CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA 1.1 Hồ chứa và phương pháp VHHTHC 1.1 Khái quát về hồ chứa Do sự phân bố không đều của lượng mưa và dòng chảy trong năm, hồ chứa được xây dựng phục vụ cho các nhu cầu như phát điện, cấp nước tưới cho nông nghiệp, cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, phòng lũ và các nhu cầu sử dụng tổng hợp khác. Bất kể là hồ chứa kích cỡ nào hay mục đích sử dụng nước nào, nhiệm vụ chính của hồ chứa chính vẫn là điều hòa dòng chảy tự nhiên để thỏa mãn nhu cầu dùng nước biến đổi của các hộ dùng. Hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết và phân phối nước cho hệ thống. Hồ chứa có thể được phân loại theo mục đích điều tiết như: (1) phòng lũ; (2) phát điện; (3) tưới; (4) lợi dụng tổng hợp, hoặc theo chu kỳ điều tiết như: ngắn hạn (ngày, tuần); dài hạn (năm, nhiều năm).
Đối với công trình thủy điện, thì tùy vào phương thức tập trung cột nước và lưu lượng phát điện có thể phân ra thành: nhà máy thủy điện sau đập, lòng sông, đường dẫn, đặc biệt. Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu phát triển thì có nhiều hồ chứa trên lưu vực sông đã và đang được xây dựng, hình thành nên các HTHC. Các hồ chứa trong HTHC có thể có các mối quan hệ thủy văn, thủy lực, thủy lợi với nhau. Theo cấu trúc thì HTHC có thể phân ra là: (1) HTHC song song: là các hồ chứa nằm trên các sông nhánh của sông chính.
Trong hệ thống này có thể tồn tại mối quan hệ thủy văn, thủy lợi, nhưng không có các quan hệ thủy lực; (2) HTHC bậc thang: là các hồ chứa nằm nối tiếp nhau trên cùng sông chính hoặc trên cùng một sông nhánh. Trong hệ thống này có thể tồn tại mối quan hệ thủy văn, thủy lợi, thủy lực; (3) HTHC hỗn hợp: là HTHC có cả hai cấu trúc trên, trong đó hệ thống bậc thang này có thể tạo thành hồ chứa song song với các hồ chứa khác và ngược lại. Phân biệt HTHC và các mối quan hệ giữa các hồ chứa là đặc điểm cần quan trọng khi tính toán điều tiết dòng chảy và vận hành cho HTHC.2 Phương pháp VHHTHC Các mô hình cho nghiên cứu hồ chứa có thể chia thành: (1) nghiên cứu mô phỏng và điều khiển trên mô hình vật lý; (2) sử dụng mô hình toán mô phỏng và tối ưu; (3) thực nghiệm và đánh giá bằng cách điều khiển thực tế trực tiếp tại công trình. Trong quản lý hệ thống nguồn nước nói chung và VHHTHC nói riêng thì sử dụng mô hình toán hay thường là chuỗi mô hình toán để đi đến các quyết định quản lý, được đánh giá kiểm định trước khi áp dụng vào thực tế là khoa học và kinh tế hơn cả.
Mô hình toán được chia làm hai loại: (i) mô hình mô phỏng (simulation models); (ii) mô hình tối ưu (optimization models). Mô hình mô phỏng diễn tả các quá trình diễn ra bên trong hệ thống, các mối liên hệ giữa các quá trình và phản hồi của hệ thống đối với một điều khiển áp đặt vào nó. Một cách tổng quát, mô hình mô phỏng phải trả lời được câu hỏi là: điều gì sẽ xảy ra trong hệ thống nếu như một quy tắc vận hành cụ thể nào đó được áp dụng hoặc nếu một thành phần của hệ thống đó hoặc là một vài thông số, đặc tính nào đó của hệ thống đó thay đổi? Mô hình toán mô phỏng cơ bản là khác với mô hình tối ưu. Các mô hình mô phỏng không đưa ra tường minh cho việc vận hành tốt nhất bởi vì nó không đưa ra, được tiêu chí đánh giá các quyết định vận hành.
Tuy nhiên, bằng việc sử dụng các phương pháp mô phỏng, quyết định vận hành được đề xuất trên cơ sở thử dần và đánh giá trên các phương án, bối cảnh đang cân nhắc. Mô hình mô phỏng là một công cụ hữu dụng, không thể thay thế được cho quy hoạch vận hành các hệ thống nguồn nước (HTNN) và HTHC lớn. Quyết định vận hành hợp lý nhất có thể xác định một cách tường minh từ tiếp cận tối ưu. Mô hình tối ưu đưa các tiêu chí và ràng buộc nhất định vào bài toán xem xét.
Khác với mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu phải phân tích chọn hàm tối ưu và hàm này phải xác định rõ ràng tiêu chí chọn quyết định vận hành. Khi có hai tiêu chí trở lên thì cần giải quyết bài toán bằng các phương pháp đa mục tiêu. Các mô hình toán đa mục tiêu (MCDM) cũng được ứng dụng trong việc tìm ra một giải pháp cân bằng mâu thuẫn giữa các mục tiêu nhu cầu khác nhau. 7 Hiện nay, việc vận hành hồ chứa được thực hiện bằng các phương pháp như: (1) biểu đồ điều phối: Biểu đồ điều phối gồm các đường phân chia dung tích hồ thành các vùng khác nhau như cấp nước hạn chế, cấp nước gia tăng, phòng xả thừa, phòng lũ v.
Các đường này được xây dựng từ mô hình mô phỏng trên cơ sở tài liệu thủy văn trong quá khứ. Phương thức đang được sử dụng phổ biến và người vận hành căn cứ vào mực nước hồ và tình hình nước đến trong thời đoạn để quyết định đưa mực nước về đường nào; (2) vận hành tối ưu: Cách thức vận hành được tính toán từ mô hình tối ưu theo mục tiêu đã xác định. Vận hành theo cách này yêu cầu toàn bộ số liệu đầu vào như nước đến, yêu cầu dùng nước của các thời đoạn trong tương lai phải được biết trước hoặc dự báo phải chính xác. Điều này có hạn chế lớn khi mà dự báo dài hạn hiện nay chưa chính xác.
Mặc dù từ mô hình tối ưu có thể xây dựng ra các đường cong tham chiếu theo tần suất nước đến, nhưng người điều hành vẫn khó khăn khi chọn đường nào sẽ đi theo khi mà nước đến là rất biến động trong năm. Về khả năng điều tiết thì hồ chứa có thể được chia thành hồ chứa nước dài hạn (năm, mùa) và hồ chứa nước ngắn hạn (tuần, ngày). Do vậy nghiên cứu vận hành hồ chứa được tính toán với các bước thời gian khác nhau theo thời đoạn như năm, tháng, ngày. Đối với hồ chứa điều tiết dài hạn và trong mùa kiệt, khi mà lưu lượng đến không thay đổi lớn đột ngột, thì việc tính toán thời đoạn tháng cho cả liệt năm thường được sử dụng.
Trong lĩnh vực khí tượng, thuỷ văn, môi trường, phòng chống giảm nhẹ thiên tai nói chung và vận hành hồ chứa nói riêng thì việc sử dụng mô hình toán học và mô hình bản đồ có sự trợ giúp của máy tính, viễn thám (RS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) là công cụ rất sắc bén, đang đòi hỏi ngày một cao cả về số lượng và chất lượng. Nhờ có kỹ thuật mô hình đã cho phép đi sâu vào bản chất của hiện tượng và quá trình mô phỏng rất sát với thực tế hệ thống nghiên cứu, nên rất đắc dụng cho công tác dự báo và tính toán ra quyết định. Việc xây dựng được một mô hình mô phỏng, tối ưu tốt cho quá trình VHHTHC đã và đang đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật vì ta chỉ cần có giải pháp điều khiển hợp lý nhất cho biến số chính là lưu lượng phát điện hay lưu lượng cấp từ hồ xuống hạ lưu, tác động đến quá trình vận hành của cả hệ thống, đem lại hiệu quả kinh tế - xã hội - môi trường lớn, góp phần phát triển bền vững nguồn nước. Bên cạnh 8 đó là các mô hình thích ứng sử dụng tài liệu dự báo nhằm trợ giúp, tăng độ chính xác của kết quả phương án điều hành quản lý có lợi nhất.
Trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều các nghiên cứu về mô hình cả về mô phỏng, tối ưu cùng các hệ thống trợ giúp ra quyết định (DSS). Trong phần này sẽ tập trung vào tổng hợp các mô hình toán mô phỏng và tối ưu phổ biến hiện có trong VHHTHC và ứng dụng của chúng ở Việt Nam.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu VHHC trên thế giới 1.1 Các mô hình mô phỏng và ứng dụng trên thế giới Các mô hình mô phỏng đã được Hiệp hội các kỹ sư quân đội Mỹ sử dụng nghiên cứu vận hành của hệ thống sáu hồ chứa ở sông Missouri vào năm 1953 (Hall and Dracup, 1970) [2]. Kể từ đó thì mô phỏng đã trở thành công cụ hiệu quả để phân tích các hệ thống nguồn nước. Nhiều ứng dụng mô phỏng được đề cập đến trong các nguồn tư liệu.
Các mô hình và phần mềm nổi tiếng có thể nêu tên là; HEC-3 (1971); HEC-5 (1979) được Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn (HEC) phát triển, mô hình (SIM I và II) cho hệ thống nguồn nước ở Texas (Evanson and Mosely, 1970) [3]; mô hình MODSIM do Colorado State University phát triển (Labdie và nnk 1984) [4]; BRASS (Colon và McMahon, 1987) [5]; HEC-PRM (Wurbs, 1993) [6]; các phần mềm trong bộ MIKE (DHI water & environment, 2003) [7]. Trong số các phần mềm nổi tiếng nhất là phần mềm phân tích hệ thống hồ chứa HEC- 3 (1971) và phần mềm mô phỏng hệ thống lũ và hồ chứa HEC-5 (1979). HEC-ResSim (2003) [8] là chương trình thế hệ tiếp theo của mô phỏng hồ chứa HEC-5. Phần mềm HEC-ResSim bao gồm các chương trình tính toán mô phỏng vận hành hồ chứa, quản lý lưu trữ số liệu, chức năng hiển thị và báo cáo.
HEC-DSS (HEC, 1995 and HEC, 2003b) là hệ thống dữ liệu dùng lưu trữ và truy xuất số liệu vào-ra dạng chuỗi thời gian cho bộ HEC. Colon và McMahon (1987) [5] đã phát triển mô hình dòng chảy lưu vực và trong sông BRASS để cải tiến việc xác định dòng chảy tức thời và dự báo quá trình dòng chảy lũ. Mô hình đã được áp dụng ở ba hồ chứa lớn ở hệ thống sông Savannah nhằm trợ giúp quản lý lũ. Việc kết hợp mô hình mô phỏng và tối ưu được sử dụng trong mô hình bán 9 mô phỏng.
Hầu hết các ứng dụng phân tích hệ thống hồ chứa theo chương trình dòng mạng đều liên quan đến bài toán chi phí dòng mạng là nhỏ nhất với hàm mục tiêu tuyến tính. Trong thuật toán tối ưu dòng mạng thì một hệ thống có thể được diễn đạt bằng mạng lưới với các nút và đường nối (hoặc cung). Ford và Fulkerson (1962) [9] sử dụng các mô hình Quy hoạch tuyến tính (LP) hiệu quả như thuật toán sai lệch để tìm ra lời giải tối ưu.
