Nghiên cứu cơ sở khoa học điều hành liên hồ chứa chống lũ lưu vực sông ba

Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trênthếgiới

Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữacác hồ

Những quy tắc này giúp quyết định về xả và trữ nước cho mỗi hồ chứa tại mỗi bước thời gian trong quá trình mô phỏng Trong thời gian qua, đã đạt được một số quy tắc vận hành theo thời gian thực đối với các hồ chứa nối tiếp và song song, nhưng áp dụng chủ yếu cho các nghiên cứu điều hành theo mùa hoặc dài hạn [61].

1.1.1.1 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa bậcthang

Phần dung tích phòng lũ của hồ chứa gần điểm kiểm soát lũ nhất thường có khả năng chống lũ cao hơn so với các hồ khác Do vậy, với hệ thống hồ bậc thang, có lưu lượng bổ sung khu giữa, vùng bảo vệ chống lũ nằm ở hạ du hệ thống, cách điều tiết lũ hợp lý nhất cho mục tiêu kiểm soát lũ hạ du là: khi tích nước (cắt lũ) sẽ tích đầy hồ phía trên trước sau đó đến hồ phía dưới, khi cần dung tích trống để điều tiết cho trận lũ sau thì tiến hành xả hồ phía dưới trước (Hình 1.1).

Hình 1.1: Hệ thống hồ chứabậcthang Hình 1.2: Hệ thống hồ chứa songsong

Trường hợp ngoại lệ có thể xảy ra là khi năng lực xả của hồ phía hạ du quá nhỏ thì có thể không áp dụng quy tắc trên Khi đó, tốt hơn là tích vào hồ thấp nhất trước, nhằm nâng cao mực nước hồ, từ đó nâng cao năng lực xả của toàn hệ thống xuống hạ du Điều này sẽ cho phép xả trước nhiều hơn, tăng tổng dung tích dự phòng cho trận lũ sắp đến. Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa bậc thang là tối đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp nêu trên là tích đầy cho các hồ phía trên trước, khi cần dung tích trống để điều tiết chống lũ thì xả hồ hạ lưu trước [61].

1.1.1.2 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa songsong

Cách tiếp cận trong điều hành kiểm soát lũ đối với hệ thống hồ song song là cân bằng giữa dung tích cắt lũ và lượng dòng chảy lũ đến, ưu tiên dành dung tích chống lũ cho hồ chứa có dự báo lượng lũ đến lớn hơn Khi cần giảm lượng xả xuống hạ du, thì giảm lượng xả trước tiên ở các hồ còn nhiều dung tích trống hoặc có lượng dòng đến nhỏ nhất Khi có thể tăng lượng xả xuống hạ du thì xả trước tiên từ các hồ đã tích đầy hơn hoặc có lượng dòng đến lớn hơn (Hình1.2).

Mặc dù nguyên tắc cân bằng dung tích kiểm soát lũ đã rõ, nhưng việc điều hành để đạt mục tiêu trên lại không dễ Mục tiêu kiểm soát lũ là giảm đỉnh lũ ở hạ du bằng cách tích nước lại ở hồ, nhưng các trận lũ đến hồ thường rất nhanh, khó dự báo chính xác và cắt đúng đỉnh lũ Vì vậy, quy luật vận hành chung cho các hồ chứa song song vẫn chưa hoàn toàn rõràng. Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa song song là tối đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp nêu trên là ưu tiên tích cho các hồ có sản lượng điện lớn hơn[61].

Trên đây nêu những nguyên tắc chung trong vận hành hệ thống hồ chống lũ và phát điện, khi ứng dụng vào điều kiện thực tế Việt Nam và lưu vực sông Ba sẽ có thêm những vấn đề như: khó khăn trong phối hợp vận hành do các hồ chứa trong hệ thống thuộc quyền quản lý của các chủ hồ khác nhau, khả năng dự báo thủy văn trung hạn đặc biệt là cho khu vực miền Trung còn hạn chế.

Phương pháp tốiưu hoá

Phương pháp tối ưu hóa được xây dựng nhằm thích ứng với đặc điểm đa chiều, động, phi tuyến và ngẫu nhiên của các hồ hoặc hệ thống hồ chứa, thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành các hồ hoặc hệ thống hồ chứa sử dụng đầu vào là dòng chảy dựbáo.

Các kỹ thuật tối ưu như quy hoạch tuyến tính (LP), quy hoạch động (DP), quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP), thuật toán tiến hóa (EA) đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vận hành hồchứa.

Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hoá xác định Phương pháp này được gọi là

“quy hoạch động Monte-Carlo” Về cơ bản phương pháp này dùng kỹ thuật Monte- Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho đoạn sông yêu cầu Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định yếu tố chính ảnh hưởng đến quy trình tối ưu Kết quả thu được là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực.

Karamouz và Houck (1987) đã tìm ra các quy tắc vận hành chung bằng hồi quy và quy hoạch động tất định (DPR) Mô hình DPR kết hợp thủ tục hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được đề xuất bởi Bhaskar và Whilach (1980) Quy tắc điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa cũng được phát triển bằng phương phápquyhoạch động ngẫu nhiên (SDP), trong đó yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn thất Phương pháp tiếp cận này cũng đã được Butcher, Loucks và nhiều người khác sử dụng[18].

Phương pháp và mô hình vận hành tối ưu hồ chứa kiểm soát lũ thời gian thực trên cơ sở kết hợp mô hình quy hoạch phi tuyến và mô hình mô phỏng dòng chảy lũ DWOPER (Dynamic Wave OPERation) đã được áp dụng để nghiên cứu cho hồ chứa Travis ở hạ lưu sông Colorado, Texas [74].

Phương pháp Folded Dynamic Programming (FDP) để phát triển các phương án vận hành hồ chứa tối ưu để kiểm soát lũ, được áp dụng cho nghiên cứu điển hình của hồ chứa Hirakud ở lưu vực Mahanadi, Ấn Độ Phương pháp đề xuất có thể được mở rộng đến các tình huống lưu vực tương tự [56].

Một dạng khác là các mô hình tối ưu tư vấn (Prescriptive optimization models). Các mô hình này cung cấp khả năng mở rộng để lựa chọn một cách có hệ thống các giải pháp tối ưu hoặc nhóm các giải pháp, phù hợp với mục tiêu và các ràng buộc [18].

Một phương pháp cũng được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây để giải quyết bài toán tối ưu hóa vận hành hồ chứa là ứng dụng các thuật toán tiến hóa (Evolutionary Algorithms) như thuật toán di truyền (GA), thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (ACO), thuật toán tối ưu hóa nhóm bầy (PSO) Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện có sử dụng thuật toán tiến hóa như: East và Hall (1994) ứng dụng thuật toán di truyền cho bài toán vận hành hệ thống bốn hồ chứa với mục tiêu là tối đa hóa lợi ích từ phát điện và cấp nước tưới Fahmy ứng dụng thuật toán di truyền tính vận hành hệ thống hồ chứa và kết quả được so sánh với phương pháp quy hoạch động Oliveira và Loucks (1997) đã ứng dụng thuật toán di truyền để chứng mình tính hiệu quả của việc vận hành hệ thống hồ chứa Sharif và Wardlaw (2000) ứng dụng thuật toán di truyền cho tối ưu hệ thống đa hồ chứa lưu vực sông Bratas ở Indonesia Juran Ali Ahmed và Arup Kumar Sarma (2005) ứng dụng thuật toán di truyền để vận hành tối ưu của hồ chứa đa mục tiêu trên sông Pagladia Janga Reddy và D Nagesh Kumar (2006) sử dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA) nhằm tìm kiếm tập hợp các lời giải tối ưu cho xác định lượng xả của hồ chứa Hirakud, Ấn Độ, với hàm mục tiêu là sản lượng điện cao nhất, rủi ro lũ và thiếu hụt nước tưới nhỏ nhất, trong đó mục tiêu sản lượng điện được ưu tiên Jothiprakash và Ganesan Shanthi (2007) sử dụng thuật toán di truyền để xây dựng quy trìnhvậnhành hồ chứa Pechiparai, Ấn độ M.S Hashemi, G.A. Barani and H Ebrahimi (2008) ứng dụng thuật toán di truyền để tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu Jiroft[12].

Một số trở ngại trong tối ưu hóa hệ thống hồ chứa

Theo đánh giá của W Labadie [62], mặc dù nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu về việc áp dụng mô hình tối ưu cho các hệ thống hồ chứa, các tác giả như Yeh (1985) và Wurbs (1993) đã lưu ý luôn có một khoảng cách giữa lý thuyết và áp dụng thực tế, vì những lý do: (1) người vận hành hệ thống hồ chứa hoài nghi việc môhìnhtốiưucóthểt h a y thếkhả năngquyếtđịnhcủa họ,các giảiphápđãxây dựng sẵn và cảm thấy thuận tiện hơn trong việc sử dụng các mô hình mô phỏng hiện có; (2) do những hạn chế về phần cứng và phần mềm máy tính trước đây nên đã sử dụng cách tính đơn giản hóa và xấp xỉ mà người vận hành không sẵn sàng chấp nhận;

(3) mô hình tối ưu nhìn chung là phức tạp hơn về mặt toán học so với mô hình mô phỏng, và do đó khó lĩnh hội hơn; (4) nhiều mô hình tối ưu hóa không chấp nhận tính rủi ro và bất định; (5) sư đa dạng của các phương pháp tối ưu hóa dễ tạo ra sự nhầm lẫn khi lựa chọn phương pháp phù hợp cho một trường hợp cụ thể; (6) một số phương pháp tối ưu hóa, ví dụ như quy hoạch động, thường yêu cầu xây dựng chương trình riêng cho từng trường hợp cụ thể; và (7) nhiều phương pháp tối ưu hóa chỉ có thể tạo ra các giải pháp tối ưu theo thời đoạn mà không đưa ra được quy tắc vận hành phù hợp và linhđộng.

Nhiều trở ngại trong tối ưu hóa quản lý hệ thống hồ chứa hiện đang được khắc phục thông qua các hệ thống hỗ trợ ra quyết định và tiến bộ đáng kể của phần cứng và phần mềm máy tính Một số tổ chức đã chủ động kết hợp các mô hình tối ưu hóa vào công tác quản lý hệ thống hồ chứa thông qua việc sử dụng các hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Labadie et al 1989) Việc kết hợp tối ưu hóa vào các hệ thống hỗ trợ ra quyết định đã tăng cường việc ứng dụng phương pháp này bằng cách nhấn mạnh tối ưu hóa như một công cụ được kiểm soát bởi các nhà quản lý hệ thống hồ chứa, những người chịu trách nhiệm cho sự thành công hay thất bại của hệ thống trong việc đạt được mục tiêu đã đềra.

Phương phápmô phỏng

Để khắc phục những khó khăn, phức tạp trong nghiên cứu đối với hệ thống hồ chứa thực hay thực nghiệm với mô hình vật lý, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các mục đích chung phức tạp[18].

Trong những thập kỷ gần đây các mô hình mô phỏng đã được áp dụng rộng rãi trong quản lý và vận hành hệ thống hồ chứa cho nhiều lưu vực sông trên thế giới gồm các mô hình mang tính tổng thể như HEC 5 (Hydrologic Engineering Center1 9 8 9 ) v à H E C -

R E S S I M ( K l i p s c h v à n n k , 2 0 0 2 ) C á c m ô h ì n h m ô p h ỏ n g tương tự động học khác gồm POWERSIM (Powersim, Inc.) được áp dụng bởi Varvel và Lansey (2002), và VENSIM (Ventana Systems, Inc.) được áp dụng bởi Caballero và nnk (2001) Những mô hình mô phỏng, mô tả (simulation or descriptive models) này giúp trả lời những câu hỏi liên quan đến việc thực hiện các hoạt động thay thế, có thể thể hiện chính xác việc vận hành hệ thống và rất có ích cho phân tích Monte Carlo trong việc kiểm tra độ tin cậy dài hạn của chiến lược điều hành đềxuất.

Trong số các mô hình được áp dụng phổ biến hiện nay, một số mô hình có thể mô phỏng hồ chứa nhưng thường ở mức đơn giản, ví dụ mô hình cân bằng nước (MIKE BASIN hoặc MITSIM) hoặc mô hình thủy lực (MIKE 11) MIKE BASIN (hoặc MITSIM) là mô hình thiên về tính toán cân bằng nước lưu vực, có khả năng mô phỏng hồ chứa nhưng ở dạng không điều khiển và không chi tiết đối với phần điều tiết lũ và phần điều tiết phát điện mà chỉ tập trung vào vận hành hồ chứa đáp ứng mục đích cấp nước MIKE 11 có thể mô tả điều tiết lũ cho hồ chứa nhưng cách làm rất phức tạp, đòi hỏi trình độ chuyên gia So với những mô hình nêu trên, HEC- RESSIM có một số điểm mạnh như: có thể mô phỏng hệ thống hồ chứa cả phát điện, phòng lũ, cấp nước; có thể mô phỏng được hệ thống các hồ chứa phức tạp có điều khiển với nhiều công trình tràn, có quy trình vận hành liên hồ chứa; có thể mô phỏng hệ thống có kiểm soát ở hạdu.

Kết hợp phương pháp mô phỏng vớitối ưu

Một phương pháp tiếp cận khác trong nghiên cứu giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa là kết hợp mô hình mô phỏng với mô hình tối ưu Theo Wurb (1993),mặc dù tối ưu hóa và mô phỏng là hai hướng tiếp cận khác nhau, nhưng sự phân biệt rõ ràng giữa hai hướng này là khó vì hầu hết các mô hình, xét về mức độ nào đó đều chứa các thành phần của hai hướng tiếp cận trên Theo Labadie (2004), cần thiết phải có mô hình mô phỏng để kiểm tra các quy trình tối ưu được thiết lập Theo Daniel P Loucks,trong quản lý tài nguyên nước thường sử dụng kết hợp cả mô hình tối ưu hóa và mô phỏng Trong khi tối ưu hóa sẽ cho chúng ta biết những gì chúng ta nên làm hay quyết định tốt nhất là gì, các giải pháp này thường dựa trên nhiều giả định có giới hạn Bởi vậy, chúng ta cần sử dụng tối ưu hóakhông phải là một cách để tìm ra giải pháp tốt nhất, mà để xác định một số tương đối ít các lựa chọn thay thế tốt mà sau này có thể được kiểm tra, đánh giá và cải thiện bằng phương pháp mô phỏng Quá trình áp dụng tối ưu hóa để giảm số lượng lớn các giải pháp thành một số ít để có thể mô phỏng và đánh giá tốt hơn thường được gọi là sàng lọc sơ bộ [58].

Ngo L.L và nnk (2007) đã nghiên cứu tối ưu hoá vận hành hồ chứa Hoà Bình bằng cách áp dụng kết hợp mô hình mô phỏng và tối ưu hóa Các chiến lược kiểm soát lượng xả của hồ chứa được thiết lập trong mô hình mô phỏng MIKE 11 dựa trên các yếu tố dung tích trữ, các điều kiện khí tượng thuỷ văn và thời gian Thuật toán tối ưu hóa SCE (shuffled complex evolution) được sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của hồ chứa Việc tối ưu hóa tập trung vào việc cân đối giữa kiểm soát lũ và phát điện của hồ chứa Hoà Bình trong mùa lũ và mực nước hồ vào đầu mùa khô Kết quả cho thấy có thể tìm được phương án vận hành tối ưu giúp làm giảm lũ lụt hạ lưu và duy trì mực nước hồ chứa cao để tăng sản lượng điện trong mùa lũ và mùa khô tiếp theo Các kết quả cũng chỉ ra rằng thuật toán SCE là một công cụ hiệu quả để tối ưu hóa các hệ thống phứctạp.

Ứng dụng Logic mờ trong vận hànhhồ chứa

Quy trình vận hành hồ chứa, hệ thống hồ chứa liên quan chặt chẽ đến các yếu tố thủy văn như quá trình dòng chảy năm, dòng chảy lũ trên lưu vực Thực tế cho thấy quá trình dòng chảy năm, dòng chảy lũ là những yếu tố luôn biến động, khó dự báo chính xác.

Thời gian qua, cách tiếp cận theo hướng áp dụng lý thuyết “tập mờ” để xử lý các giá trị “không chính xác” trong thế giới thực đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, triển khai áp dụng và thu được những kết quả khả quan - nhất là trong lĩnh vực công nghiệp - tại các nước như Nhật, Mỹ Việc nghiên cứu áp dụng Logic mờ phục vụ vận hành hồ chứa tuy đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nhưng vẫn còn ở mức độ hạn chế Một số nghiên cứu có thể kể ra như S.Mohan và M.Anjaneya Prasad(India) với nghiên cứu về mô hình ứng dụng Logic mờ cho vận hành hệ thống hồ chứa;D.Nagesh Kumar, D.S.V.Prasad, K.Srinivasa Raju (India) áp dụng cách tiếp cận mờ trong tối ưu hóa vận hành hồchứa

Savic vàSimonovic (1991) đã sử dụng phương pháp tập mờ để mô hình hoá hoạt động một số hồ chứa để chọn mức độ rủi ro Shrestha và nnk (1996) đã cho rằng đầu vào cho các nguyên tắc vận hành hồ chứa (lượng trữ ban đầu, dòng đến, nhu cầu) cũng như đầu ra (lượng xả) có thể được mô tả bởi những tương quan mờ Những đầu vào mờ được kết hợp để tạo ra tương quan đầu ra mờ, và có thể được kết hợp với phương pháp giải mờ (defuzzified) để có được kết quả chính xác, rõ ràng (crisp ouput) Cheng Chuntain (1999) đã áp dụng mô hìnhtốiưu mờ cho điều hành lũ thời gian thực đối với hệ thống hồ chứa Các thử nghiệm nói trên dựa trên kiến thức chung bắt chước (mimic) điều hành của con người và đưa ra hai phương pháp tiếp cận: lý luận dựa trên các trường hợp và lý luận dựa theo quyluật.

Trong kết quả nghiên cứu mô hình vận hành hồ chứa đơn cấp nước dựa trên quy tắc mờ của Panigrahi, cách tiếp cận về cơ bản giống như của Russel và Campbell

(1996), với sự khác biệt là các kiến thức chuyên môn cho khung quy tắc mờ có nguồn gốc từ một mô hình ngẫu nhiên hiện Mô hình sử dụng đầu vào là dòng chảy đến, dung tích hồ chứa và nhu cầu nước, đầu ra là lượngxả.Mặc dù các kỹ thuật Logic mờ áp dụng trong nghiên cứu mới ở mức đơn giản nhưng đã chứng tỏ được khả năng ứng dụng của lý thuyết này trong vận hành hồ chứa[57].

Durbovin và nnk (2002) đưa ra mô hình vận hành hồ chứa thời gian thực dựa trên quy tắc mờ, trong đó sự thay đổi theo mùa của các biến thủy văn và mục tiêu vận hành được đưa vào tính toán, với các yếu tố đầu vào là các giá trị tương đối phụ thuộc theo mùa, thay vì sử dụng các giá trị tuyệt đối Mô hình được hiệu chỉnh để mô phỏng hoạt động thực tế cho hồ Pọijọnne ở Phần Lan Cỏc kết quả thu được đó chứng tỏ khả năng ứng dụng của Logic mờ trong vận hành hồ chứa.

Trong nghiên cứu tối ưu hóa lượng xả hàng năm của hồ chứa Jayakwadi (Ấn Độ) với hai mục tiêu là cấp nước và phát điện trên cơ sở kết hợp thuật toán quy hoạch tuyến tính và Logic mờ, lượng xả sau khi được tối ưu hóa theo từng mục tiêu sẽ được tính toán theo Logic mờ để tìm kết quả phù hợp nhất dung hòa cả hai mục tiêu [77].

Trong nghiên cứu bước đầu áp dụng hệ quy tắc mờ để tiến hành tính toán mô phỏng kiểm soát dòng chảy trên sông, kênh, hồ chứa, sử dụng đầu vào là cao trình mực nước và tốc độ dòng chảy, đầu ra là dòng chảy được kiểm soát, kết quả tính toán chỉ ra rằng có thể sản sinh một lượng lớn năng lượng từ việc kiểm soát dòng chảy [72].

Mô hình dựa trên hệ quy tắc mờ đã được xây dựng để tính toán lưu lượng xả tối ưu của hồ chứa Ukai ở Ấn Độ trong 4 tháng, sử dụng đầu vào là số liệu trung bình tháng của dòng chảy đến, lượng trữ trong hồ và nhu cầu cấp nước Kết quả tính toán cho thấy lượng xả thu được từ mô hình hoàn toàn đáp ứng nhu cầu cấp nước, đồng thời tiết kiệm được lượng nước đáng kể so với lượng xả thực tế [81].

Trong nghiên cứu cải thiện đường giới hạn cấp nước trong mùa hạn của hệ thống hồ chứa Zohre (Iran) đã tiếp cận theo hướng kết hợp ứng dụng Logic mờ và thuật toán tối ưu MOPSO (Multi-objective Particle Swarm Optimization) Trong nghiên cứu này, Logic mờ được được áp dụng để tăng tính linh hoạt của hệ số phân phối, cụ thể là khi mực nước hồ chứa thay đối từ vùng cấp nước này sang vùng cấp nước khác thì hệ số phân phối sẽ biến đổi một cách từ từ chứ không đột ngột như trước đây [60].

Tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa ởViệt Nam

Các nghiên cứu trêntoànquốc

Thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu về vận hành hồ chứa chống lũ được tiến hành trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v Công ty tư vấn Điện

I (1991) đã nghiên cứu việc kết hợp phát điện và chống lũ hạ du và khai thác tổng hợp hồ chứa Hoà Bình Viện Quy hoạch và Quản lý nước (1991) cũng nghiên cứu lập quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình phòng lũ và phát điện Nguyễn Văn Tường (1996) nghiên cứu phương pháp vận hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hàng năm với việc xây dựng tập hàm vào bằng phương pháp Monte-Carlo Hoàng Minh Tuyển (2002) đã phân tích đánh giá vai trò của một số hồ chứa thượng nguồn sông Hồng cho phòng chống lũ hạ du Lâm Hùng Sơn (2005) nghiên cứu cơ sở vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng, trong đó chú ý đến việc phân bổ dung tích và trình tự phối hợp cắt lũ của từng hồ chứa trong hệ thống để đảm bảo an toàn hồ chứa và hệ thống đê đồng bằng sông Hồng Viện khoa học Thuỷ lợi (2006) đãthựchiệndựánxâydựngquytrìnhvậnhànhliênhồchứatrênsôngĐàvàsông

Lô đảm bảo an toàn chống lũ đồng bằng Bắc bộ khi có các hồ chứa Thác Bà, Hoà Bình, Tuyên Quang Trần Hồng Thái (2005) và Ngô Lê Long (2006) bước đầu áp dụng thuật tối ưu hoá trong vận hành hồ Hoà Bình phòng chống lũ và phát điện.

Trong đề tài NCKH cấp nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc xóa các khu chậm lũ sông Hồng, sông Đáy, sông Hoàng Long”, Hà Văn Khối (2010) đã nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hồ chứa thượng nguồn sau khi có hồ Sơn La theo hướng xóa các khu chậm lũ, đã kết luận có thể sử dụng một phần dung tích chống lũ công trình cho nhiệm vụ chống lũ hạ du khi thấy cần thiết Đây cũng là một trong những cơ sở khoa học cho việc lập quy trình vận hành liên hồ chứa sau khi có hồ SơnLa.

Phần mềm Crystal Ball đã được ứng dụng trong nghiên cứu xác định chế độ vận hành tối ưu phát điện cho hồ chứa Thác Bà, Tuyên Quang và bậc thang hồ chứa Sơn

La, Hòa Bình có tính đến yêu cầu cấp nước hạ du Mô hình vận hành kết hợp giữa mô phỏng (mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ theo Monte Carlo, mô phỏng vận hành hồ và bậc thang hồ chứa) và mô hình tối ưu (tối ưu phi tuyến) để áp dụng cho hồ Tuyên Quang, Thác Bà, và bậc thang hồ chứa Sơn La, Hòa Bình Nghiên cứu đã bước đầu đề xuất chế độ vận hành tối ưu phát điện có xét đến nhu cầu dùng nước hạ du cho các hồ chứa nói trên [32].

Trong luận án tiến sĩ về Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La, tác giả đã sử dụng kết hợp mô hình MOPHONG và MIKE11 để tính toán thử dần xác định các giới hạn tích nước cho hệ thống hồ chứa Sơn La và Hòa Bình, trong đó mô hình MOPHONG dùng để tính toán điều tiết và diễn toán kiểm tra nhanh mực nước khống chế tại Hà Nội và một số điểm hạ du theo các kịch bản vận hành hệ thống hồchứaSơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang Mô hình MIKE 11 tính toán thuỷ lực hệ thống sông để kiểm tra mực nước tại hạ du theo kết quả điều tiết dòng chảy qua các hồ chứa bằng mô hình MOPHONG[10].

Ngoài ra còn một loạt các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên các lưu vực sông lớn của Việt nam như: Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) nghiên cứu áp dụng mô hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông

Hương, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương Nguyễn Thế Hùng – Lê Hùng (2009) đã áp dụng thuật toán di truyền (GA) để tìm quỹ đạo vận hành tối ưu hồ chứa Nhà máy Thủy điện

Ea Krông Rou - Tỉnh Khánh Hòa với đơn mục tiêu là sản lượng điện năng cực đại Kết quả tính toán đạt được bởi Thuật toán di truyền được so sánh với phương pháp Quy hoạch động Thuật toán di truyền đơn mục tiêu ở đây cho thấy dễ dàng mở rộng nó cho bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện đa mục tiêu so với phương pháp qui hoạch động Nguyễn Mai Đăng và Trịnh Xuân Mạnh (2014) nghiên cứu tối ưu vận hành hồ chứa Cửa Đạt cho cấp nước mùa kiệt năm 2011- 2012 trên lưu vực sông Chu Trong nghiên cứu đã ứng dụng thành công Logic mờ, xây dựng được hệ thống luật mờ cho vận hành hồ Cửa Đạt và xác định được quá trình xả tối ưu trong điều kiện thiếu nước về mùa khô Kết quả bước đầu đã cho thấy phương phápnàycó thể ứng dụng tốt cho các hồ chứa ở Việt Nam trong vận hành và xây dựng quy trình vận hành Vũ NgọcDương (2017), với đề tài Nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Thanh Hóa, đã xây dựng mô hình kết hợp vận hành hồ chứa Cửa Đạt trên cơ sở tích hợp mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ với mô hình mô phỏng vận hành hồ Cửa Đạt được xây dựng trong bảng tính Excel và modun tối ưu Opquest trong phần mềm CrystalBall.

Các nghiên cứu trên lưu vựcsôngBa

Thời gian qua, một số đề tài nghiên cứu trực tiếp về vận hành liên hồ chứa hoặc hỗ trợ, phục vụ cho việc xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông

Ba đã được tiến hành, như: Đề tài “Nghiên cứu luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng tránh, hạn chế hậu quả lũ lụt lưu vực sông Ba”, đã sử dụng mô hình HEC-HMS diễn toán mưa-dòng chảy và HEC-RAS mô phỏng quá trình lũ và diện ngập lụt cho một số trận lũ lớn trên lưu vực sông Ba, kết quả nghiên cứu đã xác định một số nguyên nhân chính gây lũ lụt trên lưu vực, các vùng nhạy cảm đối với lũ lụt và đề xuất giải pháp giảm thiểu thiệt hại [5] Nghiên cứu quy hoạch tổng hợp lưu vực sông Ba[36].

Nguyễn Hũu Khải (2011) thực hiện Đề tài KC.08.30/06-10 “Nghiên cứu xây dựng công nghệ vận hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng hợp lý tài nguyên nước về mùa kiệt lưu vực sông Ba” Quá trình giải quyết bài toán trong đề tài gồm các bước: Xây dựng các kịch bản lũ đến và mực nước đón lũ của các hồ, đưa ra các quy tắc vận hành và nguyên tắc phối hợp giữa các hồ, sau đó tiến hành tính toán mô phỏng vận hành theo các kịch bản và quy tắc đã đề ra với các trường hợp trận lũ điển hình (1986, 1988, 1993) ở các tần suất 5%, 10%, từ đó rút ra quy trình vận hành cho hệ thống liên hồ Bộ công cụ mô hình toán sử dụng là mô hình HEC-RESSIM để diễn toán dòng chảy qua từng hồ chứa về đến Củng sơn theo nguyên tắc cân bằng lượng trữ, sử dụng mô hình thủy lực MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy lũ từ trạm Củng Sơn ra tới biển Mô hình MIKE-NAM được sử dụng để tính lượng nhập lưu khu giữa.

Nguyên tắc chính trong vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ áp dụng trong Đề tài như sau: (i) Ưu tiên hồ Ayun hạ làm nhiệm vụ giảm lũ cho vùng Auyn Pa, hồ Kanak giảm lũ cho thị xã An Khê đồng thời hỗ trợ hồ Ayun hạ giảm lũ cho vùng Auyn

Pa Cụm hai hồ này hoạt động điều tiết giảm lũ gần như độc lập với các hồ Krông H’năng, sông Ba Hạ, sông Hinh ở phía dưới (ii) Ưu tiên hồ Sông Ba Hạ giảm lũ cho thành phố Tuy Hoà, hồ sông Hinh và hồ Krông H’Năng hỗ trợ cắt giảm lũ tối đa cho hạ du (iii) Mực nước hạ thấp nhất có thể của các hồ để đón lũ được đề xuất: hồ Ka Nak là 513 m, hồ Ayun Hạ là 203 m, hồ Krông H’năng là 252,5 m, Sông Ba Hạ là 103 m và Sông Hinh là 206 m (iv) Lấy mực nước BĐ II tại Củng Sơn, Phú Lâm để kiểm soát việc xảnước. Đề tài đã đề xuất quy trình vận hành liên hồ chứa chống lũ và kết luận: cần có một dung tích phòng lũ cho từng hồ chứa bằng cách hạ thấp mực nước trước lũ Không thể khống chế mực nước tại Phú Lâm xuống dưới BĐ III đối với lũ vượt tần suất P% chỉ có thể khống chế đối với lũ nhỏ hơn mức P % (tương đương với lũ năm

1986, 1988) trở xuống Khi điều tiết theo quy trình đề xuất, có thể giảm đỉnh lũ Qmax tại Củng Sơn xuống 20-25%, mực nước tại Củng Sơn giảm 0,80-1,50m, còn tại PhúLâm giảm từ 0,30-0,80m[18].

Trong nghiên cứu mô phỏng vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ bằng mô hình HEC-RESSIM, đã tính toán cho hệ thống 05 hồ gồm Kanak, Ayun Hạ, Sông Ba

Hạ, sông Hinh và Krông Hnăng Lũ sau khi được điều tiết bởi hệ thống hồ chứa sẽ được diễn toán về hạ lưu bằng mô hình MIKE 11 Nghiên cứu đã đưa ra một số kết luận: dựa vào cảnh báo lũ, có thể hạ thấp mực nước trước lũ trước 48 giờ đối với hồ sông Hinh và Krông H’năng và trước 24 giờ đối với các hồ còn lại; cần cắt lũ ở phạm vi lưu lượng đến bằng khoảng 75-85% lưu lượng đỉnh lũ đến hồ đối với hồ sông Ba hạ và bằng 35-45% Q đỉnh lũ đối với hồ sông Hinh và Krông H’năng tuỳ từng dạng lũ; không thể khống chế mực nước Phú Lâm xuống dưới BĐ III đối với lũ vượt tần suất P%[19].

Trong nghiên cứu tính toán đánh giá mức độ cắt giảm lũ của hệ thống 03 hồ Sông Ba Hạ, sông Hinh và Krông Hnăng đến ngập lụt vùng hạ du khi vận hành theo quy trình liên hồ chứa 1077, với trận lũ năm 2009 và các kịch bản điều tiết hồ khác nhau cũng được thực hiện Trong nghiên cứu này, việc vận hành điều tiết hồ chứa và diễn toán lũ phía thượng lưu áp dụng mô hình HEC-RESSIM, từ sau hồ thủy điện sông

Ba Hạ đến cửa sông Đà Rằng sử dụng mô hình thủy lực MIKE Flood Nghiên cứu đã đưa ra một số kiến nghị: với dung tích phòng lũ được tạo ra từ dung tích trước lũ đến dung tích đón lũ là không nhiều, nên việc giảm lũ cho hạ du không đáng kể đối với những trận lũ có quy mô bằng và lớn hơn trận lũ 2009; việc đưa mực nước trước lũ hạ dần xuống mực nước đón lũ phải tùy thuộc vào quy mô của trận lũ để quyết định[13].

Trong đề tài nghiên cứu về đặc điểm lưu vực sông Ba trong vận hành hồ chứa và đánh giá môi trường tích lũy, tác giả đã đánh giá điều kiện khí tượng thủy văn và địa hình lưu vực sông Ba dẫn tới việc dự báo lũ rất khó chính xác Thời gian dự kiến có độ tin cậy cho phép khoảng 6h, 12h đến 24h Đặc biệt là dự báo mưa, lũ sau bão đi qua Có thể phân thành 2 cụm hồ chứa theo đặc điểm khí hậu chiếm ưu thế: (i) Cụm hồ chứa thuộc vùng Tây Trường Sơn gồm thủy điện An Khê - KaNak, hồ thủy lợi AyunHạ; (ii) Cụm hồ chứa thuộc Đông Trường Sơn gồm các hồ sông Hinh, Sông Ba Hạ,Krông H’năng[29].

Trong luận án tiến sĩ của Lương Hữu Dũng về Nghiên cứu cơ sở khoa học phục vụ vận hành hệ thống liên hồ chứa kiểm soát lũ lưu vực sông Ba, các nội dung nghiên cứu chính là xác định nhiệm vụ của 05 hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba, phối hợp vận hành liên hồ chứa và đề xuất cải tiến nội dung vận hành liên hồ chứa cắt giảm lũ trên lưu vực Quá trình giải quyết bài toán theo các bước: đưa ra nguyên tắc phối hợp, phương án vận hành liên hồ, sau đó tiến hành tính toán kiểm tra với các trường hợp trận lũ điển hình (1981, 1988, 1993 và 2009) và dung tích đón/phòng lũ đề xuất, từ đó rút ra phương án vận hành phù hợp Để phục vụ nghiên cứu, tác giả đã sử dụng bộ công cụ mô hình toán gồm: tự xây dựng mô đun vận hành cửa van điều tiết trong mùa lũ và diễn toán dòng chảy trong sông từ các hồ chứa đến trạm thủy văn Củng Sơn, kết hợp với sử dụng mô hình Mike11 để mô phỏng, kiểm tra mực nước và lưu lượng tại các điểm kiểm soát được thiết lập từ trạm Củng Sơn xuống hạ du ra tới biển Việc kéo dài và đồng bộ dòng chảy lũ đến vị trí các hồ và các lưu vực khu giữa bằng mô hình MIKE-NAM trong luận án được kế thừa từ kết quả nghiên cứu trước đó, và được dùng làm đầu vào cho mô hình vận hành hồ chứa và mô hình thủy lực Đặc trưng thủy văn (BĐ I) tại các trạm thủy văn An Khê, Ayun Pa, Củng Sơn và Phú Lâm được chọn làm cơ sở để vận hành các hồ chứa trong bài toán vận hành liên hồ chứa kiểm soátlũ.

Trên cơ sở phân tích đặc điểm lũ, dung tích các hồ, tác giả đã đề xuất nguyên tắc phối hợp vận hành cắt giảm lũ giữa cáchồ,dung tích đón/phòng lũ của các hồ như sau: (i) Hồ Ka Nak và Ayun Hạ có thể duy trì mực nước cao trong mùa lũ và sẽ xả nước tạo dung tích để đón lũ khi có dự báo xuất hiện lũ trên lưu vực; Mực nước hạ thấp nhất có thể của hồ Ka Nak là 511,8 m và của hồ Ayun Hạ là 203 m (ii) Các hồ Krông H’năng, Sông Ba Hạ và Sông Hinh sẽ không hạ thấp mực nước tạo dung tích đón lũ khi có dự báo xảy ra lũ mà phải dành dung tích để phòng lũ trong suốt mùa lũ. Mực nước hạ thấp nhất có thể của hồ Krông H’năng là 250,2 m, Sông Ba Hạ là 103,1 m và Sông Hinh là 206,2m.

Từ kết quả tính toán đã đưa ra một số kết luận: (i) Với tiêu chí xả nước tạo dung tích đón lũ không gây báo BĐ I ở hạ du nên cả 2 hồ Ka Nak và Ayun Hạ đều không thể xả đạt dung tích hạ thấp cho phép trong 24 giờ; (ii) Hầu hết các hồ không thể cắt lũ triệt để nhằm hạ thấp mực nước xuống dưới mức BĐ I hoặc BĐ II, mà chỉ tham gia hỗ trợ giảm lũ: Đối với hồ Ka Nak giảm được mực nước đỉnh lũ cho trạm An Khê 4,15m; Hồ Ayun hạ giảm được mực nước đỉnh lũ cho trạm Ayun Pa 1,14m; Cụm hồ Sông Ba Hạ và Sông Hinh giảm được mực nước đỉnh lũ cho trạm Củng Sơn0,56m.

Một số đề xuất của tác giả về cải tiến nội dung vận hành liên hồ chứa cắt giảm lũ: (i) Điều chỉnh nhiệm vụ phòng lũ các hồ chứa: Hồ Ka Nak và Ayun Hạ đóng vai trò đón lũ Các hồ Krông H’năng, Sông Ba HạvàSông Hinh đóng vai trò phòng lũ (ii) Mực nước cho phép các hồ xả nước đón lũ: Các hồ được phép xả nướcđónlũkhimựcnướchạdutạicácđiểmkiểmsoátnhỏhơnhoặcbằngBĐI.

Công nghệ dự báo hỗ trợvậnhành

Cùng với việc xây dựng và hoàn thiện quy trình vận hành thì công tác dự báo thuỷ văn cũng được quan tâm nghiên cứu Trịnh Quang Hoà (1997) với công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng đã được áp dụng hiệu quả trong phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng Nguyễn Lan Châu (2005) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ sông Đà phục vụ điều tiết hồ Hoà Bình phòng chống lũ bằng cách tích hợp các mô hình thuỷ văn, thuỷ lực và điều tiết hồ chứa Nguyễn Viết Thi (2008) nghiên cứu dự báo lũ đến hồ chứa với thời gian dự kiến 3÷5 ngày phục vụ vận hành liên hồ chứa sông Hồng chống lũ Trần Tân Tiến (2006) đã nghiên cứu liên kết mô hình RAMS dự báo mưa và mô hình sóng động học một chiều dự báo lũ khu vực miền Trung Vũ Minh Cát (2007) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối với công nghệ vận hành hệ thống phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng-Thái Bình Gần đây có: nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng của Bùi Đình Lập (2017), nghiên cứu xây dựng công nghệ nhận định lũ lớn và dòng chảy mùa cạn trênlưuvựcsôngHồngcủaTrịnhThuPhương(2017),Nghiêncứuxâydựngcông nghệ cảnh báo, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho các sông chính ở Bình Định, Khánh Hòa của Đặng Thanh Mai (2017).

Trên lưu vực sông Ba cũng có các nghiên cứu được thực hiện, như: nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa chính trên lưu vực sông Ba bằng mô hình thuỷ văn mưa dòng chảy (HEC-HMS), mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa (HEC- RESSIM) kết hợp với kết quả dự báo từ mô hình khí tượng BOLAM Phương án tính toán: từ kết quả mưa lưới dự báo trước 24 giờ để tính toán dự báo lũ trên lưu vực, tính toán với thời gian dự kiến T=6 giờ để dự báo dòng chảy lũ đến cho các hồ Kết quả dự báo thử nghiệm cho thấy, chỉ số đảm bảo của phương án dự báo đều đạt trên 80% tại Củng Sơn, An Khê, Ayun Hạ Kết quả cũng khẳng định hướng đi mới là dự báo lũ có kết hợp với mưa dự báo để cải thiện chất lượng dự báo và kéo dài thời gian dự kiến [1]. Đặng Thanh Mai và nnk (2015) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống phân tích, giám sát, cảnh báo và dựbáolũ, ngập lụt và hạn hán cho hệ thống sông Ba” với mục tiêu xây dựng được một hệ thống phân tích, giám sát, cảnh báo và dự báo lũ, ngập lụt, hạn hán cho hệ thống sông Ba sử dụng trong dự báo nghiệp vụ nhằm mục tiêu đảm bảo cảnh báo lũ trước 48 giờ, dự báo đỉnh lũ, quá trình lũ và ngập lụt trước 24 giờ trên hệ thống sông Ba Trong đó, mô hình NAM được dùng mô phỏng dòng chảy từ mưa làm đầu vào cho mô hình thủy lực và mô hình điều tiết hồ chứa trên toàn lưu vực Mô hình Mike 11-GIS dùng các kết quả của các mô hình NAM và điều tiết hồ để mô phỏng dòng chảy và ngập lụt vùng hạ lưu hệ thống sông Công nghệ này đã được chạy thử nghiệm trong mùa lũ năm2012.

Theo đánh giá của Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương, chất lượng dự báo bão, lũ năm 2016 đã vượt chỉ tiêu đối với dự báo trước 12÷24 giờ, đạt yêu cầu đối với dự báo trước 24÷48 giờ, sai số còn lớn đối với dự báo trước 48÷72 giờ.Khả năng dự báo và độ chính xác của dự báo lũ tùy thuộc vào thời gian dự kiến của dự báo và vị trí dự báo Thời gian dự báo càng dài hơn so với thời gian tập trung nước trên lưu vực thì độ chính xác, độ tin cậy cũng giảm theo Thời gian dự kiến dự báo quá trình lũ cho khu vực Trung bộ, Tây Nguyên từ 3÷12 giờ, đối với các sông lớn là 24 giờ, mức đảm bảo dự báo khoảng75÷80%.

Như vậy có thể thấy trong giai đoạn hiện tại, việc dự báo lũ đến hồ chứa theo thời gian dự kiến 3÷5 ngày với yêu cầu đạt độ chính xác, độ tin cậy cho phép là khá khó khăn, đặc biệt là đối với lưu vực các sông ở miền Trung như lưu vực sông Ba.

Quá trình phát triển Quy trình vận hành hệ thống hồ chứasôngBa

Theo phân công của Chính phủ, Bộ Nông nghiệp và PTNN và Bộ Công thương chịu trách nhiệm về an toàn công trình thuộc lĩnh vực quản lý của mình Đối với mỗi hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn đã được xây dựng trên lưu vực sông Ba đều đã có quy trình vận hành được lập riêng, nhằm đáp ứng mục tiêu riêng của từng hồ, như: Quy trình vận hành hồ An Khê-Ka Nak được ban hành theo Quyết định số 293/QĐ-BCT ngày 17/01/2012 của Bộ Công Thương; Quy trình vận hành hồ Ayun Hạ được ban hành theo Quyết định số 64/2004/QĐ-BNN ngày 11/11/2004 của Bộ Nông nghiệp & PTNN; Quy trình vận hành hồ thuỷ điện Sông Hinh được ban hành theo Quyết định số 2775/QĐ-EVN-KTNĐ ngày 23/8/2002 của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam; Quy trình vận hành hồ thuỷ điện Krông H’năng được ban hành theo Quyết định số 4046/QĐ-BCT ngày 13/8/2010 và Quy trình vận hành hồ thuỷ điện Sông Ba Hạ được ban hành theo Quyết định số 1863/QĐ-BCT ngày 14/4/2009 của Bộ Công Thương. Nguyên tắc cơ bản về giảm lũ được quy định cho tất cả các công trình thủy điện là không làm gia tăng lưu lượng đỉnh lũ.

Bộ Tài nguyên và Môi trường chịu trách nhiệm xây dựng quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa, đến hết năm 2017 đã trình Chính phủ ban hành các quy định về phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa điều tiết cắt giảm lũ cho hạ du, như: “Quy trình vận hành liên hồ chứa các hồ Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H’Năng, Ayun Hạ và AnKhê-Ka Nak trong mùa lũ hàng năm” được ban hành theo Quyết định số 1757/QĐ-TTg ngày 23/9/2010 của Thủ tướng Chính phủ (Quy trình 1757); “Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba” được ban hành theo Quyết định số 1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014 (Quy trình 1077); Quyết định số 282/QĐ-TTg ngày 01/3/2017 về sửa đổi, bổ sung một số điều của Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba.Tuy nhiên, Quyết định số 282/QĐ-TTg chỉ sửa đổi, bổ sung một số nội dung: vận hành duy trì dòng chảy sau đập An Khê trong mùa lũ khi không tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du; vận hành duy trì dòng chảy sau đậpAn

Khê và sông Hinh trong mùa cạn Đến nay, về cơ bản việc vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du lưu vực sông Ba vẫn được thực hiện theo Quy trình 1077.

Một số nguyên tắc chính của Quy trình 1757 như sau:

- Mùa lũ được quy định từ ngày 01 tháng 9 đến ngày 15 tháng12hàng năm. Khi phối hợp vận hành giữa các hồ để giảm lũ cho hạ du, các hồ được chia thành hai cụm:cụm hồ phía hạ du (có quan niệm coi là cụm hồ phía Đông) gồm hồ Sông

Ba Hạ, Sông Hinh và Krông H’Năng, cụm hồ phía thượng du (có quan niệm coi là cụm hồ phía Tây) gồm hồ Ayun Hạ và Ka Nak-AnKhê.

- Trong giai đoạn các hồ xả nước đón lũ, việc vận hành cụm hồ phía hạ du căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, dự báo lưu lượng đến hồ trong 24 giờ tới và mực nước tại Phú Lâm; việc vận hành cụm hồ phía thượng du căncứvào mực nước hiện tại của hồ, dự báo lưu lượng đến hồ trong 24 giờ tới và mực nước tại trạm thủy văn An Khê hoặc Ayun Pa Thời gian xả để đưa mực nước các hồ về cao trình mực nước đón lũ khoảng 24giờ.

- Trong giai đoạn vận hành giảm lũ cho hạ du, sẽ căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, số liệu dự báo lưu lượng đỉnh lũ đến hồ trong 6 đến 12 giờ tới đối với cụm hồ phía hạ du (cụm hồ phía Đông) hoặc 6 giờ tới đối cụm hồ phía thượng du (cụm hồ phía Tây) để vận hành giảm đỉnhlũ.

- Sau đỉnh lũ, phải đưa mực nước hồ về cao trìnhMNDBT.

Bảng 1.1: Cao trình mực nước đón lũ của các hồ theo quy trình 1757

Krông H’Năng Ka Nak Ayun Hạ

Nguồn: Quyết định số 1757/QĐ-TTg ngày 23/9/2010 của Thủ tướng Chính phủ.

Quy trình 1077 được ban hành năm 2014 đã có một số điều chỉnh (so với Quy trình 1757) như sau:

- Đã đưa quy định mới về vận hành trong mùa lũ liên quan đến mực nước trước lũ và mực nước đón lũ Cụ thể là Quy trình 1077 quy định trong thời kỳ mùa lũ nói chung, khi chưa tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du, mực nước các hồ chứa khôngđượcvượtmựcnướccaonhấttrướclũvàkhikếtthúcquátrìnhgiảmlũcho hạ du phải đưa dần mực nước hồ về cao trình mực nước trước lũ Như vậy, trong khi Quy trình 1757 cho phép duy trì mực nước các hồ ở MNDBT thì Quy trình 1077 chỉ cho phép duy trì mực nước các hồ ở MNCNTL để phòng lũ Việc điều chỉnh nàytuycó thể mang đến hiệu quả cao hơn cho chống lũ, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực đến hạ du nhưng lại làm giảm hiệu quả phát điện do phải hạ mực nước hồ một thời gian dài để phòng đónlũ.

- Trong giai đoạn hạ mực nước hồ để đón lũ, với nhiệm vụ là đưa mực nước các hồ về cao trình mực nước đón lũ, việc vận hành cụm hồ phía hạ ducăncứ vào mực nước hiện tại của hồ, số liệu dự báo khả năng thời tiết gây mưa, lũ trong vòng

24 đến 48 giờ tới và mực nước tại Phú Lâm; cụm hồ phía thượng du được vận hành căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, số liệu dự báo khả năng thời tiết gây mưa, lũ trong vòng 24 đến 48 giờ tới và mực nước tại trạm thủy văn An Khê hoặc Ayun Pa. Như vậy theo Quy trình 1077 thì dung tích đón lũ của mỗi hồ sẽ tăng thêm do MNĐL của mỗi hồ được quy định thấp xuống, tổng dung tích đón lũ tăng thêm của

- Trong giai đoạn vận hành giảm lũ cho hạ du, sẽ căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, đặc biệt là căn cứ vào mực nước tại các trạm thủy văn như Phú Lâm (đối với cụm hồ phía hạ du) hoặc các trạm thủy văn Ayun Pa, An Khê (đối với cụm hồ phía thượng du) để quyết định vận hành các hồ giảm lũ Như vậy, việc vận hành giảm lũ cho hạ du theo Quy trình 1077 đã quan tâm hơn đến yếu tố mực nước khống chế ở hạ du, trong khi quy trình trước không xét đến yếu tốnày.

- Vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ: sau mối trận lũ phải đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trướclũ.

Bảng 1.2: Cao trìnhmực nước cao nhất trước lũ,mực nước đón lũ của các hồ theo quy trình 1077

Krông H’Năng Ka Nak Ayun Hạ

Mựcnước cao nhất trước lũ(m) 103 207 252,5 513 203

Nguồn: Quyết định số 1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014 của Thủ tướng Chính phủ.

Thực tế vận hành các hồ chứa trong mùa lũ theo Quy trình 1077 cho đếnnayđã bộc lộ một số khó khăn, chưa hợp lý, ví dụ như khi chỉ có mưa lớn sinh lũ ở phần hạ lưu sông Ba hoặc khi các tiểu lưu vực khác trên sông Ba không có mưa mà chỉ có mưa cục bộ tại tiểu lưu vực hồ Krông H’Năng thì việc phải đồng loạt vận hành xả nước đón lũ của các hồ ở thượng du, không có lưu lượng lũ đến lớn như Ka Nak, Ayun Hạ theo quy trình liên hồ hiện hành là không hợp lý, không mang lại hiệu quả cho chống lũ đồng thời giảm hiệu quả phát điện Việc thường xuyên phải duy trì mực nước các hồ ở MNCNTL trong mùa lũ cũng làm giảm đầu nước phát điện, ngoài ra còn tiềm ẩn nguy cơ không tích được đủ nước vào cuối mùalũ.

Thời gian qua, Công ty Cổ phần Sông Ba đã chủ động triển khai nghiên cứu, ứng dụng tại NMTĐ Krông H’năng các giải pháp: quan trắc mưa trên toàn lưu vực và tính toán dự báo quá trình lũ về hồ; đo chính xác mực nước hồ để tính lưu lượng thực tế về hồ; xác định điểm bắt đầu và lưu lượng xả lũ hợp lý nhằm bảo đảm an toàn cho hạ du và tích đầy nước cuối trận lũ và đã đạt được những kết quả tích cực trong các năm 2015, 2016 Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng đang phối hợp với các cơ quanTrung ương, địa phương nghiên cứu rà soát, sửa đổi bổ sung các quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành cho phù hợp hơn với thực tế.

Hướng tiếp cậnnghiên cứu

Như phân tích ở trên, có nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa, trong đó phương pháp ứng dụng Logic mờ là phương pháp có nhiều điểm mạnh trong xử lý các bài toán có yếu tố đầu vào không chắc chắn, rất phù hợp cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa với dòng chảy đến đầy tính ngẫu nhiên, biến động Đây cũng là phương pháp chưa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực tài nguyên nước ở Việt Nam Vì vậy, Luận án hướng tới việc bổ sung phương pháp luận và định hướng tiếp cận đối với bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du thông qua Logic mờ Hướng tiếp cận chung của nghiên cứu như trong sơ đồ Hình1.3:

Hình 1.3: Sơ đồ hướng tiếp cận nghiên cứu

Lýthuyết mờ

Tậpmờ

L.A Zadeh là người sáng lập ra lý thuyết tập mờ, khởi đầu là bài báo “Fuzzy Sets” đăng trên Tạp chí Information and Control, 8/1965, mở đầu cho sự phát triển và ứng dụng của lý thuyết này Ý tưởng chính của khái niệm tập mờ của Zadeh là từ những khái niệm trừu tượng về ngữ nghĩa của những thông tin mờ, không chắc chắn như trẻ-già, nhanh-chậm, cao-thấp , ông đã tìm ra cách biểu diễn bằng khái niệm toán học, được gọi là tập mờ. Định nghĩa: Tập mờ A xác định trên tập X là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp cỏc giỏ trị (x,àA(x)), trong đú xX và àAlà ỏnh xạ Tập mờ A được xỏc định bởi đẳng thức:

A = { (àA(x)/x) : xX , àA(x)[0,1]} (1) Ánh xạ àA: X[0,1] được gọi là hàm liờn thuộc (hoặc hàm thuộc, hàm thành viên - membership function) của tập mờ A Biến x lấy giá trị trong X được gọi là biến cơ sở, còn tập X được gọi là tập tham chiếu (hay tập nền, miền cơ sở) của tập mờA.

Giỏ trị àA(x) tại x là độ phụ thuộc của phần tử x đối với tập A Nếu hàm liờn thuộc của phần tử x có giá trị bằng 0 thì phần tử đó không thuộc tập đã cho, có giá trị bằng 1 thì phần tử đó thuộc hoàn toàn tập đã cho [4].

Trong kỹ thuật điều khiển mờ thụng thường, cỏc hàm liờn thuộc àA(x) cú dạng

“trơn” thường được thay bằng một hàm tuyến tính từng đoạn Một hàm liên thuộc có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính.

Hình 2.1 : Một số dạng hàm liên thuộc A (x). Để đơn giản khi tích hợp các hàm liên thuộc, người ta thường quan tâm đến các dạng số mờ hình tam giác và số mờ hình thang.

Tập mờ A có dạng hình thang được xác định bởi bộ 4 giá trị (a, b, c, d), ký hiệu

A = (a, b, c, d), hàm liên thuộc được được biểu diễn như sau:

Tập mờ dạng hình tam giác là trường hợp đặc biệt của tập mờ dạng hình thang,hàm liên thuộc được biểu diễn như sau:

2.1.1.2 Mộtsố khái niệm đặc trưng của tậpmờ

(i) Giá của tập mờ A (còn được gọi là Miền xác định của tập mờ): ký hiệu là Support(A), là một tập con chứa các phần tử có mức độ phụ thuộc (vào A)>0.

(ii) Độ cao của tập mờ: độ cao của tập mờ A, ký hiệu là hight(A), là cận trên đỳng (supremum) của hàm thuộc àAtrờn X, hay cũn được hiểu là giỏ trị phụ thuộc lớn nhất của các phần tửx.

(iii) Tập mờ chuẩn (normal): Tập mờ A được gọi là chuẩn nếu Hight(A) = 1 Trái lại, tập mờ được gọi là dưới chuẩn(subnormal).

(iv) Lõi của tập mờ: Lõi của tập mờ A, ký hiệu là Core(A), là một tập con của X được xác định như sau:

Trong Logic mờ có ba toán tử cơ bản cho các tập mờ gồm: giao của các tập mờ, hợp của các tập mờ và lấy phần bù của tập mờ.

(i) Giao của các tập mờ ∩ (fuzzy AND conective): xét hai tập mờ A và B có cỏc hàm liờn thuộc àA(x) và àB(x) tương ứng, giao của cỏc tập mờ A và B là một tập mờ được định nghĩa bởi hàm liên thuộcsau: àA∩B(x) = Min{àA(x), àB(x)}, x∈X (ii) Hợp của các tập mờU(fuzzy OR conective): xét hai tập mờ A và B có các hàm liờn thuộc àA(x) và àB(x) tương ứng, hợp của cỏc tập mờ A và B là một tập mờ được định nghĩa bởi hàm liên thuộcsau: àAUB(x) = Max{àA(x), àB(x)}, x∈X

(iii) Lấy phần bù của tập mờ U (fuzzy NOT conective): xét tập mờ A có các hàm liờn thuộc là àA(x), phần bự của tập mờ A là một tập mờ được định nghĩa bởi hàm liên thuộcsau: àĀ(x) = 1-àA(x), x∈X

Khi biểu diễn các khái niệm ngôn ngữ nhưnhỏ,trung bình,lớn,rất lớn,…trong một ngữ cảnh cụ thể, biến mờ được gọi là biến ngôn ngữ Biến ngôn ngữ được xác định theo một biến cơ sở trên một tập cơ sở là số thực trên một khoảng cụ thể Biến cơ sở có thể là:điểm, tuổi, nhiệt độ,…Trong một biến ngôn ngữ, các trị ngôn ngữ biểu diễn các giá trị xấp xỉ của biến cơ sở, các trị ngôn ngữ này là cácsố mờ.

Ví dụ: xét Biến ngôn ngữ là nhiệt độ nước khi đun T Biến cơ sở là nhiệt độ

X Nhiệtđộnướctừ10 0 Cđến100 0 Chayt ập cơsởX=[10,100].Dảinhiệtđộtừ10 0 Cđến100 0 Cđượcc hiathànhcácdảinhiệtđộrấtthấp(RT),thấp(T),trungbình(TB), cao (C), rất cao (RC). Các tập mờ cho các giá trị ngôn ngữT={RT, T, TB, C, RC} được biểu diễn nhưHình 2.2sau:

Hình 2.2 : Sơ họa các tập mờ cho giá trị ngôn ngữ nhiệt độ nước T.

Lôgicmờ

Logic mờ dùng công cụ chính là lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các bài toán phức tạp Logic mờ tập trung trên biến ngôn ngữ trong ngôn ngữ tự nhiên nhằm cung cấp nền tảng cho lập luận xấp xỉ với những vấn đề không chính xác, thay vì lập luận chính xác theo lôgic cổđiển.

2.1.2.1 Cácmệnh đềmờ Đối tượng nghiên cứu của lôgic mờ là các mệnh đề mờ và việc xác định giá trị chân lý của chúng Mệnh đề mờ chứa những khái niệm không chính xác, không chắc chắn và do đó không đủ thông tin để định giá giá trị chân lý là “tuyệt đối đúng” hay

“tuyệt đối sai” theo nghĩa kinh điển Giá trị chân lý của các mệnh đề mờ nằm trong đoạn [0,1]. a Mệnh đề mờ không điều kiện và không bị giớihạn

Nếu một mệnh đề được tuyên bố rõ giá trị chân lý, tức là đã “giới hạn” giá trị chân lý của nó vào một giá trị cụ thể nào đấy, thì đó là mệnh đề có giới hạn, ngược lại ta nói mệnh đề đó không bị giới hạn Còn mệnh đề điều kiện là mệnh đề nếu-thì, nếu khụng như vậy mệnh đề đú ủược gọi là mệnh đề khụng điều kiện.

Mệnh đề mờ không điều kiện và không giới hạn là mệnh đề dạng: p : X là A (4) trong đó X là biến với miền tham chiếu U, A là tập mờ trên U biểu thị ngữ nghĩa của giá trị ngôn ngữ như trẻ, rất cao, nhanh nhẹn, … Để đơn giản ta ký hiệu hàm liên thuộc của tập mờ A là A(u) Trong trường hợp cụ thể khi X nhận giá trị cụ thể uU thì giá trị chân lý của mệnh đề p được cho bởi (4) là: u là A và ta ký hiệu: sau: tv(p) = A(u), uU (5) b Mệnh đề mờ không điều kiện có giới hạn chân lý(qualified)

Một mệnh đề mờ không điều kiện và giới hạn được biểu thị ở dạng chuẩn p : “X là A”làτ (6) trong đó X và A là các đại lượng giống như trường hợp trên, còn τ là phép giới hạn chân lý mờ (fuzzy truth qualifier) và nó là tập mờ trên tập U = [0;1].

Trường hợp tổng quát, với mệnh đề giới hạn chân lý p trong (6) và với mỗi phần tử uU, giá trị chân lý tv(p) của mệnh đề p được định giá bằng công thức tv(p)=τ(A(u)) (7)Dựa trên (7), nếu τ là hàm đồng nhất, τ(t) = t, với t[0;1], ta sẽ có lại được công thức định giá chân lý (5) của mệnh đề không giới hạn chân lý Điều này chỉ ra rằng mệnh đề không giới hạn chân lý có thể xem như là mệnh đề giới hạn chân lý với τ = true mà hàm thuộc của nó là hàm đồngnhất. c.Mệnh đề điều kiện không giới hạn chânlý

Mệnh đề điều kiện không giới hạn chân lý (conditional and unqualified proposition) có dạng sau: p : Nếu X là A, thì YlàB (8) trong đó X và Y là các biến nhận các giá trị tương ứng trong miền cơ sở U và V, còn A và B là các tập mờ tương ứng trên miền U và V. d.Mệnh đề điều kiện có giới hạn chânlý

Mệnh đề điều kiện có giới hạn chân lý có dạng sau: p : “Nếu X là A, thì Y là B”làτ (9) với τ là giá trị chân lý ngôn ngữ biểu thị bằng hàm thuộc τ(t), t[0;1].

Cho mệnh đề mờ P và Q, từ các mệnh đề mờ này ta xây dựng mệnh đề kéo theo P→Q, P được gọi là mệnh đề điều kiện (tiền đề), Q là mệnh đề kết luận (hậu đề).

Giá trị chân lý của mệnh đề kéo theo P→Q được xác định theo giá trị chân lý của mệnh đề thành phần: tiền đề T(P) = a và hậu đề T(Q) = b.

Giá trị chân lý của P→Q được xác định bởi hàm kéo theo mờ J như sau:

T(P→Q) = J(a,b) Một số hàm kéo theo thường được sửdụng:

Bộ điềukhiển mờ

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển dựa trên nguyên tắc mờ là bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic controller) [59], được minh họa trongHình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của Bộ điều khiển mờ

Các thành phần chính của Bộ điều khiển mờ: (a) Mờ hoá yếu tố đầu vào (Fuzzification of inputs), trong bước này các biến đầu vào rõ như dòng vào, dung tích hồ chứa, mực nước khống chế ở hạ du được chuyển đổi thành các biến đầu vào mờ, (b) Xây dựng hệ luật mờ (Fuzzy rule base system) dựa trên cơ sở kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực tế, (c) Áp dụng hệ suy diễn mờ (Fuzzy inference system) để tạo ra kết quả là các tập đầu ra mờ, và (d) Giải mờ (Defuzzification) để tạo các biến đầu ra rõ như lưu lượng xả qua hồ chứa Trong hệ thống dựa trên nguyên tắc mờ, các quy tắc điều hành được suy ra từ các hoạt động trước đây và do đó các kinh nghiệm của nhà điều hành có thể được tích hợp vào hệ thống.

2.1.3.1 Mờhoá yếu tố đầu vào (Fuzzification ofinputs)

Mờ hoá yếu tố đầu vào là quá trình chuyển đổi các giá trị đầu vào rõ thành các giá trị mờ Đây là bước đầu tiên trong việc xây dựng một hệ thống suy luận mờ Trong bước này các đầu vào rõ như dòng vào, dung tích hồ chứa, mực nước khống chế ở hạ du được chuyển đổi thành các biến đầu vào mờ Các biến đầu vào mờ này sẽ được biểu diễn bởi các hàm liên thuộc, thể hiện mức độ phụ thuộc của các biến đầu vào đối với mỗi tập hợp mờ Ví dụ minh họa cho việc mờ hoá yếu tố đầu vào được trình bày trongHình 2.2.

2.1.3.2 Hệ luật mờ (Fuzzy rule base system)

Hệ luật điều khiển mờ được đặc trưng bởi tập hợp các luật mờ hoạt động theo nguyên tắc “IF-THEN“, trong đó "IF" đại diện cho các vector của các biến giải thích mờ, và "THEN" là kết quả mờ Tập hợp các luật điều khiển này biểu thị quan hệ vào-ra của hệ thống Dạng tổng quát của các luật điều khiển trong trường hợp nhiều biến vào, một biến ralà:

R i : IF x là Ai, , AND y là Bi, THEN z là Civới i=1, 2, , n trongđóx,,y vàzlàcácbiếnngônngữbiểuthịbiếnđầuvàovàbiếnđầu ra của các luật mờ điều khiển quy trình tương ứng Ai, , Bi, và Cilà giá trị ngôn ngữ của các biến x, , y và z trong tập nền X, , Y và Z tương ứng.

Các luật mờ trong các công thức trên xác định trạng thái của quy trình tại thời điểm t, tính toán và đưa ra các tác động như là hàm của các biến x, ,y.

*Các dạng luật chính tắc

Có ba dạng luật chính tắc, gồm: (i) các phát biểu gán, (ii) các phát biểu có điều kiện và (ii) các phát biểu không điều kiện Phát biểu gán giới hạn giá trị của biến vào một đại lượng nhất định Phát biểu không điều kiện được xem như một trường hợp của phát biểu có điều kiện với mệnh đề điều kiện là toàn bộ tập nền, ví dụ một phát biểu như “được phép tích nước” có thể viết lại dưới dạng có điều kiện:

IF(với mọi trường hợp)THEN(được phép tích nước).

Do đó luật mờ có thể được mô tả bởi một tập hợp các luật có điều kiện Các luật này được tổng quát hóa dưới dạng có điều kiện như sau:

*Kết hợp (aggregation) các luật mờ

Các hệ thống hoạt động dựa trên cơ sở luật mờ thường liên quan đến nhiều luật. Quá trình đưa ra kết luận cuối cùng từ các kết luận đóng góp bởi từng luật trong hệ cơ sở luật mờ được gọi là kết hợp các luật Có hai kiểu kết hợp đơngiản:

- Liên kết (conjunction) các luật: trong trường hợp một hệ các luật phải cùng được thỏa mãn, các luật được kết nối bởi “AND” Trong trường hợp này biến đầu ra z được xác định bởi giao của các kết luận riêng biệt z i , trong đó i=1, 2, ,r nhưsau: z = z 1 and z 2 and and z r và được định nghĩa bởi hàm liên thuộc:

- Phân ly (disjunction) các luật: trong trường hợp hệ các luật phân ly thì chỉ cần thỏa mãn ít nhất một luật, các luật được kết nối bởi “OR” Trong trường hợp này biến đầu ra được xác định bởi lấy hợp của tất cả các luật có đónggóp: y =y 1 ory 2 or ory r và được định nghĩa bởi hàm liênthuộc:

2.1.3.3 Hệ suy diễn mờ (Fuzzy inferencesystem)

Hệ suy diễn mờ là phần nòng cốt của bộ điều khiển mờ, trong đó quy tắc modus ponens đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ chế suy diễn Ứng dụng suy luận hợp thành cho quy tắc modus ponens được mô tả như lược đồ sau:

Tiền đề 1: Nếu X là A, thì Y là B

Trong đó A, A’, B, B’ là các tập mờ tương ứng trên các không gian tham chiếu

U của X và V của Y Tiền đề 1 biểu thị mối quan hệ giữa hai đại lượng X và Y, với biến X nhận giá trị trong U và biến Y nhận giá trị trong V Lược đồ lập luận trên được gọi là quy tắc cắt đuôi tổng quát hóa (generalized modus ponens) [11].

Khi tiền đề chỉ chứa 1 luật, ta có thể gọi là phương pháp lập luận mờ đơn điều kiện (fuzzy single conditional reasoning method) Trường hợp phương pháp lập luận dựa vào nhiều luật, ta gọi là phương pháp lập luận mờ đa điều kiện (fuzzy multiple conditional reasoningmethod).

Phương pháp lập luận mờ đa điều kiện được mô tả bằng lược đồ sau:

Tiền đề 1: Nếu X là A1, thì Y là

B1Tiền đề 2: Nếu X là A2, thì Y là

Tiền đề n: Nếu X là An, thì Y là

Kếtluận: Y làB’ trong đó, X và Y là các biến trên các không gian tham chiếu U và V tương ứng,

A1, A2, Anlà các tập mờ trên U còn B1, B2, Bnlà các tập mờ trên V.

Trong các ứng dụng điều khiển mờ, các phép hợp thành max-min và max- prod thường được sử dụng vì việc tính toán đơn giản và hiệu quả.

Với phép hợp thành max-min:

Với phép hợp thành max-prod:

Các kết quả đạt được có dạng mờ và cần được giải mờ (lượng hoá) để chuyển đổi thành các kết quả rõ Có nhiều phương pháp giải mờ được đề xuất như: Phương pháplấyMax hàm liên thuộc (phương pháp độ cao), Phương pháp trọng tâm (centroid method hay centre of gravity), Phương pháp trung bình có trọng số, Phương pháp mean-max, Phương pháp trọng tâm của tổng, Phương pháp trọng tâm của vùng lớn nhất, Phương pháp lấy giá trị max đầu tiên hoặc cuối cùng Sau đây trình bày tóm tắt một số phươngpháp: a Phương pháp trọng tâm (center of gravity COG / center of area COA method) Đây là phương pháp giải mờ được sử dụng phổ biến Ý tưởng của phương pháp này là mọi giá trị của X đều đóng góp có trọng số vào việc xác định giá trị giải mờ của tập mờ A Giá trị giải mờ được xác định như sau:

(15) trong đó: x* là giá trị giải mờ của tập đầu ra mờ A; μ(xi) là giá trị hàm liên thuộc của phần tử yitrong tập đầu ra mờ A; và n là số phần tử. b Phương pháp trọng tâm của tổng (Center of sums methodCOS) Đây là một trong các phương pháp tđược sử dụng trong kỹ thuật giải mờ. Phương pháp này dùng tổng đại số của các hàm liên thuộc thay cho hợp của các tập mờ Nhược điểm của phương pháp này là phần giao được cộng hai lần Giá trị giải mờ x* được biểu diễn bởi biểu thức sau:

(16) trong đó: n là số tập mờ, N là số biến mờ, μAk(xi) là giá trị hàm liên thuộc của tập mờ thứ k.

Trong phương pháp này các trọng số là các diện tích của các hàm liên thuộc tương ứng. c Phương pháp trung bình có trọng số (Weighted averagemethod)

Logic mờtrongMatlab

Matlab là một bộ chương trình phần mềm được thiết kế bởi công ty MathWorks, dùng cho tính toán kỹ thuật, có tích hợp các công cụ tính toán, trực quan hóa và lập trình Các ứng dụng điển hình của MATLAB bao gồm: Tính toán toán học; Phát triển thuật toán; Mô hình hóa, mô phỏng; Phân tích, khai thác dữ liệu; Đồ họa khoa học và kỹ thuật; Phát triển ứng dụng bao gồm cả giao diện người sửdụng.

Ngôn ngữ lập trình Matlab thích hợp với tính toán ma trận/mảng bậc cao vớicác câu lệnh, hàm, cấu trúc dữ liệu, vào/ra, các tính năng lập trình hướng đối tượng. Hộp công cụ Fuzzy logic Toolbox trong MATLAB cung cấp các hàm, ứng dụng giúp phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống dựa trên lôgic mờ Hộp công cụ cho phép mô hình hóa các hành vi của hệ thống phức tạp bằng cách sử dụng các quy tắc logic đơn giản, và sau đó thực hiện các quy tắc đó trong hệ thống suy luận mờ Ngoài ra, cũng có thể sử dụng các khối suy luận mờ trong Simulink và mô phỏng các hệ thống mờ trong mô hình tổngthể. Để xây dựng một hệ thống suy luận mờ (FIS), có thể sử dụng công cụ giao diện đồ họa sau đây:

- Fuzzy Logic Designer giúp xử lý các vấn đề hệ thống như có bao nhiêu biến đầu vào và đầu ra, Tên củabiến.

- Membership Function Editor giúp định nghĩa hình dạng của các hàm liên thuộc tương ứng với mỗibiến.

- Ruller Editor giúp chỉnh sửa các quy tắc xác định hành vi của hệthống.

- Rule Viewergiúp xem sơ đồ suy luận mờ, xem xét nhữngquytắc đang hoạt động, hoặc ảnh hưởng của hình dạng hàm liên thuộc đến kếtquả.

- Surface Viewergiúp xem dưới dạng đồthị.

Phương pháp diễntoán Muskingum-Cunge

Phương pháp diễntoánMuskingum

Phương pháp Muskingum thể hiện mối quan hệ giữa lượng trữ và chảy ra trong đoạn sông Theo phương pháp Muskingum, dung tích trong đoạn sông được coi là tổng của dung tích lăng trụ (prism storage) và dung tích hình nêm (wedge storage).

Hình 2.4: Dung tích hình lăng trụ và dung tích hình nêm

Như trongHình 2.4, dung tích hình lăng trụ là phần dung tích mặt cắt dòng ổn định, dung tích hình nêm là phần dung tích tăng thêm do sóng lũ (Linsley và nnk,1982).

Trong quá trình lũ lên, dung tích hình nêm mang dấu dương và được cộng với dung tích hình lăng trụ Trong quá trình lũ rút, dung tích hình nêm mang dấu âm và được trừ với dung tích hình lăngtrụ.

Phần dung tích lăng trụ là lưu lượng ra (outflow rate), O, được nhân với thời gian chảy truyền qua đoạn sông, K Phần dung tích hình nêm là sai phân có trọng số

(weighted difference) của dòng vào và dòng ra Lượng trữ được biểu diễn theo phương pháp Muskingum có dạng:

S = Dung tích hình nêm + Dung tích lăng trụ

S : tổng lượng trữ trong đoạn sông.

O : lưu lượng dòng ra khỏi đoạn sông.

I : lưu lượng dòng vào đoạn sông.

K: thời gian chảy truyền của sóng lũ qua đoạn sông.

X: trọng số không thứ nguyên, có giá trị nằm trong khoảng 0 ≤ X ≤ 0.5. Giá trị X.I + (1-X).O là lưu lượng dòng chảy có trọng số (weighted discharge). Trường hợp X=0, phương trình (18) sẽ là S=K.O, biểu thị lượng trữ là hàm tuyến tính của dòng chảy ra, tương tự như mô hình hồ chứa Nếu X=0.5, dòng vào và dòng ra có trọng số bằng nhau, trường hợp này là sóng lan truyền đều (uniformly progressive wave) không suy giảm dọc theo đoạn sông.

Phương pháp tính truyền lũ Muskingum (Muskingum routing model) sử dụng kết hợp phương trình (18) với sai phân hữu hạn của phương trình liêntục: tađược:

Ot= C1It+ C2It-1+C3Ot-1 (20) Trong đó các chi số t, t-1 biểu thị thời điểm bắt đầu và kết thúc thời khoảng Δt, t, các hệ số C1, C2, C3như sau: khi biết đường quá trình dòng vào, thời khoảng tính toán Δt, t, và ước lượng các tham số K, X có thể tính được quá trình dòngra.

It-1và It: lưu lượng dòng vào thời điểm t-1 và t.

Ot-1và Ot: lưu lượng dòng ra thời điểm t-1 và t.

St-1và St: lượng trữ trong đoạn sông thời điểm t-1 và t.

Tại thời điểm t, phương trình (19) có 2 giá trị chưa biết là Otvà

StRàng buộc đối với các tham số:

Như trình bày ở trên, X có giá trị nằm trong khoảng 0 ≤ X ≤ 0.5, ngoài ra còn một số ràng buộc trong việc chọn X và K:

- Theo phương pháp Muskingum, bước khoảng cách Δt, x được xác định gián tiếp thông qua số đoạn sông, cần chọn Δt, x/Δt, t để tính xấp xỉ c, với c là tốc độ sóng (wave speed) trung bình trong khoảng cách Δt, x, theo phương pháp muskingum tốc độ sóng là K/L, vì vậy số đoạn sông là xấpxỉK/Δt, t.

- Các giá trị K và X phải được chọn trong vùng tô đậm như trongHình2.5:

Hình 2.5: Vùng giới hạn cho các tham số theo muskingum

Nếu có tài liệu quan trắc dòng vào và dòng ra, tham số K có thể được tính bằng khoảng thời gian giữa các điểm giống nhau của đường quá trình dòng vào và dòng ra.

Ví dụ K có thể đước xác định bằng khoảng thời gian trôi qua giữa trọng tâm của vùng giới hạn bởi đường quá trình dòng vào và dòng ra, hoặc khoảng thời gian giữa các đỉnh của hai đường quá trình Khi đã xác định được K sẽ xác định được X theo phương pháp thửsai.

Khi không có tài liệu đo, các tham số K và X có thể được xác định theo đặc tính lòng dẫn.

Phương pháp diễntoán Muskingum-Cunge

Phương pháp diễn toán Muskingum mặc dù được dùng phổ biến và dễ áp dụng, nhưng nó bao gồm những tham số không dựa trên đặc điểm vật lý của đoạn sông và khó đánh giá Hơn nữa, phương pháp Muskingum dựa trên những giả định thiếu thực tế đối với sông tự nhiên Phương pháp Muskingum-Cunge đã khắc phục được những hạn chế này.

Phương pháp Muskingum-Cunge dựa trên cơ sở giải phương trình liên tục, có tính đến dòng chảy bên qL, nhưsau:

(21) và dạng khuyếch tán của phương trình động lượng:

(22) Kết hợp hai phương trình trên và tuyến tính hoá sẽ được phương trình khuyếch tán đối lưu (convective diffusion equation) (Miller and Cunge, 1975):

A: diện tích mặt cắt ngang dòng chảy (m).

Q: lưu lượng dòng chảy(m3/s). qL: lưu lượng dòng chảy bên (nhập lưu khu giữa) trên 1 đơn vị chiều dài dòngchảy.

Sf: độ dốc mặt nước

S0: độ dốc đáy. y : độ sâu dòng chảy (m). x : khoảng cách dọc theo chiều dài dòng chảy (m). t : thời gian tính toán (s). c: tốc độ truyền súng (wave celerity) , à : Hệ số khuếch tỏn thủy lực, được tớnh như sau:

B: chiều rộng của mặt nước Xấp xi sai phân hữu hạn của các đạo hàm riêng, kết hợp với phương trình (20) ta được:

Ot= C1It-1+ C2It+ C3Ot-1+ C4(qLΔt, x) (26) Trong đó các hệ số như sau:

Các tham số K và X là (Cunge, 1969; Ponce, 1978):

Nhưng do c, Q và B thay đổi theo thời gian, nên các hệ số

C1, C2, C3 và C4 cũng thay đổi và được tính lại theo từng bước không gian và thời gian.

Giá trị Δt, t được chọn là giá trị nhỏ nhất trong các cách sau:

- Bước thời gian người dùng theo quy trình điềukhiển.

- Thời gian chảy truyền dọc đoạnsông.

- 1/20 thời gian đạt tới đỉnh cao nhất của đường quá trình dòng đến, được làm tròn đến bội gần nhất của bước thời gian theo quytrình.

Khi chọn được Δt, t, giá trị Δt, x được tính như sau: Δt, x = c.Δt, t với ràng buộc trong đó: Q0là lưu lượng tham chiếu, được tính từ đường quá trình dòng đến theo công thức:

(27) với QBlà dòng chảy cơ sở (dòng chảy bình thường trước khi có mưa lũ, baseflow), và Qpeaklà lưu lượng đỉnh dòng chảy đến [85].

Hình 2.6: Minh họa dòng chảy cơ sở

Thiết lập bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũhạdu

Bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du sông Ba được thiết lập trên cơ sở các nguyên tắc sau:

- Quá trình phối hợp điều tiết lũ giữa các hồ chứa được điều chỉnh dựa trên thông tin về lượng lũ đến, mực nước tại các hồ chứa và các ràng buộc về đảm bảo an toàn chống lũ cho hạdu.

- Căn cứ vào hiện trạng mực nước, dự báo lưu lượng lũ đến hồ và các ràng buộc hạ du để quyết định việc hạ thấp mực nước đón lũ của hồchứa.

- Các hồ vận hành cắt giảm lũ hiệu quả mà vẫn đảm bảo sự hài hòa với mục tiêu phátđiện.

Quyết định vận hành trong bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du sông Ba được đưa ra trên cơ sở dự báo quá trình lũ đến và phân tích trạng thái của hệ thống, có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát sau:

Quyết định vận hành = f(dự báo lũ đến, trạng thái hệ thống, yêu cầu chống lũ).

Trong đó: trạng thái hệ thống bao gồm mực nước tại các hồ chứa trong hệ thống, mực nước và lưu lượng lũ tại các điểm kiểm soát ở hạ du (trạm TV An Khê, Ayun Pa, Phú Lâm); yêu cầu chống lũ bao gồm yêu cầu về mực nước khống chế của các hồ chứa trong hệ thống, yêu cầu về mực nước khống chế tại các điểm kiểm soát ở hạ du (trạm TV An Khê, Ayun Pa, Phú Lâm); quyết định vận hành bao gồm quyết định hạ thấp mực nước các hồ xuống cao trình hợp lý để đón lũ, quyết định phương án tích, xả của từng hồ cũng như phối hợp điều tiết giữa các hồ trong hệ thống.

Bài toán vận hành hệ thống cũng tuân thủ các nguyên tắc cơ bản được nêu trong Quy trình 1077, như:

- Trong thời kỳ mùa lũ (từ ngày 01 tháng 9 đến ngày 15 tháng 12 hàng năm), các hồ: Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H’Năng, Ayun Hạ và An Khê - Ka Nak trên lưu vực sông Ba phải vận hành theo thứ tự ưu tiên như sau: Đảm bảo an toàn công trình; Góp phần giảm lũ cho hạ du; Đảm bảo hiệu quả phátđiện.

- Trong thời kỳ mùa lũ, khi chưa tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du, mực nước các hồ chứa không được vượt mực nước cao nhất trước lũ, khi kết thúc quá trình giảm lũ cho hạ du phải đưa dần mực nước hồ về cao trình mực nước trước lũ,trừ trường hợp tích nước cuối mùa lũ (từ ngày 15 tháng 11 đến ngày 15 tháng 12 hàngnăm).

Thiết lập Mô hình mô phỏng điều tiết và truyền lũ trên hệthốngsông

Vận hành điều tiết lũ quahồ chứa

Trong Module vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa, lũ đến hồ chứa được điều tiết tích lại hồ hoặc xả xuống hạ lưu thông qua bộ điều khiển mờ (FLC) hoạt động theo công nghệ Logic mờ Bộ điều khiển mờ điều khiển lưu lượng xả của các hồ chứa theo Logic mờ (FLC) được xây dựng riêng cho từng hồ chứa.

2.4.1.1 Thiết lập các biến mờ và các hàm liênthuộc

Các biến được mờ hóa gồm: Lưu lượng lũ đến (Qden), Mực nước hồ (Hho),Mực nước khống chế hạ du (Hhadu) và Lượng xả qua hồ (Qxả).

Hình 2.8: Các biến mờ hóa trong bộ điều khiển mờ

Về nguyên tắc, số lượng hàm liên thuộc của mỗi biến mờ được chọn dựa trên kinh nghiệm chuyên môn và trực giác của người dùng, tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của từng biến Do các hàm liên thuộc ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của bộ điều khiển mờ, vì vậy điểm quan trọng trong áp dụng Logic mờ là việc định lượng các hàm liên thuộc Dạng đơn giản và thường được sử dụng là hàm liên thuộc dạng tam giác (Shrestha et al., 1996) [50] Cũng theo Shrestha, hàm liên thuộc sử dụng không nhất thiết phải có dạng đối xứng, đây là một trong các ưu điểm của số mờ khi các sai số được phân bổ bất đối xứng, điều thường gặp trong kỹ thuật nguồn nước.

Trong các nghiên cứu ứng dụng Logic mờ được nêu ở chương 1, các tác giả thường lựa chọn hàm liên thuộc dạng tam giác, đây cũng là dạng hàm liên thuộc được lựa chọn áp dụng trong Luận án này và được minh họa như Hình 2.9 dưới đây:

Hình 2.9: Hàm liên thuộc cho biến đầu vào

2.4.1.2 Thiết lập hệ thống luật mờ, hệ suy diễnmờ a Hệ luậtmờ:

Việc thiết lập hệ thống luật mờ là một quá trình mô tả các kinh nghiệm và dữ liệu có sẵn bằng các quy tắc, ví dụ như cách kết hợp các giả thiết khác nhau (mực nước hồ trung bình và dòng chảy đến lớn) sẽ tạo ra kết quả nhất định (lượng xả trung bình- cao của hồ chứa) Các kết quả của hệ thống luật mờ phụ thuộc vào sự lựa chọn của cả phương pháp kết hợp các luật mờ và phương pháp giải mờ, do đó cần được lựa chọn cẩn thận[50].

Mô hình dựa trên các luật mờ được tập trung vào việc định nghĩa và kiểm tra hệ thống luật mờ Có một số phương pháp định nghĩa, kiểm tra hệ thống luật mờ như: (i) các luật mờ được biết rõ và định nghĩa trực tiếp bởi chuyên gia; (ii) các luật mờ có thể được thiết lập trực tiếp bởi chuyên gia, nhưng cần được cập nhật dựa trên dữ liệu đã có; (iii) các luật mờ không được biết rõ ràng, nhưng các biến cần thiết cho việc mô tả hệ thống có thể được chỉ ra bởi các chuyên gia; và (iv) các luật mờ được xây dựng để mô tả mối liên hệ giữa các phần tử của một chuỗi số liệu quan trắc đã có[50].

Trong nghiên cứu này, cấu trúc của hệ thống các luật mờ được coi là đã biết, tức là các cơ sở đã được xác định và các luật tương ứng cần được đánh giá thông qua dữ liệu đã có, thuộc vào trường hợp thứ 3 nêu trên Các biến cơ sở gồm Lưu lượng lũ đến (Qden), Mực nước hồ (Hho), Mực nước khống chế hạ du (Hhadu), và biến đầu ra là Lượng xả qua hồ (Qxả) Cấu trúc của luật mờ nhưsau:

IFLưu lượng lũ đến (Qden) là Ai,1 ANDMực nước hồ (Hho) là Ai,2 AND

Mực nước khống chế hạ du (Hhadu) là Ai,3 THENLượng xả qua hồ (Qxả) là Bi

Hệ thống các luật điều khiển mờ cho điều hành lưu lượng tích, xả qua hồ chứa được minh họa trong Hình 2.10. b Hệ suy diễnmờ.

Hai loại suy diễn mờ (FIS) được phổ biến và sử dụng rộng rãi trong Logic mờ là suy diễn Mamdani (1977) và suy diễn Sugeno (1985); cả hai phương pháp đều giống nhau ở nhiều khía cạnh, sự khác biệt cơ bản nhất giữa suy diễn Mamdani và suy diễn Sugeno là cách tạo đầu ra rõ từ các đầu vào mờ Suy diễn Mamdani có hàm liên thuộc đầu ra, còn suy diễn Sugeno không có hàm liên thuộc đầu ra Trong khi suy diễn Mamdani sử dụng kỹ thuật giải mờ cho đầu ra mờ để tạo thành đầu ra rõ, thì suy diễn Sugeno sử dụng phương pháp trung bình có trọng số để tính được đầu rarõ.

Suy diễn Mamdani cho phép chúng ta mô tả các vấn đề chuyên môn một cách trực quan, giống cách của con người hơn, tuy nhiên suy diễn Mamdani đòi hỏi khối lượng tính toán lớn hơn so với suy diễn Sugeno Do tính chất có thể diễn giải và trực quan của hệ các luật, suy diễn Mamdani được sử dụng rộng rãi đặc biệt là trong hỗ trợ ra quyết định Vì những lý do nêu trên, trong nghiên cứu này đã lựa chọn áp dụng phép suy diễn mờMamdani.

Hình 2.10: Hệ thống các luật vận hành hồ chứa

Việc tính toán theo phương pháp suy diễn Mamdani được thực hiện theo các bước sau:

(1) Mờ hóa các đầu vào bằng cách sử dụng các hàm liênthuộc;

(2) Áp dụng các toán tử mờ để thiết lập mối quan hệ của các biến đầu vào cho mỗi luật mờ Các toán tử mờ phổ biến nhất là AND và OR Để xây dựng các phép toán logic này, hàm Min và hàm Max được áp dụng Mặc dù các hàm khác, chẳng hạn như hàm Product cũng được áp dụng để biểu diễn các toán tử mờ, nhưng do hàm Min và hàm Max đơn giản, hiệu quả và được sử dụng rộng rãi, do đó phương pháp dựa trên hàm Min và hàm Max được lựa chọn áp dụng trong luậnán;

(3) Áp dụng phép kéo theo (implication method) Mamdani để tạo biến đầu ra mờ cho mỗi luậtmờ;

(4) Áp dụng phép kết hợp (aggregation method) để tạo biến đầu ra mờ tổng hợp từ các biến đầu ra mờ của mỗi luật mờ đã thu được tại bước 3 Các hàm Max, Sum có thể được áp dụng cho phép kết hợp, nhưng hàm Max được chọn ápdụng trong luận án này vì nó đơn giản hơn và cũng được chấp nhận rống rãi.

(5) Giải mờ cho biến đầu ra mờ có được từ bước 4 để tạo kết quả rõ Trong các phương pháp giải mờ được trình bày ở phần trên, phương pháp trọng tâm (centroid method) được sử dụng phố biến nhất, đây cũng là phương pháp giải mờ được chọn áp dụng trong luận ánnày.

Ngoài việc xây dựng hệ luật mờ và hệsuydiễn mờ, các yếu tố liên quan như phương trình cân bằng khối lượng, các điều kiện vật lý, điều kiện biên để vận hành hồ chứa như quan hệ mực nước-dung tích hồ, mực nước đón lũ, mực nước dâng bình thường, cũng được xét đến trong quá trình xây dựng mô hình mô phỏngđ i ề u tiết lũ qua hồ chứa Các phương trình này, cùng với bảng trích mã Module vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa bằng ngôn ngữ Matlab, được trình bày trong Phụ lục A.

Diễn toán dòng chảy lũ trên cácđoạn sông

Việc diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạn sông được thực hiện sau khi điều tiết lũ qua hồ chứa Lưu lượng xả qua hồ chứa là một thành phần của Lưu lượng dòng chảy lũ trên các đoạn sông và được sử dụng làm đầu vào cho Module diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạnsông.

Lưu lượng dòng chảy lũ trên các đoạn sông bao gồm Lưu lượng dòng chảy lũ xả qua hồ chứa và Lưu lượng dòng chảy bổ sung dọc các đoạn sông do mưa trên các khu giữa, được diễn toán về hạ du thông qua Module diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạnsông.

Module diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạn sông sử dụng phương phápMuskingum-Cunge, được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab Bảng trích mãModule diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạn sông được trình bày trong Phụ lục A.

Các hàm hỗ trợtínhtoán

Để phục vụ tính toán vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa, diễn toán dòng chảy lũ qua các đoạn sông về hạ du, một số hàm hỗ trợ đã được xây dựng trong Matlab, gồm:hàm tính toán các đặc trưng mặt cắt đoạn sông (calDactrungMCtb.m), tính toán mực nước hồ (calHho.m), tính độ mở cửa van, tính toán quan hệ lưu lượng và mực nước tại các vị trí khống chế (calHankhe.m, calHayunpa.m, calHphulam.m).

Hiện trạng lưu vực sông Ba và hệ thống hồ chứa lớn trênlưu vực

Đặc điểmtự nhiên

Lưu vực sông Ba có diện tích 13.417 km 2 , là một trong chín lưu vực sông lớn nhất Việt Nam, nằm trên địa bàn các tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk và Phú Yên. Các huyện thuộc lưu vực gồm: huyện KonPlong thuộc tỉnh Kon Tum, 10 huyện thị thuộc tỉnh Gia Lai (Kbang thị xã An Khê, Đakpơ, Konch Ro, ĐakĐoa, Mang Yang, Chư Sê, Ayun Pa, Krông Pa, EaPa), 4 huyện thuộc tỉnh Đak Lak (Ea Hleo, Krông HNăng, Eakar, MađRăk) và 5 huyện thuộc tỉnh Phú Yên (Sơn Hoà, Sông Hinh, Phú Hoà, Tuy hoà, và thành phố Tuy Hoà).

Vị trí địa lý của lưu vực ở vào khoảng 12 0 55’ đến 14 0 38’ vĩ độ Bắc và 108 0 00’ đến 109 0 55’ kinh độ Đông, phía Bắc giáp với lưu vực sông Sêsan và sông Trà Khúc, phía Nam giáp với lưu vực sông Cái, sông Srepok, phía Đông giáp lưu vực sông Kone, sông Kỳ Lộ và biển Đông.

Dòng chính sông Ba bắt nguồn từ đỉnh Ngọc Rô có độ cao 1549 m thuộc dãy Trường Sơn Từ thượng nguồn đến An Khê sông chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam sau đó chuyển hướng Bắc-Nam đến Ayun Pa, từ Ayun Pa đến cửa sông Hinh chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, sau khi gặp sông Hinh chảy theo hướng Tây- Đông rồi đổ ra biển Đông tại cửa Đà Rằng-Tuy Hoà Chiều dài sông chính tính từ thượng nguồn đến cửa Đà Rằng là 396 km.

Các phụ lưu chính có diện tích lưu vực FLV>500 km 2 gồm: IA Pi Hao (FLV= 552 km 2 ), Đắk Po Kor (FLV= 719 km 2 ), A Yun (FLV= 2855 km 2 ), Krông Hnăng (FLV= 1753 km 2 ), sông Hinh (FLV= 1021km 2 ).

Sông Ba có lượng dòng chảy khá phong phú, phân bố không đều, mùa lũ kéo dài 4-6 tháng nhưng lượng dòng chảy chiếm tới 70-80% lượng dòng chảy cả năm.

Lưu vực sông Ba có tiềm năng rất lớn về nông - lâm nghiệp và thuỷ sản với khoảng 425.300 ha đất nông nghiệp và gần 1 triệu ha đất lâm nghiệp có đủ điều kiện phát triển các loại cây trồng có giá trị kinh tế cao như cao su, càphê.

Hình 3.1: Bản đồ lưu vực sông Ba

Lưu vực sông Ba còn có nguồn tài nguyên nước khádồidào với lượng mưa trung bình hàng năm trên toàn lưu vực khoảng 1.740 mm, tổng lượng nước đến hàng năm tại cửa ra trên 10 tỷ m 3 Nhiều công trình thủy điện, thủy lợi quan trọng trên lưu vực đã được xây dựng như An Khê-Ka Năk, AYun hạ, Krông H’Năng, sông Ba hạ,sôngHinh v.v.

Đặc điểm mùa mưa lưu vựcsôngBa

Từ tháng XII đến tháng IV năm sau là mùa khô, ít mưa Từ tháng V đến tháng VIII tuy đã là mùa mưa song lượng mưa chưa lớn, chỉ gây nên các trận lũ nhỏ Từ tháng IX đến tháng XI, lượng mưa và cường độ mưa trên lưu vực tăng mạnh Lũ trong thời đoạn này thường là lớn nhất trongnăm. a Đặc điểm mùa mưa tại các khuvực

Do tính chất phức tạp của địa hình và đặc biệt là sự chi phối của dãy Trường Sơn, kết hợp với hoàn lưu gió mùa đã tạo 3 khu vực có chế độ mưa khác nhau trên lưu vực sông Ba là Tây Trường Sơn, Đông Trường Sơn và khu vực trung gian [36].

- Khu vực Tây Trường Sơn: mùa mưa hàng năm thường từ tháng V đến tháng X, XI với tổng lượng mưa chiếm xấp xỉ 90% lượng mưa năm Tháng VIII, IX thường có lượng mưa tháng lớn nhất và đạt đến 350-470mm/tháng.

- Khu vực Đông Trường Sơn: mùa mưa hàng năm thường muộn và ngắn hơn, từ tháng IX đến tháng XII, với tổng lượng mưa chiếm 65-75% lượng mưa năm. Mưa lớn thường xảy ra vào tháng X, XI, có thể đạt trên 600 mm/tháng, cá biệt có thể đạt tới 1920 mm (tháng XI/1981 ở trạm Sông Hinh), 1310 mm (tháng XI/1990 ở trạm TuyHoà).

Khu vực trung gian: từ An Khê đến Sơn Hoà có mùa mưa từ tháng V đến tháng

XI Tổng lượng mưa chiếm khoảng 85-93 % lượng mưa năm Tháng IX, X thường có lượng mưa tháng lớn nhất đạt khoảng 250-350 mm/tháng, xấp xỉ 20% lượng mưa năm. Khu vực này tuy có mùa mưa dài hơn hai khu vực trên, song lượng mưa lại ít nhất.

Nhìn chung lượng mưa tăng dần từ vùng thấp lên vùng cao: vùng Cheo Reo,Phú Túc có lượng mưa hàng năm nhỏ, trung bình không quá 1300 mm; vùng thượngnguồnsôngBavàsôngHinhlượngmưanămcóthểđạtđến3000mm.Khu vực Đông Trường Sơn có lượng mưa lớn nhất (Sông Hinh, Sơn Thành), sau đó đến Tây Trường Sơn (Pơ Mơ Rê, Chư Sê), khu vực trung gian (Cheo Reo, Phú Túc) có lượng mưa nhỏ nhất [36]. b Mưa lớn thời đoạnngắn

Khu Tây Trường Sơn và trung gian: Hai khu vực này ít chịu tác động của bão, áp thấp nhiệt đới và các nhiễu động thời tiết biển Đông nên lượng mưa ngày không lớn lắm Lượng mưa lớn nhất ngày bình quân nhiều năm khoảng 100÷130 mm, cao nhất đạt 200-250mm.

Bảng 3.1: Lượng mưa lớn nhất ngày tại khu vực Tây Trường Sơn và trung gian

Trạm Mưa 1 ngày max (mm) Ngày

Nguồn: Viện quy hoạch thuỷ lợi.

Khu vực Đông Trường Sơn: Do chịu tác động mạnh của bão, áp thấp nhiệt đới và các nhiễu động thời tiết trên biển Đông nên khu vực này có lượng mưa ngày khá lớn Lượng mưa lớn nhất ngày bình quân nhiều năm từ 250÷350 mm, cao nhất đạt từ 500-700 mm.

Bảng 3.2: Lượng mưa lớn nhất ngày tại các trạm Khu vực Đông Trường Sơn

Các trận mưa lớn gây lũ trên sông Ba thường kéo dài từ 5÷7 ngày nhưng lượng mưa lớn thường tập trung trong 1÷3 ngày Đặc biệt trận bão tháng X/1993 đã gây mưa lớn trên diện rộng từ ngày 30/IX/1993 đến 08/X/1993 tại một số vị trí:

Củng Sơn 1158 mm; Sơn Thành 1183 mm; Tuy Hoà 1225 mm Mưa lớn tập trung là một trong những nguyên nhân chính tạo thành dòng chảy lũgâyúng ngập vùng hạ lưu sôngBa.

Đặc điểm lũ lưu vựcsôngBa

a Đặc điểm chung về lũ trên lưuvực

Từ tài liệu thực đo của các trạm thuỷ văn cho thấy sự biến động của dòng chảy lũ trên lưu vực sông Ba khá phức tạp Tại cùng một vị trí có năm mùa lũ chỉ kéo dài 2÷3 tháng nhưng cũng có năm kéo dài tới 5÷6 tháng, có năm mùa lũ đến sớm hoặc muộn hơn thường lệ 2÷3 tháng [36] Với những năm gió mùa Tây Nam hoạt động mạnh ngay từ đầu mùa mưa thì mùa lũ trên lưu vực đến sớm, đến cuối mùa lũ nếu gặp mưa do bão hay ảnh hưởng của áp thấp nhiệt đới từ biển Đông thì mùa lũ sẽ kéo dài thêm.

Từ tháng V đến tháng VIII tuy đã là mùa mưa song lượng mưa và cường độ mưa vẫn chưa đủ lớn, cường độ thấm của đất vẫn còn cao nên trong thời gian này mưa chỉ gây nên các trận lũ nhỏ và có biên độ không lớn.

Từ tháng IX đến tháng XI, các nhiễu động thời tiết ở biển Đông (bão muộn, gió mùa Đông Bắc) mạnh lên kết hợp với mưa cuối mùa làm cho lượng mưa và cường độ mưa trên lưu vực tăng lên đáng kể, lũ trong thời gian này thường là lũ lớn nhất trong năm.

Do lưu vực sông Ba có độ dốc lớn nên thời gian lũ trên lưu vực thường chỉ trong khoảng 3÷5 ngày và lượng lũ 1 ngày lớn nhất có thể chiếm tới 30÷35% tổng lượng toàn trận lũ. b Phân kỳ và tổ hợp lũ

Theo số liệu quan trắc tại các trạm, mùa lũ trên lưu vực như sau:

- Khu vực Tây Trường Sơn: do phân phối lượng mưa trong các tháng mùa mưa, cùng với điều kiện địa hình, thảm phủ khác nhau làm cho mùa lũ giữa phần phía Bắc và phía Nam của khu vực cũng có sự khác nhau:

XI Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm 70÷75% tổng lượng dòng chảy năm Các thángVIII ÷ X có lượng dòng chảy lũ lớn nhất chiếm 17÷24% tổng lượng dòng chảynăm.

+ Vùng thượng nguồn Krông H’Năng về cuối mùa mưa còn chịu ảnh hưởng của khí hậu Đông Trường Sơn nên mùa lũ muộn hơn một tháng, từ tháng VIII đến tháng XII Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm 65÷70% tổng lượng dòng chảy năm.

- Khu vực Đông Trường Sơn: gồm toàn bộ phần hạ du sông Ba Do mùa mưa muộn và ngắn cùng với điều kiện địa hình dốc, khả năng giữ nước của thảm phủ kém nên dòng chảy mùa lũ ở đây khác hẳn khu vực Tây Trường Sơn Mùa lũ ngắn chỉ 3 tháng, từ tháng X đến tháng XII, lượng dòng chảy mùa lũ chiếm 65÷75% tổng lượng dòng chảy năm Tháng XI có lượng dòng chảy lớn nhất, có thể đạt 32÷36% tổng lượng dòng chảynăm.

- Khu vực trung gian: bao gồm phần diện tích dọc theo thung lũng sông Ba.

Do địa hình bị ngăn cách bởi các dãy núi cao nên lượng mưa trong khu vực không lớn, cùng với tổn thất qua bốc hơi và thấm rất lớn nên mùa lũ ở đây kéo dài 4 tháng từ tháng IX đến tháng XII, chậm nhiều so với mùa mưa và mùa lũ ở các khu vực khác Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm 70÷75% tổng lượng dòng chảy năm Tháng

XI có lượng nước dòng chảy lớn nhất, đạt 22÷27% tổng lượng dòng chảynăm.

Bảng 3.3 :Thời gian xuất hiện đỉnh lũ lớn nhất tại các trạm thủy văn

1978 3/XI 3/XI 4/XI 4/XI 31/VIII 4/ XI

1979 15/XI 18/XI 18/XI 15/X 21/VI 21/VI 16/ X

1980 2/XI 2/XI 17/XI 3/XI 2/XI 2/XI 3/ XI

1981 10/XI 10/XI 9/XI 29/X 14/XI 9/XI 10/ XI

1982 3/XI 3/X 7/IX 29/VI 8/VI 28/VI 4/ XI

1984 29/XI 29/XI 8/XI 8/XI 29/IX 8/XI 30/ XI

1985 25/XI 25/XI 25/XI 26/XI 2/X 27/VI 25/ XI

1986 3/XII 2/XII 2/XII 3/XII 3/XII 3/XII 3/ XII

1987 20/XI 10/XI 19/XI 19/XI 9/XI 19/XI 20/ XI

1988 8/XI 7/XI 15/IX 16/X 8/XI 6/X 8/ XI

1996 1/XII 16/XI 1/XII 19/IX 2/ XII

1998 20/XI 20/IX 26/XI 26/ XI 20/ XI

1999 3/XII 1/XI 6/XI 1/ XI 3/ XII

2004 21/IX 13/VI 13/VI 13/VI 14/VI

2007 4/XI 10/XI 5/ XI 10/ XI 4/ XI

2008 26/XI 25/XI 25/ XI 4/VIII 14/ XI

2009 4/ XI 3/XI 3/ XI 29/ IX 4/ XI

2010 2/ XI 17/ XI 2/ XI 7/VIII 3/ XI

2016 3/XI 16/XII 16/XII 16/XII 3/XI

Bảng 3.4 : Đỉnh lũ lớn nhất đã quan trắc được tại các trạm thuỷ văn

Trạm Củng Sơn Sông Hinh An Khê Krông HNăng

Thời gian xuất hiện 3/XI/2009 9-XI-1981

Qua thống kê cho thấy thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại các trạm thủy văn hầu hết vào tháng X, XI hàng năm [35, 36] Tại Củng Sơn đỉnh lũ lớn nhất thường xuất hiện vào tháng X, XI Đỉnh lũ lớn nhất quan trắc được tại các sông nhánh trùng với thời kỳ xuất hiện đỉnh lũ lớn nhất quan trắc được tại Củng Sơn là: tại sông Hinh 72%, Krông Hnăng 55% và An Khê là 54% Khả năng xuất hiện lũ sớm và lũ tiểu mãn vùng hạ lưu sông Ba cũng khá cao Theo tài liệu tại Củng Sơn, khả năng xuất hiện lũ có mực nước lớn hơn hoặc bằng mực nước lớn nhất trung bình nhiều năm trong các tháng V đến tháng VII là từ 6,7÷40%, vào các tháng VIII, IX là từ 53,3÷86,7%, vào tháng XII là 53,3% [35,36].

Do các đặc điểm trên, lũ ở lưu vực sông Ba mà điển hình là vùng hạ lưu được chia thành 4 thời kỳ khác nhau:

- Thời kỳ lũ tiểu mãn: Thường xảy ra vào tháng V,VI.

- Thời kỳlũsớm: Thường xảy ra vào tháng VIII,IX.

- Thời kỳ lũ chính vụ: Thường xảy ra vào tháng X,XI.

- Thời kỳ lũ muộn: Thường xảy ra vào tháng XII,I.

Tổ hợp lũ: Phần thượng nguồn lưu vực sông Ba có địa hình khác nhau, có chế độ mưa khác nhau và cường độ mưa sinh lũ nói chung không lớn nên lũ không lớn và hầu như cũng không có sự tổ hợp của các lũ sông nhánh gặp nhau ở dòng chính gây lũlớn.

Phần hạ lưu sông Ba thì ngược lại, mưa lớn trong năm tập trung trong thời gian tương đối ngắn, cường độ mưa lớn, khi lũ trên dòng chính sông Ba về đến Củng Sơn thường trùng với thời kỳ mưa lớn ở vùng hạ lưu, do đó lũ lớn trên sông Ba và sông Hinh thường gặp nhau, làm cho tình hình ngập lụt vùng hạ du trong thời gian này thêm nghiêm trọng, nhất là đối với vùng Tuy Hoà Theo tài liệu thực đo tại trạm thuỷ văn Củng Sơn và Sông Hinh, khả năng gặp nhau của lũ lớn tại Củng Sơn là 69.2% Những trận lũ không đồng bộ đều là những năm lũnhỏ.

Tổng lượng lũ tham gia tại Củng Sơn (lũ 5 ngày max) [36] của các sông nhánh thượng nguồn sông Ba là 13,3 %, sông Hinh là 24%, còn lại là lũ do các sông nhánh và dòng chính vùng hạ lưu Trong trận lũ lịch sử năm 1993, tổng lượng lũ 5 ngày max tham gia của sông Hinh là 20,2% tổng lượng tại Củng Sơn.

- Thành phần và tổ hợp lũ của các nhánh sông trên lưu vực cho thấy lưu lượng, mực nước tại Củng Sơn phụ thuộc rất lớn vào lượng lũ đổ về hồ Sông Ba

Hạ, vì vậy khả năng điều tiết, cắt giảm lũ của hồ Sông Ba Hạ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong chống lũ cho hạdu.

- Mức độ chênh lệch giữa lưu lượng lớn nhất Qmax và lưu lượng nhỏ nhất Qmin tại các vị trí trên lưu vực là rất lớn theo không gian và thời gian Lưu vực sông có độ dốc lớn nên lũ tập trung nhanh Vì vậy việc sử dụng một cách hợp lý các hồ chứa để cắt giảm lũ là hết sức cần thiết, mặc dù dung tích của các hồ chứa lớn trên lưu vực chỉ ở mức hạn chế[34].

- Tài liệu đo mưa, dòng chảy trong lưu vực rất hạn chế do hệ thống trạm khí tượng thủy văn còn thưa, phải tính toán khôi phục và kéo dài tài liệu dòng chảy từ tài liệu mưa nên không tránh khỏi sai số [34]. c Các khu vực thường chịu ảnh hưởng củalũ

Các hồ chứa lớn và khả năng tham giachốnglũ

Hiện tại trên toàn lưu vực đã xây dựng được khoảng 150 hồ chứa thủy lợi, thủy điện, đáng kể nhất là các công trình An khê - Ka Nak, Ayun Hạ, Krông H’năng, Sông

Ba Hạ và SôngHinh. a Hệ thống An khê - Ka Nak

- Công trình KaNak: thuộc địa phận xã Đông, xã Kroòng, xã Lơ Ku, xã Đak

Hồ Lơ huyện KBang tỉnh Gia Lai Nhiệm vụ của hồ Kanak là điều hoà lượng nước giữa năm nhiều nước và năm ít nước, giữa mùa lũ và mùakiệt

- Công trình An Khê: Công trìnhthuỷcông thuộc xã Cửu An, xã Thành An, xã Tú An huyện An Khê tỉnh Gia Lai và nhà máy thuỷ điện thuộc xã Tây Thuận, huyện Tây Sơn tỉnh Bình Định Lưu lượng sử dụng cho phát điện của nhà máy thủy điện Ankhê sẽ được chuyển sang lưu vực sông Kone, trong đó có khoảng 6,3 m 3 /s tưới cho khoảng 4.700 ha khu vực Nam sông Kone tỉnh BìnhĐịnh. b Công trình AyunHạ

Hồ chứa Ayun Hạ tỉnh Gia Lai được xây dựng trên sông Ayun, vị trí công trình đầu mối thuộc xã Hờ Bông, huyện Chư Xê nằm ở phía đông nam thị xã Pleiku, cách thị xã Pleiku 60 km Hồ chứa Ayun Hạ được hoàn thành năm 2002.

Theo thiết kế, hồ có nhiệm vụ: phòng chống lũ với tần suất P=1% tương ứng với mực nước gia cường +209,92 m; hạn chế lũ cho hạ du của hồ chứa; cấp nước tưới tự chảy cho 13.500 ha đất canh tác và cấp nước sinh hoạt cho nhân dân trong vùng, kết hợp phát điện với công suất thiết kế 3 MW phục vụ công nghiệp, sinh hoạt tại địaphương. c Công trình thuỷ điện KrôngHnăng

- Công trình thuỷ điện Krông Hnăng được xây dựng trên sông KrôngHnăng; nhà máy được xây dựng trên địa bàn xã Ea Sô huyện Eakar, xã Cư Prao huyện MaĐrăk tỉnh Đăk Lăk và xã Ea Bar huyện Sông Hinh tỉnh PhúYên.

- Nhiệm vụ chính: cung cấp điện lên lưới điện quốc gia với công suất lắp máy Nlm = 64 MW, công suất bảo đảm p%: Nbđ = 12,10 MW, điện lượng trung bình Eo = 247,72 triệukWh/năm. d Công trình thuỷ điện SôngHinh

Công trình thuỷ điện Sông Hinh nằm trên dòng sông Hinh tại địa phận xã Ea Trol, huyệnSông Hinh, tỉnhPhú Yên, cách thành phốTuy Hòa40 km về hướng Tây Nam, được hoàn thành năm2001.

Thủy điện Sông Hinh có công suất 70 MW Điện năng bình quân 357 triệu kWh/năm Nước sau phát điện sẽ phục vụ cho công trình sử dụng nước của ngành nông nghiệp, với nhiệm vụ chính là cấp nước tưới cho 1.472ha vùng Sơn Giang và Sơn Thành, cấp nước công nghiệp và sinh hoạt, bổ sung nước cho hệ thống thủy lợi Đồng Cam và tiếp nước cho sông Bàn Thạch-Bánh Lái. e Công trình thuỷ điện Sông BaHạ

- Công trình thuỷ điện sông Ba Hạ xây dựng trên sông Ba, cách thị xã Tuy Hoà khoảng 60 km về phía Tây Hồ chứa thuộc địa phận huyện Sông Hinh, huyện Sơn Hoà tỉnh Phú Yên và huyện KRông Pa tỉnh GiaLai.

- Nhiệm vụ chính: cung cấp điện lên lưới điện quốc gia với công suất lắp máy Nlm = 220 MW, công suất bảo đảm p%: Nbđ = 33,30 MW; Tham gia hạn chế lũ và tạo nguồn nước cho hạ du.

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa

STT Thông số Đơn vị An Khê Ka Nak Ayun

Sông KaNak An Khê Hinh

I Các đặc trưng lưu vực

1 Diện tích lưu vực km 2 833 1236 1670 1168 11115 772

2 Lượng mưa TB nhiều năm mm 1821 1726 1780 1776 2154

3 Lưu lượng TB nhiều năm m 3 /s 18,60 27,80 447 32,5 227,2 40,2

4 Lưu lượng TB mùa kiệt m 3 /s 7.27 10,80 14,5 146,8 15,7

STT Thông số Đơn vị An Khê Ka Nak Ayun

Sông KaNak An Khê Hinh

6 Dung tích toàn bộ (W tb ) 10 6 m3 313,7 15,9 253 165,78 349,7 357

7 Dung tích hữu ích (W hi ) 10 6 m3 285,5 5,6 201 108,5 165,9 323

9 F mặt hồ ứng với MNDBT km 2 17 3,40 13,39 54,66 41

III Công trình cụm đầu mối

1 Loại đập RD ĐậpCF Đập đất Đập đất Đập đất Đập đất Đập đất

V Lưu lượng qua nhà máy

1 Công suất lắp máy MW 13,0 160 3,0 64,0 220 70,0

2 Công suất đảm bảo (90%) MW 6,5 80,0 12,1 33,3 22,9

(Nguồn: Quyết định 1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014 của Thủ tướng Chính phủ).

Trong đó, chỉ duy nhất công trình Ayun Hạ có dung tích chống lũ theo thiết kế ban đầu, các công trình thủy điện còn lại như Ka Nak, Krông H’năng, Sông Ba Hạ và Sông Hinh đều không thiết kế dung tích chống lũ mà theo quy trình vận hành liên hồ chứa thì khi mùa lũ đến phải dành một phần dung tích hữu ích để tham gia cắt giảm lũ cho hạ du.

Bảng 3.6: Dung tích ứng với các thông số mựcnước Đơn vị: triệu m 3

Thông số theo QĐ 1077 Hồ

Dung tích ứng với MN lũ thiết kế 319.54 527.75 185.14 413.92 494.18 Dung tích ứng với MNDBT 313.74 253.00 171.56 349.69 362.59 Dung tích ứng với MNCNTL 282.38 220.00 142.61 256.17 288.90 Dung tích ứng với MNĐL 182.96 187.00 131.03 216.46 202.91 Dung tích ứng với MNC 28.20 52.00 57.28 183.90 34.00

Dung tích dùng để điều tiếtlũ

Dung tích xả đón lũ(MNCNTL-

Dung tích xả sau lũ(MNDBT-

Dung tích có thể xem xét sửdụng

Ứng dụng Logic mờ xây dựng mô hình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũlưu vựcsôngBa

Sơ đồ hóa và mô phỏnghệthống

Căn cứ vào đặc điểm tự nhiên của lưu vực, hiện trạng các công trình lớn trên dòng chính cũng như yêu cầu khống chế tại các điểm kiểm soát lũ của bài toán vận hành hồ chứa chống lũ trên lưu vực Toàn bộ lưu vực sông Ba được chia thành các tiểu lưu vực gồm các tiểu lưu vực của các hồ chứa, tiểu lưu vực các khu giữa và được sơ đồ hóa như trongHình 3.2.

Trong sơ đồ hệ thống được biểu diễn tạiHình 3.2, các hồ chứa và khu giữa, đoạn sông được đưa vào mô phỏng gồm:

+ Hồ Ka Nak có diện tích lưu vực Flv3 km 2

+ Hồ Ayun hạ có diện tích lưu vực Flv=1.670 km 2

+ Hồ KrôngHnăng có diện tích lưu vực Flv=1.168 km 2

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống hồ chứa, khu giữa lưu vực sông Ba

+ Hồ sông Hinh có diện tích lưu vực Flvw2 km 2

+ Hồ Ba Hạ có diện tích lưu vực Flv.115 km 2

+ Khu giữa từ hồ Ka Nak đến TĐ An Khê, Flv@3km 2

+ Khu giữa từ TV An Khê đến Ayun Pa, Flv=1.871km 2

+ Khu giữa từ hồ Ayun Hạ đến Ayun Pa, Flv=2.049km 2

+ Lưu vực đến trạm thủy văn Krông Hnăng, Flv#5 km 2

+ Lưu vực khu giữa từ trạm thủy văn Krông Hnăng đến hồ thủy điện Krông

+ Khu giữa từ hồ Krông Hnăng, trạm Thủy văn Ayun Pa đến hồ sông Ba Hạ, có Flv=3.007 km 2

+ Lưu vực khu giữa từ hồ sông Hinh, hồ Sông Ba hạ đến trạm thủy văn Củng Sơn, có FlvT8 km 2

Các đoạn sông gồm: Đoạn 0-2: từ sau hồ Ka Nak đến đập An Khê. Đoạn 2-3: từ sau đập An Khê đến ngã ba sông AyunPa. Đoạn 1-3: từ sau hồ Ayun hạ đến ngã ba sông AyunPa. Đoạn 3-5: từ ngã ba sông Ayun Pa đến ngã ba Krông Hnăng và sông

Ba Đoạn 4-5: từ sau hồ Krông Hnăng đến ngã ba Krông Hnăng và sông

Ba Đoạn 5-7: từ sau hồ Sông Ba Hạ đến ngã ba sông Hinh và sông Ba. Đoạn 6-7: từ sau hồ Sông Hinh đến ngã ba sông Hinh và sông

Ba Đoạn 7- Phú Lâm: từ ngã ba sông - Củng Sơn đến Phú Lâm.

Trên đoạn Củng Sơn-Phú Lâm, tiến hành xây dựng quan hệ QCủngSơn~ HPhúLâm.Từ kết quả lưu lượng tính được tại Củng Sơn (bằng tổng lưu lượng đoạn 5-7 và đoạn 6-7) sẽ có được kết quả mực nước tại Phú Lâm.

3.2.1.2 Mụctiêu và các ràngbuộc a Các mục tiêu của bài toán vận hành hệ thống hồ chứa chốnglũ:

- Đảm bảo an toàn cho bản thân côngtrình.

- Giảm lũ cho hạ du: giảm lưu lượng đỉnh lũ, mực nước, thời gian ngập ở hạ du của từng hồ và hạ du lưuvực.

- Việc phối hợp vận hành giữa các hồ vớinhau. b Biên và các rằng buộc trong hệthống:

- Biênc ủ a b à i t o á n v ậ n h à n h h ệ t h ố n g h ồ c h ứ a c h ố n g l ũ : l à q u á t r ì n h l ư u lượng, mực nước tại các tuyến công trình An Khê-Kanak, Ayun Hạ, Krông H’năng, sông Hinh, Củng Sơn, Phú Lâm.

- Các ràng buộc bao gồm:

+ Ràng buộc công trình: các mực nước đặc trưng và dung tích tương ứng; Qmax qua tràn, qua tuabin thủy điện của các hồ.

+ Ràng buộc mực nước, lưu lượng tại các điểm khống chế là các trạm thủy văn

An Khê, Ayun Pa, Phú Lâm.

3.2.1.3 Quan hệ vận hành của hệthống

Trên cơ sở các nguyên tắc về quan hệ phối hợp vận hành giữa các hồ đãđược trình bày tại chương 1, cụ thể hóa cho lưu vực sông Ba như sau: a Quan hệ phối hợp giữa An Khê- Kanak, Ayun hạ và Krông Hnăng: 3 hồ này đóng vai trò các hồ hoạt động song song trong điều tiết lũ về hồ sông BaHạ.

- Khi dự báo hồ nào có dòng đến lớn sẽ ưu tiên hạ mức nước (xả) hồ đó trước để đónlũ.

- Khi cần giảm lượng xả xuống hạ du (cắt lũ) thì sử dụng hồ có nhiều dung tích trống (ở thời điểm ban đầu bằng dung tích đón lũ), hồ có dự báo dòng đếnnhỏ.

- Khi có thể tăng lượng xả xuống hạ du thì xả trước tiên từ các hồ đã tích đầy hơn hoặc có lượng dòng đến lớnhơn. b Quan hệ phối hợp giữa hồ sông Ba Hạ và các hồ phía trên: Đối với hồ sông Ba Hạ, nếu xét đây như điểm kiểm soát thì có thể coi cụm các hồ An Khê- Kanak, Ayun hạ và Krông H’năng hoạt động như bậc thang ở thượnglưu.

- Khi tích nước sẽ tích đầy 3 hồ phía trên trước sau đó đến hồ sông BaHạ.

- Khi xả nước sẽ tiến hành xả hồ sông Ba Hạ trước sau đó đến 3 hồ phíatrên. c Quan hệ phối hợp giữa hồ sông Ba Hạ và sông Hinh: các hồ sông Ba Hạ, sông Hinh hoạt động như những hồ song song ở thượng lưu Củng Sơn, PhúLâm.

- Khi dự báo hồ nào có dòng đến lớn sẽ ưu tiên hạ mức nước (xả) hồ đó trước để đónlũ.

- Khi cần giảm lượng xả xuống hạ du (cắt lũ) thì sử dụng hồ có nhiều dung tích trống (ở thời điểm ban đầu bằng dung tích đón lũ), hồ có dự báo dòng đếnnhỏ.

- Khi có thể tăng lượng xả xuống hạ du thì xả trước tiên từ các hồ đã tích đầy hơn hoặc có lượng dòng đến lớnhơn.

Các nguyên tắc trên sẽ được tích hợp vào hệ thống suy luận mờ (FIS) trong bộ điều khiển mờ (FLC) của các hồ chứa.

3.2.1.4 Sơđồ logic mô phỏng tínhtoán Để xây dựng mô hình mô phỏng quá trình điều tiết lũ qua các hồ chứa trên lưu vực và diễn toán lũ xuống hạ du, các đặc trưng sẽ được đưa vào mô phỏng như sau:

+ Các thông số đặc tính kỹ thuật của các hồ chứa trên lưu vực: dung tích hồ, các thông số thiết kế, các quan hệ Z~W hồ, các quan hệ mực nước lưu lượng hạ lưu, các quan hệ dung tích và lưu lượng xả lớn nhất.

+ Các thông số quá trình dòng chảy lũ đến công trình.

+ Số liệu về mạng sông: từ thực tế hệ thống sông, lên sơ đồ mạng lưới nhằm đưa vào mô phỏng.

+ Các ràng buộc về lưu lượng, mực nước lũ ở hạ du.

Từ các mô tả lưu vực, mô hình hóa hệ thống lưu vực sông và các điều kiện biên, điều kiện ràng buộc, hàm mục tiêu của hệ thống, sơ đồ khối tính toán vận hành hệ thống hồ chứa được thiết kế như trongHình 3.3.

Hình 3.3 : Sơ đồ khối tính toán vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ

Tài liệu thủy văn,địahình

3.2.2.1 Lũ và tổ hợp lũ tínhtoán a Tần suất chốnglũ

Xuất phát từ yêu cầu phòng lũ hạ du và đặc điểm địa hình, thủy văn của lưu vực, phương pháp chung để xác định lũ thiết kế phục vụ tính toán vận hành hệ thống liên hồ sông Ba như sau: chọn tần suất lưu lượng của trạm khống chế như Củng Sơn,

An Khê làm tần suất thiết kế chống lũ, coi tần suất tổng lượng bằng tần suất đỉnh lũ, qua đó có thể xác định các giá trị Qpmaxứng với các tần suất thiết kế P Chọn các dạng lũ thực đo điển hình, tính tỷ lệ Qmaxcủa các nhánh so với Qmaxtại trạm khống chế cho từng trận lũ Tính hệ số thu phóng của lũ thiết kế so với lũ điển hình tại trạm khống chế từ đó thu phóng cho các nhánh hồ chứa, khu giữa[18].

Theo quy định [37, 38], mức đảm bảo chống lũ lưu vực sông Ba như sau: chống lũ chính vụ P% cho thành phố Tuy Hoà; chống lũ sớm, lũ muộn P% bảo vệ sản xuất Như vậy có thể chọn các trận lũ tần suất P=5, 10% để tính toán vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ, trận lũ tần suất P=1% để tính toán kiểm tra.

Bảng 3.7 : Tần suất và lưu lượng đỉnh lũ tại các tuyến

TV Củng Sơn 12244 38148 30449 27083 21666 19074 15476 Sông Ba Hạ 11115 35685 28483 25334 20267 17842 14477

Nguồn: Đề tài cấp nhà nước KC.08.30/06-10 đã được nghiệm thu [18].

Dạng lũ điển hình là các năm 1993, 1988 và 1981 tương ứng với tần suất lần lượt là P= 3%, 21% và 23% tại trạm thuỷ văn Củng Sơn Trận lũ năm 1993 là trận lũcólưulượngrấtlớntạiCủngSơn,đồngthờitrêncảcáctuyếnđềuxuấthiệnlũ.

Trận lũ năm 1988 là trận lũ có lưu lượng khá lớn tại Củng Sơn và là trận lũ có dạng 2 đỉnh Trận lũ năm 1981 là trận lũ có lưu lượng lớn ở An Khê – Ka Nak với tần suất p8% Trong nghiên cứu cũng tiến hành tính toán cho trận lũ năm 2013, đây tuy là trận lũ thuộc mức độ trung bình với tần xuất xuất hiện sau khi tiến hành tính toán hoàn nguyên lũ là p6% tại An Khê (Q = 1290 m 3 /s) và p@% tại Củng Sơn (Q = 7430 m 3 /s), nhưng là trận lũ tương đối lớn xảy ra trong thời gian gần đây và có tác động điều tiết của các hồ chứa trong hệthống. b Lưu lượng lũ tính toán tại các trạm thuỷvăn

Trạm thuỷ văn Củng Sơn có tài liệu dòng chảy lũ từ 1978 đến 2016 và được bổ sung 2 giá trị đỉnh lũ của năm 1938 và năm 1964 Trong chuỗi số liệu đỉnh lũ có 3 trị số lũ đặc biệt lớn xẩy ra vào năm 1938, 1964 và 1993, với lưu lượng Qmax 24.000 m 3 /s, Qmax = 21.850 m 3 /s và Qmax = 20.700 m 3 /s tương ứng [18].

Trạm thuỷ văn An Khê có tài liệu từ 1978 đến 2016, trạm Sông Hinh có tài liệu từ 1979 đến 1995 và tài liệu điều tra lũ lịch sử năm 1938, 1964 Các trị số Qmax ứng với các tần suất lũ thiết kế tại các trạm thuỷ văn có được khi tính toán, vẽ đường tần suất và xử lý lũ đặc biệt lớn, sử dụng hàm phân bốKrítski-Menkel. c Lưu lượng lũ tính toán tại các vị trí tuyến côngtrình

Lưu lượng lũ thiết kế tại tuyến đập Ka Nak, An Khê, Ayun Hạ và các khu giữa

An Khê - ngã ba sông Ayun Pa, Cheo Reo được tính triết giảm từ lưu lượng lũ thiết kế tại trạm thuỷ văn An Khê.

Lưu lượng lũ thiết kế tại tuyến đập Krông Hnăng, và các khu giữa trước hồ Ba

Hạ, trước trạm thủy văn Củng Sơn được tính triết giảm từ đỉnh lũ thiết kế tại trạm thuỷ văn CủngSơn.

Lưu lượng lũ thiết kế tại tuyến đập Sông Hinh được tính triết giảm từ đỉnh lũ thiết kế tại trạm thuỷ văn Sông Hinh.

Công thức tính triết giảm mô đun đỉnh lũ:

Qmaxpvttt là giá trị đỉnh lũ thiết kế tại vị trí tính toán (m 3 /s); Qmaxptv là giá trị đỉnh lũ thiết kế tại trạm thuỷ văn (m 3 /s); n là hệ số triết giảm đỉnh lũ theo diện tích, theo kinh nghiệm tại lưu vực sông Ba n=0,31.

Quá trình lũ thiết kế tại vị trí tính toán được thu phóng theo mô hình lũ điển hình tại các trạm thuỷ văn theo phương pháp thu phóng cùng tần suất về đỉnh và lượng.

Tài liệu địa hình sử dụng để xây dựng mô hình là tài liệu địa hình đo đạc năm

2010 của Bộ Tài nguyên và Môi trường Tổng cộng có trên 200 mặt cắt tại các nhánh sông trên lưu vực, trong đó: đoạn từ sau hồ Ka Nak đến đập An Khê dài 27 km, có 24 mặt cắt; đoạn từ sau đập An Khê đến ngã ba sông Ayun Pa dài 113 km, có 72 mặt cắt; đoạn từ sau hồ Ayun hạ đến ngã ba sông Ayun Pa dài 52,4 km, có 64 mặt cắt; đoạn từ ngã ba sông Ayun Pa đến ngã ba Krông Hnăng và sông Ba dài 72 km, có 21 mặt cắt; đoạn từ sau hồ Krông Hnăng đến ngã ba Krông Hnăng và sông Ba dài 26 km, có 02 mặt cắt; đoạn từ sau hồ Sông Ba Hạ đến ngã ba sông Hinh và sông Ba dài 14,1 km, có

06 mặt cắt; đoạn từ sau hồ Sông Hinh đến ngã ba sông Hinh và sông Ba dài 20,9 km, có 08 mặt cắt; đoạn từ ngã ba sông Hinh qua Củng Sơn đến Phú Lâm có 31 mặt cắt. Trên cơ sở đó, đã lựa chọn được các mặt cắt điển hình cho từng đoạn để đưa vào môphỏng.

3.2.2.3 Quan hệ lưu lượng và mực nước lũ tại các điểm khốngchế

Tại các điểm khống chế trên hệ thống (trạm thủy văn An Khê, Ayun Pa, PhúLâm) tiến hànhxâydựng quan hệ lưu lượng lũ Q và mực nước lũ H Mực nước lũ tại các trạm thủy văn An Khê, Ayun Pa chịu ảnh hưởng và có quan hệ trực tiếp với lưu lượng lũ tại các trạm này Trên cơ sở quan niệm mực nước lớn nhất trong mùa lũ tạiPhú Lâm ít chịu ảnh hưởng của thủy triều mà chịu ảnh hưởng trực tiếp, lớn nhất của lưu lượng lũ từ Củng Sơn truyền về, khi xây dựng quan hệ mực nước lũ tại trạm PhúLâm và lưu lượng lũ tại trạm Củng Sơn đã bỏ qua ảnh hưởng của thủy triều [18] Từ tài liệu thực đo lũ tại các trạm thủy văn An Khê, Ayun Pa, Củng Sơn và Phú Lâm, đã tiến hành xây dựng quan hệ lưu lượng và mực nước lũ cho cáct r ạ m này, kết quả thể hiện trên các hình 3.4, 3.5, 3.6 và được trình bày dưới dạng bảng tra tại Phụ lục A Hệ số tương quan đạt trung bình >0.9 cho thấy độ tin cậy và tính phù hợp của các đường quan hệ lưu lượng-mực nước lũ tại các trạm.

Trên cơ sở lưu lượng dòng chảy lũ trên các đoạn sông được diễn toán về hạ du theo phương pháp Muskingum-Cunge như đã trình bày ở trên, sẽ xác định được mực nước lũ tương ứng tại các điểm khống chế Các giá trị mực nước này giúp kiểm tra và điều khiển quá trình vận hành xả của hồchứa.

Hình 3.4:Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tại An Khê

Hình 3.5:Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tại Ayun Pa

Hình 3.6:Quan hệ Lưu lượng lũ tại Củng Sơn và Mực nước tại Phú Lâm

Thiết lập các hàm liên thuộc, hệluậtmờ

Bộ điều khiển mờ điều hành lưu lượng xả của các hồ chứa được xây dựng riêng cho từng hồ chứa Phần sau đây trình bày chi tiết cách thiết lập các hàm liên thuộc, hệ luật mờ điều hành tích, xả nước cho hồKanak.

Số lượng các hàm liên thuộc của các biến được chọn dựa trên kinh nghiệm của người dùng, tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của từng biến Giá trị các hàm liên thuộc cho biến đầu vào lưu lượng lũ đến hồ Kanak và trạm TV An Khê được trình bày trong Bảng 3.8.

Bảng 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đến hồ Kanak

Trường hợp Hàm liên thuộc Điều kiện về Mực nước đỉnh lũ (m)

Lưu lượng tương ứng tại

Lưu lượng tương ứng tại TV An Khê (m3/s)

Lũ trung bình mf2 HmaxP70% ≤ Hmax

Lũ lớn mf3 HmaxP30% ≤ Hmax

Lũ rất lớn mf4 Hmax ≥ HmaxP10%: Qmax ≥ 1420

Lũ đặc biệt lớn mf5 1780(P5%)

Trong bảng 3.8: việc chia thành các dạng lũ nhỏ, lũ trung bình, lũ lớn, lũ rất lớn dựa trên các quy định tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Dự báo lũ QCVN 18: 2008/BTNMT; Lưu lượng tại vị trí tuyến Ka nak được tính chuyển từ TV An Khê với hệ số k=0.62 (k=0.62 là tỷ lệ đã được cân đối giữa lưu vực tính đến Kanak, khu giữa Kanak- An Khê và lưu vực tính đến TV An Khê).

Các hàm liên thuộc cho biến đầu vào Mực nước hồ Kanak và trạm TV An Khê được trình bày trong Bảng 3.9.

Bảng 3.9: Các hàm liên thuộc biếnMực nước hồ Kanak, TV An Khê

Mực nước hồ Kanak Mực nước trạm TV An Khê

Phạm vi Tên biến Phạm vi Tên biến mf1 BD3

Trong luận án này, biến đầu vào lưu lượng lũ đến hồ Kanak (Qden) có 05 hàm liên thuộc, biến đầu vào Mực nước hồ Kanak (Hho) có 05 hàm liên thuộc, biến đầu vào Mực nước khống chế hạ du tại trạm TV An Khê (Hhadu) có 05 hàm liên thuộc, biến đầu ra Lượng xả qua hồ (Qxả) có 05 hàm liên thuộc và được minh họa như trong hình 3.7.

Các các hàm liên thuộc, hệ luật mờ điều hành tích, xả nước cho các hồ Ayun

Hạ, Krông H’năng, Sông Ba Hạ và Sông Hinh cùng được xây dựng theo phương pháp tương tự.

Hình 3.7: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đến (Qden)

Hình 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước hồ (Hho)

Hình 3.9: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước khống chế hạ du (Hankhe)

Hình 3.10: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng xả qua hồ (Qxả)

Hệ thống các luật của hệ điều khiển mờ cho điều hành lưu lượng tích, xả qua hồ chứa Kanak gồm tổng cộng 45 luật, được minh họa trong các bảng 3.10 và hình

3.11 Đối với các hồ Ayun Hạ, Krông H’năng, Sông Ba Hạ và Sông Hinh, hệ thống các luật của hệ điều khiển mờ của mỗi hồ có 35 luật.

Bảng 3.10 :Các luậtmờ điều hành lưu lượng qua hồ chứa

STT IF Lưu lượng đến IF Mực nước hồ IF Mực nước hạ du THEN Lưu lượng xả

20 LKT DL BD1BD2 Qxa5

21 Nho CNTL BD1BD2 Qxa1

22 TB CNTL BD1BD2 Qxa2

23 Lon CNTL BD1BD2 Qxa3

24 LTK CNTL BD1BD2 Qxa4

Hình 3.11: Hệ thống các luật vận hành hồ chứa

Qtđ An Khê Qtt An Khê

Hiệu chỉnh và kiểm địnhmô hình

3.2.4.1 Lựa chọn trận lũ điểnhình

Các trận lũ tháng XI/1981, XI/1988 và trận lũ tháng X/1993 được lựa chọn để tính toán hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Đây là các trận lũ lớn xảy ra trên lưu vực, đồng thời có tương đối đầy đủ tài liệu đo đạc tại các trạm thuỷvăn.

Trận lũ xảy ra trên lưu vực tháng XI/1981 có tần suất xuất hiện P = 23% tại Củng Sơn nhưng là trận lũ lớn nhất trong dãy số liệu đo đạc tại An Khê, có lưu lượng đỉnh lũ Q = 2.440 m 3 /s.

Trận lũ tháng X/1993 và trận lũ tháng XI/1988 tương ứng với tần suất xuất hiện lần lượt là P= 3% và 21%, đều là lũ thuộc loại lớn tại sông Hinh và Củng Sơn Trận lũ tháng XI/1988 là lũ kép có tổng lượng lũ lớn, đồng thời đỉnh lũ cũng khá lớn trong dãy số liệu tại Củng sơn Trận lũ tháng X/1993 là trận lũ đặc biệt lớn trên lưu vực sông Ba, có lưu lượng đỉnh lũ tại Củng Sơn lên đến 20.700 m 3 /s Các dạng lũ nói trên cũng được chọn làm dạng lũ điển hình để tính toán vận hành hệ thống liênhồ. Để xác định bộ thông số của mô hình, mô hình được hiệu chỉnh với các trận lũ tháng XI/1981, trận lũ tháng X/1993 và kiểm định với trận lũ tháng XI/1988 là thời kỳ các hồ chứa chưa hoạt động.

3.2.4.2 Kếtquả hiệuchỉnh a Kết quả hiệu chỉnh mô hình với trận lũ tháng X/1993

Hình 3.12: Đường quá trình lưu lượng tại An Khê - trận lũ tháng X/1993

Hình 3.13: Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn - trận lũ tháng X/1993

Hình 3.14: Đường quá trình mực nước tại Ayun Pa - trận lũ thángX/1993

Hình 3.15: Đường quá trình mực nước tại Phú Lâm - trận lũ thángX/1993

Qtđ An Khê Qtt An Khê

Kết quả hiệu chỉnh lưu lượng tại Củng Sơn, An Khê, mực nước tại Ayun Pa và Phú Lâm với các trận lũ tháng XI/1981, trận lũ tháng X/1993 được đánh giá theo các chỉ tiêu Nash-Sutcliffe và sai số tương đối đỉnh lũ (Bảng 3.11) cho thấy quá trình lũ thực đo và lũ tính toán từ mô hình tương đối phùhợp.

Bảng 3.11: Đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình

Chỉ tiêu Q An Khê Q Củng Sơn H Ayun Pa H Phú Lâm

Trận lũ tháng XI/1981 0.9977 0.9511 0.9219 0.9106 Trận lũ tháng X/1993 0.9958 0.9731 0.9620 0.9814

Sai số tương đối đỉnh lũ (%)

Trận lũ tháng XI/1981 0.69 3.74 Trận lũ tháng X/1993 0.20 2.90

Kết quả kiểm định mô hình với trận lũ tháng XI/1988

Hình 3.16: Đường quá trình lưu lượng tại An Khê - trận lũ tháng XI/1988

Hình 3.17: Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn - trận lũ tháng XI/1988

Hình 3.18: Đường quá trình mực nước tại Ayun Pa - trận lũ thángXI/1988

Hình 3.19: Đường quá trình mực nước tại Phú Lâm - trận lũ thángXI/1988

Kết quả kiểm định mô hình theo lưu lượng tại Củng Sơn, An Khê, mực nước tại Ayun Pa và Phú Lâm với trận lũ tháng XI/1988 được đánh giá theo các chỉ tiêu Nash- Sutcliffe và sai số tương đối đỉnh lũ (Bảng 3.12) cho thấy quá trình lũ thực đo và lũ tính toán từ mô hình tương đối phù hợp, có thể sử dụng bộ thông số của mô hình phục vụ nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa.

Bảng 3.12: Đánh giá kết quả kiểm định mô hình

Chỉ tiêu Q An Khê Q Củng Sơn H Ayun Pa H Phú Lâm

Sai số tương đối đỉnh lũ (%)

Kết quả tính toán phối hợp vận hành hệ thốngliênhồ

Vận hành giảm lũ chohạ du

Theo thiết kế và các quy định hiện hành, dung tích ứng với các mực nước của hồ chứa được thống kê như ở Bảng 3.6 Do dung tích điều tiết lũ của các hồ chứa trên hệ thống rất nhỏ so với tổng lượng lũ đến (tổng dung tích tính từ mực nước đón lũ đến mực nước dâng bình thường của 5 hồ chứa là khoảng 530.10 6 m 3 , trong khi đó tổng lượng lũ thực đo 1 ngày max của trận lũ tháng X/1993 tại Củng Sơn là 1166,4.10 6 m 3 và tổng lượng lũ 3 ngày max lên đến 2253,3.10 6 m 3 ) nên rõ ràng là không thể cắt hoàn toàn các trận lũ, mà chỉ có thể góp phần giảm lũ về hạ du Mục tiêu giảm lũ sẽ đạt hiệu quả cao nhất trong trường hợp cắt giảm đúng đỉnh lũ, theo nguyên tắc chỉ cắt lũ khi lưu lượng đến hồ đã đến một giá trị nào đó, việc xác định giá trị này căn cứ vào dự báo quá trình lũ đếnhồ.

Kết quả tính toán phối hợp vận hành điều tiết hệ thống liên hồ chứa giảm lũ cho hạ du cho thấy có thể hạ được mực nước đỉnh lũ tại trạm thủy văn An Khê từ 1,10 đến2,40 m; tại Ayun Pa từ 0,68 đến 2,09 m; tại Phú Lâm từ 0,27 đến 0,93 m Các hình vẽ minh họa kết quả tính toán phối hợp vận hành điều tiết hệ thống liên hồ chứa giảm lũ cho hạ du ứng với các trường hợp tính toán được trình bày chitiếttrong Phụ lục C Sau đây là một số kết quả cụ thể cho các trườnghợp.

3.3.2.1 Vớicác trận lũ dạng 1993 (1 đỉnh, lũ lớn ở hạdu) a Kết quả tính toán với trận lũ có tần suất p=1% tại Củng Sơn, dạng lũ1993:

Hồ Ka Nak: khi tham gia giảm lũ cho hạ du, hồ Ka Nak có thể cắt phần lớn lượng lũ đến, với lưu lượng đỉnh lũ 590 m 3 /s, lưu lượng xả 100 m 3 /s, có thể khống chế mực nước tại An Khê ở mức 404,45 m xấp xỉ BĐ I (404,5 m).

Hồ Ayun Hạ: Hồ Ayun Hạ tiến hành cắt lũ ngay sau khi hạ được mực nước hồ xuống đến cao trình 202,04 xấp xỉ mực nước đón lũ (202 m), khi đó mực nước tại Ayun Pa mới đạt 153,5÷154 m (theo quy trình 1077, khi mực nước tại Trạm thủy văn Ayun Pa vượt giá trị 155,3 m, sẽ vận hành hồ với lưu lượng xả nhỏ hơn lưu lượng đến hồ nhằm giảm lũ cho hạ du nhưng phải bảo đảm mực nước hồ không vượt cao trình mực nước dâng bình thường) Lưu lượng đỉnh lũ đến hồ Ayun Hạ 1105 m 3 /s, lưu lượng xả 375,8 m 3 /s (trường hợp xả nhỏ hơn giá trị này, mực nước hồ sẽ sớm đạt đến MNDBT, không thực hiện được theo tiêu chí cắt giảm đúng đỉnh lũ), như vậy chỉ có thể khống chế mực nước tại Ayun Pa ở mức 157,01 m, cao hơn BĐ III (156,0 m) khoảng 1m.

Hồ Krông H’Năng có dung tích đón lũ nhỏ, khoảng 40,53 10 6 m 3 , nên chỉ có thể cắt được khoảng 28% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 4673,9 m 3 /s, lưu lượng xả 3383,9 m 3 /s).

.10 6 m 3 , có thể cắt được khoảng 56% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 4516,5 m 3 /s, lưu lượng xả 1978,2 m 3 /s).

Hồ Sông Ba Hạ có dung tích đón lũ khá lớn, khoảng 133,23 10 6 m 3 , tuy nhiên do lưu lượng lũ đến rất lớn nên cũng chỉ có thể cắt được khoảng 21% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 17571 m 3 /s, lưu lượng xả 13881 m 3 /s).

Trong trường hợp này chỉ có thể khống chế mực nước đỉnh lũ tại Phú Lâm ở mức 5,16 m, cao hơn khoảng 1,46 m so với BĐ III (3,70 m). b Kết quả tính toán với trận lũ có tần suất p=5% tại Củng Sơn, dạng lũ1993:

Khi tham gia giảm lũ cho hạ du, hồ Ka Nak có thể cắt toàn bộ lượng lũ đến, với lưu lượng đỉnh lũ 413 m 3 /s, lưu lượng xả 0 m 3 /s, có thể khống chế mực nước tại An Khê ở mức 403,65 m dưới BĐ I.

Hồ Ayun Hạ tiến hành cắt lũ ngay sau khi hạ được mực nước hồ xuống đến cao trình 202,04 xấp xỉ mực nước đón lũ, và mực nước tại Ayun Pa mới đạt 153 m Lưu lượng đỉnh lũ đến hồ Ayun Hạ 771,5 m 3 /s, lưu lượng xả 143,5 m 3 /s, chỉ có thể khống chế mực nước tại Ayun Pa ở mức 156,22 m, cao hơn BĐ III (156,0 m) khoảng 22cm.

Hồ Krông H’Năng có dung tích đón lũ nhỏ, khoảng 40,53 10 6 m 3 , nên chỉ có thể cắt được khoảng 34% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 3262,9 m 3 /s, lưu lượng xả 2147 m 3 /s).

.10 6 m 3 , có thể cắt được khoảng 68% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 3153 m 3 /s, lưu lượng xả 990 m 3 /s).

Hồ Sông Ba Hạ có dung tích đón lũ khá lớn, khoảng 133,23 10 6 m 3 , tuy nhiên do lưu lượng lũ đến rất lớn nên cũng chỉ có thể cắt được khoảng 27% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 11925 m 3 /s, lưu lượng xả 8729 m 3 /s).

Trong trường hợp này chỉ có thể khống chế mực nước đỉnh lũ tại Phú Lâm ở mức 4,76 m, cao hơn 1,06 m so với BĐ III (3,70 m). c Kếtq u ả t í n h t o á n v ớ i t r ậ n l ũ c ó t ầ n s u ấ t p = 1 0 % t ạ i C ủ n g S ơ n , d ạ n g l ũ 1993:

Với trận lũ này, hồ Ka Nak có thể cắt toàn bộ lượng lũ đến và có thể khống chế mực nước tại An Khê ở mức dưới BĐ I.

Hồ Ayun Hạ có thể phối hợp với hồ Ka Nak khống chế mực nước tại Ayun Pa ở mức 155,45 m, dưới BĐ III (156,0 m) khoảng 55 cm.

Hồ Krông H’Năng có thể cắt được khoảng 38% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 2729,5 m 3 /s, lưu lượng xả 1697,8 m 3 /s).

Hồ Sông Hinh có thể cắt được khoảng 75,6% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 2638 m 3 /s, lưu lượng xả 644 m 3 /s).

Hồ Sông Ba Hạ có thể cắt được khoảng 30% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 9850 m 3 /s, lưu lượng xả 6870 m 3 /s).

Trong trường hợp này có thể khống chế mực nước đỉnh lũ tại Phú Lâm ở mức 4,42 m, cao hơn 72 cm so với BĐ III (3,70m).

3.3.2.2 Vớicác trận lũ dạng 1988 (2 đỉnh, lũ lớn ở hạdu) a Kết quả tính toán với trận lũ có tần suất p=1% tại Củng Sơn, dạng lũ 1988: Khi tham gia giảm lũ cho hạ du, hồ Ka Nak có thể cắt phần lớn lượng lũđến, với lưu lượng đỉnh lũ 785,8 m 3 /s, lưu lượng xả 110 m 3 /s, có thể khống chế mực nước tại An Khê ở mức 404,81, cao hơn 31cm so với BĐ I (404,5m).

Hồ Ayun Hạ tiến hành cắt lũ sau khi hạ mực nước hồ xuống đến cao trình 202,01 xấp xỉ mực nước đón lũ, và mực nước tại Ayun Pa mới đạt 152.5 m Lưu lượng đỉnh lũ đến hồ Ayun Hạ 1465,2 m 3 /s, lưu lượng xả 442,5 m 3 /s, chỉ có thể khống chế mực nước tại Ayun Pa ở mức 157,2 m, cao hơn BĐ III (156,0 m) khoảng 1,2 m.

Hồ Krông H’Năng có dung tích đón lũ nhỏ, khoảng 40,53 10 6 m 3 , nên chỉ có thể cắt được khoảng 20% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 5237,4 m 3 /s, lưu lượng xả 4200 m 3 /s).

.10 6 m 3 , có thể cắt được khoảng 46% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 8606 m 3 /s, lưu lượng xả 4647 m 3 /s).

Hồ Sông Ba Hạ có dung tích đón lũ khá lớn, khoảng 133,23 10 6 m 3 , tuy nhiên do lưu lượng lũ đến rất lớn nên cũng chỉ có thể cắt được khoảng 17% lưu lượng đỉnh lũ (lưu lượng đỉnh lũ đến hồ 16136,4 m 3 /s, lưu lượng xả 13457,7 m 3 /s).

Vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhấttrướclũ

Sau khi tham gia cắt giảm lũ cho hạ du, việc vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ được thực hiện theo các nguyên tắc:

(i) Quy định tại quyết định 1077/QĐ-TTg: khi mực nước tại Trạm thủy văn khống chế ở hạ du hồ (An Khê, Ayun Pa, Phú Lâm) xuống dưới mức BĐ I, thì vận hành điều tiết với lưu lượng xả lớn hơn lưu lượng đến hồ để đưa dần mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ của các hồ trong mùa lũ Trong quá trình vận hành, nếu mực nước tại Trạm thủy văn hạ du đạt BĐ II thì vận hành điều tiết để duy trì mực nước hiện tại củahồ.

(ii) Đồng thời, trong tính toán còn đưa thêm vào nguyên tắc: đến một thời điểm nhất định (ví dụ: 03 ngày sau khi xuất hiện đỉnh lũ), nếu mực nước tại trạm thủy văn khống chế ở hạ du chưa xuống đến BĐ I vẫn tiến hành xả để hạ mực nước hồ nhưng phải đảm bảo mực nước hạ du không vượt mức BĐII.

- Phối hợp vận hành của hệ thống liên hồ: Lưu lượng xả của hồ Ayun Hạ phụ thuộc tình trạng hiện tại của bản thân hồ (mực nước hồ, lưu lượng lũ đến), lưu lượng xả của cụm hồ An Khê – Ka Nak và mực nước trạm thủy văn Ayun Pa tại thời điểm xả Lưu lượng xả của các hồ Krông H’Năng, Sông Ba Hạ, Sông Hinh phụ thuộc tình trạng hiện tại của bản thân hồ (mực nước hồ, lưu lượng lũ đến) và mực nước trạm thủy văn PhúLâm.

Các hình minh họa kết quả tính toán được trình bày chi tiết trong Phụ lục C.

3.3.3.2 Nhận xét, đánh giá kết quả tínhtoán a Đối với hồ Ka Nak:

Trong các trường hợp tính toán lũ năm 1993 và 1988, mực nước giai đoạn lũ rút sau khi xuất hiện đỉnh lũ tại TV An Khê thường nhỏ dưới BĐ I, việc vận hành đưa mực nước hồ Ka Nak về mực nước cao nhất trước lũ theo quy định hiện hành không gặp khó khăn Trường hợp này người điều hành có thể tùy chọn thời điểm xả giúp duy trì mức nước hồ, nâng cao hiệu quả phát điện.

Riêng đối với trường hợp lũ lớn năm 1981, theo nguyên tắc vận hành đã nêu ở trên, hồ Ka Nak sẽ bắt đầu xả khi mực nước TV An Khê vừa xuống dưới BĐ I, ở thời điểm 72 giờ (lũ 1%) hoặc 48 giờ (lũ 5%) sau khi xuất hiện đỉnh lũ. b Đối với hồ AyunHạ:

Trong hầu hết các trường hợp tính toán, việc vận hành đưa mực nước hồ Ayun

Hạ về mực nước cao nhất trước lũ theo quy định hiện hành không gặp khó khăn Riêng đối với trường hợp lũ lớn tần suất p=1% dạng lũ năm 1981, do lũ bên nhánh An Khê-

Ka Nak lớn nên đến cuối thời đoạn tính toán mực nước tại TV Ayun Pa chưa hạ xuống

BĐ I để có thể thực hiện xả hồ Ayun Hạ theo quy trình hiện hành, trong tính toán đã thử nghiệm mô phỏng theo nguyên tắc vẫn tiến hành xả để hạ mực nước hồ Ayun Hạ nhưng phải đảm bảo mực nước tại TV Ayun Pa không vượt mức BĐ II, kết quả cho thấy cũng chỉ có thể hạ mực nước hồ xuống đến cao trình 203,28 m (cao hơn so với quy định 0,28m). c Đối với các hồ Krông H’Năng, Sông Ba Hạ, SôngHinh

Trong các trường hợp tính toán lũ 1993 và lũ thực đo 1988, việc vận hành đưa mực nước các hồ về mực nước cao nhất trước lũ theo quy định hiện hành không gặp khó khăn.

Trong các trường hợp tính toán lũ 1988, với lũ tần suất p=1% và 5%, đến cuối thời đoạn tính toán mực nước tại TV Phú Lâm chưa hạ xuống đến BĐ I để có thể thực hiện xả các hồ theo quy trình hiệnhành.

Trong các trường hợp tính toán lũ 1981, đến cuối thời đoạn tính toán mực nước tại TV Phú Lâm chưa hạ xuống đến BĐ I để có thể thực hiện xả các hồ theo quy trình hiện hành.

Định dạng
Số trang	173
Dung lượng	2,35 MB