Chương 1: TỔNG QUAN Theo nhận định của Ủy ban Đê đập Thế giới (World Commision on Dams 2000 [1]), nhiều hệ thống đê đập lớn trên thế giới đã hoạt động không đảm bảo được các lợi ích kinh tế - xã hội như mục tiêu thiết kế đề ra. Điều đó có thể do những sơ xuất trong thiết kế, xây dựng, do những nhu cầu sử dụng mới xuất hiện, do những vấn đề điều hành hệ thống hay do những thay đổi khí hậu toàn cầu. Để phát huy tối đa lợi ích của các hồ chứa, các nghiên cứu cần tập trung vào việc nâng cao hiệu quả điều hành của các hồ chứa. Các mục tiêu kinh tế xã hội của hệ thống hồ chứa như chống lũ, phát điện, cấp nước, cảnh quan môi trường, du lịch,.
thường là những mục tiêu trái ngược nhau về nhu cầu sử dụng lượng nước có sẵn trong hệ thống hồ. Điều đó dẫn đến một bài toán hết sức phức tạp, các công cụ toán học và các mô hình trên máy tính được sử dụng để nghiên cứu vấn đề đặt ra. Tổng quan về điều tiết hồ chứa 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu đã được các nhà khoa học, các cơ quan quản lý khai thác lưu vực sông trên thế giới đầu tư nghiên cứu từ những năm 50 và 60 của thế kỷ 20.
Kết quả nghiên cứu đã góp phần làm tăng hiệu quả khai thác hệ thống nguồn nước các lưu vực sông trên toàn thế giới, có thể kể đến các nghiên cứu về vận hành hệ thống liên hồ chứa ở bang Calionia, Mỹ, nghiên cứu về quản lý lưu vực sông của Cơ quan quản lý vùng hạ lưu sông Colorado (LCRA), nghiên cứu của cơ quan năng lượng quốc gia Brazin về quản lý hệ thống hồ chứa thuỷ điện trên sông Amazon. Mặc dù đã được nghiên cứu từ khá lâu nhưng vẫn chưa xác định được phương pháp, công cụ chung cho xây dựng quy trình hệ thống liên hồ chứa mùa cạn mà các nghiên cứu vẫn phụ thuộc rất nhiều vào đặc thù riêng của từng hệ thống hồ chứa cụ thể. Phương pháp diễn toán hồ chứa Đây là phương pháp cơ bản trong giai đoạn thiết kế và vận hành hồ chứa. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Diễn toán dòng chảy (trong đó có sóng lũ) qua một hồ chứa được gọi là diễn toán hồ chứa.
Đó là một phần quan trọng của phân tích hồ chứa mà những ứng dụng chính của nó là: xác định mực nước lớn nhất trong thời kỳ thiết kế hồ chứa, thiết kế các công trình xả tràn và cửa xả nước và phân tích sóng lũ vỡ đập. Một hồ chứa có thể được kiểm soát hoặc không được kiểm soát. Hồ chứa được kiểm soát bởi công trình xả tràn với các khoang tràn khống chế bằng các cửa van để kiểm soát dòng chảy ra. Công trình xả tràn của một hồ chứa không kiểm soát là công trình tràn tự do không có cửa van để khống chế lượng xả.1: Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa Một vài phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa đã được xây dựng, như trong bảng sau: Bảng 1.1: Một số phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa Phương pháp đường cong lũy tích Phương pháp Puls Phương pháp Puls cải tiến Phương pháp Wisler-Brater Phương pháp Goodrich Phương pháp Steinberg Phương pháp hệ số b.
Vận hành hồ chứa Sử dụng hiệu quả tài nguyên nước yêu cầu không chỉ thiết kế đúng đắn mà cả quản lý đúng cách sau khi xây dựng. Biswas (1991) ước lượng rằng giá một đơn vị 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nước từ các dự án cung cấp nước đô thị thế hệ kế tiếp sẽ thường cao hơn 2 - 3 lần thế hệ hiện tại. Do đó, bắt buộc tất cả các dự án phải được quản lý một cách tốt nhất. Một mô tả khái niệm về sự cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội đưa ra trong hình 1.
Điều hành hồ chứa là một phần quan trọng của quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Sau khi được xây dựng, các hướng dẫn chi tiết được đưa đến cho người điều hành để đưa ra các quyết định đúng. Chính sách (quy trình) vận hành hồ chứa xác định lượng xả từ lượng trữ tại một thời điểm nào đấy phụ thuộc vào trạng thái của hồ chứa, mức yêu cầu cấp nước và các thông tin về lượng dòng chảy có thể đến hồ chứa. Bài toán vận hành cho hồ chứa đơn mục tiêu là quyết định quy trình tháo từ hồ chứa sao cho lợi ích cho mục tiêu đó là tối đa.2: Sự cần thiết của điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội Nguồn: được dịch trong cuốn sách P.Singh (2004), Water resourcess system planning and management.
Elsevier Với hồ chứa đa mục tiêu, ngoài ra còn yêu cầu phân phối tối ưu lưu lượng tháo giữa các mục tiêu. Sự phức tạp của bài toán vận hành hồ chứa phụ thuộc vào quy mô mà các mục tiêu mong muốn tương thích với nó. Nếu các mục tiêu là tương thích, ít cần sự nỗ lực phối hợp giữa các mục tiêu. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com * Phương pháp tối ưu hoá Kỹ thuật tối ưu hoá bằng quy hoạch tuyến tính và quy hoạch động đã được sử dụng rộng rãi trong tài nguyên nước.
Loucks và nnk (1981) đã minh họa áp dụng, quy hoạch phi tuyến và Quy hoạch động cho tài nguyên nước. Nhiều tổng quan áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước đã được đăng tải nhiều lần, thí dụ như bởi Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993). Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hoá. Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động Monte - Carlo”.
Về cơ bản, phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte - Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho sông. Quy trình tối ưu thu được cho mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được phát triển bởi Windsor (1975).
Karamouz và Houck (1987) đã vạch ra quy tắc vận hành chung khi sử dụng Quy hoạch động xác định và hồi quy. Mô hình hồi quy sát nhập thủ tục hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được Bhaskar và Whilach (1980) gợi ý. Quy tắc để điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa cũng được phát triển trên quy hoạch động ngẫu nhiên, yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks (1981) và nhiều người khác sử dụng.
Mô hình tối ưu hoá thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo làm đầu vào. Datta và Bunget (1984) vạch ra một chính sách điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hoá với mục tiêu cực tiểu hoá tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự nhân nhượng là gánh chịu một đơn vị độ lệch lượng trữ và một đơn vị độ lệch lượng xả từ các giá trị đích tương ứng thì phép giải tối ưu hoá phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như hình dạng hàm tổn thất. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu có những khó khăn.
Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mô hình, huấn luyện nhân lực, chi phí giải (bao gồm đầy đủ cả điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và định lượng tất cả các mục tiêu và sự cần thiết cho việc tương tác tốt hơn với người sử dụng). Một phương pháp khác đang được sử dụng hiện nay để giải thích tính ngẫu nhiên của đầu vào là chương trình logic mờ. Lý thuyết tập mờ đã được Zadeth (1965) giới thiệu. Jairaj và Vedula (2000) đã áp dụng phương pháp này cho tối ưu hoá nhiều hồ chứa.
Phương pháp tối ưu hoá là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiêu khai thác hệ thống bằng cách lượng hoá chúng thành các hàm mục tiêu. Sau khi xác định được mục tiêu của bài toán quy hoạch thì vấn đề quan trọng nhất cần đặt ra là xây dựng hàm mục tiêu của bài toán quy hoạch còn gọi là thiết lập bài toán tối ưu. Mô hình mô tả hàm mục tiêu được gọi là mô hình tối ưu. Việc xây dựng hàm mục tiêu tuỳ thuộc vào nhiệm vụ của bài toán quy hoạch và tính phức tạp của hệ thống.
Trong thực tế thường gặp các bài toán đa mục tiêu do những mục đích khai thác khác nhau. Dưới đây sẽ trình bày các dạng cơ bản của hàm mục tiêu đối với bài toán thiết kế hệ thống, phát triển hệ thống và quản lý điều hành hệ thống nguồn nước. * Phương pháp mô phỏng Vì không có khả năng để thí nghiệm với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Thí nghiệm có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình này để cung cấp một sự hiểu biết sâu về bài toán.
Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ. Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các gói mục đích chung phức tạp hơn. Theo Simonovic (1992), các khái niệm vốn gắn với mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mô hình hoá khác. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn hệ thống hồ chứa và điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các hồ và kênh 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau nhất định).
Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là ít hơn nhiều so với mô hình tối ưu hoá. Các kết quả mô phỏng sẽ dễ dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu. Số phần mềm máy tính đa mục tiêu phổ biến có sẵn có thể sử dụng để phân tích mối quan hệ quy họach, thiết kế và vận hành hồ chứa.