Luận án Nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước cửa đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế - Xã hội tỉnh Thanh Hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ NGỌC DƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ NGỌC DƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Mai Đăng 2. GS.TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Vũ Ngọc Dương ii LỜI CÁM ƠN Luận án Tiến sĩ này được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Mai Đăng và GS.TS Hà Văn Khối. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả các công trình nghiên cứu đã công bố mà tác giả đã trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS. TS. Nguyễn Quang Kim, GS.TS. Lê Kim Truyền, GS.TS.Trịnh Minh Thụ, PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh cùng quý thầy cô Khoa Thủy Văn và Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học đã hết lòng giúp đỡ, động viên tinh thần, tạo điều kiện và hướng dẫn để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án. Cuối cùng là sự biết ơn sâu sắc tới cơ quan Văn phòng UBND tỉnh Thanh Hóa, UBND huyện Thạch Thành tỉnh Thanh Hóa; tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã hết lòng giúp đỡ, động viên để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án./. Tác giả luận án Vũ Ngọc Dương iii MỤC LỤC - DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. vi - DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... ix - DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của luận án .................................................................................. 1 2. Mục tiêu luận án ................................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................ 3 6. Những đóng góp mới của luận án ...................................................................... 3 7. Cấu trúc của luận án .......................................................................................... 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC .................... 5 1.1 Một số khái niệm dùng trong Luận án ............................................................... 5 1.1.1 Hồ chứa đa mục tiêu.................................................................................... 5 1.1.2 Vận hành hồ chứa và biểu đồ điều phối ...................................................... 5 1.1.3 Bài toán tối ưu hóa trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu ............................ 6 1.1.4 Vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu ................................................... 7 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu và dự báo trung hạn dòng chảy trên thế giới ...................................................................... 8 1.2.1 Vận hành hồ chứa ........................................................................................ 8 1.2.2 Dự báo trung hạn dòng chảy ..................................................................... 12 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu và dự báo trung hạn dòng chảy ở Việt Nam .............................................................. 14 1.3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu ....................................................... 14 1.3.2 Dự báo trung hạn dòng chảy ..................................................................... 17 1.4 Các nghiên cứu liên quan thực hiện trên lưu vực sông sông Mã - sông Chu. . 19 iv 1.5 Những tồn tại trong nghiên cứu vận hành tối ưu hồ đa mục tiêu, dự báo trung hạn dòng chảy và hướng phát triển .................................................................. 21 1.6 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu trong luận án ............................. 22 1.7 Giới thiệu tóm tắt các hồ chứa nghiên cứu trên lưu vực sông Chu ................. 25 1.7.1 Hồ Cửa Đạt ................................................................................................ 25 1.7.2 Hồ Hủa Na ................................................................................................. 28 1.8 Kết luận chương I ............................................................................................ 29 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU ........................................................................... 31 2.1 Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ Cửa Đạt .............................. 31 2.1.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình thủy văn 2 thông số kết hợp với mô hình điều tiết hồ chứa dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Cửa Đạt ........................... 32 2.1.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mạng trí tuệ nhận tạo (ANN) dự báo dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt ........................................................................ 41 2.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt .................................................................................................................... 48 2.2.1 Nhiệm vụ của hồ Cửa Đạt và những quy định trong Quy trình vận hành hồ 3944 (2014) và Quy trình vận hành liên hồ chứa trên Sông Mã 1911 (2015) 48 2.2.2 Tính toán nhu cầu sử dụng nước hồ Cửa Đạt có xét đến BĐKH .............. 52 2.2.3 Nghiên cứu đánh giá và xác định lưu lượng tối thiểu góp phần đẩy mặn khu vực hạ lưu sông Mã đối với hồ chứa Cửa Đạt ........................................... 58 2.2.4 Xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy đến hồ chứa Cửa Đạt ............... 68 2.2.5 Thiết lập bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa nước Cửa Đạt .............. 73 2.2.6 Xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt ... 78 2.3 Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 84 CHƯƠNG 3 TÍCH HỢP DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỚI MÔ HÌNH TỐI ƯU VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA CỬA ĐẠT .................................... 86 3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa Cửa Đạt ................................................................... 86 3.1.1 Các bước thiết lập và chạy mô phỏng tối ưu hồ Cửa Đạt ......................... 86 3.1.2 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944 ............ 90 v 3.1.3 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944 và quy trình 1911 ............................................................................................................ 92 3.1.4 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944, quy trình 1911 và gia tăng dần dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy mặn .................... 95 3.1.5 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình kết hợp 1911, 3944 và xét tới BĐKH ............................................................................... 98 3.2 Xây dựng chương trình tích hợp dự báo trung hạn (10 ngày) dòng chảy đến hồ với mô hình vận hành hồ chứa Cửa Đạt ........................................................ 101 3.3 Thử nghiệm vận hành thích nghi hồ Cửa Đạt trong 2 năm 2014 và 2015 .... 106 3.4 Kết luận chương III ........................................................................................ 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 112 1. Kết quả đạt được của luận án......................................................................... 112 2. Những đóng góp mới của luận án. ................................................................. 114 3. Hướng phát triển của luận án. ........................................................................ 114 4. Kiến nghị. ...................................................................................................... 114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................... 115 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 121 vi - DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1: Biểu đồ điều phối hồ chứa điều tiết năm [1] .................................................. 6 Hình 1. 2: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ........................................................................... 24 Hình 1. 3: Bản đồ lưu vực sông Mã phần thuộc tỉnh Thanh Hóa ................................. 26 Hình 1. 4: Sơ họa hệ thống hồ chứa trên Sông Chu và một số vị trí kiểm soát trên sông Mã ................................................................................................................ 28 Hình 2. 1: Sơ đồ cân bằng nước mô hình 2 thông số ................................................... 32 Hình 2. 2: Bản đồ các tiểu lưu vực hồ Cửa Đạt............................................................. 34 Hình 2. 3: Bản đồ sử dụng đất khu vực hồ Cửa Đạt ..................................................... 35 Hình 2. 4: Bản đồ loại đất khu vực hồ Cửa Đạt ............................................................ 35 Hình 2. 5: Đường quá trình dòng chảy đến hồ Cửa Đạt từ 1993 đến 2000 (hiệu chỉnh mô hình) ................................................................................... 36 Hình 2. 6: Đường quá trình dòng chảy đến hồ Cửa Đạt từ 2001 đến 2007 (Kiểm định mô hình) ................................................................................... 36 Hình 2. 7: Kết quả thử nghiêm dự báo dòng chảy đến hồ Hủa Na năm 2014 và 2015 ............................................................................................................ 39 Hình 2. 8: Kết quả ước tính dòng chảy xả tổng cộng từ hồ Hủa Na theo 2 phương án năm 2014 và 2015 ..................................................................... 39 Hình 2. 9: Kết quả thử nghiệm dự báo dòng chảy đến hồ Cửa Đạt năm 2014 và 2015 ............................................................................................... 40 Hình 2. 10: Mạng nơron thần kinh 3 lớp ...................................................................... 41 Hình 2. 11: Tương quan giữa lưu lượng dòng chảy đến hồ Cửa Đạt tính toán và thực đo.................................................................................................. 47 Hình 2. 12: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Cửa Đạt tính toán và thực đo ............ 47 Hình 2. 13: Sơ đồ tính toán ảnh hưởng của BĐKH đến nhu cầu tưới cây trồng .......... 53 Hình 2. 14: Quá trình 1 chu kỳ triều trong thời gian quan trắc từ ngày 10-22/III/201561 Hình 2. 15: Tương quan lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ................... 62 Hình 2. 16: Tương quan giữa lưu lượng Sét Thôn và độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) .......... 63 vii Hình 2. 17: Tương quan giữa tổng lưu lượng Xuân Khánh + Sét Thônvà độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) .................................................................................................. 63 Hình 2. 18: Tương quan giữa lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Hàm Rồng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) . 64 Hình 2. 19: Tương quan giữa lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Nguyệt Viên (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ..................................................................................................................... 64 Hình 2. 20: Diễn biến mặn dọc sông Mã từ cửa sông (Cửa Hới) vào đến Giàng theo số liệu quan trắc tháng III hàng năm 2007 – 2015 (hoàn chỉnh một chu kỳ triều) ..................................................................................................................... 67 Hình 2. 21: Minh họa hàm phân phối xác suất Lognormal phù hợp với chuỗi dòng chảy đến tháng 7 .................................................................................................. 69 Hình 2. 22: Minh họa mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa được thiết lập trong bảng tính Excel ..................................................................................................... 83 Hình 3. 1: Minh họa việc thiết lập hàm mục tiêu trong Opquest .................................. 87 Hình 3. 2: Minh họa việt thiết lập biến quyết định và các ràng buộc bắt buộc cấp nước đối với biến điều khiển trên cơ sở Quy trình 3944 và 1911 trong các tháng mùa kiệt ......................................................................................................... 87 Hình 3. 3: Minh họa việc thiết lập các ràng buộc mực nước hồ trên cơ sở Quy trình 3944 và 1911 trong các tháng mùa kiệt ................................................................. 88 Hình 3. 4: Minh họa việc thiết lập các điều kiện mô phỏng và tìm kiếm tối ưu (chạy mô phỏng 5000 lần, với chuỗi dòng chảy đến hồ cấp phát ngẫu nhiên theo mô phỏng Monte Carlo ....................................................................................... 88 Hình 3.5: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt theo QT 3944 .... 90 Hình 3.6: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ .................................................................. 91 Hình 3. 7: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ ........................................................... 91 Hình 3. 8: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau (vận hành trên cơ sở quy trình 3944) ................................................... 92 Hình 3.9: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 ................................................................................. 93 Hình 3.10: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 ....................................................................................................................... 94 viii Hình 3.11: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 ............................................................................................................... 94 Hình 3. 12: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau (vận hành trên cơ sở quy trình 3944 kết hợp với quy trình liên hồ 1911) ....................................................................................................................... 95 Hình 3. 13: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở quy trình 3944+ 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) ....................................................................................... 96 Hình 3. 14: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 3944+1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) ............. 97 Hình 3. 15: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng 3 ........................................... 97 Hình 3. 16: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) ............................... 98 Hình 3. 17: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 ................................................................................. 99 Hình 3.18: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 và xét đến BĐKH ........................................................................................ 100 Hình 3.19: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 và xét đến BĐKH ............................................................................... 100 Hình 3. 20: Sơ đồ logic chương trình tích hợp dự báo với mô hình vận hành hồ chứa Cửa Đạt ....................................................................................................... 104 Hình 3. 21: Biểu đồ điều phối theo 3 kịch bản ............................................................ 107 Hình 3. 22: Minh họa đường quá trình lưu lượng qua turbin khi vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt trong năm 2015 theo 3 kịch bản .......................................... 108 Hình 3. 23: Minh họa đường quá trình mực nước hồ khi vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt trong năm 2015 theo 3 kịch bản ................................................... 109 ix - DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1: Bộ thông số của mô hình cho 21 tiểu lưu vực thuộc lưu vực hồ Cửa Đạt ... 37 Bảng 2. 2 Điều kiện ràng buộc về mực nước hồ và dòng chảy tối thiểu vận hành theo từng giai đoạn (10 ngày) hồ Hủa Na .......................................................... 37 Bảng 2. 3: Lưu lượng phát điện tối đa hồ chứa Hủa Na ............................................... 38 Bảng 2. 4: Cấu trúc mạng nơron trước và sau khi hiệu chỉnh (luyện mạng) ................ 46 Bảng 2. 5: Tóm tắt kết quả kiểm định mô hình ANN mô phỏng dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt ................................................................................................. 47 Bảng 2. 6: Lượng nước yêu cầu cho vùng Bắc sông Chu năm thiết kế P = 75% ......... 49 Bảng 2. 7: Lượng nước yêu cầu cho vùng Nam sông Chu năm thiết kế P = 75% ........ 50 Bảng 2. 8: Mực nước hồ quy định trong biểu đồ điều phối (Quy trình 3944) .............. 50 Bảng 2. 9: Quy định mực nước và lưu lượng tối thiểu hồ Cửa Đạt trong các thời kỳ trong mùa Kiệt (Quy trình 1911) ......................................................................... 51 Bảng 2. 10: Số liệu đầu vào khí hậu cho mô hình Cropwat trong điều kiện bình thường ở khu vực nghiên cứu ...................................