TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiêN

Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Ba tỷ lệ 1/100.000

1.2.4. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba

* Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba

Hiện nay trên lưu vực sông Ba có rất nhiều hồ đập và trạm bơm, đập dâng, tất cả có 290 công trình phân bố tập trung các công trình theo 3 tỉnh:

+ Tỉnh Phú Yên có 75 công trình hồ và đập trong đó có 41 hồ chứa.

+ Tỉnh Đăk Lăk có 119 hồ chứa.

+ Tỉnh Gia Lai có 96 hồ chứa, 82 đập dâng, 20 trạm bơm.

Trong 290 công trình thì phần lớn thuộc loại hồ chứa nhỏ. Trong đó, đáng chú ý có 5 công trình thủy điện thuộc loại lớn: Kanak - An Khê , Ayun Hạ, Ea Krông Hnăng, sông Hinh, sông Ba Hạ.

Trên lưu vực sông Ba có rất nhiều hồ chứa: tại tỉnh Phú Yên có 41 hồ chứa, ở tỉnh ĐăkLăk có 119 hồ chứa và Gia Lai có 96 hồ chứa trong đó có 55 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 854 MW và 3.9 tỷ kwh..

Hồ sông Ba Hạ cách trạm thủy văn Củng Sơn 10 km, là một hồ chứa phát điện lớn nhất trên sông Ba. Đây là một hồ chứa lợi dụng tổng hợp phục vụ các mục tiêu phát điện, tưới, phòng lũ và cấp nước sinh hoạt. Nhà máy thuỷ điện sông Ba Hạ được xây dựng trên địa bàn hai huyện sông Hinh và Sơn Hoà tỉnh Phú Yên. Nhà máy đảm bảo một công suất lắp máy là 220 MW, công suất đảm bảo với Q90% là 33.3 MW, điện năng bình quân nhiều năm E₀ = 825 kwh và hỗ trợ cho đập Đồng Cam để tưới 19800 ha ruộng.

Trong mùa kiệt, hồ chứa sông Ba Hạ có nhiệm vụ cấp nước cho yêu cầu phát điện và các nhu cầu như tưới, sinh hoạt và các hoạt động kinh tế khác, trong khi dòng chảy đến hồ lại nhỏ.

Mùa kiệt năm 1983 là kiệt nhất trong dãy số liệu đo đạc, được chọn là năm điển hình để tính toán điều tiết. Khóa luận này xem xét khả năng điều tiết của hồ sông Ba Hạ trong những tháng kiệt của năm 1983.

Hình 1.5: Vị trí các hồ chứa trên lưu vực sông Ba

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ATHEN ĐIỀU TIẾT LIÊN HỒ CHỨA

Tên của mô hình Athen (RMM-NTUA) là tên viết tắt của Reservoir Management Model, nghĩa là mô hình quản lý (điều hành) hồ chứa. Mô hình được xây dựng bởi Andreas Efstratiadis, Stefanos Kozanis và Liagos Giannis Athens, tại trường Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens (Hy Lạp), ngày 25 tháng 10 năm 2007 (phiên bản 1), 18 tháng 2 năm 2010 (phiên bản 2), mô hình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Delphi.

Mục tiêu chính của mô hình: Mô hình kết hợp sử dụng nước và phân định các quy tắc hoạt động cho mỗi lần sử dụng, trong đó có tính đến tất cả các thành phần cân bằng nước cần thiết, kể cả hao hụt do bốc hơi và rò rỉ.

Thứ hai, mô hình bảo đảm tính linh hoạt về thời gian (từ hàng ngày đến hàng tháng).

Thứ ba, mô hình cung cấp một giao diện thân thiện cho người dùng để xử lý dữ liệu và tính toán vận hành điều tiết hồ chứa.

2.1. Cơ sở phát triển mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa

Hiện tại mô hình Athen chỉ vận hành cho đơn hồ chứa, do vậy muốn điều tiết liên hồ chứa phải phát triển thành liên hồ chứa. Mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa được phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết của mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum để diễn toán dòng chảy trong sông. Trong phương pháp này quá trình diễn toán được tiến hành trên một nhánh sông độc lập từ thượng lưu xuống hạ lưu, các ảnh hưởng của nước vật trên đường mặt nước như nước nhảy hay sóng đều không được xem xét.

Trong mô hình Athen vận hành điều tiết liên hồ chứa được chia làm hai khối :

Đây là một trong những khối quan trọng nhất. Với đầu vào của hệ thống là đường quá trình dòng chảy đến theo thời gian (Q-t), các thông số của công trình và nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước, thông qua chương trình điều tiết hoạt động xả nước từ các nhà máy. Từ đây lựa chọn phương thức vận hành hệ thống hồ chứa đạt hiệu ích cao nhất. Nhiệm vụ của khối này được mô hình Athen đảm nhận.

Sản phẩm sau khi mô hình Athen đơn hồ chứa chỉ là lưu lượng xả qua các hồ không có khả năng diễn toán dòng chảy xuống hạ du, vì vậy, cần phải dùng phương pháp diễn toán dòng chảy xuống hạ du. Phương pháp sử dụng ở đây là phương pháp Muskingum.

Dòng chảy vào hồ chứa được xác định theo kết quả dự báo hay bằng thuật toán tạo chuỗi ngẫu nhiên.

Dòng chảy vào hồ chứa thượng lưu đầu tiên được diễn toán qua hồ theo mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa.

Dòng chảy xả qua hồ được diễn toán tiếp theo về hồ chứa thứ 2 theo phương pháp Muskingum. Ở đây có 2 trường hợp :

+ Nếu 2 hồ chứa song song: Dòng chảy từ 2 hồ chứa được cộng lại, có tính đến độ lệch thời gian chảy truyền.

+ Nếu 2 hồ chứa là nối tiếp: Dòng chảy từ hồ thứ nhất giữ nguyên, diễn toán về hồ thứ 2 theo Muskingum, có tính đến thời gian chảy truyền.

Dòng chảy sau khi được tổng hợp lại diễn toán theo Muskingum vào hồ tiếp theo. Việc phân biệt 2 hồ chứa song song hay nối tiếp vẫn được tiếp tục thực hiện.

Trong hồ chứa tiếp theo lại sử dụng mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa để tính toán điều tiết.

Sau khi vận hành hồ chứa cuối cùng, lượng xả được diễn toán theo Muskingum về điểm kiểm soát cuối cùng.

Sơ đồ tổng quát phát triển mô hình Athen cho liên hồ chứa chỉ ra trong hình sau:

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát phát triển mô hình Athen

2.2. Lý thuyết mô hình Athen

2.2.1. Các thành phần mô hình

+ Mô hình mô phỏng hồ chứa

Dữ liệu đầu vào bao gồm: bước thời gian và thời điểm bắt đầu của mô phỏng, dữ liệu lượng nước trữ và diện tích bề mặt hồ (được đưa ra bằng chuỗi các số liệu), mực nước đặc trưng (lớn nhất, nhỏ nhất, ban đầu), diện tích lưu vực thượng lưu, chuỗi thời gian mưa và bốc hơi, chuỗi thời gian dòng chảy mặt, hệ số tổn thất thoát ra khỏi hồ (hàng tháng), thuộc tính sử dụng nước (gồm thứ tự ưu tiên, chuỗi thời gian yêu cầu, nguyên tắc vận hành).

+ Phân định các quy tắc vận hành

Trong quy tắc vận hành, xác định lượng xả r_i^*, tương ứng với sử dụng nước thứ i, là một hàm của mực nước thực tế, z. Lượng xả được biểu thị như là tỷ lệ của các nhu cầu thực d_i, để mỗi lần sử dụng có thể gắn với từng hàm bước tính, thể hiện dưới dạng các cặp điểm (λ_ij, z_ij), trong đó z_min ≤ z_ij ≤ z_max và 0 ≤ λ_ij ≤ 1, không có giới hạn về số lượng của các cặp (λ_ij, z_ij).

Hình 2.2: Quan hệ λij, zij trong mô hình Athen

Với đầu vào: s_t lượng trữ thực tế, q_t độ sâu dòng chảy mặt thượng lưu, p_t độ sâu mưa, e_t độ sâu bốc hơi

Lưu lượng vào được hiệu chỉnh theo công thức:

i_t = q_t (a - a_t) + p_t a_t - e_t a_t (1)

trong đó: a_t là diện tích mặt hồ

a là diện tích lưu vực thực tế

Lượng tổn thất do rò rỉ, bốc hơi, ước lượng theo công thức:

l_t (z_t) = α z_t³ + β z_t ² + γ z_t + δ (2)

trong đó: z_t là mực nước thực tế

α, β, γ, δ: là hằng số, thay đổi theo tháng (vì tổn thất có thể biến động theo mùa của mực nước ngầm).

Lượng nước thực, trước khi xả (i = 0), được cho bởi:

s_0t = s_t + i_t - l_t (3)

Ngoài ra, lượng xả từ hồ chứa được thực hiện theo phân cấp sử dụng nước (đối với những sử dụng i = 1, ..., n). Giả thiết, nhu cầu sử dụng nước thứ i, lượng xả mong muốn tương ứng được xác định trên cơ sở mực nước thực tế và nhu cầu thực tế, nghĩa là:

r_it^* = λ_ij d_it, với λ_ij = f (z_t) (4)

Lượng xả thực tế không được vượt quá dung tích hữu ích thực:

r_it = min (r_it^*, s_{i-1, t} - s_min) (5)

Khi đó, lượng nước có trong hồ chứa (lượng trữ hồ chứa):

s_it = s_{i-1, t} - r_it (6)

Sau đó, tính toán lại mực nước hồ chứa, tương ứng với các lượng trữ mới.

Khi tất cả các nhu cầu được đáp ứng, lượng tràn ước tính bằng:

w_t = max (0, s_nt - s_max) (7)

Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán vận hành đơn hồ chứa

Phương pháp Muskingum là một phương pháp diễn toán lũ đã được dùng phổ biến để điều khiển quan hệ động giữa lượng trữ và lưu lượng. Phương pháp này đã mô hình hoá lượng trữ của lũ trong một lòng sông bằng tổ hợp của hai loại dung tích, một dung tích hình nêm và một dung tích lăng trụ. Trong khi lũ lên, dòng vào vượt quá dòng ra nên đã tạo ra một dung tích hình nêm. Khi lũ rút, lưu lượng dòng ra lớn hơn lưu lượng dòng vào, dẫn đến dung tích hình nêm mang dấu âm. Ngoài ra, ta còn có dung tích lăng trụ được tạo thành bởi thể tích của lòng dẫn lăng trụ với diện tích mặt cắt ngang không đổi dọc theo lòng dẫn.

Giả thiết rằng, diện tích mặt cắt ngang của dòng lũ tỷ lệ thuận với lưu lượng đi qua mặt cắt đó, thể tích của lượng trữ lăng trụ là KQ, trong đó K là hệ số tỷ lệ. Thể tích của lượng trữ hình nêm là KX(I - Q), trong đó X là một trọng số có giá trị nằm trong khoảng . Do đó, tổng lượng trữ sẽ bằng tổng của hai lượng trữ thành phần:

S = KQ + KX(I - Q) (9)

Phương trình lượng trữ của phương pháp Muskingum được viết dưới dạng:

S = K[XI + (1-X)Q] (9)

Phương trình này tiêu biểu cho một mô hình tuyến tính để diễn toán dòng chảy trong các dòng sông.

Giá trị của X phụ thuộc vào hình dạng của dung tích hình nêm đã mô hình hoá. Giá trị của X thay đổi từ 0 đối với loại dung tích kiêủ hồ chứa, đến 0.5 đối với dung tích hình nêm đầy. Khi X = 0, dung tích hình nêm không tồn tại và do đó cũng không có nước vật. Đó là trường hợp của một hồ chứa có mặt nước nằm ngang. Trong trường hợp này, phương trình (9) sẽ dẫn đến một mô hình hồ chứa tuyến tính, S = KQ. Trong các sông thiên nhiên, X lấy giá trị giữa 0 và 0,3 với giá trị trung bình gần với 0,2. Việc xác định X với độ chính xác cao là không cần thiết, bởi vì các kết quả tính toán của phương pháp này tương đối ít nhạy cảm với giá trị của X. Tham số K là thời gian chảy truyền của sóng lũ qua đoạn lòng dẫn. Để xác định các giá trị của K và X trên cơ sở các đặc tính của lòng dẫn và lưu lượng, ta có thể sử dụng một phương pháp gọi là Muskingum- Cunge. Trong diễn toán lũ, giá trị của K và X được giả thiết đã biết và không đổi trên toàn phạm vi thay đổi của dòng chảy.

Các giá trị của lượng trữ tại thời điểm j và j+1 theo (9) được viết là :

S_j = K[XI_j+(1-X)Q_j] (10)

S_j+1 = K[XI_j+1+(1-X)Q_j+1] (11)

Sử dụng các phương trình (10) và (11), ta tính đươc số gia của lượng trữ trên khoảng thời gian t là :

S_j+1- S_j =K{[XI_j+1+(1-X)Q_j+1]- [XI_j+(1-X)Q_j]} (12)

Số gia của lượng trữ còn có thể biểu thị bằng phương trình:

Kết hợp (2.53) , (2.54) và sau khi rút gọn ta thu được:

Q_j+1 = C₁I_j+1+C₂I_j + C₃Q_j (14)

đó là phương trình diễn toán của phương pháp Muskingum, trong đó

Lưu ý rằng : C₁+C₂ +C₃ = 1

Ta có thể xác định được K và X nếu trong đoạn sông đang xét đã có sẵn các đường quá trình lưu lượng thực đo của dòng vào và dòng ra. Giả thiết nhiều giá trị khác nhau của X và sử dụng các giá trị đã biết của các đường quá trình lưu lượng, ta tính được các giá trị liên tiếp của tử số và mẫu số trong biểu thức của K được suy ra từ (12), (13).

(18)

Các giá trị tính toán của tử số và mẫu số cho từng khoảng thời gian được chấm trên đồ thị với tử số được đặt trên trục tung và mẫu số đặt trên trục hoành. Nói chung, ta sẽ thu được một đồ thị có dạng đường vòng dây. Giá trị đúng của X là giá trị làm cho đường vòng dây thu hẹp gần sát nhất thành một đường đơn nhất và độ dốc của đường này theo (18) chính là K. Bởi vì K là thời gian cần thiết để sóng lũ vận động qua đoạn lòng dẫn nên giá trị của nó có thể được ước lượng bằng thời gian chảy truyền thực đo của đỉnh lũ trong đoạn lòng dẫn đang xét.

Nếu ta không có số liệu thực đo các đường quá trình lưu lượng của dòng vào và dòng ra để xác định K và X, các giá trị này có thể được ước lượng bằng phương pháp Muskingum- Cunge.

2.4. Liên kết mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum

Dòng chảy vào hồ chứa được xác định theo kết quả dự báo hay bằng thuật toán tạo chuỗi ngẫu nhiên.

Dòng chảy vào hồ chứa thượng lưu đầu tiên được diễn toán qua hồ theo mô hình Athen điều tiết đơn hồ chứa.

Dòng chảy xả qua hồ được diễn toán tiếp theo về hồ chứa thứ 2 theo phương pháp Muskingum. Ở đây có 2 trường hợp :

+ Nếu 2 hồ chứa song song: Dòng chảy từ 2 hồ chứa được cộng lại, có tính đến độ lệch thời gian chảy truyền.

+ Nếu 2 hồ chứa là nối tiếp: Dòng chảy từ hồ thứ nhất giữ nguyên, diễn toán về hồ thứ 2 theo Muskingum, có tính đến thời gian chảy truyền.

Mỗi đoạn sông có bộ thông số x, k (trên lưu vực sông Ba, tác giả chia thành 7 đoạn sông cần diễn toán) và các tham số này sẽ được xác định theo phương pháp tối ưu hoá hoặc bằng phương pháp thử sai. Lấy ví dụ mạng sông có cấu trúc như dưới đây gồm 7 đoạn sông (1-3; 2-3;4- 5; 3-5; 5-7; 6-7; 7-8) và tương ứng sẽ có 7 bộ thông số k và x. Việc diễn toán lũ theo mô hình Muskingum sẽ được thực hiện cho tứng đoạn sông. Tại những nút hợp lưu giữa hai đoạn sông thì lưu lượng đầu đoạn hợp lưu sẽ bằng tổng của lưu lượng tại các đoạn tạo nên hợp lưu đó. Ví dụ tại nút 5 ta có lưu lượng đầu đoạn 5-7:

Q_tr(5-7)(t) = Q_d(4-5)(t)+Q_d(3-5)(t) (19)

Trong đó Q_tr(5-7)(t), Q_d(4-5)(t)  Q_d(3-5)(t) tương ứng là lưu lượng đầu đoạn (5-7) và các lưu lượng cuối đoạn (4-5) và đoạn (3-5).

Hình 2.4: Sơ đồ diễn toán mô hình Athen đơn hồ chứa và phương pháp Muskingum

- Vì thời gian có hạn, Luận văn chỉ liên kết mô hình Athen với phương pháp Muskingum dưới dạng độc lập (tức là chạy riêng rẽ từng chương trình rồi kết nối lại với nhau), chưa đưa vào một phần mềm liên kết tổng quát.

- Trong mô hình Athen, Luận văn điều chỉnh lại quy tắc ưu tiên theo các kịch bản tự thiết lập theo các cấp mực nước, từ mực nước chết tới mực nước dâng bình thường của hồ.

2.5. Yêu cầu tệp số liệu đầu vào cho mô hình Athen điều tiết liên hồ chứa

* Hệ điều hành hồ chứa.

* Số liệu dòng chảy đến hồ, mưa và bốc hơi trên lưu vực.

* Số liệu nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước.

* Số liệu đặc trưng hồ chứa Z  W  F.

* Số liệu địa hình và thủy lực đoạn sông gồm: độ dài, độ nhám, độ dốc và thời gian chảy truyền từng đoạn sông.

3.1. Dữ liệu đầu vào của mô hình

3.1.1. Số liệu thủy văn và đặc trưng hồ chứa

Việc diễn toán được thực hiện với chuỗi số liệu dòng chảy ngày ứng với tần suất 90% và nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước (lấy từ số liệu của Đề tài KC08.30/06 - 10. 2010, do PGS. TS Nguyễn Hữu Khải làm chủ nhiệm) và bắt đầu được tính toán từ ngày 01 tháng 01 đến ngày 31 tháng 8 năm 1983, kết hợp với số liệu các quan hệ đặc trưng Z  W  F của các hồ chứa trên lưu vực sông Ba. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình sử dụng số liệu mùa kiệt năm 1982 và năm 1983, tức là các tháng kiệt (từ tháng 01 đến tháng 8) năm 1982 và năm 1983 tại các hồ chứa như: An Khê, Yayun hạ, Krông Hnăng, sông Hinh và Sông Ba Hạ. Số liệu được thể hiện ở phụ lục II.

Số liệu đầu vào được sắp xếp trong mô hình Athen như sau:

Hình 3.1: Các file số liệu đầu vào của mô hình Athen

Trong đó:

coef1 - Hệ số điều hành Thủy điện;

coef2 - Hệ số điều hành cho công nghiệp;

coef3 - Hệ số điều hành cho tưới;

coef4 - Hệ số điều hành cho sinh hoạt;

daily-evaporation-height là chuỗi số liệu lượng bốc hơi ngày, đơn vị mm,

daily-rainfall-height là chuỗi số liệu lượng mưa ngày, đơn vị mm,

daily-runoff-volume là chuỗi số liệu ngày dòng chảy đến hồ, đơn vị tr.m³,

reservoir_hsvb là số liệu quan hệ đặc trưng Z  W  F của các hồ chứa.

Hình 3.2: Đường quá trình Q~t của các trạm trên sông Ba năm 1982