Tài liệu Mô hình vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông vu gia thu bồn

.. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG -------ooo------- TÔ THÚY NGA MÔ HÌNH VẬN HÀNH ĐIỀU TIẾT THỜI GIAN THỰC THỜI KỲ MÙA LŨ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRÊN SÔNG VU GIA – THU BỒN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước ĐÀ NẴNG - 2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Tô Thúy Nga. Tôi 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 2 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đến các thầy hướng dẫn GS. TS. Nguyễn Thế Hùng và GS. TS. Hà Văn Khối đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, Ban Đào tạo sau Đại học Đại học Đà Nẵng, Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện, Phòng Quản lý Sau đại học trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp, đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án. Cuối cùng, với tình yêu từ đáy lòng, tác giả cảm ơn bố, mẹ, chồng, các anh chị, em và hai con của tác giả, những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh tác giả, động viên tác giả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận án của mình. TÁC GIẢ 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn hiện có nhiều hồ chứa đã, đang và sẽ được xây dựng trên thượng nguồn (A Vương, sông Bung 2, Sông Bung 4, ĐăkMi 4, sông Tranh…). Theo quy hoạch các hồ chứa này có nhiệm vụ phát điện là chính nên phần dung tích dành cho cắt giảm lũ hạ du không lớn. Sau khi có thêm các hồ chứa thượng nguồn chế độ lũ và ngập lụt hạ du sẽ bị ảnh hưởng điều tiết của các hồ chứa này. Nếu có chế độ vận hành hợp lý sẽ có tác động tích cực đối với vùng hạ du và vẫn đảm bảo được mục tiêu phát điện và an toàn hồ chứa, trong trường hợp ngược lại sẽ có tác động tiêu cực và trong nhiều trường hợp gây thiệt hại lớn cho vùng hạ du. Trong thực tế đã xảy ra tác động tiêu cực do ảnh hưởng điều tiết của các hồ chứa thượng nguồn, đó là trường hợp lũ năm 2009 trên sông Vu Gia-Thu Bồn sau khi có hồ A Vương và trường hợp tương tự đối với trận lũ 2010 trên sông Ba. Trường hợp xả lũ của hồ chứa A Vương, có lưu lượng xả không vượt lưu lượng đến hồ, nhưng quá trình xả gây “sốc” cho hạ du do lưu lượng xả tăng đột biến trong một thời gian ngắn. Trường hợp hồ Sông Hinh và sông Ba Hạ cũng xảy ra tương tự, thậm chí lưu lượng xả còn lớn hơn lưu lượng đến hồ ở khu vực đỉnh lũ. Nguyên nhân của những tồn tại này là do các quy trình vận hành hồ chứa đã ban hành là các quy trình cứng, chưa có các phương án cảnh báo và dự báo lũ phục vụ vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa nói trên. Hiện nay, nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực chưa được ứng dụng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt là các hồ chứa thuộc khu vực miền Trung. Do vậy, việc nghiên cứu chế độ vận hành theo thời gian thực có sử dụng mô hình cảnh báo, dự báo lũ đối với hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Đây là vấn đề khoa học cần được nghiên cứu ứng dụng không phải chỉ với các hồ chứa trên hệ thống sông Vu GiaThu Bồn mà còn cần thiết với các hệ thống hồ chứa khác thuộc khu vực miền 4 Trung. Chính vì vậy, đề tài luận án được chọn để nghiên cứu là : “ Mô hình hình vận hành theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Đề tài này nghiên cứu xây dựng mô hình vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ và ứng dụng cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn nhằm nâng cao hiệu quả giảm lũ và không gây tác động tiêu cực cho vùng hạ du, trong khi vẫn đảm bảo nhiệm vụ phát điện. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu (1) Phân tích, thiết lập bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực; (2) Nghiên cứu xây dựng mô hình cảnh báo, dự báo lũ đến các hồ chứa trên hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn phục vụ vận hành hệ thống; (3) Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên cơ sở tích hợp các mô hình mưa-dòng chảy, điều tiết hồ chứa, diễn toán lũ trên hệ thống sông phục vụ cho bài toán vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa phòng lũ trên sông Vu Gia Thu Bồn, nhằm xác định chế độ vận hành các hồ chứa thỏa mãn hai mục tiêu giảm lũ cho hạ du và đảm bảo nhiệm vụ phát điện; (4) Đánh giá khả năng ứng dụng trong thực tế vận hành các hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn và khả năng ứng dụng cho các hệ thống hồ chứa khác thuộc khu vực miền Trung. 4. Phương pháp nghiên cứu (1) Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực vận hành hồ chứa theo thời gian thực, từ đó xác định hướng tiếp cận khoa học cho bài toán đặt ra. (2) Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành: Trên cơ sở phân tích đặc điểm mưa và sự hình thành lũ trên hệ thống sông, lựa chọn hoặc thiết lập mô hình mô phỏng lũ phục vụ dự báo, cảnh báo lũ và vận hành hệ thống. (3) Phương pháp phân tích hệ thống: Ứng dụng các mô hình toán thủy văn, 5 thủy lực đánh giá tác động của vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ, từ đó đề xuất các kịch bản vận hành hợp lý và hiệu quả, làm cơ sở cho việc vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn. (4) Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu đã có liên quan đến đề tài: các tài liệu đo đạc địa hình lòng dẫn, các báo cáo quy hoạch phòng chống lũ lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, các báo về quy trình vận hành hồ chứa và các tài liệu liên quan khác. Trên cơ sở lý thuyết mô hình (NAM, MUSKINGUM), xây dựng mô hình mô phỏng lũ MOPHONG-LU cho khu vực thượng du và liên kết với mô hình MIKE 11 có sẵn đối với vùng hạ du phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống Vu Gia –Thu Bồn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực là bài toán đa dạng và phức tạp, cho đến nay các nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới còn chưa đầy đủ, đặc biệt các nghiên cứu này ở Việt Nam còn rất hạn chế. Hiện nay, phương pháp vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ mới chỉ được nghiên cứu ứng dụng cho các hồ chứa thuộc lưu vực sông Hồng, nhưng vẫn còn những tồn tại và hạn chế nhất định và đang được các nhà khoa học phải tiếp tục nghiên cứu. Thực tế quản lý hồ chứa, đặc biệt là quản lý lũ và hồ chứa đối với khu vực miền Trung đang rất cần nghiên cứu phương pháp vận hành hồ chứa theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ và xả lũ an toàn cho vùng hạ du đồng thời điện năng mất đi không đáng kể. Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu "Mô hình vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn” sẽ góp phần phát triển ngành khoa học vận hành hệ thống hồ thủy lợi tại Việt Nam, cũng như đóng góp cho sự phát triển chung của lĩnh vực phát triển nguồn nước trên thế giới. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài này định hướng về giải pháp kỹ thuật với mục tiêu cụ thể là xây dựng chương trình tính toán có khả năng hỗ trợ ra quyết định trong việc vận hành điều hệ thống hồ chứa phòng lũ. Nghiên cứu bài toán vận hành theo thời gian thực thời kỳ 6 mùa lũ đối với sông Vu Gia-Thu Bồn sẽ là cơ sở khoa học cho việc bổ sung các quy trình vận hành đã có và cũng là nghiên cứu điển hình có thể xem xét áp dụng cho những lưu vực sông khác thuộc khu vực miền Trung. Mô hình mô phỏng mà tác giả xây dựng có thể áp dụng cho công tác dự báo lũ và vận hành an toàn các hồ chứa phòng lũ trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn. 6. Phương pháp tiếp cận khoa học (1) Trên cơ sở lý thuyết và mô hình đã có, xây dựng một mô hình mô phỏng dự báo lũ từ mưa và vận hành hệ thống hồ chứa cho vùng thượng du. Mô hình được kết nối với khu vực hạ du được mô phỏng bằng mô hình có sẵn MIKE 11. Mô hình tính toán điều tiết lũ được liên kết trong mô hình mô phỏng hệ thống theo thời gian thực. (2) Trên cơ sở mô hình được thiết lập và các kết quả dự báo mưa 3 đến 5 ngày do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn cung cấp hàng ngày, sẽ kéo dài thời gian dự báo lũ đến 3 đến 5 ngày. Từ đó xem xét các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những hạn chế của quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành do hạn chế về thời gian dự báo lũ. (3) Với công cụ mô hình mô phỏng đã thiết lập, xây dựng một quy trình vận hành theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ, xả lũ an toàn và đảm bảo an toàn tích nước cho nhiệm vụ phát điện và cấp nước hạ du. 7. Những đóng mới của luận án (1) Thiết lập được chương trình tính cho mô hình mô phỏng (MOPHONGLU) tích hợp được ba mô hình : mô hình mưa dòng chảy, mô hình vận hành hồ chứa và diễn toán lũ trong sông cho vùng thượng du sông Vu Gia – Thu Bồn phục vụ cho dự báo lũ với thời gian dự kiến từ 3 đến 5 ngày làm cơ sở cho việc xác định chế độ vận hành hồ chứa theo thời gian thực. (2) Lần đầu tiên xây dựng được phương pháp vận hành hồ chứa theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thời kỳ mùa lũ một cách đầy đủ, có khả năng ứng dụng trong thực tế. 7 (3) Trên cơ sở nghiên cứu các phương án vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ, đã đề xuất phương án tăng dung tích phòng lũ và chế độ vận hành hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ cho hạ du, với điện năng mất đi không đáng kể là cơ sở cho việc bổ sung quy trình liên hồ chứa đã được phê duyệt. 8. Cấu trúc luận án : Ngoài hai phần mở đầu và kết luận, kiến nghị đề tài gồm 4 chương: - Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực. - Chương 2. Cơ sở khoa học và thực tiễn thiết lập bài toán vận hành hồ chứa theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia-Thu Bồn. - Chương 3. Thiết lập mô hình mô phỏng phục vụ dự báo lũ và vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn. - Chương 4. Đề xuất phương án dung tích phòng lũ và chế độ điều tiết cắt giảm lũ hạ du sông Vu Gia – Thu Bồn theo hướng vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THEO THỜI GIAN THỰC 1.1. Tổng quan các nghiên cứu trong nước Vận hành hệ thống hồ chứa là một trong những vấn đề được nhiều cơ quan nghiên cứu quan tâm như các Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, Viện Cơ học, Viện Khí tượng Thủy văn, cũng như các trường Đại học trong nước nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn hệ thống các hồ chứa ở nước ta. Ngày 13/10/2010 Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải đã ký văn bản số 1879/QĐ-TTg [6] Phê duyệt danh mục các hồ thủy lợi, thủy điện trên lưu vực sông phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa. Theo đó, các hồ chứa xây dựng trên lưu vực 11 sông đã được ghi trong văn bản này phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa để thống nhất về việc xả lũ, đảm bảo phát điện, và an toàn cho dân cư vùng hạ du. Tuy nhiên, cho đến nay, mới có 5 lưu vực đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt quy trình vận hành liên hồ chứa là: Lưu vực sông Hồng (Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang); lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (A Vương, Đăk Mi 4, Sông Tranh II); lưu vực sông Ba (An Khê – Kanak, Ayun Hạ, Krông Năng, Sông Hinh, Sông Ba Hạ); lưu vực Sê San (Plei Krông, Ialy, Sê San 3, Sê San 3A); lưu vực Srêpok (Buôn Tua Sah, Buôn Koup, Srêpok 3 và Srêpok 4). Theo tác giả Tô văn Tường đã phân tích [31] về vai trò của quy trình vận hành liên hồ khi xả lũ, cũng như chưa có quy định cụ thể nào về xử phạt khi xả sai quy trình, ta thấy cần thiết phải có một quy trình vận hành liên hồ. Trận lũ tháng 10 năm 2010 ở lưu vực sông Ba: một số hồ chứa như sông Ba Hạ, sông Hinh xả lũ mà không báo trước cho Ban chỉ huy phòng chống lụt bão tỉnh Phú Yên đã dẫn đến tình trạng gây lũ nhân tạo, “lũ chồng lên lũ" ở thành phố Tuy Hòa. Sự kiện thủy điện An Khê-Kanak (Gia Lai) của Tập đoàn điện lực Việt Nam đột ngột xả lũ vào đêm 24 rạng ngày 25/5/2011 mới đây gây thiệt hại lớn cho hàng trăm hộ dân huyện Kbang, cũng đã xác định hồ thủy điện xả nước sai không theo quy trình vận hành nhưng lại khó xử phạt vì chưa có một chế tài rõ ràng. Thực tế, hồ An Khê – Kanăk 9 là hồ chứa nằm trong quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba với thời gian quy định vận hành từ 1/9 đến 15/12 hàng năm, đây là thời kỳ lũ chính vụ với lưu lượng lũ lớn nhất đã quan trắc được tại trạm thủy văn Củng Sơn là 20.700 m3/s ngày 4/10/1993 tương ứng với tần suất khoảng 1%. Đợt xả lũ của thủy điện An Khê – Kanak vào đêm 24/5 không nằm trong thời gian quy định của quy trình vận hành liên hồ chứa, xả không báo trước, không theo quy luật tự nhiên đã gây thiệt hại lớn cho nhân dân huyện Kbang cũng là điều dễ hiểu. Đối với các hồ chứa thuộc khu vực miền Trung thường chỉ quy định: Khi mực nước hồ đã đến mực nước dâng bình thường hoặc mực nước trước lũ, lưu lượng xả lũ không được lớn hơn lũ đến. Điều đó thôi chưa đủ vì khi mực nước hồ nhỏ hơn mực nước dâng bình thường, hồ có thể tích nước (Qxả =0) đến khi mực nước hồ đạt mực nước dâng bình thường sẽ xả lũ với lưu lượng bằng lũ đến. Như vậy, sẽ gây hiện tượng “sốc”, cho hạ du vì lưu lượng đột ngột tăng từ 0 đến lưu lượng rất lớn, sẽ gây ra sạt lở, thiệt hại cho người và của cho hạ du. Có thể gọi đó là “xả lũ không an toàn” cho hạ du. Do đó, cần phải bổ sung thêm các điều về “xả lũ an toàn cho hạ du” vào các quy trình vận hành cho các hồ chứa, đặc biệt đối với miền Trung lại cần phải chú ý vì địa hình ở đây dốc. Ngoài ra, cần rà soát và bổ sung lại các quy trình đã ban hành đối với hệ thống trên sông Ba Hạ, sông Vu GiaThu Bồn (hiện tại đang xây dựng thêm một số hồ mới nữa) với thực trạng dự báo lũ như hiện nay, các chủ hồ rất khó vận hành theo đúng quy trình đã ban hành. Hiện nay tuy đã có quy trình vận hành của một số các lưu vực sông trên cả nước nói chung và lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn nói riêng do Chính phủ ban hành, cũng như một số tác giả đã xây dựng quy trình cho các lưu vực sông ở miền Trung và Tây Nguyên. Tuy nhiên quy trình vận hành hồ chứa dựa trên dự báo lũ có nhiều rủi ro vì khả năng dự báo mưa lớn ở thượng nguồn, mực nước triều ở vùng cửa sông khi có bão trên các lưu vực sông còn rất hạn chế. Địa hình miền Trung dốc, sông ngắn nên lũ lên rất nhanh, cộng với việc các trạm đo mưa rất thưa nên việc dự báo thủy văn khó chính xác. Các hồ chứa thủy điện ở Miền Trung hiện nay thì việc tích nước được đầy hồ chứa hay không phụ thuộc vào có lũ về hồ nhiều hay 10 ít. Nếu không có lũ thì thường các hồ chứa rất khó khăn trong việc đầy hồ như A Vương (2010, và 2012 mực nước hồ cuối mùa lũ lần lượt là 363,4m và 363m so với mực nước dâng bình thương là 380m) và tương tự hồ chứa Krông Hnăng mực nước hồ cuối mùa lũ 3 năm trở lại đây đều rất thấp và cách rất xa mực nước dâng bình thường. Hồ chứa thủy điện A Vương sau trận lũ lịch sử 2009 ngập lụt lớn cho hạ du, tuy nhiên sau 3 tháng còn lại của mùa mưa không có lũ, thì cuối mùa mưa mực nước hồ chứa đạt khoảng cao trình 377m. Do đó việc dựa vào dự báo dòng chảy về hồ chứa 6, 12, 24 giờ để tạo dung tích phòng chống lũ, vận hành là không an toàn và không phù hợp với đặc thù của các lưu vực sông Miền Trung. Việc kéo dài thời gian dự báo lũ là rất cần thiết trong vận hành hệ thống theo thời gian thực. Cũng vì các hồ chứa miền Trung thường có lũ thì hồ mới đầy nên thường xảy ra tình trạng trước trận lũ lớn thường mực nước hồ rất thấp, do đó các hồ chứa này vận hành thường là tích đến cao trình mực nước yêu cầu rồi mới xả, điều này hoàn toàn không sai quy trình, nhưng xả lũ như thế thường sẽ không an toàn và gây “sốc” cho hạ du, thể hiện như ở các hình 1.1, 1.2 và 1.3 dưới dây. Hình 1.1: Đường quá trình lũ đến và lũ xả hồ A Vương tháng 10 năm 2009 (Nguồn Công ty Thủy điện A Vương) 11 Hình 1.2: Đường quá trình lũ đến và lũ xả hồ Sông Hinh tháng 11 năm 2010. (Nguồn thủy điện sông Hinh) Hình 1.3: Đường quá trình lũ đến và lũ xả hồ Sông Ba Hạ tháng 11 năm 2010. (Nguồn : Thủy điện Sông Ba Hạ) Với riêng lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn vẫn chưa có một quy trình cụ thể và đầy đủ để vận hành theo thời gian thực cho các hồ chứa thủy điện đã và 12 đang xây dựng. Các công trình và đề tài nghiên cứu của các tác giả trong nước Năm 2005, Nguyễn Lan Châu và Nguyễn Quốc Anh [15] đã trình bày kết quả ứng dụng hệ thống thủy văn thủy lực trong bài toán điều hành hồ Hoà Bình mùa lũ năm 2005, sử dụng các mô hình MARINE+TL (cho thượng lưu sông Đà), mô hình FIRR (cho thượng nguồn sông Lô, Thao và Đà), mô hình điều tiết dự báo hồ Hòa Bình, mô hình thủy lực 2 chiều cho các vị trí hạ lưu Hà Nội trên sông Hồng, Phả Lại trên sông Thái Bình. Năm 2005, Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Đức Diện, nnk [21], xây dựng mô hình dự báo lũ và đề xuất các kịch bản tính toán. Các tác giả đã xây dựng và đưa vào áp dụng thử nghiệm mô hình dự báo lũ trung hạn (5 ngày) nhằm phục vụ điều hành hồ chứa trong mùa mưa lũ. Năm 2006, Ngô Huy Cẩn, Nguyễn Thành Đôn và Nguyễn Tuấn Anh [14] đã nghiên cứu tính toán cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình với các mục tiêu: - Gia cố hệ thống đê - Điều tiết lũ bằng các hồ chứa Hòa Bình, Thác Bà - Phân lũ vào sông Đáy - Chậm lũ và các khu chậm lũ - Cho tràn qua một số đoạn đê đã chuẩn bị sẵn gọi là các đường tràn cứu hộ. Các tác giả dùng mô hình dòng chảy một chiều và mô hình hai chiều, đánh giá khả năng cắt lũ của các hồ chứa. Năm 2006, Đoàn Xuân Thủy, Hà Ngọc Hiến, Nguyễn Văn Điệp, Ngô Huy Cẩn và cộng sự [30], tính toán điều tiết lũ phục vụ quy trình vận hành liên hồ cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình với dung tích khoảng 500-700 triệu m3. Các tác giả đã trình xây dựng các kịch bản lũ cho trận lũ 125 năm, phục vụ cho việc xây dựng quy trình tính toán liên hồ chứa. Sử dụng bộ chương trình IMECH_1D được phát triển bởi Viện Cơ học với các modun tính toán điều tiết hồ tự động và dự báo mực nước hạ du. Kết quả tính toán cho thấy khi có thêm hồ Tuyên Quang thì có thể nâng cao được mực nước trước lũ của thủy điện Hòa Bình lên 2-3m, làm tăng 6,8% sản 13 lượng điện trong mùa lũ. Năm 2007, Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ [18] Áp dụng mô hình HECRESSIM điều tiết lũ hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hương, mô hình cho phép xác định các thông số và thời gian thích hợp trong vận hành hệ thống để đảm bảo an toàn hạ lưu và an toàn bản thân các hồ chứa. Năm 2010, Hà Ngọc Hiến, Nguyễn Hồng Phong và Trần Thị Hương [22] đã xây dựng mô hình vận hành tối ưu chống lũ theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên sông Đà và sông Lô với các mục tiêu là tối đa tổng dung tích chống lũ của các hồ chứa. Mô hình đã được áp dụng cho hệ thống sông Hồng gồm bốn hồ chứa là Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà. Kết quả tính toán cho thấy hiệu quả chống lũ của mô hình. Năm 2010, Nguyễn Lan Châu [16] đề xuất dự thảo quy trình vận hành hệ thống hồ chứa Đak Mi 4, A Vương, Sông Tranh, tư tưởng của đề xuất này tạo dung tích hồ trống để đón lũ và dựa trên cơ sở là sẽ dự báo được dòng chảy lũ về trong khoảng 6-24 giờ. Năm 2010, Hoàng Minh Tuyển [34] xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba cắt giảm lũ cho hạ du. Nghiên cứu đã đề xuất các vấn đề mang đặc thù riêng của hệ thống hồ chứa sông Ba. Đây là những luận cứ thực tiễn phục vụ xây dựng dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Ba cắt giảm lũ đã được thủ tướng phê duyệt 9/2010. Năm 2010, Hà Văn Khối [19], trình bày một số ý kiến cũng như kết quả tính toán sơ bộ về vai trò chống lũ hạ du của hồ chứa A Vương và xem xét khả năng giao thêm nhiệm vụ chống lũ hạ du cho các hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn. Tác giả đã đề xuất cần nghiên cứu bổ sung (1) về quy trình chống lũ khi mực nước hồ đang ở mực nước thấp để vừa đảm bảo an toàn tích nước hồ chứa vừa nâng cao hiệu quả giảm lũ hạ du; (2) Tăng thêm nhiệm vụ phòng chống lũ cho các hồ chứa, nhưng phải đảm bảo không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả phát điện và hiệu quả cắt lũ phải mang lại lợi ích xã hội lớn, đồng thời giải quyết hài hòa quyền lợi giữa chủ đầu tư và Nhà nước nếu có bổ sung thêm về nhiệm vụ chống lũ. 14 Năm 2011, Nguyễn Lan Châu và Bùi đình Lập [17] đã sử dụng các mô hình mưa rào dòng chảy TANK và diễn toán Muskingum - Cunge dự báo dòng chảy thượng lưu hệ thống sông Đà, Thao, Lô và Thái Bình; Mô hình thủy lực IMECH1D lấy dữ liệu đầu vào tại sáu biên trên từ hệ mô hình này (TANK+MuskingumCunge) dự báo dòng chảy hạ du hệ thống sông Hồng tại Phả Lại với thời gian dự kiến là 5 ngày. Dữ liệu mưa dự báo phục vụ đầu vào của bộ công nghệ dự báo này là mưa số trị từ hệ thống mô hình thời tiết số trị HRM (của Đức), ETA (Mỹ) hoặc BOLAM (Italy) đang được chạy tác nghiệm tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương. Công nghệ được thử nghiệm trong hai mùa lũ 2006, 2007 cho kết quả tốt và đưa vào dự báo tác nghiệp từ mùa lũ 2008 với 3 loại bản tin cấp cho Ban chỉ đạo PCLB Trung ương, Bản tin cấp lên mạng nội bộ của Trung tâm và bản tin đưa lên trang Web của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương. Năm 2011, Ngô Lê Long đã áp dụng mô hình MIKE 11 [26] mô phỏng hệ thống liên hồ chứa sông Srêpook với mục đích cắt giảm lũ cho hạ du, tác giả đã ứng dụng kết hợp với mô đun vận hành công trình (SO) mô phỏng vận hành các công trình cửa van. Bước đầu đã đề xuất được nguyên tắc điều tiết hệ thống hồ chứa phục vụ cắt giảm lũ cho hạ du, tạo cơ sở khoa học cho việc đề xuất qui trình vận hành liên hồ chứa phòng chống lũ cho hạ du. Năm 2011, Hoàng Thanh Tùng, Vũ Minh Cát và Ngô Lê An [32] đã tích hợp dự báo mưa trung hạn trong vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cho lưu vực sông Cả, tiến hành vận hành thử nghiệm cho các kịch bản dòng chảy lũ khác nhau đến các hồ chứa, từ đó xây dựng cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ cho lưu vực sông Cả. Bên cạnh đó đã tích hợp mô hình dự báo mưa, lũ với mô hình vận hành hồ chứa, nghiên cứu đã tạo tiền đề cho việc vận hành hồ chứa theo thời gian thực, giúp cho công tác vận hành hồ trở nên mềm dẻo và hiệu quả hơn, đây là phương pháp mà các nước trên thế giới đang thực hiện. Năm 2011 Hoàng Thanh Tùng, Vũ Minh Cát, GS. Robeto Ranzi, Trương Tùng Hoa [33] đã nghiên cứu dự báo lũ trung hạn cho lưu vực sông Cả. Nhóm tác giả đã lựa chọn các mô hình lai ghép tất định và ngẫu nhiên như HEC-HMS lai 15 ghép với ARIMA(p,d,q) và EANN (mô hình mạng Neuron) lai ghép với ARIMA(p,d,q) để xây dựng phương án dự báo lũ trung hạn phù hợp cho lưu vực sông Cả. Việc lai ghép các mô hình trên cho phép tận dụng được những ưu điểm của các phương pháp dự báo trung hạn truyền thống với các phương pháp hiện đại. Kết quả áp dụng cho lưu vực sông Cả là khá tốt. Năm 2012, Tô Thúy Nga, Lê Hùng [28, 29] đã nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng lại trận lũ năm 2009 và đánh giá ảnh hưởng của việc xả lũ hồ A Vương đến ngập lụt hạ du với 3 trường hợp: Khi hồ A Vương xả lũ theo số liệu thực tế năm 2009, khi xem như không có hồ và khi hồ xả lũ theo đề nghị của tác giả. Nếu vận hành theo phương kiến nghị, thì quá trình xả sẽ không gây ra “sốc” đồng thời sẽ làm giảm ngập lụt ở hạ du so với vận hành thực tế như đã thực hiện năm 2009: tại Hội Khách sẽ giảm 0,606m, tại Ái Nghĩa sẽ giảm 0,109m, tai Giao Thủy sẽ giảm 0,114m, Cao Lâu sẽ giảm 0,012m. Đây là cơ sở định hướng cho việc nâng cao hiệu quả cắt lũ theo thời gian thực mà tác giả đang và sẽ tiếp tục nghiên cứu. Qua kết quả tính toán ở trên ta thấy các hồ chứa thủy điện cần phải xả lũ theo quy trình hợp lý, không nên tích nước vào đầu thời điểm lũ lên mà tập trung tích nước vào cuối thời kỳ lũ lên và thời kỳ lũ xuống; các hồ chứa vẫn tích nước được đầy hồ vào cuối trận lũ mà hiệu quả giảm lũ rõ rệt. Tiếp tục phát triển rộng hơn năm 2012, Tô Thúy Nga và Lê Hùng, tính toán so sánh sự ngập lụt hạ lưu Vu Gia – Thu Bồn theo 3 kịch bản sau: Khi có hồ chứa A Vương (năm 2009); Khi có 3 hồ chứa Sông Tranh 2, Đăkmi 4a và A Vương đang vận hành (theo quy định của chính phủ); Khi có 5 hồ chứa Sông Tranh 2, Đăkmi 4a, A Vương, sông Bung 2 và sông Bung 4; Một số công trình và dự án nghiên cứu áp dụng vận hành hệ thống liên hồ chứa trên cả nước và cho hệ thống Vu Gia – Thu Bồn như sau: Năm 2013 Lê Hùng, Tô Thúy Nga đã áp dụng mô hình HEC-RESSIM [23] mô phỏng hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, kết quả nghiên 16 cứu đã đề xuất được quy tắc vận hành các hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, ứng với trường hợp mực nước trước khi lũ về nhỏ hơn mực nước đón lũ, nhằm xả lũ an toàn cho hạ du đồng thời không ảnh hưởng lớn đến mục tiêu phát điện của các hồ chứa, đồng thời đã chứng minh được sự hiệu quả cắt lũ cho hạ dư của quy tắc điều tiết mà nhóm tác giả đề xuất. Năm 2013, Đặng Thanh Mai, Vũ Đức Long, Vũ Văn Hiếu, [27] đã trình bày các kết quả xây dựng công nghệ giám sát, cảnh báo, dự báo lũ, ngập lụt và điều tiết hồ chứa cho hệ thống sông Ba dựa trên việc tích hợp các mô hình thủy văn, thủy lực và điều tiết hồ. 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. Các mô hình được thiết lập, kiểm định và thử nghiệm với kết quả đạt được khá tốt cho phép sử dụng bộ mô hình để tính toán dự báo và điều tiết hồ chứa cho lưu vực sông Ba trong điều kiện tác nghiệp. Năm 2014, Lê Hùng, Tô Thúy Nga, [24] đánh giá vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện trên các lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn sao cho đảm bảo lợi ích mục tiêu phát điện của các hồ chứa đồng thời giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra cho hạ du. Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã phân tích vai trò điều tiết của các hồ thuỷ điện A Vương, Đăk Mi 4, sông Tranh 2, sông Bung 2 và sông Bung 4 đến ngập lụt hạ du sông Vu Gia - Thu Bồn. Các kịch bản tăng thêm dung tích phòng lũ cho các hồ chứa thuỷ điện và đồng thời đánh giá thiệt hai sản lượng điện mất đi của các hồ này. Xây dựng giải pháp thỏa hiệp tối ưu Pareto quan hệ giữa tổn thất sản lượng điện và khả năng tăng dung tích cắt lũ cho hạ du. Trung tâm Bảo vệ môi trường – Đại học Đà Nẵng thực hiện đề tài cấp thành phố [10]: Xây dựng mô hình thủy văn thủy lực thành Phố Đà Nẵng, mục tiêu của đề tài này ứng dụng cho bài toán quy hoạch thành phố Đà Nẵng, đã mô phỏng ngập lụt Đà Nẵng ứng với 3 trận lũ 2007, 2009 và 2010 và tìm bộ thông số nhám mô hình một chiều và hai chiều, sau đó mô phỏng ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu, 17 nước biển dâng, phát triển đô thị và ảnh hưởng các hồ chứa thượng lưu. Viện Quy hoạch thủy lợi (2011), Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất quy trình điều hành liên hồ chứa trên sông Vu Gia – Thu Bồn đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ và an toàn vận hành hồ chứa [12] các tác giả đã tính toán thủy văn bằng mô hình Nam cho các tiểu lưu vực với chuỗi dòng chảy từ năm 1998-2008 (bộ thông số cho mùa lũ và mùa cạn), sau đó sử dụng mô hình Hec-Ressim để vận hành hồ chứa A Vương, ĐăkMi 4 và sông Tranh 2, đề xuất các phương án vận hành hồ chứa ứng với các năm từ 1998-2008. Viện Địa Lý (2011), xây dựng mô hình thủy lực trên lưu vực sông Vu GiaThu Bồn [11], nhằm sử dụng nó làm công cụ cho dự báo sớm diện và mức độ ngập lụt, hướng và vận tốc dòng chảy nhằm giảm thiệt hại tối đa cho người dân và của cải của các cư dân sống trên vùng ngập lũ. Với mục tiêu là xây dựng và triển khai các mô hình thủy lực và thủy văn để hỗ trợ cho các thể chế cấp tỉnh trong việc lập kế hoạch và quản lý lũ tại những vùng ngập thấp của tỉnh Quảng Nam; mô hình lũ sẽ cung cấp: một cơ chế quản lý lũ (như bản đồ khu vực lũ nguy hiểm và phân tích rủi ro thiên tai để củng cố quy hoạch sử dụng đất); một công cụ dự báo lũ và cảnh báo lũ (do đó nâng cao năng lực các cơ quan cấp tỉnh nhằm xác định, đánh giá, quản lý rủi ro thiên tai). Mô hình sẽ kết nối với các mô phỏng thủy văn về quá trình mưadòng chảy trên lưu vực với các mô phỏng thủy lực về luồng nước lũ dọc dòng chảy và qua vùng ngập. Đinh Phùng Bảo (2013) - Ứng dụng công nghệ GIS để xây dựng bản đồ chỉ huy phòng tránh lũ lụt tỉnh Quảng Nam [8]. Nhìn chung các công trình nghiên cứu ở Việt Nam sử dụng mô hình mô phỏng là công cụ chủ yếu để vận hành quản lý hồ chứa, cũng như dự báo lũ lụt. Các công cụ nghiên cứu trong bài toàn vận hành thời gian thực chưa nhiều, chủ yếu ở lưu vực sông Hồng [15], [17], [21], [22], [30]. Còn các lưu vực khác mới chỉ là một số nghiên cứu ban đầu trong việc quản lý lũ lụt [27], [33] cũng như mới đưa vào một phần khá hạn chế với mức độ xem xét đến kết quả dự báo để tiến hành vận hành như các quy trình vận hành liên hồ mới ban hành [13], [34]. Một số mô hình vận hành hồ chứa theo hướng tối ưu chống lũ theo thời gian 18 thực cho hệ thống hồ chứa trên sông Đà và sông Lô với các mục tiêu là tối đa tổng dung tích chống lũ của các hồ chứa [22]. 1.2. Tổng quan các nghiên cứu ngoài nước Bài toán vận hành hệ thống theo thời gian thực là bài toán rất phức tạp, bởi vì các hệ thống hồ chứa đều có đặc thù riêng, do đó chưa có chương trình nào có thể giải quyết trọn vẹn bài toán này ở dạng tổng quát. Hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta việc giải bài toán điều tiết vận hành hồ chứa bậc thang được rất nhiều tác giả đã và đang nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu: 1/ Phương pháp tối ưu hóa: 2/ Phương pháp sử dụng mô hình mô phỏng; 3/ Sự kết hợp giữa tối ưu hóa và phương pháp mô phỏng. Cách tiếp cận phương pháp tối ưu thuần túy: Bài toán vận hành hệ thống hồ chứa thời gian thực tiếp cận theo phương pháp giải tối ưu đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1990, với các tác giả Olcay I. Unver, Larry W. Mays (1990) trình bày mô hình toán tối ưu vận hành thời gian thực đã sử dụng quy hoạch phi tuyến để giải bài toán tối ưu lượng xả hồ chứa để giảm thiệt hại cho hạ du [52]. Năm 1992, Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz, Andrzej Karbowski & Krzysztof Malinowski [43] trình bày gói phần mềm điều khiển lũ hệ thống Vistula, thiết kế hệ thống ra quyết định thời gian thực cho điều khiển hệ thống đa hồ chứa ở Ba Lan. El-Said Mohamed Said Ahmed, Larry W. Mays [42] xác định tối ưu lượng xả điều tiết lũ hồ chứa thời gian thực, đánh giá lượng xả tối ưu theo thời gian với mục tiêu là minimum thiệt hại do lũ gây ra cho hệ thống sông-hồ chứa. Dùng biến điều khiển tối ưu rời rạc lượng xả hồ chứa, cao trình đường mặt nước và lưu lượng là các biến trạng thái. Mô hình giải bài toán điều khiển đối số. Mô hình được ứng dụng hệ thống hồ chứa sông Lake Travis trên sông Lower Colorado ở Texas. Năm 2008, Li-Chiu Chang [47] chỉ dẫn vận hành lũ hồ chứa hợp lý, điều khiển lũ thời gian thực hồ chứa đa mục đích được xem xét để cắt lũ cho hạ lưu. Mục đích nghiên cứu này là mô hình tối ưu điều khiển lũ hồ chứa với sự mô tả các yêu cầu quy tắc vận hành và ra quyết định hợp lý, tiếp cận bao gồm 19 công thức vận hành lũ hồ chứa như bài toán tối ưu sử dụng thuật toán di truyền (GA) như là công cụ tìm kiếm. Ứng dụng tính toán cho hồ chứa Shihmen tại Đài Loan, cho tìm kiếm lượng xả hợp lý và mô tả hồ chứa như trường hợp nghiên cứu. Kết quả đã chứng minh rằng một hàm phạt kiểu thuật toán di truyền là hiệu quả hơn để nhận được quá trình xả lũ hợp lý nhằm giảm thiểu thiệt hại ngập lụt trong thời gian vận hành lũ và gia tăng dung tích cuối mùa lũ để sử dụng cho nhu cầu cấp nước cho mùa cạn. Năm 2007, Aleix Serrat – Capdevila, Juan B. Valdes [35] sử dụng tối ưu để tính toán vận hành hệ thống các hồ chứa nằm trong lưu vực quốc tế. Cách tiếp cận ở đây sử dụng quy hoạch động ngẫu nhiên (QHĐNN), thuật toán phát triển hai mô hình là ổn định và thời gian thực. Sử dụng QHĐNN, có nguồn gốc từ sách lược điều hành như điều kiện biên để tối ưu hóa thời gian từng giai đoạn cục bộ; cuối cùng, các phương pháp tiếp cận được so sánh với nhau. Những mô hình này được áp dụng cho hệ thống hồ chứa quốc tế Amistad-Falcon như là một phần của một nỗ lực mô hình động để phát triển một công cụ hệ thống hỗ trợ quyết định cho quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên nước ở hạ lưu lưu vực Rio Grande. Năm 2009, Chih-Chiang Wei, Nien – Sheng Hsu [40], đã thiết lập tập hợp các quy tắc xả tối ưu, các quy tắc dạng cây là nền tảng cho vận hành lũ thời gian thực trên hệ thống đa hồ chứa đa mục đích. Quy tắc này sử dụng để xác định chu kỳ vận hành xả lũ tối ưu. Các bước đề xuất bao gồm (1) tập hợp dữ liệu, (2) xây dựng cơ sở dữ liệu lũ, (3) phát ra các mẫu tối ưu nhập vào và ra, (4) lựa chọn các quy tắc lượng cho diễn toán thiết kế sử dụng thuật toán cây lượng xả, (5) xác định quy tắc cây lượng xả tối ưu, (6) phát ra dữ liệu dự báo thực bằng cách sử dụng mô hình dự báo thủy văn, (7) biểu diễn lượng xả hồ chứa thực bằng cách mô phỏng vận hành hồ chứa thời gian thực, (8) hiệu chỉnh lượng xả hồ chứa các quy tắc giới hạn lượng xả thông qua so sánh cơ sở cây quy tắc. Phương pháp này được áp dụng cho hệ thống hồ chứa ở Đài Loan. Bài toán vận hành lũ theo thời gian thực là một bài toán lớn, bao gồm số liệu mưa đầu vào, thủy văn, vận hành hồ chứa và truyền lũ hạ lưu, do đó để giải quyết bài toán này theo tối ưu thì số các ràng buộc của bài toán là vô cùng lớn, đối với số