Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang hòa bình và sơn la

p ạm v n n cứu: Chế độ điều tiết chống lũ hạ du được xem xét trong hệ thống liên hồ chứa bao gồm 4 hồ Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà, nhưng nghiên cứu chế độ vận hành tích nướ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

VŨ THỊ MINH HUỆ

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TÍCH NƯỚC TRONG THỜI

KỲ MÙA LŨ CHO HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG

HOÀ BÌNH VÀ SƠN LA

2.GS.TS HÀ VĂN KHỐI

HÀ NỘI, NĂM 2017

iii

LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Vũ Thị Minh Huệ

iv

LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến các thầy cô hướng dẫn khoa học GS.TS Hà Văn Khối và PGS.TS Phạm Thị Hương Lan đã tận tình định hướng, chỉ bảo theo sát tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Thuỷ Lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tác giả trong quá trình làm Luận

án Tác giả xin cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp trong Khoa Thuỷ Văn và TNN đã dành nhiều thời gian công sức hỗ trợ tác giả hoàn thành Luận án

Đồng thời tác giả cũng nhận được sự động viên và ủng hộ rất lớn về vật chất và tinh thần từ trường ĐH Thủy lợi, từ gia đình và bạn bè trong đó có chồng và các con Từ đáy lòng mình, tác giả xin gửi đến họ những lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất

Tác giả xin trân trọng cám ơn

v

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ……… 1

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA CHƯƠNG 1 MỤC TIÊU 6 Hồ chứa và vấn đề vận hành hồ chứa 6

1.1 Phương pháp quản lý và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu 8

1.2 1.2.1 Các phương pháp quản lý vận hành hệ thống hồ chứa 8

1.2.2 Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa 10

Tổng quan các phương pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa 1.3 đa mục tiêu 13

1.3.1 Phương pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa 14

1.3.2 Phương pháp mô phỏng 19

1.3.3 Phương pháp kết hợp 20

Tổng quan về lưu vực sông Hồng 23

1.4 1.4.1 Lưu vực sông và mạng lưới sông ngòi 23

1.4.2 Giới thiệu các công trình hồ chứa trên dòng chính sông Hồng 25

1.4.3 Nhiệm vụ chống lũ hạ du và nguyên tắc chung của chế độ vận hành chống lũ hạ du 29

1.4.4 Tổng quan các nghiên cứu phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng trong mùa lũ 30

1.4.5 Quá trình phát triển văn bản pháp lý 35

Kết luận chương 1: 38

1.5 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ VẬN CHƯƠNG 2 HÀNH TÍCH NƯỚC TRONG THỜI KỲ MÙA LŨ ĐỐI VỚI HỆ THỐNG HỒ CHỨA HÒA BÌNH VÀ SƠN LA 40

Nhận xét về các quy trình đã ban hành và đề xuất hướng nghiên cứu chế độ 2.1 vận hành tích nước 40

2.1.1 Nhiệm vụ chống lũ hạ du và nguyên tắc chung của chế độ vận hành cắt lũ 40 2.1.2 Một số hạn chế của các quy trình vận hành hồ chứa đã ban hành 42

2.1.3 Phân tích thực trạng và những bất cập khi vận hành theo các quy trình đã ban hành 47 2.1.4 Đánh giá khả năng tích nước đầy hồ của hê thống hồ chứa trên sông Đà 50

vi

2.1.5 Sự cần thiết và định hướng nghiên cứu bổ sung chế độ vận hành tích nước

hồ chứa Hòa Bình và Sơn La 55

Cơ sở khoa học nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành tích nước 57

2.2 2.2.1 Quan điểm nghiên cứu 57

2.2.2 Phân chia thời kỳ tích nước 59

2.2.3 Phương pháp thiết lập chế độ vận hành trong thời kỳ tích nước hạn chế 60 2.2.4 Xây dựng chế độ vận hành ứng phó trong trường hợp xảy ra lũ bất thường trong thời kỳ tích nước 63

Phân tích cơ sở thực tiễn và tính khả thi xác định mực nước giới hạn Hgh cho 2.3 hồ chứa Sơn La và Hòa Bình 68

2.3.1 Thực trạng thay đổi chế độ mực nước hạ du thời kỳ mùa lũ 68

2.3.2 Phân tích đặc điểm mưa lũ và sự hình thành lũ lớn trên lưu vực 73

2.3.3 Khả năng dự báo và nhận dạng lũ lớn trên hệ thống sông Hồng 76

Công cụ tính toán 81

2.4 2.4.1 Ứng dụng MS Excel tính toán điều tiết dòng chảy qua hồ chứa 81

2.4.2 Mô hình MIKE 11 83

Kết luận chương 2 85

2.5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TRONG THỜI CHƯƠNG 3 KỲ TÍCH NƯỚC HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG HÒA BÌNH VÀ SƠN LA 86 Thiết lập bài toán 87

3.1 3.1.1 Thiết lập kịch bản mực nước Hà Nội 89

3.1.2 Chọn phương án lũ để tính toán xác định mực nước giới hạn Hgh 89

3.1.3 Kết quả tính toán bảng nguyên tắc vận hành tích nước 90

3.1.4 Kiểm tra đánh giá tính khả thi của việc vận hành theo bảng nguyên tắc vận hành tích nước 94

Kết quả nghiên cứu phương án vận hành ứng phó trong trường hợp xảy ra lũ 3.2 bất thường trong thời kỳ tích nước đầy hồ 100

3.2.1 Các giải pháp vận hành ứng phó trong trường hợp khẩn cấp trên lưu vực sông Hồng 101

3.2.2 Đề xuất phương án vận hành hệ thống hồ chứa ứng phó trường hợp xảy ra lũ bất thường trong thời kỳ tích nước 103

3.2.3 Xây dựng kịch bản tính toán 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang [10] 10

Bảng 1-2: Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa song song [11] 12

Bảng 1-3: Các nhà máy thủy điện trên sông Lý Tiên-thượng nguồn sông Đà [46] 25

Bảng 2-1: Quy định về phân bổ dung tích phòng lũ dành cho cắt lũ hạ du theo mực nước khống chế tại Hà Nội của các hồ Sơn La và Hòa Bình trong QT1622 41

Bảng 2-2 Tóm tắt nội dung QT80, QT198 và QT1622 44

Bảng 2-3: Thống kê mực nước Hà Nội lớn nhất và nhỏ nhất trong mùa lũ 45

Bảng 2-4: Thống kê các phương án vận hành 52

Bảng 2-5: Thống kê số năm tích đến mực nước dâng bình thường hồ chứa 54

Bảng 2-6: Thống kê thời điểm tích đầy hồ chứa Sơn La theo phương án 1 và 3 54

Bảng 2-7: Các hình thế thời tiết gây mưa lớn ở lưu vực sông Hồng – Thái Bình [54] 74 Bảng 2-8: Đặc trưng đỉnh lũ đặc biệt lớn trên các sông thuộc sông Hồng [50] 75

Bảng 2-9: Một số hình thế thời tiết kết hợp gây mưa lũ lớn và các mực nước đỉnh lũ trong một số trận lũ lớn điển hình trên hệ thống sông Hồng 75

Bảng 2-10: Đánh giá dự báo hạn ngắn và hạn vừa cho trạm Hà Nội 2008 -2013 [56] 78 Bảng 2-11: Các phương pháp dự báo thủy văn hạn vừa trên lưu vực sông Hồng [55] 78 Bảng 2-12: Đánh giá dự báo dòng chảy 3 ngày tại Hòa Bình và Hà Nội [56] 80

Bảng 2-13: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình dòng chảy hồ Sơn La năm 2016 [55] 80

Bảng 2-14: Kết quả dự báo tác nghiệp dòng chảy hồ Hòa Bình năm 2016 [55] 80

Bảng 2-15: Bảng thống kê các biên trên và biên dưới 85

Bảng 3-1: Kết quả tính toán Hgh của hồ chứa Sơn La 90

Bảng 3-2: Quan hệ mực nước và dung tích hồ chứa Hòa Bình và Sơn La 94

Bảng 3-3: Tổng hợp các phương án điều chỉnh Hgh 94

Bảng 3-4: Các trận lũ lớn xảy ra tại Sơn Tây 96

Bảng 3-5: Bảng nguyên tắc vận hành tích nước 98

Bảng 3-6: Bảng tổng hợp mực nước hồ chứa Sơn La, Hòa Bình và Hà Nội vận hành theo phương án 1 và 3 99

Bảng 3-7: Quy định mực nước thấp nhất các hồ chứa được phép hạ xuống để đón lũ theo QT 1622 103

Bảng 3-8: Đặc trưng của lũ có chu kỳ lặp lại 500 năm tại Sơn Tây với các dạng lũ năm 1969, 1971 và 1996 104

Bảng 3-9: Mực nước các hồ chứa thượng nguồn 107

Bảng 3-10: Tổng hợp các phương án tính toán kiểm tra tính khả thi của phương án vận hành ứng phó trường hợp xảy ra lũ bất thường đề xuất 108

Bảng 3-11: Bảng nguyên tắc vận hành tích nước 114

ix Bảng 3-12: Quy định mực nước thấp nhất các hồ chứa được phép hạ xuống để đón lũ theo QT 1622 116

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sự cần thiết của điều tiết dòng chảy đáp ứng yêu cầu của xã hội [2] 7

Hình 1-2: Hệ thống hồ chứa bậc thang 11

Hình 1-3: Hệ thống hồ chứa song song 12

Hình 1-4: Bản đồ lưu vực sông Hồng 24

Hình 1-5 Sơ đồ các hồ chứa trên thượng nguồn sông Đà phía Trung Quốc 26

Hình 1-6: Bản đồ lưu vực sông Đà 28

Hình 1-7: Sơ đồ khối nghiên cứu chế độ vận hành tích nước cho hệ thống hồ chứa Hòa Bình và Sơn La 38

Hình 2-1: Biểu đồ quá trình mực nước hồ Sơn La thời kỳ mùa lũ từ năm 2012-2015 48 Hình 2-2: Biểu đồ quá trình mực nước hồ Hòa Bình thời kỳ mùa lũ từ năm 2012- 2015 49

Hình 2-3: Biểu đồ quá trình mực nước Hà Nội thời kỳ mùa lũ năm 2012-2015 49

Hình 2-4 Sơ đồ tính toán thử dần xác định giới hạn của mực nước hồ 61

Hình 2-5: Quá trình lũ tháng 09 năm 1985 tại Hà Nội 64

Hình 2-6: Quá trình lưu lượng mùa lũ (thời đoạn 6h) trạm Trung Ái Kiều và Thổ Khả Hà trên sông Đà năm 2008 65

Hình 2-7: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu đề xuất giải pháp vận hành ứng phó trong trường hợp lũ bất thường 67

Hình 2-8: Đường bao mực nước thấp nhất và mực nước bình quân thời gian tại Hà Nội trước khi có hồ chứa Hòa Bình thời kỳ từ 1/6 đến 15/10 hàng năm 69

Hình 2-9: Đường bao mực nước thấp nhất và mực nước bình quân thời gian tại Hà Nội sau khi có hồ chứa Hòa Bình thời kỳ từ 1/6 đến 15/10 hàng năm 70

Hình 2-10: Biểu đồ Trị số mực nước trung bình và nhỏ nhất tại Hà Nội theo thời gian mùa lũ giai đoạn 1960-1990 và 1991-2012 71

Hình 2-11: Biểu đồ mực nước Hà Nội lớn nhất và nhỏ nhất trong thời kỳ lũ chính vụ và trong mùa lũ từ năm 1960-2013 72

Hình 2-12: Đường Q H tại trạm thuỷ văn Hà Nội qua các năm 72

Hình 2-13: Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống sông lưu vực sông Hồng 84

Hình 3-1: Sơ đồ tính toán thiết lập bảng nguyên tắc vận hành 88

Hình 3-2: Quá trình lưu lượng vào và xả qua hồ chứa Sơn La và Hòa Bình điều tiết lũ 500 năm mô hình 1996 với cấp mực nước Hà Nội từ 6,0 m đến 8,0 m 91

Hình 3-3: Quá trình mực nước hồ chứa Sơn La và Hòa Bình và Hà Nội với cấp mực nước Hà Nội từ 6,0 m đến 8,0 m 91

Hình 3-4: Quá trình lưu lượng vào và xả qua hồ chứa Sơn La và Hòa Bình điều tiết lũ 500 năm mô hình 1996 với cấp mực nước Hà Nội từ 4,0 m đến 6,0 m 92

Hình 3-5: Quá trình mực nước hồ chứa Sơn La và Hòa Bình và Hà Nội với cấp mực nước Hà Nội từ 4,0 m đến 6,0 m 92

xi

Hình 3-6: Quá trình lưu lượng vào và xả qua hồ chứa Sơn La và Hòa Bình điều tiết lũ

500 năm mô hình 1996 với cấp mực nước Hà Nội < 4,0 m 93Hình 3-7: Quá trình mực nước hồ chứa Sơn La và Hòa Bình và Hà Nội với cấp mực nước Hà Nội < 4,0 m 93Hình 3-8: Sơ đồ mô tả quá trình hiệu chỉnh vận hành xả lũ theo cập nhật số liệu dự báo

lũ hàng ngày 95Hình 3-9: Sơ đồ nghiên cứu phương án vận hành ứng phó trường hợp lũ bất thường trong thời kỳ tích nước 101Hình 3-10: Quá trình lũ tại các biên trên với tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1969 105Hình 3-11: Quá trình lũ tại các biên trên với tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1971 105Hình 3-12 Quá trình lũ tại các biên trên với tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1996106Hình 3-13: Quá trình lưu lượng nhập lưu tần suất 0,2% tại Sơn Tây dạng lũ 1971 106Hình 3-14: Biểu đồ quá trình mực nước hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phương án PA1.96_500 109Hình 3-15: Biểu đồ quá trình mực nước hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phương án PA1.69_500 109Hình 3-16: Biểu đồ quá trình lưu lượng đến Hồ Sơn La và xả qua hồ Hòa Bình và Sơn

La theo phương án PA1.69_500 110Hình 3-17: Biểu đồ quá trình mực nước hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phương án PA2.71_300 111Hình 3-18: Quá trình mực nước hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phương án PA1.71_300 111Hình 3-19: Biểu đồ quá trình lưu lượng đến và xả qua các hồ chứa Sơn La và Hoà Bình theo phương án PA2.69_TN 112Hình 3-20: Biểu đồ quá trình mực nước hồ chứa Sơn La, Hoà Bình và Hà Nội theo phương án PA2.69_TN 113

xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

QT198 Quy trình vận hành liên hồ chứa Sơn La - Hòa Bình - Thác Bà -

Tuyên Quang trong mùa lũ hàng năm, ban hành theo Quyết định

số 198/QĐ-TTg ngày 10 tháng 2 năm 2011 của Thủ tướng Chính Phủ

QT1622 Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng, ban

hành theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17 tháng 09 năm

Mực nước hồ cao nhất khi cắt lũ kiểm tra

PMF Possible Maximum Flood: Lũ cực hạn (lớn nhất có khả năng xảy

ra) DHTNĐ Dải hội tụ nhiệt đới

ATNĐ Áp thấp nhiệt đới

CATBD Cao áp Thái Bình Dương

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Đồng bằng sông Hồng trải rộng từ vĩ độ 21°34´ Bắc (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi khoảng 19°5´Bắc (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đông (huyện Ba Vì) đến 107°7´Đông (trên đảo Cát Bà) Toàn vùng có diện tích: 15.000 km², chiếm 4,5% diện tích của cả nước Đồng bằng sông Hồng tập trung nhiều trung tâm kinh tế, văn hóa và chính trị quan trọng, với mật độ dân cư cao, tổng số dân trên 20,4 triệu người (năm 2015) chiếm 22,78% dân số cả nước, GDP là 43,3 tỷ USD trong đó nông nghiệp đóng góp 19,4% Đây là vùng đồng bằng rộng lớn nằm bao quanh hạ lưu sông Hồng, bao gồm 11 tỉnh và thành phố: Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Quảng Ninh, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình với tổng diện tích tự nhiên khoảng 2,1 triệu ha Dân số thành thị tăng nhanh hơn, trong khi dân số nông thôn giảm do quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa Dự kiến dân số đô thị chiếm 28% tổng dân số và sẽ tăng lên hơn 40% vào năm 2020, 50% vào năm 2030 và 60% vào năm 2050 Theo quyết định số 1554/QĐ-TTg ban hàng ngày 17 tháng 10 năm

2012 phê duyệt quy hoạch thuỷ lợi vùng đồng bằng sông Hồng 2012-2020 và định hướng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng, lượng nước dùng cho phát triển kinh tế xã hội ở hạ du năm 2010 là 24 tỷ m3, dự báo đến năm 2020

là 31 tỷ m3 và đến năm 2050 là 36 tỷ m3 Lượng nước cần này chủ yếu trong các tháng mùa kiệt (từ tháng 12 đến tháng 5) chiếm đến 80%

Về mùa lũ, lũ lớn trên thượng lưu luôn là mối hiểm họa hàng năm đối với thủ đô Hà Nội và đồng bằng sông Hồng, ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển kinh tế xã hội và dân cư trong vùng Bởi vậy phòng chống lũ lụt là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong mọi giai đoạn quy hoạch khai thác quản lý các công trình trên hệ thống sông Hồng Vì vậy, các hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà được quy hoạch và thiết kế đã được xây dựng đóng vai trò quan trọng về an ninh nguồn nước, cung cấp điện năng cho kinh tế xã hội và phòng chống lũ cho hạ du

Tổng dung tích phòng chống lũ cho hạ du của các hồ chứa Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà khá lớn và đều đặt dưới mực nước dâng bình thường Các hồ chứa

2

này theo thiết kế chỉ được tích nước ở cuối mùa lũ (cuối tháng 8 hàng năm) Do đó, mẫu thuẫn giữa nhiệm vụ chống lũ và phát điện, cấp nước rất gay gắt Khi lập quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Hồng, các cơ quan lập quy trình với sự tham gia của nhiều chuyên gia đầu ngành và các nhà khoa học của nhiều lĩnh vực đã cố gắng đưa ra những phương án giảm thiểu các mâu thuẫn trên, điều này đã được thể hiện trong các quy trình được ban hành theo quyết định số 198/QĐ –TTg ngày 10/02/2011

và quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17 tháng 09 năm 2015 Tuy nhiên hai quy trình này chỉ tạo khung cứng, vận hành cụ thể còn phải căn cứ vào dự báo quá trình nước đến hồ Trong thực tế vận hành, vẫn còn có hai câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu,

Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào giải quyết trọn vẹn được các câu hỏi trên Thực tiễn vận hành nhiều năm qua các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La trong mùa lũ thường duy trì mực nước cao hơn quy định (tích sớm) để đảm bảo an toàn cấp nước Điều này cho thấy các cơ quan quản lý nhận thức được rằng tích nước vào hồ ngay trong thời kỳ mùa lũ là cần thiết và có thể thực hiện được nhưng vì chưa có cơ sở khoa học nên việc tích nước sớm vẫn coi là ảnh hưởng đến an toàn công trình và chống lũ hạ du

Do vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước

trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La” với

mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học về chế độ vận hành tích nước các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La nhằm nâng cao hiệu quả tích nước cho phát điện và cấp nước, đảm bảo an toàn công trình và chống lũ hạ du

3

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu đưa ra được cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định chế độ vận hành tích nước trong kỳ mùa lũ, đảm bảo an toàn tích nước đầy hồ, nâng cao hiệu quả cấp nước và phát điện mà vẫn đảm bảo an toàn chống lũ hạ du và chống lũ cho công trình cho hai hồ chứa Hòa Bình và Sơn La

- Nghiên cứu đề xuất được chế độ vận hành điều tiết cắt lũ cho hạ du trong thời

kỳ lũ muộn, khi mà các hồ chứa Sơn La và Hòa Bình được phép tích nước đầy hồ, đảm bảo giảm thiểu tác động tiêu cực cho hạ du khi xảy ra lũ lớn bất thường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

t n n n cứu: Vận hành điều tiết và chống lũ cho hệ thống hồ chứa bậc

thang Hoà Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ

p ạm v n n cứu: Chế độ điều tiết chống lũ hạ du được xem xét trong hệ thống

liên hồ chứa bao gồm 4 hồ Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà, nhưng nghiên cứu chế độ vận hành tích nước theo mục tiêu của luận án được giới hạn nghiên cứu với hệ thống hồ chứa Sơn La và Hoà Bình trên sông Đà

4 Phương pháp nghiên cứu:

a P ơn p áp p ân tíc tổn p

Phân tích đặc điểm hình thành mưa lũ trên lưu vực sông Hồng, hiện trạng vận hành hệ thống trong giai đoạn quản lý vận hành thực tế, khả năng làm việc của hệ thống công trình hồ chứa phòng lũ trên sông Hồng và khả năng đáp ứng dự báo khí tượng thủy văn, làm cơ sở xác định các kịch bản vận hành tích nước thời kỳ mùa lũ

b P ơn p áp kế t ừa

Kế thừa những kết quả nghiên cứu có liên quan đến nội dung của luận án, các dữ liệu

sử dụng trong tính toán, công cụ tính toán và những kết quả nghiên cứu đã thực hiện

có thể là cơ sở cho phát triển trong nghiên cứu trong luận án

4

c P ơn p áp mô hình toán

Sử dụng mô hình MIKE 11, HEC-RESSIM,… trong tính toán xác định chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho các hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng Các mô hình này đã được sử dụng rộng rãi cho các nghiên cứu quy hoạch và vận hành

hệ thống hồ chứa trên sông Hồng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất quan điểm nghiên cứu mới về vận hành hệ thống

hồ chứa trên lưu vực sông Hồng trong thời kỳ mùa lũ theo hướng kết hợp với kết quả

dự báo để vận hành theo thời gian thực, xem xét khi mực nước Hà Nội ở ngưỡng thấp

để nâng cao mực nước các hồ chứa thượng nguồn

Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng chế độ vận hành tích nước hợp lý cho các hồ chứa trên

sông Đà đảm bảo được mục tiêu tối đa hoá lợi ích mà vẫn an toàn cho hạ du là một vấn đề thực tế đang đặt ra Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở cho điều chỉnh,

bổ sung các quy định trong quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Hồng thời kỳ mùa lũ; là cơ sở hỗ trợ ra quyết định trong quá trình quản lý, vận hành thực tế chống lũ hàng năm cho các hồ chứa Hòa Bình và Sơn La

6 Những đóng góp mới của luận án:

- Đề xuất được chế độ tích nước sớm có điều kiện cho 2 hồ chứa Sơn La và Hòa Bình Trên cơ sở đó, đề xuất cơ sở khoa học xác định mực nước giới hạn trên của quá trình tích nước hồ chứa Sơn La trong thời kỳ tích nước hạn chế, đảm bảo tích nước hiệu quả mà vẫn an toàn chống lũ hạ du và công trình

- Đề xuất được chế độ vận hành điều tiết chống lũ cho hạ du và phương thức ứng phó khi xảy ra lũ bất thường trong thời kỳ tích nước đầy hồ ở cuối thời kỳ mùa lũ

7 Cấu trúc luận án:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong ba chương, bao gồm:

5

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu Chương này

trình bày về tổng quan các phương pháp quản lý vận hành hồ chứa; Phương pháp lập quy trình vận hành hồ chứa; Giới thiệu đặc điểm của lưu vực nghiên cứu; Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên sông Hồng từ đó xác định định hướng nghiên cứu;

Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ đối với hệ thống hồ chứa Hoà Bình và Sơn La Nội dung chính của

chương gồm có: Đánh giá những tồn tại trong quy trình vận hành hồ chứa Sơn La và Hoà Bình trong thời kỳ mùa lũ; Khả năng cảnh báo, dự báo hạn ngắn và hạn vừa lũ trên hệ thống Qua những phân tích đánh giá đó, đưa ra quan điểm về vận hành tích nước của hai hồ chứa, giải pháp vận hành ứng phó trong trường hợp bất thường; phương án tính toán và lựa chọn công cụ tính toán

Chương 3: Kết quả nghiên cứu chế độ vận hành trong thời kỳ tích nước hạn chế

và phương án vận hành ứng phó trong trường hợp lũ bất thường Chương này

trình bày kết quả tính toán giới hạn tích nước; đề xuất phương án vận hành ứng phó trong trường hợp lũ bất thường và vận hành thử nghiệm đánh giá tính hợp lý Đề xuất

cơ chế vận hành tích nước cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ

Hồ chứa là công trình trữ nước nhân tạo, được xây dựng trên các khe suối, trên sông bằng các đập chắn ngang sông Hồ chứa là biện pháp thiết yếu trong hệ thống các công trình điều tiết, nó có khả năng làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy sông ngòi theo thời gian và không gian Chức năng chính của hồ chứa là điều tiết dòng chảy tự nhiên nhằm thỏa mãn các nhu cầu khác nhau về nguồn nước của các đối tượng sử dụng nước Ngoài ra nó còn có vai trò quan trọng đặc biệt trong công tác phòng chống lũ đảm bảo an toàn cho hạ du

Vận hành hồ chứa là một khâu trọng yếu trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước Sau khi xây dựng hồ chứa, các hướng dẫn vận hành chi tiết được thiết lập nhằm hỗ trợ cho người quản lý đưa ra các quyết định hợp lý Quy trình vận hành quy định lượng xả

từ lượng trữ tại một thời điểm nào đấy phụ thuộc vào trạng thái của hồ chứa, mức yêu cầu cấp nước và các thông tin về lượng dòng chảy có thể đến hồ chứa Bài toán vận hành cho hồ chứa đơn mục tiêu là quyết định quy trình tích, xả từ hồ chứa sao cho lợi ích cho mục tiêu đó là tối đa

Hầu hết các hồ chứa lớn hiện nay đều là hồ chứa lợi dụng tổng hợp Tuy nhiên, các mục tiêu cơ bản của hồ chứa thường lại mâu thuẫn với nhau, có thể kể đến các mâu thuẫn sau: (i)Mâu thuẫn giữa mục tiêu phòng lũ và phát điện: mâu thuẫn này xuất hiện khi hồ kết hợp phục vụ phát điện và chống lũ, việc thoả mãn các mục tiêu phát điện

7

đòi hỏi hồ phải được tích nước càng nhiều càng tốt để tạo ra đầu nước cao, trong khi mục đích phòng lũ lại đòi hỏi có đủ dung tích trống trong hồ; (ii) Mâu thuẫn giữa các mục tiêu cấp nước cho các đối tượng sử dụng: cấp nước cho nông nghiệp được phân phối dựa trên thời vụ, mùa hay tình hình mưa, nắng trong khi yêu cầu phát điện đòi hỏi

hồ vận hành dựa trên nhu cầu thay đổi theo ngày, tuần, hay mùa; (iii) Mâu thuẫn trong cùng một mục tiêu: nhu cầu nước và lượng nước đến thường không phải lúc nào cũng thoả mãn theo thời gian, đòi hỏi việc tiết kiệm nước cần được đặt ra trong khi vận hành các hồ chứa

Hình 1-1 Sự cần thiết của điều tiết dòng chảy đáp ứng yêu cầu của xã hội [2]

Đối với hệ thống hồ chứa, các quyết định vận hành cần được cân nhắc xem xét một cách kỹ lưỡng trên cơ sở cân đối lượng nước trữ trong từng hồ chứa Quy trình vận hành đơn hồ phù hợp với hồ chứa đó nhưng không đáp ứng được với mục tiêu liên hồ chứa vì vậy cần có quy trình vận hành liên hồ chứa giải quyết các mâu thuẫn Thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa tìm ra giải pháp "thoả hiệp" giữa các mục tiêu là một bài toán khó và cũng là chủ đề chính được nhiều nhà nghiên cứu trong, ngoài nước quan tâm giải quyết trong nhiều năm qua nhằm khai thác tối đa năng lực của hệ thống

hồ chứa

Theo nhận định của Ủy Ban Đập Thế Giới (World Commision on Dams) [3], một

trong những nguyên nhân làm cho nhiều hệ thống hồ chứa lớn trên thế giới hoạt động kém hiệu quả, không đáp ứng được yêu cầu đặt ra từ giai đoạn lập dự án là do những

Để khai thác sử dụng các hồ chứa lợi dụng tổng hợp với lợi ích cao nhất, các nhà khoa học trên thế giới tập trung tìm ra quy tắc vận hành hợp lý, giải quyết các mẫu thuẫn giữa các mục tiêu khác nhau nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa, từ các nghiên cứu

đơn giản lượng trữ cấp nước của Rippl (1883) [4] đến các nghiên cứu phức tạp gần

đây vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa theo thời gian thực phục vụ đa mục tiêu của

Mehdipour và nnk (2012) [5] Mặc dù đã được đầu tư nghiên cứu rất bài bản và chi

tiết từ các cơ quan quản lý khai thác sử dụng, nhiều nhà khoa học cũng đã sử dụng các phương pháp khác nhau để thiết lập quy tắc vận hành cho hệ thống hồ chứa nhưng các ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù từng hệ thống, không có phương pháp luận, công cụ có thể dùng chung cho mọi hệ thống

Phương pháp quản lý và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu 1.2

1.2.1 Các phương pháp quản lý vận hành hệ thống hồ chứa

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về điều hành lũ, điều phối cấp nước, phát điện

và các lợi ích kinh tế khác của hồ chứa Một trong những nghiên cứu chuyên sâu là điều tiết hồ chứa, nhằm phân phối tài nguyên nước cho các mục đích khác nhau [6] Mỗi hệ thống hồ chứa khi hoạt động đều tuân thủ theo một quy trình đã được thiết lập sẵn, trong đó có các quy tắc vận hành cho từng thời kỳ mà người quản lý phải tuân thủ theo Quy trình vận hành hồ chứa được thiết lập trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật thông qua mô hình mô phỏng hoặc tối ưu Các quy tắc vận hành, được biểu diễn dưới dạng

đồ thị hay bảng hướng dẫn theo mực nước (dung tích) ứng với từng thời gian trong

năm [7] [8] được thể hiện trong biểu đồ điều phối, là căn cứ chính cho việc ra quyết

định khi vận hành hồ chứa Vận hành theo các đường cong quy tắc là một trong những cách quản lý đơn giản và phổ biến nhất, nhằm hỗ trợ việc ra quyết định điều hành hồ chứa của người quản lý [9]

9

Hiện nay, hầu hết tất cả các hồ chứa độc lập đều được quản lý vận hành theo biểu đồ điều phối lập sẵn, đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu có hai hướng quản lý chính là quản lý vận hành theo biểu đồ điều phối cấp nước và quản lý vận hành theo thời gian thực

Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối: vận hành theo biểu đồ điều phối

thì người quản lý ra quyết định dựa theo trạng thái mực nước hồ tại thời điểm hiện tại (so với các đường quy tắc vận hành trong biểu đồ điều phối) Biểu đồ điều phối là căn

cứ chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận hành hồ chứa (đối với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm trong hệ thống bậc thang) Quản lý vận hành theo cách này thường được sử dụng đối với hồ chứa độc lập 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 được nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển các phương pháp tối ưu hóa để xác định chế độ làm việc tối ưu cho hồ chứa

Quản lý vận hành hồ chứa theo thời gian thực: vận hành hồ chứa theo thời gian

thực là một phương pháp mà quyết định vận hành tại một thời điểm nào đó tùy thuộc vào trạng thái hệ thống tại thời điểm đó và thông tin dự báo ở những thời đoạn tiếp theo Đây là phương pháp quản lý hiện đại

Khác với cách quản lý theo biểu đồ điều phối, quản lý vận hành theo thời gian thực, các quyết định vận hành không chỉ căn cứ vào biểu đồ điều phối, trạng thái mực nước

hồ và lưu tại thời điểm ra quyết định mà còn phải dựa vào lưu lượng nước đến hồ hiện tại và lưu lượng dự báo trong tương lại ở các thời điểm tiếp theo, đối với bài toán phòng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nước hạ du ở thời đoạn tiếp theo Vì biểu đồ điều phối được xây dựng là điều kiện tham chiếu để đảm bảo vận hành an toàn hồ chứa theo nhiệm vụ thiết kế nên nó vẫn phải là căn cứ để điều chỉnh các quyết định vận hành Do dự báo dòng chảy đến hồ và diễn biến mực nước hạ du có sai số nên Quyết định vận hành tại thời điểm ra quyết định vẫn bị sai lệch và có thể mực nước hồ vượt

ra khỏi các vùng của Biểu đồ điều phối (điều kiện tham chiếu), bởi vậy quyết định vận hành vẫn phải điều chỉnh liên tục theo sự cập nhật của kết quả dự báo và chính vì thế mới có tên gọi là vận hành theo thời gian thực

Hệ thống các hồ chứa và công trình phân phối nước được thiết lập như một hệ thống tổng hợp Các nghiên cứu theo hướng này, tập trung xây dựng các mô hình mô phỏng

10

kết hợp với dự báo để trợ giúp điều hành cho công tác quản lý vận hành Một loạt các

mô hình mô phỏng phục vụ công tác điều hành và quản lý hệ thống đã được phát triển: các mô hình mô phỏng tính toán dòng chảy trong hệ thống sông như mô hình thủy lực

1 chiều, 2 chiều, 3 chiều, họ mô hình HEC (HEC-3,HEC-5, HEC-RAS; HEC RESSIM) ; mô hình tính toán và điều phối nguồn nước lưu vực (MIKE 11, MIKE

21, MIKE BASIN, ) Quản lý hồ chứa theo mô hình vận hành theo thời gian thực, giúp người điều hành chọn được ra quyết định vận hành hợp lý nhất đem lại hiệu quả tốt nhất nếu dự báo lũ đảm bảo yêu cầu

1.2.2 Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa

Đ i với hệ th ng hồ chứa bậc thang

1.2.2.1

Nguyên tắc vận hành cho hệ thống hồ chứa đa mục tiêu bao gồm cấp nước, phát điện

và kiểm soát lũ … được tóm tắt trong Bảng 1-1 Các quy tắc cho hệ thống hồ chứa bậc thang đơn mục tiêu cung cấp nước chỉ đơn giản là trữ vào các hồ chứa trên cùng trước,

và thấp nhất cuối cùng với mục tiêu là tối đa hóa số lượng nước trữ trong hồ và giảm thiểu lượng xả

Bảng 1-1: Nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang [10]

Cấp nước Tích đầy hồ trên cùng trước Xả hồ dưới cùng trước Phòng lũ Tích đầy hồ trên cùng trước Xả hồ dưới cùng trước

Dự trữ năng lượng Tích đầy hồ trên cùng trước Xả hồ dưới cùng trước Phát điện Tối đa hóa lượng trữ trong hồ cho sản xuất năng lượng cao nhất Giải trí Cân bằng lượng trữ phục vụ giải trí với lượng xả

Đối với hệ thống hồ chứa đơn mục tiêu phòng lũ hạ du có gia nhập khu giữa (Hình 1-2) thì nguyên tắc tối ưu là tích đầy hồ trên cùng trước và khi có điều kiện tháo nước của hồ cuối cùng trước tiên, nhằm kiểm soát được các trận lũ lớn hoặc lũ vượt thiết kế Một ngoại lệ, khi khả năng xả lũ của hồ hạ lưu hạn chế thì cách tốt nhất là tích đầy hồ thấp trước, với mục tiêu nâng cao được mực nước hồ hạ lưu từ đó tăng khả năng xả của toàn hệ thống, để tăng dung tích phòng lũ cho trận lũ sắp đến cho phép xả xuống

hạ du lưu lượng lớn hơn lưu lượng đến hồ

11

Hình 1-2: Hệ thống hồ chứa bậc thang Quy tắc điều hành chống lũ trong hệ thống hồ bậc thang là: khi cần cắt lũ, tích đầy hồ thượng lưu trước, khi cần dung tích trống chuẩn bị điều tiết trận lũ sau thì xả trống hồ

hạ lưu trước Quy tắc này giống quy tắc điều hành phát điện trình bày trong Bảng 1-1

là tích nước tối đa vào hồ có công suất phát điện lớn nhất

Vùng được bảo vệ chung thường nằm ở hạ lưu của toàn hệ thống, tuy nhiên nếu có vùng bảo vệ riêng nằm ở hạ du một hồ khi đó người điều hành chống lũ phải cân nhắc phân chia dung tích chống lũ của từng hồ để bảo vệ từng vùng

Đ i với hệ th ng hồ chứa song song

1.2.2.2

Vận hành hệ thống hồ chứa song song (Hình 1-3) khác với hệ thống bậc thang ở chỗ

hồ chứa không được tích nước từ dòng chảy đến nhỏ hay lợi ích từ việc chuyển nước

từ hồ chứa khác nếu dòng chảy lớn do không có hồ chứa cùng nhánh sông ở phía thượng lưu Nguyên tắc vận hành được trình bày tóm tắt trong Bảng 1-2 Những nguyên tắc này có xu hướng giúp các hồ hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau

có lẽ do dòng chảy mặt đến đáp ứng hiệu quả của từng hồ cho quyết định phân bổ lưu trữ như vậy [11]

Nguyên tắc điều hành kiểm soát lũ trong hệ thống hồ song song là cân bằng giữa dung tích trống dành cho trữ lũ với lượng dòng chảy dự báo trên từng lưu vực Khi cần cắt

lũ sẽ giảm lượng xả xuống hạ du của hồ có dung tích còn trống nhiều hơn và mưa lũ đến hồ nhỏ hơn Khi cho phép tăng lưu lượng xả xuống hạ du thì tăng ở hồ tích đầy hơn và có dụ báo lượng mưa lớn hơn trước, được điều hòa bằng giảm lượng xả từ hồ

Cấp nước Cân bằng khả năng xả từng thời

kỳ giữa các hồ Cân bằng khả năng tháo nước giữa các hồ Phòng lũ Giữ dung tích trống phòng lũ ở

hồ chứa có lũ đến

Dự trữ năng lượng Cân bằng ước tính lượng xả cho

thời kỳ phát năng lượng giữa các

hồ

Vào cuối mùa, cân bằng ước tính lượng xả nước từ các hồ

Phát điện Tối đa hóa lượng trữ trong hồ để sản xuất năng lượng tốt nhất

Để vận hành theo nguyên tắc này là hoàn toàn không dễ, do mục tiêu của phòng lũ là giảm lưu lượng đỉnh lũ tại hạ du, giữ lại một phần nước lũ ở hồ chứa Tuy nhiên lũ đến

hồ thường nhanh và khó dự báo được chính xác, vì vậy khó có thể cắt đúng đỉnh lũ Mặt khác, khi xảy ra lũ lớn đồng bộ trên tất cả các nhánh sông gây lũ đặc biệt lớn ở hạ

du thì cần thiết phải làm lệch đỉnh lũ bằng cách cho đỉnh lũ ở hạ du hồ A xuất hiện nhanh hơn, đỉnh lũ ở hồ B chậm lại hoặc ngược lại, để làm lệch thời gian xuất hiện đỉnh lũ của các nhánh Khi đỉnh lũ đi qua, xả nước từ các hồ cũng cần đề phòng hiện tượng nước

đo và dự báo trung hạn, dùng các thuật toán tối ưu, có thể tính được lượng nước cần

xả, hoặc cần tích lại cho từng hồ

Theo Vũ Tất Uyên [12] trong bước xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa,

dựa vào số liệu thủy văn lịch sử, chỉ có thể phán đoán được quy mô các trận lũ có thể xảy ra ở từng thời kỳ trong mùa lũ Do đó, điều có thể làm được là phân nhỏ kỳ lũ tại các vùng cần bảo vệ ở hạ du các hồ, xác định quy mô lũ, dung tích cần thiết cho điều tiết lũ trong từng kỳ lũ, trên cơ sở đó cho phép tích nước tối đa vào hồ có sản lượng điện lớn nhất theo từng kỳ lũ

Thực tiễn điều hành hệ thống hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống dựa vào kết quả tính theo mô hình mô phỏng là cách làm hợp lý nhất, vì trong mô phỏng số các quy tắc điều hành được kiểm nghiệm lại kỹ càng và được làm cho tinh tế hơn Trong

đa số trường hợp kết quả tính mô phỏng rất gần với kết quả điều hành thực Với hệ thống hồ lớn, nguyên tắc điều hành cần được bổ sung thêm từ thực tiễn điều hành

Tổng quan các phương pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa 1.3

đa mục tiêu

Oliveira và Loucks (1997) [13] cho rằng vấn đề vận hành hệ thống hồ chứa đa mục

tiêu rất phức tạp vì liên quan đến nhiều biến số quyết định, bị chi phối bởi nhiều yếu tố ngẫu nhiên, là khâu quan trọng trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước Các phương pháp xây dựng quy trình vận hành hồ chứa có thể tóm tắt thành ba nhóm chính như sau:

14

1.3.1 Phương pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa

Phương pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa được nghiên cứu khá phổ biến đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, đặc biệt là các hồ chứa cấp nước, phát điện Mục tiêu của ứng dụng kỹ thuật tối ưu là xác định các giới hạn vận hành của hồ chứa để vận hành là tối ưu Kết quả nghiên cứu của các mô hình tối ưu được sử dụng để lập biểu đồ điều phối, đồng thời làm cơ sở cho việc quy định những giới hạn vận hành trong quy trình vận hành nhằm đạt được mục tiêu tối ưu hoạt động của hồ chứa và hỗ trợ người quản

lý ra quyết định trong vùng thỏa hiệp giữa các mục tiêu tranh chấp

Áp dụng kỹ thuật tối ưu cho bài toán vận hành hồ chứa không phải là một ý tưởng mới, nhiều kỹ thuật tối ưu đa dạng đã được áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả của các

hồ chứa như các nghiên cứu của Yeh (1985) [7], Simonovic (1992) [14] và Wurbs

(1993) [15] Mô hình tối ưu đem lại hiệu quả cao trong việc phân tích các phương án khác nhau đạt mục tiêu tốt nhất dưới một tập các ràng buộc Các kỹ thuật tối ưu thường sử dụng bao gồm: quy hoạch tuyến tính (Linear Programming – LP); quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming – NLP); quy hoạch động (Dynamic Programming -DP); quy hoạch động ngẫu nhiên (Stochastic Dynamic Programming – SDP) và phương pháp Heuristic (Heuristic Programming) như là thuật toán tiến hóa, logic mờ, thuật toán di truyền và hệ thống nơron thần kinh …

Quy hoạch tuyến tính (LP) trong vận hành hồ chứa được nhiều nhà nghiên cứu ứng

dụng vì sự linh hoạt dễ sử dụng mà không cần các xử lý số liệu ban đầu Một vài ví dụ

sử dụng LP trong tính toán vận hành hồ chứa được nhiều tác giả giới thiệu như Yeh

(1985) [7], Mujumdar và Teegavarapu (1998) [16] phát triển mô hình LP tất định

cho thời đoạn ngắn vận hành hồ chứa điều tiết tưới; Uner và Mays (1990) [17] ứng

dụng mô hình LP vận hành hồ chứa kiểm soát lũ theo thời gian thực đã chứng minh rằng có thể kết hợp mô hình tối ưu phi tuyến với mô hình thủy văn ngẫu nhiên để giải quyết vấn đề vận hành kiểm soát lũ cho hồ chứa

Quy hoạch động (DP) là phương pháp cũng được ứng dụng trong vận hành hồ chứa

Năm 1967, Young [18] lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính

để xây dựng quy tắc vận hành chung từ kết quả tối ưu hoá Phương pháp mà ông đã

15

dùng được gọi là “quy hoạch động (Dynamic Programming - DP) Monte-Carlo” Về

cơ bản phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy nhân tạo Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến

chiến thuật tối ưu Các kết quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực Korsak và

Larson (1970) [19] kiến nghị sử dụng quy hoạch động xấp xỉ liên tục (Dynamic

Programming Successive Approximation- DPSA); Heidari và nnk (1971) [20] lại ứng

dụng phương pháp quy hoạch động sai phân rời rạc (Discrete Differential Dynamic Programming - DDDP) giải quyết bài toán tối ưu hóa vận hành hệ thống hồ chứa với tính toán thử nghiệm trên hệ thống gồm 4 hồ chứa giả tưởng

Nguyễn Thế Hùng và Lê Hùng (2011) [21] nghiên cứu lập trình chương trình tính

toán để giải bài toán tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu (phòng lũ, cấp nước và phát điện…) dựa trên các mô hình có sẵn và ứng dụng kỹ thuật tối ưu DP Nghiên cứu ứng dụng cụ thể cho hai hồ chứa đa mục tiêu là hồ chứa Bình Định và A Vương, với ba trường hợp ưu tiên khác nhau Trường hợp 1: mục tiêu phát điện và cấp nước tưới là như nhau, thì không đưa ra được lời giải duy nhất bởi chỉ có thể đảm bảo một trong hai mục tiêu Do vậy, tùy vào từng giai đoạn thực tế mà phải gán trọng số cho tưới và phát điện để có được giá trị tối ưu tương ứng Trường hợp 2: Phát điện được ưu tiên trước cấp nước tưới, tác giả đưa ra các ràng buộc để bài toán trở thành bài toán tối ưu một mục tiêu Kết quả thử nghiệm vận hành đối với hồ A Vương cho thấy có thể nâng cao sản lượng điện từ 4,8-6,8% so với thực tế năm 2009 Trường hợp 3: ưu tiên tưới, mục tiêu phát điện là phụ, thì kết quả cho thấy tối đa hóa được lượng điện và lượng nước thiếu là rất nhỏ dường như không đáng kể Nghiên cứu, đã chứng minh hiệu quả loại

bỏ các phương án không khả thi nhờ ứng dụng DP xác định mực nước vận hành Để có thể áp dụng vào thực tế, thì ứng với mỗi cao trình mực nước hồ đầu thời đoạn, xây dựng các đường bao tối ưu, và căn cứ vào mực nước hồ và lưu lượng dòng chảy thực

tế mà vận hành theo các đường bao đã thiết lập

Một phương pháp khác được mở rộng từ DP xác định quy trình điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa khác là quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP) Phương pháp này

yêu cầu mô tả rõ xác suất của dòng chảy đến và tổn thất Phương pháp này được

16

Louks và nnk (1981) [22] và nhiều người khác sử dụng Mô hình tối ưu hoá thường

được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo như đầu

vào Mujumdar và Vedula (1992) [23] đề xuất một quy trình điều hành tối ưu hồ

chứa thủy lợi sử dụng SDP Trong nghiên cứu này, Mujumdar coi hồ chứa, dòng chảy vào và độ ẩm của vùng tưới như là biến trạng thái Áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu là khá khó khăn Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mô hình, đào tạo nhân lực, giải bài toán, điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và lượng hóa tất cả các mục tiêu và mối tương tác giữa

nhà phân tích với người sử dụng

Trong những thập kỷ gần đây, phương pháp Heuristic được phát triển giải quyết vấn

đề tối ưu hóa vận hành hồ chứa Tất cả các mô hình tối ưu hóa nói trên là những thủ tục thuật toán, nghĩa là có cấu trúc, quy trình giải pháp hội tụ được áp dụng cho các thông tin định lượng Ngược lại, phương pháp heuristic lập trình dựa trên những quy ước chung, kinh nghiệm, hoặc nội suy khác nhau áp dụng cho cả định tính và định lượng Ưu điểm của các phương pháp này là đơn giản và có thể cho kết quả tốt trong các bài toán tối ưu mà không gian tìm kiếm đơn giản Tuy nhiên, các phương pháp này

dễ rơi vào điểm cực trị địa phương và chỉ đảm bảo hội tụ tại điểm cực trị toàn phần khi hàm tối ưu là hàm lồi, đơn trị Thực tế lại cho thấy rất nhiều hàm không lồi và có vô số các điểm cực trị mà các phương pháp cổ điển không thể giải quyết được Nó đòi hỏi phải có những công cụ tối ưu mạnh hơn để có thể tìm ra những giải pháp tối ưu toàn phần cho những bài toán phức tạp Bắt đầu từ thập kỷ 90 các thuật toán tiến hoá (bao gồm cả thuật toán di truyền và chiến thuật tiến hoá) đã được áp dụng và chứng minh cho tối ưu hệ thống các bài toán hệ thống tài nguyên nước Một số nghiên cứu tiêu biểu có thể kể đến như sau:

Thuật toán tiến hóa (Evolutionary algorithms) được ứng dụng rộng rãi trong bài toán

tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu Nhiều thuật toán đã được kiểm tra bằng các mô

hình khác nhau để giải phi tuyến, tuyến tính lồi và vấn đề hồ chứa đa chiều Chang

(2008), [24] đã sử dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu, (NSGA –II) vào vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ở Đài Loan (gồm hai hồ Shihmen và Feitsui), thiết lập một

mô hình mô phỏng và vận hành hồ chứa theo thời đoạn ngày và tính toán chỉ số thiếu

17

hụt nước (Shortages Indices –SI) trong suốt thời gian mô phỏng Mục tiêu của việc ứng dụng thuật toán là để làm giảm chỉ số SI thông qua sách lược vận hành tối ưu hệ thống hồ

Phương pháp kết hợp thuật toán Gen (Genetic Algorithm - GA) với quy hoạch tuyến tính (LP) được Reis, [25] giới thiệu để tìm sách lược vận hành tối ưu cho hệ

thống hồ chứa phát điện trong giai đoạn lập dự án với nhiều điều kiện dòng chảy ngẫu nhiên Phương pháp này cho phép lược giảm các tham số nhờ GA và bằng LP giảm số lượng biến Thuật toán này được coi như là quy hoạch động xấp xỉ ngẫu nhiên cho vận hành hệ thống hồ thủy điện, với nhiều lợi thế như là ứng dụng đơn giản, lựa chọn được những thông số hữu ích cho việc vận hành trong tương lai Các thuật toán được đề xuất

là một xấp xỉ ngẫu nhiên để hệ thống thủy văn hoạt động, với những lợi thế như thực hiện đơn giản và khả năng trích xuất các thông số hữu ích cho các quyết định hoạt động trong tương lai Kết quả ứng dụng phương pháp này cho một hệ thống thủy điện giả giống như phương pháp quy hoạch động ngẫu nhiên kép (Stochastic Dual Dynamic

Programming - SDDP) mà Pereira và Pinto, [26] đã gợi ý trước đây cho thấy phương

pháp kết hợp GA –LP tốt hơn nhiều so với SDDP

Kerachian và Karamouz [27] nghiên cứu phát triển một mô hình từ sự liên kết giữa

mô hình tối ưu hóa GA và mô hình chất lượng nước hồ chứa, dựa trên hàm mục tiêu của mô hình tối ưu theo lý thuyết Nash để tối đa hóa độ tin cậy của nguồn nhu cầu cấp nước cho hạ du và yêu cầu chất lượng nước Kết quả mô hình tối ưu GA được ứng dụng xây dựng quy trình vận hành cho các hồ chứa Satarkhan ở Iran có xem xét đến

chất lượng nước và lượng nước yêu cầu Heidari và nnk [20] giới thiệu mạng

Bayesian (BN) để tìm ra các quy tắc vận hành cho một hệ thống hồ chứa đa mục tiêu (tưới tiêu và phòng lũ), với tài liệu thủy văn đầu vào theo thời đoạn tháng, mực nước

hồ chứa và yêu cầu nước hạ du Các mô hình tối ưu chế độ vận hành hồ chứa dài hạn (theo tháng) được xây dựng nhằm mục đích giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và thiếu hụt nước cho nông nghiệp và mô hình tối ưu thời đoạn ngắn (theo giờ) kết hợp với mô hình ước tính thiệt hại lũ lụt

Elferchichi và nnk [28] trình bày một phương pháp phân tích đầy đủ về sự khác biệt

giữa cung cấp nước và nhu cầu sử dụng Các hoạt động của hồ chứa trong một hệ

18

thống thủy lợi theo yêu cầu sử dụng một phương pháp ngẫu nhiên dựa trên thuật toán

GA Mô hình xác định đầy đủ đường quá trình dòng chảy để đảm bảo các quy định tối

ưu các hồ chứa trong thời gian cao điểm Mô hình này đã được áp dụng và thử nghiệm trên các hệ thống tưới Sinista Ofanto (Foggia, Italy)

Wei và Hsu (2008), trường đại học Toko Đài loan, [29] nghiên cứu giới thiệu phương

pháp vận hành tối ưu hồ chứa theo thời gian thực cho mỗi bước thời gian dòng chảy lũ

ứng dụng thuật toán tối ưu với các quy tắc nhánh cây (treebased rules) cho hệ thống

hồ chứa đa mục tiêu Phương pháp này là sự tích hợp hai mô hình thủy văn vận hành

hồ chứa và mô hình dự báo thủy văn Nghiên cứu so sánh việc ứng dụng thuật toán quyết định nhánh cây (C5.0), thuật toán quyết định nhánh cây thần kinh (NDT) và thuật toán quyết định nhánh cây logic mờ (FIDs) vào quá trình vận hành cấp nước cho

hồ chứa Việc ứng dụng thuật toán trên cho hệ thống hồ chứa trên sông Shihmen, Đài Loan, chứng minh rằng mô hình FIDs, các tập mờ hình thang linh hoạt được sử dụng

để định nghĩa các hàm thành viên, được đánh giá hiệu quả hơn so với các mô hình khác hiện nay Áp dụng kỹ thuật tối ưu nhánh cây này để xác định vận hành tối ưu cho

hệ thống hồ chứa trên sông Shihmen trong hoàn cảnh có cảnh báo bão xa từ Phòng dự báo thời tiết Trung ương (CWB), các phương pháp đề xuất đã cung cấp giải pháp hiệu

quả giữa kiểm soát lũ và cấp nước Sau đó, năm 2009, Wei [30] cùng đồng nghiệp của

mình thiết lập bộ quy tắc vận hành tối ưu dựa trên quy tắc nhánh cây để kiểm soát lũ theo thời gian thực thử nghiệm đối với hệ thống hồ chứa Tanshui, Đài Loan, với các quá trình dự báo thời đoạn 6 giờ và 3 trận bão lịch sử, bao gồm cả Aere, Haima và Nock-ten năm 2004 Kết quả cho thấy giải pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu này đem lại hiệu quả cắt lũ cao và cho phép duy trì được mực nước cao ở thời kỳ cuối mùa lũ, đảm bảo dung tích hồ cho cấp nước mùa kiệt

Chaves và Chang (2008) [31] đã đề xuất sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial

Neural Networks – ANN) xây dựng quy tắc vận hành hồ chứa Shihmen (với 5 biến ra quyết định) ở Đài Loan để xem xét tính ứng dụng và khả thi của nó Với ưu điểm dễ dàng xử lý các biến điều kiển và ít thông số, ANN đem lại hiệu quả vận hành của hồ chứa cao hơn khi so sánh với các quy tắc hoạt động hiện tại Kết quả nghiên cứu cũng

19

chứng minh rằng mạng ANN hoàn toàn có khả năng giải quyết bài toán vận hành hồ chứa đa mục tiêu

1.3.2 Phương pháp mô phỏng

Trong thực tế, để xây dựng một mô hình vật lý thí nghiệm các hoạt động của hồ chứa

là rất khó khăn và tốn kém mà không thể thí nghiệm trực tiếp trên hệ thống hồ chứa thực được, chính vì vậy nghiên cứu phát triển mô hình toán được nhiều nhà khoa học quan tâm sử dụng nhằm mô phỏng các phương án vận hành để tìm hiểu sâu hơn về hoạt động của hồ chứa Mô hình mô phỏng trong điều hành hệ thống 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 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 Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là đơn giản hơn so với mô hình tối ưu hoá Các kết quả

mô phỏng là cơ sở để thỏa hiệp trong bài toán đa mục tiêu Hầu hết các phần mềm mô phỏng có thể chạy trong máy vi tính cá nhân đang sử dụng rộng rãi

Hiện nay, phương pháp mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong các bài toán vận hành

hồ chứa, đặc biệt là với các hệ thống hồ chứa đa mục tiêu Các mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa dựa vào phương trình cân bằng nước theo quy tắc vận hành không có điều khiển Ví dụ như: mô hình HEC-RESSIM là mô hình vận hành có điều khiển phát triển lên từ HEC-5 do Trung tâm Kỹ Thuật Thủy Văn – Quân đội Mỹ (The US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center) xây dựng và phát triển được

Feldman giới thiệu trong cuốn Advances in Hydroscience và Wurbs trình bày trong

quyển Modeling and Analysis of resevoir system operation [10] [32] Mô hình này

thích hợp vận hành hồ chứa theo quy trình vận hành được thiết lập sẵn (biểu đồ điều phối) tìm ra đường vận hành tối ưu Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng

khác là mô hình MIKE 11 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) nghiên cứu và phát triển, mô hình tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR), mô hình mô phỏng

hệ thống sóng tương tác (IRIS) [33] Gói phần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP)

20

Do mỗi một hồ chứa hay hệ thống hồ chứa có một đặc điểm riêng về đặc tính thủy văn cũng như mục tiêu khác nhau, cho nên không có một mô hình tổng quát được thiết lập sẵn có thể phù hợp với mọi hệ thống mà phải tùy thuộc vào từng hệ thống hồ mà có những điều khiển riêng Chính vì vậy, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã thiết lập những mô hình mô phỏng để sử dụng vận hành cho từng hệ thống hồ chứa, ưu điểm của các mô hình này được viết phù hợp với đặc điểm của hệ thống hồ và dễ dàng can thiệp để thay đổi chế độ vận hành và chỉnh sửa hệ thống

1.3.3 Phương pháp kết hợp

Trong thời gian gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ về khoa học công nghệ, nhận thấy

sự kết hợp mô hình mô phỏng với mô hình tối ưu mở ra hướng tiếp cận giải quyết bài toán vận hành hồ chứa theo thời gian thực Trong bài báo tổng quan về các mô hình

mô phỏng và tối ưu sử dụng thiết lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa, Wurb

(1993) [15] đã tổng kết “Mặc dù, t u óa và mô p ỏn là a ớn t ếp cận mô

ìn óa k ác n au v ặc tín , n n sự p ân b ệt rõ ràn ữa a ớn này là

k ó vì ầu ết các mô ìn , xét v mức ộ nào ó u c ứa các t àn p ần của a

ớn t ếp cận tr n” Wurb cũng đề cập đến nhóm Quy hoạch mạng lưới dòng

(Network Flow Programming) như là một kết hợp hoàn thiện của hai hướng tiếp cận

tối ưu và mô phỏng Labadie (2004) đã nhận định cần thiết phải có mô hình mô phỏng

để kiểm tra các quy trình tối ưu được thiết lập [34] Một số nghiên cứu tiêu biểu giải quyết tốt mâu thuẫn kinh điển giữa kiểm soát lũ và các mục đích khác trong vận hành

hồ chứa đa mục tiêu, có thể kể đến như sau:

Ngô Lê Long và nnk (2007) [8] sử dụng kết hợp mô hình mô phỏng MIKE 11 và mô

hình tối ưu SCE (Shuffled Complex Evolution), các tác giả đã đưa ra đề xuất phương

án giải quyết mâu thuẫn trong thời kỳ này tìm ra quỹ đạo tối ưu (Pareto) điều khiển vận hành hồ Hòa Bình Đã đưa ra các quy tắc vận hành tối ưu hồ chứa Hòa Bình với mục tiêu tối đa hóa phát điện và phòng lũ cho vùng đồng bằng hạ du, giải quyết xung đột giữa mục đích phát điện và phòng lũ xảy ra trong quá trình tìm kiếm quy tắc vận hành đặc biệt vào thời kỳ chuyển tiếp cuối mùa lũ đầu mùa kiệt Kết quả chứng minh rằng việc sử dụng mô hình MIKE 11 có thể giúp duy trì mực nước cao vào cuối mùa

lũ đảm bảo an toàn cho phát điện mà vẫn giải quyết được vấn đề phòng lũ cho hạ du

21

và công trình Nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả cao của việc ứng dụng thuật toán tối

ưu SCE để tìm lời giải vận hành cho các hệ thống phức tạp

Bahram và nnk (2009) [35], kết hợp mô hình tối ưu thuật toán Gen GA, công nghệ GIS xác định vùng sử dụng nước; vùng thiệt hại do ngập lụt và mô hình HEC-RAS, HEC-GEORAS mô phỏng đường quá trình mực nước trong hệ thống sông; nghiên

cứu vận hành hệ thống bậc thang hai hồ chứa Bakhtiari và Dez ở Tây Nam, Iran theo thời gian thực thành công, đem lại hiệu quả cao cho việc quản lý lũ lụt ở đây Điều này chứng tỏ rằng việc kết hợp các mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu đem lại nhiều lợi ích trong thực tiễn vận hành hồ chứa

Hoàng Thanh Tùng (2011) [36] đã nghiên cứu xây dựng phương án tích hợp mô hình

dự báo mưa lũ và mô hình vận hành hành hệ thống hồ chứa để giải quyết bài toán vận hành phối hợp các hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực, nghiên cứu ứng dụng cho lưu vực điển hình là lưu vực sông Cả Đưa ra phương pháp áp dụng hiệu quả mạng ANN với thuật toán quét ngược (BPNN) bằng việc sử dụng thuật toán giải đoán gen GA trong quá trình tìm cấu trúc mạng tối ưu Với nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa, tác giả đã lựa chọn hướng tiếp cận kết hợp giữa mô hình mô phỏng (HEC-HMS, HEC-ReSSim) với mô hình điều khiển hệ thống trong đó sử dụng cả hai phương pháp "Ẩn"

và "Hiện" để xác định các ưu tiên vận hành cho từng hồ trong hệ thống (phân nhỏ các vùng dung tích để vận hành theo các ưu tiên của biểu đồ điều phối của từng hồ sao cho

có hiệu quả) và các ưu tiên vận hành kết hợp giữa các hồ với các ưu tiên về ràng buộc

về mực nước và lưu lượng của các vùng bị ảnh hưởng dưới hạ lưu để đảm bảo mục tiêu phòng lũ cho các công trình và cho các vùng ảnh hướng dưới hạ du các công trình Với những hồ chưa có quy trình vận hành, nghiên cứu đã lập chương trình tính theo phương pháp quy hoạch động với dòng chảy đến hồ là ngẫu nhiên được mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo

Viện Quy Hoạch Thủy Lợi liên kết cùng Trường Đại Học Thủy Lợi (2014) [37] đã

nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE11, mô hình HEC-RESSIM và xây dựng mô hình MOPHONG, công cụ tối ưu GAMS và Crystal Ball làm công cụ chính để phân

tích các phương án vận hành hệ thống hồ chứa điều tiết cấp nước và phát điện phục vụ lập quy trình hệ thống hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà vàTuyên Quang thời kỳ

22

mùa kiệt Đề xuất phương án vận hành hệ thống hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà

và Tuyên Quang thời kỳ lũ chính vụ và chế độ tích nước của các hồ chứa này trong thời kỳ chuyển tiếp lũ-kiệt, đảm bảo an toàn tích nước đầy hồ và vẫn đảm bảo an toàn chống lũ cho hạ du và công trình Đây là cơ sở để lập quy trình vận hành cả năm cho

hệ thống liên hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang Kết quả nghiên cứu mặc dù còn có tồn tại cần đầu tư thêm nhưng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vận hành hệ thống hồ chứa chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam

Tô Thúy Nga [38,39] đã nghiên cứu thiết lập chương trình tính toán mô phỏng lũ từ

việc tích hợp ba mô hình: mô hình mưa dòng chảy, mô hình vận hành hồ chứa và diễn toán lũ trong sông cho vùng thượng du sông Vu Gia – Thu Bồn phục vụ cho dự báo lũ với thời gian dự kiến từ 3 đến 5 ngày làm cơ sở cho việc xác định chế độ vận hành hồ chứa theo thời gian thực Với công cụ mô hình MOPHONG-LU đã thiết lập, xây dựng một quy trình vận hành theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ, xả lũ

an toàn và đảm bảo an toàn tích nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước hạ du Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng mô hình MOPHONG-LU mà tác giả xây dựng có thể

áp dụng cho công tác dự báo lũ (cho phép kéo dài thời gian dự kiến dự báo lũ so với quy định trong quy trình liên hồ chứa 1880/QĐTTg1880/QĐ-TTg) và vận hành an toàn các hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn Do vậy, có thể chủ động hạ thấp mực nước hồ để đón lũ xuống dưới mực nước đón lũ đã quy định và do

đó sẽ nâng cao được hiệu quả cắt giảm lũ cho hạ du mà vẫn đảm bảo an toàn tích nước cho các hồ chứa thủy điện Nghiên cứu mới chỉ tính toán thử với hai kịch bản, cần được tiếp tục với những kịch bản khác để phân tích tính hiệu quả của sử dụng trong thực tế

Công ty tư vấn điện 1 (PECC1), "Điều chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa Sơn

La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang trong mùa lũ hàng năm," [40] đã nghiên cứu

đề xuất một số hiệu chỉnh quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng theo Quyết định 198/2001/QĐ-TTg Đề án đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng lũ cho hệ thống sông Hồng, sử dụng mô hình lũ PMF và lũ chu kỳ lặp lại 500 năm tại Sơn Tây tính toán điều chỉnh nâng cao mực nước trước lũ cho hồ chứa Sơn La Thực

tế đã được Quyết định 1622/2015/QĐ-TTg quy định quy trình vận hành liên hồ chứa

23

trên lưu vực sông Hồng đã nâng mực nước trước lũ của hồ chứa Sơn La trong thời kỳ

lũ chính vụ từ 194 m lên 197,3 m Kết quả nghiên cứu trong thời kỳ lũ chính vụ, khi không có lũ lớn, mực nước hồ Sơn La và hồ Hòa Bình duy trì ở ngưỡng cao hơn mực nước trước lũ (vận hành theo khung tham chiếu phụ thuộc vào mực nước Hà Nội), khi

dự báo có lũ lớn xảy ra sẽ tiến hành hạ mực nước hồ Sơn La và Hòa Bình về mực nước trước lũ để sẵn sàng điều tiết, chống lũ thiết kế 500 năm tại Sơn Tây cho hạ du Tuy nhiên, đề án chỉ dừng lại điều chỉnh khoản 6 của quy trình 198, chưa đề cập đến vấn đề vận hành hồ chứa trong thời kỳ lũ muộn khi xảy ra lũ bất thường

Kết luận:

Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa là bài toán đa dạng và phức tạp, cho đến nay các nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam đã được nhiều cơ quan chức năng và nhà khoa học quan tâm Hướng nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành

hệ thống hồ chứa thường tập trung sử dụng công cụ mô hình toán, áp dụng lý thuyết tối ưu hoặc mô phỏng Kỹ thuật tối ưu thường được sử dụng để thiết lập ra quy tắc vận hành khung, xây dựng biểu đồ điều phối cho từng hồ chứa trong hệ thống Phương pháp mô phỏng giúp chi tiết hoá vận hành hệ thống hồ chứa với các kịch bản khác nhau để lựa chọn phương án vận hành hợp lý giải quyết các mâu thuẫn nhằm tối đa hoá các mục tiêu của hệ thống hồ chứa Chính vì vậy, khi nghiên cứu bài toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, mặc dù phương pháp sử dụng mô hình tối ưu ngày càng phát triển mạnh mẽ nhưng tìm ra quy tắc vận hành tối ưu vẫn gặp nhiều khó khăn [41], nên phương pháp mô phỏng vẫn được ứng dụng rộng rãi nhằm xác định các quy tắc vận hành hợp lý và linh hoạt

Tổng quan về lưu vực sông Hồng

1.4

1.4.1 Lưu vực sông và mạng lưới sông ngòi

Lưu vực sông Hồng nằm ở vĩ độ 20º – 25º 30’ Bắc, kinh độ 100º - 107º 10’ Đông thuộc vùng nhiệt đới gió mùa, nằm trên cả lãnh thổ Việt Nam và lãnh thổ Trung Quốc Diện tích toàn lưu vực là 169.020 km², diện tích lưu vực thuộc lãnh thổ Việt Nam là 87.840 km², chiếm 51% diện tích toàn lưu vực Phần châu thổ nằm hoàn toàn ở Việt Nam với diện tích gần 17.000 km2, với chiều dài 328 km

Lý, Đào và Ninh Cơ Sông Hồng đổ ra vịnh Bắc Bộ qua cửa chính là Ba Lạt và các cửa Trà Lý, Lạch Giang và sông Thái Bình Sông Hồng có chiều dài 1126 km, trong lãnh thổ nước ta có 556 km

Hình 1-4: Bản đồ lưu vực sông Hồng Địa hình lưu vực sông Hồng rất đa dạng, núi và đồng bằng thấp dần theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Địa hình đồi núi chiếm phần lớn diện tích với độ cao trung bình là

1090 m Các đỉnh núi cao tiêu biểu là Pu Sam Sao (1897m) trên biên giới Việt - Lào, Pia Oóc (1930m) trên cánh cung sông Gâm và cánh cung Ngân Sơn Trên dãy Hoàng

25

Liên Sơn có đỉnh Phanxipan (3143m), Lang Cung (2913m) và Phu Luông (2985m) Vùng đồi núi thấp có độ cao dưới 100m - 200m là trung lưu các sông Cầu, Thương và Lục Nam Vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng là do phù sa của hệ thống sông Hồng - Thái Bình bồi đắp có địa hình bằng phẳng nghiêng ra biển Dọc theo các sông có đê bao bọc

Lưu vực sông Hồng nằm giữa ranh giới của vùng nhiệt đới nội chí tuyến (phần lãnh thổ Việt Nam, một phần lãnh thổ Trung Quốc) và vùng cận chí tuyến (phần còn lại phía địa phận Trung Quốc) Khí hậu vùng này là khí hậu nhiệt đới gió mùa với mùa đông lạnh, khô, ít mưa và mùa hè nóng ẩm mưa nhiều, chịu tác động của cơ chế gió mùa Đông Nam Á với hai mùa gió: gió mùa mùa Đông và gió mùa mùa Hạ, nhưng do chịu tác động của địa hình nên các yếu tố khí hậu biến đổi mạnh mẽ theo không gian

kế hoạch xây dựng khoảng 52 nhà máy thủy điện trên thượng nguồn các sông Đà, sông

Lô và sông Thao

Bảng 1-3: Các nhà máy thủy điện trên sông Lý Tiên-thượng nguồn sông Đà [44]

TT Tên công trình Công suất (MW) Dung tích

(10 6 m 3 )

Chiều cao đập (m)

26

TT Tên công trình Công suất

(MW)

Dung tích (10 6 m 3 )

Chiều cao đập (m)

Hình 1-5 Sơ đồ các hồ chứa trên thượng nguồn sông Đà phía Trung Quốc

Trung Quốc chỉ cung cấp cho Việt Nam thông tin sơ lược về hồ chứa, số liệu quan trắc mực nước và lưu lượng của 05 trạm thủy văn: Trung Ái Kiều, Thổ Khả Hà, Kim Thuỷ

27

Hà (trên nhánh sông Đà) và Nguyên Giang, Mạn Hảo (trên nhánh sông Thao) mà không có thông tin về quy mô và chế độ vận hành của các hồ chứa Từ năm 2013 đến nay trạm Trung Ái Kiều nằm trong vùng lòng hồ nên đã ngừng đo đạc nên phía Trung Quốc cấp trạm Tứ Nam nằm trên sông Tứ Nam là nhánh cấp 3 của sông Đà Tuy nhiên, qua phân tích chế độ dòng chảy tại các trạm thuỷ văn phía Trung Quốc và thượng nguồn nước ta nhận thấy những dấu hiệu thiếu hụt nguồn nước trên thượng nguồn do việc khai thác vận hành của các hồ chứa phía Trung Quốc như sau:

- Các nhà máy Thủy điện phía Trung Quốc làm việc theo chế độ điều tiết ngày đêm nên dao động mực nước giữa giờ cao điểm và thấp điểm trong ngày lớn nhất Ví

dụ, tại trạm thủy văn Mường Tè trên sông Đà (cách biên giới khoảng 60 km) mực nước chênh lệch trong ngày khoảng 1,5-2,0 m Tại trạm thủy văn Hà Giang trên sông

Lô (cách biên giới 18 km) chênh lệch mực nước trong ngày khoảng 1,0-1,3 m

- Trong thời kỳ tháng V-VI năm 2008, các hồ thượng nguồn phía Trung Quốc làm giảm bớt 30- 50% lượng nước về Việt Nam

- Thời kỳ cấp nước khẩn trương tháng I-III, các hồ chứa trên sông Đà phía Trung Quốc giảm phát điện tới mức thấp nhất Theo thống kê từ 22/3 đến 6/6 (2005- 2008), dòng chảy ở thượng nguồn sông Đà chỉ vào khoảng 10-30 m3/s Về mùa lũ VI-X các

hồ chứa phía Trung Quốc đã giữ lại một lượng nước khoảng 14-20% tổng lượng nước chảy vào Việt Nam

Tr n ịa phận Việt Nam

1.4.2.2

Do vị trí địa hình thuận lợi nên hiện nay trên lưu vực sông Hồng ở phần lãnh thổ nước

ta đã xây dựng được rất nhiều hệ thống các hồ chứa, công trình thuỷ lợi để phát điện, cấp nước và phòng lũ bao gồm: hồ chứa, đập dâng, cống và trạm bơm cấp nước cho

Đồng bằng sông Hồng Theo thống kê chưa đầy đủ, trên lưu vực hiện đã có 53 hồ

chứa trong trạng thái đã vận hành, đang xây dựng và quy hoạch Các hồ chứa này có

quy mô khác nhau với nhiệm vụ chủ yếu là chỉ phát điện hoặc cấp nước Hiện nay, trên dòng chính hệ thống sông Hồng - Thái Bình đã có 05 hồ chứa đa mục tiêu đã được xây dựng và vận hành, đó là:

28

Hồ chứa Thác Bà (trên sông Chảy): Cao trình mực nước dâng bình thường 58,0 m;

mực nước dâng gia cường 61,0 m; dung tích chống lũ cho hạ du 0,45 tỷ m3

Hình 1-6: Bản đồ lưu vực sông Đà

Hồ chứa Hòa Bình (trên sông Đà): Cao trình mực nước dâng bình thường 117,0 m;

mực nước dâng gia cường 122,0 m; dung tích chống lũ cho hạ du 2,9 tỷ m3

Hồ chứa Tuyên Quang (trên sông Gâm): Cao trình mực nước dâng bình thường

120,0 m; mực nước dâng gia cường 122,55 m; dung tích chống lũ cho hạ du 1,0 tỷ m3

Hồ chứa Sơn La (trên sông Đà): Cao trình mực nước dâng bình thường 215,0 m;

mực nước dâng gia cường 217,83 m; dung tích chống lũ cho hạ du (kết hợp với hồ Hòa Bình) 7,0 tỷ m3

Hồ chứa Lai Châu (trên sông Đà): Cao trình mực nước dâng bình thường 295,0 m;

mực nước lớn nhất thiết kế 297,0 m; không có nhiệm vụ phòng lũ hạ du

Hệ thống hồ chứa trên dòng chính sông Hồng, chỉ có hồ chứa Lai Châu mới vận hành

02 tổ máy thuỷ điện cuối năm 2016 là không có nhiệm vụ phòng chống lũ cho hạ du,

04 hồ chứa Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà đều là các hồ chứa lợi dụng tổng hợp với nhiệm vụ phòng chống lũ cho hạ du trong thời kỳ mùa lũ Tổng dung tích