TT Tên cơng trình Flv km2 MNBT M MNC m Wtb 106 m3 Whi 106 m3 Wfl 106 m3 Nlm Mw 1 Sông Bung 2 337 690 645 230 209,4 83 126 2 Sông Bung 4 1.467 230 175 512 437,9 188 200 3 Sông Bung 5 2.380 60 60 26 0 0 30 4 A Vương 1 682 380 340 344 266,5 110 170 5 Sông Con 2 248 320 290 378 354 203 68 6 Sông Giằng 448 60 50 94 39,1 0 60 7 Đắk Mi 1 403 820 770 251 223 104 225 8 Đắk Mi 4 1.130 260 210 516 442 149 210 9 Sông Tranh 1 505 260 220 32 27 0 50 10 Sông Tranh 2 1.100 170 125 631 462 233 135 Tổng 3.014 2.019 1.070 1.274
Trong quy trình “Vận hành liên hồ chứa của các hồ A Vương, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2 trong mùa lũ hàng năm” quy định mực nước đón lũ (Zđl) các hồ chứa này lần lượt như sau: 376m (A Vương), 255m (Đakmi 4), 175m (Sông Tranh 2). Như vậy, dung tích phịng lũ tổng cộng cho các hồ chứa này là 175,71 triệu m3. Do các hồ chứa sông Bung 2 và sông Bung 4 chưa đưa vào quy trình liên hồ chứa nên
tác giả tạm giả định các mực nước đón lũ với mục đích tăng thêm các trường hợp tính tốn (xem bảng 2.8).
Hình 2.2: Hệ thống các hồ chứa lớn có nhiệm vụ cắt giảm lũ trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn.
2.2.2. Nhiệm vụ điều tiết và quy trình vận hành liên hồ chứa thời kỳ mùa lũ
Nhiệm vụ thiết kế của 5 hồ chứa lớn trên hệ thống được quy định như sau: - Cấp nước cho hạ du thời kỳ mùa kiệt với tổng lượng điều tiết khoảng 273,9 triệu m3.
- Phát điện theo công suất đã thiết kế của các nhà máy thủy điện được thống kê trong các bảng trên.
- Cắt giảm lũ cho hạ du với các trận lũ ứng với tần suất nằm trong khoảng từ 5% đến 10%, tương đương với các trận lũ lớn xuất hiện vào các năm 2007 và 2009.
Cho đến nay chưa có quy trình vận hành liên hồ chứa thời kỳ mùa kiệt. Thời kỳ mùa lũ cũng mới có quy trình vận hành cắt giảm lũ hạ du cho 3 hồ chứa A Vương, Đak mi 4 và Sơng Tranh 2. Quy trình vận hành có thể tóm tắt như sau:
Bảng 2.8. Tổng hợp các dự án trên dịng chính sơng Vu Gia - Thu Bồn
T T Tên cơng trình Sơ đồ khai thác Flv (km2) MND (m) MNC (m) MNGC (m) Wtb (106 m3) Whi (106 m3) Wfl (106 m3) Nlm (Mw) F tưới (ha) 1 Sông Bung 2 324 605 565 607,56 94,3 73,9 7,19 100 2 Sông Bung 4 1.477 222,5 205 225,97 510,8 233,99 47,28 156 3 Sông Bung 5 2.380 60 20,14 49 4 Sông Bung 6 20,5 30 5 A Vương 682 380 340 382,2 343,55 266,48 14,25 210 6 Bậc 1 81 340 322 29,2 23,4 3 Sông Con 2 Bậc 2 250,1 278 276 1,2 0,7 54 7 Bậc 1 396,8 845 93,6 140 Đắk Mi 1 Bậc 2 603 355 3,3 45 8 Bậc 1 1.125 258 240 260,33 310,32 158,03 2,2 141 Đắk Mi 4 Bậc 2 29 106 105 108,45 2,57 0,57 39 9 Sông Tranh 2 1.100 175 140 178,51 733,4 521,17 75,52 190 10 Tân An 1.640 54 50 775 175 12.500 Tổng 3.046,65 146,44 1.157
Bảng 2.9. Mực nước đón lũ và dung tích phong lũ các hồ chứa có nhiệm vụ cắt giảm lũ hạ du giảm lũ hạ du T T Tên cơng trình MND BT (m) MNC (m) Wtb 106 m3 Whi 106 m3 Zđl Wfl 106 m3 Nlm Mw 1 Sông Bung 2 605 565 94,3 73,9 600(*) 13,45 100 2 Sông Bung 4 222,5 205 510,8 234,0 218(*) 68 156 3 A Vương 380 340 344 266,5 376 43,92 210 4 Đắk Mi 4 258 240 310,3 158 255 49,94 148 5 Sông Tranh 2 175 140 733,4 521,17 172 81,85 190 Tổng 1992.8 1253.6 257.16 804.00
Ghi chú: (*) : mực nước đón lũ do tác giả đề nghị (giả định) vì quy trình vận hành liên hồ chứa chưa đưa các hồ chứa này vào quy trình.
- Trong thời kỳ mùa lũ, nếu khơng có lũ các hồ chứa được tích đến cao trình dâng bình thường.
- Khi có lũ, dự báo lưu lượng lũ đến hồ vượt giá trị quy định (hồ Đak mi 4 vượt 550 m3/s, hồ A Vương vượt 450 m3/s, hồ sông Tranh 2 vượt 900 m3/s), xả nước đưa mực nước về mực đón lũ ghi trong bảng 2.9. Phần dung tích từ mực nước đón lũ đến mực nước dâng bình thường được sử dụng cắt giảm lũ hạ du khi dự báo trong khoảng 6h- 12h giờ tới, lưu lượng đến hồ đạt đỉnh.
2.3. Cơ sở phương pháp luận về vận hành hồ chứa theo thời gian thực
2.3.1. Khái niệm vận hành hồ chứa theo thời gian thực
Quy trình vận hành hồ chứa theo thời gian thực là một phương pháp mà quyết định vận hành tại một thời điểm nào đó tùy thuộc vào trạng thái hệ thống tại thời điểm đó và thơng tin dự báo ở những thời đoạn tiếp theo. Tức là:
Quyết định vận hành = F( Trạng thái hệ thống + Kết quả dự báo)
Vận hành hồ chứa dựa trên các quy tắc hoạt động cố định, được phát triển có tính đến các nhu cầu về nước và các dữ liệu lịch sử, tổng hợp chuỗi thời gian, thường phát sinh những khó khăn trong việc ra quyết định vận hành phù hợp với những thay đổi hàng năm của dòng chảy đến hồ ngay cả khi yêu cầu dùng nước khơng thay đổi. Vận hành hồ chứa, do đó, trở thành một hoạt động trong thời gian
thực mà quyết định điều khiển nước phải được thực hiện tại mỗi thời điểm “khơng”. Quyết định kiểm sốt hoạt động thời gian thực của hồ chứa cần thực hiện một cách nhanh chóng, cho một tương lai hữu hạn của thời gian và dự báo trong tương lai. Khoảng thời gian vận hành tùy thuộc vào mục đích của vận hành hồ chứa đó là kiểm sốt lũ, cấp nước hay phát điện.
Đối với bài toán vận hành hồ chứa, thuật ngữ "vận hành theo thời gian thực" biểu thị phương thức hoạt động của hệ thống hồ chứa, trong đó kiểm sốt nước quyết định trong một thời gian hữu hạn của tương lai, được định nghĩa là “thời gian vận hành”. Các quyết định này được thực hiện dựa trên các điều kiện của hệ thống tại thời điểm ra quyết định và dự báo của các yếu tố đầu vào theo thời gian của “thời gian vận hành”. Quyết định vận hành thường phụ thuộc vào trạng thái của hồ chứa ở thời điểm ra quyết định, kết quả dự báo, những ràng buộc về mục tiêu vận hành, và các điều kiện lũ lụt ở hạ lưu. Các quyết định xác định trên cơ sở này phải được thực hiện tương đối nhanh chóng, dựa trên thơng tin ngắn hạn. Khái niệm về "ngắn hạn" thay đổi tùy thuộc vào mục đích vận hành hồ chứa. Đối với bài tốn vận hành phịng, chống lũ, nó có thể là hàng ngày hoặc thậm chí hàng giờ, trong khi đối với bài toán vận hành phục vụ tưới có thể là một tuần, 10 ngày, hoặc một tháng. Vận hành theo thời gian thực đặc biệt thích hợp trong thời gian lũ lụt, khi mà những trạng thái của hệ thống thay đổi rất nhanh: các quyết định vì thế cũng phải được thực hiện nhanh chóng và được điều chỉnh thường xuyên trong suốt thời gian vận hành.
Vận hành hồ chứa là một quá trình phức tạp do tính chất ngẫu nhiên của dòng chảy và những xung đột mục tiêu sử dụng nước của nhiều đối tượng sử dụng nước. Ngồi ra, khi phải đối phó với các tình huống lũ phức tạp, mơ phỏng thời gian thực của hệ thống sông và vận hành hồ chứa phục vụ được coi là một công cụ hữu hiệu đối với các nhà quản lý.
2.3.2. Các nội dung chính của bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực
thực cho bất kỳ hệ thống hồ chứa bao gồm: (1) hệ thống thu thập dữ liệu;
(2) ngân hàng lưu trữ dữ liệu và hệ thống quản lý dữ liệu; (3) chương trình phân tích kết quả;
(4) chương trình dự báo dịng chảy theo thời gian thực; (5) chương trình mơ phỏng hoạt động của hệ thống hồ chứa.
Hệ thống thu thập dữ liệu là các thiết bị bị đo đạc mưa, lưu lượng, mực nước trên hệ thống và được truyền về trung tâm theo thời gian thực trong phần mềm ngân hàng dữ liệu tại máy chủ. Các chương trình dự báo dịng chảy, mơ phỏng hoạt động của hệ thống hồ chứa và chương trình phân tích kết quả là cơng cụ tính tốn trợ giúp ra quyết định đối với người ra quyết định. Các mơ hình này có thể được cấu trúc riêng rẽ hoặc được tích hợp trong một chương trình chung.
Năm thành phần trên đây cũng là nội dung của bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực, trong đó, các nội dung (3), (4), (5) là các nội dung cốt lõi của bài toán vận hành hệ thống theo thời gian thực.
2.3.3. Mơ tả bài tốn và nguyên lý vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực theo thời gian thực
Bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ theo thời gian thực có thể mơ tả theo sơ đồ ở các hình 2.3, trong đó mối liên kết giữa các thành phần gồm các khối chính như sau:
* Tính tốn dự báo lũ đến các nút hồ chứa và nhập lưu của lưu vực sông trên cơ sở kết quả dự báo mưa hoặc lượng mưa thực đo để tính lũ.
* Mơ hình mơ phỏng hệ thống với thông tin đầu vào bao gồm: kết quả dự báo lũ, các yêu cầu phòng lũ hạ du, yêu cầu cấp nước và phát điện, trạng thái của hệ thống, hệ thống kịch bản vận hành hệ thống theo mục tiêu phòng lũ hạ du.
* Quyết định vận hành hệ thống theo kết quả tính tốn của mơ hình mơ phỏng.
Các q trình này được cập nhật liên tục theo thời gian vận hành theo kết quả dự báo mưa, lũ và kết quả vận hành ở các thời điểm “khơng” của q trình vận
hành. Trên hình 2.4 mơ tả sơ đồ vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ với dự báo mưa 3 đến 5 ngày, thời gian giữa các lần cập nhật dự báo và ra quyết định vận hành là ∆t (∆t=6h, 12h, 24h.. tùy thuộc vào chế độ cập nhật dự báo mưa và kết quả quan trắc mưa và lũ trên hệ thống sơng). Theo đó, quyết định vận hành tại thời điểm bất kỳ được thực hiện theo các bước sau:
Hình 2.3: Sơ đồ liên kết giữa các thành phần của bài toán vận hành hệ thống
- Bước 1: Tại thời điểm bất kỳ trong giai đoạn vận hành, tiến hành dự báo mưa trên lưu vực theo hạn vừa, hạn trung hoặc ngắn hạn.
- Bước 2: Theo kết quả dự báo mưa, sử dụng mơ hình tốn mưa rào dịng chảy tính tốn dự báo q trình lưu lượng nước đến và nhập lưu tại các nút tương ứng với quá trình mưa dự báo.
- Bước 3: Phân tích trạng thái hệ thống bao gồm mực nước hồ, các mực nước tại các nút kiểm soát lũ hạ du. Phân tích, xác định các kịch bản vận hành các cửa xả lũ của hệ thống hồ chứa
- Bước 4: Sử dụng các phần mềm/chương trình điều tiết hồ chứa và diễn toán lũ trên hệ thống sơng tính tốn xác định diễn biến mực nước các hồ chứa và mực nước lưu lượng của các nút kiểm sốt lũ trên tồn hệ thống.
- Bước 5: Đối chiếu với quy trình vận hành để quyết định phương án vận hành hợp lý, từ đó ra quyết định vận hành hệ thống.
Do kết quả dự báo mưa và lũ ln có sự sai lệch đối với thực tế nên quyết định vận hành sẽ được điều chỉnh liên tục ở các thời điểm tiếp theo trong quá trình vận hành hệ thống. Các điều chỉnh quyết định vận hành ở thời điểm bất kỳ được lặp lại theo các bước đã trình bày trên đây.
Hình 2.4: Sơ đồ tổng quát quá trình ra quyết định khi vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ với dự báo mưa 5 ngày
2.3.4. Cơ sở khoa học và thực tiễn thiết lập bài toán vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa phịng lũ trên sơng Vu Gia-Thu Bồn gian thực cho hệ thống hồ chứa phịng lũ trên sơng Vu Gia-Thu Bồn
Thiết lập bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cần dựa trên những căn cứ sau đây:
(1) Yêu cầu và sự cần thiết phải thiết lập bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực.
(2) Khả năng dự báo mưa gây lũ và dự báo lũ đến các nút hồ chứa và các nhập lưu trên toàn hệ thống.
(3) Khả năng lựa chọn các mơ hình có sẵn hoặc phát triển mơ hình mới phù hợp với bài toán vận hành đã đặt ra.
Đây là cơ sở cho việc cần thiết và tính khả thi khi thiết lập bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ theo thời gian thực trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn.
2.3.4.1. Yêu cầu về dự báo lũ quy định trong quy trình vận hành liên hồ chứa A Vương, Đak mi 4 và Sông Tranh 2
Quy trình vận hành liên hồ chứa đã quy định về quan trắc và dự báo lũ như sau: 1. Nhiệm vụ dự báo của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương. - Quan trắc các đặc trưng khí tượng thủy văn (mưa, mực nước) trên tồn bộ mạng quan trắc thuộc hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn, được cập nhật hàng ngày;
- Dự báo các trị số khí tượng thủy văn dự báo: Mực nước trước 6 giờ, 12 giờ, 18 giờ, 24 giờ của các trạm Thành Mỹ, Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Nông Sơn, Giao Thuỷ, Câu Lâu, Hội An;
- Báo cáo tình hình thời tiết 24 giờ qua và nhận định xu thế diễn biến thời tiết 24 giờ tới, trước 15 giờ hàng ngày.
2. Các chủ hồ có nhiệm vụ dự báo lưu lượng đến hồ và diễn biến mực nước hồ chứa.
Như vậy, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương chỉ có nhiệm vụ dự báo lũ ở hạ lưu trong khoảng thời gian 24h tới sau khi các chủ hồ ra quyết định vận hành đóng mở các cửa xả lũ. Các chủ hồ có nhiệm vụ dự báo lũ và quyết định đóng mở các cửa xả lũ. Trong quy định khơng nói rõ là dự báo như thế nào nhưng có thể hiểu là chỉ dự báo lưu lượng đến hồ trong khoảng 6-12h để có thể cắt được đỉnh lũ. Từ đó có nhận xét sau:
- Dự báo lũ đến hồ là một nhiệm vụ khó khăn và các chủ hồ rất khó thực hiện. Vì vậy, cho đến nay các phương án dự báo lũ đến hồ chưa thực hiện được như mong muốn.
- Do đặc điểm lũ lên nhanh, xuống nhanh của lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, và thời gian dự báo lũ đến hồ ngắn như quy định thì rất khó vận hành các cơng trình xả lũ theo đúng các quy định của quy trình.
- Nhiệm vụ dự báo được giao cho hai đơn vị thực hiện là bất hợp lý và khơng có sự liên kết giữa dự báo lũ và vận hành hồ chứa, dẫn đến sự thiếu hiệu quả trong công tác vận hành các cơng trình hồ chứa có nhiệm vụ cắt giảm lũ cho hạ du.
Do vậy, việc xây dựng phương pháp dự báo có thời gian dự kiến dài, có sự liên kết giữa dự báo lũ đến hồ, vận hành hồ chứa và dự báo lũ hạ du là rất cần thiết và đây cũng là nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài.
2.3.4.2. Khả năng dự báo mưa lũ lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn
Công nghệ dự báo lượng mưa là một vấn đề tương đối mới ở Việt Nam, tuy nhiên đây là vấn đề cần thiết để phục vụ cho công tác dự báo lũ nhằm phục vụ công tác vận hành phịng chống ngập lụt. Cơng nghệ dự báo lượng mưa hiện nay đã được ứng dụng tại các Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia. Các mơ hình số trị dự báo mưa được Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia dưa vào dự bao tác nghiệp là mơ hình BOLAM, mơ hình HRM và mơ hình ETA.
Hệ thống dự báo mưa định lượng cho đến hạn dự báo 3-5 ngày dựa trên 2 mơ hình dự báo thời tiết quy mô vừa là HRM và ETA đã được đưa vào tác nghiệp trên