Nghiên cứu cơ sở khoa học điều hành liên hồ chứa chống lũ lưu vực sông ba

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Việt

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC
ĐIỀU HÀNH LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ
LƯU VỰC SÔNG BA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC

HÀ NỘI, 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Việt

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC
ĐIỀU HÀNH LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ
LƯU VỰC SÔNG BA

Chuyên ngành: Thủy văn học
Mã số: 62440224

LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1: PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải
2: PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang

HÀ NỘI, 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các kết
quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và
chưa từng bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu,
các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc theo
quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Việt


LỜI CÁM ƠN

Luận án được thực hiện tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương
học thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải và
PGS.TS Nguyễn Tiền Giang là các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin
chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả các công trình nghiên cứu
đã công bố mà tác giả đã trích dẫn trong luận án, cùng các bạn bè, đồng
nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình tác giả thu thập và sử lý tài
liệu phục vụ nghiên cứu.
Tác giả trân trọng cám ơn PGS. TS. Nguyễn Thanh Sơn, PGS.TS.
Trần Ngọc Anh, các Thầy, Cô giáo Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải
dương học, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học đã giúp đỡ, tạo mọi điều

kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin chân thành cám ơn cơ quan, gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã hết lòng giúp đỡ, động viên giúp nghiên cứu sinh hoàn thành
luận án.


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH
VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA ............................................................................ 5
1.1

Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới .................................... 5

1.1.1

Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữa các hồ ........................................... 5

1.1.2

Phương pháp tối ưu hoá ........................................................................................ 7

1.1.3

Phương pháp mô phỏng ........................................................................................ 9

1.1.4

Kết hợp phương pháp mô phỏng với tối ưu ........................................................ 10

1.1.5

Ứng dụng Logic mờ trong vận hành hồ chứa ..................................................... 11

1.2

Tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa ở Việt Nam .................................................. 13

1.2.1

Các nghiên cứu trên toàn quốc ............................................................................ 13

1.2.2

Các nghiên cứu trên lưu vực sông Ba ................................................................. 15

1.2.3

Công nghệ dự báo hỗ trợ vận hành ..................................................................... 19

1.2.4

Quá trình phát triển Quy trình vận hành hệ thống hồ chứa sông Ba ................... 21

1.3

Hướng tiếp cận nghiên cứu .......................................................................................... 24

1.4

Kết luận chương 1 ........................................................................................................ 25

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THIẾT LẬP BÀI TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ
CHỨA CHỐNG LŨ HẠ DU THEO LOGIC MỜ ................................................................... 27
2.1

Lý thuyết mờ ................................................................................................................ 27

2.1.1

Tập mờ ................................................................................................................ 27

2.1.2

Lôgic mờ ............................................................................................................. 30

2.1.3

Bộ điều khiển mờ ................................................................................................ 33

2.1.4

Logic mờ trong Matlab ....................................................................................... 37

2.2

Phương pháp diễn toán Muskingum-Cunge ................................................................ 38

2.2.1

Phương pháp diễn toán Muskingum ................................................................... 38

i


2.2.2

Phương pháp diễn toán Muskingum-Cunge........................................................ 41

2.3

Thiết lập bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du.............................. 43

2.4

Thiết lập Mô hình mô phỏng điều tiết và truyền lũ trên hệ thống sông....................... 44

2.4.1

Vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa ....................................................................... 45

2.4.2

Diễn toán dòng chảy lũ trên các đoạn sông......................................................... 50

2.4.3

Các hàm hỗ trợ tính toán ..................................................................................... 51

2.5

Kết luận Chương 2 ....................................................................................................... 51

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA
CHỐNG LŨ LƯU VỰC SÔNG BA ........................................................................................ 52
3.1

Hiện trạng lưu vực sông Ba và hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực ............................. 52

3.1.1

Đặc điểm tự nhiên ............................................................................................... 52

3.1.2

Đặc điểm mùa mưa lưu vực sông Ba .................................................................. 54

3.1.3

Đặc điểm lũ lưu vực sông Ba .............................................................................. 56

3.1.4

Các hồ chứa lớn và khả năng tham gia chống lũ ................................................ 61

3.2 Ứng dụng Logic mờ xây dựng mô hình vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ

lưu vực sông Ba .................................................................................................................... 64
3.2.1

Sơ đồ hóa và mô phỏng hệ thống ........................................................................ 64

3.2.2

Tài liệu thủy văn, địa hình................................................................................... 69

3.2.3

Thiết lập các hàm liên thuộc, hệ luật mờ ............................................................ 73

3.2.4

Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ....................................................................... 79

3.3

Kết quả tính toán phối hợp vận hành hệ thống liên hồ ................................................ 83

3.3.1

Vận hành hạ mực nước hồ để đón lũ................................................................... 83

3.3.2

Vận hành giảm lũ cho hạ du ................................................................................ 90

3.3.3

Vận hành đưa mực nước hồ về mực nước cao nhất trước lũ ............................ 102

3.4

Kết luận Chương 3 ..................................................................................................... 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 106
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN .............................................................................................................................. 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 110
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 117

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Cao trình mực nước đón lũ của các hồ theo quy trình 1757 ............................... 22
Bảng 1.2: Cao trình mực nước cao nhất trước lũ, mực nước đón lũ của các hồ theo quy
trình 1077 ............................................................................................................................. 23
Bảng 3.1: Lượng mưa lớn nhất ngày tại khu vực Tây Trường Sơn và trung gian ............... 55
Bảng 3.2: Lượng mưa lớn nhất ngày tại các trạm Khu vực Đông Trường Sơn .................. 55
Bảng 3.3 :Thời gian xuất hiện đỉnh lũ lớn nhất tại các trạm thủy văn ................................. 57
Bảng 3.4 : Đỉnh lũ lớn nhất đã quan trắc được tại các trạm thuỷ văn.................................. 58
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa ........................................................ 62
Bảng 3.6: Dung tích ứng với các thông số mực nước.......................................................... 64
Bảng 3.7 : Tần suất và lưu lượng đỉnh lũ tại các tuyến ....................................................... 69
Bảng 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đến hồ Kanak ........................................ 73
Bảng 3.9: Các hàm liên thuộc biến Mực nước hồ Kanak, TV An Khê ............................... 74
Bảng 3.10 : Các luật mờ điều hành lưu lượng qua hồ chứa................................................. 77

Bảng 3.11: Đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình ................................................................ 81
Bảng 3.12: Đánh giá kết quả kiểm định mô hình ................................................................ 83
Bảng 3.13: Các trường hợp tính toán điều hành xả hồ Kanak ............................................. 84
Bảng 3.14: Kết quả tính vận hành giai đoạn hạ mực nước hồ Kanak để đón lũ.................. 87
Bảng 3.15: Kết quả tính so sánh hiệu quả giữa trường hợp vận hành (3) và (1) ................. 89
Bảng 3.16: Kết quả tính so sánh hiệu quả giữa trường hợp vận hành (3) và (2) ................. 89
Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả tính vận hành giảm lũ cho hạ du ........................................ 100
Bảng 3.18: Dung tích lũ đến, xả lũ của các hồ. ................................................................. 101

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hệ thống hồ chứa bậc thang .................................................................................. 5
Hình 1.2: Hệ thống hồ chứa song song .................................................................................. 5
Hình 1.3: Sơ đồ hướng tiếp cận nghiên cứu ........................................................................ 25
Hình 2.1 : Một số dạng hàm liên thuộc A(x). ..................................................................... 28
Hình 2.2 : Sơ họa các tập mờ cho giá trị ngôn ngữ nhiệt độ nước T. .................................. 30
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của Bộ điều khiển mờ ................................................................ 33
Hình 2.4: Dung tích hình lăng trụ và dung tích hình nêm ................................................... 38
Hình 2.5: Vùng giới hạn cho các tham số theo muskingum ................................................ 40
Hình 2.6: Minh họa dòng chảy cơ sở ................................................................................... 43
Hình 2.7: Sơ đồ tổng quát mô hình điều tiết và truyền lũ trên hệ thống sông ..................... 45
Hình 2.8: Các biến mờ hóa trong bộ điều khiển mờ ............................................................ 46
Hình 2.9: Hàm liên thuộc cho biến đầu vào ........................................................................ 47
Hình 2.10: Hệ thống các luật vận hành hồ chứa .................................................................. 49
Hình 3.1: Bản đồ lưu vực sông Ba ....................................................................................... 53
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống hồ chứa, khu giữa lưu vực sông Ba ............................................ 65
Hình 3.3 : Sơ đồ khối tính toán vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ ................................. 68
Hình 3.4: Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tại An Khê ..................................................... 72

Hình 3.5: Quan hệ Lưu lượng-Mực nước lũ tại Ayun Pa .................................................... 72
Hình 3.6: Quan hệ Lưu lượng lũ tại Củng Sơn và Mực nước tại Phú Lâm ......................... 73
Hình 3.7: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng lũ đến (Qden) ............................................. 75
Hình 3.8: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước hồ (Hho)............................................... 75
Hình 3.9: Các hàm liên thuộc cho biến Mực nước khống chế hạ du (Hankhe) ................... 76
Hình 3.10: Các hàm liên thuộc cho biến Lượng xả qua hồ (Qxả) ....................................... 76
Hình 3.11: Hệ thống các luật vận hành hồ chứa .................................................................. 78
Hình 3.12: Đường quá trình lưu lượng tại An Khê - trận lũ tháng X/1993 ......................... 79
Hình 3.13: Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn - trận lũ tháng X/1993 ...................... 80
Hình 3.14: Đường quá trình mực nước tại Ayun Pa - trận lũ tháng X/1993 ....................... 80
Hình 3.15: Đường quá trình mực nước tại Phú Lâm - trận lũ tháng X/1993 ....................... 80
iv


Hình 3.16: Đường quá trình lưu lượng tại An Khê - trận lũ tháng XI/1988 ........................ 81
Hình 3.17: Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn - trận lũ tháng XI/1988 .................... 82
Hình 3.18: Đường quá trình mực nước tại Ayun Pa - trận lũ tháng XI/1988 ...................... 82
Hình 3.19: Đường quá trình mực nước tại Phú Lâm - trận lũ tháng XI/1988 ..................... 82
Hình 3.20 : Kết quả điều tiết hồ Kanak với trận lũ XI/1981 - Lũ thực đo ........................... 85
Hình 3.21: Điều tiết hồ Kanak với trận lũ X/1993 - Không hạ MN hồ đón lũ. ................... 85
Hình 3.22: Diễn biến mực nước tại trạm TV An Khê với trận lũ XI/2013 ......................... 97
Hình 3.23: Diễn biến mực nước tại trạm TV Phú Lâm với trận lũ XI/2013 ....................... 98

v


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

BĐ I

Báo động I

BĐ II

Báo động II

BĐ III

Báo động III

DP

Quy hoạch động - Dynamics Programming

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

FIS

Hệ thống suy luận mờ - Fuzzy Inference System

FLC

Bộ điều khiển mờ - Fuzzy Logic Controller

GA

Thuật toán di truyền - Genetic Algorithms

LP

Quy hoạch tuyến tính - Linear Programming

LVS

Lưu vực sông

MF

Hàm liên thuộc, hàm thành viên - Membership Function

MNC

Mực nước chết

MNCNTL

Mực nước cao nhất trước lũ

MNDBT

Mực nước dâng bình thường

MNĐL

Mực nước đón lũ

MOEA

Thuật toán tiến hóa đa mục tiêu- Multiobjective Evolutionary
Algorithm

NLP

Quy hoạch phi tuyến - Nonlinear Programming

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

QTVH

Quy trình vận hành

SDP

Quy hoạch động ngẫu nhiên- Stochastics Dynamics Programming

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

vi


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án
Những năm gần đây, việc lập quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa
chống lũ cho hạ du được đặc biệt quan tâm, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định
số 1879/QĐ-TTg ngày 13/10/2010 phê duyệt danh mục các hồ thủy lợi, thủy điện
trên lưu vực sông phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa, trong đó có lưu
vực sông Ba. Bộ Tài nguyên và Môi trường được giao chủ trì xây dựng các Quy
trình vận hành liên hồ chứa, trình duyệt theo quy định.
Đối với lưu vực sông Ba, Thủ tướng Chính phủ đã có các Quyết định số
1757/QĐ-TTg ngày 23/9/2010 ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa các hồ
Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông H’Năng, Ayun Hạ và An Khê-Ka Nak trong mùa lũ
hàng năm” (Quy trình 1757), Quyết định số 1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014 ban
hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba” (Quy trình 1077),
Quyết định số 282/QĐ-TTg ngày 01/3/2017 về sửa đổi, bổ sung một số điều của
Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba. Tuy nhiên, Quyết định số
282/QĐ-TTg chỉ sửa đổi, bổ sung một số nội dung: vận hành duy trì dòng chảy sau
đập An Khê trong mùa lũ khi không tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du; vận hành
duy trì dòng chảy sau đập An Khê và sông Hinh trong mùa cạn. Vì vậy về cơ bản
việc vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du lưu vực sông Ba vẫn được thực
hiện theo Quy trình 1077.
Bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du là bài toán phức tạp.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhưng việc nâng
cao hiệu quả vận hành hiện đang còn khá nhiều tồn tại và vẫn cần được tiếp tục
nghiên cứu. Một số vấn đề cụ thể đối với lưu vực sông Ba như sau:
- Thực tế vận hành các hồ chứa trong mùa lũ theo Quy trình 1077 cho đến
nay đã bộc lộ một số bất cập, như khi chỉ có mưa lớn sinh lũ ở phần hạ lưu sông Ba
hoặc khi các tiểu lưu vực khác trên sông Ba không có mưa mà chỉ có mưa cục bộ tại
tiểu lưu vực hồ Krông H’Năng thì việc vận hành xả nước đón lũ của các hồ ở
thượng du không có lưu lượng lũ đến lớn như Ka Nak, Ayun Hạ theo quy trình liên
hồ hiện hành là không mang lại hiệu quả cho chống lũ đồng thời giảm hiệu quả phát
1

điện. Việc thực hiện theo quy định tại khoản 3 Điều 5 của Quy trình “Trong thời kỳ
mùa lũ, khi chưa tham gia vận hành giảm lũ cho hạ du, mực nước các hồ chứa
không được vượt mực nước cao nhất trước lũ ...” cũng làm giảm đầu nước phát điện
và tiềm ẩn nguy cơ không tích được đủ nước vào cuối mùa lũ.
- Theo đánh giá của Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương, tuy
công tác dự báo khí tượng thủy văn đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng đến nay việc
nghiên cứu, áp dụng cũng như độ chính xác trong dự báo trung, dài hạn đối với các
yếu tố dòng chảy vẫn ở mức độ hạn chế. Thời gian dự kiến dự báo quá trình lũ cho
khu vực Trung Bộ, Tây Nguyên đối với các sông lớn là 24 giờ với mức đảm bảo dự
báo khoảng 75÷80%. Sai số còn lớn đối với dự báo trước 48÷72 giờ. Trong giai
đoạn hiện tại, việc dự báo lũ đến hồ chứa theo thời gian dự kiến 3÷5 ngày với yêu
cầu đạt độ chính xác, độ tin cậy cho phép chưa thể thực hiện được.
- Diễn biến theo xu hướng bất lợi, cực đoan của các yếu tố khí hậu, sự gia
tăng về yêu cầu đảm bảo cấp nước, phòng chống lũ, mâu thuẫn giữa phát điện và
chống lũ hạ du càng gay gắt.
Trong quá trình vận hành hồ chứa luôn phải xử lý tính ngẫu nhiên của các
yếu tố thủy văn. Tính ngẫu nhiên này càng tăng khi biến đổi khí hậu đang diễn ra
với chiều hướng gia tăng. Hiện nay, có nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau trong
nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa, trong đó phương pháp ứng dụng Logic
mờ là phương pháp có nhiều điểm mạnh trong xử lý các bài toán có yếu tố đầu vào
không chắc chắn, rất phù hợp cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa. Đây
cũng là phương pháp chưa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực tài nguyên nước ở
Việt Nam. Vì vậy, Luận án hướng tới việc bổ sung phương pháp luận và định
hướng tiếp cận đối với bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du
thông qua Logic mờ, đây là vấn đề cấp thiết và mang tính thời sự.
2. Mục tiêu luận án
Mục tiêu chính của luận án là:
- Nghiên cứu ứng dụng Logic mờ xây dựng mô hình toán phục vụ vận hành

hệ thống liên hồ chứa chống lũ.

2


- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đề xuất một số nội dung điều chỉnh quy trình
vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du lưu vực sông Ba.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án: bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa
chống lũ hạ du.
Phạm vi nghiên cứu của luận án: các hồ chứa có nhiệm vụ điều tiết giảm lũ
trên lưu vực sônng Ba, gồm Ka Nak-An Khê, Ayun Hạ, Krông H’năng, Sông Ba Hạ
và Sông Hinh.
4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết được các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra, luận án sẽ sử dụng các
hướng tiếp cận, phương pháp và công cụ nghiên cứu sau:
a. Hướng tiếp cận
- Hướng tiếp cận hệ thống (systemic approach): coi mỗi hồ chứa là một hệ
thống con trong toàn hệ thống lớn. Ngoài việc nghiên cứu điều hành của mỗi hồ,
luận án còn tập trung xem xét sự ảnh hưởng và tương tác giữa các hồ để từ đó đề
xuất giải pháp vận hành hệ thống liên hồ chứa.
- Hướng tiếp cận phân tích hệ thống (systems analysis): sử dụng các công cụ
mang tính logic, định lượng và có cấu trúc của khoa học và công nghệ hiện đại như
mô phỏng, hệ thống luật mờ đề giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa.
b. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập, phân tích tổng hợp số liệu.
- Phương pháp thống kê, kế thừa, áp dụng có chọn lọc các tài liệu, sản phẩm
khoa học và công nghệ hiện có.
- Phương pháp mô hình hóa: luận án đã dùng công cụ mô phỏng và logíc mờ
để đánh giá hoạt động của hệ thống hồ chứa với các quy trình vận hành khác nhau.

- Phương pháp chuyên gia, chuyên khảo, sử dụng các kiến thức, kinh nghiệm
của các chuyên gia trong và ngoài nước về vận hành hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Ý nghĩa khoa học: luận án đề xuất cách tiếp cận và lựa chọn Logic mờ cho
bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du. Kết quả nghiên cứu của
3


luận án đóng góp về cơ sở phương pháp luận cho bài toán vận hành hệ thống liên hồ
chứa chống lũ hạ du theo thời gian thực.
- Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết những khó khăn
trong vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ hạ du nói chung và hệ thống sông Ba
nói riêng,

6. Những đóng góp mới của luận án
Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học cho việc thiết lập mô hình toán vận
hành liên hồ chứa chống lũ, bao gồm:
- Bước đầu thành công trong việc ứng dụng Logic mờ trong vận hành hệ
thống liên hồ chứa chống lũ hạ du lưu vực sông Ba, mở ra triển vọng ứng dụng lý
thuyết này cho các hệ thống liên hồ chứa khác có nhiệm vụ chống lũ ở Việt Nam,
hướng tới vận hành hệ thống liên hồ chứa theo thời gian thực.
- Bằng mô hình toán vận hành hệ thống liên hồ chứa lưu vực sông Ba được
thiết lập theo Logic mờ đã góp phần nâng cao hiệu quả cắt giảm lũ và phát điện của
các hồ chứa trong quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba.

7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung nghiên cứu của Luận án được trình
bày trong các chương:
Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ
thống liên hồ chứa.

Chương 2. Cơ sở thiết lập bài toán vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ
hạ du theo Logic mờ.
Chương 3. Kết quả nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa chống lũ lưu
vực sông Ba.
Kết luận và kiến nghị.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA

1.1

Tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa trên thế giới
Nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu đã được các nhà

khoa học, các cơ quan quản lý đầu tư nghiên cứu từ nhiều năm nay. Nguyên tắc
chung là tìm quy trình tích, xả nước và sự phối hợp giữa các công trình để đạt được
lợi ích kinh tế xã hội cao nhất. Các nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ
thống hồ chứa thường sử dụng một số nguyên tắc và phương pháp chính như sau:
1.1.1 Nguyên tắc phối hợp vận hành chống lũ giữa các hồ
Những quy tắc này giúp quyết định về xả và trữ nước cho mỗi hồ chứa tại
mỗi bước thời gian trong quá trình mô phỏng. Trong thời gian qua, đã đạt được một
số quy tắc vận hành theo thời gian thực đối với các hồ chứa nối tiếp và song song,
nhưng áp dụng chủ yếu cho các nghiên cứu điều hành theo mùa hoặc dài hạn [61].
1.1.1.1 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa bậc thang
Phần dung tích phòng lũ của hồ chứa gần điểm kiểm soát lũ nhất thường có
khả năng chống lũ cao hơn so với các hồ khác. Do vậy, với hệ thống hồ bậc thang,
có lưu lượng bổ sung khu giữa, vùng bảo vệ chống lũ nằm ở hạ du hệ thống, cách

điều tiết lũ hợp lý nhất cho mục tiêu kiểm soát lũ hạ du là: khi tích nước (cắt lũ) sẽ
tích đầy hồ phía trên trước sau đó đến hồ phía dưới, khi cần dung tích trống để điều
tiết cho trận lũ sau thì tiến hành xả hồ phía dưới trước (Hình 1.1).

Hình 1.1: Hệ thống hồ chứa bậc thang

Hình 1.2: Hệ thống hồ chứa song song

5


Trường hợp ngoại lệ có thể xảy ra là khi năng lực xả của hồ phía hạ du quá
nhỏ thì có thể không áp dụng quy tắc trên. Khi đó, tốt hơn là tích vào hồ thấp nhất
trước, nhằm nâng cao mực nước hồ, từ đó nâng cao năng lực xả của toàn hệ thống
xuống hạ du. Điều này sẽ cho phép xả trước nhiều hơn, tăng tổng dung tích dự
phòng cho trận lũ sắp đến.
Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa bậc thang là tối đa
hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường hợp
nêu trên là tích đầy cho các hồ phía trên trước, khi cần dung tích trống để điều tiết
chống lũ thì xả hồ hạ lưu trước [61].
1.1.1.2 Điều hành chống lũ đối với hệ thống hồ chứa song song
Cách tiếp cận trong điều hành kiểm soát lũ đối với hệ thống hồ song song là
cân bằng giữa dung tích cắt lũ và lượng dòng chảy lũ đến, ưu tiên dành dung tích
chống lũ cho hồ chứa có dự báo lượng lũ đến lớn hơn. Khi cần giảm lượng xả
xuống hạ du, thì giảm lượng xả trước tiên ở các hồ còn nhiều dung tích trống hoặc
có lượng dòng đến nhỏ nhất. Khi có thể tăng lượng xả xuống hạ du thì xả trước tiên
từ các hồ đã tích đầy hơn hoặc có lượng dòng đến lớn hơn. (Hình 1.2).
Mặc dù nguyên tắc cân bằng dung tích kiểm soát lũ đã rõ, nhưng việc điều
hành để đạt mục tiêu trên lại không dễ. Mục tiêu kiểm soát lũ là giảm đỉnh lũ ở hạ
du bằng cách tích nước lại ở hồ, nhưng các trận lũ đến hồ thường rất nhanh, khó dự

báo chính xác và cắt đúng đỉnh lũ. Vì vậy, quy luật vận hành chung cho các hồ chứa
song song vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.
Đối với phát điện, nguyên tắc chung cho hệ thống hồ chứa song song là tối
đa hóa dung tích dành cho phát điện, và quy luật vận hành chung cho các trường
hợp nêu trên là ưu tiên tích cho các hồ có sản lượng điện lớn hơn [61].
Trên đây nêu những nguyên tắc chung trong vận hành hệ thống hồ chống lũ
và phát điện, khi ứng dụng vào điều kiện thực tế Việt Nam và lưu vực sông Ba sẽ có
thêm những vấn đề như: khó khăn trong phối hợp vận hành do các hồ chứa trong hệ
thống thuộc quyền quản lý của các chủ hồ khác nhau, khả năng dự báo thủy văn
trung hạn đặc biệt là cho khu vực miền Trung còn hạn chế.

6


1.1.2 Phương pháp tối ưu hoá
Phương pháp tối ưu hóa được xây dựng nhằm thích ứng với đặc điểm đa
chiều, động, phi tuyến và ngẫu nhiên của các hồ hoặc hệ thống hồ chứa, thường
được sử dụng trong nghiên cứu điều hành các hồ hoặc hệ thống hồ chứa sử dụng
đầu vào là dòng chảy dự báo.
Các kỹ thuật tối ưu như quy hoạch tuyến tính (LP), quy hoạch động (DP),
quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP), thuật toán tiến hóa (EA)... đã được sử dụng rộng
rãi trong nghiên cứu vận hành hồ chứa.
Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính
để vạch ra quy tắc vận hành chung từ tối ưu hoá xác định. Phương pháp này được
gọi là “quy hoạch động Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp này dùng kỹ thuật
Monte-Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy năm tổng hợp cho đoạn sông yêu cầu.
Quy trình tối ưu thu được của mỗi chuỗi dòng chảy nhân tạo sau đó được sử dụng
trong phân tích hồi quy để cố gắng xác định yếu tố chính ảnh hưởng đến quy trình
tối ưu. Kết quả thu được là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực.
Karamouz và Houck (1987) đã tìm ra các quy tắc vận hành chung bằng hồi

quy và quy hoạch động tất định (DPR). Mô hình DPR kết hợp thủ tục hồi quy tuyến
tính nhiều biến đã được đề xuất bởi Bhaskar và Whilach (1980). Quy tắc điều hành
một hệ thống nhiều hồ chứa cũng được phát triển bằng phương pháp quy hoạch
động ngẫu nhiên (SDP), trong đó yêu cầu mô tả rõ xác suất dòng chảy và hàm tổn
thất. Phương pháp tiếp cận này cũng đã được Butcher, Loucks và nhiều người khác
sử dụng [18].
Phương pháp và mô hình vận hành tối ưu hồ chứa kiểm soát lũ thời gian thực
trên cơ sở kết hợp mô hình quy hoạch phi tuyến và mô hình mô phỏng dòng chảy lũ
DWOPER (Dynamic Wave OPERation) đã được áp dụng để nghiên cứu cho hồ
chứa Travis ở hạ lưu sông Colorado, Texas [74].
Phương pháp Folded Dynamic Programming (FDP) để phát triển các phương
án vận hành hồ chứa tối ưu để kiểm soát lũ, được áp dụng cho nghiên cứu điển hình
của hồ chứa Hirakud ở lưu vực Mahanadi, Ấn Độ. Phương pháp đề xuất có thể được
mở rộng đến các tình huống lưu vực tương tự [56].

7


Một dạng khác là các mô hình tối ưu tư vấn (Prescriptive optimization
models). Các mô hình này cung cấp khả năng mở rộng để lựa chọn một cách có hệ
thống các giải pháp tối ưu hoặc nhóm các giải pháp, phù hợp với mục tiêu và các
ràng buộc [18].
Một phương pháp cũng được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây để giải
quyết bài toán tối ưu hóa vận hành hồ chứa là ứng dụng các thuật toán tiến hóa
(Evolutionary Algorithms) như thuật toán di truyền (GA), thuật toán tối ưu hóa đàn
kiến (ACO), thuật toán tối ưu hóa nhóm bầy (PSO). Nhiều nghiên cứu đã được thực
hiện có sử dụng thuật toán tiến hóa như: East và Hall (1994) ứng dụng thuật toán di
truyền cho bài toán vận hành hệ thống bốn hồ chứa với mục tiêu là tối đa hóa lợi ích
từ phát điện và cấp nước tưới. Fahmy ứng dụng thuật toán di truyền tính vận hành
hệ thống hồ chứa và kết quả được so sánh với phương pháp quy hoạch động.

Oliveira và Loucks (1997) đã ứng dụng thuật toán di truyền để chứng mình tính
hiệu quả của việc vận hành hệ thống hồ chứa. Sharif và Wardlaw (2000) ứng dụng
thuật toán di truyền cho tối ưu hệ thống đa hồ chứa lưu vực sông Bratas ở
Indonesia. Juran Ali Ahmed và Arup Kumar Sarma (2005) ứng dụng thuật toán di
truyền để vận hành tối ưu của hồ chứa đa mục tiêu trên sông Pagladia. Janga Reddy
và D. Nagesh Kumar (2006) sử dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA) nhằm
tìm kiếm tập hợp các lời giải tối ưu cho xác định lượng xả của hồ chứa Hirakud, Ấn
Độ, với hàm mục tiêu là sản lượng điện cao nhất, rủi ro lũ và thiếu hụt nước tưới
nhỏ nhất, trong đó mục tiêu sản lượng điện được ưu tiên. Jothiprakash và Ganesan
Shanthi (2007) sử dụng thuật toán di truyền để xây dựng quy trình vận hành hồ
chứa Pechiparai, Ấn độ. M.S. Hashemi, G.A. Barani and H. Ebrahimi (2008) ứng
dụng thuật toán di truyền để tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu Jiroft [12].
Một số trở ngại trong tối ưu hóa hệ thống hồ chứa
Theo đánh giá của W. Labadie [62], mặc dù nhiều năm nghiên cứu chuyên
sâu về việc áp dụng mô hình tối ưu cho các hệ thống hồ chứa, các tác giả như Yeh
(1985) và Wurbs (1993) đã lưu ý luôn có một khoảng cách giữa lý thuyết và áp
dụng thực tế, vì những lý do: (1) người vận hành hệ thống hồ chứa hoài nghi việc
mô hình tối ưu có thể thay thế khả năng quyết định của họ, các giải pháp đã xây

8


dựng sẵn và cảm thấy thuận tiện hơn trong việc sử dụng các mô hình mô phỏng hiện
có; (2) do những hạn chế về phần cứng và phần mềm máy tính trước đây nên đã sử
dụng cách tính đơn giản hóa và xấp xỉ mà người vận hành không sẵn sàng chấp
nhận; (3) mô hình tối ưu nhìn chung là phức tạp hơn về mặt toán học so với mô
hình mô phỏng, và do đó khó lĩnh hội hơn; (4) nhiều mô hình tối ưu hóa không chấp
nhận tính rủi ro và bất định; (5) sư đa dạng của các phương pháp tối ưu hóa dễ tạo
ra sự nhầm lẫn khi lựa chọn phương pháp phù hợp cho một trường hợp cụ thể; (6)
một số phương pháp tối ưu hóa, ví dụ như quy hoạch động, thường yêu cầu xây

dựng chương trình riêng cho từng trường hợp cụ thể; và (7) nhiều phương pháp tối
ưu hóa chỉ có thể tạo ra các giải pháp tối ưu theo thời đoạn mà không đưa ra được
quy tắc vận hành phù hợp và linh động.
Nhiều trở ngại trong tối ưu hóa quản lý hệ thống hồ chứa hiện đang được
khắc phục thông qua các hệ thống hỗ trợ ra quyết định và tiến bộ đáng kể của phần
cứng và phần mềm máy tính. Một số tổ chức đã chủ động kết hợp các mô hình tối
ưu hóa vào công tác quản lý hệ thống hồ chứa thông qua việc sử dụng các hệ thống
hỗ trợ ra quyết định (Labadie et al. 1989). Việc kết hợp tối ưu hóa vào các hệ thống
hỗ trợ ra quyết định đã tăng cường việc ứng dụng phương pháp này bằng cách nhấn
mạnh tối ưu hóa như một công cụ được kiểm soát bởi các nhà quản lý hệ thống hồ
chứa, những người chịu trách nhiệm cho sự thành công hay thất bại của hệ thống
trong việc đạt được mục tiêu đã đề ra.
1.1.3 Phương pháp mô phỏng
Để khắc phục những khó khăn, phức tạp trong nghiên cứu đối với hệ thống
hồ chứa thực hay thực nghiệm với mô hình vật lý, mô hình mô phỏng toán học được
phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối từ
các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các mục đích
chung phức tạp [18].
Trong những thập kỷ gần đây các mô hình mô phỏng đã được áp dụng rộng
rãi trong quản lý và vận hành hệ thống hồ chứa cho nhiều lưu vực sông trên thế
giới. gồm các mô hình mang tính tổng thể như HEC 5 (Hydrologic Engineering
Center 1989) và HEC-RESSIM (Klipsch và nnk, 2002). Các mô hình mô phỏng
9


tương tự động học khác gồm POWERSIM (Powersim, Inc.) được áp dụng bởi
Varvel và Lansey (2002), và VENSIM (Ventana Systems, Inc.) được áp dụng bởi
Caballero và nnk (2001). Những mô hình mô phỏng, mô tả (simulation or
descriptive models) này giúp trả lời những câu hỏi liên quan đến việc thực hiện các
hoạt động thay thế, có thể thể hiện chính xác việc vận hành hệ thống và rất có ích

cho phân tích Monte Carlo trong việc kiểm tra độ tin cậy dài hạn của chiến lược
điều hành đề xuất.
Trong số các mô hình được áp dụng phổ biến hiện nay, một số mô hình có
thể mô phỏng hồ chứa nhưng thường ở mức đơn giản, ví dụ mô hình cân bằng nước
(MIKE BASIN hoặc MITSIM) hoặc mô hình thủy lực (MIKE 11). MIKE BASIN
(hoặc MITSIM) là mô hình thiên về tính toán cân bằng nước lưu vực, có khả năng
mô phỏng hồ chứa nhưng ở dạng không điều khiển và không chi tiết đối với phần
điều tiết lũ và phần điều tiết phát điện mà chỉ tập trung vào vận hành hồ chứa đáp
ứng mục đích cấp nước. MIKE 11 có thể mô tả điều tiết lũ cho hồ chứa nhưng cách
làm rất phức tạp, đòi hỏi trình độ chuyên gia. So với những mô hình nêu trên, HECRESSIM có một số điểm mạnh như: có thể mô phỏng hệ thống hồ chứa cả phát
điện, phòng lũ, cấp nước; có thể mô phỏng được hệ thống các hồ chứa phức tạp có
điều khiển với nhiều công trình tràn, có quy trình vận hành liên hồ chứa; có thể mô
phỏng hệ thống có kiểm soát ở hạ du.
1.1.4 Kết hợp phương pháp mô phỏng với tối ưu
Một phương pháp tiếp cận khác trong nghiên cứu giải quyết bài toán vận
hành hệ thống hồ chứa là kết hợp mô hình mô phỏng với mô hình tối ưu. Theo
Wurb (1993), mặc dù tối ưu hóa và mô phỏng là hai hướng tiếp cận khác nhau,
nhưng sự phân biệt rõ ràng giữa hai hướng này là khó vì hầu hết các mô hình, xét về
mức độ nào đó đều chứa các thành phần của hai hướng tiếp cận trên. Theo Labadie
(2004), cần thiết phải có mô hình mô phỏng để kiểm tra các quy trình tối ưu được
thiết lập. Theo Daniel P. Loucks, trong quản lý tài nguyên nước thường sử dụng kết
hợp cả mô hình tối ưu hóa và mô phỏng. Trong khi tối ưu hóa sẽ cho chúng ta biết
những gì chúng ta nên làm hay quyết định tốt nhất là gì, các giải pháp này thường
dựa trên nhiều giả định có giới hạn. Bởi vậy, chúng ta cần sử dụng tối ưu hóa không
10


phải là một cách để tìm ra giải pháp tốt nhất, mà để xác định một số tương đối ít các
lựa chọn thay thế tốt mà sau này có thể được kiểm tra, đánh giá và cải thiện bằng
phương pháp mô phỏng. Quá trình áp dụng tối ưu hóa để giảm số lượng lớn các giải

pháp thành một số ít để có thể mô phỏng và đánh giá tốt hơn thường được gọi là
sàng lọc sơ bộ [58].
Ngo L.L. và nnk (2007) đã nghiên cứu tối ưu hoá vận hành hồ chứa Hoà
Bình bằng cách áp dụng kết hợp mô hình mô phỏng và tối ưu hóa. Các chiến lược
kiểm soát lượng xả của hồ chứa được thiết lập trong mô hình mô phỏng MIKE 11
dựa trên các yếu tố dung tích trữ, các điều kiện khí tượng thuỷ văn và thời gian.
Thuật toán tối ưu hóa SCE (shuffled complex evolution) được sử dụng để tối ưu hóa
hoạt động của hồ chứa. Việc tối ưu hóa tập trung vào việc cân đối giữa kiểm soát lũ
và phát điện của hồ chứa Hoà Bình trong mùa lũ và mực nước hồ vào đầu mùa khô.
Kết quả cho thấy có thể tìm được phương án vận hành tối ưu giúp làm giảm lũ lụt
hạ lưu và duy trì mực nước hồ chứa cao để tăng sản lượng điện trong mùa lũ và mùa
khô tiếp theo. Các kết quả cũng chỉ ra rằng thuật toán SCE là một công cụ hiệu quả
để tối ưu hóa các hệ thống phức tạp.
1.1.5 Ứng dụng Logic mờ trong vận hành hồ chứa
Quy trình vận hành hồ chứa, hệ thống hồ chứa liên quan chặt chẽ đến các yếu
tố thủy văn như quá trình dòng chảy năm, dòng chảy lũ ... trên lưu vực. Thực tế cho
thấy quá trình dòng chảy năm, dòng chảy lũ là những yếu tố luôn biến động, khó dự
báo chính xác.
Thời gian qua, cách tiếp cận theo hướng áp dụng lý thuyết “tập mờ” để xử lý
các giá trị “không chính xác” trong thế giới thực đã được nhiều nhà khoa học trên
thế giới nghiên cứu, triển khai áp dụng và thu được những kết quả khả quan - nhất
là trong lĩnh vực công nghiệp - tại các nước như Nhật, Mỹ. Việc nghiên cứu áp
dụng Logic mờ phục vụ vận hành hồ chứa tuy đã được nhiều nhà khoa học quan
tâm nhưng vẫn còn ở mức độ hạn chế. Một số nghiên cứu có thể kể ra như S.Mohan
và M.Anjaneya Prasad (India) với nghiên cứu về mô hình ứng dụng Logic mờ cho
vận hành hệ thống hồ chứa; D.Nagesh Kumar, D.S.V.Prasad, K.Srinivasa Raju
(India) áp dụng cách tiếp cận mờ trong tối ưu hóa vận hành hồ chứa..
11

Savic và Simonovic (1991) đã sử dụng phương pháp tập mờ để mô hình hoá
hoạt động một số hồ chứa để chọn mức độ rủi ro. Shrestha và nnk (1996) đã cho
rằng đầu vào cho các nguyên tắc vận hành hồ chứa (lượng trữ ban đầu, dòng đến,
nhu cầu) cũng như đầu ra (lượng xả) có thể được mô tả bởi những tương quan mờ.
Những đầu vào mờ được kết hợp để tạo ra tương quan đầu ra mờ, và có thể được
kết hợp với phương pháp giải mờ (defuzzified) để có được kết quả chính xác, rõ
ràng (crisp ouput). Cheng Chuntain (1999) đã áp dụng mô hình tối ưu mờ cho điều
hành lũ thời gian thực đối với hệ thống hồ chứa. Các thử nghiệm nói trên dựa trên
kiến thức chung bắt chước (mimic) điều hành của con người và đưa ra hai phương
pháp tiếp cận: lý luận dựa trên các trường hợp và lý luận dựa theo quy luật.
Trong kết quả nghiên cứu mô hình vận hành hồ chứa đơn cấp nước dựa trên
quy tắc mờ của Panigrahi, cách tiếp cận về cơ bản giống như của Russel và
Campbell (1996), với sự khác biệt là các kiến thức chuyên môn cho khung quy tắc
mờ có nguồn gốc từ một mô hình ngẫu nhiên hiện. Mô hình sử dụng đầu vào là
dòng chảy đến, dung tích hồ chứa và nhu cầu nước, đầu ra là lượng xả. Mặc dù các
kỹ thuật Logic mờ áp dụng trong nghiên cứu mới ở mức đơn giản nhưng đã chứng
tỏ được khả năng ứng dụng của lý thuyết này trong vận hành hồ chứa [57].
Durbovin và nnk (2002) đưa ra mô hình vận hành hồ chứa thời gian thực dựa
trên quy tắc mờ, trong đó sự thay đổi theo mùa của các biến thủy văn và mục tiêu
vận hành được đưa vào tính toán, với các yếu tố đầu vào là các giá trị tương đối phụ
thuộc theo mùa, thay vì sử dụng các giá trị tuyệt đối. Mô hình được hiệu chỉnh để
mô phỏng hoạt động thực tế cho hồ Päijänne ở Phần Lan. Các kết quả thu được đã
chứng tỏ khả năng ứng dụng của Logic mờ trong vận hành hồ chứa.
Trong nghiên cứu tối ưu hóa lượng xả hàng năm của hồ chứa Jayakwadi (Ấn
Độ) với hai mục tiêu là cấp nước và phát điện trên cơ sở kết hợp thuật toán quy
hoạch tuyến tính và Logic mờ, lượng xả sau khi được tối ưu hóa theo từng mục tiêu
sẽ được tính toán theo Logic mờ để tìm kết quả phù hợp nhất dung hòa cả hai mục
tiêu [77].
Trong nghiên cứu bước đầu áp dụng hệ quy tắc mờ để tiến hành tính toán mô
phỏng kiểm soát dòng chảy trên sông, kênh, hồ chứa, sử dụng đầu vào là cao trình

12


mực nước và tốc độ dòng chảy, đầu ra là dòng chảy được kiểm soát, kết quả tính
toán chỉ ra rằng có thể sản sinh một lượng lớn năng lượng từ việc kiểm soát dòng
chảy [72].
Mô hình dựa trên hệ quy tắc mờ đã được xây dựng để tính toán lưu lượng xả
tối ưu của hồ chứa Ukai ở Ấn Độ trong 4 tháng, sử dụng đầu vào là số liệu trung
bình tháng của dòng chảy đến, lượng trữ trong hồ và nhu cầu cấp nước. Kết quả tính
toán cho thấy lượng xả thu được từ mô hình hoàn toàn đáp ứng nhu cầu cấp nước,
đồng thời tiết kiệm được lượng nước đáng kể so với lượng xả thực tế [81].
Trong nghiên cứu cải thiện đường giới hạn cấp nước trong mùa hạn của hệ
thống hồ chứa Zohre (Iran) đã tiếp cận theo hướng kết hợp ứng dụng Logic mờ và
thuật toán tối ưu MOPSO (Multi-objective Particle Swarm Optimization). Trong
nghiên cứu này, Logic mờ được được áp dụng để tăng tính linh hoạt của hệ số phân
phối, cụ thể là khi mực nước hồ chứa thay đối từ vùng cấp nước này sang vùng cấp
nước khác thì hệ số phân phối sẽ biến đổi một cách từ từ chứ không đột ngột như
trước đây [60].

1.2 Tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa ở Việt Nam
1.2.1 Các nghiên cứu trên toàn quốc
Thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu về vận hành hồ chứa chống lũ được
tiến hành trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v... Công ty tư
vấn Điện I (1991) đã nghiên cứu việc kết hợp phát điện và chống lũ hạ du và khai
thác tổng hợp hồ chứa Hoà Bình. Viện Quy hoạch và Quản lý nước (1991) cũng
nghiên cứu lập quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình phòng lũ và phát điện.
Nguyễn Văn Tường (1996) nghiên cứu phương pháp vận hành hồ chứa Hoà Bình
chống lũ hàng năm với việc xây dựng tập hàm vào bằng phương pháp Monte-Carlo.
Hoàng Minh Tuyển (2002) đã phân tích đánh giá vai trò của một số hồ chứa thượng

nguồn sông Hồng cho phòng chống lũ hạ du. Lâm Hùng Sơn (2005) nghiên cứu cơ
sở vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng, trong đó chú ý đến việc phân bổ
dung tích và trình tự phối hợp cắt lũ của từng hồ chứa trong hệ thống để đảm bảo an
toàn hồ chứa và hệ thống đê đồng bằng sông Hồng. Viện khoa học Thuỷ lợi (2006)
đã thực hiện dự án xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà và sông
13


Lô đảm bảo an toàn chống lũ đồng bằng Bắc bộ khi có các hồ chứa Thác Bà, Hoà
Bình, Tuyên Quang. Trần Hồng Thái (2005) và Ngô Lê Long (2006) bước đầu áp
dụng thuật tối ưu hoá trong vận hành hồ Hoà Bình phòng chống lũ và phát điện.
Trong đề tài NCKH cấp nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc xóa
các khu chậm lũ sông Hồng, sông Đáy, sông Hoàng Long”, Hà Văn Khối (2010) đã
nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hồ chứa thượng nguồn sau khi có hồ Sơn La
theo hướng xóa các khu chậm lũ, đã kết luận có thể sử dụng một phần dung tích
chống lũ công trình cho nhiệm vụ chống lũ hạ du khi thấy cần thiết. Đây cũng là
một trong những cơ sở khoa học cho việc lập quy trình vận hành liên hồ chứa sau
khi có hồ Sơn La.
Phần mềm Crystal Ball đã được ứng dụng trong nghiên cứu xác định chế độ
vận hành tối ưu phát điện cho hồ chứa Thác Bà, Tuyên Quang và bậc thang hồ chứa
Sơn La, Hòa Bình có tính đến yêu cầu cấp nước hạ du. Mô hình vận hành kết hợp
giữa mô phỏng (mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ theo Monte Carlo, mô
phỏng vận hành hồ và bậc thang hồ chứa) và mô hình tối ưu (tối ưu phi tuyến) để áp
dụng cho hồ Tuyên Quang, Thác Bà, và bậc thang hồ chứa Sơn La, Hòa Bình.
Nghiên cứu đã bước đầu đề xuất chế độ vận hành tối ưu phát điện có xét đến nhu
cầu dùng nước hạ du cho các hồ chứa nói trên [32].
Trong luận án tiến sĩ về Nghiên cứu chế độ vận hành tích nước trong thời kỳ
mùa lũ cho hệ thống hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La, tác giả đã sử dụng kết
hợp mô hình MOPHONG và MIKE11 để tính toán thử dần xác định các giới hạn
tích nước cho hệ thống hồ chứa Sơn La và Hòa Bình, trong đó mô hình MOPHONG

dùng để tính toán điều tiết và diễn toán kiểm tra nhanh mực nước khống chế tại Hà
Nội và một số điểm hạ du theo các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa Sơn La,
Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang. Mô hình MIKE 11 tính toán thuỷ lực hệ thống
sông để kiểm tra mực nước tại hạ du theo kết quả điều tiết dòng chảy qua các hồ
chứa bằng mô hình MOPHONG [10].
Ngoài ra còn một loạt các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên các lưu vực
sông lớn của Việt nam như: Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) nghiên cứu áp
dụng mô hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông

14


Hương, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo
đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương. Nguyễn Thế Hùng – Lê Hùng (2009) đã áp
dụng thuật toán di truyền (GA) để tìm quỹ đạo vận hành tối ưu hồ chứa Nhà máy
Thủy điện Ea Krông Rou - Tỉnh Khánh Hòa với đơn mục tiêu là sản lượng điện
năng cực đại. Kết quả tính toán đạt được bởi Thuật toán di truyền được so sánh với
phương pháp Quy hoạch động. Thuật toán di truyền đơn mục tiêu ở đây cho thấy dễ
dàng mở rộng nó cho bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện đa mục tiêu so với
phương pháp qui hoạch động. Nguyễn Mai Đăng và Trịnh Xuân Mạnh (2014)
nghiên cứu tối ưu vận hành hồ chứa Cửa Đạt cho cấp nước mùa kiệt năm 20112012 trên lưu vực sông Chu. Trong nghiên cứu đã ứng dụng thành công Logic mờ,
xây dựng được hệ thống luật mờ cho vận hành hồ Cửa Đạt và xác định được quá
trình xả tối ưu trong điều kiện thiếu nước về mùa khô. Kết quả bước đầu đã cho
thấy phương pháp này có thể ứng dụng tốt cho các hồ chứa ở Việt Nam trong vận
hành và xây dựng quy trình vận hành. Vũ Ngọc Dương (2017), với đề tài 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, đã xây dựng mô hình kết hợp vận hành hồ
chứa Cửa Đạt trên cơ sở tích hợp mô hình mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên đến hồ
với mô hình mô phỏng vận hành hồ Cửa Đạt được xây dựng trong bảng tính Excel
và modun tối ưu Opquest trong phần mềm Crystal Ball.

1.2.2 Các nghiên cứu trên lưu vực sông Ba
Thời gian qua, một số đề tài nghiên cứu trực tiếp về vận hành liên hồ chứa
hoặc hỗ trợ, phục vụ cho việc xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu
vực sông Ba đã được tiến hành, như: Đề tài “Nghiên cứu luận cứ khoa học cho các
giải pháp phòng tránh, hạn chế hậu quả lũ lụt lưu vực sông Ba”, đã sử dụng mô hình
HEC-HMS diễn toán mưa-dòng chảy và HEC-RAS mô phỏng quá trình lũ và diện
ngập lụt cho một số trận lũ lớn trên lưu vực sông Ba, kết quả nghiên cứu đã xác
định một số nguyên nhân chính gây lũ lụt trên lưu vực, các vùng nhạy cảm đối với
lũ lụt và đề xuất giải pháp giảm thiểu thiệt hại [5]. Nghiên cứu quy hoạch tổng hợp
lưu vực sông Ba [36].

15