Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba

Chia sẻ: Co Ti Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên cơ sở kế thừa phương pháp luận của các mô h nh có sẵn, phát triển một mô hình mô phỏng cân bằng nước và vận hành hệ thống liên hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện, phục vụ cho ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba

LỜI CẢM ƠN Luận án được khởi thảo, tiến hành và hoàn thiện tại trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Đầu tiên, Tác giả à t ng k nh trọng và iết ơn sâu sắc đến các hướng dẫn khoa học TS. Lê Hùng và GS.TS. Hà Văn Khối đã tận t nh hướng ẫn Tác giả trong suốt quá tr nh nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, Khoa Xâ ựng Thủy lợi - Thủ điện, Ph ng Quản ý Sau đại học trường Đại học Bách Khoa, Ban quản ý các ự án đầu tư xâ ựng tỉnh Phú Yên đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tác giả xin à t ng iết ơn đến quý thầ cô và các ạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để Tác giả hoàn thiện luận án. Cuối cùng Tác giả không thể nào quên sự lo lắng, gánh vác việc nhà và nuôi dạ con cái của người Vợ, sự quan tâm và động viên của Cha-Mẹ và gia đ nh. Luận án có nội dung về quản ý vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ưu vực sông Ba trong bối cảnh biến đổi kh hậu, đâ à một vấn đề rộng lớn và phức tạp, luận án không thể tránh kh i sai sót. Tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầ , cô, đồng nghiệp, bạn è về luận án để sửa chữa những sai sót. Xin trân trọng cảm ơn TÁC GIẢ Cao Đình Huy i
LỜI CAM ĐOAN Tôi à Cao Đ nh Hu . Tôi xin cam đoan đâ à công tr nh nghiên cứu của riêng tôi. Các nội ung và kết quả nghiên cứu trong Luận án à trung thực và chưa được ai công ố trong bất kỳ công tr nh khoa học nào. TÁC GIẢ Cao Đình Huy ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................... vii DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... ix DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT............................................................. xi MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. T nh cấp thiết của đề tài .......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực ti n của luận án ..........................................................3 5.1. Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................3 5.2. Ý nghĩa thực ti n ...........................................................................................3 6. Phương pháp tiếp cận ..........................................................................................4 7. Những đóng góp mới của luận án........................................................................4 8. Cấu trúc uận án ...................................................................................................5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỜI KỲ MÙA KIỆT ...................................................................................6 1.1. Vai tr hệ thống hồ chứa trong cân ằng nước ................................................6 1.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa ..................................................8 1.2.1. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới .......................8 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trong nước .......................15 1.2.3. Các nghiên cứu trên ưu vực sông Ba ......................................................17 1.3. Nhận xét chung về các nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định hướng nghiên cứu của luận án ..........................................................................................21 1.3.1. Về phương pháp uận ...............................................................................21 1.3.2. Về thực trạng nghiên cứu vận hành hồ chứa ở ưu vực sông Ba .............22 1.3.3. Định hướng nghiên cứu của luận án ........................................................22 iii
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRÊN SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT ......................25 2.1. Giới hạn địa ý ưu vực sông Ba .....................................................................25 2.2. Đặc điểm sông ng i ........................................................................................25 2.3. Phân t ch đặc điểm kh hậu và ng chả sông ảnh hưởng đến chế độ vận hành các hồ chứa thời kỳ mùa kiệt ........................................................................27 2.3.1. Đặc điểm kh hậu .....................................................................................27 2.3.2. Đặc điểm chế độ mưa theo mùa ...............................................................28 2.3.3. Đặc điểm chế độ ng chả sông ng i ....................................................33 2.3.4. Đặc điểm đường quá tr nh rút nước thời kỳ mùa kiệt ..............................38 2.4. Hiện trạng hệ thống công tr nh thủy lợi và nhu cầu sử dụng nước ................41 2.4.1. Hệ thống công tr nh thủy lợi ....................................................................41 2.4.2. Hệ thống hồ chứa thủ điện lớn trên sông Ba ..........................................43 2.4.3. Hệ thống các trạm ơm cấp nước trên sông ch nh ...................................45 2.5. Nhiệm vụ vận hành điều tiết hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt ...................46 2.5.1. Nhiệm vụ vận hành điều tiết cấp nước của hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt ......................................................................................................................46 2.5.2. Thực trạng vận hành các hồ chứa thủ điện, khó khăn và tồn tại ............48 2.6. Thiết lập ài toán vận hành điều tiết hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt .....................................................................................................52 2.6.1. Xác định nhiệm vụ và nội ung nghiên cứu ài toán vận hành hồ chứa ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt ......................................................................52 2.6.2. Mô tả ài toán vận hành hồ chứa trên ưu vực sông Ba theo thời gian thực thời kỳ mùa kiệt..................................................................................................54 2.6.3. Những khó khăn khi ập và vận hành hệ thống hồ chứa ưu vực sông Ba theo thời gian thực và hướng giải quyết.............................................................57 2.7. Kết luận chương 2...........................................................................................59 CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG, XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ RÚT NƯỚC TIỀM NĂNG PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT THEO THỜI GIAN THỰC.................................................62 3.1. Giới thiệu chung về các mô h nh mô ph ng trong quy hoạch và quản ý tài ngu ên nước ..........................................................................................................62 3.2. Xâ ựng mô h nh mô ph ng Ba-Model phục vụ ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba..................................................66 iv
3.2.1. Yêu cầu về thiết lập mô h nh ...................................................................66 3.2.2. Cấu trúc của mô h nh ...............................................................................66 3.2.3. Mô ph ng .................................................................................................69 3.3. Xâ ựng thuật toán và ập chương tr nh t nh toán cho mô h nh Ba-Model ..72 3.3.1. Thuật toán t nh điều tiết hồ chứa..............................................................72 3.3.2. Giới thiệu cơ sở ý thu ết mô h nh NAM ................................................76 3.3.3. Thuật toán t nh ưu ượng tại các nút nhập ưu theo mô h nh NAM .......81 3.3.4. Dữ liệu sử dụng cho t nh toán ..................................................................82 3.3.5. Lập chương tr nh t nh toán .......................................................................83 3.4. Xác định bộ thông số mô h nh NAM của Ba-Mo e ưu vực sông Ba ..........83 3.4.1. Xác định các tiểu ưu vực phục vụ t nh toán nước đến các nút hồ chứa..83 3.4.2. T ch hợp các mô h nh thành phần khi xác định các tham số mô h nh NAM...................................................................................................................86 3.4.3. Xác định bộ thông số mô h nh NAM .......................................................87 3.5. Xâ ựng đường rút nước tiềm năng ứng dụng trong nhận dạng ng chảy mùa kiệt .................................................................................................................92 3.5.1. Xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng......................................................92 3.5.2. Nhận dạng ng chả mùa kiệt theo biểu đồ rút nước tiềm năng ...........96 3.6. Kết luận ...........................................................................................................96 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH BA-MODEL VÀO VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT ..........98 4.1. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu..................................................................98 4.2. T nh toán kiểm tra khả năng đáp ứng êu cầu điều tiết cấp nước cho hạ du theo qu tr nh vận hành iên hồ của các hồ chứa lớn trên ưu vực sông Ba ..........98 4.2.1. Mục đ ch t nh toán ...................................................................................98 4.2.2. Thiết lập mạng sông .................................................................................99 4.2.3. Phương pháp t nh toán nước đến các nút hồ chứa và nhập ưu .............100 4.2.4. Phương thức vận hành hồ chứa trong quá tr nh t nh toán kiểm tra........105 4.2.5. Tài iệu sử dụng t nh toán.......................................................................107 4.2.6. Kết quả t nh toán kiểm tra êu cầu điều tiết cấp nước hạ u qu định trong qu tr nh iên hồ chứa 878/QĐ-TTG ......................................................108 4.2.7. Đề xuất một phương án điều tiết cấp nước hạ du thời kỳ mùa kiệt cho các hồ chứa Krông H’Năng, Ba Hạ và Sông Hinh .................................................116 v
4.3. T nh toán thử nghiệm dự áo khả năng đảm bảo êu cầu cấp nước cho hạ du mùa kiệt năm 2018-2019 theo mô h nh Ba-Model .............................................122 4.3.1. Dữ liệu sử dụng trong t nh toán .............................................................122 4.3.2. Kết quả t nh toán ....................................................................................122 4.3.3. Nhận xét kết quả t nh toán .....................................................................123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................131 1. Những kết quả đạt được của luận án ...............................................................131 2. Những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo ...............................................132 3. Kiến nghị .........................................................................................................132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................134 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................135 PHỤ LỤC vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1. D ng chảy kiệt đo tại các trạm đo thủ văn ưu vực sông Ba ..................37 Bảng 2.2: Sơ đồ nút giai đoạn hiện trạng ưu vực sông Ba.......................................41 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa lớn trên sông Ba .................44 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các thủ điện nh trên sông Ba ..............45 Bảng 2.5: Thống kê công suất phát điện nh quân tháng thủ điện Sông Hinh (đơn vị : MW) ....................................................................................................................49 Bảng 3.1: Các thông số ch nh trong mô h nh NAM .................................................80 Bảng 3.2: Mô tả giới hạn các tiểu ưu vực được phân chia ......................................85 Bảng 3.3: Trạm đo mưa và ốc hơi sử dụng trong mô h nh NAM ...........................88 Bảng 3.4: Đánh giá mức độ mô ph ng của mô h nh tương ứng với chỉ số Nash- Sutcliffe (Theo Moriasi, 2007) ..................................................................................91 Bảng 3.5: Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan (Theo Moriasi, 2007) ..................91 Bảng 3.6: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô h nh tại trạm An Khê và Củng Sơn ...91 Bảng 3.7: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô h nh NAM trên ưu vực sông Hinh ..92 Bảng 3.8: Bộ thông số mô h nh NAM sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô h nh ....92 Bảng 4.1: Nhu cầu nước giai đoạn hiện trạng tại các nút sử dụng nước (Lưu ượng m3/s) ........................................................................................................................102 Bảng 4.2: Qu định ưu ượng điều tiết xuống hạ u theo Qu tr nh iên hồ chứa ưu vực sông Ba .............................................................................................................106 Bảng 4.3: Tổng hợp kết quả đánh giá sự đảm bảo êu cầu điều tiết nước cho hạ du theo Qu tr nh 878/QĐ-TTg. ..................................................................................112 Bảng 4.4: Phương án điều tiết đề xuất ....................................................................116 Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả t nh toán theo phương án đề xuất ..............................118 Bảng 4.6: Bảng ưu ượng nh quân tháng tổng hợp theo kết quả t nh toán ưu ượng nh quân ngà theo mô h nh NAM năm 2018-2019 của 14 tiểu ưu ực sông Ba ............................................................................................................................124 vii
Bảng 4.7: Bảng thống kê t nh trạng thiếu nước tại các nút cấp nước tưới năm 2018- 2019 từ kết quả t nh toán cân ằng nước theo mô h nh Ba-Model ........................124 Bảng 4.8: Bảng t nh toán kiểm tra khả năng điều tiết cấp nước năm 2018-2019 ...128 Bảng 4.9: Vị tr giá trị ưu ượng trên iểu đồ rút nước tiềm năm tại thời điểm ngà 15/12/2018...............................................................................................................130 viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ H nh 2.1: Bản đồ vùng nghiên cứu (Nguồn [1]) .......................................................26 H nh 2.2a: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại Pơ Mơ Rê .......29 H nh 2.2 : Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm .............................30 H nh 2.2c: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm .............................30 H nh 2.2 : Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa hàng tháng nh quân nhiều năm ....................31 H nh 2.2e: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại ........................31 H nh 2.2f: Bản đồ đẳng trị tổng ượng mưa năm trung nh nhiều năm ưu vực sông Ba và vùng phụ cận (Nguồn [1]) ...............................................................................32 H nh 2.3a: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại Ayun Hạ ...............................................................................................................34 H nh 2.3 : Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại Krông H’Năng (tài iệu đo 2003-2008)................................................................34 H nh 2.3c: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại thủ văn Sông Hinh ..............................................................................................35 H nh 2.3 : Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại An Khê .................................................................................................................36 H nh 2.3e: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại trạm thủ văn Củng Sơn.......................................................................................36 H nh 2.4a: Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại hồ An Khê ...............................39 H nh 2.4 : Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn Sông Hinh ........40 H nh 2.4c: Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn Krông H’Năng (tại hồ thủ điện) .......................................................................................................40 H nh 2.4 : Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn A un Hạ...........41 H nh 2.5: Vị tr các hồ chứa lớn xâ ựng qu tr nh iên hồ trong mùa kiệt ............44 H nh 2.6: Các công tr nh sử dụng nước từ đập An Khê đến Krông Chro ................46 H nh 2.7: Các trạm ơm ấ nước từ sông ch nh ......................................................46 H nh 2.8: Sơ đồ ngu ên ý thiết lập ài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực ....................................................................................................................55 H nh 2.9: Sơ đồ tổng quát quá tr nh ra qu ết định khi vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực .....................................................................................................56 H nh 2.10: Sơ đồ các ước xác định quyết định quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Ba thời kỳ mùa kiệt......................................................................59 ix
H nh 3.1: Sơ đồ một số nút nhập ưu đặc trưng của hệ thống...................................67 H nh 3.2: Sơ đồ vị tr các nút ch nh khu vực sông Hinh, sông Ba Hạ đến Đồng Cam ...................................................................................................................................68 H nh 3.3. Sơ đồ mô ph ng cân ằng nước trên ưu vực sông Ba .............................73 H nh 3.4: Sơ đồ t nh toán điều tiết hồ chứa cấp nước ...............................................74 H nh 3.5: Sơ đồ t nh điều tiết cho hồ chứa phát điện độc lập ...................................75 H nh 3.6: Sơ đồ t nh điều tiết cho hồ chứa phát điện nằm trong hệ thống hồ chứa bậc thang ...................................................................................................................76 H nh 3.7: Cấu trúc mô h nh NAM ............................................................................77 H nh 3.8: Sơ đồ t nh toán quá tr nh ưu ượng Q~t bằng mô h nh NAM cho một ưu vực nhập ưu có N thời đoạn t nh toán ......................................................................81 H nh 3.9: Sơ đồ phân chia các tiểu ưu vực để mô ph ng theo mô h nh NAM ........84 H nh 3.10: Các ước t nh toán trong mô h nh Ba –Model........................................86 H nh 3.11a: Sơ đồ xác định thông số của mô h nh NAM trong mô h nh Ba-Model 89 H nh 3.11 : Sơ đồ kiểm định mô h nh NAM trong mô h nh Ba-Model...................90 H nh 3.12a: Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Sông Hinh.................94 H nh 3.12 : Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Ayun Hạ ...................94 H nh 3.12c: Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực trạm thủ văn An Khê ............95 H nh 3.12 : Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Krông H’Năng .........95 H nh 4.1: Sơ đồ hệ thống cân ằng nước sông Ba ..................................................101 x
DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VHHC – Vận hành hồ chứa SI - Chỉ số thiếu hụt nước (genetic algorithm – GA) - Thuật toán i tru ền LP - Quy hoạch tuyến t nh (Artificial Neural Networks – ANN) - Mạng tr tuệ nhân tạo (BPNN) - Thuật toán quét ngược TNN – Tài ngu ên nước KTXH – Kinh tế xã hội KTTV và MT – Kh tượng thủ văn và môi trường TN&MT – Tài ngu ên và môi trường VHHTLHC – Vận hành hệ thống iên hồ chứa CBN - Cân ằng nước MNDBT – Mực nước âng nh thường TKMK - Thời kỳ mùa kiệt TGT - Thời gian thực KTTV - Kh tượng thủ văn KHKT – Khoa học kỹ thuật. xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập kỷ gần đâ , một số ượng lớn các hồ chứa được xâ ựng trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam. Ở Việt Nam, trong những năm gần đâ , có hàng oạt các hồ chứa lớn được xâ ựng trên hầu hết các sông suối khắp cả nước. Do vậy, việc quản ý nước và vận hành hợp ý hệ thống iên hồ chứa nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu những tác động tiêu cực à rất cần thiết. Đã có nhiều dự án và đề tài nghiên cứu về vận hành hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Tu nhiên, kết quả nghiên cứu c n hạn chế, đặc biệt à chế độ vận hành hồ chứa thời kỳ mùa kiệt đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu. Do vậy, việc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu vẫn đang à đối tượng của nhiều đề tài nghiên cứu trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Hiện na có hai xu hướng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành các hệ thống hồ chứa đa mục tiêu: Phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô ph ng. Mô h nh toán mô ph ng hệ thống cân ằng nước, trong đó có mô ph ng chế độ vận hành của các hồ chứa đóng vai tr qu ết định trong các nghiên cứu về quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa, bất luận nghiên cứu đó à phương pháp tối ưu hóa ha phương pháp mô ph ng. Ch nh v vậ , đã có nhiều nghiên cứu phát triển các mô h nh mô ph ng iên quan đến t nh toán cân ằng nước, quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực, trong đó các mô h nh MIKE-BASIN, HEC- RESSIM, WEAP, MIKE HYDRO,… à những mô h nh điển h nh được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Các mô h nh nà cũng đã được nghiên cứu trong quy hoạch, quản ý nước cho các ưu vực sông ở Việt Nam, trong đó có ưu vực sông Ba. Mỗi mô h nh có những ưu điểm riêng và cũng có những hạn chế nhất định nên hiện na các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục phát triển và hoàn thiện mô h nh. V vậy, đã có những nghiên cứu xâ ựng các mô h nh riêng phù hợp với điều kiện cụ thể của ưu vực, phù hợp và thuận lợi cho nghiên cứu đối với ài toán được đặt ra. Cũng ch nh v ý o trên, để nghiên cứu chế độ vận hành các hồ chứa lớn trên ưu vực sông Ba, tác giả luận án có ý định xâ ựng một mô h nh riêng phục vụ cho 1
nghiên cứu và chọn đề tài nghiên cứu: “Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba”. Mô h nh toán được xâ ựng nhằm hỗ trợ ra quyết định trong quá tr nh vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, ưu vực sông Ba trong thời kỳ mùa kiệt (TKMK). 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở kế thừa phương pháp uận của các mô h nh có sẵn, phát triển một mô h nh mô ph ng cân ằng nước và vận hành hệ thống iên hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện, phục vụ cho ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống iên hồ chứa ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mô h nh mô ph ng được xâ ựng đối với ài toán cân ằng nước (CBN) trên ưu vực sông và vận hành hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện đối với vùng sông không bị ảnh hưởng của thủy triều. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên ưu vực sông Ba, bao gồm tất cả các hồ chứa thủy lợi và thủ điện. Do mô h nh không thể ứng dụng vùng sông bị ảnh hưởng triều nên phạm vi nghiên cứu được áp ụng cho ưu vực sông Ba t nh đến vị trị đập Đồng Cam. Nghiên cứu chế độ vận hành được thực hiện đối với các hồ chứa lớn trên ng ch nh có t nh đến điều tiết cấp nước tưới của tất cả các hồ chứa nh trên hệ thống. Các hồ chứa lớn được chọn để nghiên cứu chế độ vận hành à các hồ Ka Nak, An Khê, Sông Hinh, Ba Hạ và Krông H’Năng và A un Hạ. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu tiếp thu và kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước, các nghiên cứu về CBN và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba. Kế thừa phương pháp uận của các mô h nh đã có, đặc biệt à mô h nh HEC-RESSIM. Phương pháp mô hình toán: Đề tài nghiên cứu xâ ựng một mô h nh vận hành hệ thống hồ chứa theo hướng mô h nh mô ph ng ưu vực sông phục vụ cho 2
vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt, có t nh năng sử dụng tiếp cận được với những mô h nh có sẵn trên thế giới có mô ph ng tương tự. Phương pháp thực nghiệm: Mô h nh phải được kiểm định cho ưu vực sông Ba và được đối chiếu với kết quả t nh toán theo các mô h nh khác của những nghiên cứu có mô ph ng tương tự. Phương pháp phân tích: Phân t ch đặc điểm chế độ mưa, ng chả ưu vực sông Ba, đặc điểm đường rút nước thời kỳ mùa kiệt àm cơ sở khoa học cho t nh toán, ự áo và nhận dạng ng chả mùa kiệt, phục vụ đánh giá những hạn chế và đề xuất chế độ vận hành hợp ý theo thời gian thực các hồ chứa trên sông Ba. 5. Ý nghĩa khoa học và thực ti n của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học Đề tài nghiên cứu của luận án “Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba” đã phát triển một mô h nh mô ph ng có sự t ch hợp mô h nh mưa – ng chả , có khả năng t nh toán và ự áo ng chả đến trong vận hành hệ thống hồ chứa. Đâ à đóng góp mới, góp phần phát triển phương pháp uận trong nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu. Nếu được hoàn thiện sẽ mở ra hướng mới trong nghiên cứu vận hành các hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện thời kỳ mùa kiệt. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài nà định hướng về giải pháp kỹ thuật với mục tiêu cụ thể à xâ ựng chương tr nh t nh có khả năng hỗ trợ ra quyết định trong việc vận hành hệ thống hồ chứa TKMK. Nghiên cứu ài toán vận hành theo thời gian thực TKMK đối với sông Ba sẽ à cơ sở khoa học cho việc bổ sung các qu tr nh vận hành đã có và cũng à nghiên cứu điển h nh có thể xem xét áp ụng cho những ưu vực sông khác thuộc khu vực miền Trung. Mô h nh mô ph ng mà tác giả xâ ựng có thể áp ụng cho công tác ự áo ng chả và vận hành an toàn các hồ chứa TKMK trên ưu vực sông Ba. 3
6. Phương pháp tiếp cận Trên cơ sở phân t ch trên đâ , uận án tiếp cận theo hướng xâ ựng một mô h nh vận hành hệ thống iên hồ chứa (VHHTLHC) thời kỳ mùa kiệt có khả năng hỗ trợ ra quyết định vận hành, áp ụng cho ưu vực sông Ba àm ưu vực nghiên cứu điển h nh. Mô h nh sẽ được xâ ựng trên cơ sở kế thừa phương pháp uận của các mô h nh đã có và khắc phục những hạn chế gâ khó khăn khi sử dụng của các mô h nh nà trong VHHTLHC. 1) Trên cơ sở mô h nh cân ằng nước được thiết lập cho ưu vực sông Ba. Từ đó xem xét các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những hạn chế của qu tr nh vận hành iên hồ chứa đã an hành o hạn chế về dự áo ng chảy. 2) Với công cụ mô h nh mô ph ng đã thiết lập, xâ ựng một qu tr nh vận hành theo thời gian thực nhằm đảm bảo an toàn t ch nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước hạ du. 7. Những đóng góp mới của luận án 1) Xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng thời kỳ mùa kiệt cho các nút hồ chứa ch nh trên ưu vực sông Ba àm cơ sở nhận dạng ng chả mùa kiệt. Từ đó, lập kế hoạch sử dụng nước và vận hành hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ điều tiết cấp nước cho hạ du. 2) Phát triển mô h nh mô ph ng Ba-Mo e t ch hợp được mô h nh mưa - ng chả , mô h nh cân ằng nước và điều tiết hồ chứa, phục vụ quản ý nước và ra quyết định vận hành các hồ chứa trên ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt. 3) Xâ ựng phương pháp vận hành hồ chứa theo hướng vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba trên cơ sở phân t ch, t nh toán ượng trữ nước trên ưu vực thời điểm cuối mùa ũ và qu uật rút nước ng chả trong sông thời kỳ mùa kiệt. Đồng thời đề xuất chế độ vận hành hợp ý nhằm đảm bảo an toàn theo nhiệm vụ cấp nước hạ du và nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa trong thời kỳ mùa kiệt. Từ đó, àm cơ sở cho việc nghiên cứu bổ sung qu tr nh iên hồ chứa đã được phê u ệt. 4
8. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và phần kết luận và kiến nghị, luận án gồm có 4 chương: - Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt. - Chương 2. Cơ sở khoa học và thực ti n thiết lập ài toán vận hành hồ chứa trên sông Ba thời kỳ mùa kiệt. - Chương 3. Thiết lập mô h nh mô ph ng, xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa sông Ba thời kỳ mùa kiệt theo thời gian thực. - Chương 4. Ứng dụng mô h nh Ba-Model vào vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỜI KỲ MÙA KIỆT 1.1. Vai trò hệ thống hồ chứa trong cân bằng nước Hồ chứa có thể coi à iện pháp ch nh trong qu hoạch phát triển nguồn nước mặt. Với những hồ chứa nhân tạo được xâ ựng trên các hệ thống sông, đặc biệt à các sông ớn, có thể àm tha đổi căn bản chế độ ng chả sông ng i. Hồ chứa àm tha đổi trạng thái tự nhiên của nguồn nước tạo điều kiện có ợi cho các hoạt động ân sinh kinh tế vùng hạ ưu công tr nh. Hiện nay, ở Việt Nam đã h nh thành những hệ thống hồ chứa lớn trên hệ thống Sông Hồng, sông Đồng Nai, sông Sê San, sông Ba, Sông Vu Gia Thu Bồn đã àm tha đổi đáng kể CBN trên các ưu vực sông đó. Khi lập các ự án qu hoạch và quản ý nguồn nước, hệ thống nguồn nước thường được mô tả bởi hệ thống các sơ đồ, bao gồm hệ thống các nút và các quá tr nh trao đổi nước giữa chúng. Sự trao đổi nước giữa các nút trong hệ thống được mô tả bằng hệ các phương tr nh CBN và phương tr nh động lực. Tù thuộc vào t nh chất của các nút và đặc điểm của ài toán mà sự mô tả đó có thể khác nhau. Các hồ chứa trong hệ thống được coi à một nút của hệ thống, được xâ ựng với mục đ ch àm tha đổi quá tr nh ng chả trên hệ thống sao cho phù hợp với nhiệm vụ khai thác nguồn nước. Vận hành hồ chứa à một trong những vấn đề được quan tâm nhiều trong công tác qu hoạch, quản ý hệ thống nguồn nước. Trong khi vận hành hồ chứa phải th a mãn nhiều mục đ ch khác nhau, tu nhiên ại xuất hiện sự mâu thuẫn giữa các êu cầu cho các mục đ ch đó. Các mâu thuẫn xuất hiện trong khi vận hành hồ chứa nhiều mục đ ch có thể chỉ ra như sau:  Mâu thuẫn trong không gian hồ chứa Mâu thuẫn nà xuất hiện khi hồ chứa (hoặc ung t ch giới hạn) được êu cầu th a mãn phân chia nhiều mục đ ch khác nhau như ảo toàn nước và điều tiết ũ. Nếu các điều kiện địa chất, địa h nh, thủ văn tại vị tr xâ ựng đập và kho ự trữ cho phép xâ ựng đập đủ cao để sử dụng rõ ràng các mục đ ch, th thường không có sự mâu thuẫn về không gian hồ chứa. Tu nhiên, hiếm khi người ta àm như vậy. 6
Các hồ chứa được xâ ựng nhiều mục đ ch với không gian chia sẻ th a mãn các êu cầu đảm bảo nhiều mục đ ch và k ch thước thường được sử dụng à nh nhất. Trong khi đó, mục đ ch ph ng ũ tốt nhất đạt được khi đủ không gian trống có thể chứa ung t ch ph ng ũ sử dụng được trong hồ chứa. Do vậy, trong khi quy tắc điều tiết hồ chứa chủ yếu ra quyết định à được t ch đầ ha không t ch đầy hồ chứa. Hồ chứa t ch đầ cho phép đạt được lợi ch cao ởi th a mãn các mục đ ch bảo toàn, nhưng ại mang t nh rủi ro cao khi cắt giảm ũ ở hạ ưu. Mặt khác, hồ chứa trống có thể điều tiết ũ hiệu quả hơn nhưng nếu ng chảy không t ch đầ đến thể t ch mong chờ, th có thể các mục đ ch khác sẽ thiếu.  Mâu thuẫn ên trong các mục đ ch giống nhau Thiếu hụt nước có thể được phân ố theo thời gian và theo các hướng khác nhau. V ụ như mục đ ch phát điện, để đạt được sản ượng điện cả năm ớn nhất th trong một số thời đoạn ta phải chấp nhận phát điện với sản ượng thấp, sẽ gâ ra thiếu hụt điện để u tr cột nước cao sao cho tổng sản ượng điện à ớn nhất. Tuy nhiên việc phát được sản ượng điện thấp ở những tháng cao điểm, nhiều khi sẽ gâ thiệt hại về kinh tế lớn hơn. Cùng mục đ ch cấp nước có thể sẽ ảnh hưởng theo các hướng khác nhau, như nước sử dụng cấp nước sinh hoạt sẽ khác nước sử dụng cho mục đ ch tưới.  Mâu thuẫn giữa các mục đ ch Các mâu thuẫn có thể xuất hiện khi sử dụng nước với các mục đ ch khác nhau và êu cầu không gian ung t ch hồ chứa cho các mục đ ch à khác nhau. Với mục đ ch cấp nước cho sinh hoạt, công nghiệp, phát điện v.v... th hồ chứa được càng nhiều nước càng tốt nhưng nó lại bất lợi cho nhiệm vụ ph ng ũ. Mâu thuẫn điển h nh nhất à mâu thuẫn giữa mục tiêu phát điện và mục tiêu cấp nước hạ u trong mùa kiệt, nảy sinh khi nhu cầu cấp nước cho mỗi ngành khác nhau theo thời gian và không gian. Nước cấp cho nông nghiệp được phân phối dựa trên tập quán, thời vụ, thời kỳ cần nước khẩn trương, mùa ha t nh h nh thời tiết. Trong khi đó, êu cầu phát điện đ i h i hồ chứa vận hành ựa trên nhu cầu điện 7
phục vụ ân sinh và phát triển kinh tế xã hội tha đổi theo giờ, ngà , tuần hay mùa, đặc biệt trong thời gian giờ cao điểm. Để điều h a các mâu thuẫn cũng như đem ại hiệu quả trong quá tr nh vận hành hồ chứa th một trong những phương pháp hiệu quả à xâ ựng Qu tr nh vận hành iên hồ chứa. Xâ ựng qu tr nh vận hành à ài toán phức tạp iên ngành, cần có cơ sở khoa học và thực ti n để hài h a giữa các mục tiêu. 1.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa 1.2.1. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới Những năm gần đâ , trên thế giới cũng như Việt Nam đã xâ ựng rất nhiều hồ chứa, đặc biệt à các hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Những hồ chứa nà đóng vai tr quan trọng trong nền kinh tế quốc ân và sự phát triển của đất nước. Hầu hết các hồ chứa đều đa mục tiêu ao gồm ph ng ũ, phát điện và cấp nước tưới. Mặc ù khi xâ ựng bất kỳ hồ chứa nào th qu tr nh vận hành hồ đều được t nh toán đưa ra ngay từ giai đoạn thiết kế. Tu nhiên, trong nhiều trường hợp, mục tiêu phát điện và ph ng ũ ại có những mâu thuẫn trong thực ti n vận hành hồ chứa. Đâ cũng à ngu ên nhân mà các hồ chứa không phát hu được những lợi ch như đánh giá trong quá tr nh ập dự án. VHHC à một vấn đề phức tạp iên quan đến nhiều biến số quyết định, nhiều mục tiêu cũng như rủi ro đáng kể và không chắc chắn (Oliveira, R and loucks, D.P, 1997) [48]. Từ nhiều thế kỷ na , nghiên cứu quản ý và vận hành hồ chứa uôn phát triển theo thời gian, đáp ứng sự phát triển nhu cầu của xã hội. Từ các nghiên cứu đơn giản ượng trữ cấp nước (Ripp , 1883) [50] đến các nghiên cứu phức tạp gần đâ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa theo TGT phục vụ đa mục tiêu (E Fallah-Meh ipour, O Bozorg Ha a , MA Mariño, 2012) [38]. Các nghiên cứu trên thế giới giải quyết ài toán vận hành hồ chứa độc lập cũng như hệ thống hồ rất đa ạng được nhiều chu ên gia ứng dụng những thuật toán điều khiển khác nhau; có thể chia ra thành 2 hướng ch nh, đó à phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô ph ng. 8
a. Phương pháp tối ưu hóa Phương pháp tối ưu được nghiên cứu khá phổ biến đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, đặc biệt à các hồ chứa cấp nước phát điện. Mục tiêu của ứng dụng mô h nh tối ưu à xác định hành ang và các giới hạn vận hành của hồ chứa để kết quả vận hành à tối ưu. Kết quả nghiên cứu của các mô h nh tối ưu được sử dụng để lập biểu đồ điều phối tối ưu. Đồng thời àm cơ sở cho việc qu định những giới hạn vận hành trong qu tr nh vận hành nhằm đạt được mục tiêu tối ưu và ra qu ết định trong vùng th a hiệp của các mục tiêu tranh chấp. Có nhiều phương pháp tối ưu được áp ụng trong nghiên cứu vận hành hồ chứa, tu nhiên, chỉ có một số phương pháp phù hợp khi giải các ài toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa. Phương pháp phổ biến và hiệu quả để thiết kế và quản ý vận hành hồ chứa độc lập à qu hoạch động ngẫu nhiên, Stochastic D namic Programming (SDP), (Bellman, R. E., and Dreyfus, S. E, 1962) [35]. Phương pháp nà cho phép giải quyết những t nh toán phi tu ến và ngẫu nhiên, tối ưu hóa hệ thống động với những biến đầu vào ngẫu nhiên (Yakowitz, 1982) (Yeh, 1985). Một hạn chế của phương pháp nà à không thể giải quyết dứt điểm những thông tin ên ngoài như à ượng mưa trung nh ngà ha nhiệt độ trung nh ưu vực trừ khi thiết lập một mô h nh toán miêu tả quá tr nh đó. Đâ cũng à một hạn chế quan trọng khi bổ sung những dữ liệu thủ văn hiện có vào hệ thống. Đối với ài toán hệ thống nhiều hồ chứa à một ài toán phức tạp - ài toán không chỉ xem xét “chiều thời gian” mà c n t nh đến “chiều không gian”. Mặc ù có nhiều phương pháp được các nhà nghiên cứu ứng dụng giải quyết, tu nhiên, vẫn chưa ựa chọn được phương pháp nào thực sự ưu việt hơn để xử ý “chiều không gian”. Ch nh v thế, việc lựa chọn phương pháp t nh toán ài toán hệ thống hồ chứa à rất quan trọng, phải xem xét giữa độ tin cậy của lời giải tối ưu với độ khó của phương pháp. Nghiên cứu ài toán tối ưu hóa vận hành hệ thống gồm 4 hồ chứa giả tưởng, các nhà nghiên cứu trên thế giới ứng dụng phương pháp qu hoạch động khác nhau 9