NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TRONG MÙA CẠN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM TÔ VIỆT THẮNG NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TRONG MÙA CẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 58 02 12 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2019 Cơng trình hồn thành tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Ngô Lê Long Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Nguyễn Tùng Phong Phản biện 01: Phản biện 02: Phản biện 03: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Vào lúc…….giờ……ngày… tháng…….năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN VẬN HÀNH HỒ CHỨA PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG 1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông giới Việt Nam 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp mô 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp tối ưu 1.1.3 Tổng quan nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu 1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn 1.3.Tóm lược Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) lưu vực sông VGTB 1.4.Hạn chế khoảng trống nghiên cứu vận hành liên hồ chứa phân bổ nguồn nước hợp lý LVS Vu Gia – Thu bồn 1.5.Kết luận Chương 1; Hướng tiếp cận định hướng bước nghiên cứu Luận án CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA HỢP LÝ LƢU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN TRONG MÙA CẠN 2.1.Giới thiệu hệ thống hồ chứa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn lựa chọn hồ chứa cho nghiên cứu 2.2 Thiết lập mơ hình mơ ngẫu nhiên dịng chảy đến hồ có xét tới tương quan thủy văn hệ thống 2.2.1 Xác lập dạng phân bố xác suất cho chuỗi dòng chảy tới 04 hồ 2.2.2 Thiết lập tương quan thủy văn nhánh sông 10 2.2.3 Tạo chuỗi số ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày tới 04 hồ 11 2.3 Thiết lập mơ hình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu 12 2.3.1 Thiết lập toán 12 2.3.2 Xây dựng mơ hình tìm kiếm tối ưu kết nối với mơ hình mơ vận hành hồ chứa 13 2.4 Thiết lập mơ hình mơ vận hành liên hồ chứa HECRESSIM 15 2.5 Kết luận chƣơng 16 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC 16 3.1.Xác định kịch vận hành 04 hồ chứa 16 3.2.Tổng hợp kết tính tốn tất kịch 18 3.3.Tính tốn chi tiết kịch lựa chọn mơ hình HECRESSIM 20 3.3.1 Mô vận hành năm 2015 2016 20 3.3.2 Mô vận hành thời kỳ 1981-2008 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 23 1MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, việc phân bổ tài nguyên nước hộ sử dụng nước vấn đề không đơn giản nhiều lưu vực sông (Harou, Paredes, Solera, & Andreu, 2012) Khi nhu cầu sử dụng nước thấp so với khả cung cấp hệ thống, tất hộ sử dụng nước tồn mà khơng có xung đột, tranh chấp Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng nước gia tăng hộ dùng nước sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, thủy điện…, xung đột lợi ích gia tăng, đặc biệt mùa cạn (Liu, Chen, & Lou, 2009), dẫn đến khó khăn vấn đề quản lý phân bổ tài nguyên nước hiệu Hệ thống sông Vu Gia-Thu ồn VGT ) hệ thống sông liên t nh lớn vùng ven biển miền Trung Việt Nam Việc xây dựng hệ thống hồ chứa thủy điện sông làm cho vấn đề quản lý, phân bổ tài nguyên nước cho đơn vị sử dụng nước khác lưu vực sơng trở nên phức tạp, khó khăn Mâu thuẫn mục tiêu sử dụng nước trở nên sâu sắc, đặc biệt mùa cạn đòi hỏi phải tìm giải pháp “thỏa hiệp” mục tiêu nhằm nâng cao hiệu phân bổ nguồn nước cho lưu vực sơng Chính NCS lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu phân bổ nguồn nước vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn mùa cạn” làm đề tài nghiên cứu luận án Tiến sỹ Nội dung nghiên cứu luận án tập trung vào giải tốn kết hợp mơ phỏng-tối ưu hóa vận hành hệ thống hồ chứa, đặc biệt thời kỳ mùa cạn làm sở phục vụ việc phân bổ nguồn nước hồ chứa thủy điện cách có hiệu Luận án tập trung vào nghiên cứu sở khoa học, thiết lập toán, hướng tiếp cận từ đề xuất mơ hình mơ phỏng-tối ưu điều tiết liên hồ chứa phục vụ đa mục tiêu Việc nghiên cứu áp dụng hồ chứa lớn hệ thống sông VGTB 2 Mục tiêu nghiên cứu luận án - Xác lập sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông VGTB mùa cạn; - Đề xuất phương án phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa, đảm bảo hiệu kinh tế tổng hợp (cao nhất) Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Phân bổ nguồn nước hợp lý cho hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sông Tranh lưu vực sông VGTB - Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống lưu vực sông VGTB mùa cạn Phƣơng pháp nghiên cứu - Luận án sử dụng phương pháp: i) Phương pháp điều tra thực địa; ii) Phương pháp phân tích thống kê; iii) Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mơ hình mơ tối ưu hóa sử dụng vận hành liên hồ; iv) Phương pháp chuyên gia tham gia công đồng; v) Phương pháp mơ hình tốn thủy văn, thủy lực Những đóng góp luận án - Xây dựng sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa phân bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sông VGTB mùa cạn; - ước đầu đề xuất quy trình vận hành tối ưu hệ thống 04 hồ chứa lớn lưu vực sông VGTB bao gồm (hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sơng Tranh 2) đảm bảo tối đa hóa điện lượng sản xuất từ hồ chứa phát điện hà i hòa mục tiêu đáp ứng yêu cầu cấp nước hạ du; Cấu trúc luận án Luận án gồm 130 trang, 17 bảng, 54 hình vẽ 55 tài liệu tham khảo Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp tính tốn vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông Chương 2: Nghiên cứu sở khoa học xây dựng mơ hình phân bổ nguồn nước vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB mùa cạn Chương 3: Kết tính tốn vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB nâng cao hiệu phân bổ nguồn nước 2CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN VẬN HÀNH HỒ CHỨA PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC LƢU VỰC SƠNG 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nƣớc lƣu vực sơng giới Việt Nam Các phương pháp quản lý vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa lưu vực sơng theo mơ hình vận hành hệ thống kể đến phương pháp sử dụng mô hình mơ phỏng, phương pháp tối ưu hóa phương pháp kết hợp mô tối ưu Louck and Eelco van Beek, 2005), (Liu et al., 2009), (Husain, 2012), (Fayaed, El-Shafie, & Jaafar, 2013) and (Ahmad, El-Shafie, Razali, & Mohamad, 2014) 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp mô Trong lĩnh vực quản lý tổng hợp tài nguyên nước, phương pháp mô lần hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ (USACE) sử dụng để lập kế hoạch quản lý nguồn tài nguyên nước sông Missouri vào năm 1962 (Rani & Moreira, 2010) Sau đó, Chương trình Nước Harvard áp dụng kỹ thuật mô thiết kế kinh tế áp dụng cho nguồn tài nguyên nước (Rani & Moreira, 2010), (Mckinney, Cai, Rosegrant, Ringler, & Scott, 1999) Dần dần, mơ hình mơ hồn ch nh xây dựng giới thiệu mơ hình họ HEC (HEC3, HEC5, HEC RESIM)được phát triển Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hydrologic Engineering Centre – HEC) quân đội Mỹ, phục vụ cho cho mô hồ chứa (Rani & Moreira, 2010), (Fayaed et al., 2013) Một số mơ hình mơ lưu vực khác mơ hình: MITSIM, WUS, MIKE- ASIN WEAP Đây mơ hình có khả mơ hệ thống lưu vực sơng có cấu trúc phức tạp Tuy nhiên, sử dụng rộng rãi quản lý tổng hợp tài nguyên nước nói chung mô phân bổ nguồn nước từ hệ thống hồ chứa lưu vực sơng nói riêng, phương pháp mơ có điểm hạn chế ch đưa phương án vận hành tốt kịch mơ Chính vậy, song song với phương pháp mô phỏng, phương pháp tối ưu phát triển ứng dụng nhiều nghiên cứu 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp tối ưu Tối ưu hóa phương pháp tìm lựa chọn tốt phương án Thành phần quan trọng tối ưu hóa hàm mục tiêu, mà qua nhằm xác định nghiệm tối ưu – nghiệm mục tiêu thỏa mãn tất giả thiết ràng buộc John W Labadie 2004) tổng kết kỹ thuật tối ưu sử dụng toán phân bổ nguồn nước từ hồ chứa hệ thống hồ chứa đa mục tiêu lưu vực sông, bao gồm Nhóm phương pháp tối ưu ngẫu nhiên ẩn Nhóm phương pháp tối ưu ngẫu nhiên Trong hai thập kỷ qua, thuật toán heuristic (thuật toán tự nghiệm) phát triển để giải toán tối ưu phân bổ nguồn nước, đặc biệt tốn tối ưu hồ chứa Lợi ích quan trọng phương pháp so với phương pháp truyền thống là: Nó tìm đến gần tối ưu tồn cục cho tốn thực tiễn tối ưu tồn cục cho tốn đơn giản hóa (Maier, 2014) Một số thuật tốn phát triển bao gồm thuật toán di truyền (GA), thuật toán lý thuyết tập mờ (FUZZY SET THEORY), thuật toán mạng Nơron ANN) Young (1967) lần đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để vạch quy tắc vận hành chung từ tối ưu hóa xác định Sau đó, nhiều tác giả giới Yakowiz (1982), Teh (1985), Simonovic(1992), Wurbs (1993), Oliveira Loucks (1997) , Chen (2003), Kumphon (2013), Robin (2012), Mohsen Ahmadi et al (2015)… ứng dụng kỹ thuật tối ưu áp dụng cho mô vận hành hệ thống hồ chứa nhằm xây dựng quy trình vận hành thích nghi hồ chứa Tuy nhiên:  Mặc dù, tối ưu hóa mơ hai hướng tiếp cận mơ hình hóa khác đặc tính, phân biệt rõ ràng hai hướng khó hầu hết mơ hình chứa thành phần hai hướng tiếp cận  Trong quy trình tối ưu phục vụ tốn vận hành phân bổ nguồn nước liên hồ chứa cần có mơ hình mơ để kiểm tra quy trình tối ưu thiết lập  Chính vậy, phương pháp kết hợp mơ phỏng-tối ưu hình thành để giải toán vận hành phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa 1.1.3 Tổng quan nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu Carson Maria (1997) trình bày sơ đồ đơn giản mơ hình mơ phỏng-tối ưu phân bổ nguồn nước hồ chứa (Hình 1.1) Theo mơ hình này, mơ hình mơ tạo số liệu số liệu sử dụng cho chiến lược tối ưu hóa nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu phân bổ nguồn nước Giải pháp tối ưu ngược lại cung cấp đầu vào tốt để mơ hình mơ Hình 1.1 Sơ đồ mơ hình mơ phỏng-tối ưu Phương pháp số nhà khoa học giới Việt Nam Fereidoon & Koch 2003), Alzali et al (2010), Hoàng Thanh Tùng, Vũ Minh Cát Robeto Ranzi 2010), Hoàng Thanh Tùng, Hà Văn Khối Nguyễn Thanh Hải (2013), Lê Xuân Cầu cộng 2014) … phát triển, áp dụng cho vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sơng 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nƣớc lƣu vực sông Vu Gia – Thu Bồn Tại Việt Nam, từ khoảng năm 2000 có số nghiên cứu vận hành hồ chứa lưu vực sông VGT Một số nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông VGTB sử dụng kỹ thuật mô tối ưu kể đến sau: Hồng Minh Hiếu 2013) sử dụng thuật giải di truyền cho tính tốn vận hành tối ưu dài hạn nhà máy thủy điện A Vương hệ thống sông VGT Nguyễn Thế Hùng Lê Hùng 2011) [3] nghiên cứu đề xuất mơ hình tốn để giải toán điều tiết tối ưu vận hành hồ chứa đa mục đích lưu vực sơng VGT Chương trình tính áp dụng cho hồ Định ình hồ A Vương Tô Thúy Nga Nguyễn Thế Hùng 2013) [7] nghiên cứu phương pháp tiếp cận tốn vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ theo thời gian thực sơng VGT có kết hợp ý tưởng hai mơ hình HEC-HMS HEC-RESSIM nhằm khắc phục tồn khai thác ưu điểm mơ hình 1.3 Tóm lƣợc Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) lƣu vực sơng VGTB Ngày 7/9/2015, Thủ tướng phủ TTCP) ký định số 1537/QĐ-TTg việc ban hành QTVHLH lưu vực sơng VGT Quy trình 1537) Quy trình quy định việc vận hành liên hồ chứa hồ A Vương, Đăk Mi 4, Sông ung 4, Sông Tranh mùa lũ từ 01/9 đến 15/12) mùa cạn từ 16/12 đến 31/8 năm sau) 11 Kiểm tra kết phát ngẫu nhiên dòng chảy đến 04 hồ theo thời đoạn 10 ngày thơng qua bảng ma trận tương quan Hình 2.1) cho thấy hệ số tương quan dòng chảy đến hồ) cấp phát từ mô bám sát hệ số tương quan dòng đến thực tế hồ, loại bỏ khơng đồng chế độ dịng chảy nhánh hệ thống sông 2.2.3 Tạo chuỗi số ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày tới 04 hồ Sau tính tốn hàm phân phối xác xuất chuỗi dòng chảy đến tương quan thủy văn nhánh sông, nghiên cứu sử dụng phương pháp Monte Carlo mơ hình hóa dịng chảy ngẫu nhiên trung bình thời đoạn đến hồ Tiến hành phát thử nghiệm với 10.000 trị số ngẫu nhiên dòng chảy trung bình cho thời đoạn theo dạng phân bố xác suất xác định Kết cho thấy, với số lượng số ngẫu nhiên tạo lớn, giá trị ngẫu nhiên bao trùm tốt tổ hợp xảy biến ngẫu nhiên, tham số thống kê chuỗi số ngẫu nhiên phát không thay đổi so với chuỗi số liệu quan trắc Chú thích: Biểu đồ cột màu xanh dương số liệu phát ngẫu nhiên phần xanh phân phối dòng chảy thực tế Hình 2.2 So sánh dạng phân phối xác suất dòng chảy thực tế dòng chảy ngẫu nhiên phát theo mô Monte Carlo Như vậy, chuỗi số ngẫu nhiên tạo sử dụng toán tối ưu vận hành hồ chứa, phân bổ nguồn nước hồ chứa hợp lý lưu vực sơng VGT 12 2.3 Thiết lập mơ hình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Các bước xây dựng mơ hình tìm kiếm mơ - tối ưu luận án bao gồm: 1) Thiết lập toán tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa; 2) Xây dựng mơ hình mơ vận hành hệ thống hồ chứa 3) Xây dựng mơ hình tìm kiếm tối ưu kết nối với mơ hình mơ vận hành hồ chứa A Vương, Sông ung 4, ĐăkMi Sông Tranh 2; 2.3.1 Thiết lập toán Các điểm kiểm soát hạ lưu Hai trạm thủy văn Ái Nghĩa Giao Thủy lựa chọn làm hai điểm kiểm soát mực nước/lưu lượng nghiên cứu Luận án sử dụng kết tính tốn nhu cầu sử dụng nước hạ lưu ộ Tài nguyên Mơi trường quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông VGT số 1537/QĐ-TTg ngày 07/9/2015 Theo đó, đảm bảo cho nhu cầu sử dụng nước hạ lưu thể thông qua mức đảm bảo mực nước Ái nghĩa H_Ái Nghĩa ≥ 2.67m) Giao Thủy H_Giao Thủy ≥ 1.02m) Mục tiêu hàm mục tiêu Mục tiêu toán: Phân bổ hợp lý nguồn nước hồ chứa lưu vực sông VGT cho nhiều ngành sử dụng nước khác phục vụ tối đa hóa lượng điện phát từ nhà máy thủy điện, vừa bảo đảm yêu cầu cấp nước cho cho ngành kinh tế, sinh hoạt dịch vụ mùa cạn lưu vực sông VGTB Hàm mục tiêu: Hàm tối ưu toán vận hành 04 hồ chứa lúc biểu diễn dạng:  n 25  F  M ax  9,81 * i , j * Qi , j ,t * H i , j ,t * t   n i 1 j 1 t 1  13 Trong đó: F : Hàm mục tiêu cần tối đa hóa lượng điện sản xuất từ nhà máy thủy điện A Vương Sông ung 4, Đăk Mi Sông Tranh Qi,j,t : Lưu lượng trung bình nhà máy i, năm thứ j, thời đoạn t Hi,j,t: Cột nước phát điện trung bình nhà máy i, năm thứ j, thời đoạn t i,j: Hiệu suất tổng turbine máy phát nhà máy i năm thứ j ∆t: ước thời gian tính tốn =10 ngày; mùa cạn gồm 25 thời đoạn từ 16/12 năm trước đến 31/8 năm sau) n: số năm tiến hành mô 10.000 năm) i: số nhà máy thủy điện tính tốn Ở ch xét 04 nhà máy thủy điện A Vương, Sông ung 4, Sông Tranh Đak Mi Ei,t: Điện nhà máy i thời đoạn “t” kwh) Ràng buộc Hồ chứa nhà máy thủy điện bao gồm: Ràng buộc cân nước nút hồ chứa; Ràng buộc cân nước nút dòng chảy; Ràng buộc lượng trữ nhỏ lớn hồ chứa; Ràng buộc lưu lượng phát điện thực tế; Ràng buộc công suất phát điện; Ràng buộc quan hệ địa hình lịng hồ; Ràng buộc quan hệ lưu lượng ~ mực nước hạ lưu; Ràng buộc nhu cầu cấp nước hạ du: Đảm bảo mực nước điểm kiểm soát: HÁi Nghĩa ≥ 2.67m; HGiao Thủy ≥ 1.02m 2.3.2 Xây dựng mô hình tìm kiếm tối ưu kết nối với mơ hình mơ vận hành hồ chứa Nghiên cứu sử dụng modun tối ưu OptQuest mơ hình Crystal all để xây dựng mơ hình tối ưu sau kết nối với mơ hình mơ dịng chảy ngẫu nhiên đến hồ mơ hình mơ vận hành hồ chứa để hình thành mơ hình vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa A Vương, Sông Tranh 2, Sông ung 4, Dakmil Hàm mục tiêu mơ hình mô – tối ưu vận hành hệ thống liên hồ chứa sơng Vu Gia – Thu ồn tối ưu lượng điện sản xuất mùa kiệt 04 nhà máy thủy điện A Vương, Sông ung 4, DakMil Sông Tranh Nghiên cứu thực dị tìm 14 tối ưu dựa hàng nghìn kịch mơ vận hành phát điện từ nhà máy thủy điện, tuân thủ ràng buộc xác định) để xác định phương án tối ưu điện sản xuất vào mùa kiệt 16/12 đến 31/8 năm sau) hệ thống Việc dị tìm tối ưu thực sau: - Dòng chảy đến hồ chứa phát ngẫu nhiên theo phương pháp Monte Carlo tuân thủ quan hệ tương quan thủy văn xác định trước; Lưu lượng qua turbine sử dụng làm biến định; Hàm mục tiêu cực đại hóa tổng sản lượng điện, tính tốn dị tìm theo phương trình mục 2.3.1 - Modun Optquest tiến hành tìm kiếm nhiều simulation để xác định giá trị cực đại hàm mục tiêu Hình 2.3 Mơ hình mơ phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa LVS VGTB 15 Hình 2.4 Khai báo dị tìm tối ưu mơ hình 2.4 Thiết lập mơ hình mơ vận hành liên hồ chứa HECRESSIM Mặc dù mơ hình mơ phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa LVS Vu Gia – Thu Bồn xây dựng có nhiều ưu điểm việc kết nối kỹ thuật tối ưu mô hệ thống hồ chứa có hạn chế định, 1) chưa thể khẳng định kết dị tìm tối ưu thực chưa mơ hình chạy hàng nghìn phương án ngẫu nhiên lựa chọn phương án tốt nhất; (2) bước thời gian mô bảng tính 10 ngày dẫn đến khó khăn thực theo quy trình vận hành liên hồ vận hành thực tế Do đó, NCS tiếp tục lựa chọn mơ hình HEC-RESSIM để tính tốn mô lại hệ thống hồ chứa sông VGT theo thời đoạn ngắn giờ) Mục đích việc tính tốn để kiểm tra lại phương án lựa chọn, hàm mục tiêu toán mực nước khống chế hai trạm kiểm soát hạ lưu Mơ hình HEC-RESSIM thiết lập với thông số sau: Biên trên: - Sông Vu Gia: lưu lượng từ hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi - Sông Thu Bồn: lưu lượng hồ Sông Tranh Đăk Mi Biên nhập lưu: trình lưu lượng khu sông Bung, sông A Vương, sông Cái, sông Thu Bồn lấy theo t lệ diện tích với trình lưu lượng đến hồ chứa tương ứng 16 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình: Số liệu sử dụng để hiệu ch nh kiểm định mơ hình số liệu thực đo trạm thủy văn Nông Sơn, Thành Mỹ lưu lượng) năm 2015, 2016 ảng 2.2 Kết hiệu ch nh-kiểm định mơ hình VỊ TRÍ Thành Mỹ Nơng Sơn 2.5 HIỆU CHỈNH 0,9305 0,7514 KIỂM ĐỊNH 0,9762 0,8246 Kết luận chƣơng Luận án tiến hành bước nghiên cứu nhằm thiết lập sở khoa học cho việc phối hợp vận hành phân bổ nguồn nước cho hệ thống 04 hồ chứa, bao gồm: (1) Xây dựng mô hình mơ ngẫu nhiên dịng chảy đến hồ có xét tới tương quan thủy văn hệ thống (2) Thiết lập toán tối ưu vận hành hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sơng Tranh (3) Xây dựng mơ hình mơ vận hành hệ thống 04 hồ chứa (4) Tính tốn tối ưu xây dựng mơ hình tìm kiếm tối ưu có kết nối với mơ hình mơ vận hành hồ chứa để xác định chế độ vận hành tối ưu phát điện hệ thống hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sông Tranh (5) Xây dựng mơ hình HEC-RESSIM cho vận hành hệ thống liên hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sơng Tranh Mơ hình hiệu ch nh kiểm định sẵn sàng cho tính tốn 1CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC 3.1 Xác định kịch vận hành 04 hồ chứa Với mơ hình mơ – tối ưu vận hành hồ chứa xây dựng, đề tài tiến hành nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi 4, Sông Tranh với 10 kịch bản, chia làm 03 nhóm sau: Nhóm 01: Nhóm kịch tính tốn theo quy trình 1537 17 Kịch nền: T lệ xả hồ A Vương, Sông Đăk Mi tuân theo quy định Quy trình 1537 ung Nhóm 02: Nhóm kịch xác định theo đặc điểm hồ chứa Kịch 1: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung Đăk Mi lấy t lệ diện tích lưu vực hồ hệ thống Kịch 2: T lệ xả hồ A Vương t lệ xả hồ Sông Bung (50%-50%) Kịch 3: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung Đăk Mi lấy t lệ dòng chảy đến hồ năm Kịch 4: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung Đăk Mi lấy t lệ dòng chảy đến hồ mùa cạn Kịch 5: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung Đăk Mi lấy t lệ dung tích hồ chứa tương ứng Nhóm 03: Nhóm kịch xác định theo đặc điểm hồ chứa với tỉ lệ xả hồ Đăk Mi lấy theo Quy trình 1537 Kịch 6: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung lấy t lệ diện tích lưu vực, t lệ xả hồ Đăk Mi lấy theo quy trình 1537 Kịch 7: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung lấy t lệ dòng chảy đến năm, t lệ xả hồ Đăk Mi lấy theo quy trình 1537 Kịch 8: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung lấy t lệ dòng chảy đến mùa cạn, t lệ xả hồ Đăk Mi lấy theo quy trình 1537 10 Kịch 9: T lệ xả hồ A Vương, Sông ung lấy t lệ dung tích hồ, t lệ xả hồ Đăk Mi lấy theo quy trình 1537 Mỗi kịch tính toán với: + 25 biến ngẫu nhiên tương ứng với dòng chảy đến hồ thời đoạn mùa cạn Tổng cộng có 100 biến ngẫu nhiên cho 04 hồ chứa hệ thống + 25 biến định tương ứng với lưu lượng xả qua nhà máy thời đoạn mùa cạn Tổng cộng có 100 biến định + Biến dự báo tổng sản lượng điện mùa cạn trung bình nhiều năm 04 hồ 18 + Ràng buộc mực nước Giao Thủy không nhỏ 1,02m Ái Nghĩa không nhỏ 2,67m ràng buộc hồ chứa thủy điện + Mỗi kịch tiến hành qua 5000 lần chạy mô với lần mô tiến hành 2000 phép thử 3.2 Tổng hợp kết tính tốn tất kịch Tổng hợp kết tính tốn sử dụng mơ hình mơ phỏng-tối ưu vận hành 04 hồ chứa cho 10 kịch rút số kết luận sau: Tất kịch có tổng sản lượng điện mùa cạn lớn sản lượng điện vận hành thực tế năm 2015 2016 2) Sản lượng điện lớn thuộc kịch 5, đạt 1570,0 triệu kwh, cao 10,2 triệu kwh (0,6%) so với kịch tính tốn theo quy trình 1537; cao 88 triệu kwh (5,9%) 170,1 triệu kwh (12,1%) so với sản lượng điện vận hành thực tế hồ năm 2015 2016 So sánh 04 hồ: 3) Sản lượng điện mùa cạn hồ A Vương lớn nhất, Sông ung 4, Sông Tranh Đăk Mi 1) Hình 3.1 Tổng sản lượng điện mùa cạn theo kịch Xét mặt sản lượng điện, đề xuất lựa chọn kịch (Tỉ lệ xả hồ A Vương, Sông Bung Đăk Mi lấy tỉ lệ dung tích hồ chứa tương ứng) kịch tối ưu 19 Nhóm kịch Nhóm kịch Hình 3.2 Tổng hợp Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ tất K Tổng hợp xây dựng quỹ đạo vận hành liên hồ chứa A Vương, Sông Bung 4, Sông Tranh Đăk Mi cho 10 kịch rút số kết luận sau: 20 1) Hầu hết quỹ đạo vận hành 04 hồ vi phạm đường hạn chế cấp nước quy định hồ theo quy trình 1537 2) Quỹ đạo vận hành liên hồ chứa theo kịch vi phạm đường hạn chế cấp nước Xét mặt quỹ đạo vận hành liên hồ, đề xuất lựa chọn kịch (Tỉ lệ xả hồ A Vương, Sông Bung Đăk Mi lấy tỉ lệ dung tích hồ chứa tương ứng) kịch tối ưu Do vậy, NCS đề xuất lựa chọn kịch cho tính tốn kiểm tra chi tiết mơ hình HEC-RESSIM, kịch tối ưu điện sản xuất quỹ đạo vận hành so với kịch cịn lại 3.3 Tính tốn chi tiết kịch đƣợc lựa chọn mơ hình HECRESSIM Để đánh giá hiệu phương án vận hành tối ưu, NCS tiếp tục sử dụng mô hình HEC-RESSIM cho tính tốn phân tích phương án vận hành hệ thống hồ chứa mùa cạn từ ngày 16/12 đến ngày 31/8 năm sau: 1) Phương án 1: lưu lượng xả tối thiểu từ 04 hồ lấy theo Quy trình 1537; 2) Phương án 2: lưu lượng xả tối thiểu từ 04 hồ lấy theo Kịch lựa chọn trên; Mỗi phương án tính tốn với 02 trường hợp: 1) Số liệu dịng chảy đến theo số liệu thực đo năm 2015, 2016 sau 04 hồ vào phát điện); 2) Số liệu dòng chảy đến thời đoạn 1981-2008 trước xây dựng 04 hồ chứa sông Vu Gia – Thu Bồn) 3.3.1 Mô vận hành năm 2015 2016 Hình 3.3 minh họa kết mơ vận hành 04 hồ với số liệu dòng chảy đến theo số liệu thực đo năm 2015, 2016 21 Hình 3.3 Kết mơ vận hành 04 hồ với số liệu dòng chảy đến năm 2015, 2016 ảng 3.1 Tổng hợp kết tính tốn sản lượng điện theo hồ Hồ A Vương Sông Bung Đăk Mi Sông Tranh Tổng 04 hồ Sản lượng điện mùa cạn 2015 (MWh) PA PA 435.915 448.083 260.518 257.371 158.301 212.726 305.211 322.985 1.159.945 1.241.165 Sản lượng điện mùa cạn 2016 (MWh) PA PA 427.508 416.455 192.646 164.063 162.982 210.654 229.839 231.639 1.012.975 1.042.811 Nhận xét: Sản lượng điện sản xuất mùa cạn hồ A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sông Tranh theo phương án lớn sản lượng điện 04 hồ vận hành theo Phương án cho hai năm 2015 2016 Lượng chênh lệch tương ứng cho năm 7,00% 2015) tương đương 81.220 MWh 2,94% 2016) tương đương 29.836 MWh mùa cạn 22 Xét mực nước hạ lưu, kết tính tốn mực nước Ái Nghĩa Giao Thủy cho thấy trình mực nước Ái Nghĩa Giao Thủy lớn mực nước khống chế tương ứng 2,67m 1,02m 3.3.2 Mô vận hành thời kỳ 1981-2008 Đây thời kỳ trước có hồ hệ thống NCS tính tốn điều tiết năm cho năm, so sánh sản lượng điện vận hành năm giai đoạn 1982-2008 theo hai Phương án Hình 3.4 Tổng sản lượng điện sản xuất mùa cạn 1981-2008 Nhận xét: Sản lượng điện sản xuất mùa cạn năm giai đoạn 1982-2008 hồ A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sông Tranh theo phương án lớn sản lượng điện 04 hồ vận hành theo quy trình vận hành liên hồ chứa 1537 Phương án 1) Lượng chênh lệch thấp 1,12% năm 1996) tương đương 20.067 MWh 11,20% năm 1994) tương đương 157.145 MWh mùa cạn Do vậy, lần kết luận phương án vận hành liên hồ theo Kịch (với t lệ xả hồ A Vương, Sông ung Đăk Mi lấy t lệ dung tích hồ chứa tương ứng) có ưu phát điện so với quy trình liên hồ đảm bảo yêu cầu cấp nước hạ du 23 2KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án xây dựng mô hình mơ ngẫu nhiên dịng chảy đến hồ có xét tới tương quan thủy văn hệ thống Mơ hình bao gồm nội dung thành phần như: Phân tích để tìm dạng phân bố xác xuất cho dòng chảy tháng đến hồ; Tạo chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ sử dụng phương pháp Monte Carlo có xét đến tính đồng chế độ dòng chảy dựa tương quan thủy văn nhánh sông từ số liệu đo đạc thực tế Đây tính tốn sở quan trọng cung cấp chuỗi số liệu đầu vào cho mơ hình tính tốn mơ tối ưu Luận án xây dựng mơ hình tìm kiếm tối ưu có kết nối với mơ hình mơ vận hành hồ chứa để xác định chế độ vận hành tối ưu phát điện hệ thống hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sông Tranh Dựa mơ hình kết hợp kỹ thuật mơ – tối ưu, luận án tiến hành lựa chọn, phân tích, thiết lập tính tốn vận hành liên hồ chứa theo 10 kịch vận hành hồ nêu Kết vận hành liên hồ khả thi 10 kịch vận hành có sản lượng điện lớn điện sản xuất thực tế năm 2015 2016 Kết tính tốn cho thấy, sản lượng điện lớn thuộc kịch đạt 1570,0 triệu kwh, cao 10,2 triệu kwh (0,6%) so với kịch tính tốn theo quy trình 1537; cao 88 triệu kwh (5,9%) 170,1 triệu kwh (12,1%) so với sản lượng điện vận hành thực tế hồ năm 2015 2016 Đây kịch có quỹ đạo vận hành liên hồ chứa vi phạm đường hạn chế cấp nước Từ đó, luận án lựa chọn quy trình vận hành liên hồ chứa tối ưu (T lệ xả hồ A Vương, Sông ung Đăk Mi lấy t lệ dung tích hồ chứa tương ứng - Kịch 5) đưa vào tính tốn kiểm tra mơ hình HEC-RESSIM Luận án hồn thiện nghiên cứu sở khoa học tích hợp mơ hình mơ vận hành hồ chứa HEC-RESSIM tính tốn kiểm tra cho quy trình tối ưu lựa chọn từ mơ hình kết hợp mơ phỏng- 24 tối ưu Kết tính toán vận hành điều tiết năm cho thời đoạn 27 năm 1982-2008 (là thời đoạn trước có hồ) thời đoạn 02 năm 2015- 2016 (sau 04 hồ vào vận hành) cho thấy sản lượng điện vận hành theo quy trình tối ưu lựa chọn lớn sản lượng điện sản xuất vận hành theo quy trình vận hành liên hồ chứa Tài Ngun Mơi trường (Quy trình 1537), chênh lệch giao động từ 1,12% năm 1996) tương đương 20.067 MWh đến 11,2% năm 1994) tương đương 157.145 MWh Với kết đạt nêu trên, luận án xác định hai đóng góp bao gồm:  Xây dựng sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa phân bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sông VGTB mùa cạn;  ước đầu đề xuất quy trình vận hành tối ưu hệ thống 04 hồ chứa lớn lưu vực sông VGTB bao gồm (hồ chứa A Vương, Sông ung 4, Đăk Mi Sơng Tranh 2) đảm bảo tối đa hóa điện lượng sản xuất từ hồ chứa phát điện hài hòa mục tiêu đáp ứng yêu cầu cấp nước hạ du; Kiến nghị Nghiên cứu luận án chi tiết với nhiều kịch vận hành khác ứng dụng kết hợp kỹ thuật mô – tối ưu hóa vận hành hệ thống liên hồ chứa Để giảm bớt thời gian tính tốn, việc đánh giá mức đảm bảo cấp nước hạ du ch dựa mơ hình tốn thuỷ văn thông qua việc xem xét quan hệ lưu lượng mực nước điểm kiểm sốt Để đánh giá cách xác thực sử dụng mơ hình thủy lực nhằm xem xét thêm ảnh hưởng dao động mực nước việc vận hành xả nước từ hồ chứa thượng lưu mực nước điểm kiểm soát Thử nghiệm cho hệ thống hồ chứa thuộc lưu vực sông khác có điều kiện tương tự, đặc biệt lưu vực sông khác miền trung Việt Nam 1DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ NCS, Ngơ Lê Long, Nguyễn Tùng Phong (2018), Research on contribution ratio of large upstream reservoirs for minimum flow in Vu Gia – Thu Bon river system, Hội thảo quốc tế: Water Security and Climate Change (Nairobi, Kenya 12/2018); NCS (2018), Nghiên cứu tính tốn vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn mùa cạn mơ hình HECRESSIM, Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi Môi trường 09/2018; NCS (2018), Method for optimal water allocation of reservoirs system – a casestudy of Vu Gia – Thu Bon River basin, Vietnam, Hội thảo quốc tế: IWA World Water Congress & Exhibition, (Tokyo, Nhật Bản 9/2018); NCS, Ngô Lê Long, Nguyễn Tùng Phong, Lars Ribbe (2017), Nghiên cứu tạo chuỗi số liệu dịng chảy với mơ Monte Carlo phục vụ toán phân bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sơng Vu Gia – Thu Bồn, Tạp chí khoa học công nghệ Thủy lợi 02/2017; NCS, Ngô Lê Long, Nguyễn Tùng Phong (2017), Nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu phát điện, cấp nước hồ chứa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn mùa cạn, Tuyển tập hội nghị khoa học Thủy lợi tồn quốc 2017 (có trình bày trước hội nghị); NCS, Ngô Lê Long, Nguyễn Tùng Phong (2017), Nghiên cứu mơ chuỗi dịng chảy ngẫu nhiên đến hồ chứa đảm bảo tính đồng thủy văn hệ thống sơng Vu Gia – Thu Bồn, Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên 2017 – Đại học Thủy lợi (có trình bày trước hội nghị); NCS, Ngơ Lê Long Nguyễn Tùng Phong (2016), Nghiên cứu thiết lập toán phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn mùa cạn, Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên 11/2016 – Đại học Thủy lợi (có trình bày trước hội nghị) ... reservoirs system – a casestudy of Vu Gia – Thu Bon River basin, Vietnam, Hội thảo quốc tế: IWA World Water Congress & Exhibition, (Tokyo, Nhật Bản 9/2018); NCS, Ngô Lê Long, Nguyễn Tùng Phong,