Luận văn Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình athen vận hành liên hồ chứa lưu vực Sông Ba

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -----š›&š›----- Thân Văn Đón NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.44.90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HỮU KHẢI Hà Nội-Năm 2011 i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ khoa học “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba” đã được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tháng 12 năm 2011. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của thầy cô và đồng nghiệp. Trước hết, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Hữu Khải là người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS. Dương Văn Khánh và các đồng nghiệp tại Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã hỗ trợ chuyên môn, thu thập tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành. Trong khuôn khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của độc giả và các đồng nghiệp. Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2011 TÁC GIẢ ii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 2 1.1. Tổng quan về điều tiết hồ chứa .................................................................. 2 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................... 2 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 8 1.1.3. Một số mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong thực tế ........................................................ 10 1.2. Tổng quan về điều kiện tự nhiên lưu vực sông Ba .................................. 11 1.2.1. Vị trí địa lý và điều kiện Khí hậu Thủy văn ............................................ 11 1.2.2. Mạng lưới sông ngòi ............................................................................... 19 1.2.3. Tình hình tài liệu khí tượng thủy văn .................................................... 21 1.2.4. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba ................................................ 24 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA ................................................................................................... 26 2.1. Cơ sở phát triển mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa ........................... 26 2.2. Lý thuyết mô hình Athen ......................................................................... 29 2.2.1. Các thành phần mô hình ........................................................................ 29 2.2.2. Phương trình diễn toán .......................................................................... 30 2.3. Lý thuyết phương pháp Muskingum ....................................................... 31 2.4. Liên kết mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum ...................................................................................................... 34 2.5. Yêu cầu tệp số liệu đầu vào cho mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa .. 36 Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA ............................................................................... 37 3.1. Dữ liệu đầu vào của mô hình .................................................................... 37 3.1.1. Số liệu thủy văn và đặc trưng hồ chứa ................................................... 37 3.1.2. Số liệu nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước ........................... 39 3.1.3. Các thông số của phương pháp Muskingum .......................................... 39 3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ............................................................ 39 iii 3.2.1. Kết quả hiệu chỉnh mô hình ................................................................... 40 3.2.2. Kết quả kiểm định mô hình .................................................................... 42 3.3. Vận hành điều tiết liên hồ chứa ............................................................... 42 3.3.1. Quy tắc vận hành .................................................................................... 42 3.3.2. Thứ tự ưu tiên các nhu cầu sử dụng nước ............................................. 43 3.3.3. Kịch bản điều hành ................................................................................ 44 3.3.4. Kết quả tính toán cho năm điển hình 1982 ............................................ 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 63 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 64 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa ................................. 3 Bảng 1.2: Dòng chảy kiệt đo tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Ba ............... 18 Bảng 1.3: Kết quả đo đạc dòng chảy kiệt một số vị trí trên sông Ba ....................... 19 Bảng 1.4: Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba ...................................................... 20 Bảng 1.5: Danh sách các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Ba ................ 22 Bảng 3.1: Các đặc trưng của hồ chứa trên sông Ba ................................................. 38 Bảng 3.2: Bộ thông số của mô hình Muskingum diễn toán từng đoạn sông ............ 41 Bảng 3.2: Các hệ số trong mô hình ứng với kịch bản 1 .......................................... 44 Bảng 3.3: Các hệ số trong mô hình ứng với kịch bản 2 .......................................... 45 Bảng 3.4: Các hệ số trong mô hình ứng với kịch bản 3 .......................................... 55 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa ................................... 3 Hình 1.2: Sự cần thiết của điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội ........................... 4 Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 ................................................. 12 Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000 ............................................................................................................... 23 Hình 1.5: Vị trí các hồ chứa trên lưu vực sông Ba .................................................. 25 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát phát triển mô hình Athen .............................................. 28 Hình 2.2: Quan hệ λij, zij trong mô hình Athen ...................................................... 29 Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán vận hành đơn hồ chứa .................................................. 31 Hình 2.4: Sơ đồ diễn toán mô hình Athen đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum35 Hình 3.1: Các file số liệu đầu vào của mô hình Athen ............................................ 37 Hình 3.2: Đường quá trình Q~t của các trạm trên sông Ba năm 1982 ..................... 38 Hình 3.3: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm thủy văn Củng Sơn năm 1983 ............................................................................................................... 41 Hình 3.4: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm thủy văn Củng Sơn năm 1982 ............................................................................................................... 42 Hình 3.5: File số liệu kết quả đầu ra sau khi chạy mô hình ..................................... 45 Hình 3.6: Quan hệ đầu ra giữa mực nước hồ chứa, lượng trữ và tổng lượng ra (ứng với nhu cầu thủy điện ở mức tối đa, hệ số 0.5) ....................................................... 47 Hình 3.7: Quan hệ đầu ra giữa các sử dụng nước (ứng với nhu cầu thủy điện ở mức tối đa, hệ số 0.5) ..................................................................................................... 48 Hình 3.8: Quan hệ giữa mực nước tổng lượng đến hồ, tổng lượng nước phát điện ứng với mưc đảm bảovà mực nước hồ chứa sau khi vận hành ................................ 49 Hình 3.9: Quan hệ đầu ra giữa các nhu cầu sử dụng nước (ứng với nhu cầu thủy điện ở mức đảm bảo, hệ số 1.0) .............................................................................. 50 Hình 3.10: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước tại hồ An khê51 Hình 3.11: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước tại hồ Ba Hạ . 52 Hình 3.12: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước tại hồ An khê53 Hình 3.13: Nhu cầu, lượng nước dùng thực tế của các hộ dùng nước hồ Krông Hnăng ... 54 Hình 3.14: Quan hệ giữa mực nước hồ sau khi vận hành, tổng lượng đến hồ, tổng lượng nước phát điện ứng với mức phù hợp ........................................................... 57 Hình 3.15: Quan hệ đầu ra giữa các nhu cầu sử dụng nước ứng với mức phù hợp .. 60 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MNDBT: Mực nước dâng bình thường; MNC: Mực nước chết; MNGC: Mực nước gia cường; Vtb: Dung tích toàn bộ; Vhi: Dung tích hiệu dụng; Vc: Dung tích chết; Vpl: Dung tích phòng lũ; Qmaxtbin: Lưu lượng lớn nhất qua tubin. 1 MỞ ĐẦU Hiện nay nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đã được xây dựng, tuy nhiên khả năng giải quyết các bài toán thực tế vẫn còn hạn chế. Các phần mềm tối ưu hiện nay nói chung vẫn chỉ đưa ra lời giải cho những điều kiện đã biết mà không đưa ra được các nguyên tắc vận hành hữu ích. Phần lớn các mô hình mô phỏng lại dựa trên quy tắc vận hành không có điều khiển, điều này rất hạn chế cho điều tiết vận hành chống hạn và chống lũ. Mô hình Athen hiện tại là mô hình điều tiết đơn hồ chứa, cho phép điều tiết có điều khiển và có mã nguồn mở. Do vậy việc nghiên cứu và phát triển mô hình Athen để tính toán điều tiết liên hồ chứa trong mùa cạn là việc làm cần thiết, nhằm đưa ra một phương án điều tiết liên hồ có cơ sở khoa học chặt chẽ, hy vọng mang lại hiệu quả cả về mặt kinh tế và xã hội. Vì vậy Luận văn đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba”. I. Phạm vi nghiên cứu của Luận văn Phạm vi không gian: bao gồm các hồ chứa Yayun Hạ, An Khê-Kanak, Krông Hnăng, sông Hinh, Ba Hạ và sau hồ chứa cuối cùng là trạm thủy văn Củng Sơn. Phạm vi thời gian: điều hành hệ thống hồ chứa trong mùa kiệt. II. Mục tiêu của Luận văn Phát triển mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa thành liên hồ chứa, áp dụng thử nghiệm lưu vực sông Ba. III. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của Luận văn Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN LIÊN HỒ CHỨA Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA 2 Chương 1: TỔNG QUAN Theo nhận định của Ủy ban Đê đập Thế giới (World Commision on Dams 2000 [1]), nhiều hệ thống đê đập lớn trên thế giới đã hoạt động không đảm bảo được các lợi ích kinh tế - xã hội như mục tiêu thiết kế đề ra. Điều đó có thể do những sơ xuất trong thiết kế, xây dựng, do những nhu cầu sử dụng mới xuất hiện, do những vấn đề điều hành hệ thống hay do những thay đổi khí hậu toàn cầu... Để phát huy tối đa lợi ích của các hồ chứa, các nghiên cứu cần tập trung vào việc nâng cao hiệu quả điều hành của các hồ chứa. Các mục tiêu kinh tế xã hội của hệ thống hồ chứa như chống lũ, phát điện, cấp nước, cảnh quan môi trường, du lịch,... thường là những mục tiêu trái ngược nhau về nhu cầu sử dụng lượng nước có sẵn trong hệ thống hồ. Điều đó dẫn đến một bài toán hết sức phức tạp, các công cụ toán học và các mô hình trên máy tính được sử dụng để nghiên cứu vấn đề đặt ra. 1.1. Tổng quan về điều tiết hồ chứa 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu đã được các nhà khoa học, các cơ quan quản lý khai thác lưu vực sông trên thế giới đầu tư nghiên cứu từ những năm 50 và 60 của thế kỷ 20. Kết quả nghiên cứu đã góp phần làm tăng hiệu quả khai thác hệ thống nguồn nước các lưu vực sông trên toàn thế giới, có thể kể đến các nghiên cứu về vận hành hệ thống liên hồ chứa ở bang Calionia, Mỹ, nghiên cứu về quản lý lưu vực sông của Cơ quan quản lý vùng hạ lưu sông Colorado (LCRA), nghiên cứu của cơ quan năng lượng quốc gia Brazin về quản lý hệ thống hồ chứa thuỷ điện trên sông Amazon... Mặc dù đã được nghiên cứu từ khá lâu nhưng vẫn chưa xác định được phương pháp, công cụ chung cho xây dựng quy trình hệ thống liên hồ chứa mùa cạn mà các nghiên cứu vẫn phụ thuộc rất nhiều vào đặc thù riêng của từng hệ thống hồ chứa cụ thể. a. Phương pháp diễn toán hồ chứa Đây là phương pháp cơ bản trong giai đoạn thiết kế và vận hành hồ chứa. 3 Diễn toán dòng chảy (trong đó có sóng lũ) qua một hồ chứa được gọi là diễn toán hồ chứa. Đó là một phần quan trọng của phân tích hồ chứa mà những ứng dụng chính của nó là: xác định mực nước lớn nhất trong thời kỳ thiết kế hồ chứa, thiết kế các công trình xả tràn và cửa xả nước và phân tích sóng lũ vỡ đập. Một hồ chứa có thể được kiểm soát hoặc không được kiểm soát. Hồ chứa được kiểm soát bởi công trình xả tràn với các khoang tràn khống chế bằng các cửa van để kiểm soát dòng chảy ra. Công trình xả tràn của một hồ chứa không kiểm soát là công trình tràn tự do không có cửa van để khống chế lượng xả. Hình 1.1: Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa Một vài phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa đã được xây dựng, như trong bảng sau: Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa Phương pháp đường cong lũy tích Phương pháp Puls Phương pháp Puls cải tiến Phương pháp Wisler-Brater Phương pháp Goodrich Phương pháp Steinberg Phương pháp hệ số b. Vận hành hồ chứa Sử dụng hiệu quả tài nguyên nước yêu cầu không chỉ thiết kế đúng đắn mà cả quản lý đúng cách sau khi xây dựng. Biswas (1991) ước lượng rằng giá một đơn vị 4 nước từ các dự án cung cấp nước đô thị thế hệ kế tiếp sẽ thường cao hơn 2 - 3 lần thế hệ hiện tại. Do đó, bắt buộc tất cả các dự án phải được quản lý một cách tốt nhất. Một mô tả khái niệm về sự cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội đưa ra trong hình 1.2. Điều hành hồ chứa là một phần quan trọng của quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Sau khi được xây dựng, các hướng dẫn chi tiết được đưa đến cho người điều hành để đưa ra các quyết định đúng. Chính sách (quy trình) vận hành hồ chứa xác định lượng xả từ lượng trữ tại một thời điểm nào đấy phụ thuộc vào trạng thái của hồ chứa, mức yêu cầu cấp nước và các thông tin về lượng dòng chảy có thể đến hồ chứa. Bài toán vận hành cho hồ chứa đơn mục tiêu là quyết định quy trình tháo từ hồ chứa sao cho lợi ích cho mục tiêu đó là tối đa. Hình 1.2: Sự cần thiết của điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội Nguồn: được dịch trong cuốn sách P.V.Singh (2004), Water resourcess system planning and management. Elsevier Với hồ chứa đa mục tiêu, ngoài ra còn yêu cầu phân phối tối ưu lưu lượng tháo giữa các mục tiêu. Sự phức tạp của bài toán vận hành hồ chứa phụ thuộc vào quy mô mà các mục tiêu mong muốn tương thích với nó. Nếu các mục tiêu là tương thích, ít cần sự nỗ lực phối hợp giữa các mục tiêu. 5 * Phương pháp tối ưu hoá Kỹ thuật tối ưu hoá bằng quy hoạch tuyến tính và quy hoạch động đã được sử dụng rộng rãi trong tài nguyên nước. Loucks và nnk (1981) đã minh họa áp dụng, quy hoạch phi tuyến và Quy hoạch động cho tài nguyên nước. Nhiều tổng quan áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước đã được đăng tải nhiều lần, thí dụ như bởi Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993). Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hoá. Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động Monte - Carlo”. Về cơ bản, phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte - Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho sông. Quy trình tối ưu thu được cho mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được phát triển bởi Windsor (1975). Karamouz và Houck (1987) đã vạch ra quy tắc vận hành chung khi sử dụng Quy hoạch động xác định và hồi quy. Mô hình hồi quy sát nhập thủ tục hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được Bhaskar và Whilach (1980) gợi ý. Quy tắc để điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa cũng được phát triển trên quy hoạch động ngẫu nhiên, yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks (1981) và nhiều người khác sử dụng. Mô hình tối ưu hoá thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo làm đầu vào. Datta và Bunget (1984) vạch ra một chính sách điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hoá với mục tiêu cực tiểu hoá tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự nhân nhượng là gánh chịu một đơn vị độ lệch lượng trữ và một đơn vị độ lệch lượng xả từ các giá trị đích tương ứng thì phép giải tối ưu hoá phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như hình dạng hàm tổn thất. 6 Áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu có những khó khăn. Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mô hình, huấn luyện nhân lực, chi phí giải (bao gồm đầy đủ cả điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và định lượng tất cả các mục tiêu và sự cần thiết cho việc tương tác tốt hơn với người sử dụng). Một phương pháp khác đang được sử dụng hiện nay để giải thích tính ngẫu nhiên của đầu vào là chương trình logic mờ. Lý thuyết tập mờ đã được Zadeth (1965) giới thiệu. Jairaj và Vedula (2000) đã áp dụng phương pháp này cho tối ưu hoá nhiều hồ chứa. Phương pháp tối ưu hoá là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiêu khai thác hệ thống bằng cách lượng hoá chúng thành các hàm mục tiêu. Sau khi xác định được mục tiêu của bài toán quy hoạch thì vấn đề quan trọng nhất cần đặt ra là xây dựng hàm mục tiêu của bài toán quy hoạch còn gọi là thiết lập bài toán tối ưu. Mô hình mô tả hàm mục tiêu được gọi là mô hình tối ưu. Việc xây dựng hàm mục tiêu tuỳ thuộc vào nhiệm vụ của bài toán quy hoạch và tính phức tạp của hệ thống. Trong thực tế thường gặp các bài toán đa mục tiêu do những mục đích khai thác khác nhau. Dưới đây sẽ trình bày các dạng cơ bản của hàm mục tiêu đối với bài toán thiết kế hệ thống, phát triển hệ thống và quản lý điều hành hệ thống nguồn nước. * Phương pháp mô phỏng Vì không có khả năng để thí nghiệm với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Thí nghiệm có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình này để cung cấp một sự hiểu biết sâu về bài toán. Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ. Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải