8. Cấu trúc luận án:
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 “không”. Quyết định kiểm soát 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 soát 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 dịng chảy và những xung đột mục tiêu sử dụng nước của nhiều đối tượng sử dụng nước. Ngoài ra, khi phải đối phó với các tình huống lũ phức tạp, mô 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. Mô tả bài toán và nguyên lý vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực theo thời gian thực
Bài toán 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 quá 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 sốt 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 tốn 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 toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng 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 sơng 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 không 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 hệ thống máy chủ tại TTDBTƯ từ ngày 1 tháng 6 năm 2008 với số liệu đầu vào từ mơ hình tồn cầu GFS của Mỹ. Do hạn chế về tài ngun tính tốn, nên hệ thống dự báo mưa định lượng 3 đến 5 ngày chỉ cung cấp một bản tin dự báo 3 đến 5 ngày cho một số lưu vực sông thuộc Bắc Bộ và khu vực miền Trung.
Cụ thể, mơ hình khu vực sẽ thực hiện việc phân tích dự báo bắt đầu từ thời điểm 12Z (19 giờ Việt Nam) của ngày hôm trước và cung cấp dữ liệu đầu vào cho các mơ hình thủy văn sẽ được tác nghiệp vào lúc 00Z (7 giờ Việt Nam) của ngày hôm sau. Số liệu mưa dự báo 3 đến 5 ngày sẽ được cung cấp dưới dạng mưa trung
bình lưu vực (lượng mua trung bình của tất cả các nút lưới nằm bên trong đường biên lưu vực) và mưa tại tất cả các trạm quan trắc khí tượng hoặc thủy văn thuộc lưu vực đó. Các mơ hình ETA, HRM sẽ chạy mỗi ngày 2 phiên vào lúc 00 giờ và 19 giờ hàng ngày, dự báo định lượng mưa các điểm trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn với thời gian dự kiến là 3 đến 5 ngày. Trên hình 2.4 là mẫu một bản tin dự báo định lượng mưa 5 ngày trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương thực hiện mùa lũ năm 2008.
Hình 2.5: Mẫu một bản tin dự báo định lượng mưa 5 ngày
Với khả năng dự báo mưa như vậy cho phép xây dựng các phương án dự báo lũ thời gian dự kiến 3 đến 5 ngày và do đó có thể lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực với thời gian dự kiến 3 đến 5 ngày. Điều này sẽ cho phép chủ động vận hành an tồn các cơng trình hồ chứa và nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ hạ du.
2.3.4.3. Khả năng ứng dụng các mơ hình mơ phỏng hệ thống
Hiện nay, có rất nhiều mơ hình được sử dụng khi vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ, điển hình là các mơ hình HEC-RESSIM, RIBASIM, MIKE 11. Nhiều nhà nghiên cứu thường sử dụng các mơ hình có sẵn này cho bài toán vận hành của mình. Tuy nhiên, mỗi mơ hình có những ưu nhược điểm nhất định nên trong một số bài toán vận hành tỏ ra khơng phù hợp. Mặt khác, các mơ hình kể trên thường chú
trọng hơn đến các bài toán quy hoạch hệ thống nên phần dự báo và vận hành hệ thống theo thời gian thực không được chú ý nhiều.
Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ xây dựng một mơ hình mơ phỏng hệ thống trên cơ sở tích hợp tất cả các mơ hình thành phần bao gồm mơ hình dự báo lũ, mơ hình diễn tốn lũ trong hệ thống sơng và mơ hình vận hành hồ chứa. Mơ hình mà tác giả xây dựng đã khắc phục được các yếu điểm và khai thác những ưu điểm của 2 mơ hình trên. Mơ hình do tác giả đề nghị được trình bày trong Chương 3 của luận án này.
2.4. Thiết lập bài toán vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
2.4.1. Xác định mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu đặt ra các mục đích cụ thể như sau:
1. Ứng dụng phương pháp vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ cho các hồ chứa trên sông Vu Gia - Thu Bồn, đáp ứng yêu cầu chủ động cắt giảm lũ cho hạ du, đảm bảo an tồn tích nước theo mục tiêu cấp nước và phát điện.
2. Phát triển một mơ hình mơ phỏng phục vụ dự báo lũ hồ chứa và vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực, thử nghiệm cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong thời kỳ mùa lũ. Đồng thời xem xét khả năng ứng dụng cho các lưu vực khác sau khi hồn thiện mơ hình.
3. Đề xuất phương án vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa phịng lũ trên sơng Vu Gia - Thu Bồn nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ cho hạ du, đảm bảo an tồn tích nước theo mục tiêu cấp nước và phát điện.
2.4.2. Phạm vi nghiên cứu
2.4.2.1. Không gian nghiên cứu
Gồm 5 hồ chứa có nhiệm vụ phịng lũ hạ du, đó là các hồ A Vương, Đakmi 4, Sơng Tranh 2, Sơng Bung 2 và Sơng Bung 4, trong đó các hồ A Vương, Đakmi 4,