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.

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.