Nghiên cứu cơ sở khoa học điều hành liên hồ chứa chống lũ lưu vực sông ba

Tính cấp thiết của luận án Những năm gần đây, việc lập quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ cho hạ du được đặc biệt quan tâm, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 1879/Q

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Khải

2: PGS.TS Nguyễn Tiền Giang

HÀ NỘI, 2018

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng bảo vệ ở bất kỳ học vị nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc theo quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Việt

Luận án được thực hiện tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Khải và PGS.TS Nguyễn Tiền Giang là các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả các công trình nghiên cứu

đã công bố mà tác giả đã trích dẫn trong luận án, cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình tác giả thu thập và sử lý tài liệu phục vụ nghiên cứu

Tác giả trân trọng cám ơn PGS TS Nguyễn Thanh Sơn, PGS.TS Trần Ngọc Anh, các Thầy, Cô giáo Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả xin chân thành cám ơn cơ quan, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hết lòng giúp đỡ, động viên giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA 5

1.1 Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới 5

1.1.1 Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữa các hồ 5

1.1.2 Phương pháp tối ưu hoá 7

1.1.3 Phương pháp mô phỏng 9

1.1.4 Kết hợp phương pháp mô phỏng với tối ưu 10

1.1.5 Ứng dụng Logic mờ trong vận hành hồ chứa 11

1.2 Tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa ở Việt Nam 13

1.2.1 Các nghiên cứu trên toàn quốc 13

1.2.2 Các nghiên cứu trên lưu vực sông Ba 15

1.2.3 Công nghệ dự báo hỗ trợ vận hành 19

1.2.4 Quá trình phát triển Quy trình vận hành hệ thống hồ chứa sông Ba 21

1.3 Hướng tiếp cận nghiên cứu 24

1.4 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ HẠ DU THEO LOGIC MỜ 27

2.1 Lý thuyết mờ 27

2.1.1 Tập mờ 27

2.1.2 Lôgic mờ 30

2.1.3 Bộ điều khiển mờ 33

2.1.4 Logic mờ trong Matlab 37

2.2 Phương pháp diễn toán Muskingum-Cunge 38

2.2.1 Phương pháp diễn toán Muskingum 38

2.2.2 Phương pháp diễn toán Muskingum-Cunge 41

2.3 Thiết lập bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du 43

2.4 Thiết lập Mô hình mô phỏng điều tiết và truyền lũ trên hệ thống sông 44

2.4.1 Vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa 45

2.4.2 Diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạn sông 50

2.4.3 Các hàm hỗ trợ tính toán 51

2.5 Kết luận Chương 2 51

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ LƯU VỰC SÔNG BA 52

3.1 Hiện trạng lưu vực sông Ba và hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực 52

3.1.1 Đặc điểm tự nhiên 52

3.1.2 Đặc điểm mùa mưa lưu vực sông Ba 54

3.1.3 Đặc điểm lũ lưu vực sông Ba 56

3.1.4 Các hồ chứa lớn và khả năng tham gia chống lũ 61

3.2 Ứng dụng Logic mờ xây dựng mô hình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ lưu vực sông Ba 64

3.2.1 Sơ đồ hóa và mô phỏng hệ thống 64

3.2.2 Tài liệu thủy văn, địa hình 69

3.2.3 Thiết lập các hàm liên thuộc, hệ luật mờ 73

3.2.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 79

3.3 Kết quả tính toán phối hợp vận hành hệ thống liên hồ 83

3.3.1 Vận hành hạ mực nước hồ để đón lũ 83

3.3.2 Vận hành giảm lũ cho hạ du 90

3.3.3 Vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ 102

3.4 Kết luận Chương 3 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHỤ LỤC 117

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Cao trình mực nước đón lũ của các hồ theo quy trình 1757 22

Bảng 1.2: Cao trình mực nước cao nhất trước lũ, mực nước đón lũ của các hồ theo quy trình 1077 23

Bảng 3.1: Lượng mưa lớn nhất ngày tại khu vực Tây Trường Sơn và trung gian 55

Bảng 3.2: Lượng mưa lớn nhất ngày tại các trạm Khu vực Đông Trường Sơn 55

Bảng 3.3 :Thời gian xuất hiện đỉnh lũ lớn nhất tại các trạm thủy văn 57

Bảng 3.4 : Đỉnh lũ lớn nhất đã quan trắc được tại các trạm thuỷ văn 58

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa 62

Bảng 3.6: Dung tích ứng với các thông số mực nước 64

Bảng 3.7 : Tần suất và lưu lượng đỉnh lũ tại các tuyến 69

Bảng 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đến hồ Kanak 73

Bảng 3.9: Các hàm liên thuộc biến Mực nước hồ Kanak, TV An Khê 74

Bảng 3.10 : Các luật mờ điều hành lưu lượng qua hồ chứa 77

Bảng 3.11: Đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình 81

Bảng 3.12: Đánh giá kết quả kiểm định mô hình 83

Bảng 3.13: Các trường hợp tính toán điều hành xả hồ Kanak 84

Bảng 3.14: Kết quả tính vận hành giai đoạn hạ mực nước hồ Kanak để đón lũ 87

Bảng 3.15: Kết quả tính so sánh hiệu quả giữa trường hợp vận hành (3) và (1) 89

Bảng 3.16: Kết quả tính so sánh hiệu quả giữa trường hợp vận hành (3) và (2) 89

Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả tính vận hành giảm lũ cho hạ du 100

Bảng 3.18: Dung tích lũ đến, xả lũ của các hồ 101

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hệ thống hồ chứa bậc thang 5

Hình 1.2: Hệ thống hồ chứa song song 5

Hình 1.3: Sơ đồ hướng tiếp cận nghiên cứu 25

Hình 2.1 : Một số dạng hàm liên thuộc A(x) 28

Hình 2.2 : Sơ họa các tập mờ cho giá trị ngôn ngữ nhiệt độ nước T 30

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của Bộ điều khiển mờ 33

Hình 2.4: Dung tích hình lăng trụ và dung tích hình nêm 38

Hình 2.5: Vùng giới hạn cho các tham số theo muskingum 40

Hình 2.6: Minh họa dòng chảy cơ sở 43

Hình 2.7: Sơ đồ tổng quát mô hình điều tiết và truyền lũ trên hệ thống sông 45

Hình 2.8: Các biến mờ hóa trong bộ điều khiển mờ 46

Hình 2.9: Hàm liên thuộc cho biến đầu vào 47

Hình 2.10: Hệ thống các luật vận hành hồ chứa 49

Hình 3.1: Bản đồ lưu vực sông Ba 53

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống hồ chứa, khu giữa lưu vực sông Ba 65

Hình 3.3 : Sơ đồ khối tính toán vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ 68

Hình 3.4: Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tại An Khê 72

Hình 3.5: Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tại Ayun Pa 72

Hình 3.6: Quan hệ Lưu lượng lũ tại Củng Sơn và Mực nước tại Phú Lâm 73

Hình 3.7: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đến (Qden) 75

Hình 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước hồ (Hho) 75

Hình 3.9: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước khống chế hạ du (Hankhe) 76

Hình 3.10: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng xả qua hồ (Qxả) 76

Hình 3.11: Hệ thống các luật vận hành hồ chứa 78

Hình 3.12: Đường quá trình lưu lượng tại An Khê - trận lũ tháng X/1993 79

Hình 3.13: Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn - trận lũ tháng X/1993 80

Hình 3.14: Đường quá trình mực nước tại Ayun Pa - trận lũ tháng X/1993 80

Hình 3.15: Đường quá trình mực nước tại Phú Lâm - trận lũ tháng X/1993 80

Hình 3.16: Đường quá trình lưu lượng tại An Khê - trận lũ tháng XI/1988 81

Hình 3.17: Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn - trận lũ tháng XI/1988 82

Hình 3.18: Đường quá trình mực nước tại Ayun Pa - trận lũ tháng XI/1988 82

Hình 3.19: Đường quá trình mực nước tại Phú Lâm - trận lũ tháng XI/1988 82

Hình 3.20 : Kết quả điều tiết hồ Kanak với trận lũ XI/1981 - Lũ thực đo 85

Hình 3.21: Điều tiết hồ Kanak với trận lũ X/1993 - Không hạ MN hồ đón lũ 85

Hình 3.22: Diễn biến mực nước tại trạm TV An Khê với trận lũ XI/2013 97

Hình 3.23: Diễn biến mực nước tại trạm TV Phú Lâm với trận lũ XI/2013 98

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BĐ I Báo động I

BĐ II Báo động II

BĐ III Báo động III

DP Quy hoạch động - Dynamics Programming

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

FIS Hệ thống suy luận mờ - Fuzzy Inference System

FLC Bộ điều khiển mờ - Fuzzy Logic Controller

GA Thuật toán di truyền - Genetic Algorithms

LP Quy hoạch tuyến tính - Linear Programming

LVS Lưu vực sông

MF Hàm liên thuộc, hàm thành viên - Membership Function

MNC Mực nước chết

MNCNTL Mực nước cao nhất trước lũ

MNDBT Mực nước dâng bình thường

MNĐL Mực nước đón lũ

MOEA

Thuật toán tiến hóa đa mục tiêu- Multiobjective Evolutionary Algorithm

NLP Quy hoạch phi tuyến - Nonlinear Programming

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

QTVH Quy trình vận hành

SDP Quy hoạch động ngẫu nhiên- Stochastics Dynamics Programming TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Những năm gần đây, việc lập quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ cho hạ du được đặc biệt quan tâm, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định

số 1879/QĐ-TTg ngày 13/10/2010 phê duyệt danh mục các hồ thủy lợi, thủy điện trên lưu vực sông phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa, trong đó có lưu vực sông Ba Bộ Tài nguyên và Môi trường được giao chủ trì xây dựng các Quy trình vận hành liên hồ chứa, trình duyệt theo quy định

Đối với lưu vực sông Ba, Thủ tướng Chính phủ đã có các Quyết định số 1757/QĐ-TTg ngày 23/9/2010 ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa các hồ Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H’Năng, Ayun Hạ và An Khê-Ka Nak trong mùa lũ hàng năm” (Quy trình 1757), Quyết định số 1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014 ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba” (Quy trình 1077), Quyết định số 282/QĐ-TTg ngày 01/3/2017 về sửa đổi, bổ sung một số điều của Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba Tuy nhiên, Quyết định số 282/QĐ-TTg chỉ sửa đổi, bổ sung một số nội dung: vận hành duy trì dòng chảy sau đập An Khê trong mùa lũ khi không tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du; vận hành duy trì dòng chảy sau đập An Khê và sông Hinh trong mùa cạn Vì vậy về cơ bản việc vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du lưu vực sông Ba vẫn được thực hiện theo Quy trình 1077

Bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du là bài toán phức tạp Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhưng việc nâng cao hiệu quả vận hành hiện đang còn khá nhiều tồn tại và vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu Một số vấn đề cụ thể đối với lưu vực sông Ba như sau:

- Thực tế vận hành các hồ chứa trong mùa lũ theo Quy trình 1077 cho đến nay đã bộc lộ một số bất cập, như khi chỉ có mưa lớn sinh lũ ở phần hạ lưu sông Ba hoặc khi các tiểu lưu vực khác trên sông Ba không có mưa mà chỉ có mưa cục bộ tại tiểu lưu vực hồ Krông H’Năng thì việc vận hành xả nước đón lũ của các hồ ở thượng du không có lưu lượng lũ đến lớn như Ka Nak, Ayun Hạ theo quy trình liên

hồ hiện hành là không mang lại hiệu quả cho chống lũ đồng thời giảm hiệu quả phát

điện Việc thực hiện theo quy định tại khoản 3 Điều 5 của Quy trình “Trong thời kỳ mùa lũ, khi chưa tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du, mực nước các hồ chứa không được vượt mực nước cao nhất trước lũ ” cũng làm giảm đầu nước phát điện

và tiềm ẩn nguy cơ không tích được đủ nước vào cuối mùa lũ

- Theo đánh giá của Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương, tuy công tác dự báo khí tượng thủy văn đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng đến nay việc nghiên cứu, áp dụng cũng như độ chính xác trong dự báo trung, dài hạn đối với các yếu tố dòng chảy vẫn ở mức độ hạn chế Thời gian dự kiến dự báo quá trình lũ cho khu vực Trung Bộ, Tây Nguyên đối với các sông lớn là 24 giờ với mức đảm bảo dự báo khoảng 75÷80% Sai số còn lớn đối với dự báo trước 48÷72 giờ Trong giai đoạn hiện tại, việc dự báo lũ đến hồ chứa theo thời gian dự kiến 3÷5 ngày với yêu cầu đạt độ chính xác, độ tin cậy cho phép chưa thể thực hiện được

- Diễn biến theo xu hướng bất lợi, cực đoan của các yếu tố khí hậu, sự gia tăng về yêu cầu đảm bảo cấp nước, phòng chống lũ, mâu thuẫn giữa phát điện và chống lũ hạ du càng gay gắt

Trong quá trình vận hành hồ chứa luôn phải xử lý tính ngẫu nhiên của các yếu tố thủy văn Tính ngẫu nhiên này càng tăng khi biến đổi khí hậu đang diễn ra với chiều hướng gia tăng Hiện nay, có nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa, trong đó phương pháp ứng dụng Logic

mờ là phương pháp có nhiều điểm mạnh trong xử lý các bài toán có yếu tố đầu vào không chắc chắn, rất phù hợp cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa Đây cũng là phương pháp chưa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực tài nguyên nước ở Việt Nam Vì vậy, Luận án hướng tới việc bổ sung phương pháp luận và định hướng tiếp cận đối với bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du thông qua Logic mờ, đây là vấn đề cấp thiết và mang tính thời sự

2 Mục tiêu luận án

Mục tiêu chính của luận án là:

- Nghiên cứu ứng dụng Logic mờ xây dựng mô hình toán phục vụ vận hành

hệ thống liên hồ chứa chống lũ

- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đề xuất một số nội dung điều chỉnh quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du lưu vực sông Ba

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án: bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du

Phạm vi nghiên cứu của luận án: các hồ chứa có nhiệm vụ điều tiết giảm lũ trên lưu vực sônng Ba, gồm Ka Nak-An Khê, Ayun Hạ, Krông H’năng, Sông Ba Hạ

và Sông Hinh

4 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra, luận án sẽ sử dụng các hướng tiếp cận, phương pháp và công cụ nghiên cứu sau:

a Hướng tiếp cận

- Hướng tiếp cận hệ thống (systemic approach): coi mỗi hồ chứa là một hệ thống con trong toàn hệ thống lớn Ngoài việc nghiên cứu điều hành của mỗi hồ, luận án còn tập trung xem xét sự ảnh hưởng và tương tác giữa các hồ để từ đó đề xuất giải pháp vận hành hệ thống liên hồ chứa

- Hướng tiếp cận phân tích hệ thống (systems analysis): sử dụng các công cụ mang tính logic, định lượng và có cấu trúc của khoa học và công nghệ hiện đại như

mô phỏng, hệ thống luật mờ đề giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa

b Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập, phân tích tổng hợp số liệu

- Phương pháp thống kê, kế thừa, áp dụng có chọn lọc các tài liệu, sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có

- Phương pháp mô hình hóa: luận án đã dùng công cụ mô phỏng và logíc mờ

để đánh giá hoạt động của hệ thống hồ chứa với các quy trình vận hành khác nhau

- Phương pháp chuyên gia, chuyên khảo, sử dụng các kiến thức, kinh nghiệm của các chuyên gia trong và ngoài nước về vận hành hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Ý nghĩa khoa học: luận án đề xuất cách tiếp cận và lựa chọn Logic mờ cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du Kết quả nghiên cứu của

luận án đóng góp về cơ sở phương pháp luận cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du theo thời gian thực

- Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết những khó khăn trong vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du nói chung và hệ thống sông Ba nói riêng,

6 Những đóng góp mới của luận án

Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học cho việc thiết lập mô hình toán vận hành liên hồ chứa chống lũ, bao gồm:

- Bước đầu thành công trong việc ứng dụng Logic mờ trong vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du lưu vực sông Ba, mở ra triển vọng ứng dụng lý thuyết này cho các hệ thống liên hồ chứa khác có nhiệm vụ chống lũ ở Việt Nam, hướng tới vận hành hệ thống liên hồ chứa theo thời gian thực

- Bằng mô hình toán vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông Ba được thiết lập theo Logic mờ đã góp phần nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ và phát điện của các hồ chứa trong quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung nghiên cứu của Luận án được trình bày trong các chương:

Chương 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa

Chương 2 Cơ sở thiết lập bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ

hạ du theo Logic mờ

Chương 3 Kết quả nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ lưu vực sông Ba

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA

1.1 Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới

Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu đã được các nhà khoa học, các cơ quan quản lý đầu tư nghiên cứu từ nhiều năm nay Nguyên tắc chung là tìm quy trình tích, xả nước và sự phối hợp giữa các công trình để đạt được lợi ích kinh tế xã hội cao nhất Các nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa thường sử dụng một số nguyên tắc và phương pháp chính như sau:

1.1.1 Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữa các hồ

Những quy tắc này giúp quyết định về xả và trữ nước cho mỗi hồ chứa tại mỗi bước thời gian trong quá trình mô phỏng Trong thời gian qua, đã đạt được một

số quy tắc vận hành theo thời gian thực đối với các hồ chứa nối tiếp và song song, nhưng áp dụng chủ yếu cho các nghiên cứu điều hành theo mùa hoặc dài hạn [61]

1.1.1.1 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa bậc thang

Phần dung tích phòng lũ của hồ chứa gần điểm kiểm soát lũ nhất thường có khả năng chống lũ cao hơn so với các hồ khác Do vậy, với hệ thống hồ bậc thang,

có lưu lượng bổ sung khu giữa, vùng bảo vệ chống lũ nằm ở hạ du hệ thống, cách điều tiết lũ hợp lý nhất cho mục tiêu kiểm soát lũ hạ du là: khi tích nước (cắt lũ) sẽ tích đầy hồ phía trên trước sau đó đến hồ phía dưới, khi cần dung tích trống để điều tiết cho trận lũ sau thì tiến hành xả hồ phía dưới trước (Hình 1.1)

Hình 1.1: Hệ thống hồ chứa bậc thang Hình 1.2: Hệ thống hồ chứa song song

Trường hợp ngoại lệ có thể xảy ra là khi năng lực xả của hồ phía hạ du quá nhỏ thì có thể không áp dụng quy tắc trên Khi đó, tốt hơn là tích vào hồ thấp nhất trước, nhằm nâng cao mực nước hồ, từ đó nâng cao năng lực xả của toàn hệ thống xuống hạ du Điều này sẽ cho phép xả trước nhiều hơn, tăng tổng dung tích dự phòng cho trận lũ sắp đến

Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa bậc thang là tối đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp nêu trên là tích đầy cho các hồ phía trên trước, khi cần dung tích trống để điều tiết chống lũ thì xả hồ hạ lưu trước [61]

1.1.1.2 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa song song

Cách tiếp cận trong điều hành kiểm soát lũ đối với hệ thống hồ song song là cân bằng giữa dung tích cắt lũ và lượng dòng chảy lũ đến, ưu tiên dành dung tích chống lũ cho hồ chứa có dự báo lượng lũ đến lớn hơn Khi cần giảm lượng xả xuống hạ du, thì giảm lượng xả trước tiên ở các hồ còn nhiều dung tích trống hoặc

có lượng dòng đến nhỏ nhất Khi có thể tăng lượng xả xuống hạ du thì xả trước tiên

từ các hồ đã tích đầy hơn hoặc có lượng dòng đến lớn hơn (Hình 1.2)

Mặc dù nguyên tắc cân bằng dung tích kiểm soát lũ đã rõ, nhưng việc điều hành để đạt mục tiêu trên lại không dễ Mục tiêu kiểm soát lũ là giảm đỉnh lũ ở hạ

du bằng cách tích nước lại ở hồ, nhưng các trận lũ đến hồ thường rất nhanh, khó dự báo chính xác và cắt đúng đỉnh lũ Vì vậy, quy luật vận hành chung cho các hồ chứa song song vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng

Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa song song là tối

đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp nêu trên là ưu tiên tích cho các hồ có sản lượng điện lớn hơn [61]

Trên đây nêu những nguyên tắc chung trong vận hành hệ thống hồ chống lũ

và phát điện, khi ứng dụng vào điều kiện thực tế Việt Nam và lưu vực sông Ba sẽ có thêm những vấn đề như: khó khăn trong phối hợp vận hành do các hồ chứa trong hệ thống thuộc quyền quản lý của các chủ hồ khác nhau, khả năng dự báo thủy văn trung hạn đặc biệt là cho khu vực miền Trung còn hạn chế

1.1.2 Phương pháp tối ưu hoá

Phương pháp tối ưu hóa được xây dựng nhằm thích ứng với đặc điểm đa chiều, động, phi tuyến và ngẫu nhiên của các hồ hoặc hệ thống hồ chứa, thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành các hồ hoặc hệ thống hồ chứa sử dụng đầu vào là dòng chảy dự báo

Các kỹ thuật tối ưu như quy hoạch tuyến tính (LP), quy hoạch động (DP), quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP), thuật toán tiến hóa (EA) đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vận hành hồ chứa

Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính

để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hoá xác định Phương pháp này được gọi là “quy hoạch động Monte-Carlo” Về cơ bản phương pháp này dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho đoạn sông yêu cầu 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 yếu tố chính ảnh hưởng đến quy trình tối ưu Kết quả thu được là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực

Karamouz và Houck (1987) đã tìm ra các quy tắc vận hành chung bằng hồi quy và quy hoạch động tất định (DPR) Mô hình DPR kết hợp thủ tục hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được đề xuất bởi Bhaskar và Whilach (1980) Quy tắc điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa cũng được phát triển bằng phương pháp quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP), trong đó yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn thất Phương pháp tiếp cận này cũng đã được Butcher, Loucks và nhiều người khác

sử dụng [18]

Phương pháp và mô hình vận hành tối ưu hồ chứa kiểm soát lũ thời gian thực trên cơ sở kết hợp mô hình quy hoạch phi tuyến và mô hình mô phỏng dòng chảy lũ DWOPER (Dynamic Wave OPERation) đã được áp dụng để nghiên cứu cho hồ chứa Travis ở hạ lưu sông Colorado, Texas [74]

Phương pháp Folded Dynamic Programming (FDP) để phát triển các phương

án vận hành hồ chứa tối ưu để kiểm soát lũ, được áp dụng cho nghiên cứu điển hình của hồ chứa Hirakud ở lưu vực Mahanadi, Ấn Độ Phương pháp đề xuất có thể được

mở rộng đến các tình huống lưu vực tương tự [56]

Một dạng khác là các mô hình tối ưu tư vấn (Prescriptive optimization models) Các mô hình này cung cấp khả năng mở rộng để lựa chọn một cách có hệ thống các giải pháp tối ưu hoặc nhóm các giải pháp, phù hợp với mục tiêu và các ràng buộc [18]

Một phương pháp cũng được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây để giải quyết bài toán tối ưu hóa vận hành hồ chứa là ứng dụng các thuật toán tiến hóa (Evolutionary Algorithms) như thuật toán di truyền (GA), thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (ACO), thuật toán tối ưu hóa nhóm bầy (PSO) Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện có sử dụng thuật toán tiến hóa như: East và Hall (1994) ứng dụng thuật toán di truyền cho bài toán vận hành hệ thống bốn hồ chứa với mục tiêu là tối đa hóa lợi ích

từ phát điện và cấp nước tưới Fahmy ứng dụng thuật toán di truyền tính vận hành

hệ thống hồ chứa và kết quả được so sánh với phương pháp quy hoạch động Oliveira và Loucks (1997) đã ứng dụng thuật toán di truyền để chứng mình tính hiệu quả của việc vận hành hệ thống hồ chứa Sharif và Wardlaw (2000) ứng dụng thuật toán di truyền cho tối ưu hệ thống đa hồ chứa lưu vực sông Bratas ở Indonesia Juran Ali Ahmed và Arup Kumar Sarma (2005) ứng dụng thuật toán di truyền để vận hành tối ưu của hồ chứa đa mục tiêu trên sông Pagladia Janga Reddy

và D Nagesh Kumar (2006) sử dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA) nhằm tìm kiếm tập hợp các lời giải tối ưu cho xác định lượng xả của hồ chứa Hirakud, Ấn

Độ, với hàm mục tiêu là sản lượng điện cao nhất, rủi ro lũ và thiếu hụt nước tưới nhỏ nhất, trong đó mục tiêu sản lượng điện được ưu tiên Jothiprakash và Ganesan Shanthi (2007) sử dụng thuật toán di truyền để xây dựng quy trình vận hành hồ chứa Pechiparai, Ấn độ M.S Hashemi, G.A Barani and H Ebrahimi (2008) ứng dụng thuật toán di truyền để tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu Jiroft [12]

Một số trở ngại trong tối ưu hóa hệ thống hồ chứa

Theo đánh giá của W Labadie [62], mặc dù nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu về việc áp dụng mô hình tối ưu cho các hệ thống hồ chứa, các tác giả như Yeh (1985) và Wurbs (1993) đã lưu ý luôn có một khoảng cách giữa lý thuyết và áp dụng thực tế, vì những lý do: (1) người vận hành hệ thống hồ chứa hoài nghi việc

mô hình tối ưu có thể thay thế khả năng quyết định của họ, các giải pháp đã xây

dựng sẵn và cảm thấy thuận tiện hơn trong việc sử dụng các mô hình mô phỏng hiện có; (2) do những hạn chế về phần cứng và phần mềm máy tính trước đây nên đã sử dụng cách tính đơn giản hóa và xấp xỉ mà người vận hành không sẵn sàng chấp nhận; (3) mô hình tối ưu nhìn chung là phức tạp hơn về mặt toán học so với mô hình mô phỏng, và do đó khó lĩnh hội hơn; (4) nhiều mô hình tối ưu hóa không chấp nhận tính rủi ro và bất định; (5) sư đa dạng của các phương pháp tối ưu hóa dễ tạo

ra sự nhầm lẫn khi lựa chọn phương pháp phù hợp cho một trường hợp cụ thể; (6) một số phương pháp tối ưu hóa, ví dụ như quy hoạch động, thường yêu cầu xây dựng chương trình riêng cho từng trường hợp cụ thể; và (7) nhiều phương pháp tối

ưu hóa chỉ có thể tạo ra các giải pháp tối ưu theo thời đoạn mà không đưa ra được quy tắc vận hành phù hợp và linh động

Nhiều trở ngại trong tối ưu hóa quản lý hệ thống hồ chứa hiện đang được khắc phục thông qua các hệ thống hỗ trợ ra quyết định và tiến bộ đáng kể của phần cứng và phần mềm máy tính Một số tổ chức đã chủ động kết hợp các mô hình tối

ưu hóa vào công tác quản lý hệ thống hồ chứa thông qua việc sử dụng các hệ thống

hỗ trợ ra quyết định (Labadie et al 1989) Việc kết hợp tối ưu hóa vào các hệ thống

hỗ trợ ra quyết định đã tăng cường việc ứng dụng phương pháp này bằng cách nhấn mạnh tối ưu hóa như một công cụ được kiểm soát bởi các nhà quản lý hệ thống hồ chứa, những người chịu trách nhiệm cho sự thành công hay thất bại của hệ thống trong việc đạt được mục tiêu đã đề ra

1.1.3 Phương pháp mô phỏng

Để khắc phục những khó khăn, phức tạp trong nghiên cứu đối với hệ thống

hồ chứa thực hay thực nghiệm với mô hình vật lý, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu 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 mục đích chung phức tạp [18]

Trong những thập kỷ gần đây các mô hình mô phỏng đã được áp dụng rộng rãi trong quản lý và vận hành hệ thống hồ chứa cho nhiều lưu vực sông trên thế giới gồm các mô hình mang tính tổng thể như HEC 5 (Hydrologic Engineering Center 1989) và HEC-RESSIM (Klipsch và nnk, 2002) Các mô hình mô phỏng

tương tự động học khác gồm POWERSIM (Powersim, Inc.) được áp dụng bởi Varvel và Lansey (2002), và VENSIM (Ventana Systems, Inc.) được áp dụng bởi Caballero và nnk (2001) Những mô hình mô phỏng, mô tả (simulation or descriptive models) này giúp trả lời những câu hỏi liên quan đến việc thực hiện các hoạt động thay thế, có thể thể hiện chính xác việc vận hành hệ thống và rất có ích cho phân tích Monte Carlo trong việc kiểm tra độ tin cậy dài hạn của chiến lược điều hành đề xuất

Trong số các mô hình được áp dụng phổ biến hiện nay, một số mô hình có thể mô phỏng hồ chứa nhưng thường ở mức đơn giản, ví dụ mô hình cân bằng nước (MIKE BASIN hoặc MITSIM) hoặc mô hình thủy lực (MIKE 11) MIKE BASIN (hoặc MITSIM) là mô hình thiên về tính toán cân bằng nước lưu vực, có khả năng

mô phỏng hồ chứa nhưng ở dạng không điều khiển và không chi tiết đối với phần điều tiết lũ và phần điều tiết phát điện mà chỉ tập trung vào vận hành hồ chứa đáp ứng mục đích cấp nước MIKE 11 có thể mô tả điều tiết lũ cho hồ chứa nhưng cách làm rất phức tạp, đòi hỏi trình độ chuyên gia So với những mô hình nêu trên, HEC-RESSIM có một số điểm mạnh như: có thể mô phỏng hệ thống hồ chứa cả phát điện, phòng lũ, cấp nước; có thể mô phỏng được hệ thống các hồ chứa phức tạp có điều khiển với nhiều công trình tràn, có quy trình vận hành liên hồ chứa; có thể mô phỏng hệ thống có kiểm soát ở hạ du

1.1.4 Kết hợp phương pháp mô phỏng với tối ưu

Một phương pháp tiếp cận khác trong nghiên cứu giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa là kết hợp mô hình mô phỏng với mô hình tối ưu Theo Wurb (1993), mặc dù tối ưu hóa và mô phỏng là hai hướng tiếp cận khác nhau, nhưng sự phân biệt rõ ràng giữa hai hướng này là khó vì hầu hết các mô hình, xét về mức độ nào đó đều chứa các thành phần của hai hướng tiếp cận trên Theo Labadie (2004), cần thiết phải có mô hình mô phỏng để kiểm tra các quy trình tối ưu được thiết lập Theo Daniel P Loucks, trong quản lý tài nguyên nước thường sử dụng kết hợp cả mô hình tối ưu hóa và mô phỏng Trong khi tối ưu hóa sẽ cho chúng ta biết những gì chúng ta nên làm hay quyết định tốt nhất là gì, các giải pháp này thường dựa trên nhiều giả định có giới hạn Bởi vậy, chúng ta cần sử dụng tối ưu hóa không

phải là một cách để tìm ra giải pháp tốt nhất, mà để xác định một số tương đối ít các lựa chọn thay thế tốt mà sau này có thể được kiểm tra, đánh giá và cải thiện bằng phương pháp mô phỏng Quá trình áp dụng tối ưu hóa để giảm số lượng lớn các giải pháp thành một số ít để có thể mô phỏng và đánh giá tốt hơn thường được gọi là sàng lọc sơ bộ [58]

Ngo L.L và nnk (2007) đã nghiên cứu tối ưu hoá vận hành hồ chứa Hoà Bình bằng cách áp dụng kết hợp mô hình mô phỏng và tối ưu hóa Các chiến lược kiểm soát lượng xả của hồ chứa được thiết lập trong mô hình mô phỏng MIKE 11 dựa trên các yếu tố dung tích trữ, các điều kiện khí tượng thuỷ văn và thời gian Thuật toán tối ưu hóa SCE (shuffled complex evolution) được sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của hồ chứa Việc tối ưu hóa tập trung vào việc cân đối giữa kiểm soát lũ

và phát điện của hồ chứa Hoà Bình trong mùa lũ và mực nước hồ vào đầu mùa khô Kết quả cho thấy có thể tìm được phương án vận hành tối ưu giúp làm giảm lũ lụt

hạ lưu và duy trì mực nước hồ chứa cao để tăng sản lượng điện trong mùa lũ và mùa khô tiếp theo Các kết quả cũng chỉ ra rằng thuật toán SCE là một công cụ hiệu quả

để tối ưu hóa các hệ thống phức tạp

1.1.5 Ứng dụng Logic mờ trong vận hành hồ chứa

Quy trình vận hành hồ chứa, hệ thống hồ chứa liên quan chặt chẽ đến các yếu

tố thủy văn như quá trình dòng chảy năm, dòng chảy lũ trên lưu vực Thực tế cho thấy quá trình dòng chảy năm, dòng chảy lũ là những yếu tố luôn biến động, khó dự báo chính xác

Thời gian qua, cách tiếp cận theo hướng áp dụng lý thuyết “tập mờ” để xử lý các giá trị “không chính xác” trong thế giới thực đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, triển khai áp dụng và thu được những kết quả khả quan - nhất

là trong lĩnh vực công nghiệp - tại các nước như Nhật, Mỹ Việc nghiên cứu áp dụng Logic mờ phục vụ vận hành hồ chứa tuy đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nhưng vẫn còn ở mức độ hạn chế Một số nghiên cứu có thể kể ra như S.Mohan

và M.Anjaneya Prasad (India) với nghiên cứu về mô hình ứng dụng Logic mờ cho vận hành hệ thống hồ chứa; D.Nagesh Kumar, D.S.V.Prasad, K.Srinivasa Raju (India) áp dụng cách tiếp cận mờ trong tối ưu hóa vận hành hồ chứa

Savic và Simonovic (1991) đã sử dụng phương pháp tập mờ để mô hình hoá hoạt động một số hồ chứa để chọn mức độ rủi ro Shrestha và nnk (1996) đã cho rằng đầu vào cho các nguyên tắc vận hành hồ chứa (lượng trữ ban đầu, dòng đến, nhu cầu) cũng như đầu ra (lượng xả) có thể được mô tả bởi những tương quan mờ Những đầu vào mờ được kết hợp để tạo ra tương quan đầu ra mờ, và có thể được kết hợp với phương pháp giải mờ (defuzzified) để có được kết quả chính xác, rõ ràng (crisp ouput) Cheng Chuntain (1999) đã áp dụng mô hình tối ưu mờ cho điều hành lũ thời gian thực đối với hệ thống hồ chứa Các thử nghiệm nói trên dựa trên kiến thức chung bắt chước (mimic) điều hành của con người và đưa ra hai phương pháp tiếp cận: lý luận dựa trên các trường hợp và lý luận dựa theo quy luật

Trong kết quả nghiên cứu mô hình vận hành hồ chứa đơn cấp nước dựa trên quy tắc mờ của Panigrahi, cách tiếp cận về cơ bản giống như của Russel và Campbell (1996), với sự khác biệt là các kiến thức chuyên môn cho khung quy tắc

mờ có nguồn gốc từ một mô hình ngẫu nhiên hiện Mô hình sử dụng đầu vào là dòng chảy đến, dung tích hồ chứa và nhu cầu nước, đầu ra là lượng xả Mặc dù các

kỹ thuật Logic mờ áp dụng trong nghiên cứu mới ở mức đơn giản nhưng đã chứng

tỏ được khả năng ứng dụng của lý thuyết này trong vận hành hồ chứa [57]

Durbovin và nnk (2002) đưa ra mô hình vận hành hồ chứa thời gian thực dựa trên quy tắc mờ, trong đó sự thay đổi theo mùa của các biến thủy văn và mục tiêu vận hành được đưa vào tính toán, với các yếu tố đầu vào là các giá trị tương đối phụ thuộc theo mùa, thay vì sử dụng các giá trị tuyệt đối Mô hình được hiệu chỉnh để

mô phỏng hoạt động thực tế cho hồ Päijänne ở Phần Lan Các kết quả thu được đã chứng tỏ khả năng ứng dụng của Logic mờ trong vận hành hồ chứa

Trong nghiên cứu tối ưu hóa lượng xả hàng năm của hồ chứa Jayakwadi (Ấn Độ) với hai mục tiêu là cấp nước và phát điện trên cơ sở kết hợp thuật toán quy hoạch tuyến tính và Logic mờ, lượng xả sau khi được tối ưu hóa theo từng mục tiêu

sẽ được tính toán theo Logic mờ để tìm kết quả phù hợp nhất dung hòa cả hai mục tiêu [77]

Trong nghiên cứu bước đầu áp dụng hệ quy tắc mờ để tiến hành tính toán mô phỏng kiểm soát dòng chảy trên sông, kênh, hồ chứa, sử dụng đầu vào là cao trình

mực nước và tốc độ dòng chảy, đầu ra là dòng chảy được kiểm soát, kết quả tính toán chỉ ra rằng có thể sản sinh một lượng lớn năng lượng từ việc kiểm soát dòng chảy [72]

Mô hình dựa trên hệ quy tắc mờ đã được xây dựng để tính toán lưu lượng xả tối ưu của hồ chứa Ukai ở Ấn Độ trong 4 tháng, sử dụng đầu vào là số liệu trung bình tháng của dòng chảy đến, lượng trữ trong hồ và nhu cầu cấp nước Kết quả tính toán cho thấy lượng xả thu được từ mô hình hoàn toàn đáp ứng nhu cầu cấp nước, đồng thời tiết kiệm được lượng nước đáng kể so với lượng xả thực tế [81]

Trong nghiên cứu cải thiện đường giới hạn cấp nước trong mùa hạn của hệ thống hồ chứa Zohre (Iran) đã tiếp cận theo hướng kết hợp ứng dụng Logic mờ và thuật toán tối ưu MOPSO (Multi-objective Particle Swarm Optimization) Trong nghiên cứu này, Logic mờ được được áp dụng để tăng tính linh hoạt của hệ số phân phối, cụ thể là khi mực nước hồ chứa thay đối từ vùng cấp nước này sang vùng cấp nước khác thì hệ số phân phối sẽ biến đổi một cách từ từ chứ không đột ngột như trước đây [60]

1.2 Tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa ở Việt Nam

1.2.1 Các nghiên cứu trên toàn quốc

Thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu về vận hành hồ chứa chống lũ được tiến hành trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v Công ty tư vấn Điện I (1991) đã nghiên cứu việc kết hợp phát điện và chống lũ hạ du và khai thác tổng hợp hồ chứa Hoà Bình Viện Quy hoạch và Quản lý nước (1991) cũng nghiên cứu lập quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình phòng lũ và phát điện Nguyễn Văn Tường (1996) nghiên cứu phương pháp vận hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hàng năm với việc xây dựng tập hàm vào bằng phương pháp Monte-Carlo Hoàng Minh Tuyển (2002) đã phân tích đánh giá vai trò của một số hồ chứa thượng nguồn sông Hồng cho phòng chống lũ hạ du Lâm Hùng Sơn (2005) nghiên cứu cơ

sở vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng, trong đó chú ý đến việc phân bổ dung tích và trình tự phối hợp cắt lũ của từng hồ chứa trong hệ thống để đảm bảo an toàn hồ chứa và hệ thống đê đồng bằng sông Hồng Viện khoa học Thuỷ lợi (2006)

đã thực hiện dự án xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông

Lô đảm bảo an toàn chống lũ đồng bằng Bắc bộ khi có các hồ chứa Thác Bà, Hoà Bình, Tuyên Quang Trần Hồng Thái (2005) và Ngô Lê Long (2006) bước đầu áp dụng thuật tối ưu hoá trong vận hành hồ Hoà Bình phòng chống lũ và phát điện

Trong đề tài NCKH cấp nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc xóa các khu chậm lũ sông Hồng, sông Đáy, sông Hoàng Long”, Hà Văn Khối (2010) đã nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hồ chứa thượng nguồn sau khi có hồ Sơn La theo hướng xóa các khu chậm lũ, đã kết luận có thể sử dụng một phần dung tích chống lũ công trình cho nhiệm vụ chống lũ hạ du khi thấy cần thiết Đây cũng là một trong những cơ sở khoa học cho việc lập quy trình vận hành liên hồ chứa sau khi có hồ Sơn La

Phần mềm Crystal Ball đã được ứng dụng trong nghiên cứu xác định chế độ vận hành tối ưu phát điện cho hồ chứa Thác Bà, Tuyên Quang và bậc thang hồ chứa Sơn La, Hòa Bình có tính đến yêu cầu cấp nước hạ du Mô hình vận hành kết hợp giữa mô phỏng (mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ theo Monte Carlo, mô phỏng vận hành hồ và bậc thang hồ chứa) và mô hình tối ưu (tối ưu phi tuyến) để áp dụng cho hồ Tuyên Quang, Thác Bà, và bậc thang hồ chứa Sơn La, Hòa Bình Nghiên cứu đã bước đầu đề xuất chế độ vận hành tối ưu phát điện có xét đến nhu cầu dùng nước hạ du cho các hồ chứa nói trên [32]

Trong luận án tiến sĩ về 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, tác giả đã sử dụng kết hợp mô hình MOPHONG và MIKE11 để tính toán thử dần xác định các giới hạn tích nước cho hệ thống hồ chứa Sơn La và Hòa Bình, trong đó mô hình MOPHONG dùng để tính toán điều tiết và diễn toán kiểm tra nhanh mực nước khống chế tại Hà Nội và một số điểm hạ du theo các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa Sơn La, HòaBình, Thác Bà và Tuyên Quang Mô hình MIKE 11 tính toán thuỷ lực hệ thống sông để kiểm tra mực nước tại hạ du theo kết quả điều tiết dòng chảy qua các hồ chứa bằng mô hình MOPHONG [10]

Ngoài ra còn một loạt các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên các lưu vực sông lớn của Việt nam như: Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) nghiên cứu áp dụng mô hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông

Hương, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương Nguyễn Thế Hùng – Lê Hùng (2009) đã áp dụng thuật toán di truyền (GA) để tìm quỹ đạo vận hành tối ưu hồ chứa Nhà máy Thủy điện Ea Krông Rou - Tỉnh Khánh Hòa với đơn mục tiêu là sản lượng điện năng cực đại Kết quả tính toán đạt được bởi Thuật toán di truyền được so sánh với phương pháp Quy hoạch động Thuật toán di truyền đơn mục tiêu ở đây cho thấy dễ dàng mở rộng nó cho bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện đa mục tiêu so với phương pháp qui hoạch động Nguyễn Mai Đăng và Trịnh Xuân Mạnh (2014) nghiên cứu tối ưu vận hành hồ chứa Cửa Đạt cho cấp nước mùa kiệt năm 2011-

2012 trên lưu vực sông Chu Trong nghiên cứu đã ứng dụng thành công Logic mờ, xây dựng được hệ thống luật mờ cho vận hành hồ Cửa Đạt và xác định được quá trình xả tối ưu trong điều kiện thiếu nước về mùa khô Kết quả bước đầu đã cho thấy phương pháp này có thể ứng dụng tốt cho các hồ chứa ở Việt Nam trong vận hành và xây dựng quy trình vận hành Vũ Ngọc Dương (2017), với đề tài Nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Thanh Hóa, đã xây dựng mô hình kết hợp vận hành hồ chứa Cửa Đạt trên cơ sở tích hợp mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ với mô hình mô phỏng vận hành hồ Cửa Đạt được xây dựng trong bảng tính Excel

và modun tối ưu Opquest trong phần mềm Crystal Ball

1.2.2 Các nghiên cứu trên lưu vực sông Ba

Thời gian qua, một số đề tài nghiên cứu trực tiếp về vận hành liên hồ chứa hoặc hỗ trợ, phục vụ cho việc xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba đã được tiến hành, như: Đề tài “Nghiên cứu luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng tránh, hạn chế hậu quả lũ lụt lưu vực sông Ba”, đã sử dụng mô hình HEC-HMS diễn toán mưa-dòng chảy và HEC-RAS mô phỏng quá trình lũ và diện ngập lụt cho một số trận lũ lớn trên lưu vực sông Ba, kết quả nghiên cứu đã xác định một số nguyên nhân chính gây lũ lụt trên lưu vực, các vùng nhạy cảm đối với

lũ lụt và đề xuất giải pháp giảm thiểu thiệt hại [5] Nghiên cứu quy hoạch tổng hợp lưu vực sông Ba [36]

Nguyễn Hũu Khải (2011) thực hiện Đề tài KC.08.30/06-10 “Nghiên cứu xây dựng công nghệ vận 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” Quá trình giải quyết bài toán trong đề tài gồm các bước: Xây dựng các kịch bản lũ đến và mực nước đón lũ của các hồ, đưa ra các quy tắc vận hành và nguyên tắc phối hợp giữa các hồ, sau đó tiến hành tính toán mô phỏng vận hành theo các kịch bản và quy tắc đã đề ra với các trường hợp trận lũ điển hình (1986, 1988, 1993) ở các tần suất 5%, 10%, từ đó rút ra quy trình vận hành cho hệ thống liên hồ Bộ công cụ mô hình toán sử dụng là mô hình HEC-RESSIM để diễn toán dòng chảy qua từng hồ chứa về đến Củng sơn theo nguyên tắc cân bằng lượng trữ, sử dụng mô hình thủy lực MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy lũ từ trạm Củng Sơn ra tới biển Mô hình MIKE-NAM được sử dụng để tính lượng nhập lưu khu giữa

Nguyên tắc chính trong vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ áp dụng trong

Đề tài như sau: (i) Ưu tiên hồ Ayun hạ làm nhiệm vụ giảm lũ cho vùng Auyn Pa, hồ Kanak giảm lũ cho thị xã An Khê đồng thời hỗ trợ hồ Ayun hạ giảm lũ cho vùng Auyn Pa Cụm hai hồ này hoạt động điều tiết giảm lũ gần như độc lập với các hồ Krông H’năng, sông Ba Hạ, sông Hinh ở phía dưới (ii) Ưu tiên hồ Sông Ba Hạ giảm lũ cho thành phố Tuy Hoà, hồ sông Hinh và hồ Krông H’Năng hỗ trợ cắt giảm

lũ tối đa cho hạ du (iii) Mực nước hạ thấp nhất có thể của các hồ để đón lũ được đề xuất: hồ Ka Nak là 513 m, hồ Ayun Hạ là 203 m, hồ Krông H’năng là 252,5 m, Sông Ba Hạ là 103 m và Sông Hinh là 206 m (iv) Lấy mực nước BĐ II tại Củng Sơn, Phú Lâm để kiểm soát việc xả nước

Đề tài đã đề xuất quy trình vận hành liên hồ chứa chống lũ và kết luận: cần

có một dung tích phòng lũ cho từng hồ chứa bằng cách hạ thấp mực nước trước lũ Không thể khống chế mực nước tại Phú Lâm xuống dưới BĐ III đối với lũ vượt tần suất P=10% chỉ có thể khống chế đối với lũ nhỏ hơn mức P=20% (tương đương với

lũ năm 1986, 1988) trở xuống Khi điều tiết theo quy trình đề xuất, có thể giảm đỉnh

lũ Qmax tại Củng Sơn xuống 20-25%, mực nước tại Củng Sơn giảm 0,80-1,50m, còn tại Phú Lâm giảm từ 0,30-0,80m [18]

Trong nghiên cứu mô phỏng vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ bằng mô hình HEC-RESSIM, đã tính toán cho hệ thống 05 hồ gồm Kanak, Ayun Hạ, Sông

Ba Hạ, sông Hinh và Krông Hnăng Lũ sau khi được điều tiết bởi hệ thống hồ chứa

sẽ được diễn toán về hạ lưu bằng mô hình MIKE 11 Nghiên cứu đã đưa ra một số kết luận: dựa vào cảnh báo lũ, có thể hạ thấp mực nước trước lũ trước 48 giờ đối với

hồ sông Hinh và Krông H’năng và trước 24 giờ đối với các hồ còn lại; cần cắt lũ ở phạm vi lưu lượng đến bằng khoảng 75-85% lưu lượng đỉnh lũ đến hồ đối với hồ sông Ba hạ và bằng 35-45% Q đỉnh lũ đối với hồ sông Hinh và Krông H’năng tuỳ từng dạng lũ; không thể khống chế mực nước Phú Lâm xuống dưới BĐ III đối với

lũ vượt tần suất P=10% [19]

Trong nghiên cứu tính toán đánh giá mức độ cắt giảm lũ của hệ thống 03 hồ Sông Ba Hạ, sông Hinh và Krông Hnăng đến ngập lụt vùng hạ du khi vận hành theo quy trình liên hồ chứa 1077, với trận lũ năm 2009 và các kịch bản điều tiết hồ khác nhau cũng được thực hiện Trong nghiên cứu này, việc vận hành điều tiết hồ chứa

và diễn toán lũ phía thượng lưu áp dụng mô hình HEC-RESSIM, từ sau hồ thủy điện sông Ba Hạ đến cửa sông Đà Rằng sử dụng mô hình thủy lực MIKE Flood Nghiên cứu đã đưa ra một số kiến nghị: với dung tích phòng lũ được tạo ra từ dung tích trước lũ đến dung tích đón lũ là không nhiều, nên việc giảm lũ cho hạ du không đáng kể đối với những trận lũ có quy mô bằng và lớn hơn trận lũ 2009; việc đưa mực nước trước lũ hạ dần xuống mực nước đón lũ phải tùy thuộc vào quy mô của trận lũ để quyết định [13]

Trong đề tài nghiên cứu về đặc điểm lưu vực sông Ba trong vận hành hồ chứa và đánh giá môi trường tích lũy, tác giả đã đánh giá điều kiện khí tượng thủy văn và địa hình lưu vực sông Ba dẫn tới việc dự báo lũ rất khó chính xác Thời gian

dự kiến có độ tin cậy cho phép khoảng 6h, 12h đến 24h Đặc biệt là dự báo mưa, lũ sau bão đi qua Có thể phân thành 2 cụm hồ chứa theo đặc điểm khí hậu chiếm ưu thế: (i) Cụm hồ chứa thuộc vùng Tây Trường Sơn gồm thủy điện An Khê - KaNak,

hồ thủy lợi Ayun Hạ; (ii) Cụm hồ chứa thuộc Đông Trường Sơn gồm các hồ sông Hinh, Sông Ba Hạ, Krông H’năng [29]

Trong luận án tiến sĩ của Lương Hữu Dũng về Nghiên cứu cơ sở khoa học phục vụ vận hành hệ thống liên hồ chứa kiểm soát lũ lưu vực sông Ba, các nội dung nghiên cứu chính là xác định nhiệm vụ của 05 hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba, phối hợp vận hành liên hồ chứa và đề xuất cải tiến nội dung vận hành liên hồ chứa cắt giảm lũ trên lưu vực Quá trình giải quyết bài toán theo các bước: đưa ra nguyên tắc phối hợp, phương án vận hành liên hồ, sau đó tiến hành tính toán kiểm tra với các trường hợp trận lũ điển hình (1981, 1988, 1993 và 2009) và dung tích đón/phòng lũ đề xuất, từ đó rút ra phương án vận hành phù hợp Để phục vụ nghiên cứu, tác giả đã sử dụng bộ công cụ mô hình toán gồm: tự xây dựng mô đun vận hành cửa van điều tiết trong mùa lũ và diễn toán dòng chảy trong sông từ các hồ chứa đến trạm thủy văn Củng Sơn, kết hợp với sử dụng mô hình Mike11 để mô phỏng, kiểm tra mực nước và lưu lượng tại các điểm kiểm soát được thiết lập từ trạm Củng Sơn xuống hạ du ra tới biển Việc kéo dài và đồng bộ dòng chảy lũ đến

vị trí các hồ và các lưu vực khu giữa bằng mô hình MIKE-NAM trong luận án được

kế thừa từ kết quả nghiên cứu trước đó, và được dùng làm đầu vào cho mô hình vận hành hồ chứa và mô hình thủy lực Đặc trưng thủy văn (BĐ I) tại các trạm thủy văn

An Khê, Ayun Pa, Củng Sơn và Phú Lâm được chọn làm cơ sở để vận hành các hồ chứa trong bài toán vận hành liên hồ chứa kiểm soát lũ

Trên cơ sở phân tích đặc điểm lũ, dung tích các hồ, tác giả đã đề xuất nguyên tắc phối hợp vận hành cắt giảm lũ giữa các hồ, dung tích đón/phòng lũ của các hồ như sau: (i) Hồ Ka Nak và Ayun Hạ có thể duy trì mực nước cao trong mùa lũ và sẽ

xả nước tạo dung tích để đón lũ khi có dự báo xuất hiện lũ trên lưu vực; Mực nước

hạ thấp nhất có thể của hồ Ka Nak là 511,8 m và của hồ Ayun Hạ là 203 m (ii) Các

hồ Krông H’năng, Sông Ba Hạ và Sông Hinh sẽ không hạ thấp mực nước tạo dung tích đón lũ khi có dự báo xảy ra lũ mà phải dành dung tích để phòng lũ trong suốt mùa lũ Mực nước hạ thấp nhất có thể của hồ Krông H’năng là 250,2 m, Sông Ba

Hạ là 103,1 m và Sông Hinh là 206,2 m

Từ kết quả tính toán đã đưa ra một số kết luận: (i) Với tiêu chí xả nước tạo dung tích đón lũ không gây báo BĐ I ở hạ du nên cả 2 hồ Ka Nak và Ayun Hạ đều không thể xả đạt dung tích hạ thấp cho phép trong 24 giờ; (ii) Hầu hết các hồ không

thể cắt lũ triệt để nhằm hạ thấp mực nước xuống dưới mức BĐ I hoặc BĐ II, mà chỉ tham gia hỗ trợ giảm lũ: Đối với hồ Ka Nak giảm được mực nước đỉnh lũ cho trạm

An Khê 4,15m; Hồ Ayun hạ giảm được mực nước đỉnh lũ cho trạm Ayun Pa 1,14m; Cụm hồ Sông Ba Hạ và Sông Hinh giảm được mực nước đỉnh lũ cho trạm Củng Sơn 0,56m

Một số đề xuất của tác giả về cải tiến nội dung vận hành liên hồ chứa cắt giảm lũ: (i) Điều chỉnh nhiệm vụ phòng lũ các hồ chứa: Hồ Ka Nak và Ayun Hạ đóng vai trò đón lũ Các hồ Krông H’năng, Sông Ba Hạ và Sông Hinh đóng vai trò phòng lũ (ii) Mực nước cho phép các hồ xả nước đón lũ: Các hồ được phép xả nước đón lũ khi mực nước hạ du tại các điểm kiểm soát nhỏ hơn hoặc bằng BĐ I (iii) Quy định mực nước cao nhất trước lũ của các hồ (đã trình bày ở trên) (iv) Vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ sau khi hoàn thành 1 chu trình cắt giảm lũ: khi mực nước tại các điểm kiểm soát xuống dưới mức BĐ I [7]

1.2.3 Công nghệ dự báo hỗ trợ vận hành

Cùng với việc xây dựng và hoàn thiện quy trình vận hành thì công tác dự báo thuỷ văn cũng được quan tâm nghiên cứu Trịnh Quang Hoà (1997) với công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng đã được áp dụng hiệu quả trong phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng Nguyễn Lan Châu (2005) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ sông Đà phục vụ điều tiết hồ Hoà Bình phòng chống lũ bằng cách tích hợp các mô hình thuỷ văn, thuỷ lực và điều tiết hồ chứa Nguyễn Viết Thi (2008) nghiên cứu dự báo lũ đến hồ chứa với thời gian dự kiến 3÷5 ngày phục vụ vận hành liên hồ chứa sông Hồng chống lũ Trần Tân Tiến (2006) đã nghiên cứu liên kết mô hình RAMS dự báo mưa và mô hình sóng động học một chiều dự báo lũ khu vực miền Trung Vũ Minh Cát (2007) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối với công nghệ vận hành hệ thống phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng-Thái Bình Gần đây có: nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng của Bùi Đình Lập (2017), nghiên cứu xây dựng công nghệ nhận định lũ lớn và dòng chảy mùa cạn trên lưu vực sông Hồng của Trịnh Thu Phương (2017), Nghiên cứu xây dựng công

nghệ cảnh báo, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho các sông chính ở Bình Định, Khánh Hòa của Đặng Thanh Mai (2017)

Trên lưu vực sông Ba cũng có các nghiên cứu được thực hiện, như: nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa chính trên lưu vực sông Ba bằng mô hình thuỷ văn mưa dòng chảy (HEC-HMS), mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa (HEC-RESSIM) kết hợp với kết quả dự báo từ mô hình khí tượng BOLAM Phương án tính toán: từ kết quả mưa lưới dự báo trước 24 giờ để tính toán dự báo lũ trên lưu vực, tính toán với thời gian dự kiến T=6 giờ để dự báo dòng chảy lũ đến cho các hồ Kết quả dự báo thử nghiệm cho thấy, chỉ số đảm bảo của phương án dự báo đều đạt trên 80% tại Củng Sơn, An Khê, Ayun Hạ Kết quả cũng khẳng định hướng đi mới

là dự báo lũ có kết hợp với mưa dự báo để cải thiện chất lượng dự báo và kéo dài thời gian dự kiến [1]

Đặng Thanh Mai và nnk (2015) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống phân tích, giám sát, cảnh báo và dự báo lũ, ngập lụt và hạn hán cho hệ thống sông Ba” với mục tiêu xây dựng được một hệ thống phân tích, giám sát, cảnh báo

và dự báo lũ, ngập lụt, hạn hán cho hệ thống sông Ba sử dụng trong dự báo nghiệp

vụ nhằm mục tiêu đảm bảo cảnh báo lũ trước 48 giờ, dự báo đỉnh lũ, quá trình lũ và ngập lụt trước 24 giờ trên hệ thống sông Ba Trong đó, mô hình NAM được dùng

mô phỏng dòng chảy từ mưa làm đầu vào cho mô hình thủy lực và mô hình điều tiết

hồ chứa trên toàn lưu vực Mô hình Mike 11-GIS dùng các kết quả của các mô hình NAM và điều tiết hồ để mô phỏng dòng chảy và ngập lụt vùng hạ lưu hệ thống sông Công nghệ này đã được chạy thử nghiệm trong mùa lũ năm 2012

Theo đánh giá của Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương, chất lượng dự báo bão, lũ năm 2016 đã vượt chỉ tiêu đối với dự báo trước 12÷24 giờ, đạt yêu cầu đối với dự báo trước 24÷48 giờ, sai số còn lớn đối với dự báo trước 48÷72 giờ Khả năng dự báo và độ chính xác của dự báo lũ tùy thuộc vào thời gian dự kiến của dự báo và vị trí dự báo Thời gian dự báo càng dài hơn so với thời gian tập trung nước trên lưu vực thì độ chính xác, độ tin cậy cũng giảm theo Thời gian dự kiến dự báo quá trình lũ cho khu vực Trung bộ, Tây Nguyên từ 3÷12 giờ, đối với các sông lớn là 24 giờ, mức đảm bảo dự báo khoảng 75÷80%

Như vậy có thể thấy trong giai đoạn hiện tại, việc dự báo lũ đến hồ chứa theo thời gian dự kiến 3÷5 ngày với yêu cầu đạt độ chính xác, độ tin cậy cho phép là khá khó khăn, đặc biệt là đối với lưu vực các sông ở miền Trung như lưu vực sông Ba

1.2.4 Quá trình phát triển Quy trình vận hành hệ thống hồ chứa sông Ba

Theo phân công của Chính phủ, Bộ Nông nghiệp và PTNN và Bộ Công thương chịu trách nhiệm về an toàn công trình thuộc lĩnh vực quản lý của mình Đối với mỗi hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn đã được xây dựng trên lưu vực sông Ba đều

đã có quy trình vận hành được lập riêng, nhằm đáp ứng mục tiêu riêng của từng hồ, như: Quy trình vận hành hồ An Khê-Ka Nak được ban hành theo Quyết định số 293/QĐ-BCT ngày 17/01/2012 của Bộ Công Thương; Quy trình vận hành hồ Ayun

Hạ được ban hành theo Quyết định số 64/2004/QĐ-BNN ngày 11/11/2004 của Bộ Nông nghiệp & PTNN; Quy trình vận hành hồ thuỷ điện Sông Hinh được ban hành theo Quyết định số 2775/QĐ-EVN-KTNĐ ngày 23/8/2002 của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam; Quy trình vận hành hồ thuỷ điện Krông H’năng được ban hành theo Quyết định số 4046/QĐ-BCT ngày 13/8/2010 và Quy trình vận hành hồ thuỷ điện Sông Ba Hạ được ban hành theo Quyết định số 1863/QĐ-BCT ngày 14/4/2009 của

Bộ Công Thương Nguyên tắc cơ bản về giảm lũ được quy định cho tất cả các công trình thủy điện là không làm gia tăng lưu lượng đỉnh lũ

Bộ Tài nguyên và Môi trường chịu trách nhiệm xây dựng quy trình vận hành

hệ thống liên hồ chứa, đến hết năm 2017 đã trình Chính phủ ban hành các quy định

về phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa điều tiết cắt giảm lũ cho hạ du, như: “Quy trình vận hành liên hồ chứa các hồ Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H’Năng, Ayun

Hạ và An Khê-Ka Nak trong mùa lũ hàng năm” được ban hành theo Quyết định số 1757/QĐ-TTg ngày 23/9/2010 của Thủ tướng Chính phủ (Quy trình 1757); “Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba” được ban hành theo Quyết định

số 1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014 (Quy trình 1077); Quyết định số 282/QĐ-TTg ngày 01/3/2017 về sửa đổi, bổ sung một số điều của Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba Tuy nhiên, Quyết định số 282/QĐ-TTg chỉ sửa đổi, bổ sung một số nội dung: vận hành duy trì dòng chảy sau đập An Khê trong mùa lũ khi không tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du; vận hành duy trì dòng chảy sau đập An

Khê và sông Hinh trong mùa cạn Đến nay, về cơ bản việc vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du lưu vực sông Ba vẫn được thực hiện theo Quy trình 1077

Một số nguyên tắc chính của Quy trình 1757 như sau:

- Mùa lũ được quy định từ ngày 01 tháng 9 đến ngày 15 tháng 12 hàng năm Khi phối hợp vận hành giữa các hồ để giảm lũ cho hạ du, các hồ được chia thành hai cụm:cụm hồ phía hạ du (có quan niệm coi là cụm hồ phía Đông) gồm hồ Sông

Ba Hạ, Sông Hinh và Krông H’Năng, cụm hồ phía thượng du (có quan niệm coi là cụm hồ phía Tây) gồm hồ Ayun Hạ và Ka Nak-An Khê

- Trong giai đoạn các hồ xả nước đón lũ, việc vận hành cụm hồ phía hạ du căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, dự báo lưu lượng đến hồ trong 24 giờ tới và mực nước tại Phú Lâm; việc vận hành cụm hồ phía thượng du căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, dự báo lưu lượng đến hồ trong 24 giờ tới và mực nước tại trạm thủy văn An Khê hoặc Ayun Pa Thời gian xả để đưa mực nước các hồ về cao trình mực nước đón lũ khoảng 24 giờ

- Trong giai đoạn vận hành giảm lũ cho hạ du, sẽ căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, số liệu dự báo lưu lượng đỉnh lũ đến hồ trong 6 đến 12 giờ tới đối với cụm hồ phía hạ du (cụm hồ phía Đông) hoặc 6 giờ tới đối cụm hồ phía thượng du (cụm hồ phía Tây) để vận hành giảm đỉnh lũ

- Sau đỉnh lũ, phải đưa mực nước hồ về cao trình MNDBT

Bảng 1.1: Cao trình mực nước đón lũ của các hồ theo quy trình 1757

Hạ

Sông Hinh

Krông

Nguồn: Quyết định số 1757/QĐ-TTg ngày 23/9/2010 của Thủ tướng Chính phủ

Quy trình 1077 được ban hành năm 2014 đã có một số điều chỉnh (so với Quy trình 1757) như sau:

- Đã đưa quy định mới về vận hành trong mùa lũ liên quan đến mực nước trước lũ và mực nước đón lũ Cụ thể là Quy trình 1077 quy định trong thời kỳ mùa

lũ nói chung, khi chưa tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du, mực nước các hồ chứa không được vượt mực nước cao nhất trước lũ và khi kết thúc quá trình giảm lũ cho

hạ du phải đưa dần mực nước hồ về cao trình mực nước trước lũ Như vậy, trong khi Quy trình 1757 cho phép duy trì mực nước các hồ ở MNDBT thì Quy trình

1077 chỉ cho phép duy trì mực nước các hồ ở MNCNTL để phòng lũ Việc điều chỉnh này tuy có thể mang đến hiệu quả cao hơn cho chống lũ, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực đến hạ du nhưng lại làm giảm hiệu quả phát điện do phải hạ mực nước hồ một thời gian dài để phòng đón lũ

- Trong giai đoạn hạ mực nước hồ để đón lũ, với nhiệm vụ là đưa mực nước các hồ về cao trình mực nước đón lũ, việc vận hành cụm hồ phía hạ du căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, số liệu dự báo khả năng thời tiết gây mưa, lũ trong vòng

24 đến 48 giờ tới và mực nước tại Phú Lâm; cụm hồ phía thượng du được vận hành căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, số liệu dự báo khả năng thời tiết gây mưa, lũ trong vòng 24 đến 48 giờ tới và mực nước tại trạm thủy văn An Khê hoặc Ayun Pa Như vậy theo Quy trình 1077 thì dung tích đón lũ của mỗi hồ sẽ tăng thêm do MNĐL của mỗi hồ được quy định thấp xuống, tổng dung tích đón lũ tăng thêm của

5 hồ vào khoảng 269,7 triệu m3

- Trong giai đoạn vận hành giảm lũ cho hạ du, sẽ căn cứ vào mực nước hiện tại của hồ, đặc biệt là căn cứ vào mực nước tại các trạm thủy văn như Phú Lâm (đối với cụm hồ phía hạ du) hoặc các trạm thủy văn Ayun Pa, An Khê (đối với cụm hồ phía thượng du) để quyết định vận hành các hồ giảm lũ Như vậy, việc vận hành giảm lũ cho hạ du theo Quy trình 1077 đã quan tâm hơn đến yếu tố mực nước khống chế ở hạ du, trong khi quy trình trước không xét đến yếu tố này

- Vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ: sau mối trận lũ phải đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ

Bảng 1.2: Cao trình mực nước cao nhất trước lũ, mực nước đón lũ của các hồ theo

quy trình 1077

Hạ

Sông Hinh

Thực tế vận hành các hồ chứa trong mùa lũ theo Quy trình 1077 cho đến nay

đã bộc lộ một số khó khăn, chưa hợp lý, ví dụ như khi chỉ có mưa lớn sinh lũ ở phần

hạ lưu sông Ba hoặc khi các tiểu lưu vực khác trên sông Ba không có mưa mà chỉ

có mưa cục bộ tại tiểu lưu vực hồ Krông H’Năng thì việc phải đồng loạt vận hành

xả nước đón lũ của các hồ ở thượng du, không có lưu lượng lũ đến lớn như Ka Nak, Ayun Hạ theo quy trình liên hồ hiện hành là không hợp lý, không mang lại hiệu quả cho chống lũ đồng thời giảm hiệu quả phát điện Việc thường xuyên phải duy trì mực nước các hồ ở MNCNTL trong mùa lũ cũng làm giảm đầu nước phát điện, ngoài ra còn tiềm ẩn nguy cơ không tích được đủ nước vào cuối mùa lũ

Thời gian qua, Công ty Cổ phần Sông Ba đã chủ động triển khai nghiên cứu, ứng dụng tại NMTĐ Krông H’năng các giải pháp: quan trắc mưa trên toàn lưu vực

và tính toán dự báo quá trình lũ về hồ; đo chính xác mực nước hồ để tính lưu lượng thực tế về hồ; xác định điểm bắt đầu và lưu lượng xả lũ hợp lý nhằm bảo đảm an toàn cho hạ du và tích đầy nước cuối trận lũ và đã đạt được những kết quả tích cực trong các năm 2015, 2016 Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng đang phối hợp với các cơ quan Trung ương, địa phương nghiên cứu rà soát, sửa đổi bổ sung các quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành cho phù hợp hơn với thực tế

1.3 Hướng tiếp cận nghiên cứu

Như phân tích ở trên, có nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa, trong đó phương pháp ứng dụng Logic mờ là phương pháp có nhiều điểm mạnh trong xử lý các bài toán có yếu tố đầu vào không chắc chắn, rất phù hợp cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa với dòng chảy đến đầy tính ngẫu nhiên, biến động Đây cũng là phương pháp chưa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực tài nguyên nước ở Việt Nam Vì vậy, Luận án hướng tới việc bổ sung phương pháp luận và định hướng tiếp cận đối với bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du thông qua Logic mờ Hướng tiếp cận chung của nghiên cứu như trong sơ đồ Hình 1.3:

Hình 1.3: Sơ đồ hướng tiếp cận nghiên cứu

1.4 Kết luận chương 1

Luận án đã tổng hợp, phân tích tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới cũng như tại Việt Nam, các phương pháp, mô hình toán áp dụng phổ biến trong nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa, quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa tham gia cắt giảm lũ đang được áp dụng trên lưu vực sông Ba

Bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa là bài toán phức tạp, đã được nhiều

cơ quan chức năng và nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Cách tiếp cận trong xây dựng quy trình vận hành hồ chứa là sử dụng phương pháp mô phỏng, kết hợp áp dụng các thuật toán tối ưu như quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, thuật toán tiến hóa, đây cũng là cách tiếp cận mà các nước trên thế giới thường dùng Với cách tiếp cận này, quá trình giải quyết bài toán thường theo các bước: (i) Xây dựng các kịch bản lũ đến, mực nước đón lũ của các hồ, (ii) đưa ra các quy tắc vận hành và nguyên tắc phối hợp giữa các hồ, (iii) sau đó tiến hành tính toán mô phỏng vận hành

theo các kịch bản và quy tắc đã đề ra, từ đó rút ra quy trình vận hành cho hệ thống liên hồ

Vấn đề vận hành hồ chứa theo thời gian thực cũng đang được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu, hướng tới quá trình ra quyết định được thực hiện đồng thời, dựa trên các kết quả phân tích số liệu trực tuyến của

hệ thống và các phản hồi từ hệ thống Trong vận hành hồ chứa chống lũ thời gian thực, quyết định tích, xả lũ của hồ chứa được thực hiện dựa trên các thông tin về trạng thái tức thời của hồ chứa như dung tích hay mực nước hồ, lưu lượng lũ đến hồ

và yêu cầu khống chế mực nước ở hạ du Các quyết định được thay đổi khi các thông tin mới về trạng thái hồ chứa, dự báo lũ được cập nhật

Phương pháp ứng dụng Logic mờ là phương pháp có nhiều điểm mạnh trong

xử lý các bài toán có yếu tố đầu vào không chắc chắn, vì vậy rất phù hợp cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa Đã có một số nghiên cứu ứng dụng Logic mờ trong vận hành hồ chứa trên thế giới, tuy nhiên trong lĩnh vực quản lý nguồn nước, đặc biệt là vận hành hệ thống hồ chứa kiểm soát lũ ở Việt Nam thì chưa có các nghiên cứu sâu về vấn đề này

Từ những vấn đề nêu trên, Luận án đã xây dựng hướng tiếp cận nghiên cứu, trong đó sẽ tập trung vào các vấn đề sau:

- Nghiên cứu ứng dụng Logic mờ trong vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa và thiết lập mô hình tính toán điều tiết hệ thống hồ chứa chống lũ lưu vực sông Ba, làm

cơ sở cho việc hướng tới vận hành hệ thống liên hồ chứa theo thời gian thực

- Xem xét sự phối hợp vận hành của toàn hệ thống để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống cho vùng hạ du chung và riêng của từng hồ

- Xem xét việc hạ thấp mực nước trước lũ của hồ chứa đến cao trình hợp lý giúp sử dụng hiệu quả dung tích của từng hồ chứa để vừa cắt giảm lũ tối đa cho hạ

du vừa bảo đảm an toàn hồ chứa, an toàn phát điện

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG

LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ HẠ DU THEO LOGIC MỜ

Các bài toán trong lĩnh vực tài nguyên nước, đặc biệt là các bài toán về vận hành hồ chứa thường là bài toán đa mục tiêu, có sự ràng buộc và tương tác giữa các yếu tố xã hội, kinh tế, tài nguyên và môi trường, Trong thực tế, các yếu tố này luôn mang tính bất định Với khả năng xử lý những bài toán có yếu tố đầu vào không chắc chắn, phương pháp Logic mờ thể hiện được sự phù hợp, tính ưu việt trong vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực Phần sau đây trình bày về Logic mờ và cách ứng dụng Logic mờ để thiết lập bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống

Định nghĩa: Tập mờ A xác định trên tập X là một tập mà mỗi phần tử của nó

là một cặp các giá trị (x,µA(x)), trong đó x  X và µA là ánh xạ Tập mờ A được xác định bởi đẳng thức:

A = { (µA(x)/x) : x  X , µA(x)  [0,1]} (1) Ánh xạ µA : X  [0,1] được gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm thuộc, hàm thành viên - membership function) của tập mờ A Biến x lấy giá trị trong X được gọi là biến cơ sở, còn tập X được gọi là tập tham chiếu (hay tập nền, miền cơ sở) của tập mờ A

Giá trị µA(x) tại x là độ phụ thuộc của phần tử x đối với tập A Nếu hàm liên thuộc của phần tử x có giá trị bằng 0 thì phần tử đó không thuộc tập đã cho, có giá trị bằng 1 thì phần tử đó thuộc hoàn toàn tập đã cho [4]

Trong kỹ thuật điều khiển mờ thông thường, các hàm liên thuộc µA(x) có dạng “trơn” thường được thay bằng một hàm tuyến tính từng đoạn Một hàm liên thuộc có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính

(3)

2.1.1.2 Một số khái niệm đặc trưng của tập mờ

(i) Giá của tập mờ A (còn được gọi là Miền xác định của tập mờ): ký hiệu là Support(A), là một tập con chứa các phần tử có mức độ phụ thuộc (vào A) >0

Support(A) = {x  X : µA(x) > 0}

(ii) Độ cao của tập mờ: độ cao của tập mờ A, ký hiệu là hight(A), là cận trên đúng (supremum) của hàm thuộc µA trên X, hay còn được hiểu là giá trị phụ thuộc lớn nhất của các phần tử x

Trong Logic mờ có ba toán tử cơ bản cho các tập mờ gồm: giao của các tập

mờ, hợp của các tập mờ và lấy phần bù của tập mờ

(i) Giao của các tập mờ ∩ (fuzzy AND conective): xét hai tập mờ A và B có các hàm liên thuộc µA(x) và µB(x) tương ứng, giao của các tập mờ A và B là một tập

mờ được định nghĩa bởi hàm liên thuộc sau:

µA∩B(x) = Min{µA(x), µB(x)}, x ∈ X (ii) Hợp của các tập mờ U (fuzzy OR conective): xét hai tập mờ A và B có các hàm liên thuộc µA(x) và µB(x) tương ứng, hợp của các tập mờ A và B là một tập

mờ được định nghĩa bởi hàm liên thuộc sau:

µAUB(x) = Max{µA(x), µB(x)}, x ∈ X

(iii) Lấy phần bù của tập mờ U (fuzzy NOT conective): xét tập mờ A có các hàm liên thuộc là µA(x), phần bù của tập mờ A là một tập mờ được định nghĩa bởi hàm liên thuộc sau:

µĀ(x) = 1 - µA(x), x ∈ X

2.1.1.4 Số mờ và biến ngôn ngữ

Khi biểu diễn các khái niệm ngôn ngữ như nhỏ, trung bình, lớn, rất lớn,…

trong một ngữ cảnh cụ thể, biến mờ được gọi là biến ngôn ngữ Biến ngôn ngữ được xác định theo một biến cơ sở trên một tập cơ sở là số thực trên một khoảng cụ thể

Biến cơ sở có thể là: điểm, tuổi, nhiệt độ,… Trong một biến ngôn ngữ, các trị ngôn ngữ biểu diễn các giá trị xấp xỉ của biến cơ sở, các trị ngôn ngữ này là các số mờ

Ví dụ: xét Biến ngôn ngữ là nhiệt độ nước khi đun T Biến cơ sở là nhiệt độ

X Nhiệt độ nước từ 100C đến 1000C hay tập cơ sở X=[10, 100] Dải nhiệt độ từ

100C đến 1000C được chia thành các dải nhiệt độ rất thấp (RT), thấp (T), trung bình

(TB), cao (C), rất cao (RC) Các tập mờ cho các giá trị ngôn ngữ T={RT, T, TB, C,

RC} được biểu diễn như Hình 2.2 sau:

Hình 2.2 : Sơ họa các tập mờ cho giá trị ngôn ngữ nhiệt độ nước T

2.1.2 Lôgic mờ

Logic mờ dùng công cụ chính là lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các bài toán phức tạp Logic mờ tập trung trên biến ngôn ngữ trong ngôn ngữ tự nhiên nhằm cung cấp nền tảng cho lập luận xấp xỉ với những vấn

đề không chính xác, thay vì lập luận chính xác theo lôgic cổ điển