Tài liệu Mô phỏng mực nước hồ phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THU HOÀI MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ PHỤC VỤ VIỆC XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THU HOÀI MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ PHỤC VỤ VIỆC XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60 52 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Hoàng Văn Lai Hà Nội - 2011 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 1 59 Bảng 2.2: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 1a, 1b, 1c, 1d 60 Bảng 2.3: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 1e 61 Bảng 2.4: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1a 65 Bảng 2.5: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1b 66 Bảng 2.6: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1c 67 Bảng 2.7: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1d 68 Bảng 2.8: Kết quả tính toán dung tích hồ bài toán mẫu 1e 69 Bảng 2.9: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 2 73 Bảng 2.10: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 2a 74 Bảng 2.11: Số liệu đầu vào bài toán mẫu 2b 76 Bảng 2.12: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a 78 Bảng 2.13: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b 81 Bảng 3.1: Đặc trưng lưu vực tính đến tuyến công trình 38 Bảng 3.2: Thời gian và yếu tố quan trắc tại các trạm khí tượng trong lưu vực sông Sê San 40 Bảng 3.3: Thời gian và yếu tố quan trắc tại các trạm thủy văn sông Sê San 41 Bảng 3.4: Phân bố lượng bốc hơi tháng trung bình thời kỳ (1977-2009) tại các trạm đại biểu trên lưu vực sông Sê San 44 Bảng 3.5: Các thông số chính của nhà máy thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San 48 Bảng 3.6: Các thông số chính của công trình thủy điện Ialy 49 Bảng 3.7: Đường quan hệ W-F-Z hồ chứa thuỷ điện Ialy 84 Bảng 3.8: Lượng tổn thất bốc hơi hàng tháng hồ Ialy (từ tháng 1 đến tháng 6) 84 Bảng 3.9: Lưu lượng vào hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 85 Bảng 3.10: Lưu lượng ra khỏi hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 87 Bảng 3.11: Mực nước thực đo hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 89 Bảng 3.12: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 91 tính bằng chương trình điều tiết Bảng 3.13: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng mô hình HEC-ResSim 95 2 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy trong một trận lũ tháng 9 năm 2009 12 Hình 1.2: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 12 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát các môđun của mô hình HEC-ResSim 17 Hình 2.2: Môđun thiết lập lưu vực trong mô hình HEC-ResSim 18 Hình 2.3: Môđun mạng lưới hồ trong mô hình HEC-ResSim 19 Hình 2.4: Môđun mô phỏng trong mô hình HEC-ResSim 20 Hình 2.5: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 1 24 Hình 2.6: Tương quan lưu lượng đến hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 25 Hình 2.7: Tương quan lưu lượng ra khỏi hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 26 Hình 2.8: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng chương trình điều tiết 27 Hình 2.9: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1a tính bằng mô hình HEC-ResSim 27 Hình 2.10: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng chương trình điều tiết 28 Hình 2.11: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1b tính bằng mô hình HEC-ResSim 28 Hình 2.12: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng chương trình điều tiết 29 Hình 2.13: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1c tính bằng mô hình HEC-ResSim 29 Hình 2.14: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng chương trình điều tiết 30 Hình 2.15: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1d tính bằng mô hình HEC-ResSim 30 Hình 2.16: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng chương trình điều tiết 31 Hình 2.17: Đường quá trình dung tích hồ mẫu 1e tính bằng mô hình HEC-ResSim 31 Hình 2.18: Đường quan hệ mực nước – dung tích hồ mẫu 2 32 Hình 2.19: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng chương trình điều tiết 33 Hình 2.20: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a tính bằng mô hình HEC-ResSim 33 Hình 2.21: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2a có xét đến bốc hơi tính bằng mô hình HEC-ResSim 34 Hình 2.22: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính bằng chương trình điều tiết 34 Hình 2.23: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b tính bằng mô hình HEC-ResSim 35 Hình 2.24: Đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b có xét đến bốc hơi tính bằng mô hình HEC-ResSim 35 3 Hình 2.25: So sánh đường quá trình mực nước hồ mẫu 2b có xét đến bốc hơi và không có bốc hơi tính bằng mô hình HEC-ResSim 36 Hình 2.26: So sánh kết quả tính toán bài toán 2b bằng chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim 36 Hình 3.1: Vị trí các tuyến công trình lưu vực sông Sê San 39 Hình 3.2: Bản đồ lưới trạm khí tượng thuỷ văn lưu vực sông Sê San 43 Hình 3.3: Hệ thống bậc thang các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San 47 Hình 3.4: Gian máy ngầm Nhà máy thủy điện Ialy 51 Hình 3.5: Đường quan hệ W-F-Z hồ chứa thuỷ điện Ialy 51 Hình 3.6: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng chương trình điều tiết 52 Hình 3.7: So sánh đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng chương trình điều tiết khi có và không xét đến bốc hơi 52 Hình 3.8: Đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng mô hình HEC-ResSim 53 Hình 3.9: So sánh đường quá trình mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 tính bằng mô hình HEC-ResSim khi có và không xét đến bốc hơi 53 Hình 3.10: So sánh kết quả tính toán mực nước hồ Ialy bằng chương trình điều tiết và mô hình HEC-ResSim 54 Hình 3.11: Ứng dụng mô hình HEC-ResSim cho các lưu vực sông Sê San, SrêPôk, Sê Kông của Ủy ban sông Mê Kông 55 4 MỤC LỤC MỞ ĐẦU.....................................................................................................................5 CHƯƠNG 1. HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU VÀ QUY TRÌNH VẬN HÀNH.................7 1.1. Tổng quan các kết quả trong và ngoài nước về vấn đề điều hành hồ chứa đa mục tiêu .................................................................................................................................... 7 1.2. Quy trình vận hành .................................................................................................. 10 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN .............. 13 2.1. Chương trình điều hành hồ chứa ............................................................................. 13 2.2. Mô hình HEC-ResSim............................................................................................. 16 2.3. Bốc hơi..................................................................................................................... 21 2.4. Bài toán mẫu ............................................................................................................ 23 CHƯƠNG 3. THỬ NGHIỆM MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ IALY TỪ THÁNG 1 ĐẾN THÁNG 6 NĂM 2009 ...................................................................................... 37 3.1. Các đặc điểm chính lưu vực sông Sê San................................................................ 37 3.2. Nhà máy thủy điện Ialy............................................................................................ 49 3.3. Kết quả tính toán mô phỏng mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 . 51 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56 CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ................................................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 57 PHỤ LỤC.................................................................................................................. 59 5 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, hàng loạt các hồ chứa thủy điện đã và đang được xây dựng trên thượng lưu các hệ thống sông khắp mọi vùng trong cả nước. Trên thượng lưu hệ thống sông Hồng ở đồng bằng Bắc bộ đã và đang hình thành một hệ thống các hồ chứa lớn tầm cỡ khu vực: Hoà bình, Sơn La, Thác Bà, Bản Trác, Huội Quảng, Nậm Chiến, Tuyên Quang và Bảo Lạc. Trên lưu vực sông Sê San ở Tây Nguyên đã và đang có các hồ chứa thủy điện quy mô lớn được đưa vào hoạt động như hồ PleiKrông, Ialy, Sê San 3, Sê San 3A, Sê San 4, Sê San 4A và hồ Thượng Kon Tum dự kiến cũng được đưa vào hoạt động trong thời gian tới. Các hồ chứa trên hệ thống sông Ba ở miền Trung bao gồm các hồ chứa lớn: hồ An Khê Kanak, IaYun hạ, Krông H’Năng, Sông Ba Hạ, Sông Hinh. Trên các hệ thống sông khác như hệ thống sông Đồng Nai, La Ngà, sông Ba, Vu Gia, Thu Bồn..., ngoài các hồ chứa đang hoạt động như Trị An, Hàm Thuận – Đa Mi, Đa Nhim, các dự án xây dựng hàng chục các hồ chứa thuỷ điện khác như Đại Ninh, Đồng Nai 1, Đồng Nai 2 … đã được phê duyệt và sẽ đi vào hoạt động trong thời gian gần đây. Các hồ chứa nước nói chung thường được thiết kế để đảm nhiệm nhiều mục tiêu khác nhau trong đó có 3 mục tiêu chính là phát điện, cấp nước và chống lũ. Tuy nhiên, các mục tiêu này thường mâu thuẫn với nhau trong vấn đề sử dụng dung tích của hồ chứa. Yêu cầu cấp nước nhiều sẽ ảnh hưởng đến sản lượng điện, dung tích chống lũ lớn sẽ ảnh hưởng đến công suất phát điện và khả năng tích nước đầy hồ để phục vụ cấp nước và sản xuất điện trong mùa cạn. Vấn đề điều hành hiệu quả hệ thống hồ chứa, giải quyết các mâu thuẫn kể trên là một nhu cầu cấp thiết đặt ra ở trong nước. Mục tiêu của việc điều hành hệ thống hồ chứa là nâng cao hiệu quả chống lũ và hiệu quả kinh tế (phát điện và cấp nước) không phải chỉ cho các hồ riêng biệt mà cho tất cả các hồ chứa trong hệ thống. Những năm qua, do thiếu sự phối hợp trong vận hành nên hệ thống hồ chứa trên các lưu vực sông đã có những ảnh hưởng đến các địa phương trong lưu vực, đặc biệt là hạ lưu. Mặt khác, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng, nhưng hồ chứa phải làm nhiệm vụ phát điện nên lượng nước xả trong mùa cạn bị suy giảm, làm gia tăng tình hình cạn kiệt. Do vậy việc xây dựng các quy trình vận hành liên hồ chứa cho cả mùa lũ và mùa cạn là rất cấp thiết. Vấn đề khó khăn nhất cho nhà quản lý vận hành hệ thống hồ chứa là mâu thuẫn giữa các hộ sử dụng nước trong mùa cạn. Đó là khi lượng nước đến trên toàn hệ thống giảm rất mạnh không đủ đáp ứng yêu cầu nước của các ngành dùng nước trên toàn hệ thống và lượng nước đã được trữ trong hệ thống hồ chứa sẽ được sử dụng để bù đắp khoản thiếu hụt giữa yêu cầu của hệ thống sử dụng nước với khả năng điều kiện nước đến thực tế trong suốt mùa cạn. Thực tế hiện nay trên lưu vực các sông vấn đề vận hành phân bổ nguồn nước trong mùa cạn chưa được tập trung nghiên cứu. Ở Việt Nam 6 mới có một số quy trình liên hồ trong mùa lũ của Nhà Nước và quy trình điều hành của Bộ Công thương cho từng hồ. Tuy nhiên với tốc độ phát triển kinh tế hiện nay và trong tương lai thì vấn đề nghiên cứu phương án cấp nước mùa cạn sẽ ngày càng trở nên cấp thiết. Việc xây dựng quy trình điều hành hồ chứa trong mùa cạn trên một số lưu vực sông đang được Bộ Tài nguyên và Môi trường tổ chức thực hiện. Quy trình điều hành hồ chứa trong mùa cạn trên sông Sê San đang được Phòng Thủy Tin học – Viện Cơ học tiến hành (Trong khuôn khổ của một hợp đồng tư vấn cho Cục Tài nguyên Nước – Bộ Tài nguyên và Môi trường) và dự kiến sẽ sử dụng mô hình HEC-ResSim. Việc nghiên cứu một số cơ sở khoa học phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn là việc làm cần thiết nhằm đưa ra một quy trình điều tiết liên hồ trong mùa cạn có cơ sở khoa học chặt chẽ, hy vọng mang lại hiệu quả cả về mặt kinh tế và xã hội. Do vậy, đề tài “Mô phỏng mực nước hồ phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn” được hình thành với mục tiêu là tìm hiểu được một số công cụ mô phỏng mực nước hồ phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn. Thông qua đó xác định các thông tin đầu vào và độ chính xác cần thiết trong việc sử dụng mô hình HEC-ResSim để xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn. Bố cục của luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương chính: Chương 1: Hồ chứa đa mục tiêu và quy trình vận hành. Chương này sẽ giới thiệu chung về các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về điều hành hồ chứa đa mục tiêu, giới thiệu về việc lập quy trình vận hành hồ chứa ở Việt Nam. Chương 2: Mô phỏng mực nước hồ trong mùa cạn. Tìm hiểu một số công cụ mô phỏng mực nước hồ và tính toán đối với bài toán mẫu để phục vụ việc mô phỏng mực nước hồ trong mùa cạn. Luận văn cũng đánh giá ảnh hưởng của bốc hơi đến quá trình mô phỏng mực nước hồ trong mùa cạn. Chương 3: Thử nghiệm mô phỏng mực nước hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009. Trình bày các kết quả thử nghiệm mô phỏng mực nước hồ Ialy. 7 CHƯƠNG 1. HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU VÀ QUY TRÌNH VẬN HÀNH 1.1. Tổng quan các kết quả trong và ngoài nước về vấn đề điều hành hồ chứa đa mục tiêu 1.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới a- Phương pháp luận Trên thế giới, việc nghiên cứu điều hành lũ, điều phối cấp nước, phát điện và các lợi ích khác được nhiều học giả và các chuyên gia nghiên cứu rất sâu. Đối với việc quản lý hệ thống các hồ phòng lũ, phát điện và cấp nước có thể tóm tắt những hướng phát triển chính như sau: - Quản lý hệ thống theo biểu đồ điều phối cấp nước: Hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng đối với các hồ chứa độc lập và đơn thuần chỉ có nhiệm vụ cấp nước, phát điện và chống lũ cho bản thân công trình. Đối với hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện đã nghiên cứu phát triển các phương pháp tối ưu hoá để xác định chế độ làm việc tối ưu của hệ thống hồ chứa. - Quản lý theo mô hình: Đây là hướng phát triển 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 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. Vì không có khả năng để thí nghiệm với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Thí nghiệm có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình này để cung cấp những hiểu biết sâu về bài toán. Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ. Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các tập hợp mục đích chung phức tạp. Theo Simonovic (1992), các khái niệm về mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mô hình hoá khác. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp các biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn về hệ thống hồ chứa và quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các hồ và kênh riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau). Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là ít hơn nhiều so với mô hình tối ưu hoá. Các kết quả mô phỏng sẽ dễ dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu. Số phần mềm máy tính đa mục tiêu phổ biến có sẵn có thể sử dụng để phân tích mối quan hệ quy hoạch, thiết kế và vận hành hồ chứa. Hầu hết các phần mềm có thể chạy trong máy vi tính cá nhân đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm thực hành đã 8 được chuẩn bị, nó dễ dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của các thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng. Có lẽ một trong số các mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi nhất là mô hình HEC-5, phát triển bởi Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ (Feldman 1981, Wurbs 1996). Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng khác là mô hình Acres (Sigvaldson 1976), tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR) (USACE 1987), Mô phỏng hệ thống sóng tương tác (IRIS) (Loucks và nnk 1989). Gói phần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP) (Wurbs và nnk, 1993). Lund và Ferriera (1996) đã nghiên cứu hệ thống hồ chứa sông Missouri và xây dựng mô hình mô phỏng trong đó nâng cấp kỹ thuật hồi quy cổ điển và sử dụng mô hình quy hoạch động. Jain và Goel (1996) đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường quy tắc điều phối. Mặc dù có sẵn một số các mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phải phát triển các mô hình mô phỏng cho một (hệ thống) hồ chứa cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng. - Tự động hoá trong công tác điều hành: Việc tự động hoá đã được thực hiện ở những nước tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Đài loan, Trung quốc. Để có thể tự động hoá trong điều hành hệ thống cần thiết phải kèm theo các thiết bị đo và điều khiển tự động. b- Công nghệ dự báo hiện đại Nhiều mô hình toán đã kết nối với hệ thống cơ sở dữ liệu như hệ thông tin địa lý (GIS), các vệ tinh, Rada để tăng tính hiệu quả của các mô hình toán. Kỹ thuật dự báo số trong dự báo tác nghiệp được phát triển mạnh. c- Các trung tâm kiểm soát và điều độ nguồn nước phạm vi quốc gia Nhằm điều hành thống nhất và có hiệu quả kiểm soát lũ, chia sẻ nguồn nước trên phạm vi quốc gia phần lớn các nước tiên tiến như Nga, Mỹ, Anh, Nhật, Hà Lan, Đan Mạch, Canada, Cộng hoà Liên bang Đức v.v… đã xây dựng các trung tâm, chia sẻ thông tin với nhau. Ở các trung tâm này có các trang thiết bị thu phát thông tin hiện đại, các phần mềm mạnh và đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ viễn thám cho phép phân tích ngập lụt, hạn hán và tổn thất thiên tai, nhằm trợ giúp lựa chọn giải pháp phòng tránh hiệu quả. Các trung tâm có trang WEB riêng và thường xuyên phát tin trên mạng Internet. Xem các tài liệu: [1]; [3]; [4]; [5]; [12]; [13]; [17]-[20] 1.1.2. Các nghiên cứu ở trong nước Ở Việt Nam các hồ chứa trên các hệ thống sông với nhiều mục đích khác nhau đã và đang được tiến hành xây dựng, như hệ thống hồ chứa trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v… Điển hình nhất là hệ thống hồ chứa trên hệ thống 9 sông Hồng gồm các hồ chứa Sơn La, Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và tương lai có thêm hồ Lai Châu. Các hồ chứa này làm nhiệm vụ chính là cắt lũ vào mùa lũ, sau đó là phát điện, cung cấp nước mùa cạn, ngoài ra còn phục vụ giao thông, du lịch, nuôi trồng thuỷ sản v.v… a- Các quy trình vận hành hồ chứa Quy trình điều hành chống lũ hồ chứa Hoà Bình được xây dựng khá chi tiết và liên tục được bổ sung hoàn chỉnh. Kinh nghiệm vận hành hồ chứa Hòa Bình để điều tiết lũ trong các năm qua cho thấy, nó đã góp phần giữ được mực nước Hà Nội không vượt quá 13,0m; bảo đảm an toàn cho Hà Nội. Nhiều công trình nghiên cứu về vận hành hồ chứa điều tiết lũ đã được tiến hành như quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình của Ban Chỉ đạo phòng chống lụt bão TW (1997), Quyết định 80/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành năm 2007. Ngày 11/6/2010, có thêm quyết định “Sửa đổi, bổ sung Quy trình vận hành liên hồ chứa thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành kèm theo Quyết định số 80/2007/QĐ-TTg ngày 01 tháng 6 năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ, số 848/QĐ-TTg. Ngoài ra còn một loạt các nghiên cứu khác về vận hành hồ chứa Hoà Bình và hệ thống hồ chứa trên các lưu vực của Việt Nam. Công ty tư vấn Điện I (1991) đã nghiên cứu việc kết hợp phát điện, chống lũ hạ du và khai thác tổng hợp hồ chứa Hoà Bình. Viện Quy hoạch và Quản lý nước (1991) cũng nghiên cứu lập quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình phòng lũ và phát điện. Nguyễn Văn Tường (1996) nghiên cứu phương pháp điều hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hàng năm với việc xây dựng tập hàm vào bằng phương pháp Monte-Carlo. Trịnh Quang Hoà (1997) xây dựng công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng phục vụ điều hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hạ du. Viện Quy hoạch Thuỷ lợi và Công ty Tư vấn Điện 1 (2000) đã nghiên cứu hiệu ích chống lũ và cấp nước hạ du của công trình hồ chứa Đại Thị (nay là Tuyên Quang) trên sông Gâm. Hoàng Minh Tuyển (2002) đã phân tích đánh giá vai trò của một số hồ chứa thượng nguồn sông Hồng cho phòng chống lũ hạ du. Lâm Hùng Sơn (2005) nghiên cứu cơ sở điều hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng, trong đó chú ý đến việc phân bổ dung tích và trình tự phối hợp cắt lũ của từng hồ chứa trong hệ thống để đảm bảo an toàn hồ chứa và hệ thống đê đồng bằng sông Hồng. Viện khoa học Thuỷ lợi (2006) đã thực hiện dự án xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông Lô đảm bảo an toàn chống lũ đồng bằng Bắc Bộ khi có các hồ chứa Thác Bà, Hoà Bình, Tuyên Quang. Trần Hồng Thái (2005) và Ngô Lê Long (2006) bước đầu áp dụng thuật tối ưu hoá trong vận hành hồ Hoà Bình phòng chống lũ và phát điện. Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) nghiên cứu áp dụng mô hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ của hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hương, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương (tại Kim Long và Phú Ốc). 10 b- Hệ thống công nghệ hỗ trợ vận hành Song song với quy trình điều hành thì công tác dự báo thuỷ văn phục vụ điều hành cũng được coi trọng. Trịnh Quang Hoà (1997) với công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng đã góp phần vào phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng rất hiệu quả. Tổng cục KTTV (1998) đã xây dựng một dự án trong dự án liên ngành hiện đại hoá hệ thống đo đạc và dự báo thuỷ văn trên sông Đà và sông Hồng trực tiếp phục vụ điều hành. Năm 2005 Trung tâm đã có văn bản về khả năng dự báo thuỷ văn gửi Hội đồng điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình góp phần vào quyết định ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ. Nguyễn Lan Châu (2005) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ sông Đà phục vụ điều tiết hồ Hoà Bình trong công tác phòng chống lũ bằng tích hợp các mô hình thuỷ văn thuỷ lực và điều tiết hồ chứa. Trần Tân Tiến (2006) đã nghiên cứu liên kết mô hình RAMS dự báo mưa và mô hình sóng động học một chiều dự báo lũ khu vực miền Trung. Hà Ngọc Hiến (2010) đã nghiên cứu xây dựng bộ chương tình điều hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa đảm bảo an toàn chống lũ và phát điện theo thời gian thực. Nguyễn Văn Hạnh (2007) đã xây dựng hệ thống thông tin phục vụ vận hành hồ chứa đa mục tiêu Tuyền Lâm-Đà Lạt-Lâm Đồng. Xem các tài liệu: [1]; [3]; [4]; [5]; [12]; [13]; [17]-[20] 1.2. Quy trình vận hành Trong mùa lũ, lưu lượng lũ đến rất lớn và sự biến động cũng rất lớn, một trận lũ thường diễn ra trong thời gian khoảng vài ngày (lũ điển hình lớn nhất chỉ khoảng 20 ngày). Còn trong mùa cạn, lưu lượng dòng chảy đến nhỏ và sự biến động không đáng kể trong thời gian dài. Hình minh họa cho lưu lượng dòng chảy đến của một trận lũ tháng 9 năm 2009 và mùa cạn của hồ Ialy được thể hiện ở hình 1.1 và hình 1.2 dưới đây. Do những đặc điểm như vậy mà quy trình vận hành trong mùa lũ và mùa cạn rất khác nhau. Trong mùa lũ thì điều hành theo phân kỳ lũ, khống chế theo mực nước trước lũ, và điều hành theo thứ tự chống lũ là ưu tiên nhất. Mực nước trước lũ theo thời kỳ lũ sớm, lũ chính vụ và lũ muộn lại khác nhau. Các hồ chứa ở miền Bắc thường có dung tích chống lũ, trước mùa lũ thì các hồ phải đưa mực nước về mực nước trước lũ, sau đó thì điều hành theo dự báo mực nước Hà Nội. Còn các hồ chứa ở miền Trung không có dung tích chống lũ nhưng vẫn có quy trình vận hành trong mùa lũ để giảm thiểu tác động của mùa lũ cho người dân. Ở nước ta, quy trình vận hành trong mùa lũ thường được lập trước. Dưới đây là ví dụ về quy định mực nước trước lũ trong quy trình vận hành của một số hồ chứa miền Bắc và miền Trung: 11 Ở nước ta hiện nay chưa có quy trình điều hành hồ mùa cạn chính thức nào được ban hành. Trong mùa cạn, lưu lượng nước đến rất ít nên phải điều hành hồ chứa từ đầu đến cuối mùa cạn, lượng nước tích được ở cuối mùa lũ là rất quan trọng và bốc hơi ảnh hưởng khá lớn đến mực nước hồ chứa. Các hồ chứa chủ yếu chỉ xả nước qua tuabin để phát điện và không có thứ tự ưu tiên, nhưng các mục đích sử dụng nước thì lại mâu thuẫn lẫn nhau, khi lấy nước tưới thì phát điện lại giảm… 12 Lưu lượng (m3/s) 14000 Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy tháng 9 năm 2009 12000 10000 8000 6000 4000 0 1 7 10 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 1 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2000 28-Sep 29-Sep 30-Sep Thời gian (giờ) Hình 1.1: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy trong một trận lũ tháng 9 năm 2009 Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy T1-T6/2009 Lưu lượng (m3/s) 600 500 400 300 200 100 0 2 00 1 /1/ 9 200 1/2/ 9 2 00 1 /3/ 9 200 1/4/ 9 2 00 1 /5/ 9 2 00 1/6/ 9 Thời gian (ngày) Hình 1.2: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ialy từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2009 13 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG MỰC NƯỚC HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN Để mô phỏng mực nước hồ chứa trong mùa cạn, luận văn đã sử dụng một chương trình điều hành hồ chứa dựa trên phương pháp bảo toàn khối lượng nước và mô hình HEC-ResSim. Mô hình HEC-ResSim (phiên bản 3.0, phát hành tháng 4 năm 2007) là mô hình có thể được tải (miễn phí) về máy tính cá nhân từ mạng INTERNET để áp dụng. Vì vậy, trong tài liệu kèm theo mô hình chỉ có hướng dẫn sử dụng, không có các tài liệu mô tả về cơ sở khoa học của mô hình. Do đó, luận văn có thực hiện một số tính toán kiểm tra độ chính xác của mô hình. Trong mô hình HEC-ResSim có rất nhiều vấn đề có thể khai thác, tuy nhiên trong khuôn khổ điều hành hồ chứa mùa cạn nên luận văn chỉ tập trung kiểm tra hai vấn đề sau: - Trong mùa cạn, hồ chứa được tiếp nhận lưu lượng đến hồ không lớn và ít biến đổi theo thời gian. Vì vậy, lưu lượng xả ra khỏi hồ trong mùa cạn luôn được xả qua các tuabin để phát điện. Tuy việc bảo toàn khối lượng nước trong trường hợp này đơn giản hơn so với trường hợp điều hành hồ để cắt một trận lũ (khoảng 1 hoặc 2 tuần), nhưng thời gian mô phỏng lại khá dài (trong cả quá trình mùa cạn, khoảng 7 hoặc 8 tháng) - Nghiên cứu quá trình điều tiết hồ chứa khi có bốc hơi và không có bốc hơi. 2.1. Chương trình điều hành hồ chứa 2.1.1. Mô hình vận hành hồ chứa a- Phương trình cơ bản Phương trình cơ bản của quá trình điều tiết hồ chứa là phương pháp bảo toàn khối lượng được viết dưới dạng sau: dV  Q1  Q2 dt (2.1) V(t0) = Vo (2.2) Ở đây V- thể tích nước chứa trong hồ tại thời điểm t, t0 ≤ t ≤ T. V là hàm phụ thuộc vào mực nước z của hồ và z nói chung là hàm phụ thuộc vào thời gian: z = z(t), V = V(z(t)). Vì vậy, hàm V trong phương trình (2.1) nói là một hàm phi tuyến theo thời gian t. t0 - thời điểm ban đầu Q1 - lưu lượng vào hồ, là hàm phụ thuộc vào thời gian t Q1 = Q11(t)+Q12(t) Với Q11 là lưu lượng tự nhiên chảy vào hồ và Q12 là lưu lượng điều tiết từ hồ thượng lưu mắc nối tiếp với hồ xem xét (trong trường hợp không có hồ thượng lưu Q12=0). 14 Q2 – lưu lượng ra khỏi hồ. Hàm Q2 tương đối phức tạp. Hàm này thường phụ thuộc vào nhiều tham số điều hành hồ chứa như: mực nước trước và sau đập, số cửa xả (xả dáy, xả mặt) đang mở và chế độ mở của từng cửa xả, số lượng tuabin đang hoạt động ... Q2(t) = Q21(t,Z,n,...) + Q22(t,Z) Với Q21 là lưu lượng xả từ hồ qua các cửa xả đáy, cửa xả mặt và qua tuabin Q21(t, Z,nx,...) = nxd(t) . Qxd(z(t)) + nxm(t) . Qxm(z(t)) + Qtb(z(t),N(t)) Ở đây: n xd- số cửa xả đáy được mở, nxm- số cửa xả mặt được mở. Qxd- lưu lượng qua 1 cửa xả đáy, phụ thuộc vào mực nước hồ. Qxm- lưu lượng qua 1 cửa xả mặt, phụ thuộc vào mực nước hồ. Qtb- lưu lượng qua tuốc bin, phụ thuộc vào mực nước của hồ và công suất phát. Các hàm xả trên thường không mô tả được qua các hàm toán học cơ sở. Các hàm này, nếu có thể mô tả được qua các công cụ của toán học giải tích, thì cũng khá phức tạp. Vì vậy các hàm này thường được cho dưới dạng bảng. Q22(t) là lưu lượng tổn thất do thấm và bốc hơi phụ thuộc vào thời gian và mực nước hồ. [3] b- Phương pháp giải Phương trình (2.1) là phương trình vi phân thường với điều kiện ban đầu (2.2). Vì hàm Q2 ở vế phải của (2.1) thường là hàm phi tuyến phức tạp. Vì vậy, phương pháp giải số được nhiều người sử dụng cho bài toán (2.1), (2.2) là phương pháp Runge – Kutta bậc 4. Phương pháp Runge –Kutta bậc 4 rất phổ biến và khi tính toán cho các mục đích khác nhau thì phương pháp khá chính xác, ổn định và dễ lập trình. [21] Mô tả phương pháp: Xét phương trình vi phân thường với điều kiện ban đầu sau: dy  f (t , y ) dt t0 ≤ t ≤ T y(t0) = yd Với f là hàm giải tích theo hai biến t và y. Giả thiết rằng tại thời điểm t = tk , ta đã tìm được yk - giá trị xấp xỉ của nghiệm y(tk). Tại t = t0 ta có thể lấy y0 = yd . Cần phải tìm yk+1 - giá trị xấp xỉ của nghiệm y(tk+1) tại thời điểm t = tk + h (h là bước tính của phương pháp). 15 Runge và Kutta đã đề xuất cách tìm yk+1 như sau: yk+1 = yk+ 1 f1+  2 f2+  3 f3+  4 f4 Trong công thức trên  i , i = 1, 2, 3, 4 là hệ số còn fi , i = 1, 2, 3, 4 là hàm số. Các hàm số này được định nghĩa như sau: f1 = hf(tk, yk) f2 = hf(tk+a1h, yk+b1f1) f3 = hf(tk+a2h, yk+b2f1+b3f2) f4 = hf(tk+a3h, yk+b4f1+b5f2+b6f3) Với a i , i = 1, 2, 3 và b i , i = 1, 2, 3, 4, 5, 6 là các tham số của hàm. Các hệ số và tham số trên cần được lựa chọn để yk+1 xấp xỉ nghiệm y(tk+1) một cách tốt nhất. Vì vậy, cần phải giải một hệ phương trình phi tuyến sau: [21] b1 = a1 b2+b 3 = a2 b4+b 5+b6 = a3 1 +  2 +  3 +  4 = 1 1 2 1  2 a1+  3 a2+  4 a3 = 2  2 a1+  3 a2+  4 a3 = 1 3 1  2 a13+  3 a23+  4 a33 = 4  2 a12+  3 a22+  4 a32 =  3 a1b 3+  4 ( a1b5+ a2b6) = 1 6  3 a1 a2b 3+  4 a3 ( a1b5+ a2b 6) =  3 a12b3+  4 ( a12b5+ a22b6) =  4 a1 b3 b6 = 1 8 1 12 1 24 Hệ phương trình phi tuyến trên có 13 ẩn, nhưng chỉ có 11 phương trình. Vì vậy có thể chọn a1=1/2, b2=0 và hệ phương trình trên có nghiệm như sau: 1 1 1 , a3 = 1, b1 = , b3 = , b4 = 0, b5 = 0, b6 = 1, 2 2 2 1 1 1 1 1 = ,  2 = ,  3 = ,  4 = . 6 3 3 6 a2 = 16 Như vậy ta thu được công thức để tính yk+1: yk+1 = yk + h( f 1  2 f 2  2 f 3  f 4 ) 6 Trong công thức tính trên f1 = f(tk, yk) h 2 h 2 h 2 h 2 f2 = f(tk+ , yk+ f1) f3 = f(tk+ , yk+ f2) f4 = f(tk+h, yk+hf3) Sai số tại một bước tính theo công thức trên là: - y(4)(c1) h5 2880 Từ biểu diễn sai số tại một bước tính này, ta suy ra rằng sau M bước tính (tại thời điểm tM = t0 + Mh) sai số giữa giá trị tính toán yM so với nghiệm chính xác y(tM) là: [21] M -  y (4) (c k ) k 1 h5 b  a (4)  y (c)h 4  O(h 4) 2880 5760 Đánh giá sai số này cho phép rút ra kết luận sau: trong trường hợp dung tích hồ chứa V là hàm phụ thuộc vào thời gian t dạng đa thức nhỏ hơn bậc 4 (V = V0 + a1t + a2t2+ a3t3), thì giá trị tính toán yk theo phương pháp Runge - Kutta trùng với giá trị chính xác y(tk) của bài toán (2.1), (2.2). 2.1.2. Chương trình điều hành hồ chứa Chương trình điều hành hồ chứa (chương trình điều tiết) được viết trên Fortran để kiểm tra tính bảo toàn của hồ theo phương trình (2.1), (2.2); phương pháp giải số là phương pháp Runge - Kutta. Để việc tính toán trong mùa cạn được thuận lợi, số liệu đầu vào của chương trình tương đối đơn giản gồm 2 bảng: số liệu mô tả quan hệ mực nước – dung tích hồ và bảng số liệu mô tả lưu lượng vào hồ và lưu lượng ra khỏi hồ theo thời gian. 2.2. Mô hình HEC-ResSim Chương trình được xây dựng để đánh giá vai trò của hồ chứa trong hệ thống nhằm trợ giúp nghiên cứu quy hoạch nguồn nước. Chương trình có hệ thống giao diện đồ hoạ tiện ích, dễ sử dụng và rất thích hợp cho mô phỏng hệ thống điều hành hồ chứa đơn và hệ thống hồ chứa nối tiếp hoặc song song. Mô hình có thể ứng dụng để giải các 17 bài toán điều tiết dòng chảy cho các hệ thống hồ chứa làm nhiệm vụ cấp nước, phát điện, phòng lũ, lợi dụng tổng hợp. 2.2.1. Giới thiệu mô hình HEC-ResSim HEC-ResSim là chương trình tính toán mô phỏng điều hành hệ thống hồ chứa,bao gồm các công cụ: mô phỏng, tính toán, lưu trữ số liệu, quản lý, đồ họa và báo cáo hệ thống nguồn nước. HEC dùng HEC-DSS (Data Storage System) để lưu trữ và sửa đổi các hệ thống số liệu vào ra. ResSim là phần kế tiếp của HEC-5 (mô phỏng các hệ thống ngăn chặn và kiểm soát lũ) bao gồm 3 môđun: thiết lập lưu vực (Watershed setup), mạng lưới hồ (Reservoir Network) và mô phỏng (Simulation), xem hình 2.1 Mỗi 1 môđun có 1 mục đích riêng và tập hợp các công việc thực hiện qua bảng chọn (menu, toolbar) và biểu đồ. Thiết lập lýu vực Mạng lưới sông ngòi Các cấu hình Được sử dụng để tạo ra mạng lưới hồ chứa Các công trình Hồ chứa, Đê, Phân dòng, v.v… Các điểm tính toán Trở thành các Nút trong mạng lưới hồ Mạng lưới hồ chứa Mô phỏng Cửa số thời gian Các phương án lựa chọn Simulation.dss Các Hồ chứa Cống xả Các chế độ vận hành Các đoạn sông Các phân nhánh Các Nút Thay thế từ Base Các phương án Copy mô phỏng của mỗi phương án Mạng lưới hồ Sửa chữa các copy mô phỏng Chế độ vận hành Điều kiện ban đầu và chuối số liệu Ghi vào Base Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát các môđun của mô hình HEC-ResSim + Môđun thiết lập lưu vực (Watershed setup): • Nhiệm vụ: Cung cấp khung chung cho việc thiết lập lưu vực cho các ứng dụng mô hình hoá khác nhau. • Một lưu vực (watershed) có thể bao gồm: – Dòng chảy (stream alignment) – Công trình (projects): hồ chứa, đê … – Trạm đo đạc thuỷ văn (gage locations) – Vùng ảnh hưởng (impact areas) 18 – … • Ngoài ra, Hec ResSim còn cho phép đưa các bản đồ và các đặc tính của bản đồ từ bên ngoài vào. Hình 2.2: Môđun thiết lập lưu vực trong mô hình HEC-ResSim + Môđun mạng lưới hồ (Reservoir Network): xây dựng sơ đồ mạng lưới sông, mô tả các thành phần vật lý, điều hành của hồ chứa và các phương án lựa chọn cần phân tích trong môđun này. Dựa vào các định hình mô tả ở môđun trên để tạo cơ sở cho 1 hệ thống hồ chứa hoàn chỉnh. Các tuyến sông và các mạng lưới hệ thống công trình có thể được đưa thêm vào và hoàn thành các mối liên hệ trong mạng lưới cần ứng dụng. Khi hoàn thành xác định mạng lưới, các số liệu mô tả vật lý hệ thống công trình và phương án điều hành thì các lựa chọn phương án chạy cho bài toán bao gồm: định hình hệ thống, xác định mạng lưới hồ, tập hợp các phương án điều hành, điều kiện ban đầu và số liệu đầu vào của bài toán. • Cho phép tạo mới, mở hay sửa một mạng lưới hồ đã có sẵn dựa trên việc lựa chọn một trong các cấu hình đã định sẵn ở môđun Thiết lập lưu vực. • Nhập mới, hoặc sửa chữa các thông tin liên quan đến mạng lưới hồ chứa, bao gồm: – Thông số của hồ (reservoir): Các đặc trưng về mực nước và dung tích, các tham số của các công trình phụ thuộc.