Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GEN vận hành liên hồ chứa sông ba mùa lũ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Thị Lan Phương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GEN VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC H

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Lan Phương

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GEN VẬN HÀNH

LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Lan Phương

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GEN VẬN HÀNH

LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 66 44 90

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN HỮU KHẢI

Hà Nội – 2014

Lời cảm ơn

Luận văn thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Gen vận hành liên

hồ chứa sông Ba mùa lũ” hoàn thành tại Khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội vào tháng 12 năm

2014, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Hữu Khải

Tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn trân thành tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Khải Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện Luận văn

Tác giả xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu Luận văn Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp tại Phòng Thủy văn Trung tâm Mạng lưới khí tượng thủy văn và môi trường đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tác giả hoàn thành Luận văn

Trong khuôn khổ Luận văn, do điều kiện và thời gian 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 những người quan tâm

TÁC GIẢ

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 1

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH 6

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 10

1.1 Tổng quan về các phương pháp vận hành hồ chứa 10

1.1.1.Phương pháp mô phỏng 10

1.1.2 Phương pháp tối ưu hóa 12

1.1.3 Nguyên cứu về giải bài toán tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền (GA) 15

1.1.4 Tổng quan về các nghiên cứu vận hành liên hồ chứa sông Ba 17

1.2 Điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Ba 20

1.2.1 Điều kiện tự nhiên 20

1.2.2 Điều kiện kinh tế xã hội 28

CHƯƠNG II: CƠ SỞ L THU ẾT THUẬT TOÁN DI TRU ỀN GA 31

2.1 Gi i thiệu phương pháp giải GA 31

2.2 Các kỹ thuật trong giải thuật di truyền GA [32] 32

2.2.1 Kỹ thuật mã hóa 33

2.2.2 Khởi tạo quần thể 34

2.2.3 Hàm thích nghi 34

2.2.4 Phép chọn lọc 35

2.2.5 Phép lai ghép 35

2.2.6 Phép đột biến 37

2.3 Tổng quan về Matlab 38

2.3.1 Khái niệm về Matlab 38

2.3.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của MATLAB, các ứng dụng 39

2.4 Thuật toán di truyền GA trong Matlab 39

2.4.1.Giải thuật di truyền bằng command line 39

2.4.2 Giải thuật di truyền sử dụng Genetic Algorithm Tool 40

CHƯƠNG III: T I ƯU H A VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA SÔNG BA MÙA LŨ BẰNG THUẬT TOÁN DI TRU ỀN TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB 45

3.1 Quy trình cắt lũ 45

3.2 M ph ng phương án vận hành liên hồ chứa s ng Ba m a lũ bằng m hình HEC – RESSIM 47

3.3 Sử dụng Genetic Algorithm Tool để tối ưu hóa vận hành liên hồ chứa s ng Ba m a lũ 50

3.3.1 Thiết lập hàm mục tiêu: 50

3.3.2 Giải thuật di truyền: 50

3.4 Kiểm định kết quả chạy từ Genetic Algorithm Tool bằng m hình HEC-RESSIM 58

3.5 Một số nhận xét 62

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Sơ đồ vị trí lưu vực sông Ba 21

Hình 1 2 Lưu vực sông Ba và hệ thống hồ chứa 27

Hình 2 1 Sơ đồ khối thuật toán di truyền 33

Hình 2 2 Giao diện Genetic Algorithm Tool trong Matlab 41

Hình 3 1 Sơ đồ hệ thống trong bài toán phòng lũ hạ du 47

Hình 3 2 Sơ đồ hệ thống 5 hồ chứa trên Sông Ba 49

Hình 3 3 Quá trình vận hành liên hồ chứa sông Ba với lũ năm 2009 cắt lũ theo PA 20 69

Hình 3 4 Genetic Algorithm Tool cho bài toán cắt lũ liên hồ chứa sông Ba 53

Hình 3 5 Biểu đồ hiển thị giá trị tốt nhất và giá trị trung bình của hàm thích nghi qua mỗi thế hệ 54

Hình 3 6 Biểu đồ vecto của cá thể với giá trị hàm mục tiêu tốt nhất 54

Hình 3 7 Khoảng cách trung bình giữa các cá thể mỗi thế hệ 55

Hình 3 8 Biểu đồ số lượng cá thể con được kỳ vọng với mỗi thế hệ 55

Hình 3 9 Biểu đồ phả hệ của cá thể, được mã hóa bằng bảng mầu 56

Hình 3 10 Biểu đồ giá trị lớn nhất, nhỏ nhất, và giá trị trung bình của hàm thích nghi trong mỗi thế hệ 56

Hình 3 11 Biểu đồ điểm đa dạng ở mỗi thế hệ 56

Hình 3 12 Biểu đồ điểm của các cá thể ở mỗi thế hệ 57

Hình 3 13 Biều đồ lựa chọn cha mẹ 57

Hình 3 14 Biểu đồ các cấp độ dừng tiêu chuẩn 57

Hình 3 15 Quá trình vận hành hồ Ba Hạ với lũ năm 2009 59

Hình 3 16 Quá trình vận hành hồ Krông Hnăng với lũ năm 2009 59

Hình 3 17 Quá trình vận hành hồ Sông Hinh với lũ năm 2009 60

Hình 3 18 Quá trình vận hành hồ Ayun Hạ với lũ năm 2009 60

Hình 3 19 Quá trình vận hành hồ Kanak với lũ năm 2009 61

Hình 3 20 Quá trình lưu lượng tại Củng Sơn với lũ năm 2009 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Thông số chính của bậc thang hồ chứa sông Ba 27 Bảng 3 1 Mực nước đón lũ của các hồ 45 Bảng 3 2 Lưu lượng cắt lũ theo 20 phương án tại 5 hồ chạy mô phỏng bằng mô hình Hec-ressim 68 Bảng 3 3 Kết quả giải bài toán tối ưu hoá vận hành liên hồ chứa sông Ba bằng GA 58 Bảng 3 4 Bảng lưu lượng đỉnh lũ đến tại 5 hồ và Củng Sơn năm 2009 62

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DPR Quy hoạch động hồi quy

GA Thuật toán di truyền

KTTV Khí tượng Thủy văn

LP Quy hoach tuyến tính

MNC Mực nước chết

MNGC Mực nước gia cường

MNDBT Mực nước dâng bình thường

MNĐL Mực nước đỉnh lũ

MNTK Mực nước thiết kế

MN kiểm tra Mực nước kiểm tra

Nlm Công suất lắp máy

QTVH Quy trình vận hành

SDP Quy hoạch động ngẫu nhiên

WLP Quy hoạch phi tuyến

Wtb Dung tích toàn bộ

Whi Dung tích hữu ích

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Việt Nam là một quốc gia có địa hình rất đặc trưng với 9 hệ thống sông lớn cùng rất nhiều sông suối nhỏ trên khắp các vùng, miền, đây là nguồn cung cấp nước vô cùng phong phú Tuy nhiên, nguồn nước này lại phân phối không đều trong năm, mùa cạn thiếu nước còn mùa lũ thì thừa nước gây ra ngập úng, lũ lụt Để khắc phục nhược điểm này các hồ chứa thủy điện, thủy lợi đã được xây dựng để điều tiết dòng chảy

Đi đôi với sự phát triển của nền kinh tế là sự phát triển không ngừng của các công trình thủy điện, thủy lợi lớn nhỏ Mỗi công trình được xây dựng đều nhằm phục

vụ một hoặc một số mục đích cụ thể như phát điện, phòng lũ cho hạ lưu, cung cấp nước tưới,… Để nâng cao hiệu quả và tuổi thọ của các hồ chứa thủy điện thì mỗi hồ cần có một quy trình vận hành và đặc biệt là quy trình vận hành liên hồ chứa cho các hồ trên một lưu vực sông

Trong những năm vừa qua, khu vực đồng bằng hạ lưu sông Ba, bao gồm cả thành phố Tuy Hòa thường xuyên bị ngập lụt Chính vì thế mà vai trò phòng lũ của 5

hồ chứa: Kanak, Ayun Hạ, Ba Hạ, Krông Hnăng, Sông Hinh trên lưu vực sông Ba là

vô cùng quan trọng Các hồ chứa này có dung tích không lớn so với tổng lượng lũ nên khả năng cắt lũ hạn chế, do đó cần phải có một quy trình vận hành đảm bảo việc xả lũ

an toàn cho hạ lưu và bản thân 5 hồ chứa

Với mong muốn xây dựng một quy trình vận hành hợp lý nhất cho 5 hồ chứa lưu vực sông Ba, Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền giải bài toán tối ưu hóa quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ

2 Mục đích của Luận văn

Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa

lũ, nhằm hạn chế tối đa ngập lụt cho khu vực hạ lưu

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Thuật toán di truyền (GA)

- Phạm vi nghiên cứu: Từ năm hồ chứa thuộc lưu vực sông Ba là: Kanak, Ayun Hạ, Ba Hạ, Krông Hnăng, Sông Hinh đến trạm thủy văn Củng Sơn

- Với thời gian có hạn, chỉ tập trung vào bài toán cắt đỉnh lũ để giảm lũ xuống hạ lưu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích hệ thống;

- Phương pháp mô phỏng bằng mô hình toán;

- Thuật toán di truyền

5 Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, Luận văn gồm ba chương chính:

Chương I: Tổng quan

Chương II: Cơ sở lý thuyết thuật toán di truyền

Chương III: Tối ưu hóa vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ bằng thuật toán

di truyền trong môi trường Matlab

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các phương pháp vận hành hồ chứa

Điều hành hồ chứa là một phần quan trọng của quy hoạch và quản lý tài nguyên nước Quy trình vận hành hồ chứa xác định lượng xả 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 Với hồ chứa đa mục tiêu, ngoài ra còn yêu cầu phân phối lưu lượng xả cho các mục tiêu Hiện nay, có hai phương pháp cơ bản để nghiên cứu vận hành hồ chứa đó là phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa:

1.1.1.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 cho 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) [29], các khái niệm vốn gắn các 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 thống hồ chứa và 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 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 hoạch, 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt

1 Bộ Công Thương (6/2009), Quy trình vận hành hồ chứa thủy điện sông Ba Hạ,

Quyết định số 3024 /QĐ-BCT

2 Bộ Công Thương (13/8/2010), Quy trình vận hành hồ chứa thuỷ điện Krông H’năng.Quyết định số 2029 /QĐ-BCT

3 Bộ NN&PTNT (2004), Quy trình vận hành điều tiết hồ chứa nước Ayun Hạ tỉnh Gia Lai, Quyết định số 64/2004/ QĐ-BNN

4 Lê Xuân Cầu (2000) Tối ưu đa mục tiêu sử dụng tài nguyên nước bằng thuật toán gien, Tạp chí Khí tượng Thuỷ văn, số 8(476), tr 12-15

5 Công ty tư vấn xây dựng điện 1 (2002), Báo cáo quy hoạch bậc thang thuỷ điện trên sông Ba, Hà Nội

6 Nguyễn Văn Cư, (2003), Nghiên cứu luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng tránh hạn chế hậu quả lũ lụt lưu vực sông Ba, Báo cáo tổng hợp đề tài độc lập cấp

Nhà nước

7 Lê Hùng, Tô Thúy Nga (2013), Áp dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng hệ thống hồ chứa thủy điện trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn, Tạp chí Khoa học kỹ thuật

Thủy lợi và Môi trường, số 43 (12/2013)

8 Nguyễn Thế Hùng, Lê Hùng (2009), Áp dụng thuật toán di truyền tìm kiếm quỹ đạo vận hành tối ưu hồ chứa nước có nhà máy thủy điện độc lập với quá trình dòng chảy đến là ngẫu nhiên, Tạp chí khoa học công nghệ Đà Nẵng số 2 (31), 2009

9 Nguyễn Hữu Khải, Lê Xuân Cầu (2009), Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành

hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng hợp lý tài nguyên nước về mùa kiệt lưu vực sông Ba Đề tài nghiên cứu khoa

học cấp Nhà nước, Bộ NN và PTNT Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN

10 Nguyễn Hữu Khải, Thân Văn Đón (2012), Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình Athen vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba ,Tạp chí Khoa học ĐHQGHN,

Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 78-85

11 Nguyễn Hữu Khải, Lê Thị Huệ (2007), Điều tiết lũ hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hương bằng mô hình HEC –RESSIM, Tạp chí KTTV số 11, tr 11-12

12 Tô Trung Nghĩa, Lê Hùng Nam (2013), Xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang phục vụ cấp nước trong mùa khô cho hạ

du lưu vực sông Hồng – Thái Bình, Viện Quy hoạch Thủy lợi

13 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

14 Thủ tướng Chính phủ (23/9/2010), Quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba,

Quyết định 1757/QĐ-TTg

15 Thủ tướng Chính phủ (07/7/2014 ), Quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba,

Quyết định 10777/QĐ-TTg

16 Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (23/8/2002), Quy trình vận hành hồ chứa thuỷ điện sông Hinh, Quyết định số 2775/QĐ-EVN-KTNĐ

17 Lê Kim Truyền, Nguyễn Văn Thắng (2003), Nghiên cứu cơ sở khoa học và kinh nghiệm thực tiễn về quản lý tổng hợp lưu vực sông Ba, Báo cáo tổng hợp đề tài

cấp Bộ NN&PTNT

18 Viện quy hoạch thuỷ lợi.(2004) Báo cáo tổng hợp Dự án quy hoạch tổng hợp và bảo vệ nguồn nước lưu vực sông Ba Hà Nội

Tiếng nƣ c ngoài

19 Anongrit Kangrang and Chavalit Chaleeraktrakoon (2007), Genetic Algorithms Connected Simulation with Smoothing Function for Searching Rule Curves

20 Chun-Tian Cheng, K.W Chau (2004), Flood control management system for reservoirs, Environmental Modelling & Software 19 (2004), pp 1141–1150

21 Haimes Y Y., Hall W A (1974) Multiobjectives in Water Resource Systems Analysis: The Surrogate Worth Trade-off Method, Water Resources Research,

Vol 10, No 4

22 HEC-RESSIM Reservoir System Simulaition Version 3.0 (2004) Users' Manual

US Army Corps of Engineers

23 Jairaj, P.G., Vedula S (2000), Multireservoir system optimization using fuzzy mathematical progarmming, Water Rresoutces Management,14, pp.225 – 240

24 Jain S.K., M.K Goel (1999), Flood Control Regulation of Multi-reservoir System,

National Institute of hydrology, Rookee

25 Jain S.K,.Singh V.P (2004), Water Resources system planning and management,

Elsevier

26 Mohammad Noori, Faridah Othman, Mohammad Bagher Sharifi, Mohammad

Heydari (2013), Multi Objective Operation Optimization of Reservoirs Using GeneticAlgorithm (Case Study: Ostoor and Pirtaghi Reservoirs in Ghezel Ozan Watershed), International Conference on Environment, Energy and Biotechnology IPCBEE vol.51

27 Lary W Mays (1996), Water Resources Engineering, McGraw-Hill Book Co, pp

125-160

28 Robin Wardlaw (1999), Evaluation of Genetic Algorithms for Optimal Reservoir

System Operation

29 Sigvaldason O.T (1976), A simulation model for operating a purpose multi-reservoir system, Water Rresoutces Research, 12(2), pp 30 – 50

30 The MathWorks Inc (2004), Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox User’s Guide

31 Wurbs R.A (1996), Models and analysis of reservoir system operations Prentice Hall, NewYork