MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TÀI NGUYÊN NƯỚC
PGS.TS. Ngô Lê Long
Tài liệu tham khảo
Hà Văn Khối, L.Đ. Thành, N.L. Long. Giáo trình Quy hoạch và phân tích hệ thống tài nguyên nước. NXB Giáo dục, 2007.
Mays L.W. and Y.-K. Tung. Hydrosystems Engineering and
Management. Water Resources Publications, 1992.
Jain, S.K. and V.P. Singh. Water resources systems
planning and management. Elsevier, 2003.
Daniel P. Loucks. Water resources systems planning and management – An Introduction to Methods, Models and Applications. United Nations Educational Publicatio,n 2005.
Giới thiệu
Phân tích hệ thống tài nguyên nước có liên quan chặt chẽ
với việc sử dụng các mô hình toán.
Vận hành hệ thống tài nguyên nước là bài toán phức tạp
do không biết đầu vào (tương lai) của hệ thống (mưa &
dòng chảy).
Mô hình mô phỏng cân bằng nước cung cấp một công cụ
nhằm đánh giá biến thiết kế hay chiến lược vận hành trên
cơ sở số liệu lịch sử hay số liệu tổng hợp nhằm xem xét hệ
thống thực thi thế nào.
Mục tiêu
1. Giới thiệu các phương trình cân bằng cơ bản sử dụng
cho mô hình hệ thống sông và hồ chứa.
2. Giới thiệu các kiến thức vận hành cơ bản đối với hồ
chứa đơn/đa mục tiêu.
3. Giới thiệu bài toán vận hành hồ chứa phục vụ đa mục
tiêu
Hệ thống lưu vực sông Hệ thống lưu vực sông
Nước sử dụng cho: • Cấp nước • Giải trí • Tự nhiên • Phát điện • Kiểm soát ô nhiễm • Giao thông thủy
Hệ thống lưu vực sông Hệ thống lưu vực sông
Các thành phần: • Hồ chứa, đập, trạm bơm • Kênh dẫn, đường ống • Cơ sở vật chất • Nhà máy thủy điện • Nhà máy nước, xử lý nước thải • Âu thuyền • Kiểm soát lũ (hồ chứa, đắp đê) • Hệ thống thu gom, phân bổ
1.1 Khái niệm về hệ thống TNN
“Hệ thống tài nguyên nước là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng và sự tác động của môi trường lên nó”
Nguồn nước: Lượng và phân bố của chúng theo không gian và
thời gian; chất lượng nước và động thái của nước.
Hệ thống các công trình khai thác: Bao gồm các công trình đầu mối, các công trình chuyển nước v.v. được cấu trúc tùy thuộc vào mục đích khai thác TNN.
Các yêu cầu về nước: Bao gồm các hộ dùng nước, yêu cầu phòng chống lũ, lụt, yêu cầu cải tạo môi trường và yêu cầu dùng nước khác.
1.2 Khái quát về mô hình hóa hệ thống TNN
Tại sao mô hình: • Làm hay thiết kế gì? • Làm hay thiết kế ở đâu? • Độ lớn, số lượng và vận hành như thế nào? • Khi nào thực hiện? • Thủy văn, kinh tế, sinh thái và xã hội tác động gì? Tại sao?
1.2 Khái quát về mô hình hóa hệ thống TNN
Mô hình hoá hệ thống tài nguyên nước là sự biểu đạt các
quy luật của hệ thống TNN, bao gồm các quá trình vật lý và
động thái của hệ thống bằng các biểu thức toán học.
Giúp cho việc nhận thức được những hành xử của hệ thống một
cách thấu đáo
Dễ dàng cung cấp các kịch bản vận hành hệ thống khác nhau
Là cầu nối giữa người quản lý chính sách và nghiên cứu
1.3 Những thách thức trong việc mô hình hóa HTTNN
Thách thức của những nhà hoạch định và quản lý Xác định được các lựa chọn nhằm giải quyết bài toán Tìm hiểu các nhu cầu của các nhóm lợi ích nhằm đạt được sự
đồng thuận về các vấn đề cần làm.
Thiết lập và sử dụng mô hình đưa ra các kết quả để mọi hộ dùng nước đạt được sự thỏa thuận chung phù hợp với giá trị riêng của họ
Ra quyết định và thực hiện chúng, đưa ra sự khác biệt của
các ý tưởng, giá trị xã hội và mục tiêu.
1.3 Những thách thức trong việc mô hình hóa HTTNN
Thách thức của mô hình hóa
Giải pháp hoàn thiện cho việc quy hoạch TNN hiếm khi tồn tại:
Các kế hoạch và dự án là động, phát triển theo thời gian.
Bất kỳ quyết định lớn nào cũng bao gồm nhiều quyết định nhỏ được thực hiện bởi các cơ quan khác nhau có trách nhiệm về các khía cạnh khác nhau của dự án.
Thời gian dành cho việc nghiên cứu TNN nói riêng thường ngắn hơn so với yêu cầu. Nếu có đủ thời gian thì mục tiêu của các nghiên cứu có thể thay đổi đáng kể.
Khung phân tích chung của các nghiên cứu HTTNN
1.3 Những thách thức trong việc mô hình hóa HTTNN
Thách thức trong việc áp dụng mô hình vào thực tế
Luôn có một khoảng cách giữa những nghiên cứu về sản
phẩm mô hình hóa HTTNN với thực tế sử dụng.
Không phải những nghiên cứu công bố nào cũng sẵn sàng
hay hiệu quả trong việc sử dụng.
Liệu mô hình mới (chương trình máy tính) có làm cho người
sử dụng dễ dàng giải quyết các vấn đề của họ hay không?
1.4 Đặc điểm của những bài toán mô hình hóa hệ thống TNN
Mục tiêu quy hoạch và quản lý TNN được xác định rõ ràng và các tổ chức và cá nhân có thể nhận dạng được ai có thể đạt được lợi từ kết quả mô hình.
mục tiêu, và quyết định tốt nhất chưa rõ ràng.
Tồn tại nhiều quyết định khác nhau mà có thể thoả mãn các
bằng các hàm toán học.
Hệ thống TNN và các mục tiêu có thể miêu tả tường minh
Thông tin cần thiết như những tác động thuỷ văn, kinh tế, môi trường, sinh thái từ quyết định nào đó có thể được ước tính tốt hơn thông qua sử dụng mô hình.
năng đạt được dễ dàng..
Thông số của những mô hình xác định từ dữ liệu có khả
2.1 Khái quát
Ví dụ:
- Một hồ chứa có nhiệm vụ phân bổ nước cho các hộ dùng nước ở hạ lưu. - Xem xét xem lợi nhuận tăng thêm của các hộ dùng nước do việc tăng dòng chảy có bù đắp được chi phí xây dựng hồ không?
2.1 Khái quát
Người hoạch định HTTNN phải xác định và đánh giá được các thiết kế/kế hoạch quản lý hệ thống TNN trên cơ sở kinh tế, môi trường, sinh thái hay tác động chính trị của chúng. Một số hệ thống thực thi các mục tiêu mâu thuẫn với nhau. Trong trường hợp này, mô hình có thể giúp định ra các thỏa hiệp hiệu quả giữa các giải pháp mâu thuẫn đó.
Đòi hỏi các tiếp cận theo hướng mô hình hóa mô phỏng hay tối ưu nhằm nghiên cứu phân tích hệ thống tài nguyên nước
2.2 Các thành phần của mô hình
Mô hình toán
Các phương trình đại số
Biến đã biết (Paramaters)
Biến chưa biết (Decision variables)
Biến thiết kế
Biến vận hành
Biến thiết kế
Biến vận hành
• Dung tích phòng lũ
(hồ chứa)
• Q xả qua hồ • Phân bổ nước cho các hộ dùng nước
• Dung tích hiệu dụng
(hồ chứa)
• …
• Công suất phát điện • Công suất máy bơm • Diện tích tưới • Năng lực kênh dẫn • Cao trình đê • …
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
Các mô hình mô phỏng Mô phỏng (Simulation): Quá trình sao chép lại hành vi của một hệ thống đang tồn tại hoặc được đề xuất Thiết kế một mô hình của hệ thống và tiến hành thực nghiệm với mô hình đó nhằm để hiểu rõ hơn về chức năng của hệ thống hoặc để đánh giá những chiến lược quản lý khác nhau của hệ thống đó.
Bản chất của mô phỏng là xác định lại động thái của hệ thống ở các mặt quan trọng để trả lời câu hỏi hệ thống phản ứng như thế nào với những điều kiện có thể áp đặt vào nó hoặc có thể phát sinh trong tương lai
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
Các mô hình mô phỏng Trong bài toán phân tích hệ thống mô hình mô phỏng được sử dụng để phân tích hiệu quả của từng phương án quy hoạch, từ đó tìm ra phương án có lợi nhất. Phương án mô phỏng chỉ đưa ra được phương án gần tối ưu (phương án hợp lý). Do phương án tốt nhất được xác lập trên cơ sở các kịch bản về phương án quy hoạch và do đó có thể bỏ sót các phương án tốt hơn do không tạo ra được không gian đầy đủ các phương án.
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
Các mô hình tối ưu
Cho phép đưa ra các giải pháp tối ưu từ một miền giới hạn
các giải pháp khả thi.
Hạn chế: Không phải bài toán quy hoạch nào có thể mô tả được bằng mô
Nhiều trường hợp bài toán tối ưu không giải được. Có thể nghiệm bài toán tối ưu là nghiệm cục bộ.
Các mô hình kết nối kỹ thuật tối ưu với mô
hình mô phỏng
hình tối ưu.
Sơ đồ phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng – tối ưu
Nhập số liệu
Quy tắc vận hành
Mô phỏng phản ứng của hệ thống theo qui tắc vận hành
Đánh giá các hàm mục tiêu
NO
Thỏa mãn tiêu chuẩn ?
Sử dụng mô hình tối ưu tạo ra bộ thông số mới
YES
Mô hình
Mô hình Mô phỏng
Giải pháp tối ưu
tối ưu
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Ví dụ:
- Một hồ chứa có nhiệm vụ phân bổ nước cho các hộ dùng nước ở hạ lưu. - Xem xét xem lợi nhuận tăng thêm của các hộ dùng nước do việc tăng dòng chảy có bù đắp được chi phí xây dựng hồ không?
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
Hàm mục tiêu: Maximize tổng lợi nhuận
Lợi nhuận Bit của mỗi hộ dùng nước tại mỗi bước thời gian phụ thuộc vào lượng nước, Xit, phân phối cho nó.
Hàm lợi nhuận Bit=Bit(Xit) cần được xác định và được biểu diễn
dưới dạng phù hợp của giải pháp tối ưu lựa chọn.
Các biến chưa biết bao gồm:Lượng nước cấp cho các hộ dùng nước, Xit, và lượng nước xả từ hồ tương ứng, Rt, tại tất cả các bước thời gian.
Ràng buộc:
với t 1, 2, . . . , T.
Rt ≥ X1t + X2t + X3t St + It – Rt = St+1 với t 1, 2, . , T; St ≤ K
Phát biểu bài toán tối ưu: Tìm giá trị của 60 biến chưa biết sao cho thỏa mãn được hàm mục tiêu
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
Xác định vấn đề Xác định vấn đề
Thu thập các số liệu Thu thập các số liệu
Đánh giá sự Đánh giá sự thực thi hệ thực thi hệ thống hoặc thống hoặc cải thiện hiệu cải thiện hiệu quả hệ thống quả hệ thống
Lập sơ đồ hệ thống Lập sơ đồ hệ thống
Xây dựng mô hình Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống mô phỏng hệ thống Xây dựng mô hình Xây dựng mô hình tối ưu hệ thống tối ưu hệ thống
Ứng dụng kết quả Ứng dụng kết quả của mô hình của mô hình
2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu
Mô hình mô phỏng giải quyết các câu hỏi ‘what if ’; Mô hình tối ưu có thể giải quyết các câu hỏi ‘what should be’.
Mô phỏng
Tối ưu
Bài toán vận hành hồ chứa
Khái quát về hồ chứa Hệ thống liên hồ chứa Mô phỏng hồ chứa, sông ngòi Nguyên tắc vận hành hồ chứa
30
3.1 Phân loại mô hình mô phỏng
Phân loại theo: theo tính phức tạp của cấu trúc
3.1 Phân loại mô hình mô phỏng
Phân loại theo các lĩnh vực ứng dụng: Mô hình chất/số lượng nước (sông, vịnh, cửa sông) Mô hình vận hành hồ chứa (số/chất lượng) Mô hình bão hòa/không bão hòa số/chất lượng nước
ngầm
Mô hình mưa dòng chảy Phân bổ nước, nhu cầu nước Vận hành tưới tiêu Dự báo Biến đổi hình thái ….
Một số mô hình mô phỏng TNN
Mô hình thành phần mưa dòng chảy
TANK, NAM, SARR, TOP, BTOPMC,…
Mô hình diễn toán dòng chảy
Diễn toán thủy văn (Muskingum…) Diễn toán thủy lực Mô hình chất lượng nước
Qual2K, Qual2E, MIKE 11 WQ
Mô hình nước ngầm
MODFLOW, MIKE-SHE, GMS (Groundwater Modeling System)
Mô hình quản lý tiêu thoát nước đô thị
SWMM (EPA-SWMM, MIKE-SWMM) MOUSE EPANET (Water Distribution Network Simulation Model)
Mô hình lưu vực sông
HEC-HMS, HEC-ResSim, HEC-RAS, MIKE 11 SWAT WMS – Watershed Modeling System RIBASIM, WEAP, MIKE BASIN, MODSIM
MIKE 11 HD Module
Ứng dụng của HD Module
Nghiên cứu nước dâng do bão và thủy triều
trong vùng cửa sông và sông
Thiết kế hệ thống kênh Vận hành hệ thống tưới tiêu Mô phỏng những biện pháp kiểm soát lũ Dữ báo lũ và vận hành hồ chứa
Cơ sở lý thuyết
Dòng chảy trong kênh hở: giải quyết dạng sai phân hữu hạn của phương trình Saint Venant (1D): Phương trình liện tục (continuity equation) Phương trình động lượng (momentum equation)
Giả sử
Nước là không nén được và đồng nhất Độ dốc đáy là nhỏ Dòng chảy ở mọi nơi là song song với đáy (ví dụ:
chiều dài sóng là đủ lớn khi so sánh với độ sâu nước)
Cơ sở lý thuyết
Biến thủy lực
Biến độc lập Theo không gian x Theo thời gian t Biến phụ thuộc Lưu lượng Q Mực nước H Tất cả những biến khác là hàm của biến độc lập hoặc biến phụ thuộc
Cơ sở lý thuyết
Phương trình liên tục
q
Q x
A t
Phương trình động lượng
2
Q A
gA
0
x
Q t
h x
QgQ 2 ARC
Cơ sở lý thuyết – mô tả dòng chảy Phụ thuộc vào bao nhiêu thành phần được sử dụng trong
phương trình động lượng Phương trình Saint Venant đầy đủ (dynamic wave)
Lược đồ hiện (explicit methods) Lược đồ ẩn (implicit methods)
Cross section i-1
Cross section i Cross section i+1
Time
Time step j+1
Reach
Time step j
Time step j-1
Space
Cơ sở lý thuyết – Mô tả dòng chảy
Bỏ đi 2 thành phần đầu tiên 2
gA
0
Q A x
Q t
h x
QgQ 2 ARC
• Diffusive wave (backwater analysis) Bỏ qua 3 thành phần đầu tiên
2
gA
0
Q A x
Q t
QgQ 2 ARC
h x • Kinematic wave (relatively steep rivers without backwater
effects)
Cơ sở lý thuyết – Lược đồ giải Hệ phương trình vi phân riêng phần về hệ phương trình sai phân hữu hãn với lược đồ sai phân ẩn trên toàn bộ lưới tính toán Điểm Q và H thay thế, ở đó Q và H được tính toán cho mỗi bước
thời gian
Lược đồ 6 điểm - (point Abbott-Ionescu scheme
i-1
i
i+1
Time
Time step n+1
Q 6 h 7
Time step n+1/2
h5 Q Q 4
2
h3
Time step n
h 1
Space
Center point
Cơ sở lý thuyết – Điều kiện biên và ban đầu
Điều kiện biên (Boundary conditions)
Điều kiện biên ngoài – biên thượng và hạ lưu (external boundary conditions - upstream and downstream)
Điều kiện biên bên trong (internal “boundary
conditions”)
Điều kiện ban đầu (Initial condition)
t=0
Cơ sở lý thuyết – Lựa chọn điều kiện biên
Lọai điều kiện biên thượng lưu điển
Q
hình Lưu lượng hằng số từ một hồ
Q
chứa
Đường quá trình Q ~ t
Q
Loại điều kiện biên hạ lưu điển hình
h or Q/h
Mực nước hằng số H ~ t Đường quan hệ Q ~ H (rating
curve)
Yêu cầu dữ liệu cho HD
• Định nghĩa lưu vực (Catchment Delineation)
• Mạng sông (nhánh và node) và dữ liệu địa hình (River and Floodplain Topography)
• Dữ liệu thủy văn cho những điều kiện biên (Hydrometric Data for Boundary Conditions)
• Dữ liệu thủy văn cho kiểm định và hiệu chình mô hình (Hydrometric Data for Calibration / Validation)
• Dữ liệu về công trình và vận hành của nó (Man-made Interventions)
Cấu trúc một mô phỏng cho MIKE 11
Cho mô phỏng:
Simulation Editor(*.SIM11)
Boundary Editor (*.BND11)
Cross Section Editor (*.XNS11) Network Editor (*.NWK11 )
Time Series Editor (*.DFS0)
Cho hiện thị kết quả: Mike view
Parameter Editors (HD, AD, WQ, ST, RR) *.HD11
Data Editors (New Files)
Simulation editor Network editor Cross- section
editor
Parameter editor Boundary editor Time-series editor
Simulation Editor Đặc trưng:
Xác nhận một mô phỏng (Loại mô phỏng, thời kỳ, bước thời gian) Xác định file đầu vào, đầu ra (Input- and Result-filenames) Tổng hợp tất cả các Editor
Network Editor
Làm việc với dữ liệu mạng sông Thiết lập mạng sông:
Mạng sông số hóa (Digitized River
Network)
Nhánh sông (River Branches) Công trình thủy lực (Hydraulic
Indsæt dump fra nwk-editor med signatur forklaring (h, Q, digi-points)
Structures) - Đập (Weirs), - Cống (Culverts), - Công trình điều tiết (Regulating), - Controllable Weir/Gate - Dambreak
Mô hình mưa dòng chảy cho lưu vực bộ phận(Hydrological Catchments)
Network Editor (cont’d)
Graphical View
Network Editor (cont’d)
Tabular View
Network Editor (cont’d)
Định nghĩa nhánh sông (River Branches):
Nhận dạng địa hình (Topo ID) Tên sông (River Name) Điểm thượng lưu (Upstream Chainage [m]) Điểm hạ lưu (Downstream Chainage [m]) Loại nhánh (Branch type: Regular or Link channel) Kết nối thượng lưu với nhánh khác (Upstream
connection to other Branches)
Kết nối hạ lưu với nhánh khác (Downstream
connection to other Branches)
Maximum x
Network Editor (cont’d)
Grid-point spacing in River Branch
Chainage [m] : 20.000 28.000 32.000 40.000
Maximum dx = 5.000 m
Maximum dx = 3.000 m
Maximum dx > 8.000 m
H-point with cross section from Database H-point with interpolated Cross Section Q-point
RIVER MODEL 1D
RIVER CROSS-SECTIONS
SCHEMATIZATION (1 DIMENSION)
LOOPED RIVER NETWORK
TRIBUTARIES
SCHEMATIZATION OF FLOODPLAINS (QUASI 2D)
PARALLEL RIVERS
FLOODED AREAS
LINK CHANNELS
HYDRAULIC STRUCTURES
Cross Section Editor
Làm việc với dữ liệu địa hình (Topographical
data).
Bao gồm 2 loại dữ liệu: Dữ liệu thô (Raw data)
- Dữ liệu mặt cắt ngang khảo sát (Cross Section survey data)
Dữ liệu xử lý (Processed data)
- Bảng thông số thủy lực cho mỗi mặt cắt - Được tính toán từ dữ liệu thô - Dữ liệu này sẽ được sử dụng trong mô phỏng => Dữ liệu xử lý được yêu cầu trong tất cả các mặt cắt
Cross Section Editor – Raw data
Dữ liệu thô Mỗi mặt cắt nhập vào được định nghĩa bởi:
Tên sông (River Name) Nhận dạng địa hình (Topo ID) Khoảng cách (Chainage [m]) Cửa sổ dữ liệu thô bao gồm:
Tree View liệt kê tất cả các mặt cắt Tabular View liệt kê dữ liệu theo x,z Graphical View thể hiện hình vẽ mặt cắt
Cross Section Editor – Raw data
Raw Data- set
Tree View
Tabular View
Graphical View
Cross Section Editor – Raw data
M = 10
M = 30
Datum
Flood Plain River channel
Dữ liệu thô:
Loại mặt cắt (Section Type): Mở/ đóng (Open / Closed)
Loại bán kính (Radius Type): Resistance Radius
Hydraulic Radius, Effective area Hydraulic Radius, Total area
Datum:
Reference level
Phân chia mặt căt (Divide Section): Chia mặt cắt và đồng bằng lũ Cao trình phân chia (Level of Divide): Cho sông và đồng bằng lũ
Nhân tố nhám: Nhám tương đối (Relative Resistance)
Cross Section Editor – Processed data
Dữ liệu xử lý (Processed Data):
Mỗi mặt cắt sẽ tương ứng với:
Area, Hydr.Radius, Width & Conveyance calculated for different Water Levels
Additional Flooded Area (optional) Resistance factor (optional)
Cửa sổ dữ liệu xử lý bao gồm:
Tree View: liệt kê tất cả các mặt cắt Tabular View: Liệt kê thông số thủy lực Graphical View: Đường quan hệ của những thông
số thủy lực được chọn
Cross Section Editor – Processed data
Processed Data-set
Nhám đáy (Bed Resistance)
Nhám đáy:
• Manning-Strickler • Manning’s coefficient • Chezy’s coefficient
M n C
[m1/3 /s] [s/ m1/3] (= 1/M) [m1/2 /s]
Resistance Number = Resistance factor * Bed Resistance number
(Cross section database) (HD Parameter file) (default: Rf = 1.0)
(default: M = 30)
Boundary Editor
Cho mô phỏng HD
Q
Q
t
t
Biên dòng chảy vào (Inflow): hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tại biên thượng lưu.
Mực nước (Water level): hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tại biên hạ lưu. Q/h: được sử dụng khi mối quan hệ Q-h
được xác định tại hạ lưu
Wl
t
Biên được định nghĩa bởi: Tên sông (River Name) Chainage Loại biên (Boundary type) Chuỗi số liệu và dữ liệu tương ứng (Time series file-name and item)
Boundary Editor
HD
Time Series (TS) Editor Chỉnh sửa và lưu trữ chuỗi dữ liệu theo sự kiện Đặc tính của chuỗi dữ liệu bao gồm:
Tên, Loại dữ liệu (water level, discharge etc.) và đơn vị (unit) Loại trục thời gian (equidistant / non-equidistant), (calendar /
relative)
Thời gian bắt đầu (Start-time), Bước thời gian (Time-step), và số
bước thời gian (no of Time-steps)
Đặc tính của chuỗi dữ liệu được định nghĩa trong “File
Properties”
Một file time series có thể chứa đựng nhiều cột dữ liệu
khác nhau cho một sự kiện cụ thể
Time Series Editor
Tabular View
Graphical View
HD Parameter Editor
Điều kiện ban đầu (Initial values of H and Q)
Giá trị nhám đáy (Bed resistance Values)
Etc.
HD Parameter Editor Global and Local Variables:
’
M = 30 Global Value:
i
M = 30 Local Values:
M s g n n n a M
M = 25
0.0 5000 10000 15000 20000 Distance [m]
M = 20
HD Parameter Editor
Indsæt cut af Additional output dialog
MIKE 11 Mô đun điều khiển công trình
MIKE 11 HD – Công trình:
Đập (đập đỉnh rộng, đập tràn). Cống (cống hình chữ nhật,
hình tròn...)
Bơm Cầu Công trình điều tiết Công trình kiểm soát. Vỡ đập Do người sử dụng xác định
MIKE 11
Các công trình điều khiển
MIKE 11
Module điều khiển công trình
Cho phép định ra được các chiến lược vận hành hay điều khiển công trình ở cấp độ cao, phức tạp (Hồ chứa, tưới tiêu, kiểm soát lũ...)
MIKE 11
Module điều khiển công trình
MIKE 11
Các loại công trình điều khiển
•Underflow Gate (Sluice Gates) •Overflow Gates (Inflatable Dams and Movable Weirs) •Radial Gates (Dam Spillways) •Discharge Control (Pumps)
MIKE 11
Underflow Gates
MIKE 11
Radial Gates
MIKE 11
Nguyên tắc điều khiển - Control Rules
Việc điều khiển công trình được thực hiện thông qua chiến lược điều khiển.
Một chiến lược điều khiển được xác định bằng việc sử dụng một danh sách các câu lệnh logic, các hàm toán học tùy thuộc vào quyền ưu tiên của các hình thức điều khiển.
Định ra việc điều khiển Nguyên tắc điều khiển
• Các câu lệnh Logic nhằm xác định các điều kiện cho việc thực thi một chiến lược.
• Các thiết lập hay điểm mục tiêu (Target Point) cho công trình là hàm của điểm kiểm soát (Control Point).
MIKE 11
Cây quyết định - Decision Tree
Start (for each time step)
Set Gate
True
False
True
Strategy 1 Priority 1 Logicals
False
True
Priority 2 Logicals Strategy 2
False
Always True
Priority 3 Logicals Strategy 3
Priority N Logicals Strategy N
MIKE 11
Điểm kiểm soát và điểm mục tiêu
Điểm Kiểm soát là biến được sử dụng nhằm xác định ra hàm mục tiêu. Ví dụ:
• Mực nước lũ • Lưu lượng nước đến hồ • Thời gian
Điểm Mục tiêu là biến ta cố gắng thiết lập Ví dụ:
Các kiểu biến
• Độ mở cửa cống • Mực nước hồ
• Mực nước (H) • Chênh lệch mực nước (dH) • Lưu lượng(Q) • Chênh lệch lưu lượng(dQ) • Tổng lưu lượng • Tốc độ dòng chảy (V) • Tổng lượng • Nồng độ • Lịch • Chuỗi thời gian -Time-series
MIKE 11
Cây quyết định - Decision Tree
(toán hạng logic 1 và toán hạng logic 2 và ….và toán hạng logic N)
(Vận hành theo bảng chiến lược điều khiển xác định các giá trị điểm đich bằng cách áp
(Vận hành theo bảng chiến lược điều khiển xác định các giá trị điểm đich bằng cách áp
(toán hạng logic 1 and …. and toán hạng logic N)
Một công trình điều khiển vận hành thông qua danh sách ưu tiên của các câu lệnh logic vận hành, điểm kiểm soát và bảng chiến lược được xác định cho mỗi ưu tiên” Ưu tiên 1: IF THEN dụng các giá trị hiện hành của biến điều khiển trong bảng Ưu tiên 1) ELSE Ưu tiên 2 IF (toán hạng logic 1 and …. and toán hạng logic N) THEN dụng các giá trị hiện hành của biến điều khiển trong bảng Ưu tiên 2) ELSE Priority 3 IF THEN (……………..) ELSE Priority (n-1) IF ……. THEN (Vận hành theo bảng ưu tiên (n-1)) ELSE (Vận hành theo bảng ưu tiên n; Không có toán hạng logic)
MIKE 11
Control Structures Interface
MIKE 11
Control Structures Interface
MIKE 11
Control Structures Interface
Sơ đồ vận hành
Thông tin
Dự báo
ỉ
i
h n h c u ề Đ
t ấ u x ề Đ
s e v i t a n r e t l a
Quan trắc, báo cáo
Simulation of Reservoir Regulation
Model setup of a part of the Red River system
• 6 branches with 271 cross-sections. • 66 cross-sections are used to define Hoa Binh reservoir.
Time varying reservoir level for the rule curves
120
H(m)
115
122 m
110
105
)
Upper limit
m
Flood control (Normal) Flood control (level 1) Flood control (level 2) Flood control (level 3) Upper limit Lower limit Critical limit
100
( n o
i t
95
l
a v e E
90
Lower limit
85
Critical limit
80
75
0
680
maximum
Q(m3/s)
70
01-6
11-6
21-6
01-7
11-7
21-7
10-8
20-8
30-8
09-9
19-9
29-9
31-7 Time
Operational status
Period
Water level at Hanoi (HHN)
HHN(t+24h) < 11.5 m
Pre-flood season Main flood season Post-flood season
Flood control
Level 1 Level 2 Level 3
HHN < 11.5 m HHN < 12.0 m HHN < 13.1 m HHN ≥ 13.1 m
Reservoir water level (HRes) 88 m ≤ HRes ≤ 95 m 88 m ≤ HRes ≤ 93 m 88 m ≤ HRes ≤ 117 m HRes < 100 m HRes < 108 m HRes < 120 m HRes ≥ 120 m
(corresponding
to
the
HHN(t+24h) is the forecasted water level at with a lead time of 24 hours
Dam protection Note: travel time of a flood wave from Hoa Binh to Hanoi).
(HRes ≥ 108 m) and (HHN < 12.0 m) and (QIN is increasing)
IF THEN (One more gate is opened) ELSE IF
(HRes ≥ 108 m) and (HHN < 12.0 m) and (QIN is decreasing) and (QIN >> QOUT)
THEN (One more gate is opened)
(HRes < 108 m) and (HHN ≥ 12.0 m)
(HRes < 108 m) and (HHN < 12.0 m) and (QIN < QOUT) and (HHN is increasing)
ELSE IF THEN (One more gate is closed) ELSE IF THEN (One more gate is closed) ELSE (Do nothing) ENDIF
Kịch bản áp dụng
A. Quy trình hiện hành
B. Hồ bắt đầu cắt giảm lũ khi dự báo trong 24h mực nước tại Hanoi vượt + 10.50 m. (+11.50 m qui trình hiện hành)
C. Giống kịch bản A. Tuy nhiên, mực nước trước lũ giai đoạn chính vụ là + 95 m ( tăng lên 2 m so với qui trình hiện hành).
