Nghiên cứu cơ sở khoa học kết hợp mô hình mô phỏng – tối ưu – trí tuệ nhân tạo trong vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, áp dụng cho lưu vực sông ba

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘNÔNGNGHIỆPVÀPTNT TRƯỜNGĐẠIHỌCTHỦYLỢI LÊNGỌCSƠN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC KẾT HỢP MƠ HÌNH MƠPHỎNG–TỐIƯU–TRÍTUỆNHÂNTẠO TRONG VẬNHÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU, ÁP DỤNG CHOLƯUVỰCSÔNGBA LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘNÔNGNGHIỆPVÀPTNT TRƯỜNGĐẠIHỌCTHỦYLỢI LÊNGỌCSƠN HÀNỘI,NĂM2017 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC KẾT HỢP MƠ HÌNH MƠPHỎNG–TỐIƯU–TRÍTUỆNHÂNTẠO TRONG VẬNHÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU, ÁP DỤNG CHOLƯUVỰCSƠNGBA Chunngành: Xâydựng Cơngtrìnhthủy Mãsố: 62584001 NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC 1.P G S T S HồSỹDự 2.G S T S LêĐìnhThành HÀNỘI,NĂM2017 LỜICAMĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết quảnghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ mộtnguồn hình thức nào.Việc tham khảo nguồn tài liệu đượcthựchiệntríchdẫnvàghinguồntàiliệuthamkhảođúngquyđịnh Tácgiảluậnán LêNgọcSơn LỜICÁMƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Hồ Sỹ Dự GS.TS Lê ĐìnhThành tận tình bảo, hướng dẫn giúp đỡ tác giả suốt thời gian thực hiệnvàhoànthànhluậnán Tác giả xin chân thành cảm ơn đến cấp lãnh đạo Trường Đại học Thủy lợi,Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Năng lượng, Khoa Cơng trình, Bộ mơnThủy điện Năng lượng tái tạo, thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp tạo điềukiện thuận lợi,chiasẻ,tưvấn cho tác giảtrong suốt trình họct ậ p v t h ự c h i ệ n Luậnán Tác giả xin trân trọng cảm ơn nhà khoa học, quan tạo điều kiện cung cấpcácthơngtinvàtàiliệucầnthiết,giúpđỡtácgiảtrongqtrìnhnghiêncứu,thựchiệnLuậnán Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người thân đãln chỗ dựa vững vật chất tinh thần suốt q trình nghiên cứuđếnkhihồnthànhbảnLuậnánnày MỤCLỤC DANHMỤCCÁCHÌNHẢNH .vi DANHMỤCBẢNGBIỂU vii DANHMỤCCÁCTỪ VIẾTTẮT .viii MỞĐẦU 1 Tínhcấpthiếtcủađềtàinghiêncứu Mụctiêunghiêncứucủađềtàiluậnán Đốitượngvàphạmvinghiêncứu Cáchtiếpcậnvàphươngphápnghiêncứu Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễncủaluậnán Nhữngđónggópmớicủaluậnán .5 Cấutrúccủaluậnán CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỆTHỐNGHỒCHỨA 1.1 HồchứavàphươngphápVHHTHC 1.1.1 Kháiquátvềhồchứa 1.1.2 Phươngpháp VHHTHC 1.2 TổngquanvềtìnhhìnhnghiêncứuVHHCtrênthếgiới 1.2.1 Cácmơhìnhmơphỏngvàứngdụngtrênthếgiới 1.2.2 Cácmơhìnhtốiưuvàứngdụngtrênthếgiới 11 1.2.3 Phươngphápkếthợpmơhìnhmơphỏng-tốiưuvàứngdụngtrênthếgiới .23 1.3 NghiêncứuứngdụngcácmơhìnhvậnhànhhồchứaởViệtNam 24 1.4 LưuvựcsơngBavàtìnhhìnhnghiêncứuVHHTHCtrênlưuvực 27 1.4.1 LưuvựcsôngBa .27 1.4.2 Tìnhhình nghiêncứu VHHTHCtrênsơngBa .28 1.5 Nhữngtồntại, hạnchế trongVHHTHC 33 1.6 HướngtiếpcậnvàphươngphápgiảiquyếtbàitoánVHHTHCcủaLuậnán .34 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢVẬNHÀNHHỆ THỐNGHỒCHỨA 39 2.1 MơhìnhmơphỏnghệthốnghồchứaHEC-ResSim 39 2.1.1 Tínhnăngcủachươngtrình .40 2.1.2 Cấutrúcmơhình .40 2.1.3 QuytắcvậnhànhvàcácBốicảnhvậnhành 43 2.1.4 Cácchỉtiêuđánhgiákhảnăngphátđiện,cấpnước 44 2.1.5 Kếtquảđầuracủa mơhìnhHEC-ResSimvàkếtnốivớiDP 45 2.2 MơhìnhtốiưuDP 45 2.2.1 Cáckháiniệmcơbản 45 2.2.2 Thuậttoán DDDP 46 2.2.3 LậptrìnhbàitốnquyhoạchđộngchoHTHCthủyđiện 50 2.2.4 Kếtquảtừmơ hìnhDPvàkếtnốivớiANN 57 2.3 MơhìnhANN 59 2.3.1 CấutrúccủamạngANN 59 2.3.2 Qtrìnhqtxi 59 2.3.3 Phươngpháplantruyềnngược 64 2.3.4 Phần mềmtínhtốnANN 64 2.3.5 CácbướcxáclậpmạngA N N vàá p dụngvàovậnhànhthực 65 2.4 KếtluậnChương2 66 CHƯƠNG ÁP DỤNG MƠ HÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆTHỐNGHỒCHỨATHỦYĐIỆNTRÊNSÔNGBA 69 3.1 Tìnhhìnhsốliệuquantrắckhítượngthủyvăn 69 3.2 SốliệuH T H C cácyêucầudùngnướctrênlưuvựcsôngBa 73 3.2.1 HệthốngcáchồchứathủyđiệntrênlưuvựcsơngBa .73 3.2.2 Sốliệuvềtìnhhìnhsửdụngnướctrênlưuvực 73 3.3 ThiếtlậphệthốngvậtlýlưuvựcsôngBa 79 3.4 SửdụngmơhìnhHEC-ResSimđểđịnhlượngtìnhhìnhVHHTHClưuvực .81 3.4.1 Địnhlượngvàảnhhưởngcủacácràngbuộcnhucầusửdụngnướchạlưu 81 3.4.2 Định lượng ảnh hưởng ràng buộc dịng chảy mơi trường tốithiểuhạlưu 87 3.4.3 3.5 KếtquảtínhtốntừmơhìnhHEC-ResSimsửdụngchoDP .97 ThiếtlậpvàchạymơhìnhDPchoHTHCsơngBa 98 3.5.1 Hàmmụctiêuvàràngbuộc 98 3.5.2 Điềukiệnbiênvàràngbuộc 99 3.5.3 ChuỗitínhtốnANN-DPchoHTHCsơngBa 101 3.6 ThiếtlậpmạngANN-DPvàđánhgiá 102 3.7 KếtluậnChương3 105 KẾTLUẬNVÀKIẾNNGHỊ .106 Kếtquảđạtđượccủaluậnán 106 Nhữngđónggópmớicủaluậnán 107 Nhữngtồntạivàkiếnnghịn g h i ê n cứutiếptheocủaluậnán 107 DANHMỤCCƠNGTRÌNHĐÃCƠNGBỐ .109 TÀILIỆUTHAMKHẢO 110 PHỤLỤC 117 DANHMỤCCÁCHÌNHẢNH Hình1.1BảnđồvịtrílưuvựcvàHTHCtrênsơngBa 31 Hình1.3 Sơđồkhốimơtảk ế t hợpcácmơhìnhchoVHHTHC 36 Hình1.2Đườngvậnhànhdự kiếncậntốiưusaukhidùngkếthợpANN-DP 37 Hình2.1Cácmơ-đuncủaphầnmềmHEC-ResSim 43 Hình2.2Qtrình raquyếtđịnhtheotrìnhtựcủaDP 47 Hình2.3LướichiacácgiaiđoạnvàtrạngtháicủabàitốnDPtheophươngpháp DDDP 52 Hình2.6PhạmvibiếnđổicủamựcnướchồsửdụngDDDP 52 Hình2.5GiớihạnvùnglàmviệccủatuabinvàđườngđặctínhvậnhànhcơngsuấtN =f(Q,H) 55 Hình2.6CácbướctínhtốnMơhìnhQuyhoạchđộng–DDDP 60 Hình2.7Xử lýràngbuộctrongmơhìnhDP .61 Hình2.8 CấutrúcmạngANN 62 Hình2.9CácbướcpháttriểnmạngANN 63 Hình2.10Sơđồkhốithuậttốnlantruyềnngược(BP) .67 Hình3.1SơhọacắtdọcHTHCtrênsơng Ba .75 Hình3.2 SơhọamặtbằngHTHCtrênsơngBa 76 Hình3.3SơđồtínhtốnchohệthốngSơngBa 77 Hình3.4Đồthịtổngđiệnlượngtrungbìnhnămcácphươngán 82 Hình3.5Đồthịđiệnlượngtrungbìnhnămtừnghồthủyđiện .82 Hình3.6Đồthịthểhiệntổngđiệnlượngtrungbìnhmùakiệtcácphươngán 85 Hình3.7Đồthịthểhiệntổnglượngnướccấptrungbìnhnămcácphươngán 85 Hình3.8Đồthịthểhiệnlượngnướccấptrungbìnhnămtừngkhutưới 86 Hình3.9Tổngđiệnlượngtrungbìnhmùakiệtcácphươngán .93 Hình3.10Điệnlượngtrungbìnhmùakiệtcáchồthủyđiện 93 Hình3.11Tổnglượngnướccấptrungbìnhmùakiệtcácphươngán .95 Hình3.12Lượngnướccấptrungbình mùakiệtcáckhutưới 95 Hình3.13Lượngnướccấptrungbìnhmùa kiệtchocáctuyến 95 Hình3.14Phạmvibiếnđổimựcnướccáchồchứa .97 Hình3.15SosánhdungtíchhồSơngHinhtrongcáctrườnghợptínhkhácnhau (20012005) 104 Hình3.16SosánhkếtquảdungtíchhồchứaquakiểmđịnhANNvớidungtíchtốiưu DP 104 DANHMỤCBẢNGBIỂU Bảng2.1Mơtảcácbướcliênkếtcácm hìnhgiảiquyếtbàitốnVHHTHC 41 Bảng3.1CáctrạmthủyvăntrênlưuvựcSơngBa 70 Bảng3.2Thốngkêchuỗisốliệuthủyvăn 70 Bảng3.3Cáctrạmđobốchơitrênlưuvực 71 Bảng3.4Cáctrạmđomưatrênlưuvực .71 Bảng3.5Diệntíchlưuvựctínhđếncácvịtrícơngtrình .72 Bảng3.6Thơngsốkỹthuậtchínhcủa hồchứathủyđiện .74 Bảng3.7Tổnghợpdiệntíchtưới .78 Bảng3.8Nhucầutướihàngtháng 78 Bảng3.9Nhucầunướchàngnămchosinhhoạt,cơngnghiệpvàcấpnướcđơthị 78 Bảng3.10CácbướcthiếtlậpmơhìnhvàgiảiquyếtbàitốnVHHTHC 79 Bảng3.11CáchồchứachínhtrênhệthốngSơngBa 80 Bảng3.12Cáckhutướitrênhệthống .80 Bảng3.13Cácnútcấpnướcsinhhoạt,côngnghiệp,đôthị 80 Bảng3.14Nútchuyển nướchệthống .81 Bảng3.15Nútkiểmtradịngchảymơitrường 81 Bảng3.16Cácphươngántínhtốnchohệthống .81 Bảng3.17Tổnghợpđánhgiácácyêucầuvềđiệnlượngnăm 83 Bảng3.18 Tổnghợpđánhgiácácchỉtiêuyêucầukhutưới 84 Bảng3.19Đặctrưngdịngchảytrungbình thờikỳ 88 Bảng3.20Dịngchảymơitrườngtuyến1 89 Bảng3.21Dịngchảymơitrườngtuyến2 89 Bảng3.22Dịngchảymơitrườngtuyến3 89 Bảng3.23Dịngchảymơitrườngtuyến4 90 Bảng3.24Dịngchảymơitrườngtuyến5 90 Bảng3.25Mộtsốgiátrịdịngchảymơitrườngđềxuất .91 Bảng3.26Cácphươngántínhtốnchohệ thốngđánhgiádịngchảymơitrường 91 Bảng3.27Kếtquảtínhtốnvềđiệnlượngtrongmùakiệt 92 Bảng3.28Kếtquảtính tốnvềcấp nướctưới trongmùakiệt 94 Bảng3.29Kếtquảtínhtốnvềdịngchảymơitrườngquatuyếntrongmùakiệt .96 Bảng3.30PhạmvibiếnđổimựcnướchồchứatừHEC-ResSim 98 Bảng3.31Yêucầuvềcấpnướchạlưutốithiểutrongm ù a kiệt 100 Bảng3.32GiátrịđiệnlượngtrungbìnhnămtheoDP .101 Bảng3.33LưulượngđếnđậpĐồngCamvàcấpnướctướichoAyunHạ .101 Bảng 3.34 So sánh giá trị hàm mục tiêu - điện trung bình năm giữa: (i) Vận hànhthựctế;(ii)DP;(iii)ANN-DP(đ.vị:triệukWh) .103 Bảng3.35Chênhlệchdungtíchcuốithờiđoạngiữam hìnhDPvàANN 103 DANHMỤCCÁCTỪVIẾTTẮT ANN Mạngnơ-ronnhântạo(AritificialNeuralNetwork) BĐKH Biếnđổikhíhậu BP Thuậttốntruyềnngượcsaisố(BackwardPropagation) DCMT Dịngchảymơitrường DCTT Dịngchảytốithiểu DDDP DPviphânrờirạc(DiscreteDifferentialDP) DP Quyhoạchđộng(DynamicProgramming) DSS Hệthốngtrợgiúp quyếtđịnh(DecisionSupportSystem) GA Thuậttoán ditruyền(GeneticAlgorithm) GIS Hệthôngtinđịalý(GeographicInformationSystem) HEC-ResSim Phần mềm mô vận hành hồ chứa Hiệp hội kỹsưquânđộiMỹlậpra HTHC Hệthốnghồchứa HTNN Hệthốngnguồnnước KTTV Khítượngthủyvăn LP Quyhoạchtuyếntính(LinearProgramming) MCDM Quyếtđịnh đa mục tiêu (Multiple Criteria DecisionMaking) NLP Quyhoạch phituyến(NonLinear Programming) QLTHTNN Quảnlýtổnghợptàinguyênnước RS Viễnthám(Remote Sensing) VBA NgơnngữlậptrìnhVisualBasicforApplications VHHTHC Vậnhànhhệthốnghồchứa