Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông hồng tổng thuật tài liệu

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUY HOẠCH THUỶ LỢI BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ RÀ SOÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC NGUỒN TÀI LIỆU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC CÓ LIÊN QUAN TRONG TÍNH TOÁ

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:

TỔNG THUẬT TÀI LIỆU

7226-3

19/03/2009

HÀ NỘI - 2008

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN QUY HOẠCH THUỶ LỢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ

RÀ SOÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC NGUỒN TÀI LIỆU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC CÓ LIÊN QUAN TRONG TÍNH TOÁN THUỶ VĂN, TÍNH CÂN BẰNG

NƯỚC PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP

TÀI NGUYÊN NƯỚC

Một số hướng tiếp cận của các mô hình toán thông dụng như TANK,

NAM,MITSIM, MIKE BASIN

CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN Chủ nhịêm đề tài : TS Tô Trung Nghĩa Chủ nhiệm chuyên đề : Ks Vũ Phương Nam

Hà nội, 2007

MỤC LỤC

Mục Trang

II PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU 2

II.1 MÔ HÌNH THUỶ VĂN 2

II.1.1 Khái niệm về mô hình trong thuỷ văn 2

II.1.2 Phân loại mô hình toán thuỷ văn 3

II.1.3 Xác định thông số trong mô hình toán thuỷ văn 4

II.1.4 Một số hướng tiếp cận của các mô hình thuỷ văn 5

II.2 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC

II.2.1 Đặt vấn đề 13 II.2.2 Mục đích và yêu cầu tính toán cân bằng nước 13

II.2.3 Một số hướng tiếp cận của các mô hình tính toán cân bằng nước 16

III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 27

IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 28

V PHỤ LỤC 28

I GIỚI THIỆU CHUNG

Trong vài chục năm gần đây, việc tính toán thuỷ văn và tính cân bằng nước được

mô hình hoá một cách hết sức mạnh mẽ Tại nhiều quốc gia, ở nhiều Trung tâm, Viện nghiên cứu, trường Đại học lớn trên thế giới đã đầu tư rất nhiều cho lĩnh vực nghiên cứu này, điển hình là các nước như Mỹ, Nhật Bản, Anh, Đan Mạch, Hà Lan, Pháp…Hàng trăm mô hình lớn nhỏ được ra đời và áp dụng rộng rãi trong rất nhiều các lưu vực sông lớn nhỏ trên thế giới và đều đưa ra được các kết quả rất khả quan và có tính tin cậy cao

Các mô hình tính toán dòng chảy nổi tiếng thế giới cũng đã có mặt ở Việt Nam Các Viện nghiên cứu, trường Đại học hay các công ty tư vấn thuộc ngành nước đều đã ứng dụng các mô hình tính toán dòng chảy vào trong các nghiên cứu của mình, kết quả

mà các mô hình đưa ra đều được đánh giá rất tốt, phục vụ rất đắc lực cho việc thiết kế công trình cũng như các nghiên cứu về sử dụng và quản lý tổng hợp tài nguyên nước

Việc mô hình hoá dòng chảy xuất phát từ vấn đề đó là đánh giá lượng dòng chảy

vì một lý do nào đấy không quan trắc được Đây là vấn đề khó khăn mà thực tế không chỉ riêng các nhà thuỷ văn ở nước ta đang phải đối mặt Chúng ta có một hệ thống các trạm quan trắc dòng chảy rất hạn chế về số lượng, chỉ tập trung ở những sông lớn, lưu vực rộng Còn nhiều lưu vực vừa và nhỏ vẫn chưa có được trạm quan trắc Do vậy các

mô hình tính toán dòng chảy đang và sẽ là những công cụ rất quan trọng trong các nghiên cứu, tính toán của ngành nước

II PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU (TÀI LIỆU) NGHIÊN CỨU

Trong chuyên đề này sẽ nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan đến tính toán thuỷ văn và cân bằng nước, phân tích và đánh giá một số các mô hình tính toán dòng chảy đã được áp dụng nhiều trong các nghiên cứu về dòng chảy ở các lưu vực sông của Việt Nam như mô hình TANK, NAM, MITSIM và MIKE BASIN II.1 MÔ HÌNH THUỶ VĂN

II.1.1 Khái niệm về mô hình trong thuỷ văn

Việc nghiên cứu quá trình chuyển động của nước giữa khí quyển, các lục địa và các đại dương của một tuần hoàn thuỷ văn có ý nghĩa quan trọng và được đặt ra một cách toàn diện nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin và lý thuyết phân tích hệ thống

Việc nghiên cứu các quá trình chuyển động của nước được giải quyết bằng kỹ thuật phân tích hệ thống mà trọng tâm của nó là mô hình hoá các quá trình nghiên cứu Trong thuỷ văn, mô hình là sự biểu diễn bằng toán hay vật lý một hiện tượng hay tổng thể các hiện tượng nghiên cứu và các thông số đặc trưng cho tính phức tạp, sự thay đổi theo không gian và thời gian của chúng

Các mô hình này có thể chia làm 3 loại chính:

- Mô hình vật lý

- Mô hình tương tự

- Mô hình toán thuỷ văn

Việc mô tả các hiện tượng thuỷ văn bằng các biểu thức toán học được gọi là mô hình toán thuỷ văn Vì các hiện tượng thuỷ văn phụ thuộc vào nhiều yếu tố và biến đổi

theo cả thời gian và không gian, cho nên các mô hình toán học biểu diễn đầy đủ các mối liên quan phức tạp này đòi hỏi khối lượng tính toán lớn Với sự trợ giúp của máy tính điện tử, mô hình toán thuỷ văn được phát triển rất mạnh góp phần quan trọng đưa các phương pháp tính toán dòng chảy từ mưa vào ứng dụng trong thức tiễn

I.1.2 Phân loại mô hình toán thuỷ văn

Mô hình toán thuỷ văn có thể được chia làm 2 loại: mô hình tất định và mô hình ngẫu nhiên:

1- Mô hình ngẫu nhiên: Vì dòng chảy chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố,

mỗi yếu tố lại tác động lên dòng chảy theo những quy luật riêng, phức tạp, do đó mô hình toán học dù có chi tiết cũng khó mô tả đầy đủ chính xác tất cả các mối quan hệ này Mô hình toán học coi giá trị dòng chảy mang tính ngẫu nhiên và chuỗi số tập hợp các giá trị của dòng chảy phải tuân theo quy luật thống kê

Những mô hình toán loại này đang được sử dụng có hiệu quả trong việc dự báo thủy văn dài hạn và tính toán thiết kế các công trình trên sông Hiện có 2 loại:

- Một là để tính khả năng xuất hiện của hiện tượng, thường dùng để tính toán thiết kế các công trình trên sông Nội dung chính là lựa chọn đường phân bố xác suất phù hợp nhất với chuỗi quan trắc đã có, tức là đi tìm luật phân phối xác suất lý luận

mà dòng chảy tuân theo Ví dụ như các hàm phân bố Pearson III, Log Normal, Gumbel…

- Loại thứ 2 là mô hình ngẫu nhiên để tính toán dự báo dòng chảy như các mô hình AR, ARIMA, phương pháp Montecarlo …

2- Mô hình tất định: Dòng chảy được coi là kết quả tất nhiên của lượng mưa,

độ ẩm,… và đặc điểm bề mặt lưu vực Trên cơ sở đó mô hình tìm các biểu diễn các quan hệ mưa - dòng chảy bằng các biểu thức toán học khác nhau Trong việc mô hình hoá sự hình thành dòng chảy thì có 2 cách tiếp cận

• Cách tiếp cận vật lý - toán: Các công thức biểu diễn 3 quy luật chung nhất của vật lý trong trờng hợp riêng này là: Bảo toàn vật chất (phương trình liên tục hoặc cân bằng nước), bảo toàn năng lượng (phương trình cân bằng động lực), bảo toàn động lượng (phương trình động lượng) Hệ Sain - Venant cùng với phương pháp số cụ thể giải nó là ví dụ minh hoạ về cách tiếp cận này trong việc

mô hình hoá giai đoạn cuối cùng của sự hình thành dòng chảy - giai đoạn chảy trong hệ thống sông Tuy nhiên cần phải có tài liệu về địa hình, các đặc trưng địa mạo …

• Cách tiếp cận thông số hoá: Cách xây dựng mô hình trên cơ sở sử dụng tài liệu quan trắc đồng bộ giữa mưa và dòng chảy Điều này cho phép lựa chọn các thông số theo tài liệu đo đạc

Mô hình thông số tập trung thường xét diện tích dòng chảy cơ sở và các thông số đặc trưng trung bình cho cảc lưu vực Mô hình thông số tập trung biểu diễn hàm vào

và hàm ra phụ thuộc vào thời gian mà không xét theo không gian

Mô hình thông số phân tán ngoài yếu tố thời gian còn chứa ít nhất một thông số nữa thí dụ như không gian

Những mô hình có thông số tập trung lại có thể được chia làm 2 loại mô hình hộp đen và mô hình quan niệm

- Mô hình hộp đen: Cấu tạo và thông số của mô hình không rõ ràng Các mô hình thông số đơn giản của dòng chảy mặt đã sớm được dùng trong thuỷ văn Những mô hình đầu tiên thường là những mô hình mô phỏng quan hệ giữa dòng chảy mặt với lượng mưa và diện tích hứng nước có dạng thuần tuý kinh nghiệm

- Mô hình quan niệm: Khi hiểu biết càng sâu hơn thì mô hình được dùng ngày càng phức tạp hơn Do độ phức tạp ngày càng tăng dẫn đến sự phân chia về mặt phương hướng sử dụng mô hình Sự phân chia này đã đẫn đến mô hình thành phần và

mô hình hệ thống

Chu trình thuỷ văn xảy ra trên mặt đất có thể chia thành nhiều thành phần Quan trọng nhất là các thành phần thấm, bốc hơi, dòng chảy ngầm và diễn toán dòng chảy sông ngòi, bao gồm sự tập trung dòng chảy trên sườn dốc và dòng chảy trong sông

Chính từ việc nghiên cứu từng thành phần đã dẫn tới việc tìm hiểu các qui luật vật lý, điều khiển các yếu tố và dẫn tới xây dựng mô hình kinh nghiệm càng gần với bản chất vật lý của hiện tượng

Các mô hình quan niệm phổ biến như: SSARR (Mỹ), TANK (Nhật), Stanford (Mỹ), NAM (Đan Mạch)…

Sự phân loại mô hình nêu trên được trình bày ở hình dưới đây

Hình 1 PHÂN LOẠI MÔ HÌNH THUỶ VĂN I.1.3 Xác định thông số trong mô hình toán thuỷ văn

Các mô hình nhiều thông số được xây dựng trên cơ sở các nguyên tắc vật lý và chứa hàng chục thông số đối với mỗi lưu vực Đặc biệt là các thông số đó lại không thể đo đạc hoặc tính toán trực tiếp theo các đặc trưng địa vật lý và khí hậu của lưu vực Bởi vậy chỉ có thể dựa vào tình hình mưa dòng chảy cùng với những đặc trưng có thể biết được của lưu vực Theo những nhận định về vật lý chỉ có thể đánh giá phạm vi biến đổi của các thông số đối với mỗi lưu vực và tính áng chừng ít nhiều giá trị ban đầu của thông số

Dựa vào cách đặt bài toán xác định thông số của mô hình, phần tử nào là cho trước, phần tử nào cần xác định ta phân ra bài toán thuận hay ngược

MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN

+ Bài toán thuận là bài toán dựa trên lượng vào và điều kiện ban đầu cho trước của mô hình, cần phải xác định lượng ra

+ Bài toán ngược, lượng ra được coi là cho trước và cần tìm các giá trị thông số

Bài toán ngược quan trọng nhất đối với thuỷ văn hiện đại là xác định các thông

số và các phần tử chưa biết của cấu trúc mô hình Những bài toán ngược thường là các bài toán thiết lập không đúng đắn bởi vì những sai sót nhỏ của số liệu gốc có thể dẫn đến những sai số lớn trong những đại lượng ra (những thông số của mô hình)

Việc xác định những thông số dùng trong thuỷ văn rất phức tạp mặt khác lại không thể đảm bảo tính duy nhất nghiệm Bởi vậy cần sử dụng các phương pháp tối ưu hoá giải quyết trên máy tính Một trong những phương pháp được dùng nhiều là phương pháp tối ưu của Rosenbrock

Đối với bất kỳ mô hình toán thuỷ văn nào, muốn sử dụng cho một lưu vực cụ thể, trước hết phải xác định được giá trị thông số của mô hình Thế nhưng những thông

số đó lại không thể xác định bằng cách đo đạc trực tiếp mà chỉ có thể dựa vào sự hiểu biết địa lý và điều kiện khí hậu nhất định để chọn lựa áng chừng các thông số rồi thử

đi, thử lại nhiều lần khi nào thấy phù hợp theo một tiêu chuẩn nào đó thì thôi Để làm được điều này đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức về mô hình và sự hiểu biết kỹ lưỡng về lưu vực nghiên cứu

I.1.4 Một số hướng tiếp cận của các mô hình thuỷ văn

Từ trước tới nay một số mô hình toán được thiết lập để tính toán thuỷ văn và được áp dụng hầu hết trong các nghiên cứu và dự án, trong đó có các mô hình như : TANK, NAM Sau đây là một số nét sơ lược về các mô hình đó :

A Mô hình TANK

a Giới thiệu mô hình

Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại Trung tâm Quốc gia phòng chống lũ lụt của Nhật bản, tác giả M.Sugawara Từ đó đến này mô hình đã được hoàn thiện dần và ứng dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới

Ở Việt nam rất nhiều cơ quan nghiên cứu ứng dụng như Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Khí tượng Thuỷ văn …

b Khả năng áp dụng

Mô hình TANK là một trong những mô hình được coi là mô phỏng tốt quá trình dòng chảy trong lưu vực sông Mô hình tính toán dòng chảy từ các yếu tố khí tượng như lượng mưa, bốc hơi phục vụ cho công tác phục hồi số liệu, bổ sung số liệu, dự báo dòng chảy dùng cho việc quy hoạch hệ thống thuỷ lợi, tính toán xây dựng các qui trình vận hành hồ chứa nước

c Yêu cầu số liệu

- Tài liệu mưa bình quân lưu vực (lượng mưa ngày, 10 ngày ) : Trong lưu vực phải có đủ số trạm mưa để đại diện được lượng mưa cho toàn lưu vực, lượng mưa bình quân lưu vực được tính toán theo phương pháp đa giác Thiesen hoặc bình quân số học

- Tài liệu bốc hơi lưu vực : Lấy theo số liệu của trạm khí tượng

- Tài liệu dòng chảy của các năm có số liệu đo đạc để làm cơ sở kiểm định sự phù hợp của mô hình (các thông số mô hình chọn tính toán phù hợp)

d Cơ sở lý thuyết

Mô hình TANK là điển hình của mô hình dạng bể chứa, có cấu trúc tương tự như các bể chứa ẩm trong các tầng đất lưu vực Trong quá trình phát triển tác giả đưa ra hai loại mô hình cấu trúc dạng đơn và cấu trúc dạng kép

Mô hình TANK dạng đơn gồm một số bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng Mỗi

bể chứa có một cửa ra ở đáy và 1 hoặc một số cửa ra ở thành bên Nước mưa là lượng vào bể trên cùng, sau khi khấu trừ tổn thất, một phần thấm xuống dưới theo cửa ra ở đáy, một phần cung cấp cho dòng chảy trong sông theo các cửa ra thành bên Dòng chảy tổng cộng các cửa ra thành bên cuối cùng được diễn toán qua một bể điều tiết phản ánh khả năng điều tiết của lưu vực, cuối cùng của cửa ra

Cấu trúc mô hình tương đối đơn giản thích hợp với các lưu vực vừa và nhỏ nằm trong vùng ẩm ướt Thường dùng dạng 4 bể chứa (A,B,C,D) và bể trên cùng (A) có 2 hoặc 3 cửa ra thành bên, các cửa dưới chỉ có 1 cửa ra thành bên

Biểu thị dòng chảy qua các cửa ra thành bên, tác giả dùng một quan hệ đơn giản, lượng dòng chảy ra là hàm tuyến tính của lượng trữ

Y=β(X-H) Yo=α.X

Trong đó : β, α là hệ số dòng chảy cửa ra thành bên và đáy

H: ngưỡng của cửa ra X: Lượng trữ trong bể

Hình 2: CẤU TRÚC MÔ HÌNH TANK DẠNG ĐƠN

- Nhóm thông số về các cửa ra gồm:

Hệ số dòng chảy cửa ra thành bên: Bể A (A1, A2, A3), bể B (B1), bể C (C1),

bể D (D1) và các hệ số cửa ra ở đáy A0, B0, C0, D0

Độ cao ngưỡng cửa ra thành bên : HA1, HA2, HA3, HB, HC, HD

Thông số bể điều tiết: Hệ số cửa ra CH1, CH2; Độ cao ngưỡng: H

• Cấu trúc ẩm: Mô tả cấu trúc ẩm của tầng đất mặt, trong bể trên cùng tác giả chia làm 2 phần: trên và dưới Giữa 2 phần có sự truyền ẩm lên xuốngtrong một

số điều kiện như hiện tượng thấm trọng lực, hiện tượng mao dẫn

Các thông số độ ẩm của mô hình gồm:

Lớp ẩm bão hoà của phần trên và phần dưới bể A : PS và SS

Lớp ẩm thực tế tại các bể : bể A (XA, XS), bể B(XB), bể C(XC), bể D(XD) và

bể điều tiết (XCH)

Trong bể A: Hệ số truyền ẩm lên TB0, TB; hệ số truyền ẩm xuống TC0, TC

Hình 3: CÁC THÔNG SỐ TRONG BỂ A

- Cơ cấu truyền ẩm:

Khi phần trên bão hoà ẩm, có lớp nước tự do trên mặt đất (XA>PS) mà phần dưới bể A chưa bão hoà (XS<SS) thì có sự truyền ẩm từ trên xuống dưới với tốc độ T2

theo công thức: T2=TCo+(1-XS/SS)TC

T2 T1

SS TCo

T2

XS T2=TCo+(1-XS/SS)TC

PS TBo

T1

XA T1=TBo+(1-XA/PS)TB

Khi phần trên chưa bão hoà ẩm (XA< PS) và phần dưới bão hoà ẩm (XS=SS) thì

có sự truyền ẩm lên theo tốc độ T1 theo công thức: T1=TBo+(1-XA/PS)TB

Trong đó : TC0,TC, TB0,TB là các hệ số truyền ẩm, có thể lấy theo kinh ngiệm

hoặc xác định theo thử sai

e Các bước tính toán của mô hình

- Tính mưa bình quân lưu vực vực lấy theo phương pháp bình quân gia quyền hoặc theo phương pháp Thiesien

- Tính bốc thoát hơi nước và truyền ẩm

Cân bằng nước bể A và tính dòng chảy mặt Y=YA1+YA2+YA3 và dòng xuống

bể B (YA0)

Tiếp tục cân bằng nước bể B, C và D để tính dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm

Tính bể điều tiết để tìm dòng chảy ở cửa ra của lưu vực

Khi diễn toán dòng chảy như cấu trúc mô hình khó thể hiện được sự trễ của dòng chảy so với quá trình mưa Để giải quyết tác giả dùng cách dịch chuyển nhân tạo với thời gian trễ Tlag

f Thông số của mô hình

Mô hình TANK là mô hình nhiều thông số nhưng nhóm thông số chính là hệ số các cửa ra các bể, hệ số hiệu chỉnh mưa và tỷ trọng trạm mưa Các thông số khác ảnh hưởng đến dòng chảy tính toán ở mức độ thấp hơn

Các thông số cửa ra các bể trong việc diễn tả cân bằng nước từng bể và giữa các

bể với nhau có mối quan hệ nhất định phản ánh đặc tính từng thành phần dòng chảy

Ví dụ: Tổng hệ số cửa ra thành bên và đáy không thể lớn hơn 1 Hệ số dòng chảy cửa

ra thành bên bể A phải lớn hơn các bể B, C, D…

Để đánh giá kết quả mô phỏng, dùng hệ số Nash-Sutcliff (Nash và Sutcliff 1970)

2 1

2 1

2

) ,

(

) , ,

( 1

Qdo i do Q

i Qtinh i

do Q

i N

Khi hiệu chỉnh thông số của mô hình, có một số điểm cần chú ý:

- Với tính toán dòng chảy ngày: cần hiệu chỉnh thông số cho một số năm bao gồm cả năm lũ lớn và lũ bé Khi mô phỏng dòng chảy lũ chủ yếu quan tâm đến các thông số bể A Vấn đề mô phỏng dòng chảy kiệt phức tạp hơn, nhất là các thời kỳ kiệt trong năm (thời điểm, trị số), muốn đạt được kết quả hợp lý phải xem xét chủ yếu cơ cấu ẩm trong tầng đất và thông số bể D, thông qua diễn biến XD

B Mô hình NAM

a Giới thiệu mô hình NAM

Mô hình thuỷ văn NAM mô phỏng quá trình lượng mưa-dòng chảy mặt xảy ra tại phạm vi lưu vực sông NAM hình thành nên một phần của mô đun lượng mưa-dòng chảy mặt (RR) của hệ thống lập mô hình sông MIKE 11 Mô đun lượng mưa-dòng chảy mặt có thể được áp dụng độc lập hoặc dùng để thể hiện một hoặc nhiều lưu vực

thành phần tạo ra dòng ngang chảy vào một mạng sông Như vậy, việc thiết lập mô hình để mô phỏng một lưu vực sông nhỏ riêng lẻ hay một lưu vực sông lớn có ( nhiều lưu vực sông nhỏ và một mạng sông ngòi phức tạp đều có thể thực hiện được

NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “ Nedbor – afstromnings – Model”, có nghĩa là mô hình giáng thuỷ – dòng chảy mặt Mô hình này đầu tiên do Khoa Tài nguyên nước và Thuỷ lợi của Trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973)

Mô hình thuỷ văn toán học như NAM là một bộ biểu thức toán học kết nối với nhau mô tả hoạt động của chu kỳ thuỷ văn trong pha đất bằng hình thức định lượng được đơn giản hoá NAM thể hiện các thành phần khác nhau trong quá trình mưa – dòng chảy mặt bằng cách tính toán sự thay đổi lượng nước liên tục trong bốn thành phần trữ lượng khác nhau có tương tác lẫn nhau Mỗi trữ lượng thể hiện một thành phần vật lý của lưu vực sông nhỏ NAM có thể được sử dụng để lập mô hình thuỷ văn liên tục cho một thời đoạn có dòng chảy hoặc để mô phỏng những sự kiện riêng lẻ

Mô hình NAM là một mô hình tất định, tập trung, khái niệm, với các yêu cầu về

số liệu đầu vào ở mức trung bình Phân loại mô hình đã được mô tả trong Abbott và Refsgaard (1996) Refsgaard và Knudsen (1997) đã so sánh một số các mô hình thuỷ văn khác nhau bao gồm cả mô hình NAM xét cả về khía cạnh yêu cầu dữ liệu và vận hành của mô hình

Mô hình NAM là một công cụ kỹ thuật được chứng minh là áp dụng tốt cho một

số các lưu vực sông nhỏ trên thế giới, với cơ chế thuỷ văn và điều kiện khí hậu khác nhau

b Cấu trúc mô hình NAM

Một mô hình khái niệm như NAM dựa trên các phương trình và cấu trúc vật lý cùng với các phương trình bán kinh nghiệm Là một mô hình tập trung, NAM coi mỗi một lưu vực là một đơn vị riêng lẻ Do đó, tham số và biến số thể hiện giá trị trung bình cho toàn bộ lưu vực Như vậy, một vài tham số mô hình có thể được đánh giá từ

dữ liệu lưu vực vật lý nhưng ước tính tham số cuối cùng phải được dựa trên mô phỏng theo chuỗi thực đo

Hình 4 CHU TRÌNH THUỶ VĂN

Hình 5 CẤU TRÚC MÔ HÌNH NAM

Cấu trúc mô hình NAM được trình bày trong Hình 3 Đó là mô phỏng pha đất thuộc chu kỳ thuỷ văn NAM mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy mặt bằng tính toán sự biến đổi lượng nước trong 4 thành phần lượng trữ khác nhau có tương tác lẫn nhau, thể hiện các thành phần vật lý khác nhau của lưu vực Các thành phần lượng trữ gồm:

Dòng chảy mặt QOF được xác định từ lượng mưa PN theo:

L Khi

TOF L

L Khi P TOF CQO

max / 0

max / 1

TOF - L/Lmax F

F

Hình 6 Quan hệ L/Lmax và QOF/PN

Dòng chảy sát QIF mặt được xác định như sau:

L Khi

TIF L

L Khi U TIF CKI

QI

max / 0

max / 1

TIF - L/Lmax F

F

Hình 7 Dòng chảy sát mặt

Lượng bổ sung cho nước ngầm được tính bằng:

G - F) (

max / 0

max / 1

TG - L/Lmax F)

( G

QO P DL

TG L

L Khi

TG L

L Khi U TG QO

P

N N

Hình 8 Lượng bổ sung nước ngầm

Lưu lượng nước ngầm BF được tính như sau:

0

0

) ( ) (

F

GWLBF GWL

Khi

GWLBF GWL

Khi CK

Sy GWL GWLBF

Các thông số cơ bản của mô hình NAM:

- Umax : Khả năng trữ tối đa của lớp bề mặt, giá trị thường trong khoảng 25mm

10 Lmax : Khả năng trữ tối đa của tầng sát mặt, gia trị thường trong khoảng 300mm

50 CQOF: Hệ số dòng chảy mặt, thực chất đây là hệ số chia lượng nước mưa chảy tràn thành dòng chảy mặt và lượng nước ngấm xuống tầng dưới, CQOF = 0.01 – 0.99

- TOF: Thể hiện sự quan hệ giữa độ ẩm (L/Lmax) của tầng đất sát mặt đối với dòng chảy mặt Tác động chính của hệ số này có thể hiện ở thời đoạn đầu của mùa mưa, lúc đó khi tăng giá trị TOF sẽ làm trễ thời gian bắt đầu hình thành dòng chảy mặt TOF nhận giá trị từ 0 - 0.7, giá trị lớn nhất có thể lấy 0.99

- TIF: quan hệ giữa độ ẩm của đất và dòng chảy sát mặt

- TG: giá trị ngưỡng của tầng sát mặt đối với bổ sung nước ngầm Giá trị này thể hiện quan hệ giữa độ ẩm của đất (L/Lmax) đối với lượng bổ sung nước ngầm Giá trị TG = 0 - 0.7

- CKBF: Thời gian truyền đối với nước ngầm, giá trị thường trong khoảng 500 –

5000 giờ

- CK1, CK2: Thời gian chảy truyền của dòng chảy mặt

II TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC

II.1 Đặt vấn đề

Trong nghiên cứu tính toán quy hoạch quản lý tổng hợp phát triển tài nguyên

nước (vẫn quen gọi là quy hoạch thủy lợi) tính toán cân bằng nước là hết sức quan trọng, nó là cơ sở để đề ra phương án quy hoạch thủy lợi, lựa chọn phương án và trình

tự thực hiện phương án quy hoạch qua các giai đoạn

Cân bằng nước được tính toán theo nhiều mức độ khác nhau từ tổng thể đến chi tiết, từ toàn lưu vực đến từng công trình với mức độ chính xác của nó hoàn toàn phụ thuộc vào tài liệu cơ bản và dân sinh kinh tế và các công cụ sử dụng cho tính toán

Trong mục này sẽ tập trung giới thiệu về mục đích yêu cầu của tính toán cân bằng nước, những tài liệu cần thiết, phương pháp và các bước tính toán, việc áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến vào tính toán Kết quả của tính toán cân bằng và việc sử dụng nó trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước

II.2 Mục đích và yêu cầu tính toán cân bằng nước

II.2.1 Mục đích tính toán cân bằng

Nước là một tài nguyên được coi là một sản phẩm quan trọng nhất để duy trì

cuộc sống của động thực vật trên toàn thế giới Tương tự như mọi loại hàng hoá cung

và cầu là vấn đề cần được xem xét đầu tiên để hoạch địch sự phát triển của mọi ngành kinh tế Không có sự cân bằng phù hợp thì sẽ xảy ra khủng hoảng, cung lớn hơn cầu thì khủng hoảng thừa, cung nhỏ hơn cầu gây ra khủng hoảng thiếu Do sự biến động của tự nhiên và sự phát triển của xã hội, cung và cầu luôn luôn biến động với xu thế ngày càng tăng về số lượng và đòi hỏi chất lượng ngày càng cao Phải luôn tạo ra được trạng thái cân bằng mới duy trì được sự phát triển bền vững Đặc thù của nguồn nước lại là một tài nguyên hữu hạn, xuất hiện theo một chu kỳ nhưng lại không đều theo không gian và thời gian, muốn cân bằng được phải có tác động của con người vào chu trình trên

Nước thừa gây ra lụt lội, úng ngập, thiếu nước gây ra hạn hán, thừa hoặc thiếu đều gây ra khủng hoảng ảnh hưởng to lớn tới cuộc sống của con người và phát triển của xã hội Cân bằng nước là cơ sở để con người biết khả năng của tự nhiên, mức độ mất cân bằng do biến động của nguồn nước và kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, cuộc sống của con người hiện tại cũng như tương lai gây ra, từ đó tìm mọi biện pháp tạo ra

sự cân bằng mới đáp ứng phát triển bền vững nguồn nước đó là mục đích của tính toán cân bằng nước

II.2.2 Yêu cầu tính toán cân bằng nước

Để xây dựng được bài toán và tiến hành tính toán cân bằng nước phải dựa trên một số yêu cầu chủ yếu được đặt ra Đồng thời với những điều kiện nhất định sẽ cho kết quả tính toán cân bằng tương ứng Một số yêu cầu cơ bản để xây dựng bài toán cân bằng đó là:

* Yêu cầu về phạm vi (không gian): phạm vi của bài toán cân bằng có thể biến đổi rất lớn có thể là phạm vi cả nước, một vùng kinh tế, liên lưu vực, lưu vực, một phần lưu vực, hệ thống thủy lợi, vùng lãnh thổ, tập hợp một số công trình hoặc một công trình thủy lợi cụ thể nào đó Tương ứng với phạm vi mà có mức độ tính toán cân bằng phù hợp và cho các kết quả từ mức tổng quát đến chi tiết có thể

* Yêu cầu về thời gian: Bài toán cân bằng thường được tính toán thể hiện kết quả cho cả quá khứ, hiện tại và tương lai Thời đoạn trong tính toán có thể là: năm, mùa, tháng, 10 ngày hoặc chi tiết hơn tuỳ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu của các quy hoạch

* Yêu cầu về nguồn nước cung cấp: Nguồn nước được thể hiện dưới 3 dạng chủ yếu đó là: nước mặt, nước mưa và nước ngầm

- Nước mặt là nguồn nước chảy theo các dòng sông, suối, kênh, rạch trong vùng nghiên cứu và ven vùng quy hoạch, có khả năng cung cấp nước cho nhu cầu dùng nước của vùng quy hoạch Đây là nguồn nước xuất hiện theo tính ngẫu nhiên và rất biến động theo cả không gian và thời gian (x, y, t) trong chu trình nhiều năm hình thành những thời kỳ nhiều nước, ít nước Tuy nhiên trong chu kỳ một năm hình thành nên mùa lũ, mùa cạn, tháng khô hạn nhất, tháng nhiều nước nhất khá ổn định Với nguồn nước này con người có thể sử dụng các biện pháp công trình thủy lợi để điều chỉnh lại ở mức có thể cả về lượng và hướng phục vụ nhu cầu dùng nước

- Nước mưa cũng là nước mặt nhưng lại được rải trên bề mặt của vùng quy hoạch, nó mang tính ngẫu nhiên và cũng biến động rất lớn cả về không gian và thời gian Trong chu trình nhiều năm mưa cũng hình thành thời kỳ mưa nhiều và thời kỳ mưa ít nhưng trong một năm hình thành mùa mưa và mùa khô Với nguồn nước này con người chưa có biện pháp tác động vào chu trình xuất hiện của nó, thường vẫn sử dụng mang tính ngẫu nhiên (chủ yếu cho hộ dùng nước nông nghiệp, có dân sinh nhưng không đáng kể), mưa nhân tạo chỉ là ví dụ

- Nguồn nước ngầm thường khi khai thác cũng trở thành nước mặt, nguồn nước ngầm thường biến đổi mạnh theo không gian cả về số lượng và chất lượng [nguồn nước ngầm là một hàm toạ độ địa lý (x, y)] tuy nhiên nó lại là nguồn ít biến động theo thời gian nhất là trong các vỉa nước ngầm tầng sâu Con người với các biện pháp công trình nhằm khai thác là chính khó có biện pháp điều chỉnh trữ lượng của nguồn này

- Nguồn nước kể cả nước mặt và nước ngầm là hữu hạn và nó có mức sử dụng giới hạn nhằm đảm bảo cân bằng sinh thái và phát triển bền vững nguồn nước (chuyên

đề khí tượng thủy văn sẽ nêu rõ và kỹ vấn đề này) Trong tính toán cân bằng sẽ xem xét với hai trường hợp đó là nguồn tự nhiên và thời gian xuất hiện phục vụ nhu cầu sử dụng và chế ngự thiên tại do nước gây ra theo tiêu chuẩn đề ra Sự can thiệp được chấp nhận qua cân bằng nó trở thành phương án phát triển nguồn nước (phương án quy hoạch thủy lợi cho mục tiêu nào đó)

* Yêu cầu về nhu cầu dùng nước (Cầu): sẽ được nêu đầy đủ trong chuyên đề “Dự báo nhu cầu nước” Tuy nhiên đây là yêu cầu rất quan trọng, việc tính đúng tính đủ các nhu cầu dùng nước sẽ làm cho tính toán cân bằng phù hợp và phương án quy hoạch thủy lợi đề ra là đúng đắn Trên một phạm vi quy hoạch nào đó đều cần được xem xét hai loại nhu cầu nước chủ yếu đó là nhu cầu sử dụng nước mang tính tiêu thụ và nhu cầu sử dụng nước không mang tính tiêu thụ

- Nhu cầu sử dụng nước mang tính tiêu thụ là nhu cầu mà sau khi được cung cấp lượng nước sẽ bị tổn hao trong sử dụng phần lớn, phần hồi quy trả lại nguồn cung cấp hầu hết là bị ô nhiễm (dù có xử lý hay không), muốn sử dụng được cần có lượng nước pha loãng từ nguồn nước Các nhu cầu sử dụng nước mang tính tiêu thụ có thể nêu là: Nước dùng cho nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi), nước cho dân sinh (đô thị, nông thôn, công cộng,…); nước cho công nghiệp (không kể thủy điện); nước cho thủy sản; nước cho môi trường…

- Nhu cầu sử dụng nước không mang tính tiêu thụ là nhu cầu lợi dụng nước để phục vụ nhiệm vụ của mình như: Thủy điện (tuy nhiên do hoạt động về điện không đồng điệu với các nhu cầu sử dụng nước khác nên cũng gây ra việc sử dụng nguồn giảm hiệu quả); nhu cầu giao thông thủy; nhu cầu nước để duy trì sự sống của dòng sông, ngăn mặn xâm nhập, chống sói lở bồi lằng và làm suy thoái dòng sông cửa sông

Trên cơ sở các yêu cầu trên mà ta có thể xây dựng được một sơ đồ phục vụ tính toán cân bằng thể hiện nguồn nước, nhu cầu sử dụng theo không gian và thời gian Đồng thời cũng hình dung ra các phương án phát triển nguồn nước để phục vụ các bài toán cân bằng

II.2.3 Tài liệu trong tính toán cân bằng nước

Cân bằng nước là sự xem xét mối quan hệ giữa nguồn nước và nhu cầu sử dụng nước (quan hệ cung – cầu) để tìm cách tác động điều chỉnh bằng các biện pháp (công trình và phi công trình) thích hợp nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa nguồn và nhu cầu

sử dụng cho hiện tại và tương lai Để làm được điều này cần chuẩn bị những tài liệu, những chuyên đề và những vấn đề quan trọng sau:

1 Tài liệu về khí tượng thủy văn, đây là mảng tài liệu quan trọng để tính toán nguồn nước với các số liệu như: nhiệt độ, độ ẩm, nắng, gió, bốc hơi, mưa, mực nước, lưu lượng, thủy triều theo liệt năm quan trắc, đo đạc bổ sung về kiệt, lũ, mặn

2 Tài liệu dân sinh kinh tế hiện tại và tương lai: mảng tài liệu này bao gồm tài liệu hiện trạng và quy hoạch phát triển tương lai của các ngành sử dụng nước (hộ sử dụng nước) Có thể có vài kịch bản phát triển trong tương lai hoặc chỉ có một tuỳ thuộc một số vào tài liệu thu thập được

3 Các tài liệu cơ bản về bản đồ, bình đồ, trắc ngang dọc sông trục kênh rạch, quy

mô các công trình đã có và dự kiến, tài liệu về môi trường, chất lượng nước, đo đạc bổ sung tài liệu về chất lượng nước và các tài liệu cơ bản khác

4 Hiện trạng thủy lợi và các phương án quy hoạch thủy lợi dự kiến trong tương lai theo mục tiêu và nhiệm vụ quy hoạch

+ Phương án cho cấp nước (nếu là quy hoạch cấp nước)

+ Phương án cho tiêu thoát nước (nếu là quy hoạch tiêu úng)

+ Phương án cho phòng chống lũ (nếu là quy hoạch lũ)

+ Kết luận cả 3 nhiệm vụ đều phải có phương án tổng hợp dự kiến

5 Hai chuyên đề quan trọng cũng phải được chuẩn bị để kết hợp trong tính toán cân bằng đó là chuyên đề tính toán khí tượng và chuyên dề tính toán nhu cầu dùng nước

II.2.4 Phương pháp tính toán cân bằng nước

a Phương pháp cân bằng đại diện: là phương pháp được tính cân bằng giữa khả

năng cung cấp nước và nhu cầu dùng nước được tính với các năm có tần suất đặc trưng cho cả nguồn và nhu cầu (ví dụ 75%, 85%, 95%) với mức bảo đảm cấp nước của các

hộ dùng nước chính Đôi khi cũng tính với năm trung bình 50% để đánh giá một cách tổng quát

Để tính toán cân bằng cũng có thể cân bằng tổng lượng hoặc lưu lượng theo năm, theo mùa, theo tháng hoặc trong giai đoạn giới hạn nào đó và đều bám chặt vào tần suất đại diện Tuy nhiên cũng cần được kiểm chứng theo một năm thực tế tương đương

để hiệu chỉnh cho phù hợp

b Phương pháp cân bằng theo chuỗi tài liệu (phương pháp lịch): phương pháp

cân bằng này dựa trên cơ sở chuỗi tài liệu khí tượng thủy văn của lưu vực hay vùng nghiên cứu đã được quan trắc và chuối tài liệu dùng nước theo các năm tương ứng với tài liệu khí tượng thủy văn (thường là 20-30 năm)

Phương pháp này yêu cầu về tài liệu là lớn và tương đối đầy đủ, nó đảm bảo tính thực tiễn và tính biến động của nhu cầu dùng nước song để tính được cân bằng khối lượng tính toán lớn, hàng loạt tính toán, thuật toán phải được sử dụng như điều tiết dòng chảy, hồ chứa, các công trình bổ sung vv…

c Phương pháp cân bằng theo chuỗi giả đinh cả về dòng chảy và lượng nước nước dùng (thường gọi là phương pháp tổng quát hoá) Cân bằng được thiết lập cho chuỗi năm

dòng chảy giả định, chuỗi năm lượng nước tiêu thụ tương ứng và phải dài năm (thường là

50 năm, ít năm cũng từ 25-50 năm)

Việc lựa chọn phương pháp ứng dụng vào tính cân bằng thường phụ thuộc vào vấn đề cần giải quyết và tài liệu hiện có, thời gian cũng như năng lực thực hiện Thường dùng phương pháp đại diện phù hợp với những lưu vực, vùng mà nền kinh tế đang phát triển

II.3 Một số hướng tiếp cận của các mô hình tính toán cân bằng nước

A Mô hình MITSIM

a Giới thiệu mô hình

Mô hình MITSIM (Massachusetts Institute of Techonology Simulation Model) được thiết lập năm 1977 - 1978 bởi phòng tài nguyên nước, khoa công trình, Viện Kỹ thuật Masachusetts Hoa Kỳ Mô hình được lập ra để nghiên cứu giai đoạn II của lưu vực sông Vardar Ai Cập và Axiots Nam Tư, sau đó mô hình đã được sử dụng ở một số nước và lưu vực sông Mêkông thuộc 4 nước Thái Lan, Việt Nam, Lào và Campuchia

Năm 1989 theo đơn đặt hàng của ban thư ký sông Mêkông, trung tâm Thuỷ lợi Viện Đại học Anna, bang MADRAS - ấn Độ, cải tiến thêm phần dẫn tính hồ chứa để phù hợp với sơ đò khai thác bậc thang hồ Pamong và Thượng Chiềng Khan thuộc lưu vực sông Mêkông

Mô hình có tính chất định hướng cho người sử dụng trong công tác quy hoạch và quản lý một lưu vực sông, do thời đoạn cân bằng là một tháng và phương trình cân bằng cho mỗi nút là cân bằng tĩnh, không xét đến khả năng chảy truyền nên chỉ có tác động đánh giá một cách tổng quan toàn bộ hệ thống sông trong một thời đoạn dài

Mô hình MITSIM hiện có bản chương trình gốc được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN77 chạy trên hệ điều hành UNIX và cũng là mô hình duy nhất có xét đến hiệu quả sử dụng nước thông qua các chỉ tiêu về mức bảo đảm dòng chảy được điều tiết và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trên toàn hệ thống, cũng như các tiểu vùng và từng cấp công trình riêng rẽ

Do mô hình vẫn còn một số hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu phục vụ nghiên cứu quy hoạch:

- Phân lưu dòng chảy

- Cấp nước cho hệ thống phải căn cứ theo mưa thực tế hàng năm và phù hợp với tính toán trong quy hoạch

- Mưa và bốc hơi ảnh hưởng trực tiếp trong thời gian tính toán

- Phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên (dòng chảy, mực nước, hồ chứa, điện lượng )

- Vấn đề khai thác bậc thang của nhiều hồ chứa khác nhau

Vì vậy, trong đề tài KC12.07, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi đã có một số cải tiến nhằm khắc phục các hạn chế trên:

- Tính toán lượng nước cần thực tế cho các công trình lấy nước tưới

- Đưa thêm nút kết thúc và phân lưu

- Sửa lại cách tính biểu thị HISTOGRAM và chuyển thành đường duy trì cho từng tháng

- Cải tiến phấn trình bày xuất lượng phục vụ đồ hoạ

- Cải tiến dẫn tính hồ chứa có xét đến bậc thang

b Cơ sở lý thuyết của mô hình

Chương trình MITSIM là một mô hình phân tích hệ thống bao gồm 8 loại nút cân bằng nước:

- Nút khởi đầu của hệ thống

- Nút nhập lưu và phân lưu

- Nút hồ chứa riêng rẽ hoặc cóp kết hợp phát điện

- Nút hệ thống tưới

- Nút hộ dùng nước công nghiệp và đô thị

- Nút lấy nước ngầm

- Nút chuyển nước

- Nút kiểm soát dòng chảy kiệt

Phương pháp luận và cách tính toán tại các nút công trình được thực hiện theo 3 bước:

- Tính toán cân bằng nước của các nút

- Tính mức đảm bảo trong mô hình

- Tính các chỉ tiêu kinh tế trong mô hình

Với nội dung nghiên cứu của luận văn, sau đây chỉ xin giới thiệu chi tiết phần phương pháp tính toán cân bằng nước tại các nút và các cải tiến mới nhất do Viện Quy hoạch Thuỷ lợi thực hiện trong đề tài KC - 12

Nút khởi đầu hệ thống (biên trên):

Đây là các biên của mô hình, đối với nút này dòng chảy sẽ là lưu lượng trung bình tháng hoặc từng thời đoạn theo liệt tài liệu dòng chảy năm

Các lưu lượng này hoặc là tài liệu quan trắc, hoặc là kết quả tính toán từ các mô hình thuỷ văn "Mưa dòng chảy", mô hình ngẫu nhiên Chương trình sẽ căn cứ vào những thông tin được khai báo (tên trạm biên, mã số thứ tự các trạm biên) mà lấy các giá trị lưu lươngj từ file số liệu dòng chảy , ghép nối vào trong sơ đồ phân phối dòng chảy thuộc hệ thống tính toán Biên lưu lượng có thể mang giá trị (-) hoăc (+)

Nút nhập lưu:

Trong mô hình hệ thống sông, tại các điểm nhánh hợp lưu, MITSIM giới hạn hai nhánh phía thượng lưu và một nhánh phía hạ lưu của nút, những trường hợp nút có số nhánh lớn hơn 3 bằng cách tách ra thành các nút phụ cận nữa.Trong hình vẽ dưới đây, phương trình cân bằng nước tại nút là:

QN3 = QN1 + QN2 (1)

QN1, QN2 lµ lưu lưîng ®i vµo nót QN1 QN2

QN3 lưu lưîng ra khái nót

QN3

Nút công trình (hồ chứa riêng rẽ hoặc có kết hợp với phát điện)

Đây là nút công trình trọng điểm có ảnh hưởng tới toàn hệ thống, ngoài việc thể hiện các đặc trưng của hồ chứa còn thể hiện mối quan hệ giữa hồ chứa và nhà máy thuỷ điện Bốn nguyên tắc vận hành cơ bản của hồ là:

- Hồ làm việc không kết hợp với nhà máy thuỷ điện (có nghĩa là chỉ có yêu cầu trữ nước và xả nước theo yêu cầu của hạ du)

- Hồ có kết hợp với nhà máy thuỷ điện (xả theo yêu cầu dùng nước hạ du và phát điện là thứ cấp)

- Hồ có kết hợp với nhà máy thuỷ điện (xả để thoả mãn nhu cầu phát điện được

ưu tiên hàng đầu)

- Hồ kết hợp với nhà máy thuỷ đện (ưu tiên lấy nước trên hồ cho tưới và cấp nước công nghiệp, ưu tiên thứ 2 là xả xuống hạ lưu phát điện và cấp nước tưới

hạ du)

- Đối với hồ chứa khả năng nguồn nước tại nút S ở tháng thứ n năm thứ t được biểu thị theo phương trình:

Ws (t,n) = Ss (t,n) + Qs (t,n) -EVs (t,n) (2) trong đó:

Ws(t,n) - Khả năng nguồn nước tháng thứ n năm thứ t

Ss(t,n) - Lượng trữ hồ đầu tháng thứ n năm thư t

Qs(t,n) - Lượng nước đến hồ tháng thứ n năm thứ t

EVs(t,n) - Lượng bốc hơi từ hồ chứa trong thời đoạn tháng thứ n năm thứ t

Lượng bốc hơi là hàm số của diện tích mặt hồ và tỷ lệ bốc hơi tháng Trong mô hình sửa đổi giá trị EVs (t,n) đã được quy đổi bao gồm lượng mưa thực tế lượng bốc hơi thực tế của tháng thư n, năm thứ t để mô phỏng

Do Qs (t,n) thay đổi theo năm tháng nên phương trình cân bằng nước tại nút hồ chứa được viết như sau:

Ds (t,n) = Ws(t,n) nếu Ws(t,n)<= TRs(n) (3)

= TRs(n) nếu TRs<Ws(t,n)<=TRs(n) + Vs (4)

=Ws(t,n) - Vs nếu Ws(t,n)>TRs(n) + Vs (5)

Trong đó:

Ds(t,n) - Lượng xả nước xuống hạ lưu tháng thứ n, năm thứ t

TRs (t,n) - Yêu cầu lưu lượng xả xuống hạ lưu tháng thứ n

Để phù hợp với thực tế, Vs được cho trước đối với từng tháng trong năm: Vs(n)

= Smax(n) - Smin(n) (7)

Smax(n), Smin(n) là giới hạn dung tích lớn nhất và nhỏ nhất của hồ chứa trong từng tháng n Dung tích hồ chứa phảo nằm trong 2 đường giới hạn trên Chương trình cân bằng đối với nút hồ chứa được tính toán theo các phương trình cân bằng (4), (5), (6), (7)

Khi hồ chứa kết hợp với phát điện thì mô hình sẽ tính toán năng lượng bảo đảm, năng lượng tổng cộng và công suất phát huy cho từng tháng tuỳ thuộc vào hệ số công suất

Nút hệ thống tưới:

Diện tích tưới trong hệ thống sẽ lấy nước từ sông thông qua công trình lấy nước,

sơ đồ cân bằng hệ thống tưới được trình bày trong hình 3

Hình 3: SƠ ĐỒ CÂN BẰNG HỆ THỐNG TƯỚI

q1(t,n)

q2(t,n)

QD(t,n) Q ngÊm(t,n)

Ý nghĩa các thông số như sau:

Qs(t,n) - Lượng nước đến nút hệ thống tưởi tháng n, năm t

Es(t,n) - Lượng nước lấy vào hệ thống tưới, đại lượng này biến đổi theo nhu cầu dùng nước của cây trồng và lượng mưa có hiệu quả trong thời đoạn tính toán

Nếu Es(t,n)>Qs(t,n) thì Es(t,n) = Qs(t,n)

Ss(t,n) - lượng nước cần cho cây trồng tại ruộng và

Ss(t,n) = Es(t,n)*a1 (8) Trong đó: a1 hệ số chuyển nước của kênh mương q1(t, n) và q2(t, n): lượng nước hồi quy vào dòng chính và cách tính như sau: Lượng nước tổn thất đối với hệ thống tưới là QTT(t,n):

QTT (t,n) = Es(t,n) - Ss(t,n)*(1-a2) (9) = Es(t,n) - Es(t,n)*a1*(1 - a2)

Lượng nước hồi quy vào dòng chính

q1(t,n) + q2(t,n) = QHQ(t,n)

QHQ(t,n) = QTT (t,n) * a3 (10) Trong đó: a2 hệ số % tổn thất do rò rỉ kênh mương

a3 hệ số % lượng nước hồi quy lại dòng chính

Qngấm(t,n): lượng nước ngấm bổ sung cho tầng nước ngầm

Q ngấm(t,n) = QTT (t,n) * a4 (11)

Trong đó: a4 - hệ số % lượng nước hồi quy vào tầng nước ngầm

QD(t,n): lượng nước xả xuống hạ lưu

QD(t,n) = Qs(t,n) - Es(t,n) + q1(t,n) +q2(t,n) (12)

Nút cấp nước cho công nghiệp và đô thị:

Lượng nước cung cấp cho công nghiệp và đô thị theo yêu cầu nước của từng tháng mô phỏng Trong mỗi một thời đoạn tính toán MITSIM so sánh lượng nước đến nút như sau:

Nếu dòng chảy đến > lượng nước yêu cầu tháng cho công nghiệp và dân cư thì lượng nước còn lại sẽ chảy xuống hạ lưu

Nếu dòng chảy đến < lượng nước yêu cầu tháng cho công nghiệp và dân cư thì yêu cầu nước bị phá vỡ: Q yêu cầu nước = Q dòng chảy đến

Lúc này dòng chính sẽ không còn nước để xả xuống hạ lưu

Trường hợp cấp nước cho khu công nghiệp (làm lạnh, tẩy rửa ) và đô thị, lượng nước thừa sau khi xử lý sẽ được bổ sung cho dìng chảy phía hạ lưu hoặc sang một

vị trí khác của sơ đồ (VD: nút hợp lưu)

Nút lấy nước ngầm

Thông thường trong 1 hệ thống lấy nươc tưới, có thể hoặc là lấy nước từ hồ chứa, hoặc từ dòng chính, hoặc kết hợp với khai thác nguồn nước ngầm tại chỗ Nút nước ngầm trong MITSIM hoạt động giống như 1 hồ chứa, lượng nược trong tháng bổ sung cho khu tưới được bơm từ tầng ngậm nước của giếng Phương trình cân bằng nước tầng ngầm như sau:

W(i+1) = (W(i) - Wbơm (i+1) -Ws(i+1)) +W1(i+1) +W2(i+1) (13)

W(i+1) - dung tích tầng ngầm tại tháng i+1 W(i) - dung tích tầng ngầm tại tháng i Wbơm (i+1) - lượng nước bơm tháng i+1 từ giếng nươc ngầm Ws(i+1) - lượng nước ngầm đi vào sông yháng i+1

W1(i+1) - lượng nước từ khu tưới bổ sung vào tầng ngầm W2(i+1) - lượng nước đến từ ngoại lai đi vào tầng ngầm

Điều kiện ràng buộc như sau:

Khi lượng nước yêu cầu tưới bằng nước ngầm>khả năng lấy nước ngầm từ giếng bơm thì yêu cầu bị phá vỡ và:

Q yêu cầu tưới bằng nước ngầm = Q bơm từ giếng bơm

Khi yêu W(i+1)>W chứa lớn nhất của nước ngầm Wmax thì: W(i+1) = Wmax và lượng nước còn lại W(i+1) - Wmaxx sẽ bổ sung trực tiếp vào sông cùng lượng nước ngầm bổ sung vào sông trong từng tháng mô phỏng (phần này được tính bằng phần trăm dòng chảy ngầm đi vào sông)

Khi W(i+1)<W chứa lớn nhấ của nước ngầm thì lượng nước bơm từ giếng khai thác nước ngầm thoả mãn lượng nước yêu cầu tưới

W(i+1)<W chứa nhỏ nhất của tầng nước ngầm thì khả năng Q bơm từ tầng ngầm cũng bị phá vỡ

Nút chuyển nước:

Nút này có ý nghĩa chuyển lượng nước từ sông chính cho yêu cầu dùng nước, hoặc chuyển nước sang nhánh khác Mỗi bước tính toán của tháng thứ i phải tuân thủ các điều kiện ràng buộc sau:

Nếu lượng nước đến đủ thì phải đảm bảo yêu cầu nước cho công trình

Nếu lượng nước đến thiếu thì yêu cầu chuyển nước bị phá vỡ và chúng ta có Q yêu cầu chuyển nước (i) = Q đến (i)

Phải đảm bảo xả đủ nước cho yêu cầu dùng nước các hộ phía sau, Như vậy trong trường hợp Q đến (i) - Q yêu cầu chuyển nước (i) < Q yêu cầu xả hạ lưu (i) thì yêu cầu chuyển nước cũng bị phá vỡ và

Q yêu cầu chuyển nước (i) = Qđến (i) - Q yêu cầu xả hạ lưu (i) (14)

Nút kiểm soát dòng chảy kiệt:

Tại nút này, dòng chảy nhỏ nhất phải cần thiết đảm bảo cho các yêu cầu về chất lượng nước, nuôi cá, đời sống vùng đặc biệt, giao thông thuỷ

Khi điều kiện dòng chảy không đáp ứng, có nghĩa là lưu lượng yêu cầu nhỏ nhất

bị phá vỡ và điều kiện này có liên quan đến tính toán chỉ tiêu kinh tế của mô hình

c.Tổ chức và cấu trúc của mô hình

Có 11 dạng số liệu mô tả về cấu trúc hệ thống, thông số các nút công trình tương

ứng với 11 chương trình con từ PART1 đến PART11:

PART1: Cung cấp các thông tin được xác địnhđể chạy chương trình, các dạng in kết quả, các chỉ tiêu trong tính toán kinh tế hệ thống

PART2: Mô tả cấu trúc hệ thống, sự liên hệ tuần tự giữa các nút trong sơ đồ toán Phần này là cơ sở để MITSIM nối ghép mô hình trong quá trình tính toán

PART3: Các thông tin về hồ chứa riêng rẽ hoặc kết hợp nhà máy thuỷ điện PART4: Các thông tin về nút hợp lưu và phân lưu

PART5: Cá thông tin về nút khởi đầu (biên trên)

PART6: Các thông tin về nút hệ thống tưới

PART7: Thông tin về nút chuyển nước

PART8: Thông tin về nút cấp nước đo thị và công nghiệp

PART9: Thông tin về nguồn nước ngầm

PART10: Thông tin về dòng chảy kiệt

PART11: Thông tin về nước kiểm soát lũ

Tính toán hiệu quả sử dụng nước và các chỉ tiêu kinh tế:

Có 6 chương trình con đảm nhận các chức năng trên là: IEVAL, OPER, ROUT, HIST, EVAL, NETBEN Ngoài ra còn có một số chương trình conkhác làm vệ tinh cho 6 chương trình trên là: HTTAD, IPN, INTAIL, CROP1, CROP2, AKN

Xuất lượng:

Có 8 chương trình con phục vụ cho yêu cầu này, tuỳ thuộc các thông tin bao hàm chương trình DESCRB, RELOUT, ECOUT, GIHIST, IROR, PIPFND, REL2, EC2 Lược đồ tóm tắt MITSIM thể hiện trong hình 10

Hình 10 : SƠ ĐỒ CẤU TRUC CHƯƠNG TRÌNH MITSIM

Các cải tiến:

Để thuận lợi trong công tác quy hoạch và quản lý nước, Viện Quy hoạch và Quản

lý nước (nay là Viện Quy hoạch Thuỷ lợi) đã cải tiến MITSIM với 1 số một số nội dung chính sau:

Tính toán lượng nước cần thực tế cho các công trình lấy nước gồm:

Tính toán lượng nước cần cho cây lúa:

Phương trình cân bằng có dạng m(i) = Wh(i) - Wđ (i) Trong đó:

- m(i) lượng nước cần tưới thời đoạn thứ i

- Wh(i) lượng nước hao thời đoạn thứ i, tuỳ thuộc từng thời đoạn tính toán

mà lượng nước bao gồm:

+ Wa(i): lượng nước tạo thành lớp nước mặt ruộng + Wb(i): lượng nước ngấm bão hoà

MAIN

PART1

HIST

PIPSPND

+ Wo(i): lượng nước ngấm ổn định

+ We(i): Lượng bốc hơi tự do

+ Wr(i): Lượng nước bốc hơi mặt ruộng (theo công thức Blaney - Criddle)

Wr(i) = 0.457*p(T +17.8)*Kc*Kt Với: Wr(i) - lượng bốc hơi ngày thứ i

p - số % giờ nắng ngày thứ (i) so với toàn năm, giá trị này phụ thuộc vào

vĩ độ (xem bảng)

T (oC) - Nhiệt độ bình quân tháng

Kc - Hệ số sinh lý cây trồng, Bảng SỐ % GIỜ CHIẾU SÁNG THEO VĨ ĐỘ

Phương trình cân bằng tại nút: QN1 = QN2 + QN3 với QN1 đã biết, QN2 và QN3 chưa biết vì vậy sử dụng hàm phân phối lưu lượng tại thượng và hạ lưu nút sông QN1(QN3) trong từng tháng của năm

Ngoài ra còn một số cải tiến khác như:

Sửa lại cách biểu thị các HISTOGRAM và chuyển thành đường duy trì cho từng tháng (sử dụng trong phần thống kê xác suất)

Cải tiến phần dẫn tính hồ chứa

Cải tiến phần trình bày xuất lượng

B Mô hình MIKE BASIN

a Giới thiệu mô hình

MIKE BASIN là một mô hình mô phỏng phân bổ nước thể hiện tính thuỷ văn của lưu vực về mặt thời gian và không gian Về mặt kỹ thuật, đó là một mô hình mạng sông trong đó sông và các nhánh sông chính được hiển thị bằng một mạng lưới các nhánh và nút Nhánh sông biểu diễn cho các dòng chảy riêng lẻ trong khi đó các nút thì biểu diễn các điểm tụ hội của sông, điểm chuyển dòng hoặc là vị trí mà ở đó có diễn ra các hoạt động liên quan đến nước hay những vị trí quan trọng mà kết quả mô hình yêu cầu

Hình 11 MÔ HÌNH PHÂN PHỐI NƯỚC CỦA MIKEBASIN

b Phương pháp và phương pháp luận

MIKE BASIN là sự trình bày toán học của lưu vực sông bao gồm cấu tạo của những con sông chính và sông nhánh, thuỷ văn của lưu vực xét về khía cạnh không gian và thời gian, dựa trên đó để đưa ra các phương án dùng nước và nhu cầu dùng nước của các phương án đó

Khái niệm toán học trong MIKE BASIN là để tìm ra giải pháp đúng cho mỗi bước thời gian MIKE BASIN có thể được sử dụng để tìm giá trị điển hình cho chất lượng nước và lưu lượng nước trong hệ thống dòng thay đổi chậm (ví dụ như chu kỳ năm theo tháng) Lợi thế của MKIE BASIN là tốc độ tính toán của nó cho phép bao quát mặc dầu có thể sự tính toán chỉ là tương đối cho nhiều phương án

Mô hình hoạt động dựa trên mạng sông được số hoá và thiết lập trực tiếp trên màn hình máy tính trong môi trường ArcView GIS Tất cả các thông tin liên quan đến cấu hình của hệ thống mô phỏng dòng chảy, vị trí của người sử dụng nước, hồ chứa và các điểm lấy nước cũng như thải nước cũng được xác định bằng việc chỉnh sửa màn hình

Đầu vào cơ bản của mô hình bao gồm chuỗi dữ liệu thời gian của dòng chảy cho mỗi nhánh trên lưu vực File đầu vào bổ xung sẽ xác định tính chất của hồ chứa và nguyên tắc hoạt động cho mỗi hồ, chuỗi số liệu khí tượng thuỷ văn, dữ liệu về phương

án cấp nước như yêu cầu về chuyển dòng và các thông tin khác

Trong mô hình mạng MIKE BASIN có thể cùng một lúc có nhiều nhu cầu sử dụng từ cùng một nguồn nước, tình huống này sẽ được giải quyết bằng cách đưa nhu cầu sử dụng nước tới một kết nối giao cắt cấp nước đơn lẻ Trong trường hợp thiếu

nước, có sự xung đột trong vấn đề sử dụng nước MIKE BASIN có những hỗ trợ cho việc ưu tiên sử dụng nguồn nước theo hai loại nguyên tắc ưu tiên là ưu tiên địa phương (Vấn đề phân bổ thường được giải quyết cho các giao cắt lân cận mà được kết nối trực tiếp) và ưu tiên toàn cầu (thường được sử dụng trong những lưu vực sông mà ở đó người sử dụng có quyền ưu tiên)

c.Cơ sở lý thuyết

MIKE BASIN dùng hầu như để lập mô hình cho tình trạng ổn định cho việc mô phỏng phân bổ nước Do đó mô hình có một số phương trình vi phân và giải pháp số cho nó Mục đích của MIKE BASIN là tính toán để phục vụ, giải quyết những vấn đề

về phân bổ nước-nhu cầu nước của người dùng như thế nào và đáp ứng ra sao?

- Phân bổ nước nói chung

MIKE BASIN là một mô hình mạng nhánh - giao cắt của sông với điểm giao cắt trình bày cho các điểm mà có nước hoặc có nhu cầu về nước Thuật toán phân bổ nước

có sẵn tại mỗi giao điểm đặc biệt đến giao điểm hạ lưu dược viết như sau:

Giải pháp trên toàn bộ mạng được tính lặp đi lặp lại nếu thấy cần thiết (nếu có sự chuyển dòng) Sự cân bằng khối lượng tính toán tại mối giao điểm Toàn bộ hệ thống

đó được ổn định "flushed" trong mỗi bước thời gian với loại trừ phần lưu giữ (hồ chứa, nước ngầm), các giá trị này sẽ được đưa từ bước thời gian này sang bước thời gian tiếp sau

- Hồ chứa, nước ngầm

Quá trình tính toán nước ngầm có thể được bổ xung vào nước mặt mặc định bằng cách kiểm tra trường tương ứng trong hộp hội thoại Hộp hội thoại thuộc tính dòng chảy cụ thể và hộp thuộc tính điểm giao cắt sau đó có nút bổ sung nước cho việc thông tin nước ngầm tương ứng Có các loại giá trị nước ngầm được đưa vào là

- Rỉ dòng chảy sông (nước từ sông vào tầng ngậm nước)

- Bổ sung nước ngầm (nước mặt từ trên lưu vực xuống tầng ngậm nước)

- Cấp nước ngầm (nước từ tầng ngầm nước ra sông)

Trong mô hình nước ngầm là một lượng giữ mô tả bởi một phương trình vi phân Giải pháp dòng chảy ổn định hồ chứa có xem xét đến đầu vào đồng thời với lượng ngầm vào và thoát ra của nước ngầm Ngoài ra dòng chảy cũng được tính đồng thời như là sự tổng hợp dòng chảy từ phía trên (hàm số theo thời gian) và bơm (hàm số theo thời gian)

Đối với hồ chứa tuyến tính với một điểm thoát tại h=0 biến số toán học là:

Cân bằng khối lượng tương tự có thể được đưa vào công thức (hàm số theo thời gian) cho khối lượng chất tan m:

trong đó:

c: sự cô cạn;

V: Thể tích;

ci: Nồng độ đầu vào;

co: Nồng độ đầu ra;

Phương trình ở trên là phương trình giải tích, Giải pháp giải tích chung được chỉnh sửa khi có tràn bề mặt hoặc hoàn thiện việc thoát nước Trong những trường hợp trên, thời gian để tràn hoặc thời gian để thoát nước có thể được tính bằng cách giải quyết các giải pháp ở trên theo biến t với h(t)=hmax và h(t)=0

III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Trên đây là một số khái niêm liên quan đến tính toán thuỷ văn và tính toán cân bằng nước và một số hướng tiếp cận của mô hình toán Từ đó có thể rút ra được những kết quả như sau :

- Đối với mô hình tính toán mưa - dòng chảy : Đã được áp dụng để tính toán dòng chảy ở những lưu vực không có trạm đo, kéo dài tài liệu bị thiếu… Việc

áp dụng các mô hình mưa - dòng chảy vào mỗi lưu vực phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người tính toán cả về mô hình và các điều kiện tự nhiên của lưu vực đó (điển hình là mô hình NAM) Một yếu tố không thể bỏ qua đó là sự tương quan giữa lượng mưa và dòng chảy, việc chọn trạm mưa cũng như phân phối lượng mưa trên lưu vực là việc làm hết sức quan trọng, ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng dòng chảy tính toán Mô hình TANK áp dụng rất tốt với những lưu vực nhỏ, có độ dốc lớn (miền núi) Mô hình NAM đang được xem là mô hình tốt nhất hiện nay với khả năng tính toán nhanh, tự động hoá trong việc kiểm định các thông số mô hình

i

o q q h k lux outflux

dt dh

A× =(− +int )=− × − +

) (

) ( )

dt dh h dt dc A dt h c d A h A k c q c q c dt V c

d

dt

dm

o o o i

i× − × − × × × = × × = × × + ×

=

×

=

- Đối với mô hình cân bằng nước : MIKE BASIN đã và đang được áp dụng rộng rãi trong các quy hoạch sử dụng và quản lý nguồn nước bởi những tính năng ưu việt: dễ sử dụng, mô phỏng tốt các hoạt động sử dụng nước trên lưu vực… Trong thời gian tới mô hình MITSIM được Viện qui hoạch thuỷ lợi cải tiến có thêm phần tính toán chất lượng nước chắc chắn cũng sẽ phát huy tốt trong các

dự án quy hoạch thuỷ lợi

IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Qua các phân tích đánh giá các khái niệm về tính toán thuỷ văn và cân bằng nước

có thể rút ra một số kết luận và kiến nghị như sau :

- Tính toán thuỷ văn và tính cân bằng nước là các chuyên đề hết sức quan trọng trong quy hoạch thuỷ lợi cũng như trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước, xác định phương án quy hoạch và hoạch địch kế hoạch phát triển thủy lợi trước mắt

và lâu dài

- Tính toán thuỷ văn và tính cân bằng nước có thể áp dụng những chương trình máy tính hiện đại để tính toán nguồn cũng như nhu cầu dùng nước đồng thời có thể phối hợp ghép nối các chương trình để phục vụ tính toán Mặt khác trong giai đoạn quá độ vừa có thể áp dụng việc tính toán đơn giản hoặc phức tạp để vẫn đảm bảo mức độ chính xác cho phép, từng bước đi sâu vào các tiến bộ khoa học cao hơn

- Chuyên đề này mong được giới thiệu những nét cơ bản về tính toán thuỷ văn và cân bằng nước để có thể hình dung tổng thể và chi tiết từ đó có thể đảm nhận được các phần việc từ đơn giản đến phức tạp

Tuy nhiên qua đó chuyên đề có những kiến nghị như sau :

- Có bộ số liệu khí tượng thuỷ văn tương đối đầy đủ để có thể tính toán một cách chính xác

- Có bộ số liệu sử dụng nước xác thực và chi tiết của từng khu sử dụng nước, mục đích sử dụng nước… để tính toán cân bằng nước

- Có chuyên gia lập mô hình hợp tác để kết hợp tính toán

- Có mã nguồn của chương trình để có thể đi sâu tìm hiểu, sửa chữa, nâng cấp phù hợp với điều kiện tự nhiên của vùng nghiên cứu

Tóm lại, tính toán thuỷ văn và cân bằng nước là hai công việc không thể thiếu trong bất kỳ một nghiên cứu về quản lý tổng hợp tài nguyên nước là một điều có bản

mà bất kỳ ai làm công tác thuỷ lợi phải hiểu và nắm bắt được

V TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình thuỷ văn công trình, Đại học thuỷ lợi, NXB Nông nghiệp 1993

2 Nguyên lý tính toán thuỷ văn, Đại học Thuỷ lợi

3 Bài giảng môn học thuỷ văn 2 - Mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn - PGS Nguyễn Đình Tiến

4 Mike Basin, User Guide, DHI, 2002

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ

RÀ SOÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ

CÁC NGUỒN THÔNG TIN, TÀI LIỆU CÔNG

NGHỆ GAMS VÀ TÍNH TOÁN TỐI ƯU

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

Chủ nhiệm chuyên đề: ThS Nguyễn Thu Thuỷ Người viết báo cáo: TS Lê Hùng Nam

Hà Nội 2006

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

2 MỤC TIÊU CỦA CHUYÊN ĐỀ 2

3 TÀI LIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU CÓ LIÊN QUAN 3 3.1 PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH HỆ THỐNG TỐI ƯU 3

3.2 NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG TÀI NGUYÊN NƯỚC 7

4 TÀI LIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GAMS CÓ LIÊN QUAN 9 4.1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GAMS 9

4.2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GAMS TRONG MÔ PHỎNG TỐI ƯU

HỆ THỐNG NGUỒN NƯỚC 12

5 KẾT LUẬN 14

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐÃ THU THẬP 15 6.1 PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HỆ THỐNG 15 6.2 TỐI ƯU HỆ THỐNG TÀI NGUYÊN NƯỚC 15 6.3 CÔNG NGHỆ GAMS 15 6.4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GAMS 16

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Khởi đầu từ cuộc cách mạng công nghiệp nền kinh tế thế giới phát triển nhanh chóng cả về phạm vi độ lớn cũng như về tính phức tạp

Cùng với các lợi ích mà quá trình phát triển đem lại chúng cũng đã dẫn đến tình trạng các nghành kinh tế phát triển một cách tự phát lấn át lẫn nhau về nhiều mặt đặc biệt là trong vấn đề chia sẻ các nguồn tài nguyên liên quan Thông thường cùng với tình hình phát triển của một cá thể cũng đồng thời với sự thất bại, biến mất của một số cá thể khác Một số cá thể vẫn phát triển với các nguy cơ đối đầu tiềm ẩn

Một vấn đề liên quan là khi quá trình phát triển trở lên phức tạp sẽ dẫn đến tình trạng rất khó phân chia tài nguyên cho các cá thể để cùng phát triển đồng thời một cách hiệu quả nhất Từ việc cần thiết phải tìm một hướng giải quyết đã dẫn đến yêu cầu cần có một phương pháp giải quyết bài toán vận hành hệ thống tối ưu

Bài toán vận hành tối ưu đã được tìm hiểu từ nhiều thập kỷ trước đây, đầu tiên là các nghiên cứu trong khoa học quản lý các công sở Tuy vậy những nghiên cứu, ứng dụng thực tiến đầu tiên là trong lĩnh vực quân sự trong thời

kỳ chiến tranh thế giới thứ II Bởi tính chất cấp bách, nghiêm trọng của thời chiến cung cấp các nguồn tài nguyên cho các hoạt động quân sự một cách hiệu quả nhất Khởi đầu là các nhà quản lý quân sự của Anh và sau đó là Mỹ

đã tập hợp một số lớn các nhà nghiên cứu nhằm mục đích đưa bài toán vận hành tối ưu hệ thống vào phân bổ tài nguyên chiến tranh cũng như trong để góp phần hoạch định các chiến lược, chiến thuật và kết quả đã góp phần đem đến một số chiến thắng quan trọng cho quân đồng minh trong chiến tranh thế giới thứ II

Kết thúc chiến tranh thế giới thứ II, một lần nữa khoa học vận hành hệ thống lại phát triển nhanh chóng cùng với quá trình các nền kinh tế hồi phục sau chiến tranh Đây là một quá trình phục hồi phát triển trên quy mô lớn và đặc biệt phức tạp Đội ngũ các nhà nghiên cứu và quản lý một lần nữa vào cuộc với các thách thức tương tự như trong chiến tranh tuy vậy với một hoàn cảnh khác

Có hai yếu tố thúc đẩy quá trình phát triển của khoa học vận hành tối ưu hệ thống

Thứ nhất là các tiến bộ vượt bậc đã đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt này Sau khi kết thúc chiến tranh rất nhiều nhà nghiên cứu từng tham gia phục vụ trong thời chiến cùng một số lớn các nhà nghiên cứu khác đã tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu và kết quả họ đã đạt được rất nhiều tiến bộ

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

vượt bậc Một số lượng lớn các công cụ tính toán đã được phát triển trong thời kỳ này, như các công cụ trong tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, quy hoạch động, lý thuyết hàng, lý thuyết cung-cầu

Yếu tố thứ hai có tác dụng hỗ trợ, tăng thêm tính hấp dẫn trong ứng dụng của khoa học vận hành hệ thống là cuộc cách mạng trong công nghệ tính toán Thông thường bài toán vận hành hệ thống đỏi hỏi tiến hành một số lượng cực kỳ lớn các phép tính toán, xử lý bằng tay là không tưởng Với việc xuất hiện của máy tính với khả năng làm tăng tốc độ xử lý tính toán lên hàng triệu triệu lần là một động lực chủ yếu thúc đẩy khoa học vận hành hệ thống phát triển Cùng với máy tính, từ thập kỷ 80 của thế kỷ trước đã bắt đầu xuất hiện một loạt các phần mềm máy tính trong lĩnh vực điều khiển hệ thống mang lại những tiện ích không thể từ chối cho con người trong việc quản lý vận hành hệ thống kinh tế xã hội

Quá trình phát triển dân số thế giới dẫn tới nhu cầu nước gia tăng phục vụ sản xuất lương thực cũng như các ngành dùng nước khác Đặc biệt đối với các quốc gia nông nghiệp châu Á, nhu cầu nước cho tưới ngày càng trở lên khắc nghiệt khi ngày càng cần nhiều nước hơn để duy trì và tăng cao sản lượng cây trồng Chất lượng nước ngày càng xuống thấp do các hoạt động phát triển nông nghiệp, công nghiệp cũng như phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt

đô thị và nông thôn cũng đã và sẽ là một gánh nặng lên nguồn nước đang ngày càng trở lên hạn hẹp Trong tình huống khó khăn này việc đưa khoa học vận hành hệ thống tối ưu và ứng dụng phân tích đánh giá các phương án khả thi của hệ thống nguồn nước, tác động qua lại giữa các ngành dùng nước, giữa nhu cầu nước và khả năng cấp nhằm mục đích tìm ra hướng giải quyết phân bổ nguồn nước để đảm bảo cấp đủ các nhu cầu thiết yếu, duy trì môi trường là cần thiết

2 MỤC TIÊU CỦA CHUYÊN ĐỀ

Tìm hiểu tình hình nghiên cứu phương pháp tối ưu và công nghệ GAMS trong vận hành hệ thống

Thu thập, hệ thống hoá và đánh giá các tài liệu tham khảo phục vụ cho nghiên cứu ứng dụng GAMS phục vụ quy hoạch, quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi lưu vực sông Hồng

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

3 TÀI LIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU CÓ LIÊN QUAN

3.1 PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH HỆ THỐNG TỐI ƯU

Phương pháp vận hành hệ thống tối ưu được trình bày trong nhiều tài liệu tra cứu trong và ngoài nước được dùng phổ biến như sau:

Giới thiệu về vận hành hệ thống của Frederick S Hillier và Gerald J

Lieberman được sử dụng phổ biến làm sách tra cứu chung các phương pháp vận hành hệ thống gồm các phương pháp như

• Phương pháp tối ưu tuyến tính

• Bài toán tối ưu mạng

• Bài toán tối ưu vận chuyển hàng hoá

• Phương pháp tối ưu động (“quy hoạch động” theo một số tài liệu Việt Nam)

• Phương pháp tối ưu biến số nguyên

• Phương pháp tối ưu phi tuyến

Ngoài ra tài liệu cũng bao gồm các nội dung về lý thuyết tối ưu trò chơi, lý thuyết chuỗi Markov, lý thuyết chuỗi thứ tự, lý thuyết quản lý hàng hoá tồn kho…

Lý thuyết tối ưu tuyến tính luôn được được chú ý tập trung nhiều nhất Sự phát triển của tối ưu tuyến tính đã được liệt vào một trong những tiến bộ quan trọng nhất của thế kỷ 20 Tối ưu tuyến tính đã được xem là một tiến bộ bất thường từ những năm 50 Cho đến ngày nay lý thuyết tối ưu tuyến tính chuẩn đã mang lại hàng triệu đôla lợi nhuận hàng năm cho các xí nghiệp công nghiệp trên phạm vi toàn thế giới, và phạm vi ứng dụng lý thuyết tối

ưu tuyến tính trong các nghành kinh tế khác liên tục được phát triển với tốc

độ chóng mặt

Trong Giới thiệu về vận hành hệ thống của Hillier và Lieberman tối ưu

tuyến tính được trình bày rất chi tiết, đầy đủ về lý thuyết cùng với một hệ thống các ví dụ ứng dụng thực tiễn sinh động Tài liệu về tối ưu tuyến tính được cung cấp gồm các nội dung chính như:

• Giới thiệu về lý thuyết tối ưu tuyến tính

• Giới thiệu về phương pháp giải thông dụng của bài toán tuyến tính

Phương pháp đơn hình

• Lý thuyết của phương pháp đơn hình

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

• Lý thuyết đối ngẫu và phân tích độ nhạy

Ngoài ra tài liệu cũng cung cấp một số phương pháp giải khác của bài toán tối ưu tuyến tính như bài toán tối ưu tuyến tính thông số, kỹ thuật vùng giới hạn trên, kỹ thuật điểm nội bộ, hàm mục tiêu tuyến tính…

Tối ưu động-hay quy hoạch động theo một số tài liệu ở Việt Nam-cũng được

tập trung chú ý trong Giới thiệu về vận hành hệ thống với việc giới thiệu

dạng nguyên mẫu của tối ưu động là phương pháp tối ưu một chuỗi tuần tự các hành động có liên quan lẫn nhau Tối ưu động cung cấp một kỹ thuật có tính hệ thống để xác định tối ưu cho tập hợp các hành động cho một quá trình

Tài liệu cũng đã phân tích các đặc tính chung của các loại bài toán tối ưu động khác nhau như

• Bài toán tối ưu động được phân chia thành các giai đoạn (stages)

• Mỗi giai đoạn được cung cấp giá trị ban đầu-gọi là trạng thái (states) của giai đoạn

• Mô tả chuyển đổi giữa trạng thái của một giai đoạn với trạng thái của giai đoạn tiếp theo

• Phương pháp tìm một lựa chọn tối ưu trong từng giai đoạn ứng với các trạng thái khác nhau

• Xác định quan hệ đệ quy (recursive relationship) để xác định tối ưu bước đi ở từng giai đoạn khi biết trước bước đi tối ưu của giai đoạn tiếp theo…

Về tối ưu động tài liệu Giới thiệu về vận hành hệ thống cũng phân tối ưu

động ra thành hai loại:

• Tối ưu động mang tính xác định là loại tối ưu động trong đó trạng thái của giai đoạn tiếp theo trong tương lai hoàn toàn được xác định bởi trạng thái và lựa chọn bước đi tại giai đoạn hiện tại

• Tối ưu động mang tính ngẫu nhiên khác với tối ưu động mang tính xác định ở chỗ là trạng thái của giai đoạn tiếp theo không hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái và lựa chọn bước đi ở giai đoạn hiện tại Trạng thái của giai đoạn tiếp theo được xác định bởi một phân bố xác suất và phân bố xác suất này lại hoàn toàn được xác định được từ trạng thái và lựa chọn bước đi của giai đoạn hiện tại

Một nội dung đặc biệt quan trọng được trình bày trong tài liệu Giới thiệu về vận hành hệ thống là tối ưu phi tuyến Một giả thuyết cơ bản của tối ưu

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

tuyến tính là tất cả các biểu thức toán (hàm mục tiêu, ràng buộc) có dạng tuyến tính tuy vậy trong thực tiễn phân tích tính toán thì giả thiết này không thể đem ra ứng dụng

Trong thực tế hầu hết các bài toán đều ở một mức độ nào đó mang tính chất phi tuyến do vậy hầu hết các bài toán tối ưu đều ở dạng phi tuyến

Hiện chưa có một phương pháp giải nào có thể áp dụng cho tất cả các bài toán tối ưu phi tuyến Tuy nhiên giải pháp cho bài toán phi tuyến được cải tiến liên tục bởi phát triển và sử dụng một số giả thiết cho một số bài toán tối

ưu phi tuyến thường gặp Phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến hiện vẫn còn là một vấn đề còn rộng mở mà khả năng con người có thể khám phá

hoàn toàn vẫn còn rất xa vời Trong tài liệu Giới thiệu về vận hành hệ thống

đã cung cấp một số hướng giải quyết bài toán tôi ưu phi tuyến quan trọng thường gặp trong thực thế nghiên cứu ứng dụng

Nhìn chung Giới thiệu về vận hành hệ thống đã cung cấp đầy đủ các thông

tin về lý thuyết, phương pháp giải cùng như một bộ các ứng dụng thực tiễn sinh động về tối ưu hệ thống đã được ứng dụng thành công trong nhiều nghành kinh tế khác nhau, đặc biệt là về tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến,

và tối ưu động

Tuy vậy một điểm hạn chế của tài liệu Giới thiệu về vận hành hệ thống cũng

như của nhiều sách tra cứu về điều khiển hệ thống còn ít chú ý cung cấp các

ví dụ ứng dụng trong quản lý nguồn nước

Cùng loại với tài liệu Giới thiệu về vận hành hệ thống của Hillier và Lieberman còn có một số tài liệu tương tự có thể tham khảo như quyển Giới thiệu về điều khiển hệ thống của tác giả Taha A.T cùng một số tạp chí

nghiên cứu về chuyên ngành toán và tối ưu hệ thống

Giáo trình Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước do giáo sư Hà Văn Khối

biên soạn năm 2003 được dùng làm giáo trình giảng dạy sinh viên thạc sỹ ngành công trình, thuỷ nông cải tạo đất, thuỷ điện và thuỷ văn công trình tại trường Đại học Thuỷ lợi trình bày các nội dung về phân tích hệ thống nguồn nước nhằm mục đích trang bị phương pháp tính toán quy hoạch và quản lý nguồn nước Các phần chính gồm có (i) Hệ thống và phương pháp luận, (ii) Phương pháp tiếp cận hệ thống, (iii) Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán

Giáo trình sau khi giới thiệu về bài toán tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến (Quy hoạch tuyến tính và Quy hoạch phi tuyến theo cách gọi của tác giả) đã

đi vào các nội dung sau:

• Tối ưu hoá trong quy hoạch hệ thống nguồn nước

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

• Phương pháp mô phỏng trong quy hoạch và quản lý nguồn nước

• Nhiệm vụ quy hoạch phòng lũ

• Tính toán điều tiết cho hệ thống hồ chứa phòng lũ

• Phương pháp mô phỏng trong bài toán điều khiển hệ thống tưới

• Phương pháp quy hoạch động

Tài liệu tham khảo trong nước còn có thể kể đến quyển Phân tích hệ thống

và Tối ưu hoá của tác giả Phó Đức Anh và Đặng Hữu Đạo Nội dung chính

cung cấp cho người đọc gồm có

• Tổng quan về phân tích hệ thống

• Mô hình hoá hệ thống

• Giới thiệu về phương pháp tối ưu

Tuy được soạn thảo dành cho sinh viên các ngành đào tạo của Trường Đại học Thuỷ lợi nhưng tài liệu chủ yếu tập trung vào bài toán tối ưu tuyến tính

và tối ưu động, và các ví dụ minh hoạ không gắn với hệ thống tài nguyên nước

Như mọi người đều biết bài toán điều khiển tối ưu hệ thống là xác định giá trị của một tập hợp các biến tối ưu để đạt cực trị về giá trị hàm mục tiêu thoả mãn tất cả các ràng buộc liên qua Rất nhiều các phương pháp đã được xây dựng nhằm mục đích giải các bài toán điều khiển tối ưu Với ứng dụng thực tiễn kích cỡ của bài toán tối ưu có thể lên đến hàng trăm hoặc hàng nghìn các biến tối ưu cùng các ràng buộc Hệ thống này đòi hỏi phải thực hiện một

số lần tính toán cực kỳ lớn-thông thường không thể giải được bằng tính tay

Cùng với các tài liệu tham khảo về phương pháp tối ưu hệ thống, một số công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống bằng máy tính cá nhân cũng đã được phát triển khá phong phú, đại diện có thể liệt kê như sau:

• Phần mềm LINDO dùng để giải bài toán tối ưu tuyến tính, tối ưu tuyến tính biến nguyên, tối ưu hàm bặc hai

• Ngôn ngữ máy tính LINGO dùng để thiết kế và giải các dạng tối ưu tuyến tính, tối ưu tuyến tính biến nguyên, tối ưu phi tuyến

• 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

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

Trước đây LINDO đã được sử dụng khá rộng Tuy nhiên gần đây công nghệ GAMS ngày càng được chú ý đưa vào nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước nhờ tính mềm dẻo và khả năng ứng dụng bao quát sẵn có của công nghệ

3.2 NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG TÀI NGUYÊN NƯỚC

Nghiên cứu vận hành tối hệ thống tài nguyên nước đã được phát triển mạnh

3 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 cũng 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

Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng

Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu

Ứng dụng mô hình điều khiển tối ưu hệ thống tài nguyên nước được biết đến qua các nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20 tập trung và có thể phân theo dạng mô hình tối ưu được sử dụng để mô phỏng hệ thống

Ứng dụng tối ưu tuyến tính trong kỹ thuật nguồn nước

• Quản lý chất lượng nước

• Quản lý vùng cửa sông, ven biển

Ứng dụng tối ưu biến nguyên trong kỹ thuật nguồn nước

• Sản xuất thuỷ điện

• Quản lý chất lượng nước

• Quản lý vùng cửa sông, ven biển

• Điều khiển cơ sở xử lý nước thải

• Sản xuất thuỷ điện