Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thượng lưu lưu vực sông hồng trong mùa cạn

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Hệ thống sông Hồng hệ thống sông lớn thứ hai Việt Nam sau hệ thống sông Mê Cơng Hệ thống có vị trí chiến lược quan trọng, có vùng đồng sơng Hồng (ĐBSH) nằm hạ lưu với 11 tỉnh thành phố (795/QĐ-TTg) Trong đó, thủ Hà Nội trái tim trung tâm kinh tế - trị quan trọng nước Hải Phòng thành phố cảng lớn miền Bắc Tồn vùng ĐBSH có diện tích đất canh tác nông nghiệp lớn với khoảng 0,8 triệu ha, đó, 84 % diện tích hàng năm (chủ yếu lúa), tạo điều kiện cho vùng xếp thứ hai nước tổng sản lượng lúa gạo Một nguồn lợi quan trọng khác hệ thống sơng Hồng thủy điện Ngồi hồ Hịa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, hồ Sơn La vào vận hành, đến năm 2016, hồ Bản Chát, Huội Quảng Lai Châu thức phát điện Có thể nói, hệ thống hồ chứa thủy điện sơng Hồng gần hồn thiện đóng vai trò chủ chốt điều tiết dòng chảy hệ thống Tuy nhiên, năm vừa qua, tình trạng cạn kiệt dòng chảy hệ thống diễn biến ngày trầm trọng Trong nguyên nhân bước đầu như: Khai thác dòng chảy phía thượng nguồn Trung Quốc; tác động Biến đổi Khí hậu (BĐKH); phân lưu sơng Đuống hạ thấp lòng dẫn khai thác cát trái phép tích trữ bùn cát lịng hồ Thực hành xả nước Đông Xuân với mức tăng gấp đôi từ 2,78 đến 5,77 tỷ m3 từ 2007 đến 2015, yêu cầu phải có hành động lúc Trong đó, góc độ vận hành hệ thống, quy trình vận hành liên hồ chứa thủy điện hệ thống sơng Hồng Chính phủ ban hành vào tháng năm 2015 thực bước tiến lớn [1] Lần đầu tiên, có quy trình xây dựng với đầy đủ hồ chứa thủy điện hệ thống mùa lũ mùa cạn Thêm vào đó, quy trình có điều khoản chi tiết cho vận hành đảm bảo nhu cầu hạ du dung tích hồ mùa cạn Mặc dù vậy, quy trình đơn ràng buộc tĩnh cho vận hành chưa xây dựng với cách tiếp cận tối ưu vận hành hệ thống đa mục tiêu Như vậy, phối hợp vận hành hồ chứa chưa tình thực tế Các ràng buộc cho hệ thống nghiên cứu chi tiết tham vấn đầy đủ thực tế cịn mang tính chủ quan Ngun nhân mục tiêu vận hành chất mâu thuẫn điện lượng, cấp nước hạ du chưa tối đa hóa trao đổi lợi ích chúng chưa phân tích rõ ràng Do vậy, cần thiết phải có nghiên cứu giải pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thủy điện sông Hồng mùa cạn theo hướng tối đa hóa lúc nhiều mục tiêu Từ đây, phân tích trao đổi mục tiêu nhằm phục vụ cho đàm phán bên đưa hàm vận hành thời gian thực dựa sách vận hành lựa chọn Mục đích nghiên cứu Xây dựng sở khoa học đề xuất giải pháp vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện mùa cạn nhằm tối ưu hóa phát điện cấp nước hạ du theo hướng tối ưu hóa đa mục tiêu ứng dụng thuật tốn BORG-MOEA cho lưu vực sơng Hồng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài luận án hệ thống hồ chứa thủy điện lớn lưu vực sông Hồng thuộc địa phận Việt Nam, mà cụ thể hồ chứa: Bản Chát, Lai Châu, Sơn La, Hịa Bình, Thác Bà Tun Quang Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu a, Cách tiếp cận - Cách tiếp cận hệ thống tổng hợp Cách tiếp cận xem lưu vực sông Hồng hệ thống lưu vực thống nhất, phần tử cấu thành hệ thống : Điều kiện tự nhiên địa hình, địa chất, khí hậu, nước, đất…; điều kiện kinh tế - xã hội người, phương thức khai thác, đối tượng sử dụng nước thủy điện, nông nghiệp, môi trường…là thành phần hệ thống có quan hệ chặt chẽ với Để đạt mục tiêu luận án đòi hỏi phải xem xét tổng hợp hệ thống để đưa vào hàm mục tiêu ràng buộc vừa mang tính khoa học vừa phải có ý nghĩa thực tiễn cho toán vận hành Từ đó, hệ thống mơ vận hành tối ưu tốn học nhằm tìm kiếm giải pháp vận hành hội giải mâu thuẫn vốn có lưu vực sơng - Cách tiếp cận theo phân tích “Nhân – quả” Hướng tiếp cận xem xét, giải vấn đề có tính hệ thống theo trình tự để giải cách logic nguyên tắc: 1) Làm rõ trạng vấn đề (thực trạng cạn kiệt hệ thống sông Hồng; 2) Phân tích ngun nhân chủ yếu tình trạng (tập trung chủ yếu vào vấn đề vận hành); 3) Những tồn giải (Phân tích cách giải có chưa thỏa mãn); 4) Đề xuất giải pháp; 5) Kết (Phân tích lựa chọn giải pháp) - Cách tiếp cận kế thừa quan điểm lịch sử Các cơng trình nghiên cứu (hiện thực nhiều Nghành, Viện nghiên cứu, quan Trung ương địa phương) bao gồm phương pháp luận, phương pháp tính tốn, cơng nghệ, nguồn số liệu kết Luận án dành dung lượng lớn tập trung vào phân tích chọn lọc cải tiến, hồn thiện vấn đề để tạo chọn điểm xuất phát nhằm thực phương pháp công nghệ b, Phương pháp nghiên cứu 1) Điều tra khảo sát thực địa: Nhằm thu thập, cập nhật, bổ sung số liệu khí tượng, thủy văn, địa hình, điều kiện tự nhiên, hoạt động quản lý, khai thác sử dụng, phát triển nguồn nước, bảo vệ phòng chống tác hại dòng chảy cạn kiệt lưu vực sông nghiên cứu 2) Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc kết nghiên cứu, điều tra trước có liên quan đến nội dung nghiên cứu nguyên tắc “kế thừa không trùng lặp” Học hỏi kiến thức kinh nghiệm tham vấn ý kiến chuyên gia xây dựng giải pháp vận hành hồ chứa lưu vực sông Hồng 3) Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu: Nhận diện quản lý hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông phải theo Cách tiếp cận Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM), đó, đối tượng sử dụng nước phải xem xét cách đầy đủ Tuy nhiên, mâu thuẫn vốn có đối tượng không trùng thứ nguyên đánh giá cản trở xây dựng giải pháp vận hành Vì thế, phương pháp hiệu để lúc tối đa hóa mục tiêu nhằm tìm mặt Pareto giải pháp tối ưu vận hành khơng trội 4) Phương pháp mơ tốn học: Vận hành hệ thống hồ chứa tác động phương án vận hành khó thực mơ hình vật lý Mơ tốn học lựa chọn phù hợp Trong luận án này, mơ hình tốn học hệ thống xây dựng cách phù hợp để đáp ứng nhu cầu tính tốn cao hệ thống phi tuyến có số lượng bậc tự cao (6 hồ chứa) 5) Phương pháp tham số hóa – mơ – tối ưu: Phương pháp khắc phục hạn chế phương pháp truyền thống tiến hành lựa chọn dạng hàm vận hành trước thực trình tính tốn mơ tối ưu Ở đây, q trình tính tốn nhằm tìm giải pháp tham số hàm vận hành 6) Phương pháp phân tích hệ thống: Các kết đề xuất hàm vận hành theo thời gian thực đưa lại vào hệ thống tính tốn để mơ cho giai đoạn thực tiễn nằm giai đoạn lựa chọn tính tốn tối ưu Các kết ứng với giải pháp vận hành khác so sánh đánh giá mặt khả thi, mặt lợi hại áp dụng vận hành thực tiễn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học Luận án đề xuất tập hàm vận hành tối ưu thời gian thực theo sách vận hành Pareto Các đề xuất rút từ việc giải tốn tối ưu đa mục tiêu có ràng buộc với hàm mục tiêu tổng lợi ích phát điện tương đối tối đa hóa trung bình mực nước thấp, ràng buộc yêu cầu cấp nước Đơng Xn dung tích hệ thống cuối mùa cạn Luận án thiết lập khung tính tốn tối ưu (khung kết nối mơ hình phục vụ tính tốn tối ưu) nhằm kết nối mơ hình hồ chứa vận hành mùa lũ, mùa cạn, mô hình hạ lưu, hàm mục tiêu, ràng buộc Khung tối ưu lấy thuật toán Borg-MOEA làm phần tính tốn tối ưu [2] Ngồi ra, hàm vận hành theo thời gian thực với ràng buộc ẩn trước mơ hình, tính tốn vận hành khả thi mặt vật lý Sau chọn dạng hàm vận hành, quy trình tính tốn sử dụng tham số hóa hàm, mơ tối ưu (PSO) đảm bảo tính tin cậy hội tụ nghiệm Đề tài xây dựng hệ thống mô hồ chứa hạ lưu cho vùng nghiên cứu ngôn ngữ C/C++ Matlab chạy Window, thuận tiện cho kế thừa phát triển nghiên cứu xa hơn, ứng dụng lĩnh vực khác với khung tính tốn tối ưu đề xuất 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Tập hàm vận hành (350 phương án) đề xuất cở sở tính tốn tối ưu sử dụng thuật tốn BORG chuỗi mô bước ngày đủ dài (50 năm) tính hiệu chúng cụ thể với cải thiện lợi ích điện từ 25 ÷ 28 %; cải thiện trung bình mực nước (