Nghiên cứu tối ưu hóa vận hành hồ Cua Đạt cho cung cấp nước trong mùa khô

• Tác giả: Trinh Xuan Manh
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Mai Dang
• Trường học: Water Resources University
• Chuyên ngành: Master of Science
• Đề tài: Tối ưu hóa vận hành hồ chứa nước cho mùa khô: Nghiên cứu trường hợp hồ Cua Đạt tại lưu vực sông Ma Chhu
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHAPTER I: INTRODUCTION
• 1.1. Objectives and Research questions
• 1.2. Objectives of the study
• 1.3. Structure of the thesis
• 2. CHAPTER II: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Studies on reservoir operation using optimal theory
• 2.2. Fuzzy logic theory
• 2.3. Overview of hydraulic and hydrological modeling
• 3. CHAPTER III: THE STUDY AREA
• 3.1. Description of the study area
• 3.2. Location of the study area
• 3.3. Geological, land and vegetable characteristics
• 3.4. Climate and hydrological condition
• 3.5. Population and economic characteristics
• 3.6. Population of the study area
• 3.7. Description of the Cua Dat Reservoir
• 4. CHAPTER IV: DATA AND METHODOLOGY
• 4.1. Cua Dat reservoir operation data
• 4.2. Determining total water demand
• 4.3. Optimal analysis and Fuzzy logic approach for Reservoir operation
• 4.4. Methods using in optimal reservoir operation
• 4.5. Objective functions and constraints
• 4.6. Using Fuzzy logic technique to optimize the Cua Dat reservoir operation
• 4.7. Hydraulic and hydrological model setup
• 4.8. Determination of the model inputs
• 4.9. Model calibration and validation
• 5. CHAPTER V: RESULTS AND DISCUSSIONS
• 5.1. Optimizing the Cua Dat reservoir operation
• 5.2. Routing the release to the downstream
• 6. CHAPTER VI: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

I. Tối ưu hóa vận hành hồ chứa nước

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa vận hành hồ chứa nước, đặc biệt là trong mùa khô. Hồ Cua Đạt, nằm trong lưu vực sông Ma Chhu, là một ví dụ điển hình cho việc quản lý tài nguyên nước. Việc vận hành hồ chứa nước hiệu quả không chỉ giúp đáp ứng nhu cầu nước cho các mục đích như tưới tiêu, phát điện mà còn bảo vệ môi trường. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong mùa khô, nhu cầu nước tăng cao trong khi lượng nước vào hồ lại giảm, dẫn đến tình trạng khan hiếm nước. Do đó, việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa như mô hình Fuzzy Logic là cần thiết để đảm bảo cung cấp nước đầy đủ cho các bên liên quan.

1.1. Tầm quan trọng của hồ Cua Đạt

Hồ Cua Đạt không chỉ có vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho nông nghiệp mà còn cho các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt. Theo nghiên cứu, tổng nhu cầu nước cho khu vực này vào khoảng 4547 Mi. Trong đó, nước phục vụ cho sản xuất điện chiếm tỷ lệ lớn nhất, lên tới 67% tổng nhu cầu. Điều này cho thấy sự cần thiết phải quản lý nước một cách hiệu quả để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các bên sử dụng nước.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng việc xả nước từ hồ Cua Đạt xuống hạ lưu. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa trong việc cung cấp nước. Bên cạnh đó, việc áp dụng công nghệ quản lý nước thông qua thuật toán Fuzzy Logic đã giúp xác định quy trình xả nước tối ưu trong điều kiện khan hiếm nước. Các biến đầu vào như mực nước, lưu lượng vào hồ, nhu cầu nước và lưu lượng xả được xây dựng thành các hàm thành viên, từ đó tạo ra hệ thống điều khiển Fuzzy cho hồ Cua Đạt.

2.1. Ứng dụng Fuzzy Logic trong quản lý hồ chứa

Fuzzy Logic cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và mơ hồ trong quá trình ra quyết định. Nghiên cứu đã phát triển một hệ thống điều khiển Fuzzy cho hồ Cua Đạt, giúp xác định quy trình xả nước tối ưu. Kết quả cho thấy, phương pháp này có thể đáp ứng tới 80% nhu cầu nước trong suốt mùa khô năm 2011-2012, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của việc áp dụng công nghệ này trong quản lý tài nguyên nước.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ mô hình tối ưu hóa cho thấy hồ Cua Đạt có khả năng cung cấp nước cho các nhu cầu khác nhau trong mùa khô. Việc đánh giá hiệu quả của mô hình cho thấy sự cần thiết phải điều chỉnh quy trình xả nước dựa trên nhu cầu thực tế và điều kiện khí hậu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc quy hoạch nước hợp lý không chỉ giúp giảm thiểu xung đột giữa các bên sử dụng nước mà còn bảo vệ môi trường sinh thái trong khu vực.

3.1. Tác động môi trường và phát triển bền vững

Việc tối ưu hóa vận hành hồ chứa nước không chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu nước mà còn phải xem xét đến tác động môi trường. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc quản lý nước hiệu quả có thể giúp bảo vệ hệ sinh thái nước, đồng thời đảm bảo phát triển bền vững cho khu vực. Các khuyến nghị từ nghiên cứu này có thể được áp dụng cho các hồ chứa khác trong khu vực, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu nhiều hệ thống sông lớn với các lưu vực đa mục tiêu, trong đó lưu vực sông Mã – Chu đóng vai trò quan trọng về kinh tế và xã hội. Cửa Đạt là một trong những hồ chứa đa mục tiêu lớn nhất tại tỉnh Thanh Hóa, với dung tích khoảng 1.364 triệu m³, phục vụ các mục đích như phòng chống lũ, cung cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu, phát điện và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, trong mùa khô, lượng nước về hồ giảm mạnh do biến đổi khí hậu và suy giảm độ che phủ rừng đầu nguồn, dẫn đến xung đột giữa các nhu cầu sử dụng nước ngày càng gay gắt. Nhu cầu nước toàn lưu vực hạ du Cửa Đạt ước tính khoảng 4.547 triệu m³, trong đó thủy điện chiếm tỷ lệ sử dụng lớn nhất (67%), còn nước sinh hoạt chiếm tỷ lệ nhỏ nhất.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm tối ưu hóa vận hành hồ chứa Cửa Đạt trong mùa khô giai đoạn 2011-2012 bằng phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng thủy lực MIKE 11 và thuật toán logic mờ (Fuzzy Logic). Nghiên cứu tập trung vào việc cân bằng các nhu cầu nước đa mục tiêu, đảm bảo cung cấp nước hiệu quả cho các đối tượng sử dụng trong điều kiện hạn hán. Phạm vi nghiên cứu bao gồm lưu vực sông Mã – Chu, đặc biệt là hồ chứa Cửa Đạt tại tỉnh Thanh Hóa, với dữ liệu thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn và công ty thủy lợi địa phương.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước trong mùa khô, giảm thiểu xung đột giữa các mục tiêu sử dụng nước, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách vận hành hồ chứa đa mục tiêu tại Việt Nam, góp phần phát triển bền vững tài nguyên nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tối ưu hóa vận hành hồ chứa và lý thuyết logic mờ (Fuzzy Logic). Lý thuyết tối ưu hóa sử dụng các kỹ thuật lập trình toán học như quy hoạch động, quy hoạch tuyến tính, và các thuật toán tiến hóa để tìm ra chính sách vận hành tối ưu nhằm cân bằng các mục tiêu đa dạng như tưới tiêu, phát điện, và kiểm soát lũ. Logic mờ cho phép xử lý các dữ liệu không chắc chắn và mơ hồ trong vận hành hồ chứa thông qua các hàm thành viên và hệ thống quy tắc "IF-THEN", giúp mô hình hóa các quyết định phức tạp dựa trên các biến đầu vào như mực nước hồ, lưu lượng về, nhu cầu nước và lưu lượng xả.

Mô hình MIKE 11 được sử dụng để mô phỏng dòng chảy không ổn định trên mạng lưới sông Mã – Chu, giải các phương trình Saint Venant về bảo toàn khối lượng và động lượng bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Các khái niệm chính bao gồm: hàm thành viên (Membership Function), hệ thống suy luận logic mờ (Fuzzy Inference System), và các biến ngôn ngữ (linguistic variables) như mực nước hồ, lưu lượng về, nhu cầu nước, lưu lượng xả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (mưa, nhiệt độ, độ ẩm, gió, bức xạ mặt trời) thu thập từ trạm Thanh Hóa và các trạm lân cận trong giai đoạn 2011-2012; số liệu thủy văn về lưu lượng và mực nước tại các trạm Cửa Đạt, Cam Thủy; dữ liệu vận hành hồ chứa do Công ty Thủy lợi Sông Chu cung cấp. Cỡ mẫu dữ liệu gồm 24 tháng quan trắc liên tục, đảm bảo tính đại diện cho mùa khô và mùa mưa.

Phương pháp phân tích gồm: (1) xác định nhu cầu nước của các đối tượng sử dụng (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thủy điện) bằng phần mềm CROPWAT 8.0 dựa trên dữ liệu khí tượng và diện tích cây trồng; (2) xây dựng mô hình logic mờ với các biến đầu vào và hệ thống quy tắc vận hành hồ chứa; (3) mô phỏng dòng chảy hạ lưu bằng mô hình MIKE 11 để đánh giá hiệu quả vận hành tối ưu; (4) so sánh kết quả vận hành thực tế và mô hình tối ưu để đánh giá khả năng đáp ứng nhu cầu nước. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2013 đến tháng 9/2014, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nhu cầu nước toàn lưu vực hạ du Cửa Đạt ước tính khoảng 4.547 triệu m³ trong mùa khô 2011-2012, trong đó thủy điện chiếm 67%, nông nghiệp chiếm khoảng 25%, công nghiệp và sinh hoạt chiếm phần còn lại.

2. Lưu lượng về hồ chứa Cửa Đạt trong mùa khô dao động trung bình khoảng 1,000-1,500 m³/s, thấp hơn nhiều so với mùa mưa, gây áp lực lớn lên việc phân phối nước.

3. Kết quả vận hành tối ưu bằng thuật toán logic mờ cho thấy hồ chứa có thể đáp ứng khoảng 80% nhu cầu nước trong mùa khô, cao hơn 20% so với lưu lượng xả thực tế trong cùng kỳ.

4. Mô hình MIKE 11 hiệu chỉnh và xác nhận với hệ số NASH trên 0.7, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy hạ lưu và đánh giá hiệu quả vận hành hồ chứa.

Thảo luận kết quả

Việc áp dụng thuật toán logic mờ giúp xử lý hiệu quả các yếu tố không chắc chắn trong vận hành hồ chứa, đặc biệt là trong điều kiện biến đổi khí hậu và nguồn nước hạn chế. Kết quả cho thấy phương pháp này vượt trội hơn so với chính sách vận hành truyền thống, giúp cân bằng tốt hơn giữa các mục tiêu đa dạng như tưới tiêu, phát điện và bảo vệ môi trường. So sánh với các nghiên cứu quốc tế sử dụng kỹ thuật tương tự, kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng công nghệ mềm trong quản lý tài nguyên nước.

Biểu đồ so sánh lưu lượng xả thực tế và lưu lượng xả tối ưu minh họa rõ ràng sự cải thiện trong việc đáp ứng nhu cầu nước, đồng thời bảng phân tích dòng chảy hạ lưu cho thấy sự ổn định và giảm thiểu rủi ro thiếu nước. Tuy nhiên, việc vận hành tối ưu vẫn còn phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu đầu vào và cần được cập nhật liên tục để thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng chính sách vận hành hồ chứa dựa trên thuật toán logic mờ nhằm nâng cao hiệu quả phân phối nước trong mùa khô, đảm bảo đáp ứng ít nhất 80% nhu cầu nước. Thời gian triển khai: ngay trong mùa khô tiếp theo. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ chứa và Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn Thanh Hóa.

2. Tăng cường thu thập và cập nhật dữ liệu khí tượng thủy văn, thủy lực để cải thiện độ chính xác của mô hình vận hành. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh và Công ty Thủy lợi Sông Chu.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ quản lý vận hành hồ chứa về kỹ thuật mô hình hóa và tối ưu hóa vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Thời gian: trong vòng 6 tháng. Chủ thể: Trường Đại học Thủy lợi phối hợp với các cơ quan quản lý.

4. Xây dựng hệ thống cảnh báo và quản lý rủi ro thiếu nước dựa trên mô hình vận hành tối ưu, kết hợp với dự báo khí tượng thủy văn để chủ động điều chỉnh chính sách vận hành. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý lưu vực sông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và vận hành hồ chứa: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu, giúp cân bằng các nhu cầu sử dụng nước trong điều kiện hạn hán.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường: Luận văn trình bày chi tiết ứng dụng thuật toán logic mờ kết hợp mô hình thủy lực MIKE 11, là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài liên quan.

3. Cơ quan hoạch định chính sách và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội: Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng chính sách quản lý nguồn nước bền vững, giảm thiểu xung đột giữa các ngành sử dụng nước.

4. Các tổ chức phát triển và tư vấn kỹ thuật trong lĩnh vực nước: Phương pháp luận và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các dự án tương tự tại các lưu vực sông khác trong và ngoài nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Fuzzy Logic là gì và tại sao được áp dụng trong vận hành hồ chứa?
   Fuzzy Logic là một phương pháp trí tuệ nhân tạo cho phép xử lý các dữ liệu không chắc chắn và mơ hồ thông qua các hàm thành viên và quy tắc "IF-THEN". Trong vận hành hồ chứa, nó giúp mô hình hóa các quyết định phức tạp dựa trên các biến đầu vào như mực nước, lưu lượng về và nhu cầu nước, từ đó tối ưu hóa việc phân phối nước.

2. Mô hình MIKE 11 có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   MIKE 11 là mô hình thủy lực mô phỏng dòng chảy không ổn định trên mạng lưới sông, giúp đánh giá hiệu quả vận hành hồ chứa bằng cách mô phỏng dòng chảy hạ lưu theo các kịch bản vận hành khác nhau, từ đó kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của chính sách vận hành tối ưu.

3. Nhu cầu nước của các đối tượng sử dụng được xác định như thế nào?
   Nhu cầu nước được xác định dựa trên diện tích cây trồng, loại cây, dữ liệu khí tượng thủy văn và hệ số cây trồng (Kc) sử dụng phần mềm CROPWAT 8.0. Ngoài ra, nhu cầu nước cho công nghiệp, sinh hoạt và thủy điện được thu thập từ số liệu thực tế và báo cáo ngành.

4. Kết quả vận hành tối ưu có thể áp dụng cho các hồ chứa khác không?
   Phương pháp kết hợp logic mờ và mô hình thủy lực có tính linh hoạt cao và có thể áp dụng cho các hồ chứa đa mục tiêu khác, tuy nhiên cần hiệu chỉnh phù hợp với đặc điểm lưu vực và dữ liệu cụ thể của từng hồ chứa.

5. Làm thế nào để cải thiện hiệu quả vận hành hồ chứa trong điều kiện biến đổi khí hậu?
   Cần tăng cường thu thập dữ liệu, cập nhật mô hình thường xuyên, áp dụng các thuật toán tối ưu hóa hiện đại như logic mờ, đồng thời xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và chính sách quản lý linh hoạt để thích ứng với biến đổi khí hậu và biến động nguồn nước.

Kết luận

• Hồ chứa Cửa Đạt là công trình đa mục tiêu quan trọng tại lưu vực sông Mã – Chu, với dung tích 1.364 triệu m³ và phục vụ nhiều mục đích như tưới tiêu, thủy điện, cung cấp nước sinh hoạt và kiểm soát lũ.
• Nhu cầu nước trong mùa khô 2011-2012 ước tính khoảng 4.547 triệu m³, trong đó thủy điện chiếm tỷ lệ lớn nhất (67%).
• Phương pháp tối ưu vận hành hồ chứa dựa trên thuật toán logic mờ kết hợp mô hình MIKE 11 giúp hồ chứa đáp ứng được khoảng 80% nhu cầu nước, vượt trội hơn so với vận hành thực tế.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách vận hành hồ chứa đa mục tiêu tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu xung đột sử dụng nước trong mùa khô.
• Đề xuất triển khai áp dụng chính sách vận hành tối ưu, tăng cường thu thập dữ liệu và đào tạo cán bộ quản lý để nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành hồ chứa cần phối hợp triển khai áp dụng mô hình tối ưu vận hành, đồng thời cập nhật dữ liệu và đào tạo nhân lực để đảm bảo tính bền vững trong quản lý tài nguyên nước.