MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập kỷ gần đây, một số lƣợng lớn các hồ chứa đƣợc xây dựng trên toàn thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, có hàng loạt các hồ chứa lớn đƣợc xây dựng trên hầu hết các sông suối khắp cả nƣớc. Do vậy, việc quản lý nƣớc và vận hành hợp lý hệ thống liên hồ chứa nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu những tác động tiêu cực là rất cần thiết.
Đã có nhiều dự án và đề tài nghiên cứu về vận hành hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu còn hạn chế, đặc biệt là chế độ vận hành hồ chứa thời kỳ mùa kiệt đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu. Do vậy, việc vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu vẫn đang là đối tƣợng của nhiều đề tài nghiên cứu trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Hiện nay có hai xu hƣớng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành các hệ thống hồ chứa đa mục tiêu: Phƣơng pháp tối ƣu hóa và phƣơng pháp mô phỏng.
Mô hình toán mô phỏng hệ thống cân bằng nƣớc, trong đó có mô phỏng chế độ vận hành của các hồ chứa đóng vai tr quyết định trong các nghiên cứu về quản lý nƣớc và vận hành hệ thống hồ chứa, bất luận nghiên cứu đó là phƣơng pháp tối ƣu hóa hay phƣơng pháp mô phỏng. Chính vì vậy, đã có nhiều nghiên cứu phát triển các mô hình mô phỏng liên quan đến tính toán cân bằng nƣớc, quản lý nƣớc và vận hành hệ thống hồ chứa trên lƣu vực, trong đó các mô h nh MIKE-BASIN, HEC- RESSIM, WEAP, MIKE HYDRO,… là những mô h nh điển h nh đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới. Các mô h nh này cũng đã đƣợc nghiên cứu trong quy hoạch, quản lý nƣớc cho các lƣu vực sông ở Việt Nam, trong đó có lƣu vực sông Ba. Mỗi mô hình có những ƣu điểm riêng và cũng có những hạn chế nhất định nên hiện nay các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục phát triển và hoàn thiện mô hình.
Vì vậy, đã có những nghiên cứu xây dựng các mô hình riêng phù hợp với điều kiện cụ thể của lƣu vực, phù hợp và thuận lợi cho nghiên cứu đối với ài toán đƣợc đặt ra. Cũng ch nh v lý o trên, để nghiên cứu chế độ vận hành các hồ chứa lớn trên lƣu vực sông Ba, tác giả luận án có ý định xây dựng một mô hình riêng phục vụ cho 1 nghiên cứu và chọn đề tài nghiên cứu: “Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba”. Mô h nh toán đƣợc xây dựng nhằm hỗ trợ ra quyết định trong quá trình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, lƣu vực sông Ba trong thời kỳ mùa kiệt (TKMK). Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở kế thừa phƣơng pháp luận của các mô hình có sẵn, phát triển một mô hình mô phỏng cân bằng nƣớc và vận hành hệ thống liên hồ chứa có nhiệm vụ cấp nƣớc và phát điện, phục vụ cho bài toán quản lý nƣớc và vận hành hệ thống liên hồ chứa lƣu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mô phỏng đƣợc xây dựng đối với bài toán cân bằng nƣớc (CBN) trên lƣu vực sông và vận hành hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ cấp nƣớc và phát điện đối với vùng sông không bị ảnh hƣởng của thủy triều. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đƣợc tiến hành đối với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên lƣu vực sông Ba, bao gồm tất cả các hồ chứa thủy lợi và thủy điện. Do mô hình không thể ứng dụng vùng sông bị ảnh hƣởng triều nên phạm vi nghiên cứu đƣợc áp dụng cho lƣu vực sông Ba t nh đến vị trị đập Đồng Cam. Nghiên cứu chế độ vận hành đƣợc thực hiện đối với các hồ chứa lớn trên ng ch nh có t nh đến điều tiết cấp nƣớc tƣới của tất cả các hồ chứa nhỏ trên hệ thống.
Các hồ chứa lớn đƣợc chọn để nghiên cứu chế độ vận hành là các hồ Ka Nak, An Khê, Sông Hinh, Ba Hạ và Krông H’Năng và Ayun Hạ. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu tiếp thu và kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nƣớc, các nghiên cứu về CBN và vận hành hệ thống hồ chứa trên lƣu vực sông Ba. Kế thừa phƣơng pháp luận của các mô h nh đã có, đặc biệt là mô hình HEC-RESSIM. Phương pháp mô hình toán: Đề tài nghiên cứu xây dựng một mô hình vận hành hệ thống hồ chứa theo hƣớng mô hình mô phỏng lƣu vực sông phục vụ cho 2 vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt, có t nh năng sử dụng tiếp cận đƣợc với những mô hình có sẵn trên thế giới có mô phỏng tƣơng tự.
Phương pháp thực nghiệm: Mô hình phải đƣợc kiểm định cho lƣu vực sông Ba và đƣợc đối chiếu với kết quả tính toán theo các mô hình khác của những nghiên cứu có mô phỏng tƣơng tự. Phương pháp phân tích: Phân t ch đặc điểm chế độ mƣa, ng chảy lƣu vực sông Ba, đặc điểm đƣờng rút nƣớc thời kỳ mùa kiệt làm cơ sở khoa học cho tính toán, dự báo và nhận dạng dòng chảy mùa kiệt, phục vụ đánh giá những hạn chế và đề xuất chế độ vận hành hợp lý theo thời gian thực các hồ chứa trên sông Ba. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5. Ý nghĩa khoa học Đề tài nghiên cứu của luận án “Xây dựng mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu thời kỳ mùa kiệt cho lưu vực sông Ba” đã phát triển một mô hình mô phỏng có sự tích hợp mô h nh mƣa – dòng chảy, có khả năng t nh toán và ự báo dòng chảy đến trong vận hành hệ thống hồ chứa.
Đây là đóng góp mới, góp phần phát triển phƣơng pháp luận trong nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu. Nếu đƣợc hoàn thiện sẽ mở ra hƣớng mới trong nghiên cứu vận hành các hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ cấp nƣớc và phát điện thời kỳ mùa kiệt. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài này định hƣớng về giải pháp kỹ thuật với mục tiêu cụ thể là xây ựng chƣơng tr nh t nh có khả năng hỗ trợ ra quyết định trong việc vận hành hệ thống hồ chứa TKMK. Nghiên cứu bài toán vận hành theo thời gian thực TKMK đối với sông Ba sẽ là cơ sở khoa học cho việc bổ sung các quy trình vận hành đã có và cũng là nghiên cứu điển hình có thể xem xét áp dụng cho những lƣu vực sông khác thuộc khu vực miền Trung.
Mô hình mô phỏng mà tác giả xây dựng có thể áp dụng cho công tác dự báo dòng chảy và vận hành an toàn các hồ chứa TKMK trên lƣu vực sông Ba. Phƣơng pháp tiếp cận Trên cơ sở phân t ch trên đây, luận án tiếp cận theo hƣớng xây dựng một mô hình vận hành hệ thống liên hồ chứa (VHHTLHC) thời kỳ mùa kiệt có khả năng hỗ trợ ra quyết định vận hành, áp dụng cho lƣu vực sông Ba làm lƣu vực nghiên cứu điển hình. Mô hình sẽ đƣợc xây dựng trên cơ sở kế thừa phƣơng pháp luận của các mô h nh đã có và khắc phục những hạn chế gây khó khăn khi sử dụng của các mô hình này trong VHHTLHC. 1) Trên cơ sở mô hình cân bằng nƣớc đƣợc thiết lập cho lƣu vực sông Ba.
Từ đó xem xét các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những hạn chế của quy trình vận hành liên hồ chứa đã an hành o hạn chế về dự báo dòng chảy. 2) Với công cụ mô hình mô phỏng đã thiết lập, xây dựng một quy trình vận hành theo thời gian thực nhằm đảm bảo an toàn t ch nƣớc cho nhiệm vụ phát điện và cấp nƣớc hạ du. Những đóng góp mới của luận án 1) Xây dựng biểu đồ rút nƣớc tiềm năng thời kỳ mùa kiệt cho các nút hồ chứa ch nh trên lƣu vực sông Ba làm cơ sở nhận dạng dòng chảy mùa kiệt. Từ đó, lập kế hoạch sử dụng nƣớc và vận hành hệ thống hồ chứa có nhiệm vụ điều tiết cấp nƣớc cho hạ du.
2) Phát triển mô h nh mô phỏng Ba-Mo el t ch hợp đƣợc mô h nh mƣa - ng chảy, mô h nh cân bằng nƣớc và điều tiết hồ chứa, phục vụ quản lý nƣớc và ra quyết định vận hành các hồ chứa trên lƣu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt. 3) Xây dựng phƣơng pháp vận hành hồ chứa theo hƣớng vận hành theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên lƣu vực sông Ba trên cơ sở phân tích, t nh toán lƣợng trữ nƣớc trên lƣu vực thời điểm cuối mùa lũ và quy luật rút nƣớc dòng chảy trong sông thời kỳ mùa kiệt. Đồng thời đề xuất chế độ vận hành hợp lý nhằm đảm bảo an toàn theo nhiệm vụ cấp nƣớc hạ du và nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa trong thời kỳ mùa kiệt. Từ đó, làm cơ sở cho việc nghiên cứu bổ sung quy trình liên hồ chứa đã đƣợc phê duyệt.
Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và phần kết luận và kiến nghị, luận án gồm có 4 chƣơng: - Chƣơng 1. Tổng quan các nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa thời kỳ mùa kiệt. Cơ sở khoa học và thực tiễn thiết lập bài toán vận hành hồ chứa trên sông Ba thời kỳ mùa kiệt. Thiết lập mô hình mô phỏng, xây dựng biểu đồ rút nƣớc tiềm năng phục vụ vận hành hệ thống hồ chứa sông Ba thời kỳ mùa kiệt theo thời gian thực.
Ứng dụng mô hình Ba-Model vào vận hành hệ thống hồ chứa trên lƣu vực sông Ba thời kỳ mùa kiệt. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỜI KỲ MÙA KIỆT 1. Vai trò hệ thống hồ chứa trong cân bằng nƣớc Hồ chứa có thể coi là biện pháp chính trong quy hoạch phát triển nguồn nƣớc mặt. Với những hồ chứa nhân tạo đƣợc xây dựng trên các hệ thống sông, đặc biệt là các sông lớn, có thể làm thay đổi căn bản chế độ dòng chảy sông ngòi.
Hồ chứa làm thay đổi trạng thái tự nhiên của nguồn nƣớc tạo điều kiện có lợi cho các hoạt động dân sinh kinh tế vùng hạ lƣu công tr nh.