NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA. Hiện nay nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đã được xây dựng, tuy nhiên khả năng...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HỮU KHẢI

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

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

3.2.1 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

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

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

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

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

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 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

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

* 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

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 tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các gói mục đích chung phức tạp hơn Theo Simonovic (1992), các khái niệm vốn gắn với mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mô hình hoá khác

Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn hệ

riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau nhất định) Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là ít hơn nhiều so với mô hình tối ưu hoá Các kết quả mô phỏng sẽ

dễ dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu Số phần mềm máy tính đa mục tiêu phổ biến có sẵn có thể sử dụng để phân tích mối quan hệ quy họach, thiết kế và vận hành hồ chứa Hầu hết các phần mềm có thể chạy trong máy vi tính đang sử dụng rộng rãi hiện nay Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm thực hành

đã được chuẩn bị, nó dễ dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của thiết

kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng

Một trong số mô hình phổ biến rộng rãi nhất được sử dụng trong mô phỏng

hệ thống hồ chứa tổng quát là mô hình HEC - 5, phát triển bởi Trung tâm thủy văn công trình (Feldman 1981, Wurbs 1996) Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng khác là mô hình Acres (Sigvaldson 1976); Tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR) (USACE 1987), Mô phỏng hệ thống sóng tương tác (IRIS) (Loucks

và nnk 1989) Gói phân tích quyền lợi nước (WRAP) (Wurbs và nnk, 1993) Lund

và Ferriera (1996) đã nghiên cứu hệ thống hồ chứa sông Missouri và tìm thấy mô hình mô phỏng để nâng cấp kỹ thuật hồi quy cổ điển cho quy tắc điều hành chi tiết

và suy luận vạch ra từ mô hình tất định quy hoạch động Jain và Goel (1999) đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường điều phối Mặc dù sự sẵn có của một số mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phát triển các mô hình mô phỏng cho hồ chứa xác định cụ thể vì mỗi

hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng

Mô hình mô phỏng nhiều hồ chứa đã dùng để đánh giá tác động của các chính sách điều hành khác nhau chỉ có lợi nếu đầu ra nhiều mặt từ tất cả các lần chạy khác nhau có thể được so sánh và đánh giá Phân tích tính toán giá trị trung bình, phương sai và phân bố theo thời gian của các chỉ số đánh giá họat động hồ chứa, như dung tích hồ chứa, lượng xả, các lợi ích và tổn thất liên quan và chúng có thể sử dụng để đánh giá và so sánh quy trình Việc đánh giá cũng có thể sử dụng các khái niệm như độ tin cậy, độ phục hồi và tính dễ bị tổn thương hệ thống Các mô

hình mô phỏng cho điều hành hồ chứa là công cụ trợ giúp trong đánh giá tác động

có thể của các quy trình vận hành thay đổi và cho dự báo trạng thái tiếp theo của hệ thống, đưa ra các quy trình vận hành và các kịch bản thủy văn dự báo

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, nhiều hồ chứa trên các hệ thống sông với nhiều mục đích khác nhau đã và đang được tiến hành xây dựng Hệ thống hồ chứa trên sông Hồng gồm các hồ Hoà Bình trên sông Đà, Thác Bà trên sông Chảy và hồ Tuyên Quang trên sông Gâm, trong tương lai gần sẽ có thêm các hồ chứa như Sơn La, Lai Châu trên sông Đà, Huổi Quảng, Bản Chát trên nhánh sông Nậm Mu, Bắc Hà trên sông Chảy, Bảo Lạc trên sông Gâm Hệ thống hồ chứa trên sông Hồng với mục tiêu chính là chống lũ, cấp nước cho vùng đồng bằng Bắc bộ với khoảng 1 triệu ha đất nông nghiệp và góp phần sản xuất một lượng lớn nguồn điện cho quốc gia

Bậc thang hồ chứa trên sông Đồng Nai gồm các hồ chứa lớn như Trị An, Hàm Thuận - Đa Nhim, Dầu Tiếng, Thác Mơ, Phước Hòa, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 phục vụ cấp nước, phát điện cho vùng đồng bằng Nam Bộ

Hệ thống hồ chứa bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San và sông Sêrêpôk gồm các hồ Yali, Thượng Kon Tum, Pleikrong, Sesan 3, Sesan 3A, Sesan 4, đập điều hoà, BuonKop, BuonTuaSrah, thượng KrongBuk, phục vụ phát điện, cấp nước nông nghiệp cho vùng lãnh thổ Việt Nam đảm bảo duy trì dòng chảy môi trường cho vùng hạ lưu thuộc lãnh thổ Campuchia

Để phục vụ cho bài toán quản lý lũ, xây dựng hệ thống vận hành chống lũ lưu vực sông Hương hiện tại mô hình toán AUTOCAL có khả năng mô tả chi tiết các chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa thủy điện để đề xuất chế độ vận hành hợp lý cho hệ thống hồ Ứng dụng AUTOCAL trong vận hành hệ thống nguồn nước được thực hiện trong nhiều nghiên cứu như nghiên cứu vận hành chống lũ và phát điện cho nhà máy thủy điện Hòa Bình trong Luận văn tiến sỹ của Ngô Lê Long, nghiên cứu vận hành hệ thống công trình thủy lợi lưu vực sông Orange-Fish- Sundays ở Nam Phi,

Trong nghiên cứu cho hồ Hòa Bình, tác giả Ngô Lê Long (2006) đã sử dụng AUTOCAL tính toán đề xuất chế độ vận hành thực bao gồm hệ thống mô hình thủy động lực học hệ thống sông Hồng (vận hành 1 hồ Hòa Bình) chống lũ cho hạ du kết hợp tối ưu phát điện đã đề xuất chế độ vận hành hợp lý đảm bảo an toàn chống lũ hạ

du đồng thời tăng sản lượng điện phát từ hồ Hòa Bình hàng năm khoảng 0.4 triệu KWh/năm Tuy nhiên nghiên cứu này mới chỉ xét đến chế độ vận hành đơn hồ chứa-chưa xem xét đến việc phối hợp vận hành hệ thống liên hồ chứa

Ngoài việc tính toán phục vụ quản lý lũ, mô hình thủy động lực học cũng được sử dụng phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống công trình phục vụ cấp nước bằng diễn toán quá trình dòng chảy trong sông và hệ thống lấy nước vùng hạ du (trạm bơm, cống tự chảy, đập dâng …) để kiểm tra khả năng cấp của hệ thống, cũng như khả năng vận hành các cống, trạm bơm… có thể lấy đủ nước vào trong các hệ thống sử dụng nước hay không

Lê Kim Truyền, Đại học Thủy lợi - Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn điều hành cấp nước mùa cạn cho đồng bằng sông Hồng (2005-2007) Xây dựng Quy trình mùa cạn cho 4 hồ chứa Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang và Sơn La Sử dụng mô hình Mike-11 và các phần mềm điều tiết hồ chứa cấp nước TN1, TN2 do Trường Đại học Thủy lợi xây dựng Đề xuất mực nước tối thiểu trong mùa cạn tại

Hà Nội là 2,5m Các hồ phải vận hành tối thiểu theo công suất đảm bảo: Hồ Hòa Bình là 600m3/s, Thác Bà là 140m3/s, Tuyên Quang: 150m3/s Khi có hồ Sơn La, 1100m3/s

Tô Trung Nghĩa, Viện Quy hoach Thủy lợi - Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Đà, Lô điều tiết nước cho mùa khô hạ du sông Hồng-Thái Bình (2007): Xây dựng Quy trình vận hành cho 3 hồ Hòa Bình, Thác Bà

và Tuyên Quang trong mùa cạn Đề tài ứng dụng công nghệ GAMS để tính toán tối

ưu nhu cầu sử dụng nước và mô hình MIKE-11 để tính toán dòng chảy hạ du Thời đoạn phân tích là 10 ngày

Nguyễn Lan Châu, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương - Đánh giá tác động của hệ thống hồ chứa trên sông Đà, sông Lô đến dòng chảy mùa cạn hạ lưu sông Hồng và đề xuất giải pháp đảm bảo nguồn nước cho hạ du

Trường Đại học Khoa học tự nhiên, PGS.TS Nguyễn Hữu Khải: Nghiên cứu

cơ sở khoa học điều hành hệ thống hồ chứa Hòa Bình-Tuyên Quang phục vụ phát điện và cấp nước chống hạn hạ lưu Tác giả dùng HEC-RESSIM cùng với MIKE11

để tính toán, đề xuất các phương án xả nước và thời kỳ xả nước để duy trì mực nước

Hà Nội không dưới 2,3-2,5m

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

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 phần mềm vận hành hồ chứa được kết nối với mô hình diễn toán lũ dựa trên mô hình Muskingum hay sóng động học như các phần mềm thương mại MODSIM (Labadie et al 2000), RiverWare (Zagona et al 1998, Biddle 2001), CalSIM (Munevar & Chung 1999) Điều này rất hạn chế cho việc điều hành chống lũ và không áp dụng được cho lưu vực có ảnh hưởng của thủy triều hay nước vật Các nghiên cứu mới nhất gần đây về điều hành chống lũ cũng chỉ được áp dụng cho hệ thống một hồ Hsu & Wei (2007), Madsen et al (2007)

Hiện nay hầu hết các mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa dựa vào phương trình cân bằng nước theo quy tắc vận hành không có điều khiển, chỉ có duy nhất mô hình HEC_RESSIM là mô hình vận hành có điều khiển, tuy nhiên mô hình không cho phép điều khiển mực nước hồ trong thời gian bất kỳ của mùa cạn và mô hình không có mã nguồn mở, nên khi muốn thay đổi các điều khiển thì không can thiệp được vào mô hình

Năm 2007 (phiên bản 1), năm 2010 (phiên bản 2) - Trường Đại học kỹ thuật Quốc gia Athens (Hy Lạp) xây dựng mô hình điều tiết đơn hồ chứa bằng ngôn ngữ

đây là mô hình có mã nguồn mở, do vậy khi cần can thiệp vào mô hình, chúng ta có thể can thiệp được

Do vậy dựa vào mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum diễn toàn dòng chảy trong sông, tác giả nghiên cứu thuật toán liên kết 2

mô hình này thành một mô hình điều tiết liên hồ chứa và áp dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Ba

1.2 Tổng quan về điều kiện tự nhiên lưu vực sông Ba

1.2.1 Vị trí địa lý và điều kiện Khí hậu Thủy văn

a Vị trí địa lý lưu vực sông Ba

Lưu vực sông Ba là một trong chín lưu vực sông lớn nhất Việt Nam Lưu vực sông nằm trong phạm vi ranh giới hành chính của 20 huyện thị và một thành phố thuộc ba tỉnh Tây Nguyên (Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk) và một tỉnh duyên hải miền Trung Trung Bộ là Phú Yên

Vị trí địa lý của lưu vực ở vào khoảng 12055’ đến 14038’ vĩ độ Bắc và

108000’ đến 109055’ kinh độ Đông, phía Bắc giáp với lưu vực sông Sêsan và sông Trà Khúc, phía Nam giáp với lưu vực sông Cái, sông Srêpok, phía Đông giáp lưu vực sông Kôn, sông Kỳ Lộ và Biển Đông Diện tích tự nhiên lưu vực kể cả nhánh sông Bàn Thạch là 14.140 km2

Địa hình của lưu vực bị chia cắt mạnh bởi sự chi phối mạnh mẽ của dãy Trường Sơn tạo cho lưu vực có dạng lòng máng chạy dài từ thượng nguồn đến hạ lưu sông Ba, cao độ phổ biến ở thung lũng An Khê là 400 - 500 m, Cheo Reo là 150

- 200 m và Phú Túc là 100 - 150 m, các thung lũng trên khá bằng phẳng, tạo thành những cánh đồng lớn nằm dọc hai bên bờ sông Ba và hạ lưu sông Ayun với tiềm năng đất canh tác nông nghiệp hàng vạn ha, rất thích hợp với các loại cây lương thực và cây công nghiệp ngắn ngày phát triển Vùng hạ lưu có núi non bao bọc 3 phía Bắc, Tây, Nam, cao độ biến đổi từ 200 - 500 m và bị chia cắt mạnh, các dãy núi này ôm lấy vùng đồng bằng Tuy Hoà rộng trên 24000 ha có xu thế mở rộng ra phía Biển, cao độ biến đổi từ 5 - 10 m, vùng cửa sông và ven biển cao độ biến đổi

từ 0.5 - 2 m Đặc biệt, phía Đông có dải cát ngăn cách đồng bằng và biển với cao độ

10 m, bề rộng cồn cát 1 - 2 km, kéo dài tiếp xúc với biển khoảng 30 – 40 km

Hình 1.3: Bản đồ lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000

Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng

và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba”

S.Đà Rằng

S.Hinh S.Krông Hnăng

S.Yayun

b Điều kiện Khí hậu, Thủy văn

Phần lớn đất đai lưu vực sông Ba nằm ở sườn phía Tây Trường Sơn và một phần nhỏ ở hạ lưu nằm ở phía Đông Trường Sơn, do vậy hàng năm sông Ba chịu ảnh hưởng của hai luồng gió: gió mùa Tây Nam và gió mùa Đông Bắc Song do tính chất phức tạp của địa hình trên lưu vực, đặc biệt là sự chi phối mạnh mẽ của dãy Trường Sơn kết hợp với hoàn lưu gió mùa đã tạo cho lưu vực sông Ba có ba kiểu khí hậu khác nhau Trong đó, vùng thượng lưu và trung lưu chịu ảnh hưởng của khí hậu Tây Trường Sơn và khí hậu chuyển tiếp còn vùng hạ lưu chịu ảnh hưởng của khí hậu Đông Trường Sơn

Khí hậu Tây Trường Sơn: gió mùa Tây Nam thổi qua vịnh Bengal mang theo

hơi ẩm vào hàng năm từ tháng V đến tháng X tạo nên các trận mưa dông với lượng mưa khá phong phú Từ tháng XI đến tháng IV năm sau là một mùa khô ít mưa gây tình trạng khô hạn nghiêm trọng

Khí hậu Đông Trường Sơn: đặc điểm là sự tác động mạnh mẽ của các nhiễu

động thời tiết từ biển Đông và sự kết hợp ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc Hàng năm từ tháng XI đến tháng XII, các cơn bão từ biển Đông đổ bộ vào đất liền gặp dãy Trường Sơn bị suy yếu thành áp thấp nhiệt đới gây mưa lớn ở hạ lưu sông Ba từ Củng Sơn đến biển, lưu vực sông Hinh và lưu vực sông Krông HNăng Từ tháng I đến tháng IX là mùa khô, có hai thời kỳ khô kiệt nhất là tháng II, tháng III và tháng VII, tháng VIII Lượng mưa chín tháng này chỉ chiếm 30 - 35% tổng lượng mưa năm

Khí hậu chuyển tiếp: do tác động của hai kiểu khí hậu Đông và Tây Trường

Sơn Hai luồng không khí Đông Bắc và Tây Nam tác động qua lại và có lúc lấn át nhau tạo thành một vùng trung lưu (từ An Khê đến Củng Sơn) hàng năm từ tháng V đến tháng XI có mùa mưa dịu mát Tuy lượng mưa vùng không lớn nhưng lại kéo dài nhiều ngày cũng là một thuận lợi cho cây công nghiệp, cây màu phát triển…

Các đặc trưng khí hậu cơ bản trên lưu vực sông Ba

- Nhiệt độ không khí

Nhiệt độ bình quân vùng thượng lưu là 21,5 – 23,50C, vùng trung lưu là 25 -

260C, và vùng hạ lưu 26 - 270C Tháng có nhiệt độ cao nhất ở vùng thượng lưu và trung lưu là tháng IV, tháng V và nhiệt độ trong các tháng này có thể đạt 24 - 280C,

ở vùng hạ du thường là tháng VI, tháng VII và nhiệt độ có thể đạt 28 - 290C

Tháng có nhiệt độ thấp nhất trên toàn lưu vực là tháng I hàng năm và nhiệt

độ ở vùng núi đạt khoảng 19 - 220C, vùng thung lũng và đồng bằng đạt 19 - 220C

Ở vùng thượng du và trung du, lượng bốc hơi lớn nhất thường vào tháng III

và tháng IV có thể đạt 120 - 200 mm/tháng, lượng bốc hơi nhỏ nhất thường từ tháng

X đến tháng XI và chỉ đạt 50 - 85 mm/tháng Ở hạ lưu sông Ba lượng bốc hơi lớn nhất vào tháng VI đến tháng VIII với lượng bốc hơi khoảng 130 - 200 mm/tháng Bốc hơi nhỏ nhất vào tháng X đến tháng XII với lượng bốc hơi khoảng 50 - 80 mm/tháng

- Gió

Trên nền chung của cơ chế gió mùa cùng với sự chia cắt mạnh mẽ của địa hình và hướng của các dãy núi cao Hàng năm vùng lưu vực sông Ba chịu ảnh hưởng của hai hướng gió chính thổi tới, từ tháng V đến tháng IX hướng Tây và Tây Nam, từ tháng X đến tháng IV năm sau là hướng Đông và Đông Bắc Vùng thượng

và hạ lưu sông Ba tốc độ gió thường lớn hơn vùng trung du, nguyên nhân là vùng trung du bị các dãy núi cao che khuất nhiều, còn vùng thượng và hạ du khá thuận lợi cho việc đón các hướng gió

Tốc độ gió trung bình hàng năm vùng thượng và hạ du có thể đạt tới 2,3 – 2,4 m/s, vùng trung du chỉ đạt 1,4 – 1,7 m/s Tốc độ gió lớn nhất đã quan trắc được

ở thượng du (trạm An Khê) là 23 m/s và ở hạ du (trạm Tuy Hoà) là 36 m/s, trong khi đó ở trung du trạm Cheo Reo lớn nhất chỉ đạt 20 m/s

Bão thường xuất hiện từ biển Đông Do tác động chắn gió của dải Trường Sơn nên hàng năm lưu vực sông Ba phần thượng và trung lưu thường không có bão Khi bão từ biển Đông đổ bộ vào gặp dải Trường Sơn làm cho tốc độ gió và tốc độ

di chuyển của bão chậm lại Bão trở thành vùng áp thấp gây gió mạnh và mưa lớn cho toàn lưu vực sông Ba Riêng phần hạ du lưu vực sông Ba mở ra theo hướng Đông - Tây nên thuận tiện cho bão tràn vào gây gió mạnh và mưa lớn ở hạ lưu

- Mưa

Do đặc điểm địa hình và điều kiện khí hậu mà chế độ mưa của lưu vực sông

Ba khá phức tạp so với các lưu vực sông lân cận Khi vùng thượng và trung du lưu vực đã bước vào mùa mưa thì vùng hạ du vẫn đang ở thời kỳ khô hạn, ngược lại, khi vùng thượng và trung du đã kết thúc mùa mưa nhưng vùng hạ du vẫn trong thời

kỳ mưa lớn Mùa mưa ở vùng thượng và trung du thường đến sớm từ tháng V và kết thúc vào tháng X hoặc tháng XI, kéo dài trong 6 - 7 tháng Trong khi đó, mùa mưa vùng hạ du đến muộn và kết thúc sớm, chỉ kéo dài 3 - 4 tháng, khoảng tháng IX đến tháng XII

Nếu coi thời gian mùa mưa bao gồm những tháng có lượng mưa lớn hơn lượng mưa bình quân tháng trong năm và đạt trên 50% tổng số năm quan trắc thì mùa mưa tại các nơi trên lưu vực sông Ba như sau:

+ Khu vực Tây Trường Sơn

Mùa mưa kéo dài 6 tháng, từ tháng V đến tháng X trùng với mùa gió mùa Tây Nam hoạt động Lượng mưa cả mùa mưa xấp xỉ 90% lượng mưa năm Tháng VIII và tháng IX thường có lượng mưa tháng lớn nhất và đạt trên 200 mm/tháng, ở nơi ít mưa từ 350 đến 470 mm/tháng ở nơi nhiều mưa Từ tháng I đến tháng III có nhiều năm không có mưa và nếu có thì lượng mưa cũng không đáng kể (chỉ từ 2 -

10 mm/tháng) và cũng chỉ mưa trong một vài ngày Đại diện cho khu vực này là trạm Pleiku, Pơ Mơ Rê, Chư Sê…

+ Khu vực Đông Trường Sơn

Mùa mưa ngắn chỉ 3 - 4 tháng, từ tháng IX đến tháng XI hoặc XII hàng năm cùng với thời kỳ gió mùa Đông Bắc và bão muộn hoạt động trên biển Đông Lượng mưa trong mùa mưa ở đây chiếm 65 - 75% lượng mưa cả năm Mưa lớn thường xảy

ra vào tháng X và tháng XI, tháng có lượng mưa lớn có thể đạt trên 600 mm/tháng

có năm có trạm đạt tới 1920 mm/(XI - 81) ở Sông Hinh, 1310 mm/(XI - 90) ở Tuy Hoà Số ngày mưa trong tháng từ 20 - 25 ngày/tháng Mùa ít mưa kéo dài 8 - 9 tháng (từ tháng I đến tháng VIII hoặc IX) lượng mưa trong mùa ít mưa chiếm 30 - 35% lượng mưa cả năm Tháng II đến tháng III thường có lượng mưa nhỏ nhất và chỉ đạt 20 - 30 mm/tháng đối với vùng cao, dưới 20 mm/tháng đối với vùng thấp Khu vực này thường có đỉnh mưa từ tháng V đến tháng VI hàng năm Tháng VII và tháng VIII lượng mưa lại giảm đi Đại diện cho vùng này là các trạm Sông Hinh, Sơn Thành, Tuy Hoà

+ Khu vực trung gian

Khu vực này chịu tác động qua lại của khí hậu Tây và Đông Trường Sơn Mùa mưa ở đây kéo dài bảy tháng từ tháng V đến tháng XI Lượng mưa mùa mưa chiếm khoảng 85 - 93 % lượng mưa năm Số ngày mưa trong mùa mưa khoảng 15 -

20 ngày mưa trong một tháng Tháng IX và tháng X thường có lượng mưa tháng lớn nhất đạt khoảng 250 - 350 mm/tháng, xấp xỉ 20% lượng mưa năm Mùa khô kéo dài

5 tháng từ tháng XII đến tháng IV năm sau, trong đó tháng I và tháng II là những tháng ít mưa nhất, lượng mưa trong hai tháng này có nhiều năm bằng 0 và nếu có mưa thì cũng chỉ đạt 2 - 10 mm/tháng và cũng chỉ mưa trong vài ngày

- Dòng chảy lũ

Nguyên nhân sinh lũ là do mưa có cường độ lớn gây ra lũ trên sông suối trong lưu vực gọi là mưa sinh lũ Các đặc trưng của mưa sinh lũ như cường độ mưa, tâm mưa, phân bố mưa là các yếu tố quyết định đến độ lớn nhỏ của dòng chảy lũ

Mưa sinh lũ trên lưu vực sông Ba chủ yếu do các nguyên nhân sau:

Mưa dông do gió mùa Tây Nam kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới

Do bão từ biển Đông vào đất liền, gặp dải Trường Sơn tạo thành vùng áp thấp nhiệt đới

Sự kết hợp của hai yếu tố trên thường xảy ra vào cuối mùa mưa Tây Trường Sơn, vào cuối tháng X hoặc tháng XI hàng năm Khả năng của mưa sinh lũ lớn trên lưu vực sông Ba thường rơi vào tháng IX đến tháng XI hàng năm Qua nghiên cứu cho thấy từ tháng V đến tháng VIII tuy đã là mùa mưa Tây Trường Sơn và lượng mưa cũng khá lớn, song lượng mưa và cường độ mưa vẫn chưa đủ lớn, đất đai lại mới trải qua một mùa khô hạn gay gắt Vì vậy, mưa trong thời gian này chỉ gây nên các trận lũ nhỏ trên sông suối nhỏ và có biên độ không lớn

Từ tháng IX đến tháng XI các nhiễu động thời tiết ở biển Đông (chủ yếu là bão muộn, có khi là gió mùa Đông Bắc) mạnh lên kết hợp với mưa cuối mùa phía Tây Trường Sơn làm cho lượng mưa và cường độ mưa trên lưu vực tăng lên mạnh

mẽ vượt qua cường độ thấm, khả năng trữ nước trong đất đã đạt đến mức bão hoà

do đó lũ trong thời gian này là lũ lớn nhất trong năm

Phần lưu vực sông Ba từ trung du đến thượng nguồn nằm trên các khu vực địa hình khác nhau, có chế độ mưa khác nhau và cường độ mưa sinh lũ nói chung không lớn nên lũ vùng này không lớn và hầu như không có sự tổ hợp của các lũ sông nhánh gặp nhau ở dòng chính gây lũ lớn

Phần lưu vực phía hạ lưu thì ngược lại, mưa lớn trong năm tập trung trong thời gian tương đối ngắn, cường độ mưa lớn, khi lũ cuối mùa trên dòng chính sông

Ba về đến Củng Sơn thường trùng với thời kỳ mưa lớn vùng hạ lưu, do đó lũ lớn trong năm thường gặp nhau Do lũ lớn hàng năm ở hạ lưu sông Ba thường gặp nhau nên tình hình ngập lụt vùng hạ du trong thời gian này nói chung là nghiêm trọng,

nhất là đối với vùng canh tác lúa Tuy Hoà thuộc hệ thống tưới Đồng Cam Vì vậy cần có giải pháp tiêu thoát nước vùng hạ lưu và nhất là vùng lúa Phú Yên và thành phố Tuy Hoà

Trên lưu vực, đỉnh lũ xuất hiện ở các sông nhánh và sông chính thường không trùng nhau; ví dụ năm 1981 đỉnh lũ xuất hiện tại An Khê vào ngày 9/XI, tại sông Hinh 10/XI còn tại Củng Sơn là 18/XI Lũ sông Ba thuộc loại lũ lớn, các đỉnh

lũ thường xuất hiện chủ yếu vào tháng X và XI, mô đuyn đỉnh lũ trung bình An Khê khoảng 920 l/skm2, tại Củng Sơn khoảng 660 l/skm2 Lưu vực sông Ba xuất hiện ba trận lũ lịch sử vào năm 1938, 1964 và năm 1993

Dòng chảy kiệt ngày thường rơi vào tháng có dòng chảy kiệt nhất

Nhìn chung, ở những nơi có độ dốc lưu vực lớn, rừng đầu nguồn bị khai phá nhiều, đất đai tơi xốp, lượng mưa nhỏ thì dòng chảy kiệt ở đó nghèo nàn

Tại các vị trí trạm đo thuỷ văn thuộc lưu vực sông Ba đã đo được dòng chảy kiệt như sau:

Bảng 1.2: Dòng chảy kiệt đo tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Ba

M (l/skm2)

Qua thực tế khảo sát điều tra những năm gần đây cho thấy, vào các tháng III,

IV hàng năm nhiều nhánh suối bị khô cạn, những nhánh suối vài chục km2 hầu như không có nước

Kết quả đo đạc dòng chảy kiệt tại một số vị trí dòng nhánh và dòng chính của sông Ba như sau:

Bảng 1.3: Kết quả đo đạc dòng chảy kiệt một số vị trí trên sông Ba

Nguồn: Quy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông Ba

1.2.2 Mạng lưới sông ngòi

Lưu vực sông Ba bắt nguồn từ đỉnh núi cao Ngọc Rô 1549 m của dải Trường Sơn Từ thượng nguồn đến An Khê sông chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam sau

đó chuyển hướng Bắc Nam, đến cửa sông Hinh chảy theo hướng gần như Tây Đông rồi đổ ra biển Đông tại Tuy Hoà

Tính từ thượng nguồn đến cửa ra (sông Đà Rằng), sông Ba có diện tích lưu vực 13.900 km2, với chiều dài sông chính là 374 km, mật độ lưới sông 0,22 km/km2

Sông Ba có nhiều suối nhỏ đổ vào, trong đó có 36 phụ lưu cấp I, 54 phụ lưu cấp II, 14 phụ lưu cấp III và 1 sông nhánh cấp IV Có 3 sông nhánh đáng chú ý:

- Sông Ayun: bắt nguồn từ đỉnh núi KrôngHơDung cao 1220 m Sông chảy

theo hướng Bắc Nam, sau đó chuyển hướng Tây Bắc - Đông Nam rồi nhập với dòng chính sông Ba tại vị trí cách thị trấn Cheo Reo chừng 1 km về phía Bắc Đây

là dòng nhánh lớn nhất có diện tích lưu vực 2950 km2, độ dài sông 175 km

- Sông Hinh: bắt nguồn từ đỉnh núi ChưH’Mu cao 2051 m Hướng dòng

chảy chính là Tây Bắc - Đông Nam đến vĩ độ 12005’, sông chảy theo hướng Bắc Nam rồi nhập với dòng chính sông Ba ở phía trên Sơn Hòa Sông có diện tích lưu vực 1040 km2, độ dài sông 88 km Lưu vực sông Hinh có lượng mưa dồi dào nhất lưu vực sông Ba

- Sông Krông HNăng: bắt nguồn từ đỉnh núi Chư Tung cao 1215 m Hướng

dòng chảy tương đối phức tạp gần như hình vòng cung Hướng dòng chảy chủ yếu

là Bắc Nam và Tây Bắc - Đông Nam rồi nhập với sông Ba tại ranh giới Gia Lai và Phú Yên Sông có diện tích lưu vực là 1840 km2, độ dài sông là 130 km

Ba nhánh sông trên đều nằm trên hữu ngạn sông Ba Hàng năm, trên toàn lưu vực nhận một lượng mưa bình quân khoảng 1740 mm với mô số dòng chảy đạt 22.8 l/skm2, lượng nước đến hàng năm tại cửa ra khoảng 9,5 tỷ m3 Các sông suối thuộc lưu vực sông Ba hẹp và sâu, độ dốc sông suối lớn nên có tiềm năng lớn về thủy năng

Bảng 1.4: Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba

Chiều dài lưu vực (km)

Diện tích lưu vực (km2)

Độ cao bình quân lưu vực (m)

Độ dốc bình quân lưu vực (%)

Chiều rộng bình quân lưu vực (km)

Mật độ lưới sông (km/km2)

Sông

Nguồn: Đề tài cấp nhà nước-KC08.30-10.2010

1.2.3 Tình hình tài liệu khí tượng thủy văn

+ Tài liệu khí tượng

Trong và lân cận lưu vực sông Ba có 28 trạm đo mưa và khí hậu, trong đó có

7 trạm đo các yếu tố khí hậu Tính trung bình khoảng 695 km2 có một trạm đo mưa

và 2400 km2 có một trạm đo khí hậu Phần lớn các trạm được quan trắc từ sau ngày giải phóng miền Nam (1975) trong đó có 5 trạm đo mưa có tài liệu trước giải phóng là: Pleiku năm 1934 - 1944, 1956 - 1974, An Khê năm 1928 - 1940, Cheo Reo năm

1931 - 1942, 1961 - 1974, Tuy Hoà năm 1933 - 1942, 1957 - 1974, Mdrăk năm

1931 - 1942 Còn phần lớn các trạm có tài liệu từ năm 1977 đến nay

+ Tài liệu thuỷ văn

Trên lưu vực sông Ba và vùng lân cận có 15 trạm quan trắc thuỷ văn, trong

đó có 13 trạm đo mực nước và lưu lượng, 2 trạm đo mực nước Các trạm có tài liệu quan trắc trước năm 1975 là An Khê ở thượng lưu dòng chính sông Ba có tài liệu mực nước lưu lượng từ năm 1967 - 1974 Trạm Cheo Reo ở trung lưu dòng chính sông Ba chỉ có tài liệu mực nước và lưu lượng các năm 70, 73, 74, trạm Kon Tum sông Đak Bla có tài liệu mực nước lưu lượng (1966 - 1974) còn lại các trạm đều có tài liệu quan trắc sau năm 1975: gồm 4 trạm trên dòng chính sông Ba trong đó có 2 trạm đo mực nước và lưu lượng là An Khê và Củng Sơn, 2 trạm đo mực nước là Cheo Reo và Phú Lâm (Tuy Hoà), 3 trạm đo trên dòng chính còn lại là các trạm nằm ngoài lưu vực sông Ba Trong nghiên cứu tính toán đã sử dụng toàn bộ tài liệu của các trạm hiện có vùng ven biển khu 5 và Tây Nguyên

Bảng 1.5: Danh sách các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Ba

Thủy văn

Khí tượng

Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Ba tỷ lệ

1/100.000

1.2.4 Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba

* Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba

Hiện nay trên lưu vực sông Ba có rất nhiều hồ đập và trạm bơm, đập dâng, tất cả có 290 công trình phân bố tập trung các công trình theo 3 tỉnh:

+ Tỉnh Phú Yên có 75 công trình hồ và đập trong đó có 41 hồ chứa

+ Tỉnh Đăk Lăk có 119 hồ chứa

+ Tỉnh Gia Lai có 96 hồ chứa, 82 đập dâng, 20 trạm bơm

Trong 290 công trình thì phần lớn thuộc loại hồ chứa nhỏ Trong đó, đáng chú ý

có 5 công trình thủy điện thuộc loại lớn: Kanak - An Khê , Ayun Hạ, Ea Krông Hnăng, sông Hinh, sông Ba Hạ

Trên lưu vực sông Ba có rất nhiều hồ chứa: tại tỉnh Phú Yên có 41 hồ chứa,

ở tỉnh ĐăkLăk có 119 hồ chứa và Gia Lai có 96 hồ chứa trong đó có 55 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 854 MW và 3.9 tỷ kwh

Hồ sông Ba Hạ cách trạm thủy văn Củng Sơn 10 km, là một hồ chứa phát điện lớn nhất trên sông Ba Đây là một hồ chứa lợi dụng tổng hợp phục vụ các mục tiêu phát điện, tưới, phòng lũ và cấp nước sinh hoạt Nhà máy thuỷ điện sông Ba Hạ được xây dựng trên địa bàn hai huyện sông Hinh và Sơn Hoà tỉnh Phú Yên Nhà máy đảm bảo một công suất lắp máy là 220 MW, công suất đảm bảo với Q90% là 33.3 MW, điện năng bình quân nhiều năm E0 = 825 kwh và hỗ trợ cho đập Đồng Cam để tưới 19800 ha ruộng

Trong mùa kiệt, hồ chứa sông Ba Hạ có nhiệm vụ cấp nước cho yêu cầu phát điện và các nhu cầu như tưới, sinh hoạt và các hoạt động kinh tế khác, trong khi dòng chảy đến hồ lại nhỏ

Mùa kiệt năm 1983 là kiệt nhất trong dãy số liệu đo đạc, được chọn là năm điển hình để tính toán điều tiết Khóa luận này xem xét khả năng điều tiết của hồ sông Ba Hạ trong những tháng kiệt của năm 1983

Hình 1.5: Vị trí các hồ chứa trên lưu vực sông Ba

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN

ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA

Tên của mô hình Athen (RMM-NTUA) là tên viết tắt của Reservoir Management Model, nghĩa là mô hình quản lý (điều hành) hồ chứa Mô hình được xây dựng bởi Andreas Efstratiadis, Stefanos Kozanis và Liagos Giannis Athens, tại trường Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens (Hy Lạp), ngày 25 tháng 10 năm 2007 (phiên bản 1), 18 tháng 2 năm 2010 (phiên bản 2), mô hình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Delphi

Mục tiêu chính của mô hình: Mô hình kết hợp sử dụng nước và phân định các quy tắc hoạt động cho mỗi lần sử dụng, trong đó có tính đến tất cả các thành phần cân bằng nước cần thiết, kể cả hao hụt do bốc hơi và rò rỉ

Thứ hai, mô hình bảo đảm tính linh hoạt về thời gian (từ hàng ngày đến hàng tháng)

Thứ ba, mô hình cung cấp một giao diện thân thiện cho người dùng để xử lý

dữ liệu và tính toán vận hành điều tiết hồ chứa

2.1 Cơ sở phát triển mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa

Hiện tại mô hình Athen chỉ vận hành cho đơn hồ chứa, do vậy muốn điều tiết liên hồ chứa phải phát triển thành liên hồ chứa Mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa được phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết của mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum để diễn toán dòng chảy trong sông Trong phương pháp này quá trình diễn toán được tiến hành trên một nhánh sông độc lập từ thượng lưu xuống hạ lưu, các ảnh hưởng của nước vật trên đường mặt nước như nước nhảy hay sóng đều không được xem xét

Trong mô hình Athen vận hành điều tiết liên hồ chứa được chia làm hai khối :

Đây là một trong những khối quan trọng nhất Với đầu vào của hệ thống là đường quá trình dòng chảy đến theo thời gian (Q-t), các thông số của công trình và nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước, thông qua chương trình điều tiết hoạt động xả nước từ các nhà máy Từ đây lựa chọn phương thức vận hành hệ thống hồ chứa đạt hiệu ích cao nhất Nhiệm vụ của khối này được mô hình Athen đảm nhận

2.1.2 Khối diễn toán dòng chảy

Sản phẩm sau khi mô hình Athen đơn hồ chứa chỉ là lưu lượng xả qua các hồ không có khả năng diễn toán dòng chảy xuống hạ du, vì vậy, cần phải dùng phương pháp diễn toán dòng chảy xuống hạ du Phương pháp sử dụng ở đây là phương pháp Muskingum

+ Nếu 2 hồ chứa là nối tiếp: Dòng chảy từ hồ thứ nhất giữ nguyên, diễn toán

về hồ thứ 2 theo Muskingum, có tính đến thời gian chảy truyền

Dòng chảy sau khi được tổng hợp lại diễn toán theo Muskingum vào hồ tiếp theo Việc phân biệt 2 hồ chứa song song hay nối tiếp vẫn được tiếp tục thực hiện

Trong hồ chứa tiếp theo lại sử dụng mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa để tính toán điều tiết

Sau khi vận hành hồ chứa cuối cùng, lượng xả được diễn toán theo Muskingum về điểm kiểm soát cuối cùng

Sơ đồ tổng quát phát triển mô hình Athen cho liên hồ chứa chỉ ra trong hình sau:

Tổng Sqt

Lượng vào hồ: It=bt(a-at)+ptat-ctat

Vận hành hồ theo Athen

Diễn toán dòng chảy theoMuskingum2

Diễn toán dòng chảy theoMuskingum1

Nối tiếp hay song song

Kiểm tra số

hồ k

2.2 Lý thuyết mô hình Athen

2.2.1 Các thành phần mô hình

+ Mô hình mô phỏng hồ chứa

Dữ liệu đầu vào bao gồm: bước thời gian và thời điểm bắt đầu của mô phỏng, dữ liệu lượng nước trữ và diện tích bề mặt hồ (được đưa ra bằng chuỗi các

số liệu), mực nước đặc trưng (lớn nhất, nhỏ nhất, ban đầu), diện tích lưu vực thượng lưu, chuỗi thời gian mưa và bốc hơi, chuỗi thời gian dòng chảy mặt, hệ số tổn thất thoát ra khỏi hồ (hàng tháng), thuộc tính sử dụng nước (gồm thứ tự ưu tiên, chuỗi thời gian yêu cầu, nguyên tắc vận hành)

+ Phân định các quy tắc vận hành

Trong quy tắc vận hành, xác định lượng xả ri*, tương ứng với sử dụng nước thứ i, là một hàm của mực nước thực tế, z Lượng xả được biểu thị như là tỷ lệ của các nhu cầu thực di, để mỗi lần sử dụng có thể gắn với từng hàm bước tính, thể hiện dưới dạng các cặp điểm (λij, zij), trong đó zmin ≤ zij ≤ zmax và 0 ≤ λij ≤ 1, không có giới hạn về số lượng của các cặp (λij, zij)

Hình 2.2: Quan hệ λij, zij trong mô hình Athen

Tỷ lệ nhu cầu cho sử

dụng thứ i

Mực nước

hồ chứa

2.2.2 Phương trình diễn toán

Với đầu vào: st lượng trữ thực tế, qt độ sâu dòng chảy mặt thượng lưu, pt độ sâu mưa, et độ sâu bốc hơi

Lưu lượng vào được hiệu chỉnh theo công thức:

it = qt (a - at) + pt at - et at (1) trong đó: at là diện tích mặt hồ

a là diện tích lưu vực thực tế

Lượng tổn thất do rò rỉ, bốc hơi, ước lượng theo công thức:

lt (zt) = α zt3 + β zt2 + γ zt + δ (2) trong đó: zt là mực nước thực tế

α, β, γ, δ: là hằng số, thay đổi theo tháng (vì tổn thất có thể biến động theo mùa của mực nước ngầm)

Lượng nước thực, trước khi xả (i = 0), được cho bởi:

s0t = st + it - lt (3) Ngoài ra, lượng xả từ hồ chứa được thực hiện theo phân cấp sử dụng nước (đối với những sử dụng i = 1, , n) Giả thiết, nhu cầu sử dụng nước thứ i, lượng xả mong muốn tương ứng được xác định trên cơ sở mực nước thực tế và nhu cầu thực

tế, nghĩa là:

rit* = λij dit, với λij = f (zt) (4) Lượng xả thực tế không được vượt quá dung tích hữu ích thực:

rit = min (rit*, si-1, t - smin) (5) Khi đó, lượng nước có trong hồ chứa (lượng trữ hồ chứa):

sit = si-1, t - rit (6) Sau đó, tính toán lại mực nước hồ chứa, tương ứng với các lượng trữ mới Khi tất cả các nhu cầu được đáp ứng, lượng tràn ước tính bằng:

Bắt đầu t=1

Cho: S t , q t , p t , c t,

Lượng vào: I t =q t (a-a t )+p t a t -c t a t

Tổn thất: e t (z t )=az t3+bz t2+gz t +d Lượng trữ trước khi xả: S 0t =S t +i t -e t

Nhu cầu nước d i , Quy tắc điều hành:li,j=f(z i,j )

i,j=1

j=j+1

Lượng xả cho yêu cầu i, ứng với zj,j:

R* i,j=li,jdi,j

Kiểm tra số

sử dụng i

Kết quả Q xả =Q t =f(t)

Kiểm tra số ngày tính t

Kết thúc

Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán vận hành đơn hồ chứa

2.3 Lý thuyết phương pháp Muskingum

Phương pháp Muskingum là một phương pháp diễn toán lũ đã được dùng phổ biến để điều khiển quan hệ động giữa lượng trữ và lưu lượng Phương pháp này

đã mô hình hoá lượng trữ của lũ trong một lòng sông bằng tổ hợp của hai loại dung tích, một dung tích hình nêm và một dung tích lăng trụ Trong khi lũ lên, dòng vào vượt quá dòng ra nên đã tạo ra một dung tích hình nêm Khi lũ rút, lưu lượng dòng

ra lớn hơn lưu lượng dòng vào, dẫn đến dung tích hình nêm mang dấu âm Ngoài ra,

ta còn có dung tích lăng trụ được tạo thành bởi thể tích của lòng dẫn lăng trụ với diện tích mặt cắt ngang không đổi dọc theo lòng dẫn

Giả thiết rằng, diện tích mặt cắt ngang của dòng lũ tỷ lệ thuận với lưu lượng

đi qua mặt cắt đó, thể tích của lượng trữ lăng trụ là KQ, trong đó K là hệ số tỷ lệ Thể tích của lượng trữ hình nêm là KX(I - Q), trong đó X là một trọng số có giá trị nằm trong khoảng 0£ X £0,5 Do đó, tổng lượng trữ sẽ bằng tổng của hai lượng trữ thành phần:

S = KQ Trong các sông thiên nhiên, X lấy giá trị giữa 0 và 0,3 với giá trị trung bình gần với 0,2 Việc xác định X với độ chính xác cao là không cần thiết, bởi vì các kết quả tính toán của phương pháp này tương đối ít nhạy cảm với giá trị của X Tham

của K và X trên cơ sở các đặc tính của lòng dẫn và lưu lượng, ta có thể sử dụng một phương pháp gọi là Muskingum- Cunge Trong diễn toán lũ, giá trị của K và X được giả thiết đã biết và không đổi trên toàn phạm vi thay đổi của dòng chảy

Các giá trị của lượng trữ tại thời điểm j và j+1 theo (9) được viết là :

1 1

KX t C

D+-

D

-=12

2

( X) t K

KX t C

D+-

+D

=12

2

( X) t K

t X K C

D+-

D

=12

12

Lưu ý rằng : C1+C2 +C3 = 1

Ta có thể xác định được K và X nếu trong đoạn sông đang xét đã có sẵn các đường quá trình lưu lượng thực đo của dòng vào và dòng ra Giả thiết nhiều giá trị khác nhau của X và sử dụng các giá trị đã biết của các đường quá trình lưu lượng, ta tính được các giá trị liên tiếp của tử số và mẫu số trong biểu thức của K được suy ra

từ (12), (13)