MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA PHÒNG LŨ THEO THỜI GIAN THỰC TRÊN SÔNG VU GIA - THU BỒN THỜI KỲ MÙA LŨ Tơ Thúy Nga1, Nguyễn Thế Hùng Tóm tắt: Trong báo tác giả trình bày phương pháp tiếp cận toán vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ theo thời gian thực sơng Vu Gia-Thu Bồn Phương pháp vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa dựa sở mơ hình mô hệ thống lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn tác giả thiết lập MOPHONG-LU sở tích hợp các mơ hình thành phần bao gồm, mơ hình mưa - dịng chảy, mơ hình diễn tốn lũ hệ thống sơng mơ hình điều tiết lũ hệ thống hồ chứa Kết thử nghiệm cho trận lũ lớn năm 2009 cho hồ chứa có nhiệm vụ cắt giảm lũ cho hạ du Sông Tranh 2, Sông Bung 2, Sông Bung 4, Đak mi hồ A Vương Từ khoá: Lưu vực Vu Gia – Thu Bồn, dự báo lũ, vận hành hồ chứa thời gian thực, mơ hình điều tiết lũ, hệ thống hồ chứa, I ĐẶT VẤN ĐỀ* Vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ áp dụng nhiều nước giới [4], [6], [7], [8] Nhưng Việt Nam có số nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực quản lý hồ chứa thường thực với hồ chứa đơn [3] Quy trình vận hành hồ chứa theo thời gian thực phương pháp mà định vận hành thời điểm tùy thuộc vào trạng thái hệ thống thời điểm thơng tin dự báo thời đoạn Tức là: Quyết định vận hành = F( Trạng thái hệ thống + Kết dự báo) Đối với toán vận hành hồ chứa thời kỳ mùa lũ có nhiệm vụ chống lũ hạ du, trạng thái hệ thống thời điểm vận hành bao gồm mực nước hồ chứa, mực nước hạ lưu nút phòng lũ lưu lượng đến hồ chứa nút sơng có liên quan đến phịng lũ hạ du Ví dụ, hồ chứa sông Vu Gia - Thu Bồn, theo quy định quy trình vận hành liên hồ chứa diễn biến mực nước hạ du Ái Nghĩa, Cao Lâu dự báo lưu lượng nước đến hồ định đóng mở cửa xả lũ hồ chứa hệ thống Ba yếu tố định đến thành công vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực, là: (1) Số lượng chất lượng trạm quan trắc khí tượng, thủy văn hệ thống; (2) Chất lượng phương pháp dự báo lũ; (3) Sự phù hợp mơ hình mơ phục vụ cho tốn vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ Kết cảnh báo lũ dự báo lũ có ảnh hưởng lớn đến việc định điều hành Thời gian dự kiến cảnh báo lũ dài định vận hành an tồn có hiệu hồ chứa phát điện Hiện nay, trình độ dự báo lũ hạn trung hạn vừa nước ta cải thiện đáng kể, có phương pháp dự báo mưa ngày cảnh báo mưa gây lũ với thời gian dài Điều đủ để xây dựng phương án vận hành hồ chứa sông hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn theo thời gian thực Sự tích hợp mơ hình thành phần mơ hình mơ hệ thống xu hướng chung mơ hình sử dụng rộng giới Tuy nhiên, tích hợp mơ hình thành phần phát triển mức độ khác Mơ hình HECRESSIM mơ quy tắc vận hành cơng trình xả lũ diễn tốn lũ hệ thống sơng khơng tích hợp mơ hình tính tốn dịng chảy từ mưa đến nút nhập lưu hồ chứa Mơ hình HECHMS tích hợp mơ hình thành phần bao gồm tính toán điều tiết hồ chứa, vận hành hồ chứa mô tả theo nguyên lý cân nước mà kịch vận hành cơng trình xả lũ nên khơng sử dụng toán vận hành hệ thống theo thời gian thực Mơ hình MIKE 11 tích hợp đầy đủ mơ hình thành phần, nhiên hệ thống thống hồ chứa, việc thiết lập kịch phối hợp vận hành hồ phiền phức khó khăn cho người sử dụng q trình tính tốn định Chính vậy, chúng tơi thiết lập mơ hình MOPHONG-LU dựa kết hợp ý tưởng HEC-HMS HEC-RESSIM nhằm khắc phục tồn khai thác ưu điểm mơ hình [1] Dưới trình bày kết bước đầu ứng dụng hệ thống hồ chứa phịng lũ sơng Vu Gia-Thu Bồn II GIỚI THIỆU MƠ HÌNH Trường Đại học Bách Khoa - ĐH Đà Nẵng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) Chương trình tính tốn xây dựng sở 33 thuật tốn liên kết mơ hình thành phần đoạn sông đặt tên MOPHONG-LU trình bày báo đăng Tạp chí [1] Mơ hình nhập lưu tính tốn theo phương pháp mơ mơ hình NAM phương pháp đường đơn vị, diễn tốn dịng chảy sông thực theo phương pháp MUSKINGUM, kịch vận hành hệ thống hồ chứa thiết lập cửa số hình theo “nguyên tắc đối thoại người - máy” Điều đảm bảo liên tục q trình tính tốn thay đổi kịch vận hành mà cần phải dừng chương trình tính để thiết lập lại kịch vận hành Sự mơ tả thích hợp thuận lợi cho toán vận hành hệ thống theo thời gian thực kịch liên tục cập nhật điều chỉnh trình vận hành Mơ hình có khả dự báo lũ đến nhập lưu, vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cho lưu vực khác Trước mắt tính tốn vận hành cho lưu vực sơng có khoảng 20 hồ chứa Mơ hình ứng dụng hệ thống sơng khơng ảnh hưởng triều, khơng có dịng chảy tràn bãi sơng rộng khơng tồn khu chứa lớn đoạn sông III ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MOPHONG-LU PHÂN TÍCH CÁC KỊCH BẢN VẬN HÀNH CHO HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN SÔNG VU GIA- THU BỒN Giới thiệu chung hồ chứa sông Vu Gia-Thu Bồn Trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn xây dựng nhiều hồ chứa thủy điện khác hồ A Vương, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2, sông Bung sông Bung Các thống số hồ chứa thống kê bảng Bảng 1: Các đặc trưng mực nước hồ chứa Tên cơng trình hồ chứa thủy điện S Tranh ĐakMi S.Bung S Bung A Vương MN dâng bình thường (m) 175 258.0 605.0 222.5 380.0 Mực nước đón lũ (m) 1721.0 255.0 600* 218* 376.0 Mực nước gia cường (m) 178.51 260.33 608.11 228.11 382.2 Cao trình ngưỡng tràn (m) 161 242.5 591.0 210.5 363.0 Qmax qua nhà máy (m3/s) 245.0 128.0 34.5 166.0 78.4 Số cửa xả lũ có cửa 6 Kích thước cửa 14x16 14x16 16x16 14x16 12x12 Chú giải: (*) giá trị tác giả tạm quy định hồ chứa chưa có quy định mực nước đón lũ Tham số hồ chứa Chính phủ ban hành Quyết định số 1880/QĐTTg ngày 13 tháng 10 năm 2010 việc ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa hồ chứa A Vương, Đắk Mi Sông Tranh mùa lũ hàng năm, theo hồ chứa có nhiệm vụ cắt giảm lũ cho hạ du xẩy lũ lớn Quy trình cắt giảm lũ tóm tắt sau: - Thời kỳ mùa lũ, lũ hồ chứa tích cao mực nước đón lũ tích đến mực nước dâng bình thường - Dự báo 24 giời tới có lũ lưu lượng vượt giá trị định (cho hồ chứa), hồ chứa xả nước đưa mực nước hồ mực nước đón lũ Tiếp tục xả lũ để trì mực nước hồ mực nước đón lũ dự báo khoảng từ 6h đến 12h lũ đạt đỉnh vận hành cắt giảm lũ cho hạ du Thiết lập mạng sông Lưu vực sông chia làm khu vực: khu vực thượng nguồn từ nguồn sông đến trạm mực nước Hội khách sông Vu Gia trạm thủy văn Nông Sơn sông Thu Bồn, khu vực hạ lưu phần lại hai sông Vu Gia Thu Bồn Khu vực hạ lưu 34 sông Vu Gia Thu Bồn nối với qua sơng Quảng Huế, có lũ lớn xẩy tượng chảy tràn ngập lụt lại chịu tác động nước vật thủy triều nên mô theo mơ hình thủy lực Khu vực thượng lưu tượng chảy tràn tồn cục số đoạn sơng dung tích chứa khu vực nhỏ, mô theo mơ hình thủy văn lựa chọn thích hợp Đây đối tượng nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ hệ thống (xem hình 1) Sơ đồ hệ thống bao gồm đoạn sông, nút nhập lưu nút kiểm soát Khu vực nghiên cứu mô 18 nhập lưu, 15 đoạn sơng nút hồ chứa Có nút kiểm sốt chọn ví trí trạm thủy văn Nơng Sơn, Thành Mỹ Hội Khách, trạm thủy văn Hội Khách trạm đo mực nước, trạm Thành Mỹ Nông Sơn trạm đo lưu lượng, trạm đo kiểm định thông số mơ hình hệ thống Ứng dụng mơ hình phân tích kịch vận hành hệ thống hồ chứa Kịch vận hành hồ chứa cần thiết lập KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) theo hướng vận hành theo thời gian thực Việc phân tích, lựa chọn kịch vận hành phụ thuộc vào thời gian dự kiến dự báo lũ Với mưa dự báo thời gian ngày cập nhật liên tục trình dự báo, với mơ hình MOPHONG-LU mà tác giả thiết lập, cho phép dự báo sớm được quy mơ trận lũ, từ xem xét nhiều kịch vận hành từ lựa chọn kịch cho trình vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực Tác giả chọn trận lũ lớn thảng năm 2009 để thử nghiệm thử nghiệm mơ hình Giả thiết quy mơ trận lũ dự báo theo mơ hình lập cập nhật suốt thời gian vận hành, có nhiều kịch khác xác lập tùy theo quy mô trận lũ dự báo Trong ví dụ này, tác giả trình bày kịch sau: Kịch vản (KB1), kịch vận hành theo quy trình liên hồ chứa 1880/QĐ-TTg: - Mực nước ban đầu mực nước dâng bình thường; - Trước 24 dự báo lũ vượt Q Hình 1: Sơ đồ hệ thống khu vực thượng lưu sông giới hạn đến hồ bắt đầu xả lũ đưa mực Vu Gia-Thu Bồn nước đón lũ quy định quy trình Cái Hội Khách vận hành theo kịch KB2 liên hồ chứa; hạ thấp đáng kể (xem hình từ đến 7) Để tính - Chỉ cắt lũ dự báo xuất đỉnh lũ sau thời gian toán hiệu giảm mực nước hạ du, tác giả sử từ 6-12h dụng mơ hình MIKEE11 với biên Kịch (KB2), kịch xả lũ trước lũ trình lũ nút Hội Khách, Nông Sơn Thành 48h, đưa mực nước hồ mực nước lũ trước 24 h Mỹ với nhập lưu hạ du (cũng tính lũ Cụ thể sau: tốn theo mơ hình NAM) Kết tính tốn mực - Mực nước ban đầu mực nước dâng bình nước mức giảm mực nướ theo kịch vận thường; hành tổng hợp bảng Theo kết thống - Dự báo lũ xuất sau 48h tới, tiến hành xả lũ kế bảng cho thấy kịch bản, với kéo dài thời để hạ mực nước mực nước đón lũ gian dự kiến lũ lên ngày vận hành theo kịch thời điểm 24h trước có lũ, mực nước hồ đạt mực KB2 hiệu cắt giảm lũ hạ du cao nước đón lũ quy định quy trình liên hồ chứa nhiều so với kịch KB1 vận hành theo quy trình Theo kết tính tốn với trận lũ năm 2009 cho liên hồ chứa thấy, lưu lượng đỉnh lũ nút hợp lưu sông Bung với sông A Vương hợp lưu Sông Bung với sông Bảng 2: Hiệu giảm mực nước hạ du theo hướng tạo dung tích đón lũ trước lũ với kịch KB1 KB2 - Trận lũ tháng năm 2009 Vị trí Hội Khách Giao Thủy Câu Lâu Cẩm Lệ Mực nước hạ du theo phương án vận hành cắt giảm lũ Chưa cắt lũ KB1 KB2 18.76 17.80 17.37 10.00 9.53 9.09 5.29 4.98 4.67 3.25 2.95 2.75 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) Hiệu giảm mực nước hạ du theo phương án cắt giảm lũ KB1 KB2 0.96 1.39 0.47 0.91 0.31 0.62 0.30 0.50 35 hệ thống hồ chứa sơng Vu Gia-Thu Bồn cho thấy tính khả thi mơ hình ứng dụng cho tốn thực tế hệ thống sơng khác Với kết thử nghiệm cho kịch vận hành kết bước đầu để kiểm tra tính khả thi mơ hình thiết lập Nghiên cứu cần tiếp tục với kịch khác để phân tích tính hiệu mơ hình./ VI KẾT LUẬN Mơ hình tác giả xây dựng cho phép kéo dài thời gian dự kiến dự báo lũ so với quy định quy trình liên hồ chứa 1880/QĐTTg1880/QĐ-TTg Do vậy, chủ động hạ thấp mực nước hồ để đón lũ xuống mực nước đón lũ quy định nâng cao hiệu cắt giảm lũ cho hạ du mà đảm bảo an tồn tích nước cho hồ chứa thủy điện Thử nghiệm ĐIỀU TIẾT LŨ HÔ ̀ SÔNG TRANH 5000 180 4500 175 4000 170 3500 2500 2000 QVAO QRA Zho 160 155 Mực nước hồ (m) 165 Lưu lượng (m3/s) 3000 150 1500 145 1000 140 500 Thời gian (h) 280 271 262 253 244 235 226 217 208 199 190 181 172 163 154 145 136 127 118 109 91 100 82 73 64 55 46 37 28 19 135 10 Hình 2: Quá trình lũ đến xả hồ chứa Sông Tranh (Trận lũ tháng năm 2009) ĐIIỀU TIẾT LŨ HỒ ĐAKMI4 6000 270 260 5000 250 240 3000 230 Mực nước hồ (m) Lưu lượng (m3/s) 4000 2000 220 1000 210 200 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241 251 261 271 281 Thời gian (h) QVAO QRA Zho Hình 3: Quá trình lũ đến xả hồ chứa Đakmi (Trận lũ tháng năm 2009) 36 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) Điều tiết lũ hồ Sông Bung 4500 225 4000 220 3500 215 210 2500 2000 205 Mực nước hồ (m) Lưu lượng (m3/s) 3000 1500 200 1000 195 500 190 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241 251 261 271 281 Thời gian (h) QVAO QRA Zho Hình 4: Quá trình lũ đến xả hồ chứa Sông Bung (Trận lũ tháng năm 2009) Mực nước hồ (m) 280 271 262 253 244 235 226 217 208 199 190 181 172 340 163 154 345 145 500 136 350 127 1000 118 355 109 1500 91 360 100 2000 82 365 73 2500 64 370 55 3000 46 375 37 3500 28 380 19 4000 385 10 Lưu lượng (m3/s) Điều tiết lũ hồ A Vương 4500 Thời gian (h) QVAO QRA Zho Hình 5: Quá trình lũ đến xả hồ chứa A Vương (Trận lũ tháng năm 2009) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 37 9000 Qmax= 8154 m3/s 8000 7000 Chưa cắt lũ Lưu lượng (m3/s) 6000 5000 Qmax=4544 m3/s Đã cắt lũ 4000 3000 2000 1000 281 273 265 257 249 241 233 225 217 209 201 193 185 177 169 161 153 145 137 129 121 113 97 105 89 81 73 65 57 49 41 33 25 17 Thời gian (h) Hình 6: Quá trình lũ hợp lưu sông A Vương Sông Bung trước sau cắt lũ (Trận lũ tháng năm 2009) 20000 18000 Qmax=17259 m3/s 16000 Chưa cắt lũ Lưu lượng (m3/s) 14000 12000 Qmax=11605 m3/s Đã cắt lũ 10000 8000 6000 4000 2000 281 271 261 251 241 231 221 211 201 191 181 171 161 151 141 131 121 111 101 91 81 71 61 51 41 31 21 11 Thời gian (h) Hình 7: Quá trình lũ hợp lưu sông Bung sông Cái Hội Khách trước sau cắt lũ (Trận lũ tháng năm 2009) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tô Thúy Nga: Thiết lập mơ hình mơ phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa sông Vu Gia-Thu Bồn thời kỳ mùa lũ Đăng số tạp trí số Quyết định số 1880/QĐ-TTg ngày 13 tháng 10 năm 2010 Về việc ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa hồ chứa A Vương, Đắk Mi Sông Tranh mùa lũ hàng năm Nguyễn Văn Thiệp: Hệ thống giám sát điều khiển, dự báo lũ, dự báo ngập lụt vùng hạ duvaf điều hành hồ chứa theo thời gian thực phục vụ cơng tác phịng chống lũ lụt giảm nhẹ thiên tai, Trung tâm công nghệ phần mềm thủy lợi, Viện Khoa học Việt Nam 38 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) E Fallah-Mehdipour & O Bozorg Haddad & M A Mariño: Real-Time Operation of Reservoir System by Genetic Programming, Water Resour Manage DOI 10.1007/s11269-012-0132-z, 2012 Li-Chiu Chang , Fi-John Chang and Hung-Cheng Hsu : Real-Time Reservoir Operation for Flood Control Using Artificial Intelligent Techniques, Freund Publishing House Ltd., International Journal of Nonlinear Sciences & Numerical Simulation 11(11): 887-902, 2010 Juan B Valdes & Juan B Marco: Managing Reservoirs For Flood Control, U.S.- Italy Research Workshop on the Hydrometeorology, Impacts, and Management of Extreme Floods Perugia (Italy), ovember 1995 Sajjad Ahmad1 and Slobodan P Simonovic, System dynamics modeling of reservoir Operations for Flood Managemen System dynamics, Journal of Computing in Civil Engineering,Vol 14, No 3, July, 2000 qASCE, ISSN 0887-3801/00/0003-0190–0198 Chun-Tian Cheng, K.W.Chau: Flood control management system for reservoirs, Environmental Modelling & Software, Vol 19, No 12, 2004, pp 1141-1150 A Goedbloed a, S Galellia, D Schwanenbergb: Assessing the effectiveness of a real-time control method for Marina Reservoir management, 19th International Congress on Modelling and Simulation, Perth, Australia, 12–16 December 2011, http://mssanz.org.au/modsim2011 Summary NEW APPROACH TO THE PROBLEM OF REAL-TIME RESERVOIRS OPERATION WITH FLOOD CONTROLLING PURPOSE ON THE VU GIA-THU BON RIVER IN FLOODING SEASON This paper presents an approach to the reservoir operation for flood control purpose in real time on the Vu Gia-Thu Bon River The real-time operating method for reservoir system based on reservoir simulation modeling system-Vu Gia River Thu Bon set by the author that integrate components includes rainfall runoff, numerical models in river systems and flood regulating model for reservoir system The simulating results apply for a big flood in 2009 for reservoirs (Song Tranh 2, Song Bung 2, Song Bung 4, Dak mi and A Vuong) in order to regulating the flood at the downstream Keywords: Vu gia-Thu Bon river basin, Flood Forecasting, real-time reservoirs operation, flooding regulation models, reservoirs system Người phản biện: GS.TS Hà Văn Khối KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) BBT nhận bài: Phản biện xong: 05/8/2013 10/9/2013 39