Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất phương pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thượng lưu lưu vực sông Hồng trong mùa cạn

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:191

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện trong mùa cạn nhằm tối ưu hóa phát điện và cấp nước hạ du theo hướng tối ưu hóa đa mục tiêu và ứng dụng thuật toán BORG-MOEA cho lưu vực sông Hồng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất phương pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thượng lưu lưu vực sông Hồng trong mùa cạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN XUÂN LÂM NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA THƯỢNG LƯU LƯU VỰC SÔNG HỒNG TRONG MÙA CẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN XUÂN LÂM NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA THƯỢNG LƯU LƯU VỰC SÔNG HỒNG TRONG MÙA CẠN Chuyên nghành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã Số: 9 580 212 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Trung 2. PGS.TS. Hoàng Minh Tuyển HÀ NỘI, NĂM 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Lâm
ii LỜI CẢM ƠN Trân trọng cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn, các lãnh đạo, cán bộ, nhà khoa học tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường, Viện Khoa học Khí tượng, Thủy văn và BĐKH đã tạo những điều kiện tốt nhất để tác giả thực hiện luận án. Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè đã hết sức giúp đỡ và tạo ra môi trường thuận lợi nhất để tác giả có thể hoàn thành nghiên cứu này.
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án .........................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .........................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .........................................................4 5.1. Ý nghĩa khoa học............................................................................................................ 4 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................................ 5 6. Những đóng góp mới của luận án. ......................................................................6 7. Cấu trúc Luận án .................................................................................................6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TỐI ƯU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ..............................7 Giới thiệu chung ..............................................................................................7 Các nghiên cứu ở nước ngoài ..........................................................................8 1.2.1. Phương pháp mô phỏng ............................................................................................. 8 1.2.2. Phương pháp tối ưu ..................................................................................................... 9 1.2.3. Bài toán tối ưu hóa hệ thống hồ chứa...................................................................... 10 1.2.3.1 Hàm mục tiêu ....................................................................................10 1.2.3.2 Ràng buộc..........................................................................................12 1.2.3.3 Tối ưu đa mục tiêu ............................................................................13 1.2.4. Các phương pháp giải tối ưu .................................................................................... 14 1.2.4.1 Tối ưu ngẫu nhiên ẩn.........................................................................15 1.2.4.2 Tối ưu ngẫu nhiên hiện .....................................................................19 1.2.4.3 Quy hoạch kinh nghiệm (Heuristic) và thuật toán di truyền GA. .....23 Các nghiên cứu ở trong nước .........................................................................26 1.3.1. Nghiên cứu về quy hoạch trên vùng Đồng bằng sông Hồng – Thái Bình .......... 26 1.3.2. Nghiên cứu về vận hành liên hồ chứa..................................................................... 27 Kết luận chương 1 ..........................................................................................32
iv CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG ...........................................................................................................34 Đặc điểm lưu vực và hệ thống hồ chứa sông Hồng .......................................34 2.1.1. Điều kiện tự nhiên, khí hậu và thủy văn lưu vực ................................................... 34 2.1.2. Hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng .................................................................... 38 2.1.3. Những yếu tố tác động đến vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện lưu vực sông Hồng...................................................................................................................................... 47 2.1.3.1 Dòng chảy từ Trung Quốc.................................................................48 2.1.3.2 Vai trò phát điện của hệ thống ..........................................................50 2.1.3.3 Đảm bảo nước cho hạ du...................................................................51 2.1.3.4 Ảnh hưởng của triều và mặn .............................................................54 2.1.3.5 Mâu thuẫn giữa cấp nước và phát điện .............................................59 2.1.3.6 Tác động của BĐKH .........................................................................61 2.1.3.7 Quy trình vận hành liên hồ chứa .......................................................62 2.1.4. Những định hướng để thiết lập bài toán tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng ..................................................................................................................... 64 Phương pháp xây dựng giải pháp tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng .............................................................................................................67 2.2.1. Thiết lập bài toán tối ưu ............................................................................................ 67 2.2.1.1 Hàm mục tiêu ....................................................................................67 2.2.1.2 Ràng buộc..........................................................................................70 2.2.2. Khung tính toán tối ưu xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ chứa sông Hồng trong mùa cạn.......................................................................................... 72 2.2.3. Mô phỏng hệ thống hồ chứa .................................................................................... 75 2.2.3.1 Các quan hệ đặc tính hồ chứa ...........................................................75 2.2.3.2 Quan hệ mực nước và mức xả tối đa, tối thiểu .................................77 2.2.3.3 Hiệu chỉnh mức xả 𝑟𝑚𝑎𝑥 và 𝑟𝑚𝑖𝑛 theo dòng chảy đến, dung tích đầu bước và bước thời gian mô phỏng ..........................................................78
v 2.2.3.4 Mô phỏng cân bằng nước hệ thống hồ và quá trình ra quyết định vận hành ...............................................................................................................80 2.2.4. Mô hình hạ lưu .......................................................................................................... 81 2.2.5. Hàm chinh sách vận hành hệ thống hồ chứa thời gian thực ................................. 84 2.2.6. Thuật toán BORG-MOEA....................................................................................... 85 2.2.6.1 Tập trội dạng hộp epsilon (𝜖) ............................................................85 2.2.6.2 Tiến bộ epsilon 𝜖 ...............................................................................86 2.2.6.3 Khởi động lại .....................................................................................86 2.2.6.4 Kết hợp đa toán tử tự động thích ứng ...............................................87 Số liệu đầu vào ...............................................................................................89 Kết luận chương 2 ..........................................................................................93 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG ..................................................................................................95 Mô hình hệ thống hồ chứa .............................................................................95 Mô hình hạ lưu .............................................................................................105 3.2.1. Xây dựng mô hình Mike 11 cho vùng Đồng bằng sông Hồng.......................... 105 3.2.2. Mô hình thay thế...................................................................................................... 114 Kích thước bài toán, máy tính, và ngôn ngữ lập trình .................................116 Giao diện cho vận hành thời gian thực ........................................................117 Phân tích và đánh giá kết quả tính toán các hàm vận hành tối ưu. ..............118 Kết luận chương 3 ........................................................................................136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................138 1. Kết luận ...........................................................................................................138 2. Kiến nghị.........................................................................................................140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...............................................142 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................142 PHỤ LỤC ................................................................................................................154 Phụ lục 1. Mã nguồn chính của hệ thống trên C/C++ ........................................155
vi Phụ lục 2. Đặc trưng mưa và dòng chảy của các trạm chính trên hệ thống sông Hồng ....................................................................................................................160 Phụ lục 3. Tổng hợp tủy chọn mô phỏng các hệ thống lấy nước trên sông Hồng .............................................................................................................................164 Phụ lục 4. Quan hệ giữa mực nước thượng lưu hồ và tổng khả năng xả max và min rmin, rmax của các hồ chứa .............................................................................169 Phụ lục 5. Tổng hợp 350 nghiệm Pareto - tham số hàm vận hành .....................174
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1. Tổng lượng dòng chảy năm của hệ thống sông Hồng ..............................36 Bảng 2-2. Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất tại một số trạm thuỷ văn trong lưu vực sông Hồng giai đoạn trước khi có hồ Hòa Bình .................37 Bảng 2-3. Tổng hợp các thông số cơ bản các hồ chứa trong nghiên cứu .................39 Bảng 2-4 Nhu cầu nước dùng vùng châu thổ sông Hồng phân chia theo các ngành kinh tế (triệu m3) ...............................................................................................51 Bảng 2-5. Thời vụ sản xuất vụ Đông Xuân trong những năm gần đây ....................52 Bảng 2-6. Tổng hợp mức xả và diện tích canh tác Đông Xuân ................................54 Bảng 2-7. Tổng hợp các điều khoản quy định vận hành theo quy trình vận hành 1622/QĐ-Ttg ngày 17 tháng 9 năm 2015 .........................................................63 Bảng 3-1. Thống kê các biên trên và biên nhập lưu khu giữa ................................108 Bảng 3-2. Địa hình lòng dẫn sông Hồng - Thái Bình .............................................109 Bảng 3-3. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình .....................................................111 Bảng 3-4. Kết quả kiểm định thông số mô hình thủy lực .......................................112 Bảng 3-5. Tổng hợp một số nghiệm điển hình của mặt Pareto tối ưu ....................121 Bảng 3-6. Tổng hợp hiệu quả của các giải pháp vận hành và thực tiễn vận hành thời kỳ 16/10/2015 đến 14/6/2016 .........................................................................128
viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1. Sự cần thiết của điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội. ..........................7 Hình 1-2. Ví dụ về một hệ thống hồ chứa ...................................................................8 Hình 1-3: Cách tiếp cận giải tối ưu ngẫu nhiên ẩn (ISO) .........................................15 Hình 1-4. Thể hiện tối ưu hệ thống hồ chứa như một chuỗi quyết định ...................18 Hình 1-5. Cách tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên hiện (ESO) ............................................20 Hình 1-6. Khung tổng quát của một thuật toán di truyền GA...................................25 Hình 2-1. Lưu vực sông Hồng và các hồ chứa lớn ...................................................38 Hình 2-2. Lưu lượng vào và xả, mực nước hồ Hòa Bình trung bình từ năm 1991 đến 2011 ..................................................................................................................41 Hình 2-3 Quá trình mực nước hồ Thác Bà từ 1973 đến 2012 ..................................42 Hình 2-4 Quá trình xả nước hồ Thác Bà năm 1/1-15/6 năm 2011 ...........................42 Hình 2-5. Mực nước hồ Tuyên Quang từ 1/8 đến 14/6 thời kỳ 2007-2014 ..............44 Hình 2-6. Lưu lượng vào và xả hồ Tuyên Quang trung bình từ năm 2007 đến 2014 ..........44 Hình 2-7 Mực nước hồ Sơn La từ từ 1/8 năm trước đến 14/6 năm sau thời kỳ 2010 đến 2014 ...........................................................................................................45 Hình 2-8. Lưu lượng xả từ hồ Sơn La và Hòa Bình từ 1/1-14/6/2014 .....................46 Hình 2-9. Thông số kỹ thuật cơ bản của 6 hồ chứa lớn trên lưu vực sông Hồng .....47 Hình 2-10 Quá trình lưu lượng ngày I-IV/2007-2012 tại trạm Lai Châu .................49 Hình 2-11 Quá trình lưu lượng ngày từ I-IV/2007-2012 tại trạm Lào Cai ...............49 Hình 2-12 Quá trình lưu lượng ngày từ tháng I-IV/2007-2012 trạm Đạo Đức ........50 Hình 2-13. Biểu đồ dùng nước các tháng mùa cạn năm 2010 và đến năm 2020......52 Hình 2-14. Mực nước nhỏ nhất tại trạm Hà Nội từ năm 1991-2013 ........................53 Hình 2-15. Quá trình mực nước giờ tại trạm Hòn Dấu từ 1/1-28/2/2013 .................55 Hình 2-16 Quá trình lưu lượng, mực nước tại một số vị trí từ 1/1-28/2/2006 ..........56 Hình 2-17 Xâm nhập mặn 1 %o năm 2010 ...............................................................58 Hình 2-18 Tác động của vận hành hồ đền độ mặn ở một số cống hạ lưu vùng ĐBSH xả nước Đông Xuân 2015 .................................................................................58
ix Hình 2-19. Biểu đồ phụ tải ngày làm việc điển hình theo tỉ lệ tương đối .................59 Hình 2-20. Biểu đồ tỷ lệ tiêu thụ điện theo các tháng trong năm .............................60 Hình 2-21. Quá trình lưu lượng xả từ các hồ và mực nước tại Sơn Tây và Hà Nội từ tháng 1 đến tháng 3 năm 2010 ..........................................................................61 Hình 2-22. Quan hệ mực nước trạm Hà Nội với mực nước tại một số cống lấy nước, mùa cạn năm 2011 ............................................................................................66 Hình 2-23. Sơ đồ thủy điện và các trạm thủy văn trên lưu vực sông Hồng ..............67 Hình 2-24. Hệ số lợi ích phát điện trong mùa cạn tính từ 16-9 đến 14-6 hàng năm. .......69 Hình 2-25. Khung tính toán tối ưu xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ chứa sông Hồng trong mùa cạn .........................................................75 Hình 2-26. Quan hệ dung tích và mực nước hồ chứa ...............................................76 Hình 2-27. Quan hệ dung tích và diện tích mặt hồ ...................................................76 Hình 2-28. Quan hệ lưu lượng và mực nước hạ lưu .................................................77 Hình 2-29. Quy trình xây dựng hàm mức xả tối đa/tối thiểu các hồ chứa theo dung tích và dòng chảy đến .......................................................................................79 Hình 2-30. Sơ đồ mô phỏng cân bằng nước và ra quyết định vận hành cho từng hồ chứa...................................................................................................................81 Hình 2-31. Quy trình tính toán cân bằng nước và ra quyết định cho toàn hệ thống trong quá trình xây dựng chính sách vận hành. ................................................81 Hình 2-32. Biểu đồ hàm kích hoạt tangent hyperbolic .............................................82 Hình 2-33. Mạng trí tuệ nhân tạo sử dụng cho mô hình thay thế .............................83 Hình 2-34. Sơ đồ xây dựng mô hình hạ lưu thay thế (emulator) với số liệu từ mô hình Mike 11 của vùng đồng bằng sông Hồng .................................................83 Hình 2-35. Mình họa trội 𝝐 trong không gian hàm mục tiêu 2 chiều .......................86 Hình 2-36. Quy trình khởi động của BORG .............................................................87 Hình 2-37. Dạng kết hợp đa toán tử của BORG .......................................................88 Hình 2-38. Biên dòng chảy đến hệ thống mô phỏng ................................................89 Hình 2-39. Chuỗi dòng dòng chảy ngày đến các khu lưu vực sông Hồng tính đến Sơn Tây, giai đoạn 1961-2011 .........................................................................90
x Hình 2-40. Số liệu bốc hơi bước thời gian ngày tại các trạm khí tượng khu vực miền núi phía Bắc giai đoạn từ 1957 -2011 ..............................................................91 Hình 2-41. Số liệu bốc hơi ngày nội suy tại các hồ chứa nghiên cứu giai đoạn 16/9/1961 đến 15/9/2011 ..................................................................................91 Hình 2-42. Chuỗi nhu cầu nước ngày năm điển hình từ 16/9 đến 15/9 năm sau ......92 Hình 2-43. Số liệu triều ngày max cho năm điển hình tại cửa Ba Lạt ......................92 Hình 3-1. Quan hệ mực nước và mức xả max, min tức thời của các hồ chứa Bản Chát và Lai Châu ..............................................................................................95 Hình 3-2. Quan hệ mực nước và mức xả max, min tức thời của các hồ chứa Sơn La và Hòa Bình ......................................................................................................96 Hình 3-3. Quan hệ mực nước và mức xả max, min tức thời của các hồ chứa Thác Bà và Tuyên Quang................................................................................................96 Hình 3-4. Hàm xả 𝑟𝑚𝑎𝑥, 𝑟𝑚𝑖𝑛 cho bước thời gian ngày theo dung tích và dòng chảy đến cho hồ chứa Bản Chát ......................................................................96 Hình 3-5. Hàm xả 𝑟𝑚𝑎𝑥, 𝑟𝑚𝑖𝑛 cho bước thời gian ngày theo dung tích và dòng chảy đến cho hồ chứa Lai Châu.......................................................................97 Hình 3-6. Hàm xả 𝑟𝑚𝑎𝑥, 𝑟𝑚𝑖𝑛 cho bước thời gian ngày theo dung tích và dòng chảy đến cho hồ chứa Sơn La ..........................................................................97 Hình 3-7. Hàm xả 𝑟𝑚𝑎𝑥, 𝑟𝑚𝑖𝑛 cho bước thời gian ngày theo dung tích và dòng chảy đến cho hồ chứa Hòa Bình ......................................................................98 Hình 3-8. Hàm xả 𝑟𝑚𝑎𝑥, 𝑟𝑚𝑖𝑛 cho bước thời gian ngày theo dung tích và dòng chảy đến cho hồ chứa Thác Bà ........................................................................98 Hình 3-9. Hàm xả 𝑟𝑚𝑎𝑥, 𝑟𝑚𝑖𝑛 cho bước thời gian ngày theo dung tích và dòng chảy đến cho hồ chứa Tuyên Quang ...............................................................99 Hình 3-10. Chi tiết mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Lai Châu kết nối lũ-kiệt-lũ. ..............100 Hình 3-11. Mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Lai Châu trong 50 năm, bước tính ngày............100
xi Hình 3-12. Chi tiết mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Bản Chát kết nối lũ-kiệt-lũ. ..............101 Hình 3-13. Mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Bản Chát trong 50 năm, bước tính ngày ...........101 Hình 3-14. Chi tiết mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Thác Bà kết nối lũ-kiệt-lũ. ...............102 Hình 3-15. Mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Thác Bà trong 50 năm, bước tính ngày .............102 Hình 3-16. Chi tiết mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Tuyên Quang kết nối lũ-kiệt-lũ. .......103 Hình 3-17. Mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Tuyên Quang trong 50 năm, bước tính ngày ....103 Hình 3-18. Chi tiết mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Sơn La kết nối lũ-kiệt-lũ. .................104 Hình 3-19. Mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Sơn La trong 50 năm, bước tính ngày ...............104 Hình 3-20. Chi tiết mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Hòa Bình kết nối lũ-kiệt-lũ. .............105 Hình 3-21. Mô phỏng cân bằng nước bao gồm dòng chảy đến đã trừ tổn thất, dung tích và tổng xả cho hồ chứa Hòa Bình trong 50 năm, bước tính ngày ...........105 Hình 3-22. Sơ đồ đơn giản hóa mô phỏng hệ thống tưới ........................................107 Hình 3-23. Sơ đồ mô phỏng thiết lập trên giao diện Mike 11 (rút gọn) .................107 Hình 3-24. Giao diện thiết lập mô phỏng dạng điều khiển trên Mike 11 ...............109 Hình 3-25. Kết quả tính toán đầu ra cho một cống lấy nước chịu ảnh hưởng triều, mặn .................................................................................................................110 Hình 3-26. Một số hình kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực (HD) tại một số trạm chính cho năm 2010, đường mô phỏng (đỏ), đường quan trắc (xanh). ..........111 Hình 3-27. Một số hình kết quả kiểm định mô hình thủy lực (HD) tại một số trạm chính cho năm 2011, đường mô phỏng (đỏ), đường quan trắc (xanh). ..........112
xii Hình 3-28. Một số hình kết quả hiệu chỉnh mô hình lan truyền mặn (AD) tại một số trạm chính cho năm 2010, đường mô phỏng (xanh), quan trắc (chấm đỏ). ...113 Hình 3-29. Một số hình kết quả kiểm định mô lan truyền mặn (AD) tại một số trạm chính cho năm 2011, đường mô phỏng (xanh), quan trắc (chấm đỏ). ...........114 Hình 3-30. Đánh giá các tiêu chí kiểm định mạng ANN theo số neuron sử dụng .115 Hình 3-31. Kết quả mô phỏng so sánh giữa ANN và số liệu mạng từ Mike 11 .....116 Hình 3-32. Giao diện hỗ trợ vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ chứa sông Hồng ...............................................................................................................117 Hình 3-33. Quá trình thực hiện tính toán và kết quả trên giao diện hỗ trợ vận hành hệ thống ..........................................................................................................118 Hình 3-34. Sự hình thành nghiệm khả thi và tiến triển của mặt Pareto cho thí nghiệm tìm trực tiếp tham số xả .....................................................................120 Hình 3-35. Dòng chảy đến hồ Bản Chát giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016. .....122 Hình 3-36. Dòng chảy đến hồ Lai Châu giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016. .....122 Hình 3-37. Dòng chảy đến hồ Thác Bà giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016........123 Hình 3-38. Dòng chảy đến Hồ Tuyên Quang giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016. ........................................................................................................................123 Hình 3-39. Dòng chảy đến hồ Sơn La giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016. ........124 Hình 3-40. Dòng chảy đến hồ Hòa Bình giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016......124 Hình 3-41. Dòng chảy xả hồ Hồ Bản Chát giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016. .125 Hình 3-42. Dòng chảy xả hồ Lai Châu giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016. .......125 Hình 3-43. Dòng chảy xả hồ Thác Bà giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016..........126 Hình 3-44. Dòng chảy xả hồ Tuyên Quang giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016 .126 Hình 3-45. Dòng chảy xả hồ Tuyên Quang giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016 .127 Hình 3-46. Dòng chảy xả hồ Hòa Bình giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016........127 Hình 3-47. So sánh các giải pháp vận hành và thực tế vận hành ............................130 Hình 3-48. Diễn biến dung tích các hồ chứa giai đoạn 16/10/2015 đến 14/6/2016 theo quan trắc vận hành thực tế ......................................................................131
xiii Hình 3-49. Diễn biến dung tích các hồ chứa ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016 ..............................................................................131 Hình 3-50. Diễn biến vận hành tại hồ Bản Chát ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016..........................................................................132 Hình 3-51. Diễn biến vận hành tại hồ Lai Châu ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016..........................................................................132 Hình 3-52 . Diễn biến vận hành tại hồ Sơn La ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016..........................................................................133 Hình 3-53. Diễn biến vận hành tại hồ Hòa Bình ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016..........................................................................133 Hình 3-54. Diễn biến vận hành tại hồ Thác Bà ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016..........................................................................134 Hình 3-55. Diễn biến vận hành tại hồ Tuyên Quang ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016 .................................................................134 Hình 3-56. Mực nước tại trạm Hà Nội giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016 theo số liệu quan trắc ..............................................................................................135 Hình 3-57. Lưu lượng và mực nước tại trạm Hà Nội ứng với giải pháp P350H1 giai đoạn từ 16/10/2015 đến 14/6/2016 .................................................................135
xiv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BC Bản Chát ĐBSH Đồng bằng sông Hồng DP Quy hoạch động (Dynamic Programming) EP Quy hoạch tiến hóa (Evolution Programming) ESO Tối ưu hóa ngẫu nhiên hiện (Explicit Stochastic Optimization) F Diện tích lưu vực HB Hòa bình HN Hà Nội ISO Tối ưu hóa ngẫu nhiên ẩn (Implicit Stochastic Optimization) LC Lai Châu LP Quy hoạch tuyến tính (Linear Programming) LVSH Lưu vực sông Hồng MNC Mực nước chết MNDBT Mực nước dâng bình thường Thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (Multi-Objective Evolution MOEA Algorithm Nlm Công suất lắp máy NLP Quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming) Thuật toán di truyền phân loại không trội (Non-dominated Sorting NSGA Genetic Algorithm) Tham số hóa- Mô phỏng – Tối ưu (Parameterization - Simulation- PSO Optimization Q~H Quan hệ giữa lưu lượng và mực nước Qo Lưu lượng trung bình nhiều năm SDP Quy hoạch động ngẫu nhiên (Stochastic Dynamic Programming) SL Sơn La TB Thác Bà TBNN Trung bình nhiều năm TQ Tuyên Quang TTDT Thuật toán di truyền Wc Dung tích chết Whi Dung tích hữu ích Wtb Dung tích toàn bộ
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hệ thống sông Hồng là hệ thống sông lớn thứ hai ở Việt Nam sau hệ thống sông Mê Công. Hệ thống có vị trí chiến lược quan trọng, có vùng đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) nằm ở hạ lưu với 11 tỉnh và thành phố (795/QĐ-TTg). Trong đó, thủ đô Hà Nội là trái tim và là trung tâm kinh tế - chính trị quan trọng của cả nước và Hải Phòng là thành phố cảng lớn nhất miền Bắc. Toàn vùng ĐBSH có diện tích đất canh tác nông nghiệp lớn với khoảng 0,8 triệu ha, trong đó, 84 % diện tích là cây hàng năm (chủ yếu là lúa), đã tạo điều kiện cho vùng luôn xếp thứ hai cả nước về tổng sản lượng lúa gạo. Một nguồn lợi quan trọng khác của hệ thống sông Hồng là thủy điện. Ngoài hồ Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, và hồ Sơn La đã đi vào vận hành, đến năm 2016, các hồ Bản Chát, Huội Quảng và Lai Châu cũng đã chính thức phát điện. Có thể nói, hệ thống hồ chứa thủy điện sông Hồng đã gần như hoàn thiện và đang đóng vai trò chủ chốt trong điều tiết dòng chảy trên hệ thống. Tuy nhiên, trong những năm vừa qua, tình trạng cạn kiệt dòng chảy trên hệ thống đang diễn biến ngày một trầm trọng. Trong khi các nguyên nhân đã bước đầu được chỉ ra như: Khai thác dòng chảy phía thượng nguồn Trung Quốc; tác động của Biến đổi Khí hậu (BĐKH); phân lưu sông Đuống và hạ thấp lòng dẫn do khai thác cát trái phép và tích trữ bùn cát ở lòng hồ. Thực hành xả nước Đông Xuân với mức tăng gấp đôi từ 2,78 đến 5,77 tỷ m3 từ 2007 đến 2015, đang yêu cầu phải có những hành động ngay lúc này. Trong khi đó, ở góc độ vận hành hệ thống, quy trình vận hành liên hồ chứa thủy điện hệ thống sông Hồng được Chính phủ ban hành vào tháng 9 năm 2015 đã thực sự là một bước tiến lớn [1]. Lần đầu tiên, có một quy trình đã được xây dựng với đầy đủ các hồ chứa thủy điện chính trên hệ thống và trong cả mùa lũ và mùa cạn. Thêm vào đó, quy trình đã có các điều khoản chi tiết cho vận hành đảm bảo nhu cầu hạ du và dung tích hồ trong mùa cạn.
2 Mặc dù vậy, quy trình mới đơn thuần chỉ là các ràng buộc tĩnh cho vận hành và chưa được xây dựng với cách tiếp cận tối ưu vận hành hệ thống đa mục tiêu. Như vậy, sự phối hợp vận hành của các hồ chứa chưa chỉ ra được trong các tình huống thực tế. Các ràng buộc cho hệ thống mặc dù đã được nghiên cứu chi tiết và tham vấn đầy đủ nhưng thực tế vẫn còn mang tính chủ quan. Nguyên nhân ở đây là do các mục tiêu vận hành về bản chất luôn mâu thuẫn nhau như điện lượng, cấp nước hạ du chưa được tối đa hóa và sự trao đổi lợi ích giữa chúng chưa được phân tích rõ ràng. Do vậy, cần thiết phải có các nghiên cứu về giải pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thủy điện sông Hồng trong mùa cạn theo hướng tối đa hóa cùng lúc nhiều mục tiêu. Từ đây, có thể phân tích được sự trao đổi giữa các mục tiêu nhằm phục vụ cho đàm phán giữa các bên và đưa ra được các hàm vận hành thời gian thực dựa trên chính sách vận hành đã được lựa chọn. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện trong mùa cạn nhằm tối ưu hóa phát điện và cấp nước hạ du theo hướng tối ưu hóa đa mục tiêu và ứng dụng thuật toán BORG-MOEA cho lưu vực sông Hồng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án là hệ thống các hồ chứa thủy điện lớn trên lưu vực sông Hồng thuộc địa phận Việt Nam, mà cụ thể ở đây là 6 hồ chứa: Bản Chát, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu a, Cách tiếp cận - Cách tiếp cận hệ thống và tổng hợp Cách tiếp cận này xem lưu vực sông Hồng là một hệ thống lưu vực thống nhất, trong đó các phần tử cấu thành hệ thống : Điều kiện tự nhiên như địa hình, địa chất, khí hậu, nước, đất…; điều kiện kinh tế - xã hội như con người, phương thức khai thác, các đối tượng sử dụng nước như thủy điện, nông nghiệp, môi trường…là các thành phần của hệ thống có quan hệ chặt chẽ với nhau. Để đạt được mục tiêu của
3 luận án đòi hỏi phải xem xét tổng hợp và hệ thống để đưa vào các hàm mục tiêu cũng như các ràng buộc vừa mang tính khoa học và vừa phải có ý nghĩa thực tiễn cho bài toán vận hành. Từ đó, hệ thống sẽ được mô phỏng vận hành tối ưu bằng toán học nhằm tìm kiếm các giải pháp vận hành và cơ hội giải quyết các mâu thuẫn vốn có của một lưu vực sông. - Cách tiếp cận theo phân tích “Nhân – quả” Hướng tiếp cận này xem xét, giải quyết vấn đề có tính hệ thống theo trình tự để giải quyết một cách logic trên nguyên tắc: 1) Làm rõ hiện trạng vấn đề (thực trạng cạn kiệt trên hệ thống sông Hồng; 2) Phân tích các nguyên nhân chủ yếu của tình trạng này (tập trung chủ yếu vào những vấn đề vận hành); 3) Những tồn tại trong giải quyết (Phân tích các cách giải quyết hiện có và vì sao chưa thỏa mãn); 4) Đề xuất giải pháp; 5) Kết quả (Phân tích lựa chọn giải pháp). - Cách tiếp cận kế thừa trên quan điểm lịch sử Các công trình nghiên cứu (hiện đã và đang được thực hiện ở nhiều Nghành, Viện nghiên cứu, cơ quan ở Trung ương và địa phương) bao gồm phương pháp luận, phương pháp tính toán, công nghệ, nguồn số liệu và kết quả. Luận án dành một dung lượng lớn tập trung vào phân tích chọn lọc và cải tiến, hoàn thiện những vấn đề để tạo nền và chọn điểm xuất phát nhằm thực hiện những phương pháp và công nghệ mới. b, Phương pháp nghiên cứu 1) Điều tra và khảo sát thực địa: Nhằm thu thập, cập nhật, bổ sung các số liệu khí tượng, thủy văn, địa hình, điều kiện tự nhiên, các hoạt động quản lý, khai thác sử dụng, phát triển nguồn nước, bảo vệ và phòng chống tác hại của dòng chảy cạn kiệt trên lưu vực sông nghiên cứu. 2) Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu, điều tra cơ bản trước đây có liên quan đến nội dung nghiên cứu trên nguyên tắc “kế thừa nhưng không trùng lặp”. Học hỏi kiến thức và kinh nghiệm cũng như tham vấn ý kiến của các chuyên gia trong xây dựng giải pháp vận hành hồ chứa trên lưu vực sông Hồng.
4 3) Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu: Nhận diện quản lý hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông phải đi theo Cách tiếp cận Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM), trong đó, các đối tượng sử dụng nước phải được xem xét một cách đầy đủ. Tuy nhiên, những mâu thuẫn vốn có giữa các đối tượng này và sự không trùng thứ nguyên trong đánh giá luôn là những cản trở trong xây dựng giải pháp vận hành. Vì thế, đây sẽ là phương pháp hiệu quả để cùng lúc tối đa hóa các mục tiêu nhằm tìm ra mặt Pareto của các giải pháp tối ưu vận hành không trội. 4) Phương pháp mô phỏng toán học: Vận hành hệ thống hồ chứa và tác động của các phương án vận hành sẽ khó có thể thực hiện bằng các mô hình vật lý. Mô phỏng toán học luôn là sự lựa chọn phù hợp. Trong luận án này, mô hình toán học của hệ thống đã được xây dựng một cách phù hợp để đáp ứng nhu cầu tính toán cao của một hệ thống phi tuyến có số lượng bậc tự cao (6 hồ chứa). 5) Phương pháp tham số hóa – mô phỏng – tối ưu: Phương pháp này khắc phục được hạn chế của các phương pháp truyền thống khi tiến hành lựa chọn dạng hàm vận hành trước khi thực hiện quá trình tính toán mô phỏng và tối ưu. Ở đây, quá trình tính toán chỉ nhằm tìm ra các giải pháp là các bộ tham số của hàm vận hành. 6) Phương pháp phân tích hệ thống: Các kết quả đề xuất về hàm vận hành theo thời gian thực được đưa lại vào hệ thống tính toán để mô phỏng cho một giai đoạn thực tiễn nằm ngoài giai đoạn lựa chọn tính toán tối ưu. Các kết quả ứng với các giải pháp vận hành khác nhau được so sánh và đánh giá về mặt khả thi, về mặt lợi và hại nếu áp dụng trong vận hành thực tiễn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học Luận án đã đề xuất được một tập hàm vận hành tối ưu thời gian thực theo các chính sách vận hành Pareto. Các đề xuất được rút ra từ việc giải bài toán tối ưu đa mục tiêu có ràng buộc với 2 hàm mục tiêu là tổng lợi ích phát điện tương đối và tối