ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-RESSIM ĐỂ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ.. Với mong muốn vận dụng kiến thức đã học, áp dụng vào giải quyết một bài toán thực tế về t
Trang 1BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
PHẠM NGỌC SƠN
TÍNH TOÁN THỦY VĂN VÀ ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA
THỦY ĐIỆN BẮC MÊ – HÀ GIANG
ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành : Thủy văn
Hà Nội – 2015
Trang 2BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
PHẠM NGỌC SƠN
TÍNH TOÁN THỦY VĂN VÀ ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA
THỦY ĐIỆN BẮC MÊ – HÀ GIANG
ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành: Thủy văn
NGƯỜI HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN
TS NGUYỄN KIÊN DŨNG Th.S LÊ THỊ THƯỜNG
Hà Nội – 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
V ới tất cả tình cảm của mình, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
TS Nguyễn Kiên Dũng, Th.S Lê Thị Thường đã tạo cho tôi những điều kiện tốt
nh ất, định hướng cho tôi cách tiếp cận với bài toán và giành nhiều thời gian quý
báu để đóng góp những ý kiến, nhận xét để tôi có thể hoàn thành Đồ án của mình
Tôi xin bày t ỏ lòng biết ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo đang công tác
t ại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Khoa Khí tượng Thủy văn
đã tạo cho tôi một môi trường học tập lành mạnh, cho tôi những cơ hội để phấn đấu
và d ần trưởng thành hơn trong suốt 4 năm học vừa qua
Tôi xin chân thành c ảm ơn tới các cô chú, anh chị đang công tác tại Trung
tâm Ứng dụng và Bồi dưỡng nghiệp vụ Khí tượng thủy văn đã tạo điều kiện và giúp
đỡ tôi những khó khăn trong quá trinh làm đồ án tốt nghiệp
Tôi xin c ảm ơn tới tất cả các bạn trong lớp ĐH1T, những người đã cùng tôi
b ước đi trong suốt 4 năm học vừa qua
Tôi xin chân thành c ảm ơn !
Sinh viên
Phạm Ngọc Sơn
Trang 4MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ i
DANH MỤC BẢNG BIỂU iii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I : ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ – XÃ HỘI 4
1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 4
1.1.1 Vị trí địa lí 4
1.1.2 Điều kiện địa hình và mạng lưới sông ngòi 5
1.1.3 Điều kiện địa chất thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật 6
1.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 7
1.2.1 Văn hoá, xã hội 7
1.2.2 Tiềm năng kinh tế 7
1.3 HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN SÔNG GÂM 8
1.3.1 Dự án phát triển thủy điện trên lưu vực sông Gâm 8
1.3.2 Thủy điện Bắc Mê 8
CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN MƯA NĂM VÀ DÒNG CHẢY NĂM CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 5
2.1 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 5
2.1.1 Đặc điểm mưa 5
2.1.2 Chế độ nhiệt 5
2.1.3 Chế độ ẩm và bốc hơi 6
2.1.4 Đặc điểm khí hậu 6
2.2 TÍNH TOÁN THỦY VĂN 7
2.2.1 Tình hình tài liệu 7
2.2.2 Tính toán mưa năm và phân phối mưa năm thiết kế 7
2.3 TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY NĂM 17
2.3.1 Nhận xét chung tài liệu thủy văn 17
2.3.2 Tính toán chuẩn dòng chảy năm 18
2.3.3 Bổ sung số liệu dòng chảy tháng theo phương pháp mô hình toán 20
2.3.4 Theo phương pháp lưu vực tương tự 22
2.3.5 Tính dòng chảy năm cho tuyến công trình (1959-1996) 24
2.3.6 Phân tích lựa chọn kết quả 24
2.3.7 Tính chuẩn dòng chảy năm tuyến thủy điện Bắc Mê 24
Trang 52.3.8 Tính toán dòng chảy năm thiết kế 25
2.3.9 Tính phân phối dòng chảy năm thiết kế 26
CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LŨ 29
3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT TRẬN LŨ .29
3.2 TIÊU CHUẨN TÍNH LŨ THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG LŨ CẦN TÍNH TOÁN CHO THỦY ĐIỆN 29
3.3 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG ĐỈNH LŨ THIẾT KẾ .29
3.3.1.Đặc điểm lũ trên lưu vực 29
3.3.2 Bổ sung số liệu dòng chảy lũ cho tuyến Bắc Mê 30
3.3.3 Tính toán đỉnh lũ theo phương pháp thống kê tuyến Bắc Mê 31
3.4 TÍNH TOÁN TỔNG LƯỢNG LŨ VÀ QUÁ TRÌNH LŨ THIẾT KẾ .34
3.4.1 Tính toán tổng lượng lũ lớn nhất thiết kế 34
3.4.2 Xây dựng đường quá trình lũ thiết kế tuyến thủy điện Bắc Mê 40
3.4.3 So sánh lựa chọn quá trình lũ thiết kế 42
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN 44
4.1 XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ CỦA TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT 44
4.2 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-RESSIM ĐỂ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ .44
4.2.1 Số liệu dùng tính toán điều tiết dòng chảy 44
4.2.2 Ứng dụng mô hình Hec-ResSim để tính toán điều tiết phát điện vận hành hồ chứa thủy điện Bắc Mê 44
4.3 SỬ DỤNG PHẦN MỀM EXCEL ĐỂ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT PHÁT ĐIỆN VẬN HÀNH HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẮC MÊ .58
4.3.1 Nguyên lý chung 58
4.3.2 Phương pháp tính toán điều tiết phát điện cho hồ chứa độc lập phát điện, cấp nước theo công suất .59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
Trang 6i
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Bản đồ hành chính tỉnh Hà Giang 4
Hình 1-2: Sơ đồ quy hoạch thủy điện trên hệ thống sông Gâm 8
Hình 1-3: Vị trí dự án 9
Hình 2-1: Kết quả tính diện tích khống chế của các trạm đo mưa trên 10
Hình 2-2: Phân phối mưa năm bình quân lưu vực tại tuyến công trình 11
Hình 2-3 : Mô hình phân phối mưa năm theo thời khoảng tháng Trạm Bắc Mê năm mưa nhiều, mưa ít và mưa trung bình 14
Hình 2-4: Lượng bốc hơi Piche trung bình tháng trạm Bắc Mê (mm) 15
Hình 2-5: Đường lũy tích sai chuẩn dòng chảy năm trạm Chiêm Hóa, 19
Hình 2-6: Kết quả chỉ số NASH hiệu chỉnh 22
Hình 2-7: Kết quả chỉ số NASH kiểm định 22
Hình 2-8: Mô hình phân phối dòng chảy năm thiết kế năm ít nước, nhiều nước 28
Hình 3-1: Đường tần suất đỉnh lũ trạm Bắc Mê 32
Hình 3-2: Đường tần suất đỉnh lũ trạm Bắc mê( Phương án chọn mỗi năm 2 trị số) 33 Hình 3-3: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn nhất trạm Bắc Mê(T=1 ngày max) 35
Hình 3-4: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn nhất trạm Bắc Mê(T=3 ngày max) 35
Hình 3-5: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn nhất trạm Bắc Mê(T=5 ngày max) 36
Hình 3-6: Đường tần suất tổng lượng lũ lớn nhất trạm Bắc Mê (T=7 ngày max) 36
Hình 3-7: Quan hệ Đỉnh ~ Lượng lũ trạm Bắc Mê 37
Hình 3-8: Quan hệ Qmax ~ W1 trạm Bắc Mê 37
Hình 3-9: Quan hệ W1 ~ W3 Trạm Bắc Mê 38
Hình 3-10: Quan hệ W3 ~ W5 Trạm Bắc Mê 38
Hình 3-11: Quan hệ W5 ~ W7 Trạm Bắc Mê 39
Hình 3-12: Quá trình lũ thiết kế tuyến Bắc Mê theo phương án 1(theo hệ số KQ) 41
Hình 3-13: Quá trình lũ thiết kế P% tuyến thủy điện Bắc Mê theo phương án 2 (hai tỷ số thu phóng KQ và KT) 42
Hình 4-1: Cấu trúc mô hình Hec-ResSim 45
Hình 4-2: Thiết lập mạng lưới lưu vực tinh toán 47
Hình 4-3: Mạng lưới hồ thủy điện Bắc Mê được thiết lập 48
Hình 4-4: Khai báo các thành phần của nút hồ 49
Hình 4-5: Khai báo các thành phần của đoạn sông 49
Trang 7ii
Hình 4-6: Khai báo đường đặc trưng kho nước Z~ V~ F 50
Hình 4-7: Khai báo đường quá trình bốc hơi nước 50
Hình 4-8: Khai báo cao trình và chiều dài của đập 51
Hình 4-9: Khai báo đường quan hệ Q~H hạ lưu .52
Hình 4-10: Khai báo công suất lắp máy, hệ số vượt tải … 52
Hình 4-11: Khai báo thông số cửa xả không điều kiện ( xả tràn ) 52
Hình 4-12: Khai báo phương án vận hành 53
Hình 4-13: Lựa chọn phương án vận hành 54
Hình 4-14: Khai báo phương án điều tiết 55
Hình 4-15: Mô phỏng phương án điều tiết 55
Hình 4-16: Biểu đồ lưu lượng và mực nước của hồ Bắc Mê năm 2005-2006 56
Hình 4-17: Biểu đồ công suất phát điện của nhà máy thủy điện Bắc Mê 57
Hình 4-18: Biểu đồ xả qua máy phát và xả tràn của thủy điện 58
Hình 4-19: Thuật toán tính toán điều tiết dòng chảy với hồ độc lập phát điện theo công suất cho trước 62
Trang 8iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Đặc trưng hình thái lưu vực 6
Bảng 2-1: Nhiệt độ không khí trung bình tháng các năm 6
Bảng 2-2: Phân phối bốc hơi khu vực Bắc Mê 6
Bảng 2-3: Dữ liệu quan trắc mưa ngày thu thập được trong nghiên cứu 7
Bảng 2-4: Lượng mưa trung bình nhiều năm các trạm lân cận và tại công trình 8
Hình 2-1: Kết quả tính diện tích khống chế của các trạm đo mưa trên 10
Bảng 2-5: Diện tích khống chế của các trạm đo mưa trên khu vực nghiên cứu 10
Bảng 2-6: Lượng mưa bình quân lưu vực đến tuyến công trình 11
Bảng 2-7: Phân phối mưa năm bình quân khu vực .11
Bảng 2-8: Các tham số thống kê và lượng mưa năm ứng với tần suất 12
Bảng 2-9: Mô hình mưa thiết kế 13
Bảng 2-10: Lượng bốc hơi Piche trung bình tháng trạm Bắc Mê (mm) 15
Bảng 2-11: Phân phối tổn thất bốc hơi phụ thêm mặt hồ Bắc Mê (mm) 17
Bảng 2-12: Dữ liệu dòng chảy thu thập trong quá trình nghiên cứu 18
Bảng 2-13 : Các thời kỳ nước khác nhau tại trạm Chiêm Hóa, Na Hang , 20
Bảng 2-14: Phương trình hồi quy và hệ số tương quan Trạm Chiêm Hóa, Bắc Mê 23
Bảng 2-15: Kết quả các đặc trưng của chuẩn dòng chảy năm .25
Bảng 2-16: Đặc trưng thống kê, lưu lượng dòng chảy năm ứng với tần suất 25
Bảng 2-17: Phân phối dòng chảy năm thiết kế hồ Bắc Mê .27
Bảng 3-1: Phương trình hồi quy và hệ số tương quan theo quan hệ Q = f(H) .31
Bảng 3-2: Các đặc trưng thống kê chuỗi Qmax đỉnh (1981-2009) 32
Bảng 3-3: Các thông số thống kê và thiết kế lũ tuyến Bắc Mê 33
Bảng 3-4: Thông số thống kê và trị số tổng lượng lũ thiết kế tuyến Bắc Mê 35
Bảng 3-5 : Phương trình hồi quy và hệ số tương quan của các quan hệ 36
Bảng 3-6: Tổng lượng lũ thiết kế ứng với các thời đoạn tính toán tại công trình 39
Bảng 3-7: So sánh kết quả tính lưu lượng đỉnh lũ theo 2 phương án 39
Bảng 3-8: Các hệ số thu phóng lũ thiết kế trạm Bắc Mê 40
Bảng 4-1: Bảng kết quả đường quá trình mực nước và lưu lượng của hồ Bắc Mê 56
Bảng 4-3: Tính toán điều tiết xác định lưu lượng xả qua tuabin bởi công suất cố định cho trước 63
Bảng 4-4: Tính toán điều tiết xác định lưu lượng xả qua tuabin bởi công suất cố định cho trước 66
Trang 91
MỞ ĐẦU
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới và phát triển kinh tế xã hội rất nhanh chóng, nhu cầu năng lượng điện hàng năm tăng tới 15% Các công trình thủy điện vừa và lớn trên các hệ thống sông cả nước trong nhiều năm qua đã mang lại hiệu quả rất lớn trong việc tạo nguồn năng lượng phục vụ phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường bền vững Bên cạnh những lợi ích to lớn của các thủy điện vừa
và lớn mang lại thì các thủy điện nhỏ cũng đóng góp một phần rất đáng kể cho đất nước, đặc biệt là cho phát triển kinh tế, xã hội ở các địa phương miền núi như Tây Bắc, Đông Bắc….Do đó việc phát triển ồ ạt thủy điện nhỏ như hiện nay cần phải được quản lý chặt chẽ nhằm ngăn chặn những tác động bất lợi đến tài nguyên môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia
Một trong những vấn đề đặt ra trong việc xây dựng các nhà máy thủy điện là vấn đề phải tính toán những đặc trưng thủy văn cần thiết, liên quan đến các nhiệm
vụ của dự án khi đi vào vận hành Xem xét chế độ dòng chảy đến hồ chứa, các đặc điểm, đặc trưng thủy văn liên quan và quyết định đến quy mô, kích thước và nhiệm
vụ công trình
Với mong muốn vận dụng kiến thức đã học, áp dụng vào giải quyết một bài toán thực tế về tư vấn thiết kế công trình xây dựng hồ chứa thủy điện có quy mô
trung bình, em xin lựa chọn đề tài “Tính toán thủy văn và điều tiết hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Hà Giang”
II TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Theo quy hoạch thủy điện trên hệ thống sông Gâm từ năm 2007 đến nay, đã có công trình đã được đưa vào vận hành như nhà máy thủy điện Tuyên Quang năm
2008 Tiếp theo thủy điện Tuyên Quang là hàng loạt các nghiên cứu về việc xây dựng các thủy điện vừa và nhỏ về phía thượng lưu thủy điện Tuyên Quang trên sông Gâm, cụ thể:
- Dự án nghiên cứu xây dựng công trình thủy điện Bảo Lạc thuộc huyện Bảo Lâm, tỉnh Cao Bằng Dự án này được Chí nhánh tư vấn 1- Tổng công ty tư vấn sông
Đà là nhà thiết kế và thi công Dự án này đã nghiên cứu, tính toán các đặc trưng thủy văn làm cơ sở cho việc tính toán quy mô và kích thước của công trình Tuy nhiên nghiên cứu chưa chỉ rõ được các đặc trưng thủy văn phục vụ cho tính toán điều tiết phát điện cũng như chưa xét đến ảnh hưởng của công trình thủy điện Tuyên Quang phía hạ lưu
- Dự án nghiên cứu xây dựng thủy điện trên dòng nhánh Nho Quế thuộc sông Gâm: Trong các nghiên cứu trước đây của bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn
đã để cập đến nhánh Nho Quế nhưng cho rằng điều kiện địa hình và địa chất ở lưu
Trang 102
vực sông Nho Quế không có khả năng xây dựng hồ chứa có dung tích lớn điều tiết dòng chảy do độ dốc lòng sông lớn và trong lưu vực có đá vôi phát triển mạnh, khả năng mất nước rất lớn Do đó trên sông Nho Quế chỉ có thể xây hồ chứa nhỏ có dung tích điều tiết ngắn hạn, phát điện chủ yếu là dòng chảy tự nhiên, lợi dụng cột nước địa hình để khai thác năng lượng
Trong quy hoạch bậc thang thuỷ điện sông Lô- Gâm đã nghiên cứu khá đầy đủ các sơ đồ khai thác nhánh sông Lô và đều đi đến kết luận sông Lô không có khả năng khai thác thuỷ điện với quy mô cao một cách kinh tế vì độ dốc của sông rất nhỏ, sông chảy qua vùng đồng bằng chạy dài từ Hà Giang đến Tuyên Quang Theo báo cáo bổ sung quy hoạch bậc thang thủy điện sông Gâm của công ty cổ phần tư vấn và chuyển giao công nghệ thủy lợi – Chi nhánh Tuyên Quang cho thấy trên dòng chính sông Gâm có 2 công trình là thuỷ điện Tuyên Quang và thuỷ điện Bắc Mê
Từ những nghiên cứu trên cho thấy, việc đưa vào nghiên cứu, tính toán xây dựng thủy điện Bắc Mê là hoàn toàn cần thiết và có cơ sở Dự án công trình thủy điện Bắc Mê thuộc loại công trình thủy điện có quy mô trung bình Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN-285) đây là dự án cấp III
Ngoài nhiệm vụ là điều tiết phòng lũ cho hạ du và phát điện thì hồ chứa còn được sử dụng để cấp nước cho hạ du với nhiều mục đích như: cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thủy sản và giao thông thủy Với nhiệm vụ như trên,
đồ án sẽ đi sâu vào tính toán các đặc trưng thủy văn nhằm phục vụ tính toán điều
tiết phát điện cho thủy điện Bắc Mê với tên đề tài: “Tính toán thủy văn và điều
tiết hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Hà Giang”
1 Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án
Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu các tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến tính toán thủy văn thiết kế cho các dự án thủy lợi, thủy điện Trên cơ sở đó lựa chọn phương pháp để phân tích, tính toán các đặc trưng khí tượng thủy văn thiết kế phục vụ điều tiết phát điện cho công trình thủy điện Bắc Mê trên sông Gâm Đồ án này giúp cho sinh viên làm quen, tiếp cận với những phương pháp tính toán và nắm bắt thực tế nhằm chuẩn bị thêm kiến thức và kinh nghiệm phục vụ cho công tác nghề nghiệp sau khi ra trường
2 Nội dung nghiên cứu
• Tìm hiểu các tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến tính toán thủy văn thiết kế cho
dự án thuỷ điện Bắc Mê – Tỉnh Hà Giang
• Ứng dụng phương pháp mô hình toán để tính toán dòng chảy tháng, năm cho tuyến công trình tại thủy điện Bắc Mê – Tỉnh Hà Giang
3 Địa điểm và đối tượng nghiên cứu
• Địa điểm nghiên cứu : Lưu vực sông Gâm , huyện Bắc Mê, tỉnh Hà Giang
Trang 113
• Đối tượng nghiên cứu : Các đặc trưng khí tượng thủy văn khu vực xây dựng
hồ chứa thủy điện Bắc Mê – Tỉnh Hà Giang
4 Phương pháp ứng dụng
• Phương pháp tương tự thủy văn để khôi phục số liệu cho trạm quan trắc bị thiếu tài liệu đo đạc
• Phương pháp thống kê, thu thập tài liệu :Thống kê, thu thập các tài liệu, số liệu khí tượng thủy văn, số liệu quan trắc như mưa, bốc hơi, mực nước, lưu lượng phù hợp với mục tiêu đề tài
• Phương pháp mô hình toán: Mô hình thủy văn TANK để khôi phục tài liệu dòng chảy từ mưa và mô hình thủy lực Hec-ResSim để tính toán điều tiết phục vụ phát điện
Ngoài phần mở đầu và kết luận, đồ án được trình bày trong 4 chương bao gồm :
Chương 1 : Điều kiện địa lý tự nhiên khu vực nghiên cứu trình bày khái quát
một số đặc điểm địa lý, địa hình của lưu vực và khái quát về tình hình dân sinh kinh
tế của huyện Bắc Mê tỉnh Hà Giang
Chương 2 : Tính toán mưa năm và dòng chảy năm phân tích và tính toán một
số đặc trưng bao gồm : Lượng mưa bình quân trên lưu vực, lượng mưa năm và dòng chảy năm thiết kế, phân mùa mưa, phân phối mưa năm và dòng chảy năm thiết kế, tổn thất bốc hơi
Chương 3 : Tính toán dòng chảy lũ tiến hành tìm hiểu về đặc điểm của lũ trên
lưu vực, tính toán tổng lượng lũ và quá trình lũ thiết kế, xây dựng đường quá trình lũ thiết kế cho tuyến công trình thủy điện Bắc Mê
Chương 4 : Tính toán điều tiết hồ chứa xác định nhiệm vụ của tính toán điều
tiết cho thủy điện, ứng dụng mô hình thủy lực Hec-ResSim và sử dụng phần mềm Excel để tính toán điều tiết cho hồ chứa độc lập phát điện và cấp nước theo công suất; sau đó so sánh kết quả giữa hai phương án sử dụng tính toán điều tiết để từ đó
tư vấn thiết kế cho công trình