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


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


Hđập

36

Vsc

34

Vùng D

32

Vùng B
Htl

30
28

(2) Đ-ờng phòng phá hoại
Hbt

E1

Vkh
Vh

Hsc

F

Vùng C

B2

(3) Đ-ờng phòng lũ

Vùng C

V1 26

Vùng A

C3

24

Mực n-ớc hồ (m)

Dung tích hồ chứa V (triệu m3)

Vùng E

B1
(1) Đ-ờng hạn chế cấp n-ớc

22

t2

t1

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

Tháng

Hỡnh 1. 1: Biu iu phi h cha iu tit nm [1]
Biu iu phi thng ch c s dng trong quỏ trỡnh thit k cụng trỡnh. Thc t
vn hnh ca h cha cú th khỏc khi m mc nc h cui mựa kit cú th khụng v
mc nc cht.
1.1.3 Bi toỏn ti u húa trong vn hnh h cha a mc tiờu
Vn hnh h cha a mc tiờu l mt bi toỏn phc tp, bao gm nhiu bin iu khin
v phi tha món nhiu mc tiờu nh chng l, cp nc, phỏt in. Ngoi ra, cỏc ri
ro v thiu n nh ca lng nc n hay nhu cu nc cng lm cho bi toỏn tr nờn
phc tp, ũi hi phi cú mt phng thc tip cn mi cú tớnh cht phõn tớch, tng hp
trong vic vn hnh h cha. Mt trong nhng phng phỏp hiu qu, ó c ng dng
rng rói trong quy hoch v vn hnh h cha l phng phỏp ti u húa.
Ti u húa l mụn khoa hc la chn gii phỏp tt nht t mt tp cỏc gii phỏp [2].
Phng phỏp ti u húa nht thit phi xỏc nh c cỏc gii phỏp ti u trờn c s cỏc
tiờu chun ỏnh giỏ. Mt bi toỏn ti u húa cú ba yu t c bn sau:
- Trng thỏi: mụ t trng thỏi ca h thng cn ti u húa (trng thỏi ca h cha)
- Mc tiờu: c trng cho tiờu chun hoc hiu qu mong mun (chi phớ ớt nht, li
nhun cao nht...)

6


- Ràng buộc: Thể hiện các điều kiện vật lý, kinh tế, kỹ thuật ... mà một hệ thống hồ
chứa nước phải thỏa mãn.

Để giải bài toán tối ưu hóa, người ta tiến hành thay đổi biến điều khiển (biến quyết định)
trong khoảng thay đổi nào đó được gọi là vùng khả thi. Người ra quyết định sẽ đánh giá
các giải pháp hiện có thông qua các kết quả tương ứng đạt được của hàm mục tiêu. Các
hàm mục tiêu cần được xác định sao cho phản ánh được quyền ưu tiên của người ra quyết
định. Nhìn chung, hàm mục tiêu có thể là đạt lợi nhuận lớn nhất hay chi phí nhỏ nhất theo
các tiêu chuẩn kinh tế hoặc/và xã hội hoặc/và môi trường.
Các ràng buộc trong bài toán tối ưu hóa hồ chứa được chia làm 3 nhóm chính:
- Ràng buộc cấp nước: căn cứ vào nhu cầu cấp nước, nhu cầu phát điện.
- Ràng buộc hồ chứa: cân bằng nước hồ chứa, lượng trữ nhỏ nhất, lớn nhất, tổn thất
nước hồ chứa.
- Ràng buộc khác: lượng xả lớn nhất, nhỏ nhất, giới hạn phát điện, tổn thất cột nước...
Do cần phải thỏa mãn các ràng buộc cũng như tìm kiếm được các giải pháp thỏa mãn
yêu cầu tối ưu của biến điều khiển, các bài toán tối ưu hóa hồ chứa phải kết nối kỹ thuật
tối ưu hóa với mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa để tiến hành tìm kiếm tối ưu.
1.1.4 Vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu
Vận hành thích nghi hồ chứa là quá trình vận hành mà việc xả nước ở từng bước thời
gian được quyết định dựa trên trạng thái ban đầu của hệ thống và thông tin dự báo dòng
chảy đến hồ trong khoảng thời gian dự kiến.
Quy trình ra quyết định cho việc vận hành gồm:
1) Dự báo trung hạn lưu lượng nước đến hồ.
2) Trên cơ sở các thông tin dự báo, áp dụng mô hình tối ưu để xác định lượng nước
tối ưu xả qua hồ. Lượng nước xả cần được tính toán đảm bảo sự thoả hiệp giữa
các mục tiêu dài hạn và các mục tiêu ngắn hạn. Các mục tiêu này bao gồm cấp
nước, phát điện, cao trình mực nước, hay lưu lượng tại các điểm khống chế ở hạ
lưu và có thể đánh giá thông qua các tiêu chuẩn kinh tế.

7


3) Các thông tin quan trắc sau một số bước thời gian sẽ được cập nhật và quy trình

lại lặp lại từ đầu.
Nhận xét: cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, thiết bị điều khiển, công nghệ
dự báo, cảnh báo và sự thay đổi ưu tiên cấp nước, việc vận hành hồ chứa đa mục tiêu có
sự thay đổi rõ rệt. Việc vận hành hồ chứa đa mục tiêu sẽ theo hướng hợp lý và mềm
dẻo hơn (vận hành thích nghi hồ chứa) trong khuôn khổ của biểu đồ điều phối nhằm
thỏa mãn các yêu cầu dùng nước nhưng chú trọng hơn tới việc nâng cao hiệu quả kinh
tế từ việc sử dụng nước. Chính vì vậy các kỹ thuật tối ưu, kết hợp với dự báo trung hạn
dòng chảy được đưa vào nghiên cứu giúp việc vận hành hồ chứa đi theo hướng vận hành
thích nghi và vận hành theo thời gian thực. Mục 1.2 sau đây tổng quan tình hình nghiên
cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu và tình hình nghiên cứu dự báo trung hạn dòng
chảy đến hồ.
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
1.2.1 Vận hành hồ chứa
Vận hành hồ chứa (VHHC) là một một trong những vấn đề được quan tâm nhiều nhất
trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quy hoạch quản lý hệ thống nguồn nước.
Nghiên cứu vận hành hồ chứa luôn phát triển theo thời gian từ các nghiên cứu đơn giản
tới các nghiên cứu gần đây về phương pháp vận hành tối ưu hồ đa mục tiêu và hệ thống
hồ chứa. Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về vận hành hồ đa mục tiêu và hệ
thống hồ chứa. Các nghiên cứu này thường sử dụng các kỹ thuật tối ưu khác nhau vào
vận hành hồ chứa. Một số nghiên cứu cụ thể có thể được liệt kê dưới đây như:
B. Haddad and al. (2006) [3] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp tối ưu HBMO (Honey
Bee Mating Optimization) trong xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa thuỷ
điện. Thuật toán HBMO là một sơ đồ thực tế giữa quá trình tích hợp và các công thức
toán học. Khả năng áp dụng và hiệu quả của thuật toán HBMO trong lĩnh vực quy hoạch
và quản lý tài nguyên nước đã được thử nghiệm trong tối ưu hoá hoạt động của các hồ
chứa đơn hay hệ thống hồ chứa. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp HBMO
cho kết quả khả thi và đáng tin cậy, hiện vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển
trong việc tối ưu hoá hoạt động của hồ chứa thuỷ điện.
8

R. Mehta and S. K. Jain [4] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp mạng nơ ron thần kinh với
lý thuyết mờ (Neuro – Fuzzy) trong xây dựng quy trình vận hành đa mục tiêu hồ chứa
Ramganga, thuộc tỉnh Kalagarh, Ấn Độ. Kỹ thuật trên được chia làm sáu mô hình tính
cho hai thời kỳ theo mùa và không theo mùa. Các mô hình tính toán đều cho kết quả tốt
và việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa đa mục tiêu bằng phương pháp kết hợp
này là tương đối thuận tiện.
D. N. Kumar et al (2010) [5] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch động (FDP
- Folded Dynamic Programming) trong xây dựng quy trình vận hành chống lũ cho công
trình hồ chứa Hirakud, Ấn Độ với số liệu dòng chảy được thu thập từ năm 1958 đến
1995. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp FDP không chỉ có thể áp dụng cho đơn
hồ mà còn có thể áp dụng cho hệ thống hồ chứa chống lũ và đã xây dựng quỹ đạo vận
hành tối ưu cho hồ chứa Hirakud.
R.Beard et al. (1972) [6] đã nghiên cứu lập chương trình vận hành hồ chứa đa mục tiêu
trên cơ sở phân tích đưa các mục tiêu về thành một mục tiêu kinh tế từ việc sử dụng
nước để tiến hành tối ưu hóa mục tiêu này. Theo tác giả, chương trình này hoàn toàn có
thể áp dụng một cách mềm dẻo cho các công trình hồ chứa đa mục tiêu khác.
N. L. Long et al. (2007) [7] đã theo hướng tiếp cận kết hợp mô hình mô phỏng với kỹ
thuật tối ưu trong nghiên cứu vận hành hồ chứa Hòa Bình ở Việt Nam. Nghiên cứu nhằm
giải quyết vấn đề giữa điều tiết lũ, phát điện, và cấp nước của hồ chứa Hoà Bình. Do
vậy bài toán tối ưu đa mục tiêu trong trường hợp này sẽ không chỉ có một giải pháp duy
nhất mà sẽ tồn tại một tập các giải pháp ngang bằng nhau (Pareto). Theo đó, nếu đi dọc
theo dải Pareto, bất cứ sự thay đổi theo chiều hướng “tốt” lên của một mục tiêu nào đó
đều phải trả giá bởi sự “kém” đi của mục tiêu khác và giải pháp cho bài toán tối ưu đa
mục tiêu có thể quyết định khi người ra quyết định lựa chọn giải pháp ưa thích phù hợp
nhất. Nghiên cứu đã kết hợp mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu để vận hành hồ Hòa
Bình trong giải quyết xung đột chính giữa phòng lũ và phát điện ở giai đoạn cuối mùa
lũ và đầu mùa kiệt. Tác giả đã sử dụng phần mềm MIKE 11 để mô phỏng hệ thống sông
và hồ chứa kết hợp với các thuật toán tối ưu SCE (shuffled complex evolution) để tìm

ra quỹ đạo tối ưu (pareto) khi xem xét cả hai ưu tiên giữa phòng lũ và phát điện. Kết quả
đạt được cho thấy hoàn toàn có thể dùng mô hình mô phỏng để giải quyết vấn đề phòng
9


lũ cho công trình và cho hạ du mà vẫn có thể duy trì mực nước cao ở cuối mùa lũ để
đảm bảo hiệu ích cao trong phát điện ở mùa kiệt kế tiếp. Đồng thời nghiên cứu cũng cho
thấy thuật toán tối ưu SCE là một công cụ hữu hiệu trong giải quyết các bài toán hệ
thống phức tạp.
Kumar, Viện Khoa học Ấn độ (2007) [8] đã sử dụng thuật toán tối ưu SWARM vào
nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa gồm 4 hồ mà trước đây Larson đã sử dụng
Quy hoạch động để giải quyết. Hai nhà Thủy văn Kumar và Singh cũng đã áp dụng các
thuật toán GA - giải đoán gen. Tiếp đó Giáo sư Kumar lại thử nghiệm áp dụng cho hệ
thống hồ chứa Bhadra của Ấn độ. Kết quả cho thấy thuật toán tối ưu SWARM có khả
năng áp dụng rất tốt vào giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa
Alzali et al. (2008) [9] đã nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ thủy điện Khersan,
Iran bằng việc kết hợp mô hình mô phỏng và thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu là tổng
sản lượng điện của hệ thống 4 hồ. Các tác giả đã áp dụng quy hoạch tuyến tính cho
riêng từng hồ và cho cả 4 hồ để so sánh. Kết quả đạt được cho thấy nếu phối hợp vận
hành hệ thống 4 hồ chứa theo hàm mục tiêu đề ra sẽ cho sản lượng điện cao hơn khoảng
7,9% tổng sản lượng điện của 4 hồ khi vận hành riêng rẽ.
Chaves, P. và Chang F. J. (2008) [10] đã nghiên cứu áp dụng mạng trí tuệ nhận tạo tiến
hóa (ENNIS) vào vận hành hồ chứa Shihmen ở Đài Loan với 5 biến ra quyết định. Kết
quả đạt được cho thấy mạng ENNIS sử dụng cho việc vận hành hồ chứa Shihmen này
có nhiều thuận lợi hơn nhiều vì nó có ít thông số, dễ dàng xử lý các biến điều khiển, dễ
kết hợp giữa mô hình vận hành với các mô hình dự báo dòng chảy đến. Kết quả nghiên
cứu cũng chỉ ra rằng mạng ENNIS hoàn toàn có khả năng kiểm soát nhiều biến ra quyết
định để đưa ra các quyết định hợp lý khi vận hành hồ chứa đa mục tiêu.
Trong bài viết nhằm tổng kết các kỹ thuật tối ưu sử dụng cho bài toán vận hành hồ chứa
và hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, Giáo sư John W. Labadie (2004) [11] đã phân nhóm

các phương pháp thường dùng như: Tối ưu ngẫu nhiên ẩn (Implicit Stochastic
Optimization) gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính (Linear Programming Models),
các mô hình tối ưu dòng chảy mạng (Network Flow Optimization Models), các mô hình
quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming Models), các mô hình quy hoạch động

10


rời rạc (Discrete Dynamic Programming Model), các mô hình quy hoạch động liên tục
(Diffirential Dynamic Programming Models), các lý thuyết điều khiển tối ưu rời rạc theo
thời gian (Discrete Time Optimal Control Theory). Nhóm các phương pháp ngẫu nhiên
hiện (Explicit Stochastic Optimization) bao gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính
ngẫu nhiên (Stochastic Linear Programming Models), các mô hình quy hoạch động
ngẫu nhiên (Stochastic Dynamic Programming Models), Các mô hình điều khiển tối ưu
ngẫu nhiên (Stochastic Optimal Control Models). Nhóm tích hợp dự báo để vận hành
hồ chứa theo thời gian thực.
Trong nghiên cứu xây dựng các quy trình vận hành thích nghi hồ chứa với các tác động
của BĐKH, Mohsen Ahmadi et al. (2015) [12] đã sử dụng thuật toán tối ưu NSGAII –
một dạng tối ưu mạng trí tuệ nhân tạo (A metaheuristic multiobjective optimization
algorithm) để áp dụng cho hồ chứa Karoon-4 ở Iran. Kết quả vận hành thích nghi khi
xét đến các yếu tố ảnh hưởng được so sánh với kết quả vận hành trong trường hợp bình
thường cho thấy tốt hơn và đó là cơ sở làm tăng mức độ tin cậy trong vận hành hồ chứa
khi các biến đầu vào là bất định, đặc biệt trong bối cảnh BĐKH.
Wenzhao Xu et al. (2015) [13] đã nghiên cứu tích hợp dự báo dòng chảy vào vận hành
thích nghi hồ chứa Miyun ở Trung Quốc. Các tác giả đã sử dụng kết hợp mô hình mô
phỏng và kỹ thuật tối ưu quy hoạch động để xây dựng chế độ vận hành tối ưu hồ chứa
sau đó sử dụng mô hình ARIMA dự báo dòng chảy đến hồ. Việc vận hành thích nghi
hồ chứa theo một số kịch bản nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi chưa có dự báo kết quả đạt
được tốt hơn khoảng từ 3% đến 5% so với quy trình vận hành hiện thời, và khi tích hợp
dự báo dòng chảy đến hồ vào vận hành thích nghi hồ chứa thì kết quả đạt được còn lên

tới 13,7%.
Amir Mohamed Akl Mobasher (2010) [14] trong luận án tiến sĩ “Chiến lược vận hành
thích nghi hồ chứa khi điều kiện biên thay đổi – áp dụng cho hồ đập cao Aswan, Ai Cập”
đã sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với kỹ thuật tối ưu BLUEM để nghiên cứu vận
hành hồ Aswan ở Ai Cập. Dưới các điều kiện biên thay đổi như sự thay đổi của nhu cầu
sử dụng nước, tác động của BĐKH đến dòng chảy đến hồ và nhu cầu sử dụng nước, tác
giả đã nghiên cứu để đưa ra các chiến lược vận hành thích nghi hồ chứa Aswan dựa trên
những phân tích về tương quan trạng giữa dung tích, mực nước hồ với lưu lượng xả của
11


hồ ở từng thời điểm từ đó đề ra nguyên tắc vận hành. Quy tắc này chia mực nước hồ
thành 3 vùng và đề ra quy tắc ứng xử trong từng vùng để bám theo quỹ đạo vận hành tối
ưu đã tìm được. Thử nghiệm vận hành hồ Aswan cho kết quả bước đầu tốt và tác giả đã
kiến nghị tiếp tục thử nghiệm trong những năm tiếp theo.
M. R. Jalali et al (2007) [15] đã đề xuất kỹ thuật tối ưu CACO (Continuous Ant Colony
Optimization) trong vận hành thích nghi hồ chứa Dez ở khu vực Đông Nam của Iran.
Đây là kỹ thuật tối ưu giúp người sử dụng xác định các biến điều khiển cho bất kỳ một
bài toán tối ưu nào một cách nhanh nhất. Khi áp dụng kỹ thuật này, hồ chứa được chia
thành nhiều vùng dung tích khác nhau, mỗi một vùng dung tích sẽ tìm ra các giá trị xả
tối ưu khác nhau. Khi vận hành hồ ở một trạng thái hồ nhất định, với lưu lượng dòng
chảy đến hồ thay đổi sẽ đưa ra quyết định xả tối ưu thích hợp. Kết quả nghiên cứu cho
thấy kỹ thuật tối ưu CACO cho kết quả vận hành tốt hơn so với một số thuật toán tối ưu
khác như tối ưu phi tuyến (NLP), quy hoạch động (DP) được thử nghiệm cho hồ này.
Thời gian tìm kiếm tối ưu trong mỗi thời khoảng vận hành cũng nhanh hơn.
Si-fu Li et al (2013) [16] đã nghiên cứu sử dụng mô hình Co-EAISM (Co-evolution
artìicial immune system model) một loại mô hình mạng trí tuệ nhân tạo tiến hóa trong
nghiên cứu vận hành và quản lý vận hành thích nghi hồ chứa. Để có thể vận hành thích
nghi cho một hồ chứa đa mục tiêu thử nghiệm, các tác giả đã tiến hành mô phỏng 500
lần để thiết lập 24 đường quỹ đạo vận hành sau khi xác định chế độ tối ưu hồ chứa và

xác định giá trị các biến quyết định. Trong quá trình vận hành các tác giả đã đưa vào sử
dụng hàm cơ bản Radius (Radius Basis Function) như một công nghệ dò tìm số liệu để
đưa ra quyết định cấp và xả nước. Việc sử dụng Co-EAISM bước đầu cho thấy một số
lợi ích như: i) quản lý vận hành hồ có thể theo hướng tự thích nghi theo một số quỹ đạo
vận hành được mô phỏng; ii) cho phép tự thích nghi linh hoạt trong khuôn khổ của các
quy trình vận hành để tương thích với môi trường vận hành phức tạp và có nhiều thay
đổi.
1.2.2 Dự báo trung hạn dòng chảy
Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy (10 ngày, 1 tháng) đến hồ đóng một vai trò
quan trọng trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Đặc biệt là việc nâng cao chất lượng

12


dự báo vẫn đang là một đề tài được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Một
số nghiên cứu cụ thể được tóm tắt dưới đây:
Mô hình thủy văn thông số phân bố MGB-IPH đã được Walter, C. và nnk (2007) [17]
sử dụng để dự báo trung hạn dòng chảy cho sông Paranafba ở Brazil. Mô hình này được
cải tiến từ mô hình LARSIM với một số thay đổi trong các modul tính bốc thoát hơi,
tính thấm. Ô lưới tính toán của mô hình thường là 10km x 10km và chúng được kết nối
với mạng sông suối với mỗi ô được coi như ‘một đơn vị thủy văn’ với giá trị phụ thuộc
vào loại đất và hiện trạng sử dụng đất trên từng ô lưới. Số liệu đầu vào của mô hình là
lượng và bốc hơi được lấy từ mô hình ETA của Trung tâm dự báo mưa Brazil (BCWP).
Mô hình dự báo thời tiết ETA là mô hình số trị với vùng dự báo bao phủ toàn bộ khu
vực Nam Mỹ và một phần của vùng phụ cận; mô hình dự báo thời tiết này được đưa vào
dự báo tác nghiệp từ năm 1996, chủ yếu cho dự báo hạn ngắn. Kết quả dự báo của mô
hình thủy văn phân bố MGB-IPH này được so sánh với kết quả dự báo của mô hình
ARMA truyền thống đã cho kết quả khả quan hơn nhiều trong cả mùa mưa và mùa khô
ứng với thời gian dự kiến từ 3, 5 đến 12 ngày, đặc biệt là khi dự báo mưa tốt.
Mô hình dự báo lũ trung hạn cho lưu vực sông San Antonio, Hoa Kỳ (diện tích khoảng

10.000 km2) đã được Knebla, M.R. và nnk [18] xây dựng. Các nhà nghiên cứu đã kết
hợp mô hình thủy văn, thủy lực họ HEC (HEC-HMS, HEC-RAS) với mô hình dự báo
mưa bằng radar NEXRAD với sự trợ giúp của công cụ GIS có tên “Map to Map” sử
dụng phần mở rộng ArcHydro trong ArcGIS cho khu vực nghiên cứu. Mô hình HECHMS trong nghiên cứu này là được sử dụng như một mô hình phân bố (sử dụng lựa
chọn lũ đơn vị ModClark) với ô lưới 4km x 4km tương ứng với độ phân giải của mưa
lưới từ mô hình dự báo mưa bằng radar NEXRAD. Công cụ “Map to Map” được sử
dụng để xây dựng các bản đồ đất, thảm phủ dạng lưới làm đầu vào cho HEC-HMS. Mô
hình kết hợp này đã được hiệu chỉnh với lưu lượng thực đo tại 12 trạm thủy văn trong
lưu vực và được kiểm định với thông tin từ ảnh vệ tinh Landsat TM để đảm bảo độ tin
cậy. Công cụ GIS được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ ngập lụt. Nghiên cứu
đã thử nghiệm dự báo cho trận lũ lớn mùa hè năm 2002 và kết quả đạt được là khá tốt.
Mô hình kết hợp này đã mở ra triển vọng cho việc dự báo lũ với phạm vi vùng và có thể
áp dụng cho nhiều vùng khác nhau ở Hoa Kỳ

13


Mô hình mạng Nơ ron nhân tạo với thuật toán thuyết tiến hóa – EANN (Evolutionary
Algorithms Nueral Network) đã được Chen, Y. H. và Chang, F. J (2009) [19] áp dụng
vào dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ chứa Shihmen thuộc lưu vực sông Tanshui của
Đài loan. Mô hình EANN sử dụng thuật toán thuyết tiến hóa để tìm và xây dựng mạng
nơ ron thần kinh, các trọng số kết nối một cách tự động, thực chất là một mô hình lai
ghép bao gồm việc sử dụng thuật toán giải đoán gen (GA – Genetic Algorithm) với thuật
toán Leo Dốc - SCGA (Scaled conjugate Gradient Algorithm) để dò tìm và tối ưu hóa
mạng nơ ron cùng với việc xác định các trọng số kết nối. Kết quả dự báo của mô hình
EANN là tốt hơn nhiều so với mô hình AR và ARMAX (mô hình cải tiến của ARMA).
Việc sử dụng mô hình EANN đã phần nào đó khắc phục được nhược điểm cố hữu của
mô hình ANN trong việc tìm ra mạng nơ ron phù hợp và tiết kiệm thời gian tìm kiếm.
Để dự báo dòng chảy tháng cho trạm Shaloo Bridge trên sông Karun ở tây nam của Iran,
Mohammadi và nnk (2006) [20] đã sử dụng mô hình ngẫu nhiên ARIMA trong đó thuật

toán GP (Goal programming) đã được dùng để ước tính các thông số (p,d,q) của mô
hình từ chuỗi số liệu quan trắc 68 năm. Kết quả nghiên cứu cho thấy các thông số của
mô hình ARIMA được xác định bằng thuật toán GP tốt hơn khi xác định bằng thuật toán
Maximum Likelihood và tốt hơn nhiều so với việc tính đúng các hệ số của mô hình
ARIMA bằng phương pháp giải tích truyền thống (công thức Truy trứng của Dublin).
Đây là một cách tiếp cận mới: khi có sự trợ giúp của máy tính thì việc giải gần đúng
nhanh hơn rất nhiều.
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
1.3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu
Việt Nam là nước nông nghiệp có nhiều hồ chứa thủy lợi (trên 6.600 hồ). Những năm
gần đây, nhiều hồ chứa thủy điện cũng đã được xây dựng phục vụ công nghiệp hóa và
hiện đại hóa đất nước. Chính vì vậy, nghiên cứu vận hành hồ chứa cũng được nhiều nhà
khoa học, nhiều cơ quan nghiên cứu trong nước quan tâm. Một số công trình nghiên cứu
tiêu biểu được trình bày tóm tắt dưới đây.
T. T. Nghĩa và L. H. Nam [21] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp cận kết hợp mô
hình toán mô phỏng với mô hình toán tối ưu phi tuyến, cùng sự hỗ trợ của công cụ tiên
14