Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất phương pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thượng lưu lưu vực sông Hồng trong mùa cạn

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện trong mùa cạn nhằm tối ưu hóa phát điện và cấp nước hạ du theo hướng tối ưu hóa đa mục tiêu và ứng dụng thuật toán BORG-MOEA cho lưu vực sông Hồng.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN XUÂN LÂM NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA THƯỢNG LƯU LƯU VỰC SÔNG HỒNG TRONG MÙA CẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN XUÂN LÂM NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA THƯỢNG LƯU LƯU VỰC SÔNG HỒNG TRONG MÙA CẠN Chuyên nghành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã Số: 580 212 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Quang Trung PGS.TS Hoàng Minh Tuyển HÀ NỘI, NĂM 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Lâm ii LỜI CẢM ƠN Trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, lãnh đạo, cán bộ, nhà khoa học Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường, Viện Khoa học Khí tượng, Thủy văn BĐKH tạo điều kiện tốt để tác giả thực luận án Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình, bạn bè giúp đỡ tạo môi trường thuận lợi để tác giả hồn thành nghiên cứu iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài luận án Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Những đóng góp luận án Cấu trúc Luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN TỐI ƯU VẬN HÀNH HỒ CHỨA Giới thiệu chung Các nghiên cứu nước 1.2.1 Phương pháp mô 1.2.2 Phương pháp tối ưu 1.2.3 Bài toán tối ưu hóa hệ thống hồ chứa 10 1.2.3.1 Hàm mục tiêu 10 1.2.3.2 Ràng buộc 12 1.2.3.3 Tối ưu đa mục tiêu 13 1.2.4 Các phương pháp giải tối ưu 14 1.2.4.1 Tối ưu ngẫu nhiên ẩn .15 1.2.4.2 Tối ưu ngẫu nhiên .19 1.2.4.3 Quy hoạch kinh nghiệm (Heuristic) thuật toán di truyền GA 23 Các nghiên cứu nước 26 1.3.1 Nghiên cứu quy hoạch vùng Đồng sơng Hồng – Thái Bình 26 1.3.2 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa 27 Kết luận chương 32 iv CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG 34 Đặc điểm lưu vực hệ thống hồ chứa sông Hồng .34 2.1.1 Điều kiện tự nhiên, khí hậu thủy văn lưu vực 34 2.1.2 Hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng 38 2.1.3 Những yếu tố tác động đến vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện lưu vực sông Hồng 47 2.1.3.1 Dòng chảy từ Trung Quốc .48 2.1.3.2 Vai trò phát điện hệ thống 50 2.1.3.3 Đảm bảo nước cho hạ du 51 2.1.3.4 Ảnh hưởng triều mặn .54 2.1.3.5 Mâu thuẫn cấp nước phát điện .59 2.1.3.6 Tác động BĐKH 61 2.1.3.7 Quy trình vận hành liên hồ chứa .62 2.1.4 Những định hướng để thiết lập toán tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng 64 Phương pháp xây dựng giải pháp tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng .67 2.2.1 Thiết lập toán tối ưu 67 2.2.1.1 Hàm mục tiêu 67 2.2.1.2 Ràng buộc 70 2.2.2 Khung tính tốn tối ưu xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ chứa sông Hồng mùa cạn 72 2.2.3 Mô hệ thống hồ chứa 75 2.2.3.1 Các quan hệ đặc tính hồ chứa 75 2.2.3.2 Quan hệ mực nước mức xả tối đa, tối thiểu 77 2.2.3.3 Hiệu chỉnh mức xả 𝑟𝑚𝑎𝑥 𝑟𝑚𝑖𝑛 theo dòng chảy đến, dung tích đầu bước bước thời gian mơ 78 v 2.2.3.4 Mô cân nước hệ thống hồ trình định vận hành .80 2.2.4 Mơ hình hạ lưu 81 2.2.5 Hàm chinh sách vận hành hệ thống hồ chứa thời gian thực 84 2.2.6 Thuật toán BORG-MOEA 85 2.2.6.1 Tập trội dạng hộp epsilon (𝜖) 85 2.2.6.2 Tiến epsilon 𝜖 .86 2.2.6.3 Khởi động lại .86 2.2.6.4 Kết hợp đa tốn tử tự động thích ứng .87 Số liệu đầu vào .89 Kết luận chương 93 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG 95 Mơ hình hệ thống hồ chứa .95 Mơ hình hạ lưu .105 3.2.1 Xây dựng mơ hình Mike 11 cho vùng Đồng sơng Hồng 105 3.2.2 Mơ hình thay 114 Kích thước tốn, máy tính, ngơn ngữ lập trình 116 Giao diện cho vận hành thời gian thực 117 Phân tích đánh giá kết tính tốn hàm vận hành tối ưu 118 Kết luận chương 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .138 Kết luận 138 Kiến nghị .140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .142 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 PHỤ LỤC 154 Phụ lục Mã nguồn hệ thống C/C++ 155 vi Phụ lục Đặc trưng mưa dòng chảy trạm hệ thống sơng Hồng 160 Phụ lục Tổng hợp tủy chọn mô hệ thống lấy nước sông Hồng .164 Phụ lục Quan hệ mực nước thượng lưu hồ tổng khả xả max rmin, rmax hồ chứa .169 Phụ lục Tổng hợp 350 nghiệm Pareto - tham số hàm vận hành .174 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Tổng lượng dòng chảy năm hệ thống sông Hồng 36 Bảng 2-2 Lưu lượng đỉnh lũ lớn lưu lượng nhỏ số trạm thuỷ văn lưu vực sơng Hồng giai đoạn trước có hồ Hòa Bình 37 Bảng 2-3 Tổng hợp thông số hồ chứa nghiên cứu 39 Bảng 2-4 Nhu cầu nước dùng vùng châu thổ sông Hồng phân chia theo ngành kinh tế (triệu m3) .51 Bảng 2-5 Thời vụ sản xuất vụ Đông Xuân năm gần 52 Bảng 2-6 Tổng hợp mức xả diện tích canh tác Đơng Xn 54 Bảng 2-7 Tổng hợp điều khoản quy định vận hành theo quy trình vận hành 1622/QĐ-Ttg ngày 17 tháng năm 2015 63 Bảng 3-1 Thống kê biên biên nhập lưu khu 108 Bảng 3-2 Địa hình lòng dẫn sơng Hồng - Thái Bình .109 Bảng 3-3 Kết hiệu chỉnh thơng số mơ hình .111 Bảng 3-4 Kết kiểm định thơng số mơ hình thủy lực .112 Bảng 3-5 Tổng hợp số nghiệm điển hình mặt Pareto tối ưu 121 Bảng 3-6 Tổng hợp hiệu giải pháp vận hành thực tiễn vận hành thời kỳ 16/10/2015 đến 14/6/2016 128 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Sự cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu xã hội Hình 1-2 Ví dụ hệ thống hồ chứa Hình 1-3: Cách tiếp cận giải tối ưu ngẫu nhiên ẩn (ISO) 15 Hình 1-4 Thể tối ưu hệ thống hồ chứa chuỗi định 18 Hình 1-5 Cách tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên (ESO) 20 Hình 1-6 Khung tổng quát thuật toán di truyền GA 25 Hình 2-1 Lưu vực sơng Hồng hồ chứa lớn 38 Hình 2-2 Lưu lượng vào xả, mực nước hồ Hòa Bình trung bình từ năm 1991 đến 2011 41 Hình 2-3 Quá trình mực nước hồ Thác Bà từ 1973 đến 2012 42 Hình 2-4 Quá trình xả nước hồ Thác Bà năm 1/1-15/6 năm 2011 42 Hình 2-5 Mực nước hồ Tuyên Quang từ 1/8 đến 14/6 thời kỳ 2007-2014 44 Hình 2-6 Lưu lượng vào xả hồ Tuyên Quang trung bình từ năm 2007 đến 2014 44 Hình 2-7 Mực nước hồ Sơn La từ từ 1/8 năm trước đến 14/6 năm sau thời kỳ 2010 đến 2014 45 Hình 2-8 Lưu lượng xả từ hồ Sơn La Hòa Bình từ 1/1-14/6/2014 .46 Hình 2-9 Thông số kỹ thuật hồ chứa lớn lưu vực sơng Hồng .47 Hình 2-10 Q trình lưu lượng ngày I-IV/2007-2012 trạm Lai Châu 49 Hình 2-11 Quá trình lưu lượng ngày từ I-IV/2007-2012 trạm Lào Cai .49 Hình 2-12 Quá trình lưu lượng ngày từ tháng I-IV/2007-2012 trạm Đạo Đức 50 Hình 2-13 Biểu đồ dùng nước tháng mùa cạn năm 2010 đến năm 2020 52 Hình 2-14 Mực nước nhỏ trạm Hà Nội từ năm 1991-2013 53 Hình 2-15 Quá trình mực nước trạm Hòn Dấu từ 1/1-28/2/2013 55 Hình 2-16 Quá trình lưu lượng, mực nước số vị trí từ 1/1-28/2/2006 56 Hình 2-17 Xâm nhập mặn %o năm 2010 .58 Hình 2-18 Tác động vận hành hồ đền độ mặn số cống hạ lưu vùng ĐBSH xả nước Đông Xuân 2015 58 ... xuất giải pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa mùa cạn lưu vực sơng Hồng - Chương Phân tích, đánh giá kết xây dựng giải pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa mùa cạn lưu vực sông Hồng 7 CHƯƠNG... SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG 34 Đặc điểm lưu vực hệ thống hồ chứa sông Hồng .34 2.1.1 Điều... THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN XUÂN LÂM NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA THƯỢNG LƯU LƯU VỰC SÔNG HỒNG TRONG MÙA CẠN Chuyên nghành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã Số: 580