Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba

Trên cơ sở kế thừa phương pháp luận của các mô h nh có sẵn, phát triển một mô hình mô phỏng cân bằng nước và vận hành hệ thống liên hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện, phục vụ cho ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt.

Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, Khoa

Xâ ựng Thủy lợi - Thủ điện, Ph ng Quản ý Sau đại học trường Đại học Bách Khoa, Ban quản ý các ự án đầu tư xâ ựng tỉnh Phú Yên đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Tác giả xin à t ng iết ơn đến quý thầ cô và các ạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để Tác giả hoàn thiện luận án

Cuối cùng Tác giả không thể nào quên sự lo lắng, gánh vác việc nhà và nuôi

dạ con cái của người Vợ, sự quan tâm và động viên của Cha-Mẹ và gia đ nh

Luận án có nội dung về quản ý vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ưu vực sông Ba trong bối cảnh biến đổi kh hậu, đâ à một vấn đề rộng lớn và phức tạp, luận án không thể tránh kh i sai sót Tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầ , cô, đồng nghiệp, bạn è về luận án để sửa chữa những sai sót

Xin trân trọng cảm ơn

TÁC GIẢ

Cao Đình Huy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi à Cao Đ nh Hu Tôi xin cam đoan đâ à công tr nh nghiên cứu của riêng tôi Các nội ung và kết quả nghiên cứu trong Luận án à trung thực và chưa được ai công ố trong bất kỳ công tr nh khoa học nào

TÁC GIẢ

Cao Đình Huy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 T nh cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực ti n của luận án 3

5.1 Ý nghĩa khoa học 3

5.2 Ý nghĩa thực ti n 3

6 Phương pháp tiếp cận 4

7 Những đóng góp mới của luận án 4

8 Cấu trúc uận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỜI KỲ MÙA KIỆT 6

1.1 Vai tr hệ thống hồ chứa trong cân ằng nước 6

1.2 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa 8

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới 8

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trong nước 15

1.2.3 Các nghiên cứu trên ưu vực sông Ba 17

1.3 Nhận xét chung về các nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định hướng nghiên cứu của luận án 21

1.3.1 Về phương pháp uận 21

1.3.2 Về thực trạng nghiên cứu vận hành hồ chứa ở ưu vực sông Ba 22

1.3.3 Định hướng nghiên cứu của luận án 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN THIẾT LẬP BÀI TOÁN

VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRÊN SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT 25

2.1 Giới hạn địa ý ưu vực sông Ba 25

2.2 Đặc điểm sông ng i 25

2.3 Phân t ch đặc điểm kh hậu và ng chả sông ảnh hưởng đến chế độ vận hành các hồ chứa thời kỳ mùa kiệt 27

2.3.1 Đặc điểm kh hậu 27

2.3.2 Đặc điểm chế độ mưa theo mùa 28

2.3.3 Đặc điểm chế độ ng chả sông ng i 33

2.3.4 Đặc điểm đường quá tr nh rút nước thời kỳ mùa kiệt 38

2.4 Hiện trạng hệ thống công tr nh thủy lợi và nhu cầu sử dụng nước 41

2.4.1 Hệ thống công tr nh thủy lợi 41

2.4.2 Hệ thống hồ chứa thủ điện lớn trên sông Ba 43

2.4.3 Hệ thống các trạm ơm cấp nước trên sông ch nh 45

2.5 Nhiệm vụ vận hành điều tiết hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt 46

2.5.1 Nhiệm vụ vận hành điều tiết cấp nước của hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt 46

2.5.2 Thực trạng vận hành các hồ chứa thủ điện, khó khăn và tồn tại 48

2.6 Thiết lập ài toán vận hành điều tiết hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt 52

2.6.1 Xác định nhiệm vụ và nội ung nghiên cứu ài toán vận hành hồ chứa ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt 52

2.6.2 Mô tả ài toán vận hành hồ chứa trên ưu vực sông Ba theo thời gian thực thời kỳ mùa kiệt 54

2.6.3 Những khó khăn khi ập và vận hành hệ thống hồ chứa ưu vực sông Ba theo thời gian thực và hướng giải quyết 57

2.7 Kết luận chương 2 59

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG, XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ RÚT NƯỚC TIỀM NĂNG PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT THEO THỜI GIAN THỰC 62

3.1 Giới thiệu chung về các mô h nh mô ph ng trong quy hoạch và quản ý tài ngu ên nước 62

3.2 Xâ ựng mô h nh mô ph ng Ba-Model phục vụ ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba 66

3.2.1 Yêu cầu về thiết lập mô h nh 66

3.2.2 Cấu trúc của mô h nh 66

3.2.3 Mô ph ng 69

3.3 Xâ ựng thuật toán và ập chương tr nh t nh toán cho mô h nh Ba-Model 72

3.3.1 Thuật toán t nh điều tiết hồ chứa 72

3.3.2 Giới thiệu cơ sở ý thu ết mô h nh NAM 76

3.3.3 Thuật toán t nh ưu ượng tại các nút nhập ưu theo mô h nh NAM 81

3.3.4 Dữ liệu sử dụng cho t nh toán 82

3.3.5 Lập chương tr nh t nh toán 83

3.4 Xác định bộ thông số mô h nh NAM của Ba-Mo e ưu vực sông Ba 83

3.4.1 Xác định các tiểu ưu vực phục vụ t nh toán nước đến các nút hồ chứa 83

3.4.2 T ch hợp các mô h nh thành phần khi xác định các tham số mô h nh NAM 86

3.4.3 Xác định bộ thông số mô h nh NAM 87

3.5 Xâ ựng đường rút nước tiềm năng ứng dụng trong nhận dạng ng chảy mùa kiệt 92

3.5.1 Xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng 92

3.5.2 Nhận dạng ng chả mùa kiệt theo biểu đồ rút nước tiềm năng 96

3.6 Kết luận 96

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH BA-MODEL VÀO VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT 98

4.1 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu 98

4.2 T nh toán kiểm tra khả năng đáp ứng êu cầu điều tiết cấp nước cho hạ du theo qu tr nh vận hành iên hồ của các hồ chứa lớn trên ưu vực sông Ba 98

4.2.1 Mục đ ch t nh toán 98

4.2.2 Thiết lập mạng sông 99

4.2.3 Phương pháp t nh toán nước đến các nút hồ chứa và nhập ưu 100

4.2.4 Phương thức vận hành hồ chứa trong quá tr nh t nh toán kiểm tra 105

4.2.5 Tài iệu sử dụng t nh toán 107

4.2.6 Kết quả t nh toán kiểm tra êu cầu điều tiết cấp nước hạ u qu định trong qu tr nh iên hồ chứa 878/QĐ-TTG 108

4.2.7 Đề xuất một phương án điều tiết cấp nước hạ du thời kỳ mùa kiệt cho các hồ chứa Krông H’Năng, Ba Hạ và Sông Hinh 116

4.3 T nh toán thử nghiệm dự áo khả năng đảm bảo êu cầu cấp nước cho hạ du

mùa kiệt năm 2018-2019 theo mô h nh Ba-Model 122

4.3.1 Dữ liệu sử dụng trong t nh toán 122

4.3.2 Kết quả t nh toán 122

4.3.3 Nhận xét kết quả t nh toán 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

1 Những kết quả đạt được của luận án 131

2 Những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo 132

3 Kiến nghị 132

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 D ng chảy kiệt đo tại các trạm đo thủ văn ưu vực sông Ba 37

Bảng 2.2: Sơ đồ nút giai đoạn hiện trạng ưu vực sông Ba 41

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa lớn trên sông Ba 44

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các thủ điện nh trên sông Ba 45

Bảng 2.5: Thống kê công suất phát điện nh quân tháng thủ điện Sông Hinh (đơn vị : MW) 49

Bảng 3.1: Các thông số ch nh trong mô h nh NAM 80

Bảng 3.2: Mô tả giới hạn các tiểu ưu vực được phân chia 85

Bảng 3.3: Trạm đo mưa và ốc hơi sử dụng trong mô h nh NAM 88

Bảng 3.4: Đánh giá mức độ mô ph ng của mô h nh tương ứng với chỉ số Nash-Sutcliffe (Theo Moriasi, 2007) 91

Bảng 3.5: Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan (Theo Moriasi, 2007) 91

Bảng 3.6: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô h nh tại trạm An Khê và Củng Sơn 91

Bảng 3.7: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô h nh NAM trên ưu vực sông Hinh 92

Bảng 3.8: Bộ thông số mô h nh NAM sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô h nh 92

Bảng 4.1: Nhu cầu nước giai đoạn hiện trạng tại các nút sử dụng nước (Lưu ượng m3/s) 102

Bảng 4.2: Qu định ưu ượng điều tiết xuống hạ u theo Qu tr nh iên hồ chứa ưu vực sông Ba 106

Bảng 4.3: Tổng hợp kết quả đánh giá sự đảm bảo êu cầu điều tiết nước cho hạ du theo Qu tr nh 878/QĐ-TTg 112

Bảng 4.4: Phương án điều tiết đề xuất 116

Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả t nh toán theo phương án đề xuất 118

Bảng 4.6: Bảng ưu ượng nh quân tháng tổng hợp theo kết quả t nh toán ưu ượng nh quân ngà theo mô h nh NAM năm 2018-2019 của 14 tiểu ưu ực sông Ba 124

Bảng 4.7: Bảng thống kê t nh trạng thiếu nước tại các nút cấp nước tưới năm

2018-2019 từ kết quả t nh toán cân ằng nước theo mô h nh Ba-Model 124Bảng 4.8: Bảng t nh toán kiểm tra khả năng điều tiết cấp nước năm 2018-2019 128Bảng 4.9: Vị tr giá trị ưu ượng trên iểu đồ rút nước tiềm năm tại thời điểm ngà 15/12/2018 130

DANH SÁCH HÌNH VẼ

H nh 2.1: Bản đồ vùng nghiên cứu (Nguồn [1]) 26

H nh 2.2a: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại Pơ Mơ Rê 29

H nh 2.2 : Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm 30

H nh 2.2c: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm 30

H nh 2.2 : Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa hàng tháng nh quân nhiều năm 31

H nh 2.2e: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại 31

H nh 2.2f: Bản đồ đẳng trị tổng ượng mưa năm trung nh nhiều năm ưu vực sông Ba và vùng phụ cận (Nguồn [1]) 32

H nh 2.3a: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại Ayun Hạ 34

H nh 2.3 : Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại Krông H’Năng (tài iệu đo 2003-2008) 34

H nh 2.3c: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại thủ văn Sông Hinh 35

H nh 2.3 : Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại An Khê 36

H nh 2.3e: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại trạm thủ văn Củng Sơn 36

H nh 2.4a: Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại hồ An Khê 39

H nh 2.4 : Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn Sông Hinh 40

H nh 2.4c: Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn Krông H’Năng (tại hồ thủ điện) 40

H nh 2.4 : Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn A un Hạ 41

H nh 2.5: Vị tr các hồ chứa lớn xâ ựng qu tr nh iên hồ trong mùa kiệt 44

H nh 2.6: Các công tr nh sử dụng nước từ đập An Khê đến Krông Chro 46

H nh 2.7: Các trạm ơm ấ nước từ sông ch nh 46

H nh 2.8: Sơ đồ ngu ên ý thiết lập ài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực 55

H nh 2.9: Sơ đồ tổng quát quá tr nh ra qu ết định khi vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực 56

H nh 2.10: Sơ đồ các ước xác định quyết định quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Ba thời kỳ mùa kiệt 59

H nh 3.1: Sơ đồ một số nút nhập ưu đặc trưng của hệ thống 67

H nh 3.2: Sơ đồ vị tr các nút ch nh khu vực sông Hinh, sông Ba Hạ đến Đồng Cam 68

H nh 3.3 Sơ đồ mô ph ng cân ằng nước trên ưu vực sông Ba 73

H nh 3.4: Sơ đồ t nh toán điều tiết hồ chứa cấp nước 74

H nh 3.5: Sơ đồ t nh điều tiết cho hồ chứa phát điện độc lập 75

H nh 3.6: Sơ đồ t nh điều tiết cho hồ chứa phát điện nằm trong hệ thống hồ chứa bậc thang 76

H nh 3.7: Cấu trúc mô h nh NAM 77

H nh 3.8: Sơ đồ t nh toán quá tr nh ưu ượng Q~t bằng mô h nh NAM cho một ưu vực nhập ưu có N thời đoạn t nh toán 81

H nh 3.9: Sơ đồ phân chia các tiểu ưu vực để mô ph ng theo mô h nh NAM 84

H nh 3.10: Các ước t nh toán trong mô h nh Ba –Model 86

H nh 3.11a: Sơ đồ xác định thông số của mô h nh NAM trong mô h nh Ba-Model 89 H nh 3.11 : Sơ đồ kiểm định mô h nh NAM trong mô h nh Ba-Model 90

H nh 3.12a: Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Sông Hinh 94

H nh 3.12 : Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Ayun Hạ 94

H nh 3.12c: Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực trạm thủ văn An Khê 95

H nh 3.12 : Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Krông H’Năng 95

H nh 4.1: Sơ đồ hệ thống cân ằng nước sông Ba 101

DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

VHHC – Vận hành hồ chứa

SI - Chỉ số thiếu hụt nước

(genetic algorithm – GA) - Thuật toán i tru ền

LP - Quy hoạch tuyến t nh

(Artificial Neural Networks – ANN) - Mạng tr tuệ nhân tạo

(BPNN) - Thuật toán quét ngược

TNN – Tài ngu ên nước

KTXH – Kinh tế xã hội

KTTV và MT – Kh tượng thủ văn và môi trường

TN&MT – Tài ngu ên và môi trường

VHHTLHC – Vận hành hệ thống iên hồ chứa

CBN - Cân ằng nước

MNDBT – Mực nước âng nh thường

TKMK - Thời kỳ mùa kiệt

TGT - Thời gian thực

KTTV - Kh tượng thủ văn

KHKT – Khoa học kỹ thuật

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập kỷ gần đâ , một số ượng lớn các hồ chứa được xâ ựng trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam Ở Việt Nam, trong những năm gần đâ , có hàng oạt các hồ chứa lớn được xâ ựng trên hầu hết các sông suối khắp cả nước

Do vậy, việc quản ý nước và vận hành hợp ý hệ thống iên hồ chứa nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu những tác động tiêu cực à rất cần thiết Đã có nhiều dự án và đề tài nghiên cứu về vận hành hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp

Tu nhiên, kết quả nghiên cứu c n hạn chế, đặc biệt à chế độ vận hành hồ chứa thời kỳ mùa kiệt đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Do vậy, việc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu vẫn đang à đối tượng của nhiều đề tài nghiên cứu trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

Hiện na có hai xu hướng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành các

hệ thống hồ chứa đa mục tiêu: Phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô ph ng

Mô h nh toán mô ph ng hệ thống cân ằng nước, trong đó có mô ph ng chế độ vận hành của các hồ chứa đóng vai tr qu ết định trong các nghiên cứu về quản ý nước

và vận hành hệ thống hồ chứa, bất luận nghiên cứu đó à phương pháp tối ưu hóa

ha phương pháp mô ph ng Ch nh v vậ , đã có nhiều nghiên cứu phát triển các

mô h nh mô ph ng iên quan đến t nh toán cân ằng nước, quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực, trong đó các mô h nh MIKE-BASIN, HEC-RESSIM, WEAP, MIKE HYDRO,… à những mô h nh điển h nh được sử dụng rộng rãi trên thế giới Các mô h nh nà cũng đã được nghiên cứu trong quy hoạch, quản ý nước cho các ưu vực sông ở Việt Nam, trong đó có ưu vực sông Ba

Mỗi mô h nh có những ưu điểm riêng và cũng có những hạn chế nhất định nên hiện na các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục phát triển và hoàn thiện mô h nh V vậy, đã có những nghiên cứu xâ ựng các mô h nh riêng phù hợp với điều kiện cụ thể của ưu vực, phù hợp và thuận lợi cho nghiên cứu đối với ài toán được đặt ra Cũng ch nh v ý o trên, để nghiên cứu chế độ vận hành các hồ chứa lớn trên ưu vực sông Ba, tác giả luận án có ý định xâ ựng một mô h nh riêng phục vụ cho

nghiên cứu và chọn đề tài nghiên cứu: “Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba”

Mô h nh toán được xâ ựng nhằm hỗ trợ ra quyết định trong quá tr nh vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, ưu vực sông Ba trong thời kỳ mùa kiệt (TKMK)

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở kế thừa phương pháp uận của các mô h nh có sẵn, phát triển một

mô h nh mô ph ng cân ằng nước và vận hành hệ thống iên hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện, phục vụ cho ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống iên

hồ chứa ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mô h nh mô ph ng được xâ ựng đối với ài toán

cân ằng nước (CBN) trên ưu vực sông và vận hành hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện đối với vùng sông không bị ảnh hưởng của thủy triều

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành đối với hệ thống hồ chứa

đa mục tiêu trên ưu vực sông Ba, bao gồm tất cả các hồ chứa thủy lợi và thủ điện

Do mô h nh không thể ứng dụng vùng sông bị ảnh hưởng triều nên phạm vi nghiên cứu được áp ụng cho ưu vực sông Ba t nh đến vị trị đập Đồng Cam Nghiên cứu chế độ vận hành được thực hiện đối với các hồ chứa lớn trên ng ch nh có t nh đến điều tiết cấp nước tưới của tất cả các hồ chứa nh trên hệ thống Các hồ chứa lớn được chọn để nghiên cứu chế độ vận hành à các hồ Ka Nak, An Khê, Sông Hinh,

Ba Hạ và Krông H’Năng và A un Hạ

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu tiếp thu và kế thừa có chọn lọc các kết

quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước, các nghiên cứu về CBN và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba Kế thừa phương pháp uận của các mô

h nh đã có, đặc biệt à mô h nh HEC-RESSIM

Phương pháp mô hình toán: Đề tài nghiên cứu xâ ựng một mô h nh vận

hành hệ thống hồ chứa theo hướng mô h nh mô ph ng ưu vực sông phục vụ cho

vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt, có t nh năng sử dụng tiếp cận được với những mô h nh có sẵn trên thế giới có mô ph ng tương tự

Phương pháp thực nghiệm: Mô h nh phải được kiểm định cho ưu vực sông

Ba và được đối chiếu với kết quả t nh toán theo các mô h nh khác của những nghiên cứu có mô ph ng tương tự

Phương pháp phân tích: Phân t ch đặc điểm chế độ mưa, ng chả ưu vực

sông Ba, đặc điểm đường rút nước thời kỳ mùa kiệt àm cơ sở khoa học cho t nh toán, ự áo và nhận dạng ng chả mùa kiệt, phục vụ đánh giá những hạn chế và

đề xuất chế độ vận hành hợp ý theo thời gian thực các hồ chứa trên sông Ba

5 Ý nghĩa khoa học và thực ti n của luận án

5.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu của luận án “Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ

chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba” đã phát triển một mô h nh

mô ph ng có sự t ch hợp mô h nh mưa – ng chả , có khả năng t nh toán và ự

áo ng chả đến trong vận hành hệ thống hồ chứa Đâ à đóng góp mới, góp phần phát triển phương pháp uận trong nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Nếu được hoàn thiện sẽ mở ra hướng mới trong nghiên cứu vận hành các

hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ cấp nước và phát điện thời kỳ mùa kiệt

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nà định hướng về giải pháp kỹ thuật với mục tiêu cụ thể à xâ ựng chương tr nh t nh có khả năng hỗ trợ ra quyết định trong việc vận hành hệ thống hồ chứa TKMK Nghiên cứu ài toán vận hành theo thời gian thực TKMK đối với sông Ba sẽ à cơ sở khoa học cho việc bổ sung các qu tr nh vận hành đã có và cũng

à nghiên cứu điển h nh có thể xem xét áp ụng cho những ưu vực sông khác thuộc khu vực miền Trung Mô h nh mô ph ng mà tác giả xâ ựng có thể áp ụng cho công tác ự áo ng chả và vận hành an toàn các hồ chứa TKMK trên ưu vực sông Ba

6 Phương pháp tiếp cận

Trên cơ sở phân t ch trên đâ , uận án tiếp cận theo hướng xâ ựng một mô

h nh vận hành hệ thống iên hồ chứa (VHHTLHC) thời kỳ mùa kiệt có khả năng hỗ trợ ra quyết định vận hành, áp ụng cho ưu vực sông Ba àm ưu vực nghiên cứu điển h nh Mô h nh sẽ được xâ ựng trên cơ sở kế thừa phương pháp uận của các

mô h nh đã có và khắc phục những hạn chế gâ khó khăn khi sử dụng của các mô

h nh nà trong VHHTLHC

1) Trên cơ sở mô h nh cân ằng nước được thiết lập cho ưu vực sông Ba Từ

đó xem xét các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những hạn chế của qu tr nh vận hành iên hồ chứa đã an hành o hạn chế về dự áo

ng chảy

2) Với công cụ mô h nh mô ph ng đã thiết lập, xâ ựng một qu tr nh vận hành theo thời gian thực nhằm đảm bảo an toàn t ch nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước hạ du

7 Những đóng góp mới của luận án

1) Xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng thời kỳ mùa kiệt cho các nút hồ chứa

ch nh trên ưu vực sông Ba àm cơ sở nhận dạng ng chả mùa kiệt Từ đó, lập kế hoạch sử dụng nước và vận hành hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ điều tiết cấp nước cho hạ du

2) Phát triển mô h nh mô ph ng Ba-Mo e t ch hợp được mô h nh mưa - ng chả , mô h nh cân ằng nước và điều tiết hồ chứa, phục vụ quản ý nước và

ra quyết định vận hành các hồ chứa trên ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt 3) Xâ ựng phương pháp vận hành hồ chứa theo hướng vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba trên cơ sở phân t ch,

t nh toán ượng trữ nước trên ưu vực thời điểm cuối mùa ũ và qu uật rút nước ng chả trong sông thời kỳ mùa kiệt Đồng thời đề xuất chế độ vận hành hợp ý nhằm đảm bảo an toàn theo nhiệm vụ cấp nước hạ du và nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa trong thời kỳ mùa kiệt Từ đó, àm cơ sở cho việc nghiên cứu bổ sung qu tr nh iên hồ chứa đã được phê u ệt

8 Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận và kiến nghị, luận án gồm có 4 chương:

- Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt

- Chương 2 Cơ sở khoa học và thực ti n thiết lập ài toán vận hành hồ chứa trên sông Ba thời kỳ mùa kiệt

- Chương 3 Thiết lập mô h nh mô ph ng, xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa sông Ba thời kỳ mùa kiệt theo thời gian thực

- Chương 4 Ứng dụng mô h nh Ba-Model vào vận hành hệ thống hồ chứa trên

ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH

HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỜI KỲ MÙA KIỆT

1.1 Vai trò hệ thống hồ chứa trong cân bằng nước

Hồ chứa có thể coi à iện pháp ch nh trong qu hoạch phát triển nguồn nước mặt Với những hồ chứa nhân tạo được xâ ựng trên các hệ thống sông, đặc biệt à các sông ớn, có thể àm tha đổi căn bản chế độ ng chả sông ng i Hồ chứa àm tha đổi trạng thái tự nhiên của nguồn nước tạo điều kiện có ợi cho các hoạt động

ân sinh kinh tế vùng hạ ưu công tr nh Hiện nay, ở Việt Nam đã h nh thành những

hệ thống hồ chứa lớn trên hệ thống Sông Hồng, sông Đồng Nai, sông Sê San, sông

Ba, Sông Vu Gia Thu Bồn đã àm tha đổi đáng kể CBN trên các ưu vực sông đó

Khi lập các ự án qu hoạch và quản ý nguồn nước, hệ thống nguồn nước thường được mô tả bởi hệ thống các sơ đồ, bao gồm hệ thống các nút và các quá

tr nh trao đổi nước giữa chúng Sự trao đổi nước giữa các nút trong hệ thống được

mô tả bằng hệ các phương tr nh CBN và phương tr nh động lực Tù thuộc vào t nh chất của các nút và đặc điểm của ài toán mà sự mô tả đó có thể khác nhau

Các hồ chứa trong hệ thống được coi à một nút của hệ thống, được xâ ựng với mục đ ch àm tha đổi quá tr nh ng chả trên hệ thống sao cho phù hợp với nhiệm vụ khai thác nguồn nước

Vận hành hồ chứa à một trong những vấn đề được quan tâm nhiều trong công tác qu hoạch, quản ý hệ thống nguồn nước

Trong khi vận hành hồ chứa phải th a mãn nhiều mục đ ch khác nhau, tu nhiên ại xuất hiện sự mâu thuẫn giữa các êu cầu cho các mục đ ch đó Các mâu thuẫn xuất hiện trong khi vận hành hồ chứa nhiều mục đ ch có thể chỉ ra như sau:

 Mâu thuẫn trong không gian hồ chứa

Mâu thuẫn nà xuất hiện khi hồ chứa (hoặc ung t ch giới hạn) được êu cầu

th a mãn phân chia nhiều mục đ ch khác nhau như ảo toàn nước và điều tiết ũ Nếu các điều kiện địa chất, địa h nh, thủ văn tại vị tr xâ ựng đập và kho ự trữ cho phép xâ ựng đập đủ cao để sử dụng rõ ràng các mục đ ch, th thường không

có sự mâu thuẫn về không gian hồ chứa Tu nhiên, hiếm khi người ta àm như vậy

Các hồ chứa được xâ ựng nhiều mục đ ch với không gian chia sẻ th a mãn các

êu cầu đảm bảo nhiều mục đ ch và k ch thước thường được sử dụng à nh nhất Trong khi đó, mục đ ch ph ng ũ tốt nhất đạt được khi đủ không gian trống có thể chứa ung t ch ph ng ũ sử dụng được trong hồ chứa Do vậy, trong khi quy tắc điều tiết hồ chứa chủ yếu ra quyết định à được t ch đầ ha không t ch đầy hồ chứa Hồ chứa t ch đầ cho phép đạt được lợi ch cao ởi th a mãn các mục đ ch bảo toàn, nhưng ại mang t nh rủi ro cao khi cắt giảm ũ ở hạ ưu Mặt khác, hồ chứa trống có thể điều tiết ũ hiệu quả hơn nhưng nếu ng chảy không t ch đầ đến thể

t ch mong chờ, th có thể các mục đ ch khác sẽ thiếu

 Mâu thuẫn ên trong các mục đ ch giống nhau

Thiếu hụt nước có thể được phân ố theo thời gian và theo các hướng khác nhau V ụ như mục đ ch phát điện, để đạt được sản ượng điện cả năm ớn nhất th trong một số thời đoạn ta phải chấp nhận phát điện với sản ượng thấp, sẽ gâ ra thiếu hụt điện để u tr cột nước cao sao cho tổng sản ượng điện à ớn nhất Tuy nhiên việc phát được sản ượng điện thấp ở những tháng cao điểm, nhiều khi sẽ gâ thiệt hại về kinh tế lớn hơn Cùng mục đ ch cấp nước có thể sẽ ảnh hưởng theo các hướng khác nhau, như nước sử dụng cấp nước sinh hoạt sẽ khác nước sử dụng cho mục đ ch tưới

 Mâu thuẫn giữa các mục đ ch

Các mâu thuẫn có thể xuất hiện khi sử dụng nước với các mục đ ch khác nhau và êu cầu không gian ung t ch hồ chứa cho các mục đ ch à khác nhau Với mục đ ch cấp nước cho sinh hoạt, công nghiệp, phát điện v.v th hồ chứa được càng nhiều nước càng tốt nhưng nó lại bất lợi cho nhiệm vụ ph ng ũ

Mâu thuẫn điển h nh nhất à mâu thuẫn giữa mục tiêu phát điện và mục tiêu cấp nước hạ u trong mùa kiệt, nảy sinh khi nhu cầu cấp nước cho mỗi ngành khác nhau theo thời gian và không gian Nước cấp cho nông nghiệp được phân phối dựa trên tập quán, thời vụ, thời kỳ cần nước khẩn trương, mùa ha t nh h nh thời tiết Trong khi đó, êu cầu phát điện đ i h i hồ chứa vận hành ựa trên nhu cầu điện

phục vụ ân sinh và phát triển kinh tế xã hội tha đổi theo giờ, ngà , tuần hay mùa, đặc biệt trong thời gian giờ cao điểm

Để điều h a các mâu thuẫn cũng như đem ại hiệu quả trong quá tr nh vận hành hồ chứa th một trong những phương pháp hiệu quả à xâ ựng Qu tr nh vận hành iên hồ chứa Xâ ựng qu tr nh vận hành à ài toán phức tạp iên ngành, cần có cơ sở khoa học và thực ti n để hài h a giữa các mục tiêu

1.2 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới

Những năm gần đâ , trên thế giới cũng như Việt Nam đã xâ ựng rất nhiều

hồ chứa, đặc biệt à các hồ chứa lợi dụng tổng hợp Những hồ chứa nà đóng vai tr quan trọng trong nền kinh tế quốc ân và sự phát triển của đất nước Hầu hết các hồ chứa đều đa mục tiêu ao gồm ph ng ũ, phát điện và cấp nước tưới Mặc ù khi

xâ ựng bất kỳ hồ chứa nào th qu tr nh vận hành hồ đều được t nh toán đưa ra ngay từ giai đoạn thiết kế Tu nhiên, trong nhiều trường hợp, mục tiêu phát điện và

ph ng ũ ại có những mâu thuẫn trong thực ti n vận hành hồ chứa Đâ cũng à ngu ên nhân mà các hồ chứa không phát hu được những lợi ch như đánh giá trong quá tr nh ập dự án VHHC à một vấn đề phức tạp iên quan đến nhiều biến số quyết định, nhiều mục tiêu cũng như rủi ro đáng kể và không chắc chắn (Oliveira, R and loucks, D.P, 1997) [48] Từ nhiều thế kỷ na , nghiên cứu quản ý và vận hành

hồ chứa uôn phát triển theo thời gian, đáp ứng sự phát triển nhu cầu của xã hội Từ các nghiên cứu đơn giản ượng trữ cấp nước (Ripp , 1883) [50] đến các nghiên cứu phức tạp gần đâ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa theo TGT phục vụ đa mục tiêu (E Fallah-Meh ipour, O Bozorg Ha a , MA Mariño, 2012) [38]

Các nghiên cứu trên thế giới giải quyết ài toán vận hành hồ chứa độc lập cũng như hệ thống hồ rất đa ạng được nhiều chu ên gia ứng dụng những thuật toán điều khiển khác nhau; có thể chia ra thành 2 hướng ch nh, đó à phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô ph ng

a Phương pháp tối ưu hóa

Phương pháp tối ưu được nghiên cứu khá phổ biến đối với hệ thống hồ chứa

đa mục tiêu, đặc biệt à các hồ chứa cấp nước phát điện Mục tiêu của ứng dụng mô

h nh tối ưu à xác định hành ang và các giới hạn vận hành của hồ chứa để kết quả vận hành à tối ưu Kết quả nghiên cứu của các mô h nh tối ưu được sử dụng để lập biểu đồ điều phối tối ưu Đồng thời àm cơ sở cho việc qu định những giới hạn vận hành trong qu tr nh vận hành nhằm đạt được mục tiêu tối ưu và ra qu ết định trong vùng th a hiệp của các mục tiêu tranh chấp

Có nhiều phương pháp tối ưu được áp ụng trong nghiên cứu vận hành hồ chứa, tu nhiên, chỉ có một số phương pháp phù hợp khi giải các ài toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa

Phương pháp phổ biến và hiệu quả để thiết kế và quản ý vận hành hồ chứa độc lập à qu hoạch động ngẫu nhiên, Stochastic D namic Programming (SDP), (Bellman, R E., and Dreyfus, S E, 1962) [35] Phương pháp nà cho phép giải quyết những t nh toán phi tu ến và ngẫu nhiên, tối ưu hóa hệ thống động với những biến đầu vào ngẫu nhiên (Yakowitz, 1982) (Yeh, 1985) Một hạn chế của phương pháp nà à không thể giải quyết dứt điểm những thông tin ên ngoài như à ượng mưa trung nh ngà ha nhiệt độ trung nh ưu vực trừ khi thiết lập một mô h nh toán miêu tả quá tr nh đó Đâ cũng à một hạn chế quan trọng khi bổ sung những

dữ liệu thủ văn hiện có vào hệ thống

Đối với ài toán hệ thống nhiều hồ chứa à một ài toán phức tạp - ài toán không chỉ xem xét “chiều thời gian” mà c n t nh đến “chiều không gian” Mặc ù

có nhiều phương pháp được các nhà nghiên cứu ứng dụng giải quyết, tu nhiên, vẫn chưa ựa chọn được phương pháp nào thực sự ưu việt hơn để xử ý “chiều không gian” Ch nh v thế, việc lựa chọn phương pháp t nh toán ài toán hệ thống hồ chứa

à rất quan trọng, phải xem xét giữa độ tin cậy của lời giải tối ưu với độ khó của phương pháp

Nghiên cứu ài toán tối ưu hóa vận hành hệ thống gồm 4 hồ chứa giả tưởng, các nhà nghiên cứu trên thế giới ứng dụng phương pháp qu hoạch động khác nhau

để giải quyết: Quy hoạch động xấp xỉ iên tục (Dynamic Programming Successive Approximation- DPSA)- (A.J Korsak, R.E Larson, 1970) [34]; Phương pháp qu hoạch động sai phân (Discrete Differentia D namic Programming - DDDP)- (Heidari, 1971) [43]

Việc phân t ch đa mục tiêu trong vận hành quản ý hồ chứa à rất quan trọng

Để phát hu hiệu quả khai thác vận hành cần lựa chọn phương pháp vận hành tối ưu hóa ợi ch của hệ thống như tối đa ượng điện năng, giảm tối thiểu ượng nước thiếu (Raju và Kumar, 1999) Năm 2007, giáo sư Kumar, Ấn độ (Kumar, D N and Reddy, M, J , 2007) [40], ứng dụng thuật toán tối ưu SWARM - tối ưu đàn kiến t m sách ược giải quyết ài toán hệ thống 4 hồ giả tưởng Sau đó, ông đã thử nghiệm thành công cho hệ thống hồ đa mục tiêu (thủy lợi và thủ điện) Bhadra của Ấn Độ Trong nghiên cứu nà , kỹ thuật tối ưu đàn kiến được áp ụng cho một năm điển

h nh, sau đó các mô h nh tương tự được áp ụng cho thời gian ài hơn 15 năm Mô

h nh phát triển ứng dụng cho vận hành hàng tháng, ao gồm hai mô h nh vận hành thời gian ngắn và vận hành thời gian ài Kết quả của nghiên cứu nà chứng minh rằng phương pháp ứng dụng thuật toán tối ưu SWARM giải quyết tốt ài toán vận hành iên hồ chứa hơn thuật toán giải đoán gen, có thể được sử dụng hiệu quả để giải quyết ài toán vận hành hồ chứa, nhất à trong trường hợp vận hành với thời gian ài

Năm 2007 (Wei, C C an Hsu, N S., 2007) [51], thiết lập bộ quy tắc vận hành tối ưu ựa trên qu tắc nhánh câ để kiểm soát ũ theo TGT thử nghiệm đối với hệ thống hồ chứa Tanshui, Đài Loan, với các quá tr nh ự áo thời đoạn 6h và 3 trận ão ịch sử, bao gồm cả Aere, Haima và Nock-ten năm 2004 Kết quả cho thấy giải pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu nà đem ại hiệu quả cắt ũ cao và cho phép u

tr được mực nước cao ở thời kỳ cuối mùa ũ, đảm bảo ung t ch hồ cho cấp nước mùa kiệt

Thuật toán tiến hóa (Evo utionar a gorithms) được ứng dụng rộng rãi trong

ài toán tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu Nhiều thuật toán đã được kiểm tra bằng các mô h nh khác nhau để giải phi tuyến, tuyến t nh ồi và vấn đề hồ chứa đa

chiều (Chang, L C an Chang, F J, 2009) [36] đã sử dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu, (NSGA –II) vào vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ở Đài Loan (gồm hai hồ Shihmen và Feitsui), thiết lập một mô h nh mô ph ng và vận hành hồ chứa theo thời đoạn ngà và t nh toán chỉ số thiếu hụt nước (Shortages Indices –SI) trong suốt thời gian mô ph ng Mục tiêu của việc ứng dụng thuật toán à để àm giảm chỉ

số SI thông qua sách ược vận hành tối ưu hệ thống hồ

Trong một nghiên cứu khác, Chang, L.C ứng dụng thuật GA đề xuất vận hành kiểm soát ũ TGT của một hồ chứa đa mục tiêu (Chaves, P an Chang F J., 2008) [37] Tác giả sử dụng GA như một công cụ t m kiếm để tối ưu hóa nhằm xâ dựng quy tắc vận hành hồ chứa khi có ũ Moh Sharif và Ro in War aw tiến hành ứng dụng thuật toán i tru ền (genetic algorithm – GA) vào vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Nghiên cứu điển h nh cho một hệ thống hồ chứa ở Indonesia bằng xem xét trạng thái ưu vực hiện tại và hai kịch bản phát triển trong tương ai Nghiên cứu đề xuất một mô h nh GA chung cho bất kỳ hệ thống hồ chứa nào Đối với mỗi trường hợp được xem xét trong nghiên cứu nà , các kết quả thuật toán i tru ền à rất gần với tối ưu và kỹ thuật nà ường như à mạnh mẽ, trái ngược với phương pháp ựa trên ập tr nh động, rời rạc của các iến trạng thái à không cần thiết Hơn nữa, không có êu cầu đối với quỹ đạo pha thử nghiệm để bắt đầu t m kiếm bằng cách sử dụng một thuật toán i tru ền Tu nhiên vấn đề phân

t ch độ nhạy của các iến à một nhược điểm của phương pháp nà cần được xem xét giải quyết

Phương pháp kết hợp thuật toán GA với quy hoạch tuyến t nh (LP) được L

F R Reis [41], giới thiệu để t m sách ược vận hành tối ưu cho hệ thống hồ chứa phát điện trong giai đoạn lập dự án với nhiều điều kiện ng chảy ngẫu nhiên (L F

R Reis, G A Wa ters, D Savic an F H Chau hr , 2005) Phương pháp nà cho phép ược giảm các tham số nhờ GA và ằng LP giảm số ượng biến Thuật toán

nà được coi như à qu hoạch động xấp xỉ ngẫu nhiên cho vận hành đa hồ thủy điện, với nhiều lợi thế như à ứng dụng đơn giản, lựa chọn được những thông số hữu ch cho việc vận hành trong tương ai Các thuật toán được đề xuất à một xấp

xỉ ngẫu nhiên để hệ thống hoạt động, với những lợi thế như thực hiện đơn giản và khả năng tr ch xuất các thông số hữu ch cho các qu ết định hoạt động trong tương lai Kết quả ứng dụng phương pháp nà cho một hệ thống thủ điện giả giống như phương pháp qu hoạch động ngẫu nhiên kép (Stochastic Dua D namic Programming – SDDP) mà (Pereira, M.V.F, Pinto, L.M.V.G, 1985) [49] đã gợi ý trước đâ cho thấ phương pháp kết hợp GA –LP tốt hơn nhiều so với SDDP

Kerachian và Karamouz nghiên cứu phát triển một mô h nh từ sự iên kết giữa mô h nh tối ưu hóa GA và mô h nh chất ượng nước hồ chứa, dựa trên hàm mục tiêu của mô h nh tối ưu theo ý thu ết Nash để tối đa hóa độ tin cậy của nguồn nhu cầu cấp hạ u và êu cầu chất ượng nước (Kerachian, R and Karamouz, M, 2007) [39] Kết quả mô h nh tối ưu GA được ứng dụng xâ ựng qu tr nh vận hành cho các hồ chứa Satarkhan ở Iran có xem xét đến chất ượng nước và ượng nước êu cầu Ma ekmohamma i và nnk giới thiệu mạng Ba esian (BN) để t m ra các qu tắc vận hành cho một hệ thống hồ chứa đa mục tiêu (tưới tiêu và ph ng ũ), với tài iệu thủ văn đầu vào theo thời đoạn tháng, mực nước hồ chứa hàng tháng và

êu cầu nước hạ du (Manoutchehr Heidari, Ven Te Chow, Dale D Meredith, Petar

V Kokotović, 1971) [43] Các mô h nh tối ưu chế độ vận hành ài hạn (theo tháng) được xâ ựng nhằm mục đ ch giảm thiểu thiệt hại o ũ ụt và thiếu hụt nước cho nông nghiệp Một mô h nh tối ưu thời đoạn ngắn (theo giờ) kết hợp với mô h nh ước t nh thiệt hại ũ ụt

Mạng tr tuệ nhân tạo (Artificial Neural Networks – ANN) được Chaves, P

và Chang, F.C đề xuất ứng dụng xâ ựng quy tắc vận hành hồ chứa Shihmen (với

5 biến ra quyết định) ở Đài Loan để xem xét t nh ứng dụng và khả thi của nó Với

ưu điểm d àng xử ý các iến điều kiển và t thông số, ANN đem ại hiệu quả vận hành của hồ chứa cao hơn khi so sánh với các qu tắc hoạt động hiện tại Kết quả nghiên cứu cũng chứng minh rằng mạng ANN hoàn toàn có khả năng giải quyết ài toán vận hành hồ chứa đa mục tiêu (Chaves, P an Chang F J., 2008) [37]

E ferchichi và nnk tr nh à một phương pháp phân t ch đầ đủ về sự khác biệt giữa cung và cầu Các hoạt động của hồ chứa trong một hệ thống thủy lợi theo

êu cầu sử dụng một phương pháp ngẫu nhiên ựa trên thuật toán GA (E ferchichi, 2009) [46] Mô h nh xác định đầ đủ đường quá tr nh ng chả để đảm bảo các

qu định tối ưu các hồ chứa trong thời gian cao điểm Mô h nh nà đã được áp ụng

và thử nghiệm trên các hệ thống tưới Sinista Ofanto (Foggia, Italy)

Một kỹ thuật tối ưu hóa được gọi à mật ong-ong giao phối đã được tr nh à bởi Afshar và nnk trong việc xử ý các hồ chứa duy nhất các vấn đề tối ưu hóa hoạt động (Afshar, 2007) [45] Quá tr nh giao phối mật ong-ong đã được coi à một phương pháp tiếp cận dựa trên đặc trưng ầ để tối ưu hóa trong đó các thuật toán

t m kiếm được lấy cảm hứng từ quá tr nh thực giao phối mật ong-ong Kết quả của

họ có thể so sánh với kết quả của quy hoạch tuyến t nh tru ền thống phát triển tốt (LP) giải quyết như LINGO 8.0

b Phương pháp mô phỏng

Phương pháp tối ưu và phương pháp mô ph ng thường được kết hợp để phân

t ch ời giải tối ưu của ài toán đặt ra Phương pháp tối ưu mặc ù có ưu điểm à t m

ra được phương thức khai thác tối ưu hệ thống tài ngu ên nước trong quy hoạch và vận hành hệ thống Tu nhiên, không phải ài toán nào cũng có thể giải được bằng phương pháp tối ưu hóa Trong hầu hết các ài toán hệ thống tài ngu ên nước, khi ứng dụng phương pháp tối ưu hóa cần thiết phải giản hóa các quá tr nh của hệ thống, bởi vậy, nghiệm tối ưu t m được có thể không phải à toàn cục Trong trường hợp đó, phương pháp mô ph ng à phương pháp th ch hợp cần được áp ụng để t m

ra phương án tốt nhất trong các phương án có thể Do đó, phương pháp mô ph ng

c n à công cụ kiểm tra nghiệm tối ưu khi áp ụng các phương pháp tối ưu

Phương pháp mô ph ng à phương pháp sử dụng các mô h nh mô ph ng để đánh giá chất ượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nó Sự phân t ch chất ượng của hệ thống được tiến hành ằng cách đưa ra tất cả những t nh huống hoặc phương án có thể và phân t ch tất cả phản ứng của hệ thống mà ta quan tâm tương ứng với các t nh huống đã đặt ra Theo sự phân t ch đó người nghiên cứu lựa chọn nghiệm của ài toán trong số các t nh huống đã đặt ra

Mô h nh mô ph ng giúp cho người nghiên cứu phát hiện các qu uật vận động của hệ thống khi cần quyết định những tác động cần thiết ên hệ thống theo mục tiêu khai thác của m nh

Quản ý hệ thống hồ chứa theo các mô h nh vận hành ằng mô h nh mô

ph ng à hướng phát triển hiện đại được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đâ

và ngà càng được hoàn thiện Có các mô h nh phổ biến như mô h nh 3,

HEC-5, HEC-RESSim, MIKE11, MIKE-BASIN, WEAP, HEC-HMS … à những mô

h nh điển h nh được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong đó HEC-RESsim và MIKE11 à hai mô h nh có mô ph ng vận hành hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp nên có thể áp ụng cho các ài toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Mô

h nh MIKE 11 cho phép mô ph ng ài toán vận hành hố chứa mùa ũ, tu nhiên

việc mô ph ng vân hành hồ chứa trong thời kỳ mùa kết vẫn chưa được t ch hợp Mô

hình HEC-RESSIM à ạng mô h nh mô ph ng hệ thống di n toán ng chả sông

ng i theo tr nh tự từ thượng ưu xuống hạ ưu Mô h nh có thể mô ph ng một hoặc nhiều hồ chứa àm nhiệm vụ ph ng ũ, cấp nước, phát điện, v.v Các êu cầu về nước có thể được chỉ định tại hồ và tại vị tr ở hạ du (gọi à các điểm kiểm soát) Mô

h nh HEC-RESSIM cũng như mô h nh MIKE 11 có nhược điểm à không thể ùng

Bosona T.G [52] đã phát triển mô h nh mô ph ng Powersim ứng dụng cho hệ thống thủ điện Me ka Wakana Nhà má ở Ethiopia Các kết quả phân t ch mô

ph ng chỉ ra rằng việc sản xuất năng ượng hàng năm đã tăng 5,67% Cheng tian [53] xâ ựng mô h nh mô ph ng nhằm trợ giúp ra qu ết định trong vận hành

Chun-hệ thống các hồ chứa thủ điện của Trung Quốc Kim SeungKwn [54] đã phát triển

mô h nh mô ph ng vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa ũ theo TGT tại ưu vực sông Hàn, Hàn Quốc

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trong nước

T m kiếm lời giải cho ài toán vận hành các hồ chứa đa mục tiêu đang được nhiều nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu bởi những mâu thuẫn lợi ch vốn có của nó Hiện na , các hồ chứa đều đang vận hành theo iểu đồ điều phối với giả thiết coi ng chả có t nh chu kỳ, ng chả tương ai sẽ lặp lại như đã xảy ra trong quá khứ để xâ ựng các đường quy tắc vận hành Việc nghiên cứu xâ ựng

qu tr nh vận hành thường do Bộ Công thương, Bộ Tài ngu ên và Môi trường hay

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn chủ tr Đã có rất nhiều nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu đưa ra các giải pháp vận hành hồ chứa đơn và đa mục tiêu khác nhau àm cơ sở khoa học và thực ti n giúp các nhà ch nh sách đưa ra các qu tr nh vận hành hồ chứa

Long, N.L và nnk (2007) [44] đưa ra các qu tắc vận hành tối ưu hồ chứa

H a B nh với mục tiêu tối đa hóa phát điện và ph ng ũ cho vùng đồng bằng hạ du (Long, N L, Ma sen, H., an Ros jerg, D., 2007) Xung đột giữa mục đ ch phát điện và ph ng ũ xả ra trong quá tr nh t m kiếm quy tắc vận hành đặc biệt vào thời

kỳ chuyển tiếp cuối mùa ũ đầu mùa kiệt Sử dụng kết hợp mô h nh mô ph ng MIKE 11 và mô h nh tối ưu SEC (shuff e comp ex evo ution), các tác giả đã đưa

ra đề xuất phương án giải quyết mâu thuẫn trong thời kỳ nà t m ra quỹ đạo tối ưu (parato) điều khiển vận hành hồ H a B nh

Nguy n Thế Hùng, Lê Hùng (2011) [14] nghiên cứu lập chương tr nh t nh để giải ài toán tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu (ph ng ũ, cấp nước và phát điện

…) ựa trên các mô h nh có sẵn và ứng dụng kỹ thuật tối ưu qu hoạch động (QHĐ) Nghiên cứu ứng dụng cụ thể cho hai hồ chứa đa mục tiêu à hồ Định B nh

và hồ A Vương, với a trường hợp ưu tiên khác nhau

Hà Ngọc Hiến và nnk (2010) [13] nghiên cứu phương pháp vận hành chống

ũ cho hệ thống hồ chứa trên sông Đà và sông Lô theo thời gian thực (Hà Ngọc Hiến, Nguy n Hồng Phong, Trần Thị Hương, 2010) Với a tiêu ch à tối đa tổng

ung t ch chống ũ c n ại của các hồ, mực nước hồ âng đều; tối đa tổng ung t ch chống ũ c n ại của các hồ và mực nước hạ du; tổng ung t ch chống ũ c n ại của các hồ chứa đi theo một quỹ đạo đã xác định Kết quả nghiên cứu cho thấy sự ưu việt của vận hành hệ thống hồ theo TGT cho hiệu quả cao

Hoàng Thanh Tùng (2012) [28] đã nghiên cứu xâ ựng phương án t ch hợp

mô h nh ự áo mưa ũ và mô h nh vận hành hành hệ thống hồ chứa để giải quyết

ài toán vận hành phối hợp các hồ chứa ph ng ũ theo TGT, nghiên cứu ứng dụng cho ưu vực điển h nh à ưu vực sông Cả Đưa ra phương pháp áp ụng hiệu quả mạng ANN với thuật toán quét ngược (BPNN) bằng việc sử dụng thuật toán giải đoán ghen GA trong quá tr nh t m cấu trúc mạng tối ưu Với nghiên cứu vận hành

hệ thống hồ chứa, tác giả đã ựa chọn hướng tiếp cận kết hợp giữa mô h nh mô

ph ng (HEC-HMS, HEC-ResSim) với mô h nh điều khiển hệ thống trong đó sử dụng cả hai phương pháp ”Ẩn” và ”Hiện” để xác định các ưu tiên vận hành cho từng hồ trong hệ thống

Tô Thú Nga, (2013) [18] đã nghiên cứu thiết lập chương tr nh t nh toán mô

ph ng ũ từ việc t ch hợp a mô h nh: mô h nh mưa ng chả , mô h nh vận hành

hồ chứa và i n toán ũ trong sông cho vùng thượng u sông Vu Gia – Thu Bồn phục vụ cho dự áo ũ với thời gian dự kiến từ 3 đến 5 ngà àm cơ sở cho việc xác định chế độ vận hành hồ chứa theo TGT Với công cụ mô h nh mô ph ng đã thiết lập, xâ ựng một qu tr nh vận hành theo TGT nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm

ũ, xả ũ an toàn và đảm bảo an toàn t ch nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước

hạ du Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng mô h nh mô ph ng mà tác giả xâ ựng

có thể áp ụng cho công tác ự áo ũ và vận hành an toàn các hồ chứa ph ng ũ trên ưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn

Hà Văn Khối, Hồ Ngọc Dung (2013) [11] đã xâ ựng mô h nh t nh điều tiết phát điện và cấp nước cho hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp Tu nhiên mô h nh

nà mới chỉ áp ụng cho hệ thống hồ bậc thang với mục đ ch phát điện à chủ yếu

Hoàng Thanh Tùng, Hà Văn Khối, Nguy n Thanh Hải (2013) [27], đã ứng dụng Cr sta a t nh chế độ vận hành tối ưu phát điện cho hồ chứa Thác Bà, Tu ên Quang và ậc thang hồ chứa Sơn La, H a B nh có t nh đến êu cầu cấp nước hạ du

Hồ Ngọc Dung (2017) [4], Nghiên cứu đã phát triển thuật toán qu hoạch động 2 chiều áp ụng cho ài toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Xâ ựng mô h nh và phát triển phần mềm t nh toán tối ưu vận hành hệ thống

hồ chứa thủ điện có cấu trúc ậc thang đơn, ước đầu đã áp dụng thành công trong

hệ thống hồ chứa Sơn La – H a B nh trên sông Đà Đưa ra tiêu chuẩn lợi ch điện năng có xét đến chế độ àm việc của các trạm thủ điện trong cân ằng phụ tải của

hệ thống điện vào mô h nh ài toán tối ưu chế độ vận hành hệ thống bậc thang trong mùa cạn mang lại t nh hợp ý và hiệu quả của việc vận hành tối ưu

1.2.3 Các nghiên cứu trên lưu vực sông Ba

Lưu vực sông Ba à một trong những ưu vực nội địa lớn nhất Việt Nam Lưu vực sông Ba rộng khoảng 13.900km2 thuộc các tỉnh Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên và một phần nh thuộc tỉnh Kon Tum Đặc điểm kh hậu và địa h nh ở ưu vực sông Ba rất đặc biệt o địa h nh ị chia cắt mạnh của ã Trường Sơn tạo ra Trên sông Ba

đã xâ ựng nhiều hồ chứa lớn như hồ Sông Hinh, hồ Ayun Hạ, hồ Sông Ba Hạ, hồ Krông H’Năng và cụm hồ An Khê-KaNak Ngoài ra, c n có hàng chục các hồ chứa

nh được xâ ựng và các cụm trạm ơm tưới dọc các sông ch nh cấp nước cho công nghiệp và sinh hoạt Vấn đề quản ý và sử dụng nước hợp ý ưu vực sông Ba

à ài toán phức tạp nên đã có nhiều dự án và đề tài nghiên cứu được thực hiện

Đề tài “Nghiên cứu giải pháp tổng thể sử dụng hợp lý tài nguyên và bảo vệ

môi trường lưu vực sông Ba và sông Kône” do Nguy n Văn Cư [2] chủ tr Đề tài

đã xâ ựng và đề xuất mô h nh quản ý tổng hợp ưu vực sông Ba và sông Côn, đưa ra định hướng quy hoạch sử dụng hợp ý đối với từng loại tài ngu ên trong đó

có tài ngu ên nước

Đề tài “Đánh giá tổng hợp tài nguyên nước và quy hoạch thủy lợi - thủy điện

lưu vực sông Côn - sông Ba đến năm 2010 – 2020” thuộc đề tài: Nghiên cứu giải

pháp tổng thể sử dụng hợp ý tài ngu ên và ảo vệ môi trường ưu vực sông Ba và

sông Côn o GS.TS Ngô Đ nh Tuấn [29] chủ tr Đã đánh giá tổng hợp toàn ộ TNN cũng như qu hoạch thủy lợi - Thủ điện trên ưu vực sông Ba và sông Côn năm 2010 – 2020, đã tiến hành t nh toán CBN trên ưu vực hai sông và phân t ch một số vấn đề cần ưu ý trong việc quy hoạch, đồng thời đưa ra các giải pháp để quản ý tài ngu ên nước

Đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp tính toán ngưỡng khai

thác sử dụng nguồn và dòng chảy môi trường, ứng dụng cho lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc” thuộc chương tr nh quản ý tài ngu ên, ảo vệ môi trường và

ph ng chống thiên tai o Ngu n Văn Thắng [23] chủ tr Đề tài đã tiến hành xâ dựng cơ sở khoa học và phương pháp t nh toán ng chả môi trường và ngưỡng khai thác sử dụng nguồn nước của ưu vực

Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ kỹ thuật giải quyết tranh chấp

tài nguyên nước lưu vực sông Ba” do Huỳnh Thị Lan Hương [15] chủ tr Đề tài đã

điều tra, thu thập, tổng hợp, phân t ch các thông tin, số liệu về điều kiện tự nhiên, KTXH hiện trạng, bảo vệ, khai thác tài ngu ên nước và t nh h nh quản ý, ảo vệ tài ngu ên nước trong phạm vi ưu vực sông Ba Nghiên cứu đã xâ ựng một công cụ hữu ch cho việc thiết lập hệ thống phân ổ nguồn nước, góp phần trong công tác quản ý tài ngu ên nước cho ưu vực sông Ba, tạo cơ sở cho việc phát triển mở rộng các ưu vực khác của Việt Nam nói chung

Đề tài “Phân tích hệ thống tài nguyên nước và đề xuất các giải pháp phân

bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sông Ba” o Vũ Thành Tâm, Đỗ Tiến Hùng, Trần

Thành Lê [21] àm chủ nhiệm Đề tài đã sử dụng mô h nh Qu hoạch và Đánh giá tài ngu ên nước, sử dụng mô h nh WEAP mô ph ng và phân t ch hoạt động của một số thành phần thuộc hệ thống tài ngu ên nước ưu vực sông Ba Đề tài đã đưa

ra các giải pháp nhằm tăng khả năng đáp ứng nhu cầu ùng nước của các đối tượng, các địa phương trên ưu vực giai đoạn 2011 – 2020 mà không àm tha đổi, điều chỉnh cơ sở hạ tầng cung ứng nước hiện có trên ưu vực

Đề tài “Phân tích hệ thống tài nguyên nước và đề xuất các giải pháp phân

bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sông Ba” do Nguy n Hữu Khải [23] àm chủ nhiệm

Đề tài đã nghiên cứu đưa ra đề xuất qu tr nh vận hành iên hồ chứa trên ưu vực sông Ba mùa kiệt và mùa ũ Nghiên cứu đã ứng dụng bộ công nghệ điều hành hệ thống MIKE và HEC-RESSIM mô ph ng t nh toán để đưa ra ngu ên tắc vận hành iên hồ chứa trên ưu vực sông Ba

Dự án “Đánh giá tác động của BĐKH đến TNN và đề xuất giải pháp thích

ứng” do Viện Khoa học KTTV và MT – Bộ TN&MT chủ tr thực hiện Dự án đã

xâ ựng cơ sở dữ liệu về tài ngu ên nước (TNN), xâ ựng các kịch bản BĐKH cho các khu vực trên cả nước, xâ ựng phương pháp đánh giá tác động BĐKH đến TNN và cơ sở khoa học xác định giải pháp ứng phó với BĐKH trong ĩnh vực TNN Kết quả nghiên cứu của dự án à nguồn tư iệu tham khảo vô cùng quý giá giúp tác giả đi thẳng vào vấn đề nghiên cứu Ngoài các nghiên cứu trên, c n nhiều đề tài nghiên cứu về TNN ưu vực sông Ba

Viện quy hoạch thủy lợi 2018 [32] đã ập áo cáo điều chỉnh quy hoạch thủy lợi ưu vực sông Ba và vùng phụ cận giai đoạn 2025 và tầm nh n 2035, nghiên cứu nhu cầu tưới, cấp nước nhằm t nh toán xác định các phương án cấp nước cho các ngành ân sinh, công nghiệp, nông nghiệp, môi trường

Bộ Tài ngu ên và Môi trường [33] đã xâ ựng qu tr nh vận hành iên hồ chứa các hồ chứa Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H'năng, A un Hạ và An Khê - KaNak trong mùa cạn, 2013 và chỉnh sửa, bổ sung tại Quyết định số 878/QD-TTg ngà 08/7/2018 của Thủ tướng ch nh phủ, theo đó trong thời gian mùa cạn các hồ chứa thủ điện phải điều tiết nước xuống hạ u theo các ưu ượng cố định Tuy nhiên, vẫn c n nhiều vấn đề gâ tranh cãi và tiếp tục cần được nghiên cứu

Lương Hữu Dũng 2016 [5] đã thực hiện luận án "Nghiên cứu cơ sở khoa học

phục vụ VHHTLHC kiểm soát lũ lưu vực sông Ba”, đã tập trung vào nghiên cứu xác

định ngu ên tắc VHHTLHC kiểm soát ũ, an toàn hạ u và đảm bảo hiệu quả sử dụng nước Thiết lập được ài toán vận hành điều tiết cắt giảm ũ cho hệ thống iên

hồ chứa trên ưu vực sông Ba theo hướng điều chỉnh nhiệm vụ ph ng ũ các hồ chứa trong hệ thống nhưng vẫn đảm bảo sự hài h a với mục tiêu phát điện và cấp nước đã được xác định trong giai đoạn thiết kế Ngoài ra, uận án c n xác ập cơ sở

khoa học cho việc xác định ung t ch trữ ũ, qu tắc phối hợp vận hành cắt giảm ũ cho hạ du của hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba, đề xuất điều chỉnh nội dung vận hành của Qu tr nh vận hành iên hồ chứa trong thời kỳ mùa ũ trên ưu vực sông Ba

Lê Đức Thường 2016 [24] đã thực hiện luận án "Nghiên cứu quản lý bền

vững tài nguyên nước lưu vực sông Ba trong bối cảnh Biến đổi khí hậu” thực hiện

đã nghiên cứu đánh giá được hiện trạng tài ngu ên nước ưu vực sông Ba, tổng ượng nước đến và nhu cầu ùng nước của các vùng trên ưu vực, định ượng sự tha đổi tài ngu ên nước ưới tác động của BĐKH, đánh giá được thực trạng phát triển tài ngu ên nước và đã xác định chỉ số d tổn thương tài ngu ên nước trên ưu vực sông Ba và đã xâ ựng qu tr nh t ch hợp vấn đề BĐKH trong công tác quản

ý tổng hợp tài ngu ên nước ưu vực sông àm cơ sở kiến nghị việc lồng ghép các giải pháp thịch ứng với BĐKH trên ưu vực sông Ba

Nguy n Thị Thu Nga (2017) [16], Nghiên cứu đã ứng dụng mô h nh tối ưu trong đánh giá, phân ổ nguồn nước trong ưu vực sông, ượng hóa được quan hệ giữa thủ văn và kinh tế cho ưu vực sông Ba trong mối ràng uộc về tự nhiên, kết cấu hạ tầng, môi trường và xã hội Đánh giá hiệu ch kinh tế của một số ch nh sách

dự kiến trong quy hoạch và quản ý tài ngu ên nước, từ đó đề xuất các iện pháp tăng cường hiệu quả trong khai thác sử dụng nước trên ưu vực sông Ba

Lê Ngọc Sơn (2017) [20] Nghiên cứu cơ sở khoa học t ch hợp mô ph ng tối

ưu tr tuệ nhân tạo trong vận hành hệ thống chứa đa mục tiêu, áp ụng vận hành hệ thống hồ chứa cho ưu vực sông Ba nhằm nâng cao hiệu quả phát điện trong mùa cạn

Trên đâ à một số nghiên cứu điển h nh về quản ý, qu hoạch tài ngu ên nước trên ưu vực sông Ba Nh n chung, các nghiên cứu nà đã thu được nhiều kết quả có giá trị về mặt khoa học và thực ti n, đã góp phần không nh vào việc ph ng chống, giảm nhẹ thiên tai Các công tr nh khoa học nà sẽ à nguồn tư iệu quý để phục vụ mục tiêu của luận án

1.3 Nhận xét chung về các nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định hướng nghiên cứu của luận án

1.3.1 Về phương pháp luận

Tổng quan t nh h nh nghiên cứu thế giới cho thấy trong thời gian qua đã phát triển mạnh về công cụ t nh toán cũng như các công tr nh nghiên cứu Do hệ thống sông mỗi ưu vực có đặc thù riêng, trong hệ thống hồ chứa, mỗi hồ chứa có những mục tiêu khác nhau, dẫn đến cách tiếp cận mỗi nơi điều khác nhau Có thể thấy ài toán vận hành hệ thống hồ chứa nh n chung phụ thuộc vào đặc điểm hệ thống của từng ưu vực sông, các mục tiêu khác nhau của hệ thống hồ chứa trên ưu vực đó, điều kiện về số liệu đo đạc từ đó mới có thể đưa ra sách ược vận hành cụ thể phù hợp cho mỗi ưu vực khác nhau

Như trên đã tr nh à , hiện na trên thế giới h nh thành hai hướng nghiên cứu ch nh về vận hành hồ chứa: phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô ph ng Phương pháp tối ưu hóa vẫn đang phát triển theo nhiều hướng khác nhau và việc ứng dụng trong thực tế vẫn c n hạn chế Phương pháp mô ph ng hiện tại vẫn được

sử dụng rộng rãi trong quá tr nh ra qu ết định vận hành hệ thống hồ chứa Tuy nhiên, những phần mềm có sẵn có thể không phù hợp với điều kiện cụ thể của ưu vực sông hoặc c n những hạn chế nhất định trong quá tr nh sử dụng

Hiện na có nhiều mô h nh có sẵn được sử dụng trong quy hoạch, quản ý nước trên ưu vực sông và vận hành hồ chứa như MIKE11, MIKE-BASIN, HEC-RESSIM, WEAP à những mô h nh điển h nh được sử dụng rộng rãi trên thế giới Các mô h nh nà cũng đã được nghiên cứu trong quy hoạch, quản ý nước cho các

ưu vực sông ở Việt Nam trong đó có ưu vực sông Ba Trong các mô h nh đã iệt kê trên đâ , mô h nh HEC-RESSIM và mô h nh MIKE 11 à 2 mô h nh th ch hợp nhất cho việc hỗ trợ ra quyết định trong quá tr nh vận hành hệ thống hồ chứa Bởi vậy, trên cơ sở ý tưởng mô ph ng của hai mô h nh trên, uận án tập trung nghiên cứu phát triển một mô h nh riêng th ch hợp cho quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba

1.3.2 Về thực trạng nghiên cứu vận hành hồ chứa ở lưu vực sông Ba

Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng các phần mềm và mô h nh có sẵn để phân t ch và xâ ựng chế độ vận hành hệ thống hồ chứa Từ đó xâ ựng qu tr nh vận hành hồ chứa hoặc iên hồ chứa Rất

t các nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực Khi VHHTLHC trên ưu vực sông, các đơn vị tư vấn cũng đã phát triển mô h nh vận hành cho riêng

m nh Tu nhiên, trong quá tr nh vận hành vẫn phải có sự hỗ trợ của các phần mềm khác nữa Hiện nay, hầu hết các ưu vực sông, trong đó có ưu vực sông Ba, chưa có

mô h nh vận hành hồ chứa để hỗ trợ ra quyết định trong quá tr nh VHHTLHC

Cho đến nay, vấn đề quản ý nước và vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa cạn đối với hệ thống công tr nh hồ chứa trên sông Ba chưa được nghiên cứu Khó khăn nhất trong công tác vận hành các hồ chứa TKMK à sự hạn chế về dự áo kiệt trên hệ thống sông Có thể nói, các ự áo kiệt trên ưu vực sông Ba không đáp ứng được công tác vận hành các hồ chứa trên sông Ba Các qu định trong Quyết định vận hành iên hồ chứa số 878/QĐ-TTg c n nhiều hạn chế và hiệu quả chưa cao đối với các hồ chứa phát điện

Do những hạn chế nêu trên, việc nghiên cứu xâ ựng mô h nh toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu TKMK cho ưu vực sông Ba có ý nghĩa thực

ti n và cần được nghiên cứu

1.3.3 Định hướng nghiên cứu của luận án

1 Trên cơ sở phân t ch trên đâ , đề tài tiếp cận theo hướng xâ ựng một mô

h nh mô ph ng có khả năng ự áo nước đến thời kỳ mùa kiệt và hỗ trợ ra quyết định vận hành, áp ụng cho ưu vực sông Ba àm ưu vực nghiên cứu điển h nh Mô

h nh sẽ được xâ ựng trên cơ sở kế thừa phương pháp uận của các mô h nh đã có

và khắc phục những hạn chế gâ khó khăn khi sử dụng các mô h nh nà trong VHHTLHC Mô h nh được dự kiến được thiết lập có t nh năng như sau:

- Có khả năng t nh toán được ượng trữ của ưu vực tại các nút hồ chứa và nhập ưu tại thời điểm cuối mùa ũ, àm cơ sở dự áo và đánh giá, nhận dạng

ng chảy thời kỳ mùa kiệt kế tiếp, phục vụ cho lập kế hoạch ùng nước và vận hành hệ thống hồ chứa trong thời kỳ mùa kiệt

- Có khả năng hỗ trợ ra quyết định khi vận hành hệ thống hồ chứa cấp nước và phát điện theo thời gian thực đối với ưu vực sông Ba

Để đảm bảo êu cầu nà , mô h nh sẽ được xâ ựng trên cơ sở t ch hợp các mô

ph ng cân ằng nước, điều tiết vận hành hệ thống hồ chứa và mô h nh mưa - ng chả để t nh toán nước đến từ tài iệu đo mưa

2 Ứng dụng mô h nh đã xâ ựng đánh giá cân ằng nước hệ thống và t nh toán vận hành hệ thống hồ chứa theo các kịch bản vận hành hồ chứa trên ưu vực sông

2 Hiện na có khá nhiều mô h nh mô ph ng đã được phát triển và ứng dụng trong thực tế Tu nhiên, các mô h nh nà phần lớn được ứng dụng trong nghiên cứu quy hoạch hệ thống tài ngu ên nước Mỗi mô h nh đều có những hạn chế nhất định nên việc ứng dụng trong vận hành hệ thống hồ chứa theo th i gian thực gặp khó khăn Do đó, các nghiên cứu về phát triển các mô h nh mô ph ng ưu vực sông vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, đồng thời cũng có xu hướng nghiên cứu phát triển một mô h nh riêng, phù hợp với điều kiện thực tế và thuận lợi trong quá tr nh nghiên cứu của ài toán đặt ra Bởi vậy, định hướng của đề tài uận án về việc xâ dựng một mô h nh mô ph ng phù hợp với ài toán vận hành hệ thống hồ chứa cấp nước và phát điện trên ưu vực sông Ba và các ưu vực khác có điều kiện tương tự à một hướng nghiên cứu hợp ý và cần thiết

3 Đã nêu được tổng quan về t nh h nh nghiên cứu tài ngu ên nước nói chung

và vận hành điều tiết hồ chứa, đã phân t ch được các ưu, nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu cũng như các mô h nh mô ph ng CBN và điều tiết hồ chứa hiện nay, từ đó định hướng nghiên cứu của luận án

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỒ CHỨA

TRÊN SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT

2.1 Giới hạn địa lý lưu vực sông Ba

Khu vực nghiên cứu thuộc ưu vực sông Ba, bao gồm địa giới hành ch nh của

26 huyện, thị và thành phố Trong đó có 12 hu ện, thị thuộc tỉnh Gia Lai à thị xã

An Khê, thị xã A un Pa, các hu ện Mang Yang, Phú Thiện, Đăk Pơ, Ia Pa, Chư Pưh, Kông Chro, Chư Sê, KBang, Đăk Đoa và Krông Pa; 5 huyện thuộc tỉnh Đăk Lăk à huyện Ea H’ eo, Krông H’Năng, Ea Kar, M’Đrăk và thị xã Buôn Hồ; 9 huyện, thị xã, thành phố thuộc tỉnh Phú Yên à thành phố Tu H a, thị xã Sông Cầu, các hu ện Sơn Hoà, Phú H a, Tâ H a, Đông H a, Sông Hinh, Đồng Xuân và huyện Tuy An Diện t ch tự nhiên à 16.471 km2

Có tọa độ địa ý như sau:

- Từ 12°26'05" đến 14°36'38" Vĩ độ Bắc;

- Từ 108°00'28" đến 109°27'12" Kinh độ Đông

Được giới hạn bởi:

- Ph a Bắc, Tâ Bắc giáp ưu vực sông Sê San (tỉnh Kon Tum) và ưu vực sông Kôn (tỉnh B nh Định)

- Ph a Tâ , Tâ Nam giáp ưu vực sông Srêpôk (tỉnh Đăk Lăk), ưu vực Cái Ninh H a (tỉnh Khánh H a)

- Ph a Nam giáp ưu vực sông suối nh huyện Vạn Ninh, tỉnh Khánh H a

- Ph a Đông giáp iển Đông

2.2 Đặc điểm sông ngòi

Lưu vực sông Ba có 36 phụ ưu cấp I, 54 phụ ưu cấp II, 14 phụ ưu cấp III Trong đó có các ưu vực sông ớn à sông Ia Pi Hao, sông Đak Pô Kô, Ia Yun, Krông H’Năng và Sông Hinh Lưu vực sông Kỳ Lộ có 11 phụ ưu cấp I, ưu vực sông Bàn Thạch (Đà Nông) có 2 phụ ưu cấp I à Suối Thoại và Sông Mới

a Sông Iayun

Ia un à một sông nhánh ớn nhất của sông Ba có iện t ch ưu vực à 2.950 km2

và chiều ài sông à 175 km

Hình 2.1: Bản đồ vùng nghiên cứu (Nguồn [1])

Sông ắt nguồn từ vùng núi cao từ 1500 đến 1700 m, chả theo hướng Bắc Nam đến Chư Sê và sau đó chuyển hướng Tâ Bắc - Đông Nam đến Cheo Reo th nhập vào ờ phải sông Ba Sông IaYun có ượng mưa năm khoảng 1.600 mm, mô

u n ng chả trung nh nhiều năm 18 /s km2 và chiếm khoảng 17,5% tổng ượng nước đến của ưu vực sông Ba

b Sông Krông H’Năng

Krông H’Năng à sông nhánh ớn thứ hai của sông Ba có iện t ch ưu vực à 1.840 km2 và chiều ài sông à 130 km Sông Krông H’Năng bắt nguồn ở vùng núi cao trên 1000m thuộc huyện Krông H’Năng của tỉnh Đăk Lăk Do địa h nh phức tạp nên hướng chảy của sông nà gần như h nh v ng cung, đoạn đầu theo hướng Bắc- Nam, sau đó chu ển sang hướng Tâ Bắc- Đông Nam rồi lại chả ngược ên gần như hướng Nam - Bắc để nhập vào sông Ba Lượng nước của sông nhánh Krông H’Năng đổ vào sông Ba chiếm khoảng 12,5% tổng ượng nước của toàn ưu vực sông Ba

c Sông Hinh

Với diện t ch ưu vực à 1.040 km2 và chiều ài sông à 88 km, à sông nhánh lớn thứ ba của sông Ba Sông Hinh ắt nguồn từ đỉnh núi Chư Hmú cao 2.051m chả theo hướng Tâ Nam - Đông Bắc, đến gần thị trấn Củng Sơn th nhập vào ờ phải sông Ba Do có địa h nh núi cao chắn gió nên sông Hinh có ượng mưa tương đối lớn hơn các nhánh sông khác với ượng mưa năm trung nh khoảng 2.600 mm

và mô đun ng chả trung nh nhiều năm à khoảng 53 l/s km2 Lượng nước của sông Hinh chiếm khoảng 17,4% tổng ượng nước của toàn ưu vực sông Ba

2.3 Phân tích đặc điểm khí hậu và dòng chảy sông ảnh hưởng đến chế độ vận hành các hồ chứa thời kỳ mùa kiệt

2.3.1 Đặc điểm khí hậu

Đại bộ phận lưu vực sông Ba nằm ở ph a Tâ ã Trường Sơn, chỉ có phần

nh ở hạ ưu nằm ph a sườn Đông Trường Sơn Do tác ụng của ã Trường Sơn

mà ưu vực sông Ba chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của hai kiểu kh hậu gió mùa Đông Trường Sơn và Tâ Trường Sơn

 Kh hậu Tâ Trường Sơn

Đặc điểm của kiểu kh hậu nà à o gió mùa Tâ Nam thổi qua vịnh Ben Gan mang theo hơi ẩm vào hàng năm từ tháng V đến tháng X tạo nên các trận mưa giông với một ượng mưa khá phong phú, tạo cho hầu hết ưu vực một mùa mưa ẩm dịu mát Từ tháng XI đến tháng VI năm sau à một mùa khô t mưa, gâ t nh trạng thiếu nước nghiêm trọng

 Kh hậu Đông Trường Sơn

Đặc điểm của kiểu kh hậu nà à sự tác động mạnh mẽ của các nhi u động thời tiết từ biển Đông vào và kết hợp với gió mùa Đông Bắc Hàng năm từ tháng IX đến tháng XII các cơn ão muộn từ biển Đông đổ bộ vào đất liền, gặp ã Trường Sơn ão ị suy yếu tạo thành vùng áp thấp nhiệt đới kết hợp với gió mùa Đông Bắc

gâ mưa ớn ở phần thượng nguồn trên ng ch nh sông Ba và ảnh hưởng khá mạnh

mẽ cho vùng hạ u sông Ba, trên ưu vực sông Hinh và một phần sông Krông H’Năng Phần ưu vực từ thượng nguồn đến An Khê và hạ ưu Sơn Hoà, sông Hinh trở xuống đến cửa ra Về mùa Đông, o gió mùa Đông Bắc kết hợp ão muộn từ biển Đông hoạt động mang hơi ẩm từ biển Đông vào nên ở hai phần ưu vực kể trên vẫn có mưa nhưng với ượng mưa không nhiều

Bão thường xuất hiện từ biển Đông Do tác động chắn gió của dã Trường Sơn nên hàng năm ưu vực sông Ba phần thượng và trung ưu thường không có ão Khi ão từ biển Đông đổ bộ vào gặp dã Trường Sơn àm cho tốc độ gió và tốc độ

di chuyển của ão chậm lại Bão trở thành vùng áp thấp gâ gió mạnh và mưa ớn cho toàn ưu vực sông Ba Riêng phần hạ u ưu vực sông Ba mở ra theo hướng Đông - Tâ nên thuận tiện cho ão tràn vào gâ gió mạnh và mưa ớn ở hạ ưu

Do đặc điểm địa h nh và điều kiện kh hậu mà chế độ mưa của ưu vực sông

Ba khá phức tạp so với các ưu vực ân cận Khi vùng thượng và trung u ưu vực

đã à mùa mưa rồi nhưng vùng hạ du lại đang c n ở thời kỳ khô hạn, khi thượng và trung u đã kết thúc mùa mưa nhưng vùng hạ du vẫn trong thời kỳ mưa ớn Mùa mưa ở vùng thượng và trung u thường đến sớm từ tháng V và kết thúc vào tháng X hoặc tháng XI, kéo ài trong 6-7 tháng Trong khi đó mùa mưa vùng hạ u đến muộn và kết thúc sớm, chỉ kéo ài 3-4 tháng khoảng tháng IX đến tháng XII

2.3.2 Đặc điểm chế độ mưa theo mùa

Sự phân ố mùa mưa trong năm trên ưu vực sông Ba chịu sự chi phối mạnh

mẽ của kh hậu Tâ và Đông Trường Sơn và đặc điểm địa h nh của ưu vực

Nếu coi thời gian mùa nhiều mưa ao gồm những tháng có ượng mưa lớn hơn ượng mưa nh quân tháng trong năm và đạt trên 50% tổng số năm quan trắc

th mùa mưa tại các nơi trên ưu vực sông Ba như sau:

 Khu vực Tâ Trường Sơn

Mùa mưa kéo ài 6 tháng từ tháng V đến tháng X trùng với mùa gió mùa

Tâ Nam hoạt động Lượng mưa cả mùa xấp xỉ 90% ượng mưa năm Tháng VIII

và tháng IX thường có ượng mưa tháng ớn nhất và đạt trên 200 mm/tháng ở nơi t mưa, từ 350 đến 470 mm/tháng ở nơi nhiều mưa Giữa mùa từ tháng I đến tháng III

có nhiều năm không mưa và nếu có th ượng mưa cũng không đáng kể (chỉ 2-10 mm/tháng) và cũng chỉ mưa trong một vài ngà Đại diện cho khu vực nà à trạm

P eiku, Pơ Mơ Rê, Chư Sê…

Trên các h nh từ 2.2.a à iểu đồ phân ố ượng mưa hàng tháng so với ượng mưa năm K = Xtháng/Xnăm của các trạm mưa đại diện Pơ Mơ Rê

Hình 2.2a: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại Pơ Mơ Rê

 Khu vực Đông Trường Sơn

Mùa mưa ngắn chỉ 3-4 tháng, từ tháng IX đến tháng XI hoặc XII hàng năm cùng với thời kỳ gió mùa Đông Bắc và ão muộn hoạt động trên iển Đông Lượng mưa trong mùa mưa ở đâ chiếm 65 – 75% ượng mưa cả năm Mưa ớn thường

xả ra vào tháng X và tháng XI, tháng có ượng mưa ớn có thể đạt trên 600