Luận văn Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba

i LỜI CẢM ƠN Luận án được khởi thảo, tiến hành và hoàn thiện tại trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Đầu tiên, Tác giả à t ng k nh trọng và iết ơn sâu sắc đến các hướng dẫn khoa học TS. Lê Hùng và GS.TS. Hà Văn Khối đã tận t nh hướng ẫn Tác giả trong suốt quá tr nh nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, Khoa Xâ ựng Thủy lợi - Thủ điện, Ph ng Quản ý Sau đại học trường Đại học Bách Khoa, Ban quản ý các ự án đầu tư xâ ựng tỉnh Phú Yên đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tác giả xin à t ng iết ơn đến quý thầ cô và các ạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để Tác giả hoàn thiện luận án. Cuối cùng Tác giả không thể nào quên sự lo lắng, gánh vác việc nhà và nuôi dạ con cái của người Vợ, sự quan tâm và động viên của Cha-Mẹ và gia đ nh. Luận án có nội dung về quản ý vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ưu vực sông Ba trong bối cảnh biến đổi kh hậu, đâ à một vấn đề rộng lớn và phức tạp, luận án không thể tránh kh i sai sót. Tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầ , cô, đồng nghiệp, bạn è về luận án để sửa chữa những sai sót. Xin trân trọng cảm ơn TÁC GIẢ Cao Đình Huy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi à Cao Đ nh Hu . Tôi xin cam đoan đâ à công tr nh nghiên cứu của riêng tôi. Các nội ung và kết quả nghiên cứu trong Luận án à trung thực và chưa được ai công ố trong bất kỳ công tr nh khoa học nào. TÁC GIẢ Cao Đình Huy iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................... vii DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... ix DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. T nh cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực ti n của luận án .......................................................... 3 5.1. Ý nghĩa khoa học .......................................................................................... 3 5.2. Ý nghĩa thực ti n ........................................................................................... 3 6. Phương pháp tiếp cận .......................................................................................... 4 7. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 4 8. Cấu trúc uận án ................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỜI KỲ MÙA KIỆT ................................................................................... 6 1.1. Vai tr hệ thống hồ chứa trong cân ằng nước ................................................ 6 1.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa .................................................. 8 1.2.1. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới ....................... 8 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa trong nước ....................... 15 1.2.3. Các nghiên cứu trên ưu vực sông Ba ...................................................... 17 1.3. Nhận xét chung về các nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định hướng nghiên cứu của luận án .......................................................................................... 21 1.3.1. Về phương pháp uận ............................................................................... 21 1.3.2. Về thực trạng nghiên cứu vận hành hồ chứa ở ưu vực sông Ba ............. 22 1.3.3. Định hướng nghiên cứu của luận án ........................................................ 22 iv CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRÊN SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT ...................... 25 2.1. Giới hạn địa ý ưu vực sông Ba ..................................................................... 25 2.2. Đặc điểm sông ng i ........................................................................................ 25 2.3. Phân t ch đặc điểm kh hậu và ng chả sông ảnh hưởng đến chế độ vận hành các hồ chứa thời kỳ mùa kiệt ........................................................................ 27 2.3.1. Đặc điểm kh hậu ..................................................................................... 27 2.3.2. Đặc điểm chế độ mưa theo mùa ............................................................... 28 2.3.3. Đặc điểm chế độ ng chả sông ng i .................................................... 33 2.3.4. Đặc điểm đường quá tr nh rút nước thời kỳ mùa kiệt .............................. 38 2.4. Hiện trạng hệ thống công tr nh thủy lợi và nhu cầu sử dụng nước ................ 41 2.4.1. Hệ thống công tr nh thủy lợi .................................................................... 41 2.4.2. Hệ thống hồ chứa thủ điện lớn trên sông Ba .......................................... 43 2.4.3. Hệ thống các trạm ơm cấp nước trên sông ch nh ................................... 45 2.5. Nhiệm vụ vận hành điều tiết hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt ................... 46 2.5.1. Nhiệm vụ vận hành điều tiết cấp nước của hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt ...................................................................................................................... 46 2.5.2. Thực trạng vận hành các hồ chứa thủ điện, khó khăn và tồn tại ............ 48 2.6. Thiết lập ài toán vận hành điều tiết hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt ..................................................................................................... 52 2.6.1. Xác định nhiệm vụ và nội ung nghiên cứu ài toán vận hành hồ chứa ưu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt ...................................................................... 52 2.6.2. Mô tả ài toán vận hành hồ chứa trên ưu vực sông Ba theo thời gian thực thời kỳ mùa kiệt .................................................................................................. 54 2.6.3. Những khó khăn khi ập và vận hành hệ thống hồ chứa ưu vực sông Ba theo thời gian thực và hướng giải quyết ............................................................. 57 2.7. Kết luận chương 2........................................................................................... 59 CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG, XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ RÚT NƯỚC TIỀM NĂNG PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT THEO THỜI GIAN THỰC................................................. 62 3.1. Giới thiệu chung về các mô h nh mô ph ng trong quy hoạch và quản ý tài ngu ên nước .......................................................................................................... 62 3.2. Xâ ựng mô h nh mô ph ng Ba-Model phục vụ ài toán quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên ưu vực sông Ba .................................................. 66 v 3.2.1. Yêu cầu về thiết lập mô h nh ................................................................... 66 3.2.2. Cấu trúc của mô h nh ............................................................................... 66 3.2.3. Mô ph ng ................................................................................................. 69 3.3. Xâ ựng thuật toán và ập chương tr nh t nh toán cho mô h nh Ba-Model .. 72 3.3.1. Thuật toán t nh điều tiết hồ chứa .............................................................. 72 3.3.2. Giới thiệu cơ sở ý thu ết mô h nh NAM ................................................ 76 3.3.3. Thuật toán t nh ưu ượng tại các nút nhập ưu theo mô h nh NAM ....... 81 3.3.4. Dữ liệu sử dụng cho t nh toán .................................................................. 82 3.3.5. Lập chương tr nh t nh toán ....................................................................... 83 3.4. Xác định bộ thông số mô h nh NAM của Ba-Mo e ưu vực sông Ba .......... 83 3.4.1. Xác định các tiểu ưu vực phục vụ t nh toán nước đến các nút hồ chứa .. 83 3.4.2. T ch hợp các mô h nh thành phần khi xác định các tham số mô h nh NAM................................................................................................................... 86 3.4.3. Xác định bộ thông số mô h nh NAM ....................................................... 87 3.5. Xâ ựng đường rút nước tiềm năng ứng dụng trong nhận dạng ng chảy mùa kiệt ................................................................................................................. 92 3.5.1. Xâ ựng biểu đồ rút nước tiềm năng ...................................................... 92 3.5.2. Nhận dạng ng chả mùa kiệt theo biểu đồ rút nước tiềm năng ........... 96 3.6. Kết luận ........................................................................................................... 96 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH BA-MODEL VÀO VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA THỜI KỲ MÙA KIỆT .......... 98 4.1. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu .................................................................. 98 4.2. T nh toán kiểm tra khả năng đáp ứng êu cầu điều tiết cấp nước cho hạ du theo qu tr nh vận hành iên hồ của các hồ chứa lớn trên ưu vực sông Ba .......... 98 4.2.1. Mục đ ch t nh toán ................................................................................... 98 4.2.2. Thiết lập mạng sông ................................................................................. 99 4.2.3. Phương pháp t nh toán nước đến các nút hồ chứa và nhập ưu ............. 100 4.2.4. Phương thức vận hành hồ chứa trong quá tr nh t nh toán kiểm tra ........ 105 4.2.5. Tài iệu sử dụng t nh toán ....................................................................... 107 4.2.6. Kết quả t nh toán kiểm tra êu cầu điều tiết cấp nước hạ u qu định trong qu tr nh iên hồ chứa 878/QĐ-TTG ...................................................... 108 4.2.7. Đề xuất một phương án điều tiết cấp nước hạ du thời kỳ mùa kiệt cho các hồ chứa Krông H’Năng, Ba Hạ và Sông Hinh ................................................. 116 vi 4.3. T nh toán thử nghiệm dự áo khả năng đảm bảo êu cầu cấp nước cho hạ du mùa kiệt năm 2018-2019 theo mô h nh Ba-Model ............................................. 122 4.3.1. Dữ liệu sử dụng trong t nh toán ............................................................. 122 4.3.2. Kết quả t nh toán .................................................................................... 122 4.3.3. Nhận xét kết quả t nh toán ..................................................................... 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 131 1. Những kết quả đạt được của luận án ............................................................... 131 2. Những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................... 132 3. Kiến nghị ......................................................................................................... 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 135 PHỤ LỤC vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1. D ng chảy kiệt đo tại các trạm đo thủ văn ưu vực sông Ba .................. 37 Bảng 2.2: Sơ đồ nút giai đoạn hiện trạng ưu vực sông Ba....................................... 41 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa lớn trên sông Ba ................. 44 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các thủ điện nh trên sông Ba .............. 45 Bảng 2.5: Thống kê công suất phát điện nh quân tháng thủ điện Sông Hinh (đơn vị : MW) .................................................................................................................... 49 Bảng 3.1: Các thông số ch nh trong mô h nh NAM ................................................. 80 Bảng 3.2: Mô tả giới hạn các tiểu ưu vực được phân chia ...................................... 85 Bảng 3.3: Trạm đo mưa và ốc hơi sử dụng trong mô h nh NAM ........................... 88 Bảng 3.4: Đánh giá mức độ mô ph ng của mô h nh tương ứng với chỉ số Nash- Sutcliffe (Theo Moriasi, 2007) .................................................................................. 91 Bảng 3.5: Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan (Theo Moriasi, 2007) .................. 91 Bảng 3.6: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô h nh tại trạm An Khê và Củng Sơn ... 91 Bảng 3.7: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô h nh NAM trên ưu vực sông Hinh .. 92 Bảng 3.8: Bộ thông số mô h nh NAM sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô h nh .... 92 Bảng 4.1: Nhu cầu nước giai đoạn hiện trạng tại các nút sử dụng nước (Lưu ượng m 3 /s) ........................................................................................................................ 102 Bảng 4.2: Qu định ưu ượng điều tiết xuống hạ u theo Qu tr nh iên hồ chứa ưu vực sông Ba ............................................................................................................. 106 Bảng 4.3: Tổng hợp kết quả đánh giá sự đảm bảo êu cầu điều tiết nước cho hạ du theo Qu tr nh 878/QĐ-TTg. .................................................................................. 112 Bảng 4.4: Phương án điều tiết đề xuất .................................................................... 116 Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả t nh toán theo phương án đề xuất .............................. 118 Bảng 4.6: Bảng ưu ượng nh quân tháng tổng hợp theo kết quả t nh toán ưu ượng nh quân ngà theo mô h nh NAM năm 2018-2019 của 14 tiểu ưu ực sông Ba ............................................................................................................................ 124 viii Bảng 4.7: Bảng thống kê t nh trạng thiếu nước tại các nút cấp nước tưới năm 2018- 2019 từ kết quả t nh toán cân ằng nước theo mô h nh Ba-Model ........................ 124 Bảng 4.8: Bảng t nh toán kiểm tra khả năng điều tiết cấp nước năm 2018-2019 ... 128 Bảng 4.9: Vị tr giá trị ưu ượng trên iểu đồ rút nước tiềm năm tại thời điểm ngà 15/12/2018 ............................................................................................................... 130 ix DANH SÁCH HÌNH VẼ H nh 2.1: Bản đồ vùng nghiên cứu (Nguồn [1]) ....................................................... 26 H nh 2.2a: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại Pơ Mơ Rê ....... 29 H nh 2.2 : Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm ............................. 30 H nh 2.2c: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm ............................. 30 H nh 2.2 : Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa hàng tháng nh quân nhiều năm .................... 31 H nh 2.2e: Biểu đồ tỷ lệ ượng mưa tháng nh quân nhiều năm tại ........................ 31 H nh 2.2f: Bản đồ đẳng trị tổng ượng mưa năm trung nh nhiều năm ưu vực sông Ba và vùng phụ cận (Nguồn [1]) ............................................................................... 32 H nh 2.3a: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại Ayun Hạ ............................................................................................................... 34 H nh 2.3 : Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại Krông H’Năng (tài iệu đo 2003-2008) ................................................................ 34 H nh 2.3c: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại thủ văn Sông Hinh .............................................................................................. 35 H nh 2.3 : Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại An Khê ................................................................................................................. 36 H nh 2.3e: Biểu đồ tỷ lệ phân ố ng chả tháng trong năm nh quân nhiều năm tại trạm thủ văn Củng Sơn....................................................................................... 36 H nh 2.4a: Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại hồ An Khê ............................... 39 H nh 2.4 : Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn Sông Hinh ........ 40 H nh 2.4c: Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn Krông H’Năng (tại hồ thủ điện) ....................................................................................................... 40 H nh 2.4 : Đường quá tr nh ưu ượng mùa kiệt tại trạm thủ văn A un Hạ ........... 41 H nh 2.5: Vị tr các hồ chứa lớn xâ ựng qu tr nh iên hồ trong mùa kiệt ............ 44 H nh 2.6: Các công tr nh sử dụng nước từ đập An Khê đến Krông Chro ................ 46 H nh 2.7: Các trạm ơm ấ nước từ sông ch nh ...................................................... 46 H nh 2.8: Sơ đồ ngu ên ý thiết lập ài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực .................................................................................................................... 55 H nh 2.9: Sơ đồ tổng quát quá tr nh ra qu ết định khi vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực ..................................................................................................... 56 H nh 2.10: Sơ đồ các ước xác định quyết định quản ý nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Ba thời kỳ mùa kiệt ...................................................................... 59 x H nh 3.1: Sơ đồ một số nút nhập ưu đặc trưng của hệ thống ................................... 67 H nh 3.2: Sơ đồ vị tr các nút ch nh khu vực sông Hinh, sông Ba Hạ đến Đồng Cam ................................................................................................................................... 68 H nh 3.3. Sơ đồ mô ph ng cân ằng nước trên ưu vực sông Ba ............................. 73 H nh 3.4: Sơ đồ t nh toán điều tiết hồ chứa cấp nước ............................................... 74 H nh 3.5: Sơ đồ t nh điều tiết cho hồ chứa phát điện độc lập ................................... 75 H nh 3.6: Sơ đồ t nh điều tiết cho hồ chứa phát điện nằm trong hệ thống hồ chứa bậc thang ................................................................................................................... 76 H nh 3.7: Cấu trúc mô h nh NAM ............................................................................ 77 H nh 3.8: Sơ đồ t nh toán quá tr nh ưu ượng Q~t bằng mô h nh NAM cho một ưu vực nhập ưu có N thời đoạn t nh toán ...................................................................... 81 H nh 3.9: Sơ đồ phân chia các tiểu ưu vực để mô ph ng theo mô h nh NAM ........ 84 H nh 3.10: Các ước t nh toán trong mô h nh Ba –Model ........................................ 86 H nh 3.11a: Sơ đồ xác định thông số của mô h nh NAM trong mô h nh Ba-Model 89 H nh 3.11 : Sơ đồ kiểm định mô h nh NAM trong mô h nh Ba-Model ................... 90 H nh 3.12a: Biểu đồ rút nước tiềm năng tại ưu vực hồ chứa Sông Hinh ................. 94 H nh 3.12 : Biểu đồ rút nước tiềm