Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gen vận hành liên hồ chứa sông ba mùa lũ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Lan Phƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Lan Phƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 66 44 90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HỮU KHẢI Hà Nội – 2014 Lời cảm ơn Luận văn thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Gen vận hành liên hồ chứa sơng Ba mùa lũ” hồn thành Khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội vào tháng 12 năm 2014, hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Nguyễn Hữu Khải Tác giả xin bày tỏ cảm ơn trân thành tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Khải Thầy tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình thực Luận văn Tác giả xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy, Cơ giáo Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu Luận văn Tác giả gửi lời cảm ơn tới đồng nghiệp Phịng Thủy văn Trung tâm Mạng lưới khí tượng thủy văn môi trường tạo điều kiện giúp đỡ để tác giả hoàn thành Luận văn Trong khuôn khổ Luận văn, điều kiện thời gian hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót, Vì vậy, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu độc giả người quan tâm TÁC GIẢ MỤC LỤC Lời cảm ơn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan phƣơng pháp vận hành hồ chứa 10 1.1.1.Phương pháp mô 10 1.1.2 Phương pháp tối ưu hóa 12 1.1.3 Nguyên cứu giải toán tối ưu hóa thuật tốn di truyền (GA) 15 1.1.4 Tổng quan nghiên cứu vận hành liên hồ chứa sông Ba 17 1.2 Điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội lƣu vực sông Ba 20 1.2.1 Điều kiện tự nhiên 20 1.2.2 Điều kiện kinh tế xã hội 28 CHƢƠNG II: CƠ SỞ L THU ẾT THUẬT TOÁN DI TRU ỀN GA .31 2.1 Gi i thiệu phƣơng pháp giải GA 31 2.2 Các kỹ thuật giải thuật di truyền GA [32] .32 2.2.1 Kỹ thuật mã hóa 33 2.2.2 Khởi tạo quần thể 34 2.2.3 Hàm thích nghi 34 2.2.4 Phép chọn lọc 35 2.2.5 Phép lai ghép 35 2.2.6 Phép đột biến 37 2.3 Tổng quan Matlab 38 2.3.1 Khái niệm Matlab 38 2.3.2 Tổng quan cấu trúc liệu MATLAB, ứng dụng .39 2.4 Thuật toán di truyền GA Matlab 39 2.4.1.Giải thuật di truyền command line 39 2.4.2 Giải thuật di truyền sử dụng Genetic Algorithm Tool 40 CHƢƠNG III: T I ƢU H A VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ BẰNG THUẬT TỐN DI TRU ỀN TRONG MƠI TRƢỜNG MATLAB .45 3.1 Quy trình cắt lũ 45 3.2 M ph ng phƣơng án vận hành liên hồ chứa s ng Ba m a lũ m hình HEC – RESSIM 47 3.3 Sử dụng Genetic Algorithm Tool để tối ƣu hóa vận hành liên hồ chứa s ng Ba m a lũ 50 3.3.1 Thiết lập hàm mục tiêu: 50 3.3.2 Giải thuật di truyền: 50 3.4 Kiểm định kết chạy từ Genetic Algorithm Tool m hình HECRESSIM 58 3.5 Một số nhận xét 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 68 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Sơ đồ vị trí lưu vực sơng Ba 21 Hình Lưu vực sông Ba hệ thống hồ chứa 27 Hình Sơ đồ khối thuật toán di truyền 33 Hình 2 Giao diện Genetic Algorithm Tool Matlab 41 Hình Sơ đồ hệ thống tốn phịng lũ hạ du 47 Hình Sơ đồ hệ thống hồ chứa Sông Ba 49 Hình 3 Quá trình vận hành liên hồ chứa sông Ba với lũ năm 2009 cắt lũ theo PA 20 69 Hình Genetic Algorithm Tool cho toán cắt lũ liên hồ chứa sơng Ba 53 Hình Biểu đồ hiển thị giá trị tốt giá trị trung bình hàm thích nghi qua hệ 54 Hình Biểu đồ vecto cá thể với giá trị hàm mục tiêu tốt 54 Hình Khoảng cách trung bình cá thể hệ 55 Hình Biểu đồ số lượng cá thể kỳ vọng với hệ 55 Hình Biểu đồ phả hệ cá thể, mã hóa bảng mầu 56 Hình 10 Biểu đồ giá trị lớn nhất, nhỏ nhất, giá trị trung bình hàm thích nghi hệ 56 Hình 11 Biểu đồ điểm đa dạng hệ 56 Hình 12 Biểu đồ điểm cá thể hệ 57 Hình 13 Biều đồ lựa chọn cha mẹ 57 Hình 14 Biểu đồ cấp độ dừng tiêu chuẩn 57 Hình 15 Quá trình vận hành hồ Ba Hạ với lũ năm 2009 59 Hình 16 Quá trình vận hành hồ Krơng Hnăng với lũ năm 2009 .59 Hình 17 Quá trình vận hành hồ Sông Hinh với lũ năm 2009 60 Hình 18 Quá trình vận hành hồ Ayun Hạ với lũ năm 2009 60 Hình 19 Quá trình vận hành hồ Kanak với lũ năm 2009 61 Hình 20 Quá trình lưu lượng Củng Sơn với lũ năm 2009 61 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Thông số bậc thang hồ chứa sơng Ba 27 Bảng Mực nước đón lũ hồ 45 Bảng Lưu lượng cắt lũ theo 20 phương án hồ chạy mơ mơ hình Hec-ressim 68 Bảng 3 Kết giải toán tối ưu hố vận hành liên hồ chứa sơng Ba GA 58 Bảng Bảng lưu lượng đỉnh lũ đến hồ Củng Sơn năm 2009 62 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DP Quy hoạch động DPR Quy hoạch động hồi quy GA Thuật toán di truyền KTTV Khí tượng Thủy văn LP Quy hoach tuyến tính MNC Mực nước chết MNGC Mực nước gia cường MNDBT Mực nước dâng bình thường MNĐL Mực nước đỉnh lũ MNTK Mực nước thiết kế MN kiểm tra Mực nước kiểm tra Nlm Công suất lắp máy QTVH Quy trình vận hành SDP Quy hoạch động ngẫu nhiên WLP Quy hoạch phi tuyến Wtb Dung tích tồn Whi Dung tích hữu ích MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Việt Nam quốc gia có địa hình đặc trưng với hệ thống sơng lớn nhiều sông suối nhỏ khắp vùng, miền, nguồn cung cấp nước vô phong phú Tuy nhiên, nguồn nước lại phân phối không năm, mùa cạn thiếu nước mùa lũ thừa nước gây ngập úng, lũ lụt Để khắc phục nhược điểm hồ chứa thủy điện, thủy lợi xây dựng để điều tiết dòng chảy Đi đôi với phát triển kinh tế phát triển không ngừng công trình thủy điện, thủy lợi lớn nhỏ Mỗi cơng trình xây dựng nhằm phục vụ mục đích cụ thể phát điện, phịng lũ cho hạ lưu, cung cấp nước tưới,… Để nâng cao hiệu tuổi thọ hồ chứa thủy điện hồ cần có quy trình vận hành đặc biệt quy trình vận hành liên hồ chứa cho hồ lưu vực sông Trong năm vừa qua, khu vực đồng hạ lưu sơng Ba, bao gồm thành phố Tuy Hịa thường xun bị ngập lụt Chính mà vai trò phòng lũ hồ chứa: Kanak, Ayun Hạ, Ba Hạ, Krông Hnăng, Sông Hinh lưu vực sông Ba vô quan trọng Các hồ chứa có dung tích khơng lớn so với tổng lượng lũ nên khả cắt lũ hạn chế, cần phải có quy trình vận hành đảm bảo việc xả lũ an toàn cho hạ lưu thân hồ chứa Với mong muốn xây dựng quy trình vận hành hợp lý cho hồ chứa lưu vực sông Ba, Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền giải toán tối ưu hóa quy trình vận hành liên hồ chứa sơng Ba mùa lũ Mục đích Luận văn Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ, nhằm hạn chế tối đa ngập lụt cho khu vực hạ lưu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Thuật toán di truyền (GA) - Phạm vi nghiên cứu: Từ năm hồ chứa thuộc lưu vực sông Ba là: Kanak, Ayun Hạ, Ba Hạ, Krông Hnăng, Sông Hinh đến trạm thủy văn Củng Sơn - Với thời gian có hạn, tập trung vào toán cắt đỉnh lũ để giảm lũ xuống hạ lưu Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích hệ thống; - Phương pháp mơ mơ hình tốn; - Thuật tốn di truyền Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận phụ lục, Luận văn gồm ba chương chính: Chương I: Tổng quan Chương II: Cơ sở lý thuyết thuật toán di truyền Chương III: Tối ưu hóa vận hành liên hồ chứa sơng Ba mùa lũ thuật tốn di truyền mơi trường Matlab CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan phƣơng pháp vận hành hồ chứa Điều hành hồ chứa phần quan trọng quy hoạch quản lý tài nguyên nước Quy trình vận hành hồ chứa xác định lượng xả thời điểm phụ thuộc vào trạng thái hồ chứa, mức yêu cầu cấp nước thơng tin lượng dịng chảy đến hồ chứa Với hồ chứa đa mục tiêu, ngồi cịn u cầu phân phối lưu lượng xả cho mục tiêu Hiện nay, có hai phương pháp để nghiên cứu vận hành hồ chứa phương pháp mơ phương pháp tối ưu hóa: 1.1.1.Phương pháp mơ Vì khơng có khả để thí nghiệm với hồ chứa thực, mơ hình mơ tốn học phát triển sử dụng nghiên cứu Thí nghiệm thực cách sử dụng mơ hình để cung cấp cho hiểu biết sâu tốn Mơ hình mơ kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính tốn cân nước đầu vào, đầu hồ chứa biến đổi lượng trữ Kỹ thuật mô cung cấp cầu nối từ cơng cụ giải tích trước cho phân tích hệ thống hồ chứa đến gói mục đích chung phức tạp Theo Simonovic (1992) [29], khái niệm vốn gắn mô dễ hiểu thân thiện khái niệm mơ hình hố khác Các mơ hình mơ cung cấp biểu diễn chi tiết thực hệ thống hồ chứa điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết hồ kênh riêng biệt hiệu tượng theo thời gian khác định) Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mơ hình u cầu tính tốn khác mơ nhiều so với mơ hình tối ưu hố Các kết mơ dễ dàng thỏa hiệp trường hợp đa mục tiêu Số phần mềm máy tính đa mục tiêu phổ biến có sẵn sử dụng để phân tích mối quan hệ quy hoạch, thiết kế vận hành hồ chứa Hầu hết phần mềm chạy máy vi tính sử dụng rộng rãi Hơn nữa, sau số liệu yêu cầu cho phần mềm thực hành chuẩn bị, dễ 10 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 76 Bảng kết vận hành hồ Ba Hạ chạy kiểm tra GA mơ hình Hec - recssim STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 77 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 78 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 79 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 Bảng kết vận hành hồ Ayun Hạ chạy kiểm tra GA mô hình Hec - recssim STT 10 11 12 13 14 15 16 17 80 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 81 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 82 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 83 Bảng kết vận hành hồ Kanak chạy kiểm tra GA mơ hình Hec - recssim STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 84 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 85 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 86 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 Bảng kết vận hành Củng Sơn chạy kiểm tra GA mơ hình Hec - recssim STT 10 11 12 13 14 15 16 17 87 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 89 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 90 ... trung nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền giải tốn tối ưu hóa quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ Mục đích Luận văn Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn di truyền vận hành liên hồ chứa sông. .. lưu 1.1.4 Tổng quan nghiên cứu vận hành liên hồ chứa sông Ba a Các nghiên cứu lưu vực hồ chứa sơng Ba 17 Hiện nay, Chính phủ ban hành quy trình vận hành liên hồ chứa sơng Ba, Tuy nhiên, với nhiều... trình vận hành ban hành cho hồ chứa liên hồ chứa sông Ba: - Quy trình vận hành hồ chứa thuỷ điện sơng Ba hạ (2009) [1] ban hành theo định số 3024/QĐ-BCT tháng 6/2009 Bộ Cơng Thương - Quy trình vận