Chương I: Tổng quan Chương II: Cơ sở lý thuyết thuật toán di truyền Chương III: Tối ưu hóa vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ bằng thuật toán di truyền trong môi trường Matlab. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các phƣơng pháp vận hành hồ chứa Điều hành hồ chứa là một phần quan trọng của quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Quy trình vận hành hồ chứa xác định lượng xả 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.
Với hồ chứa đa mục tiêu, ngoài ra còn yêu cầu phân phối lưu lượng xả cho các mục tiêu. Hiện nay, có hai phương pháp cơ bản để nghiên cứu vận hành hồ chứa đó là phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa: 1.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 cho 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) [29], các khái niệm vốn gắn các 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 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 hoạch, thiết kế và vận hành hồ chứa. Hầu hết các phần mềm có thể chạy trong máy vi tính đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm thực hành đã được chuẩn bị, nó dễ 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng.
Nghiên cứu nước ngoài: Một trong số mô hình phổ biến rộng rãi nhất được sử dụng trong mô phỏng hệ thống hồ chứa tổng quát là mô hình HEC-5 [22], phát triển bởi Trung tâm thủy văn công trình (Feldman 1981, Wurbs 1996). Jain và Goel (1999) [24] đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường điều phối. Cheng (2004) [20] thiết lập một hệ thống phần mềm kiểm soát lũ tiêu chuẩn hóa nhiều hồ chứa, tích hợp thu thập dữ liệu thời gian thực và chế biến, phân tích lượng mưa, dự báo lũ, phân tích hệ thống hồ chứa, truy vấn thông tin và một số các phương pháp gần đây của kiểm soát lũ dựa trên quy mô hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu. Nghiên cứu đã thiết lập một mô đun hoạt động kiểm soát lũ, hồ chứa kiểm soát lũ hoạt động với thời gian thực.
Hoạt động xả lũ của hồ chứa có thể mô phỏng là một hằng số hoặc một cửa xả với dung tích điều tiết quy định. Hệ thống sẽ tự động kiểm tra sức chứa giới hạn của hồ ở mỗi khoảng thời gian khi người sử dụng cố định lượng chảy ra. Một sự lựa chọn mô phỏng được thiết lập dưới dạng hằng số hoặc một dung tích điều tiết hoặc tổng hợp cả hai. Phương trình cân bằng khối lượng hay sự tính toán truyền lũ dòng chảy hồ chứa sẽ được sử dụng để xác định thay đổi của kho chứa kiểm soát lũ.
Phần lớn các phần mềm vận hành hồ chứa được kết nối với mô hình diễn toán lũ dựa trên mô hình Muskingum hay sóng động học như các phần mềm thương mại MODSIM (Labadie et al. 2000), RiverWare (Zagona et al. Điều này rất hạn chế cho việc điều hành chống lũ và không áp dụng được cho lưu vực có ảnh hưởng của thủy triều hay nước vật. Nghiên cứu trong nước: Ở Việt Nam hồ chứa trên các hệ thống sông với nhiều mục đích khác nhau đã và đang được tiến hành xây dựng, như hệ thống hồ chứa trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.
để vận hành một hệ thống không nhỏ các hồ chứa nhiều nhà nghiên cứu trong nước đã sử dụng các mô hình mô 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phỏng khác nhau, phổ biến hiện nay là mô hình HEC-RESSIM một mô hình vận hành có điều khiển phát triển lên từ HEC-5. Nghiên cứu của Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) [11] áp dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng điều tiết lũ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hương, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương (tại Kim Long và Phú ốc). Nguyễn Hữu Khải, Lê Xuân Cầu (2010) [9] “Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng hợp lý tài nguyên nước về mùa kiệt lưu vực sông Ba” (đề tài KC.30/06-10), Đề tài đã sử dụng nhiều công nghệ trong đó có mô hình Hec-recssim để mô phỏng vận hành liên hồ chứa sông Ba, sử dụng mô hình Mike 11 để diễn toán lũ về hạ lưu. Lê Hùng, Tô Thúy Nga [7], áp dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng hệ thống hồchứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, từ đó đề xuất quy tắc vận hành hồ chứa ứng với trường hợp mực nước trước khi lũ về nhỏ hơn mực nước đón lũ, nhằm xả lũ an toàn cho hạ du đồng thời không ảnh hưởng lớn đến mục tiêu phát điện của các hồ chứa.
Ngoài ra Nguyễn Hữu Khải, Thân Văn Đón [10], dựa vào mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum diễn toàn dòng chảy trong sông, nghiên cứu phát triển thuật toán liên kết 2 mô hình này thành một mô hình điều tiết liên hồ chứa và áp dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Ba. Phương pháp tối ưu hóa Kỹ thuật tối ưu hoá bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP) đã được sử dụng rộng rãi trong tài nguyên nước và được áp dụng vào vận hành hồ chứa. Tuy nhiên áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu còn nhiều khó khăn. Các khó khăn đó bao gồm phát triển mô hình, huấn luyện nhân lực, chi phí giải quyết bài toán, 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 trong việc tương tác tốt hơn với người sử 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Vì thế, các nhà khoa học nghiên cứu phương pháp giải bài toán tối ưu hóa mới nhằm khắc phục các hạn chế trên. Phương pháp tối ưu phi tuyến bằng công nghệ GAMS mô phỏng bài toán tối ưu phi tuyến hệ thống công trình điều tiết, nhà máy thủy điện và các hộ sử dụng nước mới được nghiên cứu sử dụng trong thời gian gần đây. GAMS có thể giải hầu hết các dạng bài toán tối ưu tuyến tính, phi tuyến, tối ưu động. GAMS được đánh giá là công cụ rất phù hợp để giải các bài toán tối ưu trong lĩnh vực quản lý nguồn nước.
Công nghệ GAMS đã được ứng dụng thành công cho nhiều lưu vực sông trên thế giới trong đó có như lưu vực sông Maipo (Chilê), Mekong. Phát triển đồng thời với công nghệ GAMS để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu là công nghệ GEN (thuật toán di truyền), đây cũng là một phương pháp rất mới và ít được sử dụng tại Việt Nam. Luận văn với đối tượng nghiên cứu là thuật toán di truyền sẽ trình bày cụ thể các nghiên cứu về GA giải bài toán tối ưu hóa trong mục 1.3 Nghiên cứu nước ngoài: Trên thế giới việc sử dụng phương pháp tối ưu hóa nghiên cứu tài nguyên nước là rất phổ biến. Young (1967) [25] 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 xác định.
Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động (DP) Monte- Carlo”. Về cơ bản phương pháp này dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho sông yêu cầu. Quy trình tối ưu thu được của 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.
Sau đó là các nghiên cứu của Yakowitz (1982) [25], Yeh (1985) [21], Simonovic (1992) [29] và Wurbs (1993) [31] áp dụng các kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được Windsor (1975) [25] phát triển. Karamouz và Houck (1987) [29] đã vạch ra 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quy tắc vận hành chung khi sử dụng DP xác định và hồi quy (DPR). Mô hình DPR 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 (quy hoạch động ngẫu nhiên), quy tắc yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks (1981) [25] 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) [21] 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.