Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
502
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ ĐIỀU PHỐI CHO HỆ THỐNG
HỒ CHỨA BẬC THANG LÀM NHIỆM VỤ CẤP NƯỚC
Nguyễn Thị Thu Nga
Trường Đại học Thủy lợi, email: ngatvct@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Vận hành hệ thống hồ chứa là một lĩnh vực
rất phức tạp. Việc nghiên cứu vận hành hệ
thống hồ chứa thường chỉ được thực hiện cho
một hệ thống cụ thể, phương pháp có thể chọn
giữa phương pháp tối ưu hoặc phương pháp
mô phỏng. Phương pháp tối ưu đã được
Labadie et al. (1997) [1] rà soát bao gồm
phương pháp quy hoạch tuyến tính, quy hoạch
phi tuyến, quy hoạch động, thuật toán gene
(thuật giải di truyền), thuật toán đàn kiến (bầy
đàn), lý thuyết tập mờ (fuzzy logic), mạng thần
kinh nhân tạo (ANN) … Một số nghiên cứu
gần đây sử dụng phương pháp tối ưu bao gồm
Ali Ahmadi Najl et al. (2016), Kangrang et al.
(2018), Dabhade et al. (2021), Nguyễn Thanh
Hảo và nnk (2022) [2]. Phương pháp tối ưu
thường có độ khó cao, trong quá trình thực
hiện cần giản hóa một số yếu tố để giảm rủi ro
khi tìm nghiệm tối ưu. Ngược lại, phương pháp
mô phỏng có ưu điểm ở tính dễ hiểu, có thể mô
tả hệ thống một cách chi tiết, đặc biệt hỗ trợ tốt
cho người ra quyết định dựa trên việc phân tích
các kịch bản tính toán. Các nghiên cứu sử dụng
phương pháp mô phỏng có thể kể đến như
Debasri Roy et al. (1995), Nguyễn Tuấn Anh
và nnk (2007) [3], Nunes et al. (2016).
Ở nước ta nghiên cứu vận hành hệ thống hồ
chứa được áp dụng nhiều nhất để giải các bài
toán kiểm soát lũ hạ du, điển hình như trên
các lưu vực sông lớn như sông Hồng, Cả,
Hương ... Các nghiên cứu này thường có hàm
lượng khoa học cao, khối lượng tính toán lớn
và tốn nhiều chi phí thực hiện. Trong thực tế,
do nhiều điều kiện hạn chế nên việc nghiên
cứu cho các hệ thống hồ chứa có quy mô nhỏ
khó đạt được mức độ chi tiết như vậy. Hiện
nay, hầu hết các hồ chứa thủy lợi vừa và nhỏ ở
nước ta đều vận hành dựa theo biểu đồ điều
phối (BĐĐP). BĐĐP là biểu đồ mô tả quan hệ
giữa dung tích~thời gian hoặc mực nước~thời
gian, được lập sẵn. Đây là công cụ hỗ trợ vận
hành hồ chứa đơn giản, dễ sử dụng nên vẫn
được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Trong
các tài liệu giáo trình [4] đã trình bày rất chi
tiết phương pháp xây dựng BĐĐP cho một hồ
chứa độc lập. Nghiên cứu này đề xuất phương
pháp xây dựng BĐĐP cho hệ thống hai hồ
chứa bậc thang có chung nhiệm vụ cấp nước
theo phương pháp mô phỏng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn cho hệ
thống hai hồ chứa bậc thang giả tưởng (hồ
Thượng và hồ Hạ) có chung nhiệm vụ cấp
nước tưới, với khu tưới nằm ở hạ lưu của hồ
Hạ (Hình 1).
Hình 1. Sơ đồ hệ thống
Giữa hai hồ chứa này tồn tại các loại quan
hệ sau:
- Quan hệ thủy văn: chế độ dòng chảy đến
hồ Thượng và hồ Hạ có tính đồng bộ
- Quan hệ cân bằng nước: lượng nước cấp
hoặc xả thừa từ hồ Thượng sẽ chảy vào hồ Hạ
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
503
- Quan hệ thủy lợi: hai hồ có chung nhiệm
vụ cấp nước
Lund and Guzman (1999) [5] đề xuất trình
tự vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang làm
nhiệm vụ cấp nước như sau:
1. Hồ thượng tích đầy trước.
2. Hồ hạ tháo cạn trước.
Thứ tự ưu tiên này đáp ứng việc tận dụng
lượng nước sau khi ra khỏi hồ thượng sẽ
không bị lãng phí.
Kết hợp với nguyên tắc xây dựng BĐĐP
cho một hồ độc lập đã có trong nhiều tài liệu
tham khảo [4], nghiên cứu này đề xuất
phương pháp xác định BĐĐP cho hệ thống
hai hồ chứa bậc thang có chung nhiệm vụ cấp
nước như sau:
Bước 1. Lựa chọn một số năm ít nước điển
hình, thu phóng về năm thiết kế.
Bước 2. Tính điều tiết hồ Hạ theo trình tự
thời gian với:
- Lượng nước đến là dòng chảy khu giữa.
- Yêu cầu nước là yêu cầu chung của cả
hệ thống.
Bước 3. Xác định các tháng bị thiếu nước
và lượng nước thiếu trong từng tháng của hồ
Hạ (xem Bảng 1).
Bước 4. Tính điều tiết hồ Thượng theo
trình tự thời gian với:
- Lượng nước đến hồ Thượng.
- Yêu cầu nước là lượng nước thiếu từ hồ
Hạ đã xác định trong Bước 3.
Bước 5. Xác định lượng xả thừa hồ
Thượng sau khi hồ đã tích đầy (xem Bảng 2).
Bảng 1. Bảng tính điều tiết hồ Hạ
+/- +/-
m
3
/s m
3
/s 10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
km
2
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
m10
6
m
3
11.25 11.25 193.40
63.14 2.5451 8.1 6.6 1.5 12.79 12.0 3.25 0.160 0.120 0.280 6.9 1.3 12.51 193.56 0.0
73.05 4.9223 8.2 13.2 -5.0 11.25 12.0 3.25 0.146 0.120 0.266 13.5 -5.3 11.25 193.40 4.0
83.29 4.3718 8.8 11.7 -2.9 11.25 11.3 3.20 0.129 0.113 0.242 12.0 -3.1 11.25 193.40 3.1
95.07 2.2134 55.8 5.7 50.0 46.25 28.8 4.55 0.156 0.288 0.444 6.2 49.6 46.25 196.50 0.0
10 3.99 3.3430 44.9 9.0 35.9 46.25 46.3 6.40 0.309 0.463 0.772 9.7 35.2 46.25 196.50 0.0
11 2.71 1.4048 28.9 3.6 25.2 46.25 46.3 6.40 0.380 0.463 0.843 4.5 24.4 46.25 196.50 0.0
12 1.89 4.3971 5.1 11.8 -6.7 39.52 42.9 6.09 0.663 0.429 1.092 12.9 -7.8 38.43 196.05 0.0
11.31 9.3180 3.5 25.0 -21.4 18.08 28.8 4.56 0.496 0.288 0.784 25.7 -22.2 16.20 194.01 0.0
20.93 10.8160 2.2 26.2 -23.9 11.25 14.7 3.41 0.397 0.147 0.543 26.7 -24.5 11.25 193.40 19.5
30.66 11.9027 1.8 31.9 -30.1 11.25 11.3 3.20 0.414 0.113 0.526 32.4 -30.6 11.25 193.40 30.6
40.46 4.7721 1.2 12.4 -11.2 11.25 11.3 3.20 0.372 0.113 0.484 12.9 -11.7 11.25 193.40 11.7
50.32 3.7303 0.9 10.0 -9.1 11.25 11.3 3.20 0.243 0.113 0.355 10.3 -9.5 11.25 193.40 9.5
Tháng Q
đến
Q
yc
W
đến
Điều tiết hồ chứa
Wq
Tính toán tổn thất
W
q
+W
tt
WW
tích
W
tb
FW
bh
W
thấm
W
thiếu
W
Tổn thất
WW
tích
Z
tl
Bảng 2. Bảng tính điều tiết hồ Thượng
+/- +
m
3
/s 10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
km
2
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
10
6
m
3
m10
6
m
3
5.50 5.50 205.40
610.47 27.1 0.0 27.1 32.63 19.1 7.14 0.351 0.191 0.542 0.5 26.6 32.09 212.08
710.16 27.2 4.0 23.2 55.81 44.2 10.95 0.493 0.442 0.935 5.0 22.2 54.33 215.41
810.96 29.3 3.1 26.2 73.47 64.6 12.89 0.521 0.646 1.167 4.3 25.0 73.47 217.58 5.9
916.91 43.8 0.0 43.8 73.47 73.5 13.23 0.454 0.735 1.188 1.2 42.6 73.47 217.58 42.6
10 13.29 35.6 0.0 35.6 73.47 73.5 13.23 0.639 0.735 1.374 1.4 34.2 73.47 217.58 34.2
11 9.02 23.4 0.0 23.4 73.47 73.5 13.23 0.786 0.735 1.520 1.5 21.9 73.47 217.58 21.9
12 6.29 16.8 0.0 16.8 73.47 73.5 13.23 1.439 0.735 2.174 2.2 14.7 73.47 217.58
14.37 11.7 0.0 11.7 73.47 73.5 13.23 1.439 0.735 2.174 2.2 9.5 73.47 217.58
23.09 7.5 19.5 -12.0 61.45 67.5 13.03 1.515 0.675 2.190 21.7 -14.2 59.26 216.07
32.20 5.9 30.6 -24.8 36.68 49.1 11.54 1.492 0.491 1.983 32.6 -26.7 32.51 212.15
41.54 4.0 11.7 -7.7 29.01 32.8 9.39 1.090 0.328 1.418 13.1 -9.1 23.42 210.44
51.08 2.9 9.5 -6.6 22.42 25.7 8.27 0.627 0.257 0.884 10.4 -7.5 15.94 208.78
Tháng Q
đến
W
đến
Wq
Tính toán tổn thất
W
q
+W
tt
Điều tiết hồ chứa
WW
tích
W
tb
FW
bh
W
thấm
W
Tổn thất
WW
tích
Ztl W
thừa
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
504
Bước 6. Tính lại lượng nước đến hồ Hạ sau
khi đã kể đến lượng nước xả từ hồ Thượng.
Bước 7. Tính điều tiết lại hồ Hạ, đánh giá
khả năng cấp nước của hệ thống. Ở đây, do
mối quan hệ hồ Thượng - hồ Hạ khó có thể
tách rời nên nếu cần thiết có thể lặp lại Bước 4.
Bước 8. Xác định các đường quá trình mực
nước của mỗi hồ, vẽ đường bao trên và
đường bao dưới. Trong đó, đường bao dưới
là đường hạn chế cấp nước và đường bao trên
là đường cấp nước gia tăng.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Các dữ liệu đầu vào của bài toán bao gồm:
- Chuỗi dòng chảy năm đã thu phóng về
tần suất thiết kế cho lưu vực hồ Thượng và
khu giữa hồ Thượng - hồ Hạ (giai đoạn từ
1982 đến 2017).
- Các quan hệ địa hình lòng hồ Thượng, Hạ.
- Các thành phần đặc trưng dung tích, mực
nước của hồ Thượng, Hạ.
- Yêu cầu nước chung của hệ thống.
- Tài liệu về bốc hơi và thấm.
Với mỗi năm được lựa chọn thực hiện
phương pháp lập bảng để xác định quá trình
tích và tháo nước. Quá trình tính toán điều tiết
có xét đến các dạng tổn thất bốc hơi và thấm
như thông thường.
Theo kết quả tính toán, thường vào đầu
mùa lũ và cuối mùa kiệt, hồ Hạ không có khả
năng đáp ứng đủ lượng nước cần cấp.
Hình 2. Họ đường điều phối hồ Hạ
Do hồ Thượng hỗ trợ cấp nước vào đầu
mùa lũ nên thường bắt đầu từ tháng 9 hồ
Thượng mới có thể tích đầy và có lượng xả
thừa. Lượng xả thừa trong hầu hết các năm
kéo dài từ tháng 9 đến tháng 11, có một số
năm có thể bắt đầu sớm hơn hoặc kết thúc
muộn hơn (Hình 3).
Hình 3. Họ đường điều phối hồ Thượng
Từ kết quả có thể vùng cấp nước bình
thường ở mùa lũ rộng hơn khá nhiều so với
thời kỳ mùa kiệt. Riêng đối với hồ Hạ, vùng
cấp nước mùa kiệt gần như trùng thành một
đường giới hạn. Do ưu tiên cấp nước từ hồ
Hạ trước nên khi đến tháng 3 hồ hầu như
không còn nước trữ, lượng nước cấp chỉ gồm
có nước tự nhiên đến hồ và lượng bổ sung từ
hồ Thượng.
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã trình bày tương đối cụ thể
phương pháp xây dựng BĐĐP cho hệ thống
hồ chứa bậc thang làm nhiệm vụ cấp nước.
Khi áp dụng BĐĐP này cần lưu ý thực hiện
theo nguyên tắc ưu tiên cấp nước từ hồ Hạ
trước và trữ nước sớm ngay khi có lượng
nước thừa từ cả hai hồ.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Labadie, J. (1997). “Reservoir system
optimization models," Water Resources
Update, University Council on Water
Resources, Number 108, Summer, pp. 83-110.
[2] Nguyễn Thanh Hảo và nnk. (2022). Vận
hành tối ưu hệ thống đa hồ chứa với dung
tích phòng lũ hạn chế nhằm giảm lũ cho hạ
lưu. Tạp chí Môi trường.
[3] Nguyễn Tuấn Anh và nnk (2007). Điều tiết
hệ thống liên hồ chứa phát điện và cấp nước
tại đồng bằng sông Hồng. Hội nghị KHCN
Nông nghiệp 2006-2007 các tỉnh phía Bắc.
[4] Giáo trình Thủy văn công trình (2012).
NXB Xây dựng.
[5] Lund, J. R. and Guzman, J. (1999). “Some
Derived Operating Rules for Reservoirs in
Series or in Parallel”.
