CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG MÃ 1.1 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới Vận hành hồ chứa đa mục tiêu với việc sử dụng nước cho nhiều mục tiêu là một trong những vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quy hoạchquản lý hệ thống nguồn nước và thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong vài chục năm gần đây. Nghiên cứu vận hành quản lý hệ thống hồ chứa luôn phát triển theo thời gian nhằm phục vụ các yêu cầu phát triển liên tục của xã hội, từ nghiên cứu đơn giản của Rippl ở thế kỷ 19 về dung tích trữ phục vụ cấp nước (Rippl, 1883) tới các nghiên cứu gần đây của Lund về phương pháp luận trong vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa phục vụ đa mục tiêu (Lund và Guzman, 1999, Labadie, 2004). Mặc dù đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu quản lý vận hành hồ chứa nhưng cho đến thời điểm hiện tại không có một lời giải chung cho mọi hệ thống mà tùy đặc thù của từng hệ thống sẽ có các lời giải phù hợp. Các nghiên cứu trên Thế giới đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để giải quyết bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa, nhìn chung có 3 nhón phương pháp thường được sử dụng nhất, bao gồm: mô phỏng, tối ưu và nhóm kết hợp tối ưu và mô phỏng.
Các nghiên cứu dưới đây sẽ trình bày các phương pháp để giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa. • Phương pháp mô phỏng: + Chaves, P. [8] đã nghiên cứu áp dụng mạng trí tuệ nhận tạo tiến hóa (ENNIS) vào vận hành hồ chứa Shihmen ở Đài Loan với 5 biến ra quyết định. Kết quả đạt được cho thấy mạng ENNIS sử dụng cho việc vận hành hồ chứa Shihmen này có nhiều thuận lợi hơn nhiều vì nó có ít thông số, dễ dàng xử lý các biến điều khiển, dễ kết hợp giữa mô hình vận hành với các mô hình dự báo dòng chảy đến.
Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mạng ENNIS hoàn toàn có khả năng 6 kiểm soát nhiều biến ra quyết định để đưa ra các quyết định hợp lý khi vận hành hồ chứa đa mục tiêu. • Phương pháp thuật toán tối ưu: + Kumar, Viện Khoa học Ấn Độ [9] đã sử dụng thuật toán tối ưu SWARM vào nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa gồm 4 hồ mà trước đây Larson đã sử dụng Quy hoạch động để giải quyết. Hai nhà Thủy văn Kumar và Singh cũng đã áp dụng các thuật toán GA - giải đoán gen. Tiếp đó Giáo sư Kumar lại thử nghiệm áp dụng cho hệ thống hồ chứa Bhadra của Ấn độ.
Kết quả cho thấy thuật toán tối ưu SWARM có khả năng áp dụng rất tốt vào giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa. + Robin, Trường đại học Edinburgh, vương quốc Anh [10] cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá thuật toán GA - Giải đoán gen vào vận hành tối ưu hệ thống liên hồchứa. Nghiên cứu điển hình đã được thực hiện cho hệ thống 4 hồ chứa, rồi cho hệ thống 10 hồ chứa. Kết quả đạt được cho thấy thuật toán GA đem đến một giải pháp chấp nhận được.
Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần xem xét đặc biệt là phân tích độ nhạy của các biến. • Phương pháp kết hợp tối ưu và mô phỏng; + Alzali và nnk [11] đã nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ thủy điện Khersan, Iran bằng việc kết hợp mô hình mô phỏng và thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu là sản lượng điện của hệ thống. Thuật toán tối ưu được áp dụng trong nghiên cứu là quy hoạch tuyến tính cho riêng từng hồ trong từng bước thời gian để làm cơ sở xem xét cho ưu tiên phát điện của các hồ trong hệ thống. Kết quả đạt được cho thấy nếu phối hợp vận hành hệ thống 4 hồ chứa theo hàm mục tiêu đề ra sẽ cho sản lượng điện cao hơn khoảng 7,9% tổng sản lượng điện của 4 hồ khi vận hành riêng rẽ.
L và nnk [12] đã nghiên cứu kết hợp mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu để vận hành hồ Hòa Bình giải quyết xung đột chính giữa phòng lũ và phát điện ở giai đoạn cuối mùa lũ và đầu mùa kiệt. Tác giả đã sử dụng phần mềm MIKE 11 để mô phỏng hệ thống sông và hồ chứa kết hợp với các thuật toán tối ưu SCE 7 (shuffled complex evolution) để tìm ra quỹ đạo tối ưu (pareto) khi xem xét cả hai ưu tiên giữa phòng lũvà phát điện. Kết quả đạt được cho thấy hoàn toàn có thể dùng mô hình mô phỏng để giải quyết vấn đề phòng lũ cho công trình và cho hạ du mà vẫn có thể duy trì mực nước cao ở cuối mùa lũ để đảm bảo hiệu ích cao trong phát điện ở mùa kiệt kế tiếp. Đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy thuật toán tối ưu SCE là một công cụ hữu hiệu trong giải quyết các bài toán hệ thống phức tạp.
J [13] đã nghiên cứu áp dụng thuật toán tiến hóa (Evolution Algorithm – NSGA-II) vào vận hành hệ thống hồ chứa gồm hồ Feitsui và Shihmen ở Đài loan. Các tác giả đã mô phỏng và vận hành hệ thống hồ chứa theo thời đoạn ngày, sau đó tính toán các chỉ số thiếu hụt nước (shortage indices – SI) cho cả 2 hồ trong một thời gian dài mô phỏng. Thuật toán NSGA-II đã được sử dụng để làm giảm chỉ số SI thông qua chiến lược phối hợp vận hành 2 hồ.Với 49 năm số liệu, các tác giả cho thấy hoàn toàn có thể tìm các chiến lược phối hợp vận hành tốt hơn nhiều so với thực tế vận hành trong 49 năm qua và giải tối ưu Pareto tìm được cho 2 hồ chính là giải kiến nghị cho việc vận hành phối hợp. [14] nghiên cứu áp dụng vận hành tối ưu với các quy tắc nhánh cây (treebased rules) cho hệ thống hồ chứa đa mục tiêu phòng lũvới thời gian thực bằng việc tích hợp vào hệ thống mô hình dự báo thủy văn.
Phương pháp này đã được áp dụng cho hệ thống hồchứa trên sông Tanshui ở Đài Loan. Kết quả vận hành thử nghiệm cho các trận mưa lũ lịch sử năm 2004 (trận Aere, Haima và Neck-ten) cho thấy phương pháp này có kết quả tốt hơn nhiều đảm bảo cắt được đỉnh lũ theo yêu cầu của các điểm kiểm soát ở hạ lưu mà vẫn đảm bảo yêu cầu tích nước ở cuối mùa lũ ở các hồ chứa. Labadie [15], Trường Đại học Bang Colorado đã tổng kết rất nhiều phương pháp sử dụng cho bài toán vận hành liên hồ chứa. Nhóm các phương pháp thường dùng như: Tối ưu ngẫu nhiên ẩn (Implicit StochasticOptimization) gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính (Linear Programming Models), các mô hình tối ưu dòng chảy mạng (Network Flow Optimization Models), các mô hình quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming Models), các mô hình quy hoạch động rời rạc 8 (Discrete Dynamic Programming Model), các mô hình quy hoạch động liên tục (Diffirential Dynamic Programming Models), các lý thuyết điều khiển tối ưu rời rạc theo thời gian (Discrete Time OptimalControl Theory).
Nhóm các phương pháp ngẫu nhiên hiện (Explicit Stochastic Optimization) bao gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính ngẫu nhiên (Stochastic Linear Programming Models), các mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên (Stochastic Dynamic Programming Models), Các mô hình điều khiển tối ưu ngẫu nhiên (Stochastic Optimal Control Models). Nhóm tích hợp dự báo đểvận hành hồchứa theo thời gian thực. Từ những kết quả nghiên cứu nêu trên, có thể thấy rằng, trong cách tiếp cận xây dựng bài toán, các nghiên cứu đã thể hiện việc đưa vào ứng dụng mô hình toán mô phỏng kết hợp với phương pháp tối ưu là phù hợp với bài toán vận hành hệ thống hồ chứa và hệ thống công trình thủy lợi phục vụ đa mục tiêu.2 Tổng quan các nghiên cứu ở Việt Nam Vận hành hệ thống hồ chứa đã được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu vì tính quan trọng cũng như sự cấp thiết của nó. Các nghiên cứu do các cơ quan của Bộ Nông Nghiệp và PTNN, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, Bộ Công Thương tiến hành chủ yếu tập trung vào nhiệm vụ chống lũ, xây dựng các quy trình vận hành các hồ chứa trong mùa lũ.
Đã có một số nghiên cứu vận hành điều tiết cấp nước trong mùa cạn, nhưng chưa hoàn chỉnh và chưa gắn quá trình vận hành mùa lũ với mùa cạn thành quy trình cho cả năm đặc biệt chưa có các nghiên cứu liên hồ, đa mục tiêu sử dụng. Một số nghiên cứ có thể kể đến như: - Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trên lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình gồm hai hồ chứa( Hòa Bình và Thác Bà) năm 1997 do Bộ Nông Nghiệp và PTNT chủ trì và Ban Chỉ đạo PCLBTW phê duyệt. - Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình gồm ba hồ chứa (Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà) năm 2005 do Ban Chỉ đạo PCLBTW phê duyệt. 9 - Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trên lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình gồm ba hồ chứa( Hòa Bình, Tuyên Quang và Thác Bà) năm 2007 do Bộ Nông Nghiệp và PTNT chủ trì và Ban Chỉ đạo PCLBTW phê duyệt.
- Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hồ chứa trên lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình gồm bốn hồ chứa( Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà, và Sơn La) do Bộ Nông Nghiệp và PTNT chủ trì và chưa được phê duyệt. - Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa cho hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình mùa cạn để giải quyết vấn đề cấp nước của Viện Quy hoạch Thủy lợi. - Đề tài NCKH cấp Nhà nước Nghiên cứu cơ sở khoa học cấp nước mùa cạn lưu vực hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình do Trường Đại học Thủy lợi thực hiện năm 2007. - Bộ Tài nguyên và Môi trường đã xây dựng đề án xây dựng qui trình vận hành liên hồ chứa cho 4 hệ thống sông Ba, Vụ Gia - Thu Bồn, Đồng Nai và Sesan và Srepok.
Trong đó quy trình vận hành liên hồ chứa cho lưu vực sông Ba và lưu vực sông Vụ Gia- Thu Bồn đã được Chính phủ phê duyệt vào tháng 9 và tháng 10/2010. Còn hai hệ thống còn lại đang trình Chính phủ phê duyệt. Tóm lại, vận hành phối hợp hệ thống hồ chứa ở Việt Nam gần đây cũng đã được quan tâm xây dựng.