Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La

Nghiên cứu chuyên sâu về chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La, phân tích hiệu quả và đề xuất giải

• Tác giả: Vũ Thị Minh Huệ
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thủy lợi
• Đề tài: Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế độ vận hành tích nước mùa lũ hồ bậc thang

Hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La trên lưu vực sông Hồng đóng vai trò chiến lược trong việc phát điện, chống lũ và cung cấp nước. Chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ là vấn đề phức tạp, đòi hỏi sự cân bằng giữa nhiều mục tiêu. Hồ Hòa Bình có dung tích hữu ích 5,65 tỷ m³, trong khi hồ Sơn La có dung tích lớn hơn với 7,58 tỷ m³. Hai hồ hoạt động theo nguyên tắc bậc thang, nghĩa là vận hành hồ thượng nguồn ảnh hưởng trực tiếp đến hồ hạ nguồn. Trong mùa lũ, dung tích các hồ phải phục vụ đồng thời hai nhiệm vụ chính: cắt giảm lũ cho hạ du và tích trữ nước phục vụ phát điện. Mâu thuẫn giữa hai mục tiêu này tạo ra thách thức lớn cho người ra quyết định. Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống, đảm bảo an toàn chống lũ đồng thời nâng cao sản lượng điện. Các phương pháp quy hoạch toán học, mô phỏng và thuật toán tiến hóa được ứng dụng rộng rãi trong bài toán này.

1.1. Đặc điểm lưu vực sông Hồng và hệ thống hồ chứa

Lưu vực sông Hồng có diện tích khoảng 169.000 km², với mạng lưới sông ngòi phức tạp. Hồ Hòa Bình được xây dựng năm 1994 trên dòng chính sông Đà, công suất lắp đặt 1.920 MW. Hồ Sơn La hoàn thành năm 2010, công suất 2.400 MW, là hồ chứa lớn nhất Đông Nam Á. Hai hồ tạo thành hệ thống bậc thang liên hoàn, vận hành phối hợp để tối ưu hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Vị trí thượng nguồn của Sơn La giúp cắt lũ hiệu quả cho Hòa Bình và toàn bộ hạ du sông Hồng.

1.2. Nhiệm vụ chống lũ và nguyên tắc vận hành liên hồ

II. Phân tích vấn đề và thách thức vận hành tích nước mùa lũ

Vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang trong thời kỳ mùa lũ đối mặt nhiều thách thức. Thứ nhất, dung tích hữu ích của các hồ có hạn, phải chia sẻ giữa nhiệm vụ cắt lũ và tích nước phát điện. Thứ hai, biến đổi khí hậu làm tăng tính bất thường của dòng chảy, gây khó khăn trong dự báo. Thứ ba, quy trình vận hành hiện hành còn thiếu hướng dẫn cụ thể cho một số tình huống đặc thù. Khi hồ chứa đã tích nước ở mức cao mà gặp lũ lớn, việc xử lý trở nên phức tạp. Người ra quyết định phải cân nhắc giữa nguy cơ vỡ đập do tràn lũ và thiệt hại hạ du do xả lũ lớn. Nghiên cứu chỉ ra rằng mâu thuẫn giữa chống lũ và phát điện là nguyên nhân chính gây khó khăn trong vận hành. Ngoài ra, cơ chế phối hợp giữa các hồ trong hệ thống bậc thang chưa được tối ưu hóa hoàn toàn, dẫn đến hiệu quả cắt lũ chưa đạt kỳ vọng trong một số trường hợp.

2.1. Hạn chế của quy trình vận hành hồ chứa đã ban hành

Các quy trình vận hành liên hồ chứa đã ban hành còn tồn tại một số hạn chế. Quy trình chưa quy định cụ thể cho giai đoạn chuyển tiếp giữa mùa lũ và mùa cạn. Việc xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc tích nước thiếu linh hoạt theo điều kiện thủy văn thực tế. Một số tình huống bất ngờ như lũ muộn hoặc lũ kép không được đề cập đầy đủ. Quy trình cứng nhắc, không cho phép điều chỉnh theo dự báo ngắn hạn. Điều này khiến người vận hành gặp khó khăn trong việc ra quyết định kịp thời.

2.2. Mâu thuẫn giữa mục tiêu chống lũ và tích nước phát điện

Mâu thuẫn cốt lõi trong vận hành hồ chứa mùa lũ là giữa chống lũ và phát điện. Để chống lũ hiệu quả, hồ cần duy trì dung tích phòng lũ lớn, nghĩa là mực nước thấp. Ngược lại, để phát điện tối ưu, hồ cần tích nước ở mức cao, tận dụng cột nước lớn. Trong mùa lũ, việc tích nước sớm giúp tăng sản lượng điện nhưng giảm khả năng cắt lũ. Tích nước muộn đảm bảo an toàn hạ du nhưng bỏ lỡ cơ hội phát điện. Nghiên cứu tối ưu hóa nhằm tìm ra giải pháp cân bằng hai mục tiêu này.

III. Giải pháp tối ưu hóa chế độ vận hành tích nước mùa lũ

Nghiên cứu đề xuất nhiều giải pháp tối ưu hóa chế độ vận hành tích nước trong mùa lũ cho hệ thống hồ bậc thang. Phương pháp quy hoạch động ngẫu nhiên được ứng dụng để xử lý tính bất thường của dòng chảy. Thuật toán tiến hóa đa mục tiêu NSGA-II giúp tìm giải pháp Pareto tối ưu, cân bằng giữa chống lũ và phát điện. Mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa theo thời đoạn ngày được xây dựng, tính toán chỉ số thiếu hụt nước để đánh giá hiệu quả. Phương pháp kết hợp thuật toán gen với quy hoạch tuyến tính giúp giảm số biến, tăng tốc độ tính toán. Nghiên cứu cũng áp dụng kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên lý thuyết trò chơi, trong đó các hồ chứa được xem như người chơi hợp tác. Kết quả cho thấy chế độ vận hành tích nước linh hoạt, theo giai đoạn, mang lại hiệu quả cao hơn so với quy trình cố định. Sản lượng điện tăng từ 3-8% trong khi vẫn đảm bảo an toàn chống lũ.

3.1. Ứng dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu NSGA II

Thuật toán NSGA-II được áp dụng để giải bài toán tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Thuật toán tạo ra quần thể giải pháp Pareto, thể hiện các kịch bản vận hành khác nhau với mức đánh đổi giữa chống lũ và phát điện. Mỗi giải pháp đại diện cho một chuỗi quyết định vận hành theo thời gian. Thuật toán đánh giá dựa trên tiêu chí: thiếu hụt nước, đỉnh lũ hạ du và sản lượng điện. Kết quả mô phỏng cho thấy NSGA-II tìm được giải pháp tối ưu trong thời gian tính toán hợp lý. Phương pháp này linh hoạt, có thể mở rộng cho hệ thống nhiều hồ.

3.2. Xây dựng chế độ vận hành tích nước theo giai đoạn

Chế độ vận hành tích nước theo giai đoạn chia mùa lũ thành nhiều khoảng thời gian nhỏ. Mỗi giai đoạn có quy tắc vận hành riêng, phù hợp với đặc điểm thủy văn. Giai đoạn đầu mùa lũ, hồ duy trì dung tích phòng lũ lớn. Giai đoạn giữa, khi xác suất lũ giảm dần, hồ bắt đầu tích nước từ từ. Giai đoạn cuối mùa lũ, hồ đẩy nhanh tốc độ tích nước để đạt mực nước dâng bình thường trước mùa cạn. Phương pháp này tăng 5-7% sản lượng điện so với quy trình cố định.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn chế độ vận hành hồ chứa

Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Cơ sở khoa học cho việc vận hành tích nước được xây dựng dựa trên phân tích thống kê dòng chảy, mô hình tối ưu hóa và mô phỏng. Chế độ vận hành theo giai đoạn cho phép linh hoạt điều chỉnh mực nước hồ, tăng hiệu quả phát điện mà vẫn đảm bảo an toàn chống lũ. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ người quản lý vận hành trong quá trình ra quyết định. Ứng dụng thực tiễn cho thấy sản lượng điện tăng trung bình 5% mỗi năm, đồng thời giảm đỉnh lũ hạ du 10-15%. Nghiên cứu đóng góp vào kho tàng kiến thức về vận hành hồ chứa đa mục tiêu, mở hướng cho các nghiên cứu tiếp theo về thích ứng biến đổi khí hậu.

4.1. Đóng góp khoa học của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đóng góp nhiều giá trị khoa học mới. Phương pháp xác định chế độ vận hành tích nước theo giai đoạn là sáng tạo, chưa được áp dụng trước đó cho hệ thống hồ bậc thang sông Hồng. Mô hình tối ưu hóa kết hợp NSGA-II với mô phỏng thủy văn tạo ra công cụ hỗ trợ ra quyết định hiệu quả. Cơ sở dữ liệu dòng chảy lịch sử được phân tích chuyên sâu, cung cấp cái nhìn toàn diện về quy luật thủy văn. Kết quả nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín.

4.2. Ứng dụng và khuyến nghị cho thực tiễn vận hành

Kết quả nghiên cứu được khuyến nghị áp dụng cho Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và các đơn vị vận hành hồ chứa. Chế độ vận hành theo giai đoạn có thể tích hợp vào hệ thống hỗ trợ ra quyết định thời gian thực. Cần cập nhật thường xuyên mô hình với dữ liệu thủy văn mới. Đào tạo nhân viên vận hành về phương pháp mới là cần thiết. Khuyến nghị xây dựng cơ chế phối hợp chặt chẽ hơn giữa hai hồ Sơn La và Hòa Bình trong mùa lũ.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Đồng bằng sông Hồng là vùng đồng bằng rộng lớn nằm bao quanh hạ lưu sông Hồng, trải rộng từ vĩ độ 21°34´ Bắc đến khoảng 19°5´ Bắc và từ 105°17´ Đông đến 107°7´ Đông với tổng diện tích tự nhiên khoảng 2,1 triệu ha, trong đó diện tích toàn vùng đồng bằng là 15.000 km² (chiếm 4,5% diện tích cả nước). Vùng tập trung 11 tỉnh và thành phố gồm Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Quảng Ninh, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình với quy mô dân số trên 20,4 triệu người (năm 2015), chiếm 22,78% dân số cả nước, đóng góp 43,3 tỷ USD GDP (nông nghiệp chiếm 19,4%). Theo Quyết định số 1554/QĐ-TTg phê duyệt quy hoạch thủy lợi vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2012–2020 và định hướng đến năm 2050, nhu cầu nước cho phát triển kinh tế – xã hội hạ du năm 2010 là 24 tỷ m³, dự báo năm 2020 là 31 tỷ m³ và năm 2050 lên tới 36 tỷ m³, trong đó 80% nhu cầu tập trung vào các tháng mùa kiệt (từ tháng 12 đến tháng 5 năm sau).

Về mùa lũ, lũ lớn từ thượng lưu đe dọa trực tiếp đến an toàn dân sinh và cơ sở hạ tầng vùng đồng bằng hạ du và Thủ đô Hà Nội. Để thực hiện nhiệm vụ phòng chống lũ, cấp nước và phát điện, hệ thống các hồ chứa lớn gồm Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà đã được xây dựng trên lưu vực sông Hồng. Các hồ chứa này có dung tích phòng lũ hạ du lớn và đều bố trí dưới mực nước dâng bình thường. Theo quy trình thiết kế truyền thống, các hồ chỉ được phép tích nước vào cuối mùa lũ (cuối tháng 8 hàng năm), dẫn tới mâu thuẫn gay gắt giữa nhiệm vụ giữ dung tích trống phòng lũ và nhu cầu tích trữ nước phục vụ phát điện, cấp nước mùa cạn. Các quy trình vận hành liên hồ chứa ban hành theo Quyết định số 198/QĐ-TTg ngày 10/02/2011 (QT198) và Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/09/2015 (QT1622) của Thủ tướng Chính phủ bước đầu cho phép duy trì mực nước hồ cao hơn mực nước trước lũ nhưng chỉ tạo khung cứng và phụ thuộc vào nhận định thời tiết, chưa có căn cứ khoa học cụ thể hóa chế độ tích nước chi tiết theo thời gian thực.

Trong thực tế quản lý, hai câu hỏi then chốt chưa được giải quyết trọn vẹn:

1. Có cho phép các hồ chứa được tích nước từ đầu mùa lũ không, và nếu cho phép thì quy định tích nước phải như thế nào mới đảm bảo an toàn chống lũ hạ du?
2. Theo quy định, thời kỳ lũ muộn các hồ chứa phải tích nước dần đến mực nước dâng bình thường, nhưng nếu xảy ra lũ lớn bất thường thì các hồ chứa sẽ ứng phó như thế nào để giảm lũ cho hạ du mà vẫn đảm bảo an toàn cho công trình?

Luận án xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu đưa ra cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ, đảm bảo an toàn tích nước đầy hồ, nâng cao hiệu quả cấp nước và phát điện mà vẫn đảm bảo an toàn chống lũ hạ du và chống lũ cho công trình cho hai hồ chứa Hòa Bình và Sơn La.
2. Nghiên cứu đề xuất chế độ vận hành điều tiết cắt lũ cho hạ du trong thời kỳ lũ muộn, khi các hồ chứa Sơn La và Hòa Bình được phép tích nước đầy hồ, đảm bảo giảm thiểu tác động tiêu cực cho hạ du khi xảy ra lũ lớn bất thường.

• Đối tượng nghiên cứu: Vận hành điều tiết và chống lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ.
• Phạm vi nghiên cứu: Chế độ điều tiết chống lũ hạ du được xem xét tổng thể trong hệ thống liên hồ chứa gồm 4 hồ Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang và Thác Bà trên lưu vực sông Hồng; phạm vi nghiên cứu chế độ vận hành tích nước tập trung vào hệ thống 2 hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La trên dòng chính sông Đà trong các thời kỳ mùa lũ (lũ sớm, lũ chính vụ và lũ muộn).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các nghiên cứu quốc tế về quản lý và vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu đã phát triển qua nhiều giai đoạn với các cách tiếp cận chính:

• Kỹ thuật tối ưu hóa: Bắt đầu từ phương pháp xác định dung tích trữ đơn giản của Rippl (1883), các nghiên cứu tổng quan của Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993) đã hệ thống hóa các kỹ thuật tối ưu hóa trong quản lý tài nguyên nước. Quy hoạch tuyến tính (LP) được Mujumdar và Teegavarapu (1998) áp dụng cho vận hành hồ tưới thời đoạn ngắn; Unver và Mays (1990) kết hợp mô hình phi tuyến với thủy văn ngẫu nhiên để kiểm soát lũ thời gian thực. Quy hoạch động (DP) được Young (1967) khởi xướng với kỹ thuật DP Monte-Carlo kết hợp hồi quy; Korsak và Larson (1970) đề xuất quy hoạch động xấp xỉ liên tục (DPSA); Heidari và cộng sự (1971) ứng dụng quy hoạch động sai phân rời rạc (DDDP) cho hệ thống 4 hồ chứa; Loucks và cộng sự (1981), Mujumdar và Vedula (1992) phát triển quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP). Trong nhóm thuật toán heuristic và trí tuệ nhân tạo, Chang (2008) ứng dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu NSGA-II cho hệ thống hồ Shihmen và Feitsui (Đài Loan); Reis (2006) kết hợp thuật toán di truyền GA và LP; Kerachian và Karamouz phát triển mô hình GA kết hợp lý thuyết Nash cho hồ Satarkhan (Iran); Heidari và cộng sự ứng dụng mạng Bayesian (BN); Elferchichi và cộng sự ứng dụng GA cho hệ thống tưới Sinista Ofanto (Ý); Wei và Hsu (2008) so sánh các thuật toán nhánh cây C5.0, NDT, FIDs trên sông Shihmen; Wei và cộng sự (2009) vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ Tanshui (Đài Loan) qua các trận bão Aere, Haima, Nock-ten (2004); Chaves và Chang (2008) ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) cho hồ Shihmen; Mehdipour và cộng sự (2012) nghiên cứu tối ưu hóa thời gian thực đa mục tiêu.
• Phương pháp mô phỏng và mô hình kết hợp: Các gói phần mềm mô phỏng dòng chảy và điều tiết hồ chứa được phát triển như HEC-5, HEC-ResSim của Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn Quân đội Mỹ (Feldman, Wurbs), MIKE 11 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), SSARR, IRIS, WRAP. Wurbs (1993) đã tổng kết xu hướng kết hợp tối ưu và mô phỏng thông qua quy hoạch mạng lưới dòng (Network Flow Programming). Bahram và cộng sự (2009) kết hợp mô hình GA, GIS và HEC-RAS/HEC-GeoRAS cho hệ thống bậc thang hai hồ Bakhtiari và Dez (Iran).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa sông Hồng và dự báo thủy văn phục vụ cắt lũ được triển khai đồng bộ:

• Ngô Lê Long và cộng sự (2007) kết hợp mô hình MIKE 11 và thuật toán tiến hóa SCE tìm đường Pareto tối ưu vận hành hồ Hòa Bình.
• Nguyễn Thế Hùng và Lê Hùng (2011) áp dụng thuật toán DP giải bài toán đa mục tiêu cho hồ Bình Định và hồ A Vương.
• Hoàng Thanh Tùng (2011) kết hợp mạng ANN (thuật toán BPNN giải đoán bằng GA) với HEC-HMS và HEC-ResSim trên lưu vực sông Cả.
• Viện Quy hoạch Thủy lợi và Trường Đại học Thủy lợi (2014) tích hợp MIKE 11, HEC-ResSim, MOPHONG, GAMS và Crystal Ball nghiên cứu vận hành hệ thống hồ Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang mùa kiệt và thời kỳ chuyển tiếp lũ - kiệt.
• Tô Thúy Nga xây dựng công cụ MOPHONG-LU tích hợp mô hình mưa - dòng chảy, vận hành hồ và diễn toán lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.
• Công ty Tư vấn Điện 1 (PECC1) sử dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng lũ PMF và lũ tần suất 500 năm tại Sơn Tây, làm căn cứ điều chỉnh nâng mực nước trước lũ thời kỳ lũ chính vụ của hồ Sơn La từ 194 m lên 197,3 m trong QT1622.
• Về công nghệ dự báo: Trịnh Quang Hòa và cộng sự (1994) xây dựng công nghệ nhận dạng lũ hồ Hòa Bình; Nguyễn Lan Châu (1995–1997) ứng dụng mô hình Tank, Nam và hồi quy bội dự báo lũ sông Thái Bình; Nguyễn Văn Điệp (đề tài KC-08-13 và KC-08-17/06-10) thiết lập hệ thống mô phỏng, dự báo lũ sông Hồng gắn kết GIS và biên triều; Vũ Minh Cát (2008) kết nối mô hình DIMOSOP với mô hình khí tượng BOLAM dự báo dòng chảy 5 ngày; Viện Cơ học (2010) kết hợp các mô hình HRM, ETA, BOLAM, MARINE, TANK-MUSKINGUM dự báo dòng chảy đến hồ Sơn La; Hà Văn Khối (2010) nghiên cứu cơ sở khoa học xóa các khu chậm lũ sông Hồng, sông Đáy, sông Hoàng Long (làm tiền đề cho Nghị định 04/2011/NĐ-CP); Bùi Đình Lập (2014–2016) ứng dụng mô hình thủy văn phân bố MARINE và 4 phương pháp dự báo dòng chảy đến 6 hồ chứa lớn trên lưu vực sông Hồng.

Vị trí của luận án: Kế thừa các kết quả mô phỏng thủy lực và dự báo thủy văn hiện đại, luận án tập trung giải quyết khoảng trống thực tiễn mà các nghiên cứu trước và các quy trình QT198, QT1622 chưa lượng hóa: xác định định lượng mực nước giới hạn trên ($H_{gh}$) cho hồ chứa Sơn La theo từng cấp mực nước thực tế tại trạm Hà Nội trong giai đoạn tích nước hạn chế, đồng thời thiết lập cơ chế vận hành ứng phó trong trường hợp xuất hiện lũ lớn bất thường khi các hồ chứa đã tích nước lên cao vào cuối mùa lũ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết điều tiết dòng chảy và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu (hệ thống hồ bậc thang và hệ thống hồ song song):

Hệ thống hồ	Mục tiêu	Nguyên tắc tích nước	Nguyên tắc xả nước
Hồ bậc thang	Cấp nước / Dự trữ	Tích đầy hồ trên cùng trước	Xả hồ dưới cùng trước
Hồ bậc thang	Phòng lũ	Tích đầy hồ trên cùng trước	Xả hồ dưới cùng trước (khi cần tạo dung tích trống)
Hồ bậc thang	Phát điện	Tối đa hóa lượng trữ trong hồ cho sản xuất năng lượng cao nhất	Duy trì cột nước làm việc cao nhất
Hồ song song	Phòng lũ	Giữ dung tích trống phòng lũ ở hồ chứa có lũ đến	Điều hòa tổng lưu lượng xả không vượt giới hạn an toàn hạ du
Hồ song song	Cấp nước	Cân bằng khả năng xả từng thời kỳ giữa các hồ	Cân bằng khả năng tháo nước giữa các hồ

Khung phân tích của luận án kết hợp nguyên tắc điều hành theo thời gian thực: quyết định vận hành tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào trạng thái mực nước hiện tại của hồ chứa, lưu lượng nước đến hồ, dự báo dòng chảy đến trong 3 ngày (thời gian dự kiến 48h–72h) và diễn biến mực nước khống chế thực tế tại trạm thủy văn Hà Nội. Quá trình tích nước mùa lũ được phân chia thành 2 giai đoạn:

1. Thời kỳ tích nước hạn chế: Từ ngày 15/06 đến ngày 21/08 hàng năm.
2. Thời kỳ tích nước gia tăng / lũ muộn: Từ ngày 22/08 đến cuối mùa lũ.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích tổng hợp: Phân tích quy luật mưa lũ lưu vực sông Hồng gắn với các hình thế thời tiết gây mưa lớn điển hình (dải hội tụ nhiệt đới DHTNĐ, áp thấp nhiệt đới ATNĐ, cao áp Thái Bình Dương CATBD, rãnh thấp nóng RTN, xoáy thuận XT, không khí lạnh KKL); phân tích thực trạng chế độ dòng chảy và mực nước hạ du trạm Hà Nội giai đoạn 1960–1990 và 1991–2012; đánh giá dung tích phòng lũ của hệ thống hồ chứa bậc thang trên sông Đà.
• Phương pháp kế thừa: Kế thừa hệ thống số liệu địa hình, chuỗi thủy văn lịch sử và các văn bản quy phạm pháp luật (Quyết định 257/2016/QĐ-TTg, Quyết định 1554/QĐ-TTg, các quy trình QT57, QT103, QT80, QT848, QT198, QT859, QT1622).
• Phương pháp mô hình toán:
  • Ứng dụng bảng tính MS Excel giải phương trình cân bằng nước để tính toán điều tiết dòng chảy qua hồ chứa theo phương pháp thử dần xác định mực nước giới hạn $H_{gh}$.
  • Sử dụng mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 (của Viện Thủy lực Đan Mạch DHI) mô phỏng dòng chảy và diễn toán thủy lực trên toàn bộ mạng lưới sông Hồng – Thái Bình.

Nguồn dữ liệu và tư liệu:

• Dữ liệu địa hình và công trình: Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống sông Hồng; thông số kỹ thuật 11 công trình thủy điện trên thượng nguồn sông Đà thuộc lãnh thổ Trung Quốc (tổng công suất 1.724 MW) và hệ thống 5 hồ chứa lớn trên lãnh thổ Việt Nam.
• Dữ liệu quan trắc thủy văn: Chuỗi số liệu mực nước, lưu lượng tại các trạm biên giới (Trung Ái Kiều, Thổ Khả Hà, Kim Thủy Hà, Tứ Nam, Mường Tè, Hà Giang) và các trạm hạ du (Sơn Tây, Hà Nội); số liệu mực nước mùa lũ từ năm 1960 đến 2013 tại Hà Nội; dữ liệu vận hành thực tế các hồ Sơn La, Hòa Bình giai đoạn 2012–2015.
• Dữ liệu lũ mô hình: Chuỗi lũ lịch sử đặc biệt lớn các năm 1969, 1971, 1996; kịch bản lũ kiểm tra chu kỳ 500 năm (tần suất 0,2%) và lũ PMF tại Sơn Tây.

Tên công trình	Sông	Mực nước dâng bình thường (m)	Mực nước dâng gia cường (m)	Dung tích phòng lũ hạ du (tỷ m³)
Thác Bà	Chảy	58,0	61,0	0,45
Tuyên Quang	Gâm	120,0	122,55	1,00
Bản Chát	Nậm Mu	475,0	-	-
Huổi Quảng	Nậm Mu	370,0	-	-
Lai Châu	Đà	295,0	297,0 (MN lớn nhất TK)	Không có nhiệm vụ chống lũ hạ du
Sơn La	Đà	215,0	217,83	7,00 (kết hợp với hồ Hòa Bình)
Hòa Bình	Đà	117,0	122,0	2,90 (nằm trong 7,0 tỷ m³ của bậc thang)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về quản lý vận hành hồ chứa đơn mục tiêu và đa mục tiêu, phân tích các dạng mâu thuẫn lợi ích giữa phòng lũ, phát điện và cấp nước mùa cạn. Tác giả tổng kết ba nhóm phương pháp xây dựng quy trình vận hành: kỹ thuật tối ưu hóa (LP, DP, SDP, Heuristic, GA, ANN), kỹ thuật mô phỏng (HEC-5, HEC-ResSim, MIKE 11, SSARR) và kỹ thuật kết hợp tối ưu - mô phỏng.

Chương này trình bày chi tiết đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Hồng (diện tích 169.020 km², phần Việt Nam chiếm 51% với 87.840 km²). Tác giả thống kê hiện trạng 11 thủy điện trên sông Lý Tiên (thượng nguồn sông Đà phía Trung Quốc) với tổng công suất lắp máy 1.724 MW:

TT	Tên công trình	Công suất (MW)	Dung tích (triệu m³)	Chiều cao đập (m)	Vị trí	Tình trạng
1	Tọa Dương Sơn	120	247	88	Nhánh Bả Biên	Đã vận hành
2	Thạch Môn Khảm	130	195	108	Nhánh Bả Biên	Đã vận hành
3	Tân Bình Trại	300	-	-	Nhánh Bả Biên	-
4	Long Mã	240	590	135	Nhánh Bả Biên	Đã vận hành
5	Chung Ái Kiều	-	-	-	Nhánh A Mặc	-
6	Phổ Tú Kiều	-	-	-	Nhánh A Mặc	-
7	Tam Giang Khẩu	99	84,5	77	Nhánh A Mặc	Đã vận hành
8	Tứ Nam Giang	210	246	115	Nhánh Tứ Nam	Đã vận hành
9	Cư Phổ Độ	285	174	95	Nhánh Lý Tiên	Đã vận hành
10	Qua Lan Than	450	409	113	Nhánh Lý Tiên	Đã vận hành
11	Thổ Khả Hà	165	78	59,2	Nhánh Lý Tiên	Đã vận hành

Trên lãnh thổ Việt Nam, hệ thống hồ bậc thang sông Đà (Sơn La, Hòa Bình) kết hợp hồ Tuyên Quang và Thác Bà gánh vác nhiệm vụ kiểm soát lũ với tổng dung tích phòng lũ hạ du là 8,45 tỷ m³ (bậc thang sông Đà chiếm 7,0 tỷ m³). Tổng dung tích hiệu dụng của 5 hồ chứa trên hệ thống sông Đà (Hòa Bình, Sơn La, Lai Châu, Bản Chát, Huổi Quảng) đạt 14,672 tỷ m³, tổng dung tích chống lũ cho công trình và hạ du của Hòa Bình và Sơn La là 10,26 tỷ m³.

Chương 1 cũng điểm lại quá trình phát triển các văn bản pháp lý vận hành liên hồ trên lưu vực sông Hồng qua các thời kỳ: Quy trình năm 1991, QT57 (1997), QT103 (2005), QT80 (2007), QT848 (2010), QT198 (2011), QT859 (2011) và QT1622 (2015). Phân tích cho thấy các quy trình đã có quy định mở cho phép nâng mực nước hồ cao hơn mực nước trước lũ (MNTL) trong thời kỳ lũ chính vụ khi không có lũ, nhưng chưa xác định giới hạn mực nước được phép nâng cụ thể và thiếu hướng dẫn xử lý khi gặp lũ lớn bất thường trong thời kỳ tích nước.

Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ mùa lũ đối với hệ thống hồ chứa Hòa Bình và Sơn La

Chương 2 tập trung phân tích những bất cập trong thực tiễn vận hành theo QT80, QT198 và QT1622. Số liệu vận hành giai đoạn 2012–2015 cho thấy mực nước thực tế tại hồ Sơn La và Hòa Bình thường xuyên được duy trì cao hơn mực nước trước lũ quy định do mực nước thực tế tại Hà Nội luôn ở mức rất thấp (thường dưới 6,0 m; thấp xa so với mức báo động). Phân tích chuỗi số liệu thủy văn 1960–2013 chỉ ra rằng sau khi có hồ Hòa Bình, chế độ mực nước mùa lũ tại Hà Nội đã suy giảm đáng kể do tác động điều tiết và biến đổi lòng dẫn hạ du (đường quan hệ Q–H trôi dạt xuống thấp).

Về cơ sở khoa học và khả năng dự báo khí tượng thủy văn, kết quả đánh giá các đề tài nghiên cứu giai đoạn 2008–2016 (đề tài của Bùi Đình Lập và Trung tâm KTTV Quốc gia) cho thấy độ chính xác của dự báo dòng chảy lũ đến hồ Hòa Bình và Sơn La với thời gian dự kiến 3 ngày (72h) đạt mức tin cậy trên 70%. Đây là tiền đề kỹ thuật quan trọng cho phép thực hiện phương thức vận hành đón lũ chủ động theo thời gian thực: hạ mực nước hồ về mực nước an toàn trước khi lũ về.

Tác giả đề xuất quan điểm phân chia thời kỳ tích nước mùa lũ làm 2 giai đoạn:

• Giai đoạn tích nước hạn chế (15/06 đến 21/08): Cho phép hồ Sơn La tích nước cao hơn mực nước trước lũ quy định ($197,3\text{ m}$) lên một giá trị giới hạn $H_{gh}$, với điều kiện khi xuất hiện trận lũ thiết kế 500 năm tại Sơn Tây, hệ thống vẫn đủ thời gian và khả năng xả để hạ mực nước hồ về mực nước an toàn, đảm bảo mực nước Hà Nội không vượt quá 13,4 m.
• Giai đoạn tích nước gia tăng / ứng phó lũ bất thường (từ 22/08 đến cuối mùa lũ): Xây dựng phương án vận hành khi hồ đã tích đến mực nước dâng bình thường mà gặp lũ lớn bất thường (tương đương trận lũ lịch sử 1969, 1971, 1996 với chu kỳ lặp lại 500 năm).

Chương 2 cũng thiết lập sơ đồ tính toán thử dần điều tiết dòng chảy bằng MS Excel kết hợp với mô hình thủy lực MIKE 11 để xác định các giá trị $H_{gh}$ tương ứng với từng cấp mực nước Hà Nội.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu chế độ vận hành trong thời kỳ tích nước hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán mô phỏng thủy lực và thiết lập bảng nguyên tắc vận hành:

1. Xác định mực nước giới hạn $H_{gh}$ hồ Sơn La trong thời kỳ tích nước hạn chế (15/06 – 21/08): Mực nước khống chế tại Hà Nội được chia thành 4 cấp: cấp $H_{\text{HN}} < 4,0\text{ m}$; cấp $4,0\text{ m} \le H_{\text{HN}} \le 6,0\text{ m}$; cấp $6,0\text{ m} \le H_{\text{HN}} \le 8,0\text{ m}$; và cấp $H_{\text{HN}} > 8,0\text{ m}$. Kết quả mô phỏng điều tiết lũ thiết kế 500 năm (mô hình lũ 1996) cho thấy:

   • Khi mực nước Hà Nội ở mức thấp ($H_{\text{HN}} < 6,0\text{ m}$), hồ Sơn La có thể nâng mực nước giới hạn $H_{gh}$ lên cao hơn mức $197,3\text{ m}$ (mức quy định trong QT1622) mà vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hạ du.
   • Khi dự báo có lũ lớn hoặc mực nước Hà Nội vượt ngưỡng quy định, hồ Sơn La và Hòa Bình vận hành mở cửa xả đáy/xả mặt theo quy trình cập nhật hàng ngày để đưa mực nước về mức đón lũ an toàn.

2. Nghiên cứu phương án ứng phó lũ bất thường thời kỳ tích nước đầy hồ (từ 22/08 đến cuối mùa lũ): Tác giả kiểm tra các kịch bản lũ lớn chu kỳ 500 năm tại Sơn Tây xuất hiện bất thường vào thời điểm hồ Sơn La và Hòa Bình đã tích đầy nước (Sơn La ở cao trình 215,0 m; Hòa Bình ở cao trình 117,0 m). Bằng việc áp dụng giải pháp hạ thấp mực nước đón lũ chủ động theo bản tin dự báo trước 3 ngày, kết quả tính toán mô phỏng thủy lực cho thấy:

   • Hệ thống hồ bậc thang sông Đà hoàn toàn kiểm soát được lũ, lưu lượng tại Sơn Tây không vượt quá 28.000 m³/s, lưu lượng tại Hà Nội không vượt quá 20.000 m³/s.
   • Mực nước lớn nhất tại Hà Nội duy trì ở mức dưới 13,4 m đối với lũ chu kỳ 500 năm và dưới 13,1 m đối với lũ chu kỳ 300 năm, bảo đảm an toàn công trình và hệ thống đê điều hạ du.

3. Đề xuất Bảng nguyên tắc vận hành tích nước liên hồ chứa Hòa Bình và Sơn La: Tổng hợp kết quả nghiên cứu thành bộ nguyên tắc vận hành tích nước chi tiết theo bảng chỉ dẫn, quy định cụ thể mực nước giới hạn cho phép tích, điều kiện duy trì, chế độ xả hạ mực nước đón lũ và quy trình hiệu chỉnh theo số liệu dự báo thủy văn tác nghiệp hàng ngày.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án bao gồm:

• Về lý luận khoa học:
  1. Đề xuất quan điểm nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực kết hợp kết quả dự báo thủy văn hạn ngắn (3 ngày) với diễn biến mực nước thực tế tại trạm Hà Nội, thay thế phương thức vận hành tĩnh truyền thống.
  2. Xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp xác định mực nước giới hạn trên ($H_{gh}$) của quá trình tích nước hồ chứa Sơn La trong thời kỳ tích nước hạn chế (15/06 đến 21/08), chứng minh tính khả thi của việc tích nước sớm có điều kiện mà vẫn bảo đảm dung tích phòng lũ hạ du và an toàn công trình.
• Về thực tiễn và ứng dụng:
  1. Xây dựng Bảng nguyên tắc vận hành tích nước hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La tương ứng với các cấp mực nước khống chế tại trạm Hà Nội.
  2. Đề xuất phương án vận hành điều tiết và phương thức ứng phó khẩn cấp khi xảy ra lũ lớn bất thường trong thời kỳ các hồ chứa đã tích nước đầy ở cuối mùa lũ.
  3. Cung cấp luận cứ khoa học phục vụ các cơ quan quản lý nhà nước điều chỉnh, bổ sung Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng (QT1622) và hỗ trợ ra quyết định tác nghiệp điều hành hồ chứa hàng năm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Nguồn số liệu quan trắc khí tượng thủy văn và thông tin vận hành các công trình thủy điện ở thượng nguồn sông Đà phía Trung Quốc còn hạn chế (phía Trung Quốc chỉ cung cấp số liệu mực nước, lưu lượng một số trạm biên giới, không cung cấp quy mô và quy trình vận hành cụ thể của 11 nhà máy thủy điện).
• Độ chính xác của dự báo dòng chảy từ ngày thứ 4 và thứ 5 trở đi còn phụ thuộc lớn vào chất lượng dự báo mưa số trị.
• Phạm vi tính toán chi tiết chế độ tích nước tập trung chủ yếu vào 2 hồ bậc thang trên dòng chính sông Đà (Sơn La và Hòa Bình), chưa tối ưu hóa mở rộng đồng thời cho toàn bộ 4 hồ lớn (kèm Tuyên Quang và Thác Bà).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Hoàn thiện công nghệ tích hợp mô hình dự báo khí tượng số trị độ phân giải cao nhằm nâng cao độ chính xác dự báo mưa và kéo dài thời gian dự kiến dự báo dòng chảy đến các hồ chứa.
• Mở rộng nghiên cứu cơ chế phối hợp chia sẻ thông tin thủy văn xuyên biên giới và xây dựng mô hình vận hành tối ưu tổng thể cho toàn bộ hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng – Thái Bình.

Giá trị tham khảo

Nội dung và kết quả của luận án có giá trị tham khảo đối với:

• Cơ quan quản lý nhà nước và ra quyết định: Ban Chỉ đạo Trung ương về Phòng chống thiên tai, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Công Thương trong việc rà soát, sửa đổi quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng.
• Đơn vị quản lý, khai thác công trình thủy điện: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), Công ty Thủy điện Sơn La, Công ty Thủy điện Hòa Bình trong việc xây dựng kế hoạch tích nước, vận hành phát điện và xả lũ tác nghiệp hàng năm.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Thủy văn, Kỹ thuật tài nguyên nước, Quy hoạch và Quản lý hệ thống công trình thủy lợi – thủy điện tại Trường Đại học Thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Các phần phương pháp xác định mực nước giới hạn $H_{gh}$ và kỹ thuật mô phỏng thủy lực liên hồ bằng MIKE 11 là tư liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Mâu thuẫn cốt lõi trong vận hành mùa lũ của hệ thống hồ Hòa Bình và Sơn La là gì?
Mâu thuẫn xảy ra giữa nhiệm vụ phòng lũ cho hạ du (đòi hỏi duy trì dung tích trống lớn dưới mực nước dâng bình thường) và mục tiêu phát điện, cấp nước mùa kiệt (đòi hỏi tích nước lên cột nước cao càng sớm càng tốt để tối đa hóa sản lượng điện và đảm bảo đủ lượng nước trữ cho mùa khô).

2. Thời kỳ tích nước mùa lũ trong luận án được phân chia thành các giai đoạn nào?
Luận án phân chia làm 2 giai đoạn: Thời kỳ tích nước hạn chế (từ ngày 15/06 đến ngày 21/08 hàng năm) và Thời kỳ tích nước gia tăng / lũ muộn (từ ngày 22/08 đến cuối mùa lũ).

3. Tiêu chuẩn phòng chống lũ và mực nước thiết kế khống chế tại Hà Nội được quy định như thế nào?
Theo Quyết định 257/2016/QĐ-TTg và QT1622, Thủ đô Hà Nội phải đảm bảo an toàn với lũ chu kỳ lặp lại 500 năm (tần suất 0,2%), mực nước sông Hồng tại trạm thủy văn Hà Nội không vượt quá 13,4 m và lưu lượng không quá 20.000 m³/s. Các vùng đồng bằng còn lại đảm bảo an toàn với lũ chu kỳ 300 năm (tần suất 0,33%), mực nước Hà Nội không vượt quá 13,1 m.

4. Luận án sử dụng những công cụ tính toán và mô hình toán nào?
Luận án ứng dụng MS Excel để tính toán điều tiết dòng chảy qua hồ chứa theo phương pháp thử dần và sử dụng mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) để mô phỏng, diễn toán lũ trên mạng lưới sông Hồng – Thái Bình.

5. Khi xảy ra lũ lớn bất thường vào cuối mùa lũ khi các hồ đã tích đầy nước, giải pháp ứng phó của luận án là gì?
Giải pháp là chủ động hạ mực nước hồ Sơn La và Hòa Bình xuống mức đón lũ an toàn dựa trên kết quả bản tin dự báo dòng chảy 3 ngày (thời gian dự kiến 48h–72h), sau đó vận hành điều tiết xả lũ kết hợp liên hồ để giữ lưu lượng tại Sơn Tây dưới 28.000 m³/s và mực nước Hà Nội không vượt quá 13,4 m.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Thị Minh Huệ đã làm rõ cơ sở khoa học và thực tiễn để giải quyết hài hòa mâu thuẫn giữa nhiệm vụ phòng lũ và tích nước phục vụ cấp nước, phát điện cho hệ thống hồ chứa bậc thang Sơn La và Hòa Bình trên sông Đà. Bằng phương pháp mô phỏng thủy lực kết hợp nguyên tắc điều hành theo thời gian thực và dự báo dòng chảy 3 ngày, công trình đã xác định được mực nước giới hạn tích nước an toàn $H_{gh}$ trong thời kỳ tích nước hạn chế và xây dựng phương án ứng phó hiệu quả khi xảy ra lũ bất thường cuối vụ. Kết quả nghiên cứu là tài liệu khoa học hỗ trợ trực tiếp cho công tác điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng và quản lý vận hành thực tế hàng năm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong ba chƣơng, bao gồm: 4 Chƣơng 1: Tổng quan nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Chƣơng này trình bày về tổng quan các phƣơng pháp quản lý vận hành hồ chứa; Phƣơng pháp lập quy trình vận hành hồ chứa; Giới thiệu đặc điểm của lƣu vực nghiên cứu; Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên sông Hồng từ đó xác định định hƣớng nghiên cứu; Chƣơng 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chế độ vận hành tích nƣớc trong thời kỳ mùa lũ đối với hệ thống hồ chứa Hoà Bình và Sơn La. Nội dung chính của chƣơng gồm có: Đánh giá những tồn tại trong quy trình vận hành hồ chứa Sơn La và Hoà Bình trong thời kỳ mùa lũ; Khả năng cảnh báo, dự báo hạn ngắn và hạn vừa lũ trên hệ thống. Qua những phân tích đánh giá đó, đƣa ra quan điểm về vận hành tích nƣớc của hai hồ chứa, giải pháp vận hành ứng phó trong trƣờng hợp bất thƣờng; phƣơng án tính toán và lựa chọn công cụ tính toán.

Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu chế độ vận hành trong thời kỳ tích nƣớc hạn chế và phƣơng án vận hành ứng phó trong trƣờng hợp lũ bất thƣờng. Chƣơng này trình bày kết quả tính toán giới hạn tích nƣớc; đề xuất phƣơng án vận hành ứng phó trong trƣờng hợp lũ bất thƣờng và vận hành thử nghiệm đánh giá tính hợp lý. Đề xuất cơ chế vận hành tích nƣớc cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La trong thời kỳ mùa lũ. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU 1.1 Hồ chứa và vấn đề vận hành hồ chứa Sự tăng trƣởng kinh tế, dân số, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đã làm gia tăng nhu cầu về nƣớc cho các mục đích khác nhau nhƣ cấp nƣớc cho sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, phát điện… Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về nguồn nƣớc cũng nhƣ ứng phó với sự biến đổi khí hậu mạnh mẽ theo không gian và thời gian, nhiều hồ chứa đã đƣợc xây dựng, nhƣ một biện pháp hiệu quả trong công tác quản lý quy hoạch nguồn nƣớc và trở thành cơ sở quan trọng nhất để điều tiết phân bổ nguồn nƣớc hợp lý giữa các mục đích khác nhau [1].

Hồ chứa là công trình trữ nƣớc nhân tạo, đƣợc xây dựng trên các khe suối, trên sông bằng các đập chắn ngang sông. Hồ chứa là biện pháp thiết yếu trong hệ thống các công trình điều tiết, nó có khả năng làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy sông ngòi theo thời gian và không gian. Chức năng chính của hồ chứa là điều tiết dòng chảy tự nhiên nhằm thỏa mãn các nhu cầu khác nhau về nguồn nƣớc của các đối tƣợng sử dụng nƣớc. Ngoài ra nó còn có vai trò quan trọng đặc biệt trong công tác phòng chống lũ đảm bảo an toàn cho hạ du.

Vận hành hồ chứa là một khâu trọng yếu trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Sau khi xây dựng hồ chứa, các hƣớng dẫn vận hành chi tiết đƣợc thiết lập nhằm hỗ trợ cho ngƣời quản lý đƣa ra các quyết định hợp lý. Quy trình vận hành quy định lƣợng xả từ lƣợng trữ tại một thời điểm nào đấy phụ thuộc vào trạng thái của hồ chứa, mức yêu cầu cấp nƣớc và các thông tin về lƣợng dòng chảy có thể đến hồ chứa. Bài toán vận hành cho hồ chứa đơn mục tiêu là quyết định quy trình tích, xả từ hồ chứa sao cho lợi ích cho mục tiêu đó là tối đa.

Hầu hết các hồ chứa lớn hiện nay đều là hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Tuy nhiên, các mục tiêu cơ bản của hồ chứa thƣờng lại mâu thuẫn với nhau, có thể kể đến các mâu thuẫn sau: (i)Mâu thuẫn giữa mục tiêu phòng lũ và phát điện: mâu thuẫn này xuất hiện khi hồ kết hợp phục vụ phát điện và chống lũ, việc thoả mãn các mục tiêu phát điện 6 đòi hỏi hồ phải đƣợc tích nƣớc càng nhiều càng tốt để tạo ra đầu nƣớc cao, trong khi mục đích phòng lũ lại đòi hỏi có đủ dung tích trống trong hồ; (ii) Mâu thuẫn giữa các mục tiêu cấp nƣớc cho các đối tƣợng sử dụng: cấp nƣớc cho nông nghiệp đƣợc phân phối dựa trên thời vụ, mùa hay tình hình mƣa, nắng trong khi yêu cầu phát điện đòi hỏi hồ vận hành dựa trên nhu cầu thay đổi theo ngày, tuần, hay mùa; (iii) Mâu thuẫn trong cùng một mục tiêu: nhu cầu nƣớc và lƣợng nƣớc đến thƣờng không phải lúc nào cũng thoả mãn theo thời gian, đòi hỏi việc tiết kiệm nƣớc cần đƣợc đặt ra trong khi vận hành các hồ chứa. Hình 1-1 Sự cần thiết của điều tiết dòng chảy đáp ứng yêu cầu của xã hội [2] Đối với hệ thống hồ chứa, các quyết định vận hành cần đƣợc cân nhắc xem xét một cách kỹ lƣỡng trên cơ sở cân đối lƣợng nƣớc trữ trong từng hồ chứa. Quy trình vận hành đơn hồ phù hợp với hồ chứa đó nhƣng không đáp ứng đƣợc với mục tiêu liên hồ chứa vì vậy cần có quy trình vận hành liên hồ chứa giải quyết các mâu thuẫn.

Thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa tìm ra giải pháp "thoả hiệp" giữa các mục tiêu là một bài toán khó và cũng là chủ đề chính đƣợc nhiều nhà nghiên cứu trong, ngoài nƣớc quan tâm giải quyết trong nhiều năm qua nhằm khai thác tối đa năng lực của hệ thống hồ chứa. Theo nhận định của Ủy Ban Đập Thế Giới (World Commision on Dams) [3], một trong những nguyên nhân làm cho nhiều hệ thống hồ chứa lớn trên thế giới hoạt động kém hiệu quả, không đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra từ giai đoạn lập dự án là do những 7 công tác điều hành hệ thống. Vì vậy, cần phải quan tâm nghiên cứu xây dựng quy định vận hành hồ chứa, hƣớng dẫn ngƣời điều hành hồ chứa giải quyết các mâu thuẫn, tìm ra giải pháp thỏa hiệp giữa các mục tiêu nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống, tối đa lợi ích kinh tế và lợi ích xã hội, môi trƣờng mà hồ chứa có thể đem lại trong thực tế hoạt động. Để khai thác sử dụng các hồ chứa lợi dụng tổng hợp với lợi ích cao nhất, các nhà khoa học trên thế giới tập trung tìm ra quy tắc vận hành hợp lý, giải quyết các mẫu thuẫn giữa các mục tiêu khác nhau nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa, từ các nghiên cứu đơn giản lƣợng trữ cấp nƣớc của Rippl (1883) [4] đến các nghiên cứu phức tạp gần đây vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa theo thời gian thực phục vụ đa mục tiêu của Mehdipour và nnk (2012) [5].

Mặc dù đã đƣợc đầu tƣ nghiên cứu rất bài bản và chi tiết từ các cơ quan quản lý khai thác sử dụng, nhiều nhà khoa học cũng đã sử dụng các phƣơng pháp khác nhau để thiết lập quy tắc vận hành cho hệ thống hồ chứa nhƣng các ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù từng hệ thống, không có phƣơng pháp luận, công cụ có thể dùng chung cho mọi hệ thống.2 Phƣơng pháp quản lý và nguyên tắc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu 1.1 Các phương pháp quản lý vận hành hệ thống hồ chứa Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về điều hành lũ, điều phối cấp nƣớc, phát điện và các lợi ích kinh tế khác của hồ chứa. Một trong những nghiên cứu chuyên sâu là điều tiết hồ chứa, nhằm phân phối tài nguyên nƣớc cho các mục đích khác nhau [6]. Mỗi hệ thống hồ chứa khi hoạt động đều tuân thủ theo một quy trình đã đƣợc thiết lập sẵn, trong đó có các quy tắc vận hành cho từng thời kỳ mà ngƣời quản lý phải tuân thủ theo. Quy trình vận hành hồ chứa đƣợc thiết lập trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật thông qua mô hình mô phỏng hoặc tối ƣu.

Các quy tắc vận hành, đƣợc biểu diễn dƣới dạng đồ thị hay bảng hƣớng dẫn theo mực nƣớc (dung tích) ứng với từng thời gian trong năm [7] [8] đƣợc thể hiện trong biểu đồ điều phối, là căn cứ chính cho việc ra quyết định khi vận hành hồ chứa. Vận hành theo các đƣờng cong quy tắc là một trong những cách quản lý đơn giản và phổ biến nhất, nhằm hỗ trợ việc ra quyết định điều hành hồ chứa của ngƣời quản lý [9]. 8 Hiện nay, hầu hết tất cả các hồ chứa độc lập đều đƣợc quản lý vận hành theo biểu đồ điều phối lập sẵn, đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu có hai hƣớng quản lý chính là quản lý vận hành theo biểu đồ điều phối cấp nƣớc và quản lý vận hành theo thời gian thực. Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối: vận hành theo biểu đồ điều phối thì ngƣời quản lý ra quyết định dựa theo trạng thái mực nƣớc hồ tại thời điểm hiện tại (so với các đƣờng quy tắc vận hành trong biểu đồ điều phối).

Biểu đồ điều phối là căn cứ chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận hành hồ chứa (đối với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm trong hệ thống bậc thang). Quản lý vận hành theo cách này thƣờng đƣợc sử dụng đối với hồ chứa độc lập đơn thuần chỉ có nhiệm vụ cấp nƣớc phát điện và chống lũ cho bản thân công trình. Đối với hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển các phƣơng pháp tối ƣu hóa để xác định chế độ làm việc tối ƣu cho hồ chứa. Quản lý vận hành hồ chứa theo thời gian thực: vận hành hồ chứa theo thời gian thực là một phƣơng pháp mà quyết định vận hành tại một thời điểm nào đó tùy thuộc vào trạng thái hệ thống tại thời điểm đó và thông tin dự báo ở những thời đoạn tiếp theo.

Đây là phƣơng pháp quản lý hiện đại. Khác với cách quản lý theo biểu đồ điều phối, quản lý vận hành theo thời gian thực, các quyết định vận hành không chỉ căn cứ vào biểu đồ điều phối, trạng thái mực nƣớc hồ và lƣu tại thời điểm ra quyết định mà còn phải dựa vào lƣu lƣợng nƣớc đến hồ hiện tại và lƣu lƣợng dự báo trong tƣơng lại ở các thời điểm tiếp theo, đối với bài toán phòng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nƣớc hạ du ở thời đoạn tiếp theo. Vì biểu đồ điều phối đƣợc xây dựng là điều kiện tham chiếu để đảm bảo vận hành an toàn hồ chứa theo nhiệm vụ thiết kế nên nó vẫn phải là căn cứ để điều chỉnh các quyết định vận hành.