NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TRONG MÙA CẠN

i

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM

TÔ VIỆT THẮNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ
HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN
TRONG MÙA CẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
Mã số: 9 58 02 12

Literature review

HÀ NỘI, 2019


ii

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM

TÔ VIỆT THẮNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỢP LÝ
HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN
TRONG MÙA CẠN
Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
Mã số: 9 58 02 12

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Ngô Lê Long
2. PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong

HÀ NỘI, 2019


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Tô Việt Thắng, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong
bất kỳ công trình khoa học nào.

TÁC GIẢ

Tô Việt Thắng

iv

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của Cơ sở
đào tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác
giả thực hiện luận án.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Ngô
Lê Long - Đại học Thủy Lợi; PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong - Viện Khoa học Thủy lợi
Việt Nam, GS.TS. Lars Ribbe – Trường đại học Khoa học ứng dụng Cologne, CHLB
Đức đã hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo và đồng nghiệp ở
Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi; Trường Đại học Khoa học
ứng dụng Cologne đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận án.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã
giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu
và thực hiện luận án.

TÁC GIẢ

Tô Việt Thắng


v

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1
1.

Tính cấp thiết của luận án ................................................................................................ 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................................ 4

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 5

4.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 5

5.

Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................ 6

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ...................................................................... 6

7.

Cấu trúc của luận án ......................................................................................................... 7

8.

Những đóng góp mới của luận án ................................................................................. 8

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC HỒ CHỨA THEO LƢU VỰC SÔNG......................................... 9
1.1.

Một số thuật ngữ và định nghĩa ........................................................................................ 9

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông trên thế giới và Việt
Nam ........................................................................................................................................... 10
1.2.1.

Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa ................. 10

1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương
pháp mô phỏng ...................................................................................................................... 12
1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương
pháp tối ưu ............................................................................................................................. 15
1.2.4. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử dụng phương
pháp kết hợp mô phỏng-tối ưu ............................................................................................... 22
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông
VGTB. ....................................................................................................................................... 28
1.4. Tóm lược về Quy trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537) trên lưu vực sông
VGTB: ....................................................................................................................................... 31
1.5. Hạn chế và khoảng trống trong nghiên cứu vận hành liên hồ chứa phân bổ nguồn nước
hợp lý tại LVS VGTB ............................................................................................................... 35
1.6.

Lựa chọn công cụ tính toán ............................................................................................ 36

1.7.

Kết luận Chương 1; Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của Luận án ............... 44


vi
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN
BỔ NGUỒN NƢỚC VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA HỢP LÝ LƢU VỰC
SÔNG VU GIA – THU BỒN TRONG MÙA CẠN ...................................................... 47
2.1. Giới thiệu hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn và lựa chọn các hồ
chứa cho nghiên cứu.................................................................................................................. 47
2.2. Thiết lập mô hình mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ có xét tới tương quan về
thủy văn trong hệ thống ............................................................................................................. 50
2.2.1.

Tính bất định và mô phỏng Monte-Carlo ............................................................... 50

2.2.2.

Xác lập dạng phân bố xác suất cho chuỗi dòng chảy tới 04 hồ ............................. 52

2.2.3.

Thiết lập tương quan thủy văn giữa các nhánh sông .............................................. 55

2.2.4.

Tạo chuỗi số ngẫu nhiên thời đoạn 10 ngày tới 04 hồ ........................................... 57

2.3.

Thiết lập mô hình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu ........................................... 62

2.3.1.

Thiết lập bài toán .................................................................................................... 63

2.3.1.1.

Đặc điểm hệ thống hồ chứa................................................................................. 63

2.3.1.2.

Các điểm kiểm soát hạ lưu .................................................................................. 64

2.3.1.3.

Mục tiêu và hàm mục tiêu ................................................................................... 65

2.3.1.4.

Các ràng buộc của bài toán ................................................................................ 67

2.3.2.

Thiết lập mô hình mô phỏng vận hành hệ thống liên hồ chứa ................................ 70

2.3.3.

Thiết lập mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng ...................... 72

2.3.3.1.

Tối ưu hệ thống ................................................................................................... 72

2.3.3.2.

Các biến quyết định ............................................................................................. 73

2.3.3.3.

Khai báo hàm mục tiêu........................................................................................ 74

2.3.3.4.

Thiết lập các thông số chạy mô phỏng ................................................................ 74

2.3.4.

Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành liên hồ chứa HEC-RESSIM ...................... 76

2.3.4.1.

Giới thiệu mô hình HEC-RESSIM ....................................................................... 76

2.3.4.2.

Mô phỏng hệ thống các hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM.......................... 78

2.3.4.3.

Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-RESSIM ................................................ 79

2.4.

Kết luận chương 2 .......................................................................................................... 83

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƢU
VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÂN BỔ NGUỒN
NƢỚC ............................................................................................................................... 86
3.1.

Xác định các kịch bản vận hành 04 hồ chứa .................................................................. 87


vii
3.2.

Minh họa chi tiết kết quả tính toán vận hành tối ưu của một số kịch bản độc lập ......... 90

3.3.

Tổng hợp kết quả tính toán vận hành tối ưu theo các nhóm kịch bản ............................ 96

3.3.1.

Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản nền............................................................. 96

3.3.2.

Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa ....................... 98

3.3.3. Kết quả tính toán theo nhóm Kịch bản theo các đặc điểm hồ chứa với tỉ lệ xả của
hồ Đăk Mi 4 theo Quy trình 1537 ....................................................................................... 100
3.3.4.
3.4.

Tổng hợp kết quả tính toán của tất cả các kịch bản ............................................. 103

Tính toán chi tiết kịch bản được lựa chọn bằng mô hình HEC-RESSIM .................... 106

3.4.1. Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa theo Quy
trình vận hành liên hồ chứa (Quy trình 1537)..................................................................... 107
3.4.2. Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa theo quy
trình lưu lượng phát điện tối ưu đã được lựa chọn – Kịch bản 5........................................ 109
3.4.3.

So sánh và phân tích kết quả................................................................................. 111

3.4.3.1.

Phương án mô phỏng năm 2015 và 2016.......................................................... 111

3.4.3.2.

Phương án mô phỏng các năm giai đoạn 1981-2008 ....................................... 116

3.5.

Kết luận chương 3 ........................................................................................................ 121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………………………………………… 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 126
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................ 131
PHỤ LỤC 1………………………………………………………………………….....133
PHỤ LỤC 2………………………………………………………………………….....148
PHỤ LỤC 3………………………………………………………………………….....176


viii

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1.1. Lưu lượng xả tối thiểu từng thời kỳ của các hồ chứa theo Quy trình 1537 khi
HÁi Nghĩa <2,67m và HGiao Thủy<1,02m ................................................................................. 32
Bảng 1.2. Lưu lượng xả tối thiểu từng thời kỳ của các hồ chứa theo Quy trình 1537 khi
2,67m  HÁi Nghĩa <2,80m và 1,02m  HGiao Thủy <1,16m................................................... 32
Bảng 1.3. Mức tưới sử dụng trong tính toán .................................................................... 33
Bảng 1.4. Mực nước trung bình 3 tháng kiệt tại trạm Ái Nghĩa và Giao Thủy ............... 34
Bảng 2.1. Thông số thủy điện A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4 và Đak Mi 4 ....... 48
Bảng 2.2. Hàm phân phối xác suất dòng chảy thời đoạn 10 ngày theo mô phỏng Monte
Carlo .................................................................................................................................. 53
Bảng 2.3. Kết quả tính toán hệ số tương quan dòng chảy giữa 04 hồ chứa trên lưu vực
sông VGTB ........................................................................................................................ 55
Bảng 2.4. Tham số thống kê chuỗi 10.000 số ngẫu nhiên tạo ra bằng phương pháp
Monte-Carlo....................................................................................................................... 59
Bảng 2.5. So sánh các đặc trưng thống kê của chuỗi dòng chảy được phát ngẫu nhiên với
chuỗi dòng chảy thực tế ..................................................................................................... 61
Bảng 2.6. Thông số diễn toán theo phương pháp Muskingum ........................................ 80
Bảng 2.7. Các hệ số lưu lượng khu giữa .......................................................................... 81
Bảng 2.8. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định ......................................................................... 81
Bảng 3.1. Tổng hợp vận hành các hồ chứa theo từng kịch bản ........................................ 88

Bảng 3.2. Thống kê sản lượng điện thực tế giai đoạn 2014-2016 từ các thủy điện ........ 90
Bảng 3.3. Tổng sản lượng điện mùa cạn tính toán theo các kịch bản ............................ 104
Bảng 3.4. Tổng hợp kết quả tính toán thủy năng theo 2 phương án vận hành năm 2015,
2016 ................................................................................................................................. 115
Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả tính toán sản lượng điện sản xuất theo từng hồ ................ 116
Bảng 3.6. tổng hợp kết quả tính toán điện lượng mùa cạn giai đoạn 1982-2008 ........... 116


ix
MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ tìm kiếm nghiệm bài toán tối ưu (McLaughnin, 2006) ............................... 17
Hình 1.2. Phân loại các thuật toán tối ưu toàn cục - Thomas Weise (2009) [57]................ 18
Hình 1.3. Sơ đồ kết hợp mô phỏng-tối ưu cho phân bổ nguồn nước hồ chứa...................... 23
Hình 1.4. Sơ đồ thực hiện phương pháp mô phỏng-tối ưu vận hành hồ chứa phân bổ
nguồn nước ........................................................................................................................ 24
Hình 1.5. Sơ đồ tích hợp mô phỏng – tối ưu (sử dụng thuật toán Gene) ............................... 27
Hình 1.6. Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ............................................................................................... 46
Hình 2.1. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn ......................................... 49
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống hồ chứa trong tính toán dòng chảy ngẫu nhiên đến các hồ ....... 52
Hình 2.3. Minh họa thiết lập tương quan dòng chảy đến hồ A Vương – Đăk Mi 4 tháng
10 trong Crystal Ball ....................................................................................................... 56
Hình 2.4. Minh họa tương quan dòng chảy đến giữa các hồ trong hệ thống ........................ 57
Hình 2.5. So sánh dạng phân phối xác suất dòng chảy thực tế và dòng chảy ngẫu nhiên
được phát theo mô phỏng Monte Carlo cho 04 hồ tại tháng 2, 11 và 12. ......... 62
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống hồ chứa trong nghiên cứu ......................................................... 64
Hình 2.7. Minh họa mô hình mô phỏng vận hành hồ A Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung
4, Đăk Mi 4 ..................................................................................................... 70
Hình 2.8. Minh họa bảng THÔNG SỐ HỒ trong mô hình mô phỏng vận hành hồ A
Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 ............................................. 70

Hình 2.9. Minh họa bảng DÒNG CHẢY ĐẾN trong mô hình mô phỏng vận hành hồ A
Vương, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đăk Mi 4 ............................................. 71
Hình 2.10. Minh họa xác định các biến quyết định trong mô hình .................................. 73
Hình 2.11. Minh họa khai báo hàm mục tiêu trong mô hình ........................................... 74
Hình 2.12. Minh họa khai báo các thông số trong mô hình ............................................. 75
Hình 2.13. Minh họa tìm kiếm tối ưu kết nối với mô hình mô phỏng vận hành 04 hồ chứa
........................................................................................................................................... 75


x
Hình 2.14. Giao diện khi khởi động mô hình HEC-RESSIM ........................................... 77
Hình 2.15. Mô phỏng hệ thống hồ chứa trong mô hình HEC-RESSIM ........................... 78
Hình 2.16. Sơ đồ hệ thống sông VGTB ............................................................................ 80
Hình 2.17. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa cạn năm 2015 .. 81
Hình 2.18. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa cạn năm 2015 .. 82
Hình 2.19. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa cạn năm 2016 .. 82
Hình 2.20. Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa cạn năm 2016 .. 83
Hình 2.21. Sơ đồ mô tả các bước xây dựng mô hình phối hợp vận hành hệ thống hồ chúa
phục vụ việc phân bổ hợp lý nguồn tài nguyên nước lưu vực sông VGTB .. 85
Hình 3.1. Thống kê điện lượng thực tế từ các nhà máy thủy điện .................................... 90
Hình 3.2. Quỹ đạo vận hành tối ưu của 04 hồ theo Qturbin - Kịch bản 1......................... 91
Hình 3.3. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản 1 ............................... 92
Hình 3.4. Quỹ đạo tìm kiếm tối ưu tổng sản lượng điện mùa cạn – KB1 ........................ 93
Hình 3.5. Phân bố sản lượng điện theo các mức đảm bảo khác nhau – KB1 ................... 93
Hình 3.6. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo Qturbin của 04 hồ theo Kịch bản 2 .................. 94
Hình 3.7. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản 2 ............................... 95
Hình 3.8. Quỹ đạo tìm kiếm tối ưu tổng sản lượng điện mùa cạn – KB2 ........................ 95
Hình 3.9. Phân bố sản lượng điện theo các mức đảm bảo khác nhau - KB2 .................... 96
Hình 3.10. Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành 04 hồ A Vương, Sông Bung 4 và
Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2............................................................................ 97

Hình 3.11. Minh họa quỹ đạo vận hành tối ưu 04 hồ A Vương, Sông Bung 4 và Đăk Mi
4 và Sông Tranh 2 theo Qturbin..................................................................... 97
Hình 3.12. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - Kịch bản nền theo quy trình 1537 ........................................................................................ 98
Hình 3.13. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - nhóm kịch bản theo các đặc
điểm hồ chứa (Nhóm kịch bản 2) .................................................................. 99
Hình 3.14. Tổng sản lượng điện mùa cạn theo tính toán từ mô hình .............................. 100
Hình 3.15. Tổng sản lượng điện mùa cạn tính toán từ mô hình – Nhóm kịch bản 3 ..... 102


xi
Hình 3.16. Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ - nhóm kịch bản theo các đặc
điểm hồ chứa (Nhóm kịch bản 3) ................................................................ 102
Hình 3.17. Tổng sản lượng điện mùa cạn theo các kịch bản .......................................... 104
Hình 3.18. Tổng hợp Quỹ đạo vận hành tối ưu theo mực nước hồ của tất cả các KB .... 105
Hình 3.19. Quy tắc xả dòng chảy tối thiểu từ hồ A Vương thay đổi theo các thời kỳ cấp
nước (bình thường, gia tăng) khi mực nước Ái Nghĩa < 2,67m .................. 108
Hình 3.20. Quy tắc xả dòng chảy tối thiểu từ hồ A Vương thay đổi theo các thời kỳ cấp
nước (bình thường, gia tăng) khi mực nước Ái Nghĩa trong khoảng từ 2,67m
đến 2,80m. .................................................................................................... 109
Hình 3.21. Quá trình lưu lượng phát điện tối thiểu hồ A Vương theo từng thời đoạn .... 110
Hình 3.22. Quá trình lưu lượng xả tối thiểu xuống hạ lưu từ hồ Đăk Mi 4 .................... 111
Hình 3.23. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2015 ............................... 112
Hình 3.24. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2015 ............................. 112
Hình 3.25. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2016 ............................... 113
Hình 3.26. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2016 ............................. 113
Hình 3.27. Tổng sản lượng điện sản xuất mùa cạn giai đoạn 1981-2008 ....................... 117
Hình 3.28. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 1996 .............................. 119
Hình 3.29. Đường quá trình mực nước tại Ái Nghĩa mùa cạn 2003 ............................... 119
Hình 3.30. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 1996 ............................. 120
Hình 3.31. Đường quá trình mực nước tại Giao Thủy mùa cạn 2003 ............................ 120

xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ANN
BĐKH

Thuật toán mạng Nơron
Biến đổi khí hậu

GA
KB
LVS
NCS
NN&PTNT
QTVHLH
TNMT
VGTB

Thuật toán di truyền
Kịch bản
Lưu vực sông
Nghiên cứu sinh
Nông nghiệp và phát triển nông thôn
Quy trình vận hành liên hồ
Tài nguyên Môi trường
Vu Gia – Thu Bồn

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Từ hàng thế kỷ nay người ta đã nhận ra rằng việc phân bổ nước cho một đối
tượng sử dụng nước ở một điểm trong một khoảng thời gian sẽ có ảnh hưởng đến
các đối tượng sử dụng nước khác ở các điểm khác, trong các khoảng thời gian khác
nhau. Để giải quyết được vấn đề này, một trong các hướng tiếp cận đang nhận được
sự quan tâm hiện nay là coi lưu vực sông là một đơn vị trong quản lý và quy hoạch
tổng hợp. Điều này đã được thể hiện rất rõ ở Hội nghị quốc tế về Nước và Môi
trường 1992. Hội nghị đã lập ra các nguyên tắc Dublin, tập trung vào việc coi lưu
vực sông là một đơn vị phân tích.
Lưu vực sông là một hệ thống rất phức tạp về điều kiện tự nhiên, dân sinh
kinh tế và xã hội. Trong thực tế, việc phân bổ tài nguyên nước giữa người dùng
khác nhau/các đơn vị sử dụng nước khác nhau là một vấn đề không đơn giản ở
nhiều lưu vực sông (Harou, Paredes, Solera, & Andreu, 2012) [26]. Khi nhu cầu sử
dụng nước còn thấp so với khả năng cung cấp của hệ thống, tất cả các hộ sử dụng
nước đều có thể cùng tồn tại mà không có xung đột, tranh chấp. Lúc này, bài toán
phân bổ nguồn nước hợp lý chưa được đặt ra. Tuy nhiên, khi nhu cầu sử dụng nước
gia tăng giữa các hộ dùng nước như sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, thủy
điện… các xung đột về lợi ích sẽ gia tăng, đặc biệt trong mùa cạn khi nguồn nước
trên sông bị hạn chế (Liu, Chen, & Lou, 2009) [32]. Ở những lưu vực sông thiếu
nước hoặc khan hiếm nước, các mâu thuẫn càng gia tăng, dẫn đến vấn đề quản lý
phân bổ tài nguyên nước hiệu quả càng trở nên khó khăn.
(Roozbahani, Abbasi, Schreider, & Ardakani, 2014) [42] cho rằng sự cạnh tranh
giữa các hộ sử dụng nước trên cùng một lưu vực sông là một vấn đề lớn, phức tạp
đối với các nhà chức trách, nhà quy hoạch, đặc biệt là đối với lưu vực sông xuyên
biên giới. Điều này bắt nguồn từ một thực tế là không đủ nước để đáp ứng được tất
cả nhu cầu sử dụng nước của các bên. Việc thiếu sự phối hợp giữa các bên liên quan

trong lưu vực sông sẽ gây ra việc phân bổ nguồn nước một cách bất công và có thể


2

dẫn tới hậu quả tiêu cực cho một số bên. Cùng quan điểm, (W. Shao, D. Yang, H.
Hu, 2008) [53] và (Babel, Das Gupta, & Nayak, 2005) [21] cho rằng khi nguồn
nước khan hiếm và nhu cầu sử dụng nước gia tăng, mức độ khó khăn về phân bổ
nguồn nước sẽ gia tăng do việc xuất hiện các xung đột về lợi ích đòi hỏi cần cân
nhắc các biện pháp phân bổ nguồn nước hợp lý, hiệu quả nhằm tạo ra sự hài hòa
giữa các bên. Ngày nay, một trong các mâu thuẫn chính trong phân bổ tài nguyên
nước là mâu thuẫn về việc sử dụng nguồn nước giữa các đơn vị sử dụng nước ở
thượng nguồn và hạ nguồn các lưu vực sông. Các hộ sử dụng nước thượng lưu có
thể kể đến như thủy điện có xung đột về sử dụng nguồn nước với các hộ ở hạ lưu
bao gồm các ngành nông nghiệp, công nghiệp và dân sinh. (Kuenzer et al., 2013)
[30] khi nghiên cứu về các tác động của việc phát triển thủy điện tại thượng lưu tới
các đơn vị sử dụng nước khác tại hạ lưu sông Mekong, cho rằng: Việc xây dựng các
hồ chứa thủy điện sẽ hỗ trợ phát triển kinh tế và giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng
tăng cao trên lưu vực sông Mekong, các quốc gia ven sông, đặc biệt là Trung Quốc,
Thái Lan, và Việt Nam. Tuy nhiên, các tác động của thủy điện có thể kể đến như
làm thay đổi lưu lượng nước và phù sa, gây nên tác động tiêu cực đến môi trường và
sinh kế người dân vùng sông Mekong. Kết quả là các nước ở hạ lưu đang phải chịu
các tác động bất lợi trong khi các nước ở thượng lưu đơn phương được hưởng lợi từ
thủy điện. Tương tự, (Ringler, 2001) [41] đã xem xét mối quan hệ giữa thủy điện và
các đối tượng sử dụng nước khác (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, môi trường)
nhằm xây dựng mô hình tối ưu hóa phân bổ tài nguyên nước áp dụng cho lưu vực
sông Mekong, giảm thiểu các mâu thuẫn giữa các hộ sử dụng nước trong lưu vực.
( Ngo, L. Le., Madsen, H., & Rosbjerg, D, 2008) [39] cũng đã xem xét bài toán thỏa
hiệp giữa các mục tiêu phòng lũ và phát điện trên lưu vực sông Hồng, Việt Nam
thông qua việc tối ưu hoá vận hành hồ chứa Hoà Bình trong mùa lũ.

Đối với Việt Nam, mâu thuẫn và xung đột trong việc sử dụng và phân bổ
nguồn nước trên cùng một lưu vực sông càng tăng lên trong bối cảnh khan hiếm
nguồn nước càng nghiêm trọng. Theo Lê Bắc Huỳnh (2011) [6], những năm gần
đây, ở hạ lưu hầu hết các lưu vực sông (LVS) tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn


3

tới thiếu nước, khan hiếm nước diễn ra ngày một thường xuyên hơn, với quy mô và
mức độ ngày càng nghiêm trọng hơn, gây tác động lớn đến môi trường sinh thái và
làm gia tăng nguy cơ kém bền vững trong phát triển kinh tế - xã hội.
Trong mùa cạn, nguồn nước mặt suy giảm nghiêm trọng đã diễn ra ở hạ lưu
các hồ chứa thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, dẫn tới suy giảm liên tục
ở hạ lưu sông Hồng. Đây là hiện tượng hoàn toàn khác với bình thường vì về
nguyên tắc, các công trình hồ chứa đều có nhiệm vụ bổ sung nguồn nước vào mùa
cạn. Tình trạng trên còn khá phổ biến ở đa số các lưu vực sông khác như sông
Hương, Vu Gia-Thu Bồn, Trà Khúc, sông Kôn, sông Ba, Đồng Nai - Sài Gòn, Sê
San, Srêpôk... làm cho nhiều dòng sông vốn khá phong phú nguồn nước nay mất
dòng chảy hoặc cạn đến mức chưa từng thấy. Tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn
tới thiếu nước, hạn hán đã, đang xảy ra không chỉ ở một vài LVS mà còn bao trùm
cả vùng, miền hoặc ở khắp cả nước.
Hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn (VGTB) là hệ thống sông liên tỉnh lớn nhất
vùng ven biển miền Trung Việt Nam, có tổng lượng nước hàng năm là 20 tỷ
m3 năm. Toàn bộ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diện tích lưu
vực 10.350 km2, thuộc hai tỉnh Quảng Nam và Thành phố Đà N ng. Trong những
năm gần đây, vấn đề chia sẻ phân bổ nguồn nước đã và đang gây nhiều tranh luận
giữa các địa phương thuộc LVS VGTB, cũng như nhận được nhiều sự quan tâm từ
chính phủ, các nhà khoa học và các ban ngành của địa phương. Việc xây dựng hệ
thống hồ thủy điện trên sông VGTB dẫn đến mâu thuẫn trong việc chia sẻ nguồn
nước giữa các hộ dùng nước, giữa thượng du và hạ du… Một số nhà máy thủy điện,

trong thiết kế đã không quan tâm đầy đủ đến yêu cầu duy trì dòng chảy hạ du, phục
vụ nhu cầu sử dụng nguồn nước của dân sinh và các ngành kinh tế như nông nghiệp,
công nghiệp...
Thêm vào đó, khi thiết kế, các công trình thủy điện trên sông VGTB đều có
quy trình vận hành riêng, chủ yếu là cho nhiệm vụ phát điện, việc phối hợp vận
hành các hồ chứa trong hệ thống phục vụ đa mục tiêu vẫn chưa được xem xét chi
tiết. Đặc biệt, trong mùa cạn khi nguồn nước hạn chế thì công tác phối hợp vận


4

hành giữa các hồ chứa trên lưu vực sông lại càng cấp thiết nhằm vừa đảm bảo cung
cấp nguồn nước cho các ngành kinh tế, sinh hoạt và dịch vụ, vừa đảm bảo duy trì
nhiệm vụ phát điện. Vì vậy, nếu hệ thống hồ chứa không có sự phối hợp vận hành
hợp lý thì không những ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệm vụ phát điện của hồ mà còn
tác động đến khả năng cấp nước, duy trì môi trường phía hạ du.
Hiện nay, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quy trình vận hành liên hồ
cho lưu vực sông VGTB (Quy trình 1537) [18], trong đó đã quy định các hồ chứa
ngoài nhiệm vụ phát điện còn phải tham gia giảm lũ và duy trì dòng chảy dưới hạ
du. Tuy nhiên, vận hành hệ thống hồ chứa với mục tiêu phân bổ nguồn nước trong
mùa cạn như thế nào đảm bảo hài hòa các yêu cầu cấp nước, nhưng nâng cao hiệu
quả phát điện vẫn là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.
Chính vì vậy NCS đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu phân bổ nguồn nƣớc và
vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong mùa
cạn” làm đề tài nghiên cứu luận án Tiến sỹ.
Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào giải quyết bài toán kết hợp
mô phỏng-tối ưu hóa vận hành hệ thống hồ chứa, đặc biệt trong thời kỳ mùa cạn
làm cơ sở phục vụ việc phân bổ nguồn nước hồ chứa thủy điện một cách có hiệu
quả. Hướng đề tài luận án tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học, thiết lập bài
toán, hướng tiếp cận từ đó đề xuất mô hình mô phỏng-tối ưu điều tiết liên hồ chứa

phục vụ đa mục tiêu. Việc nghiên cứu sẽ được áp dụng đối với các hồ chứa lớn trên
hệ thống sông VGTB.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
 Xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý hệ thống hồ chứa
đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;
 Đề xuất được phương án phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa, đảm bảo hiệu
quả kinh tế tổng hợp (cao nhất).


5

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Phân bổ nguồn nước hợp lý cho các hồ chứa A Vương,
Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2 trên lưu vực sông VGTB.
 Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống lưu vực sông VGTB trong mùa cạn.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
Luận án sử dụng hai cách tiếp cận sau:
 Tiếp cận tổng thể: Cách tiếp cận này dựa theo quan điểm quản lý tổng hợp tài
nguyên nước, tổng hợp về không gian từ thượng lưu xuống hạ lưu trong phạm
vi lưu vực sông và tổng hợp liên ngành bao gồm thủy điện, thủy lợi, cấp nước.
 Tiếp cận hệ thống: Hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn
bao gồm các nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước và các yêu
cầu về sử dụng tài nguyên nước được nghiên cứu trên cơ sở mối quan hệ tương
tác giữa chúng.
Phƣơng pháp nghiên cứu
 Phương pháp kế thừa: Trên cơ sở việc nghiên cứu tổng quan cập nhật tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án kế thừa có chọn lọc các tài liệu và kết
quả của các công trình nghiên cứu liên quan đến vận hành hệ thống hồ chứa
liên quan tới các mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu, mô hình kết hợp giữa mô

phỏng và tối ưu hóa … để nghiên cứu, phân tích các ưu, nhược điểm của các
nghiên cứu, mô hình và đề xuất cơ sở khoa học, mô hình áp dụng việc vận
hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB.
 Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu: sử dụng để thu
thập thông tin, số liệu, từ đó thống kê, phân tích, xử lý dữ liệu đầu vào để thực


6

hiện các nội dung nghiên cứu, tính toán trong luận án. Các mô hình thống kê,
mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để tạo ra bộ số liệu cho đề tài.
 Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa sử
dụng trong vận hành liên hồ: Các thuật toán và mô hình được nghiên cứu sử
dụng một cách thích hợp nhằm phát huy ưu điểm của mô hình, kết hợp với
nhau cho từng bước giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa.
5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung luận án bao gồm:
 Nghiên cứu tổng quan về phân bổ nguồn nước hệ thống hồ chứa lưu
vực sông và vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu;
 Xây dựng cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa nhằm phân bổ
hợp lý nguồn nước LVS VGTB, đảm bảo hài hòa lợi ích về cấp nước
và phát điện trong mùa cạn, thông qua việc thiết lập các mô hình mô
phỏng chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên đến hệ thống hồ; mô hình mô
phỏng, mô hình tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa;
 Tính toán vận hành hệ thống hồ chứa LVS VGTB theo các kịch bản
nhằm nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước;
 Đề xuất lựa chọn kịch bản vận hành hồ chứa hợp lý cho lưu vực sông
VGTB.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học

Thông qua việc nghiên cứu kết hợp giữa mô hình mô phỏng và kỹ thuật tối
ưu, luận án đã xác lập được cơ sở khoa học xác định chế độ vận hành phân bổ
nguồn nước liên hồ chứa hợp lý nhằm hài hòa mục tiêu cấp nước và phát điện. Luận
án đã đi sâu trong tính toán phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa. Do đó, kết quả
nghiên cứu của luận án sẽ xác lập được cơ sở khoa học phân bổ nguồn nước hợp lý
hệ thống hồ chứa đáp ứng nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông.


7

Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu chế độ phối hợp vận hành phân bổ hợp lý nguồn nước hệ
thống hồ chứa lưu vực sông VGTB sẽ giúp cho việc điều hành của các cơ quan
quản lý thuận tiện hơn nhằm vừa đảm bảo cung cấp nguồn nước cho các ngành kinh
tế, sinh hoạt và dịch vụ trong mùa cạn ở lưu vực sông, vừa đảm bảo duy trì nhiệm
vụ phát điện, đảm bảo hiệu quả kinh tế tổng hợp (cao nhất); góp phần bổ sung, điều
chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông VGTB (Quy trình 1537).
7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và bàn luận, luận án được bố cục trong 3
chương, bao gồm:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và các phương pháp tính toán
vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước lưu vực sông. Chương này trình bày
tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa trên thế giới, trong nước và
trên lưu vực sông VGTB với ứng dụng lần lượt các phương pháp mô phỏng,
tối ưu, từ đó thấy được những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu và đưa ra
được định hướng nghiên cứu trong Luận án.
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình phân bổ nguồn
nước và vận hành hợp lý hệ thống hồ chứa lưu vực sông VGTB trong mùa
cạn. Chương này trình bày nội dung xây dựng các cơ sở khoa học cần thiết
để phối hợp vận hành hệ thống hồ chứa phục vụ công tác phân bổ nguồn

nước lưu vực sông VGTB. Nội dung bao gồm nghiên cứu xây dựng mô hình
mô phỏng ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ có xét tới tương quan về thủy văn
trong hệ thống; Xây dựng mô hình mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa;
Xây dựng mô hình tìm kiếm tối ưu và kết nối với mô hình mô phỏng vận
hành hồ chứa;
Chương 3: Kết quả tính toán vận hành hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông
VGTB nâng cao hiệu quả phân bổ nguồn nước. Chương này trình bày các kết


8

quả tính toán vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa trên hệ thống sông
VGTB với mô hình kết hợp mô phỏng – tối ưu tính toán tối đa sản lượng
điện từ các hồ trong khi đảm bảo nhu cầu sử dụng nước hạ lưu. Mô hình sẽ
được sử dụng để tính toán nhiều kịch bản nhằm tìm ra kịch bản có lợi nhất,
tính toán kiểm tra bằng các mô hình mô phỏng hệ thống, từ đó đánh giá để
đưa ra những khuyến nghị khi sử dụng trong thực tế phối hợp vận hành hệ
thống liên hồ chứa lưu vực sông VGTB.
8. Những đóng góp mới của luận án
 Xác lập được cơ sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa trong phân bổ
hợp lý nguồn nước lưu vực sông VGTB trong mùa cạn;
 Bước đầu đề xuất xác lập được quy trình vận hành tối ưu hệ thống 04 hồ
chứa lớn nhất trên lưu vực sông VGTB bao gồm (hồ chứa A Vương,
Sông Bung 4, Đăk Mi 4 và Sông Tranh 2) đảm bảo tối đa hóa điện lượng
sản xuất từ các hồ chứa phát điện và hài hòa mục tiêu đáp ứng yêu cầu
cấp nước hạ du;


9

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP
TÍNH TOÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƢỚC HỒ CHỨA THEO
LƢU VỰC SÔNG

1.1.

Một số thuật ngữ và định nghĩa

Tài nguyên nước: bao gồm nguồn nước mặt, nước dưới đất, nước mưa và
nước biển thuộc lãnh thổ của nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam. (Luật
TNN 2012) [14].
Nguồn nước: là các dạng tích tụ nước tự nhiên hoặc nhân tạo có thể khai
thác, sử dụng bao gồm sông, suối, kênh, rạch, hồ, ao, đầm, phá, biển, các tầng chứa
nước dưới đất; mưa, băng, tuyết và các dạng tích tụ nước khác. (Luật TNN 2012)
[14].
Hồ chứa (reservoir): là công trình trữ và điều tiết nước, bao gồm vùng lòng
hồ được tính từ cao trình đỉnh đập trở xuống và đập tạo hồ chứa.
(TCVN8414:2010). Công trình tích nước và điều tiết dòng chảy nhằm cung cấp
nước cho các ngành kinh tế quốc dân, sản xuất điện năng, cắt giảm lũ cho vùng hạ
lưu v.v... (QCVN 04-05:2012/BNNPTNT) [15].
Hệ thống hồ chứa: là hệ thống bao gồm nhiều hồ chứa trên một dòng sông
hoặc trên một hệ thống sông liên quan với nhau về mặt khai thác, sử dụng tài
nguyên nước; điều tiết dòng chảy sông; phòng, chống tác hai do nước gây ra và bảo
vệ môi trường trên lưu vực sông. (NĐ 112:2008) [16].
Phân bổ nguồn nước: được hiểu là sự phối hợp vận hành giữa các hồ chứa
nhằm phân bổ lại tỷ lệ đóng góp nước của các hồ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng
nước của hạ du.
Quy trình vận hành điều tiết hồ chứa nước: là văn bản quy định về nguyên
tắc, nội dung và trình tự vận hành các công trình của hồ chứa nước để điều chỉnh
việc trữ nước, cấp nước và xả nước trong các trường hợp khác nhau của thời tiết

hoặc khi yêu cầu cấp nước thay đổi, đảm bảo hồ chứa làm việc đúng với năng lực


10

thiết kế và các điều kiện đã lựa chọn; hạn chế thiệt hai khi hồ chứa gặp lũ vượt thiết
kế hoặc dòng chảy kiệt nhỏ hơn thiết kế. (TCN 121_2002) [17].
Biểu đồ điều phối hồ chứa nước: là biểu đồ kỹ thuật xác định giới hạn làm
việc an toàn về phòng chống lũ và cấp nước của hồ chứa, giúp người quản lý chủ
động vận hành khai thác. (TCN 121_2002) [17].
Đường phòng phá hoại trong biểu đồ điều phối: là giới hạn trên vùng cấp
nước bình thường của hồ chứa nước.(TCN 121_2002) [17].
Đường hạn chế cấp nước trong biểu đồ điều phối: là giới hạn dưới vùng cấp
nước bình thường của hồ chứa nước.(TCN 121_2002) [17].
Lưu vực sông: là vùng đất mà trong phạm vi đó nước măt, nước dưới đất
chảy tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển. (Luật TNN
2012) [14].
Dòng chảy tối thiểu: là dòng chảy ở mức thấp nhất cần thiết để duy trì dòng
sông hoặc đoạn sông nhằm đảm bảo sự phát triển bình thường của hệ sinh thái thủy
sinh và bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng nguồn nước của các
đối tượng sử dụng nước. (Luật TNN 2012) [14].
1.2.

Tổng quan tình hình nghiên cứu phân bổ nguồn nƣớc lƣu vực sông
trên thế giới và Việt Nam

1.2.1. Hồ chứa và các phương pháp vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa
Hồ chứa là công trình thủy lợi, thủy điện làm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy,
trữ nước vào mùa lũ để sử dụng trong mùa cạn và hoặc tích lũy thế năng để chuyển
thành năng lượng điện. Căn cứ vào đặc điểm điều tiết dòng chảy, có thể phân loại

hồ chứa dựa vào chu kỳ, mục đích điều tiết, mức độ sử dụng dòng chảy… Theo
mục đích điều tiết, có thể phân loại hồ chứa điều tiết phục vụ tưới, phát điện, cấp
nước (không kể cấp nước tưới), vận tải thủy, phòng lũ và các loại điều tiết khác.
Hầu hết các hồ chứa lớn hiện nay là các hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Tuy
nhiên, các mục tiêu cơ bản của hồ chứa thường lại mâu thuẫn với nhau. Có thể kể
đến các mâu thuẫn sau: (i) Mâu thuẫn trong việc sử dụng dung tích hồ chứa: Các


11

mâu thuẫn này xuất hiện khi một hồ chứa (có dung tích hạn chế) được yêu cầu phải
thỏa mãn nhiều mục tiêu; (ii) Mâu thuẫn giữa các mục tiêu : mâu thuẫn này nảy sinh
khi chế độ vận hành cấp nước cho các mục tiêu là khác nhau; (iii) Mâu thuẫn trong
cùng một mục tiêu: nhu cầu nước và lượng nước đến thường không phải lúc nào
cũng thoả mãn theo thời gian, đòi hỏi việc tiết kiệm nước cần được đặt ra trong khi
vận hành các hồ chứa.
Để tránh xung đột giữa các mục tiêu, nhiều phương pháp đã được xây dựng
và giới thiệu nhằm hỗ trợ cho công tác vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa hợp
lý và có hiệu quả trên lưu vực sông. Tuy nhiên tựu chung lại có 02 phương pháp cơ
bản là (1) Phương pháp quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối và (2)
Phương pháp quản lý vận hành hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống.
Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối: Hướng nghiên cứu này
thường được sử dụng đối với hồ chứa độc lập đơn thuần và chỉ có nhiệm vụ cấp
nước phát điện và chống lũ cho bản thân công trình. Biểu đồ điều phối là căn cứ
chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận hành hồ chứa thông qua các quy tắc
vận hành được biểu diễn dưới dạng đồ thị hay bảng hướng dẫn theo mực nước
(dung tích) hồ theo thời gian trong năm. Các biểu đồ điều phối được sử dụng cả đối
với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm trong hệ thống bậc thang. Tuy nhiên,
hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng có hiệu quả đối với các hồ chứa độc
lập.

Quản lý vận hành hồ chứa theo mô hình vận hành hệ thống: Đây là
phương pháp quản lý hiện đại. Hệ thống các hồ chứa và công trình phân phối nước
được thiết lập như một hệ thống tổng hợp. Các nghiên cứu theo hướng này tập trung
xây dựng các mô hình mô phỏng kết hợp với dự báo để trợ giúp điều hành cho công
tác quản lý vận hành. Các phương pháp quản lý vận hành phân bổ nguồn nước hồ
chứa theo hướng này có thể kể đến là phương pháp sử dụng các mô hình mô phỏng,
phương pháp tối ưu hóa và phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và tối ưu (Louck
and Eelco van Beek, 2005), (Liu et al., 2009), (Husain, 2012), (Fayaed, El-Shafie,
& Jaafar, 2013) and (Ahmad, El-Shafie, Razali, & Mohamad, 2014) [33], [32], [28],


12

[24], [19]... Trong khi các mô hình mô phỏng có thể mô tả hệ thống một cách tốt
nhất thì các mô hình tối ưu thường hữu ích nếu mục đích chính là cải thiện biểu hiện
của hệ thống. Các mô hình cũng có thể có khả năng mô phỏng và tối ưu đồng thời
(Mckinney, Cai, Rosegrant, Ringler, & Scott, 1999) [35].
1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu vận hành phân bổ nguồn nước hồ chứa sử
dụng phương pháp mô phỏng
Vì không có khả năng để dựng một mô hình vật lý thí nghiệm các hoạt động
của hồ chứa trong thực tế, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng
trong nghiên cứu nhằm mô phỏng các phương án vận hành để tìm hiểu sâu hơn về
hoạt động của hồ chứa. Bản chất của mô phỏng là mô tả lại hoạt động của hệ thống,
mọi đặc trưng quan trọng của hệ thống để thấy phản ứng của hệ thống đối với các
điều kiện, kịch bản đưa ra, từ đó có thể giúp hình dung về hệ thống thực hoạt động
như thế nào theo thời gian theo từng điều kiện thay đổi.
Các mô hình mô phỏng không thể tạo ra một giải pháp tối ưu trực tiếp cho
việc vận hành hồ chứa phân bổ nguồn nước. Tuy nhiên, khi chạy mô hình mô phỏng
nhiều lần với các kịch bản khác nhau sẽ hỗ trợ việc tìm ra một kịch bản phù hợp
nhất hoặc gần phù hợp nhất (Fayaed et al., 2013) và (Teegavarapu & Simonovic,

2014) [24], [47]. Nói một cách khác, Rani & Moreira (2010) [40] cho rằng phương
pháp mô phỏng thường được sử dụng để mô tả lại hoạt động về mặt thủy văn, thủy
lực của các hệ thống tài nguyên nước lưu vực sông trong đó sử dụng các số liệu
dòng vào trong các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống.
Trong lĩnh vực quản lý tổng hợp tài nguyên nước, phương pháp mô phỏng
lần đầu tiên được hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ (US Army Corps of EngineersUSACE) sử dụng để lập kế hoạch và quản lý nguồn tài nguyên nước sông Missouri
vào năm 1962. Sau đó Chương trình Nước Harvard (Harvard Water Program) áp
dụng kỹ thuật mô phỏng các thiết kế về kinh tế áp dụng cho các nguồn tài nguyên
nước. Dần dần, các mô hình mô phỏng hoàn chỉnh đã được xây dựng và giới thiệu
như các mô hình họ HEC (HEC3, HEC5, HEC RESSIM – giới thiệu chi tiết tại Mục


13

2.3.4.1) - được phát triển tại Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Hydrologic Engineering
Centre – HEC) của quân đội Mỹ, phục vụ cho cho mô phỏng hồ chứa; mô hình IRIS
-Interactive River System Simulation-cho giải quyết các bài toán liên quan tới vấn
đề tranh chấp tài nguyên nước cho các lưu vực sông xuyên biên giới…(Rani &
Moreira, 2010) [40].
Wurbs and Karama (1995) sử dụng kỹ thuật mô phỏng để đánh giá tác động
của xâm nhập mặn tới khả năng cung cấp và phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông
Brazos, Mỹ. Nghiên cứu về mô phỏng hệ thống hồ chứa chi tiết đã được Jain (2005)
thực hiện trong việc phân tích và thiết kế một hệ thống phân bổ nguồn nước giữa
các lưu vực sông tại Ấn Độ (large inter-basin water transfer system). Nghiên cứu đã
giới thiệu các bước phức tạp liên quan tới việc hoạch định một kế hoạch chuyển
nước giữa các lưu vực lớn và chứng minh hiệu quả của các mô hình mô phỏng trong
việc tìm kiếm các giải pháp cho phân bổ nguồn nước hiệu quả và chấp nhận được
(Rani & Moreira, 2010) [40].
Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) [7] đã áp dụng mô hình HECRESSIM mô phỏng điều tiết lũ cho hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hương. Mô
hình cho phép xác định thứ tự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm

phân bổ nguồn nước và kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương.
Hoàng Thanh Tùng cùng các cộng sự của mình đã sử dụng mô hình WEAP
(Water Evaluation and Planning System - Hệ thống Đánh giá và Quy hoạch nguồn
nước) tính toán phân bổ nguồn nước cho lưu vực sông Ba (Việt Nam). Kết quả
nghiên cứu cho thấy đây là một mô hình mô phỏng khá tốt và là một công cụ đơn
giản và hữu hiệu nhằm đưa ra phương án phân bổ nguồn nước hợp lý hơn cho lưu
vực sông Ba, góp phần tăng hiệu quả kinh tế từ các hoạt động dùng nước. Nhóm
nghiên cứu đã tiến hành tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Ba, kết hợp với
với nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sông, dựa trên Xây dựng bài toán kinh
tế trong giai đoạn 2010 – 2020 theo từng kịch bản. Nghiên cứu mới dừng lại ở mức
độ sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với mô hình phân tích tài chính cho bài toán