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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan tình hình nghiên cứu và các phương pháp tính toán vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông; 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;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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

i BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM TÔ VIỆT THẮNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TRONG MÙA CẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9 58 02 12 Literature review HÀ NỘI, 2019
ii BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM TÔ VIỆT THẮNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TRONG MÙA CẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9 58 02 12 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Ngô Lê Long 2. PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong HÀ NỘI, 2019
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Tô Việt Thắng, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. TÁC GIẢ Tô Việt Thắng
iv LỜI CẢM ƠN Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của Cơ sở đào tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận án. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Ngô Lê Long - Đại học Thủy Lợi; PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, GS.TS. Lars Ribbe – Trường đại học Khoa học ứng dụng Cologne, CHLB Đức đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo và đồng nghiệp ở Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi; Trường Đại học Khoa học ứng dụng Cologne đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. TÁC GIẢ Tô Việt Thắng
v MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của luận án ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................................ 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 5 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 5 5. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................ 6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ...................................................................... 6 7. Cấu trúc của luận án ......................................................................................................... 7 8. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................. 8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC HỒ CHỨA THEO LƢU VỰC SÔNG......................................... 9 1.1. Một số thuật ngữ và định nghĩa ........................................................................................ 9 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông trên thế giới và Việt Nam ........................................................................................................................................... 10 1.2.1. Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa ................. 10 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp mô phỏng ...................................................................................................................... 12 1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp tối ưu ............................................................................................................................. 15 1.2.4. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu ............................................................................................... 22 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông VGTB. ....................................................................................................................................... 28 1.4. Tóm lược về Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) trên lưu vực sông VGTB: ....................................................................................................................................... 31 1.5. Hạn chế và khoảng trống trong nghiên cứu vận hành liên hồ chứa phân bổ nguồn nước hợp lý tại LVS VGTB ............................................................................................................... 35 1.6. Lựa chọn công cụ tính toán ............................................................................................ 36 1.7. Kết luận Chương 1; Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của Luận án ............... 44
vi CHƢƠNG 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 ...................................................... 47 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.................................................................................................................. 47 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 ............................................................................................................. 50 2.2.1. Tính bất định và mô phỏng Monte-Carlo ............................................................... 50 2.2.2. Xác lập dạng phân bố xác suất cho chuỗi dòng chảy tới 04 hồ ............................. 52 2.2.3. Thiết lập tương quan thủy văn giữa các nhánh sông .............................................. 55 2.2.4. Tạo chuỗi số ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày tới 04 hồ ........................................... 57 2.3. Thiết lập mô hình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ........................................... 62 2.3.1. Thiết lập bài toán .................................................................................................... 63 2.3.1.1. Đặc điểm hệ thống hồ chứa................................................................................. 63 2.3.1.2. Các điểm kiểm soát hạ lưu .................................................................................. 64 2.3.1.3. Mục tiêu và hàm mục tiêu ................................................................................... 65 2.3.1.4. Các ràng buộc của bài toán ................................................................................ 67 2.3.2. Thiết lập mô hình mô phỏng vận hành hệ thống liên hồ chứa ................................ 70 2.3.3. Thiết lập mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng ...................... 72 2.3.3.1. Tối ưu hệ thống ................................................................................................... 72 2.3.3.2. Các biến quyết định ............................................................................................. 73 2.3.3.3. Khai báo hàm mục tiêu........................................................................................ 74 2.3.3.4. Thiết lập các thông số chạy mô phỏng ................................................................ 74 2.3.4. Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành liên hồ chứa HEC-RESSIM ...................... 76 2.3.4.1. Giới thiệu mô hình HEC-RESSIM ....................................................................... 76 2.3.4.2. Mô phỏng hệ thống các hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM.......................... 78 2.3.4.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-RESSIM ................................................ 79 2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................................... 83 CHƢƠNG 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 ............................................................................................................................... 86 3.1. Xác định các kịch bản vận hành 04 hồ chứa .................................................................. 87
vii 3.2. Minh họa chi tiết kết quả tính toán vận hành tối ưu của một số kịch bản độc lập ......... 90 3.3. Tổng hợp kết quả tính toán vận hành tối ưu theo các nhóm kịch bản ............................ 96 3.3.1. Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản nền............................................................. 96 3.3.2. Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa ....................... 98 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 ....................................................................................... 100 3.3.4. Tổng hợp kết quả tính toán của tất cả các kịch bản ............................................. 103 3.4. Tính toán chi tiết kịch bản được lựa chọn bằng mô hình HEC-RESSIM .................... 106 3.4.1. 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)..................................................................... 107 3.4.2. 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........................................ 109 3.4.3. So sánh và phân tích kết quả................................................................................. 111 3.4.3.1. Phương án mô phỏng năm 2015 và 2016.......................................................... 111 3.4.3.2. Phương án mô phỏng các năm giai đoạn 1981-2008 ....................................... 116 3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................................ 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………………………………………… 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................ 131 PHỤ LỤC 1………………………………………………………………………….....133 PHỤ LỤC 2………………………………………………………………………….....148 PHỤ LỤC 3………………………………………………………………………….....176
viii MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1. Lưu lượng xả tối thiểu từng thời kỳ của các hồ chứa theo Quy trình 1537 khi HÁi Nghĩa
ix MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ tìm kiếm nghiệm bài toán tối ưu (McLaughnin, 2006) ............................... 17 Hình 1.2. Phân loại các thuật toán tối ưu toàn cục - Thomas Weise (2009) [57]................ 18 Hình 1.3. Sơ đồ kết hợp mô phỏng-tối ưu cho phân bổ nguồn nước hồ chứa...................... 23 Hình 1.4. Sơ đồ thực hiện phương pháp mô phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước ........................................................................................................................ 24 Hình 1.5. Sơ đồ tích hợp mô phỏng – tối ưu (sử dụng thuật toán Gene) ............................... 27 Hình 1.6. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ............................................................................................... 46 Hình 2.1. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn ......................................... 49 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống hồ chứa trong tính toán dòng chảy ngẫu nhiên đến các hồ ....... 52 Hình 2.3. Minh họa thiết lập tương quan dòng chảy đến hồ A Vương – Đăk Mi 4 tháng 10 trong Crystal Ball ....................................................................................................... 56 Hình 2.4. Minh họa tương quan dòng chảy đến giữa các hồ trong hệ thống ........................ 57 Hình 2.5. So sánh dạng phân phối xác suất dòng chảy thực tế và dòng chảy ngẫu nhiên được phát theo mô phỏng Monte Carlo cho 04 hồ tại tháng 2, 11 và 12. ......... 62 Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống hồ chứa trong nghiên cứu ......................................................... 64 Hình 2.7. Minh họa mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 ..................................................................................................... 70 Hình 2.8. Minh họa bảng THÔNG SỐ HỒ trong mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 ............................................. 70 Hình 2.9. Minh họa bảng DÒNG CHẢY ĐẾN trong mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 ............................................. 71 Hình 2.10. Minh họa xác định các biến quyết định trong mô hình .................................. 73 Hình 2.11. Minh họa khai báo hàm mục tiêu trong mô hình ........................................... 74 Hình 2.12. Minh họa khai báo các thông số trong mô hình ............................................. 75 Hình 2.13. Minh họa tìm kiếm tối ưu kết nối với mô hình mô phỏng vận hành 04 hồ chứa ........................................................................................................................................... 75
x Hình 2.14. Giao diện khi khởi động mô hình HEC-RESSIM ........................................... 77 Hình 2.15. Mô phỏng hệ thống hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM ........................... 78 Hình 2.16. Sơ đồ hệ thống sông VGTB ............................................................................ 80 Hình 2.17. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa cạn năm 2015 .. 81 Hình 2.18. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa cạn năm 2015 .. 82 Hình 2.19. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa cạn năm 2016 .. 82 Hình 2.20. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa cạn năm 2016 .. 83 Hình 2.21. Sơ đồ mô tả các bước xây dựng mô hình phối hợp vận hành hệ thống hồ chúa phục vụ việc phân bổ hợp lý nguồn tài nguyên nước lưu vực sông VGTB .. 85 Hình 3.1. Thống kê điện lượng thực tế từ các nhà máy thủy điện .................................... 90 Hình 3.2. Quỹ đạo vận hành tối ưu của 04 hồ theo Qturbin - Kịch bản 1......................... 91 Hình 3.3. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản 1 ............................... 92 Hình 3.4. Quỹ đạo tìm kiếm tối ưu tổng sản lượng điện mùa cạn – KB1 ........................ 93 Hình 3.5. Phân bố sản lượng điện theo các mức đảm bảo khác nhau – KB1 ................... 93 Hình 3.6. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo Qturbin của 04 hồ theo Kịch bản 2 .................. 94 Hình 3.7. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản 2 ............................... 95 Hình 3.8. Quỹ đạo tìm kiếm tối ưu tổng sản lượng điện mùa cạn – KB2 ........................ 95 Hình 3.9. Phân bố sản lượng điện theo các mức đảm bảo khác nhau - KB2 .................... 96 Hình 3.10. Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành 04 hồ A Vương, Sông Bung 4 và Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2............................................................................ 97 Hình 3.11. Minh họa quỹ đạo vận hành tối ưu 04 hồ A Vương, Sông Bung 4 và Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2 theo Qturbin..................................................................... 97 Hình 3.12. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản nền - theo quy trình 1537 ........................................................................................ 98 Hình 3.13. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - nhóm kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa (Nhóm kịch bản 2) .................................................................. 99 Hình 3.14. Tổng sản lượng điện mùa cạn theo tính toán từ mô hình .............................. 100 Hình 3.15. Tổng sản lượng điện mùa cạn tính toán từ mô hình – Nhóm kịch bản 3 ..... 102
xi Hình 3.16. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - nhóm kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa (Nhóm kịch bản 3) ................................................................ 102 Hình 3.17. Tổng sản lượng điện mùa cạn theo các kịch bản .......................................... 104 Hình 3.18. Tổng hợp Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ của tất cả các KB .... 105 Hình 3.19. Quy tắc xả dòng chảy tối thiểu từ hồ A Vương thay đổi theo các thời kỳ cấp nước (bình thường, gia tăng) khi mực nước Ái Nghĩa < 2,67m .................. 108 Hình 3.20. Quy tắc xả dòng chảy tối thiểu từ hồ A Vương thay đổi theo các thời kỳ cấp nước (bình thường, gia tăng) khi mực nước Ái Nghĩa trong khoảng từ 2,67m đến 2,80m. .................................................................................................... 109 Hình 3.21. Quá trình lưu lượng phát điện tối thiểu hồ A Vương theo từng thời đoạn .... 110 Hình 3.22. Quá trình lưu lượng xả tối thiểu xuống hạ lưu từ hồ Đăk Mi 4 .................... 111 Hình 3.23. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2015 ............................... 112 Hình 3.24. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2015 ............................. 112 Hình 3.25. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2016 ............................... 113 Hình 3.26. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2016 ............................. 113 Hình 3.27. Tổng sản lượng điện sản xuất mùa cạn giai đoạn 1981-2008 ....................... 117 Hình 3.28. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 1996 .............................. 119 Hình 3.29. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2003 ............................... 119 Hình 3.30. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 1996 ............................. 120 Hình 3.31. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2003 ............................ 120
xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANN Thuật toán mạng Nơron BĐKH Biến đổi khí hậu GA Thuật toán di truyền KB Kịch bản LVS Lưu vực sông NCS Nghiên cứu sinh NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn QTVHLH Quy trình vận hành liên hồ TNMT Tài nguyên Môi trường VGTB Vu Gia – Thu Bồn
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Từ hàng thế kỷ nay người ta đã nhận ra rằng việc phân bổ nước cho một đối tượng sử dụng nước ở một điểm trong một khoảng thời gian sẽ có ảnh hưởng đến các đối tượng sử dụng nước khác ở các điểm khác, trong các khoảng thời gian khác nhau. Để giải quyết được vấn đề này, một trong các hướng tiếp cận đang nhận được sự quan tâm hiện nay là coi lưu vực sông là một đơn vị trong quản lý và quy hoạch tổng hợp. Điều này đã được thể hiện rất rõ ở Hội nghị quốc tế về Nước và Môi trường 1992. Hội nghị đã lập ra các nguyên tắc Dublin, tập trung vào việc coi lưu vực sông là một đơn vị phân tích. Lưu vực sông là một hệ thống rất phức tạp về điều kiện tự nhiên, dân sinh kinh tế và xã hội. Trong thực tế, việc phân bổ tài nguyên nước giữa người dùng khác nhau/các đơn vị sử dụng nước khác nhau là một vấn đề không đơn giản ở nhiều lưu vực sông (Harou, Paredes, Solera, & Andreu, 2012) [26]. Khi nhu cầu sử dụng nước còn thấp so với khả năng cung cấp của hệ thống, tất cả các hộ sử dụng nước đều có thể cùng tồn tại mà không có xung đột, tranh chấp. Lúc này, bài toán phân bổ nguồn nước hợp lý chưa được đặt ra. Tuy nhiên, khi nhu cầu sử dụng nước gia tăng giữa các hộ dùng nước như sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, thủy điện… các xung đột về lợi ích sẽ gia tăng, đặc biệt trong mùa cạn khi nguồn nước trên sông bị hạn chế (Liu, Chen, & Lou, 2009) [32]. Ở những lưu vực sông thiếu nước hoặc khan hiếm nước, các mâu thuẫn càng gia tăng, dẫn đến vấn đề quản lý phân bổ tài nguyên nước hiệu quả càng trở nên khó khăn. (Roozbahani, Abbasi, Schreider, & Ardakani, 2014) [42] cho rằng sự cạnh tranh giữa các hộ sử dụng nước trên cùng một lưu vực sông là một vấn đề lớn, phức tạp đối với các nhà chức trách, nhà quy hoạch, đặc biệt là đối với lưu vực sông xuyên biên giới. Điều này bắt nguồn từ một thực tế là không đủ nước để đáp ứng được tất cả nhu cầu sử dụng nước của các bên. Việc thiếu sự phối hợp giữa các bên liên quan trong lưu vực sông sẽ gây ra việc phân bổ nguồn nước một cách bất công và có thể
2 dẫn tới hậu quả tiêu cực cho một số bên. Cùng quan điểm, (W. Shao, D. Yang, H. Hu, 2008) [53] và (Babel, Das Gupta, & Nayak, 2005) [21] cho rằng khi nguồn nước khan hiếm và nhu cầu sử dụng nước gia tăng, mức độ khó khăn về phân bổ nguồn nước sẽ gia tăng do việc xuất hiện các xung đột về lợi ích đòi hỏi cần cân nhắc các biện pháp phân bổ nguồn nước hợp lý, hiệu quả nhằm tạo ra sự hài hòa giữa các bên. Ngày nay, một trong các mâu thuẫn chính trong phân bổ tài nguyên nước là mâu thuẫn về việc sử dụng nguồn nước giữa các đơn vị sử dụng nước ở thượng nguồn và hạ nguồn các lưu vực sông. Các hộ sử dụng nước thượng lưu có thể kể đến như thủy điện có xung đột về sử dụng nguồn nước với các hộ ở hạ lưu bao gồm các ngành nông nghiệp, công nghiệp và dân sinh. (Kuenzer et al., 2013) [30] khi nghiên cứu về các tác động của việc phát triển thủy điện tại thượng lưu tới các đơn vị sử dụng nước khác tại hạ lưu sông Mekong, cho rằng: Việc xây dựng các hồ chứa thủy điện sẽ hỗ trợ phát triển kinh tế và giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng tăng cao trên lưu vực sông Mekong, các quốc gia ven sông, đặc biệt là Trung Quốc, Thái Lan, và Việt Nam. Tuy nhiên, các tác động của thủy điện có thể kể đến như làm thay đổi lưu lượng nước và phù sa, gây nên tác động tiêu cực đến môi trường và sinh kế người dân vùng sông Mekong. Kết quả là các nước ở hạ lưu đang phải chịu các tác động bất lợi trong khi các nước ở thượng lưu đơn phương được hưởng lợi từ thủy điện. Tương tự, (Ringler, 2001) [41] đã xem xét mối quan hệ giữa thủy điện và các đối tượng sử dụng nước khác (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, môi trường) nhằm xây dựng mô hình tối ưu hóa phân bổ tài nguyên nước áp dụng cho lưu vực sông Mekong, giảm thiểu các mâu thuẫn giữa các hộ sử dụng nước trong lưu vực. ( Ngo, L. Le., Madsen, H., & Rosbjerg, D, 2008) [39] cũng đã xem xét bài toán thỏa hiệp giữa các mục tiêu phòng lũ và phát điện trên lưu vực sông Hồng, Việt Nam thông qua việc tối ưu hoá vận hành hồ chứa Hoà Bình trong mùa lũ. Đối với Việt Nam, mâu thuẫn và xung đột trong việc sử dụng và phân bổ nguồn nước trên cùng một lưu vực sông càng tăng lên trong bối cảnh khan hiếm nguồn nước càng nghiêm trọng. Theo Lê Bắc Huỳnh (2011) [6], những năm gần đây, ở hạ lưu hầu hết các lưu vực sông (LVS) tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn
3 tới thiếu nước, khan hiếm nước diễn ra ngày một thường xuyên hơn, với quy mô và mức độ ngày càng nghiêm trọng hơn, gây tác động lớn đến môi trường sinh thái và làm gia tăng nguy cơ kém bền vững trong phát triển kinh tế - xã hội. Trong mùa cạn, nguồn nước mặt suy giảm nghiêm trọng đã diễn ra ở hạ lưu các hồ chứa thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, dẫn tới suy giảm liên tục ở hạ lưu sông Hồng. Đây là hiện tượng hoàn toàn khác với bình thường vì về nguyên tắc, các công trình hồ chứa đều có nhiệm vụ bổ sung nguồn nước vào mùa cạn. Tình trạng trên còn khá phổ biến ở đa số các lưu vực sông khác như sông Hương, Vu Gia-Thu Bồn, Trà Khúc, sông Kôn, sông Ba, Đồng Nai - Sài Gòn, Sê San, Srêpôk... làm cho nhiều dòng sông vốn khá phong phú nguồn nước nay mất dòng chảy hoặc cạn đến mức chưa từng thấy. Tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn tới thiếu nước, hạn hán đã, đang xảy ra không chỉ ở một vài LVS mà còn bao trùm cả vùng, miền hoặc ở khắp cả nước. Hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn (VGTB) là hệ thống sông liên tỉnh lớn nhất vùng ven biển miền Trung Việt Nam, có tổng lượng nước hàng năm là 20 tỷ m3 năm. Toàn bộ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diện tích lưu vực 10.350 km2, thuộc hai tỉnh Quảng Nam và Thành phố Đà N ng. Trong những năm gần đây, vấn đề chia sẻ phân bổ nguồn nước đã và đang gây nhiều tranh luận giữa các địa phương thuộc LVS VGTB, cũng như nhận được nhiều sự quan tâm từ chính phủ, các nhà khoa học và các ban ngành của địa phương. Việc xây dựng hệ thống hồ thủy điện trên sông VGTB dẫn đến mâu thuẫn trong việc chia sẻ nguồn nước giữa các hộ dùng nước, giữa thượng du và hạ du… Một số nhà máy thủy điện, trong thiết kế đã không quan tâm đầy đủ đến yêu cầu duy trì dòng chảy hạ du, phục vụ nhu cầu sử dụng nguồn nước của dân sinh và các ngành kinh tế như nông nghiệp, công nghiệp... Thêm vào đó, khi thiết kế, các công trình thủy điện trên sông VGTB đều có quy trình vận hành riêng, chủ yếu là cho nhiệm vụ phát điện, việc phối hợp vận hành các hồ chứa trong hệ thống phục vụ đa mục tiêu vẫn chưa được xem xét chi tiết. Đặc biệt, trong mùa cạn khi nguồn nước hạn chế thì công tác phối hợp vận
4 hành giữa các hồ chứa trên lưu vực sông lại càng cấp thiết nhằm vừa đảm bảo cung cấp nguồn nước cho các ngành kinh tế, sinh hoạt và dịch vụ, vừa đảm bảo duy trì nhiệm vụ phát điện. Vì vậy, nếu hệ thống hồ chứa không có sự phối hợp vận hành hợp lý thì không những ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệm vụ phát điện của hồ mà còn tác động đến khả năng cấp nước, duy trì môi trường phía hạ du. Hiện nay, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quy trình vận hành liên hồ cho lưu vực sông VGTB (Quy trình 1537) [18], trong đó đã quy định các hồ chứa ngoài nhiệm vụ phát điện còn phải tham gia giảm lũ và duy trì dòng chảy dưới hạ du. Tuy nhiên, vận hành hệ thống hồ chứa với mục tiêu phân bổ nguồn nước trong mùa cạn như thế nào đảm bảo hài hòa các yêu cầu cấp nước, nhưng nâng cao hiệu quả phát điện vẫn là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Chính vì vậy NCS đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu phân bổ nguồn nƣớc và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong mùa cạn” làm đề tài nghiên cứu luận án Tiến sỹ. Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào giải quyết bài toán kết hợp mô phỏng-tối ưu hóa vận hành hệ thống hồ chứa, đặc biệt trong thời kỳ mùa cạn làm cơ sở phục vụ việc phân bổ nguồn nước hồ chứa thủy điện một cách có hiệu quả. Hướng đề tài luận án tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học, thiết lập bài toán, hướng tiếp cận từ đó đề xuất mô hình mô phỏng-tối ưu điều tiết liên hồ chứa phục vụ đa mục tiêu. Việc nghiên cứu sẽ được áp dụng đối với các hồ chứa lớn trên hệ thống sông VGTB. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;  Đề xuất được phương án phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa, đảm bảo hiệu quả kinh tế tổng hợp (cao nhất).
5 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Phân bổ nguồn nước hợp lý cho các hồ chứa A Vương, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2 trên lưu vực sông VGTB.  Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống lưu vực sông VGTB trong mùa cạn. 4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: Luận án sử dụng hai cách tiếp cận sau:  Tiếp cận tổng thể: Cách tiếp cận này dựa theo quan điểm quản lý tổng hợp tài nguyên nước, tổng hợp về không gian từ thượng lưu xuống hạ lưu trong phạm vi lưu vực sông và tổng hợp liên ngành bao gồm thủy điện, thủy lợi, cấp nước.  Tiếp cận hệ thống: Hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn bao gồm các nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước và các yêu cầu về sử dụng tài nguyên nước được nghiên cứu trên cơ sở mối quan hệ tương tác giữa chúng. Phƣơng pháp nghiên cứu  Phương pháp kế thừa: Trên cơ sở việc nghiên cứu tổng quan cập nhật tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án kế thừa có chọn lọc các tài liệu và kết quả của các công trình nghiên cứu liên quan đến vận hành hệ thống hồ chứa liên quan tới các mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu, mô hình kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu hóa … để nghiên cứu, phân tích các ưu, nhược điểm của các nghiên cứu, mô hình và đề xuất cơ sở khoa học, mô hình áp dụng việc vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB.  Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu: sử dụng để thu thập thông tin, số liệu, từ đó thống kê, phân tích, xử lý dữ liệu đầu vào để thực
6 hiện các nội dung nghiên cứu, tính toán trong luận án. Các mô hình thống kê, mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để tạo ra bộ số liệu cho đề tài.  Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa sử dụng trong vận hành liên hồ: Các thuật toán và mô hình được nghiên cứu sử dụng một cách thích hợp nhằm phát huy ưu điểm của mô hình, kết hợp với nhau cho từng bước giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa. 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung luận án bao gồm:  Nghiên cứu tổng quan về phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa lưu vực sông và vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu;  Xây dựng cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa nhằm phân bổ hợp lý nguồn nước LVS VGTB, đảm bảo hài hòa lợi ích về cấp nước và phát điện trong mùa cạn, thông qua việc thiết lập các mô hình mô phỏng chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên đến hệ thống hồ; mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa;  Tính toán vận hành hệ thống hồ chứa LVS VGTB theo các kịch bản nhằm nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước;  Đề xuất lựa chọn kịch bản vận hành hồ chứa hợp lý cho lưu vực sông VGTB. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Thông qua việc nghiên cứu kết hợp giữa mô hình mô phỏng và kỹ thuật tối ưu, luận án đã xác lập được cơ sở khoa học xác định chế độ vận hành phân bổ nguồn nước liên hồ chứa hợp lý nhằm hài hòa mục tiêu cấp nước và phát điện. Luận án đã đi sâu trong tính toán phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa. Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án sẽ xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông.
7 Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu chế độ phối hợp vận hành phân bổ hợp lý nguồn nước hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB sẽ giúp cho việc điều hành của các cơ quan quản lý thuận tiện hơn nhằm vừa đảm bảo cung cấp nguồn nước cho các ngành kinh tế, sinh hoạt và dịch vụ trong mùa cạn ở lưu vực sông, vừa đảm bảo duy trì nhiệm vụ phát điện, đảm bảo hiệu quả kinh tế tổng hợp (cao nhất); góp phần bổ sung, điều chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông VGTB (Quy trình 1537). 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và bàn luận, luận án được bố cục trong 3 chương, bao gồm: 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. 8. 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;