Mô hình vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông vu gia – thu bồn( thông tin công bố trên mạng )

Do vậy, việc nghiên cứu chế độ vận hành theo thời gian thực có sử dụng mô hình cảnh báo, dự báo lũ đối với hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn đã, đang và sẽ xây dựng hiện một loạt các hồ chứa trên thượng nguồn, khi này chế độ lũ và ngập lụt hạ du sẽ bị ảnh hưởng điều tiết của các hồ chứa này Các quy trình vận hành hồ chứa đã ban hành là các quy trình cứng, chưa có các phương án cảnh báo và dự báo lũ phục vụ vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa nói trên Ngoài ra hiện nay, nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực chưa được ứng

dụng nhiều, đặc biệt là các hồ chứa thuộc khu vực miền Trung Do vậy, việc nghiên cứu chế độ vận hành theo thời gian thực có sử dụng

mô hình cảnh báo, dự báo lũ đối với hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đây là vấn đề khoa học cần được nghiên cứu ứng dụng không phải chỉ với các hồ chứa trên hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn mà còn cần thiết với các hệ thống hồ chứa khác thuộc khu vực miền Trung Chính vì vậy, tôi đề xuất đề tài luận án nghiên cứu sinh “ Mô hình hình vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn”

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ và ứng dụng cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn nhằm nâng cao hiệu quả giảm lũ và không gây tác động tiêu cực cho vùng hạ du, trong khi vẫn đảm bảo nhiệm vụ phát điện

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

(1) Phân tích, thiết lập bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực

(2) Nghiên cứu xây dựng một mô hình cảnh báo, dự báo lũ đến các

hồ chứa trên hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn phục vụ vận hành hệ thống

(3) Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên cơ sở tích hợp các mô hình mưa-dòng chảy, điều tiết hồ chứa, diễn toán lũ trên hệ thống sông phục vụ cho bài toán vận hành theo thời gian thực cho hệ thống

hồ chứa phòng lũ trên sông Vu Gia - Thu Bồn, nhằm xác định chế độ vận hành các hồ chứa thỏa mãn hai mục tiêu giảm lũ cho hạ du và đảm bảo nhiệm vụ phát điện

(4) Đánh giá khả năng ứng dụng trong thực tế vận hành các hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn và khả năng ứng dụng cho các hệ thống

hồ chứa khác thuộc khu vực miền Trung

4 Phương pháp nghiên cứu

(1) Phương pháp phân tích, tổng hợp

(2) Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

(3) Phương pháp phân tích hệ thống

(4) Phương pháp kế thừa

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Luận án sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực vận hành hệ thống thủy lợi tại Việt Nam, cũng như đóng góp một giải pháp cho sự phát triển chung của lĩnh vực phát triển nguồn

nước trên thế giới

Ý nghĩa thực tiễn : Luận án định hướng về giải pháp kỹ thuật Mục tiêu cụ thể của đề tài là tạo ra một chương trình tính toán có khả năng

hỗ trợ ra quyết định trong việc vận hành điều hệ thống hồ chứa phòng

lũ Là cơ sở khoa học cho việc bổ sung các quy trình vận hành đã có

và cũng là một dạng nghiên cứu điển hình có thể xem xét áp dụng cho những lưu vực sông khác thuộc khu vực miền Trung Mô hình

mô phỏng mà tác giả xây dựng có thể áp dụng cho công tác dự báo lũ

và vận hành an toàn các hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Vu Thu Bồn

Gia-6 Phương pháp tiếp cận khoa học

(1) Trên cơ sở lý thuyết mô hình, xây dựng một mô hình mô phỏng

dự báo lũ từ mưa và vận hành hệ thống hồ chứa cho vùng thượng du

Mô hình được kết nối với khu vực hạ du được mô phỏng bằng mô hình có sẵn MIKE 11 Mô hình tính toán điều tiết lũ được liên kết trong mô hình mô phỏng hệ thống theo thời gian thực

(2) Trên cơ sở mô hình được thiết lập xem xét các kịch bản vận hành

hệ thống hồ chứa để khắc phục những hạn chế của quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành do hạn chế về dự báo lũ

(3) Xây dựng một quy trình vận hành theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ, xả lũ an toàn và đảm bảo an toàn tích nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước hạ du

7 Những đóng mới của luận án

(1) Thiết lập được chương trình tính cho mô hình mô phỏng (MOPHONG-LU) tích hợp được ba mô hình : mô hình mưa dòng chảy, mô hình vận hành hồ chứa và diễn toán lũ trong sông cho vùng thượng du sông Vu Gia – Thu Bồn phục vụ cho dự báo lũ với thời gian dự kiến từ 3 đến 5 ngày làm cơ sở cho việc xác định chế độ vận hành hồ chứa theo thời gian thực

(2) Lần đầu tiên xây dựng được phương pháp vận hành hồ chứa theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn thời

kỳ mùa lũ một cách đầy đủ, có khả năng ứng dụng trong thực tế (3) Trên cơ sở nghiên cứu các phương án vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ, đã đề xuất phương án tăng dung tích phòng lũ và chế độ vận hành hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ cho hạ du, là cơ

sở cho việc bổ sung quy trình liên hồ chứa đã được phê duyệt

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THEO THỜI GIAN THỰC 1.1 Tổng quan các nghiên cứu trong nước

Vận hành hệ thống hồ chứa là một trong những vấn đề được nhiều cơ quan nghiên cứu quan tâm nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn hệ thống các hồ chứa ở nước ta

1.2 Tổng quan các nghiên cứu ngoài nước

Bài toán vận hành hệ thống theo thời gian thực là bài toán rất phức tạp, bởi vì các hệ thống hồ chứa đều có đặc thù riêng, do đó chưa có chương trình nào có thể giải quyết trọn vẹn bài toán này

1.3 1.3 Đề xuất hướng nghiên cứu

1 Xây dựng mô hình dự báo/cảnh báo lũ từ mưa, trong đó mưa gây

lũ được dự báo bằng các mô hình dự báo mưa

2 Mô hình tính toán điều tiết lũ được liên kết trong mô hình mô phỏng hệ thống theo thời gian thực

3 Các phần mềm về diễn toán lũ trong hệ thống sông

4 Ứng dụng mô hình mô phỏng cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa mùa lũ theo các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa ’’hợp lý’’ khi giải quyết thỏa đáng mâu thuẫn giữa phát điện và nhiệm vụ cắt giảm lũ hạ du

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THEO THỜI GIAN THỰC THỜI KỲ MÙA LŨ CHO HỆ THỐNG HỒ CHỨA

TRÊN SÔNG VU GIA-THU BỒN 2.1 Đặc điểm sự hình thành lũ trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn

2.1.3 Đặc điểm sông ngòi

Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn có độ dài của sông ngắn và độ dốc lòng sông lớn

2.1.4 Đặc điểm sự hình thành lũ trên hệ thống sông

2.1.4.1 Đặc điểm mưa gây lũ

Mưa lớn kết hợp với địa hình dốc là nguyên nhân chính gây nên lũ ở Quảng Nam

2.1.2.2 Đặc điểm chế độ lũ

Quảng Nam có địa hình phần lớn là đồi núi dốc nên khả năng tập trung nước nhanh

2.2 Hệ thống hồ chứa và nhiệm vụ điều tiết của hệ thống hồ chứa

2.2.1 Hệ thống hồ chứa phòng lũ trên sông Vu Gia-Thu Bồn

Trên dòng chính Vu Gia - Thu Bồn đã và sẽ xây dựng những hồ chứa lớn Có 5 hồ chứa có nhiệm vụ cắt giảm lũ cho hạ du: A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 2, Sông Bung 4 và Đakmi 4

2.2.2 Nhiệm vụ điều tiết và quy trình vận hành liên hồ chứa thời

kỳ mùa lũ

Nhiệm vụ thiết kế của 5 hồ chứa được quy định như sau:

- Cấp nước cho hạ du thời

kỳ mùa kiệt với tổng lượng

điều tiết khoảng 273,9

triệu m3

- Phát điện theo công suất

đã thiết kế của các nhà

máy thủy điện được thống

kê trong các bảng trên

- Cắt giảm lũ cho hạ du

với các trận lũ ứng với tần

suất nằm trong khoảng từ

5% đến 10%, tương đương với các trận lũ lớn xuất hiện vào các năm

Ghi chú: (*) : mực nước đón lũ do tác giả đề nghị giả định

2.3 Cơ sở phương pháp luận về vận hành hồ chứa theo thời gian thực

2.3.1 Khái niệm vận hành hồ chứa theo thời gian thực

Vận hành hồ chứa theo thời gian thực là một phương pháp mà quyết định vận hành tại một thời điểm nào đó tùy thuộc vào trạng thái hệ thống tại thời điểm đó và thông tin dự báo ở những thời đoạn tiếp theo Quyết định vận hành = F(Trạng thái hệ thống + Kết quả dự báo)

Hình 2.1: Hệ thống các hồ chứa lớn có nhiệm vụ cắt giảm lũ trên lưu vực

2.3.2 Các nội dung chính của bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực

hàng lưu trữ dữ liệu và hệ thống quản lý dữ liệu;

(3) chương trình phân tích kết quả;

(4) chương trình dự báo dòng chảy theo thời gian thực;

(5) chương trình mô phỏng hoạt động của hệ thống hồ chứa

2.3.3 Mô tả bài toán và nguyên lý vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực

* Tính toán dự báo mưa và dự báo lũ đến các nút hồ chứa và nhập lưu của lưu vực sông

* Mô hình mô phỏng với thông tin đầu vào bao gồm

* Quyết định vận hành hệ thống theo kết quả tính toán của mô hình

mô phỏng

Vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ với dự báo mưa 3-5 ngày, thời gian giữa các lần cập nhật dự báo và ra quyết định vận hành là ∆t Quyết định vận hành tại thời điểm bất kỳ được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Tại thời điểm bất kỳ trong giai đoạn vận hành, tiến hành dự

Hình 2.2 Sơ đồ liên kết giữa các thành phần của bài toán vận hành hệ thống

báo mưa trên lưu vực

- Bước 2: Tính toán dự báo quá trình lưu lượng nước đến và các nút nhập lưu tương ứng mưa dự báo

- Bước 3: Phân tích trạng thái hệ thống

- Bước 4: Tính toán xác định diễn biến mực nước các hồ chứa và mực nước lưu lượng của các nút kiểm soát lũ trên toàn hệ thống Bước 5: Quyết định phương án vận hành hợp lý hệ thống

Quyết định vận hành sẽ được điều chỉnh liên tục ở các thời điểm tiếp theo trong quá trình vận hành hệ thống

2.3.4 Cơ sở khoa học và thực tiễn thiết lập bài toán vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa phòng lũ trên sông Vu Gia- Thu Bồn

Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ dựa vào căn cứ sau : (1) Yêu cầu và sự cần thiết phải thiết lập bài toán vận hành hệ thống

hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực

(2) Khả năng dự báo mưa gây lũ và dự báo lũ đến các nút hồ chứa và các nhập lưu trên toàn hệ thống

(3) Khả năng lựa chọn các mô hình có sẵn hoặc phát triển mô hình mới phù hợp với bài toán vận hành đặt ra

2.4 Thiết lập bài toán vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn

2.4.1 Xác định mục đích nghiên cứu

1 Ứng dụng phương pháp vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa

lũ cho các hồ chứa tên sông Vu Gia - Thu Bồn

2 Phát triển một mô hình mô phỏng phục vụ dự báo lũ hồ chứa và vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực, thử nghiệm cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong thời kỳ mùa lũ

3 Đề xuất phương án vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa phòng lũ 2.4.2 Phạm vi nghiên cứu

2.4.2.1 Không gian nghiên cứu

Gồm 5 hồ chứa có nhiệm vụ phòng lũ hạ du, đó là các hồ A Vương, Đakmi 4, Sông Tranh 2, Sông Bung 2 và Sông Bung 4

2.4.2.2 Giới hạn bài toán

Luận án chỉ giải quyết một phần của bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực, bao gồm:

- Phát triển mô hình mô phỏng phục vụ cho dự báo lũ từ mưa và vận hành hồ chứa

- Ứng dụng mô hình đã lập cho bài toán vận hành hệ thống theo kết quả dự báo thủy văn

- Trên cơ sở nghiên cứu hệ thống kịch bản vận hành các hồ chứa phòng lũ, đề xuất phương án vận hành hợp lý theo phương pháp dự báo lũ đã xác định trong luận án

2.4.3 Phương pháp tiếp cận

1 Xây dựng mô hình dự báo lũ thời gian dự kiến 3-5 ngày và được cập nhật liên tục trong thời gian dự báo theo kết quả dự báo mưa

2 Đối với khu vực thượng lưu, xây dựng chương trình

« MOPHONG-LU » tích hợp bởi 3 mô hình thành phần: mô hình dự báo lũ đến hồ chứa và các nhập lưu, mô hình diễn toán lũ trong sông

và mô hình mô phỏng vận hành của hồ chứa Đối với khu vực hạ du

sử dụng mô hình MIKE 11

3 Khi xây dựng các kịch bản lũ

2.4.4 Nội dung nghiên cứu

1 Phát triển mô hình mô phỏng hệ thống khu vực thượng nguồn sông phục vụ dự báo lũ và vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực;

2 Ứng dụng mô hình mô phỏng tính toán xác định các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa Từ đó kiến nghị về quy trình vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PHỤC VỤ

DỰ BÁO LŨ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THEO THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN

SÔNG VU GIA – THU BỒN 3.1 Tổng quan về các mô hình ứng dụng trong quản lý vận hành

hồ chứa và định hướng nghiên cứu trong luận án

3.1.1 Giới thiệu chung về các mô hình quản lý vận hành hồ chứa

Các mô hình RIBASIM, MIKE-BASIN được ứng dụng rộng rãi khi lập các quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cho một lưu vực sông nhưng không ứng dụng được trong vận hành hệ thống hồ chứa

Mô hình MIKE 11 loại mô hình thích hợp cho dự báo lũ và vận hành

hệ thống hồ chứa phòng lũ Tuy nhiên áp dụng các mô hình trên để ứng dụng cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ vẫn cần phải viết các câu lệnh vận hành các cửa xả lũ và cũng rất phức tạp

3.1.2 Tóm tắt một số ứng dụng mô hình mô phỏng trong vận hành

hệ thống hồ chứa theo thời gian thực

Hiện nay có hai xu hướng ứng dụng mô hình mô phỏng trong vận hành hệ thống hồ chứa:

là phát triển theo xu hướng 2

3.1.3 Định hướng nghiên cứu của luận án

Trên cơ sở những nhận xét trên đây, tác giả nghiên cứu xây dựng một

mô hình mô phỏng tổng quát (MOPHONG-LU) phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ Mô hình sẽ được ứng dụng trên

sông Vu Gia-Thu Bồn và đánh giá khả năng áp dụng cho những lưu vực khác có điều kiện tương tự

3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng diễn toán lũ trên hệ thống sông

MOPHONG_LU sử dụng trong quản lý vận hành hồ chứa phòng lũ

3.2.2.2 Lựa chọn phương pháp diễn toán lũ mạng sông

Diễn toán dòng chảy cho từng đoạn sông được mô phỏng theo phương pháp Muskingum

3.2.2.3 Diễn toán lưu lượng qua hồ chứa

Lưu lượng xả qua các cửa xả được tính toán bằng cách hợp giải phương trình cân bằng nước à khả năng xả qua công trình xả

3.2.2.4 Mô phỏng tích hợp mô hình

Sự tích hợp được các mô hình trong một mô hình mô phỏng: các nút nhập lưu được mô tả nút nhập này sẽ nối với đoạn sông nào của hệ thống; mỗi đoạn sông cũng được mô tả sự nối tiếp với đoạn trên và đoạn dưới như thế nào (một đoạn sông có thể nối tiếp với nhiều đoạn sông phía trên nó; cũng tương tự như vậy với các nút hồ chứa

3.2.3 Lập chương trình tính toán cho mô hình MOPHONG-LU

Chương trình tính toán được xây dựng trên cơ sở thuật toán liên kết giữa các mô hình thành phần và các đoạn sông được đặt tên là MOPHONG-LU

3.2.3.1 Thuật toán và chương trình tính cho các mô hình thành Chương trình tính toán được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN 77 gồm chương trình chính và 5 chương trình con

a Chương trình tính toán nhập lưu theo đường đơn vị SCS

b Chương trình tính toán nhập lưu theo mô hình NAM

c Chương trình diễn toán lũ qua hồ chứa

Dưới đây là đoạn chương trình giao diện trên màn hình khi thiết lập phương án vận hành ban đầu:

write(*,'(A\)')' SO CUA XA MO VOI DO MOA:' READ(*,*)SX1

write(*,'(A\)')' DO MO (PHAN TRAM %):' WRITE(*,'(A\)')' SO THOI DOAN TINH TOAN = ' READ(*,*)NDT

3.2.3.2 Tích hợp các mô hình thành phần và chương trình tính toán

Mô phỏng tích hợp các mô hình thành phần trong mô hình MOPHONG-LU là sự mô phỏng mối liên kết trong tính toán giữa các đoạn sông, các nút nhập lưu và các nút hồ chứa

3.2.3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình :Hiệu chỉnh mô hình thực hiện theo phương pháp thử sai để xác định bộ tham số của

mô hình

3.2.4 Ứng dụng mô hình MOPHONG-LU cho lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn

Mô hình MOPHONG-LU được áp dụng cho thượng nguồn sông Vu Gia – Thu Bồn Ứng dụng mô hình gồm 2 nội dung : (1) Xác định bộ thông số mô hình và (2) ứng dụng trong vận hành các hồ chứa theo thời gian thực

3.2.4.1 Đặc điểm hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn

Hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn gồm 2 sông Vu Gia và Thu Bồn.Khu vực thượng du từ nguồn đến Hội Khách, đến Nông Sơn, nói chung không có chảy tràn

Hình 3.11 Bản đồ lưới trạm khí tượng , thủy văn theo quy hoạch (Nguồn: Cục Quản lý Tài nguyên nước – Bộ Tài nguyên và Môi trường)