LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TRONG MÙA CẠN

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;  Đề xuất được phươ

Literature review

TÔ VIỆT THẮNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ

HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN

TÔ VIỆT THẮNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ

HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Tô Việt Thắng, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

TÁC GIẢ

Tô Việt Thắng

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của Cơ sở đào tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận án

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS TS Ngô

Lê Long - Đại học Thủy Lợi; PGS.TS Nguyễn Tùng Phong - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, GS.TS Lars Ribbe – Trường đại học Khoa học ứng dụng Cologne, CHLB Đức đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện luận án Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo và đồng nghiệp ở Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi; Trường Đại học Khoa học ứng dụng Cologne đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu

và thực hiện luận án

TÁC GIẢ

Tô Việt Thắng

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5

5 Nội dung nghiên cứu 6

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6

7 Cấu trúc của luận án 7

8 Những đóng góp mới của luận án 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC HỒ CHỨA THEO LƯU VỰC SÔNG 9

1.1 Một số thuật ngữ và định nghĩa 9

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông trên thế giới và Việt Nam 10

1.2.1 Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa 10

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp mô phỏng 12

1.2.3 Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp tối ưu 15

1.2.4 Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu 22

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông VGTB 28

1.4 Tóm lược về Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) trên lưu vực sông VGTB: 31

1.5 Hạn chế và khoảng trống trong nghiên cứu vận hành liên hồ chứa phân bổ nguồn nước hợp lý tại LVS VGTB 35

1.6 Lựa chọn công cụ tính toán 36

1.7 Kết luận Chương 1; Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của Luận án 44

BỔ NGUỒN NƯỚC VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA HỢP LÝ LƯU VỰC

SÔNG VU GIA – THU BỒN TRONG MÙA CẠN 47

2.1 Giới thiệu hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn và lựa chọn các hồ chứa cho nghiên cứu 47

2.2 Thiết lập mô hình mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ có xét tới tương quan về thủy văn trong hệ thống 50

2.2.1 Tính bất định và mô phỏng Monte-Carlo 50

2.2.2 Xác lập dạng phân bố xác suất cho chuỗi dòng chảy tới 04 hồ 52

2.2.3 Thiết lập tương quan thủy văn giữa các nhánh sông 55

2.2.4 Tạo chuỗi số ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày tới 04 hồ 57

2.3 Thiết lập mô hình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu 62

2.3.1 Thiết lập bài toán 63

2.3.1.1 Đặc điểm hệ thống hồ chứa 63

2.3.1.2 Các điểm kiểm soát hạ lưu 64

2.3.1.3 Mục tiêu và hàm mục tiêu 65

2.3.1.4 Các ràng buộc của bài toán 67

2.3.2 Thiết lập mô hình mô phỏng vận hành hệ thống liên hồ chứa 70

2.3.3 Thiết lập mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng 72

2.3.3.1 Tối ưu hệ thống 72

2.3.3.2 Các biến quyết định 73

2.3.3.3 Khai báo hàm mục tiêu 74

2.3.3.4 Thiết lập các thông số chạy mô phỏng 74

2.3.4 Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành liên hồ chứa HEC-RESSIM 76

2.3.4.1 Giới thiệu mô hình HEC-RESSIM 76

2.3.4.2 Mô phỏng hệ thống các hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM 78

2.3.4.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-RESSIM 79

2.4 Kết luận chương 2 83

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC 86

3.1 Xác định các kịch bản vận hành 04 hồ chứa 87

3.3 Tổng hợp kết quả tính toán vận hành tối ưu theo các nhóm kịch bản 96

3.3.1 Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản nền 96

3.3.2 Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa 98

3.3.3 Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa với tỉ lệ xả của hồ Đăk Mi 4 theo Quy trình 1537 100

3.3.4 Tổng hợp kết quả tính toán của tất cả các kịch bản 103

3.4 Tính toán chi tiết kịch bản được lựa chọn bằng mô hình HEC-RESSIM 106

3.4.1 Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa theo Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) 107

3.4.2 Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa theo quy trình lưu lượng phát điện tối ưu đã được lựa chọn – Kịch bản 5 109

3.4.3 So sánh và phân tích kết quả 111

3.4.3.1 Phương án mô phỏng năm 2015 và 2016 111

3.4.3.2 Phương án mô phỏng các năm giai đoạn 1981-2008 116

3.5 Kết luận chương 3 121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 131

PHỤ LỤC 1……… 133

PHỤ LỤC 2……… 148

PHỤ LỤC 3……… 176

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 Lưu lượng xả tối thiểu từng thời kỳ của các hồ chứa theo Quy trình 1537 khi

HÁi Nghĩa <2,67m và HGiao Thủy<1,02m 32

Bảng 1.2 Lưu lượng xả tối thiểu từng thời kỳ của các hồ chứa theo Quy trình 1537 khi 2,67m  HÁi Nghĩa <2,80m và 1,02m  HGiao Thủy <1,16m 32

Bảng 1.3 Mức tưới sử dụng trong tính toán 33

Bảng 1.4 Mực nước trung bình 3 tháng kiệt tại trạm Ái Nghĩa và Giao Thủy 34

Bảng 2.1 Thông số thủy điện A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4 và Đak Mi 4 48

Bảng 2.2 Hàm phân phối xác suất dòng chảy thời đoạn 10 ngày theo mô phỏng Monte Carlo 53

Bảng 2.3 Kết quả tính toán hệ số tương quan dòng chảy giữa 04 hồ chứa trên lưu vực sông VGTB 55

Bảng 2.4 Tham số thống kê chuỗi 10.000 số ngẫu nhiên tạo ra bằng phương pháp Monte-Carlo 59

Bảng 2.5 So sánh các đặc trưng thống kê của chuỗi dòng chảy được phát ngẫu nhiên với chuỗi dòng chảy thực tế 61

Bảng 2.6 Thông số diễn toán theo phương pháp Muskingum 80

Bảng 2.7 Các hệ số lưu lượng khu giữa 81

Bảng 2.8 Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định 81

Bảng 3.1 Tổng hợp vận hành các hồ chứa theo từng kịch bản 88

Bảng 3.2 Thống kê sản lượng điện thực tế giai đoạn 2014-2016 từ các thủy điện 90

Bảng 3.3 Tổng sản lượng điện mùa cạn tính toán theo các kịch bản 104

Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả tính toán thủy năng theo 2 phương án vận hành năm 2015, 2016 115

Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả tính toán sản lượng điện sản xuất theo từng hồ 116

Bảng 3.6 tổng hợp kết quả tính toán điện lượng mùa cạn giai đoạn 1982-2008 116

Hình 1.1 Sơ đồ tìm kiếm nghiệm bài toán tối ưu (McLaughnin, 2006) 17

Hình 1.2 Phân loại các thuật toán tối ưu toàn cục - Thomas Weise (2009) [57] 18

Hình 1.3 Sơ đồ kết hợp mô phỏng-tối ưu cho phân bổ nguồn nước hồ chứa 23

Hình 1.4 Sơ đồ thực hiện phương pháp mô phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước 24

Hình 1.5 Sơ đồ tích hợp mô phỏng – tối ưu (sử dụng thuật toán Gene) 27

Hình 1.6 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 46

Hình 2.1 Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn 49

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống hồ chứa trong tính toán dòng chảy ngẫu nhiên đến các hồ 52

Hình 2.3 Minh họa thiết lập tương quan dòng chảy đến hồ A Vương – Đăk Mi 4 tháng 10 trong Crystal Ball 56

Hình 2.4 Minh họa tương quan dòng chảy đến giữa các hồ trong hệ thống 57

Hình 2.5 So sánh dạng phân phối xác suất dòng chảy thực tế và dòng chảy ngẫu nhiên được phát theo mô phỏng Monte Carlo cho 04 hồ tại tháng 2, 11 và 12. 62

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống hồ chứa trong nghiên cứu 64

Hình 2.7 Minh họa mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 70

Hình 2.8 Minh họa bảng THÔNG SỐ HỒ trong mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 70

Hình 2.9 Minh họa bảng DÒNG CHẢY ĐẾN trong mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 71

Hình 2.10 Minh họa xác định các biến quyết định trong mô hình 73

Hình 2.11 Minh họa khai báo hàm mục tiêu trong mô hình 74

Hình 2.12 Minh họa khai báo các thông số trong mô hình 75

Hình 2.13 Minh họa tìm kiếm tối ưu kết nối với mô hình mô phỏng vận hành 04 hồ chứa 75

Hình 2.15 Mô phỏng hệ thống hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM 78

Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống sông VGTB 80

Hình 2.17 Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa cạn năm 2015 81

Hình 2.18 Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa cạn năm 2015 82

Hình 2.19 Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa cạn năm 2016 82

Hình 2.20 Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa cạn năm 2016 83

Hình 2.21 Sơ đồ mô tả các bước xây dựng mô hình phối hợp vận hành hệ thống hồ chúa phục vụ việc phân bổ hợp lý nguồn tài nguyên nước lưu vực sông VGTB 85

Hình 3.1 Thống kê điện lượng thực tế từ các nhà máy thủy điện 90

Hình 3.2 Quỹ đạo vận hành tối ưu của 04 hồ theo Qturbin - Kịch bản 1 91

Hình 3.3 Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản 1 92

Hình 3.4 Quỹ đạo tìm kiếm tối ưu tổng sản lượng điện mùa cạn – KB1 93

Hình 3.5 Phân bố sản lượng điện theo các mức đảm bảo khác nhau – KB1 93

Hình 3.6 Quỹ đạo vận hành tối ưu theo Qturbin của 04 hồ theo Kịch bản 2 94

Hình 3.7 Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản 2 95

Hình 3.8 Quỹ đạo tìm kiếm tối ưu tổng sản lượng điện mùa cạn – KB2 95

Hình 3.9 Phân bố sản lượng điện theo các mức đảm bảo khác nhau - KB2 96

Hình 3.10 Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành 04 hồ A Vương, Sông Bung 4 và Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2 97

Hình 3.11 Minh họa quỹ đạo vận hành tối ưu 04 hồ A Vương, Sông Bung 4 và Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2 theo Qturbin 97

Hình 3.12 Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản nền -

theo quy trình 1537 98

Hình 3.13 Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - nhóm kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa (Nhóm kịch bản 2) 99

Hình 3.14 Tổng sản lượng điện mùa cạn theo tính toán từ mô hình 100

Hình 3.15 Tổng sản lượng điện mùa cạn tính toán từ mô hình – Nhóm kịch bản 3 102

điểm hồ chứa (Nhóm kịch bản 3) 102

Hình 3.17 Tổng sản lượng điện mùa cạn theo các kịch bản 104

Hình 3.18 Tổng hợp Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ của tất cả các KB 105

Hình 3.19 Quy tắc xả dòng chảy tối thiểu từ hồ A Vương thay đổi theo các thời kỳ cấp nước (bình thường, gia tăng) khi mực nước Ái Nghĩa < 2,67m 108

Hình 3.20 Quy tắc xả dòng chảy tối thiểu từ hồ A Vương thay đổi theo các thời kỳ cấp nước (bình thường, gia tăng) khi mực nước Ái Nghĩa trong khoảng từ 2,67m đến 2,80m 109

Hình 3.21 Quá trình lưu lượng phát điện tối thiểu hồ A Vương theo từng thời đoạn 110

Hình 3.22 Quá trình lưu lượng xả tối thiểu xuống hạ lưu từ hồ Đăk Mi 4 111

Hình 3.23 Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2015 112

Hình 3.24 Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2015 112

Hình 3.25 Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2016 113

Hình 3.26 Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2016 113

Hình 3.27 Tổng sản lượng điện sản xuất mùa cạn giai đoạn 1981-2008 117

Hình 3.28 Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 1996 119

Hình 3.29 Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2003 119

Hình 3.30 Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 1996 120

Hình 3.31 Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2003 120

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn QTVHLH Quy trình vận hành liên hồ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Từ hàng thế kỷ nay người ta đã nhận ra rằng việc phân bổ nước cho một đối tượng sử dụng nước ở một điểm trong một khoảng thời gian sẽ có ảnh hưởng đến các đối tượng sử dụng nước khác ở các điểm khác, trong các khoảng thời gian khác nhau Để giải quyết được vấn đề này, một trong các hướng tiếp cận đang nhận được

sự quan tâm hiện nay là coi lưu vực sông là một đơn vị trong quản lý và quy hoạch tổng hợp Điều này đã được thể hiện rất rõ ở Hội nghị quốc tế về Nước và Môi trường 1992 Hội nghị đã lập ra các nguyên tắc Dublin, tập trung vào việc coi lưu vực sông là một đơn vị phân tích

Lưu vực sông là một hệ thống rất phức tạp về điều kiện tự nhiên, dân sinh kinh tế và xã hội Trong thực tế, việc phân bổ tài nguyên nước giữa người dùng khác nhau/các đơn vị sử dụng nước khác nhau là một vấn đề không đơn giản ở nhiều lưu vực sông (Harou, Paredes, Solera, & Andreu, 2012) [26] Khi nhu cầu sử dụng nước còn thấp so với khả năng cung cấp của hệ thống, tất cả các hộ sử dụng nước đều có thể cùng tồn tại mà không có xung đột, tranh chấp Lúc này, bài toán phân bổ nguồn nước hợp lý chưa được đặt ra Tuy nhiên, khi nhu cầu sử dụng nước gia tăng giữa các hộ dùng nước như sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, thủy điện… các xung đột về lợi ích sẽ gia tăng, đặc biệt trong mùa cạn khi nguồn nước trên sông bị hạn chế (Liu, Chen, & Lou, 2009) [32] Ở những lưu vực sông thiếu nước hoặc khan hiếm nước, các mâu thuẫn càng gia tăng, dẫn đến vấn đề quản lý phân bổ tài nguyên nước hiệu quả càng trở nên khó khăn

(Roozbahani, Abbasi, Schreider, & Ardakani, 2014) [42] cho rằng sự cạnh tranh giữa các hộ sử dụng nước trên cùng một lưu vực sông là một vấn đề lớn, phức tạp đối với các nhà chức trách, nhà quy hoạch, đặc biệt là đối với lưu vực sông xuyên biên giới Điều này bắt nguồn từ một thực tế là không đủ nước để đáp ứng được tất

cả nhu cầu sử dụng nước của các bên Việc thiếu sự phối hợp giữa các bên liên quan trong lưu vực sông sẽ gây ra việc phân bổ nguồn nước một cách bất công và có thể

dẫn tới hậu quả tiêu cực cho một số bên Cùng quan điểm, (W Shao, D Yang, H

Hu, 2008) [53] và (Babel, Das Gupta, & Nayak, 2005) [21] cho rằng khi nguồn nước khan hiếm và nhu cầu sử dụng nước gia tăng, mức độ khó khăn về phân bổ nguồn nước sẽ gia tăng do việc xuất hiện các xung đột về lợi ích đòi hỏi cần cân nhắc các biện pháp phân bổ nguồn nước hợp lý, hiệu quả nhằm tạo ra sự hài hòa giữa các bên Ngày nay, một trong các mâu thuẫn chính trong phân bổ tài nguyên nước là mâu thuẫn về việc sử dụng nguồn nước giữa các đơn vị sử dụng nước ở thượng nguồn và hạ nguồn các lưu vực sông Các hộ sử dụng nước thượng lưu có thể kể đến như thủy điện có xung đột về sử dụng nguồn nước với các hộ ở hạ lưu bao gồm các ngành nông nghiệp, công nghiệp và dân sinh (Kuenzer et al., 2013) [30] khi nghiên cứu về các tác động của việc phát triển thủy điện tại thượng lưu tới các đơn vị sử dụng nước khác tại hạ lưu sông Mekong, cho rằng: Việc xây dựng các

hồ chứa thủy điện sẽ hỗ trợ phát triển kinh tế và giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng tăng cao trên lưu vực sông Mekong, các quốc gia ven sông, đặc biệt là Trung Quốc, Thái Lan, và Việt Nam Tuy nhiên, các tác động của thủy điện có thể kể đến như làm thay đổi lưu lượng nước và phù sa, gây nên tác động tiêu cực đến môi trường và sinh kế người dân vùng sông Mekong Kết quả là các nước ở hạ lưu đang phải chịu các tác động bất lợi trong khi các nước ở thượng lưu đơn phương được hưởng lợi từ thủy điện Tương tự, (Ringler, 2001) [41] đã xem xét mối quan hệ giữa thủy điện và các đối tượng sử dụng nước khác (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, môi trường) nhằm xây dựng mô hình tối ưu hóa phân bổ tài nguyên nước áp dụng cho lưu vực sông Mekong, giảm thiểu các mâu thuẫn giữa các hộ sử dụng nước trong lưu vực ( Ngo, L Le., Madsen, H., & Rosbjerg, D, 2008) [39] cũng đã xem xét bài toán thỏa hiệp giữa các mục tiêu phòng lũ và phát điện trên lưu vực sông Hồng, Việt Nam thông qua việc tối ưu hoá vận hành hồ chứa Hoà Bình trong mùa lũ

Đối với Việt Nam, mâu thuẫn và xung đột trong việc sử dụng và phân bổ nguồn nước trên cùng một lưu vực sông càng tăng lên trong bối cảnh khan hiếm nguồn nước càng nghiêm trọng Theo Lê Bắc Huỳnh (2011) [6], những năm gần đây, ở hạ lưu hầu hết các lưu vực sông (LVS) tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn

tới thiếu nước, khan hiếm nước diễn ra ngày một thường xuyên hơn, với quy mô và mức độ ngày càng nghiêm trọng hơn, gây tác động lớn đến môi trường sinh thái và làm gia tăng nguy cơ kém bền vững trong phát triển kinh tế - xã hội

Trong mùa cạn, nguồn nước mặt suy giảm nghiêm trọng đã diễn ra ở hạ lưu các hồ chứa thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, dẫn tới suy giảm liên tục

ở hạ lưu sông Hồng Đây là hiện tượng hoàn toàn khác với bình thường vì về nguyên tắc, các công trình hồ chứa đều có nhiệm vụ bổ sung nguồn nước vào mùa cạn Tình trạng trên còn khá phổ biến ở đa số các lưu vực sông khác như sông Hương, Vu Gia-Thu Bồn, Trà Khúc, sông Kôn, sông Ba, Đồng Nai - Sài Gòn, Sê San, Srêpôk làm cho nhiều dòng sông vốn khá phong phú nguồn nước nay mất dòng chảy hoặc cạn đến mức chưa từng thấy Tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn tới thiếu nước, hạn hán đã, đang xảy ra không chỉ ở một vài LVS mà còn bao trùm

cả vùng, miền hoặc ở khắp cả nước

Hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn (VGTB) là hệ thống sông liên tỉnh lớn nhất vùng ven biển miền Trung Việt Nam, có tổng lượng nước hàng năm là 20 tỷ

m3 năm Toàn bộ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diện tích lưu vực 10.350 km2, thuộc hai tỉnh Quảng Nam và Thành phố Đà N ng Trong những năm gần đây, vấn đề chia sẻ phân bổ nguồn nước đã và đang gây nhiều tranh luận giữa các địa phương thuộc LVS VGTB, cũng như nhận được nhiều sự quan tâm từ chính phủ, các nhà khoa học và các ban ngành của địa phương Việc xây dựng hệ thống hồ thủy điện trên sông VGTB dẫn đến mâu thuẫn trong việc chia sẻ nguồn nước giữa các hộ dùng nước, giữa thượng du và hạ du… Một số nhà máy thủy điện, trong thiết kế đã không quan tâm đầy đủ đến yêu cầu duy trì dòng chảy hạ du, phục

vụ nhu cầu sử dụng nguồn nước của dân sinh và các ngành kinh tế như nông nghiệp, công nghiệp

Thêm vào đó, khi thiết kế, các công trình thủy điện trên sông VGTB đều có quy trình vận hành riêng, chủ yếu là cho nhiệm vụ phát điện, việc phối hợp vận hành các hồ chứa trong hệ thống phục vụ đa mục tiêu vẫn chưa được xem xét chi tiết Đặc biệt, trong mùa cạn khi nguồn nước hạn chế thì công tác phối hợp vận

hành giữa các hồ chứa trên lưu vực sông lại càng cấp thiết nhằm vừa đảm bảo cung cấp nguồn nước cho các ngành kinh tế, sinh hoạt và dịch vụ, vừa đảm bảo duy trì nhiệm vụ phát điện Vì vậy, nếu hệ thống hồ chứa không có sự phối hợp vận hành hợp lý thì không những ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệm vụ phát điện của hồ mà còn tác động đến khả năng cấp nước, duy trì môi trường phía hạ du

Hiện nay, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quy trình vận hành liên hồ cho lưu vực sông VGTB (Quy trình 1537) [18], trong đó đã quy định các hồ chứa ngoài nhiệm vụ phát điện còn phải tham gia giảm lũ và duy trì dòng chảy dưới hạ

du Tuy nhiên, vận hành hệ thống hồ chứa với mục tiêu phân bổ nguồn nước trong mùa cạn như thế nào đảm bảo hài hòa các yêu cầu cấp nước, nhưng nâng cao hiệu quả phát điện vẫn là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Chính vì vậy NCS đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong mùa cạn” làm đề tài nghiên cứu luận án Tiến sỹ

Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào giải quyết bài toán kết hợp

mô phỏng-tối ưu hóa vận hành hệ thống hồ chứa, đặc biệt trong thời kỳ mùa cạn làm cơ sở phục vụ việc phân bổ nguồn nước hồ chứa thủy điện một cách có hiệu quả Hướng đề tài luận án tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học, thiết lập bài toán, hướng tiếp cận từ đó đề xuất mô hình mô phỏng-tối ưu điều tiết liên hồ chứa phục vụ đa mục tiêu Việc nghiên cứu sẽ được áp dụng đối với các hồ chứa lớn trên

hệ thống sông VGTB

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

 Xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;

 Đề xuất được phương án phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa, đảm bảo hiệu quả kinh tế tổng hợp (cao nhất)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Phân bổ nguồn nước hợp lý cho các hồ chứa A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2 trên lưu vực sông VGTB

 Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống lưu vực sông VGTB trong mùa cạn

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận:

Luận án sử dụng hai cách tiếp cận sau:

 Tiếp cận tổng thể: Cách tiếp cận này dựa theo quan điểm quản lý tổng hợp tài nguyên nước, tổng hợp về không gian từ thượng lưu xuống hạ lưu trong phạm

vi lưu vực sông và tổng hợp liên ngành bao gồm thủy điện, thủy lợi, cấp nước

 Tiếp cận hệ thống: Hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn bao gồm các nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước và các yêu cầu về sử dụng tài nguyên nước được nghiên cứu trên cơ sở mối quan hệ tương tác giữa chúng

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp kế thừa: Trên cơ sở việc nghiên cứu tổng quan cập nhật tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án kế thừa có chọn lọc các tài liệu và kết quả của các công trình nghiên cứu liên quan đến vận hành hệ thống hồ chứa liên quan tới các mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu, mô hình kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu hóa … để nghiên cứu, phân tích các ưu, nhược điểm của các nghiên cứu, mô hình và đề xuất cơ sở khoa học, mô hình áp dụng việc vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB

 Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu: sử dụng để thu thập thông tin, số liệu, từ đó thống kê, phân tích, xử lý dữ liệu đầu vào để thực

hiện các nội dung nghiên cứu, tính toán trong luận án Các mô hình thống kê,

mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để tạo ra bộ số liệu cho đề tài

 Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa sử dụng trong vận hành liên hồ: Các thuật toán và mô hình được nghiên cứu sử dụng một cách thích hợp nhằm phát huy ưu điểm của mô hình, kết hợp với nhau cho từng bước giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa

5 Nội dung nghiên cứu

Nội dung luận án bao gồm:

 Nghiên cứu tổng quan về phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa lưu vực sông và vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu;

 Xây dựng cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa nhằm phân bổ hợp lý nguồn nước LVS VGTB, đảm bảo hài hòa lợi ích về cấp nước

và phát điện trong mùa cạn, thông qua việc thiết lập các mô hình mô phỏng chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên đến hệ thống hồ; mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa;

 Tính toán vận hành hệ thống hồ chứa LVS VGTB theo các kịch bản nhằm nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước;

 Đề xuất lựa chọn kịch bản vận hành hồ chứa hợp lý cho lưu vực sông VGTB

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

Thông qua việc nghiên cứu kết hợp giữa mô hình mô phỏng và kỹ thuật tối

ưu, luận án đã xác lập được cơ sở khoa học xác định chế độ vận hành phân bổ nguồn nước liên hồ chứa hợp lý nhằm hài hòa mục tiêu cấp nước và phát điện Luận

án đã đi sâu trong tính toán phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án sẽ xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý

hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông

Ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu chế độ phối hợp vận hành phân bổ hợp lý nguồn nước hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB sẽ giúp cho việc điều hành của các cơ quan quản lý thuận tiện hơn nhằm vừa đảm bảo cung cấp nguồn nước cho các ngành kinh

tế, sinh hoạt và dịch vụ trong mùa cạn ở lưu vực sông, vừa đảm bảo duy trì nhiệm

vụ phát điện, đảm bảo hiệu quả kinh tế tổng hợp (cao nhất); góp phần bổ sung, điều chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông VGTB (Quy trình 1537)

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và bàn luận, luận án được bố cục trong 3 chương, bao gồm:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và các phương pháp tính toán vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới, trong nước và trên lưu vực sông VGTB với ứng dụng lần lượt các phương pháp mô phỏng, tối ưu, từ đó thấy được những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu và đưa ra được định hướng nghiên cứu trong Luận án

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB trong mùa cạn Chương này trình bày nội dung xây dựng các cơ sở khoa học cần thiết

để phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa phục vụ công tác phân bổ nguồn nước lưu vực sông VGTB Nội dung bao gồm nghiên cứu xây dựng mô hình

mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ có xét tới tương quan về thủy văn trong hệ thống; Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa; Xây dựng mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa;

Chương 3: Kết quả tính toán vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông VGTB nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước Chương này trình bày các kết

quả tính toán vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa trên hệ thống sông VGTB với mô hình kết hợp mô phỏng – tối ưu tính toán tối đa sản lượng điện từ các hồ trong khi đảm bảo nhu cầu sử dụng nước hạ lưu Mô hình sẽ được sử dụng để tính toán nhiều kịch bản nhằm tìm ra kịch bản có lợi nhất, tính toán kiểm tra bằng các mô hình mô phỏng hệ thống, từ đó đánh giá để đưa ra những khuyến nghị khi sử dụng trong thực tế phối hợp vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông VGTB

8 Những đóng góp mới của luận án

 Xác lập được cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa trong phân bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;

 Bước đầu đề xuất xác lập được quy trình vận hành tối ưu hệ thống 04 hồ chứa lớn nhất trên lưu vực sông VGTB bao gồm (hồ chứa A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2) đảm bảo tối đa hóa điện lượng sản xuất từ các hồ chứa phát điện và hài hòa mục tiêu đáp ứng yêu cầu cấp nước hạ du;

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

TÍNH TOÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC HỒ CHỨA THEO

LƯU VỰC SÔNG

1.1 Một số thuật ngữ và định nghĩa

Tài nguyên nước: bao gồm nguồn nước mặt, nước dưới đất, nước mưa và

nước biển thuộc lãnh thổ của nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam (Luật TNN 2012) [14]

Nguồn nước: là các dạng tích tụ nước tự nhiên hoặc nhân tạo có thể khai

thác, sử dụng bao gồm sông, suối, kênh, rạch, hồ, ao, đầm, phá, biển, các tầng chứa nước dưới đất; mưa, băng, tuyết và các dạng tích tụ nước khác (Luật TNN 2012) [14]

Hồ chứa (reservoir): là công trình trữ và điều tiết nước, bao gồm vùng lòng

hồ được tính từ cao trình đỉnh đập trở xuống và đập tạo hồ chứa (TCVN8414:2010) Công trình tích nước và điều tiết dòng chảy nhằm cung cấp nước cho các ngành kinh tế quốc dân, sản xuất điện năng, cắt giảm lũ cho vùng hạ lưu v.v (QCVN 04-05:2012/BNNPTNT) [15]

Hệ thống hồ chứa: là hệ thống bao gồm nhiều hồ chứa trên một dòng sông

hoặc trên một hệ thống sông liên quan với nhau về mặt khai thác, sử dụng tài nguyên nước; điều tiết dòng chảy sông; phòng, chống tác hai do nước gây ra và bảo

vệ môi trường trên lưu vực sông (NĐ 112:2008) [16]

Phân bổ nguồn nước: được hiểu là sự phối hợp vận hành giữa các hồ chứa

nhằm phân bổ lại tỷ lệ đóng góp nước của các hồ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước của hạ du

Quy trình vận hành điều tiết hồ chứa nước: là văn bản quy định về nguyên

tắc, nội dung và trình tự vận hành các công trình của hồ chứa nước để điều chỉnh việc trữ nước, cấp nước và xả nước trong các trường hợp khác nhau của thời tiết hoặc khi yêu cầu cấp nước thay đổi, đảm bảo hồ chứa làm việc đúng với năng lực

thiết kế và các điều kiện đã lựa chọn; hạn chế thiệt hai khi hồ chứa gặp lũ vượt thiết

kế hoặc dòng chảy kiệt nhỏ hơn thiết kế (TCN 121_2002) [17]

Biểu đồ điều phối hồ chứa nước: là biểu đồ kỹ thuật xác định giới hạn làm

việc an toàn về phòng chống lũ và cấp nước của hồ chứa, giúp người quản lý chủ động vận hành khai thác (TCN 121_2002) [17]

Đường phòng phá hoại trong biểu đồ điều phối: là giới hạn trên vùng cấp

nước bình thường của hồ chứa nước.(TCN 121_2002) [17]

Đường hạn chế cấp nước trong biểu đồ điều phối: là giới hạn dưới vùng cấp

nước bình thường của hồ chứa nước.(TCN 121_2002) [17]

Lưu vực sông: là vùng đất mà trong phạm vi đó nước măt, nước dưới đất

chảy tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển (Luật TNN 2012) [14]

Dòng chảy tối thiểu: là dòng chảy ở mức thấp nhất cần thiết để duy trì dòng

sông hoặc đoạn sông nhằm đảm bảo sự phát triển bình thường của hệ sinh thái thủy sinh và bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng nguồn nước của các đối tượng sử dụng nước (Luật TNN 2012) [14]

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông

trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa

Hồ chứa là công trình thủy lợi, thủy điện làm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy, trữ nước vào mùa lũ để sử dụng trong mùa cạn và hoặc tích lũy thế năng để chuyển thành năng lượng điện Căn cứ vào đặc điểm điều tiết dòng chảy, có thể phân loại

hồ chứa dựa vào chu kỳ, mục đích điều tiết, mức độ sử dụng dòng chảy… Theo mục đích điều tiết, có thể phân loại hồ chứa điều tiết phục vụ tưới, phát điện, cấp nước (không kể cấp nước tưới), vận tải thủy, phòng lũ và các loại điều tiết khác

Hầu hết các hồ chứa lớn hiện nay là các 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 trong việc sử dụng dung tích hồ chứa: Các

mâu thuẫn này xuất hiện khi một hồ chứa (có dung tích hạn chế) được yêu cầu phải thỏa mãn nhiều mục tiêu; (ii) Mâu thuẫn giữa các mục tiêu : mâu thuẫn này nảy sinh khi chế độ vận hành cấp nước cho các mục tiêu là khác nhau; (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

Để tránh xung đột giữa các mục tiêu, nhiều phương pháp đã được xây dựng

và giới thiệu nhằm hỗ trợ cho công tác vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa hợp

lý và có hiệu quả trên lưu vực sông Tuy nhiên tựu chung lại có 02 phương pháp cơ bản là (1) Phương pháp quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối và (2) Phương pháp quản lý vận hành hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống

Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối: Hướng nghiên cứu này

thường được sử dụng đối với hồ chứa độc lập đơn thuần và chỉ có nhiệm vụ cấp nước phát điện và chống lũ cho bản thân công trình Biểu đồ điều phối là căn cứ chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận hành hồ chứa thông qua các quy tắc vận hành được biểu diễn dưới dạng đồ thị hay bảng hướng dẫn theo mực nước (dung tích) hồ theo thời gian trong năm Các biểu đồ điều phối được sử dụng cả đối với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm trong hệ thống bậc thang Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng có hiệu quả đối với các hồ chứa độc lập

Quản lý vận hành hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống: Đây là

phương pháp quản lý hiện đại 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 kết hợp với dự báo để trợ giúp điều hành cho công tác quản lý vận hành Các phương pháp quản lý vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa theo hướng này có thể kể đến là phương pháp sử dụng các mô hình mô phỏng, phương pháp tối ưu hóa và phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu (Louck and Eelco van Beek, 2005), (Liu et al., 2009), (Husain, 2012), (Fayaed, El-Shafie,

& Jaafar, 2013) and (Ahmad, El-Shafie, Razali, & Mohamad, 2014) [33], [32], [28],

[24], [19] Trong khi các mô hình mô phỏng có thể mô tả hệ thống một cách tốt nhất thì các mô hình tối ưu thường hữu ích nếu mục đích chính là cải thiện biểu hiện của hệ thống Các mô hình cũng có thể có khả năng mô phỏng và tối ưu đồng thời (Mckinney, Cai, Rosegrant, Ringler, & Scott, 1999) [35]

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử

dụng phương pháp mô phỏng

Vì không có khả năng để dựng một mô hình vật lý thí nghiệm các hoạt động của hồ chứa trong thực tế, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu nhằm mô phỏng các phương án vận hành để tìm hiểu sâu hơn về hoạt động của hồ chứa Bản chất của mô phỏng là mô tả lại hoạt động của hệ thống, mọi đặc trưng quan trọng của hệ thống để thấy phản ứng của hệ thống đối với các điều kiện, kịch bản đưa ra, từ đó có thể giúp hình dung về hệ thống thực hoạt động như thế nào theo thời gian theo từng điều kiện thay đổi

Các mô hình mô phỏng không thể tạo ra một giải pháp tối ưu trực tiếp cho việc vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước Tuy nhiên, khi chạy mô hình mô phỏng nhiều lần với các kịch bản khác nhau sẽ hỗ trợ việc tìm ra một kịch bản phù hợp nhất hoặc gần phù hợp nhất (Fayaed et al., 2013) và (Teegavarapu & Simonovic, 2014) [24], [47] Nói một cách khác, Rani & Moreira (2010) [40] cho rằng phương pháp mô phỏng thường được sử dụng để mô tả lại hoạt động về mặt thủy văn, thủy lực của các hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông trong đó sử dụng các số liệu dòng vào trong các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống

Trong lĩnh vực quản lý tổng hợp tài nguyên nước, phương pháp mô phỏng lần đầu tiên được hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ (US Army Corps of Engineers-USACE) sử dụng để lập kế hoạch và quản lý nguồn tài nguyên nước sông Missouri vào năm 1962 Sau đó Chương trình Nước Harvard (Harvard Water Program) áp dụng kỹ thuật mô phỏng các thiết kế về kinh tế áp dụng cho các nguồn tài nguyên nước Dần dần, các mô hình mô phỏng hoàn chỉnh đã được xây dựng và giới thiệu như các mô hình họ HEC (HEC3, HEC5, HEC RESSIM – giới thiệu chi tiết tại Mục

2.3.4.1) - được phát triển tại Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Hydrologic Engineering Centre – HEC) của quân đội Mỹ, phục vụ cho cho mô phỏng hồ chứa; mô hình IRIS -Interactive River System Simulation-cho giải quyết các bài toán liên quan tới vấn

đề tranh chấp tài nguyên nước cho các lưu vực sông xuyên biên giới…(Rani & Moreira, 2010) [40]

Wurbs and Karama (1995) sử dụng kỹ thuật mô phỏng để đánh giá tác động của xâm nhập mặn tới khả năng cung cấp và phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông Brazos, Mỹ Nghiên cứu về mô phỏng hệ thống hồ chứa chi tiết đã được Jain (2005) thực hiện trong việc phân tích và thiết kế một hệ thống phân bổ nguồn nước giữa các lưu vực sông tại Ấn Độ (large inter-basin water transfer system) Nghiên cứu đã giới thiệu các bước phức tạp liên quan tới việc hoạch định một kế hoạch chuyển nước giữa các lưu vực lớn và chứng minh hiệu quả của các mô hình mô phỏng trong việc tìm kiếm các giải pháp cho phân bổ nguồn nước hiệu quả và chấp nhận được (Rani & Moreira, 2010) [40]

Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) [7] đã áp dụng mô hình RESSIM mô phỏng điều tiết lũ cho hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hương Mô hình cho phép xác định thứ tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm phân bổ nguồn nước và kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương

HEC-Hoàng Thanh Tùng cùng các cộng sự của mình đã sử dụng mô hình WEAP (Water Evaluation and Planning System - Hệ thống Đánh giá và Quy hoạch nguồn nước) tính toán phân bổ nguồn nước cho lưu vực sông Ba (Việt Nam) Kết quả nghiên cứu cho thấy đây là một mô hình mô phỏng khá tốt và là một công cụ đơn giản và hữu hiệu nhằm đưa ra phương án phân bổ nguồn nước hợp lý hơn cho lưu vực sông Ba, góp phần tăng hiệu quả kinh tế từ các hoạt động dùng nước Nhóm nghiên cứu đã tiến hành tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Ba, kết hợp với với nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông, dựa trên Xây dựng bài toán kinh

tế trong giai đoạn 2010 – 2020 theo từng kịch bản Nghiên cứu mới dừng lại ở mức

độ sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với mô hình phân tích tài chính cho bài toán

phân bổ tài nguyên nước hợp lý trên lưu vực sông Ba (Hoàng Thanh Tùng, 2015) [12]

Ngô Lê Long và Nguyễn Mạnh Toàn (2010) [8] đã ứng dụng mô hình MIKE

11 đánh giá hiệu quả phòng chống lũ lụt của các hồ chứa thượng nguồn sông Hương Nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng và đánh giá khả năng cắt lũ của các hồ chứa lớn trên lưu vực sông Hương như Bình Điền, Hương Điền, Dương Hoà Kết quả cho thấy việc tham gia cắt lũ của ba hồ sẽ đảm bảo mực nước tại Kim Long (trạm khống chế mực nước tại hạ du) dưới +3,5m (giới hạn cho phép)

Lương Hữu Dũng (2016) [3] đã có nghiên cứu cơ sở khoa học phục vụ vận hành hệ thống liên hồ chứa kiểm soát lũ lưu vực sông Ba Nghiên cứu đã Thiết lập

bộ công cụ mô hình toán phục vụ bài toán vận hành liên hồ chứa phòng lũ bao gồm các mô hình thủy văn NAM được sử dụng trong việc kéo dài và đồng bộ dòng chảy

lũ đến vị trí các hồ và tại các lưu vực bộ phận trên lưu vực sông Ba; mô đun vận hành để ứng dụng vận hành trong mùa lũ trên lưu vực sông Ba; Mô hình Mike11 được sử dụng để mô phỏng, kiểm tra mực nước và lưu lượng tại các điểm kiểm soát trên lưu vực Nghiên cứu đã (1) Xác định vai trò của từng hồ, hệ thống hồ trong vận hành hệ thống liên hồ chứa kiểm soát lũ lưu vực sông Ba; (2) Đề xuất quy tắc xả nước tạo dung tích chứa lũ không gây tác động tiêu cực cho hạ du; (3) Góp phần điều chỉnh nội dung vận hành trong Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba Tuy nhiên, luận án không lựa chọn sử dụng phương pháp tối ưu trong bài toán xác định cơ sở khoa học và thực tiễn của bài toán vận hành liên hồ chứa

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 nào có thể phù hợp với mọi hệ thống 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

Tuy nhiên, mặc dù được sử dụng rộng rãi trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước nói chung và trong mô phỏng phân bổ nguồn nước từ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông nói riêng, phương pháp mô phỏng vẫn có điểm hạn chế khi chỉ đưa ra được phương án vận hành tốt nhất trong các kịch bản mô phỏng Do số lượng các kịch bản mô phỏng thường không nhiều, nên kết quả tìm được chưa đáp ứng được mong muốn của những nhà quy hoạch và quản lý Chính vì vậy, song song với phương pháp mô phỏng, phương pháp tối ưu đã được phát triển và ứng dụng trong rất nhiều nghiên cứu

1.2.3 Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử

dụng phương pháp tối ưu

Phương pháp luận tối ưu hóa

Tối ưu hóa là một phương pháp tìm ra sự lựa chọn tốt nhất trong các phương

án có thể Thành phần quan trọng nhất trong tối ưu hóa chính là các hàm mục tiêu,

mà qua đó nhằm xác định các nghiệm tối ưu – nghiệm mục tiêu thỏa mãn được tất

cả các giả thiết và ràng buộc Hàm mục tiêu mô tả tiêu chuẩn cần đạt được của hệ thống Các ràng buộc mô tả hệ thống hay quy trình đang được thiết kế Các ràng buộc được thể hiện dưới dạng các biểu thức toán học là các đẳng thức và bất đẳng thức Nghiệm của bài toán tối ưu là một tập hợp các giá trị biến quyết định hàm mục tiêu đồng thời thỏa mãn các ràng buộc Miền nghiệm là miền mà các nghiệm chấp nhận được, xác định bởi các ràng buộc Một nghiệm tối ưu là một tập hợp các giá trị của biến quyết định, thỏa mãn các ràng buộc và cho giá trị tối ưu của hàm mục tiêu

Dạng chính tắc của bài toán tối ưu một mục tiêu được biểu diễn như sau: Min (Max) f(X), X=(x1, x2, , xn) Rn,

với các điều kiện ràng buộc:

(i) gj(X) 0, j =1,2, , k, (ii) gj(X)=0, j =k+1, k+2, , m

trong các bài toán thực tế có thể bổ sung thêm các ràng buộc:

Min (Max) với X D

Lúc này, đối với bài toán cực tiểu hóa, X* D được gọi là phương án tối ưu toàn cục nếu X D trong một lân cận nào đó của X* thì X* được gọi là phương

án tối ưu địa phương Một cách tương tự, ta có thể định nghĩa khái niệm phương án tối ưu toàn cục địa phương cho bài toán cực đại hóa Thông thường, để giải các bài toán tối ưu hóa có hai phương pháp là tối ưu tất định và tối ưu ngẫu nhiên Phương pháp tối ưu tất định luôn tạo ra các kết quả giống nhau khi cho cùng đầu vào Nghĩa

là, cùng dữ liệu đầu vào thì lời giải theo các kỹ thuật tối ưu tất định là như nhau Phương pháp tối ưu tất định sử dụng các tính chất giải tích của hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc Một số dạng bài toán tối ưu toàn cục với những tính chất giải tích nhất định của hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc có thể giải được bằng các kỹ thuật tối ưu tất định thích hợp Các kỹ thuật giải gồm có nhân tử Lagrange, quy hoạch tuyến tính và phi tuyến, quy hoạch động, quy hoạch toàn phương, quy hoạch từng phần và quy hoạch hình học Khả năng ứng dụng của mỗi kỹ thuật phụ thuộc vào cấu trúc toán học của mô hình Các kỹ thuật tối ưu hóa thường được sử dụng trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước bao gồm tối ưu hóa có ràng buộc kiểu

cổ điển dựa theo các nhân tử Lagrange, quy hoạch động rời rạc, và quy hoạch tuyến tính và phi tuyến

Nhìn chung, chỉ trong một vài trường hợp cụ thể người ta mới có thể giải trực tiếp ra nghiệm Cách giải phổ biến nhất là áp dụng thuật toán tìm kiếm thông qua hai bước cơ bản sau:

(1) Xác định phương tìm kiếm theo chiều giảm của hàm mục tiêu (minimize) (2) Tìm điểm tối ưu dọc theo phương tìm kiếm đã xác định ở bước 1

Sơ đồ tìm kiếm nghiệm theo phương pháp lặp được trình bày trong Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ tìm kiếm nghiệm bài toán tối ưu (McLaughnin, 2006)

Các kỹ thuật tối ưu tất định thường được sử dụng cho một số bài toán cụ thể khi mà mối quan hệ giữa các thuộc tính của lời giải ứng viên là rõ ràng Khi đó, không gian tìm kiếm có thể được phân chia theo sơ đồ để tìm ra lời giải Tuy nhiên, nếu mối quan hệ giữa các thuộc tính của lời giải ứng viên là không rõ ràng hoặc quá phức tạp, hoặc hướng của không gian tìm kiếm là rất lớn, việc tìm kiếm nghiệm theo hướng tất định là rất khó Không gian tìm kiếm sẽ khó có thể phân chia một cách hợp lý và việc tìm được lời giải sẽ rất mệt mỏi và tốn nhiều thời gian Trong nhiều bài toán, kỹ thuật tối ưu tất định là không khả thi Vì thế, với những bài toán này người ta thường dùng kỹ thuật tối ưu ngẫu nhiên

Tối ưu ngẫu nhiên là kỹ thuật tối ưu bao gồm ít nhất một hoạt động dựa trên các số ngẫu nhiên Nói cách khác, kỹ thuật tối ưu ngẫu nhiên vi phạm ràng buộc của tính tất định Các kỹ thuật tối ưu ngẫu nhiên còn thường được gọi là các kỹ thuật tối ưu xác suất Các phương pháp tối ưu ngẫu nhiên như: phương pháp đa khởi tạo (multistart), mô phỏng tôi (simulated annealing), thuật giải di truyền (genetic algorithm) có thể áp dụng để giải các bài toán tối ưu toàn cục dạng bất kỳ, không đòi hỏi các tính chất đặc biệt của hàm mục tiêu hay các ràng buộc Các phương

Không Không

Không

Có

Có

pháp tối ưu ngẫu nhiên đặc biệt tỏ ra có hiệu quả đối với các bài toán tối ưu phi tuyến nguyên và hỗn hợp nguyên Tuy nhiên, các phương pháp này thường chỉ cho phương án "gần" tối ưu khá tốt sau một số hữu hạn bước mà không kiểm soát được

độ chính xác của phương án tìm được Việc phân loại các kỹ thuật tối ưu được trình bày trong Hình 1.2

Không gian trạng thái

Phân nhánh

và giới hạn

Đại số Hình học Tất định

Leo đồi (ngẫu

Ông ngẫu nhên

Lấy mẫu Monte

Tính toán tiến hóa (EC)

Thuật toán tiến hóa (EA) Thuật toán gene (GA)

Hệ thống phân loại học (LCS)

Quy hoạch tiến hóa Chiến lược tiến hóa Quy hoạch gene (GP)

Thuật toán memetic Tìm kiếm điều hòa (HS) Trí tuệ bầy đàn (SI) Tối ưu đàn kiến (ACO) Tối ưu bầy đàn (PSO) Tiến hóa sai phân (DE) Quy hoạch gene tiêu chuẩn Quy hoạch gene tuyến tính Quy hoạch gene

có hướng dẫn

Xác suất

(Ngẫu nhiên?)

Trí tuệ tính toán (CI)

Hình 1.2 Phân loại các thuật toán tối ưu toàn cục - Thomas Weise (2009) [49]

Một số ứng dụng phương pháp tối ưu hóa trong lĩnh vực phân bổ nguồn nước:

John W Labadie (2004) [29] đã tổng kết các kỹ thuật tối ưu sử dụng trong bài toán phân bổ nguồn nước từ hồ chứa và hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên cùng lưu vực sông, bao gồm:

- Nhóm các phương pháp tối ưu ngẫu nhiên ẩn (Implicit Stochastic Optimization) bao gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính (Linear Programming Models), các mô hình tối ưu dòng chảy mạng (Network Flow Optimization Models), các mô hình quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming Models), các mô hình quy hoạch động rời rạc (Discrete Dynamic Programming Model), các mô hình quy hoạch động liên tục (Diffirential Dynamic Programming Models), các lý thuyết điều khiển tối

ưu rời rạc theo thời gian (Discrete Time Optimal Control Theory)

- Nhóm các phương pháp ngẫu nhiên hiện (Explicit Stochastic Optimization) bao gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính ngẫu nhiên (Stochastic Linear Programming Models), các mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên (Stochastic Dynamic Programming Models), Các mô hình điều khiển tối ưu ngẫu nhiên (Stochastic Optimal Control Models) Young (1967) [55] lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hóa xác định Phương pháp đó gọi

là Quy hoạch động Monte-Carlo Về cơ bản, phương pháp của Young sử dụng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho con sông yêu cầu

Đối với với bài toán phân bổ nguồn nước hồ chứa, hiện đã được ứng dụng nhiều mô hình tối ưu, có thể kể đến như: mô hình quy hoạch tuyến tính (Linear programming), mô hình quy hoạch phi tuyến (Non linear programming), mô hình quy hoạch động (Dynamic programming) hay mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên

(Stochastic Dynamic programming), mô hình quy hoạch tuyến tính ngẫu nhiên (Stochastic linear programming) (Mckinney et al., 1999), (L Le Ngo, 2006), (Ahmad et al., 2014) [35], [38], [19]

Estalrich và Buras (1991) [23] đã xây dựng hai phiên bản mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP) cho tính toán tối ưu vận hành hồ chứa, trong đó dòng chảy vào hồ chứa trong các thời kỳ được xem xét như các vectơ trạng thái Quy trình vận hành bắt đầu từ việc sử dụng dòng chảy của giai đoạn trước trong quá khứ sẽ dẫn đến giảm lợi nhuận trung bình so với quy trình sử dụng dòng chảy hiện tại như là các vectơ trạng thái

Talukdar và các cộng sự (2012) [46] nghiên cứu mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP) đa mục tiêu cho vận hành hồ chứa Sardar Sarovar tại Ấn Độ Mô hình đã xây dựng các mục tiêu ở các cấp độ tin cậy khác nhau Việc tính toán lợi ích thu được giữa điện năng hàng năm và các mục tiêu khác được tính toán, tuy nhiên mức độ tin cậy khá thấp để đáp ứng nhu cầu

Seyed Jamshid và Mohammad Karamouz (2003) [45] đã nghiên cứu mô hình quy hoạch động tối ưu phát triển cho quy hoạch dài hạn của vận hành hồ chứa đa mục tiêu Phương pháp này có thể nhận được nhiều sự dịch chuyển không khả thi từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng của các giai đoạn quy hoạch động

Gần đây, Hồ Ngọc Dung (2017) [2] đã nghiên cứu đề xuất và xây dựng cơ

sở lý thuyết phương pháp quy hoạch động hai chiều (DP-DP) áp dụng cho bài toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Sơn La-Hòa Bình trên sông

Đà Nghiên cứu đã xây dựng thuật toán, thiết lập bài toán vận hành tối ưu có kể đến trạng thái cân bằng năng lượng của hệ thống điện lực, từ đó đề xuất phương thức vận hành hồ chứa thủy điện theo biểu đồ điều phối tối ưu trong mùa cạn

Trong hai thập kỷ qua, các thuật toán tự nghiệm (heuristic algorithms) đã được phát triển để giải quyết bài toán tối ưu phân bổ nguồn nước, đặc biệt là bài toán tối ưu vận hành hồ chứa Heuristic là một phần của thuật toán tối ưu sử dụng

thông tin hiện có thu thập từ thuật toán để quyết định xem ứng viên nghiệm nào nên tiếp tục được kiểm tra hoặc tiếp theo có thể tạo ra được ứng viên nghiệm nào Heuristics thường phụ thuộc vào từng loại bài toán Các thuật toán này sử dụng một tập hợp các điểm trong cùng một lúc nhằm tìm kiếm tối ưu tổng hợp Một số thuật toán mới được phát triển bao gồm thuật toán di truyền (GA), thuật toán lý thuyết tập

mờ (Fuzzy Set Theory), thuật toán mạng trí tuệ nhân tạo (ANN)

Oliveira và Loucks (1997) [36] đề xuất một cách tiếp cận xác định các quy tắc vận hành hồ chứa bằng cách sử dụng các thuật toán di truyền (GA) và lập luận rằng phương pháp này đã khắc phục một số khó khăn của các kỹ thuật tối ưu dựa trên mô hình toán học truyền thống Kumphon (2013) [31] đã ứng dụng thuật toán

di truyền đa mục tiêu để xác định tối ưu hoạt động phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa trong các lưu vực sông Chi, Thái Lan Trong nghiên cứu này, hai hàm mục tiêu được xem xét, bao gồm: trữ nước và xả nước qua đập Các kết quả tính toán dự báo cho trữ và xả nước cần thiết chủ yếu là thấp hơn so với quy trình phân bổ nguồn nước hiện tại Chen (2003) đã áp dụng thành công thuật toán GA kết hợp với một

mô hình mô phỏng để tối ưu hóa các quy tắc điều hành 10-ngày cho một hệ thống

hồ chứa lớn ở Đài Loan Kết quả cho thấy biểu đồ điều hành hồ chứa mới thu được

từ phương pháp này là tốt hơn so với biểu đồ điều phối hiện tại

Cùng áp dụng thuật toán GA trong bài toán tối ưu hồ chứa, Robin (2012) thuộc trường đại học Edinburgh, vương quốc Anh có nghiên cứu đánh giá thuật toán

GA - Giải đoán gen vào vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa Nghiên cứu đã được thực hiện cho hệ thống 4 hồ chứa, rồi cho hệ thống 10 hồ chứa Kết quả đạt được cho thấy thuật toán GA đem đến một giải pháp chấp nhận được Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần xem xét đặc biệt là phân tích độ nhạy của các biến

Để giải quyết sự không chắc chắn của thông tin thủy văn cũng như xác định các mục tiêu và các ràng buộc, lý thuyết tập mờ đã được sử dụng thành công Dubrovin et al (2002) áp dụng một mô hình quản lý dựa trên lý thuyết tập mờ cho vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa theo thời gian thực Kết quả cho thấy mô

hình này có thể thực hiện tốt và rất dễ dàng cho các nhà điều hành do cấu trúc của

nó dựa trên tư duy con người Akter và Simonović (2004) kết hợp tập mờ và GA để đối phó với những rủi ro trong vận hành hồ chứa thời đoạn ngắn Trong bài báo, những bất ổn liên quan đến các hàm phạt và hàm mục tiêu đã được xem xét (Ngô

Lê Long & nnk, 2006) [38]

Thuật toán mạng Nơron (ANN) được phát triển nhằm giảm tối đa thời gian cần thiết để giải quyết vấn đề tối ưu hóa và được sử dụng nhằm thay thế các mô hình mô phỏng Do sự không chắc chắn của dữ liệu đầu vào, sự phức tạp về mặt thủy văn, thủy lực của các công trình phân bổ nguồn nước như hồ chứa trên lưu vực sông, do đó thời gian tính toán cần thiết để tối ưu hóa việc phân bổ nguồn nước có thể lớn, làm cho việc tối ưu hóa không khả thi, đặc biệt là cho các ứng dụng thời gian thực Neelakantan and Pundarikanthan (2000) [36] đã áp dụng phương pháp này để cải thiện các chính sách phân bổ nguồn nước cho vận hành hồ chứa Kết quả cho thấy các giải pháp thực hiện thỏa đáng so với các mô hình mô phỏng tối ưu hóa thông thường ( Ngô Lê Long & nnk, 2006) [38]

1.2.4 Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử

dụng phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu

Mặc dù, tối ưu hóa và mô phỏng là hai hướng tiếp cận mô hình hóa khác nhau về đặc tính, 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 Trong các quy trình tối ưu phục vụ bài toán vận hành phân bổ nguồn nước liên

hồ chứa đều cần có mô hình mô phỏng để kiểm tra các quy trình tối ưu được thiết lập Chính vì vậy, phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu đã được hình thành để giải quyết bài toán vận hành phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa

Louck và Eelco van Beek (2005) [33] cho rằng đối với việc lập kế hoạch và quản lý tài nguyên nước, giải pháp tối ưu hiện nay là sử dụng cả mô hình mô phỏng

và tối ưu Mặc dù tối ưu hóa sẽ cho biết những gì chúng ta nên làm - quyết định tốt nhất là gì; tuy nhiên giải pháp đó thường dựa trên nhiều giả định hạn chế Do vậy,

sử dụng tối ưu hóa không chỉ là một cách để tìm ra giải pháp tốt nhất, mà còn là một

giải pháp để giảm số lượng các lựa chọn Sau đó, các lựa chọn này có thể được

kiểm tra, đánh giá bằng mô hình mô phỏng

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng kết hợp các phương pháp tối ưu

trong mô hình mô phỏng Wardlaw và Sharif (1999) [52] đã phát triển một mô hình

mô phỏng trong đó kết hợp các chức năng kinh tế cho thủy điện, nông nghiệp và

thủy sản sản xuất Mô hình này đã được sử dụng để đánh giá tính kinh tế của chiến

lược thay thế cho phát triển nguồn tài nguyên nước trong Brantas Basin tại

Indonesia

Carson và Maria (1997) [22] đã trình bày một sơ đồ đơn giản của mô hình

mô phỏng-tối ưu trong phân bổ nguồn nước hồ chứa (Hình 1.3) Theo mô hình này,

mô hình mô phỏng sẽ tạo ra số liệu và số liệu này sẽ được sử dụng cho các chiến

lược tối ưu hóa nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu nhất về phân bổ nguồn nước Giải

pháp tối ưu này ngược lại sẽ cung cấp đầu vào tốt hơn để các mô hình mô phỏng

Hình 1.3 Sơ đồ kết hợp mô phỏng-tối ưu cho phân bổ nguồn nước hồ chứa

Ngô Lê Long và cộng sự (2007) [37] đã phát triển một phương pháp tiếp cận

cho phân bổ nguồn nước vận hành hồ chứa trên lưu vực sông Hồng, Việt Nam

Nghiên cứu đã kết hợp mô hình mô phỏng với một số phương pháp dò tìm số học

(numerical search method) cho các biến quyết định (decision variable) liên quan tới

vận hành hồ chứa Phương pháp này hỗ trợ cho việc giải quyết mâu thuẫn giữa nhu

cầu nước cho phát điện và phòng chống lũ Nghiên cứu được tính toán cho hồ Hòa

Bình vào mùa lũ trên lưu vực sông Hồng Các phân tích cho thấy rằng quy trình mô

Mô hình mô phỏng

Giải pháp tối ưu

Đầu vào

Đầu

ra Quá trình phản hồi

phỏng-tối ưu theo thời gian thực trong nghiên cứu giúp tối ưu hóa cải thiện hiệu suất và tăng cường tính linh hoạt của vận hành hồ chứa Tuy nhiên, nghiên cứu mới thực hiện đơn hồ cho hồ Hòa Bình Sơ đồ thực hiện phương pháp mô phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước của nghiên cứu này được trình bày trong Hình 1.4 (L L Ngo, Madsen, & Rosbjerg, 2007) [37]

Tô Trung Nghĩa và Lê Hùng Nam (2007) [10] đã ứng dụng phương pháp kết hợp mô hình toán mô phỏng với mô hình toán tối ưu phi tuyến, cùng sự hỗ trợ của

mô hình thuỷ động lực học Mike 11 và công nghệ tối ưu GAMS (General Algebraic Modelling System) vào xây dựng quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa Hoà Bình - Thác Bà - Tuyên Quang phục vụ cấp nước trong mùa cạn cho hạ

du lưu vực sông Hồng-Thái Bình Nghiên cứu đã xác định được yêu cầu lưu lượng tối thiểu cần điều tiết cho các nhu cầu nước ở hạ du đồng thời cũng cung cấp các kiến nghị về vận hành hệ thống ba hồ chứa để đạt hiệu quả sản xuất điện tổng hợp Kết quả của nghiên cứu đã được sử dụng để đề xuất quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa 03 hồ nêu trên trên

Đầu vào

Ứng dụng mô hình mô phỏng hồ chứa và dòng chảy với quy trình vận hành

Kiểm tra hàm mục tiêu

Kiểm tra điều kiện dừng

Quy trình vận hành

Cấp phát bộ thông

số biến quyết định mới sử dụng mô hình tối ưu

Quy trình tối ưu

Hình 1.4.Sơ đồ thực hiện phương pháp mô phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa

phân bổ nguồn nước

Hoàng Minh Tuyển (2009) [13] - trong nghiên cứu xây dựng và đề xuất quy trình vận hành điều tiết nước mùa cạn hệ thống hồ chứa trên sông Hương – đã kết hợp mô hình tối ưu GAMS và mô hình thuỷ động lực Mike 11 để điều hành dòng chảy và kiểm tra mực nước ở hạ lưu Nghiên cứu đã tính toán tổ hợp cạn kiệt lưu vực sông Hương và tính toán vận hành hệ thống hồ chứa, điều tiết cấp nước mùa cạn Qua điều tiết hệ thống liên hồ bằng mô hình GAMS, cho thấy để bảo đảm dòng chảy môi trường qua đập Thảo Long là 31,5m3 s, hệ thống hồ thừa khả năng duy trì dòng chảy về mùa cạn cao hơn

Agzali và cộng sự (2008) [20] đã nghiên cứu phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông Khersan, Iran, tập trung vào nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ thủy điện trên lưu vực Nghiên cứu áp dụng mô hình kết hợp mô phỏng và thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu là sản lượng điện của hệ thống Thuật toán tối ưu được

áp dụng trong nghiên cứu là quy hoạch tuyến tính cho riêng từng hồ trong từng bước thời gian để làm cơ sở xem xét cho ưu tiên phát điện của các hồ trong hệ thống

Trong lĩnh vực phân bổ nguồn nước đáp ứng được nhu cầu phát điện thượng lưu và hài hòa việc cấp nước hạ lưu, Zhang, X M et al (2013) [54] đề xuất một mô hình mô phỏng - tối ưu ngắn hạn cho điều độ hệ thống thủy điện, trong đó xem xét cân đối giữa các yêu cầu về lượng điện sản xuất và nhu cầu nước hạ lưu trên lưu vực sông Jinsha, Trung quốc Kết quả áp dụng mô hình mô phỏng – tối ưu cho thấy tốc độ tăng trưởng trung bình của hoạt động phối hợp trong khoảng 0,20% và 48%

Cũng liên quan đến nghiên cứu về phân bổ tối ưu của dòng chảy trong lưu vực sông trong khi đảm bảo lượng điện năng sản xuất, Fereidoon và Koch (2003) [25] đã phát triển một phương pháp mô phỏng tối ưu hóa cho các hoạt động của các thành phần hệ thống trong một mô hình mô phỏng hồ chứa đa mục tiêu Trong nghiên cứu này, mô hình mô phỏng MODSIM được sử dụng nhằm đảm bảo đáp ứng được độ tin cậy Mặc dù MODSIM chủ yếu là một mô hình mô phỏng, khả năng tối ưu hóa dòng chảy của nó vẫn cung cấp một phương tiện hiệu quả trong

việc đảm bảo việc phân bổ tối ưu dòng chảy trong lưu vực sông Mô hình MODSIM được nhúng vào hệ thống hỗ trợ quyết định (DSS) và áp dụng cho các hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên lưu vực sông Karkheh, Iran Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng tối ưu hóa MODSIM có thể hỗ trợ giải quyết bài toán phân bổ hài hòa nguồn nước phục vụ cho sản xuất điện và tưới tiêu nông nghiệp (Fereidoon & Koch, 2003) [25]

Trong nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ thủy điện Khersan, Iran, Alzali (2010) [20] đã kết hợp mô hình mô phỏng và thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu là sản lượng điện của hệ thống Thuật toán tối ưu được áp dụng trong nghiên cứu là quy hoạch tuyến tính (Linear programming) cho riêng từng hồ trong từng bước thời gian để làm cơ sở xem xét cho ưu tiên phát điện của các hồ trong hệ thống Kết quả đạt được cho thấy nếu phối hợp vận hành hệ thống 4 hồ chứa theo hàm mục tiêu đề ra sẽ cho sản lượng điện cao hơn khoảng 7,9% tổng sản lượng điện của 4 hồ khi vận hành riêng rẽ

Hoàng Thanh Tùng, Vũ Minh Cát và Robeto Ranzi (2010) [12] đã kết hợp

mô hình mô phỏng với mô hình điều khiển hệ thống trong “Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cho lưu vực sông Cả” Nghiên cứu cũng đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống liên hồ chứa trên sông Cả, tiến hành tích hợp

mô hình dự báo mưa, lũ với mô hình vận hành hồ chứa, tiến hành thử nghiệm cho các kịch bản dòng chảy lũ khác nhau, từ đó xây dựng cơ sở khoa học vận hành hệ thống liên hồ chứa phòng lũ cho lưu vực sông Cả

Lê Xuân Cầu và cộng sự (2014) [1] đã thực hiện đề tài nghiên cứu “Xây dựng biểu đồ điều phối tối ưu đa mục tiêu hệ thống liên hồ chứa trên cơ sở ứng dụng mô hình liên hồ chứa và thuật toán GEN – áp dụng cho hệ thống hồ trên sông

Cả, Việt Nam” Nghiên cứu đã áp dụng phương pháp kết hợp mô phỏng và tối ưu, trong đó kết hợp mô đun mô phỏng và mô đun thuật toán GEN (mô đun GA) để xác định biểu đồ điều phối tối ưu đa mục tiêu hệ thống các hồ chứa Từ đó, kết quả của

đề tài sẽ hỗ trợ cho công tác phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông Cả thông qua

việc điều phối hợp lý hệ thống các hồ chứa Sơ đồ tích hợp được thể hiện trong Hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ tích hợp mô phỏng – tối ưu (sử dụng thuật toán Gene)

Hoàng Thanh Tùng, Hà Văn Khối, Nguyễn Thanh Hải (2013) [11] đã lần đầu tiên ứng dụng thành công phần mềm Crystall Ball- một phần mềm chuyên dụng về tối ưu và phân tích rủi ro trong kinh tế vào bài toán vận hành hồ đa mục tiêu - 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 Kết quả đạt được là tương đối tốt so với các mô hình tối ưu sử dụng hiện nay vì mô hình cho phép phân tích độ tin cậy và đưa ra chế độ vận hành tối ưu với các mức đảm bảo khác nhau nhằm hỗ trợ ra quyết định vận hành hồ chứa

Cũng liên quan đến ứng dụng kỹ thuật tối ưu trong bài toán vận hành hồ chứa, (Nguyễn Thế Hùng và Lê Hùng, 2011) [5] có nghiên cứu Mô hình toán điều tiết tối ưu vận hành hồ chứa đa mục đích (với mục đích tưới phát điện, phòng lũ, đảm bảo môi trường sinh thái hoặc cấp nước cho hạ du) Nghiên cứu đã ứng dụng

kỹ thuật tối ưu quy hoạch động để giải các mô hình toán và xây dựng chương trình

tính bằng ngôn ngữ lập trình Delphi Chương trình đã được áp dụng cho hồ chứa Định Bình (Bình Định) và hồ chứa A Vương (Quảng Nam) Tuy nhiên, nghiên cứu mới tập trung vào vận hành tối ưu cho đơn hồ Nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật tối

ưu trong bài toán vận hành liên hồ chứa chưa được đề cập

Tiếp đó, Tô Thúy Nga và Nguyễn Thế Hùng (2013) [9] đã nghiên cứu ứng dụng mô hình thuật toán di truyền (GA) để tìm quỹ đạo vận hành tối ưu hồ chứa nhà máy thủy điện Ea Krong Rou- Tỉnh Khánh Hòa với đơn mục tiêu là sản lượng điện năng cực đại Trên cơ sở chuỗi dòng chảy đến hàng tháng của 23 năm, ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để mở rộng dòng chảy đến là 40 lần của chuỗi dòng chảy tháng lịch sử 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

Do vậy, có thể thấy rằng mô hình tích hợp kỹ thuật mô phỏng và tối ưu trong phân bổ nguồn nước lưu vực sông, đặc biệt là phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa là một giải pháp toàn diện, trong đó mô hình mô phỏng sẽ được sử dụng để cung cấp số liệu đầu vào cho mô hình tối ưu nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu nhất về phân bổ nguồn nước Giải pháp tối ưu này ngược lại sẽ cung cấp đầu vào tốt hơn để các mô hình mô phỏng Tổng hợp từ các nghiên cứu đều cho thấy mô hình kết hợp

kỹ thuật mô phỏng và tối ưu trong bài toán phân bổ nguồn nước hồ chứa đều mang lại lợi ích cao hơn so với các phương pháp truyền thống

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa phân bổ nguồn

nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn

Hệ thống sông VGTB là hệ thống sông lớn ở vùng Duyên hải Trung Trung

Bộ Toàn bộ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diện tích lưu vực: 10.350 km2, trong đó diện tích nằm ở tỉnh Kon Tum: 560,5 km2, còn lại chủ yếu thuộc địa phận tỉnh Quảng Nam và Thành phố Đà N ng Đây là một hệ thống sông lớn ở vùng Duyên Hải Trung Trung Bộ Sông bắt nguồn từ địa bàn tỉnh Kon Tum