BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ XUÂN BẢO ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ĐỂ XÁC ĐỊNH MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐỒNG NAI – SÀI GÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-02-02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Công trình hoàn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS MAI VĂN CÔNG Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS FRANZ NESTMANN Phản biện 1: PGS.TS LÊ XUÂN ROANH Phản biện 2: GS.TS TĂNG ĐỨC THẮNG Phản biện 3: TS NGUYỄN KIÊN QUYẾT Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 30 ngày 25 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Sự cần thiết phải nghiên cứu Ngập lụt khu vực thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) vùng hạ du sông Đồng Nai- Sài Gòn (ĐN-SG) gây nên khó khăn, thiệt hại cho hoạt động dân sinh, kinh tế trở thành vấn đề xúc cho người dân Xây dựng hệ thống kiểm soát ngập lụt (KSNL) hiệu yêu cầu cấp bách thành phố Trong đó, việc xác định Mức bảo đảm an toàn chống ngập (MBĐAT) yêu cầu quan trọng định quy mô đầu tư hiệu chống ngập hệ thống MBĐAT áp dụng cho khu vực Tp.HCM tương ứng với Tiêu chuẩn an toàn (TCAT) cho công trình Cấp I với tần suất thiết kế 1/250 năm (PTK=0,4%) Theo Quy phạm hành, TCAT xác định vào diện tích, dân số, lưu lượng độ ngập sâu trung bình Phương pháp xác định TCAT mang tính chủ quan chưa xem xét thấu đáo yếu tố rủi ro tiềm tàng liên quan đến đặc thù vùng bảo vệ giá trị kinh tế xã hội, tốc độ tăng trưởng, vị trí địa trị quan trọng điều kiện tự nhiên phức tạp đồng thời chịu tác động lũ từ sông, nước dâng thủy triều từ biển Điều dẫn đến hai tình huống: i) Giá trị TCAT chọn cao so với yêu cầu thực tiễn, dẫn đến quy mô đầu tư cao, gây lãng phí đầu tư ii) TCAT thấp dẫn đến không đáp ứng yêu cầu an toàn cần thiết Do đó, cần phải có nghiên cứu để xác lập sở khoa học việc xác định MBĐAT cho khu vực cách toàn diện tin cậy Chính lựa chọn đề tài “Ứng dụng phương pháp phân tích rủi ro lý thuyết độ tin cậy để xác định mức bảo đảm an toàn cho hệ thống kiểm soát ngập lụt vùng hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn” đảm bảo tính khoa học đáp ứng tính cấp thiết thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu là: i) xây dựng sở khoa học phương pháp luận xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp thủy triều lũ phù hợp điều kiện Việt Nam; ii) ứng dụng tính toán cho hệ thống KSNL khu vực Tp.HCM thuộc vùng hạ du sông ĐN-SG Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: MBĐAT hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp thủy triều lũ gồm: mức độ rủi ro ngập lụt vùng bảo vệ; MBĐAT hệ thống công trình KSNL điển hình Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống công trình KSNL tạo thành vành đai khép kín bảo vệ phần phía Nam vùng IA1-3 thuộc dự án chống ngập khu vực Tp.HCM giai đoạn I vùng bảo vệ Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Các phương pháp tiếp cận sử dụng nghiên cứu gồm: tiếp cận hệ thống, tiếp cận tổng hợp, tiếp cận bền vững tiếp cận đại Phương pháp nghiên cứu phát triển ứng dụng Phương pháp phân tích rủi ro lý thuyết độ tin cậy (PTRR & LTĐTC) số phương pháp khác như: phương pháp kế thừa; phương pháp chuyên gia; phương pháp tổng hợp, phân tích xử lý số liệu có; phương pháp toán thống kê; hay phương pháp mô hình, mô Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu nội dung sau: 1) Tổng quan tình trạng ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông ĐN-SG khu vực Tp.HCM cách xác định TCAT hệ thống công trình KSNL nay; 2) Tóm lược sở khoa học phương pháp PTRR & LTĐTC lịch sử phát triển phương pháp; 3) Xây dựng toán ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC để xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp thủy triều lũ; 4) Ứng dụng xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL cụ thể khu vực Tp.HCM Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Lý giải việc sử dụng phương pháp PTRR & LTĐTC để xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp thủy triều lũ; từ đưa sơ đồ toán thuật giải cụ thể cho nội dung nghiên cứu 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng thành công cho hệ thống KSNL vùng hạ du sông ĐN-SG, từ mở hướng áp dụng rộng rãi cho công trình tương tự Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị, luận án trình bày chương gồm: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu MBĐAT hệ thống KSNL vùng hạ du sông ĐN-SG; Chương 2: Cơ sở khoa học phương pháp PTRR & LTĐTC; Chương 3: Xây dựng toán ứng dụng PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL nhiều thành phần vùng hạ du sông chịu ảnh hưởng kết hợp thủy triều lũ; Chương 4: Ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL khu vực Tp.HCM CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MỨC BẢO ĐẢM AN TOÀN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG ĐN-SG 1.1 Tổng quan tình hình ngập lụt vùng hạ du sông ĐN-SG khu vực Tp.HCM Vùng hạ lưu sông ĐN-SG được xác định khu vực từ sau hồ thuỷ điện Trị An sông Đồng Nai, sau đập Dầu Tiếng sông Sài Gòn sau đập Phước Hòa sông Bé đến biển Đại phận vùng có nguy ngập hạ du sông ĐN-SG có cao độ mặt đất tự nhiên thấp 2m, bao gồm hầu hết khu đô thị ven sông, khu công nghiệp, khu dân cư ổn định, thường bị thiệt hại lớn xảy ngập lụt, đặc biệt khu vực Tp.HCM Ngập lụt vùng có nguyên nhân từ thủy triều kết hợp với lũ từ sông ĐN-SG sông Mê Kông (thông qua sông Vàm Cỏ) Các yếu tố ảnh hưởng đến ngập lụt vùng nghiên cứu bao gồm: đặc điểm vị trí địa hình trũng thấp; hoạt động dân sinh đô thị hóa; mưa cục lũ thượng nguồn; tượng lún Biến đổi khí hậu - Nước biển dâng (BĐKH-NBD) Để khắc phục tình trạng ngập lụt, số biện pháp quản lý ngập lụt đầu tư thực gồm biện pháp công trình phi công trình Các giải pháp chưa triệt để góp phần tích cực việc chống ngập úng cho khu vực hạ du sông ĐN-SG Tp.HCM Tuy nhiên, năm gần BĐKH-NBD yếu tố ảnh hưởng khác diễn tác động theo chiều hướng bất lợi làm cho tình trạng ngập lụt có xu ngày trầm trọng 1.2 Luận giải vấn đề nghiên cứu MBĐAT hệ thống KSNL hạ du sông nói chung khu vực Tp.HCM nói riêng xác định dựa theo hệ thống tiêu chuẩn hành Theo đó, thiệt hại vùng bảo vệ xác định gián tiếp thông qua cấp công trình, phụ thuộc vào yếu tố: số dân bị ảnh hưởng, diện tích bị ngập lụt, lưu lượng lũ độ ngập sâu trung bình Việc xác định MBĐAT thiết kế hệ thống công trình KSNL theo tiêu chuẩn tồn bất cập chưa thiết lập mối quan hệ chặt chẽ quy mô công trình bảo vệ với giá trị đối tượng bảo vệ Mặt khác, thiết kế kiểm tra an toàn công trình KSNL thực theo phương pháp truyền thống dựa hệ số an toàn thành phần với biên đầu vào xác định, tính ngẫu nhiên điều kiện biên tải trọng độ bền chưa xem xét trình tính toán Do định đưa mang tính chủ quan Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển phương pháp khắc phục hạn chế nêu để xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL cần thiết Luận án tập trung phát triển mở rộng ứng dụng PTRR & LTĐTC tạo sở khoa học phục vụ phân tích an toàn xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL 1.3 Tổng quan phương pháp phân tích rủi ro lý thuyết độ tin cậy 1.3.1 Phương pháp phân tích rủi ro Lý thuyết độ tin cậy Phương pháp PTRR xác định quy mô công trình chống ngập lụt dựa quan điểm rủi ro chấp nhận cách thiết lập quan hệ xác suất hư hỏng (hoặc số độ tin cậy) công trình với thiệt hại tương ứng đối tượng bảo vệ thông qua hàm rủi ro Lý thuyết độ tin cậy sử dụng phương pháp phân tích hệ thống lý thuyết ngẫu nhiên xác định xác suất cố (Pf) chế cố thành phần công trình từ xác định xác suất cố tổng hợp cho công trình toàn hệ thống công trình KSNL An toàn công trình đánh giá thông qua khả xảy cố (xác suất cố) số độ tin cậy () 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC cho hệ thống KSNL giới Hà Lan coi quốc gia đầu ứng dụng phân tích rủi ro cho hệ thống đê biển từ năm 1970 Thông qua phân tích rủi ro, TCAT hệ thống đê biển thiết lập với tần suất xảy cố từ 1/4000 năm vùng nông nghiệp đến 1/10000 vùng đô thị công nghiệp Từ năm 1990 trở lại đây, phương pháp nghiên cứu áp dụng rộng rãi nước phát triển Bắc Mỹ, Châu Âu, Anh, Nhật, Nga, Trung Quốc… Việc ứng dụng lý thuyết đánh giá an toàn hệ thống phân tích rủi ro hệ thống phòng chống lũ quốc gia nói thu nhiều kết thực tế tích cực đáng tin cậy 1.3.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTRR & LTĐTC phân tích an toàn cho hệ thống KSNL Việt Nam vùng hạ du lưu vực ĐN-SG Lý thuyết PTRR & LTĐTC đưa vào giảng dạy trường đại học kỹ thuật từ năm 1990 Lý thuyết độ tin cậy nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực xây dựng dân dụng, giao thông, công trình biển, cảng biển đạt nhiều thành tích cực Trong lĩnh vực kiểm soát ngập lụt, có số nghiên cứu ứng dụng nhiên bước đầu, chưa có tính hệ thống toàn diện chưa tích hợp vào tiêu chuẩn kỹ thuật hay quy phạm 1.4 Kết luận Chương Việc phân tích trạng tổng quan tình hình ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông ĐN-SG khu vực Tp.HCM cho thấy tình hình ngập lụt vùng nghiên cứu ngày trầm trọng Nguyên nhân gia tăng theo hướng bất lợi yếu tố điều kiện tự nhiên trước tác động biển đổi khí hậu, nước biển dâng hoạt động dân sinh Các giải pháp KSNL phần phát huy tác dụng, nhiên chưa mang tính tổng thể, toàn diện Các tồn việc thiết kế xây dựng hệ thống KSNL bao gồm: chưa thiết lập quan hệ chặt chẽ quy mô hệ thống công trình KSNL giá trị đối tượng bảo vệ; việc phân tích an toàn cho công trình KSNL thực theo phương pháp truyền thống không kể đến tính ngẫu nhiên điều kiện biên tải trọng độ bền trình tính toán chưa xem xét đến tính tổng thể hệ thống Từ đó, vấn đề cần tập trung nghiên cứu luận giải phải có nghiên cứu xác lập sở khoa học xây dựng toán ứng dụng phù hợp để xác định MBĐAT hợp lý cho hệ thống KSNL vùng hạ du lưu vực sông Ứng dụng tính toán cụ thể cho khu vực Tp.HCM nằm hạ du sông ĐN-SG Trong phương pháp PTRR & LTĐTC sử dụng làm tảng khoa học để xây dựng toán ứng dụng phân tích an toàn xác định MBĐAT cho hệ thống KSNL CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RỦI RO VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 2.1 2.1.1 Phân tích rủi ro Phương pháp phân tích rủi ro Phương pháp phân tích rủi ro thiết lập quan hệ xác suất xảy cố đối tượng xem xét thiệt hại tiềm tàng cố xảy thông qua hàm rủi ro tổng quát: Rủi ro = (Xác suất xảy cố) × (Hậu cố) (2-1) Do tính ngẫu nhiên yếu tố ảnh hưởng nên hậu có tính bất định Khi đó, rủi ro mô hàm mật độ xác suất phụ thuộc vào biến ngẫu nhiên liên quan Rủi ro xác định xác định khả xảy cố hậu 2.1.2 Phân tích rủi ro cho hệ thống KSNL Khung lý thuyết phân tích rủi ro vận dụng phát triển để áp dụng cho hệ thống KSNL Khi định nghĩa tổng quát rủi ro viết lại cho đối tượng hệ thống KSNL sau: Rủi ro = (Xác suất xảy cố ngập lụt) × (Hậu ngập lụt) (2-2) Chi tiết xây dựng toán phân tích rủi ro cho hệ thống KSNL trình bày Chương luận án 2.1.3 Giá trị rủi ro chấp nhận hệ thống KSNL Với hệ thống công trình KSNL cụ thể, quy mô đầu tư lớn, hệ thống có mức độ an toàn cao, tức xác suất cố xảy ngập lụt nhỏ, dẫn đến rủi ro tiềm tàng thấp Trong trường hợp ngược lại, rủi ro tiềm tàng cao Thực tế, gia tăng quy mô đầu tư cao để có rủi ro thấp, mà với vùng bảo vệ phải chấp nhận mức độ rủi ro hợp lý làm sở để định quy mô đầu tư mức bảo đảm an toàn thiết kế Giá trị giới hạn lớn rủi ro tiềm tàng chấp nhận cho vùng nghiên cứu gọi “giá trị rủi ro chấp nhận được” Giá trị rủi ro chấp nhận được xác định từ kết phân tích rủi ro 2.1.4 Đánh giá rủi ro Trường hợp có sẵn tiêu chuẩn rủi ro, đánh giá rủi ro thực cách so sánh kết phân tích với giá trị tiêu chuẩn đề xuất giải pháp điều chỉnh hệ thống để đảm bảo thỏa mãn tiêu chuẩn rủi ro 2.1.5 Ra định dựa kết phân tích rủi ro Giá trị rủi ro chấp nhận hệ thống KSNL sử dụng làm sở khoa học cho trình định Trên thực tế, định cuối coi định mang tính trị phụ thuộc vào yếu tố khác bối cảnh thực tế Tuy nhiên kết phân tích rủi ro thường được nhà hoạch định sách coi khách quan ban đầu để định 2.2 2.2.1 Phân tích độ tin cậy cho chế cố Khái niệm chế cố, hàm độ tin cậy xác suất cố Cơ chế cố kiểu hư hỏng công trình trình học-vật lý tương tác điều kiện biên công trình Điểm để chế cố xảy trạng thái cân độ bền tải trọng Hàm tin cậy (Z) mô tả chế cố tổng quát có độ bền R tải trọng S sau: Z=R–S (2-3) Sự cố xảy Z < ngược lại cố không xảy Z > Ranh giới vùng an toàn không an toàn có giá trị Z = gọi biên cố Xác suất xảy cố xác định P{Z