Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông hồng tính toán chỉnh biên số liệu nhu cầu nước cho các ngành kinh tế

Ràng buộc về tài nguyên nước bao gồm: • Cân bằng nước và chuyển nước ở các đoạn sông • Dòng chảy hồi quy từ các khu tưới • Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt • Dòng chảy hồi qu

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ:

“NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC

VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG

LƯU VỰC SÔNG HỒNG”

Chủ nhiệm đề tài: TS Tô Trung Nghĩa _

BÁO CÁO TỔNG KẾT CÁC CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU:

TÍNH TOÁN, CHỈNH BIÊN SỐ LIỆU

NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC CHO CÁC LĨNH VỰC

7226-12

19/03/2009

HÀ NỘI - 2008

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI

-

ĐỀ TÀI NCKH CẤP BỘ

Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ

để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

E D

CHUYÊN ĐỀ

CƠ SỞ THIẾT LẬP CÁC RÀNG BUỘC VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC

CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN Chủ nhiệm đề tài: TS Tô Trung Nghĩa Chủ nhiệm chuyên đề:

Người viết báo cáo: Nguyễn Văn Toàn

Hà Nội, 2006

Mục lục

1 Khái quát chung 1

1.1 Khái quát chung về nguồn nước, sử dụng nguồn nước và các ràng buộc 1

1.2 Vị trí địa lý và giới hạn vùng nghiên cứu 2

1.3 Đặc điểm địa hình 2

1.4 Đặc điểm hệ thống sông ngòi 2

1.4.1 Hệ thống sông Hồng 2

1.4.2 Hệ thống sông Thái Bình 3

2 Nguồn nước, hệ thống sử dụng nước và chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước 5

2.1 Nguồn nước sông Hồng 5

2.2 Hệ thống sử dụng nước 5

2.3 Chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước 6

3 Mô phỏng ràng buộc nhu cầu sử dụng nước theo toán học 7

3.1 Hệ thống mạng liên kết nguồn nước và sử dụng nước trên lưu vực sông 7

3.2 Mô phỏng ràng buộc nhu cầu sử dụng nước theo toán học 7

3.2.1 Cân bằng nước và chuyển nước ở các đoạn sông 7

3.2.2 Dòng chảy hồi quy từ các khu tưới 8

3.2.3 Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt 9

3.2.4 Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước công nghiệp 9

3.2.5 Cân bằng dung tích hồ chứa 9

3.2.6 Các hàm phát điện 10

3.2.7 Hàm dung tích-mực nước hồ chứa 10

3.2.8 Hàm dung tích - diện tích hồ chứa 10

3.2.8.1 cho các trạm điện được vận hành bởi các hồ chứa thượng lưu 11

3.2.8.2 cho tất cả các hồ chứa khác 11

3.2.9 Giới hạn bơm nước ngầm 11

3.2.10 Tổng lượng cung cấp nước mặt cho một khu tưới 11

3.2.11 Quan hệ lượng nước mặt cho tưới với các cây trồng 12

3.2.12 Tổng lượng nước tưới sẵn có cho các cây trồng 12

3.2.13 Tổng lượng nước tưới sẵn có cho toàn bộ khu tưới (bao gồm cả mưa hiệu quả) 12

3.2.14 Thấm giai đoạn (theo tháng) 13

3.2.15 Giảm sản lượng theo tháng 13

3.2.16 Xác định giảm sản lượng tối đa 13

3.2.17 Tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt theo yêu cầu 13

3.2.18 Tổng lượng nước cấp cho công nghiệp theo yêu cầu 14

3.2.19 Dòng chảy nhỏ nhất 14

3.2.20 Ràng buộc về chất lượng nước: 14

3.3 Các ràng buộc về tài nguyên liên quan 14

3.3.1 Khống chế mực nước 14

3.3.2 Khống chế mức xả tối đa từ các hồ chứa 14

3.3.3 Khống chế tốc độ biến đổi dòng chẩy 15

3.3.4 Khống chế công xuất phát điện tối đa 15

4 Cách mô tả bằng GAMS 15

4.1 Khái quát chung về GAMS và ngôn ngữ GAMS 15

4.2 Khai báo các biến trong GAMS 16

4.2.1 Các biến 16

4.2.1.1 Các biến trong hệ thống: 16

4.2.1.2 Kết nối mạng trong hệ thống lưu vực sông 16

4.2.1.3 Các mối quan hệ lợi nhuận/lợi ích đối với các tỉnh 16

4.2.1.4 Xác định giai đoạn tưới cho cây trồng 17

4.2.1.5 Cơ cấu cây trồng trong mỗi khu tưới 17

4.2.1.6 Các cây trồng được tưới bằng nước ngầm 17

4.2.1.7 Nhu cầu nước sinh hoạt đô thị/nông thôn 17

4.2.2 Các tài liệu đầu vào 17

4.2.2.1 Nguồn tài liệu 17

4.2.2.2 Reservoir data 17

4.2.2.3 Dữ liệu về trạm thuỷ điện 17

4.2.2.4 Dòng chảy tối thiểu 17

4.2.2.5 Các thông số chuyển nước 18

4.2.2.6 Tài liệu cây trồng 18

4.2.2.7 Tài liệu sử dụng nước sinh hoạt 18

4.2.2.8 Tài liệu sử dụng nước công nghiệp 18

4.2.2.9 Tài liệu kinh tế 18

4.2.2.10 Các biến cơ bản 19

4.2.2.11 Các biến trung gian 20

4.2.2.12 Giới hạn biến 21

5 Kết luận kiến nghị 22

6 Phụ lục Error! Bookmark not defined.

6.1 Phụ lục A: Các đường đặc tính hồ chứa Error! Bookmark not defined.

6.2 Phụ lục B: Các đường đặc tính trạm thủy điện Error! Bookmark not defined.

6.3 Phụ lục C: Môđun vận hành 3 hồ chứa trong môi trường GAMS Error! Bookmark not defined.

1 Khái quát chung

1.1 Khái quát chung về nguồn nước, sử dụng nguồn nước và các ràng buộc

Nước là tài nguyên quý giá, là tư liệu thiết yếu cho cuộc sống con người Nước sạch

là nhu cầu không thể thiếu cho sinh hoạt và bảo vệ sức khỏe Nước cần cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và các ngành kinh tế khác Nước còn cần cho phát triển thủy điện, du lịch giải trí và duy trì cảnh quan môi trường

Đặc điểm sử dụng nước của mỗi ngành không giống nhau, có ngành sử dụng quanh năm, có ngành sử dụng theo mùa Có ngành sử dụng tiêu hao và có ngành sử dụng không tiêu hao nước Giá trị kinh tế của nước mang lại cho mỗi ngành cũng khác nhau

Trong tự nhiên số lượng và chất lượng nước nước mặt và nước ngầm cũng biến đổi theo thời gian và không gian Không phải bất kỳ lúc nào và ở đâu cũng có đủ lượng nước để đáp ứng tất cả các nhu cầu sử dụng nước

Bài toán đặt khi sử dụng nguồn nước trong lưu vực sông sao cho hiệu quả kinh tế lớn nhất đồng thời bảo đảm sự bền vững không làm suy thoái, cạn kiệt nguồn nước Trong tính toán sử dụng tối ưu nguồn nước chương trình toán được sử dụng khá phổ biến và rộng rái là GAMS Trong chương trình GAMS hàm mục tiêu (hàm lợi nhuận của các ngành dùng nước) được tối đa hoá trong khi đó vẫn phải đảm bảo các điều kiện ràng buộc về tài nguyên nước và các ràng buộc về tài nguyên có liên quan khác

Ràng buộc về tài nguyên nước bao gồm:

• Cân bằng nước và chuyển nước ở các đoạn sông

• Dòng chảy hồi quy từ các khu tưới

• Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt

• Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước công nghiệp

• Cân bằng dung tích hồ chứa

• Các hàm phát điện

• Hàm dung tích-mực nước hồ chứa

• Hàm dung tích - diện tích hồ chứa

• Giới hạn bơm nước ngầm

• Tổng lượng cung cấp nước mặt cho một khu tưới

• Tổng lượng nước tưới sẵn có cho các cây trồng

• Quan hệ lượng nước mặt cho tưới với các cây trồng

• Tổng lượng nước tưới sẵn có cho toàn bộ khu tưới (bao gồm cả mưa hiệu quả)

• Thấm giai đoạn (theo tháng)

• Giảm sản lượng theo tháng

• Xác định giảm sản lượng tối đa

• Tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt theo yêu cầu

• Tổng lượng nước cấp cho công nghiệp theo yêu cầu

• Dòng chảy nhỏ nhất

• Ràng buộc về chất lượng nước

Các ràng buộc về tài nguyên có liên quan khác bao gồm:

• Khống chế mực nước (độ sâu dòng chẩy) trên các đoạn sông đẻ bảo đảm giao thông thủy

• Khống chế mức xả tối đa từ các hồ chứa (do hạn chế kết cấu công trình)

• Khống chế tốc độ biến đổi dòng chẩy (mực nước sông) nhằm giảm nguy

cơ gây xói lở bờ sông

• Khống chế công xuất phát điện tối đa (giới hạn công xuất lắp máy của nhà máy thủy điện)

1.2 Vị trí địa lý và giới hạn vùng nghiên cứu

Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình là một lưu vực sông quốc tế nằm trên lãnh thổ của 3 quốc gia Việt Nam, Trung Quốc, Lào với tổng diện tích tự nhiên là: 169.000 km2

Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình trên lãnh thổ Việt Nam có diện tích là 86.680 km2 (chiếm 51,3% diện tích lưu vực) Tây bao gồm đất đai của 26 tỉnh thành

ở Việt Nam là Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Hoà Bình, Hà Giang, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Thái Nguyên, Bắc Cạn, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương, Hải Phòng, Hưng yên, Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và một phần đất đai của 3 tỉnh Quảng Ninh, Lạng Sơn, Cao Bằng (196 huyện) Dân số trong vùng nghiên cứu tính đến năm 2003 là 25.731.639 người

1.3 Đặc điểm địa hình

Địa thế lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình nói chung dốc nghiêng từ Tây Bắc xuống Đông Nam và từ Bắc xuống Nam và có thể chia làm bốn miền lớn: Miền Tây Bắc, Miền cao nguyên phía Bắc, miền núi thấp ở phần dưới lưu vực sông Hồng

và phần trên của lưu vực sông Thái Bình và miền đồng bằng tam giác châu lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình

1.4 Đặc điểm hệ thống sông ngòi

Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình được tạo thành bởi 2 hệ thống sông tự nhiên là sông Hồng và sông Thái Bình Hai sông này được liên kết với nhau bởi hai sông Đuống và sông Sông Luộc Hàng năm sông Đuống và sông Luộc đã chuyển tải một lượng nước nước là 35.5 km3 từ sông Hồng sang sông Thái Bình

1.4.1 Hệ thống sông Hồng

Sông Hồng có 3 nhánh lớn là: sông Đà, sông Thao và sông Lô - Gâm, ba nhánh này gặp nhau tại Việt Trì và được gọi là sông Hồng Khi chảy vào vùng đồng bằng nó có nhiều phân lưu ra cả hai phía bờ tả và bờ hữu; hiện tại bờ tả còn 3 phân lưu là sông Đuống, sông Luộc và sông Trà Lý, bờ hữu còn sông Đào Nam Định và sông Ninh Cơ

Sông Đà là nhánh sông cấp I lớn nhất của sông Hồng, có diện tích lưu vực 52900km2 trong đó diện tích thuộc lãng thổ Việt nam là là 26800 km2 Sông có chiều dài là 1010km, trong đó chảy trong địa phận Việt Nam là 570km

Sông Thao phát nguồn từ vùng núi cao (hơn 1770m so với mặt biển) thuộc lãnh thổ Trung quốc Sông Thao có diện tích lưu là 51800km2 và dài 902km (tính đến Việt Trì)

Sông Lô bắt nguồn từ cao nguyên Vấn Quý của Trung Quốc chảy vào Việt Nam tại Thanh Thủy (Hà Giang) và nhập lưu với sông Hồng tại Việt Trì, sông dài 464km, trong đó ở Việt Nam dài 354km Diện tích lưu vực tính đến Việt Trì của toàn bộ hệ thống sông Lô là 39040km2 trong đó diện tích của Việt Nam là:22600km2 chiếm 58% diện tích toàn lưu vực

Dòng chính sông Hồng từ ngã ba Việt Trì đến Hà Nội chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Từ Hà Nội đến cửa Ba Lạt (biển Đông) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, sông dài 237 km Có các phụ lưu là sông Đáy, sông Đuống, sông Luộc, sông Trà Lý, sông Đào Nam Định và sông Ninh Cơ

Dòng chính sông Thái Bình được tính từ ngã ba Chí Linh ra đến cửa biển sông dài 90km, sông rộng trung bình 350 ÷ 450m ít dốc bị bồi lắng nhiêu Lòng sông so với trước kia bị thu hẹp nhỏ như đoạn Ngọc Điểm đến Quý Cao Riêng đoạn Quý Cao nay đã bị lấp chỉ còn một lạch nhỏ

Sông Cầu là nhánh lớn nhất của sông Thái Bình Bắt nguồn từ núi Vạn Om - Chợ Đồn tỉnh Bắc Cạn Chiều dài sông tính đến Phả Lại là 288,5km diện tích lưu vực 6030km2

Sông Thương bắt nguồn từ dãy núi Na Pha Phước - Chi Lăng - Lạng Sơn Sông dài 571 km có diện tích lưu vực 3650km2

Sông Lục Nam bắt nguồn từ huyện Đình Lập (Lạng Sơn) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam nhập lưu vào sông Thương tại Phương Nhơn (Lục Nam - Bắc Giang) cách cửa sông Thương 9,5km, diện tích lưu vực 3070 km2

Ngoài việc nhận nguồn nước lớn từ 2 phân lưu của sông Hồng là sông Đuống và sông Luộc đổ vào, sông Thái Bình phân lưu ra các sông chảy ra biển là:

- Sông Văn Úc và nhánh của sông Lạch Tray chúng chảy gần như song song với nhau và chảy ra biển tại 3 cửa Thái Bình, Văn Úc và Lạch Tray

- Sông Kinh Thầy: xuất phát từ Chí Linh đến biển dài 82km đoạn đầu lòng sông rộng khoảng 200 - 300m chảy uốn khúc quanh co gần cửa sông song mở rộng dần đến 400 - 600m Sông Kinh Thầy dốc hơn sông Thái Bình độ sâu lòng sông khoảng từ -5 đến -9m

- Sông Kinh Môn: xuất phát từ ngã ba Cầu đến cao kênh (xã Tam đa)dài 43

km sông rộng trung bình 300m Độ dốc lòng sông nhỏ, sông chảy quanh co, độ sâu đáy sông khoảng 6 ÷10m

Mạng lưới sông Hồng Thái bình được thể hiện ở bản đồ sau

2 Nguồn nước, hệ thống sử dụng nước và chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước

2.1 Nguồn nước sông Hồng

Mưa bình quân năm trên lưu vực sông Hồng khoảng 1800mm,

Tổng lượng dòng chảy năm trên toàn lưu vực đạt 135 tỷ m3 Dòng chảy năm đạt 118.2 tỉ m3/năm tại Sơn Tây

Lượng dòng chảy tại nước ngoài là 52,46 tỷ m3 Chiếm 38,9% dòng chảy toàn lưu vực Tại Việt Nam 82,54 tỷ m3 chiếm 61,1% tổng lượng dòng chảy trên lưu vực

Lượng dòng chảy sản sinh trên lãnh thổ nước ngoài là 6.371 m3/km2, tại Việt Nam là 9.254 m3/km2

- Sông Đà: W0 = 57,36 tỷ m3 chiếm 42,5% Wlv

- Sông Lô: W0 = 34,73 tỷ m3 chiếm 27,7% Wlv

- Sông Thao: W0 = 27,57 tỷ m3 chiếm 20,4% Wlv

- Thượng du sông Thái Bình W0 = 8,71 tỷ m3 chiếm 6,45% Wlv

- Sông Đáy W0 = 3,39 tỷ m3 chiếm 2,5% Wlv

- Vùng Đồng bằng sông Hồng W0 = 3,19 tỷ m3 chiếm 2,36% Wlv

Phân bổ tổng lượng dòng chảy năm trên lưu vực sông Hồng rất không đều trong năm Tổng lượng dòng chảy mùa kiệt (7-9 tháng) chỉ chiếm từ 20-30% tổng lượng dòng chảy năm Trong khi đó dòng chảy mùa mưa chiếm tới 70-80% dòng chẩy năm Đặc trưng dòng chẩy năm sông Hồng được thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Đặc trưng dòng chảy năm lưu vực sông Hồng

Sông Tính đến trạm Flv (km2) %Flv Qo (m3/s) Mo (l/skm2) Xo (mm) Wo (106m3) Yo (mm) α

Hồng Sơn Tây 143600 100 3742 26.06 1940 118008 822 0.424

Đà Hoà Bình 51800 36.07 1766 34.1 1960 55692 1075 0.549

Lô Ghềnh Gà 29600 20.61 753 25.44 2000 23747 802 0.401Thao Yên Bái 48000 33.43 810 16.88 2036 25544 532 0.261Thái

Bình Phả Lại 12680 100 280 22.08 1657 8830 696 0.420

2.2 Hệ thống sử dụng nước

Nguồn nước trên hệ thống sông Hồng được sử dụng cho much đích phát trển kinh tế xã hội Các ngành sử dụng chính bao gồm: nước cho sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp (cả thủy điện), thủy sản, nước cho môi trường, giao thông thủy Tuy mhiên nước được sử dụng nhiều nhất là cho nông nghiệp

Hiện tổng diện tích đất nông nghiệp trong vùng là: 357.262ha Diện tích lúa màu: 291.680ha (3 vụ: 3.072ha, 2 vụ: 120.900ha, 1 vụ: 60.514ha)

Năm 1995 Năm 2000 Cây

trồng Diện tích (ha) Năng suất (tạ/ha) Diện tích (ha) Năng suất (tạ/ha) Lúa xuân 138.067 35,42 152.979 45,46 Lúa mùa 35,42 35,13 187.586 40,40

Khoai Lang 45,46 60,49 35.214 59,82

Rau đậu 35,13 110.73 31.095 113.77 Cây ăn quả 187.586 355 31.788 284

Chè 40,40 25.206 10.797 63.476

Hệ thống công trình lấy nước trên lưu vực khá dày đặc gồm các hệ thống cống và trạm bơm lấy nước phục vụ các mục tiêu cấp nước nông nghiệp, công nghiệp, đô thị, sinh hoạt, duy trì môi trường Hệ thống các trạm bơm bố trí trên các nhánh sông Thao trước nhập lưu hai sông Thao-Đà, trên sông Thái Bình, sông Đáy

Hệ thống cống lấy nước lớn ngoài cống Liên Mạc và Xuân Quan chủ yếu tập trung

ở vùng hạ lưu ven biển

Theo chế độ thủy lực có thể phân các hộ dùng nước thành hai nhóm: Nhóm lấy nước bằng bơm (lấy chủ động và nằm chủ yếu ở trung du) và nhóm lấy nước bằng cống (lấy nước bị động vì phụ thuốc mực nước trước cống và chủ yếu ở vùng đồng bằng)

Nhìn chung hệ thống công trình đã xây dựng từ lâu đã xuống cấp, nhiều hệ thống kênh mương nội đồng bị bồi lắng nên khả năng lấy nước phục vụ các yêu cầu sản xuất thường gặp khó khăn trong mùa khô

2.3 Chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước

Để giảm thời gian tính toán trong mô phỏng hệ thống các công trình lấy nước trên sông được nhóm thành các nhóm sử dụng nước Việc nhóm các nhóm sử dụng nước được thực hiện theo nguyên tắc (i) tính chất lấy nước tưng tự về chế độ thủy lực và (ii) Khoảng cách giữa các hộ dùng nước thành phần trong nhóm là nhỏ so với khoảng cách giữa hai mặt cắt địa hình sông

Theo nguyên tác trên các hộ dùng nước được nhóm thành 162 hộ (162 nút) trong đó có 120 trạm bơm và 42 cống (có 39 cống ảnh hưởng triểu)

Các hộ sử dụng nức theo yêu cầu cảu mình sẽ lấy nước từ ngồn nước sông Hồng Các hộ lấy nước bằng bơm luôn chủ động lấy lượng nước mình mong muốn Mức

tố đa họ lấy là công suất lấy

3 Mô phỏng ràng buộc nhu cầu sử dụng nước theo toán học

3.1 Hệ thống mạng liên kết nguồn nước và sử dụng nước trên lưu vực sông

Lượng nước lấy theo các nút được thể hiện ở bảng phụ lục A

3.2 Mô phỏng ràng buộc nhu cầu sử dụng nước theo toán học

3.2.1 Cân bằng nước và chuyển nước ở các đoạn sông

Trong khoảng thời gian pd (tháng), trên đoạn sông rn, dòng chảy từ đoạn

sông phía thượng lưu (rn_up) vào đoạn sông rn cộng với Dòng chảy vào đoạn sông

source(rn, pd), cộng với Dòng chảy từ các hồ chứa đến các đoạn sông res_n_t(rev,

rn, pd){xả} thông qua tuốc bin cộng với, Dòng chảy từ các hồ chứa đến các đoạn sông res_n_sp(rev, rn, pd){xả} qua tràn, cộng Dòng chảy hồi quy từ khu tưới tới đoạn sông retn_fla (agdm, pd, cộng với Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt tới đoạn sông (retn_flm (mundm, pd), cộng với Dòng chảy hồi quy từ khu công

nghiệp đến đoạn sông retn_fli (indm, pd), bằng Dòng chảy từ các đoạn sông đến

các hồ chứa n_res (rn, rev, pd), cộng với Nước tưới lấy từ các đoạn sông n_da(rn, agdm, pd), cộng với Nước SH lấy từ các đoạn sông n_dm(rn, mundm, pd), cộng với Nước CN lấy từ các đoạn sông n_di(rn, indm, pd) Phương trình này đảm bảo rằng

tổng dòng chảy đến bằng tổng dòng chảy đi

(A-11)

3.2.2 Dòng chảy hồi quy từ các khu tưới

Dòng chảy hồi quy từ khu tưới bao gồm một phần (drna) tiêu sát mặt từ khu tưới

Lượng nước thấm phát sinh trên khu tưới từ việc rút nước mặt và nước ngầm Phần còn lại bị mất do thấm xuống và bốc hơi Bên cạnh đó, một phần lượng nước rút bị mất do tổn thất dọc đường từ sông và hồ chứa cũng hồi quy lại hệ thống sông Phần

này phụ thuộc vào hệ số gọi là reloss, hệ số này kể đến bốc hơi và các tổn thất khác

Các hệ số này sẽ được tham khảo từ chuyên đề tính toán dòng hồi quy

+

=

+

++

++

+

NDLINKi indm rn

NDLINKm mundm rn NDLINKa agdm

rn

NRLINK rev rn RVLINK rn lo

rn DNLINKm rn mundm

DNLINKi rn indm DNLINKa rn

agdm

RNLINK rn rev RNLINK rn

rev RVLINK up rn

rn

pd indm rn di n

pd mundm rn

dm n pd

agdm rn da n

pd rev rn res n pd

lo rn rn flow

pd mundm flm

retn

pd indm fli retn pd

agdm fla

retn

pd rn rev sp n res pd

rn rev t n res

pd rn source pd

rn up rn flow

) (

) (

) (

) ( )

_ (

) (

) ( )

(

) ( )

( ) _ (

),,(_

),,

(_)

,,

(_

),,(_)

,_,(

),(

_

),(_)

,(

_

),,( )

,,(

),()

,,_(

) 1

(

* ) (

*

)) , ,

( _ )

, ,

( _ (

) (

* ) , , (

_

) , (

_

)

reloss agdm

lossa

pd agdm rn

da n pd

agdm rev

da res

agdm drna

pd crop agdm stg

dp

pd agdm

−

+ +

=

∑

3.2.3 Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt

Dòng chảy hồi quy từ khu vực dùng nước sinh hoạt được tính bằng một phần của tổng lượng nước rút, kể cả nước mặt và nước ngầm, với phần được xác định bằng lượng nước tiêu thụ thực tế (consfrm), phần bị tổn thất dọc đường (lossm), và

tỷ lệ tiêu mặt từ nước bị mất trong quá trình cung cấp đến người sử dụng cuối cùng, bao gồm cả lượng nước không tính được (UFW), mà hồi quy lại sông Các hệ số sẽ được tham khảo từ chuyên đề tính toán dòng hồi quy

(A-13)

3.2.4 Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước công nghiệp

Dòng chảy hồi quy từ các khu dùng nước công nghiệp được tính bằng một phần của tổng lượng nước rút, cả nước mặt và nước ngầm, với phần được xác định

bằng lượng nước tiêu thụ thực tế (consfri), phần bị mất do tổn thất dọc đường (lossi), và một phần tiêu của nước mặt từ lượng nước bị mất khi chuyển nước đến

người sử dụng cuối cùng, bao gồm cả lượng nước không đo được (UFW), mà hồi

quy lại sông (drni) Các hệ số sẽ được tham khảo từ chuyên đề tính toán dòng hồi

quy

(A-14)

3.2.5 Cân bằng dung tích hồ chứa

Dung tích hồ chứa tại thời đoạn pd-1 cộng với dòng chảy từ hồ chứa phía thượng lưu vào hồ chứa cộng với dòng chảy từ đoạn sông vào hồ chứa bằng với

8 0 )) (

1 (

* )) (

1

(

*

) 8 0

* 0

* ) , (

inf _ ) , ,

( (

5 0

* ) (

* inf _ 5 0

* 0

* ) , ,

(

) 5 0 ) (

(

* ) , ,

( _

) , ,

( _ (

( ) , (

_

)

(

) (

) (

) (

mundm drnm

mundm consfrm

pd mundm m

to pd mundm gw

pumpm

mundm drnm

m to pd

mundm gw

pumpm

mundm lossm

pd mundm rev

dm res

pd mundm rn

dm n pd

−

−

+ +

+ +

∗ +

* )) ( 1 (

* )) ( 1

(

) , ( inf _ ) , , ( 5 0 ) (

* ) , ( inf _ ) , , (

5 0 ) (

* ) , , ( _

) , , ( _ (

) , ( _

) ( ) (

) ( ) (

indm drni indm

consfri

pd indm i to pd indm gw pumpi indm drni

pd indm i to pd indm gw pumpi

indm lossi pd

indm rev di res

pd indm rn di n

pd indm fli retn

GWLNKi indm gw GWLNKi indm gw RDLINKi indm rev NDLINKi indm rn

−

−

∗

+ +

+ +

∗ +

dung tích hồ chứa tại thời đoạn pd cộng với dòng chảy từ hồ chứa đến hồ chứa phía

hạ lưu, cộng với dòng chảy từ hồ chứa đến khu tưới, khu dùng nước sinh hoạt và khu dùng nước công nghiệp, cộng với lượng bốc hơi mặt hồ

Q Dòng chảy qua tuốc bin (MCM)

h Cột nước (m)

h 0 Mực nước hạ lưu (m)

Sau đó, quan hệ về sản xuất điện hằng ngày sẽ được giải để tìm ra lượng điện

và các thông số điều chỉnh theo tháng Q(pwst) [=RES_N_T(rev, rn, pd)] và h là các

biến cơ bản và trung gian trong mô hình Cột nước để sản xuất điện và diện tích mặt

hồ để xác định bốc hơi thực được tính toán dựa vào các đường quan hệ dung mực nước hồ và dung tích-diện tích:

tích-3.2.7 Hàm dung tích-mực nước hồ chứa

+ +

+

=

+ +

−

RNLINK rn

rev

RDLINKm mundm rev RDLINKa agdm

rev

RRLINKL rev lo rev NRLINK rev

rn

RRLINK up rev rev

pd rev evap r

pd rn rev n res

pd mundm rev

dm res pd

agdm rev

da res

pd lo rev rev res res pd

rev st res pd rev rn res

n

pd rev up rev res res pd

)

(

) _ ( )

(

) _ (

) , ( _ ) , , ( _

) , ,

( _ )

, ,

( _

) , _ , ( _ )

, ( _ )

, , (

_

) , , _ ( _ )

1 ,

(

_

8 9

* 24

* )) pwst ( h ) pwst ( h (

* ) pwst ( Q

1000

* ) pwst ( power )

g pd pwst ST RES

pwst

f

pd pwst ST RES pwst

e pd

pwst AREA

RES

++

+

=

),(_

*)(),(_

*

)

(

),(_

*)()

,(_

2

3

d pd pwst h pwst c pd

pwst h pwst

b

pd pwst h pwst a pd

pwst

ST

RES

++

+

=

),(

*)()

,(

*

)

(

),(

*)()

,(

_

2

3

RES_RES Dòng chảy từ hồ chứa đến hồ chứa (MCM)

RES_N_T Dòng chảy qua tuốc bin (MCM)

3.2.9 Giới hạn bơm nước ngầm

Tổng lượng nước ngầm bơm cho khu tưới, khu công nghiệp và khu dùng nước sinh hoạt ở thời đoạn pd phải nhỏ hơn hoặc bằng trữ lượng giới hạn của nước ngầm ở cùng thời đoạn

(A-21)

Giới hạn bơm nước ngầm được xác định theo trữ lượng nước ngầm nông hằng tháng của các tỉnh

3.2.10 Tổng lượng cung cấp nước mặt cho một khu tưới

Tổng lượng nước mặt cấp cho khu tưới phải bằng tổng lượng nước lấy từ sông vào khu tưới cộng với tổng lượng nước lấy từ hồ chứa vào khu tưới nhân với hệ số dùng nước (bằng 1-hệ số tổn thất)

725.2

*)(_

*))(),(

(

*

),,( )

,(

0 pwst pw effy pwst h

pd pwst

h

pd rn rev T N RES pd

*)(_

*))(),(

(

*

),_,(_)

,(

0 pwst pw effy pwst h

pd pwst

h

pd lo rev rev RES RES

pd pwst

power

−

=

),(lim_

),,,()

,,(

),,

()

,( _

& _ & _

) (

)

(

) (

pd gw it gw

pd crop agdm gw pumpa pd

indm gw pumpi

pd mundm gw

pumpm pd

gw lmt

gwpump

pcrop dem cp cp prd crop GWLINKa

agdm gw GWLINKi indm

gw

GWLINKm mundm gw

(A-22)

3.2.11 Quan hệ lượng nước mặt cho tưới với các cây trồng

Tổng lượng nước mặt cho các cây trồng trong khu tưới ở thời đoạn pd bằng tổng lượng dòng chảy mặt đến khu tưới

(A-23)

3.2.12 Tổng lượng nước tưới sẵn có cho các cây trồng

Tổng trữ lượng nước theo tháng từ nước mặt và nước ngầm, không kể mưa

wacp(agdm, crop, pd) bằng Lượng nước mặt có sẵn cho một loại cây trồng wsfacp(agdm, crop, pd) cộng với tổng lượng nước ngầm bơm cho cây trồng trong

(A-25)

[

) , ,

( _

) , ,

( _ )

, (

agdm loss

pd agdm rev

da res

pd agdm rn

da n pd

agdm a

to

RDLINKa agdm

rev

NDLINKa agdm rn

PRD _ CP pd

& DEM _ CP crop

pd crop agdm er

pd crop agdm wacp

crop agdm

twacp

),(

*),,(

),,(

),(

∑

∈

∈+

=

PCROP crop GWLINKa gw

pd crop agdm gw

pumpa pd

crop agdm wsfacp

pd crop agdm

wacp

&

) , , ,

( )

, , (

) , , (

3.2.14 Thấm giai đoạn (theo tháng)

(A-26)

Trong đó hệ số tưới là cố định Thấm theo mùa (dp(agdm,crop)) được tính

bằng cách cộng tổng các lượng thấm hằng tháng

3.2.15 Giảm sản lượng theo tháng

Giảm năng suất cây trồng theo giai đoạn hoặc theo tháng được xác định bởi công thức sau:

(A-27)

theo Doorenbos and Kassam (1979)

kym(agdm, crop,pd) Hệ số phản ứng năng suất cây trồng theo tháng của FAO

etm(agdm,crop,pd) Bốc hơi tiềm năng (mm)

eta(agdm,crop,pd) Bốc hơi thực tế

3.2.16 Xác định giảm sản lượng tối đa

(A-28)

CT A-27 and CT A-28 được sử dụng cho hàm penalty đã trình bày ở trên

3.2.17 Tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt theo yêu cầu

Tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt theo yêu cầu phải bằng tổng lượng nước lấy từ sông và tổng lượng nước lấy từ hồ chứa vào khu dùng nước sinh hoạt nhân với hệ

(_

),,

(_

),(

inf_

) (

) (

mundm loss

pd mundm rev

dm res

pd mundm rn

dm n

pd mundm m

to

RDLINKm mundm

rev

NDLINKm mundm rn

−

⋅+

pd mundm gw

pumpm pd

mundm m

to

pd mundm tmuwat

),,

()

,(

inf

_

),(

)) ,

( 1

(

* ) , , (

) , , ( _

crop agdm effy

pd crop agdm wacp

pd crop agdm stg

dp

−

=

) ) , , (

) , , (

1 (

* ) , ,

(

) , ,

(

pd cp agdm etm

pd cp agdm eta

pd cp agdm

kym

pd cp

∈

=

(A-30)

Lượng nước cấp được chia thành nhu cầu nước cho sinh hoạt đô thị và nông thôn

(A-31)

3.2.18 Tổng lượng nước cấp cho công nghiệp theo yêu cầu

Tổng lượng nước mặt cấp cho công nghiệp ở thời đoạn pd phải bằng tổng lượng nước lấy từ sông cộng với tổng lượng nước lấy từ hồ chứa vào khu công nghiệp, nhân với hệ số dùng nước công nghiệp

Yêu cầu dòng chảy tại một số vị trí trong hệ thống sông ở mỗi thời đoạn phải

đạt mức quy định Tham khảo trong chuyên đề xác định dòng chảy tối thiểu

3.2.20 Ràng buộc về chất lượng nước:

Yêu cầu chất lượng nước trong sông phải đạt được các tiêu chuẩn về chất lượng nước tưới, chất lượng nước sinh hoạt.v.v Tham khảo trong chuyên đề về chất

3.3.2 Khống chế mức xả tối đa từ các hồ chứa

Do điều kiện hạn chế về kết cấu công trình nên năng lực chuyển tải nước của các công trình là hạn chế Mỗi công trình đề có một ngưỡng hạn chế cụ thể thể hiện bằng lưu lượng tối đa

mundm

pd mundm tmuwatr

pd mundm tmuwatu

pd mundm

tmuwat

),(

),(

),(

[

),,(_

),,(_)

,(inf

_

)

(

) (

indm loss pd

indm rev dm res

pd indm rn dm n pd

indm i to

RDLINKi indm

rev

NDLINKi indm rn

pd indm gw pumpi pd

indm i to

pd indm tinwat

),,()

,(inf_

),(

3.3.3 Khống chế tốc độ biến đổi dòng chẩy

Để bảo đảm môi trường sinh thái và chống xói lở bờ sông nên tùy theo điều kiện cụ thể của mỗi đoạn sông đề có ràng buộc về thay đổi mực nước sông trong một thời gian nhất định như mức tối đa thay đổi mực nước ở đoạn sông A là không quá 2m/ngày)

3.3.4 Khống chế công xuất phát điện tối đa

Giới hạn công xuất lắp máy của nhà máy thủy điện là ràng buộc cụ thể cho mỗi nhà máy phát điện

4 Cách mô tả bằng GAMS

4.1 Khái quát chung về GAMS và ngôn ngữ GAMS

Công nghệ GAMS (General Algebraic Modelling System) là một công nghệ mới trong mô phỏng tối ưu hệ thống Công nghệ GAMS cho phép xây dựng và giải các bài toán tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến một cách hiệu quả GAMS đã được nghiên cứu ứng dụng trong các bài toán quy hoạch quản lý nguồn nước trên thế giới

và ở Việt nam Gần đây nhất Viện quy hoạch Thuỷ lợi đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ với nội dung “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ GAMS phục

vụ quy hoạch, quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi vùng thượng du sông Thái Bình”

Cũng như nhiều ngôn ngữ lập trình khác ngôn ngữ GAMS có những quy tắc chặt chẽ cần phải tuân thủ khi sử dụng để phát triển mã nguồn Cấu trúc chung của một chương trình viết trong ngôn ngữ GAMS như sau

• Sets

Khai báo – Xác định các phần tử

• Data

(Parameters, Tables, Scalars)

Khai báo - Gán giá trị

• Variables

Khai báo -Xác định loại biến

• Gán các giá trị biên/các giá trị ban đầu

(tuỳ chọn)

• Equations

Khai báo - Định nghĩa

• Model and solve statements

• Display statement (tuỳ chọn)

Điểm khác biệt ở đây là khi giải mã nguồn không chạy lần lượt từng câu lệnh như các ngôn ngữ máy lập trình thông thường (Pascal, Fortran, Basic, Delphi, VB, C…) Khi nhận được lệnh giải, toàn bộ cấu trúc, ràng buộc đã được xác lập trong bộ

mã sẽ được chuyển vào bộ giải tối ưu để dò tìm điểm cực trị

4.2 Khai báo các biến trong GAMS

4.2.1 Các biến

4.2.1.1 Các biến trong hệ thống:

Trong hệ thống có các biến sau:

pd Khoảng thời gian (tháng)

rn Đoạn sông

rn_lo Đoạn sông hạ lưu

rn_up Đoạn sông thượng lưu

gw Khu vực nước ngầm nông

in Đầu vào của các loại cây trồng

inc Chi phí đầu vào của các loại cây trồng

prov Tỉnh

rev Hồ chứa

rev_lo Hồ chứa dưới hạ du

pwst Trạm điện

agdm Khu tưới

mundm Khu dùng nước sinh hoạt (khu dân cư)

indm Khu dùng nước công nghiệp

crop Các loại cây trồng

4.2.1.2 Kết nối mạng trong hệ thống lưu vực sông

RVLINK(rn_up, rn) Nối đoạn sông với đoạn sông

NDLINKm(rn, mundm) Nối đoạn sông với khu dân cư (khu dùng nước sinh

hoạt)

NDLINKa(rn, agdm) Nối đoạn sông với khu tưới

NDLINKi(rn,indm) Nối đoạn sông với khu dùng nước công nghiệp

DNLINKm(mundm, rn) Dòng hồi quy từ khu dân cư tới đoạn sông

DNLINKa(agdm,rn) Dòng hồi quy từ khu tưới tới đoạn sông

NRLINK(rn, rev) Nối đoạn sông với hồ chứa

RDLINKa(rev, agdm) Nối hồ chứa với khu tưới

RDLINKm(rev, mundm) Nối hồ chứa với khu dân cư

RDLINKi(rev, indm) Nối hồ chứa với khu dùng nước công nghiệp

RNLINK(rev, rn) Nối hồ chứa với đoạn sông

RPLINK(rev, pwst) Nối hồ chứa với trạm điện

RRLINK(rev,rev) Nối hồ chứa với hồ chứa

GWLINKa(gw,agdm) Nối nước ngầm với khu tưới

GWLINKm(gw,mundm) Nối nước ngầm với khu dân cư

GWLINKi(gw,indm) Nối nước ngầm với khu dùng nước công nghiệp

4.2.1.3 Các mối quan hệ lợi nhuận/lợi ích đối với các tỉnh

prov_agdm(prov, agdm) Tỉnh và khu tưới

prov_mundm(prov, mundm) Tỉnh và khu dùng nước sinh hoạt

prov_indm(prov, indm) Tỉnh và khu dùng nước công nghiệp

prov_pwst(prov,pwst) Tỉnh và nhà máy thuỷ điện

4.2.1.4 Xác định giai đoạn tưới cho cây trồng

cp_prd(agdm,crop, pd) Mối quan hệ giữa các cây trồng với các khu tưới và các

giai đoạn sinh trưởng

4.2.1.5 Cơ cấu cây trồng trong mỗi khu tưới

dem_cp(agdm, crop) Các khu tưới và các loại cây trồng

4.2.1.6 Các cây trồng được tưới bằng nước ngầm

pcrop(agdm,crop) Các cây trồng có thể tiếp nhận nước ngầm

4.2.1.7 Nhu cầu nước sinh hoạt đô thị/nông thôn

urban(mundm) Khu dùng nước sinh hoạt đô thị

rural(mundm) Khu dùng nước sinh hoạt nông thôn

4.2.2 Các tài liệu đầu vào

4.2.2.1 Nguồn tài liệu

source(rn, pd) Dòng chảy vào các đoạn sông (MCM)

er(agdm, crop, pd) Mưa hiệu quả, được tính dựa vào USDA (1967) (mm)

etm(agdm,crop,pd) Bốc hơi tiềm năng (mm)

r_evap (rev,pd) Bốc hơi mặt hồ (mm)

4.2.2.2 Reservoir data

r_up(rev) Dung tích hồ chứa lớn nhất (MCM)

stg0(rev) Dung tích chết (MCM)

rev_st0(rev) Dung tích ban đầu của hồ chứa (MCM)

a,b,c,d,e,f,g, Các thông số quan hệ diện tích/dung tích/cột nước

h.lo(rev,pd) Giới hạn trên của mực nước hồ cho phòng lũ (m)

h.up(rev,pd) Giới hạn dưới của mực nước hồ để đảm bảo dòng chảy

tối thiểu(m)

4.2.2.3 Dữ liệu về trạm thuỷ điện

turb_max(pwst) Dòng chảy tối đa qua tuốc bin (MCM)

h0(pwst) Cao trình mực nước hạ lưu (m)

pw_effy(pwst) Hiệu suất phát điện

4.2.2.4 Dòng chảy tối thiểu

miflow_lt(rn, rn_lo, pd) Dòng chảy tối thiểu yêu cầu tại một nút sông (cho môi

trường sống trong sông) (%) down_flA(pd) Yêu cầu dòng chảy hạ lưu để kiểm soát mặn cho sông A

down_flB(pd) Yêu cầu dòng chảy hạ lưu để kiểm soát mặn , sông B

flow1Cl(pd) Lượng xả tối thiểu sang kênh 1 (MCM)

flow2Cl(pd) Lượng xả tối thiểu sang kênh 2 (MCM)

flow3Cl(pd) Lượng xả tối thiểu sang kênh 3 (MCM)

rel_TH(pd) Lượng xả tối thiểu từ Thác Huống (MCM) {2010}

4.2.2.5 Các thông số chuyển nước

agwto(agdm) Giới hạn lượng nước rút cho khu tưới nông nghiệp

(MCM)

effy(agdm,crop) Hiệu suất tưới mặt ruộng (%)

ratio_rfa (agdm, rn) hệ số dòng hồi quy từ tưới (%)

ratio_rfm (mundm, rn) Hệ số dòng hồi quy từ sinh hoạt (%)

ratio_rfi (indm, rn) Hệ số dòng hồi quy từ công nghiệp (%)

lossa(agdm) Thấm/bốc hơi (tổn thất dọc đường) từ khu tưới (%)

lossm(mundm) Thấm/bốc hơi (tổn thất dọc đường) từ khu dùng nước

drnm(mundm) Tỷ lệ tiêu, sử dụng nước sinh hoạt (%)

drna(agdm) Hệ số tiêu, khu tưới (%)

drni(indm) Hệ số tiêu, sử dụng công nghiệp (%)

gw_limit (gw,pd) Trữ lượng nước ngầm nông (MCM)

agpcap(agdm,pd) Công suất bơm tưới (MCM)

munpcap(mundm,pd) Công suất bơm nước sinh hoạt (MCM)

indpcap (indm, pd) Công suất bơm nước công nghiệp (MCM)

flow1Cu(pd) Lượng nước xả lớn nhất sang kênh 1(MCM)

flow2Cu(pd) Lượng nước xả lớn nhất sang kênh 2 (MCM)

flow3Cu(pd) Lượng nước xả lớn nhất sang kênh 3 (MCM)

rel_TH (pd) Lượng nước xả lớn nhất từ Thác Huống (MCM) {2010}

4.2.2.6 Tài liệu cây trồng

tarea(agdm) Tổng diện tích gieo trồng

areabnd(agdm,crop) Diện tích tưới được thu hoạch thực tế, sử dụng làm giới

hạn diện tích (ha)

ky(crop) Hệ số phản ứng năng suất cây trồng theo mùa của FAO

kym(agdm, crop,pd) Hệ số phản ứng năng suất cây trồng theo tháng của FAO

yldm (crop) Năng suất cây trồng khi có đủ nước (mt/ha) ( = yldst)

ZETA(crop,in,iin) Hằng số, hàm sản xuất bậc hai

ALPHA(crop,in) Hằng số tuyến tính, hàm sản xuất bậc hai

water (agdm,crop) Nhu cầu nước tưới cho cây trồng (tưới + mưa hiệu quả)

4.2.2.7 Tài liệu sử dụng nước sinh hoạt

mwd (mundm, pd) Nhu cầu nước bình thường (m3/người/tháng)

mwdu (mundm, pd) Nhu cầu nước đô thị bình thường (m3/người/tháng)

mwdr (mundm, pd) Nhu cầu nước nông thôn bình thường (m3/người/tháng)

pop(mundm) dân số (số người)

popu(mundm) dân số đô thị (số người)

popr(mundm) Dân số nông thôn (số người)

4.2.2.8 Tài liệu sử dụng nước công nghiệp

iwd(indm, pd) Nhu cầu nước bình thường (MCM)

iwd0(indm) Sử dụng nước công nghiệp bình thường (m3/tháng)

4.2.2.9 Tài liệu kinh tế

pben(pwst) Giá bán điện (VND/kWh)

pcost(pwst) Chi phí phát điện (VND/kWh)

ppumpi(indm) Chi phí bơm nước công nghiệp (VND/m3)

ppumpm(mundm) Chi phí bơm nước sinh hoạt (VND/m3)

ppumpa(agdm) Chi phí bơm nước tưới (VND/m3)

w_ci(indm) Chi phí cho nước măt dùng trong công nghiệp (VND/m3)

w_ca(agdm) Giá cung nước, phí dịch vụ tuới (VND/m3)

price(crop) Giá sản phẩm của các loại cây trồng (VND/mt)

avpriu(mundm) Giá nước trung bình, đô thị, nước mặt (VND/m3)

avprir(mundm) Giá nước trung bình, nông thôn, nước mặt (VND/m3)

incu (mundm) Thu nhập, khu vực đô thị (VND/người/?)

incr (mundm) Thu nhập, khu vực nông thôn (VND/người/?)

inpts0(crop, in) Đầu vào của các loại cây trồng (giá trị hoặc khối lượng)

- labor (crop) Lao động gia đình và lao động được thuê ngày/ha)

(Người fertn (crop) Phân đạm (kg/ha)

- fertp(crop) Phân P2O5 (kg/ha)

- fertk(crop) Phân K2O (kg/ha)

- mach(crop) Máy + súc vật kéo (VND/ha)

- pesti(crop) Thuốc trừ sâu (VND/ha)

- water(agdm,crop) Nước (tưới + mưa hiệu quả) (mm)

inpcos(crop, inc) Chi phí đầu vào

- fertnc (crop) Giá N, P2O5 (VND/kg)

- fertpc(crop) Giá P2O5 (VND/kg)

- fertkc(crop) Giá K2O (VND/kg)

- laborc(crop) Công lao động (VND/người-ngày)

intp1 Hằng sốtrong hàm sử dụng nước sinh hoạt, các hộ được

kết nối

elas_pr1 Co giãn theo giá trong hàm sử dụng nước sinh hoạt, các

hộ được kết nối

elas_in1 Co giãn theo thu nhập trong hàm sử dụng nước sinh

hoạt, các hộ được kết nối

intp2 Hằng số trong hàm sử dụng nước sinh hoạt, các hộ

không được kết nối

elas_pr2 Co giãn theo giá của hàm sử dụng nước sinh hoạt, các hộ

không được kết nối

elas_in2 Co giãn theo thu nhập của hàm sử dụng nước sinh hoạt,

các hộ không được kết nối

elas_ind Co giãn theo giá trong hàm sử dụng nước công nghiệp

alfa(indm) Hằng số trong hàm sử dụng nước công nghiệp

4.2.2.10 Các biến cơ bản

obj Biến mục tiêu (xem hàm mục tiêu)

arval(agdm) Lợi nhuận từ các khu tưới (= VA) (VND million)

muval(mundm) Lợi nhuận từ sử dụng nước sinh hoạt (= VM) (VND million)

inval(indm) Lợi nhuận từ nước sản xuất công nghiệp, coi nước là đầu

vào (= VI) (VND million)

powval(pwst) Lợi nhuận từ phát điện (= VP) (VND million)

muvalu(mundm) Lợi ích cấp nước sinh hoạt đô thị (VND million)

muvalr(mundm) Lợi ích cấp nước sinh hoạt nông thôn (VND million) res_n_t(rev, rn, pd) Dòng chảy từ các hồ chứa đến các đoạn sông {xả} thông

qua tuốc bin (MCM)

res_n_sp(rev, rn, pd) Dòng chảy từ các hồ chứa đến các đoạn sông {xả} qua

tràn (MCM) res_res(rev_up,rev,pd) Dòng chảy từ các hồ chứa đến hồ chứa (MCM)

n_res (rn, rev, pd) Dòng chảy từ các đoạn sông đến các hồ chứa (MCM)

res_da(rev,agdm, pd) Lượng nước lấy từ các hồ chứa cho các khu tưới (MCM)

res_dm(rev, mundm, pd) Lượng nước lấy từ các hồ chứa cho khu dùng nước SH

(MCM)

res_di(rev, indm, pd) Lượng nước lấy từ các hồ chứa cho khu dùng nước CN (MCM)

n_da(rn, agdm, pd) Nước tưới lấy từ các đoạn sông (MCM)

n_dm(rn, mundm, pd) Nước SH lấy từ các đoạn sông (MCM)

n_di(rn, indm, pd) Nước CN lấy từ các đoạn sông (MCM)

wacp(agdm, crop, pd) Tổng trữ lượng nước theo tháng từ nước mặt và nước

ylda(agdm,crop) Năng suất cây trồng (mt/ha)

4.2.2.11 Các biến trung gian

flow(rn,rn_lo,pd) Dòng chảy từ nút thượng lưu về nút hạ lưu (MCM) res_st(rev, pd) Dung tích hồ chứa (MCM)

res_area(rev,pd) Diện tích hồ chứa (km2)

power(pwst, pd) Lượng điện tại mỗi trạm phát trong mỗi tháng (‘000 GWh)

to_infa(agdm, pd) Tổng lượng nước mặt rút cho một khu tưới (MCM) to_infi(indm, pd) Tổng lượng nước mặt rút cho một khu công nghiệp

(MCM)

to_infm(mundm, pd) Tổng lượng nước mặt rút cho một khu dùng nước sinh

hoạt(MCM)

wsfacp(agdm, crop, pd) Lượng nước mặt có sẵn cho một loại cây trồng (MCM)

muwatsf(mundm,pd) Lượng nước mặt cho sử dụng sinh hoạt (MCM)

inwatsf(indm,pd) Nước mặt cho sử dụng công nghiệp (MCM)

tmuwatr(mundm,pd) Nước mặt và nước ngầm cho khu vực nông thôn không

được kết nối (MCM)

tmuwatu (mundm,pd) Nước mặt và nước ngầm cho khu vực đô thị được kết nối (MCM)

pumpa(gw,agdm,crop,pd) Bơm nước ngầm để tưới (MCM)

pumpi(gw,indm,pd) Bơm nước ngầm cho công nghiệp (MCM)

pumpm(gw,mundm,pd) Bơm nước ngầm cho sinh hoạt (MCM)

eta_st(agdm,crop, pd) Bốc hơi ET thực từ tưới và mưa hiệu quả (mm)

eta_se(agdm, crop) ET thực theo mùa bao gồm cả mưa hiệu quả (mm)

dp(agdm, crop) Thấm sâu theo mùa (MCM)

dp_stg(agdm, crop, pd) Thấm sâu theo giai đoạn (MCM)

dft(agdm, crop, pd) Giảm năng suất cây trồng theo giai đoạn

mdft(agdm, crop) Giảm năng suất lớn nhất do thiếu nước trong các giai đoạn

retn_fla (agdm, pd) Dòng chảy hồi quy từ khu tưới tới đoạn sông (MCM)

retn_flm (mundm, pd) Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt tới đoạn sông (MCM)

retn_fli (indm, pd) Dòng chảy hồi quy từ khu công nghiệp đến đoạn sông (MCM)

5 Kết luận kiến nghị

Xây dựng đường vận hành hồ chứa là một việc làm phức tạp đòi hỏi nhiều thông

số về hồ chứa và trạm thủy điện Trong hệ thống 3 hồ đưa vào tính toán số liệu về đường đặc tính turbune của hồ thác Tuyên quang còn thiếu do vậy trong nghiên cứu này đã lấy một vài giá trị cực đoan trong bản thiết kế kỹ thuật công trình từ đó xây dựng thành đường đặc tính hiệu xuất Do vậy kết quả tính toán sẽ thiếu chuẩn xác Tuy nhiên mức sai số là không lớn

Trong thực tế vận hành các nhà máy thuỷ điện tuỳ theo yêu cầu phụ tải mà chỉ để một số lượng máy phát làm việc nhưng trong nghiên cứu này chưa thể chi tiết tới từng tổ máy phát nên các thông số đưa ra là các thông số chung của nhà máy

Đường đặc tính hồ chứa chỉ cho một số giá trị cụ thể Khi tính toán thường phải nội suy các giá trị khác ngoài giá trị đã đo Do hạn chế của chương trình GAMS là không cho phép nội suy nên trong nghiên cứu này đã chuyển đường đặc tính sang dạng hàm Cách làm này sẽ dẫn đến sai số lớn hơn so với phép nội suy truyền thống

Do hạn chế về số liệu đầu vào và do hạn chế về phép nội suy nên kết quả tính toán đưa ra còn thiếu sự chính xác Tuy nhiên sai số này là nhỏ do vậu có thể dùng kết quả tính toán này vào trong vận hành hệ thống hồ chứa

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ

ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG

CHUYÊN ĐỀ

CƠ SỞ THIẾT LẬP CÁC RÀNG BUỘC

VỀ THỦY ĐIỆN

MỤC LỤC

I Khái quát 3

I.1 Vị trí giới hạn: 3 I.2 Đặc điểm địa hình 3 I.3 Điều kiện khí hậu 5 I.3 Đặc điểm nguồn nước 6 I.4 Mục tiêu nghiên cứu: 10 I.5 Giới hạn nghiên cứu: 10 I.6 Phương pháp nghiên cứu: 10

II Cơ sở thiết lập các ràng buộc về sản xuất thủy điện 12

II.1 Nước cho phát triển thủy điện trên lưu vực sông Hồng 12 II.2 Cơ sở thiết lập ràng buộc Thủy điện 13

III Kết luận 19 Tài liệu tham khảo 19

+ Phía Nam giáp lưu vực sông Mã

+ Phía Đông giáp vịnh Bắc Bộ

Phần lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình trên lãnh thổ Việt Nam có vị trí địa lý từ: 20023’ đến 23022’ vĩ độ Bắc và từ 102010’ đến 107010’ kinh độ Tây

Lưu vực bao gồm đất đai của 26 tỉnh thành ở Việt Nam nằm trong lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình là các tỉnh thành: Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Hoà Bình, Hà Giang, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Thái Nguyên, Bắc Cạn, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương, Hải Phòng, Hưng yên, Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và một phần đất đai của 3 tỉnh Quảng Ninh, Lạng Sơn, Cao Bằng

Tổng số huyện thị: 196 huyện

Dân số tính đến năm 2003: 25.731.639 người

Với tổng diện tích đất tự nhiên: 86.680 km2

Trong đó: Đất nông nghiệp: 1.946.197 ha chiếm 22,5% diện tích tự nhiên Đất canh tác: 1.527.442 ha

Đất lâm nghiệp: 2.759.548 ha chiếm 31,8% diện tích tự nhiên

I.2 Đặc điểm địa hình

Địa thế lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình nói chung dốc nghiêng từ Tây Bắc xuống Đông Nam và từ Bắc xuống Nam Địa hình của lưu vực có thể chia làm bốn miền lớn: Miền Tây Bắc, Miền cao nguyên phía Bắc, miền núi thấp ở phần dưới lưu vực sông Hồng và phần trên của lưu vực sông Thái Bình, miền đồng bằng tam giác châu lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình

* Miền Tây Bắc rộng chừng 65000 km2 bao gồm những dãy núi lớn đồ sộ chạy dọc hai bên sông Đà và bờ phải sông Thao theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Cao độ của các đường phân thủy trên các dãy núi ở phía Trung Quốc khoảng 2000m và giảm dần xuống khoảng 1000m ở địa phận Việt Nam, có nơi cao trên 3000m như dãy Vô Lượng Sơn và Ai Lao Sơn là phân lưu giữa hai nhánh lớn sông Đà và sông Thao thuộc lưu vực sông Hồng Địa hình ở đây chia cắt mạnh bởi một mạng lưới sông suối ngắn và dốc, các thung lũng thì nhỏ hẹp, mặt cắt sông suối dạng khe sâu hình chữ V Trong miền có các cao nguyên đá vôi kéo dài từ phong thổ - Sìn Hồ - Tủa Chùa - Thuận Châu - Sơn La - Mai Sơn - Mộc Châu - Hoà Bình (các cao nguyên này có cao độ biến đổi từ 1000m ở Lai Châu và giảm dần đến 600 ÷ 700m ở Sơn La), bề mặt các cao nguyên tương đối bằng

phẳng có thể chăn nuôi, trồng trọt được nhưng mạng lưới sông suối thưa thớt, nhiều hang Kastơ, mùa kiệt hầu như nước chảy ngầm trong đá vôi

* Miền cao nguyên phía Bắc rộng chừng 24.230 km2 gồm những dãy núi đá cao từ

1000 ÷ 2000m, hầu hết là nằm ở Trung Quốc thuộc bờ trái của dòng Nguyên Giang (thượng nguồn sông Thao và thượng nguồn sông Lô) Các khối đá vôi trong miền khá lớn như Đồng Văn - Mèo Vạc - Quản Bạ cùng với hiện tượng Kastơ phát triển mạnh Các dãy núi như Tây Côn Lĩnh có đỉnh cao 2419m và dãy Ngân Sơn có độ cao khoảng từ

1000 ÷ 2000m

* Miền núi thấp ở phần dưới lưu vực sông Hồng và phần trên của lưu vực sông Thái Bình rộng khoảng 39000 km2 với nhiều dãy núi ngắn, phân bố theo dạng nan quạt cao độ khoảng từ 100 ÷ 1000m Hướng núi chuyển từ Tây Bắc - Đông Nam sang Đông - Tây Một số dãy núi như Con Voi, Tam Đảo, Ba Vì, Yên Tử v.v Các đỉnh đặc trưng: Ba

Vì (2181m), Con Voi (1316m), Chàm Chu (1587m), Địa Các (1502 m), Tam Đảo (1403 m) đều ở hạ du của các nhánh sông Đà, Thao, Lô - Gâm và sông Cầu

* Miền đồng bằng tam giác châu sông Hồng và sông Thái Bình: Đây là miền có diện tích khoảng 21000 km2 bao gồm những đồi thấp, những thung lũng sông ở hạ du của những nhánh lớn: Sông Đà, sông Thao, sông Lô - Gâm, sông Thái Bình và vùng đồng bằng rộng lớn được bồi tụ bằng phù sa sông Hồng - sông Thái Bình Có thể chia miền này thành hai vùng là: vùng đồi trung du và vùng đồng bằng Vùng đồi trung du gồm những đồi tròn thấp hơn 100m và những thềm phù sa có mặt lượn sóng ở cao độ trên dưới 25 m Vùng đồng bằng bồi tụ và tam giác châu hiện đại có diện tích khoảng 15000

km2 với địa hình khá bằng phẳng, độ dốc trung bình từ Việt Trì tới bờ biển (theo hướng Tây Bắc - Đông Nam) khoảng 9cm/km, chênh lệch nơi cao nhất và nơi thấp nhất khoảng 10m Ngoài ra còn những đồi núi còn sót cao trên dưới 100m nằm rải rác ở đồng bằng (nhất là rìa phía Đông Bắc và Tây Nam)

Sông Hồng với nguồn phù sa lớn (100.106 tấn/năm), qua hàng ngàn năm đã bồi tụ nên mặt bằng của tam giác châu hiện nay Hàng năm khi nước lũ tràn bãi sông Hồng mang phù sa vào sâu các vùng trũng hai bên, song ngay sau khi tràn tốc độ giảm rõ rệt tạo mức lắng đọng gần bờ sông rất lớn, xa bờ giảm dần hình thành thế địa dốc từ hai bờ đến rìa phía Bắc và phía Nam của đồng bằng Bắc Bộ, tạo thành thế tiêu nước từ sông Hồng sang các sông Cầu, Thái Bình ở phía Bắc và sông Đáy ở phía Nam Trước khi hình thành hệ thống đê như ngày nay, nước sông Hồng vẫn qua sông Phan, sông Cà Lồ, sông Thiếp, sông Đuống, sông Đình Đào, sông Cửu An, sông Luộc sang sông Thái Bình và theo sông Tích, sông Đáy, sông Nhuệ, sông Tô Lịch, sông Châu Giang, sông Nam Định qua sông Đáy

Qua hàng ngàn năm đắp đê và làm thủy lợi đã tạo ra hình thái một tam giác châu (đồng bằng sông Hồng) với các khu thuỷ lợi tương đối độc lập có diện tích từ 30000 ha ÷

200000 ha được bao bởi hệ thống đê xung quanh để tránh sự uy hiếp của lũ Trong mỗi khu, Đảng và Nhà nước cùng với nhân dân đã tập trung công sức và tiền của xây dựng các công trình đầu mối như trạm bơm, cống, đập và đào đắp nhiều triệu m3 tạo ra một hệ thống kênh nương dẫn nước tưới tiêu phục vụ các ngành kinh tế trong từng khu phát triển như hiện nay

Đất ở đồng bằng sông Hồng và sông Thái Bình có cao độ phổ biến từ 0,4m ÷ 9m trong đó diện tích có cao độ < 2,0m khoảng 456000 ha chiếm 58% Tỷ lệ diện tích đồng bằng theo cao độ xem bảng 1.1

Địa thế chung của lưu vực sông Hồng rất hiểm trở, có đến 47% có độ cao trên 1000m, phần lớn nằm ở miền Tây của lưu vực thuộc hai nhánh lớn sông Đà và sông Thao, còn một phần nằm trên cao nguyên phía Bắc thuộc sông Lô Phần đất bằng chỉ phân bố lẻ tẻ dọc thung lũng của các sông lớn, song phần chủ yếu tập trung ở tam giác châu sông Hồng - sông Thái Bình (bảng 1.2 phân bố theo cao độ của lưu vực sông Hồng)

Bảng 1.1 DIỆN TÍCH PHÂN BỔ THEO CAO ĐỘ CỦA ĐỒNG BẰNG

SÔNG HỒNG - SÔNG THÁI BÌNH

Cao độ (m) Diện tích (ha) Cộng dồn (ha) Tỷ lệ %

Bảng 1.2 PHÂN BỔ DIỆN TÍCH THEO CAO ĐỘ CỦA LƯU VỰC

SÔNG HỒNG TÍNH ĐẾN VIỆT TRÌ (GỒM 3 SÔNG ĐÀ, THAO, LÔ)

Diện tích tổng cộng tính tới Việt Trì

Diện tích thuộc Trung Quốc

Diện tích thuộc Việt Nam

Cộng 143300 100,0 81240 100,0 61260 100,0

I.3 Điều kiện khí hậu

Khí hậu trên lưu vực là khí hậu á nhiệt đới và nhiệt đới gió mùa, mùa đông lạnh ít mưa, mùa hè nóng ẩm mưa nhiều Do vị trí địa lý và ảnh hưởng của địa hình nên tính chất khí hậu trong lưu vực rất phức tạp

Nằm trong vùng nhiệt đới nguồn bức xạ đạt 60-80 Kcal/cm2/tháng Tháng nhỏ nhất rơi vào tháng I và II có tổng lượng bức xạ khoảng 5-8Kcal/cm2/tháng và lớn nhất vào tháng VII lên tới 12-16Kcal/cm2/tháng Chế độ nhiệt trên lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình chịu ảnh hưởng của chế độ khí hậu biển Nhìn chung chế độ nhiệt trên lưu vực phụ thuộc chủ yếu vào địa hình và chế độ gió mùa, mùa hè có chế độ nhiệt ổn định hơn mùa đông Biến đổi nhiệt độ trung bình tháng cao nhất so với tháng thấp nhất khoảng 9-10oC

Độ ẩm trên lưu vực khá cao 80%-90%, giai đoạn khí hậu khô khoảng 70% và thời kỳ ẩm thấp nhất nhiều nơi vượt quá 90%

Do điều kiện nóng ẩm của khí hậu nhiệt đới gió mùa nên lượng bốc hơi phần lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình thuộc lãnh thổ Việt Nam không lớn, trung bình từ 500-1200mm/năm Lượng bốc hơi khoảng 660-1150mm/năm ở vùng Tây Bắc, vùng trung du khoảng 560-1050mm/năm và vùng đồng bằng 100-990mm/năm

Chế độ mưa trên lưu vực biến đổi mạnh trên phạm vi toàn lưu vực Trung bình khoảng 1500mm/năm nhưng biến đổi rất mạnh từ 700-4800mm/năm Phần lãnh thổ Trung Quốc biến đổi trong khoảng 700-2100mm/năm và phần Việt Nam từ 1200-4800mm/năm Trong phần lãnh thổ Việt Nam với lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1900mm/năm thì nơi mưa ít nhất là vùng thung lũng Yên Châu trên lưu vực sông Đà hay vùng Bảo Lạc trên sông Lô-Gâm chỉ đạt 1200/năm Những vùng mưa nhiều là Tam Đảo,

Ba Vì đạt 2400mm/năm, Mường Tè 2800-3000mm/năm, Bắc Quang trên sông Lô đạt 4000-4800mm/năm Chế độ mưa và lượng mưa trên lưu vực phụ thuộc vào chế độ gió mùa và cũng phân theo mùa khá rõ rệt Mùa mưa gần như trung với gió mùa đông nam từ tháng V đến tháng X Lượng mưa mùa mưa chiếm 75-85% lượng mưa năm chủ yếu rơi vào các tháng VII, VIII Lượng mưa mùa khô (từ tháng XI đến tháng IV năm sau) chỉ chiếm 15-20% lượng mưa năm Tháng có lượng mưa nhỏ nhất là tháng I và II

Nhìn chung chế độ khí hậu lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình có những đặc trưng cơ bản như sau:

- Chế độ khí hậu được chia thành hai mùa rõ rệt vì thế các đặc trưng cơ bản năm không phản ảnh rõ được đặc tính khí hậu các vùng trong khu vực Mùa hè chế độ nhiệt ổn định hơn mùa đông, và sự phân hoá giữa các vùng cũng không rõ nét Độ

ẩm không khí, lượng bốc hơi năm biến đổi phụ thuộc nhiều vào lượng mưa

- Mùa hè nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, mưa nhiều là điều kiện thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên đầu mùa nhiều khi nắng hạn kéo dài, thiếu nước, đến giữa mùa lại thường có bão kèm mưa to gây ngập úng trên diện rộng gây khó khăn cho các hoạt động sản xuất trên lưu vực

- Mùa đông lượng mưa nhỏ không đủ đảm bảo nhu cầu nước cho cây trồng và hoạt động sản xuất, về cuối mùa tuy mưa được bổ sung nhưng lại là thời kỳ mưa phùn

ẩm thấp, thiếu ánh sáng, nhiều sâu bệnh

- Lượng mưa năm biến đổi không nhiều, song phân bố không đều trong năm cùng với biến động mạnh của mưa trong tháng gây khó khăn cho sản xuất nông nghiệp Phân bố mưa trên lưu vực phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện địa hình, hướng của các dãy núi đối với luồng khí ẩm

I.3 Đặc điểm nguồn nước

Vùng nghiên cứu sông Hồng-Thái Bình gồm có ba nhánh sông chính sông Đà, sông Thao

và sông Lô bắt nguồn từ lãnh thổ Trung Quốc chảy vào Việt Nam và gặp nhau tại Việt Trì trên dòng chính sông Hồng chảy theo hướng Tây Bắc-Đông Nam có phân lưu sông Đuống sang sông Thái Bình và đổ ra biển Đông qua cửa Ba Lạt

Sông Thái Bình hình thành trên lãnh thổ Việt Nam gồm ba nhánh sông Chính Thương-Lục Nam hợp lưu tại Phả Lại sau đó nhập lưu với sông Đuống (là phân lưu của sông Hồng) trước khi đổ ra biển đông qua các cửa Thái Bình, Văn Úc sông Hồng chuyển nước sang sông Thái Bình qua sông Đuống và sông Luộc

Cầu-Sông Đáy, bên hữu sông Hồng, là một phân lưu tự nhiên của sông Hồng trước khi xây dựng đập Đáy Sông Đáy chảy song song với sông Hồng theo hướng Tây Bắc – Đông Nam đổ ra biển Đông qua cửa Như Tân Sông Đáy có một nhánh lớn là sông Nhuệ nằm kẹp giữa sông Đáy và sông Hồng Trên hệ thống còn có sông Đào nối sông Hồng với

sông Đáy Ngoài ra một nhánh sông lớn có thể kể đến là sông Ninh Cơ, sông Trà Lý, sông Hoá

Dòng chảy hàng năm trên lưu vực biến đổi không nhiều, năm nhiều nước và năm ít nước thường xen kẽ nhau Dòng chảy năm trên lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình khá dồi dào Tổng lượng bình quân nhiều năm qua Sơn Tây khoảng 118 tỉ m3 tương ứng với lưu lượng 3740m3/s Nếu tính cả sông Thái Bình, sông Đáy và vùng đồng bằng thì tổng lượng dòng chảy năm lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình vào khoảng 133 tỉ m3, trong đó khoảng 82 tỉ m3 (chiếm khoảng 61.2%) sản sinh trên lãnh thổ Việt Nam Tuy nhiên do địa hình chia cắt nên dòng chảy phân bố rất không đều trên các phần lưu vực khác nhau

Trong ba nhánh lớn của sông Hồng thì sông Đà đóng góp dòng chảy nhiều nhất khoảng 42%, sông Thao 19% mặc dù diện tích lưu vực xấp xỉ bằng lưu vực sông Đà Lưu vực sông Lô-Gâm nhỏ nhưng lại đóng góp 25.4% Dòng chảy các sông này không chỉ phụ thuộc vào lượng dòng chảy từ thượng lưu đổ về mà còn chịu ảnh hưởng do sự biến đổi lòng dẫn và diễn biến của chế độ thuỷ triều, càng về gần biển thì ảnh hưởng của thủy triều càng lớn Việc đo đạc dòng chảy khó khăn và tốn kém và cũng không đủ tài liệu để thống kê đánh giá dòng chảy cho từng phân lưu mà chỉ xác định tỷ lệ phân phối lưu lượng tương đối (song tỷ lệ này cũng thay đổi theo năm) Trong mùa lũ thì tỷ lệ biến đổi trong phạm vi hẹp nhưng về mùa cạn thì tỷ lệ này thay đổi lớn và chỉ có thể xác định từng trường hợp cụ thể hoặc theo tần suất nào đó bằng mô hình thuỷ lực

Chế độ phân phối dòng chảy các tháng trong năm phụ thuộc vào chế độ mưa, do đó cũng hình thành hai mùa rõ rệt; Mùa lũ chiếm khoảng 76% dòng chảy năm trong đó tháng VIII

là tháng có dòng chảy chiếm tỷ lệ cao nhất khoảng 21,5%; mùa kiệt chiếm khoảng 24% dòng chảy năm trong đó tháng kiệt nhất là tháng III chỉ chiếm có 2,1%

Nước lũ sông Hồng mang tính chất lũ của sông miền núi, có nhiều ngọn, lên nhanh, xuống nhanh, biên độ lớn Cùng một thời gian trên lưu vực có thể có từ 1 ÷ 3 loại hình thời tiết hoạt động hoặc xảy ra kế tiếp nhau gây mưa lớn kéo dài, phạm vi và cường độ phụ thuộc vào sự diễn biến của các loại hình thời tiết và những nhiễu động

Hội tụ nhiệt đới là loại hình thời tiết hay gây mưa lớn và nhiễu động mạnh trên phạm vi rộng Tháng VIII thường là lúc dải hội tụ nhiệt đới nằm ngang trên lưu vực nên thường hay có mưa lớn và gây ra lũ lớn như tháng 8/1945, 8/1969, 8/1971 Trong mùa lũ khi trên một sông có lũ lớn thì các sông kia cũng có lũ, song thường khác về quy mô và thời gian xuất hiện đỉnh ít trùng nhau

Do chế độ mưa trên lưu vực biến đổi cả về không gian và thời gian, nên sự xuất hiện lũ lớn trên sông Hồng có tính chất phân kỳ rõ rệt (các trận lũ lớn thường xuất hiện vào trung tuần tháng VIII, tháng VII và IX ít có cơ hội xuất hiện lũ lớn)

Mùa kiệt trên lưu vực thường từ tháng XI đến tháng V gồm 7 tháng (có lưu lượng bình quân tháng nhỏ hơn lưu lượng trung bình năm) Trong đó có tháng XI là tháng chuyển tiếp từ mùa mưa sang mùa ít mưa Từ tháng X đến tháng XI dòng chảy trong sông giảm nhanh và từ tháng XII đến tháng IV dòng chảy ít biến động, cuối tháng IV và tháng V do

có mưa nên dòng chảy lại tăng nhanh, chính thức mùa kiệt là từ tháng XII đến tháng IV

Do vậy việc dùng nước cần được quan tâm đến dòng chảy kiệt từ tháng XII đến tháng IV

và có thể là cả tháng V

Trong các tháng mùa kiệt vẫn còn có lượng mưa chiếm khoảng 20 ÷ 25% lượng mưa cả năm nhưng lượng mưa này lại tập trung vào 3 tháng XI, IV và V còn các tháng XII đến

tháng III mưa nhỏ và nhất là 2 tháng XII và I là thời tiết khô hanh, tháng II và III tuy đã

có mưa nhưng chỉ là mưa phùn, từ tháng XII đến tháng III dòng chảy trong sông suối là

do nước ngầm và nước điều tiết từ các hồ chứa cung cấp Tháng có lưu lượng nhỏ nhất trong năm là tháng III (xác suất xuất hiện là 53% ở Hoà Bình, 52% ở Yên Bái, 45% ở Phù Ninh, 49% ở Thác Bưởi, 57% ở Chũ và 63% ở Sơn Tây), ngoài ra dòng chảy kiệt nhất cũng đã xảy ra vào tháng II và tháng IV một số năm Dòng chảy mùa kiệt ngày nay

và trong tương lai đã chịu tác động rất lớn do tác động của con người đó là xây dựng các công trình điều tiết nước, lấy nước, cải tạo dòng chảy v.v phát triển mạnh nhất là 3 thập

kỷ 80, 90 và 2000 song mạnh mẽ nhất là thập kỷ 2000 khi hồ Hoà Bình đi vào vận hành khai thác

Tuy nhiên trong thời gian gần đây hạn hán thường xuyên xảy ra trên lưu vực trong những năm 2004, 2005, 2006 Hạn hán gây thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp trên lưu vực Giao thông thuỷ và thuỷ điện cũng bị ảnh hưởng lớn trong những năm gần đây

Nguyên nhân hạn hán có thể kể đến là do biến đổi bất thường về chế độ mưa trên lưu vực cũng nhưng suy giảm dòng chảy từ phần thượng lưu thuộc lãnh thổ Trung Quốc

Trên địa phận lưu vực thuộc Trung Quốc do không có số liệu mà chỉ được thông tin là: trên sông Nguyên đã làm một số hồ chứa dẫn nước tưới với dung tích 409.106 m3 dẫn 26,7 m3/s; Sông Lô chứa 326.106 m3 dẫn 48,4 m3/s, sông Lý Tiên chứa 6,8.106 m3 dẫn 7,1

m3/s (là số liệu năm 1960); ngoài ra còn các công trình thuỷ điện từ 1000 KW ÷ 4000

KW Có hai công trình trên sông Nguyên ở Nam Khê (5m3/s) và Nghiệp Hảo (6m3/s) để cấp cho lưu vực khác Từ 1960 đến nay chắc chắn đã có nhiều công trình mới ra đời nên chưa thể khẳng định được tác động của chúng đến dòng chảy các sông đổ vào Việt Nam

Hồ chứa Thác Bà, là hồ điều tiết nhiều năm bắt đầu hoạt động từ cuối năm 1971, nói chung có thể bổ sung thêm khoảng 100-200 m3/s trong các tháng mùa kiệt song do chủ yếu phục vụ mục tiêu phát điện nên khả năng bổ sung dòng chảy phục vụ cấp nước hạ du còn hạn chế

Hồ chứa Hoà Bình, hoàn thành và đưa vào sử dụng năm 1990 làm khả năng điều tiết mùa kiệt tăng thêm khoảng 300 ÷ 400 m3/s song do là hồ lợi dụng tổng hợp chống lũ-phát điện-cấp nước mùa kiệt nên các nhiệm vụ cấp nước chưa được coi trọng Tuy nhiên qua các đợt hạn hán gần đây hồ Hoà Bình đã góp phần đáng kể giải quyết vấn đề cấp nước tưới phục vụ chống hạn thành công cho vụ đông xuân, nhưng đồng thời thiệt hại đáng kể

về thuỷ điện cũng đã được ghi nhận

Hệ thống công trình thuỷ lợi vùng hạ du chủ yếu là trạm bơm và cống tự chảy nên việc duy trì mực nước cần thiết trên các sông phải đảm bảo theo thiết kế các công trình mới phát huy hết được năng lực Nếu mực nước xuống thấp, lưu lượng nhỏ công trình không thể hoạt động theo thiết kế và với các công trình gần biển còn chịu tác động của nước mặn xậm nhập gây thiếu nguồn và tác động môi trường sinh thái

Hiện tại và trong tương lai Nhà nước đang và sẽ đầu tư xây dựng các hồ chứa lớn phục

vụ đa mục tiêu trên hệ thống trong đó mục tiêu cấp nước có thể được xem là mục tiêu hàng đầu Có thể kể đến các công trình hồ Tuyên Quang (hoàn thành năm 2007), hồ Sơn

La (sau 2010), các hồ Huổi Quảng, Bản Chát, Nậm Chiến, Nậm Nhùn, Nậm Na, Bắc Mục, Vân Lăng, Nà Lạnh… khả năng bổ sung thêm khoảng 18 tỉ m3 dung tích điều tiết cấp nước đến 2020

Bảng 1 Phân bố dòng chảy trung bình nhiều năm trên hệ thống

sông Hồng-sông Thái Bình

Diện tích Tổng lượng nước sinh trên lãnh thổ Lượng nước sản

Việt Nam Phần lưu vực

Km 2 % lưu

vực Triệu m3 % lưu vực Km3 % tổng lượng Toàn bộ lưu vực 169000 100 133.82 100 81.86 61.2 Hồng (Sơn Tây) 143700 85.0 118 88.20 66.20 56.1

Đà (Hoà Bình) 51800 30.6 55.40 41.40 27.10 52.5

Thao (Yên Bái) 48000 28.4 24.20 18.10 10.40 43.0

Lô (Phù Ninh) 37000 21.9 32.60 24.38 22.70 70.0 Thái Bình (Phả Lại) 12700 7.5 7.92 5.92 7.92 100 Đáy+vùng đồng bằng 13000 7.7 7.72 5.38 7.72 100

Bảng 2 Đặc trưng dòng chảy kiệt thời kỳ chưa có hồ Thác Bà (1957-1972)

Lưu lượng mùa kiệt Lưu lượng tuyệt đối ngày Sông Trạm Flv

(Km 2 ) TB Max Min Max/ Min TB Max Min Max/ Min Hồng Sơn Tây 143700 1560 2240 950 2.4 655 892 368 2.4

đã xây dựng và đi vào vận hành phục vụ đa mục tiêu phát điện, chống lũ và cấp nước cho

hạ du… Khi thiết kế các công trình thuỷ điện đều có quy trình vận hành (tuy nhiên mới ở mức độc lập, riêng rẽ mà chủ yếu là phát điện), việc phối hợp vận hành của các hồ chứa bậc thang phục vụ đa mục tiêu chưa được xem xét một cách chi tiết

Hồ Hoà Bình trên sông Đà được xây dựng và đưa vào vận hành từ năm 1989, quá trình hoạt động đều căn cứ vào Quy trình vận hành năm 1994 (thiết kế) và Quy trình vận hành chống lũ hạ du ban hành năm 1997 Quá trình hoạt động gần 15 năm hồ Hoà Bình

đã tham gia chống lũ, bổ sung nước về mùa kiệt cho hạ du (từ tháng 1-3 hàng năm) rất

có hiệu quả Trong tương lai trên nhánh sông Đà sẽ có thêm một số hồ chứa theo các giai đoạn như sau:

- Giai đoạn hiện tại: Hoà Bình + Thác Bà

- Giai đoạn sau 2006: Hoà Bình + Thác Bà + Tuyên Quang

Trong các nghiên cứu Quy hoạch cấp nước lưu vực sông Hồng- Thái Bình (Viện QHTL thực hiện) đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội, đến năm 2010 và 2020 nhu cầu sử dụng nước ngày càng gia tăng Như vậy việc nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng là cần thiết

I.4 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là:

Xây dựng luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ phục vụ quy hoạch phát triển bền vững lưu vực sông

Đề xuất một số vấn đề về chiến lược phát triển tổng hợp bền vững phục vụ phát triển kinh

tế xã hội lưu vực sông

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

Xây dựng mô hình tính toán kinh tế, cân bằng nước, và môi trường nguồn nước phục vụ phát triển nguồn nước lưu vực sông Hồng-Thái Bình

Đề xuất và đánh giá định lượng các kịch bản phát triển bền vững đa mục tiêu nguồn nước bằng ứng dụng mô hình toán/công nghệ GAMS (s.Hồng), MIKE 11 (s.Nhuệ), EcoLab (s.Nhuệ)

Đề xuất một số vấn đề chiến lược phát triển tổng hợp bền vững phục vụ phát triển KTXH lưu vực sông

I.5 Giới hạn nghiên cứu

Từ mục tiêu Xây dựng luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ phục vụ quy hoạch phát triển bền vững lưu vực sông Nghiên cứu sẽ bắt đầu bằng bước rà soát các nghiên cứu liên quan để lựa chọn, xác định các giải pháp cụ thể cho các vấn đề đặc thù của lưu vực nghiên cứu lưu vực sông Hông-Thái Bình cũng như các vấn đề liên quan như phân bổ tối

ưu nguồn nước, dự báo định lượng các tác động về chế độ dòng chảy và diễn biến chất lượng môi trường nước trong vùng

Tiếp theo nghiên cứu sẽ lựa chọn các công cụ tiên tiến trong và ngoài nước, phù hợp với trình độ khoa học công nghệ của các cơ quan trong nước, phù hợp với đặc thù của lưu vực nghiên cứu là lưu vực sông Hồng-Thái Bình cũng như khả năng có thể đáp ứng về số liệu hiện tại

Qua việc xây dựng các kịch bản nghiên cứu cho lưu vực sông Hồng, phát triển và ứng dụng các công nghệ tiến tiến trong dự báo định lượng tác động của các hoạt động phát triển kinh tế xã hội nghiên cứu sẽ khuyến cáo một số vấn đề về chiến lược phát triển bền vững lưu vực sông Hồng-Thái Bình cũng như các biện pháp quản lý giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông Nhuệ

I.6 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên ngôn ngữ GAMS xây dựng tổng hợp mô hình cân bằng nước và tối ưu kinh tế cho toàn vùng nghiên cứu

Hệ thống GAMS được thiết kế để giải các bài toán lớn về tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, tối ưu biến nguyên… GAMS là một loại ngôn ngữ lập trình bậc cao được sử dụng

để quản lý số liệu, mô phỏng hệ thống cùng với một bộ các thư viện toán giải tối ưu GAMS được Ngân hàng thế giới (WB) phát triển và khuyến cáo sử dụng

Nghiên cứu vận hành tối hệ thống tài nguyên nước đã được phát triển mạnh mẽ và rất đa dạng

Vùng hạ du sông Hồng_Thái bình là thường xuyên xảy ra thiếu nước Việc nghiên cứu và tìm ra phương án phân bổ nguồn nước hạn hẹp một cách thích hợp mang lại lợi ích lớn nhất cho các ngành kinh tế và xã hội toàn vùng là một việc làm cần thiết GAMs được lựa chọn để giải bài toán phân bổ tối ưu nguồn nước

Đối với từng bài toán, việc chọn phương pháp tối ưu thích hợp để giải phụ thuộc vào các đặc trưng sau:

- Dạng hàm mục tiêu,

- Dạng ràng buộc, và

- Số lượng các biến tối ưu

Tuỳ thuộc vào đặc điểm của bài toán tối ưu nghiên cứu của hai tác giả Edgar và Himmelblau (1988) đã đề xuất các bước xây dựng và giải bài toán tối ưu hệ thống như sau:

• Bước 1: Phân tích bản chất bài toán để có thể thấy rõ được các đặc tính riêng

biệt để có thể xác định hệ thống biến tối ưu

• Bước 2: Xác định tiêu chuẩn tối ưu, thiết lập hàm mục tiêu từ biến tối ưu đã

xác định và các hệ số tương ứng

• Bước 3: Phát triển hệ thống các quan hệ toán học mô phỏng, liên hệ giữa các

biến tối ưu, số liệu vào ra và các hệ số tương ứng, bao gồm các ràng buộc dưới dạng đẳng thức, bất đẳng thức Sử dụng các quan hệ vật

lý, hàm kinh nghiệm

• Bước 4: Trong trường hợp phạm vi của bài toán quá lớn: (i) Phân ra thành

những phần nhỏ dễ mô phỏng hơn, (ii) Đơn giản hoá hàm mục tiêu hoặc cách mô phỏng

• Bước 5: Ứng dụng kỹ thuật giải tương thích

• Bước 6: Kiểm tra kết quả, phân tích độ nhạy của mô hình bằng cách thay đổi

hệ số cung như các giả thiết

Một số bài toán không bắt buộc phải theo sát các bước trên, tuy vậy nên xem xét từng bước khi tiến hành xây dựng mô hình

Tóm lại, đề tài ứng dụng GAMs để giải bài toán phân bổ tối ưu nguồn nước trong mùa kiệt cho các ngành kinh tế với mục tiêu là tối đa lợi ích mang lại từ các ngành dùng nước, bao gồm: nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và phát điện cho toàn lưu vực sông Hồng_Thái Bình

II Cơ sở thiết lập các ràng buộc về sản xuất thủy điện

II.1 Nước cho phát triển thủy điện trên lưu vực sông Hồng

Phát điện là một nhu cầu sử dụng nước không mang tính tiêu thụ Tuy nhiên các công trình hồ chứa lợi dụng tổng hợp thượng du như hồ Hoà Bình đã có quy trình nêu

“Trong mùa khô phải phụ thuộc vào các quy định về phát điện”, công trình hồ Sơn La trong công văn 22 CP-CN Chính phủ cũng đã nêu: “Trước mắt, việc cấp nước cho hạ du đối với dự án thủy điện Sơn La được coi là phần hưởng lợi từ các công trình thủy điện”

Do vậy ngành điện sẽ chủ động sử dụng dung tích hữu ích để phục vụ phát điện trong mùa khô nên để tính toán lượng nước phục vụ cấp nước đã dùng hệ số K = 0,8 để tính lượng nước dùng từ các dung tích hữu ích cho cấp nước hạ du

Theo báo cáo QH tổng thể phát triển các ngành công nghiệp Việt Nam đến năm

2010 và tầm nhìn năm 2020, ngành công nghiệp điện có quan điểm, định hướng phát triển như sau:

- Quan điểm: Ngành điện lực phải đảm bảo cung cấp điện năng đầy đủ, ổn định, an

toàn cho sự nghiệp phát triển kinh tế của toàn quốc

- Định hướng phát triển: Sử dụng nguồn nhiên liệu tại chỗ để đầu tư phát triển các

nhà máy nhiệt điện than, khí có công suất lớn Phát triển các nhà máy thuỷ điện có quy

mô công suất lớn Phát triển đường dây và trạm nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục, an toàn,…

+ Ưu tiên phát triển và khai thác nguồn tài nguyên thủy điện là nguồn tài nguyên thế mạnh và nổi bật nhất của vùng núi và trung du

+ Sớm triển khai xây dựng thủy điện Sơn La, nhằm triệt để khai thác thủy điện dòng chính sông Đà Thủy điện Sơn La có công suất 3600 MW, điện năng 15 tỷ KWh/năm, đây là công trình thủy điện lớn nhất ở Việt Nam 0Việc xây dựng công trình này sẽ tăng thêm đáng kể nguồn điện của quốc gia và góp phần trị thủycho toàn l ưu vực

+ Đối với vùng miền núi tiếp tục hoàn thiện, nâng cấp và khai thác tốt các trạm thủy điện vừa và nhỏ hiện có, xây dựng thêm một số trạm mới nhằm giải quyết nhu cầu dùng điện cho các vùng chưa có lưới điện quốc gia

+ Nghiên cứu phát triển một cách hợp lý các máy thủy điện cực nhỏ (công suất 0,1

÷ 0,2 KW/tổ) cho các vùng núi cao không có điều kiện phát triển lưới điện hoặc thủy điện nhỏ, nhằm đảm bảo thắp sáng góp phần nâng cao đời sống tinh thần và văn hoá cho đồng bào dân tộc ít người, giúp cho công tác định canh định cư và bảo vệ rừng đầu nguồn của toàn lưu vực

+ Tổ chức khai thác một số mỏ than đá để có than phục vụ sản xuất và nhu cầu đun nấu trong sinh hoạt, tuy trữ lượng không lớn nhưng hoàn toàn có khả năng đáp ứng nhu cầu địa phương

+ Nghiên cứu áp dụng các thiết bị năng lượng mới như khí sinh vật, pin mặt trời, phát điện bằng sức gió

+ Chương trình phát triển tối ưu của hệ thống điện lực Việt Nam là tổ hợp nhiệt điện, thủy điện với việc xây dựng thủy điện Sơn La công suất 3600MW

+ Tiếp tục phát triển thủy điện nhỏ và cực nhỏ ở các vùng, xã không có lưới điện đi qua và những vùng hẻo lánh để phục vụ đồng bào vùng cao

Bảng 6.17 QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN NGUỒN ĐIỆN NĂNG TOÀN LƯU VỰC

Trong giới hạn nghiên cứu sẽ tiến hành thu thập thông số kỹ thuật của các hồ chứa trong vùng nghiên cứu, phân tích các tài liệu, những nghiên cứu trong và ngoài nước đã có về công nghệ GAMS Qua đó có kết luận và kiến nghị về tính toán mô phỏng quá trình điều tiết hồ chứa cho vùng nghiên cứu

Phương pháp tính toán cân bằng tổng lượng nước trong hồ:

S(t+1,l)=S(t,l)+Q(t,l)-E(t,l)-TL(t,l)-R(t,l)

t thời đoạn (tháng)

l Hồ chứa thứ l

S(t,l) dung tích trữ trong hồ l trong thời gian t (triệu m3)

Q(t,l) Lượng dòng chảy đến hồ l trong thời đoạn t (triệu m3/tháng)

E(t,l) tổn thất do bốc hơi của hồ l trong thời đoạn t (triệu m3/tháng)

TL(t,l) tổn thất do thấm của hồ l trong thời đoạn t (triệu m3/tháng)

R(t,l) lượng xả từ hồ l trong thời đoạn t (triệu m3/tháng)

Tính toán giới hạn về dung tích của hồ chứa:

S(t,l) <= Smax(t,l) Dung tích lớn nhất cho phép tại hồ l, ở tháng t (triệu m3)

S(t,l) <= Smin(t,l) Dung tích nhỏ nhất cho phép tại hồ l, ở tháng t (triệu m3)

Dung tích lớn nhất tại hồ l ở tháng t được lấy bằng dung tích trước lũ trong mùa lũ và dung tích lớn nhất của hồ trong các tháng còn lại

Dung tích nhỏ nhất cho phép của hồ ở đây lấy bằng dung tích chết hoặc dung tích ứng với mực nước xả hàng năm

Tổn thất bốc hơi gia tăng được tính bằng tốc độ bốc hơi gia tăng nhân với diện tích bề mặt thoáng hồ chứa theo các thời đoạn tính toán Tổn thất thấm trong nghiên cứu lấy bằng khoảng 0.3% tổng dung tích hồ chứa theo các tháng tính toán

Đường đặc tính hồ chứa

Đường đặc tính hồ chứa gồm các đường H~S được thu thập, xây dựng trên cơ sở các số liệu hiện có tại Viện Quy hoạch Thuỷ lợi và thu thập tại vị trí công trình qua các đợt điều tra khảo sát hiện trường trong vùng nghiên cứu Đối với các hồ chứa thuỷ điện các quan

hệ mực nước hạ lưu nhà máy thuỷ điện với lưu lượng xả qua đập cũng được xây dựng

Với mực nước thượng lưu hồ H là một hàm của dung tích hồ, mực nước hạ lưu nhà máy thuỷ điện Hhl là một hàm của lưu lượng xả xuống hạ du R từ hồ

Qua thu thập, phân tích đánh giá các nguồn tài liệu thu thập gồm các tài liệu thiết kế các

hồ chứa thủy điện đã thiết lập các đường đặc tính hồ chứa sử dụng như sau (ví dụ cho hồ Hòa Bình)

Hồ Hòa Bình:

Quan hệ mực nước (m) ~ dung tích (triệu m3)

y = 0.0000000000669993350838x3 - 0.0000016508677464103600x2 +

0.0186990368069558000000x + 29.1245789243532000000000