CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH LIÊN HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI- SÀI GÒN 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Nước là nguồn tài nguyên quan trọng không chỉ đối với con người mà đối với tất cả các sinh vật sống và hàng loạt các quá trình khác trên trái đất. Hiện nay, do dân số và kinh tế xã hội ngày càng phát triển dẫn đến nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng cao cả về chất lượng và số lượng. Trong khi đó, phân bố nguồn nước tự nhiên lại không đều theo không gian và thời gian.
Theo không gian, những nơi có nguồn nước được xem là dồi dào cả về chất lẫn lượng, nhu cầu nước chưa hẳn đã lớn và ngược lại. Theo thời gian, những lúc có nhu cầu sử dụng lớn thì nguồn nước lại thiếu trầm trọng hoặc không đầy đủ. Bên cạnh việc mất cân đối trong cung cấp nguồn nước cho các hoạt động phát triển kinh tế xã hội thì những tác động bất lợi từ nguồn nước, đặc biệt là lũ cũng đã gây ra những thiệt hại không nhỏ làm ảnh hưởng đến những cố gắng phát triển trên lưu vực sông. Do vậy, để đáp ứng một cách tốt nhất nhu cầu sử dụng nước phục vụ con người, hạn chế tối đa các tác hại do nước lũ gây ra, các hoạt động liên quan đến phát triển tài nguyên nước cũng đang thực thi ngày càng mạnh mẽ.
Trong đó, việc xây dựng các công trình hồ chứa trên các lưu vực sông nhằm điều chỉnh sự phân bố không cân bằng so với nhu cầu sử dụng cũng như nhằm hạn chế các ảnh hưởng do lũ gây ra là một trong những hoạt động mang lại hiệu quả cao. Tuy vậy, theo đánh giá của Uỷ hội quốc tế về đập thì rất nhiều hệ thống hồ chứa lớn đã không đem lại hiệu ích kinh tế, môi trường như đã được đánh giá trong các bước thiết kế kỹ thuật trong quá trình lập dự án. Lý do phát huy hiệu quả kém có thể do trong giai đoạn thiết kế không chú ý đầy đủ đến chế độ quản lý vận hành sau khi dự án hoàn tất, không lường trước được các yêu cầu, mục tiêu nãy sinh trong quá trình vận hành hệ thống sau khi hoàn thành, ví dụ như các yêu cầu về cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, yêu cầu duy trì dòng chảy môi trường, duy trì sinh thái, và yêu cầu phòng lũ cho vùng hạ lưu. 5 Vận hành hồ chứa là một trong những vấn đề được chú ý nghiên cứu trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quy hoạch, quản lý hệ thống nguồn nước.
Nghiên cứu vận hành quản lý hệ thống hồ chứa luôn phát triển đồng thời với quá trình phát triển hồ chứa. Bên cạnh đó, mặc dù đã có những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu quản lý vận hành từng hồ chứa nhưng cho đến thời điểm hiện tại, đối với hầu hết các hệ thống hồ chứa, khoa học thế giới vẫn chưa tìm được lời giải chính xác phải vận hành hệ thống liên hồ chứa như thế nào để mang lại lợi ích tối đa cho xã hội. Thực tế cho thấy, mặc dù đã đầu tư nghiên cứu từ lâu nhưng hiện vẫn chưa xác định được phương pháp, công cụ chung tối ưu nhất cho xây dựng quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa phục vụ đa mục tiêu, đa tiêu chí mà các nghiên cứu vẫn phụ thuộc rất nhiều vào đặc thù riêng của từng hệ thống trong giai đoạn thiết kế không chú ý đầy đủ đến chế độ quản lý vận hành sau khi dự án hoàn tất, không lường trước được các yêu cầu, mục tiêu nãy sinh trong quá trình vận hành hệ thống sau khi hoàn thành, ví dụ như các yêu cầu về cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, yêu cầu duy trì dòng chảy môi trường, duy trì sinh thái, và yêu cầu phòng lũ cho vùng dự án cụ thể. Vấn đề càng trở nên phức tạp hơn đối với hệ thống các hồ chứa phối hợp vận hành phục vụ cho các yêu cầu đa mục tiêu ở hạ du.
Việc ứng dụng mô hình toán kết hợp với mô hình tối ưu hiện đang được đánh giá là có khả năng mô phỏng tốt nhất cho vận hành liên hồ chứa đa mục tiêu, tuy nhiên cũng chỉ được áp dụng cho những lưu vực cụ thể và cho những điều kiện tương tự trong lịch sử. Mô hình toán mô phỏng có khả năng cho biết hệ thống sẽ phản hồi như thế nào theo kịch bản đã đề ra. Tuy vậy, mô hình mô phỏng không thể trả lời câu hỏi hệ thống phản hồi như vậy là tốt nhất chưa. Trong khi mô hình toán tối ưu có thể trả lời câu hỏi này trong vận hành hệ thống.
Do vậy, việc sử dụng mô hình tối ưu hóa trong bài toán vận hành hệ thống hồ chứa được lựa chọn trong nhiều nghiên cứu. Một số nghiên cứu mô hình tối ưu đã được nghiên cứu trên thế giới gần đây được thống kê và tổng hợp như sau: 6 - Vedula và Mujumdar (năm 1992) và Vedula và Kumar (năm 1996) đã phát triển một mô hình tổng hợp để tối ưu vận hành hồ chứa nhằm tưới cho nhiều loại cây trồng khác nhau. Mô hình bao gồm 2 module: Module thứ nhất dùng để tính toán tối ưu nhu cầu nước cho các loại cây trồng trong một vụ mùa nhằm xác định một trạng thái trong hệ thống. Module này sử dụng quy hoạch tuyến tính (LP) để giải và kết quả là đầu vào cho module thứ hai.
Module thứ hai sử dụng quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP) để phân phối nước cho các vụ mùa nhằm tối đa năng suất của các loại cây trồng. Mô hình đã được áp dụng thực tế cho Malaprabha ở bang Karnataka, Ấn Độ. - Tejada-Guibert, Johnson, and Stedinger (năm 1995) đã phát triển một mô hình tối ưu nhấn mạnh việc vận hành của nhà máy thuỷ điện với đầu vào thuỷ văn ngẫu nhiên và nhu cầu điện là ngẫu nhiên. Mô hình sử dụng quy hoạch động bất định để tính toán với chuỗi thuỷ văn được phỏng đoán bằng các phương pháp khác nhau: trung bình tháng, phân bố theo tần suất và chuỗi Markov.
Mô hình chạy với nhu cầu điện là thay đổi và áp dụng hàm phạt nếu phát thiếu điện năng. Mô hình đã được áp dụng cho hệ thống Shasta – Trinity ở California, Hoa Kỳ. - Ponnambalam và Adams (năm 1996) nghiên cứu xây dựng mô hình quy hoạch động xấp xỉ nhiều cấp MAM-DP (Multilevel Approximate Dynamic Programming) để vận hành hồ chứa đa mục tiêu. MAM-DP tối thiểu hoá sự khác biệt giữa khả năng cấp nước và nhu cầu với cố gắng giảm các biến trạng thái.
Mô hình đã được áp dụng thực tế cho dự án Parambikulam-Aliyar ở Ấn Độ với yêu cầu phân phối nước hợp lý cho hai tiểu bang ở dọc sông. - Lee và Howitt (năm 1996) xây dựng mô hình lưu vực sông ở sông Colorado để xác định mức độ xâm nhập mặn trên cơ sở tối ưu lợi ích thu được từ cấp nước cho tưới, sinh hoạt và sản xuất công nghiệp. Ba phương án đã được phân tích: + Chỉ tối ưu lợi ích kinh tế + Không thay đổi cơ cấu cây trồng nhưng kết hợp các biện pháp hỗ trợ để kiểm soát xâm nhập mặn 7 + Thay đổi cơ cấu cây trồng nhưng vẫn áp dụng các biện pháp hỗ trợ kiểm soát mặn. Kết quả đã chỉ ra là với phương án thứ nhất có sự chuyển nước từ khu vực nông nghiệp sang cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất do có hiệu quả kinh tế cao, phương án 2 và phương án 3 cho thấy có sự giảm xâm nhập mặn một cách đáng kể.ASCE; và Leon S.
Lasdon (năm 2001) đã đề nghị một mô hình tổng hợp kinh tế- nông nghiệp - thủy văn cho quản lý lưu vực sông. Báo cáo đã đưa ra một mô hình tổng hợp áp dụng cho quản lý tổng hợp lưu vực sông trong đó tưới cho nông nghiệp đóng vai trò sử dụng nước chính và việc xâm nhập mặn sinh ra do tưới đóng vai trò tác nhân môi trường. Mô hình đã được áp dụng thực tế cho lưu vực sông Syr Darya ở Trung Á. Kawamura (năm 2001) đã đề nghị một hệ thống hỗ trợ việc ra quyết định DSS (Decision Support System) cho việc quản lý nước ở lưu vực sông.
DSS là mô hình tổng hợp của mô hình mô phỏng chu trình thuỷvăn với mô hình đánh giá rủi ro. Mô hình được áp dụng thực tế cho lưu vực sông Chikugo với hệ thống hồ chứa đa mục tiêu. Lund, và Richard E. Howitt (năm 2003) đã xây dựng một mô hình có tên là mô hình tối ưu kinh tế- kỹ thuật.
Kết luận chính đã được đưa ra là việc áp dụng một mô hình tối ưu về nguồn nước ở quy mô lớn dưới sự chi phối của mục tiêu kinh tế là khả thi và thực tế. Mô hình đã được áp dụng thực tế cho công tác quản lý nước ở bang California. Công cụ cơ bản trong các mô hình tối ưu chính là các phương pháp của quy hoạch toán học. Theo sự phát triển của toán học, các phương pháp sử dụng trong bài toán tối ưu hiện nay đã phát triển với nhiều phương pháp khác nhau.
Các phương pháp giải bài toán tối ưu có thể được phân loại làm các lo ại sau: quy ho ạch tuyến tính (Linear Programming), quy hoạch động (Dynamic Programming), quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming) và mô hình tối ưu kết hợp (Mixed Optimization 8 Technique) và còn có nhiều phương pháp khác nhưphương pháp nhiều bước (Multi- step Approaches), phương pháp phân ly và xếp bậc (Decomposition and Hierarchical Approaches), phương pháp phân tích đa mục tiêu (Multi-objective Analyses), hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Decision Support System), phương pháp ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Network Application), phương pháp ứng dụng lôgíc mờ(Fuzzy Logic Application) hay các nghiên cứu gần đây về phương pháp ứng dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm). Đánh giá các nghiên cứu trên thế giới cho thấy việc ứng dụng mô hình toán mô phỏng kết hợp với phương pháp tối ưu là phương pháp thích hợp để giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa và hệ thống công trình thủy lợi. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Cũng như nhiều nơi trên thế giới, ở Việt Nam nguồn nước thường không được phân bố đều theo thời gian. Hồ chứa nước là công trình thuỷ lợi có lợi thế điều tiết dòng chảy, trữ nước vào mùa mưa để sử dụng trong mùa khô.
Do có nhiều ưu điểm trong khai thác tổng hợp (cấp nước tưới, phát điện, nuôi cá, du lịch.), hồ chứa được xây dựng nhiều trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
