Chương 1. Tổng quan tối ưu vận hành hồ chứa. Cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất giải pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa trong mùa cạn trên lưu vực sông Hồng - Chương 3. Phân tích, đánh giá kết quả xây dựng giải pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa trong mùa cạn trên lưu vực sông Hồng.
TỔNG QUAN TỐI ƯU VẬN HÀNH HỒ CHỨA Giới thiệu chung Khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước yêu cầu không chỉ thiết kế đúng đắn mà cả vận hành đúng cách sau khi xây dựng. Một mô tả khái niệm về sự cần thiết điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội có thể được đưa ra trong Hình 1-1. Tuy nhiên, cho đến nay, hầu hết các vị trí tốt cho xây dựng đập đã được được đưa vào khai thác ở nhiều nước. Vì các nguyên nhân khác nhau việc xây dựng các dự án mới đang chậm lại và giá thành xây dựng của nó đang tăng theo thời gian.
Năm 1991, tác giả Biswas ước lượng rằng giá một đơn vị nước từ các dự án cung cấp nước đô thị trong tương lai sẽ thường cao hơn 2÷3 lần hiện tại, do đó, bắt buộc tất cả các dự án phải được quản lý và vận hành một cách tốt nhất [3]. Nguồn: Điều chỉnh từ Biswas (1991) [3] Hình 1-1. Sự cần thiết của điều tiết để đáp ứng yêu cầu của xã hội. Vận hành hồ chứa là một phần quan trọng của quy họach và quản lý tài nguyên nước.
Sau khi được xây dựng, các hướng dẫn chi tiết được đưa đến cho người vận hành để đưa ra các quyết định. 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 8 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 mục tiêu đó là tối đa. Trong khi đó, với hồ chứa đa mục tiêu, còn có các 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 và các mục tiêu. Nếu các mục tiêu là tương thích nhau, thì ít cần nỗ lực phối hợp, nếu các mục tiêu là mâu thuẫn thì sự phức tạp bắt đầu xuất hiện. Tương tự như thế, mức độ phức tạp sẽ tăng gấp nhiều lần khi vận hành cho một hệ thống nhiều hồ chứa (Hình 1-2). Nghiên cứu vận hành hệ thống 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.
Mặc dù đã đầu tư nghiên cứu khá lâu nhưng có thể nhận xét rằng hiện vẫn chưa xác định được phương pháp, công cụ chung để sử dụng. Trong thực tế, nghiên cứu vẫn phụ thuộc rất nhiều vào đặc thù riêng của từng hệ thống hồ chứa cụ thể, tuy vậy, nguyên tắc chung là tìm quy trình xả nước và sự phối kết hợp giữa các công trình để đạt được lợi ích kinh tế - xã hội toàn hệ thống cao nhất. Ví dụ về một hệ thống hồ chứa Các nghiên cứu ở nước ngoài 1. Phương pháp mô phỏng 9 Vì ít khả năng để thí nghiệm bằng mô hình vật lý với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học thường được phát triển và sử dụng trong các nghiên cứu để cung cấp một sự hiểu biết sâu về bài toán vận hành.
Mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa thường bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra và biến đổi lượng trữ. Nghiên cứu của Simonovic (1992) đã cung cấp cầu nối từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các mục đích phức tạp hơn [4]. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn về hệ thống hồ chứa và việc vận hành chúng. Thời gian 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 mô hình mô phỏng đa mục tiêu phổ biến hơn và có thể sử dụng để phân tích mối quan hệ quy họach, thiết kế và vận hành hồ chứa dễ dàng. Hầu hết các mô hình có thể chạy trong máy vi tính đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu được chuẩn bị, nó có thể dễ dàng thay đổi, và do đó các kết quả thiết kế, quyết định vận hành, và lựa chọn thiết kế khác nhau có thể được đánh giá nhanh.
Một số mô hình mô phỏng phổ biến rộng rãi như: Mô phỏng hệ thống hồ chứa tổng quát HEC - 5 (1982) [5], mô hình Acres (1976) [6], tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa SSARR [7], mô phỏng hệ thống sóng tương tác IRIS [8], gói phân tích quyền lợi nước WRAP [9]; và các mô họ Mike như Mike Basin, Mike 11(DHI). Mô hình mô phỏng hệ hồ chứa đã được dùng để đánh giá tác động của các chính sách vận hành khi đầu ra của các lần chạy được so sánh và đánh giá. Phân tích, tính toán giá trị trung bình, phương sai và phân bố theo thời gian của các chỉ số đánh giá họat động như dung tích hồ chứa, lượng xả, các lợi ích và tổn thất liên quan có thể sử dụng để đánh giá và so sánh các chính sách vận hành, một số tác giả điển hình đã ứng dụng như Lund và Ferriera (1996) [10], Jain và Goel (1999) [11]. Phương pháp tối ưu Về cơ bản các mô hình mô phỏng chỉ trả lời câu hỏi “Sẽ là gì nếu.” hay “what if…”.
Nghĩa là các mô hình mô phỏng cho vận hành hồ chứa sẽ là công cụ trợ 10 giúp trong đánh giá tác động có thể của các quy trình vận hành thay đổi. Chúng có thể mô phỏng một cách chính xác sự vận hành của hệ thống và rất hữu ích trong phân tích Monte Carlo khi kiểm tra độ tin cậy của quy trình vận hành đề xuất. Tuy nhiên, chúng không phù hợp để tìm ra những quy trình tốt hay tối ưu nhất trong phối hợp vận hành hệ thống hồ có một mức độ linh hoạt lớn. Trong khi đó, các mô hình tối ưu thông thường sẽ có khả năng lớn hơn để một cách hệ thống tìm ra các giải pháp, hay một bộ các giải pháp tối ưu dựa trên các mục tiêu và các ràng buộc đã chọn.
Tuy nhiên, đang tồn tại một khoảng cách ngày càng lớn giữa phát triển lý thuyết và ứng dụng thực tế các mô hình tối ưu. Hai tác giả Yeh (1985) và Wurbs (1993) đã chỉ ra các nguyên nhân là: (i) Nhiều nhà vận hành hệ thống hồ chứa nghi ngờ về các mô hình mà sẽ thay thế phán quyết và các quy trình vận hành của họ; (ii) hạn chế của phần cứng và phần mềm máy tính, vì thế phải đơn giản hóa và xấp xỉ hóa nhiều (tuyến tính hóa); (iii) Các mô hình tối ưu thì phức tạp về mặt toán học hơn mô hình mô phỏng; (iv) nhiều mô hình tối ưu là không phù hợp khi tích hợp tính rủi ro và tính bất định; (v) sự đa dạng của các mô hình tối ưu cũng tạo cũng gây cản trở khi lựa chọn; (vi) và một số các phương pháp tối ưu như là quy hoạch động thường cần phát triển chương trình rất phức tạp. Tuy nhiên, nhiều trong số những nhược điểm này trong vận hành hệ thống hồ chứa sẽ có thể được giải quyết nhờ vào tiềm năng của khái niệm hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) và những tiến bộ mạnh về năng lực và giá thành của máy tính, nhờ nhấn mạnh vào khả năng hỗ trợ thông tin ra quyết định vận hành hơn là đặt gánh nặng lớn lên vai các lập trình viên nhằm thay thế các nhà vận hành [12, 13]. Một số ví dụ đưa mô hình tối ưu vào DSS như là MODSIM và CALSIM ở Mỹ [14, 15]; gói tối ưu Agronne; quy hoạch động tổng quan CSUDP [16].
Bài toán tối ưu hóa hệ thống hồ chứa 1.1 Hàm mục tiêu Theo Hiệp hội kỹ sư dân dụng Mỹ (ASCE), các hàm mục tiêu được sử dụng trong các mô hình tối ưu hóa vận hành hệ thống hồ chứa phải dựa trên thước đo 11 hiệu quả (nghĩa là tối đa hóa phúc lợi xã hội hiện tại và tương lai đã được triết khấu), có tính đảm bảo (nghĩa là đảm bảo phúc lợi xã hội tương lai vượt trên mức tối thiểu), và tính bền vững (nghĩa là tối đa hóa sự cải thiện tích lũy theo thời gian) [17]. Một hàm mục tiêu tổng quát như vậy có thể có có dạng như sau: 𝑇 max(𝑜𝑟min) ∑ 𝛼𝑡. 𝜑 𝑇+1 (𝑠𝑇+1 ) (1-1) 𝑡=1 Trong đó: - rt : là vector lượng xả từ n hồ chứa liên kết (ví dụ Hình 1-2) trong giai đoạn t. - T : độ dài của thời gian vận hành; - st :là vector dung tích trữ của n hồ chứa tại lúc bắt đầu bước thời gian t; - ft(st, rt) : là hàm lợi ích; - φT+1(sT+1): là thành phần cuối thể hiện lợi ích (giá trị) tương lai tính tại cuối trục thời gian T; - αt: Là hệ số triết khấu tính xác định giá trị hiện tại của lợi ích tương lai.
Bản chất động của công thức còn cần phải thể hiện tính không chắc chắn của quản lý nước bền vững trong tương lai, nghĩa là “một tương lai chúng ta không biết, nhưng chắc chắn là chúng ta có thể tác động lên nó” [18]. Bước thời gian t thể hiện trong công thức này có thể là giờ, ngày, tuần, tháng, mùa nó phụ thuộc vào bản chất và phạm vi của bài toán tối ưu hóa. Các phương pháp phân đoạn có thể được sử dụng mà nhờ đó các kết quả nghiên cứu theo tháng, mùa hay dài hạn có thể cung cấp đầu vào cho các vận hành ngắn hạn chi tiết theo các giai đoạn bước thời gian ngày, giờ [19, 20]. Cụ thể hơn, một hàm mục tiêu phi tuyến cao như là tối đa hóa phát điện có dạng như sau: 𝑛 𝑓𝑡 (𝑠𝑡 , 𝑟𝑡 ) = ∑ 𝐾.
