Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> VŨ NGỌC DƯƠNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI<br /> HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ<br /> PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước<br /> Mã số chuyên ngành: 62 44 92 01<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> HÀ NỘI, NĂM 2017<br /> Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi<br /> DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ<br /> <br /> 1. Vũ Ngọc Dương, Ngô Lê An và Nguyễn Mai Đăng (2016). Nghiên cứu dự<br /> báo dòng chảy 10 ngày đến hồ chứa Cửa Đạt phục vụ vận hành hồ chứa<br /> Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Nguyễn Mai Đăng<br /> hợp lý. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường (ISSN 1859 –<br /> Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Hà Văn Khối<br /> 3941), số 54, tháng 9/2016, trang 96-100.<br /> <br /> 2. Vũ Ngọc Dương, Nguyễn Mai Đăng (2016). Mô phỏng ngẫu nhiên dòng<br /> chảy tháng đến hồ Cửa Đạt bằng phương pháp Monte – Carlo. Tạp chí Khí<br /> tượng Thủy văn (ISSN 2525 – 2208), số 667, tháng 7/2016, trang 42-47.<br /> <br /> 3. Vũ Ngọc Dương, Nguyễn Mai Đăng, Hà Văn Khối (2014). Đánh giá ảnh<br /> Phản biện 1: PGS. TS. Dương Văn Tiển hưởng của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp thuộc<br /> Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Kiên Dũng khu tưới hồ Cửa Đạt. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường<br /> (ISSN 1859 – 3941), số 45, tháng 6/2014, trang 102-108.<br /> Phản biện 3: TS. Vũ Thị Thu Lan<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại<br /> Phòng họp số 5, Nhà K1, Trường Đại học Thủy lợi<br /> <br /> vào lúc 8 giờ 30 ngày 8 tháng 02 năm 2017<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:<br /> - Thư viện Quốc gia<br /> - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi<br /> MỞ ĐẦU<br /> <br /> 1. Tính cấp thiết của luận án<br /> <br /> Thanh Hóa là một trong năm tỉnh, thành phố có diện tích và dân số lớn nhất nước<br /> ta, nhưng cũng là một trong những tỉnh hứng chịu nhiều tác động nhất của thiên<br /> tai lũ, bão và hạn hán. Những năm gần đây thiên tai xảy ra nhiều hơn, với mức<br /> độ trầm trọng hơn. Ngoài các nguyên nhân khách quan do thời tiết, khí hậu, còn<br /> có những nguyên nhân chủ quan khác như khả năng dự báo mưa lũ, sự phối hợp<br /> quản lý, vận hành các hồ chứa hiện có trên lưu vực sông chưa hợp lý.<br /> <br /> Trước thực trạng đó, Chính phủ đã ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa<br /> Sông Mã theo Quyết định số 1911/QĐ-TTg ngày 5/11/2015 (Quy trình 1911).<br /> Tuy nhiên quy trình trên mới chỉ được xây dựng dựa trên hiện trạng tài nguyên<br /> nước lưu vực sông Chu (thuộc sông Mã) mà chưa xét tới những ảnh hưởng tiêu<br /> cực của biến đổi khí hậu (BĐKH) và sự gia tăng của nhu cầu sử dụng nước cho<br /> phát triển dân sinh, kinh tế của tỉnh; đồng thời quy định về giới hạn đẩy mặn đến<br /> đâu, độ mặn là bao nhiêu và khả năng đáp ứng của hồ cửa Đạt cũng chưa được<br /> làm rõ.<br /> <br /> Để nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội và môi trường từ việc vận hành hồ chứa<br /> Cửa Đạt trong mùa kiệt, đặc biệt có xét tới tác động của BĐKH thì việc tính toán<br /> các nhu cầu sử dụng nước gia tăng, nghiên cứu các kỹ thuật tối ưu hồ chứa và<br /> các phương pháp dự báo trung hạn lưu lượng đến hồ để vận hành mềm dẻo và<br /> hợp lý (thích nghi) hồ Cửa Đạt trong mùa kiệt; đồng thời chỉnh sửa những thiếu<br /> sót và những bất hợp lý có thể của quy trình vận hành liên hồ chứa Sông Mã là<br /> cấp thiết. Chính vì vậy NCS đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu chế độ vận hành<br /> thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa kiệt phục vụ phát triển kinh tế xã<br /> hội tỉnh Thanh Hóa“ làm đề tài nghiên cứu Luận án tiến sĩ của mình.<br /> <br /> 2. Mục tiêu luận án<br /> <br /> Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa Cửa<br /> Đạt nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước các ngành và nâng cao hiệu quả kinh<br /> <br /> 1<br /> tế xã hội ở Tỉnh Thanh Hóa. Đồng thời còn đánh giá dòng chảy tối thiểu có thể<br /> đáp ứng yêu cầu đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã.<br /> <br /> 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu<br /> <br /> - Đối tượng nghiên cứu: hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên lưu vực Sông Chu<br /> (thuộc Sông Mã).<br /> - Phạm vi nghiên cứu: lưu vực Sông Chu (thuộc Sông Mã) bao gồm 2 hồ chứa<br /> Hủa Na và Cửa Đạt và các đối tượng dùng nước khu vực hạ du hồ Cửa Đạt. Tác<br /> động của BĐKH chỉ xét đến khi tính toán nhu cầu nước tưới.<br /> <br /> 4. Phương pháp nghiên cứu<br /> <br /> - Phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm<br /> tập hợp, đánh giá và tình toán nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến tác<br /> động của BĐKH;<br /> - Phương pháp mô hình toán (tất định và ngẫu nhiên) mô phỏng dòng chảy<br /> ngẫu nhiên đến hồ và dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ;<br /> - Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với kỹ<br /> thuật tối ưu để nghiên cứu vận hành hồ chứa Cửa Đạt.<br /> <br /> 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án<br /> <br /> Ý nghĩa khoa học<br /> <br /> Vận hành mềm dẻo và hợp lý (vận hành thích nghi) hồ chứa nước đa mục tiêu<br /> hiện nay là xu hướng chung của các nước tiên tiến trên thế giới. Nếu như các kỹ<br /> thuật tối ưu được sử dụng chủ yếu trong các nghiên cứu, còn mô phỏng được<br /> dùng trong xây dựng quy trình vận hành áp dụng trong thực tế sản xuất thì việc<br /> kết hợp giữa hai hướng cùng với phân tích độ tin cậy và dự báo dòng chảy đến<br /> hồ để có những ứng xử hợp lý khi vận hành hồ chứa đa mục tiêu là một tiếp cận<br /> phù hợp với xu thế chung nói trên. Chính vì vậy kết quả nghiên cứu của Luận<br /> án sẽ góp phần hoàn thiện những luận cứ khoa học vận hành thích nghi hồ chứa<br /> nước đa mục tiêu.<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> Ý nghĩa thực tiễn<br /> <br /> Việc nghiên cứu chế độ vận hành thích nghi hồ chứa nước Cửa Đạt trong mùa<br /> kiệt sẽ giúp cho việc điều hành của cơ quan quản lý thuận tiện hơn nhằm đáp ứng<br /> nhu cầu sử dụng nước của các ngành ở tỉnh Thanh Hóa, đồng thời nâng cao hiệu<br /> quả kinh tế phát điện và góp phần điều chỉnh Quy trình 1911 khi cần thiết.<br /> <br /> 6. Những đóng góp mới của luận án<br /> <br /> 1) Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học vận hành thích nghi hồ chứa đa mục<br /> tiêu bao gồm: i) xây dựng các quỹ đạo vận hành tương ứng với các mức<br /> đảm bảo khác nhau từ nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hồ; ii) dự báo<br /> trung hạn dòng chảy đến hồ; iii) tích hợp dự báo với mô hình vận hành<br /> hồ với những phân tích về cách ứng xử vận hành theo trạng thái hồ, dòng<br /> chảy đến hồ dự báo và theo các quỹ đạo vận hành đã xây dựng để vận<br /> hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu.<br /> <br /> 2) Xây dựng được chế độ vận hành thích nghi cho hồ chứa Cửa Đạt trong<br /> mùa kiệt đảm bảo đáp ứng nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến<br /> BĐKH, nâng cao hiệu quả phát điện đồng thời đánh giá được tính hợp lý<br /> của lưu lượng tối thiểu tham gia đẩy mặn của hồ Cửa Đạt đối với hạ du<br /> lưu vực sông Mã.<br /> <br /> 7. Cấu trúc của luận án<br /> <br /> Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án được bố cục trong 3 chương,<br /> bao gồm:<br /> <br /> Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu.<br /> <br /> Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu.<br /> <br /> Chương 3: Tích hợp dự báo dòng chảy với mô hình tối ưu vận hành thích nghi<br /> hồ chứa Cửa Đạt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN<br /> HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC<br /> <br /> 1.1 Một số khái niệm dùng trong Luận án<br /> <br /> Mục này trình bày một số khái niệm sử dụng trong luận án trong đó có khái niệm<br /> vận hành thích nghi hồ chứa. Vận hành thích nghi hồ chứa là quá trình vận hành<br /> mà việc xả nước ở từng bước thời gian được quyết định dựa trên trạng thái ban<br /> đầu của hệ thống và thông tin dự báo dòng chảy đến hồ trong khoảng thời gian<br /> dự kiến. Quy trình ra quyết định cho việc vận hành thích nghi hồ chứa gồm:<br /> 1) Dự báo trung hạn lưu lượng nước đến hồ.<br /> 2) Trên cơ sở các thông tin dự báo, áp dụng mô hình tối ưu để xác định lượng<br /> nước tối ưu xả qua hồ. Lượng nước xả cần được tính toán đảm bảo sự thoả hiệp<br /> giữa các mục tiêu dài hạn và các mục tiêu ngắn hạn. Các mục tiêu này bao gồm<br /> cấp nước, phát điện, cao trình mực nước, hay lưu lượng tại các điểm khống chế<br /> ở hạ lưu và có thể đánh giá thông qua các tiêu chuẩn kinh tế.<br /> 3) Các thông tin quan trắc sau một số bước thời gian sẽ được cập nhật và quy<br /> trình lại lặp lại từ đầu.<br /> <br /> 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu và<br /> dự báo trung hạn dòng chảy trên thế giới<br /> <br /> 1.2.1 Vận hành hồ chứa<br /> <br /> Vận hành hồ chứa được nghiên cứu nhiều trên Thế giới. Phương pháp sử dụng<br /> chủ yếu là áp dụng các thuật toán điều khiển khác nhau vào giải quyết bài toán<br /> vận hành tối ưu hồ chứa bao gồm:<br /> <br /> - Nhóm các phương pháp tối ưu ngẫu nhiên ẩn gồm: Các mô hình quy hoạch<br /> tuyến tính, các mô hình tối ưu dòng chảy mạng, các mô hình quy hoạch phi<br /> tuyến, các mô hình quy hoạch động<br /> - Nhóm các phương pháp ngẫu nhiên hiện gồm: các mô hình quy hoạch tuyến<br /> tính ngẫu nhiên, các mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên, Các mô hình điều<br /> khiển tối ưu ngẫu nhiên<br /> <br /> <br /> 4<br /> Gần đây có một số nghiên cứu về vận hành hồ chứa theo thời gian thực và vận<br /> hành thích nghi hồ chứa.<br /> <br /> 1.2.2 Dự báo trung hạn dòng chảy<br /> <br /> Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy (10 ngày, 1 tháng) đến hồ đóng một vai<br /> trò quan trọng trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Đặc biệt là việc nâng cao<br /> chất lượng dự báo vẫn đang là một đề tài được nhiều nhà nghiên cứu trên thế<br /> giới quan tâm. Các phương pháp thường dùng trong các nghiên cứu gồm:<br /> - Các mô hình thống kê: ARMA, Thomas Feering…<br /> - Các mô hình thủy văn thông số phân bố sử dụng các thông tin viễn thám và<br /> GIS, và kết quả dự báo mưa từ các mô hình số trị dự báo thời tiết như MM5,<br /> RAMS, HRM, BOLAM vv…<br /> - Các phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) với nhiều thuật toán tối ưu<br /> khác nhau như BPNN, GA, Fuzzy Loggic…<br /> <br /> 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành tối ưu hồ chứa đa mục<br /> tiêu và dự báo trung hạn dòng chảy ở Việt Nam<br /> <br /> 1.3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu<br /> <br /> Việt Nam là nước nông nghiệp có nhiều hồ chứa thủy lợi (trên 6.600 hồ). Chính<br /> vì vậy, nghiên cứu vận hành hồ chứa cũng được nhiều nhà khoa học, nhiều cơ<br /> quan nghiên cứu trong nước quan tâm. Các nghiên cứu vận hành tối ưu chủ yếu<br /> phục vụ chống lũ, phát điện cho hệ thống hồ chứa trên sông Hồng – Thái Bình<br /> và một số hồ ở thủy điện ở Miền Trung. Gần đây, Bộ Tài nguyên và Môi trường<br /> chủ trì xây dựng qui trình cho một số hệ thống hồ chứa cho cả mùa lũ và mùa<br /> kiệt. Phần lớn các nghiên cứu đều sử dụng một số kỹ thuật tối ưu như quy hoạch<br /> tuyến tính, quy hoạch động… và các phần mềm GAMS. Tuy nhiên các kết quả<br /> nghiên cứu tối ưu vẫn chưa được sử dụng nhiều trong thực tế vận hành.<br /> <br /> 1.3.2 Dự báo trung hạn dòng chảy<br /> <br /> Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ chưa nhiều và chủ yếu là các<br /> nghiên cứu cho lưu vực (chứ ít cho riêng từng hồ). Các phương pháp dự báo chủ<br /> <br /> 5<br /> yếu là ARIMA (p,d,q), ANN, phân tích tương quan và gần đây sử dụng các mô<br /> hình thông số phân bố như MARINE (TTDBKTTV, Viện cơ), DIMOSOP<br /> (ĐHTL). Chất lượng dự báo chưa tốt do nhiều nguyên nhân trong đó phải kể đến<br /> là do số liệu đầu vào chưa tốt và đủ dài.<br /> <br /> 1.4 Các nghiên cứu liên quan thực hiện trên lưu vực sông sông Mã - sông<br /> Chu.<br /> <br /> Lưu vực sông Mã - sông Chu thuộc tỉnh Thanh Hoá là một lưu vực lớn của khu<br /> vực Bắc Trung Bộ. Trên lưu vực đã xây dựng được một số công trình hồ chứa<br /> lớn phục vụ đa mục tiêu. Hiện đã có nhiều dự án, đề tài nghiên cứu khoa học<br /> được thực hiện có liên quan hoặc một phần có liên quan đến vấn đề nghiên cứu<br /> trong luận án như: i) Dự án quy hoạch tổng thể thủy lợi tỉnh Thanh Hóa đến năm<br /> 2020 và định hướng đến năm 2030 do Viện Quy hoạch Thủy lợi [36] thực hiện;<br /> ii) Đề tài NCKH cấp bộ TN & MT “Đánh giá, cân bằng tài nguyên nước lưu vực<br /> sông Mã và đề xuất giải pháp sử dụng hợp lý tái nguyên nước phục vụ phát triển<br /> kinh tế - xã hội bền vững” do Viện Khoa học KTTV và BĐKH [37] thưc hiện;<br /> iii) Các nghiên cứu liên quan đến xây dựng QTVH hồ Cửa Đạt năm 2014 (quy<br /> trình 3944), QTVH liên hồ chứa sông trên sông Mã (quy trình 1911).<br /> <br /> 1.5 Những tồn tại trong nghiên cứu vận hành tối ưu hồ đa mục tiêu, dự<br /> báo trung hạn dòng chảy và hướng phát triển<br /> <br /> - Hầu hết các nghiên cứu đều đưa ra các quỹ đạo vận hành tối ưu cho hồ chứa<br /> về mặt lý thuyết nhưng chưa thấy nghiên cứu nào được sử dụng trong thực tế vận<br /> hành.<br /> - Rất ít nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ mà chủ yếu cho lưu vực.<br /> Trong điều kiện lưu vực có nhiều thay đổi do con người xây dựng các công trình<br /> khai thác tài nguyên nước như hồ thủy lợi, thủy điện đan xen nhau thì việc áp<br /> dụng đơn thuần các phương pháp trên không mang lại kết quả mong muốn và<br /> cần phải có một tiếp cận mới mang tính kết hợp.<br /> - Yêu cầu đẩy mặn được quy định đối với hồ Cửa Đạt nhưng chưa có luận cứ<br /> rõ ràng, và khả năng đáp ứng của Hồ tối đa là bao nhiêu cần phải đánh giá.<br /> <br /> 6<br /> Do vậy để đưa kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành thì cần phải tích hợp dự<br /> báo vào mô hình vận hành để vận hành thích nghi hồ chứa.<br /> <br /> 1.6 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu trong luận án<br /> <br /> Sau khi tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ đa mục tiêu, dự báo dòng<br /> chảy trung hạn đến hồ và đánh giá những tồn tại, NCS đã lựa chọn cho mình<br /> hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên<br /> cứu. Hướng tiếp cận chung của nghiên cứu được tóm tắt trong sơ đồ Hình 1-2.<br /> <br /> Theo sơ đồ này, mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu trong vận hành hồ chứa<br /> được xây dựng và kết hợp từ 3 mô hình:<br /> <br /> - Mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ (bao gồm dòng chảy khu<br /> giữa từ hồ Hủa Na đến hồ Cửa Đạt và dòng chảy ra của hồ Hủa Na có xét đến<br /> những quy định về vận hành của hồ Hủa Na trong quy trình 1911). Mô hình này<br /> được xây dựng trên cơ sở sử dụng mô phỏng Monte Carlo cấp phát ngẫu nhiên<br /> dòng chảy đến hồ theo thời đoạn 10 ngày. Bộ thông số của các phân bố xác suất<br /> sử dụng trong mô phỏng Monte Carlo được xác định từ số liệu thực đo dòng chảy<br /> đến hồ trong 51 năm (1959 - 2010).<br /> - Mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa được xây dựng trong bảng tính Excel<br /> dựa trên nguyên lý điều tiết cấp nước và phát điện.<br /> - Mô hình tối ưu được xây dựng trong phần mềm Crystal Ball với mô đun tối<br /> ưu Opquest. Mô đun này tích hợp nhiều kỹ thuật tối ưu khác nhau.<br /> <br /> Sau khi các nhu cầu sử dụng nước được tính toán lại trên cơ sở xem xét tác động<br /> của BĐKH theo kịch bản BĐKH – B2 của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012),<br /> yêu cầu dòng chảy tối thiểu góp phần vào đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã được<br /> phân tích và đánh giá, cùng với dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ được cấp phát từ<br /> mô phỏng Monte Carlo trên sẽ hợp thành các đầu vào để chạy mô hình vận hành<br /> hồ chứa. Sau khi tìm kiếm xác lập chế độ vận hành tối ưu, xác định các biến điều<br /> khiển trong một số trường hợp vận hành (vận hành theo quy trình 3944, theo quy<br /> trình 3944 + 1911, theo quy trình 3944 + 1911 + gia tăng dần lưu lượng đẩy mặn<br /> trong tháng III, theo quy trình 3944 + 1911 + xét đến tác động của BĐKH đến<br /> <br /> 7<br /> nhu cầu sử dụng nước), tiến hành mô phỏng cho nhiều năm để xây dựng các quỹ<br /> đạo vận hành ứng với các mức đảm bảo khác nhau của hàm mục tiêu (phân tích<br /> độ tin cậy).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.2: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu<br /> <br /> Mô hình dự báo dòng chảy 10 ngày/1 tháng đến hồ sẽ được xây dựng trên cơ sở<br /> tích hợp mô hình thủy văn với mô hình điều tiết hồ chứa, cùng với việc sử dụng<br /> mạng trí tuệ ANN để lựa chọn phương án dự báo phù hợp.<br /> <br /> Cuối cùng, NCS tiến hành xây dựng chương trình tích hợp dự báo dòng chảy đến<br /> hồ với mô hình vận hành hồ chứa cùng với các quỹ đạo vận hành ứng với các<br /> <br /> <br /> 8<br /> mức đảm bảo nói trên để tạo thành công cụ vận hành thích nghi hồ chứa. Vận<br /> hành thử nghiệm sẽ được tiến hành cho 2 năm 2014 và 2015 để đánh giá so với<br /> 2 năm vận hành vừa qua từ đó đưa ra các khuyến nghị trong thực tế vận hành<br /> đồng thời đánh giá lưu lượng tối thiểu góp phần đẩy mặn ở hạ du sông Mã quy<br /> định trong quy trình 1911 có còn phù hợp hay cần phải điều chỉnh.<br /> <br /> Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:<br /> <br /> - Phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm<br /> tập hợp, đánh giá và tình toán nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến<br /> tác động của BĐKH;<br /> - Phương pháp mô hình toán (tất định và ngẫu nhiên) mô phỏng dòng chảy<br /> ngẫu nhiên đến hồ và dự báo dòng chảy trung hạn đến hồ trong mùa kiệt;<br /> - Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với kỹ<br /> thuật tối ưu để nghiên cứu vận hành hồ chứa Cửa Đạt.<br /> <br /> Các phương pháp sử dụng trong Luận án và các bước áp dụng sẽ được trình bày<br /> cụ thể ở các mục tính toán trong chương II và chương III.<br /> <br /> 1.7 Giới thiệu tóm tắt các hồ chứa nghiên cứu trên lưu vực sông Chu<br /> <br /> Mục này giới thiệu tóm tắt hồ chứa Cửa Đạt và hồ chứa Hủa Na trên sông Chu.<br /> <br /> - Công trình hồ chứa nước Cửa Đạt được xây dựng trên sông Chu với các nhiệm<br /> vụ chủ yếu: i) Giảm lũ với tần suất 0,6%, bảo đảm mực nước tại Xuân Khánh<br /> không vượt quá 13,71m (lũ lịch sử năm 1962); ii) Cấp nước cho công nghiệp và<br /> sinh hoạt với lưu lượng 7,7 m3/s; iii) Tạo nguồn nước tưới ổn định cho 86.862ha<br /> đất canh tác (trong đó Nam sông Chu là 54.043 ha - hệ thống thuỷ nông Bái<br /> Thượng và Bắc sông Chu-Nam sông Mã là 32.831 ha); iv) Kết hợp phát điện với<br /> công suất lắp máy N=97 MW; v) Bổ sung nước mùa kiệt cho hạ du để đẩy mặn,<br /> cải tạo môi trường sinh thái với lưu lượng Q=30,42 m3/s.<br /> <br /> - Hồ Hủa Na được xây dựng trên dòng sông Chu, phía thượng nguồn công trình<br /> hồ chứa Cửa Đạt. Đây là hồ thủy điện với nhà máy thủy điện Hủa Na có công<br /> suất thiết kế 180MW<br /> <br /> 9<br />  Hình 1.4: Sơ họa các hồ chứa trên Sông Chu và một số vị trí trên sông Mã<br /> <br /> 1.8 Kết luận chương I<br /> <br /> Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu trên thế giới đã được tiến hành<br /> từ nhiều năm nay; tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có một lời giải chung nào phù<br /> hợp cho tất cả các hồ. Những nghiên cứu vận hành tối ưu hồ chứa sử dụng nhiều<br /> thuật toán tối ưu khác nhau cũng đã được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam. Hầu hết<br /> các nghiên cứu đều đưa ra các quỹ đạo vận hành tối ưu cho hồ chứa về mặt lý<br /> thuyết và hầu hết các hồ hiện nay vẫn được vận hành theo quy trình vận hành<br /> được xây dựng từ mô hình mô phỏng.<br /> Những nghiên cứu về dự báo trung hạn dòng chảy cũng có nhiều và thường sử<br /> dụng các phương pháp thống kê, mạng trí tuệ nhân tạo, và gần đây sử dụng các<br /> mô hình thủy văn phân bố. Tuy nhiên trong điều kiện lưu vực có nhiều thay đổi<br /> do con người xây dựng các công trình khai thác tài nguyên nước như hồ thủy lợi,<br /> thủy điện đan xen nhau thì việc áp dụng đơn thuần các phương pháp trên không<br /> mang lại kết quả mong muốn và cần phải có một tiếp cận mới mang tính kết hợp.<br /> Qua nghiên cứu tổng quan, NCS đã lựa chọn cho mình hướng tiếp cận hướng<br /> tiếp cận mang tính kết hợp để phù hợp hơn với thực tế vận hành hồ chứa Cửa Đạt<br /> trong bối cảnh BĐKH.<br /> 10<br /> CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH THÍCH<br /> NGHI HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU<br /> <br /> 2.1 Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ Cửa Đạt<br /> <br /> Do dòng chảy đến hồ Cửa Đạt phụ thuộc vào việc vận hành của hồ chứa Hủa Na<br /> và dòng chảy khu giữa từ Hủa Na đến hồ Cửa Đạt, nên ngoài nghiên cứu sử dụng<br /> mô hình ANN thuật toán lan truyền ngược (BPNN), NCS đã nghiên cứu sử dụng<br /> kết hợp mô hình cân bằng nước thời đoạn tháng với 2 thông số điều chỉnh thành<br /> 10 ngày và mô hình mô phỏng điều tiết hồ chứa nhằm mô phỏng và dự báo dòng<br /> chảy đến hồ.<br /> <br /> 2.1.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình thủy văn 2 thông số kết hợp với mô<br /> hình điều tiết hồ chứa dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Cửa Đạt<br /> <br /> Mô hình được Shenglian Guo và Xiong Lihua xây dựng vào năm 1999 [46] sử<br /> dụng 2 thông số để tính toán dòng chảy từ mưa.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.1: Sơ đồ cân bằng nước mô hình 2 thông số<br /> <br /> Trong đó Qt là dòng chảy tháng, St là lượng ẩm trong đất, và SC biểu thị lượng<br /> ẩm tối đa. SC là thông số mô hình, có đơn vị là mm. Thông số còn lại của mô<br /> hình là c được sử dụng trong ước tính lượng bốc hơi thực.<br /> <br /> Lưu vực hồ chứa Cửa Đạt được chia thành 21 lưu vực con; mỗi lưu vực là một<br /> mô hình cân bằng nước thời đoạn 10 ngày. Lưu lượng dòng chảy tại hồ Hủa Na<br /> và Cửa Đạt được tính bằng tổng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực con với giả<br /> thiết là ảnh hưởng của yếu tố chảy truyền trên lưu vực là không đáng kể so với<br /> thời đoạn tính toán 10 ngày. Để mô phỏng dòng chảy ra của hồ Hủa Na, luận án<br /> sử dụng phương pháp cân bằng nước hồ chứa để ước tính lưu lượng xả tổng cộng<br /> <br /> <br /> 11<br /> của hồ (bao gồm cả lưu lượng xả thừa và lưu lượng qua tuốc bin). Chuỗi số liệu<br /> từ 1993 - 2000 được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình, còn chuỗi số liệu từ 2001 -<br /> 2007 được sử dụng để kiểm định mô hình. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô<br /> hình với chỉ số Nash lần lượt là 0,71 và 0,73 (ở mức độ tương đối tốt ). Bộ thông<br /> số của mô hình tìm được sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được kết hợp<br /> với mô hình điều tiết hồ Hủa Na để dự báo thử nghiệm dòng chảy 10 ngày đến<br /> hồ Cửa Đạt trong 2 năm 2014 và 2015.<br /> <br /> Kết quả dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Hủa Na khá tốt trong giai đoạn mùa<br /> kiệt, trong khi giai đoạn mùa lũ thì có sự sai lệch đáng kể (30% nhỏ hơn về tổng<br /> lượng trong năm 2014 và 35% lớn hơn trong năm 2015). Sự sai lệch giữa dự báo<br /> và thực đo chủ yếu đến từ việc không có số liệu dự báo, cảnh báo mưa và bốc<br /> hơi thời đoạn 10 ngày nên phải lấy dữ liệu trung bình nhiều năm thời đoạn đó để<br /> thay thế. Việc vận hành hồ giai đoạn mùa kiệt năm 2014, 2015 do chưa có quy<br /> trình liên hồ (quy trình 1911) nên sẽ có sự khác biệt cơ bản như mực nước hồ có<br /> một số giai đoạn nhiều ngày xuống thấp hơn cao trình cho phép hay lưu lượng<br /> xả tổng cộng về hạ lưu đôi khi bằng không. Kết quả dự báo dòng chảy 10 ngày<br /> về hồ Cửa Đạt vì thế vẫn có sai lệch đáng kể. Nếu hồ Hủa Na vận hành đúng quy<br /> trình liên hồ chứa Sông Mã 1911 (2015) thì kết quả dự báo dòng chảy đến hồ<br /> Cửa Đạt sẽ khả quan hơn.<br /> <br /> 2.1.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mạng trí tuệ nhận tạo (ANN) dự báo<br /> dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt<br /> <br /> NCS đã sử dụng mạng Nơ ron thần kinh 3 lớp với thuật toán quét ngược (BPNN)<br /> để nghiên cứu dự báo dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. 10: Mạng nơron thần kinh 3 lớp<br /> <br /> <br /> <br /> 12<br /> Số liệu dùng để luyện mạng là chuỗi số 1980 đến 1999 còn số liệu dùng để kiểm<br /> định là chuỗi số từ 2000 đến 2009. Mặc dù khi hiệu chỉnh và kiểm định cho kết<br /> quả khá tốt với chỉ tiêu Nash đạt khoảng 0,7, xong kết quả dự báo thử nghiệm lại<br /> không tốt đặc biệt trong thời kỳ mùa kiệt, có sự sai lệch nhiều vì hồ chứa Hủa Na<br /> bắt đầu hoạt động từ cuối năm 2013 nên dòng chảy vào hồ Cửa Đạt (gồm dòng<br /> chảy xả ra từ hồ Hủa Na và dòng chảy sinh ra trên lưu vực khu giữa từ Hủa Na<br /> đến Cửa Đạt) đã bị thay đổi, mạng ANN chưa được luyện với thay đổi này. Cần<br /> phải có số liệu dòng chảy thực đo xả ra từ Hủa Na để đưa vào thêm một biến đầu<br /> vào trong quá trình luyện mạng. Tuy nhiên chỉ có số liệu 2 năm vận hành vừa<br /> qua là chưa đủ để luyện mạng. Nhưng trong tương lai, khi số liệu thực đo xả ra<br /> từ hồ Hủa Na đủ dài thì đây có thể coi là một phương pháp dự báo tốt dòng chảy<br /> đến hồ Cửa Đạt<br /> <br /> Nhận xét: Với kết quả thử nghiệm dự báo dòng chảy đến hồ Cửa Đạt cho 2 năm<br /> 2014 và 2015, NCS đề xuất sử dụng phương pháp kết hợp mô hình thủy văn 2<br /> thông số với mô hình điều tiết hồ Hủa Na để dự báo dòng chảy trung hạn (10<br /> ngày) đến hồ Cửa Đạt trong giai đoạn trước mắt. Trong tương lai khi có số liệu<br /> chuỗi dòng chảy thực đo xả ra từ hồ Hủa Na thì có thể sử dụng thêm mô hình<br /> mạng Nơ ron thần kinh như một phương án bổ sung để đưa ra các trị số dự báo<br /> tốt hơn.<br /> <br /> 2.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành<br /> hồ Cửa Đạt<br /> <br /> 2.2.1 Nhiệm vụ của hồ Cửa Đạt và những quy định trong Quy trình vận<br /> hành hồ 3944 (2014) và Quy trình vận hành liên hồ chứa trên Sông<br /> Mã 1911 (2015)<br /> <br /> Nhiệm vụ và những quy định trong quy trình 3944 và quy trình liên hồ 1911 được<br /> phân tích để xác lập các ràng buộc về lưu lượng và mực nước hồ khi nghiên cứu<br /> chế độ tối ưu hồ Cửa Đạt ở các mục tiếp theo.<br /> <br /> <br /> 13<br /> 2.2.2 Tính toán nhu cầu sử dụng nước hồ Cửa Đạt có xét đến BĐKH<br /> <br /> NCS đã tiến hành tính toán nhu cầu sử dụng nước tưới khi xét tới BĐKH –B2<br /> (được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012) theo các bước được<br /> minh họa trong hình được Sơ đồ hình 2.13.<br /> <br /> Tài liệu khí tượng, thủy văn, nông nghiệp<br /> <br /> Sử dụng phần mềm Cropwat<br /> <br /> Xét tới BĐKH: X, t thay<br /> đổi<br /> Nhu cầu tưới cho cây trồng/ha hiện Nhu cầu tưới cho cây trồng/ha giai đoạn 2020 - 2050<br /> trạng<br /> <br /> <br /> Đánh giá về sự thay đổi nhu cầu tưới/ha<br /> <br /> <br /> <br /> Nhu cầu tưới hồ Cửa Đạt có xét tới BĐKH (P đảm bảo 85%)<br /> <br /> <br /> Hình 2.13: Sơ đồ tính toán nhu cầu tưới cây trồng khi xét đến BĐKH<br /> <br /> Kết quả tính toán nhu cầu sử dụng nước tưới của hồ Cửa Đạt giai đoạn đến 2050<br /> được tóm tắt trong Bảng 2.16<br /> <br /> Bảng 2.16: Nhu cầu nước tưới từ hồ Cửa Đạt (p=85%) giai đoạn đến 2050<br /> theo kịch bản BĐKH- B2 (m3/s)<br /> <br /> Khu tưới VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI<br /> Bắc sông Chu 23,30 9,96 6,20 6,08 9,64 39,69 15,73 18,90 17,99 19,03 14,88 31,32<br /> Nam sông Chu 23,50 2,69 0,00 13,73 8,54 31,73 63,81 62,55 76,49 70,20 28,69 11,95<br /> <br /> 2.2.3 Nghiên cứu đánh giá và xác định lưu lượng tối thiểu góp phần đẩy<br /> mặn khu vực hạ lưu sông Mã đối với hồ chứa Cửa Đạt<br /> <br /> Hạ du sông Mã cũng như các sông khác có cửa đổ ra biển những năm gần đây<br /> đều bị mặn uy hiếp. Trạm bơm cấp nước sinh hoạt cho thành phố Thanh Hóa<br /> 2,5m3/s gần cửa sông Chu cũng nhiều lần bị mặn uy hiếp. Nước mặn xâm nhập<br /> sâu vào nội địa có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân chính là do nguồn<br /> nước ngọt đổ xuống vùng cửa sông không đủ đẩy mặn.<br /> <br /> 14<br /> Các hồ chứa ở thượng nguồn sông Mã, sông Chu đều là hồ chứa đa mục tiêu cấp<br /> nước, chống lũ, phát điện,…Vùng hồ Cửa Đạt có nhiệm vụ trả lại dòng chính<br /> sông Chu 30-31m3/s trong mùa kiệt để cải tạo môi trường vùng hạ du sông Chu,<br /> lưu lượng này là lưu lượng tăng thêm để đẩy mặn cho hạ du sông Mã, cải thiện<br /> chất lượng nước vùng hạ du. Trong khuôn khổ luận án này NCS đã nghiên cứu<br /> chứng minh điều này là một trong những điểm ràng buộc đối với quy trình vận<br /> hành hồ và khả năng có thể đáp ứng đến đâu của hồ Cửa Đạt.<br /> <br /> NCS đã thu thập toàn bộ số liệu từ năm 2007 đến 2015 về độ mặn, lưu lượng và<br /> mực nước vào thời kỳ kiệt nhất trong năm (tháng III) tại 4 trạm: Giàng, Hàm<br /> Rồng, Nguyệt Viên và Quảng Châu lần lượt cách cửa Hới (cửa sông Mã) là 24km,<br /> 18,6km, 14km và 5,3 km. Số liệu này do Sở Tài nguyên và Môi trường Thanh<br /> Hóa kết hợp với Đài Khí tượng Thủy văn Thanh Hóa tiến hành đo đạc.<br /> <br /> Từ số liệu này, NCS tiến hành phân tích đánh giá quan hệ độ mặn với các biên<br /> Q thượng lưu (Xuân Khánh và Sét Thôn) với độ mặn tại các trạm Giàng, Hàm<br /> Rồng, Nguyệt Viên, và Quảng Châu. Qua đó đánh giá được khả năng đẩy mặn<br /> của hồ chứa Cửa Đạt đối với hạ lưu sông Mã.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. 20: Diễn biến mặn dọc sông Mã từ cửa sông (Cửa Hới) vào đến Giàng<br /> theo số liệu quan trắc tháng III hàng năm từ 2007 đến 2015 (hoàn chỉnh một<br /> chu kỳ triều)<br /> 15<br /> Hình 2.20 chỉ ra nêm mặn ứng với Qxk = 45 m3/s rất sát với nêm mặn Qxk = 50<br /> m3/s của năm 2013. Như vậy nếu hồ Cửa Đạt xả tối thiểu 30,42 m3/s thì độ mặn<br /> trung bình thường kỳ kiệt tháng III dao động trên dưới 7%o tại Nguyệt Viên.<br /> <br /> Như vậy nếu muốn đẩy độ mặn xuống dưới 4%o tại Nguyệt Viên, thì Qxk phải<br /> đạt được 85 m3/s, giống như nêm mặn năm 2015, tức là hồ Cửa Đạt phải xả tới<br /> 121 m3/s (bao gồm cả cấp cho Nam Sông Chu tại Bái Thượng 42m3/s). Nếu trong<br /> thời kỳ mùa kiệt mà hồ Cửa Đạt xả với lưu lượng < 15 m3/s (Qxk < 20 m3/s) thì<br /> độ mặn ở hạ lưu (từ Giàng xuống cửa sông) tăng rất nhanh, do đó bắt buộc phải<br /> duy trì nghiêm túc dòng chảy tối thiểu đã quy định. Khi lưu lượng tại Xuân Khánh<br /> > 35 m3/s thì hồ Cửa Đạt xả thêm từ 20-30 m3/s sẽ góp phần giảm độ mặn tại<br /> Nguyệt Viên xuống 1%o.<br /> 2.2.4 Xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy đến hồ chứa Cửa Đạt<br /> <br /> NCS đã sử dụng chuỗi số liệu dòng chảy đến hồ trong 51 năm (từ năm 1959 đến<br /> năm 2010) đã thu thập được từ công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi 1 [43], [44]<br /> để thiết lập 12 chuỗi số liệu dòng chảy từng tháng đến hồ và sử dụng modun<br /> “Correlation and Fitting” trong phần mềm Crystal Ball [54] để xác định hàm<br /> phân bố xác suất phù hợp nhất cho dòng chảy của từng tháng. Kết quả cho thấy<br /> các phân bố tìm được đều là các phân bố thường gặp trong thủy văn như phân bố<br /> Normal, phân bố Extreme …etc. Bộ thông số của các phân bố tìm được này sẽ<br /> làm đầu vào cho việc mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ bằng phương pháp<br /> Monte Carlo.<br /> <br /> 2.2.5 Thiết lập bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa nước Cửa Đạt<br /> <br /> Hàm mục tiêu của bài toán vận hành tối ưu hồ đa mục tiêu có thể được biểu diễn<br /> tổng quát như sau:<br /> Maximise F(X) = [F1(X), F2(X), ... , FN(X),] (2-10)<br /> <br /> Trong đó: Fj(X), j=1 .. N là các hàm mục tiêu; X: véc tơ của các biến ra quyết<br /> định; qi(X) ≤ 0 : các ràng buộc xác định trong miền khả thi<br /> <br /> 16<br /> NCS đã lựa chọn phương pháp tập hợp để áp dụng cho hồ Cửa Đạt. Hồ Cửa<br /> Đạt là hồ chứa đa mục tiêu, tuy nhiên có thể gộp các mục tiêu thành 3 mục tiêu<br /> chính đó là: i) cấp nước (cấp nước cho khu tưới khu Bắc Sông Chu, khu tưới<br /> Nam Sông Chu, cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp), ii) cải thiện môi trường<br /> sinh thái (góp phần đẩy mặn ở hạ lưu sông Mã), iii) phát điện. Trong 3 mục tiêu<br /> này thì 2 mục tiêu cấp nước và cải thiện môi trường sinh thái là quan trọng nhất,<br /> do vậy NCS đã coi 2 mục tiêu này là ràng buộc trong đó mục tiêu cấp nước tưới,<br /> sinh hoạt và công nghiệp là ràng buộc ưu tiên 1, mục tiêu cải thiện môi trường<br /> sinh thái và góp phần đẩy mặn khu vực hạ lưu sông Mã là ưu tiên số 2. Vì vậy<br /> bài toán sẽ còn 1 mục tiêu duy nhất đó là phát điện (tối ưu lượng điện năng sản<br /> xuất trung bình nhiều năm của nhà máy Thủy điện Cửa Đạt). Hàm mục tiêu lúc<br /> này được biểu diễn dưới dạng:<br /> 1<br />