Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trong mùa lũ lưu vực sông mã

và sông Yên; Phía ông là Bi n ông... Dòng chính sông Mã có chi u dài là 512km.

B GIÁO D C VÀ ÀO T O B NÔNG NGHI P VÀ PTNN

TR NG I H C THU L I

Hà Nh Ng c

NGHIÊN C U C S KHOA H C CHO VI C XÂY D NG QUY TRÌNH

V N HÀNH H TH NG H CH A TRONG MÙA L - L U V C SÔNG MÃ

LU N V N TH C S

Hà N i – 2014

B GIÁO D C VÀ ÀO T O B NÔNG NGHI P VÀ PTNT

Hà Nh Ng c

L I C M N

Tr c tiên tôi xin g i l i c m n chân thành nh t t i th y giáo h ng d n lu n

v n c a tôi Ts Ngô Lê An, th y đã t o m i đi u ki n, đ ng viên giúp đ tôi hoàn thành lu n v n này S hi u bi t sâu s c v khoa h c c ng nh kinh nghi m c a th y chính là ti n đ giúp tôi đ t đ c nh ng thành t u và kinh nghi m quý báu

Xin cùng bày t lòng bi t n t i các th y cô giáo trong khoa Th y v n và Tài nguyên n c, ng i đã đem l i cho tôi nh ng ki n th c b tr , vô cùng có ích trong

nh ng n m h c v a qua

Xin c m n khoa Th y v n và Tài nguyên n c, Phòng đào t o sau đ i h c,

Tr ng đ i h c Th y l i đã t o đi u ki n thu n l i cho tôi trong quá trình h c t p và nghiên c u

Cu i cùng tôi xin g i l i cám n đ n gia đình, b n bè, nh ng ng i đã luôn bên tôi, đ ng viên và khuy n khích tôi trong quá trình th c hi n lu n v n c a mình

Hà N i, ngày 28 tháng 11 n m 2014

Hà Nh Ng c

B N CAM K T Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a riêng tôi Các s li u, k t

qu nêu trong Lu n v n là trung th c và ch a t ng đ c công b trong b t k công trình nào khác

Tôi xin cam đoan, m i s giúp đ cho vi c th c hi n Lu n v n này đã đ c

c m n và các thông tin trích d n trong Lu n v n đã đ c ghi rõ ngu n g c

H c viên th c hi n lu n v n

Hà Nh Ng c

M C L C

M U 1

CH NG 1 T NG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN C U VÀ THI T L P BÀI TOÁN V N HÀNH H CH A L U V C SÔNG MÃ 5

1.1 Các nghiên c u trong n c và ngoài n c 5

1.1.1 T ng quan các nghiên c u trên th gi i 5

1.1.2 T ng quan các nghiên c u Vi t Nam 8

1.2 C s pháp lí đ xây d ng quy trình v n hành h ch a 9

1.3 Thi t l p bài toán v n hành h ch a mùa l 10

1.4 L a ch n mô hình tính toán, mô ph ng 11

1.4.1 Mô hình Nam 12

1.4.2 Gi i thi u mô hình Mike 11 16

CH NG 2 C I M A LÝ T NHIÊN L U V C SÔNG MÃ 19

2.1 V trí đ a lý 19

2.2 c đi m đi u ki n t nhiên 21

2.2.1 i u ki n đ a hình, đ a ch t 21

2.2.2 i u ki n th nh ng 22

2.3 c đi m khí t ng khí t ng, th y v n 23

2.3.1 M ng l i tr m quan tr c khí t ng, th y v n 23

2.3.2 c đi m khí t ng, khí h u 28

2.3.3 c đi m th y v n, sông ngòi 34

2.4 Các công trình phòng ch ng l trên l u v c sông Mã 39

2.4.1 Khái quát h th ng h ch a trên l u v c sông 39

2.4.2 H th ng đê sông trên l u v c 40

CH NG 3 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN TH Y V N L U V C SÔNG MÃ 49

3.1 Ph n mùa m a, mùa dòng ch y 49

3.1.1 Phân mùa m a 49

3.1.2 Mùa dòng ch y 50

3.2 Phân c p và phân k l 50

3.2.1 Phân c p l 50

3.2.2 Phân k l 52

3.3 T h p l trên h th ng sông 57

3.3.1 Tình hình l l t trên h th ng sông Mã 57

3.3.2 T h p l 58

3.4 Tính toán các đi u ki n biên cho bài toán v n hành 59

3.4.1 ng d ng mô hình Nam tính toán l ng n c ra nh p khu gi a l u v c sông Mã 59

3.4.2 ng d ng mô hình Mike 11 tính toán th y l c l u v c sông Mã 62

CH NG 4 TÍNH TOÁN I U TI T L THEO CÁC PH NG ÁN PH C V CHO VI C XÂY D NG QUY TRÌNH V N HÀNH H CH A L U V C SÔNG MÃ 70

4.1 Ph ng pháp tính toán đi u ti t h ch a 70

4.2 Xây d ng ph ng án v n hành h th ng h ch a ng v i t n su t P=0.6% 71

4.2.1 Xây d ng mô hình l đ n h ng v i t n su t P= 0.6% 71

4.2.1 Xây d ng ph ng án tính toán đi u ti t h ch a ng v i t n su t P= 0.6%73 4.2.2 Mô ph ng th y l c di n toán dòng ch y ng v i tr n l P=0.6% 83

4.3 Xây d ng ph ng án v n hành h th ng h ch a ng v i t n su t P=0.5% 83

4.3.1 Xây d ng mô hình l đ n h ng v i t n su t P=0.5% 83

4.3.2 Xây d ng ph ng án tính toán đi u ti t l ng v i t n su t P=0,5% 84

4.3.3 Mô ph ng th y l c di n toán dòng ch y ng v i tr n l P=0.5% 89

4.4 Phân tích l a ch n ph ng án c t gi m l cho h du 91

K T LU N VÀ KI N NGH 92

TÀI LI U THAM KH O 93

PH L C 95

DANH M C HÌNH

Hình 1-1: S đ kh i tính toán v n hành liên h ch a 11

Hình 1-2: C u trúc mô hình m a dòng ch y NAM 13

Hình 2-1:B n đ l u v c sông Mã 20

Hình 2-2: B n đ l i tr m khí t ng th y v n đang ho t đ ng trên l u v c sông Mã 27

Hình 3-1:Phân k l tr m Xuân Khánh theo C p báo đ ng h du 53

Hình 3-2:Phân k l tr m Xuân Khánh theo tiêu chu n d báo 2008 54

Hình 3-3:Phân k l tr m Xuân Khánh theo Quy chu n d báo 1983 54

Hình 3-4: Phân k l tr m Lý Nhân theo C p báo đ ng h du 55

Hình 3-5:Phân k l tr m Lý Nhân theo tiêu chu n d báo 2008 55

Hình 3-6:Phân k l tr m Lý Nhân theo Quy chu n d báo 1983 56

Hình 3-7: Quá trình tính toán và th c đo tr m Kim Tân n m 2007 61

Hình 3-8: Quá trình tính toán và th c đo tr m Kim Tân n m 1996 62

Hình 3-9: S đ tính toán th y l c m ng sông Mã 64

Hình 3-10: S đ quy trình hi u ch nh b thông s mô hình 66

Hình 3-11: M c n c th c đo- tính toán tr m Xuân Khánh 66

Hình 3-12: M c n c th c đo- tính toán tr m Giàng 67

Hình 3-13: M c n c th c đo- tính toán tr m Lý Nhân 67

Hình 3-14: M c n c th c đo- tính toán tr m Xuân Khánh 68

Hình 3-15: M c n c th c đo- tính toán tr m Giàng 68

Hình 3-16:M c n c th c đo- tính toán tr m Lý Nhân 69

Hình 4-1: i u ti t h ch a H a Na tr n l P= 0.6% theo các n m đi n hình 78

Hình 4-2: i u ti t h ch a C a t tr n l P= 0.6% theo các n m đi n hình 82

Hình 4-3: i u ti t h ch a H a Na tr n l P=0,5% (theo các d ng l đi n hình) 86

Hình 4-4: i u ti t h ch a C a t tr n l P=0,5% theo các n m đi n hình 88

Hình 4-5:Quá trình m c n c t i Xuân Khánh ng v i các tr n l thi t k (P=0,5%) (Ph ng án Qx max ≈ 3200 m3/s) 90

DANH M C B NG

B ng 2-1: Phân b di n tích t nhiên theo đ a gi i hành chính l u v c sông Mã 20

B ng 2-2: L i tr m khí t ng và đo m a trên l u v c sông Mã 23

B ng 2-3: L i tr m th y v n trên l u v c sông Mã 25

B ng 2-4: T ng l ng dòng ch y n m bình quân nhi u n m h th ng sông Mã 35

B ng 2-5: B ng tính t tr ng l ng n c l các tháng trong mùa l so v i t ng l ng n c trong n m 36

B ng 2-6: T ng l ng n c t i m t s tr m trên sông Mã và sông Chu 36

B ng 2-7: Th i gian truy n l trên sông Mã và sông Chu 37

B ng 2-9: Thông s c b n các h trên l u v c sông Mã 40

B ng 1-10: ê h u sông Chu và h u sông Mã 44

B ng 3-1: Phân mùa m a các tr m th y v n 49

B ng 3-2: Phân mùa dòng ch y 50

B ng 3-3: M c n c phân c p t ng ng t i các tr m 51

B ng 3-4: B ng t h p l trên h th ng sông Mã 58

B ng 3-5: B thông s mô hình Nam 60

B ng 3-6: Ch tiêu c b n c a các l u v c gia nh p khu gi a 62

B ng 3-7: Các sông đ c mô ph ng trong mô hình 64

B ng 3-8: B ng k t qu hi u ch nh và ki m đ nh Mike 11 69

B ng 4-1: L u l ng đ nh l thi t k t i tuy n đ p C a t 72

B ng 4-2:Các thông s chính c a công trình h ch a n c H a Na 73

B ng 4-3:K t qu tính toán đi u ti t l P=0,6% h H a Na 77

B ng 4-4:Thông s h ch a n c C a t 79

B ng 4-5: K t qu tính toán đi u ti t l P=0,6% h C a t 81

B ng 4-6: B ng tính m c n c t i tr m Xuân Khánh 83

B ng 4-7: K t qu tính toán đi u ti t l P=0,5% h H a Na 85

B ng 4-8: K t qu tính toán đi u ti t l P=0,5% h C a t theo các ph ng án khác nhau 87

B ng 4-9:M c n c l n nh t t i các v trí ki m soát l u v c sông Mã ng v i l P=0,5% theo các ph ng án 89

và sông Yên; Phía ông là Bi n ông Sông Mã có dòng chính dài 512km, có

h ng ch y chính là Tây B c - ông Nam Sông có 3 ph l u c p 1 nh p l u

ph n h l u có nh h ng l n t i ch đ dòng ch y h du sông Mã, đó là sông Chu, sông C u Chày và sông B i

L u v c sông Mã có g n 80 h ch a n m trên đ a bàn 4 t nh: S n La, Hòa Bình, Thanh Hóa, Ngh An v i t ng dung tích kho ng 2.590 tri u m3, trong đó, có

2 h ch a l n là h C a t (W = 1.364 tri u m3

) và h H a Na (W = 533 tri u m3)

n m trên sông Chu đã đi vào v n hành là có kh n ng c t gi m l cho h du Hai h

ch a này ch a có quy trình v n hành liên h ch a nên ch a ph i h p đ c v i nhau trong phòng, ch ng và gi m thi u tác h i c a l l t đ i v i h du

Theo Quy t đ nh s 1588/Q -TTg ngày 24/10/2012 c a Th t ng Chính

ph v vi c Phê duy t Quy ho ch th y l i Khu v c mi n Trung giai đo n 2012 -

2020 và đ nh h ng đ n n m 2050 trong đi u ki n B KH n c bi n dâng thì yêu

c u v phòng, ch ng l h du sông Mã: ch ng l v i t n su t P=1,0% trên sông Mã

và P=0,6% trên sông Chu Tuy nhiên, hi n t i vi c v n hành các h ch a này l i

đ c th c hi n theo các quy trình v n hành riêng l mà ch a có s ph i h p v n hành trên toàn h th ng đ đ m b o hi u qu đa m c tiêu Nh ng tác đ ng c a vi c xây d ng và v n hành riêng l c a các h ch a này không nh ng làm nh h ng

tr c ti p đ n nhi m v c a t ng h mà còn tác đ ng đ n kh n ng ch ng l , c p

n c, duy trì môi tr ng phía h du l u v c sông và gây xói l dòng sông Do đó,

nh t thi t c n ph i có m t quy trình v n hành đ ng b gi a các h ch a nói trên đ

đ m b o hi u qu cao nh t v phòng ch ng l và c p n c cho h du.Vi c nghiên

c uđi u hành h th ng h ch a đa m c tiêu trên l u v c sông là m t bài toán r t

ph c t p v i kh i l ng công vi c l n, ph i xây d ng mô hình mô ph ng và tính toán ki m tra nhi u ph ng án đ t đó đ a ra m t quy trình v n hành t ng th , h p

lý, m m d o và có tính th c t trong v n hành

Vì v y, h n bao gi h t, vi c ti n hành các nghiên c u làm c s đ xây

d ng quy trình v n hành liên h ch a cho l u v c sông Mã là r t c n thi t, đáp ng

m c tiêu phát tri n b n v ng tài nguyên n c và m c tiêu phát tri n kinh t xã h i

h ch a trên l u v c, thi t l p b thông s th y v n, th y l c làm c s cho vi c

nghiên c u xây d ng quy trình v n hành h th ng liên h ch a sông Mã;

- Làm c s cho các nghiên c u ti p theo có tính ch t nghiên c u t ng t ,

ho c nh ng nghiên c u mang tính vi mô h n trên l u v c đang nghiên c u, ho c

nh ng nghiên c u khác trên các l u v c t ng t

3 i t ng và ph m vi nghiên c u

- i t ng nghiên c u: Lu n v n t p trung xây d ng, tính toán mô ph ng các

ph ng án v n hành h th ng h ch a làm c s cho vi c xây d ng quy trình v n hành liên h ch a trên l u v c Mã trong mùa l

- Ph m vi nghiên c u: Là toàn b di n tích l u v c sông Mã n m trên lãnh th

Vi t Nam 17.600 km2 thu c các t nh Lai Châu, S n La, Hòa Bình, Ngh An và Thanh Hóa

4 Cách ti p c n và ph ng pháp nghiên c u

Trong nghiên c u lu n v n ch y u s d ng cách ti p c n và ph ng pháp sau:

- Ph ng pháp th ng kê: Ph ng pháp này đ c s d ng trong vi c x lý

các tài li u v đ a hình, khí t ng, th y v n, thu l c ph c v cho các tính toán, phân tích c a lu n v n

- Ph ng pháp mô hình toán: Mô hình th y l c đ c dùng đ mô ph ng các

k ch b n tính toán đi u ti t h c ng nh s nh h ng t i dòng ch y h du Nh m làm c s xây d ng quy trình v n hành liên h ch a trên h th ng

- Ph ng pháp phân tích h th ng: D a vào lý thuy t h th ng đ phân tích

ho t đ ng c a h th ng và đ a ra các ph ng án v n hành h ch a

- Ph ng pháp k th a: Trong quá trình th c hi n, lu n v n c n tham kh o

và k th a các k t qu có liên quan đã đ c nghiên c u tr c đây c a các tác gi ,

c quan và t ch c khác Nh ng th a k nh m làm k t qu tính toán c a lu n v n phù h p h n v i th c ti n c a vùng nghiên c u

5 B c c c a lu n v n

Ngoài ph n M đ u, K t lu n và ki n ngh , b c c n i dung c a lu n v n

đ c trình bày v i các ch ng sau:

Ch ng 1: T ng quan tình hình nghiên c u và thi t l p bài toán v n hành h ch a

l u v c sông Mã: Trình bày các nghiên c u trong n c và ngoài n c, c s xây

d ng quy trình v n hành h ch a, thi t l p bài toán v n hành h ch a mùa l , l a

ch n mô hình tính toán, mô ph ng

Ch ng 2: c đi m đ a lý t nhiên l u v c sông Mã: Gi i thi u khái quát các đ c

đi m t nhiên v khu v c nghiên c u bao g m các thông tin v v trí đ a lý, đ a hình, th nh ng, đ a ch t, h th ng h ch a trên l u v c sông

Ch ng 3: Phân tích tính toán th y v n l u v c sông Mã: Phân mùa m a, mùa

dòng ch y phân c p và phân k l , t h p l , xây d ng mô hình l đ n h , tính toán các đi u ki n biên cho bài toán v n hành

Ch ng 4: Tính toán đi u ti t l theo các ph ng án ph c v cho vi c xây d ng quy trình v n hành h ch a l u v c sông Mã: Xây d ng các ph ng án v n hành h

ch a sông Mã, tính toán các ph ng án v n hành c t gi m l cho h du

CH NG 1 T NG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN C U VÀ THI T L P BÀI

TOÁN V N HÀNH H CH A L U V C SÔNG MÃ 1.1 Các nghiên c u trong n c và ngoài n c

1.1.1 T ng quan các nghiên c u trên th gi i

V n hành h ch a đa m c tiêu v i vi c s d ng n c cho nhi u m c tiêu là

m t trong nh ng v n đ đ c quan tâm nhi u nh t trong l ch s hàng tr m n m c a công tác quy ho chqu n lý h th ng ngu n n c và thu hút nhi u nhà nghiên c u trong vài ch c n m g n đây Nghiên c u v n hành qu n lý h th ng h ch a luôn phát tri n theo th i gian nh m ph c v các yêu c u phát tri n liên t c c a xã h i, t nghiên c u đ n gi n c a Rippl th k 19 v dung tích tr ph c v c p n c (Rippl, 1883) t i các nghiên c u g n đây c a Lund v ph ng pháp lu n trong v n hành t i u h th ng liên h ch a ph c v đa m c tiêu (Lund và Guzman, 1999, Labadie, 2004) M c dù đã đ t đ c nh ng ti n b v t b c trong nghiên c u qu n

lý v n hành h ch a nh ng cho đ n th i đi m hi n t i không có m t l i gi i chung cho m i h th ng mà tùy đ c thù c a t ng h th ng s có các l i gi i phù h p

Các nghiên c u trên Th gi i đã s d ng các thu t toán đi u khi n khác nhau

đ gi i quy t bài toán v n hành h th ng liên h ch a, nhìn chung có 3 nhón

ph ng pháp th ng đ c s d ng nh t, bao g m: mô ph ng, t i u và nhóm k t

h p t i u và mô ph ng Các nghiên c u d i đây s trình bày các ph ng pháp đ

gi i quy t bài toán v n hành liên h ch a

bi n đi u khi n, d k t h p gi a mô hình v n hành v i các mô hình d báo dòng

ch y đ n K t qu nghiên c u c ng ch ra r ng m ng ENNIS hoàn toàn có kh n ng

ki m soát nhi u bi n ra quy t đ nh đ đ a ra các quy t đ nh h p lý khi v n hành h

ch a đa m c tiêu

• Ph ng pháp thu t toán t i u:

+ Kumar, Vi n Khoa h c n [9] đã s d ng thu t toán t i u SWARM vào nghiên c u v n hành h th ng liên h ch a g m 4 h mà tr c đây Larson đã s

d ng Quy ho ch đ ng đ gi i quy t Hai nhà Th y v n Kumar và Singh c ng đã áp

d ng các thu t toán GA - gi i đoán gen Ti p đó Giáo s Kumar l i th nghi m áp

d ng cho h th ng h ch a Bhadra c a n đ K t qu cho th y thu t toán t i u SWARM có kh n ng áp d ng r t t t vào gi i quy t bài toán v n hành liên h ch a + Robin, Tr ng đ i h c Edinburgh, v ng qu c Anh [10] c ng đã ti n hành nghiên c u đánh giá thu t toán GA - Gi i đoán gen vào v n hành t i u h th ng liên h ch a Nghiên c u đi n hình đã đ c th c hi n cho h th ng 4 h ch a, r i cho h th ng 10 h ch a K t qu đ t đ c cho th y thu t toán GA đem đ n m t

gi i pháp ch p nh n đ c Tuy nhiên v n còn nhi u v n đ c n xem xét đ c bi t là phân tích đ nh y c a các bi n

đ c cho th y n u ph i h p v n hành h th ng 4 h ch a theo hàm m c tiêu đ ra

s cho s n l ng đi n cao h n kho ng 7,9% t ng s n l ng đi n c a 4 h khi v n hành riêng r

+ Long, N L và nnk [12] đã nghiên c u k t h p mô hình mô ph ng và mô hình

t i u đ v n hành h Hòa Bình gi i quy t xung đ t chính gi a phòng l và phát

đi n giai đo n cu i mùa l và đ u mùa ki t Tác gi đã s d ng ph n m m MIKE

11 đ mô ph ng h th ng sông và h ch a k t h p v i các thu t toán t i u SCE

(shuffled complex evolution) đ tìm ra qu đ o t i u (pareto) khi xem xét c hai u tiên gi a phòng l và phát đi n K t qu đ t đ c cho th y hoàn toàn có th dùng

mô hình mô ph ng đ gi i quy t v n đ phòng l cho công trình và cho h du mà

v n có th duy trì m c n c cao cu i mùa l đ đ m b o hi u ích cao trong phát

đi n mùa ki t k ti p ng th i nghiên c u c ng cho th y thu t toán t i u SCE

là m t công c h u hi u trong gi i quy t các bài toán h th ng ph c t p

+ Chang, L C và Chang, F J [13] đã nghiên c u áp d ng thu t toán ti n hóa (Evolution Algorithm – NSGA-II) vào v n hành h th ng h ch a g m h Feitsui

và Shihmen ài loan Các tác gi đã mô ph ng và v n hành h th ng h ch a theo th i đo n ngày, sau đó tính toán các ch s thi u h t n c (shortage indices – SI) cho c 2 h trong m t th i gian dài mô ph ng Thu t toán NSGA-II đã đ c s

d ng đ làm gi m ch s SI thông qua chi n l c ph i h p v n hành 2 h V i 49

n m s li u, các tác gi cho th y hoàn toàn có th tìm các chi n l c ph i h p v n hành t t h n nhi u so v i th c t v n hành trong 49 n m qua và gi i t i u Pareto tìm đ c cho 2 h chính là gi i ki n ngh cho vi c v n hành ph i h p

+ Wei, C C and Hsu, N S [14] nghiên c u áp d ng v n hành t i u v i các quy

t c nhánh cây (treebased rules) cho h th ng h ch a đa m c tiêu phòng l v i th i gian th c b ng vi c tích h p vào h th ng mô hình d báo th y v n Ph ng pháp này đã đ c áp d ng cho h th ng h ch a trên sông Tanshui ài Loan K t qu

v n hành th nghi m cho các tr n m a l l ch s n m 2004 (tr n Aere, Haima và Neck-ten) cho th y ph ng pháp này có k t qu t t h n nhi u đ m b o c t đ c

đ nh l theo yêu c u c a các đi m ki m soát h l u mà v n đ m b o yêu c u tích

n c cu i mùa l các h ch a

+ John W Labadie [15], Tr ng i h c Bang Colorado đã t ng k t r t nhi u

ph ng pháp s d ng cho bài toán v n hành liên h ch a Nhóm các ph ng pháp

th ng dùng nh : T i u ng u nhiên n (Implicit StochasticOptimization) g m: các

mô hình quy ho ch tuy n tính (Linear Programming Models), các mô hình t i u dòng ch y m ng (Network Flow Optimization Models), các mô hình quy ho ch phi tuy n (Nonlinear Programming Models), các mô hình quy ho ch đ ng r i r c

(Discrete Dynamic Programming Model), các mô hình quy ho ch đ ng liên t c (Diffirential Dynamic Programming Models), các lý thuy t đi u khi n t i u r i r c theo th i gian (Discrete Time OptimalControl Theory) Nhóm các ph ng pháp

ng u nhiên hi n (Explicit Stochastic Optimization) bao g m: các mô hình quy

ho ch tuy n tính ng u nhiên (Stochastic Linear Programming Models), các mô hình quy ho ch đ ng ng u nhiên (Stochastic Dynamic Programming Models), Các mô hình đi u khi n t i u ng u nhiên (Stochastic Optimal Control Models) Nhóm tích

h p d báo đ v n hành h ch a theo th i gian th c

T nh ng k t qu nghiên c u nêu trên, có th th y r ng, trong cách ti p c n xây

d ng bài toán, các nghiên c u đã th hi n vi c đ a vào ng d ng mô hình toán mô

ph ng k t h p v i ph ng pháp t i u là phù h p v i bài toán v n hành h th ng h

ch a và h th ng công trình th y l i ph c v đa m c tiêu

1.1.2 T ng quan các nghiên c u Vi t Nam

V n hành h th ng h ch a đã đ c các nhà khoa h c Vi t Nam quan tâm nghiên c u vì tính quan tr ng c ng nh s c p thi t c a nó Các nghiên c u do các

c quan c a B Nông Nghi p và PTNN, B Tài Nguyên và Môi Tr ng, B Công

Th ng ti n hành ch y u t p trung vào nhi m v ch ng l , xây d ng các quy trình

v n hành các h ch a trong mùa l ã có m t s nghiên c u v n hành đi u ti t c p

n c trong mùa c n, nh ng ch a hoàn ch nh và ch a g n quá trình v n hành mùa l

v i mùa c n thành quy trình cho c n m đ c bi t ch a có các nghiên c u liên h , đa

m c tiêu s d ng M t s nghiên c có th k đ n nh :

- Nghiên c u xây d ng quy trình v n hành h ch a trên l u v c sông H ng và sông Thái Bình g m hai h ch a( Hòa Bình và Thác Bà) n m 1997 do B Nông Nghi p và PTNT ch trì và Ban Ch đ o PCLBTW phê duy t

- Nghiên c u xây d ng quy trình v n hành h th ng h ch a trên l u v c sông

H ng và sông Thái Bình g m ba h ch a (Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà)

n m 2005 do Ban Ch đ o PCLBTW phê duy t

- Nghiên c u xây d ng quy trình v n hành h ch a trên l u v c sông H ng và sông Thái Bình g m ba h ch a( Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà) n m 2007

do B Nông Nghi p và PTNT ch trì và Ban Ch đ o PCLBTW phê duy t

- Nghiên c u xây d ng quy trình v n hành h ch a trên l u v c sông H ng và sông Thái Bình g m b n h ch a( Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà, và S n La)

do B Nông Nghi p và PTNT ch trì và ch a đ c phê duy t

- Nghiên c u v n hành h th ng liên h ch a cho h th ng sông H ng và sông Thái Bình mùa c n đ gi i quy t v n đ c p n c c a Vi n Quy ho ch Th y l i

- tài NCKH c p Nhà n c Nghiên c u c s khoa h c c p n c mùa c n

l u v c h th ng sông H ng và sông Thái Bình do Tr ng i h c Th y l i th c hi n

n m 2007

- B Tài nguyên và Môi tr ng đã xây d ng đ án xây d ng qui trình v n hành liên h ch a cho 4 h th ng sông Ba, V Gia - Thu B n, ng Nai và Sesan và Srepok Trong đó quy trình v n hành liên h ch a cho l u v c sông Ba và l u v c sông V Gia- Thu B n đã đ c Chính ph phê duy t vào tháng 9 và tháng 10/2010 Còn hai h th ng còn l i đang trình Chính ph phê duy t

Tóm l i, v n hành ph i h p h th ng h ch a Vi t Nam g n đây c ng đã

đ c quan tâm xây d ng c bi t t khi các h ch a th y đi n l n d n d n đ c hình thành trên các h th ng sông Mi n trung và Tây nguyên Tuy nhiên, nh ng nghiên c u cho các h th ng này ch a nhi u, mà các nghiên c u ch t p trung ch

ch a th y đi n, th y l i;

- C n c Quy t đ nh s 1879/Q -TTg ngày 13 tháng 10 n m 2010 c a Th

t ng Chính ph phê duy t danh m c các h th y l i, th y đi n trên l u v c sông

ph i xây d ng quy trình v n hành liên h ch a;

- C n c Quy t đ nh s 1588/Q -TTg ngày 24 tháng 10 n m 2012 c a Th

t ng Chính ph phê duy t Quy ho ch th y l i khu v c mi n Trung giai đo n 2012 – 2020 và đ nh h ng đ n n m 2050 trong đi u ki n bi n đ i khí h u, n c bi n dâng

1.3 Thi t l p bài toán v n hành h ch a mùa l

Các h ch a liên k t v i nhau t o nên h th ng h b c thang Vi c v n hành các h ch a th ng l u s nh h ng tr c ti p đ n dòng ch y đ n h ch a h

U(t) là véc t đi u khi n, U(t) = ( u1(t), u2(t), , un2(t))

U(t) : C a van, tu c bin phát đi n

Y(t) là véc t các thông tin ra, Y(t) = ( y1(t), y2(t), , yn3(t))

Y(t): l u l ng x qua các h ch a, ph thu c vào s c a x l đ c m và

m c n c h , l u l ng qua t máy phát đi n

V n đ là c n ph i tìm véc t U(t) đ th a mãn đ c m c tiêu nào đó c n xem xét Trong tr ng h p bài toán phòng l , v i con l cho tr c (thi t k , l đi n hình) hay d báo Qt, c n đi u khi n U(t) (l u l ng x qt) c a các h sao cho nh

h ng c a l l t (m c n c l n nh t Zmaxt) t i đi m ki m soát nh nh t có th mà không vi ph m các ràng bu c h th ng trong đó có c nhu c u phát đi n

S đ t ng quát c a bài toán đ c trình bày trên hình

Hình 1-1: S đ kh i tính toán v n hành liên h ch a

Trong bài toán v n hành liên h , có ba kh i tính toán quan tr ng:

- Kh i v n hành h ch a c t gi m l cho h du

- Kh i tính toán l ng n c gia nh p các biên

- Di n toán l sau khi đi u ti t qua các h ch a v xu ng h du

1.4 L a ch n mô hình tính toán, mô ph ng

Hi n nay có r t nhi u mô hình dùng đ tính toán v n hành h ch a, tính toán

nh p l u và mô ph ng th y l c nh : Hec-Ressim, Nam, Mike 11 nh ng trong đ tài này nghiên c u đã s d ng mô hình Nam,Mike11 V i lí do sau:

- D a vào tình hình s li u c a l u v c sông đ m b o cho vi c cung c p s li u đ u vào cho mô hình s d ng

V n hành các h

ch a

Tính toán

l ng n c gia nh p các biên

Di n toán

l xu ng

h du

ánh giá hi u

qu c t

gi m l

+ Mô hình Nam là mô hình t t đ nh mô ph ng t t quá trình m a dòng ch y

di n ra trên l u v c m t cách liên t c

+Mô hình Mike 11 s xác đ nh đ c giá tr l u l ng, m c n c t i các đo n sông và m t c t ngang trong m ng sông t i các th i đi m trong kho ng th i gian tính toán c tr ng c b n c a h th ng l p mô hình Mike 11 là c u trúc mô-đun

t ng h p v i nhi u lo i mô-đun đ c thêm vào m i mô ph ng các hi n t ng liên quan đ n h th ng sông

Các mô hình đ c ng d ng nh sau:

- V n hành h ch a c t gi m l cho h du

- Tính toán l ng n c gia nh p bên S d ng mô hình Nam

- Di n toán l sau khi đi u ti t qua các h ch a v h du S d ng mô hình Mike 11

1.4.1 Mô hình Nam

a T ng quan v mô hình Nam

Mô hình NAM là mô hình thu v n mô ph ng quá trình m a – dòng ch y

di n ra m t cách liên t c, thông qua vi c tính toán cân b ng n c b n b ch a

th ng đ ng, có tác d ng qua l i l n nhau đ di n t các tính ch t v t lý c a l u v c Bao g m m t t p h p các bi u th c toán h c đ n gi n đ mô ph ng các quá trình trong chu trình thu v n

b C u trúc c a mô hình Nam

S li u đ u vào c a mô hình bao g m: tham s đ u vào c a mô hình, đi u ki n ban đ u, s li u khí t ng (l ng m a, b c h i) và s li u dòng ch y cho vi c mô

(2) B sát m t và b t ng r cây

B này thu c ph n r cây, là l p đ t mà th c v t có th hút n c đ thoát m

Lmax đ c tr ng cho l ng m t i đa mà b này có th ch a

L ng m c a b ch a này đ c đ c tr ng b ng đ i l ng L L ph thu c vào

l ng t n th t b c thoát h i c a th c v t L ng m này c ng nh h ng đ n l ng

n c s đi xu ng b ch a ng m đ b sung n c ng m

(3) B c thoát h i

Nhu c u b c thoát h i n c tr c tiên là đ th a mãn t c đ b c thoát h i ti m

n ng c a b ch a m t N u l ng m trong b ch a m t nh h n nhu c u này, thì

nó s l y m t t ng r cây theo t c đ Ea Trong đó Ea là t l v i l ng b c thoát

PN, tham gia hình thành dòng ch y m t, nó t l thu n v i PN và thay đ i tuy n tính

0 for L/Lmax < TOF Trong đó: CQOF là h s dòng ch y m t (0 ≤ CQOF≤ 1 )

0 for L/Lmax < TIF

V i TIF là ng ng sinh ra dòng ch y sát m t (0 ≤ TIF≤ 1)

L QOF

P N

1

max )

0 for L/Lmax ≤ TG

Trong đó TG là giá tr c a l ng n c b sung cho t ng ng m (0 ≤ TG≤ 1)

1.4.2 Gi i thi u mô hình Mike 11

a.T ng quan v mô hình

Ph n m m MIKE11 do DHI Water & Environment phát tri n, xây d ng n m

1987, là mô hình dòng ch y m t chi u dùng đ mô ph ng dòng ch y,l u l ng,

ch t l ng n c và v n chuy n bùn cát các c a sông, sông, kênh t i và các v t

th n c khác

MIKE 11 là công c l p mô hình đ ng l c, m t chi u và thân thi n v i ng i

s d ng nh m phân tích chi ti t, thi t k , qu n lý và v n hành cho sông và h th ng kênh d n đ n gi n và ph c t p V i môi tr ng đ c bi t thân thi n v i ng i s

d ng, linh ho t và t c đ , MIKE 11 cung c p m t môi tr ng thi t k h u hi u v

k thu t công trình, tài nguyên n c, qu n lý ch t l ng n c và các ng d ng quy

ho ch

Mô đun th y đ ng l c (HD) là m t ph n tr ng tâm c a h th ng l p mô hình MIKE 11 và hình thành c s cho h u h t các mô-đun khác bao g m: D báo l ,

T i khuy ch tán, Ch t l ng n c và các mô-đun v n chuy n bùn l ng không có c

k t

c tr ng c b n c a h th ng l p mô hình MIKE 11 là c u trúc mô-đun t ng h p

v i nhi u lo i mô-đun đ c thêm vào m i mô ph ng các hi n t ng liên quan đ n

h th ng sông

b.Lý thuy t tính toán th y l c trong MIKE11 HD

H ph ng trình s d ng trong mô hình là h ph ng trình Saint Venant,

vi t d i d ng th c hành cho bài toán không gian m t chi u, t c quy lu t bi n đ i

c a đ cao m t n c và l u l ng dòng ch y d c theo chi u dài dòng sông/kênh và theo th i gian

H ph ng trình Saint Venant g m hai ph ng trình: ph ng trình liên t c và

ph ng trình đ ng l ng:

q t

∂

∂+

Q Q g x

h gA h

Q x

B: Chi u r ng m t n c th i đo n tính toán (m)

h: Cao trình m c n c th i đo n tính toán (m)

t: Th i gian tính toán (giây)

Q: L u l ng dòng ch y qua m t c t (m3

/s) V: T c đ n c ch y qua m t c t ngang sông

X: Không gian (d c theo dòng ch y) (m)

β: H s phân b l u t c không đ u trên m t c t

A: Di n tích m t c t t (m2

) q: L u l ng ra nh p d c theo đ n v chi u dài (m2

/s) C: H s Chezy, đ c tính theo công th c: y

R n

C = 1

n: H s nhám

R: Bán kính thu l c (m)

y: H s , theo Maning y=1/6

g: Gia t c tr ng tr ng = 9,81 m/s2

α: H s đ ng n ng

Gi i h ph ng trình vi phân trên theo ph ng pháp sai phân h u h n 6 đi m n s xác đ nh đ c giá tr l u l ng, m c n c t i m i đo n sông, m i m t c t ngang trong m ng sông và m i th i đi m trong kho ng th i gian nghiên c u

CH NG 2 C I M A LÝ T NHIÊN L U V C SÔNG MÃ

2.1 V trí đ a lý

L u v c sông Mã n m s n phía ông c a dãy Tr ng S n thu c Tây B c

B c B , c c B c c a B c Trung b và Trung Lào L u v c n m trong to đ đ a lý

t 200 37’30” đ n 22037’30” v đ B c, 103005’10” đ n 106005’10” kinh đ ông

- Phía B c giáp v i l u v c sông à, sông Bôi, sông V c

- Phía Tây giáp v i l u v c sông Mêkông

- Phía Nam giáp v i l u v c sông Hi u, sông M c

- Phía ông giáp bi n

T ng di n tích toàn l u v c là 28.490km2

, là sông l n liên qu c gia, đ ng

th 4 Vi t Nam sau sông Mê Kông, ng Nai và sông H ng Di n tích l u v c thu c Vi t Nam là 17.600km2 chi m 62% t ng di n tích, t i Lào là 10.800 km2chi m 38% di n tích l u v c Dòng chính sông Mã b t ngu n t vùng núi cao thu c huy n Tu n Giáo t nh Lai Châu c a Vi t Nam cao đ u ngu n là 1.500m, sông

ch y qua đ a ph n các t nh S n La, Lai Châu, Hoà Bình, CHDCND Lào, Thanh Hoá và đ ra bi n theo 3 c a: C a H i, c a L ch Tr ng, c a L ch Sung, trong đó

c a H i là c a đ ra c a dòng chính sông Mã Dòng chính sông Mã có chi u dài là 512km Ph n sông ch y qua lãnh th Lào là 102km và ch y trên đ a ph n Vi t Nam

là 410km

t kh

n ng lâm nghi p

Thu c d ng đ a hình

2.2 c đi m đi u ki n t nhiên

2.2.1 i u ki n đ a hình, đ a ch t

c đi m đ a hình

a hình khu v c nghiên c u có xu h ng th p d n t Tây B c xu ng ông Nam

a hình núi cao có đ cao t 800-1200m g m các huy n th ng ngu n sông

Mã nh M ng Lát, Quan Hóa, Quan S n, Bá Th c, Lang Chánh, Th ng Xuân

và xã ng V n th ng ngu n sông Chu bên Ngh An ây là vùng th ng ngu n

c a các sông su i h th ng sông Mã – Chu

a hình núi th p và đ i bi n đ i t vài ch c m đ n 100m, có đ nh cao trên

5000, phân b ch y u các huy n C m Th y, Th ch Thành, Ng c L c, Nh Xuân

Vùng đ ng b ng đ cao trung bình t 5- 15 m, xen k có các đ i th p và núi đá vôi

đ c l p c b i t b i các h th ng sông Mã, sông Chu, sông B i Thu c ph m

vi đ ng b ng có 13 huy n trong đó toàn b huy n Yên nh, Thi u Hóa, ông S n,

Hà Trung, m t ph n huy n Th Xuân, V nh L c, Tri u San, Nông C ng, Ho ng Hóa, H u L c, Qu ng X ng, T nh Gia, Nga S n v i t ng di n tích t nhiên 279.105ha c đi m đ a hình vùng này cao phía Tây giáp v i vùng bán s n đ a (cao đ t +15-H-16m) th p d n v phía ông, giáp v i vùng bi n, cao đ t ( +l-2m) C c b có m t s d i núi th p, vùng này là vùng bình nguyên sông Mã, t p trung đông đúc dân c sinh s ng

c đi m đ a ch t

i ki n t o sông Mã là mi n c tr c Vôn b đ t gãy rìa tách kh i đ i

M ng Tè và i n Biên c đi m ch y u là s phát tri n r ng rãi c a tr m tích c Proterozoi b t ng Pateozoi h ph không ch nh h p lên trên b ng ph ng các

kh i ki n trúc m ng và đ ng ph ng c a l p ph g n nhau nh ng không trùng nhau i ki n t o Thanh Hoá là m t n p l i r ng, không đ i x ng

Ph n trung tâm c a đ i sông Mã, các tr m tích Proteozoi t o thành m t n p lõm r ng, tho i, b ph c t p hoá b i các đ t gãy và các phá hu b sung n m tr c

c a đ i Phía nam h th ng Proteozoi chi u sâu theo đ t gãy rìa xu ng d i các

thành t o Pateozoi - Mezozo đ ng b ng h du sau đó l i tr i lên b m t ven

bi n S m S n

i Thanh Hoá có d ng 1 tam giác châu, gi a đ i l ng đ ng ch y u là

tr m tích Merozoi S n La, S m N a N p l i Thanh Hoá đ c t o thành b i h t ng Paleozoi s m ông S n và h t ng Proteozoi N m Cò Tàn tích Paleozoi h b vò

nh n thành các n p u n nh d c c góc c m 5CH700 ng ph ng các n p g p

b thay đ i m nh i sông Mã phát tri n nhi u đ t gãy theo m t h ph ng Tây

B c - ông Nam và h ph ng ph Tây Nam - ông B c d c theo dòng chính sông

Mã, sông Chu, sông Âm, sông C u Chày, sông B i Nhìn chung, đây là mi n đ a

ch t có ít bi n đ ng, các đ t gãy đ u là đ t gãy c n đ nh

a t ng: Phát tri n không liên t c các tr m tích t Proterozoi t i Kainozoi trong đó tr m tích Paleozoi chi m ch y u, g m 11 phân v đ a t ng, còn l i 8 phân

v thu c này là Mesozoi và Kainozoi

o n th ng ngu n dòng chính sông Mã, sông Chu, sông B i là mi n tr m tích l c nguyên, các dòng sông đ u n m trên v t đ t gãy sâu Lòng sông có th m

ph dày 15+ 20m, đá Mácma xu t l 2 bên b sông ôi ch có xen k p đá vôi, l p phong hoá m ng, n n v ng ch c có kh n ng xây d ng các đ p cao V t li u xây

t m n - chua ven bi n: Lo i này có kho ng 15400¸ 19000 ha m t s là đ t

ng p n c th ng xuyên, đ t màu đen, đ mùn cao thích h p cho vi c tr ng cói và nuôi tr ng thu s n

t phù sa: Nhóm đ t này chi m t i 79% di n tích hi n đang canh tác trong

l u v c Lo i này có đ phì trung bình: mùn 1,2÷1,5%, đ m t ng s 0,08 ÷ 0,1%, lân 0,06 ÷ 0,08%, Kali 0,05 ÷ 0,1%, đ pH 5,6 ÷ 6,5

Ngoài ra còn t i 8 nhóm đ t khác phân b khe su i, ven đ i

Thành ph n đ t trên l u v c sông Mã cho phép đa d ng hoá cây tr ng cao t thu c lo i d c i t o và n u đ c t i tiêu h p lý s cho n ng su t cao ây

là m t ti m n ng l n đ phát tri n nông nghi p, ch n nuôi, nuôi tr ng thu s n trên

Các tr m thu v n đo: đ c dòng ch y, nhi t đ n c, m c n c L u

l ng n c đ c tính toán trên c s hàm t ng quan gi a m c n c l u l ng

Th i ti t ki u này th hi n rõ khi front c c đ i đã tràn qua và l i áp cao

kh ng ch ph n l n lãnh th n c ta ó là lúc d i t ng d i là kh i không khí có ngu n g c c c đ i, di chuy n qua đ ng l c đ a nên v n còn gi nguyên tính ch t

là kh i không khí l nh và khô Trên cao th ng xu t hi n m t l p ngh ch nhi t khá

m nh và dày Hình th này chi ph i ki u th i ti t đ c s c c a n a đ u mùa đông

D i b u tr i quang mây, ban ngày n ng nhi t đ bu i tr a có th lên khá cao Ban đêm do s l nh đi vì b c x c a m t đ t làm nhi t đ gi m xu ng khá th p Do v y đây là ki u th i ti t có biên đ nhi t ngày đêm l n nh t, th ng trên 100

C, có khi lên đ n 14-150C hay h n n a m trung bình ngày th ng vào kho ng 70-75%, đôi khi xu ng d i 60% c bi t vào bu i tr a khi nhi t đ đ t c c đ i ngày đ m

- Th i ti t m trong l i áp cao bi n ông Trung Hoa:

B t ngu n t l i áp cao c c đ i, trên l u v c đ c đi m th i ti t này th hi n

ki u th i ti t “khô”, rõ nh t là trong giai đo n ti n tri n c a gió mùa mùa đông: đ nóng v a ph i, t ng đ i m, không m a Trong nh ng tr ng h p đ c tr ng c a

ki u th i ti t này nhi t đ cao nh t không v t quá 25-26 đ C, th p nh t kho ng 18-20 đ C m ít khi v t quá 85%

- Th i ti t khô nóng phía Tây:

V b n ch t đây là s bi n tính c a gió mùa Tây Nam, nh ng v i m c đ

c c đoan Ki u th i ti t này r t đ c chú ý vì nh ng đ c tr ng: nhi t đ có khi đ t

t i 40-43 đ C, đ m d i 35%, tr i không mây, kéo dài vài ngày, theo t ng đ t có

tr ng h p x y ra su t 15 ngày v i nhi t đ trên 37 đ C Nó làm t ng l ng b c

h i, làm khô ki t ngu n n c

- Th i ti t m a ngâu trong h i t n i chí tuy n:

Th i ti t d i h i t n i chí tuy n đ c tr ng b i m t hình thái m a không l n

l m, kéo dài t ng đ t, r t đ c tr ng cho giai đo n gi a mùa h D c theo d i h i t không khí nóng m b c lên cao hình thành m t vùng mây dày đ c Khi d i h i t chuy n d ch qua hay d ng l i đâu s thi t l p t i đó m t th i ti t m t v i nhi t

đ t ng đ i th p, th i gian n ng gi m, đ m cao, m a khi mau khi t nh kéo dài nhi u ngày ôi khi c ng có nh ng tr n l n v i l ng n c lên đ n hàng tr m mm

- Th i ti t bão:

Th i tiêt bão không ph i là d ng th i ti t thnh hành nh ng có tác đ ng r t đáng chú ý ây là m t xoáy thu n nhi t đ i Vùng g n tâm gió m nh, m a l n Tình tr ng gió m nh th ng kéo dài t ½ - 1 ngày và sau đó ti p t c duy trì th i ti t bão tan, mà đ c đi m là l ng m a r t l n, có khi b ng c tháng m a mùa h Th i

ti t bão tan có th kéo dài 4-5 ngày

d c a bão di chuy n t i vùng này có th gây m a kéo dài, đem l i nh ng l ng

m a r t l n Tuy v y đây v n là khu v c ít m a v i l ng m a vào kho ng 1600mm/n m; S n La 1380mm/n m, Hoà Bình 1550 mm/n m, i n Biên 1480 mm/n m M t s n i n m trong thung l ng khu t không thu đ c l ng m a d i 1200mm/n m (sông Mã 1092mm/n m) L ng m a n m c c đ i vào kho ng 2000mm/n m, c c ti u x p x 1000mm/n m Không nh ng l ng m a ít mà s ngày m a c ng ít trung bình c n m ch có kho ng 110-130 ngày m a Mùa l x y