Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông vu gia thu bồn trong mùa cạn

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông vu gia thu, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Tô Việt Thắng
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Lê Long - Đại học Thủy Lợi
• Trường học: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong mùa cạn
• Loại tài liệu: luận án tiến sỹ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của luận án
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Nội dung nghiên cứu
• 0.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 0.7. Cấu trúc của luận án
• 0.8. Những đóng góp mới của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC HỒ CHỨA THEO LƢU VỰC SÔNG
• 1.1. Một số thuật ngữ và định nghĩa
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông trên thế giới và Việt Nam
• 1.3. Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa
• 1.4. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp mô phỏng
• 1.5. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp tối ưu
• 1.6. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu
• 1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông VGTB
• 1.8. Tóm lược về Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) trên lưu vực sông VGTB
• 1.9. Hạn chế và khoảng trống trong nghiên cứu vận hành liên hồ chứa phân bổ nguồn nước hợp lý tại LVS VGTB
• 1.10. Lựa chọn công cụ tính toán
• 1.11. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA HỢP LÝ LƢU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN TRONG MÙA CẠN
• 2.1. Giới thiệu hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn và lựa chọn các hồ chứa cho nghiên cứu
• 2.2. Thiết lập mô hình mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ có xét tới tương quan về thủy văn trong hệ thống
• 2.2.1. Tính bất định và mô phỏng Monte-Carlo
• 2.2.2. Xác lập dạng phân bố xác suất cho chuỗi dòng chảy tới 04 hồ
• 2.2.3. Thiết lập tương quan thủy văn giữa các nhánh sông
• 2.2.4. Tạo chuỗi số ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày tới 04 hồ
• 2.3. Thiết lập mô hình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu
• 2.3.1. Thiết lập bài toán
• 2.3.2. Đặc điểm hệ thống hồ chứa. Các điểm kiểm soát hạ lưu
• 2.3.3. Mục tiêu và hàm mục tiêu
• 2.3.4. Các ràng buộc của bài toán
• 2.4. Thiết lập mô hình mô phỏng vận hành hệ thống liên hồ chứa
• 2.5. Thiết lập mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng
• 2.5.1. Tối ưu hệ thống
• 2.5.2. Các biến quyết định
• 2.5.3. Khai báo hàm mục tiêu. Thiết lập các thông số chạy mô phỏng
• 2.6. Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành liên hồ chứa HEC-RESSIM
• 2.6.1. Giới thiệu mô hình HEC-RESSIM
• 2.6.2. Mô phỏng hệ thống các hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-RESSIM
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC
• 3.1. Xác định các kịch bản vận hành 04 hồ chứa
• 3.2. Minh họa chi tiết kết quả tính toán vận hành tối ưu của một số kịch bản độc lập
• 3.3. Tổng hợp kết quả tính toán vận hành tối ưu theo các nhóm kịch bản
• 3.3.1. Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản nền
• 3.3.2. Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa
• 3.3.3. Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa với tỉ lệ xả của hồ Đăk Mi 4 theo Quy trình 1537
• 3.4. Tổng hợp kết quả tính toán của tất cả các kịch bản
• 3.5. Tính toán chi tiết kịch bản được lựa chọn bằng mô hình HEC-RESSIM
• 3.6. Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa theo Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537)
• 3.7. Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa theo quy trình lưu lượng phát điện tối ưu đã được lựa chọn – Kịch bản 5
• 3.8. So sánh và phân tích kết quả. Phương án mô phỏng năm 2015 và 2016. Phương án mô phỏng các năm giai đoạn 1981-2008
• 3.9. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phân bổ nguồn nước

Nghiên cứu phân bổ nguồn nước trong lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (VGTB) là một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh khan hiếm nước. Lưu vực sông này có tổng lượng nước hàng năm khoảng 20 tỷ m3, nhưng trong mùa cạn, nguồn nước suy giảm nghiêm trọng. Việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả là cần thiết để đảm bảo cung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Theo nghiên cứu, sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước đã dẫn đến xung đột giữa các hộ sử dụng nước, đặc biệt là giữa thượng nguồn và hạ nguồn. Điều này đòi hỏi một cách tiếp cận tổng thể và hợp lý trong vận hành hệ thống hồ chứa để đảm bảo sự công bằng trong phân bổ nguồn nước.

1.1. Tình hình hiện tại của nguồn nước

Trong mùa cạn, tình trạng thiếu nước diễn ra phổ biến ở hạ lưu các hồ chứa như Hòa Bình, Thác Bà, và Đăk Mi 4. Việc xây dựng các hồ chứa thủy điện đã làm thay đổi lưu lượng nước, gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và sinh kế của người dân. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc quản lý lưu vực sông cần phải được thực hiện một cách đồng bộ và hiệu quả để giảm thiểu xung đột và đảm bảo nguồn nước cho tất cả các bên liên quan.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa để xây dựng mô hình vận hành hệ thống hồ chứa. Mô hình này sẽ giúp xác định các kịch bản vận hành khác nhau nhằm tối ưu hóa việc phân bổ nguồn nước trong mùa cạn. Việc áp dụng mô hình HEC-RESSIM cho phép mô phỏng các điều kiện thực tế và đưa ra các giải pháp khả thi cho việc quản lý tài nguyên nước. Các biến quyết định trong mô hình sẽ được xác định dựa trên các thông số thủy văn và nhu cầu sử dụng nước của các hộ dân. Mô hình này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả quản lý hồ chứa mà còn đảm bảo sự bền vững cho hệ thống tài nguyên nước trong dài hạn.

2.1. Thiết lập mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng được thiết lập dựa trên các dữ liệu thủy văn và các thông số kỹ thuật của các hồ chứa. Việc sử dụng phương pháp Monte Carlo để xác định xác suất dòng chảy tới các hồ chứa là một bước quan trọng trong việc xây dựng mô hình. Mô hình này sẽ giúp phân tích các kịch bản khác nhau và đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc vận hành hệ thống hồ chứa trong mùa cạn, từ đó đảm bảo nguồn nước cho các nhu cầu khác nhau.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng mô hình HEC-RESSIM đã giúp tối ưu hóa việc phân bổ nguồn nước cho các hồ chứa trong mùa cạn. Các kịch bản vận hành được xác định đã cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc cung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả không chỉ giúp giảm thiểu xung đột giữa các hộ sử dụng nước mà còn đảm bảo sự bền vững cho hệ sinh thái. Các kết quả này có thể được áp dụng cho các lưu vực sông khác trong cả nước, góp phần vào việc xây dựng các chính sách quản lý nước hợp lý và hiệu quả.

3.1. Đề xuất chính sách quản lý

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, các chính sách quản lý tài nguyên nước cần được điều chỉnh để phù hợp với thực tế. Việc xây dựng các quy trình vận hành liên hồ chứa cần được thực hiện một cách đồng bộ, đảm bảo rằng các hồ chứa không chỉ phục vụ cho mục tiêu phát điện mà còn phải duy trì dòng chảy cho hạ lưu. Điều này sẽ giúp giảm thiểu xung đột và đảm bảo nguồn nước cho các nhu cầu khác nhau trong mùa cạn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tài nguyên nước trên các lưu vực sông đóng vai trò thiết yếu đối với phát triển kinh tế - xã hội, song sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước giữa các ngành kinh tế (thủy điện, nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt) đã làm gia tăng các xung đột về mặt lợi ích, đặc biệt trong mùa cạn. Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (VGTB) là hệ thống sông liên tỉnh lớn nhất khu vực duyên hải miền Trung Việt Nam, có diện tích lưu vực 10.350 $\text{km}^2$ và tổng lượng dòng chảy hàng năm đạt khoảng 20 tỷ $\text{m}^3$. Trên lưu vực, việc xây dựng và đưa vào vận hành hàng loạt công trình thủy điện lớn ở thượng nguồn đã gây ra mâu thuẫn gay gắt giữa nhiệm vụ phát điện và yêu cầu cấp nước hạ du phục vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt cũng như duy trì dòng chảy môi trường cho tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng.

Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông VGTB ban hành theo Quyết định số 1537/QĐ-TTg ngày 07/09/2015 của Thủ tướng Chính phủ (Quy trình 1537) đã bước đầu thiết lập khung pháp lý điều tiết nguồn nước mùa cạn. Tuy nhiên, quy trình này vẫn bộc lộ các hạn chế: (1) Chuỗi chu kỳ dòng chảy mô phỏng làm căn cứ tính toán chỉ dài 31 năm (1981–2012), chưa phản ánh hết các tổ hợp dòng chảy kiệt bất lợi; (2) Lưu lượng xả tối thiểu giữa các hồ chứa được xác định chủ yếu bằng phương pháp thử dần, chưa dựa trên cơ sở tối ưu hóa phân bổ nguồn nước; (3) Chưa xem xét việc nâng cao hiệu quả phát điện toàn hệ thống trong khi vẫn đáp ứng đầy đủ các ràng buộc về cấp nước hạ du.

Luận án tiến sĩ của tác giả Tô Việt Thắng (2019) với đề tài "Nghiên cứu phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong mùa cạn" được thực hiện nhằm giải quyết các khoảng trống khoa học và thực tiễn nêu trên.

Các mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể:

1. Xác lập cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn trong mùa cạn;
2. Đề xuất phương án phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa, đảm bảo hiệu quả kinh tế tổng hợp cao nhất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Phân bổ nguồn nước hợp lý cho hệ thống 04 hồ chứa thủy điện lớn trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, bao gồm: A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ hệ thống lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thuộc địa bàn tỉnh Kon Tum, tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng.
• Phạm vi thời gian: Tập trung nghiên cứu chế độ dòng chảy và điều tiết phân bổ nguồn nước trong mùa cạn (từ ngày 16 tháng 12 đến ngày 31 tháng 8 năm sau), với bước thời gian tính toán là thời đoạn 10 ngày.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tiến hành tổng thuật chi tiết các hướng nghiên cứu về phân bổ nguồn nước và vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới và tại Việt Nam:

1. Phương pháp quản lý theo biểu đồ điều phối: Thường áp dụng hiệu quả cho các hồ chứa đơn lẻ với các đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước. Tuy nhiên, cách tiếp cận này gặp nhiều hạn chế khi áp dụng cho hệ thống nhiều hồ chứa bậc thang có mối liên hệ thủy lực phức tạp.
2. Phương pháp mô phỏng (Simulation): Mô tả hoạt động thủy văn, thủy lực của hệ thống theo các quy tắc định sẵn. Trên thế giới, các mô hình HEC (HEC-3, HEC-5, HEC-RESSIM) của USACE (1962), IRIS (Rani & Moreira, 2010), WEAP được ứng dụng rộng rãi. Tại Việt Nam, Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) áp dụng HEC-RESSIM cho lưu vực sông Hương; Hoàng Thanh Tùng (2015) sử dụng WEAP tính toán phân bổ nước sông Ba; Ngô Lê Long và Nguyễn Mạnh Toàn (2010) dùng MIKE 11 đánh giá cắt lũ sông Hương; Lương Hữu Dũng (2016) kết hợp mô hình NAM và MIKE 11 vận hành liên hồ phòng lũ sông Ba. Điểm hạn chế của mô phỏng là chỉ so sánh giữa các kịch bản định trước mà không tự động tìm ra lời giải tối ưu.
3. Phương pháp tối ưu hóa (Optimization): Tìm kiếm phương án vận hành tốt nhất thỏa mãn các hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc. Các thuật toán tối ưu bao gồm tối ưu tất định (quy hoạch tuyến tính, phi tuyến, quy hoạch động DP, nhân tử Lagrange) và tối ưu ngẫu nhiên (quy hoạch động ngẫu nhiên SDP - Estalrich & Buras 1991, Talukdar et al. 2012; quy hoạch động Monte Carlo - Young 1967). Bên cạnh đó, các thuật toán tìm kiếm heuristic và trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh như giải thuật di truyền GA (Oliveira & Loucks 1997, Kumphon 2013, Chen 2003, Robin 2012, Tô Thúy Nga & Nguyễn Thế Hùng 2013), lý thuyết tập mờ (Dubrovin et al. 2002, Akter & Simonović 2004), mạng nơ-ron nhân tạo ANN (Neelakantan & Pundarikanthan 2000), phương pháp quy hoạch động hai chiều DP-DP (Hồ Ngọc Dung, 2017).
4. Phương pháp kết hợp mô phỏng - tối ưu (Simulation - Optimization): Kết hợp khả năng mô tả chi tiết hệ thống của mô hình mô phỏng với khả năng dò tìm giải pháp tối ưu của thuật toán toán học (Loucks & van Beek 2005, Wardlaw & Sharif 1999, Carson & Maria 1997). Tại Việt Nam, Ngô Lê Long và cộng sự (2007) kết hợp mô phỏng với dò tìm số học cho hồ Hòa Bình mùa lũ; Tô Trung Nghĩa và Lê Hùng Nam (2007) kết hợp MIKE 11 và GAMS cho hệ thống hồ Hòa Bình - Thác Bà - Tuyên Quang mùa cạn; Hoàng Minh Tuyển (2009) kết hợp GAMS và MIKE 11 cho sông Hương; Lê Xuân Cầu và cộng sự (2014) tích hợp mô phỏng với thuật toán GEN cho lưu vực sông Cả; Hoàng Thanh Tùng, Hà Văn Khối, Nguyễn Thanh Hải (2013) ứng dụng Crystal Ball cho bài toán vận hành hồ đa mục tiêu bậc thang sông Đà.
5. Các nghiên cứu trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn: Hoàng Minh Hiếu (2013) dùng GA tối ưu vận hành hồ A Vương theo bước tháng; Nguyễn Thế Hùng và Lê Hùng (2011) dùng quy hoạch động lập trình Delphi cho hồ A Vương và Định Bình; Lê Văn Nghị (2015) nghiên cứu thủy động lực và chỉnh trị sông Quảng Huế; Tô Thúy Nga và Nguyễn Thế Hùng (2013) xây dựng mô hình MOPHONG-LU kết hợp HEC-HMS và HEC-RESSIM điều tiết lũ thời gian thực.

Vị trí của luận án: Luận án của Tô Việt Thắng tập trung vào khoảng trống nghiên cứu chưa được giải quyết trên lưu vực VGTB: xây dựng bộ công cụ kết hợp mô phỏng Monte Carlo kéo dài chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên có xét tương quan không gian, tích hợp mô phỏng và tối ưu hóa bằng công cụ Crystal Ball (mô-đun OptQuest) với mô hình thủy lực HEC-RESSIM để giải bài toán phân bổ nguồn nước và vận hành liên hồ chứa 04 hồ thủy điện lớn trong mùa cạn theo thời đoạn 10 ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm

Luận án dựa trên các nền tảng lý thuyết chính:

• Nguyên tắc quản lý tổng hợp tài nguyên nước theo lưu vực sông: Coi lưu vực sông là một thực thể thống nhất không bị chia cắt bởi địa giới hành chính, tích hợp quản lý theo không gian (thượng lưu - hạ lưu) và liên ngành (năng lượng, nông nghiệp, môi trường, cấp nước dân sinh).
• Lý thuyết tối ưu hóa toán học: Dạng chính tắc của bài toán tối ưu được xác lập dưới dạng: $$\min (\text{hoặc } \max) f(X), \quad X = (x_1, x_2, \dots, x_n) \in \mathbb{R}^n$$ Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đẳng thức và bất đẳng thức: $$g_j(X) \le 0, \quad j = 1, 2, \dots, m$$ $$a_i \le x_i \le b_i, \quad i = 1, 2, \dots, n$$
• Lý thuyết quá trình ngẫu nhiên và mô phỏng Monte Carlo: Áp dụng để mô phỏng chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên đến các hồ chứa dựa trên các hàm phân bố xác suất lý thuyết và ma trận tương quan thủy văn giữa các lưu vực nhánh.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu định lượng:

• Phương pháp kế thừa và phân tích hệ thống: Kế thừa số liệu địa hình, công trình, thủy văn và các nghiên cứu trước đây; tiếp cận hệ thống phân tích mối quan hệ tương tác giữa các nguồn nước, công trình khai thác và các đối tượng sử dụng nước.
• Phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo: Sử dụng phần mềm Oracle Crystal Ball để xác định hàm phân phối xác suất phù hợp cho dòng chảy 10 ngày tới từng hồ chứa, thiết lập ma trận tương quan thủy văn giữa 04 lưu vực nhánh (A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2), và phát sinh chuỗi số liệu ngẫu nhiên 10.000 số thời đoạn 10 ngày.
• Phương pháp kết hợp mô phỏng - tối ưu hóa:
  • Mô hình bảng tính Excel tích hợp mô-đun OptQuest (thuộc Crystal Ball) áp dụng các thuật toán tìm kiếm nâng cao (Tabu Search, Scatter Search, Mạng Nơ-ron) để dò tìm quỹ đạo điều tiết mực nước và lưu lượng phát điện ($Q_{\text{turbin}}$) tối ưu.
  • Mô hình mô phỏng thủy văn - thủy lực HEC-RESSIM được thiết lập để mô phỏng hệ thống liên hồ chứa, sử dụng phương pháp diễn toán dòng chảy Muskingum và hiệu chỉnh/kiểm định với số liệu thực đo tại các trạm thủy văn Thành Mỹ và Nông Sơn.

Hạng mục phương pháp	Công cụ / Kỹ thuật áp dụng	Mục đích trong luận án
Kéo dài chuỗi thủy văn	Mô phỏng Monte Carlo (Crystal Ball)	Phát sinh 10.000 chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên 10 ngày có xét tương quan nhánh
Tối ưu hóa điều tiết	OptQuest (Tabu Search, Scatter Search)	Tìm nghiệm phân bổ lưu lượng xả và mực nước hồ tối ưu hóa điện lượng mùa cạn
Mô phỏng liên hồ chứa	HEC-RESSIM, diễn toán Muskingum	Kiểm tra, đánh giá chế độ thủy lực dòng chảy và đáp ứng mực nước kiểm soát hạ du
Kiểm định thủy lực hạ du	Mô hình MIKE 11 (kế thừa từ tài liệu QTVH)	Kiểm tra quan hệ mực nước $H$ và lưu lượng $Q$ tại Ái Nghĩa và Giao Thủy

Nguồn tư liệu và dữ liệu

• Số liệu dòng chảy mô phỏng từ mô hình NAM giai đoạn 1981–2012 của 04 hồ chứa.
• Số liệu thủy văn thực đo giai đoạn 1976–2008, 2014–2016 tại các trạm Thành Mỹ, Nông Sơn, Ái Nghĩa, Giao Thủy.
• Số liệu đặc tính kỹ thuật công trình của 04 nhà máy thủy điện: A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2.
• Số liệu định mức tưới nông nghiệp của Viện Kinh tế - Thủy lợi và Quyết định số 2751/QĐ-UBND của UBND tỉnh Quảng Nam (vụ Đông Xuân: 6.166 $\text{m}^3/\text{ha}$, vụ Hè Thu: 6.000–7.000 $\text{m}^3/\text{ha}$).
• Số liệu dòng chảy môi trường theo Quy hoạch tổng thể thủy lợi Nam Trung Bộ (lưu lượng duy trì tại Ái Nghĩa: $35\text{ m}^3/\text{s}$, tại Giao Thủy: $40\text{ m}^3/\text{s}$, tổng cộng hạ lưu là $75\text{ m}^3/\text{s}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu và các phương pháp tính toán phân bổ nguồn nước hồ chứa theo lưu vực sông

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm, cơ sở lý luận về phân bổ nguồn nước, mâu thuẫn sử dụng nước trong hệ thống hồ chứa đa mục tiêu và tổng thuật các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế. Tác giả đi sâu phân tích nội dung Quy trình 1537 trên lưu vực sông VGTB, làm rõ các quy định vận hành mùa cạn:

• Phân kỳ vận hành: Thời kỳ cấp nước bình thường (16/12 – 10/5 và 11/6 – 31/8) và Thời kỳ cấp nước gia tăng (11/5 – 10/6).
• Điểm kiểm soát hạ lưu: Trạm Ái Nghĩa (trên sông Vu Gia) và trạm Giao Thủy (trên sông Thu Bồn).

Trạm thủy văn kiểm soát	Trường hợp mực nước thấp ($H$)	Lưu lượng tương ứng ($Q$)	Trường hợp mực nước trung bình ($H$)	Lưu lượng tương ứng ($Q$)
Ái Nghĩa	$H < 2{,}67\text{ m}$	$62{,}0\text{ m}^3/\text{s}$	$2{,}67\text{ m} \le H < 2{,}80\text{ m}$	$73{,}3\text{ m}^3/\text{s}$
Giao Thủy	$H < 1{,}02\text{ m}$	$120{,}0\text{ m}^3/\text{s}$	$1{,}02\text{ m} \le H < 1{,}16\text{ m}$	$156{,}0\text{ m}^3/\text{s}$

Chương này cũng tổng hợp quy định lưu lượng xả tối thiểu của 04 hồ chứa theo Quy trình 1537:

Thời kỳ cấp nước	Khoảng thời gian	A Vương ($\text{m}^3/\text{s}$)	Sông Bung 4 ($\text{m}^3/\text{s}$)	Đăk Mi 4 ($\text{m}^3/\text{s}$)	Sông Tranh 2 ($\text{m}^3/\text{s}$)
Bình thường	16/12 - 31/1	18 - 22	30 - 35	8 - 12,5	29 - 35
Bình thường	01/2 - 10/4	18 - 22	25 - 40	8 - 12,5	29 - 35
Bình thường	11/4 - 10/5	15 - 18	23 - 35	8 - 12,5	29
Gia tăng	11/5 - 10/6	25 - 30	43 - 55	12,5 - 25	80 - 90
Bình thường	11/6 - 31/8	24 - 28	28 - 40	8 - 12,5	29

Chương 1 kết luận về 03 khoảng trống trọng tâm: thiếu chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên dài hạn; quy định lưu lượng xả giữa các hồ còn mang tính thử dần; và chưa tối ưu hóa hiệu quả phát điện toàn hệ thống trong mùa cạn.

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình phân bổ nguồn nước và vận hành hệ thống hồ chứa hợp lý lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn trong mùa cạn

Chương 2 trình bày quy trình thiết lập khung mô hình toán tích hợp phục vụ bài toán điều tiết:

1. Mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ: Thiết lập hàm phân phối xác suất thích hợp cho từng thời đoạn 10 ngày của 04 hồ chứa. Sử dụng ma trận hệ số tương quan thủy văn không gian giữa các nhánh sông để phát sinh chuỗi 10.000 số ngẫu nhiên bằng phương pháp Monte Carlo trong Crystal Ball, đảm bảo bảo toàn cấu trúc thống kê và tính tương quan thực tế.
2. Thiết lập bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu:
   • Biến quyết định: Lưu lượng xả qua tuabin phát điện ($Q_{\text{turbin}}$) hoặc mực nước hồ tại cuối các thời đoạn 10 ngày.
   • Hàm mục tiêu: Cực đại hóa tổng sản lượng điện sản xuất mùa cạn của toàn bộ hệ thống 04 nhà máy thủy điện: $$\max E_{\text{tổng}} = \sum_{k=1}^{4} \sum_{t=1}^{T} E_{k,t}$$
   • Các điều kiện ràng buộc: Cân bằng nước hồ chứa; giới hạn dung tích và mực nước (mực nước chết $\le Z \le$ mực nước dâng bình thường); công suất phát điện và lưu lượng xả qua tuabin ($Q_{\min} \le Q_{\text{turbin}} \le Q_{\max}$); ràng buộc lưu lượng và mực nước yêu cầu tại các trạm kiểm soát hạ lưu Ái Nghĩa và Giao Thủy.
3. Kết nối mô hình mô phỏng và tối ưu: Tích hợp mô hình cân bằng nước trên Excel với công cụ tìm kiếm OptQuest.
4. Xây dựng mô hình HEC-RESSIM: Mô phỏng mạng lưới sông VGTB, thông số hóa 04 hồ chứa, các đoạn sông và khu giữa. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với số liệu dòng chảy thực tế tại Thành Mỹ và Nông Sơn trong mùa cạn các năm 2015 và 2016 theo phương pháp diễn toán Muskingum.

Chương 3: Kết quả tính toán vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước

Chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng và tính toán tối ưu theo các kịch bản:

• Phân loại kịch bản:
  • Nhóm kịch bản nền: Vận hành theo đúng các quy định hiện hành của Quy trình 1537.
  • Nhóm kịch bản theo đặc điểm hồ chứa: Phân bổ lưu lượng xả dựa trên tỷ lệ diện tích lưu vực, tỷ lệ dung tích hữu ích và tỷ lệ dòng chảy đến giữa các hồ.
  • Nhóm kịch bản điều chỉnh tỷ lệ xả của hồ Đăk Mi 4: Xem xét các mức xả khác nhau về lưu vực sông Vu Gia để giảm căng thẳng thiếu nước tại Ái Nghĩa.
  • Kịch bản tối ưu hóa phát điện (Kịch bản 5): Tối ưu hóa quỹ đạo mực nước và lưu lượng xả của 04 hồ chứa.
• Tính toán kiểm chứng: Sử dụng mô hình HEC-RESSIM chạy kiểm định kịch bản tối ưu được chọn (Kịch bản 5) so sánh với Quy trình 1537 trên các tập dữ liệu:
  • Phương án năm kiệt 2015 và 2016.
  • Phương án chuỗi thủy văn lịch sử dài hạn giai đoạn 1981–2008.
• Kết quả so sánh: Kịch bản đề xuất chứng minh khả năng duy trì mực nước hạ lưu tại Ái Nghĩa ($\ge 2{,}67\text{ m}$) và Giao Thủy ($\ge 1{,}02\text{ m}$) ổn định hơn, giảm thiểu các đợt thiếu nước cục bộ, đồng thời gia tăng tổng sản lượng điện phát trong mùa cạn của hệ thống 04 thủy điện so với vận hành theo Quy trình 1537.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

1. Xác lập cơ sở khoa học hoàn chỉnh cho bài toán phân bổ nguồn nước và vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa trong mùa cạn trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thông qua việc tích hợp phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo có xét tương quan không gian với kỹ thuật mô phỏng - tối ưu hóa (Crystal Ball / OptQuest) và mô hình thủy lực HEC-RESSIM.
2. Thiết lập phương pháp luận xác định lưu lượng xả tối thiểu và chế độ điều tiết của từng hồ chứa trong hệ thống bậc thang dựa trên tối ưu hóa toàn cục, khắc phục nhược điểm của phương pháp thử dần truyền thống.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Bước đầu đề xuất quy trình vận hành tối ưu chi tiết cho hệ thống 04 hồ chứa lớn nhất lưu vực VGTB (A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2), cung cấp bộ quỹ đạo điều phối mực nước và quy tắc xả phát điện 10 ngày trong mùa cạn đảm bảo tối đa hóa điện lượng sản xuất và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cấp nước hạ du.
2. Cung cấp luận cứ khoa học và công cụ tính toán hỗ trợ các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên & Môi trường, Bộ Nông nghiệp & PTNT, các địa phương Quảng Nam, Đà Nẵng) trong việc xem xét, điều chỉnh và hoàn thiện Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Phạm vi mô hình tối ưu tập trung chủ yếu vào 04 hồ chứa thủy điện lớn trên lưu vực, chưa tích hợp đầy đủ các công trình thủy lợi, thủy điện vừa và nhỏ khác.
• Bước thời gian tính toán của mô hình là thời đoạn 10 ngày, chưa mô phỏng chi tiết chế độ vận hành theo thời gian thực (bước giờ, bước ngày).
• Chưa xét chi tiết bài toán lan truyền mặn động học tại các cửa sông trong sự kết hợp với triều cường và gió mùa.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng mô hình liên hồ chứa cho toàn bộ các công trình hồ chứa trên toàn lưu vực sông VGTB.
• Nghiên cứu mô hình vận hành tối ưu thời gian thực với bước thời gian ngắn hơn phục vụ điều hành tác nghiệp trực tiếp.
• Tích hợp thêm các kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng và bài toán xâm nhập mặn vùng hạ lưu cửa sông.

Giá trị tham khảo

• Đối với cơ quan quản lý nhà nước: Cung cấp phương pháp luận và số liệu tham khảo để điều chỉnh quy định lưu lượng xả tối thiểu và biểu đồ mực nước kiểm soát trong Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông VGTB.
• Đối với các đơn vị quản lý, vận hành thủy điện: Cung cấp quy tắc vận hành linh hoạt, giúp các nhà máy thủy điện (A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4, Sông Tranh 2) chủ động kế hoạch phát điện, nâng cao doanh thu mà vẫn tuân thủ các quy định xả dòng chảy môi trường và cấp nước hạ du.
• Đối với công tác đào tạo và nghiên cứu học thuật: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học và Quản lý hệ thống công trình thủy lợi - thủy điện về việc ứng dụng công cụ Crystal Ball, HEC-RESSIM và phương pháp mô phỏng - tối ưu hóa kết hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án nghiên cứu tối ưu hóa vận hành cho những hồ chứa nào trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn?
Luận án tập trung nghiên cứu hệ thống 04 hồ chứa thủy điện lớn nhất đóng vai trò chi phối dòng chảy mùa cạn trên lưu vực sông VGTB, bao gồm: hồ thủy điện A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2.

2. Điểm hạn chế chính của Quy trình 1537 được luận án chỉ ra là gì?
Quy trình 1537 được xây dựng dựa trên chuỗi dòng chảy mô phỏng chỉ dài 31 năm (1981–2012) nên chưa bao quát hết các tổ hợp kiệt bất lợi; lưu lượng xả tối thiểu của các hồ được xác định bằng phương pháp thử dần; và quy trình chưa xem xét bài toán tối ưu hóa sản lượng điện năng toàn hệ thống trong mùa cạn.

3. Luận án đã sử dụng công cụ nào để thực hiện phương pháp kết hợp mô phỏng - tối ưu hóa?
Tác giả sử dụng phần mềm Oracle Crystal Ball (với mô-đun OptQuest áp dụng các giải thuật Tabu Search, Scatter Search và Mạng Nơ-ron) tích hợp trong Excel để giải bài toán tối ưu hóa, kết hợp với mô hình HEC-RESSIM để mô phỏng và kiểm tra chế độ thủy lực trên toàn mạng lưới sông.

4. Hai vị trí kiểm soát dòng chảy hạ du chính trên lưu vực sông VGTB và các ngưỡng mực nước yêu cầu là gì?
Hai vị trí kiểm soát khống chế là trạm thủy văn Ái Nghĩa (trên sông Vu Gia, kiểm soát ở các mức mực nước $2{,}67\text{ m}$ và $2{,}80\text{ m}$) và trạm thủy văn Giao Thủy (trên sông Thu Bồn, kiểm soát ở các mức mực nước $1{,}02\text{ m}$ và $1{,}16\text{ m}$).

5. Phương pháp Monte Carlo được tác giả áp dụng nhằm giải quyết vấn đề gì trong luận án?
Phương pháp Monte Carlo được sử dụng để phát sinh chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày gồm 10.000 số liệu cho 04 hồ chứa, có xét đến các hàm phân phối xác suất và hệ số tương quan thủy văn giữa các nhánh sông, giúp kéo dài chuỗi số liệu đầu vào phục vụ phân tích rủi ro và tối ưu hóa vận hành trong điều kiện thủy văn bất định.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Tô Việt Thắng đã xây dựng thành công khung cơ sở khoa học và bộ công cụ kết hợp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo, mô hình tối ưu hóa OptQuest (Crystal Ball) và mô hình HEC-RESSIM phục vụ phân bổ nguồn nước và vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn trong mùa cạn. Công trình đã chứng minh phương án vận hành tối ưu hóa lưu lượng phát điện (Kịch bản 5) không những đáp ứng các yêu cầu khắt khe về mực nước cấp nước hạ du tại Ái Nghĩa và Giao Thủy mà còn nâng cao hiệu quả phát điện của toàn hệ thống 04 hồ chứa so với Quy trình 1537 hiện hành. Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp cơ sở quan trọng cho công tác quản lý tổng hợp tài nguyên nước và hoàn thiện quy trình điều tiết liên hồ chứa tại khu vực miền Trung.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và các phương pháp tính toán vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông. Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới, trong nước và trên lưu vực sông VGTB với ứng dụng lần lượt các phương pháp mô phỏng, tối ưu, từ đó thấy được những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu và đưa ra được định hướng nghiên cứu trong Luận án. Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình phân bổ nguồn nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB trong mùa cạn. Chương này trình bày nội dung xây dựng các cơ sở khoa học cần thiết để phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa phục vụ công tác phân bổ nguồn nước lưu vực sông VGTB.

Nội dung bao gồm nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ có xét tới tương quan về thủy văn trong hệ thống; Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa; Xây dựng mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa; Chương 3: Kết quả tính toán vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông VGTB nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước. Chương này trình bày các kết 8 quả tính toán vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa trên hệ thống sông VGTB với mô hình kết hợp mô phỏng – tối ưu tính toán tối đa sản lượng điện từ các hồ trong khi đảm bảo nhu cầu sử dụng nước hạ lưu. Mô hình sẽ được sử dụng để tính toán nhiều kịch bản nhằm tìm ra kịch bản có lợi nhất, tính toán kiểm tra bằng các mô hình mô phỏng hệ thống, từ đó đánh giá để đưa ra những khuyến nghị khi sử dụng trong thực tế phối hợp vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông VGTB. Những đóng góp mới của luận án  Xác lập được cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa trong phân bổ hợp lý nguồn nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;  Bước đầu đề xuất xác lập được quy trình vận hành tối ưu hệ thống 04 hồ chứa lớn nhất trên lưu vực sông VGTB bao gồm (hồ chứa A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2) đảm bảo tối đa hóa điện lượng sản xuất từ các hồ chứa phát điện và hài hòa mục tiêu đáp ứng yêu cầu cấp nước hạ du; 9 CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC HỒ CHỨA THEO LƢU VỰC SÔNG 1. Một số thuật ngữ và định nghĩa Tài nguyên nước: bao gồm nguồn nước mặt, nước dưới đất, nước mưa và nước biển thuộc lãnh thổ của nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam. Nguồn nước: là các dạng tích tụ nước tự nhiên hoặc nhân tạo có thể khai thác, sử dụng bao gồm sông, suối, kênh, rạch, hồ, ao, đầm, phá, biển, các tầng chứa nước dưới đất; mưa, băng, tuyết và các dạng tích tụ nước khác. Hồ chứa (reservoir): là công trình trữ và điều tiết nước, bao gồm vùng lòng hồ được tính từ cao trình đỉnh đập trở xuống và đập tạo hồ chứa.

Công trình tích nước và điều tiết dòng chảy nhằm cung cấp nước cho các ngành kinh tế quốc dân, sản xuất điện năng, cắt giảm lũ cho vùng hạ lưu v. Hệ thống hồ chứa: là hệ thống bao gồm nhiều hồ chứa trên một dòng sông hoặc trên một hệ thống sông liên quan với nhau về mặt khai thác, sử dụng tài nguyên nước; điều tiết dòng chảy sông; phòng, chống tác hai do nước gây ra và bảo vệ môi trường trên lưu vực sông. Phân bổ nguồn nước: được hiểu là sự phối hợp vận hành giữa các hồ chứa nhằm phân bổ lại tỷ lệ đóng góp nước của các hồ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước của hạ du. Quy trình vận hành điều tiết hồ chứa nước: là văn bản quy định về nguyên tắc, nội dung và trình tự vận hành các công trình của hồ chứa nước để điều chỉnh việc trữ nước, cấp nước và xả nước trong các trường hợp khác nhau của thời tiết hoặc khi yêu cầu cấp nước thay đổi, đảm bảo hồ chứa làm việc đúng với năng lực 10 thiết kế và các điều kiện đã lựa chọn; hạn chế thiệt hai khi hồ chứa gặp lũ vượt thiết kế hoặc dòng chảy kiệt nhỏ hơn thiết kế.

Biểu đồ điều phối hồ chứa nước: là biểu đồ kỹ thuật xác định giới hạn làm việc an toàn về phòng chống lũ và cấp nước của hồ chứa, giúp người quản lý chủ động vận hành khai thác. Đường phòng phá hoại trong biểu đồ điều phối: là giới hạn trên vùng cấp nước bình thường của hồ chứa nước. Đường hạn chế cấp nước trong biểu đồ điều phối: là giới hạn dưới vùng cấp nước bình thường của hồ chứa nước. Lưu vực sông: là vùng đất mà trong phạm vi đó nước măt, nước dưới đất chảy tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển.

Dòng chảy tối thiểu: là dòng chảy ở mức thấp nhất cần thiết để duy trì dòng sông hoặc đoạn sông nhằm đảm bảo sự phát triển bình thường của hệ sinh thái thủy sinh và bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng nguồn nước của các đối tượng sử dụng nước. Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nƣớc lƣu vực sông trên thế giới và Việt Nam 1. Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa Hồ chứa là công trình thủy lợi, thủy điện làm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy, trữ nước vào mùa lũ để sử dụng trong mùa cạn và hoặc tích lũy thế năng để chuyển thành năng lượng điện. Căn cứ vào đặc điểm điều tiết dòng chảy, có thể phân loại hồ chứa dựa vào chu kỳ, mục đích điều tiết, mức độ sử dụng dòng chảy… Theo mục đích điều tiết, có thể phân loại hồ chứa điều tiết phục vụ tưới, phát điện, cấp nước (không kể cấp nước tưới), vận tải thủy, phòng lũ và các loại điều tiết khác.

Hầu hết các hồ chứa lớn hiện nay là các hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Tuy nhiên, các mục tiêu cơ bản của hồ chứa thường lại mâu thuẫn với nhau. Có thể kể đến các mâu thuẫn sau: (i) Mâu thuẫn trong việc sử dụng dung tích hồ chứa: Các 11 mâu thuẫn này xuất hiện khi một hồ chứa (có dung tích hạn chế) được yêu cầu phải thỏa mãn nhiều mục tiêu; (ii) Mâu thuẫn giữa các mục tiêu : mâu thuẫn này nảy sinh khi chế độ vận hành cấp nước cho các mục tiêu là khác nhau; (iii) Mâu thuẫn trong cùng một mục tiêu: nhu cầu nước và lượng nước đến thường không phải lúc nào cũng thoả mãn theo thời gian, đòi hỏi việc tiết kiệm nước cần được đặt ra trong khi vận hành các hồ chứa. Để tránh xung đột giữa các mục tiêu, nhiều phương pháp đã được xây dựng và giới thiệu nhằm hỗ trợ cho công tác vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa hợp lý và có hiệu quả trên lưu vực sông.

Tuy nhiên tựu chung lại có 02 phương pháp cơ bản là (1) Phương pháp quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối và (2) Phương pháp quản lý vận hành hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống. Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối: Hướng nghiên cứu này thường được sử dụng đối với hồ chứa độc lập đơn thuần và chỉ có nhiệm vụ cấp nước phát điện và chống lũ cho bản thân công trình. Biểu đồ điều phối là căn cứ chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận hành hồ chứa thông qua các quy tắc vận hành được biểu diễn dưới dạng đồ thị hay bảng hướng dẫn theo mực nước (dung tích) hồ theo thời gian trong năm. Các biểu đồ điều phối được sử dụng cả đối với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm trong hệ thống bậc thang.

Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng có hiệu quả đối với các hồ chứa độc lập. Quản lý vận hành hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống: Đây là phương pháp quản lý hiện đại. Hệ thống các hồ chứa và công trình phân phối nước được thiết lập như một hệ thống tổng hợp. Các nghiên cứu theo hướng này tập trung xây dựng các mô hình mô phỏng kết hợp với dự báo để trợ giúp điều hành cho công tác quản lý vận hành.

Các phương pháp quản lý vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa theo hướng này có thể kể đến là phương pháp sử dụng các mô hình mô phỏng, phương pháp tối ưu hóa và phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu (Louck and Eelco van Beek, 2005), (Liu et al. Trong khi các mô hình mô phỏng có thể mô tả hệ thống một cách tốt nhất thì các mô hình tối ưu thường hữu ích nếu mục đích chính là cải thiện biểu hiện của hệ thống. Các mô hình cũng có thể có khả năng mô phỏng và tối ưu đồng thời (Mckinney, Cai, Rosegrant, Ringler, & Scott, 1999) [35]. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp mô phỏng Vì không có khả năng để dựng một mô hình vật lý thí nghiệm các hoạt động của hồ chứa trong thực tế, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu nhằm mô phỏng các phương án vận hành để tìm hiểu sâu hơn về hoạt động của hồ chứa.

Bản chất của mô phỏng là mô tả lại hoạt động của hệ thống, mọi đặc trưng quan trọng của hệ thống để thấy phản ứng của hệ thống đối với các điều kiện, kịch bản đưa ra, từ đó có thể giúp hình dung về hệ thống thực hoạt động như thế nào theo thời gian theo từng điều kiện thay đổi. Các mô hình mô phỏng không thể tạo ra một giải pháp tối ưu trực tiếp cho việc vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước. Tuy nhiên, khi chạy mô hình mô phỏng nhiều lần với các kịch bản khác nhau sẽ hỗ trợ việc tìm ra một kịch bản phù hợp nhất hoặc gần phù hợp nhất (Fayaed et al. Nói một cách khác, Rani & Moreira (2010) [40] cho rằng phương pháp mô phỏng thường được sử dụng để mô tả lại hoạt động về mặt thủy văn, thủy lực của các hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông trong đó sử dụng các số liệu dòng vào trong các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống.