ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH, NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ KHAI THÁC HỒ CHỨA CẤP NƯỚC CHO NÔNG NGHIỆP KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN THIỆU VỸ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN NGHIÊN CỨU
CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH, NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ
KHAI THÁC HỒ CHỨA CẤP NƯỚC CHO NÔNG NGHIỆP
KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN THIỆU VỸ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN NGHIÊN CỨU
CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH, NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ
KHAI THÁC HỒ CHỨA CẤP NƯỚC CHO NÔNG NGHIỆP
KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC

Chuyên ngành

: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước

Mã số

: 60-62-30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS ĐOÀN TRUNG LƯU

HÀ NỘI – 2012


LỜI CẢM ƠN

♥
Luận Văn “Ứng dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ vận
hành nâng cao hiệu quả quản lý, khai thác hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp
khi không có dự báo nguồn nước” được thực hiện từ tháng 9 năm 2010. Ngoài sự
cố gắng của bản thân, tác giả đã được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô giáo,
gia đình và bạn bè.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Đoàn Trung Lưu,
người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cung cấp những tài liệu,
những thông tin cần thiết cho tác giả hoàn thành Luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Chi cục Thủy lợi Vĩnh
Phúc, Công ty TNHH một thành viên Thủy lợi Lập Thạch và các đồng nghiệp
đã cung cấp các tài liệu cần thiết cho tác giả hoàn thành luận văn.
Tuy nhiên do thời gian có hạn, trình độ còn hạn chế, số liệu và công tác xử

lý số liệu với khối lượng lớn nên những thiếu xót của Luận văn là không thể
tránh khỏi, do đó tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ của
các thầy cô giáo cũng như những ý kiến đóng góp của bạn bè và của đồng
nghiệp.
Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn tấm lòng của những người thân
trong gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ khích lệ tác giả trong suốt quá trình
học tập và hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn./.
Hà Nội, tháng 3 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Thiệu Vỹ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ………………………………………………………..…………………1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY BẰNG HỒ CHỨA ..4

1.1. Hồ chứa ........................................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm hồ chứa nước ............................................................................. 4
1.1.2. Các công trình thủy công của hồ chứa....................................................... 4
1.1.3. Đặc trưng địa hình hồ chứa......................................................................... 5
1.2. Điều tiết cấp nước của hồ chứa .................................................................. 6
1.2.1. Khái niệm điều tiết cấp nước ...................................................................... 6
1.2.2. Phân loại và đặc điểm điều tiết cấp nước .................................................. 7
CHƯƠNG 2
QUẢN LÝ, VẬN HÀNH HỒ CHỨA CẤP NƯỚC NÔNG NGHIỆP ................ 9

2.1. Biểu đồ điều phối ........................................................................................... 9

2.1.1. Khái niệm điều phối hồ chứa..................................................................... 10
2.1.2. Cấu tạo biểu đồ điều phối hồ chứa ........................................................... 10
2.2. Phương pháp xây dựng biểu đồ điều phối cấp nước trong quản lý vận
hành hồ chứa phục vụ nông nghiệp ................................................................ 14
2.2.1. Phương pháp xây dựng .............................................................................. 15
2.2.2. Sử dụng biểu đồ điều phối xây dựng chế độ vận hành hồ chứa ........... 18
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TANK KHÔI PHỤC CHUỖI DÒNG CHẢY ĐẾN
HỒ CHỨA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG TÍCH VÀ THÁO NƯỚC HỒ
CHỨA PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP .................................................................... 21

3.1. Giới thiệu tổng quan về mô hình TANK ................................................ 21
3.1.1. Nguyên lý mô hình ……………………………………………………… 21
3.1.2. Cấu trúc mô hình ........................................................................................ 22
3.1.3. Phương thức sử dụng mô hình TANK tạo chuỗi dòng chảy đến ......... 25


3.2. Kết quả xác định chuỗi dòng chảy đến hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc,
Suối Sải .................................................................................................................. 29
3.2.1. Giới thiệu các hồ chứa nghiên cứu ........................................................... 29
3.2.2. Các bước tính .............................................................................................. 32
3.2.3. Kết quả tính chuỗi dòng chảy đến lưu vực hồ chứa nghiên cứu ................. 33
3.3. Tính toán dòng chảy năm thiết kế hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc,
Suối Sải .................................................................................................... 39
3.3.1. Tính toán lưu lượng dòng chảy năm thiết kế .......................................... 39
3.3.2. Phân phối dòng chảy năm thiết kế ........................................................... 42
CHƯƠNG 4
CƠ SỞ KHOA HỌC LẬP QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA CẤP NƯỚC
PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC ............. 44

4.1. Cở sở thiết lập quy trình ............................................................................ 44
4.2. Kết quả nghiên cứu thiết lập quy trình vận hành hồ chứa Vân Trục,
Bò Lạc, Suối Sải ................................................................................................... 44
4.2.1. Biểu đồ điều phối các hồ chứa nghiên cứu .............................................. 44
4.2.2. Cơ sở khoa học lập quy trình vận hành hồ chứa nghiên cứu ................ 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………….……….. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO …….………...…………..…………………...……… 84


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Biểu đồ đặc trưng địa hình của hồ chứa nước
Hình 2.1: Biểu đồ điều phối hồ chứa
Hình 2.2: Nguyên tắc tính toán điều tiết khi xây dựng biểu đồ điều phối
Hình 2.3: Xác định đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước theo
đường bao
Hình 3.1: Mô phỏng các bể chứa và cơ chế truyền ẩm của mô hình TANK đơn
Hình 3.2: Bản đồ vị trí các hồ chứa nghiên cứu
Hình 4.1: Đường tích và tháo nước hồ Vân Trục
Hình 4.2: Đường tích và tháo nước hồ Bò Lạc
Hình 4.3: Đường tích và tháo nước hồ Suối Sải
Hình 4.4: Biểu đồ điều phối cấp nước hồ Vân Trục
Hình 4.5: Biểu đồ điều phối cấp nước hồ Bò Lạc
Hình 4.6: Biểu đồ điều phối cấp nước hồ Suối Sải
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh
Bảng 3.2: Đặc trưng địa hình lòng hồ Vân Trục (Z-F-V)
Bảng 3.3: Đặc trưng địa hình lòng hồ Bò Lạc (Z-F-V)
Bảng 3.4: Đặc trưng địa hình lòng hồ Suối Sải (Z-F-V)
Bảng 3.5: Lưu lượng trung bình dòng chảy tháng, năm hồ Vân Trục
Bảng 3.6: Lưu lượng trung bình dòng chảy tháng, năm hồ Bò Lạc

Bảng 3.7: Lưu lượng trung bình dòng chảy tháng, năm hồ Suối Sải
Bảng 3.8: Tổng hơp lưu lượng dòng chảy năm lưu vực hồ chứa Vân Trục,
Suối Sải, Bò Lạc
Bảng 3.9: Dòng chảy năm thiết kế lưu vực các hồ Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải


Bảng 3.10: Bảng tính hệ số thu phóng K 75%
Bảng 3.11: Đường quá trình dòng chảy năm thiết kế các hồ nghiên cứu với
năm đại biểu khác nhau
Bảng 4.1: Tính toán điều tiết theo năm có kể tổn thất hồ chứa nước Vân Trục
Bảng 4.2: Tính toán điều tiết theo năm có kể tổn thất hồ chứa nước Bò Lạc
Bảng 4.3: Tính toán điều tiết theo năm có kể tổn thất hồ chứa nước Suối Sải
Bảng 4.4: Tọa độ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước hồ Vân Trục
Bảng 4.5: Tọa độ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước hồ Bò Lạc
Bảng 4.6: Tọa độ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước hồ Suối Sải


-1-

MỞ ĐẦU
Quản lý vận hành công trình thủy lợi là một trong những vấn đề khoa
học quan trọng và không thể thiếu trong kỹ thuật tài nguyên nước, được đề
cập đến trong suốt quá trình quy hoạch, thiết kế và vận hành công trình phục
vụ quản lý khai thác tài nguyên nước.
Hồ chứa là loại công trình thủy lợi có công trình thủy công phức tạp và
với chế độ vận hành đặc thù là điều tiết dòng chảy tự nhiên (tích và tháo
nước) trong nhiệm vụ cấp nước và phòng chống lũ. Trong nhiều năm qua ở
Việt Nam nhiều công trình hồ chứa nước được xây dựng với mục tiêu cấp
nước phục vụ nông nghiệp, phát điện, sinh hoạt, du lịch ..., nhưng đại đa số
các hồ chứa được xây dựng đều chưa có sự nghiên cứu thỏa đáng về cả lý

thuyết lẫn thực tế để lập quy trình vận hành, nhất là với những hồ chứa vừa và
nhỏ phục vụ cấp nước cho nông nghiệp.
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật với đề tài “Ứng dụng phương pháp mô hình
toán nghiên cứu chế độ vận hành nâng cao hiệu quả quản lý, khai thác hồ chứa
cấp nước cho nông nghiệp khi không có dự báo nguồn nước” chọn đối tượng
nghiên cứu là loại công trình hồ chứa vừa và nhỏ phục vụ cấp nước cho nông
nghiệp với trạng thái không có dự báo nguồn nước. Nhằm nghiên cứu những
cơ sở khoa học trong việc thiết lập “quy trình vận hành” hồ chứa nước vừa và
nhỏ phục vụ nông nghiệp ở nước ta.
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Thực tế ở nước ta hiện nay có hàng trăm công trình hồ chứa vừa và nhỏ
được xây dựng phục vụ cấp nước cho nông nghiệp. Để nâng cao hiệu quả
trong quản lý khai thác nhiều công trình hồ chứa đã và đang sẽ được cải tạo
nâng cấp. Tuy vậy việc nâng cao hiệu qủa bằng những giải pháp trong quả lý
vận hành hồ chứa chưa được đề cập đến một cách khoa học, mặc dù đây là
một giải pháp có hiệu quả kinh tế rất cao trong khai thác tài nguyên nước.
Việc xây dựng chế độ vận hành cho một công trình thuỷ lợi nói chung và với


-2-

công trình hồ chứa nói riêng là vấn đề khoa học phức tạp bởi sự biến động
mạnh mẽ của nguồn nước và yêu cầu khai thác tài nguyên nước.
Luận văn bước đầu ứng dụng phương pháp hiện đại - Mô hình toán kết
hợp với các phương pháp truyền thống - Phân tích thống kê, cân bằng nước…
trong nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành cho công trình hồ chứa phục vụ
nông nghiệp, nhằm thu hoạch được sâu sắc hơn những kiến thức, phương
pháp khoa học về quản lý khai thác tài nguyên nước và tiếp cận với yêu cầu
thực tế ở nước ta.
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Về lý thuyết: Củng cố và nhận thức sâu sắc hơn kiến thức khoa học về
quản lý khai thác tài nguyên nước, mà trong đó tập trung vào bài toán kỹ thuật
quản lý vận hành công trình hồ chứa, nâng cao hiệu quả khai thác trong cấp
nước cho nông nghiệp. Biết và ứng dụng hiệu quả những phương pháp tính
toán mới, kết hợp những phương pháp truyền thống trong nghiên cứu về kỹ
thuật tài nguyên nước.
- Về thực tế: Tiếp cận bài toán nâng cao hiệu quả quản lý khai thác
trong vận hành công trình hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông nghiệp đặt ra
trong thực tế ở nước ta.
III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Cách tiếp cận
- Thu thập, phân tích đánh giá hiện trạng về quản lý khai thác của một
số công trình hồ chứa phục vụ nông nghiệp thuộc một số tỉnh miền núi và
trung du ở miền Bắc nước ta.
- Nghiên cứu xây dựng bài toán quản lý vận hành hồ chứa phục vụ cấp
nước cho nông nghiệp. Lựa chọn phương pháp quản lý vận hành với những
loại hồ chứa không có dự báo nguồn nước.
- Ứng dụng phương pháp mô hình toán, khôi phục dòng chảy đến công
trình hồ chứa (mô hình TANK). Tính toán cụ thể cho một số hồ.


-3-

- Xây dựng “Biểu đồ điều phối” hồ chứa và bước đầu thiết lập cơ sở
khoa học cho việc xây dựng “quy trình vận hành” hồ chứa phục vụ cấp nước
cho nông nghiệp.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra phân tích tổng hợp.
- Phương pháp mô hình tính toán khôi phục chuỗi dòng chảy tự nhiên
trên lưu vực.

- Phương pháp cân bằng nước.
- Phương pháp chuyên gia.
IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC:
- Hiểu biết sâu sắc, cụ thể bài toán quản lý vận hành hồ chứa phục vụ
cấp nước cho nông nghiệp.
- Sử dụng phương pháp mô hình tính toán kết hợp với các phương pháp
truyền thống trong việc xây dựng công cụ quản lý vận hành hồ chứa - “Biểu
đồ điều phối”.
- Thông qua những nghiên cứu, tính toán cụ thể cho một số hồ chứa ở
vùng trung du và miền núi miền Bắc, có những cơ sở khoa học trong nghiên
cứu về “quy trình vận hành công trình hồ chứa” nâng cao hiệu quả quản lý
khai thác tài nguyên nước.
V. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN:
Luận văn được hoàn thành với nội dung nghiên cứu trình bày trong 4
chương và phần mở đầu, kết luận.
Chương 1: Tổng quan về hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa
Chương 2: Quản lý, vận hành hồ chứa cấp nước nông nghiệp
Chương 3: Ứng dụng mô hình TANK khôi phục chuỗi dòng chảy đến hồ chứa
trong xây dựng đường tích và tháo nước hồ chứa phục vụ nông nghiệp
Chương 4: Cơ sở khoa học lập quy trình vận hành hồ chứa cấp nước phục vụ
nông nghiệp khi không có dự báo nguồn nước


-4-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU TIẾT
DÒNG CHẢY BẰNG HỒ CHỨA
1.1. HỒ CHỨA

1.1.1. Khái niệm hồ chứa nước
Hồ chứa nước là nơi tích nước trong mùa thừa nước và tháo phục vụ
cho yêu cầu cấp nước trong mùa thiếu nước. Hồ chứa có quy mô từ chục m3
cho đến hàng triệu m3 và lớn hơn. Hồ chứa không chỉ làm nhiệm vụ điều tiết
dòng chảy phục vụ vụ cấp nước, mà thường làm cả nhiệm vụ điều tiết phòng
chống lũ cho công trình và hạ du công trình. Trong thực tế người ta có thể
phân chia hồ chứa thành các dạng như sau.
Bể chứa nước kín: Bể chứa nước kín bằng kim loại, đá hoặc bê tông.
Loại này có thể đặt trên cao (các tháp nước), trên mặt đất hoặc ở dưới nước.
Bể chứa nước hở: loại này được xây dựng ngay trên mặt đất hoặc vừa
đào vừa đắp.
Hồ chứa được xây dựng ngay trên khe suối, trên sông bằng các đập
chắn ngang sông. Loại này thường có kích thước rất lớn với nhiệm vụ cấp
nước cho các ngành kinh tế như nông nghiệp, công nghiệp, du lịch ... và đồng
thời làm nhiệm vụ phòng chống lũ cho công trình cũng như hạ du công trình
hồ chứa.
1.1.2. Các công trình thủy công của hồ chứa
Các công trình thủy công chủ yếu của hồ chứa bao gồm: đập chắn
nước, công trình lấy nước và công trình tháo lũ.
- Đập chắn nước được xây dựng trên sông ở tuyến vào hoặc tuyến ra
làm nhiệm vụ dâng và tích nước trong các mùa thừa nước, bắt đầu cấp đủ
nước theo yêu cầu. Các đập chắc ở tuyến ra được xây dựng với mục đích tích


-5-

nước vào hồ, còn ở tuyến vào được xây dựng với mục đích điều tiết lượng
nước vào hồ, hoặc làm nhiệm vụ tích nước vào hồ nước phía trên nó. Đập
chắn nước có thể được xây dựng dạng đập đất, đập bê tông.
- Công trình lấy nước: Là các cống lấy nước được xây dựng với mục

đích lấy nước vào kênh dẫn đến các vùng được cấp nước, các khu tưới, các
vùng dân cư, nhà máy thủy điện v.v.. Cống lấy nước thường được xây dựng
ngay trong thân đập theo hình thức chảy có áp hay không áp.
- Công trình tháo lũ: Công trình tháo lũ có nhiệm vụ xả thừa lượng
nước trong mùa lũ đảm bảo an toàn cho công trình hoặc điều tiết phòng lũ cho
hạ lưu. Công trình tháo lũ có nhiều loại đó là đập tràn chảy tự do, cống ngầm,
xi phông với có cửa và không có cửa đóng mở hoặc hình thức kết hợp. Các
công trình tháo lũ có hai hình thức, loại có cửa đóng mở và loại không có cửa
đóng mở.
Các công trình lấy nước và tháo lũ cần được mô tả đầy đủ về hình thức
kết cấu, cao trình các ngưỡng, kích thước của nó, và chế độ làm việc của nó.
1.1.3. Đặc trưng địa hình hồ chứa
Đặc trưng địa hình của hồ chứa nước là các quan hệ giữa diện tích mặt
thoáng của hồ (F, km2) dung tích của hồ chứa nước (V, m3), chiều sâu bình
quân của nước trong hồ (h,m) với cao trình mực nước trong hồ (Z, m). Trong
đó mực nước mặt hồ Z là cao trình mực nước hồ so với mặt chuẩn qui ước.
Đặc trưng địa hình hồ chứa trong thực tế được xác định dưới dạng bảng
hoặc đồ thị. Việc xác định đặc trưng địa hình hồ chứa dựa vào việc đo đạc
bản đồ địa hình.
Dựa vào bản đồ địa hình, diện tích mặt hồ tương ứng với các mực nước
theo biểu đồ trên việc xác định dung tích khống chế giữa hai đường đồng mức
kề nhau được tính theo công thức:
∆V = 1/2 ( Fi + Fi+1) H


-6-

hoặc

∆V = 1/3 ( Fi + Fi Fi +1 + Fi +1 )∆H

Trong đó ∆H là chênh lệch cao độ giữa hai đường đồng mức i và i +1
Ta có đường quan hệ V = f(z)
Cũng từ bản đồ địa hình xác định diện tích mặt hồ ứng với các cao trình
khác nhau ta sẽ xây dựng được đường F = f(z).
Với đường h cp = f(z) dùng công thức h = Z – Zd’
trong đó Zd là cao trình bình quân của đáy hồ so với mặt chuẩn qui ước
Dưới đây xin giới thiệu một biểu đồ đặc trưng của hồ chứa xem hình (1.1).

Hình 1.1. Biểu đồ đặc trưng địa hình của hồ chứa nước
1.2. ĐIỀU TIẾT CẤP NƯỚC CỦA HỒ CHỨA

1.2.1. Khái niệm điều tiết cấp nước
Điều tiết cấp nước được hiểu đó là quá trình tích và tháo nước của hồ
chứa, nhằm khống chế sự thay đổi tự nhiên của dòng chảy sông ngòi cho phù


-7-

hợp với các yêu cẩu về dùng nước, sử dụng và phòng chống lũ lụt của con
người. Hồ chứa là hệ thống quan trọng nhất trong hệ thống các công trình
điều tiết , nó có khả năng thay đổi sâu sắc về nguồn nước theo thời gian và
không gian.
1.2.2. Phân loại và đặc điểm điều tiết cấp nước
Có nhiều cách phân loại điều tiết dòng chảy, nhưng thường đối với các
hồ chứa vừa và lớn và đặc biệt là các hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông
nghiệp thì người ta dựa vào chu kỳ, tức là dựa vào khoảng thời gian tích và
tháo nước để phân loại. Với căn cứ này tức là dựa vào chu kỳ điều tiết để
phân loại khi trong thực tế, điều tiết cấp nước được phân thành các loại như sau.
- Điều tiết ngày đêm là loại điều tiết mà chu kỳ tích và tháo nước của

nó cùa nó bằng ngày đêm (24h). Loại này thường phục vụ nước cho sinh hoạt,
phát điện khi mà yêu cầu về nước trong một ngày không đồng đều.
- Điều tiết tuần là điều tiết cho chu kỳ của nó là (7 ngày) nhằm giải
quyết tình trạng thiếu nước trong những ngày nghỉ trong tuần.
- Điều tiết năm là điều tiết nhằm tích nước trong cả tháng thừa nước
mùa lũ và tháo dùng nước trong các tháng mùa kiệt. Chu kỳ điều tiết là 12
tháng với tháng bắt đầu là tháng đầu tiên của mùa lũ và cuối cùng là tháng
thiếu nước cuối mùa kiệt năm sau. Mục đích điều tiết mùa là trữ lại lượng
nước thừa trong mùa lũ để cung cấp cho thời kỳ mùa kiệt.
- Điều tiết nhiều năm là hình thức điều tiết nhằm tích nước của những
năm thừa nước liên tục và cấp nước cho những năm thiếu nước liên tục. Chu
kỳ điều tiết là n≥2 năm.
Việc phân loại và đánh giá đặc điểm cấp nước của các hồ trên đây cho
thấy, với các công trình hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp thường ở dạng
điều tiết năm và điều tiết nhiều năm, với chu kỳ điều tiết của hồ là một năm
hoặc nhiều năm, trong đó bao gồm nhóm các năm thừa nước và nhóm các


-8-

năm thiếu nước liên tục. Việc phân định hồ chứa điều tiết năm và nhiều năm
trong thực tế của công tác quy hoạch, thiết kế, quản lý khai thác tài nguyên
nước với công trình cấp nước là hồ chứa được xác định bằng chỉ tiêu khi so
sánh lượng nước đến hồ chứa trong năm (W Q , m3) và lượng nước dùng (cho
tưới trong năm, W q , m3). Một cách cụ thể trong năm thiết kế.
Nếu W q < W Q,P

hồ chứa đó sẽ có chu kỳ điều tiết năm.

Nếu Wq ≥ W Q,P

hồ chứa đó sẽ có chu kỳ điều tiết nhiều năm.

Việc quản lý vận hành hồ chứa rất phụ thuộc vào hình thức điều tiết
của hồ, bởi với hồ chứa điều tiết nhiều năm dung tích của hồ chứa bao gồm
không chỉ một thành phần dung tích để điều tiết nước các mùa trong năm mà
cần thiết có cả phần dung tích điều tiết giữa các năm lớn nhỏ với nhau.


-9-

CHƯƠNG 2
QUẢN LÝ, VẬN HÀNH HỒ CHỨA
CẤP NƯỚC NÔNG NGHIỆP

2.1. BIỂU ĐỒ ĐIỀU PHỐI

Quản lý vận hành hồ chứa, hệ thống hồ chứa phục vụ cho cấp nước là
quá trình tích và tháo nước của hồ chứa, hệ thống hồ chứa hợp lý nhất nhằm
bảo đảm hiệu quả tối ưu cho quá trình cấp nước. Thực tế hiện nay tùy theo
vào khả năng có hoặc không có dự báo thủy văn mà người ta có thể sử dụng
các phương pháp khác nhau trong tính toán thiết lập cũng như vận hành quá
trình tích và tháo nước của hồ. Với hồ chứa và hệ thống các hồ chứa ở Việt
Nam nói chung, ở các vùng đồi núi nói riêng nhất là các hồ chứa phục vụ cho
nông nghiệp, cơ sở vật chất kỹ thuật hạ tầng chưa cho phép người quản lý dự
báo được nguồn nước đến tự nhiên một cách chính xác, nhất là dự báo thời
đoạn dài. Bởi vậy việc sử dụng các mô hình vật lý - toán để quản lý vận hành
hồ là chưa thể thực hiện được. Trong khi đó sử dụng biểu đồ điều phối cho
việc quản lý vận hành hồ chứa phục vụ cấp nước nói chung và cho nông
nghiệp nói riêng có những điều kiện khả thi. Luận văn đã nghiên cứu ứng

dụng phương thức vận hành bằng biểu đồ điều phối cho bài toán thực tế của
hệ thống hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải bảo đảm cấp nước cho vùng
tưới của 2.268 ha đất canh tác toàn hệ thống.
Việc xác định được dung tích hồ thông qua việc tính điều tiết dòng
chảy năm thiết kế, đó chỉ là một trạng thái trong vô số những trạng thái khác
nhau có thể xảy ra của dòng chảy năm trong thực tế, trong giai đoạn vận hành
kho nước, quy luật tích nước vào kho V= V(t) chỉ đúng cho năm có khối
lượng dòng chảy giống hệt dòng chảy năm thiết kế, trong thực tế dòng chảy


-10-

năm và dạng phân phối của nó có thể là bất kỳ. Vì vậy vấn đề đặt ra cho
người quản lý vận hành hồ chứa nước như thế nào để mang lại hiệu quả lớn
nhất khi khai thác hồ chứa.
Thực tế có thể xảy ra hồ chứa cấp nước phục vụ nông nghiệp thường có
quy mô vừa và nhỏ, đặc biệt hầu như không có dự báo nguồn nước, bởi vậy
việc quản lý vận hành hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp được xây dựng trên
cơ sở của biểu đồ điều phối.
2.1.1. Khái niệm điều phối hồ chứa
Điều phối hồ chứa được hiểu là toàn bộ công việc nhằm điều khiển quá
trình tích và tháo nước của hồ để phục vụ cho nhu cầu dùng nước, sử dụng
nước và phòng chống lũ trong suốt thời gian hoạt động của công trình.
Việc tích nước hồ chứa trong thực tế có thể thực hiện bằng công tác
tích sớm hoặc tích muộn, thường người quản lý công trình hồ chứa chọn giải
pháp tích sớm nhất để đảm bảo an toàn cho nhiệm vụ cấp nước hồ chứa. Với
những hồ chứa có dự báo nguồn nước đến người ta có thể lập điều phối tích
nước muộn nhất hoặc là thời gian bất kỳ trong mùa thừa nước.
Với công tác điều phối phòng lũ, việc tích lũ và tháo lũ cũng được
hoạch định tùy theo hồ chứa có dự báo hoặc không có dự báo nguồn nước. Có

nhiều công cụ để điều phối hồ chứa nhưng trong thực tế hiện nay người ta
thường dùng biểu đồ điều phối để quản lý vận hành nhất là việc tích, tháo
nước của hồ chứa dùng phục vụ nông nghiệp, cũng như tích tháo lũ bảo đảm
an toàn cho công trình.
2.1.2. Cấu tạo biểu đồ điều phối hồ chứa
Các hồ chứa có chế độ điều tiết khác nhau thì biểu đồ điều phối khác
nhau nhưng nguyên tắc chung để xây dựng biểu đồ điều phối là giải các bài
toán điều tiết dòng chảy cấp nước và phòng lũ. Cấu tạo của biểu đồ điều phối


-11-

hồ chứa bao gồm các đường điều phối và các vùng điều phối. Với điều phối
cấp nước các đường và các vùng điều phối được xác định và sử dụng như sau.
- Đường điều phối được định nghĩa là các đường tích và tháo nước của
hồ chứa trong quá trình hoạt động của công trình bao gồm đường điều phối
phòng lũ; đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước.
- Vùng điều phối (khu điều phối) được hiểu đó là các vùng được giới
hạn bởi các đường điều phối bao gồm vùng xả lũ bất bình thường; vùng xả lũ
bình thường; vùng cấp nước ra tăng; vùng cấp nước bình thường và vùng hạn
chế cấp nước.
Biểu đồ điều phối xây dựng trên mặt phẳng toạ độ (V,t) các đường
cong V=V(t) chia mặt phẳng tọa độ (v,t) ra các vùng xem hình (2.1), với mỗi
một vùng đó phản ánh tính chất và khả năng cấp nước hoặc phòng lũ cho hồ
chứa, tại một thời điểm vận hành t bất kỳ, trạng thái hồ chứa sẽ rơi vào một
vùng nào đó trên biểu đồ, người quản lý sẽ dựa vào đó để ra quyết định về
quá trình tích hoặc tháo nước cho hồ chứa.
Các thành phần trong biểu đồ điều phối cấp nước với trục hoành là trục
thời gian thời đoạn là tháng, trục tung phía bên trái là dung tích được xác định
từ dung tích chết V c đến dung tích ứng với mực nước dâng bình thường, tức

là phần dung tích hiệu dụng của hồ chứa, phía bên phải là mực nước trong
kho nước từ mực nước chết H c đến cao trình mực nước dâng bình thường.
Các đường của biểu đồ điểu phối cấp nước được trình bày trong hình
(2.1) dưới đây.
Các đường cong phân chia các vùng trên mặt phẳng toạ độ (V,t) có tên
gọi như sau:
- Đường (1) gọi là đường hạn chế cấp nước, vì nếu toạ độ (V,t) nằm
dưới đường này thì cần hạn chế cấp nước để khỏi gây ra hiện tượng thiếu


-12-

nước nghiêm trọng ở những đoạn còn lại của thời kỳ vận hành, tức là chế độ
làm việc của kho nước chắc chắn không bị phá hoại.
V(m )
3

H®®
F
K

Hsc

3

Hbt
B

E

Vkh

A1
2

Ztl
I

H

1

A

Vh

B1
C
C1

Vc

t0

t2

t®

tc

t1

Hc

t(th¸ng)

Hình 2.1: Biểu đồ điều phối hồ chứa
Ghi chú:
Vùng F: Vùng xả lũ bất bình thường

Đường 3: đường phòng lũ

Vùng E: Vùng xả lũ bình thường

Đường 2: Đường Phòng phá hoại

Vùng A: Vùng cấp nước gia tăng

Đường 1: Đường hạn chế cấp

Vùng B: Vùng cấp nước bình thường
Vùng C: Vùng hạn chế cấp nước


-13-

- Đường (2) là đường phòng phá hoại vì chỉ khi nào toạ độ (V 1 , t 1 ) nằm
trên đường này mới cho phép gia tăng cấp nước mà vẫn có thể cấp nước theo
lưu lượng thiết kế ở nhừng thời đoạn còn lại của thời kỳ vận hành, tức là chế
độ làm việc của kho nước chắc chắn không bị phá hoại.

Biểu đồ điều phối có xét đến việc quản lý vận hành phòng chống lũ thì
cấu tạo của biểu đồ có thêm đường điều phối phòng lũ, được xây dựng cho
phần dung tích phòng lũ của hồ chứa và nếu như hồ chứa có dung tích phòng
lũ kết hợp thì đường điều phối phòng lũ được xây dựng có phần dung tích
hiệu dụng. Phần dung tích đó được gọi là dung tích kết hợp.
- Với đường (3) gọi là đường điều phối phòng lũ, nó bao gồm 2 đoạn từ
t 0 đến t đ và từ đoạn t đ đến t c. Đoạn từ t 0 đến t c là đoạn nằm ngang HI tương
ứng với mực nước trước lũ Z n . Trong thời gian này, kho nước phải bỏ trống
một dung tích bằng (V kh + V sc ) trong đó V kh là dung tích kết hợp, trong suốt
thời gian t 0 đến t đ khi mực nước trong kho vựơt mức nước trước lũ, phải lập
tức đưa về Z tl để có dung tích bỏ trống đón lũ lớn, đoạn từ t đ đến t c là đường
cong điều tiết phòng lũ, tức là đường tích nước vào kho khi có lũ lớn, cho đến
điểm t c thì lưu lượng xả sẽ lớn nhất tương ứng với mực nước siêu cao. Như
vậy đoạn từ t đ đến t c được xác định bằng tính toán điều tiết lũ đối với lũ thiết
kế. Điểm t c là điểm kết thúc của thời kỳ trữ lũ, sau đó có thể tích nước theo
đường cong (2).
Mặt phẳng toạ độ (V,t) được chia thành 5 vùng A, B, C, E, F với các
tính chất tương ứng như sau:
- Vùng B là vùng cấp nước bình thường, tại thời điểm t 1 nào đó, dung
tích kho nước là V 1 tương ứng điểm B 1 (V 1 , t) rơi vào vùng B thì kho nước
cấp bình thường, tức là kho nước có thể cấp nước ở thời đoạn tiếp theo sau đó
bằng lưu lượng thiết kế q = q tk .


-14-

- Vùng C là vùng hạn chế cấp nước nằm giữa đường (1) và hoành độ.
Nếu tại thời điểm t 1 , toạ độ (V 1 , t 1 ) tương ứng với điểm C 1 rơi vào vùng C thì
thời đoạn tiếp theo đó phải hạn chế cấp nước với lưu lượng nhỏ hơn lưu
lượng thiết kế q

B để tình trạng thiếu nước nghiêm trọng không xẩy ra ở nhừng thời đoạn tiếp theo.
- Vùng A là vùng cấp nước gia tăng nằm giữa đường (2), đường (3) và
đường thẳng ngang với H sc . Tại thời điểm t 1 nếu toạ độ (V 1 t 1 ) tương ứng với
điểm A 1 rơi vào vùng A, kho nước có thể cấp được một lưu lượng lớn hơn lưu
lượng thiết kế q>q tk , mà kho nước vẫn có thể cấp nước bình thường cho
nhừng giai đoạn còn lại của thời kỳ vận hành.
- Vùng E là vùng giới hạn giữa đường cong (3) và đường thẳng ngang
tương ứng với mực nước siêu cao H sc . Đây là vùng xả lũ bình thường, giả sử
tại thời điểm t 2 , nếu toạ độ (V 2 , t 2 ) tương ứng với điểm E 2 rơi vào vùng E,
thì kho nước phải xả lũ, đưa toạ độ (V 2 , t 2 ) về đường cong (3) để đảm bảo yêu
cầu phòng lũ cho hạ du và an toàn cho công trình kho nước. Vì mực nước
trong kho vẫn nằm dưới H sc , nên quá trình xả lũ tiến hành theo trạng thái thiết
kế (q xả = t) tk , bởi vậy gọi là vùng xả lũ bình thường.
- Vùng F là vùng giới hạn giữa hai mực nước siêu cao H sc và mực nước
lũ H max , gọi là vùng lũ xả không bình thường, nếu tại t 2 toạ độ (V 2 , t 2 ) tương
ứng với điểm F 2 nằm trên mực nước siêu cao, bởi vậy quy trình xả lũ thiết kế
bị phá huỷ, cần tìm mọi cách xả lượng lũ chứa trong kho để đưa tọa độ (V 2,
t 2 ) về vùng xả lũ bình thường E.
2.2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ ĐIỀU PHỐI CẤP NƯỚC
TRONG QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỒ CHỨA PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP

Biểu đồ điều phối phục vụ cấp nước nói chung và phục vụ cấp nước
nông nghiệp nói riêng đều được xây dựng trên tọa độ phẳng, quan hệ giữa
trục tung là dung tích hồ chứa V i (m3) kể từ dung tích chết V c đến dung tích


-15-

ứng với mực nước dâng bình thường V h (tương ứng từ mực nước chết đến
mực nước dâng bình thường của hồ chứa), còn trục hoành là thời gian, bắt đầu

từ thời điểm tích nước và kết thúc vào thời điểm cuối mùa cấp nước. Bởi vậy
biểu đồ điều phối cho hồ chứa cấp nước có hai đường đó là đường phòng phá
hoại, đường hạn chế cấp nước và tương ứng với ba vùng đó là vùng hạn chế
cấp nước, vùng cấp nước bình thường, vùng cấp nước gia tăng.
2.2.1. Phương pháp xây dựng
Việc xây dựng biểu đồ điều phối cho hồ chứa điều tiết mùa ta phải xây
dưng trên cơ sở vẽ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước, đường
phòng tháo thừa và đường phòng lũ. Trong luận văn chỉ nghiên cứu biểu đồ
điều phối cho hồ chứa cấp nước do vậy dưới đây em xin giới thiệu cách xây
dựng biểu đồ điều phối bằng việc vẽ đường phòng phá hoại và đường hạn chế
cấp nước.
Biểu đồ điều phối được xây dựng như như hình (2.1), trong đó đường
phòng phá hoại hoại (2) và đường hạn chế cấp nước (1) là giới hạn trên và
dưới của vùng cấp nước bình thường B, tức là vùng cấp nước tương ứng với
những năm có dòng chảy năm bằng dòng chảy năm thiết kế nhưng dạng phân
phối của chúng là không giống nhau. Đối với những năm này quy luật tính
nước V= V(t) sẽ tương ứng với lưu lượng cấp nước bình thường q=q tk
trong đó q tk

(t)

(t)

,

là quá trình cấp nước theo thiết kế. Đối với những năm như

vậy, nếu tính toán điều tiết theo yêu cầu cấp nước q= q tk (t), sẽ được tập chung
các đường V= V(t) nằm trong giới hạn của đường (1) và (2). Bởi vậy phương
pháp vẽ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước được tiến hành

theo những bước sau.
- Chọn các năm có lượng dòng chảy xấp xỉ hoặc nhỏ hơn lượng dòng
chảy năm thiết kế. Hiệu chỉnh phân phối của dòng chảy năm đó sao cho tổng


-16-

lượng sau khi hiệu chỉnh bằng tổng lượng dòng chảy năm thiết kế. Hệ số hiệu
chỉnh được xác định theo tỷ lệ.
Kc =

Wp
Wc

Trong đó: W p ,W c là lượng dòng chảy năm tương ứng với năm thiết kế
và năm chọn.
Phân phối dòng chảy của năm chọn được tính theo công thức
W T = Kc x WCT
Trong đó:
W CT là tổng lượng dòng chảy tháng của năm chọn;
WT là tổng lượng dòng chảy tháng tương ứng sau khi đã hiệu
chỉnh.
- Theo tài liệu dòng chảy năm của những năm đã chọn, sau khi đã hiệu
chỉnh tiến hành tính toán điều tiết ngược từ thời điểm cuối cùng của thời kỳ
cấp nước (xem hình 2.2), sẽ được đường quá trình tích nước V(t). Trên hình
(2.2), tại thời điểm t o có V(t o ) = 0, tại thời điểm t 1 có:
V(t 1 ) = V(t o ) + ∆V 1
Trong đó: ∆V 1 = (q - Q )∆t.
Với q và Q tương ứng là giá trị bình quân trong thời đoạn ∆t của lưu
lượng cấp nước q và lưu lượng đến Q. Dung tích V(t 1 ) là dung tích cần có ở

thời điểm t 1 , để cho đến thời điểm t o dung tích đạt giá trị V(t) = V(t o ) = 0 khi
kho nước phải cấp nước với lưu lượng thiết kế q.
Tương tự như vậy nếu lấy một thời điểm t 2 bất kỳ (với t 2 > t 1 theo
chiều ngược lại sẽ có dung tích V(t) = V(t 2 ).
V(t 2 ) = V(t 1 ) + ∆V 2
Trong đó: V(t 2 ) là dung tích kho nước cần phải có ở thời điểm t 2 để
đến thời điểm t 1 dung tích kho là V(t 1 ) với lưu lượng cấp nước q. Cứ làm như


-17-

vậy cho đến khi đạt thời điểm đầu tiên của thời kỳ cấp nước. Trong trường
hợp khi V(t i ) ≥ V h , tức là dung tích tính toán ở thời điểm t i vượt dung tích
hiệu dụng lấy V(t i ) = V h , lượng nước thừa sẽ xả thừa xuống hạ lưu (vì kho đã
đầy).
q

Q

(Q~t)

(-)

V(t)

V(t1)

(q~t)

(+)

t

t

t1

t0

t

Hình 2.2: Nguyên tắc tính toán điều tiết khi xây dựng biểu đồ điều phối
⇐ : Chiều tính toán (ngược chiều thời gian)

Sở dĩ phải tính toán theo chiều ngược từ điểm cuối cùng của thời kỳ
cấp nước vì rằng thời gian cuối của thời kỳ thiếu nước là thời kỳ cấp nước
khẩn trương, biểu đồ điều phối xây dựng theo cách này sẽ đảm bảo an toàn về
mặt cấp nước cho cả thời kỳ cấp nước.
- Tương ứng với mỗi một năm, sẽ có một đường tích nước Vj = Vj(t)
với j= 1,N; N là số năm đã lựa chọn xác định được nhờ các đường tích và tháo
nước đã thực hiện tính toán điều tiết ở bước trên xem trong hình (2.3). Trên
cơ sở của các đường tích tháo nước, vẽ hai đường bao trên và bao dưới của họ
đường cong sẽ được vùng cấp nước bình thường B và hai đường phòng phá


-18-

hoại (đường bao trên) và đường hạn chế cấp nước (đường bao dưới). Vùng
nằm giữa trục hoành và đường bao dưới là vùng cấp nước hạn chế C.
V
3

3
(10 m )

Hbt
§­êng bao
ngoµi

B

A

A

C

§­êng bao trong

0
I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

t(th¸ng)

Hình 2.3: Xác định đường phòng phá hoại và
đường hạn chế cấp nước theo đường bao
2.2.2. Sử dụng biểu đồ điều phối xây dựng chế độ vận hành hồ chứa
Quản lý hồ chứa bao gồm quản lý công trình hồ chứa nước, quản lý
nước và quản lý kinh tế. Quản lý nước là sự thiết lập một chế độ phân phối
nước hợp lý cho hồ chứa. Trong quá trình vận hành cần điều khiển hoạt động
của hồ chứa sao cho đạt được chế độ làm việc hợp lý đã vạch ra. Công việc ấy
gọi là điều khiển hồ chứa. Khi điều khiển hồ chứa theo chế độ làm việc đã
vạch ra, cần thoả mãn các rằng buộc về kỹ thuật, kinh tế và môi trường, trong
luận văn này sẽ không đi sâu vào viêc thiết lập các rằng buộc đó mà chỉ giới