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 (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

VŨ NGỌC DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI
HỒ CHỨA NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ
PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA

Chuyên ngành: Phát triển nguồn nước
Mã số chuyên ngành: 62 44 92 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Vũ Ngọc Dương, Ngô Lê An và Nguyễn Mai Đăng (2016). Nghiên cứu dự
báo dòng chảy 10 ngày đến hồ chứa Cửa Đạt phục vụ vận hành hồ chứa
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Nguyễn Mai Đăng
Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Hà Văn Khối

hợp lý. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường (ISSN 1859 –
3941), số 54, tháng 9/2016, trang 96-100.
2. Vũ Ngọc Dương, Nguyễn Mai Đăng (2016). Mô phỏng ngẫu nhiên dòng
chảy tháng đến hồ Cửa Đạt bằng phương pháp Monte – Carlo. Tạp chí Khí

tượng Thủy văn (ISSN 2525 – 2208), số 667, tháng 7/2016, trang 42-47.
3. Vũ Ngọc Dương, Nguyễn Mai Đăng, Hà Văn Khối (2014). Đánh giá ảnh

Phản biện 1:

PGS. TS. Dương Văn Tiển

hưởng của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp thuộc

Phản biện 2:

PGS. TS. Nguyễn Kiên Dũng

khu tưới hồ Cửa Đạt. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường

Phản biện 3:

TS. Vũ Thị Thu Lan

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
Phòng họp số 5, Nhà K1, Trường Đại học Thủy lợi
vào lúc 8 giờ 30 ngày 8 tháng 02 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi

(ISSN 1859 – 3941), số 45, tháng 6/2014, trang 102-108.

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).
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) và sự gia tăng của nhu cầu sử dụng nước cho
phát triển dân sinh, kinh tế của tỉnh; đồng thời quy định về giới hạn đẩy mặn đến
đâu, độ mặn là bao nhiêu và khả năng đáp ứng của hồ cửa Đạt cũng chưa được
làm rõ.
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 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
1


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.
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.

2


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.

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 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu.
Chương 3: Tích hợp dự báo dòng chảy với mô hình tối ưu vận hành thích nghi
hồ chứa Cửa Đạt.

3


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

Mục này trình bày một số khái niệm sử dụng trong luận án trong đó có khái niệm
vận hành thích nghi hồ chứa. 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 thích nghi hồ chứa 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.
3) Các thông tin quan trắc sau một số bước thời gian sẽ được cập nhật và quy
trình lại lặp lại từ đầu.
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 được nghiên cứu nhiều trên Thế giới. Phương pháp sử dụng
chủ yếu là áp dụng các thuật toán điều khiển khác nhau vào giải quyết bài toán
vận hành tối ưu hồ chứa bao gồm:
- Nhóm các phương pháp tối ưu ngẫu nhiên ẩn gồm: Các mô hình quy hoạch
tuyến tính, các mô hình tối ưu dòng chảy mạng, các mô hình quy hoạch phi
tuyến, các mô hình quy hoạch động
- Nhóm các phương pháp ngẫu nhiên hiện gồm: các mô hình quy hoạch tuyến
tính ngẫu nhiên, các mô hình quy hoạch động ngẫu nhiên, Các mô hình điều
khiển tối ưu ngẫu nhiên
4


Gần đây có một số nghiên cứu về vận hành hồ chứa theo thời gian thực và vận
hành thích nghi hồ chứa.
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 dự báo vẫn đang là một đề tài được nhiều nhà nghiên cứu trên thế
giới quan tâm. Các phương pháp thường dùng trong các nghiên cứu gồm:
- Các mô hình thống kê: ARMA, Thomas Feering…
- Các mô hình thủy văn thông số phân bố sử dụng các thông tin viễn thám và
GIS, và kết quả dự báo mưa từ các mô hình số trị dự báo thời tiết như MM5,
RAMS, HRM, BOLAM vv…

- Các phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) với nhiều thuật toán tối ưu
khác nhau như BPNN, GA, Fuzzy Loggic…
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). Chính
vì vậy, nghiên cứu vận hành hồ chứa cũng được nhiều nhà khoa học, nhiều cơ
quan nghiên cứu trong nước quan tâm. Các nghiên cứu vận hành tối ưu chủ yếu
phục vụ chống lũ, phát điện cho hệ thống hồ chứa trên sông Hồng – Thái Bình
và một số hồ ở thủy điện ở Miền Trung. Gần đây, Bộ Tài nguyên và Môi trường
chủ trì xây dựng qui trình cho một số hệ thống hồ chứa cho cả mùa lũ và mùa
kiệt. Phần lớn các nghiên cứu đều sử dụng một số kỹ thuật tối ưu như quy hoạch
tuyến tính, quy hoạch động… và các phần mềm GAMS. Tuy nhiên các kết quả
nghiên cứu tối ưu vẫn chưa được sử dụng nhiều trong thực tế vận hành.
1.3.2

Dự báo trung hạn dòng chảy

Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ chưa nhiều và chủ yếu là các
nghiên cứu cho lưu vực (chứ ít cho riêng từng hồ). Các phương pháp dự báo chủ
5


yếu là ARIMA (p,d,q), ANN, phân tích tương quan và gần đây sử dụng các mô

hình thông số phân bố như MARINE (TTDBKTTV, Viện cơ), DIMOSOP
(ĐHTL). Chất lượng dự báo chưa tốt do nhiều nguyên nhân trong đó phải kể đến
là do số liệu đầu vào chưa tốt và đủ dài.
1.4

Các nghiên cứu liên quan thực hiện trên lưu vực sông sông Mã - sông
Chu.

Lưu vực sông Mã - sông Chu thuộc tỉnh Thanh Hoá là một lưu vực lớn của khu
vực Bắc Trung Bộ. Trên lưu vực đã xây dựng được một số công trình hồ chứa
lớn phục vụ đa mục tiêu. Hiện đã có nhiều dự án, đề tài nghiên cứu khoa học
được thực hiện có liên quan hoặc một phần có liên quan đến vấn đề nghiên cứu
trong luận án như: i) Dự án quy hoạch tổng thể thủy lợi tỉnh Thanh Hóa đến năm
2020 và định hướng đến năm 2030 do Viện Quy hoạch Thủy lợi [36] thực hiện;
ii) Đề tài NCKH cấp bộ TN & MT “Đánh giá, cân bằng tài nguyên nước lưu vực
sông Mã và đề xuất giải pháp sử dụng hợp lý tái nguyên nước phục vụ phát triển
kinh tế - xã hội bền vững” do Viện Khoa học KTTV và BĐKH [37] thưc hiện;
iii) Các nghiên cứu liên quan đến xây dựng QTVH hồ Cửa Đạt năm 2014 (quy
trình 3944), QTVH liên hồ chứa sông trên sông Mã (quy trình 1911).
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

- Hầu hết các nghiên cứu đều đưa ra các quỹ đạo vận hành tối ưu cho hồ chứa
về mặt lý thuyết nhưng chưa thấy nghiên cứu nào được sử dụng trong thực tế vận
hành.
- Rất ít nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ mà chủ yếu cho lưu vực.
Trong điều kiện lưu vực có nhiều thay đổi do con người xây dựng các công trình
khai thác tài nguyên nước như hồ thủy lợi, thủy điện đan xen nhau thì việc áp

dụng đơn thuần các phương pháp trên không mang lại kết quả mong muốn và
cần phải có một tiếp cận mới mang tính kết hợp.
- Yêu cầu đẩy mặn được quy định đối với hồ Cửa Đạt nhưng chưa có luận cứ
rõ ràng, và khả năng đáp ứng của Hồ tối đa là bao nhiêu cần phải đánh giá.
6


Do vậy để đưa kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành thì cần phải tích hợp dự
báo vào mô hình vận hành để vận hành thích nghi hồ chứa.
1.6

Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu trong luận án

Sau khi tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ đa mục tiêu, dự báo dòng
chảy trung hạn đến hồ và đánh giá những tồn tại, NCS đã lựa chọn cho mình
hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên
cứu. Hướng tiếp cận chung của nghiên cứu được tóm tắt trong sơ đồ Hình 1-2.
Theo sơ đồ này, mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu trong vận hành hồ chứa
được xây dựng và kết hợp từ 3 mô hình:
-

Mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ (bao gồm dòng chảy khu

giữa từ hồ Hủa Na đến hồ Cửa Đạt và dòng chảy ra của hồ Hủa Na có xét đến
những quy định về vận hành của hồ Hủa Na trong quy trình 1911). Mô hình này
được xây dựng trên cơ sở sử dụng mô phỏng Monte Carlo cấp phát ngẫu nhiên
dòng chảy đến hồ theo thời đoạn 10 ngày. Bộ thông số của các phân bố xác suất
sử dụng trong mô phỏng Monte Carlo được xác định từ số liệu thực đo dòng chảy
đến hồ trong 51 năm (1959 - 2010).
-

Mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa được xây dựng trong bảng tính Excel

dựa trên nguyên lý điều tiết cấp nước và phát điện.
-

Mô hình tối ưu được xây dựng trong phần mềm Crystal Ball với mô đun tối

ưu Opquest. Mô đun này tích hợp nhiều kỹ thuật tối ưu khác nhau.
Sau khi các nhu cầu sử dụng nước được tính toán lại trên cơ sở xem xét tác động
của BĐKH theo kịch bản BĐKH – B2 của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012),
yêu cầu dòng chảy tối thiểu góp phần vào đẩy mặn khu vực hạ du sông Mã được
phân tích và đánh giá, cùng với dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ được cấp phát từ
mô phỏng Monte Carlo trên sẽ hợp thành các đầu vào để chạy mô hình vận hành
hồ chứa. Sau khi tìm kiếm xác lập chế độ vận hành tối ưu, xác định các biến điều
khiển trong một số trường hợp vận hành (vận hành theo quy trình 3944, theo quy
trình 3944 + 1911, theo quy trình 3944 + 1911 + gia tăng dần lưu lượng đẩy mặn
trong tháng III, theo quy trình 3944 + 1911 + xét đến tác động của BĐKH đến
7


nhu cầu sử dụng nước), tiến hành mô phỏng cho nhiều năm để xây dựng các quỹ
đạo vận hành ứng với các mức đảm bảo khác nhau của hàm mục tiêu (phân tích
độ tin cậy).

Hình 1.2: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu
Mô hình dự báo dòng chảy 10 ngày/1 tháng đến hồ sẽ được xây dựng trên cơ sở
tích hợp mô hình thủy văn với mô hình điều tiết hồ chứa, cùng với việc sử dụng
mạng trí tuệ ANN để lựa chọn phương án dự báo phù hợp.
Cuối cùng, NCS tiến hành xây dựng chương trình tích hợp dự báo dòng chảy đến

hồ với mô hình vận hành hồ chứa cùng với các quỹ đạo vận hành ứng với các
8


mức đảm bảo nói trên để tạo thành công cụ vận hành thích nghi hồ chứa. Vận
hành thử nghiệm sẽ được tiến hành cho 2 năm 2014 và 2015 để đánh giá so với
2 năm vận hành vừa qua từ đó đưa ra các khuyến nghị trong thực tế vận hành
đồng thời đánh giá lưu lượng tối thiểu góp phần đẩy mặn ở hạ du sông Mã quy
định trong quy trình 1911 có còn phù hợp hay cần phải điều chỉnh.
Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:
-

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 dòng chảy trung hạn đến hồ trong mùa kiệt;

-

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.

Các phương pháp sử dụng trong Luận án và các bước áp dụng sẽ được trình bày
cụ thể ở các mục tính toán trong chương II và chương III.
1.7

Giới thiệu tóm tắt các hồ chứa nghiên cứu trên lưu vực sông Chu

Mục này giới thiệu tóm tắt hồ chứa Cửa Đạt và hồ chứa Hủa Na trên sông Chu.
- Công trình hồ chứa nước Cửa Đạt được xây dựng trên sông Chu với các nhiệm
vụ chủ yếu: i) Giảm lũ với tần suất 0,6%, bảo đảm mực nước tại Xuân Khánh
không vượt quá 13,71m (lũ lịch sử năm 1962); ii) Cấp nước cho công nghiệp và
sinh hoạt với lưu lượng 7,7 m3/s; iii) Tạo nguồn nước tưới ổn định cho 86.862ha
đất canh tác (trong đó Nam sông Chu là 54.043 ha - hệ thống thuỷ nông Bái
Thượng và Bắc sông Chu-Nam sông Mã là 32.831 ha); iv) Kết hợp phát điện với
công suất lắp máy N=97 MW; v) Bổ sung nước mùa kiệt cho hạ du để đẩy mặn,
cải tạo môi trường sinh thái với lưu lượng Q=30,42 m3/s.
- Hồ Hủa Na được xây dựng trên dòng sông Chu, phía thượng nguồn công trình
hồ chứa Cửa Đạt. Đây là hồ thủy điện với nhà máy thủy điện Hủa Na có công
suất thiết kế 180MW
9


Hình 1.4: Sơ họa các hồ chứa trên Sông Chu và một số vị trí trên sông Mã
1.8

Kết luận chương I

Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu trên thế giới đã được tiến hành
từ nhiều năm nay; tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có một lời giải chung nào phù
hợp cho tất cả các hồ. Những nghiên cứu vận hành tối ưu hồ chứa sử dụng nhiều
thuật toán tối ưu khác nhau cũng đã được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam. Hầu hết
các nghiên cứu đều đưa ra các quỹ đạo vận hành tối ưu cho hồ chứa về mặt lý
thuyết và hầu hết các hồ hiện nay vẫn được vận hành theo quy trình vận hành
được xây dựng từ mô hình mô phỏng.
Những nghiên cứu về dự báo trung hạn dòng chảy cũng có nhiều và thường sử

dụng các phương pháp thống kê, mạng trí tuệ nhân tạo, và gần đây sử dụng các
mô hình thủy văn phân bố. Tuy nhiên trong điều kiện lưu vực có nhiều thay đổi
do con người xây dựng các công trình khai thác tài nguyên nước như hồ thủy lợi,
thủy điện đan xen nhau thì việc áp dụng đơn thuần các phương pháp trên không
mang lại kết quả mong muốn và cần phải có một tiếp cận mới mang tính kết hợp.
Qua nghiên cứu tổng quan, NCS đã lựa chọn cho mình hướng tiếp cận hướng
tiếp cận mang tính kết hợp để phù hợp hơn với thực tế vận hành hồ chứa Cửa Đạt
trong bối cảnh BĐKH.
10


CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH THÍCH

NGHI HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU
2.1

Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ Cửa Đạt

Do dòng chảy đến hồ Cửa Đạt phụ thuộc vào việc vận hành của hồ chứa Hủa Na
và dòng chảy khu giữa từ Hủa Na đến hồ Cửa Đạt, nên ngoài nghiên cứu sử dụng
mô hình ANN thuật toán lan truyền ngược (BPNN), NCS đã nghiên cứu sử dụng
kết hợp mô hình cân bằng nước thời đoạn tháng với 2 thông số điều chỉnh thành
10 ngày và mô hình mô phỏng điều tiết hồ chứa nhằm mô phỏng và dự báo dòng
chảy đến hồ.
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

Mô hình được Shenglian Guo và Xiong Lihua xây dựng vào năm 1999 [46] sử
dụng 2 thông số để tính toán dòng chảy từ mưa.

Hình 2.1: Sơ đồ cân bằng nước mô hình 2 thông số
Trong đó Qt là dòng chảy tháng, St là lượng ẩm trong đất, và SC biểu thị lượng
ẩm tối đa. SC là thông số mô hình, có đơn vị là mm. Thông số còn lại của mô
hình là c được sử dụng trong ước tính lượng bốc hơi thực.
Lưu vực hồ chứa Cửa Đạt được chia thành 21 lưu vực con; mỗi lưu vực là một
mô hình cân bằng nước thời đoạn 10 ngày. Lưu lượng dòng chảy tại hồ Hủa Na
và Cửa Đạt được tính bằng tổng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực con với giả
thiết là ảnh hưởng của yếu tố chảy truyền trên lưu vực là không đáng kể so với
thời đoạn tính toán 10 ngày. Để mô phỏng dòng chảy ra của hồ Hủa Na, luận án
sử dụng phương pháp cân bằng nước hồ chứa để ước tính lưu lượng xả tổng cộng
11


của hồ (bao gồm cả lưu lượng xả thừa và lưu lượng qua tuốc bin). Chuỗi số liệu
từ 1993 - 2000 được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình, còn chuỗi số liệu từ 2001 2007 được sử dụng để kiểm định mô hình. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô
hình với chỉ số Nash lần lượt là 0,71 và 0,73 (ở mức độ tương đối tốt ). Bộ thông
số của mô hình tìm được sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được kết hợp
với mô hình điều tiết hồ Hủa Na để dự báo thử nghiệm dòng chảy 10 ngày đến
hồ Cửa Đạt trong 2 năm 2014 và 2015.
Kết quả dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Hủa Na khá tốt trong giai đoạn mùa
kiệt, trong khi giai đoạn mùa lũ thì có sự sai lệch đáng kể (30% nhỏ hơn về tổng
lượng trong năm 2014 và 35% lớn hơn trong năm 2015). Sự sai lệch giữa dự báo
và thực đo chủ yếu đến từ việc không có số liệu dự báo, cảnh báo mưa và bốc
hơi thời đoạn 10 ngày nên phải lấy dữ liệu trung bình nhiều năm thời đoạn đó để
thay thế. Việc vận hành hồ giai đoạn mùa kiệt năm 2014, 2015 do chưa có quy
trình liên hồ (quy trình 1911) nên sẽ có sự khác biệt cơ bản như mực nước hồ có

một số giai đoạn nhiều ngày xuống thấp hơn cao trình cho phép hay lưu lượng
xả tổng cộng về hạ lưu đôi khi bằng không. Kết quả dự báo dòng chảy 10 ngày
về hồ Cửa Đạt vì thế vẫn có sai lệch đáng kể. Nếu hồ Hủa Na vận hành đúng quy
trình liên hồ chứa Sông Mã 1911 (2015) thì kết quả dự báo dòng chảy đến hồ
Cửa Đạt sẽ khả quan hơn.
2.1.2

Nghiên cứu xây dựng mô hình mạng trí tuệ nhận tạo (ANN) dự báo
dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt

NCS đã sử dụng mạng Nơ ron thần kinh 3 lớp với thuật toán quét ngược (BPNN)
để nghiên cứu dự báo dòng chảy tháng đến hồ Cửa Đạt.

Hình 2. 10: Mạng nơron thần kinh 3 lớp

12


Số liệu dùng để luyện mạng là chuỗi số 1980 đến 1999 còn số liệu dùng để kiểm
định là chuỗi số từ 2000 đến 2009. Mặc dù khi hiệu chỉnh và kiểm định cho kết
quả khá tốt với chỉ tiêu Nash đạt khoảng 0,7, xong kết quả dự báo thử nghiệm lại
không tốt đặc biệt trong thời kỳ mùa kiệt, có sự sai lệch nhiều vì hồ chứa Hủa Na
bắt đầu hoạt động từ cuối năm 2013 nên dòng chảy vào hồ Cửa Đạt (gồm dòng
chảy xả ra từ hồ Hủa Na và dòng chảy sinh ra trên lưu vực khu giữa từ Hủa Na
đến Cửa Đạt) đã bị thay đổi, mạng ANN chưa được luyện với thay đổi này. Cần
phải có số liệu dòng chảy thực đo xả ra từ Hủa Na để đưa vào thêm một biến đầu
vào trong quá trình luyện mạng. Tuy nhiên chỉ có số liệu 2 năm vận hành vừa
qua là chưa đủ để luyện mạng. Nhưng trong tương lai, khi số liệu thực đo xả ra
từ hồ Hủa Na đủ dài thì đây có thể coi là một phương pháp dự báo tốt dòng chảy
đến hồ Cửa Đạt

Nhận xét: Với kết quả thử nghiệm dự báo dòng chảy đến hồ Cửa Đạt cho 2 năm
2014 và 2015, NCS đề xuất sử dụng phương pháp kết hợp mô hình thủy văn 2
thông số với mô hình điều tiết hồ Hủa Na để dự báo dòng chảy trung hạn (10
ngày) đến hồ Cửa Đạt trong giai đoạn trước mắt. Trong tương lai khi có số liệu
chuỗi dòng chảy thực đo xả ra từ hồ Hủa Na thì có thể sử dụng thêm mô hình
mạng Nơ ron thần kinh như một phương án bổ sung để đưa ra các trị số dự báo
tốt hơn.
2.2

Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành
hồ Cửa Đạt

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)

Nhiệm vụ và những quy định trong quy trình 3944 và quy trình liên hồ 1911 được
phân tích để xác lập các ràng buộc về lưu lượng và mực nước hồ khi nghiên cứu
chế độ tối ưu hồ Cửa Đạt ở các mục tiếp theo.

13


2.2.2

Tính toán nhu cầu sử dụng nước hồ Cửa Đạt có xét đến BĐKH

NCS đã tiến hành tính toán nhu cầu sử dụng nước tưới khi xét tới BĐKH –B2

(được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012) theo các bước được
minh họa trong hình được Sơ đồ hình 2.13.
Tài liệu khí tượng, thủy văn, nông nghiệp
Sử dụng phần mềm Cropwat
Xét tới BĐKH: X, t thay
đổi
Nhu cầu tưới cho cây trồng/ha giai đoạn 2020 - 2050

Nhu cầu tưới cho cây trồng/ha hiện
trạng

Đánh giá về sự thay đổi nhu cầu tưới/ha

Nhu cầu tưới hồ Cửa Đạt có xét tới BĐKH (P đảm bảo 85%)

Hình 2.13: Sơ đồ tính toán nhu cầu tưới cây trồng khi xét đến BĐKH
Kết quả tính toán nhu cầu sử dụng nước tưới của hồ Cửa Đạt giai đoạn đến 2050
được tóm tắt trong Bảng 2.16
Bảng 2.16: Nhu cầu nước tưới từ hồ Cửa Đạt (p=85%) giai đoạn đến 2050
theo kịch bản BĐKH- B2 (m3/s)
Khu tưới

VII

VIII

IX

X

XI

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

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

2.2.3

XII

I

II

III

IV

V

VI

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

Hạ du sông Mã cũng như các sông khác có cửa đổ ra biển những năm gần đây
đều bị mặn uy hiếp. Trạm bơm cấp nước sinh hoạt cho thành phố Thanh Hóa
2,5m3/s gần cửa sông Chu cũng nhiều lần bị mặn uy hiếp. Nước mặn xâm nhập
sâu vào nội địa có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân chính là do nguồn
nước ngọt đổ xuống vùng cửa sông không đủ đẩy mặn.
14


Các hồ chứa ở thượng nguồn sông Mã, sông Chu đều là hồ chứa đa mục tiêu cấp
nước, chống lũ, phát điện,…Vùng hồ Cửa Đạt có nhiệm vụ trả lại dòng chính
sông Chu 30-31m3/s trong mùa kiệt để cải tạo môi trường vùng hạ du sông Chu,
lưu lượng này là lưu lượng tăng thêm để đẩy mặn cho hạ du sông Mã, cải thiện
chất lượng nước vùng hạ du. Trong khuôn khổ luận án này NCS đã nghiên cứu
chứng minh điều này là một trong những điểm ràng buộc đối với quy trình vận
hành hồ và khả năng có thể đáp ứng đến đâu của hồ Cửa Đạt.
NCS đã thu thập toàn bộ số liệu từ năm 2007 đến 2015 về độ mặn, lưu lượng và
mực nước vào thời kỳ kiệt nhất trong năm (tháng III) tại 4 trạm: Giàng, Hàm
Rồng, Nguyệt Viên và Quảng Châu lần lượt cách cửa Hới (cửa sông Mã) là 24km,
18,6km, 14km và 5,3 km. Số liệu này do Sở Tài nguyên và Môi trường Thanh

Hóa kết hợp với Đài Khí tượng Thủy văn Thanh Hóa tiến hành đo đạc.
Từ số liệu này, NCS tiến hành phân tích đánh giá quan hệ độ mặn với các biên
Q thượng lưu (Xuân Khánh và Sét Thôn) với độ mặn tại các trạm Giàng, Hàm
Rồng, Nguyệt Viên, và Quảng Châu. Qua đó đánh giá được khả năng đẩy mặn
của hồ chứa Cửa Đạt đối với hạ lưu sông Mã.

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 từ 2007 đến 2015 (hoàn chỉnh một
chu kỳ triều)
15


Hình 2.20 chỉ ra nêm mặn ứng với Qxk = 45 m3/s rất sát với nêm mặn Qxk = 50
m3/s của năm 2013. Như vậy nếu hồ Cửa Đạt xả tối thiểu 30,42 m3/s thì độ mặn
trung bình thường kỳ kiệt tháng III dao động trên dưới 7%o tại Nguyệt Viên.
Như vậy nếu muốn đẩy độ mặn xuống dưới 4%o tại Nguyệt Viên, thì Qxk phải
đạt được 85 m3/s, giống như nêm mặn năm 2015, tức là hồ Cửa Đạt phải xả tới
121 m3/s (bao gồm cả cấp cho Nam Sông Chu tại Bái Thượng 42m3/s). Nếu trong
thời kỳ mùa kiệt mà hồ Cửa Đạt xả với lưu lượng < 15 m3/s (Qxk < 20 m3/s) thì
độ mặn ở hạ lưu (từ Giàng xuống cửa sông) tăng rất nhanh, do đó bắt buộc phải
duy trì nghiêm túc dòng chảy tối thiểu đã quy định. Khi lưu lượng tại Xuân Khánh
> 35 m3/s thì hồ Cửa Đạt xả thêm từ 20-30 m3/s sẽ góp phần giảm độ mặn tại
Nguyệt Viên xuống 1%o.
2.2.4

Xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy đến hồ chứa Cửa Đạt

NCS đã sử dụng chuỗi số liệu dòng chảy đến hồ trong 51 năm (từ năm 1959 đến
năm 2010) đã thu thập được từ công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi 1 [43], [44]
để thiết lập 12 chuỗi số liệu dòng chảy từng tháng đến hồ và sử dụng modun

“Correlation and Fitting” trong phần mềm Crystal Ball [54] để xác định hàm
phân bố xác suất phù hợp nhất cho dòng chảy của từng tháng. Kết quả cho thấy
các phân bố tìm được đều là các phân bố thường gặp trong thủy văn như phân bố
Normal, phân bố Extreme …etc. Bộ thông số của các phân bố tìm được này sẽ
làm đầu vào cho việc mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ bằng phương pháp
Monte Carlo.
2.2.5

Thiết lập bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa nước Cửa Đạt

Hàm mục tiêu của bài toán vận hành tối ưu hồ đa mục tiêu có thể được biểu diễn
tổng quát như sau:
Maximise F(X) = [F1(X), F2(X), ... , FN(X),]

(2-10)

Trong đó: Fj(X), j=1 .. N là các hàm mục tiêu; X: véc tơ của các biến ra quyết
định; qi(X) ≤ 0 : các ràng buộc xác định trong miền khả thi
16


NCS đã lựa chọn phương pháp tập hợp để áp dụng cho hồ Cửa Đạt. Hồ Cửa
Đạt là hồ chứa đa mục tiêu, tuy nhiên có thể gộp các mục tiêu thành 3 mục tiêu
chính đó là: i) cấp nước (cấp nước cho khu tưới khu Bắc Sông Chu, khu tưới
Nam Sông Chu, cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp), ii) cải thiện môi trường
sinh thái (góp phần đẩy mặn ở hạ lưu sông Mã), iii) phát điện. Trong 3 mục tiêu
này thì 2 mục tiêu cấp nước và cải thiện môi trường sinh thái là quan trọng nhất,
do vậy NCS đã coi 2 mục tiêu này là ràng buộc trong đó mục tiêu cấp nước tưới,
sinh hoạt và công nghiệp là ràng buộc ưu tiên 1, mục tiêu cải thiện môi trường
sinh thái và góp phần đẩy mặn khu vực hạ lưu sông Mã là ưu tiên số 2. Vì vậy

bài toán sẽ còn 1 mục tiêu duy nhất đó là phát điện (tối ưu lượng điện năng sản
xuất trung bình nhiều năm của nhà máy Thủy điện Cửa Đạt). Hàm mục tiêu lúc
này được biểu diễn dưới dạng:
1
n

𝐹 = 𝑀𝑎𝑥 ∑𝑛𝑡=1 ∑36
𝑡=1 9.81 ∗ β ∗ Q t ∗ Ht ∗ ∆t

(2-11)

Các ràng buộc
-

Ràng buộc về phương trình cân bằng nước hồ chứa

Wt+1 = Wt + Wđến t − Wp,t − Wx,t − EVt − LKBWt
-

(2-12)

Ràng buộc về lượng trữ nhỏ nhất và lớn nhất của hồ chứa

Wmin,t  Wt  Wmax, t

(2-13)

Ràng buộc này có thể quy về ràng buộc mực nước tối thiểu mà hồ Cửa Đạt phải
duy trì theo quy trình vận hành liên hồ chứa Sông Mã (quy trình 1911) còn mực
nước tối đa lấy theo quy trình vận hành hồ (quy trình 3944). Theo đó mực nước

hồ được quy định cho từng giai đoạn 10 ngày trong thời kỳ mùa kiệt từ 1/12 đến
30/6 hàng năm được tóm tắt trong bảng 2.19 còn ràng buộc mực nước trong mùa
lũ tuân theo biểu đồ điều phối của quy trình 3944
-

Ràng buộc nhu cầu cấp nước (đây là ràng buộc với biến quyết định)

Các ràng buộc của biến quyết định về lưu lượng cấp nước hồ Cửa Đạt trong thời
kỳ mùa kiệt được tóm tắt trong bảng sau cho các trường hợp tính toán:
17


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

STT
1
2
3
3
3
4
5

Thời đoạn
01/12
01/01
01/02
01/03
01/04

01/05
01/06

QNM
Quy trình
1911

31/12
31/01
28/02
31/03
30/04
31/05
30/06

55,00
69,00
81,00
81,00
81,00
59,00
70,00

QNM
Quy trình 1911 +gia
tăng đẩy mặn tháng
3
55,00
69,00
81

Tăng dần từ 81,00
81
59,00
70,00

QNM
Quy trình
1911+xét đến
BĐKH
55,00
79,41
81,00
106,91
97,50
59,00
70,00

Biến quyết định: Biến quyết định của bài toán tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt chính
là lưu lượng đi qua nhà máy điện và nó phải thỏa mãn các ràng buộc trong Bảng
2.20 trên đây.
2.2.6

Xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt

Các bước xây dựng mô hình mô phỏng kết hợp với tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt
gồm: i) Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành hồ trong bảng tính Excel; ii) Kết
nối mô hình mô phỏng chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ với mô hình mô phỏng
vận hành hồ (mô phỏng Monter Carlo đã xây dựng ở mục 2.2.4); iii) Tích hợp
module tối ưu OptQuest trong phần mềm Crystal Ball vào mô hình mô phỏng đã
xây dựng trong Excel.

2.3

Kết luận Chương 2

Chương 2 đã xây dựng được và làm sáng tỏ những yêu cầu đối với vận hành thích
nghi hồ chứa đó là việc xây dựng mô hình vận hành hồ chứa (kết hợp giữa mô
phỏng và tối ưu) từ phân tích các số liệu đầu vào, các mục tiêu và ràng buộc của
bài toán và xây dựng được phương án dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ.

18


CHƯƠNG 3

TÍCH HỢP DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỚI MÔ HÌNH TỐI

ƯU VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA CỬA ĐẠT
3.1

Vận hành tối ưu hồ chứa Cửa Đạt

Để có được cơ sở dữ liệu phục vụ vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt khi có
dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ, luận án đã nghiên cứu chế độ vận hành tối
ưu hồ cho các trường hợp sau i) Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo
quy trình 3944; ii) Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình
3944 và quy trình liên hồ chứa 1911; iii) Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở
tuân theo quy trình 3944, quy trình 1911 và gia tăng dần lưu lượng đẩy mặn tháng
III là tháng kiệt nhất trong năm để đánh giá khả năng tối đa mà hồ Cửa Đạt có
thể tham gia đẩy mặn; iv) Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy
trình 3944, quy trình 1911 và khi xét tác động của BĐKH đến nhu cầu sử dụng

nước tưới.
Quá trình tìm kiếm tối ưu cho từng trường hợp nghiên cứu trên được thiết lập với
5000 mô phỏng (5000 năm). Sau khi tối ưu được sản lượng điện và xác định
được các giá trị của 36 biến quyết định là lưu lượng qua nhà máy điện Cửa Đạt,
NCS tiến hành chạy mô phỏng lại với 3000 lần để phân tích và dự báo sản lượng
điện ứng với các mức đảm bảo khác nhau nhằm xây dựng bảng hỗ trợ vận hành
và chương trình tích hợp với dự báo để vận hành thích nghi hồ (vì quỹ đạo vận
hành tối ưu chỉ là trường hợp lý tưởng trong thời kỳ nhiều năm, trong thực tế do
lượng nước đến hồ là ngẫu nhiên nên cần phải có những phân tích về độ tin cậy
này để có thể thích nghi với từng trạng thái cụ thể của dòng chảy đến hồ mà vẫn
đem lại hiệu quả phát điện tốt nhất có thể)
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

Với mô hình dự báo trung hạn (10 ngày) dòng chảy đến hồ Cửa Đạt đã xây dựng
được trong Chương 2 (mục 2.1) và kết quả nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hồ

19


Cửa Đạt theo các trường hợp vận hành khác nhau (mục 3.1), NCS có thể tiến
hành vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt theo hai cách:
Cách 1: Triết xuất thông tin các quỹ đạo vận hành ứng với các mức dự báo điện
lượng khác nhau lập thành bảng tra sẵn – mỗi bảng có ít nhất 10 cột quy định
giá trị mực nước hồ theo thời đoạn 10 ngày tương ứng với các mức đảm bảo 95%,
90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50% (các quỹ đạo này đều nằm
trong giới hạn trên và dưới của mực nước quy định trong các quy trình xem xét
khi nghiên cứu các kịch bản nhưng có những mức dự báo điện lượng khác nhau.

Khi vận hành: ở từng thời điểm, người vận hành căn cứ vào trạng thái hiện tại
của hồ (mực nước hồ đang ở cao trình bao nhiêu), căn cứ vào kết quả dự báo
trung hạn (10 ngày) dòng chảy đến hồ để lựa chọn xem bước thời gian tiếp theo
(10 ngày) sẽ đi theo đường nào cho phù hợp. Quá trình vận hành ở các bước tiếp
theo hoặc ngay trong bước này ở các ngày tiếp theo nếu có dự báo gối đầu hoàn
toàn có thể thích nghi theo trạng thái và theo thông tin dự báo dòng chảy đến hồ.
Cách 2: NCS đã bước đầu xây dựng chương trình tích hợp dự báo trung hạn (10
ngày) dòng chảy đến hồ với mô hình vận hành hồ chứa dựa trên cơ sở các kết
quả nghiên cứu các chế độ tối ưu đã thiết lập ở mục 3.1 trên bảng tính Excel.
Chương trình được viết bằng ngôn ngữ VBA dưới dạng Macro sẽ đọc các dữ liệu
đã cho và đã tính ở mục 3.1 nói trên (các đường quỹ đạo vận hành tương ứng với
các mức đảm bảo sản lượng điện), sau đó tính toán và mô phỏng dòng chảy xả
qua tuốc bin, dòng chảy xả thừa, mực nước hồ cuối thời đoạn, chênh lệch cột
nước và điện năng. Với chương trình đã xây dựng này, người sử dụng cần nhập
vào lượng mưa (có thể là mưa dự báo), nhập vào lưu lượng trung bình 10 ngày
dựa trên kế hoạch sản xuất điện của hồ Hủa Na (hiện nay các thông tin này bắt
buộc phải công bố trước theo quy định của EVN và theo quy trình 1911) từ đó
chương trình sẽ dự báo được dòng chảy đến hồ Cửa Đạt trong 10 ngày tới và
cùng với trạng thái hồ hiện tại (mực nước hồ), chương trình sẽ lựa chọn và đưa
ra lưu lượng qua tuốc bin, đồng thời tính toán trạng thái hồ ở cuối thời đoạn.
20


Người sử dụng có thể căn cứ vào đây để đưa ra quyết định vận hành thích nghi
hồ ở bước thời gian 10 ngày tới và việc này có lặp lại ở bước thời gian tiếp theo.
3.3

Thử nghiệm vận hành thích nghi hồ Cửa Đạt trong 2 năm 2014 và
2015

NCS tiến hành vận hành thích nghi hồ Cửa Đạt trong hai năm 2014 và 2015 theo
3 kịch bản sau: KB 1: Hồ điều tiết theo quy trình 3944 + 1911; KB 2: Hồ điều
tiết dựa trên cơ sở dữ liệu của các quỹ đạo vận hành ứng với các mức đảm bảo
và dự báo điện lượng khác nhau đã xây dựng ở mục 3.1; KB 3: Hồ điều tiết theo
quy trình 3944. Kết quả thử nghiệm được tóm tắt trong bảng 3.7. Ta có thể thấy
Cả 3 kịch bản vận hành thích nghi đều cho tổng sản lượng điện trong 2 năm 2014
và 2015 vượt so với sản lượng điện thực tế sản xuất của hồ Cửa Đạt. Quá trình
thao tác vận hành thuận tiện vì đã có bảng hỗ trợ và chương trình tính.
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
Kịch bản

KB 1
KB 2
KB 3
3.4

Tổng sản lượng điện trong 2
năm 2014-2015
(triệu kWh)
858,38
869,08
879,85

Tổng Sản lượng điện thực tế sản
xuất trong 2 năm 2014-2015
(triệu kWh)
844,20

Kết luận chương III

Chương 3 đã nghiên cứu và phân tích các chế độ vận hành tối ưu hồ chứa Cửa
Đạt theo các mức đảm bảo khác nhau và theo các phương án vận hành khác nhau,
đồng thời đã xây dựng được chương trình tích hợp dự báo trung hạn (10 ngày)
dòng chảy đến hồ với mô hình vận hành mô phỏng – tối ưu để thử nghiệm vận
hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt trong hai năm 2014 và 2015. Kết quả vận hành
thích nghi cho thấy sự ưu việt và mềm dẻo của nó so với các phương pháp khác
nhưng lại đem lại hiệu quả hơn.

21


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.

Kết quả đạt được của luận án

Luận án đã thu thập, phân tích số liệu, tài liệu, bài báo liên quan mật thiết đến đề
tài từ đó tiến hành tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài. Qua
nghiên cứu tổng quan có thể thấy các nghiên cứu về vận hành tối ưu hồ chứa đa
mục tiêu và hệ thống hồ chứa trên thế giới đã được tiến hành từ nhiều năm nay.
Các nghiên cứu cũng sử dụng nhiều kỹ thuật tối ưu khác nhau; tuy nhiên rất khó
có thể tổng kết kỹ thuật nào là ưu việt nhất vì nó còn phụ thuộc vào điều kiện cụ
thể của từng hồ. Những nghiên cứu vận hành tối ưu hồ chứa cũng đã được nghiên
cứu nhiều ở Việt Nam, nhưng chủ yếu cho các hồ lớn ở trên lưu vực sông Hồng
và một vài hồ thủy điện ở Miền Trung, chưa có nghiên cứu nào cho lưu vực sông
Chu (thuộc sông Mã). Hầu hết các nghiên cứu đều đưa ra các quỹ đạo vận hành
tối ưu cho hồ chứa về mặt lý thuyết, chưa được đưa vào vận hành thực tiễn và
hầu hết các hồ hiện nay vẫn được vận hành theo quy trình vận hành được xây
dựng từ mô hình mô phỏng.

Luận án đã xây dựng được các mô hình dự báo trung hạn dòng chảy (10 ngày, 1
tháng) đến hồ Cửa Đạt. Trong đó mô hình dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ là
mô hình kết hợp giữa mô hình thủy văn 2 thông số và mô hình điều tiết hồ chứa.
Việc kết hợp này cho phép xem xét ảnh hưởng việc xả nước của thủy điện Hủa
Na đến dòng chảy tới hồ Cửa Đạt. Kết quả dự báo theo mô hình này khi chưa có
dự báo mưa và thông tin vận hành của hồ Hủa Na là chấp nhận được. Nhưng khi
Quy trình 1911 được ban hành thì những thông tin và các ràng buộc vận hành
trong mùa kiệt hồ Hủa Na sẽ tốt hơn thì công tác dự báo dòng chảy đến hồ Cửa
Đạt sẽ tốt hơn. Đồng thời khi chuỗi số liệu thực đo về dòng chảy xả ra từ hồ Hua
Na được thu thập đủ dài thì phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo ANN sẽ có thể
luyện và dự báo tốt hơn.
Luận án đã đánh giá được tác động của BĐKH theo kịch bản BĐKH – B2 của
Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012 đến nhu cầu sử dụng nước. Kết quả tính

22


toán cho thấy nhu cầu sử dụng nước tưới tăng lên ở cả 2 khu tưới Bắc và Nam
Sông Chu nhưng mức tăng không nhiều.
Luận án đã phân tích, đánh giá được yêu cầu dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy
mặn khu vực hạ du sông Mã. Qua phân tích và đánh giá có thể thấy quan hệ độ
mặn trung bình ở hạ du sông Mã với lưu lượng đến tại Xuân Khánh (sông Chu)
là khá tốt; nếu trong tháng III (thời kỳ kiệt nhất trong năm) muốn có độ mặn tại
Nguyệt Viên ≤ 4%o thì lưu lượng tại Xuân Khánh phải có 85m3/s (tương đương
với Cửa Đạt phải 121 m3/s, bao gồm cả 42 m3/s cho khu tưới Nam Sông Chu),
và đồng thời cũng đảm bảo trạm cấp nước thành phố Thanh Hóa tại cửa sông
Chu có thể đảm bảo lấy nước thường xuyên không bị mặn uy hiếp. Đề tài đã đưa
được cụ thể lưu lượng ở Xuân Khánh từ đó suy ra lưu lượng phải điều tiết tại hồ
Cửa Đạt, đây là căn cứ vận hành hồ chứa Cửa Đạt trong mùa kiệt. Hiện nay mức
đóng góp đẩy mặn của hồ Cửa Đạt chỉ đạt 30,42 m3/s (theo Quy trình 3944, nhỏ

hơn mức đề xuất trong quy trình 1911), như vậy cần phải huy động thêm từ các
hồ Huổi Na, và các hồ chứa từ thượng nguồn sông Mã mới hy vọng được yêu
cầu đẩy mặn.
Luân án đã xây dựng được mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ theo
mô phỏng Monte Carlo. Mô phỏng này được xây dựng dựa trên phân bố xác suất
cho từng tháng đã xây dựng được từ chuỗi số liệu dòng chảy các tháng trong 51
năm hồ Cửa Đạt. Một số xử lý đơn giản để đảm bảo chuỗi số liệu phát ra không
có các giá trị vô nghĩa đã được thực hiện; đồng thời một số ràng buộc để đảm
bảo dòng chảy ra từ hồ Hua Na không dưới ngưỡng quy định trong các thời kỳ
mùa kiệt đã được đưa vào. Các phân bố phù hợp nhất tìm được cho từng tháng
đều là các phân bố hay sử dụng trong thủy văn.
Luận án đã xây dựng được mô hình kết hợp vận hành hồ chứa Cửa Đạt. Mô hình
kết hợp đã được xây dựng trên cơ sở tích hợp mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu
nhiên đến hồ nói trên và mô hình tối ưu vận hành hồ xây dựng băng modun
Opquest với mô hình mô phỏng vận hành hồ Cửa Đạt được xây dựng trong bảng
tính Excel. Để có thể tận dụng chế độ chạy tốc độ cao (Extrem speed trong Crystal
23