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
CHUYÊN NGÀNH: Kỹ thuật tài nguyên nước
MÃ SỐ: 62 58 02 12
HÀ NỘI, NĂM 2018
Công trình được hoàn thành tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Quang Trung
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Hoàng Minh Tuyển
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án này sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện
họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
vào lúc ……… giờ………...ngày…………tháng…………năm …….
Có thể tìm hiểu luận án tại thư Viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
- 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, có vị trí chiến lược quan trọng, có vùng đồng
bằng sông Hồng (ĐBSH) và nguồn lợi lớn về thủy điện. Hệ thống hồ
chứa thủy điện lớn đã hoàn thiện và đóng vai trò điều tiết chính 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. Thực
hành xả nước Đông Xuân với mức tăng gấp đôi từ 2,78 đến 5,77 tỷ m3
từ 2007 đến 2015, trong khi đó, quy trình vận hành liên hồ chứa thủy
điện 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.
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 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
- 2 -
a, Cách tiếp cận Cách tiếp cận hệ thống và tổng hợp; Cách tiếp cận
theo phân tích “Nhân – quả”; Cách tiếp cận kế thừa trên quan điểm
lịch sử
b, Phương pháp nghiên cứu: 1) Điều tra và khảo sát thực địa; 2)
Phương pháp kế thừa; 3) Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu; 4)
Phương pháp mô phỏng toán học; 5) Phương pháp tham số hóa – mô
phỏng – tối ưu; 6) Phương pháp phân tích hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Bài toán tối ưu vận hành hệ thống liên hồ chứa có đặc điểm là đa mục
tiêu, khối tượng tính toán rất lớn. Nhằm tạo thuận lợi cho việc giải bài
toán, Luận án đã thiết lập được khung tính toán tối ưu nhằm kết nối
các mô hình hồ chứa vận hành trong mùa lũ, mùa cạn, mô hình hạ lưu,
các hàm mục tiêu, và các ràng buộc. Khung tối ưu linh hoạt, có thể
chọn lựa, cập nhật các thuật toán tối ưu phát triển mới nhất của thế
giới mà không tốn công thiết lập lại bài toán nhiều. Ở đây, đề tài đã
lựa chọn thuật toán Borg-MOEA làm phần tính toán tối ưu [2], ngoài
ra, đề tài đã xây dựng được một hệ thống mô phỏng hồ chứa và hạ lưu
cho vùng nghiên cứu trên ngôn ngữ C/C++ và Matlab chạy trên nền
Window, có hiệu suất và khả năng phân tích kết quả cao.
Về ý nghĩa thực tiễn, tập hàm vận hành (350 phương án) đã được đề
xuất với cải thiện về lợi ích điện từ 25 ÷ 28 %; cải thiện về trung bình
mực nước (<1,2 m) từ 4 ÷ 11 %, số ngày vi phạm mực nước 1,2 m cải
thiện từ 43 ÷ 86 %; và cải thiện về trung bình mực nước Hà Nội 40 ÷
43 %. Nhưng quan trọng hơn, trong một hệ thống đa mục tiêu, 350 ưu
tiên vận hành khác nhau sẽ tạo thuận lợi cho nhà ra quyết định trong
lựa chọn phương án vận hành phù hợp cho hệ thống. Thêm nữa, hàm
vận hành sử dụng đơn giản rất phù hợp cho nhu cầu hỗ trợ ra quyết
định vận hành thời gian thực trong thực tiễn. Cuối cùng, nghiên cứu
- 3 -
khẳng định tính khả thi khi mở rộng bài toán với yêu cầu vận hành phủ
đỉnh của hệ thống thủy điện.
6. Những đóng góp mới của luận án.
Thứ nhất, đề tài đã đề xuất được hàm vận hành hệ thống hồ thủy điện
chính lưu vực sông Hồng hỗ trợ ra quyết định trong vận hành hệ thống
hồ. Thứ hai, đề tài đã đề xuất và thiết lập được khung tính toán tối ưu
vận hành, kết nối các mô hình và thuật toán Borg MOEA và quy trình
tính toán của khung theo phương pháp tham số hóa – mô phỏng – tối
ưu (PSO) đảm bảo tính tinh cậy tốt trong hội tụ tìm nghiệm. Ngoài ra,
hệ thống mô hình hồ chứa và hạ lưu cũng như các công cụ tính toán
và phân tích với mã nguồn riêng đã được phát triển, tạo thuận lợi cho
phát triển nghiên cứu và ứng dụng.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TỐI ƯU VẬN HÀNH HỒ CHỨA
1.1. Giới thiệu chung
Theo nhận định của Ủy ban Đập Thế giới, nhiều hệ thống đập lớn trên
thế giới đã hoạt động không đảm bảo được các lợi ích kinh tế - xã hội
như mục tiêu thiết kế đề ra, vì thế, vận hành hồ chứa phải được tối ưu
theo đa mục tiêu và phải hướng vận hành động, theo thời gian thực
(WCD, 2000). Theo tính toán, tổng dung tích hữu ích của các hồ chứa
của nước ta vào khoảng 37 tỷ m3, trong đó, 61 hồ chứa thủy lợi, thủy
điện lớn trên 11 lưu vực sông, phải xây dựng và vận hành theo QTVH
liên hồ chứa (Bộ TNMT, 2012). Đến hiện tại, đã hoàn thành việc xây
dựng các QTVH này, tuy nhiên, việc thực thi gặp rất nhiều khó khăn,
và QTVH cần phải “mềm” hơn để hài hòa được các xung đột lợi ích
cũng như thích ứng với điều kiện khí hậu. Một giải pháp vận hành thời
gian thực được xây dựng theo cách tiếp cận tối ưu đa mục tiêu sẽ là