Luận án Tiến sĩ Xây dựng mô hình vận hành hợp lý công trình thủy lợi Dầu Tiếng để phục vụ cấp nước và phòng lũ hạ du sông Sài Gòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM NGUYỄN VĂN LANH XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬN HÀNH HỢP LÝ CƠNG TRÌNH THỦY LỢI DẦU TIẾNG ĐỂ PHỤC VỤ CẤP NƯỚC VÀ PHỊNG LŨ HẠ DU SƠNG SÀI GỊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM NGŨN VĂN LANH XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬN HÀNH HỢP LÝ CƠNG TRÌNH THỦY LỢI DẦU TIẾNG ĐỂ PHỤC VỤ CẤP NƯỚC VÀ PHỊNG LŨ HẠ DU SƠNG SÀI GỊN CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC MÃ SỐ : 9.58.02.12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ VĂN DỰC Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi Nguyễn Văn Lanh Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các nội dung kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố công trình khoa học Tác giả luận án Nguyễn Văn Lanh ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên Tác giả bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS TS Lê Văn Dực, tận tình hướng dẫn Tác giả suốt trình nghiên cứu hoàn thiện luận án Tác giả xin cảm ơn Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, lãnh đạo Công ty TNHH MTV khai thác Thủy lợi Dầu Tiếng-Phước Hòa tạo điều kiện thuận lợi cho Tác giả thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Quý Thầy (Cô) bạn đồng nghiệp, đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để Tác giả hồn thiện luận án Cuối cùng, với tình u từ đáy lòng, Tác giả cảm ơn cha, mẹ anh, chị, em hai bên nội, ngoại; vợ hai Tác giả; người thân yêu gia đình ln bên cạnh, động viên về vật chất tinh thần để Tác giả vững tâm hoàn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Văn Lanh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Những đóng góp luận án 7 Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 10 1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA 10 1.1.1 Nghiên cứu xây dựng quy trình, cơng cụ hỗ trợ vận hành 10 1.1.2 Dự báo yếu tố đầu vào để tính tốn hỗ trợ vận hành hồ chứa 24 1.1.3 Nghiên cứu về vận hành hồ chứa nước Dầu Tiếng 35 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI HỒ DẦU TIẾNG 44 1.2.1 Đặc điểm, quy mô, nhiệm vụ cơng trình hồ Dầu Tiếng 44 1.2.2 Quy trình phục vụ vận hành hồ chứa nước Dầu Tiếng 50 1.2.3 Thực tiễn yêu cầu vận hành hồ Dầu Tiếng .54 1.3 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 57 1.3.1 Hướng tiếp cận nghiên cứu 57 1.3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu .60 CHƯƠNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN VỀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỒ CHỨA NƯỚC DẦU TIẾNG 61 2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 61 2.1.1 Khái niệm mơ hình vận hành hợp lý hồ chứa nước .61 2.1.2 Khái niệm vận hành hợp lý hồ chứa nước theo thời gian thực .62 iv 2.1.3 Các nội dung nghiên cứu vận hành hợp lý hồ Dầu Tiếng .63 2.2 TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 63 2.3 CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 65 2.3.1 Cơ sở liệu cho mơ hình nghiên cứu xả nước đẩy mặn .65 2.3.2 Cơ sở liệu khí tượng, thủy văn, độ mặn .69 2.4 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỀ HỒ MÙA CẠN 70 2.4.1 Cơ sở tiếp cận nghiên cứu 70 2.4.2 Giới thiệu mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo .72 2.4.3 Cấu trúc mạng ANN ứng dụng dự báo dòng chảy 73 2.4.4 Công cụ nghiên cứu phương pháp chuẩn hóa số liệu 74 2.5 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XẢ NƯỚC ĐẨY MẶN 74 2.5.1 Cơ sở tiếp cận nghiên cứu 74 2.5.2 Một số mơ hình tốn ứng dụng nghiên cứu xâm nhập mặn 76 2.5.3 Cơ sở lý thuyết mơ hình Mike 11 79 2.6 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỀ HỒ MÙA LŨ 86 2.6.1 Cơ sở tiếp cận nghiên cứu 86 2.6.2 Cơ sở phương pháp trích xuất liệu thời tiết dự báo 87 2.6.3 Giới thiệu mơ hình nghiên cứu mơ dịng chảy .91 2.7 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ HỒ DẦU TIẾNG 93 2.7.1 Cơ sở phương pháp tính toán điều tiết lũ 93 2.7.2 Cơ sở thiết lập toán điều tiết lũ hồ Dầu Tiếng 94 2.7.3 Sơ đồ quy trình điều tiết lũ hồ Dầu Tiếng .95 2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 96 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ ỨNG DỤNG HỖ TRỢ VẬN HÀNH HỒ CHỨA NƯỚC DẦU TIẾNG 98 3.1 NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỀ HỒ MÙA CẠN 98 3.1.1 Tài liệu sử dụng 98 3.1.2 Lập phương án dự báo dòng chảy về hồ mùa cạn 98 3.1.3 Phân tích kết huấn luyện, kiểm tra kịch dự báo 98 3.1.4 Phân tích kết kiểm định mơ hình 100 v 3.1.5 Kiến nghị sử dụng kết dự báo dòng chảy về hồ mùa cạn .102 3.2 NGHIÊN CỨU XẢ NƯỚC ĐẨY MẶN TẠI TRẠM BƠM HÒA PHÚ TRÊN SÔNG SÀI GÒN 102 3.2.1 Thiết lập mơ hình nghiên cứu xả nước đẩy mặn 102 3.2.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình nghiên cứu xả nước đẩy mặn 104 3.2.3 Nghiên cứu xác định mối liên hệ mực nước triều độ mặn .108 3.2.4 Nghiên cứu xác định mối liên hệ thời gian xả độ mặn .110 3.2.5 Nghiên cứu xác định thời điểm xả nước hợp lý tại hồ Dầu Tiếng 111 3.2.6 Nghiên cứu xác định mối liên hệ thời gian lưu lượng xả 113 3.2.7 Nghiên cứu xác định lưu lượng, thời gian xả hợp lý .115 3.2.8 Phân tích, đánh giá hiệu áp dụng kết nghiên cứu 118 3.2.9 Ứng dụng kết nghiên cứu xả nước đẩy mặn đợt thứ năm 2016 122 3.3 NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỀ HỒ DẦU TIẾNG TRONG MÙA LŨ 124 3.3.1 Nghiên cứu trích xuất liệu từ mơ hình dự báo thời tiết 124 3.3.2 Thiết lập công cụ mô dòng chảy lũ về hồ Dầu Tiếng 131 3.3.3 Kiến nghị sử dụng kết dự báo dòng chảy về hồ mùa lũ 134 3.3.4 Ứng dụng kết nghiên cứu mô lũ về hồ Dầu Tiếng 135 3.4 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ HỒ DẦU TIẾNG 138 3.4.1 Tài liệu sử dụng 138 3.4.2 Các sơ đồ chương trình tính tốn điều tiết lũ hồ Dầu Tiếng 139 3.4.3 Chương trình tính tốn điều tiết lũ hồ Dầu Tiếng 142 3.4.4 Ứng dụng kết nghiên cứu tính toán điều tiết lũ hồ Dầu Tiếng .143 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 144 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 149 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỚ CỦA TÁC GIẢ 151 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 153 PHỤ LỤC 161 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN : Artificial Neural Network (Mạng nơ-ron nhân tạo) BP : Backpropagation (Lan truyền ngược) BVMT : Bảo vệ môi trường CSDL : Cơ sở liệu H (m) : Mực nước (m) KHTL : Khoa học Thủy lợi KTTV : Khí tượng Thủy văn MT : Môi trường MAX, MIN : Lớn nhất, Nhỏ MLP : Multiple Layers Perceptron (Mạng nơ-ron nhiều lớp) NAM : Nedbor-Afstromnings-Model (Mơ hình mưa - dòng chảy) NCKT : Nghiên cứu khả thi NCS : Nghiên cứu sinh NN & PTNT : Nông nghiệp phát triển nông thôn P (%) : Tần suất (%) Q (m3/s) : Lưu lượng (m3/s) QTVH : Quy trình vận hành RMSE : Root Mean Square Error (Sai số bậc hai bình quân) MAE : Mean Absolute Error (Sai số trung bình tuyệt đối) r : Correlation coefficient (Hệ số tương quan) NSE (R2) : Model coefficient of efficiency (Hệ số hiệu mơ hình) W (106m3) : Tổng lượng (triệu mét khối) Z (m) : Cao trình mực nước hồ (m) TN & MT : Tài nguyên Môi trường TB : Trung bình TP HCM : Thành phố Hồ Chí Minh GIS : Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) HTTP : Hyper Text Transfer Protocol (Giao thức truyền tải siêu văn bản) PMF : Probable Maximum Flood (Lũ lớn khả - Lũ cực hạn) TNHH MTV : Trách nhiệm hữu hạn thành viên vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số thống kê lượng mưa thiết kế cho trạm lưu vực nghiên cứu .46 Bảng 1.2: Một số đặc trưng dòng chảy mùa lũ sông Sài Gòn 47 Bảng 1.3: Lưu lượng đỉnh lũ lưu lượng xả max hàng năm hồ Dầu Tiếng 48 Bảng 1.4: Các thông số kỹ thuật hồ chứa thủy lợi Dầu Tiếng 48 Bảng 1.5: Nhiệm vụ cấp nước hồ Dầu Tiếng sau bổ sung nước từ hồ Phước Hòa 50 Bảng 2.1: Vị trí trạm đo lưu lượng thời gian quan trắc 68 Bảng 2.2: Độ mặn trung bình cực đại tháng (g/l) tại biên hạ lưu 68 Bảng 2.3: Tổng lượng nước dùng để xả đẩy, pha lỗng mặn sơng Sài Gịn .75 Bảng 2.4: Tọa độ địa lý trạm đo mưa tự động diện tích trạm tính theo phương pháp đa giác Thiessen lưu vực hồ Dầu Tiếng [50] 86 Bảng 2.5: Mực nước cao trước lũ hồ chứa Dầu Tiếng [42] 95 Bảng 2.6: Mực nước tích hợp lý để đảm bảo nhiệm vụ tích nước [21] 95 Bảng 3.1: Kết thống kê thông số hiệu mơ hình cho kịch dự báo dòng chảy trung bình đến hồ Dầu Tiếng hàng ngày 99 Bảng 3.2: Kết thống kê thông số hiệu mô hình cho kịch dự báo dịng chảy trung bình đến hồ Dầu Tiếng 10 ngày sau 99 Bảng 3.3: Kết thống kê thơng số hiệu mơ hình cho kịch dự báo dịng chảy trung bình đến hồ Dầu Tiếng 30 ngày sau 100 Bảng 3.4: Thống kê hệ số hiệu mơ hình dự báo nước đến hồ hàng ngày 101 Bảng 3.5: Thống kê hệ số hiệu mô hình dự báo lượng nước đến hồ trung bình 10 ngày 101 Bảng 3.6: Thống kê hệ số hiệu mơ hình dự báo lượng nước đến hồ trung bình 30 ngày 102 Bảng 3.7: Kết đánh giá sai số mơ hình theo chỉ tiêu NASH 107 Bảng 3.8: Độ mặn tính tốn thực đo tại số vị trí 108 Bảng 3.9: Diễn biến mặn tại Hòa Phú sau có xả tràn tại hồ Dầu Tiếng 110 viii Bảng 3.10: Diễn biến mặn tại Hòa Phú sau có xả tràn tại hồ Dầu Tiếng 110 Bảng 3.11: Kết tỷ lệ % độ mặn giảm tại đỉnh thay đổi thời điểm xả, ứng với trường hợp xả liên tục 60 m3/s 112 Bảng 3.12: Các phương án xả trước 48 .113 Bảng 3.13: Tỷ lệ % độ mặn giảm trung bình tại đỉnh theo phương án 114 Bảng 3.14: Phương án xả gián đoạn theo đợt (mỗi đợt 04 giờ) 116 Bảng 3.15: Phương án xả 32 liên tục theo cấp lưu lượng xả từ 20 đến 240 m3/s 116 Bảng 3.16: Lượng nước thực tế dùng để xả đẩy, pha loãng mặn năm 2010 119 Bảng 3.17: Phương án xả nước theo kết nghiên cứu (xả tối ưu) 119 Bảng 3.18: Kết xả nước giảm mặn theo trường hợp 120 Bảng 3.19: Chỉ dẫn xả nước đẩy mặn tại trạm bơm Hòa Phú sơng Sài Gịn 121 Bảng 3.20: Chỉ số tương quan (r) MAE mưa thực đo mưa dự báo từ 25/11/2018 đến 27/11/2018 (Bản tin dự báo ngày 22/11/2018) 127 Bảng 3.21: Chỉ số tương quan (r) MAE mưa thực đo mưa dự báo từ 25/11/2018 đến 27/11/2018 (Bản tin dự báo ngày 23/11/2018) 127 Bảng 3.22: Chỉ số tương quan (r) MAE mưa thực đo mưa dự báo từ 25/11/2018 đến 27/11/2018 (Bản tin dự báo ngày 24/11/2018) 128 Bảng 3.23: Chỉ số tương quan (r) MAE mưa thực đo mưa dự báo từ 25/11/2018 đến 27/11/2018 (Bản tin dự báo ngày 25/11/2018) 128 Bảng 3.24: Tổng lượng mưa (mm) bình quân lưu vực thực đo mưa dự báo ngày, từ ngày 25/11/2018 đến ngày 27/11/2018 129 Bảng 3.25: Số liệu mưa 03 thực đo dự báo theo mơ hình ECMWF Bão số vào tháng 11 năm 2018 .129 Bảng 3.26: Số liệu mưa ngày thực đo mưa dự báo theo mơ hình ECMWF Bão số vào tháng 11 năm 2018 130 Bảng 3.27: Trọng số Theissen trạm mưa 132 Bảng 3.28: Bộ thông số chọn để tính tốn mơ hình NAM .133 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM NGUYỄN VĂN LANH XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬN HÀNH HỢP LÝ CƠNG TRÌNH THỦY LỢI DẦU TIẾNG... HÀNH HỢP LÝ HỒ CHỨA NƯỚC DẦU TIẾNG 61 2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 61 2.1.1 Khái niệm mô hình vận hành hợp lý hồ chứa nước .61 2.1.2 Khái niệm vận hành hợp lý hồ chứa nước. .. 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI HỒ DẦU TIẾNG 44 1.2.1 Đặc điểm, quy mô, nhiệm vụ công trình hồ Dầu Tiếng 44 1.2.2 Quy trình phục vụ vận hành hồ chứa nước Dầu Tiếng 50 1.2.3