Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình athen vận hành liên hành hồ chứa lưu vực sông ba

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - Thân Văn Đón NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Mã số: Thủy văn học 60.44.90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HỮU KHẢI Hà Nội-Năm 2011 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan điều tiết hồ chứa 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.3 Một số mơ hình mơ vận hành hồ chứa nghiên cứu phát triển ứng dụng thực tế 10 1.2 Tổng quan điều kiện tự nhiên lưu vực sông Ba 11 1.2.1 Vị trí địa lý điều kiện Khí hậu Thủy văn 11 1.2.2 Mạng lưới sơng ngịi 19 1.2.3 Tình hình tài liệu khí tượng thủy văn 21 1.2.4 Hệ thống hồ chứa lưu vực sông Ba 24 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH ATHEN ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA 26 2.1 Cơ sở phát triển mơ hình Athen điều tiết liên hồ chứa 26 2.2 Lý thuyết mơ hình Athen 29 2.2.1 Các thành phần mơ hình 29 2.2.2 Phương trình diễn tốn 30 2.3 Lý thuyết phương pháp Muskingum 31 2.4 Liên kết mơ hình Athen điều tiết đơn hồ chứa phương pháp Muskingum 34 2.5 u cầu tệp số liệu đầu vào cho mơ hình Athen điều tiết liên hồ chứa 36 Chương ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA 37 3.1 Dữ liệu đầu vào mơ hình 37 3.1.1 Số liệu thủy văn đặc trưng hồ chứa 37 3.1.2 Số liệu nhu cầu sử dụng nước hộ dùng nước 39 3.1.3 Các thông số phương pháp Muskingum 39 3.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 39 ii 3.2.1 Kết hiệu chỉnh mơ hình 40 3.2.2 Kết kiểm định mơ hình 42 3.3 Vận hành điều tiết liên hồ chứa 42 3.3.1 Quy tắc vận hành 42 3.3.2 Thứ tự ưu tiên nhu cầu sử dụng nước 43 3.3.3 Kịch điều hành 44 3.3.4 Kết tính tốn cho năm điển hình 1982 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn tốn sóng lũ qua hồ chứa Bảng 1.2: Dòng chảy kiệt đo trạm thủy văn lưu vực sông Ba 18 Bảng 1.3: Kết đo đạc dịng chảy kiệt số vị trí sông Ba 19 Bảng 1.4: Đặc trưng hình thái lưu vực sơng Ba 20 Bảng 1.5: Danh sách trạm khí tượng thủy văn lưu vực sơng Ba 22 Bảng 3.1: Các đặc trưng hồ chứa sông Ba 38 Bảng 3.2: Bộ thông số mơ hình Muskingum diễn tốn đoạn sơng 41 Bảng 3.2: Các hệ số mơ hình ứng với kịch 44 Bảng 3.3: Các hệ số mơ hình ứng với kịch 45 Bảng 3.4: Các hệ số mô hình ứng với kịch 55 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu diễn dạng đồ thị diễn toán hồ chứa Hình 1.2: Sự cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu xã hội Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sơng Ba tỷ lệ 1/100.000 Hình 1.5: Vị trí hồ chứa lưu vực sơng Ba Hình 2.1: Sơ đồ tổng qt phát triển mơ hình Athen Hình 2.2: Quan hệ λij, zij mơ hình Athen Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán vận hành đơn hồ chứa Hình 2.4: Sơ đồ diễn tốn mơ hình Athen đơn hồ chứa phương pháp Muskingum35 Hình 3.1: Các file số liệu đầu vào Hình 3.2: Đường trình Q~t c Hình 3.3: Đường trình lưu lượng tính tốn thực đo trạm thủy văn Củng Sơn năm 1983 .41 Hình 3.4: Đường q trình lưu lượng tính tốn thực đo trạm thủy văn Củng Sơn năm 1982 Hình 3.5: File số liệu kết đầu sau chạy mơ hình Hình 3.6: Quan hệ đầu mực nước hồ chứa, lượng trữ tổng lượng (ứng với nhu cầu thủy điện mức tối đa, hệ số 0.5) Hình 3.7: Quan hệ đầu sử dụng nước (ứng với nhu cầu thủy điện mức tối đa, hệ số 0.5) Hình 3.8: Quan hệ mực nước tổng lượng đến hồ, tổng lượng nước phát điện ứng với mưc đảm bảovà mực nước hồ chứa sau vận hành Hình 3.9: Quan hệ đầu nhu cầu sử dụng nước (ứng với nhu cầu thủy điện mức đảm bảo, hệ số 1.0) Hình 3.10: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế hộ dùng nước hồ An khê51 Hình 3.11: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế hộ dùng nước hồ Ba Hạ.52 Hình 3.12: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế hộ dùng nước hồ An khê53 Hình 3.13: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế hộ dùng nước hồ Krơng Hnăng 54 Hình 3.14: Quan hệ mực nước hồ sau vận hành, tổng lượng đến hồ, tổng lượng nước phát điện ứng với mức phù hợp Hình 3.15: Quan hệ đầu nhu cầu sử dụng nước ứng với mức phù hợp v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MNDBT: Mực nước dâng bình thường; MNC: Mực nước chết; MNGC: Mực nước gia cường; Vtb: Dung tích tồn bộ; Vhi: Dung tích hiệu dụng; Vc: Dung tích chết; Vpl: Dung tích phịng lũ; Qmaxtbin: Lưu lượng lớn qua tubin vi MỞ ĐẦU Hiện nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa xây dựng, nhiên khả giải tốn thực tế cịn hạn chế Các phần mềm tối ưu nói chung đưa lời giải cho điều kiện biết mà không đưa nguyên tắc vận hành hữu ích Phần lớn mơ hình mơ lại dựa quy tắc vận hành khơng có điều khiển, điều hạn chế cho điều tiết vận hành chống hạn chống lũ Mơ hình Athen mơ hình điều tiết đơn hồ chứa, cho phép điều tiết có điều khiển có mã nguồn mở Do việc nghiên cứu phát triển mơ hình Athen để tính tốn điều tiết liên hồ chứa mùa cạn việc làm cần thiết, nhằm đưa phương án điều tiết liên hồ có sở khoa học chặt chẽ, hy vọng mang lại hiệu mặt kinh tế xã hội Vì Luận văn chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phát triển mơ hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba” I Phạm vi nghiên cứu Luận văn Phạm vi không gian: bao gồm hồ chứa Yayun Hạ, An Khê-Kanak, Krông Hnăng, sông Hinh, Ba Hạ sau hồ chứa cuối trạm thủy văn Củng Sơn Phạm vi thời gian: điều hành hệ thống hồ chứa mùa kiệt II Mục tiêu Luận văn Phát triển mơ hình Athen điều tiết đơn hồ chứa thành liên hồ chứa, áp dụng thử nghiệm lưu vực sông Ba BI Nội dung nghiên cứu chủ yếu Luận văn Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH ATHEN LIÊN HỒ CHỨA Chương 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA Chương 1: TỔNG QUAN Theo nhận định Ủy ban Đê đập Thế giới (World Commision on Dams 2000 [1]), nhiều hệ thống đê đập lớn giới hoạt động không đảm bảo lợi ích kinh tế - xã hội mục tiêu thiết kế đề Điều sơ xuất thiết kế, xây dựng, nhu cầu sử dụng xuất hiện, vấn đề điều hành hệ thống hay thay đổi khí hậu tồn cầu Để phát huy tối đa lợi ích hồ chứa, nghiên cứu cần tập trung vào việc nâng cao hiệu điều hành hồ chứa Các mục tiêu kinh tế xã hội hệ thống hồ chứa chống lũ, phát điện, cấp nước, cảnh quan môi trường, du lịch, thường mục tiêu trái ngược nhu cầu sử dụng lượng nước có sẵn hệ thống hồ Điều dẫn đến tốn phức tạp, cơng cụ tốn học mơ hình máy tính sử dụng để nghiên cứu vấn đề đặt 1.1 Tổng quan điều tiết hồ chứa 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu nhà khoa học, quan quản lý khai thác lưu vực sông giới đầu tư nghiên cứu từ năm 50 60 kỷ 20 Kết nghiên cứu góp phần làm tăng hiệu khai thác hệ thống nguồn nước lưu vực sơng tồn giới, kể đến nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa bang Calionia, Mỹ, nghiên cứu quản lý lưu vực sông Cơ quan quản lý vùng hạ lưu sông Colorado (LCRA), nghiên cứu quan lượng quốc gia Brazin quản lý hệ thống hồ chứa thuỷ điện sông Amazon Mặc dù nghiên cứu từ lâu chưa xác định phương pháp, công cụ chung cho xây dựng quy trình hệ thống liên hồ chứa mùa cạn mà nghiên cứu phụ thuộc nhiều vào đặc thù riêng hệ thống hồ chứa cụ thể a Phương pháp diễn toán hồ chứa Đây phương pháp giai đoạn thiết kế vận hành hồ chứa Diễn tốn dịng chảy (trong có sóng lũ) qua hồ chứa gọi diễn tốn hồ chứa Đó phần quan trọng phân tích hồ chứa mà ứng dụng là: xác định mực nước lớn thời kỳ thiết kế hồ chứa, thiết kế cơng trình xả tràn cửa xả nước phân tích sóng lũ vỡ đập Một hồ chứa kiểm sốt khơng kiểm sốt Hồ chứa kiểm sốt cơng trình xả tràn với khoang tràn khống chế cửa van để kiểm sốt dịng chảy Cơng trình xả tràn hồ chứa khơng kiểm sốt cơng trình tràn tự khơng có cửa van để khống chế lượng xả Hình 1.1: Biểu diễn dạng đồ thị diễn tốn hồ chứa Một vài phương pháp diễn tốn sóng lũ qua hồ chứa xây dựng, bảng sau: Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa b Vận hành hồ chứa Sử dụng hiệu tài nguyên nước yêu cầu không thiết kế đắn mà quản lý cách sau xây dựng Biswas (1991) ước lượng giá đơn vị nước từ dự án cung cấp nước đô thị hệ thường cao - lần hệ Do đó, bắt buộc tất dự án phải quản lý cách tốt Một mô tả khái niệm cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu xã hội đưa hình 1.2 Điều hành hồ chứa phần quan trọng quy hoạch quản lý tài nguyên nước Sau xây dựng, hướng dẫn chi tiết đưa đến cho người điều hành để đưa định Chính sách (quy trình) vận hành hồ chứa xác định lượng xả từ lượng trữ thời điểm phụ thuộc vào trạng thái hồ chứa, mức yêu cầu cấp nước thơng tin lượng dịng chảy đến hồ chứa Bài toán vận hành cho hồ chứa đơn mục tiêu định quy trình tháo từ hồ chứa cho lợi ích cho mục tiêu tối đa Hình 1.2: Sự cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu xã hội Nguồn: dịch sách P.V.Singh (2004), Water resourcess system planning and management Elsevier Với hồ chứa đa mục tiêu, yêu cầu phân phối tối ưu lưu lượng tháo mục tiêu Sự phức tạp toán vận hành hồ chứa phụ thuộc vào quy mô mà mục tiêu mong muốn tương thích với Nếu mục tiêu tương thích, cần nỗ lực phối hợp mục tiêu 98 99 100 101 102 103 02/08/1982 03/08/1982 04/08/1982 05/08/1982 06/08/1982 07/08/1982 08/08/1982 09/08/1982 10/08/1982 11/08/1982 12/08/1982 13/08/1982 14/08/1982 15/08/1982 16/08/1982 17/08/1982 18/08/1982 19/08/1982 20/08/1982 21/08/1982 22/08/1982 23/08/1982 24/08/1982 25/08/1982 26/08/1982 27/08/1982 28/08/1982 29/08/1982 30/08/1982 31/08/1982 Hồ sông Ba hạ theo KB3 Năm/tháng/ngày 01/01/1982 02/01/1982 104 105 106 107 108 109 110 111 ... tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng phát triển mơ hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba? ?? I Phạm vi nghiên cứu Luận văn Phạm vi không gian: bao gồm hồ chứa Yayun Hạ, An Khê-Kanak, Krông Hnăng, sông. .. văn ? ?Nghiên cứu ứng dụng phát triển mơ hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sơng Ba? ?? Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sơng Ba tỷ lệ 1/100.000 12 b Điều kiện Khí hậu, Thủy văn Phần lớn đất đai lưu vực. .. hành cho đơn hồ chứa, muốn điều tiết liên hồ chứa phải phát triển thành liên hồ chứa Mơ hình Athen điều tiết liên hồ chứa phát triển dựa sở lý thuyết mơ hình Athen điều tiết đơn hồ chứa phương