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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Việt NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐIỀU HÀNH LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ LƯU VỰC SÔNG BA LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC HÀ NỘI, 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Việt NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐIỀU HÀNH LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62440224 LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Khải 2: PGS.TS Nguyễn TiềnGiang HÀ NỘI, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa bảo vệ học vị Việc tham khảo nguồn tài liệu, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc theo quy định Tác giả luận án Nguyễn Việt LỜI CÁM ƠN Luận án thực Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Khải PGS.TS Nguyễn Tiền Giang Thầy trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, tác giả cơng trình nghiên cứu cơng bốmàtác giả trích dẫn luận án, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện trình tác giả thu thập sử lý tài liệu phục vụ nghiêncứu Tác giả trân trọng cám ơn PGS TS Nguyễn Thanh Sơn, PGS.TS Trần Ngọc Anh, Thầy, Cô giáo Khoa Khí tượng Thủy văn vàHảidương học, Phịng Đào tạo Đại học sau đại học giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trình thực luậnán Tác giả xin chân thành cám ơn quan, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp hết lịng giúp đỡ, động viên giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án MỤC LỤC MỤCLỤC i DANH MỤCCÁCBẢNGBIỂU iii DANH MỤCCÁCHÌNHVẼ,ĐỒTHỊ iv DANH MỤCTỪVIẾTTẮT .vi MỞĐẦU CHƯƠNG1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNHVẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊNHỒCHỨA 1.1 Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trênthếgiới .5 1.1.1 Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữacác hồ 1.1.2 Phương pháp tốiưu hoá 1.1.3 Phương phápmô 1.1.4 Kết hợp phương pháp mô vớitối ưu 10 1.1.5 Ứng dụng Logic mờ vận hànhhồ chứa .11 1.2 Tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa ởViệt Nam 13 1.2.1 Các nghiên cứu trêntoànquốc 13 1.2.2 Các nghiên cứu lưu vựcsôngBa 15 1.2.3 Công nghệ dự báo hỗ trợvậnhành 19 1.2.4 Quá trình phát triển Quy trình vận hành hệ thống hồ chứasơngBa 21 1.3 Hướng tiếp cậnnghiên cứu 24 1.4 Kết luậnchương1 25 CHƯƠNG2 CƠ SỞ THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒCHỨA CHỐNG LŨ HẠ DU THEOLOGICMỜ 27 2.1 Lýthuyết mờ .27 2.1.1 Tậpmờ 27 2.1.2 Lôgicmờ .30 2.1.3 Bộ điềukhiển mờ 33 2.1.4 Logic mờtrongMatlab 37 2.2 Phương pháp diễntoán Muskingum-Cunge 38 2.2.1 Phương pháp diễntoánMuskingum 38 2.2.2 Phương pháp diễntoán Muskingum-Cunge 41 2.3 Thiết lập toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũhạdu 43 2.4 Thiết lập Mô hình mơ điều tiết truyền lũ hệthốngsơng .44 2.4.1 Vận hành điều tiết lũ quahồ chứa 45 2.4.2 Diễn tốn dịng chảy lũ cácđoạn sơng 50 2.4.3 Các hàm hỗ trợtínhtốn 51 2.5 Kết luậnChương2 .51 CHƯƠNG3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨACHỐNG LŨ LƯU VỰCSÔNGBA 52 3.1 Hiện trạng lưu vực sông Ba hệ thống hồ chứa lớn trênlưu vực 52 3.1.1 Đặc điểmtự nhiên .52 3.1.2 Đặc điểm mùa mưa lưu vựcsôngBa 54 3.1.3 Đặc điểm lũ lưu vựcsôngBa .56 3.1.4 Các hồ chứa lớn khả tham giachốnglũ 61 3.2 Ứng dụng Logic mờ xây dựng mơ hình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũlưu vựcsôngBa 64 3.2.1 Sơ đồ hóa mơ phỏnghệthống 64 3.2.2 Tài liệu thủy văn,địahình 69 3.2.3 Thiết lập hàm liên thuộc, hệluậtmờ .73 3.2.4 Hiệu chỉnh kiểm địnhmơ hình .79 3.3 Kết tính tốn phối hợp vận hành hệ thốngliênhồ 83 3.3.1 Vận hành hạ mực nước hồ đểđón lũ 83 3.3.2 Vận hành giảm lũ chohạ du .90 3.3.3 Vận hành đưa mực nước hồ mực nước cao nhấttrướclũ .102 3.4 Kết luậnChương3 .103 KẾT LUẬN VÀKIẾNNGHỊ 106 DANHMỤCCƠNGTRÌNH KHOA HỌCCỦATÁC GIẢLIÊNQUANĐẾNLUẬNÁN 109 TÀI LIỆUTHAMKHẢO 110 PHỤLỤC 117 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Cao trình mực nước đón lũ hồ theo quytrình 1757 22 Bảng 1.2: Cao trình mực nước cao trước lũ, mực nước đón lũ hồ theo quytrình 1077 23 Bảng 3.1: Lượng mưa lớn ngày khu vực Tây Trường Sơn vàtrung gian 55 Bảng 3.2: Lượng mưa lớn ngày trạm Khu vực ĐôngTrườngSơn 55 Bảng 3.3 :Thời gian xuất đỉnh lũ lớn trạmthủyvăn 57 Bảng 3.4 : Đỉnh lũ lớn quan trắc trạmthuỷvăn 58 Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật chủ yếu cáchồ chứa 62 Bảng 3.6: Dung tích ứng với thơng sốmựcnước 64 Bảng 3.7 : Tần suất lưu lượng đỉnh lũ tạicáctuyến 69 Bảng 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đếnhồ Kanak 73 Bảng 3.9: Các hàm liên thuộc biến Mực nước hồ Kanak, TVAnKhê 74 Bảng 3.10 : Các luật mờ điều hành lưu lượng quahồ chứa 77 Bảng 3.11: Đánh giá kết hiệu chỉnhmơhình 81 Bảng 3.12: Đánh giá kết kiểm địnhmơhình 83 Bảng 3.13: Các trường hợp tính tốn điều hành xảhồ Kanak .84 Bảng 3.14: Kết tính vận hành giai đoạn hạ mực nước hồ Kanak đểđón lũ 87 Bảng 3.15: Kết tính so sánh hiệu trường hợp vận hành (3)và(1) 89 Bảng 3.16: Kết tính so sánh hiệu trường hợp vận hành (3)và(2) 89 Bảng 3.17: Tổng hợp kết tính vận hành giảm lũ chohạdu 100 Bảng 3.18: Dung tích lũ đến, xả lũ củacáchồ 101 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hệ thống hồ chứabậcthang Hình 1.2: Hệ thống hồ chứasongsong Hình 1.3: Sơ đồ hướng tiếp cậnnghiêncứu 25 Hình 2.1 : Một số dạng hàm liênthuộcA(x) .28 Hình 2.2 : Sơ họa tập mờ cho giá trị ngôn ngữ nhiệt độnướcT 30 Hình 2.3: Cấu trúc Bộ điềukhiển mờ .33 Hình 2.4: Dung tích hình lăng trụ dung tíchhình nêm 38 Hình 2.5: Vùng giới hạn cho tham sốtheo muskingum 40 Hình 2.6: Minh họa dòng chảycơ sở 43 Hình 2.7: Sơ đồ tổng qt mơ hình điều tiết truyền lũ hệthốngsơng 45 Hình 2.8: Các biến mờ hóa điềukhiển mờ 46 Hình 2.9: Hàm liên thuộc cho biếnđầu vào 47 Hình 2.10: Hệ thống luật vận hànhhồ chứa 49 Hình 3.1: Bản đồ lưu vựcsôngBa .53 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống hồ chứa, khu lưu vựcsôngBa .65 Hình 3.3 : Sơ đồ khối tính tốn vận hành hệ thống hồ chứachốnglũ 68 Hình 3.4: Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tạiAnKhê 72 Hình 3.5: Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tạiAyun Pa 72 Hình 3.6: Quan hệ Lưu lượng lũ Củng Sơn Mực nước tạiPhúLâm 73 Hình 3.7: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũđến (Qden) .75 Hình 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nướchồ (Hho) .75 Hình 3.9: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước khống chế hạdu(Hankhe) 76 Hình 3.10: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng xả quahồ(Qxả) 76 Hình 3.11: Hệ thống luật vận hànhhồ chứa 78 Hình 3.12: Đường trình lưu lượng An Khê - trận lũthángX/1993 79 Hình 3.13: Đường trình lưu lượng Củng Sơn - trận lũthángX/1993 .80 Hình 3.14: Đường trình mực nước Ayun Pa - trận lũthángX/1993 80 Hình 3.15: Đường trình mực nước Phú Lâm - trận lũthángX/1993 80 Hình 3.16: Đường trình lưu lượng An Khê - trận lũthángXI/1988 81 Hình 3.17: Đường trình lưu lượng Củng Sơn - trận lũthángXI/1988 82 Hình 3.18: Đường trình mực nước Ayun Pa - trận lũthángXI/1988 .82 Hình 3.19: Đường trình mực nước Phú Lâm - trận lũthángXI/1988 .82 Hình 3.20 : Kết điều tiết hồ Kanak với trận lũ XI/1981 - Lũthựcđo 85 Hình 3.21: Điều tiết hồ Kanak với trận lũ X/1993 - Khơng hạ MN hồđón lũ 85 Hình 3.22: Diễn biến mực nước trạm TV An Khê với trậnlũXI/2013 97 Hình 3.23: Diễn biến mực nước trạm TV Phú Lâm với trậnlũXI/2013 98 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa BĐ I Báo động I BĐ II Báo động II BĐ III Báo động III DP Quy hoạch động - Dynamics Programming ĐBSCL Đồng sông Cửu Long FIS Hệ thống suy luận mờ - Fuzzy Inference System FLC Bộ điều khiển mờ - Fuzzy Logic Controller GA Thuật toán di truyền - Genetic Algorithms LP Quy hoạch tuyến tính - Linear Programming LVS Lưu vực sơng MF Hàm liên thuộc, hàm thành viên - Membership Function MNC Mực nước chết MNCNTL Mực nước cao trước lũ MNDBT Mực nước dâng bình thường MNĐL Mực nước đón lũ MOEA Thuật tốn tiến hóa đa mục tiêu- Multiobjective Evolutionary Algorithm NLP Quy hoạch phi tuyến - Nonlinear Programming QCVN Quy chuẩn Việt Nam QTVH Quy trình vận hành SDP Quy hoạch động ngẫu nhiên- Stochastics Dynamics Programming TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam