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.