời kết hợp chặt chẽ với điều kiện cụ thể của lưu vực. Vì vậy, cách tiếp cận của luận án trong vấn đề này là dựa trên số liệu quan trắc để phân tích, đánh giá xu thế biến đổi một số yếu tố khí hậu trên lưu vực, lựa chọn kịch bản theo công bố của Bộ Tài nguyên và Môi trường để cụ thể hóa cho lưu vực sông Hương. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án được trình bày trong hình 1.1.
20 Thu thập số liệu khí hậu, thủy văn, địa hình, công trình TL-TĐ Phân tích các yếu Đánh giá xu thế thay đổi một số tố tác động đến chế độ TV-TL Mô hình mưa – yếu tố khí hậu dòng chảy Tác động của hệ thống Lựa chọn kịch hồ chứa thủy lợi – thủy bản biến đổi khí điện lớn ở thượng lưu Thay đổi dòng chảy đến các hồ hậu, NBD Tác đ ộng của công Chi tiết kịch bản biến trình thủy lợi vùng Vận hành hồ chứa thủy đổi khí hậu c ửa sông lợi – thủy điện Mô hình toán thủy văn - thủy lực Thay đổi một số So sánh với kết yếu tố thủy văn - quả điều tra, thủy lực hạ lưu khảo sát Đề xuất giải pháp định hướng Hình 1.1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu của luận án
21 1.2 ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 1.2.1 Đặc điểm tự nhiên 1.2.1.1 Đặc điểm địa lý, địa hình Lưu vực sông Hương nằm gần trọn trong tỉnh Thừa Thiên Huế (hình 1.2) có tọa độ địa lý 15059’ và 16044’ vĩ độ Bắc và giữa 107002’ và 108012’ độ kinh Đông. Tổng diện tích tự nhiên của lưu vực sông Hương là 3.066 km2 [55] chiếm 61% diện tích tự nhiên toàn tỉnh Thừa Thiên Huế, gồm ba nhánh lớn: sông Bồ, sông Hữu Trạch và sông Tả Trạch, trong đó Tả Trạch là nguồn nước chính của sông Hương. Tài nguyên nước lưu vực sông Hương có vai trò rất quan trọng đối với phát triển kinh tế, văn hóa - xã hội, bảo vệ môi trường của tỉnh Thừa Thiên Huế. Hình 1.2: Lưu vực sông Hương trên lãnh thổ Việt Nam Thừa Thiên Huế là vùng chuyển tiếp giữa hai vùng địa lý Bắc Trung bộ và Nam Trung bộ, diện tích tự nhiên phần đất liền là 503.320,53 ha. Đặc điểm địa hình
22 với 75,1% tổng diện tích là núi đồi, 24,9% là đồng bằng duyên hải, đầm phá và cồn đụn cát nội đồng và ven biển (hình 1.3). Ba vùng địa hình chủ yếu như sau [61]: (1) Địa hình đồi núi chủ yếu thuộc huyện A Lưới, Nam Đông, một phần Phong Điền, Hương Trà, Hương Thủy và Phú Lộc với cao độ khoảng từ 750 m đến 1.800 m với các đỉnh như Động Ngài (1.774 m), núi Mang (1.702 m), đặc biệt phía nam có đỉnh Bạch Mã (1.444 m) thuộc trung tâm mưa lớn nhất tỉnh. Vùng gò đồi có cao độ từ (10 - 250 m). Địa hình đồi núi có nhiều vị trí có thể xây dựng được các công trình chứa nước lợi dụng tổng hợp. (2) Đồng bằng duyên hải tương đối bằng phẳng có cao độ dưới +10 m, kể cả các trảng cát nội đồng Phong Điền, Quảng Điền và Phú Vang, chiếm khoảng 16% diện tích tự nhiên của tỉnh. Ở rìa Tây Tây Nam và Tây Bắc có cao độ (7-10 m) giảm xuống (1,5-1,0 m) ở phía đầm phá, đôi nơi gặp các vùng thấp trũng với cao độ mặt đất thấp hơn mực nước biển (từ -0,5 đến -1,0 m) như vùng trũng ở các xã Phong Chương, Quảng An, Quảng Thành, Hương Phong, Thủy Tân, Vinh Thái, Vinh Hà, Lộc An, Hình 1.3: Hình thể địa lý và ranh giới lưu vực sông Hương [24]
23 (3) Đầm phá và cồn cát ven biển: Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, đầm Lăng Cô và dãy cồn, đụn cát chắn bờ biển chiếm khoảng 9% diện tích tự nhiên của tỉnh. Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai dài 68 km, diện tích mặt nước khoảng 220 km2, dung tích trữ nước khoảng 300 – 400 triệu m3 vào mùa khô, và khoảng 600 triệu m3 vào mùa lũ. Đây là vùng chứa một phần nước lũ của sông Hương trước khi đổ ra biển qua hai cửa Thuận An và Tư Hiền. Phía Đông Nam tỉnh có đầm Lăng Cô diện tích 15 km2. Những cồn, đụn cát chạy song song với đường bờ biển chiếm 4,5% diện tích đất tự nhiên của tỉnh [61]. 1.2.1.2 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng Lưu vực sông Hương nằm trọn trong đới Huế, thuộc địa máng uốn nếp Trường Sơn, với 80% diện tích bề mặt đá gốc phân bố ở thượng lưu được đặc trưng bởi lớp vỏ phong hóa ferosialit có bề dày mỏng, ít thấm nước; ở hạ lưu các bề mặt đồng bằng tích tụ sông, sông – biển, biển được cấu tạo bởi sét bột, khả năng thấm nước yếu [15]. Tỉnh Thừa Thiên Huế có các nhóm đất chính như sau [61]: - Nhóm đất vàng đỏ trên núi: diện tích 15.442 ha chiếm 3,15% diện tích của tỉnh, phân bố ở A Lưới, Nam Đông, Phú Lộc trên độ cao từ 500 - 900 m, độ dốc địa hình lớn 15 - 25o loại này dễ bị xói và rửa trôi do độ dốc địa hình lớn. - Nhóm đất đỏ vàng: Diện tích lớn nhất 347.431 ha chiếm 68,74% diện tích toàn tỉnh phân bố chủ yếu ở Nam Đông, A Lưới, Hương Trà, Phong Điền, Hương Thuỷ, Phú Lộc và thành Phố Huế. - Nhóm đất phù sa: Diện tích 41.002 ha chiếm 8,11% diện tính toàn tỉnh và phân bố ở hầu hết các thung lũng suối và đồng bằng các lưu vực sông. Thành phần cơ giới từ thịt nhẹ đến sét. - Nhóm cồn cát và đất cát biển: Diện tích loại này tới 3.962 ha chiếm 8,7% tổng diện tích tự nhiên toàn tỉnh, chủ yếu phân bố ở vùng ven biển. - Nhóm đất nhiễm mặn: Diện tích khoảng 6.290 ha chiếm 1,25% diện tích toàn tỉnh, được hình thành từ nguồn gốc phù sa sông, biển và hỗn hợp sông biển.
24 Loại này được phân bố ở địa hình thấp ven đầm phá thuộc huyện Phú Lộc, Phú Vang, Quảng Điền, Hương Trà - Nhóm đất phèn: Diện tích 6.888 ha chiếm 1,36% diện tích toàn tỉnh, hình thành ở địa hình trũng thấp, ngâm nước lâu ngày bị yếm khí tích tụ lưu huỳnh. Đất này phân bố ở vùng trũng Phú Lộc, Hương Thuỷ, Hương Trà, Phú Vang, Quảng Điền, Phong Điền. 1.2.1.3 Đặc điểm thảm phủ thực vật Rừng ở Thừa Thiên Huế thuộc kiểu rừng kín thường xanh: ở độ cao dưới 700 m là rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới, từ độ cao 700 m trở lên là kiểu rừng kín thường xanh á nhiệt đới. Thành phần loài phong phú, đa dạng, là nơi hội tụ của nhiều luồng thực vật, bao gồm khu hệ thực vật bản địa Bắc Việt Nam - Trung Hoa. Tài nguyên về thực vật rừng rất đa dạng có 120 họ và hơn 600 loài, có những loài gỗ quý hiếm như: lim, gụ, kiền kiền, kim giao, trong đó có 14 loài trong sách đỏ Việt Nam và 5 loài trong sách đỏ thế giới [61]. Theo niên giám thống kê năm 2012, tổng diện tích đất có rừng toàn tỉnh Thừa Thiên Huế là 294.947 ha, trong đó có 202.570 ha rừng tự nhiên, 92.376 ha rừng trồng [14], tuy nhiên chất lượng rừng ở Thừa Thiên Huế hiện nay bị giảm thấp, diện tích rừng tăng chủ yếu là rừng trồng. 1.2.1.4 Đặc điểm khí hậu (1) Mạng lưới trạm khí tượng – thủy văn: Trên lưu vực sông Hương và lân cận có các trạm đo các yếu tố khí tượng – thủy văn (bảng 1.1), trong đó có 3 trạm khí tượng đo khá đầy đủ các yếu tố chính và vẫn đang hoạt động đó là: Huế, Nam Đông và A Lưới. Mạng lưới trạm thủy văn có 7 trạm đo mực nước, có 4 trạm đo lưu lượng nhưng đến nay chỉ còn trạm Thượng Nhật (cấp I) trên sông Tả Trạch và hai trạm đo mực nước Kim Long, Phú Ốc vẫn đang hoạt động . (2) Bức xạ và nắng: Lượng bức xạ lý tưởng trung bình năm đạt trên 230 Kcal/cm2, tháng ít nhất cũng có trên 12 Kcal/cm2, tổng lượng bức xạ của các tháng
25 mùa nóng (từ tháng IV-IX) chiếm 63%-64% tổng lượng bức xạ năm. Số liệu thống kê cho thấy số giờ nắng trung bình nhiều năm vùng đồng bằng (Huế) là 1721 giờ, còn vùng núi (Nam Đông) là 1487 giờ; tháng XII là ít nắng nhất và tháng VII là nhiều nắng nhất [61]. Bảng 1.1: Mạng lưới trạm khí tượng - thủy văn lưu vực sông Hương và lân cận [35, 60] TT Tên trạm Sông Yếu tố đo Thời kỳ quan trắc 1 Huế T, U, V, Z, X, N 1956 - nay 2 Nam Đông T, U, V, Z, X, N 1973 - nay 3 A Lưới X, T, V, Z 1973 - nay 4 Tà Lương Bồ X 1990 - nay 5 Cổ Bi Bồ X, Q, H 1979 - 1985 6 Phú Ốc Bồ H, X 1977 - nay 1979 - 1985 X 7 Bình Điền Hữu Trạch 1995 - nay Q, H 1979 - 1985 8 Thượng Nhật Tả Trạch Q, H, X 1979 - nay 9 Dương Hoà Tả Trạch Q, H, X 1986 - 1987 10 Kim Long Hương H, X 1977 - nay 11 Ca Cút Phá Tam Giang H 1978 - 1982 12 Lộc Trì X 1978 - 1988 Ghi chú các ký hiệu: T - Nhiệt độ không khí (oC) U - độ ẩm không khí (%) V - tốc độ gió (m/s) Z - bốc hơi (mm ) X - mưa (mm) N - nắng (giờ) H - mực nước (cm) Q - lưu lượng nước (m3/s) (3) Nhiệt độ không khí và độ ẩm: Nhiệt độ trung bình nhiều năm không thay đổi nhiều giữa đồng bằng và miền núi trong lưu vực sông Hương, tại trạm Huế là 25,6oC và tại Nam Đông là 25,5oC. Tháng VII là tháng nóng nhất, tháng I hoặc
26 XII là tháng lạnh nhất (18oC), nhiệt độ cao nhất trên lưu vực và lân cận quan trắc được là 41,3oC tại Huế ngày 15/V/1983, nhiệt độ thấp nhất tại A Lưới là 5,4oC ngày 25/XII/1999. Độ ẩm tương đối trung bình nhiều năm trên lưu vực sông Hương từ 83 - 87%, ở vùng đồng bằng, độ ẩm thường nhỏ hơn miền núi. Tháng có độ ẩm tương đối trung bình đạt cao nhất là tháng II đạt 89,5% - 89,7%, thấp nhất tháng VII đạt từ 73,8% - 79,8% [35]. (4) Chế độ gió: Theo thống kê số liệu đo đạc, tốc độ gió bình quân từ 1,4-2,3 m/s [35]. Chế độ gió thay đổi theo các thời kỳ trong năm: gió mùa Đông Bắc thịnh hành từ tháng XI-XII năm trước đến tháng III-IV năm sau, còn lại là thời kỳ gió Đông Nam chiếm ưu thế, gió Tây khô nóng (gió Lào) xuất hiện trong tháng IV- VIII [35, 61]. (5) Bốc hơi: Lượng bốc hơi trung bình nhiều năm đo bằng ống Piche trên lưu vực biến đổi không nhiều theo không gian: tại Huế là 930 mm, Nam Đông 913 mm. Tháng VII có lượng bốc hơi nhiều nhất do nhiệt độ cao và độ ẩm không khí thấp và tháng XII có lượng bốc hơi ít nhất [35]. (6) Mưa: Lưu vực sông Hương là một trong những vùng có lượng mưa lớn nhất nước ta, lượng mưa bình quân nhiều năm trên toàn lưu vực trong khoảng 2.800 - 3.400 mm ở vùng đồng bằng và 3.200 - 3.600 mm ở vùng núi; trung bình hàng năm có khoảng 200-220 ngày mưa ở vùng núi, 150 - 170 ngày mưa ở vùng đồng bằng duyên hải. Trong lưu vực có các trung tâm mưa lớn là khu vực Bạch Mã - Nam Đông và thung lũng A Lưới với lượng mưa trung bình nhiều năm Xo đều đạt trên 3.400 mm [35], riêng đỉnh Bạch Mã có Xo = 8.000 mm [49], có năm mưa cực lớn như năm 1980 ở Bạch Mã (8.664 mm), năm 1996 ở A Lưới (6.304 mm) [35]. Lượng mưa trong 4 tháng (IX-XII) chiếm tới 68 - 75% lượng mưa cả năm, trong đó hai tháng mưa nhiều nhất (X – XI) chiếm 47 - 53% tổng lượng mưa năm, tháng mưa lớn nhất trong năm là tháng X, lượng mưa các tháng (I -VIII) chỉ chiếm 25-32% tổng lượng mưa năm [61]. Biến động lượng mưa các tháng trong năm tại các trạm trên khu vực được trình bày trong bảng 1.2.
27 Bảng 1.2: Lượng mưa tháng năm trung bình nhiều năm tại các trạm (1977-2010) [60] (Đơn vị: mm) Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm KT Huế 112 54 45 60 121 109 74 161 403 790 630 336 2895 Nam 108 53 58 108 223 197 148 238 461 990 777 318 3679 Đông A 69 42 63 162 243 184 152 233 438 902 741 300 3528 Lưới Trên lưu vực sông Hương, mùa mưa không đồng nhất khi phân theo chỉ tiêu “vượt tổn thất”, tức mùa mưa gồm các tháng liên tiếp có lượng mưa tháng vượt lượng tổn thất (thường lấy 100mm/tháng) với tần suất lớn hơn 50%. Do vậy mùa mưa trên lưu vực thay đổi theo vùng và theo cấp lượng mưa, cụ thể như sau [49]: - Với X0 ≤ 2500 mm: mùa mưa từ tháng XI – XII, mùa ít mưa từ tháng I – VIII, trong đó có hai tháng mưa lũ tiểu mãn là tháng V – VI. - Với 2500 < X0 ≤ 3500 mm: mùa mưa từ tháng VIII – X, mùa ít mưa từ tháng XI - VII, trong đó hai tháng có mưa lũ tiểu mãn là tháng V – VI. - Với 3500 < X0 ≤ 4500 mm: từ Hữu Trạch đến Ô Lâu mùa mưa từ tháng IV – XII, từ Tả Trạch đến Bắc Hải Vân mùa mưa từ tháng V – I, không tồn tại hai tháng mưa lũ tiểu mãn. - Với 4500 < X0 ≤ 8000 mm: mùa mưa từ tháng IV – I, có năm mưa suốt cả năm ví dụ như năm 1999 tại A Lưới, Nam Đông, Bạch Mã. Mùa mưa không đồng nhất và có những năm, những nơi theo tiêu chuẩn phân mùa nêu trên mưa suốt năm là những đặc điểm nổi bật nhất của mưa và tài nguyên nước trên lưu vực sông Hương. 1.2.1.5 Đặc điểm sông ngòi - đầm phá (1) Hệ thống sông Hương: Lưu vực sông Hương có độ cao bình quân lưu vực H = 330 m, độ rộng bình quân lưu vực B = 44,6 km, độ dốc bình quân lưu vực J= 2,85% (28,5 m/km), mật độ lưới sông D = 0,6 km/km2, hệ số uốn khúc 1,65 [50], là sông có độ dốc bình quân
28 lưu vực lớn nhất so với các sông đổ trực tiếp ra biển của Việt Nam [73]. Hệ thống sông Hương gồm ba nhánh sông chính là: - Sông Tả Trạch: Bắt nguồn ở độ cao 900 m từ rừng núi thuộc huyện Nam Đông, chảy trong vùng địa hình đồi núi, độ dốc lớn, và lòng sông sâu, diện tích lưu vực đến tuyến đập hồ Tả Trạch là 717 km2, đến Ngã Ba Tuần là 821 km2 [61]. - Sông Hữu Trạch: Bắt nguồn từ vùng rừng núi huyện A Lưới và Nam Đông chảy theo hướng Nam Bắc. Sông Hữu Trạch chảy hầu hết ở vùng đồi núi, lòng sông dốc, nhiều thác ghềnh, diện tích lưu vực tính đến tuyến đập Bình Điền là 515 km2, tính đến ngã ba Tuần là 729 km2, chiều dài sông chính 51 km [61]. - Sông Bồ: Bắt nguồn từ rừng núi Tây Nam huyện A Lưới, diện tích lưu vực đến tuyến đập Hương Điền là 707 km2 với chiều dài sông chính 64 km, và đến Ngã Ba Sình là 938 km2 với chiều dài sông chính 94 km [61]. Vào mùa lũ, phần lớn lượng lũ của sông Bồ từ thượng nguồn chảy theo tuyến sông Quảng Thọ đổ vào phá Tam Giang tại An Xuân, Quán Cửa, chỉ có khoảng 30%- 40% lượng lũ theo dòng chính sông Bồ đổ vào sông Hương tại ngã ba Sình [49]. Sông Tả Trạch và Hữu Trạch hợp lưu tại ngã ba Tuần, tên gọi sông Hương là dòng sông từ ngã ba Tuần đến cửa sông đổ ra phá Tam Giang (Thảo Long – Tân Mỹ) có chiều dài khoảng 35 km. Ở vùng hạ lưu vực sông Hương có 5 chi lưu: hai chi lưu phía tả sông Hương là tuyến kênh 5 xã và 7 xã từ Nham Biều nối với sông Bồ, sông Bạch Yến từ Nham Biều nối với tuyến sông Kẻ Vạn – An Hòa đổ lại vào sông Hương ở Bao Vinh; ba chi lưu phía hữu sông Hương là sông Lợi Nông- Đại Giang từ Phú Cam đổ về đầm Cầu Hai tại cống Quan, sông Như Ý- sông Cùng từ Đập Đá nối với sông Đại Giang đổ ra đầm phá tại cống Cầu Long, và sông La Ỷ- Phổ Lợi từ La Ỷ đổ ra đầm phá tại cống Diên Trường (hình 1.4).
29 Hình 1.4: Sơ đồ mạng lưới sông ngòi lưu vực sông Hương [18] (2) Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai: Dọc theo bờ biển Thừa Thiên Huế tồn tại một hệ đầm phá với diện tích mặt nước khoảng 22.000 ha, kéo dài 68 km theo phương Tây Bắc – Đông Nam, án ngữ toàn bộ phía Đông của tỉnh, làm thành khu đệm giữa vùng nội đồng và vùng biển. Nằm trong quá trình phát triển địa chất chung của đồng bằng, hệ thống đầm phá là vũng vịnh biển cổ chưa được bồi lấp hoàn toàn, nơi rộng nhất khoảng 10 km, nơi hẹp nhất 0,5 km, độ sâu bình quân từ 1-1,5 m [61]. Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là nơi hội tụ hầu hết dòng chảy từ các sông của tỉnh Thừa Thiên Huế (trừ sông Bu Lu). 1.2.1.6 Chế độ thủy văn – thủy lực tự nhiên của hệ thống sông Hương (1) Dòng chảy năm: Lưu vực sông Hương có dòng chảy hàng năm phong phú với mô đun dòng chảy trung bình nhiều năm xấp xỉ 80 l/s.km2. Tổng lượng 3 dòng chảy trung bình nhiều năm của lưu vực sông Hương W0 = 6,976 tỉ m chiếm khoảng 70% tổng lượng nước mặt toàn tỉnh Thừa Thiên Huế (10 tỉ m3) [47], nhưng phân bố không đều theo không gian và thời gian. Dòng chảy năm của lưu vực tăng dần từ đồng bằng lên vùng núi và từ Bắc vào Nam (hình 1.5).
30 Hình 1.5: Sơ đồ đẳng trị lớp dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Hương [35] Mô đun dòng chảy năm trung bình nhiều năm trên các sông nhánh lớn là khá đồng đều (bảng 1.3). Sự biến động dòng chảy năm theo nhiều năm của các sông trên lưu vực không quá lớn với hệ số Cv = 0,25 - 0,40. Bảng 1.3: Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Hương [49] 2 3 2 6 3 Vị trí Sông F (km ) Q0 (m /s) M0 (l/s.km ) W0 (10 m ) Thượng Nhật Tả Trạch 208 15,8 76 500 Dương Hòa Tả Trạch 720 58,8 82 1.856 Bình Điền Hữu Trạch 570 42,1 74 1.330 Cổ Bi Bồ 760 61,2 81 1.930 (2) Dòng chảy lũ: Phân mùa dòng chảy theo chỉ tiêu vượt trung bình, theo đó các tháng liên tiếp có tần suất P(Qi >Qtb) > 50% là các tháng mùa lũ, còn lại là các tháng mùa cạn. Kết quả mùa lũ trên lưu vực sông Hương từ tháng X-XII, mùa cạn từ tháng I-IX (bảng 1.4). Ba tháng mùa lũ chính vụ (X-XII) chiếm 70-75% lượng
31 nước cả năm. Thời kỳ lũ tiểu mãn thường xảy ra tháng V-VI. Lũ sông Hương tập trung nhanh do mưa cường độ lớn và hơn 75% diện tích là đồi núi, các sông suối đều ngắn và dốc, khả năng điều tiết của rừng và mặt đệm không cao. Bảng 1.4: Lưu lượng tháng năm trung bình nhiều năm (m3/s) theo số liệu thực đo tại các trạm Thượng Nhật (1981-2007), Bình Điền (1979-1985) và Cổ Bi (1979-1985) [49, 51] Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Thượng 10,6 6.25 4,95 4,33 8,71 8,52 5,89 7,76 16,65 49,4 44,0 26,2 16,1 Nhật Bình 28,1 18,9 13,6 12,6 15,9 35,9 15,3 14,6 39,4 134 172 62,1 46,9 Điền Cổ Bi 38,4 24,4 16,2 14,7 20,9 32,2 18,6 20,9 60,3 193 257 89,8 65,5 (3) Dòng chảy kiệt: Mùa cạn kéo dài 9 tháng từ tháng I-IX, hai tháng kiệt là tháng IV và tháng VIII, ba tháng có dòng chảy nhỏ nhất là tháng II - IV. Lưu lượng nhỏ nhất trong mùa cạn quan trắc được trên lưu vực sông Hương như sau [70]: - Tại Thượng Nhật trên sông Tả Trạch Qmin = 1,46 m3/s (VII/1987), - Tại Hạ Phường Qmin = 5,8 m3/s (5/II/1923) và 5,94 m3/s (3-4/IX/1922); - Tại Bình Điền trên sông Hữu Trạch Qmin = 2,16 m3/s (5-6/VI/1983); - Tại Cổ Bi trên sông Bồ Qmin = 4,04 m3/s (5-6/VI/1983). (4) Dòng chảy bùn cát: Ở Thừa Thiên Huế không có trạm thủy văn đo dòng chảy bùn cát, để ước tính dòng chảy bùn cát lưu vực sông Hương dựa vào số liệu đo đạc bùn cát ở các trạm trên các lưu vực sông lân cận: Sông Gianh tại Đồng Tâm hàm lượng bùn cát trung bình ρ = 93,1 g/m3, sông Vu Gia tại Thành Mỹ: ρ = 96,7 g/m3, sông Trà Khúc tại Sơn Giang: ρ = 97,7 g/m3, sông Vệ tại An Chỉ: ρ = 105,2 g/m3 [47]. Như vậy có thể lấy hàm lượng bùn cát trung bình cho lưu vực sông Hương bằng trung bình của các lưu vực nêu trên là ρ = 98,2 g/m3. Với tổng lượng dòng chảy năm 6,976 tỷ m3, ước tính khối lượng bùn cát lơ lửng trung bình hàng năm của hệ
32 -6 9 thống sông Hương là Ws = ρ x W0 = 98,2 x10 x 6,976 x 10 ≈ 685.000 tấn, với trọng lượng riêng của bùn cát lơ lửng  ≈ 0,7 T/m3 tương đương 979.000 m3. Các nghiên cứu trước đây thường lấy khối lượng bùn cát đáy bằng khoảng 15-20% khối lượng bùn cát lơ lửng [47, 67], nên ước tính lượng bùn cát đáy trung bình hàng năm trên lưu 3 vực sông Hương Wb ≈ 171.000 m . Như vậy tổng lượng dòng chảy bùn cát trung bình 3 hàng năm của lưu vực sông Hương là Wd = Ws + Wb ≈ 1,15 triệu m /năm. (5) Chế độ thủy văn đầm phá: Chế độ thủy văn đầm phá Tam Giang – Cầu Hai chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi chế độ thủy văn các sông đổ vào và chế độ thủy triều qua cửa Thuận An và Tư Hiền. Vùng cửa Thuận An chịu ảnh ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều đều, biên độ dao động ngày của thủy triều tại Thuận An chỉ khoảng 35-50 cm, nhỏ nhất so với toàn dải ven bờ Việt Nam; vùng cửa Tư Hiền chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều, biên độ triều đạt 55-100 cm [35]. Do ảnh hưởng của chế độ thủy văn sông và hải văn, mực nước trong đầm phá biến đổi không đều giữa các vị trí trong đầm phá và giữa đầm phá với biển. Về mùa khô, mực nước trong đầm phá luôn thấp hơn đỉnh triều ngoài biển 5-15 cm ở phá Tam Giang và 25-30 cm ở đầm cầu Hai; ngược lại mùa lũ mực nước trong đầm cao hơn, có thể lên đến 70 cm ở đầm Cầu Hai [35]. 1.2.1.7 Đánh giá về đặc điểm tự nhiên Với vị trí địa lý và địa hình khá đặc biệt, lưu vực sông Hương có những đặc điểm tự nhiên thuận lợi cho việc hình thành tài nguyên nước dồi dào, với ba nhánh sông lớn cùng với mạng lưới sông hói dày đặc đã tạo nên những thuận lợi nhất định cho khai thác sử dụng nước trên lưu vực. Nhưng do điều kiện khí hậu và địa hình nên chế độ dòng chảy sông Hương rất phức tạp, dòng chảy lũ tập trung nhanh, cường suất lũ cao, đỉnh lũ lớn; mặt khác do sông ngắn và dốc, hầu như không có trung lưu, vùng đồng bằng thấp trũng, lại bị dải cồn cát ven biển chắn ngang, vùng cửa sông là hệ thống đầm phá lớn nhất nước chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều biên độ thấp nên tiêu thoát nước kém; cửa biển diễn biến phức tạp với các hiện tượng đóng, mở, di động, bồi lấp càng làm hạn chế tiêu thoát lũ, gây nên ngập lụt nặng nề ở vùng hạ lưu vực sông Hương.
33 1.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 1.2.2.1 Đặc điểm phát triển kinh tế- xã hội Tỉnh Thừa Thiên Huế hiện có thành phố Huế là đô thị loại I, 2 thị xã là Hương Thủy và Hương Trà, 6 huyện gồm: Phong Điền, Quảng Điền, Phú Vang, Phú Lộc, Nam Đông và A Lưới. Dân số theo số liệu Niên giám thống kê 2012 là 1.115.523 người, mật độ 222 người/km2, trong đó khoảng 70% sống ở vùng hạ du lưu vực sông Hương, dân số sống ở vùng đô thị 49,2%. Tỷ lệ đô thị hoá tăng nhanh từ 31,3% (năm 2005) tăng lên hơn 45% (năm 2010) [14]. Cơ cấu kinh tế tỉnh Thừa Thiên Huế đang chuyển dịch nhanh theo hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Tỷ trọng GDP của khu vực công nghiệp – xây dựng năm 2002 chiếm 30,9%, đến năm 2012 tăng lên 47,6%, khu vực nông – lâm – ngư nghiệp giảm từ 24,1% năm 2002 xuống 12,8% năm 2012, tăng trưởng GDP trung bình những năm gần đây đạt khoảng 12% [14]. Hệ thống kết cấu hạ tầng như giao thông, thủy lợi, cấp thoát nước đã được đầu tư phát triển, đáng kể nhất là hệ thống các công trình thủy lợi – thủy điện lớn như hồ Bình Điền, Hương Điền, đập Thảo Long đã đưa vào khai thác, hồ Tả Trạch chuẩn bị hoàn thành. Nhiều công trình đê điều, trạm bơm, kênh tiêu thoát nước được đầu tư nâng cấp, hệ thống cấp nước sạch đã phủ hầu hết các vùng đô thị, hiện đang mở rộng về các vùng nông thôn vùng sâu, vùng xa, tỷ lệ dân số nông thôn sử dụng nước sạch đạt 62% [14]. 1.2.2.2 Qui hoạch phát triển kinh tế- xã hội đến năm 2020 (1) Qui hoạch tổng thể phát triển kinh tế- xã hội đến năm 2020 [53]: Mục tiêu mức tăng trưởng kinh tế bình quân hàng năm thời kỳ 2011 - 2020 đạt 12 - 13%, mức GDP/người đến năm 2020 đạt trên 4.000 USD/người theo giá thực tế; chuyển dịch cơ cấu kinh tế đến năm 2015 theo tỷ trọng: dịch vụ 45,4%, công nghiệp - xây dựng 46,6% và nông – lâm – ngư nghiệp 8,0%; đến năm 2020 tỷ trọng là 47,4% - 47,3% - 5,3%. Quy mô dân số toàn tỉnh vào năm 2020 là 1.356,6 nghìn người, dân số thành thị khoảng 949,6 nghìn người, chiếm 70% dân số, tỷ lệ hộ nghèo dưới 3% vào năm 2020, tỷ lệ che phủ rừng đạt trên 60% vào năm 2020. Định hướng lấy phát triển công nghiệp, du lịch làm hạt nhân của phát triển kinh tế, đưa du lịch trở thành ngành kinh tế mũi nhọn của Tỉnh, phát triển các ngành sản xuất chủ lực: công
34 nghiệp cơ khí, chế tạo và lắp ráp điện tử, công nghiệp công nghệ cao. Chuyển dịch cơ cấu kinh tế nông nghiệp, nông thôn theo hướng phát triển nền nông nghiệp sinh thái sạch với công nghệ cao và công nghệ sinh học, phát triển vùng kinh tế Tam Giang – Cầu Hai, gắn phát triển nông – lâm – ngư nghiệp với bảo vệ tài nguyên đất, rừng và biển, giữ vững môi trường và cân bằng sinh thái. (2) Về phát triển đô thị [65]: Toàn tỉnh hiện có 11 đô thị, theo qui hoạch sẽ phát triển thêm 10 đô thị mới, tỷ lệ đô thị hóa: năm 2015 khoảng 50% - 60%, năm 2025 khoảng 65% - 70%, đưa tỉnh Thừa Thiên Huế trở thành thành phố trực thuộc Trung ương trước năm 2020. Đến năm 2020, Thừa Thiên Huế xứng tầm là trung tâm đô thị cấp quốc gia, khu vực và quốc tế, một trong những trung tâm kinh tế, văn hóa, khoa học - công nghệ, y tế, giáo dục đào tạo lớn của cả nước, khu vực Đông Nam Á và quốc tế. Đến sau 2025 đô thị Thừa Thiên Huế trở thành “đô thị sinh thái cảnh quan, di sản, văn hóa và thân thiện với môi trường”, là thành phố Festival và du lịch đặc sắc hấp dẫn trên thế giới. (3) Qui hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước sông Hương và Qui hoạch thủy lợi đến năm 2020, định hướng đến 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng [4, 58]: Từng bước nâng dần mức đảm bảo cấp nước cho nông nghiệp từ 75% lên 85%, cấp nước cho sinh hoạt, công nghiệp với mức đảm bảo 90%. Chống lũ chính vụ tần suất P = 5,0% cho thành phố Huế với mực nước tại Kim Long ≤ +3,71m, các lưu vực khác chống lũ sớm, lũ muộn P = 10% để bảo vệ sản xuất hè thu. Nâng cấp, hoàn thiện các tuyến đê sông, đê phá, mở rộng khẩu độ các cống tiêu ra đầm phá, nạo vét các trục tiêu chính, các kênh tiêu nội đồng, xây dựng, nâng cấp các trạm bơm tiêu, (4) Qui hoạch phát triển thủy điện trên lưu vực sông Hương [38, 64] có thủy điện Bình Điền (44MW) vận hành năm 2009, thủy điện Hương Điền (81MW) vận hành năm 2011, thủy điện Tả Trạch (21MW) dự kiến vận hành năm 2014. Các dự án thủy điện nhỏ trong qui hoạch gồm: Thượng Nhật, Thượng Lộ, A Roàng, Rào Trăng, dung tích hồ chứa bé, từ 0,1 - 25 triệu m3. (5) Qui hoạch sử dụng đất đến năm 2020 [8]: Tổng diện tích đất tự nhiên của tỉnh năm 2020 là 503.321 ha, trong đó đất nông nghiệp khoảng 385.552 ha, chiếm 76,6% diện tích đất toàn tỉnh; trong đó diện tích đất rừng các loại (phòng hộ, đặc
35 dụng, sản xuất) là 329.176 ha, so với hiện trạng năm 2010 tăng 11.842 ha (tăng 2,48%). Trong thời kỳ 2011-2020 sẽ chuyển đổi 17.497 ha đất nông nghiệp sang đất phi nông nghiệp, 21.531 ha đất chưa sử dụng sẽ được đưa vào sử dụng cho nông nghiệp 19.856 ha (chủ yếu là trồng rừng) và 1.675 ha cho kết cấu hạ tầng, đô thị. 1.2.2.3 Đánh giá về đặc điểm kinh tế- xã hội Những năm gần đây trên lưu vực sông Hương, kinh tế - xã hội phát triển nhanh chóng, trong đó đáng chú ý nhất là phát triển nông nghiệp, năng lượng và đô thị hóa, các lĩnh vực này đòi hỏi khai thác và sử dụng tài nguyên nước rất lớn. Nhiều công trình thủy lợi - thủy điện từ qui mô vừa và nhỏ đến các công trình lớn được xây dựng để đáp ứng các nhu cầu phát triển là một đặc điểm về kinh tế - xã hội trên lưu vực, các công trình cùng với sự thay đổi cơ cấu sử dụng đất trên lưu vực sẽ có những tác động đáng kể đến chế độ thủy văn–thủy lực của sông Hương. 1.3 XU THẾ BIẾN ĐỔI MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG, THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 1.3.1 Dữ liệu và phương pháp đánh giá xu thế 1.3.1.1 Dữ liệu sử dụng cho phân tích xu thế Sử dụng số liệu nhiệt độ, mưa, bốc hơi và mực nước thu thập được được của các trạm đo đạc trên lưu vực sông Hương để tiến hành phân tích và đánh giá xu thế của một số yếu tố khí tượng – thủy văn. Số liệu các trạm đo liệt kê trong bảng 1.5, trong đó chuỗi số liệu mực nước ở Kim Long và Phú Ốc chỉ đánh giá xu thế đến năm 2006, do từ năm 2007 trở đi, chế độ mực nước ở đây đã chịu ảnh hưởng của vận hành đập Thảo Long ở cửa sông Hương. Bảng 1.5: Trạm khí tượng và số liệu thực đo sử dụng để đánh giá xu thế Số liệu thực đo sử dụng STT Tên trạm Mưa Bốc hơi Nhiệt độ Lưu lượng Mực nước 1 Nam Đông 1977-2010 1977-2010 1974-2010 2 A Lưới 1977-2010 1977-2010 3 Huế 1977-2010 1977-2010 1977-2010 4 Thượng Nhật 1979-2010 1981-2010 5 Kim Long 1977-2012 6 Phú Ốc 1980-2010 1977-2012
36 1.3.1.2 Phương pháp đánh giá xu thế (1) Phương pháp kiểm định Mann-Kendall [39, 81]: Phương pháp kiểm định Mann-Kendall là phương pháp kiểm định phi tham số để xác định xu thế đơn điệu của chuỗi dữ liệu thời gian. Phương pháp này so sánh độ lớn tương đối của các phần tử trong chuỗi chứ không xét chính giá trị của các phần tử. Nói cách khác, các thành phần trong chuỗi thời gian được so sánh với nhau theo thứ hạng lớn bé và không tính đến giá trị của chúng sai khác nhau bao nhiêu. Điều này giúp tránh được xu thế giả tạo do một vài giá trị cực trị cục bộ gây ra nếu sử dụng phương pháp tính toán xu thế tuyến tính bằng bình phương tối thiểu thông thường [39, 40]. Giả sử ta có chuỗi thời gian {xt, t = 1 n} trong đó: xj, xk là giá trị dữ liệu tại năm j và năm k. Mỗi một thành phần trong chuỗi sẽ được so sánh với tất cả các thành phần còn lại đứng sau nó (về thời gian). Giá trị thống kê Mann – Kendall (S) ban đầu được gán bằng 0 (tức là chuỗi không có xu thế). Nếu thành phần sau lớn hơn thành phần trước thì tăng S lên 1 đơn vị. Ngược lại, nếu thành phần sau nhỏ hơn thành phần trước thì S bị trừ đi 1 đơn vị. Nếu hai thành phần có giá trị bằng nhau thì S sẽ không thay đổi. Tổng S sau tất cả các lần so sánh sẽ được dùng để đánh giá xu thế chung của chuỗi. Tức là ta có: n 1 n (1.1) S  sgn(x j xk ) k 1 j k 1 Trong đó: (1.2) Giá trị tuyệt đối của S càng lớn thì xu thế càng rõ. S dương thể hiện xu thế tăng của chuỗi và S âm thể hiện xu thế giảm của chuỗi. Thay cho S ta tính đại lượng thống kê Z gọi là hệ số tương quan Mann- Kendall: (1.3)
37 Trong đó VAR(S) là phương sai của S được tính theo công thức: 1 g VAR(S) n(n 1)(2n 5)  t p (t p 1)(2t p 5) (1.4) 18 p 1 Trong đó: n là dung lượng mẫu, g là số các nhóm có các giá trị dữ liệu giống nhau, tp là số các điểm dữ liệu trong nhóm thứ p. Biến Z đã được chứng minh là có phân bố chuẩn chuẩn hóa, giá trị Z dương thể hiện chuỗi có xu thế tăng, Z âm thể hiện chuỗi có xu thế giảm. Trong tính toán thực hành, xu thế của chuỗi được kiểm tra bằng giá trị Z. Nếu |Z| > Z1-α/2 (tra bảng phân phối chuẩn) ta kết luận chuỗi có xu thế thỏa mãn mức ý nghĩa α, ngược lại, nếu |Z| k) Nếu chuỗi số có n dữ liệu quan trắc thì N = n(n-1)/2 Sắp xếp N giá trị Qi này theo trị số từ nhỏ đến lớn thì trung vị của độ dốc, hay còn gọi là chỉ số độ dốc Sen được tính bằng: (1.6) Qtv = Dấu của Qtv phản ánh xu thế của chuỗi, còn trị số của Qtv biểu thị độ dốc. Để xác định độ dốc trung vị này có khác biệt thống kê với giá trị 0 cần xác định khoảng tin cậy của Qtv theo cách sau: (1.7) Trong đó: (1.8) Z1- /2 được ước tính từ bảng phân bố chuẩn đơn vị.
38 Sau đó, tính toán M1 = (N-C )/2 và M2 = (N+C )/2, tìm Qmin, Qmax tương ứng vị trí thứ M1, M2 của chuỗi số đã được sắp xếp ở trên (nếu không trùng với số thứ tự thì nội suy). Độ dốc Qtv sẽ có khác biệt thống kê với 0 nếu Qmin, Qmax có cùng dấu. 1.3.2 Xu thế biến đổi một số yếu tố khí tượng 1.3.2.1 Xu thế biến đổi nhiệt độ trung bình năm Diễn biến nhiệt độ trung bình hàng năm ở các trạm trên lưu vực xem hình 1.6, các kết quả kiểm định xu thế được tóm tắt theo bảng 1.6. Hình 1.6: Biến đổi nhiệt độ trung bình năm trên lưu vực sông Hương Bảng 1.6: Kết quả kiểm định xu thế nhiệt độ trung bình năm Độ dốc của xu Chuỗi nhiệt độ Z Kết luận theo n Test Z 1-α/2 thế theo Sen trung bình năm (α = 5%) Mann-Kendall (oC/năm) Tn Huế 34 -0,70 1,96 Xu thế giảm -0,005 Tn A Lưới 34 2,57 1,96 Xu thế tăng 0,017 Tn Nam Đông 37 3,60 1,96 Xu thế tăng 0,030 Kết quả kiểm định cho thấy, nhiệt độ trung bình hàng năm ở trạm Nam Đông và A Lưới có xu thế tăng thỏa mãn mức ý nghĩa 5%, tại Nam Đông xu thế tăng 0,03 oC/năm, tại A Lưới xu thế tăng 0,017 oC/năm. Tại Huế nhiệt độ trung bình năm có xu hướng giảm nhưng không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%, mức độ giảm hầu như không đáng kể 0,005 oC/năm. Nhìn chung, kết quả tính toán theo xu thế Sen khá
39 phù hợp với các nghiên cứu trước đây [6, 7, 39, 40], đồng thời mức ý nghĩa của xu thế cũng đã được kiểm định. 1.3.2.2 Xu thế biến đổi mưa năm, mưa mùa Xu thế mưa năm: Diễn biến lượng mưa năm các trạm được thể hiện ở hình 1.7, kết quả kiểm định ở bảng 1.7. Hình 1.7: Biến đổi lượng mưa năm trên lưu vực sông Hương Bảng 1.7: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa năm Độ dốc của xu Z Kết luận theo Chuỗi mưa năm n Test Z 1-α/2 thế theo Sen (α = 5%) Mann-Kendall (mm/năm) Xn Huế 34 1,25 1,96 Xu thế tăng 16,8 Xn A Lưới 34 2,31 1,96 Xu thế tăng 32,5 Xn Thượng Nhật 32 1,28 1,96 Xu thế tăng 16,4 Xn Phú Ốc 31 0,75 1,96 Xu thế tăng 10,4 Xn Nam Đông 34 1,72 1,96 Xu thế tăng 25,7
40 Kết quả kiểm định cho thấy trên lưu vực sông Hương, lượng mưa năm có xu thế tăng trên khắp các trạm và biến động theo không gian, nhưng nhìn chung là không rõ ràng (không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%). Xu thế mưa mùa: Diễn biến lượng mưa mùa mưa (IX –XII), mùa khô (I– VIII) ở hình 1.8-1.9. Kết quả kiểm định xu thế ở bảng 1.8. Hình 1.8: Biến đổi lượng mưa mùa mưa trên lưu vực sông Hương Lượng mưa mùa mưa và mùa khô tại tất cả các trạm trên lưu vực sông Hương đều có xu thế tăng, tuy nhiên không thật rõ ràng (không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%); theo kiểm định Sen xu thế tăng lượng mưa mùa mưa từ 11-24 mm/năm, mùa khô từ 3-8 mm/năm. Xu thế tăng lượng mưa mùa tại trạm A Lưới thỏa mãn mức ý nghĩa 5%, đây là trạm tuy gần kề với lưu vực sông Hương nhưng chịu ảnh hưởng khí hậu Tây Trường Sơn.
41 Hình 1.9: Biến đổi lượng mưa mùa khô trên lưu vực sông Hương Bảng 1.8: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa mùa Kết luận Độ dốc của xu Z Chuỗi mưa mùa n Test Z 1-α/2 theo Mann- thế theo Sen (α = 5%) Kendall (mm/năm) X mùa mưa Huế 30 1,10 1,96 Xu thế tăng 13,6 X mùa mưa A Lưới 38 2,19 1,96 Xu thế tăng 24,9 X mùa mưa Thượng Nhật 32 1,35 1,96 Xu thế tăng 19,8 X mùa mưa Phú Ốc 31 0,68 1,96 Xu thế tăng 11,9 X mùa mưa Nam Đông 34 1,72 1,96 Xu thế tăng 24,2 X mùa khô Huế 34 1,57 1,96 Xu thế tăng 7,7 X mùa khô A Lưới 38 2,14 1,96 Xu thế tăng 7,7 X mùa khô Thượng Nhật 32 0,76 1,96 Xu thế tăng 3,1 X mùa khô Phú Ốc 31 1,22 1,96 Xu thế tăng 7,8 X mùa khô Nam Đông 34 1,04 1,96 Xu thế tăng 5,9
42 1.3.2.3 Lượng mưa một, ba, năm, bảy ngày liên tục lớn nhất Kết quả đánh giá xu thế biến đổi lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất tại Nam Đông và Huế theo kiểm định Mann-Kendall và Sen thể hiện ở bảng 1.9. Bảng 1.9: Kết quả kiểm định xu thế lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất Độ dốc của xu Chuỗi mưa 1,3,5,7 Z1-α/2 Kết luận theo n Test Z thế theo Sen ngày max Mann-Kendall (α = 5%) (mm/năm) X1max Huế 35 1,09 1,96 Xu thế tăng 2,2 X3max Huế 35 0,74 1,96 Xu thế tăng 2,4 X5max Huế 35 0,34 1,96 Xu thế tăng 1,3 X7max Huế 35 0,28 1,96 Xu thế tăng 1,1 X1max Nam Đông 34 1,19 1,96 Xu thế tăng 2,1 X3max Nam Đông 34 1,22 1,96 Xu thế tăng 4,4 X5max Nam Đông 34 1,27 1,96 Xu thế tăng 5,4 X7max Nam Đông 34 1,30 1,96 Xu thế tăng 6,8 Lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất tại trạm Nam Đông và Huế đều có xu thế tăng, tuy nhiên không thật rõ ràng (không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%), mức tăng từ 2,1-6,8 mm/năm tại Nam Đông, từ 1,1-2,4 mm/năm tại Huế. Nhận xét chung về xu thế biến đổi mưa: Các yếu tố lượng mưa mùa mưa, mùa khô, lượng mưa năm và lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất tại tất cả các trạm trên lưu vực sông Hương đều có xu thế tăng, trong đó mức tăng lượng mưa ở vùng núi cao hơn mức tăng lượng mưa ở vùng đồng bằng, phía bắc mức tăng thấp hơn phía nam lưu vực. 1.3.2.4 Xu thế biến đổi lượng bốc hơi năm Diễn biến lượng bốc hơi năm tại Huế và Nam Đông như hình 1.10. Kết quả đánh giá kiểm định (bảng 1.10) cho thấy lượng bốc hơi năm tại 2 trạm đều có xu thế giảm, thỏa mãn mức ý nghĩa 5%. Theo kiểm định Sen, xu thế giảm lượng bốc hơi năm tại Huế là 8,5 mm/năm, tại Nam Đông là 10,2 mm/năm.
43 Hình 1.10: Biến đổi lượng bốc hơi năm tại Huế và Nam Đông Bảng 1.10: Kết quả kiểm định xu thế lượng bốc hơi năm Kết luận Độ dốc của xu Chuỗi bốc hơi Z1-α/2 n Test Z theo Mann- thế theo Sen năm (α = 5%) Kendall (mm/năm) Zn Huế 34 -2,85 1,96 Xu thế giảm 8,5 Zn Nam Đông 34 -4,51 1,96 Xu thế giảm 10,2 1.3.2.5 Xu thế bão và lũ lụt Bão và áp thấp nhiệt đới: từ 1952 đến 2012 (61 năm) có 37 cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến Thừa Thiên Huế (hình 1.11), trung bình mỗi năm có 0,6 cơn bão, năm nhiều bão nhất là 3 cơn (1970, 1971), có nhiều năm không có bão, tần suất chiếm trên 54%. Bão ở Thừa Thiên Huế xuất hiện nhiều nhất là tháng IX chiếm 32,6% và tháng X chiếm 21,6%. Bão và áp thấp nhiệt đới thường gây ra mưa lũ lớn gây nhiều thiệt hại cho tỉnh Thừa Thiên Huế. Về lũ lụt, trong 50 năm trở lại đây, trên sông Hương đã xuất hiện những trận lũ lớn tại Kim Long có mực nước lớn nhất trong năm vượt +4,50 m với tần suất ngày càng tăng, đó là các năm 1953 (+5,48), 1983 (+4,88), 1990 (+4,56), 1995 (+4,65), 1996 (+4,55), 1999 (+5,81), 2009 (+4,57). Kết quả nghiên cứu [72] cho thấy từ 1977-2006 trên sông Hương tại Kim Long, trung bình hàng năm có 3,5 trận lũ lớn hơn hoặc bằng mức báo động II (+2,0 m), năm nhiều nhất có 7 trận, năm ít nhất có 1 trận, trong đó có 36% lũ lớn và đặc biệt lớn. Trong 3 năm từ 2007 đến 2009, tại Kim Long đã xuất hiện tới 19 đỉnh lũ có mực nước đạt trên báo động II,
44 trong đó năm 2008 có đến 8 đỉnh. Số lần xuất hiện đỉnh lũ trên báo động II tại Kim Long (+2,0 m) được trình bày ở hình 1.12. Hình 1.11: Số trận bão ảnh hưởng đến Thừa Thiên Huế từ năm 1950-2009 [60] Hình 1.12: Số lần xuất hiện đỉnh lũ trên báo động II tại Kim Long [60] 1.3.3 Xu thế biến đổi một số yếu tố thủy văn 1.3.3.1 Xu thế biến đổi dòng chảy tại Thượng Nhật trên sông Tả Trạch Trên lưu vực sông Hương chỉ có trạm thủy văn Thượng Nhật (thượng lưu sông Tả Trạch) có số liệu quan trắc dòng chảy khá dài; diễn biến lưu lượng trung bình hàng năm, mùa cạn (tháng I-IX) và mùa lũ (tháng X-XII) trình bày ở hình 1.13; dòng chảy 1 tháng, 3 tháng liên tiếp nhỏ nhất và lớn nhất ở hình 1.14.
45 Hình 1.13: Biến đổi lưu lượng trung bình mùa hàng năm tại Thượng Nhật Hình 1.14: Biến đổi lưu lượng 1, 3 tháng liên tiếp nhỏ nhất, lớn nhất tại Thượng Nhật Kết quả kiểm định xu thế biến đổi dòng chảy (bảng 1.11) cho thấy các đặc trưng lưu lượng tại Thượng Nhật đều có xu thế tăng, nhưng không rõ ràng (không thỏa mãn mức ý nghĩa 5%).
46 Bảng 1.11: Kết quả kiểm định xu thế dòng chảy tại trạm Thượng Nhật Z Kết luận theo Độ dốc của xu Chuỗi lưu lượng n Test Z 1-α/2 Mann- thế theo Sen (α = 5%) Kendall (m3/s/năm) Qn 30 0,40 1,96 Xu thế tăng 0,07 Q mùa kiệt 30 1,43 1,96 Xu thế tăng 0,08 Q mùa lũ 30 0,25 1,96 Xu thế tăng 0,20 Q 1 tháng min 30 1,07 1,96 Xu thế tăng 0,03 Q 1 tháng max 30 0,32 1,96 Xu thế tăng 0,22 Q 3 tháng min 30 0,61 1,96 Xu thế tăng 0,02 Q 3 tháng max 30 0,39 1,96 Xu thế tăng 0,22 1.3.3.2 Xu thế biến đổi mực nước tại vùng hạ lưu Trạm Kim Long và Phú Ốc phản ánh chế độ mực nước ở vùng đồng bằng hạ du lưu vực sông Hương. Từ năm 2006 ở hạ lưu sông Hương có đập ngăn mặn Thảo Long nên chế độ mực nước ở các trạm hạ lưu không chỉ phụ thuộc vào chế độ dòng chảy từ thượng lưu mà còn chịu chi phối bởi chế độ vận hành của đập Thảo Long, vì vậy chỉ xét xu thế biến đổi mực nước tại các trạm đến 2006, khi dòng chảy còn ở trạng thái tự nhiên, chưa có sự điều tiết của công trình (hình 1.15). Hình 1.15: Biến đổi mực nước thấp nhất và cao nhất tại Kim Long và Phú Ốc
47 Kết quả kiểm định xu thế thay đổi của các đặc trưng mực nước tại Kim Long và Phú Ốc đều có xu thế tăng (bảng 1.12). Tại Kim Long, mực nước cao nhất hàng năm (Hmax) có xu thế tăng 2,94 cm/năm, mực nước trung bình hàng năm (Htb) tăng 0,33 cm/năm và mực nước thấp nhất hàng năm (Hmin) tăng 0,35 cm/năm. Tại Hmax, Htb, Hmin tăng lần lượt là 2,47-0,37-0,33 cm/năm. Bảng 1.12: Kết quả kiểm định xu thế biến đổi mực nước hạ lưu sông Hương Độ dốc của xu Z1-α/2 Kết luận theo Chuỗi đặc trưng thế theo Sen n Test Z Mann-Kendall mực nước (α = 5%) (cm/năm) Htb Phú Ốc 30 1,52 1,96 Xu thế tăng 0,37 Hmax Phú Ốc 30 2,12 1,96 Xu thế tăng 2,47 Hmin Phú Ốc 30 1,61 1,96 Xu thế tăng 0,33 Htb Kim Long 30 2,49 1,96 Xu thế tăng 0,33 Hmax Kim Long 30 1,27 1,96 Xu thế tăng 2,94 Hmin Kim Long 30 2,77 1,96 Xu thế tăng 0,35 1.3.4 Đánh giá chung về xu thế diễn biến một số yếu tố khí tượng, thủy văn và kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho lưu vực sông Hương Các kết quả đánh giá xu thế biến đổi một số yếu tố khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Hương theo phương pháp kiểm định Mann Kendall và Sen cho thấy xu thế biến đổi mưa và nhiệt độ nhìn chung khá phù hợp với các kết quả đã được công bố trước đây của Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số nghiên cứu khác. Các đặc trưng lưu lượng tại trạm Thượng Nhật có xu thế tăng nhẹ, phù hợp với xu thế tăng lượng mưa ở khu vực này. Các đặc trưng mực nước ở khu vực hạ du sông Hương có xu thế tăng, với mức tăng của từng yếu tố khác nhau tùy theo vị trí cụ thể. Như vậy có thể nhận định một số yếu tố khí hậu, thủy văn trên lưu vực sông Hương có xu thế diễn biến khá phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu, trong đó đáng chú ý là xu thế tăng lượng mưa cả mùa khô, mùa mưa, cũng như lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày liên tục lớn nhất là yếu tố chính gây lũ trên lưu vực.
48 Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng đối với Việt Nam là đặc biệt quan trọng cho công tác ứng phó và thích ứng nhằm giảm thiểu các thiệt hại cho phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường. Qua nhiều năm nghiên cứu với các cập nhật thông tin, số liệu và phương pháp tính trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của thế giới, năm 2012 Bộ Tài nguyên và Môi trường đã công bố các kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam [7], trong đó có khu vực Thừa Thiên Huế (bảng 1.13 đến 1.15). Bảng 1.13: Mức tăng nhiệt độ (oC) trung bình năm, mùa so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) tỉnh Thừa Thiên Huế [7] Các mốc thời gian của thế kỷ XXI Mức tăng nhiệt độ trung bình (oC) 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Mùa đông (XII-II) 0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 2,0 2,3 2,5 2,8 Mùa xuân (III-V) 0,6 0,9 1,2 1,6 1,9 2,2 2,5 2,8 3,0 Mùa hè (VI-VIII) 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 1,8 2,0 2,2 2,4 Mùa thu (IX-XI) 0,5 0,7 1,0 1,3 1,6 1,9 2,1 2,3 2,5 Trung bình năm 0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 2,0 2,2 2,5 2,7 Bảng 1.14: Mức thay đổi (%) lượng mưa năm, mưa mùa so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình (B2) tỉnh Thừa Thiên Huế [7] Mức thay đổi Các mốc thời gian của thế kỷ XXI lượng mưa trung bình (%) 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Mùa đông (XII-II) -0,9 -1,2 -1,7 -2,2 -2,7 -3,2 -3,6 -3,9 -4,3 Mùa xuân (III-V) -1,7 -2,4 -3,4 -4,4 -5,4 -6,3 -7,1 -7,8 -8,5 Mùa hè (VI-VIII) 1,4 2,0 2,8 3,6 4,4 5,1 5,8 6,4 6,9 Mùa thu (IX-XI) 2,4 3,5 4,9 6,4 7,8 9,1 10,2 11,3 12,2 Trung bình năm 1,4 2,1 2,9 3,8 4,6 5,3 6,0 6,6 7,2
49 Bảng 1.15: Mực nước biển dâng từ Đèo Ngang - Hải Vân kịch bản phát thải cao [7] NBD Các mốc thời gian của thế kỷ XXI (cm) 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Kịch bản A1F1 8-9 13-14 19-20 26-28 36-39 46-51 58-64 70-79 82-94 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG I Các nghiên cứu đánh giá tác động của các công trình thủy lợi - thủy điện đến chế độ dòng chảy vùng hạ du các lưu vực sông đã có những đóng góp lớn trong công tác ứng phó giảm thiểu các tác động bất lợi và nâng cao hiệu quả các công trình. Tuy nhiên vấn đề này vẫn còn rất hấp dẫn bởi tính phức tạp và tổng hợp của nó trên quan điểm hệ thống và quản lý tổng hợp tài nguyên nước theo lưu vực sông, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và tính đặc thù của mỗi lưu vực. Các nghiên cứu liên quan đến các công trình thủy lợi - thủy điện trên lưu vực sông Hương đến nay thường đánh giá tác động của từng công trình. Một số nghiên cứu đánh giá tác động đến dòng chảy nhưng chưa chi tiết và đầy đủ về mặt định lượng những thay đổi các yếu tố thủy văn – thủy lực khi các hồ chứa lớn trên thượng nguồn cùng hoạt động với đập Thảo Long ở hạ lưu, đặc biệt tình hình biến đổi khí hậu đang đặt ra những thách thức mới cho quản lý tổng hợp tài nguyên nước trên lưu vực sông Hương nhằm đáp ứng những yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của địa phương. Xu thế biến đổi của một số yếu tố khí hậu, thủy văn trên lưu vực sông Hương là khá phù hợp với kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012. Trên cơ sở định hướng nghiên cứu và tiếp cận của luận án, ứng dụng mô hình toán thủy văn – thủy lực và phân tích tổng hợp sẽ được chọn là phương pháp chủ đạo trong đánh giá tác động của các công trình thủy lợi – thủy điện chính trên lưu vực với kịch bản biến đổi khí hậu trung bình B2 đã được công bố.
50 Chương II PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN 2.1 HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG 2.1.1 Các công trình thủy lợi - thủy điện 2.1.1.1 Công trình thủy lợi Liên quan trực tiếp đến các tuyến sông chính trên lưu vực sông Hương có các công trình thủy lợi đáng chú ý như sau (bảng 2.1). Bảng 2.1: Một số công trình thủy lợi chủ yếu trên các tuyến sông chính [1, 36] Tên công trình Vị trí Qui mô Nhiệm vụ Hồ Tả Trạch Sông Tả Trạch Đập cao 60m, Cắt, giảm lũ và cấp nước dài 1187 m Cống Nham Biều Sông Hương- Cống 3 cửa Lấy nước cấp cho vùng Bắc Bạch Yến sông Hương Cống Thanh Hà Sông Bồ- Cống + đập Chống lũ tiểu mãn, lũ sớm Quảng Thành cho vùng Bắc sông Bồ Cống Phú Cam Sông Hương- 5 cửa x 4,1 m, 1 Chống lũ tiểu mãn, lũ sớm, Lợi Nông âu thuyền 3,1 m cấp nước và ngăn mặn vùng Nam sông Hương Đập Đá Sông Hương- Đập tràn 204 m, Ngăn mặn, ngăn lũ tiểu mãn Như Ý cao trình tràn và lũ nhỏ cho vùng Nam sông +1,50 m Hương Đập La Ỷ Sông Hương- 22 cửa x 3,0 m, Chống lũ nhỏ, ngăn mặn, lấy Phổ Lợi cao 1,4 m nước ngọt và tiêu úng Đập Thảo Long Sông Hương Cống + cầu, dài Ngăn mặn, giữ ngọt, điều tiết 571,2 m nước hạ du sông Hương Các cống thoát lũ Dọc tuyến đê Khẩu độ 7,5- Ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, vùng cửa sông ven đầm phá 25m thoát lũ ra đầm phá 2.1.1.2 Công trình thủy điện Theo Qui hoạch thủy điện tỉnh Thừa Thiên Huế, trên lưu vực sông Hương có 8 công trình, trong đó có 4 công trình thủy điện nhỏ (Nlm <30 MW), công trình Tả Trạch là kết hợp giữa thủy lợi và thủy điện (bảng 2.2).
51 Bảng 2.2: Các công trình thủy điện trên lưu vực sông Hương [38, 64] TT Công trình V toàn bộ V hữu ích N lắp máy E0 Tình trạng 6 (106 m3) (106 m3) (MW) (10 KWh) 1 Bình Điền 423,68 344,39 44,0 181,7 Vận hành 2009 2 Hương Điền 820,66 350,80 81,0 305,4 Vận hành 2011 3 Tả Trạch 646,00 346,62 21,0 84,8 Hoàn thành 2014 4 Thượng Nhật 19,16 6,49 6,0 23,73 Khảo sát đầu tư 5 Thượng Lộ 3,62 1,57 6,0 21,41 Khảo sát đầu tư 6 A Roàng 0,204 0,062 6,0 25,43 Khởi công 7 Rào Trăng 3,20 0,20 11,0 43,45 Khảo sát đầu tư 8 A Lưới 60,2 24,4 170 686,5 Vận hành 2012 2.1.2 Đặc điểm các công trình thủy lợi- thủy điện 2.1.2.1 Đặc điểm theo phân loại công trình a) Hồ chứa ở thượng nguồn 1. Hồ chứa có nhiệm vụ chống lũ: Hiện có hai hồ có nhiệm vụ chống lũ là: - Tả Trạch: có nhiệm vụ chống lũ tiểu mãn, lũ sớm, giảm lũ chính vụ cho hạ lưu sông Hương. Tiêu chuẩn giảm lũ chính vụ theo trận lũ năm 1983 đối với thành phố Huế: Mực nước tại Kim Long giảm từ 1,0 m đến 1,2 m [5], dung tích cắt lũ tương đương lũ năm 1983 là 380,07 triệu m3 [59]. - Bình Điền: có dung tích phòng lũ cho hạ lưu 70 triệu m3 [2]. 2. Hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước: Hai hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước: - Tả Trạch: Tạo nguồn nước tưới ổn định cho 34.782 ha, cấp nước sinh hoạt và công nghiệp Q = 2,0 m3/s, bảo đảm dòng chảy tối thiểu với Q=25,0 m3/s. - Bình Điền: Cấp nước cho sản xuất và sinh hoạt với lưu lượng đảm bảo Q=1,1 m3/s, lưu lượng sinh thái và môi trường hạ du 5,8 m3/s. 3. Hồ có nhiệm vụ phát điện: Có 8 hồ có nhiệm vụ phát điện với tổng công suất lắp máy là 345 MW, E0=1.372 triệu KWh. Trừ hồ Tả Trạch, còn hồ Bình Điền, Hương Điền, A Lưới và các hồ thủy điện nhỏ khác có nhiệm vụ số 1 là phát điện. b) Các công trình vùng cửa sông 1. Các công trình có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt: Đập Thảo Long được xây dựng ở hạ lưu sông Hương, cách cửa Thuận An 3 km, là công trình rất quan trọng
52 với các nhiệm vụ: Ngăn mặn xâm nhập từ biển và đầm phá, giữ nguồn nước ngọt, đảm bảo thoát lũ, phối hợp với các hồ thượng lưu đảm bảo cung cấp đủ nước cho các nhu cầu nông nghiệp, công nghiệp, môi trường sinh thái, dân sinh vùng đồng bằng sông Hương và cải thiện cảnh quan du lịch thành phố Huế. Tương lai, đập này có ý nghĩa chống xâm nhập mặn do nước biển dâng. Các công trình cống Phú Cam, đập Đá, La Ỷ, Thanh Hà xây dựng đầu các chi lưu để ngăn mặn từ sông Hương xâm nhập vào nội đồng, giữ nguồn nước ngọt cho sản xuất và sinh hoạt. Hiện nay, vì có đập ngăn mặn Thảo Long mà các cống, đập nói trên không còn tác dụng, làm hạn chế dòng chảy giữa sông Hương và các sông nhánh. 2. Các công trình thoát lũ: Các công trình ngăn mặn, giữ ngọt nói trên đều có nhiệm vụ thoát lũ. Vào mùa lũ, đập Thảo Long được mở hoàn toàn nên có ảnh hưởng không đáng kể đến thoát lũ trên sông Hương; các cống đập trên các chi lưu hầu hết là dạng đập tràn thấp hay cống có cửa, tuy có làm hạn chế khả năng phân thoát lũ nhưng không đáng kể. Trên tuyến đê ngăn mặn ven đầm phá đã xây dựng một số cống tại vị trí các cửa sông trong vùng đồng bằng để thoát lũ, tiêu úng và ngăn mặn trong mùa kiệt cho vùng đồng bằng Nam, Bắc sông Hương (bảng 2.3). Bảng 2.3: Một số công trình thoát lũ ở các cửa sông vùng đồng bằng sông Hương [36] Tên cống tiêu Cửa sông Số cửa x chiều rộng 1 cửa Cao trình đáy Hà Đồ Hà Đồ 3 x 2,5 m -1,5 m An Xuân Quảng Thọ 3 x 2,5 m -1,5 m Quán cửa Quảng Thành 3 x 2,5 m -1,5 m Diên Trường Phổ Lợi 3 x 2,5 m -1,5 m Cầu Long Như Ý 6 x 2,4 m -1,5 m Cống Quan Đại Giang 11 x 2 m + 1 x 2,5 m -1,5 m 2.1.2.2 Đặc điểm về nguồn kinh phí và lĩnh vực đầu tư Các công trình thủy lợi lớn như Thảo Long, Tả Trạch và các cống đập thủy lợi nhỏ trên lưu vực đều do nhà nước đầu tư, còn các công trình thủy điện Bình Điền, Hương Điền, A Lưới và các thủy điện nhỏ khác như Thượng Lộ, Thượng Nhật, Rào Trăng do vốn tư nhân (Công ty Cổ phần) đầu tư, mang tính kinh doanh. 2.1.3 Lựa chọn các công trình chính nghiên cứu trong luận án Luận án xem xét các hồ chứa có vai trò tác động đáng kể đến chế độ thủy