Mô phỏng mực nước hồ phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát các môđun của mô hình HEC-ResSim Hình 2.2: Môđun thiết lập lưu vực trong mô hình HEC-ResSim Hình 2.3: Môđun mạng lưới hồ trong mô hình HEC-ResSim Hình 2.4: Môđu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ THU HOÀI

MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ PHỤC VỤ VIỆC XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2011

LÊ THU HOÀI

MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ PHỤC VỤ VIỆC XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 1

Bảng 2.2: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 1a, 1b, 1c, 1d

Bảng 2.3: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 1e

Bảng 2.4: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1a

Bảng 2.5: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1b

Bảng 2.6: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1c

Bảng 2.7: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1d

Bảng 2.8: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1e

Bảng 2.9: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 2

Bảng 2.10: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 2a

Bảng 2.11: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 2b

Bảng 2.12: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a

Bảng 2.13: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b

Bảng 3.1: Đặc trưng lưu vực tính đến tuyến công trình

Bảng 3.2: Thời gian và yếu tố quan trắc tại các trạm khí tượng trong lưu vực sông Sê San Bảng 3.3: Thời gian và yếu tố quan trắc tại các trạm thủy văn sông Sê San

Bảng 3.4: Phân bố lượng bốc hơi tháng trung bình thời kỳ (1977-2009) tại các trạm đại biểu trên lưu vực sông Sê San

Bảng 3.5: Các thông số chính của nhà máy thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San

Bảng 3.6: Các thông số chính của công trình thủy điện Ialy

Bảng 3.7: Đường quan hệ W-F-Z hồ chứa thuỷ điện Ialy

Bảng 3.8: Lượng tổn thất bốc hơi hàng tháng hồ Ialy (từ tháng 1 đến tháng 6)

Bảng 3.9: Lưu lượng vào hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009

Bảng 3.10: Lưu lượng ra khỏi hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009

Bảng 3.11: Mực nước thực đo hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009

Bảng 3.12: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng chương trình điều tiết

Bảng 3.13: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng mô hình HEC-ResSim

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát các môđun của mô hình HEC-ResSim

Hình 2.2: Môđun thiết lập lưu vực trong mô hình HEC-ResSim

Hình 2.3: Môđun mạng lưới hồ trong mô hình HEC-ResSim

Hình 2.4: Môđun mô phỏng trong mô hình HEC-ResSim

Hình 2.5: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 1

Hình 2.6: Tương quan lưu lượng đến hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009

Hình 2.7: Tương quan lưu lượng ra khỏi hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 Hình 2.8: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.9: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.10: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.11: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.12: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.13: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.14: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.15: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.16: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.17: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.18: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 2

Hình 2.19: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.20: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.21: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a có xét đến bốc hơi tính bằng

mô hình HEC-ResSim

Hình 2.22: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính bằng chương trình điều tiết Hình 2.23: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính bằng mô hình HEC-ResSim Hình 2.24: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b có xét đến bốc hơi tính bằng

Hình 2.25: So sánh đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b có xét đến bốc hơi và không có bốc hơi tính bằng mô hình HEC-ResSim

Hình 2.26: So sánh kết quả tính toán bài toán 2b bằng chương trình điều tiết và

mô hình HEC-ResSim

Hình 3.1: Vị trí các tuyến công trình lưu vực sông Sê San

Hình 3.2: Bản đồ lưới trạm khí tượng thuỷ văn lưu vực sông Sê San

Hình 3.3: Hệ thống bậc thang các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San

Hình 3.4: Gian máy ngầm Nhà máy thủy điện Ialy

Hình 3.5: Đường quan hệ W-F-Z hồ chứa thuỷ điện Ialy

Hình 3.6: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng chương trình điều tiết

Hình 3.7: So sánh đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm

2009 tính bằng chương trình điều tiết khi có và không xét đến bốc hơi

Hình 3.8: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng mô hình HEC-ResSim

Hình 3.9: So sánh đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm

2009 tính bằng mô hình HEC-ResSim khi có và không xét đến bốc hơi

Hình 3.10: So sánh kết quả tính toán mực nước hồ Ialy bằng chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim

Hình 3.11: Ứng dụng mô hình HEC-ResSim cho các lưu vực sông Sê San,

SrêPôk, Sê Kông của Ủy ban sông Mê Kông

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU VÀ QUY TRÌNH VẬN HÀNH 7

1.1 Tổng quan các kết quả trong và ngoài nước về vấn đề điều hành hồ chứa đa mục tiêu 7

1.2 Quy trình vận hành 10

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN 13

2.1 Chương trình điều hành hồ chứa 13

2.2 Mô hình HEC-ResSim 16

2.3 Bốc hơi 21

2.4 Bài toán mẫu 23

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ IALY TỪ THÁNG 1 ĐẾN THÁNG 6 NĂM 2009 37

3.1 Các đặc điểm chính lưu vực sông Sê San 37

3.2 Nhà máy thủy điện Ialy 49

3.3 Kết quả tính toán mô phỏng mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 51 KẾT LUẬN 56

CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 59

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, hàng loạt các hồ chứa thủy điện đã và đang được xây dựng trên thượng lưu các hệ thống sông khắp mọi vùng trong cả nước Trên thượng lưu hệ thống sông Hồng ở đồng bằng Bắc bộ đã và đang hình thành một hệ thống các hồ chứa lớn tầm cỡ khu vực: Hoà bình, Sơn La, Thác Bà, Bản Trác, Huội Quảng, Nậm Chiến, Tuyên Quang và Bảo Lạc Trên lưu vực sông Sê San ở Tây Nguyên đã và đang có các hồ chứa thủy điện quy mô lớn được đưa vào hoạt động như

hồ PleiKrông, Ialy, Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Sê San 4A và hồ Thượng Kon Tum

dự kiến cũng được đưa vào hoạt động trong thời gian tới Các hồ chứa trên hệ thống sông Ba ở miền Trung bao gồm các hồ chứa lớn: hồ An Khê Kanak, IaYun hạ, Krông H’Năng, Sông Ba Hạ, Sông Hinh Trên các hệ thống sông khác như hệ thống sông Đồng Nai, La Ngà, sông Ba, Vu Gia, Thu Bồn , ngoài các hồ chứa đang hoạt động như Trị An, Hàm Thuận – Đa Mi, Đa Nhim, các dự án xây dựng hàng chục các hồ chứa thuỷ điện khác như Đại Ninh, Đồng Nai 1, Đồng Nai 2 … đã được phê duyệt và

sẽ đi vào hoạt động trong thời gian gần đây

Các hồ chứa nước nói chung thường được thiết kế để đảm nhiệm nhiều mục tiêu khác nhau trong đó có 3 mục tiêu chính là phát điện, cấp nước và chống lũ Tuy nhiên, các mục tiêu này thường mâu thuẫn với nhau trong vấn đề sử dụng dung tích của hồ chứa Yêu cầu cấp nước nhiều sẽ ảnh hưởng đến sản lượng điện, dung tích chống lũ lớn sẽ ảnh hưởng đến công suất phát điện và khả năng tích nước đầy hồ để phục vụ cấp nước và sản xuất điện trong mùa cạn Vấn đề điều hành hiệu quả hệ thống

hồ chứa, giải quyết các mâu thuẫn kể trên là một nhu cầu cấp thiết đặt ra ở trong nước Mục tiêu của việc điều hành hệ thống hồ chứa là nâng cao hiệu quả chống lũ và hiệu quả kinh tế (phát điện và cấp nước) không phải chỉ cho các hồ riêng biệt mà cho tất cả các hồ chứa trong hệ thống Những năm qua, do thiếu sự phối hợp trong vận hành nên

hệ thống hồ chứa trên các lưu vực sông đã có những ảnh hưởng đến các địa phương trong lưu vực, đặc biệt là hạ lưu Mặt khác, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng, nhưng hồ chứa phải làm nhiệm vụ phát điện nên lượng nước xả trong mùa cạn bị suy giảm, làm gia tăng tình hình cạn kiệt Do vậy việc xây dựng các quy trình vận hành liên hồ chứa cho cả mùa lũ và mùa cạn là rất cấp thiết

Vấn đề khó khăn nhất cho nhà quản lý vận hành hệ thống hồ chứa là mâu thuẫn giữa các hộ sử dụng nước trong mùa cạn Đó là khi lượng nước đến trên toàn hệ thống giảm rất mạnh không đủ đáp ứng yêu cầu nước của các ngành dùng nước trên toàn hệ thống và lượng nước đã được trữ trong hệ thống hồ chứa sẽ được sử dụng để bù đắp khoản thiếu hụt giữa yêu cầu của hệ thống sử dụng nước với khả năng điều kiện nước đến thực tế trong suốt mùa cạn Thực tế hiện nay trên lưu vực các sông vấn đề vận hành phân bổ nguồn nước trong mùa cạn chưa được tập trung nghiên cứu Ở Việt Nam

mới có một số quy trình liên hồ trong mùa lũ của Nhà Nước và quy trình điều hành của Bộ Công thương cho từng hồ Tuy nhiên với tốc độ phát triển kinh tế hiện nay và trong tương lai thì vấn đề nghiên cứu phương án cấp nước mùa cạn sẽ ngày càng trở nên cấp thiết

Việc xây dựng quy trình điều hành hồ chứa trong mùa cạn trên một số lưu vực sông đang được Bộ Tài nguyên và Môi trường tổ chức thực hiện Quy trình điều hành

hồ chứa trong mùa cạn trên sông Sê San đang được Phòng Thủy Tin học – Viện Cơ học tiến hành (Trong khuôn khổ của một hợp đồng tư vấn cho Cục Tài nguyên Nước –

Bộ Tài nguyên và Môi trường) và dự kiến sẽ sử dụng mô hình HEC-ResSim

Việc nghiên cứu một số cơ sở khoa học phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn là việc làm cần thiết nhằm đưa ra một quy trình điều tiết liên hồ trong mùa cạn có cơ sở khoa học chặt chẽ, hy vọng mang lại hiệu quả cả về mặt kinh tế và xã hội

Do vậy, đề tài “Mô phỏng mực nước hồ phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn” được hình thành với mục tiêu là tìm hiểu được một số công cụ mô phỏng mực nước hồ phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn Thông qua đó xác định các thông tin đầu vào và độ chính xác cần thiết trong việc sử dụng mô hình HEC-ResSim để xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn

Bố cục của luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương chính: Chương 1: Hồ chứa đa mục tiêu và quy trình vận hành Chương này sẽ giới thiệu chung về các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về điều hành hồ chứa đa mục tiêu, giới thiệu về việc lập quy trình vận hành hồ chứa ở Việt Nam

Chương 2: Mô phỏng mực nước hồ trong mùa cạn Tìm hiểu một số công cụ

mô phỏng mực nước hồ và tính toán đối với bài toán mẫu để phục vụ việc mô phỏng mực nước hồ trong mùa cạn Luận văn cũng đánh giá ảnh hưởng của bốc hơi đến quá trình mô phỏng mực nước hồ trong mùa cạn

Chương 3: Thử nghiệm mô phỏng mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 Trình bày các kết quả thử nghiệm mô phỏng mực nước hồ Ialy

CHƯƠNG 1 HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU VÀ QUY TRÌNH VẬN HÀNH

1.1 Tổng quan các kết quả trong và ngoài nước về vấn đề điều hành hồ chứa đa mục tiêu

1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới

a- Phương pháp luận

Trên thế giới, việc nghiên cứu điều hành lũ, điều phối cấp nước, phát điện và các lợi ích khác được nhiều học giả và các chuyên gia nghiên cứu rất sâu Đối với việc quản lý hệ thống các hồ phòng lũ, phát điện và cấp nước có thể tóm tắt những hướng phát triển chính như sau:

- Quản lý hệ thống theo biểu đồ điều phối cấp nước: Hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng đối với các hồ chứa độc lập và đơn thuần chỉ có nhiệm vụ cấp nước, phát điện và chống lũ cho bản thân công trình Đối với hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện đã nghiên cứu phát triển các phương pháp tối ưu hoá để xác định chế

độ làm việc tối ưu của hệ thống hồ chứa

- Quản lý theo mô hình: Đây là hướng phát triển hiện đại Hệ thống các hồ chứa

và công trình phân phối nước được thiết lập như một hệ thống tổng hợp Các nghiên cứu tập trung xây dựng các mô hình mô phỏng kết hợp với dự báo để trợ giúp điều hành cho công tác quản lý vận hành

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 những 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 tập hợp mục đích chung phức tạp Theo Simonovic (1992), các khái niệm về 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 các biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn

về hệ thống hồ chứa và quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các

hồ và kênh riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau) 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 hoạch, thiết kế và vận hành

hồ chứa Hầu hết các phần mềm có thể chạy trong máy vi tính cá nhân 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 các thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng

Có lẽ một trong số các mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi nhất là mô hình HEC-5, phát triển bởi Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ (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 phần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP) (Wurbs và nnk, 1993) Lund

và Ferriera (1996) đã nghiên cứu hệ thống hồ chứa sông Missouri và xây dựng mô hình mô phỏng trong đó nâng cấp kỹ thuật hồi quy cổ điển và sử dụng mô hình quy hoạch động Jain và Goel (1996) đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường quy tắc điều phối Mặc

dù có sẵn một số các mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phải phát triển các mô hình mô phỏng cho một (hệ thống) hồ chứa cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng

- Tự động hoá trong công tác điều hành: Việc tự động hoá đã được thực hiện ở những nước tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Đài loan, Trung quốc

Để có thể tự động hoá trong điều hành hệ thống cần thiết phải kèm theo các thiết bị đo và điều khiển tự động

b- Công nghệ dự báo hiện đại

Nhiều mô hình toán đã kết nối với hệ thống cơ sở dữ liệu như hệ thông tin địa

lý (GIS), các vệ tinh, Rada để tăng tính hiệu quả của các mô hình toán Kỹ thuật dự báo số trong dự báo tác nghiệp được phát triển mạnh

c- Các trung tâm kiểm soát và điều độ nguồn nước phạm vi quốc gia

Nhằm điều hành thống nhất và có hiệu quả kiểm soát lũ, chia sẻ nguồn nước trên phạm vi quốc gia phần lớn các nước tiên tiến như Nga, Mỹ, Anh, Nhật, Hà Lan, Đan Mạch, Canada, Cộng hoà Liên bang Đức v.v… đã xây dựng các trung tâm, chia

sẻ thông tin với nhau Ở các trung tâm này có các trang thiết bị thu phát thông tin hiện đại, các phần mềm mạnh và đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ viễn thám cho phép phân tích ngập lụt, hạn hán và tổn thất thiên tai, nhằm trợ giúp lựa chọn giải pháp phòng tránh hiệu quả Các trung tâm có trang WEB riêng và thường xuyên phát tin trên mạng Internet

Xem các tài liệu: [1]; [3]; [4]; [5]; [12]; [13]; [17]-[20]

1.1.2 Các nghiên cứu ở trong nước

Ở Việt Nam các hồ chứa trên các hệ thống sông với nhiều mục đích khác nhau

đã và đang được tiến hành xây dựng, như hệ thống hồ chứa trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v… Điển hình nhất là hệ thống hồ chứa trên hệ thống

sông Hồng gồm các hồ chứa Sơn La, Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và tương lai

có thêm hồ Lai Châu Các hồ chứa này làm nhiệm vụ chính là cắt lũ vào mùa lũ, sau

đó là phát điện, cung cấp nước mùa cạn, ngoài ra còn phục vụ giao thông, du lịch, nuôi trồng thuỷ sản v.v…

a- Các quy trình vận hành hồ chứa

Quy trình điều hành chống lũ hồ chứa Hoà Bình được xây dựng khá chi tiết và liên tục được bổ sung hoàn chỉnh Kinh nghiệm vận hành hồ chứa Hòa Bình để điều tiết lũ trong các năm qua cho thấy, nó đã góp phần giữ được mực nước Hà Nội không vượt quá 13,0m; bảo đảm an toàn cho Hà Nội Nhiều công trình nghiên cứu về vận hành hồ chứa điều tiết lũ đã được tiến hành như quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình của Ban Chỉ đạo phòng chống lụt bão TW (1997), Quyết định 80/2007/QĐ-TTg của

Thủ tướng Chính phủ ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình,

Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành năm 2007 Ngày

11/6/2010, có thêm quyết định “Sửa đổi, bổ sung Quy trình vận hành liên hồ chứa

thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành kèm

theo Quyết định số 80/2007/QĐ-TTg ngày 01 tháng 6 năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ, số 848/QĐ-TTg Ngoài ra còn một loạt các nghiên cứu khác về vận hành hồ chứa Hoà Bình và hệ thống hồ chứa trên các lưu vực của Việt Nam Công ty tư vấn Điện I (1991) đã nghiên cứu việc kết hợp phát điện, chống lũ hạ du và khai thác tổng hợp hồ chứa Hoà Bình Viện Quy hoạch và Quản lý nước (1991) cũng nghiên cứu lập quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình phòng lũ và phát điện Nguyễn Văn Tường (1996) nghiên cứu phương pháp điều hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hàng năm với việc xây dựng tập hàm vào bằng phương pháp Monte-Carlo Trịnh Quang Hoà (1997) xây dựng công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng phục vụ điều hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hạ du Viện Quy hoạch Thuỷ lợi và Công ty Tư vấn Điện 1 (2000) đã nghiên cứu hiệu ích chống lũ và cấp nước hạ du của công trình hồ chứa Đại Thị (nay

là Tuyên Quang) trên sông Gâm Hoàng Minh Tuyển (2002) đã phân tích đánh giá vai trò của một số hồ chứa thượng nguồn sông Hồng cho phòng chống lũ hạ du Lâm Hùng Sơn (2005) nghiên cứu cơ sở điều hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng, trong đó chú ý đến việc phân bổ dung tích và trình tự phối hợp cắt lũ của từng hồ chứa trong hệ thống để đảm bảo an toàn hồ chứa và hệ thống đê đồng bằng sông Hồng Viện khoa học Thuỷ lợi (2006) đã thực hiện dự án xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông Lô đảm bảo an toàn chống lũ đồng bằng Bắc Bộ khi có các

hồ chứa Thác Bà, Hoà Bình, Tuyên Quang Trần Hồng Thái (2005) và Ngô Lê Long (2006) bước đầu áp dụng thuật tối ưu hoá trong vận hành hồ Hoà Bình phòng chống lũ

và phát điện Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) nghiên cứu áp dụng mô hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ của hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hương, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ

hạ lưu sông Hương (tại Kim Long và Phú Ốc)

b- Hệ thống công nghệ hỗ trợ vận hành

Song song với quy trình điều hành thì công tác dự báo thuỷ văn phục vụ điều hành cũng được coi trọng Trịnh Quang Hoà (1997) với công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng đã góp phần vào phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng rất hiệu quả Tổng cục KTTV (1998) đã xây dựng một dự án trong dự án liên ngành hiện đại hoá hệ thống đo đạc và dự báo thuỷ văn trên sông Đà và sông Hồng trực tiếp phục

vụ điều hành Năm 2005 Trung tâm đã có văn bản về khả năng dự báo thuỷ văn gửi Hội đồng điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình góp phần vào quyết định ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Lan Châu (2005) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ sông Đà phục vụ điều tiết hồ Hoà Bình trong công tác phòng chống lũ bằng tích hợp các mô hình thuỷ văn thuỷ lực và điều tiết hồ chứa Trần Tân Tiến (2006) đã nghiên cứu liên kết mô hình RAMS dự báo mưa và mô hình sóng động học một chiều dự báo lũ khu vực miền Trung Hà Ngọc Hiến (2010) đã nghiên cứu xây dựng bộ chương tình điều hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa đảm bảo an toàn chống lũ và phát điện theo thời gian thực Nguyễn Văn Hạnh (2007) đã xây dựng hệ thống thông tin phục vụ vận hành

hồ chứa đa mục tiêu Tuyền Lâm-Đà Lạt-Lâm Đồng

Xem các tài liệu: [1]; [3]; [4]; [5]; [12]; [13]; [17]-[20]

1.2 Quy trình vận hành

Trong mùa lũ, lưu lượng lũ đến rất lớn và sự biến động cũng rất lớn, một trận lũ thường diễn ra trong thời gian khoảng vài ngày (lũ điển hình lớn nhất chỉ khoảng 20 ngày) Còn trong mùa cạn, lưu lượng dòng chảy đến nhỏ và sự biến động không đáng

kể trong thời gian dài Hình minh họa cho lưu lượng dòng chảy đến của một trận lũ tháng 9 năm 2009 và mùa cạn của hồ Ialy được thể hiện ở hình 1.1 và hình 1.2 dưới đây Do những đặc điểm như vậy mà quy trình vận hành trong mùa lũ và mùa cạn rất khác nhau Trong mùa lũ thì điều hành theo phân kỳ lũ, khống chế theo mực nước trước lũ, và điều hành theo thứ tự chống lũ là ưu tiên nhất Mực nước trước lũ theo thời kỳ lũ sớm, lũ chính vụ và lũ muộn lại khác nhau Các hồ chứa ở miền Bắc thường

có dung tích chống lũ, trước mùa lũ thì các hồ phải đưa mực nước về mực nước trước

lũ, sau đó thì điều hành theo dự báo mực nước Hà Nội Còn các hồ chứa ở miền Trung không có dung tích chống lũ nhưng vẫn có quy trình vận hành trong mùa lũ để giảm thiểu tác động của mùa lũ cho người dân Ở nước ta, quy trình vận hành trong mùa lũ thường được lập trước Dưới đây là ví dụ về quy định mực nước trước lũ trong quy trình vận hành của một số hồ chứa miền Bắc và miền Trung:

Ở nước ta hiện nay chưa có quy trình điều hành hồ mùa cạn chính thức nào được ban hành Trong mùa cạn, lưu lượng nước đến rất ít nên phải điều hành hồ chứa

từ đầu đến cuối mùa cạn, lượng nước tích được ở cuối mùa lũ là rất quan trọng và bốc hơi ảnh hưởng khá lớn đến mực nước hồ chứa Các hồ chứa chủ yếu chỉ xả nước qua tuabin để phát điện và không có thứ tự ưu tiên, nhưng các mục đích sử dụng nước thì lại mâu thuẫn lẫn nhau, khi lấy nước tưới thì phát điện lại giảm…

Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy tháng 9 năm 2009

0 2000

Thời gian (giờ)

Lưu lượng

(m3/s)

Hình 1.1: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy trong một trận lũ tháng 9 năm 2009

Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy T1-T6/2009

0 100

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN

Để mô phỏng mực nước hồ chứa trong mùa cạn, luận văn đã sử dụng một chương trình điều hành hồ chứa dựa trên phương pháp bảo toàn khối lượng nước và

mô hình HEC-ResSim Mô hình HEC-ResSim (phiên bản 3.0, phát hành tháng 4 năm 2007) là mô hình có thể được tải (miễn phí) về máy tính cá nhân từ mạng INTERNET

để áp dụng Vì vậy, trong tài liệu kèm theo mô hình chỉ có hướng dẫn sử dụng, không

có các tài liệu mô tả về cơ sở khoa học của mô hình Do đó, luận văn có thực hiện một

số tính toán kiểm tra độ chính xác của mô hình Trong mô hình HEC-ResSim có rất nhiều vấn đề có thể khai thác, tuy nhiên trong khuôn khổ điều hành hồ chứa mùa cạn nên luận văn chỉ tập trung kiểm tra hai vấn đề sau:

- Trong mùa cạn, hồ chứa được tiếp nhận lưu lượng đến hồ không lớn và ít biến đổi theo thời gian Vì vậy, lưu lượng xả ra khỏi hồ trong mùa cạn luôn được xả qua các tuabin để phát điện Tuy việc bảo toàn khối lượng nước trong trường hợp này đơn giản hơn so với trường hợp điều hành hồ để cắt một trận lũ (khoảng 1 hoặc 2 tuần), nhưng thời gian mô phỏng lại khá dài (trong cả quá trình mùa cạn, khoảng 7 hoặc 8 tháng)

- Nghiên cứu quá trình điều tiết hồ chứa khi có bốc hơi và không có bốc hơi

2.1 Chương trình điều hành hồ chứa

t0 - thời điểm ban đầu

Q1 - lưu lượng vào hồ, là hàm phụ thuộc vào thời gian t

Q1 = Q11(t)+Q12(t)

Với Q11 là lưu lượng tự nhiên chảy vào hồ và Q12 là lưu lượng điều tiết từ hồ thượng lưu mắc nối tiếp với hồ xem xét (trong trường hợp không có hồ thượng lưu

Q12=0)

Q2 – lưu lượng ra khỏi hồ Hàm Q2 tương đối phức tạp Hàm này thường phụ thuộc vào nhiều tham số điều hành hồ chứa như: mực nước trước và sau đập, số cửa xả (xả dáy, xả mặt) đang mở và chế độ mở của từng cửa xả, số lượng tuabin đang hoạt động

Q2(t) = Q21(t,Z,n, ) + Q22(t,Z) Với Q21 là lưu lượng xả từ hồ qua các cửa xả đáy, cửa xả mặt và qua tuabin

Q21(t, Z,nx, ) = nxd(t) Qxd(z(t)) + nxm(t) Qxm(z(t)) + Qtb(z(t),N(t))

Ở đây:

nxd- số cửa xả đáy được mở, nxm- số cửa xả mặt được mở

Qxd- lưu lượng qua 1 cửa xả đáy, phụ thuộc vào mực nước hồ

Qxm- lưu lượng qua 1 cửa xả mặt, phụ thuộc vào mực nước hồ

Qtb- lưu lượng qua tuốc bin, phụ thuộc vào mực nước của hồ và công suất phát

Các hàm xả trên thường không mô tả được qua các hàm toán học cơ sở Các hàm này, nếu có thể mô tả được qua các công cụ của toán học giải tích, thì cũng khá phức tạp Vì vậy các hàm này thường được cho dưới dạng bảng

Q22(t) là lưu lượng tổn thất do thấm và bốc hơi phụ thuộc vào thời gian và mực nước hồ [3]

b- Phương pháp giải

Phương trình (2.1) là phương trình vi phân thường với điều kiện ban đầu (2.2)

Vì hàm Q2 ở vế phải của (2.1) thường là hàm phi tuyến phức tạp Vì vậy, phương pháp giải số được nhiều người sử dụng cho bài toán (2.1), (2.2) là phương pháp Runge –Kutta bậc 4 Phương pháp Runge –Kutta bậc 4 rất phổ biến và khi tính toán cho các mục đích khác nhau thì phương pháp khá chính xác, ổn định và dễ lập trình [21]

Mô tả phương pháp:

Xét phương trình vi phân thường với điều kiện ban đầu sau:

) ,

( y t f dt

dy

 t0 ≤ t ≤ T

Với f là hàm giải tích theo hai biến t và y

Giả thiết rằng tại thời điểm t = tk , ta đã tìm được yk - giá trị xấp xỉ của nghiệm y(tk) Tại t = t0 ta có thể lấy y0 = yd Cần phải tìm yk+1 - giá trị xấp xỉ của nghiệm y(tk+1) tại thời điểm t = tk + h (h là bước tính của phương pháp)

Runge và Kutta đã đề xuất cách tìm yk+1 như sau:

Với a i , i = 1, 2, 3 và b i , i = 1, 2, 3, 4, 5, 6 là các tham số của hàm Các hệ số

và tham số trên cần được lựa chọn để yk+1 xấp xỉ nghiệm y(tk+1) một cách tốt nhất Vì vậy, cần phải giải một hệ phương trình phi tuyến sau: [21]

2

 a1+3a2+4a3 =

2 1

2

 a12+3a22+4a32 =

31

2

 a13+3a23+4a33 =

4 1

3

 a1b3+4( a1b5+ a2b6) =

6 1

3

 a1 a2b3+4 a3 ( a1b5+ a2b6) =

8 1

3

 a12b3+4( a12b5+ a22b6) =

12 1

4

 a1 b3 b6 =

24 1

Hệ phương trình phi tuyến trên có 13 ẩn, nhưng chỉ có 11 phương trình Vì vậy

có thể chọn a1=1/2, b2=0 và hệ phương trình trên có nghiệm như sau:

1, b4 = 0, b5 = 0, b6 = 1,

1,3= 3

1,4= 6 1

Như vậy ta thu được công thức để tính yk+1:

yk+1 = yk +

6

) 2

2 (f1 f2 f3 f4

5

1 k (4)

( (c)h y 5760 2880

) (c

2.1.2 Chương trình điều hành hồ chứa

Chương trình điều hành hồ chứa (chương trình điều tiết) được viết trên Fortran

để kiểm tra tính bảo toàn của hồ theo phương trình (2.1), (2.2); phương pháp giải số là phương pháp Runge - Kutta Để việc tính toán trong mùa cạn được thuận lợi, số liệu đầu vào của chương trình tương đối đơn giản gồm 2 bảng: số liệu mô tả quan hệ mực nước – dung tích hồ và bảng số liệu mô tả lưu lượng vào hồ và lưu lượng ra khỏi hồ theo thời gian

bài toán điều tiết dòng chảy cho các hệ thống hồ chứa làm nhiệm vụ cấp nước, phát điện, phòng lũ, lợi dụng tổng hợp

2.2.1 Giới thiệu mô hình HEC-ResSim

HEC-ResSim là chương trình tính toán mô phỏng điều hành hệ thống hồ chứa,bao gồm các công cụ: mô phỏng, tính toán, lưu trữ số liệu, quản lý, đồ họa và báo cáo hệ thống nguồn nước HEC dùng HEC-DSS (Data Storage System) để lưu trữ và sửa đổi các hệ thống số liệu vào ra ResSim là phần kế tiếp của HEC-5 (mô phỏng các

hệ thống ngăn chặn và kiểm soát lũ) bao gồm 3 môđun: thiết lập lưu vực (Watershed setup), mạng lưới hồ (Reservoir Network) và mô phỏng (Simulation), xem hình 2.1 Mỗi 1 môđun có 1 mục đích riêng và tập hợp các công việc thực hiện qua bảng chọn (menu, toolbar) và biểu đồ

Các đoạn sông Các phân nhánh Các Nút

Cửa số thời gian Các phương án lựa chọn Simulation.dss

Các phương án

Copy mô phỏng của mỗi phương án

Sửa chữa các copy mô phỏng

Mạng lưới sông ngòi

Ghi vào Base

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát các môđun của mô hình HEC-ResSim

+ Môđun thiết lập lưu vực (Watershed setup):

• Nhiệm vụ: Cung cấp khung chung cho việc thiết lập lưu vực cho các ứng dụng

mô hình hoá khác nhau

• Một lưu vực (watershed) có thể bao gồm:

– Dòng chảy (stream alignment)

– Công trình (projects): hồ chứa, đê …

– Trạm đo đạc thuỷ văn (gage locations)

– Vùng ảnh hưởng (impact areas)

– …

• Ngoài ra, Hec ResSim còn cho phép đưa các bản đồ và các đặc tính của bản đồ

từ bên ngoài vào

Hình 2.2: Môđun thiết lập lưu vực trong mô hình HEC-ResSim

+ Môđun mạng lưới hồ (Reservoir Network): xây dựng sơ đồ mạng lưới sông, mô tả các thành phần vật lý, điều hành của hồ chứa và các phương án lựa chọn cần phân tích trong môđun này Dựa vào các định hình mô tả ở môđun trên để tạo cơ sở cho 1 hệ thống hồ chứa hoàn chỉnh Các tuyến sông và các mạng lưới hệ thống công trình có thể được đưa thêm vào và hoàn thành các mối liên hệ trong mạng lưới cần ứng dụng Khi hoàn thành xác định mạng lưới, các số liệu mô tả vật lý hệ thống công trình và phương

án điều hành thì các lựa chọn phương án chạy cho bài toán bao gồm: định hình hệ thống, xác định mạng lưới hồ, tập hợp các phương án điều hành, điều kiện ban đầu và

số liệu đầu vào của bài toán

• Cho phép tạo mới, mở hay sửa một mạng lưới hồ đã có sẵn dựa trên việc lựa chọn một trong các cấu hình đã định sẵn ở môđun Thiết lập lưu vực

• Nhập mới, hoặc sửa chữa các thông tin liên quan đến mạng lưới hồ chứa, bao gồm:

– Thông số của hồ (reservoir): Các đặc trưng về mực nước và dung tích, các tham số của các công trình phụ thuộc

– Thông số của các đoạn dẫn (routing reach): phương pháp diễn toán, tham

số diễn toán

• Chuẩn bị các phương án để mô phỏng Mỗi một phương án bao gồm các thành phần:

– Hệ thống hồ (Network)

– Các quy định về vận hành hồ chứa (Operation set)

– Điều kiện ban đầu (Initial condition)

– Dữ liệu (Time series): điều kiện biên, các số liệu để kiểm định

Hình 2.3: Môđun mạng lưới hồ trong mô hình HEC-ResSim

+ Môđun mô phỏng (Simulation): Phần tính toán và hiển thị kết quả được thực hiện trong môđun này Trước hết phải tạo ra 1 cửa sổ thời gian mô phỏng, thời đoạn tính toán và sau đó các thành phần lựa chọn sẽ được phân tích Ta cũng có thể lựa chọn các phương án, nhập và sửa số liệu, các đặc tính của các thành phần tham gia trong hệ thống Khi mô phỏng được thực hiện qua việc tính toán và phân tích kết quả sử dụng

• Thay đổi các điều kiện trong alternatives để có lần tính tiếp theo

Hình 2.4: Môđun mô phỏng trong mô hình HEC-ResSim

Mô tả các chức năng của menu trong từng môđun:

- Nắm được cách vào ra, các công cụ, mô tả của các menu trên màn hình và làm thế nào để thiết lập được 1 lưu vực cũng như mở 1 lưu vực đã có sẵn

- Có 4 dạng biểu đồ trong ResSim: các biểu tượng chuỗi số liệu-thời gian (Time-Series Icons), sự liên kết trong mạng sông (Stream Alignment), các thành phần của lưu vực (Watersehd/study components) và sơ đồ mô hình (Model schematic)

- Cơ cấu lớp trong ResSim: có 6 loại lớp; chuỗi số liệu-thời gian, nghiên cứu (Study), liên kết mạng sông (Stream Alignment), số liệu trong ô kẻ (gridded data), sơ

đồ mô hình (Model Schematic) và bản đồ (Maps) Mỗi 1 lớp có 1 đặc tính riêng biệt

mà ta có thể định hình để hiển thị lưu vực theo các cách khác nhau

Mô hình HEC-ResSim được xây dựng để đánh giá vai trò của hồ chứa trong hệ thống nhằm trợ giúp nghiên cứu quy hoạch nguồn nước, đặc biệt trong vai trò kiểm soát

lũ và xác định dung tích hiệu dụng trong bài toán đa mục tiêu của hệ thống [6]; [22]

2.2.2 Nguyên lý chung điều tiết hồ chứa phát điện

Trong mô hình HEC-ResSim, quá trình điều tiết hồ chứa cũng dựa trên phương pháp bảo toàn khối lượng và công thức tính điện năng Việc điều hành hồ chứa trong

HEC-ResSim bằng điện khó khăn và không chủ động; các nhà máy phát điện theo giờ rất phức tạp và thường phát phủ đỉnh, mà số liệu về điện không có Vì vậy luận văn điều hành hồ chứa bằng lưu lượng đơn giản hơn Sau đó công suất phát điện được tính theo công thức:

Trong đó:

– qtb(t) là lưu lượng chảy qua tuốc bin

– N(t) là công suất của trạm thuỷ điện tại thời điểm t

– H(t) là chênh lệch cột nước thượng hạ lưu tại thời điểm t

2.3 Bốc hơi

2.3.1 Khái niệm về bốc hơi

Bốc hơi là hiện tượng bốc thoát hơi nước từ mặt nước, mặt đất hoặc từ lá cây

Đại lượng biểu thị bốc hơi thường dùng là lượng bốc hơi ký hiệu là Z, được tính bằng

bề dày lớp nước bị bốc hơi trong thời đoạn nào đó, đơn vị là mm Thời đoạn tính toán bốc hơi có thể là một ngày, tháng, năm, tương ứng ta có lượng bốc hơi ngày, lượng bốc hơi tháng, lượng bốc hơi năm Quy luật về sự thay đổi của lượng bốc hơi theo thời

gian được gọi là chế độ bốc hơi Phân tích chế độ bốc hơi ngày, tháng, năm hoặc trong

nhiều năm cũng tương tự như phân tích chế độ mưa

2.3.2 Các loại bốc hơi

Hiện tượng bốc hơi thường xảy ra ở những nơi có nước như biển, sông, hồ ao, đồng ruộng ở các tầng đất ẩm ướt và ở mặt ngoài các thực vật bao phủ quanh quả đất Vì vậy, bốc hơi có thể chia làm 3 loại: Bốc hơi mặt nước, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá cây

a- Bốc hơi mặt nước

Bốc hơi mặt nước là bốc hơi trực tiếp từ mặt thoáng của nước Bốc hơi mặt nước chịu ảnh hưởng của nhiều loại nhân tố khác nhau, nhưng chủ yếu là các nhân tố khí tượng như: Độ thiếu hụt bão hoà, nhiệt độ, tốc độ gió Nhiệt độ mặt nước càng cao bốc hơi càng nhiều, gió thổi làm tăng độ thiếu hụt bão hoà do đó làm tăng khả năng bốc hơi Ngoài các nhân tố trên, bốc hơi mặt nước còn phụ thuộc vào đặc tinh hoá lý của nước (tốc độ bốc hơi của nước mặn nhỏ hơn nước ngọt )

b- Bốc hơi mặt đất:

Bốc hơi mặt đất là bốc hơi trực tiếp từ mặt đất Hiện tượng bốc hơi mặt đất diễn

ra phức tạp hơn nhiều so với bốc hơi mặt nước Ngoài các yếu tố khí tượng (nhiệt độ,

độ thiếu hụt bão hoà, gió) các yếu tố khác như: tính chất vật lý của đất, trạng thái mặt đất, địa hình, v.v cũng đều ảnh hưởng tới quá trình bốc hơi mặt đất Đất bụi, đất chắc

có mao quản nhỏ bốc hơi lớn hơn đất tơi hay đất cục có mao quản to Vùng có mực nước ngầm cao, mặt đất ẩm ướt làm tăng tốc độ bốc hơi mặt đất, ngược lại lớp phủ thực

)),(),(()(t f q t H t A

vật làm giảm sự bốc hơi mặt đất Bốc hơi trên bề mặt ghồ ghề sẽ lớn hơn Địa hình núi cao có sự trao đổi đối lưu mạnh, tốc độ bốc hơi lớn hơn ở thung lũng và đồng bằng c- Bốc hơi qua lá cây:

Thực vật trong quá trình sinh trưởng hút nước từ dưới đất lên, một phần tham gia vào việc tạo thành các tế bào thực vật, một phần sẽ bốc hơi qua các khí khổng rất

nhỏ trên mặt lá cây, nên còn gọi là thoát hơi thực vật Các nhân tố chính ảnh hưởng

đến bốc hơi lá cây: Nhiệt độ, ánh sáng, loài thực vật và độ ẩm của đất Nhiệt độ là yếu

tố chủ yếu tác động đến bốc hơi qua lá, nhiệt độ tăng lên 100C thì tốc độ bốc hơi sẽ tăng lên 1 lần

Quá trình bốc hơi từ mặt đất và bốc thoát hơi nước từ thảm thực vật được gọi

gộp chung là quá trình bốc hơi mặt đất Lượng bốc thoát hơi được đo đạc bởi thùng đo

bốc hơi mặt đất Đây là một loại thùng chứa đất nguyên khối, trên đó có cả lớp phủ

thực vật giống như môi trường đất tại vị trí cần quan trắc Lượng bốc thoát hơi từ thùng đất này được xác định thông qua tính toán cân bằng nước của tất cả lượng ẩm đi vào và đi ra mẫu đất đang xét Lượng mưa rơi trên thùng bốc hơi, lượng nước thoát đi qua đáy và lượng biến đổi độ ẩm của đất bên trong thùng đều được đo đạc Lượng bốc thoát hơi chính là lượng nước cần thiết để hoàn chỉnh cho cân bằng nước này

d- Bốc hơi lưu vực:

Lượng bốc hơi trên lưu vực là lượng bốc hơi tổng hợp trên bề mặt lưu vực bao gồm lượng bốc hơi từ hồ ao, đầm lấy, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá Trong thực tế, không thể đo được lượng bốc hơi lưu vực mà chỉ có thể tính được thông qua phương trình cân bằng nước

Nghiên cứu quá trình bốc hơi không những có ý nghĩa quan trọng đối việc tìm hiểu sự cân bằng nước mà còn có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong tính toán điều tiết hồ chứa, quy hoạch khu tưới và các vấn đề khác liên quan đến khai thác tài nguyên nước e- Lượng tổn thất do bốc hơi:

Lượng nước tổn thất do bốc hơi được tính theo công thức:

Wtt(t) = 1000 x F(t).Z (t)

Trong đó: Wtt(t) là lượng nước tổn thất tại thời điểm tính toán t; F(t) là diện tích mặt hồ tại thời điểm t, đơn vị tính là km2; Z (t) là lớp bốc hơi phụ thêm trong thời đoạn tính toán (mm):

Z (t) = Zn(t) – Zđ(t)

Trong đó Zn(t) là bốc hơi mặt nước; Zđ(t) là lượng bốc hơi mặt đất (trước khi xây dựng hồ chứa) Khi hồ chứa được xây dựng thì bốc hơi thực tế chính là bốc hơi từ mặt nước hồ Zn(t), lượng bốc hơi này lớn hơn bốc hơi mặt đất Zđ(t) trước khi xây dựng hồ Tuy nhiên, lượng bốc hơi mặt đất đã được tính đến khi xác định lượng dòng chảy năm

thiết kế Bởi vậy, sau khi xây dựng hồ chỉ tính thêm phần chênh lệch bốc hơi tăng thêm do mặt đất vùng hồ bị ngập nước, đó chính là bốc hơi phụ thêm

Lượng bốc hơi phụ thêm Z (t) tại thời điểm t được xác định theo các bước như sau:

- Tính toán lượng bốc hơi mặt đất trong thời kỳ 1 năm là Zđn, bằng lượng mưa năm bình quân nhiều năm X0 trừ đi lớp dòng chảy năm bình quân nhiều năm Y0:

Zđn= X0 - Y0

- Tính chênh lệch bốc hơi tổng cộng trong năm:

Zn = ZN – Zđn Trong đó ZN là tổng bốc hơi mặt nước trong thời gian 1 năm

Các trạm khí tượng thường đo lượng bốc hơi bằng ống Piche Tương ứng với đặc điểm của chế độ nhiệt ẩm, lượng bốc hơi trên khu vực cũng biến đổi rõ rệt theo mùa và theo độ cao địa hình

Lượng bốc hơi mặt nước trong thời gian 1 năm ZN được tính chuyển đổi từ số liệu bốc hơi đo bằng ống Piche theo công thức :

ZN = KC ZPiche

Zpiche : Lượng bốc hơi đo bằng ống Piche trong thời gian 1 năm

Kc : Hệ số chênh lệch giữa lượng bốc hơi đo bằng chậu đặt trên bè và lượng bốc hơi đo bằng ống Piche đặt ở trên vườn Kc được xác định từ tài liệu quan trắc

- Xác định chênh lệch bốc hơi hàng tháng trong năm theo công thức:

Z

ở đây Zni là lượng bốc hơi tháng thứ i, Zn là lượng bốc hơi năm.[10]

2.4 Bài toán mẫu

2.4.1 Thiết lập bài toán mẫu1:

Bài toán mẫu 1 được xây dựng với mục đích đánh giá độ chính xác của mô hình HEC-ResSim trong mô phỏng mực nước hồ

Từ phương trình cân bằng nước tại một hồ : 

dt

dV

Q(t) V=V(z), z=z(t), V=V(z)=V(z(t)), t0 ≤t≤T, V(t0)=V0

Ta có : V(t)=V0+  

t

dt t Q

Bài toán mẫu được xây dựng cho hồ chứa hình chữ nhật không có độ dốc (theo

cả 2 chiều X, Y) với chiều rộng 2km và chiều dài 20km Quan hệ mực nước và dung tích của hồ được cho trong bảng 2.1 trong phụ lục và hình 2.5 Các hàm qv(t) và qr(t) được chọn ở dạng hàm tuyến tính hoặc đa thức bậc 2 Vì vậy, trong các bài toán mẫu này dung tích hồ chứa V(t) được tính chính xác Vì đáy hồ mẫu không có độ dốc cho nên từ dung tích V(t) có thể tính ngay được mực nước z(t) của hồ chứa

Đường quan hệ mực nước - dung tích hồ mẫu 1

Hình 2.5: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 1

a- Bài toán 1a: Cho lưu lượng vào hồ không đổi

Số liệu đầu vào bài toán 1a được cho ở bảng 2.2 trong phụ lục

b- Bài toán 1b: Cho lưu lượng vào hồ dưới dạng tuyến tính

Số liệu đầu vào bài toán 1b được cho ở bảng 2.2 trong phụ lục

c- Bài toán 1c: Cho lưu lượng vào hồ dưới dạng parabol

Số liệu đầu vào bài toán 1c được cho ở bảng 2.2 trong phụ lục

d- Bài toán 1d: Cho lưu lượng vào hồ dưới dạng parabol, nhưng thời gian tính toán là

6 giờ

Số liệu đầu vào bài toán 1d được cho ở bảng 2.2 trong phụ lục

e- Bài toán 1e:

Từ lưu lượng đến và ra khỏi hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009, lập phương trình tương quan như hình 2.6 và hình 2.7 như sau:

Lưu lượng đến hồ Ialy T1-T6/2009

Hình 2.6: Tương quan lưu lượng đến hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009

Lưu lượng ra khỏi hồ Ialy T1-T6/2009

Hình 2.7: Tương quan lưu lượng ra khỏi hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009

Từ các phương trình tương quan trên, xác định được lưu lượng đến hồ và ra khỏi

hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 dưới dạng tuyến tính và lấy làm số liệu đầu vào bài toán mẫu 1e

Số liệu đầu vào bài toán 1e được cho ở bảng 2.3 trong phụ lục

Bài toán mẫu được tính bằng chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim Kết quả tính toán được so sánh với dung tích chính xác của hồ

2.4.2 Kết quả bài toán mẫu 1:

a- Bài toán 1a: Cho lưu lượng vào hồ không đổi

Kết quả tính toán dung tích hồ bằng chương trình điều tiết, mô hình HEC-ResSim

và dung tích chính xác của hồ được cho ở bảng 2.4 trong phụ lục, hình 2.8 và 2.9 dưới đây

Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.8: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.9: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng mô hình HEC-ResSim

b- Bài toán 1b: Cho lưu lượng vào hồ dưới dạng tuyến tính

Kết quả tính toán dung tích hồ bằng chương trình điều tiết, mô hình HEC-ResSim và dung tích chính xác của hồ được cho ở bảng 2.5 trong phụ lục, hình 2.10 và 2.11 dưới đây

Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.10: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.11: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng mô hình HEC-ResSim

c- Bài toán 1c: Cho lưu lượng vào hồ dưới dạng parabol

Kết quả tính toán dung tích hồ bằng chương trình điều tiết, mô hình HEC-ResSim và dung tích chính xác của hồ được cho ở bảng 2.6 trong phụ lục, hình 2.12 và 2.13 dưới đây

Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.12: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.13: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng mô hình HEC-ResSim

d- Bài toán 1d: Cho lưu lượng vào hồ dưới dạng parabol, thời gian tính toán là 6 giờ Kết quả tính toán dung tích hồ bằng chương trình điều tiết, mô hình HEC-ResSim và dung tích chính xác của hồ được cho ở bảng 2.7 trong phụ lục, hình 2.14 và 2.15 dưới đây

Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.14: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.15: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng mô hình HEC-ResSim

e- Bài toán 1e:

Kết quả tính toán dung tích hồ bằng chương trình điều tiết, mô hình HEC-ResSim và dung tích chính xác của hồ được cho ở bảng 2.8 trong phụ lục, hình 2.16 và 2.17 dưới đây

Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.16: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng chương trình điều tiết

Hình 2.17: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng mô hình HEC-ResSim Nhận xét bài toán mẫu 1:

Qua các kết quả trên có thể thấy đối với bài toán mẫu 1, kết quả tính toán dung tích hồ mẫu 1 bằng chương trình điều tiết, mô hình HEC-ResSim có độ chính xác như nhau Như vậy có thể kết luận rằng thuật toán dùng để tìm dung tích hồ chứa trong HEC-ResSim tương tự như phương pháp Runge – Kutta Trong trường hợp lưu lượng

vào hồ và lưu lượng ra khỏi hồ thay đổi tương đối chậm (để các hàm Q1 và Q2 trong 2.1 gần giống với hàm tuyến tính) thì dung tích (mực nước) hồ chứa có thể mô tả bằng

mô hình HEC-ResSim tương đối chính xác

2.4.3 Thiết lập bài toán mẫu2:

Bài toán mẫu 2 được xây dựng với mục đích kiểm tra sự bảo toàn tổng khối lượng của lưu lượng nước vào và ra khỏi lưu vực của mô hình Bài toán mẫu được xây dựng cho hồ chứa hình chữ nhật với chiều rộng 2km và chiều dài 20km Quan hệ mực nước và dung tích của hồ được cho ở bảng 2.9 trong phụ lục và hình 2.18

Đường quan hệ mực nước - dung tích hồ mẫu 2

W=F(Z)

0 200

Hình 2.18: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 2

a- Bài toán 2a: Cho lưu lượng vào hồ bằng lưu lượng ra để mực nước hồ không đổi

Số liệu đầu vào bài toán 2a được cho ở bảng 2.10 trong phụ lục

b- Bài toán 2b: Cho lưu lượng ra khỏi hồ nhỏ hơn lưu lượng vào, sau một thời đoạn cho lưu lượng vào hồ bằng lưu lượng ra nhỏ hơn đó để mực nước hồ tăng lên rồi lại trở

về mực nước ban đầu

Số liệu đầu vào bài toán 2b được cho ở bảng 2.11 trong phụ lục

Bài toán mẫu được tính toán bằng cả chương trình điều tiết và mô hình ResSim

HEC-2.4.4 Kết quả bài toán mẫu 2:

a- Bài toán 2a: Cho lưu lượng vào hồ bằng lưu lượng ra để mực nước hồ không đổi

 Kết quả tính toán bằng chương trình điều tiết:

Kết quả tính toán mực nước hồ bằng chương trình điều tiết được cho ở hình 2.19 dưới đây và bảng 2.12 trong phụ lục

Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng

chương trình điều tiết

Hình 2.19: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng chương trình điều tiết

 Kết quả tính toán bằng mô hình HEC-ResSim:

Kết quả tính toán mực nước hồ bằng mô hình HEC-ResSim được cho ở hình 2.20 dưới đây và bảng 2.12 trong phụ lục

Hình 2.20: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng mô hình HEC-ResSim

- Để đánh giá ảnh hưởng của bốc hơi đến quá trình tính toán, luận văn có tính toán đối với trường hợp hồ có bốc hơi 50mm/tháng Kết quả tính toán mực nước hồ bằng mô hình HEC-ResSim được cho ở hình 2.21 dưới đây và bảng 2.12 trong phụ lục

Hình 2.21: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a có xét đến bốc hơi tính bằng

mô hình HEC-ResSim

b- Bài toán 2b: Cho lưu lượng ra khỏi hồ nhỏ hơn lưu lượng vào, sau một thời đoạn cho lưu lượng vào hồ bằng lưu lượng ra nhỏ hơn đó để mực nước hồ tăng lên rồi lại trở

về mực nước ban đầu

 Kết quả tính toán bằng chương trình điều tiết:

Kết quả tính toán mực nước hồ bằng chương trình điều tiết được cho ở hình 2.22 dưới đây và bảng 2.13 trong phụ lục

Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính bằng

chương trình điều tiết

 Kết quả tính toán bằng mô hình HEC-ResSim:

Kết quả tính toán mực nước hồ bằng mô hình HEC-ResSim được cho ở hình 2.23 dưới đây và bảng 2.13 trong phụ lục

Hình 2.23: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính bằng mô hình HEC-ResSim

- Để đánh giá ảnh hưởng của bốc hơi đến quá trình tính toán, luận văn có tính toán đối với trường hợp hồ có bốc hơi 50mm một tháng Kết quả tính toán mực nước

hồ bằng mô hình HEC-ResSim được cho ở hình 2.24 và 2.25 dưới đây và bảng 2.13 trong phụ lục

Hình 2.24: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b có xét đến bốc hơi tính bằng

mô hình HEC-ResSim

Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b

559.5 559.6 559.7 559.8 559.9 560 560.1 560.2 560.3 560.4 560.5

hơi-Hình 2.25: So sánh đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b có xét đến bốc hơi và

không có bốc hơi tính bằng mô hình HEC-ResSim Nhận xét bài toán mẫu 2:

Từ các kết quả tính toán trên có thể thấy, trong mô hình HEC-ResSim, bốc hơi ảnh hưởng khá lớn đến điều hành hồ chứa

Đối với bài toán 2a, cả chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim đều cho kết quả mực nước hồ như nhau Còn đối với bài toán 2b, chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim cho kết quả mực nước hồ tương tự nhau Hình vẽ so sánh kết quả tính toán bài toán 2b bằng chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim được cho ở hình 2.26

Từ kết quả của bài toán mẫu này có thể kết luận rằng: mô hình HEC-ResSim mô

tả tương đối tố dung tích (mực nước) của hồ trong một thời gian dài (6 tháng)

So sánh đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính toán bằng chương trình điều tiết

và HEC-Ressim

559 559.2 559.4 559.6 559.8 560 560.2 560.4 560.6 560.8 561

Thời gian (giờ)

Mực nước (m)

Tính toán chương trình điều tiết Tính toán HEC- ResSim

Hình 2.26: So sánh kết quả tính toán bài toán 2b bằng chương trình điều tiết và

mô hình HEC-ResSim

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ IALY TỪ THÁNG

1 ĐẾN THÁNG 6 NĂM 2009 3.1 Các đặc điểm chính lưu vực sông Sê San

3.1.1 Vị trí địa lý và mạng lưới sông suối

Sông Sê San là một trong những phụ lưu lớn của sông Mê Kông, bắt nguồn từ

bờ dốc phía Tây Nam của dãy Trường Sơn (núi Ngọc Linh) ở độ cao 2600m Từ nguồn về dòng chính sông Sê San chảy theo hướng Bắc-Nam, sau đó đổi dòng theo hướng Đông Bắc - Tây Nam qua các tỉnh Kon Tum, Gia Lai của Việt Nam rồi đi vào lãnh thổ Campuchia hợp lưu với sông Srêpôk và nhập vào bên tả của sông Mê Kông tại Xtung Treng Lưu vực sông Sê San nằm trong khoảng (13o45’-15o14’) vĩ độ Bắc và (107o20’-108o24’) kinh độ Đông Lưu vực có chung đường phân lưu với lưu vực sông Trà Khúc ở phía Bắc, lưu vực sông Srêpôk ở phía Nam, lưu vực sông Ba ở phía Đông

và tiếp giáp với Lào, Campuchia ở phía Tây Tổng diện tích lưu vực sông Sê San là 18570km2, chiều dài sông chính 462km, trong đó phần diện tích lưu vực thuộc lãnh thổ Việt Nam 11450km2, chiềudài sông 230km

Ở địa phận Việt Nam, lưu vực sông Sê San có khoảng 30 sông nhánh có chiều dài sông L ≥10km, trong đó có 4 sông lớn nhất đổ vào sông Sê San là Krông Pô Kô, Đắkpsi, Đắkbla, Sa Thầy Những sông này nằm trên sườn tây của dãy Trường Sơn hùng vĩ, có nguồn nước dồi dào, điều kiện địa hình thuận lợi cho xây dựng các công trình hồ chứa lợi dụng tổng hợp nguồn nước cho phát điện, cung cấp nước tưới Sơ lược về các nhánh chính của sông Sê San như sau:

- Sông Krông Pô Kô bắt nguồn từ vùng núi cao Ngọc Linh với độ cao đầu nguồn

là 2000m và độ cao đáy sông tại điểm hợp lưu với sông Đắcbla khoảng 500m Diện tích lưu vực sông 3530km2, chiều dài sông 121km, dòng chính chảy theo hướng Bắc - Nam

- Sông Đắkbla bắt nguồn từ dãy Ngọc Cơ Rinh cao 2025m Từ nguồn về dòng chính chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam và nhập với sông Krôngpôkô ở vị trí cách thác Ialy 16km về phía thượng lưu Lưu vực sông Đắkbla có chung đường phân lưu với sông Thu Bồn ở phía Bắc, sông Ba ở phía Đông và hạ lưu sông Sê San ở phía Nam Diện tích lưu vực sông 3507km2, chiều dài sông 152km, D = 0.49km/km2, hệ số uốn khúc 2.03

- Sông Sa Thầy bắt nguồn từ vùng núi Cơlong có độ cao (1.2001.500)m Từ nguồn về dòng chính chảy theo hướng Bắc - Nam và nhập vào sông Sê San ở vị trí gần với biên giới Việt Nam - Campuchia cách cửa sông Sê San 18km Diện tích lưu vực sông 1570km2, chiều dài sông 91km, D = 0.27km/km2, hệ số uốn khúc 1.24

- Sông Đắkpsi bắt nguồn từ vùng núi Chưprông có độ cao 1.700m Từ nguồn về dòng chính chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam và nhập vào bên tả sông Sê San ở

vị trí cách cửa sông 136km Diện tích lưu vực sông 869km2, chiều dài sông 80.5km

Bậc thang thủy điện Sê San đang và sẽ được xây dựng với 6 công trình thủy điện có công suất lắp máy Nlm > 100MW trên nhánh Đắkbla, Krôngpôkô, dòng chính sông Sê San: là Thượng Kon Tum, Pleikrông, Ialy, Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4 Đặc trưng lưu vực sông Sê San tính đến các tuyến công trình được đưa ra trong bảng 3.1 dưới đây, vị trí các tuyến xem hình 3.1

Bảng 3.1: Đặc trưng lưu vực tính đến tuyến công trình

Tuyến nghiên

cứu

F (km2)

(km)

Hlv (m)

D (km/km2)

Ghi chú: F là diện tích lưu vực sông,

Ls là chiều dài sông chính,

B là độ rộng trung bình lưu vực,

Hlv là độ cao trung bình lưu vực,

D là mật độ lưới sông