Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế xã hội tỉnh Thanh Hóa

Chia sẻ: Co Ti Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:194

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước các ngành và nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội ở Tỉnh Thanh Hóa. Đồng thời còn đánh giá dòng chảy tối thiểu có thể đáp ứng yêu cầu đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế xã hội tỉnh Thanh Hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ NGỌC DƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ NGỌC DƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước Mã số: 62 44 92 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Mai Đăng 2. GS.TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Vũ Ngọc Dương i
LỜI CÁM ƠN Luận án Tiến sĩ này được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Mai Đăng và GS.TS Hà Văn Khối. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả các công trình nghiên cứu đã công bố mà tác giả đã trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS. TS. Nguyễn Quang Kim, GS.TS. Lê Kim Truyền, GS.TS.Trịnh Minh Thụ, PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh cùng quý thầy cô Khoa Thủy Văn và Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học đã hết lòng giúp đỡ, động viên tinh thần, tạo điều kiện và hướng dẫn để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án. Cuối cùng là sự biết ơn sâu sắc tới cơ quan Văn phòng UBND tỉnh Thanh Hóa, UBND huyện Thạch Thành tỉnh Thanh Hóa; tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã hết lòng giúp đỡ, động viên để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án./. Tác giả luận án Vũ Ngọc Dương ii
MỤC LỤC - DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................vi - DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................ix - DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của luận án ..................................................................................1 2. Mục tiêu luận án ................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................3 6. Những đóng góp mới của luận án......................................................................3 7. Cấu trúc của luận án ..........................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC .................... 5 1.1 Một số khái niệm dùng trong Luận án ...............................................................5 1.1.1 Hồ chứa đa mục tiêu....................................................................................5 1.1.2 Vận hành hồ chứa và biểu đồ điều phối ......................................................5 1.1.3 Bài toán tối ưu hóa trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu ............................6 1.1.4 Vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu ...................................................7 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu và dự báo trung hạn dòng chảy trên thế giới ......................................................................8 1.2.1 Vận hành hồ chứa ........................................................................................8 1.2.2 Dự báo trung hạn dòng chảy .....................................................................12 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu và dự báo trung hạn dòng chảy ở Việt Nam ..............................................................14 1.3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu .......................................................14 1.3.2 Dự báo trung hạn dòng chảy .....................................................................17 1.4 Các nghiên cứu liên quan thực hiện trên lưu vực sông sông Mã - sông Chu. .19 iii
1.5 Những tồn tại trong nghiên cứu vận hành tối ưu hồ đa mục tiêu, dự báo trung hạn dòng chảy và hướng phát triển..................................................................21 1.6 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu trong luận án .............................22 1.7 Giới thiệu tóm tắt các hồ chứa nghiên cứu trên lưu vực sông Chu .................25 1.7.1 Hồ Cửa Đạt................................................................................................ 25 1.7.2 Hồ Hủa Na .................................................................................................28 1.8 Kết luận chương I ............................................................................................29 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU ........................................................................... 31 2.1 Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ Cửa Đạt ..............................31 2.1.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình thủy văn 2 thông số kết hợp với mô hình điều tiết hồ chứa dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Cửa Đạt ...........................32 2.1.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mạng trí tuệ nhận tạo (ANN) dự báo dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt ........................................................................41 2.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt....................................................................................................................48 2.2.1 Nhiệm vụ của hồ Cửa Đạt và những quy định trong Quy trình vận hành hồ 3944 (2014) và Quy trình vận hành liên hồ chứa trên Sông Mã 1911 (2015) 48 2.2.2 Tính toán nhu cầu sử dụng nước hồ Cửa Đạt có xét đến BĐKH ..............52 2.2.3 Nghiên cứu đánh giá và xác định lưu lượng tối thiểu góp phần đẩy mặn khu vực hạ lưu sông Mã đối với hồ chứa Cửa Đạt ...........................................58 2.2.4 Xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy đến hồ chứa Cửa Đạt ...............68 2.2.5 Thiết lập bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa nước Cửa Đạt ..............73 2.2.6 Xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt ...78 2.3 Kết luận Chương 2 ...........................................................................................84 CHƯƠNG 3 TÍCH HỢP DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỚI MÔ HÌNH TỐI ƯU VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA CỬA ĐẠT .................................... 86 3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa Cửa Đạt ...................................................................86 3.1.1 Các bước thiết lập và chạy mô phỏng tối ưu hồ Cửa Đạt .........................86 3.1.2 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944 ............90 iv
3.1.3 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944 và quy trình 1911 ............................................................................................................92 3.1.4 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944, quy trình 1911 và gia tăng dần dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy mặn ....................95 3.1.5 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình kết hợp 1911, 3944 và xét tới BĐKH ...............................................................................98 3.2 Xây dựng chương trình tích hợp dự báo trung hạn (10 ngày) dòng chảy đến hồ với mô hình vận hành hồ chứa Cửa Đạt ........................................................101 3.3 Thử nghiệm vận hành thích nghi hồ Cửa Đạt trong 2 năm 2014 và 2015 ....106 3.4 Kết luận chương III........................................................................................110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................112 1. Kết quả đạt được của luận án.........................................................................112 2. Những đóng góp mới của luận án..................................................................114 3. Hướng phát triển của luận án. ........................................................................114 4. Kiến nghị. ......................................................................................................114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................................115 PHỤ LỤC ...................................................................................................................121 v
- DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1: Biểu đồ điều phối hồ chứa điều tiết năm [1] ..................................................6 Hình 1. 2: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ...........................................................................24 Hình 1. 3: Bản đồ lưu vực sông Mã phần thuộc tỉnh Thanh Hóa .................................26 Hình 1. 4: Sơ họa hệ thống hồ chứa trên Sông Chu và một số vị trí kiểm soát trên sông Mã ................................................................................................................28 Hình 2. 1: Sơ đồ cân bằng nước mô hình 2 thông số ...................................................32 Hình 2. 2: Bản đồ các tiểu lưu vực hồ Cửa Đạt.............................................................34 Hình 2. 3: Bản đồ sử dụng đất khu vực hồ Cửa Đạt .....................................................35 Hình 2. 4: Bản đồ loại đất khu vực hồ Cửa Đạt ............................................................35 Hình 2. 5: Đường quá trình dòng chảy đến hồ Cửa Đạt từ 1993 đến 2000 (hiệu chỉnh mô hình) ...................................................................................36 Hình 2. 6: Đường quá trình dòng chảy đến hồ Cửa Đạt từ 2001 đến 2007 (Kiểm định mô hình) ...................................................................................36 Hình 2. 7: Kết quả thử nghiêm dự báo dòng chảy đến hồ Hủa Na năm 2014 và 2015 ............................................................................................................39 Hình 2. 8: Kết quả ước tính dòng chảy xả tổng cộng từ hồ Hủa Na theo 2 phương án năm 2014 và 2015 .....................................................................39 Hình 2. 9: Kết quả thử nghiệm dự báo dòng chảy đến hồ Cửa Đạt năm 2014 và 2015 ...............................................................................................40 Hình 2. 10: Mạng nơron thần kinh 3 lớp ......................................................................41 Hình 2. 11: Tương quan giữa lưu lượng dòng chảy đến hồ Cửa Đạt tính toán và thực đo..................................................................................................47 Hình 2. 12: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Cửa Đạt tính toán và thực đo ............47 Hình 2. 13: Sơ đồ tính toán ảnh hưởng của BĐKH đến nhu cầu tưới cây trồng ..........53 Hình 2. 14: Quá trình 1 chu kỳ triều trong thời gian quan trắc từ ngày 10-22/III/201561 Hình 2. 15: Tương quan lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ...................62 Hình 2. 16: Tương quan giữa lưu lượng Sét Thôn và độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ..........63 vi
Hình 2. 17: Tương quan giữa tổng lưu lượng Xuân Khánh + Sét Thônvà độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ..................................................................................................63 Hình 2. 18: Tương quan giữa lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Hàm Rồng (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) .64 Hình 2. 19: Tương quan giữa lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Nguyệt Viên (tính trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) .....................................................................................................................64 Hình 2. 20: Diễn biến mặn dọc sông Mã từ cửa sông (Cửa Hới) vào đến Giàng theo số liệu quan trắc tháng III hàng năm 2007 – 2015 (hoàn chỉnh một chu kỳ triều) .....................................................................................................................67 Hình 2. 21: Minh họa hàm phân phối xác suất Lognormal phù hợp với chuỗi dòng chảy đến tháng 7 ..................................................................................................69 Hình 2. 22: Minh họa mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa được thiết lập trong bảng tính Excel .....................................................................................................83 Hình 3. 1: Minh họa việc thiết lập hàm mục tiêu trong Opquest ..................................87 Hình 3. 2: Minh họa việt thiết lập biến quyết định và các ràng buộc bắt buộc cấp nước đối với biến điều khiển trên cơ sở Quy trình 3944 và 1911 trong các tháng mùa kiệt .........................................................................................................87 Hình 3. 3: Minh họa việc thiết lập các ràng buộc mực nước hồ trên cơ sở Quy trình 3944 và 1911 trong các tháng mùa kiệt .................................................................88 Hình 3. 4: Minh họa việc thiết lập các điều kiện mô phỏng và tìm kiếm tối ưu (chạy mô phỏng 5000 lần, với chuỗi dòng chảy đến hồ cấp phát ngẫu nhiên theo mô phỏng Monte Carlo .......................................................................................88 Hình 3.5: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt theo QT 3944 ....90 Hình 3.6: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ ..................................................................91 Hình 3. 7: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ ...........................................................91 Hình 3. 8: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau (vận hành trên cơ sở quy trình 3944) ...................................................92 Hình 3.9: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 .................................................................................93 Hình 3.10: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 .......................................................................................................................94 vii
Hình 3.11: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911...............................................................................................................94 Hình 3. 12: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau (vận hành trên cơ sở quy trình 3944 kết hợp với quy trình liên hồ 1911) .......................................................................................................................95 Hình 3. 13: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở quy trình 3944+ 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) .......................................................................................96 Hình 3. 14: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 3944+1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) .............97 Hình 3. 15: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng 3 ...........................................97 Hình 3. 16: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) ...............................98 Hình 3. 17: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 .................................................................................99 Hình 3.18: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 và xét đến BĐKH ........................................................................................100 Hình 3.19: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911 và xét đến BĐKH ...............................................................................100 Hình 3. 20: Sơ đồ logic chương trình tích hợp dự báo với mô hình vận hành hồ chứa Cửa Đạt .......................................................................................................104 Hình 3. 21: Biểu đồ điều phối theo 3 kịch bản ............................................................107 Hình 3. 22: Minh họa đường quá trình lưu lượng qua turbin khi vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt trong năm 2015 theo 3 kịch bản ..........................................108 Hình 3. 23: Minh họa đường quá trình mực nước hồ khi vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt trong năm 2015 theo 3 kịch bản ...................................................109 viii
- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1: Bộ thông số của mô hình cho 21 tiểu lưu vực thuộc lưu vực hồ Cửa Đạt ...37 Bảng 2. 2 Điều kiện ràng buộc về mực nước hồ và dòng chảy tối thiểu vận hành theo từng giai đoạn (10 ngày) hồ Hủa Na ..........................................................37 Bảng 2. 3: Lưu lượng phát điện tối đa hồ chứa Hủa Na ...............................................38 Bảng 2. 4: Cấu trúc mạng nơron trước và sau khi hiệu chỉnh (luyện mạng) ................46 Bảng 2. 5: Tóm tắt kết quả kiểm định mô hình ANN mô phỏng dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt .................................................................................................47 Bảng 2. 6: Lượng nước yêu cầu cho vùng Bắc sông Chu năm thiết kế P = 75% .........49 Bảng 2. 7: Lượng nước yêu cầu cho vùng Nam sông Chu năm thiết kế P = 75% ........50 Bảng 2. 8: Mực nước hồ quy định trong biểu đồ điều phối (Quy trình 3944) ..............50 Bảng 2. 9: Quy định mực nước và lưu lượng tối thiểu hồ Cửa Đạt trong các thời kỳ trong mùa Kiệt (Quy trình 1911) .........................................................................51 Bảng 2. 10: Số liệu đầu vào khí hậu cho mô hình Cropwat trong điều kiện bình thường ở khu vực nghiên cứu .................................................................................55 Bảng 2. 11: Sự thay đổi nhiệt độ và lượng mưa theo kịch bản BĐKH-B2 ở tỉnh Thanh Hóa .............................................................................................................55 Bảng 2. 12: Số liệu đầu vào khí hậu cho mô hình Cropwat trong bối cảnh BĐKH – B2 cho khu vực nghiên cứu .............................................................................56 Bảng 2. 13: Kết quả tính toán hệ số tưới cho lúa trong điều kiện bình thường (l/s/ha) ....................................................................................................................56 Bảng 2. 14: Kết quả tính toán hệ số tưới cho lúa trong bối cảnh BĐKH-B2 (l/s/ha) ..57 Bảng 2. 15: Phần trăm thay đổi hệ số tưới cho lúa có xét đến BĐKH-B2 so với điêu kiện bình thường (%) .........................................................................................57 Bảng 2. 16: Nhu cầu nước đối với hồ Cửa Đạt (p=85%) giai đoạn đến 2050 theo kịch bản BĐKH- B2 ...........................................................................................57 Bảng 2. 17: Hàm phân bố xác suất dòng chảy đến hồ Hủa Na và khu giữa từ hồ Hủa Na đến hồ Cửa Đạt các tháng và các thông số thống kê của từng hàm ...........70 Bảng 2. 18: Các phân phối dòng chảy đến hồ ngẫu nhiên và thông số thống kê ..........71 Bảng 2. 19: Ràng buộc về mực nước hồ Cửa Đạt trong thời kỳ mùa kiệt ....................77 Bảng 2. 20: Ràng buộc lưu lượng cấp nước hồ Cửa Đạt trong thời kỳ mùa kiệt quy định trong Quy trình 1911 và trong các kịch bản tính toán ...............................78 ix
Bảng 3. 1: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944 ..........90 Bảng 3. 2: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944+1911 93 Bảng 3. 3: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944+1911+ gia tăng lưu lượng trong tháng III (tháng kiệt nhất) ..................................97 Bảng 3. 4: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944+1911 và khi xét đến BĐKH ......................................................................................99 Bảng 3. 5: Minh họa bảng tra mực nước hồ theo các quỹ đạo vận hành hồ cùng với mức dự báo sản lượng điện (mỗi kịch bản 3 đường) .......................................102 Bảng 3. 6: Trích mã chương trình kết nối dự báo với vận hành hồ chứa ....................105 Bảng 3. 7: Sản lượng điện hồ Cửa Đạt đạt được theo 3 kịch bản và so với vận hành thực tế trong 2 năm...........................................................................................108 x
- DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANN Mạng trí tuệ nhân tạo ARIMA Mô hình trung bình trượt ngẫu nhiên BCWP Tên viết tắt tiếng Anh của Trung tâm dự báo mưa Brazil BĐKH Biến đổi khí hậu CTTL Công trình thủy lợi ĐHTL Đại học Thủy lợi EANN Mạng nơ ron nhân tạo thuyêt tiến hóa (Evolutionary Algorithms Nueral Network) ENNIS Mạng trí tuệ nhận tạo tiến hóa FDP Folded Dynamic Programming – quy hoạch động theo tệp FUZZY Lý thuyết Mờ GA Thuật giải đoán ghen (Genetic Algorithms) GAMS Phần mềm tối ưu GAMS HEC Bộ phần mềm thủy văn, thủy lực của Cục Công binh Hoa kỳ HBMO Honey Bee Mating Optimization - một thuật toán tối ưu KTTVTW Khí tượng thủy văn Trung ương LATS Luận án tiến sĩ MIKE11 Bộ phần mềm thủy văn, thủy lực dòng 1 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch MGB-IPH Tên một mô hình thủy văn thông số phân bố được cải tiến từ mô hình cải tiến từ mô hình LARSIM MSE Sai số quân phương NASH Chỉ số đánh giá hiệu quả việc tính toán (mô phỏng) so với thực đo NCS Nghiên cứu sinh NEURO Mạng nơ ron thần kinh NEXRAD Mô hình dự báo mưa bằng Radar NSGAII Một dạng tối ưu mạng trí tuệ nhân tạo xi
PE Phần tử xử lý PARETO Các dải tối ưu PTNT Phát triển Nông thôn SCE Thuật toán tối ưu tiến hóa phức hợp (shuffled complex evolution) SDSM Mô hình chi tiết hóa thống kê SCGA Thuật toán leo dốc (Scaled conjugate Gradient Algorithm) SWARM Một dạng thuật toán tối ưu tiến hóa QT 1911 Quy trình vận hành liên hồ chứa sông Mã (2015) QT 3944 Quy trình vận hành hồ chứa Cửa Đạt (2014) TNMT Tài nguyên Môi trường VHHC Vận hành hồ chứa xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Thanh Hóa là một trong năm tỉnh, thành phố có diện tích và dân số lớn nhất nước ta, nhưng cũng là một trong những tỉnh hứng chịu nhiều tác động nhất của thiên tai lũ, bão và hạn hán. Những năm gần đây thiên tai xảy ra nhiều hơn, với mức độ trầm trọng hơn. Ngoài các nguyên nhân khách quan do thời tiết, khí hậu, còn có những nguyên nhân chủ quan khác như khả năng dự báo mưa lũ, sự phối hợp quản lý, vận hành các hồ chứa hiện có trên lưu vực sông chưa hợp lý. Trước thực trạng đó, Chính phủ đã ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa Sông Mã theo Quyết định số 1911/QĐ-TTg ngày 5/11/2015 (Quy trình 1911). Quy trình đưa ra những quy định vận hành phối hợp giữa hồ Hủa Na và hồ Cửa Đạt cả mùa lũ và mùa kiệt trong đó mùa lũ có quy định phối hợp vận hành giữa 2 hồ để phòng chống lũ còn mùa kiệt chủ yếu quy định chế độ vận hành của hồ Cửa Đạt theo 5 thời kỳ từ 1/XII đến 30/VI và theo thời đoạn 10 ngày. Tuy nhiên quy trình trên mới chỉ được xây dựng dựa trên hiện trạng tài nguyên nước lưu vực sông Chu (thuộc sông Mã) mà chưa xét tới những ảnh hưởng tiêu cực của biến đổi khí hậu (BĐKH) đến hồ chứa; vấn đề dự báo phục vụ vận hành hồ mới chỉ được đề cập đến trong mùa lũ mà chưa có nghiên cứu đi kèm để hỗ trợ vận hành trong mùa kiệt. Thêm vào đó, sự phát triển dân sinh, kinh tế của tỉnh Thanh Hóa đòi hỏi nhu cầu sử dụng nước từ hồ chứa Cửa Đạt tăng (tần suất đảm bảo tưới tăng từ 75% lên 85%), yêu cầu duy trì dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã trong Quyết định đầu tư hồ Cửa Đạt số 348/QĐ-TTg ngày 10/4/2004 của Thủ tướng Chính phủ và trong Quy trình vận hành hồ 3944 là 30,42 m3/s và trong Quy trình liên hồ chứa 1911 là 39 m3/s tại Bái Thượng. Tuy nhiên chưa có những có quy định về giới hạn đẩy mặn đến đâu, độ mặn là bao nhiêu và khả năng đáp ứng của hồ cửa Đạt. Để nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội và môi trường từ việc vận hành hồ chứa Cửa Đạt trong mùa kiệt, đặc biệt có xét tới tác động của BĐKH thì việc tính toán các nhu cầu sử dụng nước gia tăng, nghiên cứu các kỹ thuật tối ưu hồ chứa và các phương pháp dự báo 1
trung hạn lưu lượng đến hồ để vận hành mềm dẻo và hợp lý (thích nghi) hồ Cửa Đạt trong mùa kiệt; đồng thời chỉnh sửa những thiếu sót và những bất hợp lý có thể của quy trình vận hành liên hồ chứa Sông Mã là cấp thiết. Chính vì vậy NCS đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế xã hội tỉnh Thanh Hóa“ làm đề tài nghiên cứu Luận án tiến sĩ của mình. 2. Mục tiêu luận án Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước các ngành và nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội ở Tỉnh Thanh Hóa. Đồng thời còn đánh giá dòng chảy tối thiểu có thể đáp ứng yêu cầu đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên lưu vực Sông Chu (thuộc Sông Mã). - Phạm vi nghiên cứu: lưu vực Sông Chu (thuộc Sông Mã) bao gồm 2 hồ chứa Hủa Na và Cửa Đạt và các đối tượng dùng nước khu vực hạ du hồ Cửa Đạt. Tác động của BĐKH chỉ xét đến khi tính toán nhu cầu nước tưới. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá và tình toán nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến tác động của BĐKH; - Phương pháp mô hình toán (tất định và ngẫu nhiên) mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ và dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ; - Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với kỹ thuật tối ưu để nghiên cứu vận hành hồ chứa Cửa Đạt. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Vận hành mềm dẻo và hợp lý (vận hành thích nghi) hồ chứa nước đa mục tiêu hiện nay là xu hướng chung của các nước tiên tiến trên thế giới. Nếu như các kỹ thuật tối ưu được sử dụng chủ yếu trong các nghiên cứu, còn mô phỏng được dùng trong xây dựng quy trình vận hành áp dụng trong thực tế sản xuất thì việc kết hợp giữa hai hướng cùng với phân tích độ tin cậy và dự báo dòng chảy đến hồ để có những ứng xử hợp lý khi vận hành hồ chứa đa mục tiêu là một tiếp cận phù hợp với xu thế chung nói trên. Chính vì vậy kết quả nghiên cứu của Luận án sẽ góp phần hoàn thiện những luận cứ khoa học vận hành thích nghi hồ chứa nước đa mục tiêu. Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt sẽ giúp cho việc điều hành của cơ quan quản lý thuận tiện hơn nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước của các ngành ở tỉnh Thanh Hóa, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế phát điện và góp phần điều chỉnh Quy trình 1911 khi cần thiết. 6. Những đóng góp mới của luận án 1) Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu bao gồm: i) xây dựng các quỹ đạo vận hành tương ứng với các mức đảm bảo khác nhau từ nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hồ; ii) dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ; iii) tích hợp dự báo với mô hình vận hành hồ với những phân tích về cách ứng xử vận hành theo trạng thái hồ, dòng chảy đến hồ dự báo và theo các quỹ đạo vận hành đã xây dựng để vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu. 2) Xây dựng được chế độ vận hành thích nghi cho hồ chứa Cửa Đạt trong mùa kiệt đảm bảo đáp ứng nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến BĐKH, nâng cao hiệu quả phát điện đồng thời đánh giá được tính hợp lý của lưu lượng tối thiểu tham gia đẩy mặn của hồ Cửa Đạt đối với hạ du lưu vực sông Mã. 3
7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án được bố cục trong 3 chương, bao gồm: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu, dự báo trung hạn dòng chảy trong nước và trên Thế giới, những nghiên cứu ở lưu vực sông Chu – sông Mã từ đó thấy đó thấy được những khoảng trống trong nghiên cứu và đưa ra được định hướng nghiên cứu trong Luận án. Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu. Từ định hướng nghiên cứu đã xác định trong chương I, chương này tiến hành xây dựng các cơ sở khoa học cần thiết để vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt; bao gồm nghiên cứu xây dựng mô hình ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ, tính toán nhu cầu sử dụng nước khi xét đến tác động của BĐKH, đánh giá dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã, xây dựng mô hình kết hợp vận hành hồ chứa (kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu), và nghiên cứu xây dựng các phương án dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ. Chương 3: Tích hợp dự báo dòng chảy với mô hình tối ưu vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt. Chương này trình bày các kết quả phân tích vận hành tối ưu hồ theo các mức đảm bảo khác nhau, và kết quả tích hợp dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ với mô hình kết hợp (mô phỏng – tối ưu) để vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt trong hai năm 2014 và 2015. Từ đó đánh giá để đưa ra những khuyến nghị khi sử dụng trong thực tế vận hành hồ Cửa Đạt. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1.1 Một số khái niệm dùng trong Luận án 1.1.1 Hồ chứa đa mục tiêu Hồ chứa nước là công trình thủy lợi làm nhiện vụ điều tiết dòng chảy, trữ nước vào mùa mưa để sử dụng trong mùa khô 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 cấp nước (tưới, chăn nuôi, công nghiệp, sinh hoạt), phát điện, vận tải thủy, phòng lũ và các loại điều tiết khác. Hồ chứa đa mục tiêu là loại hồ chứa điều tiết phục vụ nhiều yêu cầu về cấp nước [1]. 1.1.2 Vận hành hồ chứa và biểu đồ điều phối Trong quá trình vận hành hồ chứa cấp nước, người quản lý hồ phải xác định lượng nước cấp thỏa mãn yêu cầu của các hộ dùng nước và không gây ra tình trạng thiếu nước vào cuối mùa kiệt, tăng hoặc giảm lượng nước cấp so với lượng nước cấp thiết kế trong những năm thừa nước hoặc thiếu nước. Nhằm trợ giúp người quản lý trong việc ra quyết định cấp nước, biểu đồ điều phối hồ chứa được lập ra gồm các đường cong V=V(t) trên mặt phẳng tọa độ (V,t) (Hình 1.1). Trục hoành là trục thời gian, trục tung phía bên trái là dung tích hồ chứa (từ dung tích chết Vc đến dung tích lớn nhất của hồ Vmax) , phía bên phải là mực nước tương ứng của hồ từ mực nước chết Hc đến mực nước lớn nhất của hồ Hsc. Trên mặt phẳng (V,t), các đường cong V=V(t) chia mặt phẳng tọa độ (V,t) ra các vùng đặc trưng. Mỗi vùng của biểu đồ phản ánh về khả năng cấp nước của hồ chứa đối với nhiệm vụ cấp nước cũng như trạng thái nguy hiểm đối với bài toán phòng lũ hạ du hoặc chống lũ cho công trình. Tại mỗt thời đoạn bất kỳ, trạng thái hồ chứa ở đầu thời đoạn sẽ rơi vào một vùng nào đó trên biểu đồ, người quản lý hồ dựa vào đó để ra quyết định về lưu lượng cấp nước q và lưu lượng xả thừa ở thời đoạn đó. 5
H®Ëp 36 Vïng E Hsc 34 F Vsc (2) §-êng phßng ph¸ ho¹i Dung tÝch hå chøa V (triÖu m3) Vïng D E1 Hbt 32 Vkh Vïng B Htl Mùc n-íc hå (m) 30 Vïng C Vh (3) §-êng phßng lò B2 28 Vïng C V1 26 Vïng A C3 24 B1 (1) §-êng h¹n chÕ cÊp n-íc 22 t1 t2 20 31/VIII 30/IX 31/X 30/XI 31/XII 31/I 28/II 31/III 30/IV 31/V t 30/VI 3 31/VII 31/VIII Th¸ng Hình 1. 1: Biểu đồ điều phối hồ chứa điều tiết năm [1] Biều đồ điều phối thường chỉ được sử dụng trong quá trình thiết kế công trình. Thực tế vận hành của hồ chứa có thể khác khi mà mực nước hồ cuối mùa kiệt có thể không về mực nước chết. 1.1.3 Bài toán tối ưu hóa trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu Vận hành hồ chứa đa mục tiêu là một bài toán phức tạp, bao gồm nhiều biến điều khiển và phải thỏa mãn nhiều mục tiêu như chống lũ, cấp nước, phát điện. Ngoài ra, các rủi ro và thiếu ổn định của lượng nước đến hay nhu cầu nước càng làm cho bài toán trở nên phức tạp, đòi hỏi phải có một phương thức tiếp cận mới có tính chất phân tích, tổng hợp trong việc vận hành hồ chứa. Một trong những phương pháp hiệu quả, đã được ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch và vận hành hồ chứa là phương pháp tối ưu hóa. Tối ưu hóa là môn khoa học lựa chọn giải pháp tốt nhất từ một tập các giải pháp [2]. Phương pháp tối ưu hóa nhất thiết phải xác định được các giải pháp tối ưu trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá. Một bài toán tối ưu hóa có ba yếu tố cơ bản sau: - Trạng thái: mô tả trạng thái của hệ thống cần tối ưu hóa (trạng thái của hồ chứa) - Mục tiêu: đặc trưng cho tiêu chuẩn hoặc hiệu quả mong muốn (chi phí ít nhất, lợi nhuận cao nhất...) 6