CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA 1.1 Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu đã được các nhà khoa học, các cơ quan quản lý đầu tư nghiên cứu từ nhiều năm nay. Nguyên tắc chung là tìm quy trình tích, xả nước và sự phối hợp giữa các công trình để đạt được lợi ích kinh tế xã hội cao nhất. Các nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa thường sử dụng một số nguyên tắc và phương pháp chính như sau: 1.1 Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữa các hồ Những quy tắc này giúp quyết định về xả và trữ nước cho mỗi hồ chứa tại mỗi bước thời gian trong quá trình mô phỏng.
Trong thời gian qua, đã đạt được một số quy tắc vận hành theo thời gian thực đối với các hồ chứa nối tiếp và song song, nhưng áp dụng chủ yếu cho các nghiên cứu điều hành theo mùa hoặc dài hạn [61].1 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa bậc thang Phần dung tích phòng lũ của hồ chứa gần điểm kiểm soát lũ nhất thường có khả năng chống lũ cao hơn so với các hồ khác. Do vậy, với hệ thống hồ bậc thang, có lưu lượng bổ sung khu giữa, vùng bảo vệ chống lũ nằm ở hạ du hệ thống, cách điều tiết lũ hợp lý nhất cho mục tiêu kiểm soát lũ hạ du là: khi tích nước (cắt lũ) sẽ tích đầy hồ phía trên trước sau đó đến hồ phía dưới, khi cần dung tích trống để điều tiết cho trận lũ sau thì tiến hành xả hồ phía dưới trước (Hình 1.1: Hệ thống hồ chứa bậc thang Hình 1.2: Hệ thống hồ chứa song song 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trường hợp ngoại lệ có thể xảy ra là khi năng lực xả của hồ phía hạ du quá nhỏ thì có thể không áp dụng quy tắc trên. Khi đó, tốt hơn là tích vào hồ thấp nhất trước, nhằm nâng cao mực nước hồ, từ đó nâng cao năng lực xả của toàn hệ thống xuống hạ du. Điều này sẽ cho phép xả trước nhiều hơn, tăng tổng dung tích dự phòng cho trận lũ sắp đến.
Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa bậc thang là tối đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp nêu trên là tích đầy cho các hồ phía trên trước, khi cần dung tích trống để điều tiết chống lũ thì xả hồ hạ lưu trước [61].2 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa song song Cách tiếp cận trong điều hành kiểm soát lũ đối với hệ thống hồ song song là cân bằng giữa dung tích cắt lũ và lượng dòng chảy lũ đến, ưu tiên dành dung tích chống lũ cho hồ chứa có dự báo lượng lũ đến lớn hơn. Khi cần giảm lượng xả xuống hạ du, thì giảm lượng xả trước tiên ở các hồ còn nhiều dung tích trống hoặc có lượng dòng đến nhỏ nhất. Khi có thể tăng lượng xả xuống hạ du thì xả trước tiên từ các hồ đã tích đầy hơn hoặc có lượng dòng đến lớn hơn. Mặc dù nguyên tắc cân bằng dung tích kiểm soát lũ đã rõ, nhưng việc điều hành để đạt mục tiêu trên lại không dễ.
Mục tiêu kiểm soát lũ là giảm đỉnh lũ ở hạ du bằng cách tích nước lại ở hồ, nhưng các trận lũ đến hồ thường rất nhanh, khó dự báo chính xác và cắt đúng đỉnh lũ. Vì vậy, quy luật vận hành chung cho các hồ chứa song song vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng. Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa song song là tối đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp nêu trên là ưu tiên tích cho các hồ có sản lượng điện lớn hơn [61]. Trên đây nêu những nguyên tắc chung trong vận hành hệ thống hồ chống lũ và phát điện, khi ứng dụng vào điều kiện thực tế Việt Nam và lưu vực sông Ba sẽ có thêm những vấn đề như: khó khăn trong phối hợp vận hành do các hồ chứa trong hệ thống thuộc quyền quản lý của các chủ hồ khác nhau, khả năng dự báo thủy văn trung hạn đặc biệt là cho khu vực miền Trung còn hạn chế.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Phương pháp tối ưu hoá Phương pháp tối ưu hóa được xây dựng nhằm thích ứng với đặc điểm đa chiều, động, phi tuyến và ngẫu nhiên của các hồ hoặc hệ thống hồ chứa, thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành các hồ hoặc hệ thống hồ chứa sử dụng đầu vào là dòng chảy dự báo. Các kỹ thuật tối ưu như quy hoạch tuyến tính (LP), quy hoạch động (DP), quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP), thuật toán tiến hóa (EA). đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vận hành hồ chứa. Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hoá xác định.
Phương pháp này được gọi là “quy hoạch động Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp này dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho đoạn sông yêu cầu. Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định yếu tố chính ảnh hưởng đến quy trình tối ưu. Kết quả thu được là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực.
Karamouz và Houck (1987) đã tìm ra các quy tắc vận hành chung bằng hồi quy và quy hoạch động tất định (DPR). Mô hình DPR kết hợp thủ tục hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được đề xuất bởi Bhaskar và Whilach (1980). Quy tắc điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa cũng được phát triển bằng phương pháp quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP), trong đó yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn thất. Phương pháp tiếp cận này cũng đã được Butcher, Loucks và nhiều người khác sử dụng [18].
Phương pháp và mô hình vận hành tối ưu hồ chứa kiểm soát lũ thời gian thực trên cơ sở kết hợp mô hình quy hoạch phi tuyến và mô hình mô phỏng dòng chảy lũ DWOPER (Dynamic Wave OPERation) đã được áp dụng để nghiên cứu cho hồ chứa Travis ở hạ lưu sông Colorado, Texas [74]. Phương pháp Folded Dynamic Programming (FDP) để phát triển các phương án vận hành hồ chứa tối ưu để kiểm soát lũ, được áp dụng cho nghiên cứu điển hình của hồ chứa Hirakud ở lưu vực Mahanadi, Ấn Độ. Phương pháp đề xuất có thể được mở rộng đến các tình huống lưu vực tương tự [56]. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Một dạng khác là các mô hình tối ưu tư vấn (Prescriptive optimization models).
Các mô hình này cung cấp khả năng mở rộng để lựa chọn một cách có hệ thống các giải pháp tối ưu hoặc nhóm các giải pháp, phù hợp với mục tiêu và các ràng buộc [18]. Một phương pháp cũng được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây để giải quyết bài toán tối ưu hóa vận hành hồ chứa là ứng dụng các thuật toán tiến hóa (Evolutionary Algorithms) như thuật toán di truyền (GA), thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (ACO), thuật toán tối ưu hóa nhóm bầy (PSO). Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện có sử dụng thuật toán tiến hóa như: East và Hall (1994) ứng dụng thuật toán di truyền cho bài toán vận hành hệ thống bốn hồ chứa với mục tiêu là tối đa hóa lợi ích từ phát điện và cấp nước tưới. Fahmy ứng dụng thuật toán di truyền tính vận hành hệ thống hồ chứa và kết quả được so sánh với phương pháp quy hoạch động.
Oliveira và Loucks (1997) đã ứng dụng thuật toán di truyền để chứng mình tính hiệu quả của việc vận hành hệ thống hồ chứa. Sharif và Wardlaw (2000) ứng dụng thuật toán di truyền cho tối ưu hệ thống đa hồ chứa lưu vực sông Bratas ở Indonesia. Juran Ali Ahmed và Arup Kumar Sarma (2005) ứng dụng thuật toán di truyền để vận hành tối ưu của hồ chứa đa mục tiêu trên sông Pagladia. Janga Reddy và D.
Nagesh Kumar (2006) sử dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA) nhằm tìm kiếm tập hợp các lời giải tối ưu cho xác định lượng xả của hồ chứa Hirakud, Ấn Độ, với hàm mục tiêu là sản lượng điện cao nhất, rủi ro lũ và thiếu hụt nước tưới nhỏ nhất, trong đó mục tiêu sản lượng điện được ưu tiên. Jothiprakash và Ganesan Shanthi (2007) sử dụng thuật toán di truyền để xây dựng quy trình vận hành hồ chứa Pechiparai, Ấn độ. Một số trở ngại trong tối ưu hóa hệ thống hồ chứa Theo đánh giá của W. Labadie [62], mặc dù nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu về việc áp dụng mô hình tối ưu cho các hệ thống hồ chứa, các tác giả như Yeh (1985) và Wurbs (1993) đã lưu ý luôn có một khoảng cách giữa lý thuyết và áp dụng thực tế, vì những lý do: (1) người vận hành hệ thống hồ chứa hoài nghi việc mô hình tối ưu có thể thay thế khả năng quyết định của họ, các giải pháp đã xây 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dựng sẵn và cảm thấy thuận tiện hơn trong việc sử dụng các mô hình mô phỏng hiện có; (2) do những hạn chế về phần cứng và phần mềm máy tính trước đây nên đã sử dụng cách tính đơn giản hóa và xấp xỉ mà người vận hành không sẵn sàng chấp nhận; (3) mô hình tối ưu nhìn chung là phức tạp hơn về mặt toán học so với mô hình mô phỏng, và do đó khó lĩnh hội hơn; (4) nhiều mô hình tối ưu hóa không chấp nhận tính rủi ro và bất định; (5) sư đa dạng của các phương pháp tối ưu hóa dễ tạo ra sự nhầm lẫn khi lựa chọn phương pháp phù hợp cho một trường hợp cụ thể; (6) một số phương pháp tối ưu hóa, ví dụ như quy hoạch động, thường yêu cầu xây dựng chương trình riêng cho từng trường hợp cụ thể; và (7) nhiều phương pháp tối ưu hóa chỉ có thể tạo ra các giải pháp tối ưu theo thời đoạn mà không đưa ra được quy tắc vận hành phù hợp và linh động.
Nhiều trở ngại trong tối ưu hóa quản lý hệ thống hồ chứa hiện đang được khắc phục thông qua các hệ thống hỗ trợ ra quyết định và tiến bộ đáng kể của phần cứng và phần mềm máy tính.