8. Cấu trúc luận án:
3.1. Lựa chọn mơ hình nghiên cứu
3.1.1. Giới thiệu chung về các mơ hình quản lý vận hành hồ chứa
Với sự ra đời của các thế hệ máy tính tốc độ cao đã mở đường cho sự phát triển các mơ hình mô phỏng ứng dụng trong lĩnh vực quy hoạch và quản lý tài ngun nước; trong đó có các bài tốn về quy hoạch và quản lý lũ. Xu hướng chung trên thế giới hiện nay là phát triển các mơ hình mơ phỏng hệ thống trên cơ sở tích hợp các mơ hình thành phần bao gồm các mơ hình mơ tả các quy luật vật lý của hệ thống với các mô phỏng hoạt động của tồn bộ các cơng trình trên hệ thống. Các mơ hình như vậy có tên gọi là “mơ hình lưu vực sơng” hoặc “ mơ hình mơ phỏng”. Các mơ hình MIKE11, MIKE-BASIN, RIBASIM, HEC1 (sau này phát triển thành mơ hình HEC-HMS), HEC5 (sau này phát triển thành mơ hình HEC-RESSIM) là các mơ hình tiêu biểu của mơ hình lưu vực sơng. Các mơ hình trên đều có mặt các nút hồ chứa và các nút kiểm sốt lũ, kiệt trong các mơ phỏng thành phần. Tuy nhiên, do các mơ hình này được xây dựng với mục đích chính là quy hoạch và quản lý lưu vực sơng nên khơng phải mơ hình nào cũng được sử dụng trong quản lý vận hành hệ thống hồ chứa. Sau đây là một số phân tích về khả năng ứng dụng của một số mơ hình thường sử dụng trong lĩnh vực quản lý và quy hoạch tài nguyên nước.
Mơ hình RIBASIM và mơ hình MIKE-BASIN
Các mơ hình RIBASIM, MIKE-BASIN được ứng dụng rộng rãi khi lập các quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cho một lưu vực sông nhưng không ứng dụng được trong vận hành hệ thống hồ chứa.
Mơ hình HEC-HMS
Mơ hình HEC-HMS được tích hợp các mơ hình tính tốn mưa-dịng chảy và diễn tốn dịng chảy trên hệ thống sơng là mơ hình thủy văn được sử dụng hiệu quả
trong mô phỏng lũ nhưng không ứng dụng được trong vận hành hồ chứa.
Mơ hình HEC-RESSIM
Mơ hình HEC-RESSIM khơng những thích hợp với các bài tốn quy hoạch mà cịn có thể ứng dụng tốt đối với các bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu. Tuy nhiên, mơ hình này cũng có nhiều nhược điểm khi sử dụng cho các bài toán vận hành hồ chứa, cụ thể như sau:
- Khơng có các modun tính tốn dịng chảy nhập lưu cho các lưu vực khơng có tài liệu đo đạc lưu lượng, bởi vậy, khi sử dụng cho bài toán vận hành hồ chứa theo thời gian thực phải sử dụng kết quả tính tốn từ các mơ hình khác. Đối với bài tốn vận hành hồ chứa phịng lũ thì kết quả đầu vào tại các nút nhập lưu phải sử dụng kết quả tính tốn từ mơ hình HEC-HMS.
- Khi ra quyết định vận hành các cửa xả lũ cần thiết phải viết các câu lệnh bổ sung để mô tả hoạt động của các cơng trình xả lũ, do vậy, khi vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực sẽ rất phiền toái cho người sử dụng. Đối với các lưu vực có lũ lên nhanh, xuống nhanh như các lưu vực thuộc khu vực miền Trung, cần xử lý thơng tin nhanh thì việc phải viết thêm những câu lệnh điều khiển các cửa xả lũ sẽ không đủ thời gian để ra quyết định điều hành.
- Đối với hệ thống hồ chứa có cùng mục đích phịng lũ hạ du, khi sử dụng mơ hình HEC-RESSIM cần phải thiết lập phương án cân bằng nước giữa các hồ, nói cách khác là phân chia trách nhiệm giữa các hồ đối với nhiệm vụ phịng lũ hạ du. Có 2 sơ đồ xác định cân bằng nước giữa các hồ : Sơ đồ ẩn (hình 3.1) và sơ đồ hiện (hình 3.2). Việc xác định cân bằng nước giữa các hồ chứa trên hệ thống chỉ phù hợp với bài tốn quy hoạch phịng lũ. Đối với bài toán vận hành theo thời gian thực khi mà đặc điểm mưa gây lũ của từng trận lũ rất khác nhau thì mỗi trận lũ lại phải xem xác định một phương án cân bằng nước và phải cập nhật liên tục theo thời gian thì cơng việc này sẽ rất khó khăn và khơng thể đáp yêu cầu xử lý nhanh trước khi ra quyết định vận hành.
Hình 3.1 Minh họa cân bằng hồ chứa theo phương pháp ẩn
Hình 3.2 Minh họa cân bằng hồ chứa theo phương pháp Explicit (hiện)
Mơ hình MIKE 11
Mơ hình MIKE 11 là loại mơ hình thích hợp cho dự báo lũ và vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ. Tuy nhiên, tương tự như mơ hình HEC-RESSIM, để ứng dụng cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ vẫn cần phải viết các câu lệnh vận hành các cửa xả lũ và cũng rất phức tạp. Mơ hình này đã được thử nghiệm trong công tác vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ. Tuy nhiên, việc thiết lập các câu lệnh điều hành cũng rất phức tạp nên trong thực tế cũng hạn chế sử dụng.
3.1.2. Tóm tắt một số ứng dụng mơ hình mơ phỏng trong vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực thống hồ chứa theo thời gian thực
Hiện nay có hai xu hướng ứng dụng mơ hình mơ phỏng trong vận hành hệ thống hồ chứa: (1) Sử dụng những mơ hình có sẵn đã trình bày trên đây trong vận hành thực tế và (2) Phát triển các mơ hình mới phù hợp với bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực.
1. Xu hướng sử dụng các mơ hình có sẵn
Do những ưu, nhược điểm của các mơ hình thương mại được thống kê trên, khi sử dụng các mơ hình có sẵn cho bài toán vận hành hệ thống thường phải tiến hành theo hai cách sau đây:
- Chọn một mơ hình phù hợp với bài tốn cụ thể đang nghiên cứu. Cách làm này thường thích hợp với các bài tốn vận hành hồ chứa có thời gian vận hành dài (điều tiết, phát điện, cấp nước). Đối với các bài tốn loại này khơng cần phải xử lý thơng tin nhanh nên các mơ hình HEC-RESSIM, MIKE 11 và một số mơ hình khác đều có thể ứng dụng được.
- Sử dụng cùng một lúc hai hoặc nhiều mơ hình có sẵn. Cách thức này đã được sử dụng nghiên cứu quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên sơng Cả với sự tích hợp 2 mơ hình HEC-HMS và mơ hình HEC-RESSIM [50]. Tuy nhiên, nếu sử dụng để vận hành hệ thống theo thời gian thực thì việc ứng dụng cũng rất khó khăn.
2. Phát triển mơ hình mới phù hợp với bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực.
Đây là xu hướng đang được nghiên cứu phát triển ở một số nước trong đó có Việt Nam. Theo xu hướng này, mơ hình phát triển theo hai hướng như sau: (1) Phát triển hoàn chỉnh một mơ hình mới, (2) Chỉ phát triển một phần mô hình đối với vùng thượng du, nơi có các hồ chứa phịng lũ, vùng hạ du sẽ liên kết với mơ hình sẵn có và thường là các mơ hình thủy lực. Trong trường hợp này kết quả tính tốn của vùng thượng du là số liệu đầu vào của mơ hình khu vực hạ du. Các mơ hình vùng thượng du thường là các mơ hình thủy văn.
quản lý lũ cho các lưu vực ở Trung Quốc dựa trên ý tưởng của mơ hình HEC1 và HEC5 và các mơ hình dự báo lũ do các tác giả của Trung Quốc xây dựng.
- Đối với lưu vực sơng Hồng, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương đã phát triển mơ hình dự báo khu vực thượng du tính đến Hà Nội trên cơ sở tích hợp mơ hình TANK và mơ hình MUSKINGUM-CUNGE [15] để dự báo lũ đến hồ và các nhập lưu. Kết quả tính tốn của mơ hình trên là đầu vào cho bài tốn dự báo lũ vùng đồng bằng sơng Hồng khi liên kết với mơ hình MIKE11.
- Viện Cơ học Việt Nam đã phát triển mơ hình thủy văn IMECH- HYDROLOGY (FIRR) để dự báo lũ cho vùng thượng du sông Hồng. Khu vực hạ du từ Hà Nội đến cửa sơng sử dụng mơ hình MIKE11 hoặc mơ hình IMECH-1D (Viện Cơ học xây dựng), kết quả tính tốn khu vực thượng du sẽ là số liệu đầu vào cho mơ hình mơ phỏng vùng hạ du.
3. Nhận xét
Từ những nội dung đã trình bày trên có thể rút ra một số nhận xét như sau: Rất khó ứng dụng các mơ hình có sẵn cho bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực do những quy tắc vận hành hồ chứa cần được cập nhật trong quá trình ứng dụng các mơ hình này.
Xu hướng chung hiện nay là phát triển mới hoặc phát triển một phần các mơ hình dự báo và vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những yếu điểm của các mơ hình thương mại có sẵn khi mơ phỏng các hoạt động của hồ chứa. Các mơ hình được phát triển thường liên quan đến khu vực thượng du là khu vực có các hồ chứa phịng lũ.
Các mơ hình dự báo lũ và vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ mới chỉ được nghiên cứu ứng dụng đối với lưu vực sơng Hồng là lưu vực có số trạm đo đạc thủy văn khá dày so với các lưu vực thuộc khu vực miền Trung.
Mơ hình TANK là mơ hình bể chứa mơ tả quan hệ mưa-dịng chảy có bộ thơng số khá lớn (36 thông số). Bộ thông số của mơ hình giữa các lưu vực khác nhau trong cùng một khu vực có sự biến đổi lớn hơn so với mơ hình bể chứa NAM, mơ hình này đã được sử dụng trong mơ hình MIKE NAM. Do vậy, đối với các lưu
vực có ít trạm đo lưu lượng như lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, nếu sử dụng mô hình NAM sẽ khắc phục được những hạn chế về số lượng trạm đo trên lưu vực nghiên cứu.
3.1.3 Xác định hướng mơ hình phục vụ mơ phỏng lũ.
Trên cơ sở những nhận xét trên đây, tác giả nghiên cứu xây dựng một mơ hình mơ phỏng tổng qt (MOPHONG-LU) phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ. Mơ hình sẽ được ứng dụng trên sơng Vu Gia-Thu Bồn và đánh giá khả năng áp dụng cho những lưu vực khác có điều kiện tương tự.