Luận văn thạc sĩ " NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA " potx

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN š›&š› Thân Văn Đón NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.44.90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HỮU KHẢI Hà N ội - Năm 2011 i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ khoa học “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba” đã được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tháng 12 năm 2011. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của thầy cô và đồng nghiệp. Trước hết, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Hữu Khải là người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS. Dương Văn Khánh và các đồng nghiệp tại Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã hỗ trợ chuyên môn, thu thập tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành. Trong khuôn khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của độc giả và các đồng nghiệp. Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2011 TÁC GIẢ ii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 2 1.1. Tổng quan về điều tiết hồ chứa 2 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 8 1.1.3. Một số mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong thực tế 10 1.2. Tổng quan về điều kiện tự nhiên lưu vực sông Ba 11 1.2.1. Vị trí địa lý và điều kiện Khí hậu Thủy văn 11 1.2.2. Mạng lưới sông ngòi 19 1.2.3. Tình hình tài liệu khí tượng thủy văn 21 1.2.4. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba 24 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA 26 2.1. Cơ sở phát triển mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa 26 2.2. Lý thuyết mô hình Athen 29 2.2.1. Các thành phần mô hình 29 2.2.2. Phương trình diễn toán 30 2.3. Lý thuyết phương pháp Muskingum 31 2.4. Liên kết mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum 34 2.5. Yêu cầu tệp số liệu đầu vào cho mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa 36 Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA 37 3.1. Dữ liệu đầu vào của mô hình 37 3.1.1. Số liệu thủy văn và đặc trưng hồ chứa 37 3.1.2. Số liệu nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước 39 3.1.3. Các thông số của phương pháp Muskingum 39 3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 39 iii 3.2.1. Kết quả hiệu chỉnh mô hình 40 3.2.2. Kết quả kiểm định mô hình 42 3.3. Vận hành điều tiết liên hồ chứa 42 3.3.1. Quy tắc vận hành 42 3.3.2. Thứ tự ưu tiên các nhu cầu sử dụng nước 43 3.3.3. Kịch bản điều hành 44 3.3.4. Kết quả tính toán cho năm điển hình 1982 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa 3 B ả ng 1.2: Dòng chảy kiệt đo tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Ba 18 Bảng 1.3: Kết quả đo đạc dòng chảy kiệt một số vị trí trên sông Ba 19 Bảng 1.4: Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba 20 Bảng 1.5: Danh sách các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Ba 22 Bảng 3.1: Các đặc trưng của hồ chứa trên sông Ba 38 Bảng 3.2: Bộ thông số của mô hình Muskingum diễn toán từng đoạn sông 41 Bảng 3.2: Các hệ số trong mô hình ứng với kịch bản 1 44 Bảng 3.3: Các hệ số trong mô hình ứng với kịch bản 2 45 Bảng 3.4: Các hệ số trong mô hình ứng với kịch bản 3 55 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa 3 Hình 1.2: Sự cần thiết của điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội 4 Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 12 Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 23 Hình 1.5: Vị trí các hồ chứa trên lưu vực sông Ba 25 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát phát triển mô hình Athen 28 Hình 2.2: Quan hệ λij, zij trong mô hình Athen 29 Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán vận hành đơn hồ chứa 31 Hình 2.4: Sơ đồ diễn toán mô hình Athen đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum35 Hình 3.1: Các file số liệu đầu vào của mô hình Athen 37 Hình 3.2: Đường quá trình Q~t của các trạm trên sông Ba năm 1982 38 Hình 3.3: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm thủy văn Củng Sơn năm 1983 41 Hình 3.4: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm thủy văn Củng Sơn năm 1982 42 Hình 3.5: File số liệu kết quả đầu ra sau khi chạy mô hình 45 Hình 3.6: Quan hệ đầu ra giữa mực nước hồ chứa, lượng trữ và tổng lượng ra (ứng với nhu cầu thủy điện ở mức tối đa, hệ số 0.5) 47 Hình 3.7: Quan hệ đầu ra giữa các sử dụng nước (ứng với nhu cầu thủy điện ở mức tối đa, hệ số 0.5) 48 Hình 3.8: Quan hệ giữa mực nước tổng lượng đến hồ, tổng lượng nước phát điện ứng với mưc đảm bảovà mực nước hồ chứa sau khi vận hành 49 Hình 3.9: Quan hệ đầu ra giữa các nhu cầu sử dụng nước (ứng với nhu cầu thủy điện ở mức đảm bảo, hệ số 1.0) 50 Hình 3.10: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước tại hồ An khê51 Hình 3.11: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước tại hồ Ba Hạ . 52 Hình 3.12: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước tại hồ An khê53 Hình 3.13: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước hồ Krông Hnăng 54 Hình 3.14: Quan hệ giữa mực nước hồ sau khi vận hành, tổng lượng đến hồ, tổng lượng nước phát điện ứng với mức phù hợp 57 Hình 3.15: Quan hệ đầu ra giữa các nhu cầu sử dụng nước ứng với mức phù hợp 60 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MNDBT: Mực nước dâng bình thường; MNC : M ực n ư ớc chết ; MNGC: Mực nước gia cường; Vtb : Dung tích toàn b ộ ; Vhi: Dung tích hiệu dụng; Vc: Dung tích chết; Vpl: Dung tích phòng lũ; Qmaxtbin: Lưu lượng lớn nhất qua tubin. 1 MỞ ĐẦU Hiện nay nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đã được xây dựng, tuy nhiên khả năng giải quyết các bài toán thực tế vẫn còn hạn chế. Các phần mềm tối ưu hiện nay nói chung vẫn chỉ đưa ra lời giải cho những điều kiện đã biết mà không đưa ra được các nguyên tắc vận hành hữu ích. Phần lớn các mô hình mô phỏng lại dựa trên quy tắc vận hành không có điều khiển, điều này rất hạn chế cho điều tiết vận hành chống hạn và chống lũ. Mô hình Athen hiện tại là mô hình điều tiết đơn hồ chứa, cho phép điều tiết có điều khiển và có mã nguồn mở. Do vậy việc nghiên cứu và phát triển mô hình Athen để tính toán điều tiết liên hồ chứa trong mùa cạn là việc làm cần thiết, nhằm đưa ra một phương án điều tiết liên hồ có cơ sở khoa học chặt chẽ, hy vọng mang lại hiệu quả cả về mặt kinh tế và xã hội. Vì vậy Luận văn đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba”. I. Phạm vi nghiên cứu của Luận văn Phạm vi không gian: bao gồm các hồ chứa Yayun Hạ, An Khê-Kanak, Krông Hnăng, sông Hinh, Ba Hạ và sau hồ chứa cuối cùng là trạm thủy văn Củng Sơn. Phạm vi thời gian: điều hành hệ thống hồ chứa trong mùa kiệt. II. Mục tiêu của Luận văn Phát triển mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa thành liên hồ chứa, áp dụng thử nghiệm lưu vực sông Ba. III. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của Luận văn Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN LIÊN HỒ CHỨA Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA 2 Chương 1: TỔNG QUAN Theo nhận định của Ủy ban Đê đập Thế giới (World Commision on Dams 2000 [1]), nhiều hệ thống đê 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. Điều đó có thể do những sơ xuất trong thiết kế, xây dựng, do những nhu cầu sử dụng mới xuất hiện, do những vấn đề điều hành hệ thống hay do những thay đổi khí hậu toàn cầu Để phát huy tối đa lợi ích của các hồ chứa, các nghiên cứu cần tập trung vào việc nâng cao hiệu quả điều hành của các hồ chứa. Các mục tiêu kinh tế xã hội của hệ thống hồ chứa như chống lũ, phát điện, cấp nước, cảnh quan môi trường, du lịch, thường là những mục tiêu trái ngược nhau về nhu cầu sử dụng lượng nước có sẵn trong hệ thống hồ. Điều đó dẫn đến một bài toán hết sức phức tạp, các công cụ toán học và các mô hình trên máy tính được sử dụng để nghiên cứu vấn đề đặt ra. 1.1. Tổng quan về điều tiết hồ chứa 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu đã được các nhà khoa học, các cơ quan quản lý khai thác lưu vực sông trên thế giới đầu tư nghiên cứu từ những năm 50 và 60 của thế kỷ 20. Kết quả nghiên cứu đã góp phần làm tăng hiệu quả khai thác hệ thống nguồn nước các lưu vực sông trên toàn thế giới, có thể kể đến các nghiên cứu về vận hành hệ thống liên hồ chứa ở bang Calionia, Mỹ, nghiên cứu về quản lý lưu vực sông của Cơ quan quản lý vùng hạ lưu sông Colorado (LCRA), nghiên cứu của cơ quan năng lượng quốc gia Brazin về quản lý hệ thống hồ chứa thuỷ điện trên sông Amazon Mặc dù đã được nghiên cứu từ khá lâu nhưng vẫn chưa xác định được phương pháp, công cụ chung cho xây dựng quy trình hệ thống liên hồ chứa mùa cạn mà các nghiên cứu vẫn phụ thuộc rất nhiều vào đặc thù riêng của từng hệ thống hồ chứa cụ thể. a. Phương pháp diễn toán hồ chứa Đây là phương pháp cơ bản trong giai đoạn thiết kế và vận hành hồ chứa. 3 Diễn toán dòng chảy (trong đó có sóng lũ) qua một hồ chứa được gọi là diễn toán hồ chứa. Đó là một phần quan trọng của phân tích hồ chứa mà những ứng dụng chính của nó là: xác định mực nước lớn nhất trong thời kỳ thiết kế hồ chứa, thiết kế các công trình xả tràn và cửa xả nước và phân tích sóng lũ vỡ đập. Một hồ chứa có thể được kiểm soát hoặc không được kiểm soát. Hồ chứa được kiểm soát bởi công trình xả tràn với các khoang tràn khống chế bằng các cửa van để kiểm soát dòng chảy ra. Công trình xả tràn của một hồ chứa không kiểm soát là công trình tràn tự do không có cửa van để khống chế lượng xả. Hình 1.1: Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa Một vài phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa đã được xây dựng, như trong bảng sau: Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa Phương pháp đường cong lũy tích Phương pháp Puls Phương pháp Puls cải tiến Phương pháp Wisler-Brater Phương pháp Goodrich Phương pháp Steinberg Phương pháp hệ số b. Vận hành hồ chứa Sử dụng hiệu quả tài nguyên nước yêu cầu không chỉ thiết kế đúng đắn mà cả quản lý đúng cách sau khi xây dựng. Biswas (1991) ước lượng rằng giá một đơn vị [...]... liệu và tính toán vận hành điều tiết hồ chứa 2.1 Cơ sở phát triển mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa Hiện tại mô hình Athen chỉ vận hành cho đơn hồ chứa, do vậy muốn điều tiết liên hồ chứa phải phát triển thành liên hồ chứa Mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa được phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết của mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum để diễn toán dòng chảy trong sông. .. S.Đà Rằng S.Hinh Luận văn Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 12 b Điều kiện Khí hậu, Thủy văn Phần lớn đất đai lưu vực sông Ba nằm ở sườn phía Tây Trường Sơn và một phần nhỏ ở hạ lưu nằm ở phía Đông Trường Sơn, do vậy hàng năm sông Ba chịu ảnh hưởng của hai luồng gió: gió mùa Tây Nam và gió mùa Đông... đơn hồ chứa và 10 đây là mô hình có mã nguồn mở, do vậy khi cần can thiệp vào mô hình, chúng ta có thể can thiệp được Do vậy dựa vào mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum diễn toàn dòng chảy trong sông, tác giả nghiên cứu thuật toán liên kết 2 mô hình này thành một mô hình điều tiết liên hồ chứa và áp dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Ba 1.2 Tổng quan về điều kiện tự nhiên lưu vực. .. tượng thủy văn lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 23 1.2.4 Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba * Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba Hiện nay trên lưu vực sông Ba có rất nhiều hồ đập và trạm bơm, đập dâng, tất cả có 290 công trình phân bố tập trung các công trình theo 3 tỉnh: + Tỉnh Phú Yên có 75 công trình hồ và đập trong đó có 41 hồ chứa + Tỉnh Đăk Lăk có 119 hồ chứa + Tỉnh Gia Lai có 96 hồ chứa, 82... Phương pháp mô phỏng Vì không có khả năng để thí nghiệm với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu Thí nghiệm có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình này để cung cấp một sự hiểu biết sâu về bài toán Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ Kỹ thuật mô phỏng đã... cửa ra khoảng 9,5 tỷ m3 Các sông suối thuộc lưu vực sông Ba hẹp và sâu, độ dốc sông suối lớn nên có tiềm năng lớn về thủy năng Bảng 1.4: Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba Tên sông Sông Ba Đak PôKô Diện Chiều tích dài lưu vực lưu vực 2 (km) (km ) Độ cao Độ dốc Chiều bình bình rộng quân quân bình lưu lưu quân vực vực lưu vực (m) (km) (%) Độ cao nguồn sông (m) Chiều dài sông (km) 1200 388 386 13900... trong vận hành hệ thống nguồn nước được thực hiện trong nhiều nghiên cứu như nghiên cứu vận hành chống lũ và phát điện cho nhà máy thủy điện Hòa Bình trong Luận văn tiến sỹ của Ngô Lê Long, nghiên cứu vận hành hệ thống công trình thủy lợi lưu vực sông Orange-FishSundays ở Nam Phi, 8 Trong nghiên cứu cho hồ Hòa Bình, tác giả Ngô Lê Long (2006) đã sử dụng AUTOCAL tính toán đề xuất chế độ vận hành thực bao... nhiên lưu vực sông Ba 1.2.1 Vị trí địa lý và điều kiện Khí hậu Thủy văn a Vị trí địa lý lưu vực sông Ba Lưu vực sông Ba là một trong chín lưu vực sông lớn nhất Việt Nam Lưu vực sông nằm trong phạm vi ranh giới hành chính của 20 huyện thị và một thành phố thuộc ba tỉnh Tây Nguyên (Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk) và một tỉnh duyên hải miền Trung Trung Bộ là Phú Yên Vị trí địa lý của lưu vực ở vào khoảng 12055’... suy luận vạch ra từ mô hình tất định quy hoạch động Jain và Goel (1999) đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường điều phối Mặc dù sự sẵn có của một số mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phát triển các mô hình mô phỏng cho hồ chứa xác định cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng Mô hình mô phỏng nhiều hồ chứa đã dùng để đánh... hồ chứa nhỏ Trong đó, đáng chú ý có 5 công trình thủy điện thuộc loại lớn: Kanak - An Khê , Ayun Hạ, Ea Krông Hnăng, sông Hinh, sông Ba Hạ Trên lưu vực sông Ba có rất nhiều hồ chứa: tại tỉnh Phú Yên có 41 hồ chứa, ở tỉnh ĐăkLăk có 119 hồ chứa và Gia Lai có 96 hồ chứa trong đó có 55 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 854 MW và 3.9 tỷ kwh Hồ sông Ba Hạ cách trạm thủy văn Củng Sơn 10 km, là một hồ chứa . khoảng 30 – 40 km. 12 Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 Luận văn Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba S.Đà Rằng S.Hinh. i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ khoa học Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba đã được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học,. Thân Văn Đón NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.44.90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA