Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Thiết lập mơ hình mơ phục vụ xây dựng quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa thủy điện lƣu vực sông Ba Dƣơng Thị Thanh Hƣơng1, Nguyễn Tiền Giang2,* Viện Cơ học, Viện KH&CNVN, 264 Đội Cấn, Ba Đình, Hà Nội, Việt Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 29 tháng năm 2011 Tóm tắt Hệ thống hồ chứa phát điện lƣu vực sông miền Trung nƣớc ta tăng đáng kể mặt số lƣợng thập kỷ gần Việc xây dựng quy trình vận hành cho hệ thống liên hồ với mục tiêu cắt giảm lũ cho hạ du lý mà ngày cấp thiết Công cụ mô tối ƣu hai cơng cụ sử dụng để giải vấn đề cách khoa học hợp lý Bài báo tổng quan số phƣơng pháp, cách tiếp cận việc thiết lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu mùa lũ Từ kết luận rằng, hầu hết trƣờng hợp mơ hình mơ cần thiết Tiếp theo, báo trình bày mơ hình mơ đƣợc thiết lập thử nghiệm mơ quy trình điều hành đƣợc xây dựng từ đề tài khoa học cấp nhà nƣớc Kết cho thấy mơ hình áp dụng hiệu cho trƣờng hợp điều tiết hồ chứa hành lƣu vực sơng Ba Từ khóa: Sơng Ba, vận hành hệ thống hồ chứa, mô mục đích bảo tồn nhƣ cấp nƣớc, sản xuất điện, tƣới, Thông thƣờng vấn đề nảy sinh việc sử dụng chiến lƣợc phân phối để xác định dung tích phịng lũ dài hạn mùa mƣa xả nƣớc ngắn hạn điều hành thời gian thực Các nghiên cứu định dài hạn liên quan đến việc phân bổ dung tích phịng lũ có xét đến biến động dòng chảy năm nguy liên quan khác Việc phân bổ dung tích phịng lũ hệ thống đa hồ chứa toán phức tạp nhiều tƣơng tác lƣu lƣợng thƣợng, hạ lƣu cho toàn hệ thống cần phải đƣợc xem xét Tổng quan phương pháp xây dựng quy trình điều hành hệ thống hồ chứa Hồ chứa cơng trình trữ nƣớc nhân tạo đƣợc xây dựng khe suối, sông đập chắn ngang sơng Chức hồ chứa làm ổn định dòng chảy cách điều tiết khả cấp nƣớc dòng chảy tự nhiên thỏa mãn yêu cầu nƣớc khác hộ dùng nƣớc Điều hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu với việc sử dụng nƣớc cho nhiều mục đích khác thu hút nhiều nhà nghiên cứu vài chục năm gần Một nguyên nhân mâu thuẫn cổ điển kiểm soát lũ Trong năm gần đây, vấn đề hoạt động không hiệu hồ chứa có sử dụng cơng nghệ lạc hậu vận hành hồ chứa chủ quan đƣợc nhiều chuyên _ * Tác giả liên hệ ĐT: 84-4-35578435 E-mail: giangnt@vnu.edu.vn 136 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 gia Vì cần phải thiết lập hệ thống cơng cụ để hỗ chợ công tác vận hành hồ chứa Một cơng cụ hiệu mơ hình mơ bao gồm nguyên tắc định phép nhà điều hành kiểm tra kết kịch khác hệ thống hồ chứa [1] Vận hành hồ chứa với mục tiêu kiểm soát lũ lụt sử dụng đƣờng cong quy tắc tĩnh để xác định sức chứa nƣớc hồ Khi đập đƣợc xây dựng với mục tiêu kiểm soát lũ, đƣờng cong quy tắc đƣợc tạo để hƣớng dẫn (hoặc hạn chế) quy trình vận hành lũ thời gian năm Những đƣờng cong quy tắc xác định đƣợc sức chứa nƣớc hồ khống chế cân đƣợc mục tiêu kiểm soát lũ cấp nƣớc đập Mỗi đƣờng cong quy tắc đƣợc phát triển cho đập đƣợc xây dựng dựa số liệu thủy văn lƣu vực Phƣơng pháp ban đầu đƣợc sử dụng để tạo đƣờng cong quy tắc tốt thử nghiệm thử dần Công cụ đƣờng cong quy tắc định phƣơng trình hay đồ thị liên quan đến việc mở cửa đập tràn, thông số hồ chứa nƣớc Sự khác biệt với vận hành theo thời gian thực đƣờng cong quy tắc không phụ thuộc vào liệu bên hồ chứa Tình hình hạ du dự báo thƣợng lƣu sông yêu cầu mức tối thiểu Sự sẵn có thơng tin cải thiện đáng kể khả vận hành, nhƣng, kể từ hệ thống khơng có lỗi dự báo quan trọng, ngƣời dùng có xu hƣớng sử dụng đƣờng cong quy tắc nhƣ công cụ vận hành theo thời gian thực Trong lƣu vực nhỏ, phản ứng thời gian dự báo ngắn, thông tin thu thập tuyến đập quan trọng đáng tin cậy Do đó, đƣờng cong quy tắc quan trọng để kiểm soát lũ quét qua đập Phƣơng pháp đƣờng cong quy tắc ứng dụng cho lƣu vực nhỏ Đối với hoạt động hệ thống hồ chứa, đƣờng cong quy tắc riêng lẻ phải đƣợc cân để tránh nhiều rủi ro địa phƣơng Với nƣớc phát triển, họ trọng 137 đến việc xây dựng công cụ điều hành thời gian thực nhiều Hầu hết đƣờng cong quy tắc giới đƣợc lập theo nghiên cứu dài hạn, có liệt số liệu lớn 30 năm (Mỹ, Trung Quốc, Đài Loan) Qua liệt số liệu tính tốn phƣơng án cắt lũ thƣờng xun, cộng với kịch lũ thiết kế lũ lớn xây dựng đƣờng mực nƣớc hồ chứa theo ràng buộc cắt lũ Từ xây dựng nên đƣờng bao chúng tạo thành đƣờng cong quy trình điều hành Nhƣ vậy, phƣơng pháp đƣợc thực giới xây dựng quy trình chủ yếu dựa điều hành cắt lũ thƣờng xuyên Thành lập đƣờng cong quy tắc, nhiên, thƣờng không hiệu để cân đối nhu cầu ngƣời [2] Qua tổng quan phƣơng pháp nghiên cứu tiến hành giới cho thấy vận hành hệ thống nguồn nƣớc, hệ thống hồ chứa phục vụ đa mục tiêu trình phức tạp bị chi phối nhiều yếu tố ngẫu nhiên, phải thỏa mãn yêu cầu hầu nhƣ đối nghịch ngành dùng nƣớc nên đƣợc đầu tƣ nghiên cứu chi tiết nhƣng ứng dụng thành công chủ yếu gắn liền với đặc thù hệ thống, phƣơng pháp luận, cơng cụ dùng chung cho hệ thống Có thể tóm tắt phƣơng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa nhóm: mơ phỏng, tối ƣu nhóm kết hợp mô tối ƣu Phƣơng pháp mơ phỏng: Mơ hình mơ kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính tốn cân nƣớc đầu vào, đầu hồ chứa biến đổi lƣợng trữ Kỹ thuật mô cung cấp cầu nối từ cơng cụ giải tích trƣớc cho phân tích hệ thống hồ chứa đến tập hợp mục đích chung phức tạp Theo Simonovic [3], khái niệm mô dễ hiểu thân thiện khái niệm mơ hình hố khác Các mơ hình mơ cung cấp biểu diễn chi tiết thực 138 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 hệ thống hồ chứa quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết hồ kênh riêng biệt hiệu tƣợng theo thời gian khác nhau) Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mơ hình u cầu tính tốn khác mơ nhiều so với mơ hình tối ƣu hố Các kết mô dễ dàng thỏa hiệp trƣờng hợp đa mục tiêu Hầu hết phần mềm mô chạy máy vi tính cá nhân sử dụng rộng rãi Hơn nữa, sau số liệu yêu cầu cho phần mềm đƣợc chuẩn bị, dễ dàng chuyển đổi cho kết thiết kế, định điều hành, thiết kế lựa chọn khác đƣợc đánh giá nhanh chóng Có lẽ số mơ hình mơ hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi mơ hình HEC-5, phát triển Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ Một mơ hình mơ tiếng khác mơ hình Acres, tổng hợp dịng chảy điều tiết hồ chứa (SSARR), mơ hệ thống sóng tƣơng tác (IRIS) Gói phần mềm phân tích quyền lợi hộ sử dụng nƣớc (WRAP) Mặc dù có sẵn số mơ hình tổng qt, cần thiết phải phát triển mơ hình mơ cho (hệ thống) hồ chứa cụ thể hệ thống hồ chứa có đặc điểm riêng Phƣơng pháp tối ƣu: Kỹ thuật tối ƣu hố quy hoạch tuyến tính (LP) quy hoạch động (DP) đƣợc sử dụng rộng rãi quy hoạch quản lý tài nguyên nƣớc Nhiều cơng trình nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hệ thống cho toán tài nguyên nƣớc Yeh (1985), Simonovic (1992) Wurbs (1993) [4] Young (1967) lần đề xuất sử dụng phƣơng pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng quy tắc vận hành chung từ kết tối ƣu hố Phƣơng pháp mà ơng dùng đƣợc gọi “quy hoạch động (DP) Monte-Carlo” Về phƣơng pháp ông dùng kỹ thuật Monte-Carlo tạo số chuỗi dòng chảy nhân tạo Quy trình tối ƣu thu đƣợc chuỗi dịng chảy nhân tạo sau đƣợc sử dụng phân tích hồi quy để cố gắng xác định nhân tố ảnh hƣởng đến chiến thuật tối ƣu Các kết xấp xỉ tốt quy trình tối ƣu thực Một mơ hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đƣợc phát triển Windsor (1975) Karamouz Houck (1987) đề quy tắc vận hành chung sử dụng quy hoạch động (DP) hồi quy (DPR) Mơ hình DPR sử dụng hồi quy tuyến tính nhiều biến đƣợc Bhaskar Whilach (1980) gợi ý Một phƣơng pháp khác xác định quy trình điều hành hệ thống nhiều hồ chứa khác quy hoạch động bất định (Stochastic Dynamic Programing – SDP) Phƣơng pháp yêu cầu mơ tả rõ xác suất dịng chảy đến tổn thất Phƣơng pháp đƣợc Butcher (1971), Louks nnk (1981) nhiều ngƣời khác sử dụng Mơ hình tối ƣu hoá thƣờng đƣợc sử dụng nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo nhƣ đầu vào Datta Bunget (1984) đề xuất quy trình điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ mơ hình tối ƣu hố với mục tiêu cực tiểu hoá tổn thất hạn ngắn Nghiên cứu có đánh đổi đơn vị lƣợng trữ đơn vị lƣợng xả từ giá trị đích tƣơng ứng phép giải tối ƣu hố phụ thuộc vào dịng chảy tƣơng lai bất định nhƣ dạng hàm tổn thất Áp dụng mơ hình tối ƣu hố cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu khó khăn Sự khó khăn áp dụng bao gồm phát triển mơ hình, đào tạo nhân lực, giải tốn, điều kiện thủy văn tƣơng lai bất định, bất lực để xác định lƣợng hóa tất mục tiêu mối tƣơng tác nhà phân tích với ngƣời sử dụng Một phƣơng pháp khác đƣợc sử dụng để giải thích tính ngẫu nhiên đầu vào logic mờ Lý thuyết tập mờ đƣợc Zadeth (1965) giới thiệu Nhiều phần mềm vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 đƣợc xây dựng, nhiên khả giải toán thực tế hạn chế Các phần mềm tối ƣu nói chung đƣa lời giải cho điều kiện biết mà không đƣa đƣợc nguyên tắc vận hành hữu ích Phần lớn phần mềm vận hành hồ chứa đƣợc kết nối với mơ hình diễn tốn lũ dựa mơ hình Muskingum hay sóng động học nhƣ phần mềm thƣơng mại MODSIM, RiverWare, CalSIM Điều hạn chế cho việc điều hành chống lũ không áp dụng đƣợc cho lƣu vực có ảnh hƣởng thủy triều hay nƣớc vật Các nghiên cứu gần điều hành chống lũ đƣợc áp dụng cho hệ thống hồ Phƣơng pháp kết hợp: Wurb (1993) [4] tổng quan nhóm mơ hình sử dụng thiết lập quy trình vận hành hệ thống hồ chứa tổng kết “Mặc dù, tối ƣu hóa mơ hai hƣớng tiếp cận mơ hình hóa khác đặc tính, nhƣng phân biệt rõ ràng hai hƣớng khó hầu hết mơ hình, xét mức độ chứa thành phần hai hƣớng tiếp cận trên” Wurb đề cập đến nhóm Quy hoạch mạng lƣới dòng (Network Flow Programming) nhƣ kết hợp hoàn thiện hai hƣớng tiếp cận tối ƣu mơ Trong quy trình tối ƣu phục vụ toán liên hồ chứa (Labadie, 2004) [5] hai nhóm quy hoạch ẩn bất định (Implicit stochastic optimization) quy hoạch bất định (Explicit stochastic optimization) cần có mơ hình mơ để kiểm tra quy trình tối ƣu đƣợc thiết lập Tóm lại, phƣơng pháp mô phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhiều phân tích vận hành hệ thống hồ chứa cho kết hoàn toàn chấp nhận đƣợc Trong hầu hết toán cụ thể mơ hình mơ khơng thể thiếu việc xác định quy trình vận hành 139 Thiết lập mơ hình mơ điều tiết hệ thống hồ chứa cho lưu vực sông Ba Để tiến hành nghiên cứu cắt lũ cho hệ thống hồ chứa lƣu vực sông Ba, tác giả tiến hành áp dụng mơ hình tốn nhƣ mơ hình thủy văn tham số phân bố Marine, mơ hình điều tiết hồ chứa mơ hình diễn tốn lũ Muskingum Mơ hình thủy văn tham số phân bố Marine (Modelisation de l’Anticipation du Ruissellement at des Inondations pour des événements Extrêmes) Viện Cơ học chất lỏng Toulouse phát triển (IMFT – Institut de Mecanique de Fluides de Toulouse) Mơ hình có chức thu gom nƣớc mƣa bề mặt lƣu vực tập trung hai bên bờ sông, đƣợc sử dụng để giải phần biên lƣu lƣợng vào hồ chứa lƣu lƣợng gia nhập Mô hình điều tiết hồ chứa Viện Cơ học viết, Viện Cơ học quan tƣ vấn tính tốn vận hành hệ thống hồ chứa sông Hồng từ nhiều năm Lũ sau đƣợc hệ thống hồ chứa điều tiết diễn toán xuống hạ du đánh giá hiệu cắt giảm lũ phƣơng án vận hành Vì phải lựa chọn phƣơng pháp diễn tốn vừa đơn giản, bảo đảm sai số cho phép mà tính tốn nhanh Phạm vi nghiên cứu từ sau hồ chứa lớn đến Củng Sơn, mạng sơng có độ dốc lớn khơng chịu ảnh hƣởng thuỷ triều, nƣớc chuyển động chủ yếu dƣới tác động trọng lực phƣơng trình biểu diễn đƣờng cong thể tích đoạn sơng Vì vậy, mơ hình Muskingum đƣợc sử dụng để diễn tốn lũ 2.1 Mơ đun tính lưu lượng vào gia nhập khu (mô đun thủy văn) Mơ hình thủy văn Marine đƣợc ứng dụng Trung tâm dự báo KTTV TƢ, đƣợc hội đồng khoa học cấp đánh giá cao, nƣớc ngồi mơ hình đƣợc đánh giá tốt đƣợc ứng dụng nhiều nơi Mơ hình đƣợc giới thiệu chi tiết số báo [6, 7] 140 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 a) Xử lý số liệu địa hình lưu vực Các trạm đo mƣa trạm đo mực nƣớc, đo lƣu lƣợng đƣợc mô hình hóa vào MARINE lƣu vực nhỏ nối với hệ thống sông Trong báo này, tác giả sử dụng DEM (Digital Elevation Model) với độ phân giải 90m hệ quy chiếu phẳng UTM1984 làm số liệu địa hình Quá trình khoanh vùng phân chia lƣu vực đƣợc xác định sở đƣờng phân nƣớc lƣu vực Bản đồ sử dụng đất đồ lớp phủ thực vật đƣợc xử lý đƣa vào tính tốn có tỷ lệ 1:100 000 hệ quy chiếu phẳng UTM1984 Số liệu vào lƣu vực đƣợc kiểm tra thông qua tốn kiểm định mơ hình đạt tiêu chuẩn tốt Số liệu mƣa đƣa vào tính tốn số liệu thực đo việc phân bố mƣa lƣu vực đƣợc dựa phƣơng pháp đa giác Thiessen b) Xử lý số liệu trạng sử dụng đất Số liệu trạng sử dụng đất đƣợc đƣa vào để tính tốn mơ hình thủy văn Marine Đây ba loại số liệu phục vụ cho mơ hình diễn tốn dịng chảy lƣu vực từ mƣa Số liệu trạng sử dụng đất trực tiếp ảnh hƣởng đến tốc độ dòng chảy bề mặt lƣu vực, chất lƣợng kỹ thuật xử lý loại số liệu quan trọng chất lƣợng tính tốn mơ hình Tƣơng tự nhƣ số liệu trạng sử dụng đất, số liệu thành phần cấu trúc đất ba loại số liệu mô hình thủy văn Số liệu thành phần cấu trúc đất đƣợc xử lý kỹ hơn, phức tạp số liệu trạng sử dụng đất, có nhiều thơng tin cần đƣợc đƣa vào mơ hình tính Hình Sơ đồ phân chia lƣu vực sông Ba sử dụng mơ hình MARINE D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Hình Sơ đồ trạng sử dụng đất lƣu vực sông Ba Thủy điện Yayun Hạ Sông Iayun Thủy điện Ba Hạ Sông Ba Hạ Thủy điện Yayun Hạ Sông Hinh Hình Sơ đồ tính tốn hồ chứa Củng Sơn 141 142 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 2.2 Mô đun điều hành hệ thống hồ chứa Mô đun đƣợc sử dụng để điều hành hồ chứa hệ thống sông Hồng mùa lũ, đƣợc sử dụng để xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa hệ thống sông Hồng [8] Vận hành cửa van hệ thống hồ chứa sông Ba để cắt lũ phức tạp Các cửa đƣợc mở theo nấc 0.5 m, cửa đƣợc mở từ Hết chu trình mở tiếp nấc Các hồ vào hoạt động, việc vận hành van tn theo quy trình đƣợc phê duyệt Do tác giả sử dụng chƣơng trình riêng mơ lại quy trình đóng mở cửa van hồ chứa để điều tiết lũ Phƣơng trình trình điều tiết hồ chứa phƣơng pháp bảo toàn khối lƣợng đƣợc viết dƣới dạng sau: dV dt Q1 Q2 V(T0) = V0 (1) (2) Ở V- thể tích nƣớc chứa hồ thời điểm t V hàm phụ thuộc vào mực nƣớc Z hồ: z = z(t), V = V(z(t)) T0 thời điểm thời Q1 - lƣu lƣợng vào hồ, hàm phụ thuộc vào thời gian Q1 = Q11(t)+Q12(t) Với Q11 lƣu lƣợng tự nhiên chảy vào hồ Q12 lƣu lƣợng điều tiết từ hồ thƣợng lƣu mắc nối tiếp với hồ xem xét (trong trƣờng hợp khơng có hồ thƣợng lƣu Q12=0) Q2 – lƣu lƣợng khỏi hồ Q2(t) = Q21(t) + Q22(t) Với Q21 lƣu lƣợng xả từ hồ qua cửa xả đáy, cửa xả mặt lƣu lƣợng qua tuabin Q21(t) = nxd(t) Qxd(z(t)) + nxm(t) Qxm(z(t)) + Qtb(z(t),N(t)) Ở đây: nxd- số cửa xả đáy đƣợc mở, nxm- số cửa xả mặt đƣợc mở Qxd- lƣu lƣợng qua cửa xả đáy, phụ thuộc vào mực nƣớc hồ Qxm- lƣu lƣợng qua cửa xả mặt, phụ thuộc vào mực nƣớc hồ Qtb- lƣu lƣợng qua tuốc bin, phụ thuộc vào mực nƣớc hồ công suất phát Q22(t) lƣu lƣợng tổn thất thấm bốc phụ thuộc vào thời gian mực nƣớc hồ Phƣơng pháp giải Tại thời điểm t, số cửa xả mặt nxm nxd xác định, vế phải phƣơng trình (1) hồn tồn xác định hàm t V Phƣơng trình (1) phƣơng trình vi phân đạo hàm thƣờng với điều kiện ban đầu (2) đƣợc giải phƣơng pháp Ơ-le Runge –Kutta bậc Thiết lập file đầu vào: gồm thông số thiết kế hồ chứa nhƣ lƣu lƣợng vào hồ, q xả qua tuorbin, chế độ xả, quan hệ V-Z hồ, mực nƣớc đặc trƣng hồ chứa, tham số thủy lực cửa xả đáy mặt 2.3 Mơ đun diễn tốn lũ Mạng sơng có độ dốc lớn không chịu ảnh hƣởng thủy triều, nƣớc chuyển động chủ yếu dƣới tác động trọng lực phƣơng trình biểu diễn đƣờng cong thể tích đoạn sơng Số liệu thiếu, khơng có mặt cắt, đó, tác giả lựa chọn mơ hình Muskingum Nhƣợc điểm mơ hình khơng sử dụng đƣợc q trình biến thiên mạnh Cơ sở tốn học mơ hình Muskingum: Phƣơng pháp đƣợc McCarthy đề xuất năm 1939 Phƣơng pháp đơn giản nhƣng hiệu trƣờng hợp số liệu địa hình khơng đầy đủ Vì vậy, phƣơng pháp Muskingum đƣợc nhiều tác giả phát triển sử dụng D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Phƣơng trình phƣơng pháp Muskingum có dạng: c2 t KX t K KX [V(t)–V(t-∆t)]/ ∆t = [I(t)-O(t)+ I(t-∆t)-O(t-∆t)] /2 +QL (3) c3 2K t KX t K KX Phƣơng pháp Muskingum giả thiết đại lƣợng phƣơng trình (3) có liên quan với qua đẳng thức: c4 143 t K KX V(t) = K[XI(t) + (1-X)O(t)] , (4) với K, X hệ số kinh nghiệm cho đoạn sơng K có thứ nguyên thời gian, tƣơng ứng với thời gian truyền lũ đoạn sông; X tham số không thứ ngun, phụ thuộc vào hình dạng dung tích hình nêm mơ hình hóa Giá trị thay đổi từ dung tích kiểu hồ chứa, đến 0.5 dung tích hình nêm đầy Thay V(t) phƣơng trình (4) vào phƣơng trình (3) ta thu đƣợc đẳng thức K*X [I(t) – I(t-∆t)]/ ∆t + K(1-X) [O(t) – O(t-∆t)]/∆t= [I(t) + I(t-∆t)]/2 –[O(t)+O(t-∆t)]/2 +QL Từ đẳng thức ta thu đƣợc đẳng thức [∆t+2K-2K*X]O(t)=[2K-2K*X-∆t]O(t-∆t) +[∆t-2K*X]I(t)+[∆t+2K*X]I(t-∆t)+QL*2∆t Nhƣ vậy, lƣu lƣợng chảy ngồi đoạn sơng Q(t) phƣơng pháp Muskingum đƣợc tính theo cơng thức: O(t) = c1I(t-∆t)+c2I(t)+c3O(t-∆t)+c4QL (5) Các hệ số c1, c2, c3 đƣợc tính theo cơng thức: c1 t KX t K KX t Tính tốn lƣu lƣợng chảy ngồi đoạn sơng theo phƣơng pháp Muskingum đơn giản tính tốn mơ hình sóng động học Trong phƣơng pháp Muskingum ta cần xác định hệ số kinh nghiệm K X cho đoạn sông tính lƣu lƣợng chảy Q(t) theo cơng thức (5) Tồn nhánh đoạn sơng từ Ayun Hạ đến Củng Sơn đƣợc mơ hình hóa mơ hình Muskingum dịng sơng Mơ hình thủy lực Muskingum có vai trị dẫn nƣớc thu gom lƣợng nƣớc gia nhập khu suốt đoạn đƣờng từ thƣợng lƣu hạ lƣu (theo sơ đồ tính tốn) Tồn phần lƣu lƣợng phụ gia nhập khu Muskingum mơ hình thủy văn MARINE diễn tốn từ mƣa tồn lƣu vực xuất sơng Trong diễn tốn hồ, sóng động học khơng địi hỏi số liệu địa hình chi tiết Thơng số mơ hình K, X hệ số nhập lƣu khu nhƣ q trình lƣợng nhập khu đoạn sơng đƣợc hiệu chỉnh, xác định cho số lũ lớn Các năm điển hình lựa chọn tính tốn đƣợc hiệu chỉnh để xác định lƣợng nhập khu k trình lƣợng nhập khu riêng rẽ Các thông số đƣợc giữ nguyên trình điều tiết cắt lũ sau 144 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Hình Sơ đồ tính tốn thủy lực Q gia nhập Biên Biên dƣới Các đoạn Hình Mơ hình hóa sơng Ba Muskingum D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Kết áp dụng mơ hình vào mơ kiểm tra quy trình vận hành hệ thống liên hồ lưu vực sơng Ba 3.1 Mơ kiểm tra mơ hình thủy văn 145 diện rộng gây lũ lớn nhánh Ia Ba nhánh Ayunpa, mực nƣớc Pơmơrê vƣợt báo động 99cm Mực nƣớc trạm Ayunpa vƣợt báo động 142cm, nhiên An Khê lũ nhỏ báo động Mực nƣớc Phú Lâm vƣợt báo động 94 cm Số liệu đầu vào số liệu mƣa ngày năm 1986, số liệu mực nƣớc trạm Củng Sơn Lũ 1986 lũ lớn có lƣu lƣợng đỉnh lũ Củng Sơn đạt 9200m3/s Tuy trận lũ không lớn nhƣ trận lũ 1993 nhƣng gây ngập nặng cho thành phố Tuy Hòa Mƣa to xảy Kết tính tốn hiệu chỉnh tƣơng đối tốt, tìm thơng số tốt để tính tốn cho trận lũ khác Bộ thơng số mơ hình đƣợc kiểm chứng cho trận lũ cụ thể phần sau Luu luong (m3/s) Hiệu chỉnh mơ hình số liệu trận lũ năm 1986: Đường trình lưu lượng đến hồ Ayun Hạ năm 1986 2500 TinhToan_Marine 2000 ThucDo 1500 1000 500 0 50 100 Thời gian (giờ) 150 200 Hình Đƣờng trình lƣu lƣợng đến hồ Ayun Hạ năm 1986 Đường trình lưu lượng đến hồ sông Hinh năm 1986 4000 Luu luong (m3/s) 3500 TinhToan_Marine ThucDo 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 50 100 Thời gian (giờ) 150 Hình Đƣờng q trình lƣu lƣợng đến hồ sơng Hinh năm 1986 200 146 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Với tham số mô hình thu đƣợc áp dụng để chạy kiểm định lũ 1988 đạt đƣợc kết tƣơng đối tốt Kiểm định mơ hình cho trận lũ năm 1988: Lũ 1988 lũ lớn có lƣu lƣợng đỉnh lũ Củng Sơn đạt 10500m3/s Mƣa to hạ lƣu, mƣa phần thƣợng, sông Hinh hạ lƣu khu kết hợp với mƣa diện rộng gây lũ lớn hạ du, mực nƣớc trạm Ayunpa vƣợt báo động 74 cm, Pơ Mơ Rê vƣợt báo động 20cm Mực nƣớc Phú Lâm vƣợt báo động 69 cm 3.2 Kịch điều tiết liên hồ Nguyên tắc vận hành hồ thời kỳ lũ Cao trình mực nƣớc hồ thời kỳ lũ vụ khơng đƣợc vƣợt quy định bảng Đường trình lưu lượng Củng Sơn năm 1986 12000 Cung Son tinh toan Cung Son thuc Lưu lượng (m3/s) 10000 8000 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 Thời gian (giờ) 120 140 160 180 Hình Đƣờng trình lƣu lƣợng Củng Sơn năm1986 2500 Đường trình lưu lượng đến hồ Ayun Hạ năm 1988 TinhToan_Marine ThucDo Luu luong (m3/s) 2000 1500 1000 500 0 50 100 150 200 250 Thời gian (giờ) Lưu lượng (m3/s) Hình Đƣờng trình lƣu lƣợng đến hồ Ayun Hạ năm 1988 Đường trình lưu lượng đến hồ sông Hinh năm 1988 4000 3500 TinhToan_Marine 3000 ThucDo 2500 2000 1500 1000 500 0 50 100 150 200 Thời gian (giờ) Hình 10 Đƣờng trình lƣu lƣợng đến hồ sông Hinh năm 1988 250 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 147 Đường trình lưu lượng Củng Sơn năm 1988 12000 Cung Son tinh toan Cung Son thuc Lưu lượng (m3/s) 10000 8000 6000 4000 2000 0 50 100 150 Thời gian (giờ) 200 250 Hình 11 Đƣờng trình lƣu lƣợng Củng Sơn năm 1988 Trong trình vận hành hồ, cần theo dõi cập nhật thông tin cảnh báo lũ, lƣu lƣợng mực nƣớc thực đo tuyến cơng trình trạm khống chế để điều chỉnh trình xả, cắt lũ cho phù hợp với thực tế Bảng Cao trình mực nƣớc khống chế hồ mùa lũ Tên hồ Krông H’Năng Ka Nak Ayun hạ Sông Hinh Sông Ba Hạ Mực nƣớc (m) 255 515 204,0 209,0 105,0 Quá trình vận hành hồ chứa giảm lũ cho hạ du phải tuân thủ theo quy định trình tự đóng mở cửa van cơng trình xả đƣợc cấp có thẩm quyền ban hành Quy định chế độ vận hành giảm lũ cho hạ du Cao trình mực nƣớc đón lũ hồ đƣợc quy định bảng Bảng Cao trình mực nƣớc đón lũ hồ Tên hồ Krong H’Nang Ka Nak Ayun hạ Sông Hinh Sông Ba Hạ Mực nƣớc (m) 252,5 513,0 203,0 207,0 103,0 Cắt giảm lũ cho hạ du Bảng Ngƣỡng cắt lũ cho hồ TT Dạng lũ Hồ Ba hạ Qđỉnh (m3/s) Qcắt lũ Qđỉnh (%) Hồ Sông Hinh Q đỉnh (m3/s) Qcắt lũ Qđỉnh (%) Hồ KrongH’năng Q đỉnh (m3/s) Qcắt lũ Qđỉnh (%) P≤5% 17500 80-85 3700 48-50 4942 36-40 P=10% 14000 75-80 2970 35-40 3950 35-40 P≥20% 8500 75-80 3410 35-40 4500 32-35 148 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 Khi lũ lên xả lƣu lƣợng đến, giữ hồ MNTL Căn vào dự báo thủy văn xác định giá trị đỉnh lũ, lƣu lƣợng đến lƣu lƣợng Qcắt lũ (quy định bảng 3) chuyển sang điều tiết cắt lũ Cắt lũ cách xả lƣu lƣợng lƣu lƣợng xả cuối bƣớc Tích nƣớc đến MNDBT Khi mực nƣớc hồ MNDBT tiếp tục xả lũ lƣu lƣợng đến mở hết cửa xả để giữ mực nƣớc hồ MNDBT Khi mở hết cửa xả mà lũ lên vận hành an tồn hồ, sử dụng dung tích phần báo cáo quan có trách nhiệm Dƣới số kết điều tiết liên hồ Đường trình điều tiêt hồ Ayun Hạ năm 2009 600 204.5 Qxa Q vao ho Zho MNDBT MNTLu 400 300 204 203.5 203 202.5 202 200 201.5 Mực nước hồ (m) Lưu lượng (m3/s) 500 201 100 200.5 200 2/11/2009 2/11/2009 3/11/2009 3/11/2009 4/11/2009 4/11/2009 5/11/2009 5/11/2009 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 Thời gian (giờ) Hình 12 Đƣờng trình điều tiết hồ Ayun Hạ năm 2009 Quá trình điều tiết hồ sông Hinh 2009 3000 211 209 2000 1500 Qxa Qvaoho Zho MNDBT MNTLU 1000 500 207 205 Mực nước hồ (m) Lưu lượng (m3/s) 2500 203 2/11/2009 2/11/2009 3/11/2009 3/11/2009 4/11/2009 4/11/2009 5/11/2009 5/11/2009 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 Thời gian (giờ) Hình 13 Đƣờng q trình điều tiết hồ sơng Hinh năm 2009 110 Qxa Qvaoho Zho MNDBT MNTLU 108 106 104 102 100 2/11/2009 2/11/2009 3/11/2009 3/11/2009 4/11/2009 4/11/2009 5/11/2009 5/11/2009 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 Thời gian (giờ) Hình 14 Đƣờng trình điều tiết hồ Ba Hạ 2009 Mực nước hồ (m) Lưu lượng (m3/s) Đường trình điều tiết hồ Ba Hạ năm 2009 13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 149 Đường trình lưu lượng Củng Sơn năm 2009 16000 Cung Son thuc Lưu lượng (m3/s) 14000 Cung Son tinh toán 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 10 20 30 40 Thời gian (giờ) 50 60 70 Hình 15 Đƣờng trình lƣu lƣợng Củng Sơn năm 2009 Thảo luận kết luận Bài báo tổng quan ba cách tiếp cận thƣờng đƣợc sử dụng thiết lập quy trình vận hành cho hệ thống hồ chứa Từ rút nhận xét đa số tốn áp dụng cụ thể thi vai trị mơ hình mơ quan trọng cần thiết Từ đó, báo trình bày kết nghiên cứu áp dụng mơ hình mơ phịng điều tiết hệ thống hồ chứa vào hệ thống hồ chứa hành lƣu vực sông Ba Ba hồ vận hành tính đến thời điểm 2009 Năm 2010 thực tế có hồ vận hành, năm 2011 hồ Kết điều tiết diễn toán lũ xuống đến Củng Sơn quy trình liên hồ so với đơn hồ tốt, chứng tỏ đƣợc hiệu cắt giảm lũ quy trình liên hồ Các kết tính tốn nghiên cứu chứng tỏ đƣợc khả ứng dụng cơng cụ tích hợp mà tác giả xây dựng Công cụ không sử dụng cho hệ thống liên hồ chứa sơng Ba mà áp dụng cho hệ thống hồ chứa khác Tài liệu tham khảo [1] Yeh, W W.-G., Reservoir management and operation models: A state-of-the-art review, Water Resour Res., 21(12), (1985) 1797 [2] R Oliveira, D P Loucks, Operating Rules for Multireservoir Systems Water Resour Res 33(4), (1997) 839 [3] K Simonovic, H.D Venema, D.H Burn, RiskBased Parameter Selection for Short Term Reservoir Operation" J Hydrol 131 (1992) 269 [4] R A Wurbs, Reservoir-system simulation and optimization models, J Water Resour Planning and Management, 119(4), (1993) 455 [5] J.W Labadie, Optimal Operation of Multireservoir Systems: State-of-the-Art Review J Water Resour Plann Manage (2004) 93 [6] Nguyễn Tiến Cƣờng, Marie Madeleine Maubourguet, Thử nghiệm mơ hình thủy văn cho lƣu vực sông Đà, phần thuộc lãnh thổ Việt Nam, Tuyển tập báo cáo hội nghị học toàn quốc 2004, T2 Lời cảm ơn [7] Nguyễn Tiến Cƣờng, Ngô Huy Cẩn “Đánh giá ảnh hƣởng tham số phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine” Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2008, tr.19-26, Tp Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận, tháng 7-2008 Nội dung báo phần kết đề tài KC 08.30/06-10 Bộ Khoa học Công nghệ tài trợ Tác giả xin cảm ơn [8] Dự án quốc tế FLOCODS, Hệ thống hỗ trợ định nhằm kiểm soát lũ lụt đảm bảo phát triển bền vững môi trƣờng sinh thái châu thổ sông Hồng-Trung Quốc, Việt Nam 150 D.T.T Hương, N.T Giang / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 A set up of simulation models used for construction of operation policies for the hydro-plants systems in Ba watershed Duong Thi Thanh Huong1, Nguyen Tien Giang2 Institute of Mechanics, Vietnamese Academy of Science and Technology, 264 Doi Can, Ba Dinh, Hanoi Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Hydro-plant systems located in Central Vietnam have been increased remarkably in recent decades The construction of flood control operation policies for these reservoir systems, therefore, is an agent task Simulation and optimisation are two main tools to handle this problem scientifically and appropriately This paper overviews methods, approaches used in building operation policies for multi-purpose reservoir systems in flood seasons Through these, it is concluded that in most of cases, simulation model is very necessary Next, the paper presents the set up of a simulation model and its application to simulate the operation policies, which were resulted from a state-level project The outcomes indicate the efficiency of the model to simulation of operation policies of three exsiting reservoirs in the Ba watershed Từ khóa: Ba watershed, reservoir system operation, simulation  ... định quy trình vận hành 139 Thiết lập mơ hình mơ điều tiết hệ thống hồ chứa cho lưu vực sông Ba Để tiến hành nghiên cứu cắt lũ cho hệ thống hồ chứa lƣu vực sông Ba, tác giả tiến hành áp dụng mơ hình. .. vai trị mơ hình mơ quan trọng cần thiết Từ đó, báo trình bày kết nghiên cứu áp dụng mơ hình mơ phịng điều tiết hệ thống hồ chứa vào hệ thống hồ chứa hành lƣu vực sông Ba Ba hồ vận hành tính đến... ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) 136-150 2.2 Mô đun điều hành hệ thống hồ chứa Mô đun đƣợc sử dụng để điều hành hồ chứa hệ thống sông Hồng mùa lũ, đƣợc sử dụng để xây dựng quy trình