BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN PHẠM NGỌC SƠN TÍNH TỐN THỦY VĂN VÀ ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ – HÀ GIANG ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành : Thủy văn Hà Nội – 2015 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN PHẠM NGỌC SƠN TÍNH TỐN THỦY VĂN VÀ ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ – HÀ GIANG ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành: Thủy văn NGƯỜI HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN TS NGUYỄN KIÊN DŨNG Th.S LÊ THỊ THƯỜNG Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Với tất tình cảm mình, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Kiên Dũng, Th.S Lê Thị Thường tạo cho điều kiện tốt nhất, định hướng cho cách tiếp cận với toán giành nhiều thời gian quý báu để đóng góp ý kiến, nhận xét để tơi hồn thành Đồ án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tồn thể thầy cô giáo công tác Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội, Khoa Khí tượng Thủy văn tạo cho tơi mơi trường học tập lành mạnh, cho hội để phấn đấu dần trưởng thành suốt năm học vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn tới cô chú, anh chị công tác Trung tâm Ứng dụng Bồi dưỡng nghiệp vụ Khí tượng thủy văn tạo điều kiện giúp đỡ tơi khó khăn q trinh làm đồ án tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn tới tất bạn lớp ĐH1T, người bước suốt năm học vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Phạm Ngọc Sơn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU iii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I : ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ – XÃ HỘI .4 1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 1.1.1 Vị trí địa lí 1.1.2 Điều kiện địa hình mạng lưới sơng ngòi 1.1.3 Điều kiện địa chất thổ nhưỡng thảm phủ thực vật 1.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 1.2.1 Văn hoá, xã hội 1.2.2 Tiềm kinh tế .7 1.3 HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN SÔNG GÂM 1.3.1 Dự án phát triển thủy điện lưu vực sông Gâm 1.3.2 Thủy điện Bắc Mê CHƯƠNG II : TÍNH TỐN MƯA NĂM VÀ DỊNG CHẢY NĂM CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1.1 Đặc điểm mưa .5 2.1.2 Chế độ nhiệt .5 2.1.3 Chế độ ẩm bốc .6 2.1.4 Đặc điểm khí hậu .6 2.2 TÍNH TỐN THỦY VĂN 2.2.1 Tình hình tài liệu 2.2.2 Tính tốn mưa năm phân phối mưa năm thiết kế 2.3 TÍNH TỐN DỊNG CHẢY NĂM .17 2.3.1 Nhận xét chung tài liệu thủy văn 17 2.3.2 Tính tốn chuẩn dòng chảy năm .18 2.3.3 Bổ sung số liệu dòng chảy tháng theo phương pháp mơ hình tốn .20 2.3.4 Theo phương pháp lưu vực tương tự 22 2.3.5 Tính dòng chảy năm cho tuyến cơng trình (1959-1996) 24 2.3.6 Phân tích lựa chọn kết .24 2.3.7 Tính chuẩn dòng chảy năm tuyến thủy điện Bắc Mê 24 2.3.8 Tính tốn dòng chảy năm thiết kế 25 2.3.9 Tính phân phối dòng chảy năm thiết kế 26 CHƯƠNG III : TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LŨ 29 3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT TRẬN LŨ .29 3.2 TIÊU CHUẨN TÍNH LŨ THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG LŨ CẦN TÍNH TỐN CHO THỦY ĐIỆN .29 3.3 TÍNH TỐN LƯU LƯỢNG ĐỈNH LŨ THIẾT KẾ 29 3.3.1.Đặc điểm lũ lưu vực 29 3.3.2 Bổ sung số liệu dòng chảy lũ cho tuyến Bắc Mê 30 3.3.3 Tính tốn đỉnh lũ theo phương pháp thống kê tuyến Bắc Mê 31 3.4 TÍNH TỐN TỔNG LƯỢNG LŨ VÀ Q TRÌNH LŨ THIẾT KẾ 34 3.4.1 Tính tốn tổng lượng lũ lớn thiết kế .34 3.4.2 Xây dựng đường trình lũ thiết kế tuyến thủy điện Bắc Mê 40 3.4.3 So sánh lựa chọn trình lũ thiết kế .42 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN 44 4.1 XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ CỦA TÍNH TỐN ĐIỀU TIẾT 44 4.2 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HEC-RESSIM ĐỂ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ 44 4.2.1 Số liệu dùng tính tốn điều tiết dòng chảy .44 4.2.2 Ứng dụng mơ hình Hec-ResSim để tính tốn điều tiết phát điện vận hành hồ chứa thủy điện Bắc Mê .44 4.3 SỬ DỤNG PHẦN MỀM EXCEL ĐỂ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ 58 4.3.1 Nguyên lý chung 58 4.3.2 Phương pháp tính tốn điều tiết phát điện cho hồ chứa độc lập phát điện, cấp nước theo công suất .59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Bản đồ hành tỉnh Hà Giang .4 Hình 1-2: Sơ đồ quy hoạch thủy điện hệ thống sơng Gâm Hình 1-3: Vị trí dự án Hình 2-1: Kết tính diện tích khống chế trạm đo mưa 10 Hình 2-2: Phân phối mưa năm bình qn lưu vực tuyến cơng trình .11 Hình 2-3 : Mơ hình phân phối mưa năm theo thời khoảng tháng Trạm Bắc Mê năm mưa nhiều, mưa mưa trung bình .14 Hình 2-4: Lượng bốc Piche trung bình tháng trạm Bắc Mê (mm) 15 Hình 2-5: Đường lũy tích sai chuẩn dòng chảy năm trạm Chiêm Hóa, .19 Hình 2-6: Kết số NASH hiệu chỉnh 22 Hình 2-7: Kết số NASH kiểm định 22 Hình 2-8: Mơ hình phân phối dòng chảy năm thiết kế năm nước, nhiều nước 28 Hình 3-1: Đường tần suất đỉnh lũ trạm Bắc Mê .32 Hình 3-2: Đường tần suất đỉnh lũ trạm Bắc mê( Phương án chọn năm trị số) 33 Hình 3-3: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn trạm Bắc Mê(T=1 ngày max) 35 Hình 3-4: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn trạm Bắc Mê(T=3 ngày max) 35 Hình 3-5: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn trạm Bắc Mê(T=5 ngày max) 36 Hình 3-6: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn trạm Bắc Mê (T=7 ngày max) 36 Hình 3-7: Quan hệ Đỉnh ~ Lượng lũ trạm Bắc Mê 37 Hình 3-8: Quan hệ Qmax ~ W1 trạm Bắc Mê 37 Hình 3-9: Quan hệ W1 ~ W3 Trạm Bắc Mê 38 Hình 3-10: Quan hệ W3 ~ W5 Trạm Bắc Mê 38 Hình 3-11: Quan hệ W5 ~ W7 Trạm Bắc Mê 39 Hình 3-12: Quá trình lũ thiết kế tuyến Bắc Mê theo phương án 1(theo hệ số KQ) .41 Hình 3-13: Quá trình lũ thiết kế P% tuyến thủy điện Bắc Mê theo phương án (hai tỷ số thu phóng KQ KT) 42 Hình 4-1: Cấu trúc mơ hình Hec-ResSim .45 Hình 4-2: Thiết lập mạng lưới lưu vực tinh toán .47 Hình 4-3: Mạng lưới hồ thủy điện Bắc Mê thiết lập 48 Hình 4-4: Khai báo thành phần nút hồ 49 Hình 4-5: Khai báo thành phần đoạn sông 49 i Hình 4-6: Khai báo đường đặc trưng kho nước Z~ V~ F 50 Hình 4-7: Khai báo đường trình bốc nước 50 Hình 4-8: Khai báo cao trình chiều dài đập 51 Hình 4-9: Khai báo đường quan hệ Q~H hạ lưu 52 Hình 4-10: Khai báo cơng suất lắp máy, hệ số vượt tải … .52 Hình 4-11: Khai báo thơng số cửa xả không điều kiện ( xả tràn ) 52 Hình 4-12: Khai báo phương án vận hành 53 Hình 4-13: Lựa chọn phương án vận hành .54 Hình 4-14: Khai báo phương án điều tiết 55 Hình 4-15: Mơ phương án điều tiết .55 Hình 4-16: Biểu đồ lưu lượng mực nước hồ Bắc Mê năm 2005-2006 56 Hình 4-17: Biểu đồ cơng suất phát điện nhà máy thủy điện Bắc Mê .57 Hình 4-18: Biểu đồ xả qua máy phát xả tràn thủy điện .58 Hình 4-19: Thuật tốn tính tốn điều tiết dòng chảy với hồ độc lập phát điện theo công suất cho trước .62 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Đặc trưng hình thái lưu vực Bảng 2-1: Nhiệt độ không khí trung bình tháng năm Bảng 2-2: Phân phối bốc khu vực Bắc Mê Bảng 2-3: Dữ liệu quan trắc mưa ngày thu thập nghiên cứu .7 Bảng 2-4: Lượng mưa trung bình nhiều năm trạm lân cận cơng trình Hình 2-1: Kết tính diện tích khống chế trạm đo mưa 10 Bảng 2-5: Diện tích khống chế trạm đo mưa khu vực nghiên cứu 10 Bảng 2-6: Lượng mưa bình quân lưu vực đến tuyến cơng trình 11 Bảng 2-7: Phân phối mưa năm bình quân khu vực .11 Bảng 2-8: Các tham số thống kê lượng mưa năm ứng với tần suất 12 Bảng 2-9: Mô hình mưa thiết kế .13 Bảng 2-10: Lượng bốc Piche trung bình tháng trạm Bắc Mê (mm) .15 Bảng 2-11: Phân phối tổn thất bốc phụ thêm mặt hồ Bắc Mê (mm) .17 Bảng 2-12: Dữ liệu dòng chảy thu thập q trình nghiên cứu 18 Bảng 2-13 : Các thời kỳ nước khác trạm Chiêm Hóa, Na Hang , 20 Bảng 2-14: Phương trình hồi quy hệ số tương quan Trạm Chiêm Hóa, Bắc Mê 23 Bảng 2-15: Kết đặc trưng chuẩn dòng chảy năm 25 Bảng 2-16: Đặc trưng thống kê, lưu lượng dòng chảy năm ứng với tần suất 25 Bảng 2-17: Phân phối dòng chảy năm thiết kế hồ Bắc Mê 27 Bảng 3-1: Phương trình hồi quy hệ số tương quan theo quan hệ Q = f(H) 31 Bảng 3-2: Các đặc trưng thống kê chuỗi Qmax đỉnh (1981-2009) .32 Bảng 3-3: Các thông số thống kê thiết kế lũ tuyến Bắc Mê 33 Bảng 3-4: Thông số thống kê trị số tổng lượng lũ thiết kế tuyến Bắc Mê .35 Bảng 3-5 : Phương trình hồi quy hệ số tương quan quan hệ 36 Bảng 3-6: Tổng lượng lũ thiết kế ứng với thời đoạn tính tốn cơng trình 39 Bảng 3-7: So sánh kết tính lưu lượng đỉnh lũ theo phương án 39 Bảng 3-8: Các hệ số thu phóng lũ thiết kế trạm Bắc Mê 40 Bảng 4-1: Bảng kết đường trình mực nước lưu lượng hồ Bắc Mê 56 Bảng 4-3: Tính tốn điều tiết xác định lưu lượng xả qua tuabin công suất cố định cho trước 63 Bảng 4-4: Tính toán điều tiết xác định lưu lượng xả qua tuabin công suất cố định cho trước 66 iii MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam thời kỳ đổi phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng, nhu cầu lượng điện hàng năm tăng tới 15% Các cơng trình thủy điện vừa lớn hệ thống sông nước nhiều năm qua mang lại hiệu lớn việc tạo nguồn lượng phục vụ phát triển kinh tế, xã hội bảo vệ môi trường bền vững Bên cạnh lợi ích to lớn thủy điện vừa lớn mang lại thủy điện nhỏ đóng góp phần đáng kể cho đất nước, đặc biệt cho phát triển kinh tế, xã hội địa phương miền núi Tây Bắc, Đơng Bắc….Do việc phát triển ạt thủy điện nhỏ cần phải quản lý chặt chẽ nhằm ngăn chặn tác động bất lợi đến tài nguyên môi trường đảm bảo an ninh lượng cho quốc gia Một vấn đề đặt việc xây dựng nhà máy thủy điện vấn đề phải tính tốn đặc trưng thủy văn cần thiết, liên quan đến nhiệm vụ dự án vào vận hành Xem xét chế độ dòng chảy đến hồ chứa, đặc điểm, đặc trưng thủy văn liên quan định đến quy mơ, kích thước nhiệm vụ cơng trình Với mong muốn vận dụng kiến thức học, áp dụng vào giải tốn thực tế tư vấn thiết kế cơng trình xây dựng hồ chứa thủy điện có quy mơ trung bình, em xin lựa chọn đề tài “Tính tốn thủy văn điều tiết hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Hà Giang” II TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Theo quy hoạch thủy điện hệ thống sông Gâm từ năm 2007 đến nay, có cơng trình đưa vào vận hành nhà máy thủy điện Tuyên Quang năm 2008 Tiếp theo thủy điện Tuyên Quang hàng loạt nghiên cứu việc xây dựng thủy điện vừa nhỏ phía thượng lưu thủy điện Tuyên Quang sông Gâm, cụ thể: - Dự án nghiên cứu xây dựng cơng trình thủy điện Bảo Lạc thuộc huyện Bảo Lâm, tỉnh Cao Bằng Dự án Chí nhánh tư vấn 1- Tổng cơng ty tư vấn sông Đà nhà thiết kế thi cơng Dự án nghiên cứu, tính tốn đặc trưng thủy văn làm sở cho việc tính tốn quy mơ kích thước cơng trình Tuy nhiên nghiên cứu chưa rõ đặc trưng thủy văn phục vụ cho tính tốn điều tiết phát điện chưa xét đến ảnh hưởng công trình thủy điện Tun Quang phía hạ lưu - Dự án nghiên cứu xây dựng thủy điện dòng nhánh Nho Quế thuộc sông Gâm: Trong nghiên cứu trước Nông Nghiệp Phát triển Nông thôn để cập đến nhánh Nho Quế cho điều kiện địa hình địa chất lưu vực sơng Nho Quế khơng có khả xây dựng hồ chứa có dung tích lớn điều tiết dòng chảy độ dốc lòng sơng lớn lưu vực có đá vơi phát triển mạnh, khả nước lớn Do sơng Nho Quế xây hồ chứa nhỏ có dung tích điều tiết ngắn hạn, phát điện chủ yếu dòng chảy tự nhiên, lợi dụng cột nước địa hình để khai thác lượng Trong quy hoạch bậc thang thuỷ điện sông Lô- Gâm nghiên cứu đầy đủ sơ đồ khai thác nhánh sông Lô đến kết luận sơng Lơ khơng có khả khai thác thuỷ điện với quy mô cao cách kinh tế độ dốc sơng nhỏ, sơng chảy qua vùng đồng chạy dài từ Hà Giang đến Tuyên Quang Theo báo cáo bổ sung quy hoạch bậc thang thủy điện sông Gâm công ty cổ phần tư vấn chuyển giao công nghệ thủy lợi – Chi nhánh Tun Quang cho thấy dòng sơng Gâm có cơng trình thuỷ điện Tun Quang thuỷ điện Bắc Mê Từ nghiên cứu cho thấy, việc đưa vào nghiên cứu, tính tốn xây dựng thủy điện Bắc Mê hoàn toàn cần thiết có sở Dự án cơng trình thủy điện Bắc Mê thuộc loại cơng trình thủy điện có quy mơ trung bình Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN-285) dự án cấp III Ngoài nhiệm vụ điều tiết phòng lũ cho hạ du phát điện hồ chứa sử dụng để cấp nước cho hạ du với nhiều mục đích như: cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thủy sản giao thông thủy Với nhiệm vụ trên, đồ án sâu vào tính tốn đặc trưng thủy văn nhằm phục vụ tính tốn điều tiết phát điện cho thủy điện Bắc Mê với tên đề tài: “Tính toán thủy văn điều tiết hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Hà Giang” Mục tiêu nhiệm vụ đồ án Mục tiêu nhiệm vụ đồ án tìm hiểu tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến tính tốn thủy văn thiết kế cho dự án thủy lợi, thủy điện Trên sở lựa chọn phương pháp để phân tích, tính tốn đặc trưng khí tượng thủy văn thiết kế phục vụ điều tiết phát điện cho cơng trình thủy điện Bắc Mê sông Gâm Đồ án giúp cho sinh viên làm quen, tiếp cận với phương pháp tính tốn nắm bắt thực tế nhằm chuẩn bị thêm kiến thức kinh nghiệm phục vụ cho công tác nghề nghiệp sau trường Nội dung nghiên cứu • Tìm hiểu tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến tính tốn thủy văn thiết kế cho dự án thuỷ điện Bắc Mê – Tỉnh Hà Giang • Ứng dụng phương pháp mơ hình tốn để tính tốn dòng chảy tháng, năm cho tuyến cơng trình thủy điện Bắc Mê – Tỉnh Hà Giang Địa điểm đối tượng nghiên cứu • Địa điểm nghiên cứu : Lưu vực sông Gâm , huyện Bắc Mê, tỉnh Hà Giang 3 Đối tượng nghiên cứu : Các đặc trưng khí tượng thủy văn khu vực xây dựng hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Tỉnh Hà Giang Phương pháp ứng dụng • Phương pháp tương tự thủy văn để khôi phục số liệu cho trạm quan trắc bị thiếu tài liệu đo đạc • • Phương pháp thống kê, thu thập tài liệu :Thống kê, thu thập tài liệu, số liệu khí tượng thủy văn, số liệu quan trắc mưa, bốc hơi, mực nước, lưu lượng phù hợp với mục tiêu đề tài • Phương pháp mơ hình tốn: Mơ hình thủy văn TANK để khơi phục tài liệu dòng chảy từ mưa mơ hình thủy lực Hec-ResSim để tính tốn điều tiết phục vụ phát điện Ngoài phần mở đầu kết luận, đồ án trình bày chương bao gồm : Chương : Điều kiện địa lý tự nhiên khu vực nghiên cứu trình bày khái quát số đặc điểm địa lý, địa hình lưu vực khái quát tình hình dân sinh kinh tế huyện Bắc Mê tỉnh Hà Giang Chương : Tính tốn mưa năm dòng chảy năm phân tích tính tốn số đặc trưng bao gồm : Lượng mưa bình quân lưu vực, lượng mưa năm dòng chảy năm thiết kế, phân mùa mưa, phân phối mưa năm dòng chảy năm thiết kế, tổn thất bốc Chương : Tính tốn dòng chảy lũ tiến hành tìm hiểu đặc điểm lũ lưu vực, tính tốn tổng lượng lũ trình lũ thiết kế, xây dựng đường trình lũ thiết kế cho tuyến cơng trình thủy điện Bắc Mê Chương : Tính tốn điều tiết hồ chứa xác định nhiệm vụ tính tốn điều tiết cho thủy điện, ứng dụng mơ hình thủy lực Hec-ResSim sử dụng phần mềm Excel để tính tốn điều tiết cho hồ chứa độc lập phát điện cấp nước theo cơng suất; sau so sánh kết hai phương án sử dụng tính tốn điều tiết để từ tư vấn thiết kế cho cơng trình  ... đồ án sâu vào tính tốn đặc trưng thủy văn nhằm phục vụ tính tốn điều tiết phát điện cho thủy điện Bắc Mê với tên đề tài: Tính tốn thủy văn điều tiết hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Hà Giang Mục... NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN PHẠM NGỌC SƠN TÍNH TỐN THỦY VĂN VÀ ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ – HÀ GIANG ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành: Thủy. .. dụng vào giải toán thực tế tư vấn thiết kế cơng trình xây dựng hồ chứa thủy điện có quy mơ trung bình, em xin lựa chọn đề tài Tính tốn thủy văn điều tiết hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Hà Giang