Tài liệu Mô phỏng các kịch bản điều tiết hệ thống hồ chứa lưu vực sông ba

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Dương Thị Thanh Hương MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN ĐIỀU TIẾT HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2010 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Dương Thị Thanh Hương MÔ PHỎNG CÁC KỊCH BẢN ĐIỀU TIẾT HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học 60.44.90 Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỚI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TIỀN GIANG Hà Nội - 2010 2 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ khoa học: “Mô phỏng các kịch bản điều tiết hệ thống hồ chứa lưu vực sông Ba” hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải Dương học thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội vào tháng 12 năm 2010, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS. Nguyễn Tiền Giang. Tác giả xin bầy tỏ sự cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Tiền Giang đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn. Tác giả xin bầ y tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo Khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải Dương học đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu của PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải, chủ nhiệm Đề tài KC 08-30. Tác giả cũng xin cám ơn PGS.TS. Hoàng Văn Lai cùng các đồng nghiệp tại Phòng Thủy Tin học, Thủy Khí Công nghiệp và Môi trường Lục địa, Viện Cơ học đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn. Trong khuôn khổ luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ phía độc giả và những người quan tâm. TÁC GIẢ 3 MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt………………………………….. 1 Danh mục bảng biểu…………………………………….. 1 Danh mục hình vẽ……………………………………….. 1 Mở đầu…………………………………………………… 3 CHƯƠNG 1 1.1 TỔNG QUAN…………………………………………… Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về điều tiết liên hồ phục vụ phòng chống lũ………………………... 5 5 1.1.1 Các nghiên cứu ở ngoài nước……………………………. 5 1.1.2 Các nghiên cứu ở trong nước……………………………. 9 Một số mô hình mô phỏng điều tiết hồ chứa đã và 1.2 đang được nghiên cứu phát triển v à ứng dụng trong 11 thực tế …………………………….……………………... 1.3 Đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế xã hội của lưu vực sông Ba…………………………………………………… 11 1.3.1 Vị trí địa lý và mạng lưới sông suối……………………… 1.3.2 Mạng lưới trạm đo khí tượng thuỷ văn…………………… 14 1.3.3 Đặc điểm khí hậu………………………………………… 17 1.3.4 Đặc điểm thủy văn……………………………………….. 19 1.3.5 Hệ thống hồ chứa trên sông Ba………………………….. 27 1.3.6 Đặc điểm dân sinh kinh tế……………………………. 30 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHƯƠNG 2 ĐIỀU TIẾT HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC 32 SÔNG BA………………………………………………... 2.1 Giới thiệu chung về mô hình……………………………. 32 4 2.2 Mô đun tính lưu lượng đầu vào và gia nhập khu giữa 2.3 Mô đun vận hành hệ thống chứa……………………….. 34 2.4 Mô đun thủy lực hay mô hình diễn toán lũ…………..... 35 2.5 Khả năng và yêu cầu dữ liệu của mô hình…………….. CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA CỦA LƯU VỰC SÔNG BA……………………………… 32 38 40 3.1 Các kịch bản lũ.................................................................... 40 3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình……………………….. 42 3.2.1 Xử lý số liệu trong mô hình Marine……………………….. 42 3.2.2 Xử lý số liệu trong mô hình điều hành hồ chứa…………… 50 3.2.3 Xử lý số liệu trong mô hình diễn toán lũ Muskingum…….. 3.2.4 Kết quả kịch bản không hồ năm 1986, 1988………………. 51 3.3 Kịch bản điều tiết đơn hồ................................................... 3.4 Kịch bản điều tiết liên hồ theo quy trình mới................... 61 3.5 Kết luận............................................................................... 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................. 70 50 55 PHỤ LỤC............................................................................. 72 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MNDBT Mực nước dâng bình thường MNC Mực nước chết MNGC Mực nước gia cường 5 MN kiểm tra Mực nước kiểm tra Vtb Dung tích toàn bộ Vhi Dung tích hữu ích Nlm Công suất lắp máy DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các trạm khí tượng trong và lân cận lưu vực sông Ba 14 Bảng 1.2 Các trạm đo mưa trong và lân cận lưu vực sông Ba 15 Bảng 1.3 Khả năng xuất hiện lũ lớn nhất năm tại một số trạm (%) 22 Bảng 1.4 Thông số cơ bản các hồ trên lưu vực sông Ba 29 Bảng 3.1 Mực nước hồ cao nhất ở đầu các tháng trong mùa lũ 59 Bảng 3.2 Cao trình mực nước khống chế ở các hồ trong mùa lũ 61 Bảng 3.3 Cao trình mực nước đón lũ của các hồ 62 Bảng 3.4 Ngưỡng cắt lũ cho 3 hồ 63 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa 6 Hình 1.2 Sơ đồ vị trí địa lý lưu vực sông Ba 12 Hình 1.3 Mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Ba 16 Hình 1.4 Vùng ngập thung lũng Ayun Pa – Cheo Reo – Phú Túc 24 Hình 1.5 Ảnh chụp RADA ngập lụt hạ lưu sông Ba ngày 5/10/2009 26 Hình 1.6 Vị trí các hồ chứa trên lưu vực sông Ba 28 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán hồ chứa 41 Hình 3.2 Sơ đồ phân chia lưu vực sông Ba sử dụng trong mô hình MARINE 42 Hình 3.3 Sơ đồ phân chia lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen 43 Hình 3.4 Sơ đồ hiện trạng sử dụng đất của lưu vực sông Ba 44 Hình 3.5 Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho lưu vực 1 46 Hình 3.6 Lưu vực 1 46 Hình 3.7 Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho lưu vực 2 47 6 Hình 3.8 Lưu vực 2 48 Hình 3.9 Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho lưu vực 3 49 Hình 3.10 Lưu vực 3 49 Hình 3.11 Mô hình hóa sông Ba trong Muskingum 50 Hình 3.12 Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ayun Hạ năm 1986 51 Hình 3.13 Đường quá trình lưu lượng đến hồ sông Hinh năm 1986 52 Hình 3.14 Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn năm 1986 52 Hình 3.15 Đường quá trình lưu lượng đến hồ Ayun Hạ năm 1988 53 Hình 3.16 Đường quá trình lưu lượng đến hồ sông Hinh năm 1988 53 Hình 3.17 Đường quá trình lưu lượng tại Củng Sơn năm 1988 54 Hình 3.18 Hình 3.19 Đường quá trình điều tiết hồ Ayun Hạ năm 2009 theo qui trình đơn hồ Đường quá trình điều tiết hồ sông Hinh năm 2009 theo qui trìnhđơn hồ 59 60 Hình 3.20 Đường quá trình điều tiết hồ Ba Hạ năm 2009 theo qui trình đơn hồ 61 Hình 3.21 Đường quá trình điều tiết hồ Ayun Hạ năm 2009 theo qui trình mới 64 Hình 3.22 Đường quá trình điều tiết hồ sông Hinh năm 2009 theo qui trình mới 65 Hình 3.23 Đường quá trình điều tiết hồ Ba Hạ năm 2009 theo qui trình mới 65 Hình 3.24 Đường quá trình lưu lượng Củng Sơn năm 2009 theo qui trình đơn hồ và liên hồ MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, hàng loạt các hồ chứa thủy điện đã và đang được xây dựng trên thượng lưu các hệ thống sông khắp mọi vùng trong cả nước. Lưu vực sông Ba là một trong 9 lưu vực sông lớn nhất Việt Nam, có nguồn thủy năng khá 7 66 lớn, có nhiều vị trí thích hợp để xây dựng thủy điện vừa và lớn với công suất lắp máy khoảng 737 MW, điện lượng hàng năm khoảng 3,22 tỷ KW.h. Trên các hệ thống sông khác như hệ thống sông Đồng Nai, La Ngà, Vu Gia, Thu Bồn ..., ngoài các hồ chứa đang hoạt động như Trị An, Hàm Thuận – Đa Mi, Đa Nhim, các dự án xây dựng hàng chục các hồ chứa thuỷ điện khác như Đại Ninh, Đồng Nai 1, Đồng Nai 2, … đã được phê duyệt và sẽ đi vào hoạt động trong thời gian gần đây. Các hồ chứa nước nói chung thường được thiết kế để đảm nhiệm nhiều mục tiêu khác nhau trong đó có 3 mục tiêu chính là phát điện, cấp nước và chống lũ. Tuy nhiên, các mục tiêu này thường mâu thuẫn với nhau trong vấn đề sử dụng dung tích nước của hồ chứa. Yêu cầu cấp nước nhiều sẽ ảnh hưởng đến sản lượng điện, dung tích chống lũ lớn sẽ ảnh hưởng đến công suất phát điện và khả năng tích nước đầy hồ để phục vụ cấp nước và sản xuất điện trong mùa khô. Vấn đề điều hành hiệu quả hệ thống hồ chứa, giải quyết các mâu thuẫn kể trên là một nhu cầu mới đặt ra ở trong nước. Mục tiêu của việc điều hành hệ thống hồ chứa là nâng cao hiệu quả chống lũ và hiệu quả kinh tế (phát điện và cấp nước) không phải chỉ cho các hồ riêng biệt mà cho tất cả các hồ chứa trong hệ thống. Các hồ chứa trên hệ thống sông Ba là có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của vùng Tây Nguyên. Hiện nay hệ thố ng hồ chứa này bao gồm các hồ chứa lớn: hồ An Khê Kanak, IaYun hạ, Krô ng H’Năng, Sông Ba Hạ, Sông Hinh. Hai hồ An Khê – Kanak và Krông H’Năng mới được đưa vào vận hành tháng 9 năm 2010. Trước đây việc vận hành hệ thống hồ chứa trong các điều kiện cụ thể (dựa vào dự báo KTTV) và được thực hiện theo các quy trình vận hành của các hồ riêng biệt. Mới đây nhất, việc điều hành các hồ chứa tuân thủ theo “Quyết định Về việc 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 ũl hàng năm” đã được Thủ tướng phê duyệt số 1757/QĐ-TTg, ngày 23 tháng 09 năm 2010. Tuy nhiên các công cụ mô phỏng, tính toán phục vụ việc xây dựng quy trình này chưa được công bố rộng rãi dưới dạng các ấn phẩm khoa học. 8 Việc thiết lập cơ sở khoa học, hay nói cách khác là tìm ra các bước xây dựng quy trình điều tiết liên hồ cùng với các công cụ tính toán kèm theo một cách khoa học là việc làm cần thiết nhằm đưa ra một quy trình điều tiết liên hồ có cơ sở khoa học chặt chẽ, hy vọng mang lại hiệu quả cả về mặt kinh tế và xã hội. Do vậy, đề tài “Mô phỏng các kịch bản điều tiết hệ thống hồ chứa lưu vực sông Ba” được hình thành từ giữa năm 2010 với mục tiêu là: -Tìm hiểu về các nghiên cứu đã có liên quan đến xây dựng các quy trình vận hành đơn hồ và hệ thống hồ chứa trong mùa lũ. - Tìm hiểu , thử nghiệm khả năng một bộ mô hình mô phỏng dùng cho xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa phục vụ phòng chống lũ cho hạ du lưu vực sông Ba trong mùa lũ. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Theo nhận định của ủy ban Đê đập Thế giới (World Commision on Dams 2000 [1]), nhiều hệ thống đê đập lớn trên thế giới đã hoạt động không đảm bảo 9 được các lợi ích kinh tế-xã hội như mục tiêu thiết kế đề ra. Điều đó có thể do những sơ xuất trong thiết kế, xây dựng, có thể do những nhu cầu sử dụng mới xuất hiện và có thể do những vấn đề điều hành hệ thống hay do những thay đổi khí hậu toàn cầu... Để phát huy tối đa lợi ích của các hồ chứa, các nghiên cứu cần tập trung vào vấn đề nâng cao hiệu quả điều hành của các hồ chứa. Các mục tiêu kinh tế xã hội của hệ thống hồ chứa như chống lũ, phát điện, cấp nước, cảnh quan môi trường, du lịch,... thường là những mục tiêu trái ngược nhau về nhu cầu sử dụng lượng nước có sẵn trong hệ thống hồ. Điều đó dẫn đến một bài toán hết sức phức tạp, các công cụ toán học và các mô hình trên máy tính được sử dụng để nghiên cứu vấn đề đặt ra. 1.1 Tình hình nghiên ứ c u trong và ngoài nước về điều tiết liên hồ phục vụ phòng chống lũ. 1.1.1 Các nghiên cứu ở ngoài nước Bước đầu là các phương pháp tính toán đi ều tiết hồ chứa, chủ yếu dựa vào phương trình cân bằng nước. Ở Liên Xô cũ việc nghiên cứu này được nhiều nhà khoa học quan tâm như Kritski -Menkel, Xvanhidze, Pleskov, Gugly, Potapov, Matiski, Ratkovich. Họ đã nghiên cứu các phương ph áp điều tiết cho các mục đích khác nhau. Phương trình cân bằng nước có thể được áp dụng cho bất kỳ thời khoảng tính toán nào. a-. Phương pháp diễn toán hồ chứa Việc diễn toán dòng chảy (trong đó có sóng lũ) qua một hồ chứa được gọi là diễn toán hồ chứa. Đó là một phần quan trọng của phân tích hồ chứa mà những ứng dụng chính của nó là: xác định mực nước lớn nhất trong thời kỳ thiết kế hồ chứa, thiết kế các công trình xả tràn, cửa xả nước và phân tích sóng lũ vỡ đập. Một hồ chứa có thể hoặc được kiểm soát hoặc không được kiểm soát. Hồ chứa được kiểm soát có công trình xả tràn với các cửa cống để kiểm soát dòng chảy ra. Công trình xả tràn của một hồ chứa không kiểm soát không có cửa cống. 10 Đầu vào Hệ thống Đầu ra Hình 1.1: Biểu diễn dưới dạng đồ thị của diễn toán hồ chứa Diễn toán hồ chứa đòi hỏi phải biết mối quan hệ giữa cao độ hồ chứa, lượng trữ và lưu lượng. Mối quan hệ này là một hàm của địa hình hồ chứa và các đặc tính của công trình xả nước. Một vài phương pháp diễn toán sóng lũ qua hồ chứa đã được xây dựng, dẫn ra trong bảng sau: Phương pháp đường cong lũy tích, Phương pháp Puls, Phương pháp Puls cải tiến, Phương pháp Wisler-Brater, Phương pháp Goodrich, Phương pháp Steinberg, Phương pháp hệ số. b. Phương pháp tối ưu hoá Kỹ thuật tối ưu hoá bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP) đã được sử dụng rộng rãi trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Loucks và nnk (1981) đã minh họa áp dụng LP, quy hoạch phi tuyến NLP và DP cho tài nguyên nước. Nhiều công trình nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hệ thống cho bài toán tài nguyên nước Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993). Young (1967) lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng quy tắc vận hành chung từ kết quả tối ưu hoá. Phương pháp mà ông đã dùng được gọi là “quy hoạch động (DP) Monte-Carlo”. Về cơ bản phương pháp của ông dùng kỹ thuật Monte -Carlo tạo ra một số chuỗi dòng chảy nhân tạo. 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 nhân tố ảnh hưởng đến chiến thuật tối ưu. Các kết 11 quả là một xấp xỉ tốt của quy trình tối ưu thực. Một mô hình quy hoạch để thiết kế hệ thống kiểm soát lũ hồ chứa đa mục tiêu đã được phát triển bởi Windsor (1975). Karamouz và Houck (1987) đã đề ra quy tắc vận hành chung khi sử dụng quy hoạch động (DP) và hồi quy (DPR). Mô hình DPR sử dụng hồi quy tuyến tính nhiều biến đã được Bhaskar và Whilach (1980) gợi ý. Một phương pháp khác xác định quy trình điều hành một hệ thống nhiều hồ chứa khác là quy hoạch động bất đị nh (Stochastic Dynamic Programing – SDP). Phương pháp này yêu cầu mô tả rõ xác suất của dòng chảy đến và tổn thất. Phương pháp này được Butcher (1971), Louks và nnk (1981) và nhiều người khác sử dụng. Mô hình tối ưu hoá thường được sử dụng trong nghiên cứu điều hành hồ chứa sử dụng dòng chảy dự báo như đầu vào. Datta và Bunget (1984) đề xuất một quy trình điều hành hạn ngắn cho hồ chứa đa mục tiêu từ một mô hình tối ưu hoá với mục tiêu cực tiểu hoá tổn thất hạn ngắn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi có một sự đánh đổi giữa một đơn vị lượng trữ và một đơn vị lượng xả từ các giá trị đích tương ứng thì phép giải tối ưu hoá phụ thuộc vào dòng chảy tương lai bất định cũng như dạng hàm tổn thất. Áp dụng mô hình tối ưu hoá cho điều hành hồ chứa đa mục tiêu là khá khó khăn. Sự khó khăn trong áp dụng bao gồm phát triển mô hình, đào tạo nhân lực, giải bài toán, điều kiện thủy văn tương lai bất định, sự bất lực để xác định và lượng hóa tất cả các mục tiêu và mối tương tác giữa nhà phân tích với người sử dụng. Một phương pháp khác đang được sử dụng hiện nay để giải thích tính ngẫu nhiên của đầu vào là logic mờ. Lý thuyết tập mờ đã được Zadeth (1965) giới thiệu. Jairaj và Vedula (2000) đã áp dụng phương pháp này cho tối ưu hoá hệ thống liên hồ chứa. c. Phương pháp mô phỏng Vì không có khả năng để thí nghiệm với hồ chứa thực, mô hình mô phỏng toán học được phát triển và sử dụng trong nghiên cứu. Thí nghiệm có thể thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình này để cung cấp những hiểu biết sâu về bài toán. Mô hình mô phỏng kết hợp với điều hành hồ chứa bao gồm tính toán cân bằng nước của đầu vào, đầu ra hồ chứa và biến đổi lượng trữ. Kỹ thuật mô phỏng đã cung cấp cầu nối 12 từ các công cụ giải tích trước đây cho phân tích hệ thống hồ chứa đến các tập hợp mục đích chung phức tạp. Theo Simonovic (1992), các khái niệm về mô phỏng là dễ hiểu và thân thiện hơn các khái niệm mô hình hoá khác. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp các biểu diễn chi tiết và hiện thực hơn về hệ thống hồ chứa và quy tắc điều hành chúng (chẳng hạn đáp ứng chi tiết của các hồ và kênh riêng biệt hoặc hiệu quả của các hiện tượng theo thời gian khác nhau). Thời gian yêu cầu để chuẩn bị đầu vào, chạy mô hình và các yêu cầu tính toán khác của mô phỏng là ít hơn nhiều so với mô hình tối ưu hoá. Các kết quả mô phỏng sẽ dễ dàng thỏa hiệp trong trường hợp đa mục tiêu. Số phần mềm máy tính đa mục tiêu phổ biến có sẵn có thể sử dụng để phân tích mối quan hệ quy họach, thiết kế và vận hành hồ chứa. Hầu hết các phần mềm có thể chạy trong máy vi tính cá nhân đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Hơn nữa, ngay sau khi số liệu yêu cầu cho phần mềm thực hành đã được chuẩn bị, nó dễ dàng chuyển đổi cho nhau và do đó các kết quả của các thiết kế, quyết định điều hành, thiết kế lựa chọn khác nhau có thể được đánh giá nhanh chóng. Có lẽ một trong số các mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa phổ biến rộng rãi nhất là mô hình HEC-5, phát triển bởi Trung tâm kỹ thuật thủy văn Hoa Kỳ (Feldman 1981, Wurbs 1996). Một trong những mô hình mô phỏng nổi tiếng khác là mô hình Acres (Sigvaldson 1976), tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (SSARR) (USACE 1987), Mô ph ỏng hệ thống sóng tương tác (IRIS) (Loucks và nnk 1989). Gói ph ần mềm phân tích quyền lợi các hộ sử dụng nước (WRAP) (Wurbs và nnk, 1993). Lund và Ferriera (1996)ã đnghiên cứu hệ thống hồ chứa sông Missouri và xây dựng mô hình mô phỏng trong đó nâng cấp kỹ thuật hồi quy cổ điển và sử dụng mô hình quy hoạch động. Jain và Goel (1996) đã giới thiệu một mô hình mô phỏng tổng quát cho điều hành cấp nước của hệ thống hồ chứa dựa trên các đường quy tắc điều phối. Mặc dù có sẵn một số các mô hình tổng quát, vẫn cần thiết phải phát triển các mô hình mô phỏng cho một (hệ thống) hồ chứa cụ thể vì mỗi hệ thống hồ chứa có những đặc điểm riêng. 13 1.1.2 Các nghiên cứu ở trong nước Ở Việt Nam các hồ chứa trên các hệ thống sông với nhiều mục đích khác nhau đã và đang được tiến hành xây dựng, như hệ thống hồ chứa trên sông Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v.. Điển hình nhất là hệ thống hồ chứa trên hệ thống sông Hồng gồm các hồ chứa Sơn La, Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và tương lai có thêm hồ Lai Châu. Các hồ chứa này làm nhiệm vụ chính là cắt lũ vào mùa lũ, sau đó là phát điện, cung cấp nước mùa cạn, ngoài ra còn phục vụ giao thông, du lịch, nuôi trồng thuỷ sản v.v. a. Quy trình vận hành hồ chứa Quy trình điều hành chống lũ hồ chứa Hoà Bình được xây dựng khá chi tiết và liên tục được bổ sung hoàn chỉnh. Kinh nghiệm vận hành hồ chứa Hòa Bình để điều tiết lũ trong các năm qua cho thấy, nó đã góp phần giữ được mực nước Hà Nội không vượt quá 13,0m, bảo đảm an toàn cho Hà Nội. Nhiều công trình nghiên cứu về vận hành hồ chứa điều tiết lũ đã được tiến hành như quy trình vận hành hồ chứa Hoà Bình ủa c Ban Chỉ đạo phòng chống lụt bão TW (1997), Quyết định 80/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành “Quy trình vận hành l iên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành năm 2007. Ngày 11/6/2010, có thêm quy ết định “ Sửa đổi, bổ sung Quy trình vận hành liên hồ chứa thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành kèm theo Quyết định số 80/2007/QĐ -TTg ngày 01 tháng 6 năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ, số 848/QĐ -TTg. Ngoài ra còn một loạt các nghiên cứu khác về vận hành hồ chứa Hoà Bình và hệ thống hồ chứa trên các lưu vực của Việt Nam. Công ty tư vấn Điện I (1991) đã nghiên cứu việc kết hợp phát điện, 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 đi ều hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hàng năm với việc xây dựng tập hàm vào bằng phương pháp Monte-Carlo. Trịnh Quang Hoà (1997) xây dựng công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng phục vụ điều hành hồ chứa Hoà Bình chống lũ hạ 14 du. Viện Quy hoạch Thuỷ lợi và Công ty Tư vấn Điện 1 (2000) đã nghiên cứu hiệu ích chống lũ và cấp nước hạ du của công trình hồ chứa Đại Thị (nay là Tuyên Quang) trên sông Gâm. 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 điều 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 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. Nguyễn Hữu Khải và Lê thị Huệ (2007) nghiên cứu áp dụng mô hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ của hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Hương, cho phép xác định trình t ự và thời gian vận hành hợp lý các hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương (tại Kim Long và Phú ốc). b. Hệ thống công nghệ hỗ trợ vận hành Song song với quy trình điều hành thì công tác dự báo thuỷ văn phục vụ điều hành cũng được coi trọng. Trịnh Q uang Hoà (1997) với công nghệ nhận dạng lũ thượng nguồn sông Hồng đã góp phần vào phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng rất hiệu quả. Tổng cục KTTV (1998) đã xây dựng một dự án trong dự án liên ngành hiện đại hoá hệ thống đo đạc và dự báo thuỷ văn trên sông Đà và sông Hồng trực tiếp phục vụ điều hành. Năm 2005 Trung tâm đã có văn bản về khả năng dự báo thuỷ văn gửi Hội đồng điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình góp phần vào quyết định ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm”, ban hành năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ. Nguyễn Lan Châu (2005) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ sông Đà phục vụ điều tiết hồ Hoà Bình trong công tác phòng chống lũ bằng tích hợp các mô hình thuỷ văn thuỷ lực và điều tiết hồ chứa. Trần Tân Tiến (2006) đã nghiên cứu liên kết mô hình RAMS dự báo mưa và mô hình sóng động 15 học một chiều dự báo lũ khu vực miền Trung. Vũ Minh Cát (2007) đã nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối với công nghệ điều hành hệ thống phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng-Thái Bình. Nguyễn Văn Hạnh (2007) đã xây dựng hệ thống thông tin phục vụ vận hành hồ chứa đa mục tiêu Tuyền Lâm-Đà Lạt-Lâm Đồng. Một Ban chỉ đạo vận hành các hồ chứa của hệ thống sông Hồng đã được thành lập trong đó phối hợp các hoạt động quan trắc, thông tin, dự báo, vận hành, ra quyết định để góp phần đảm bảo an toàn chống lũ cho đồng bằng sông Hồng - sông Thái Bình, qua mấy năm hoạt động đã cho những kết quả và những kinh nghiệm quý giá. Các nghiên cứu về mặt quy hoạch hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp cũng đã có nhiều tiến triển, nhằm đưa ra một mạng lưới và quy mô hồ chứa hợp lý, phát huy tối đa khả năng của nguồn nước trên mỗi lưu vực. 1.2 Một số mô hình mô phỏng điều tiết hồ chứa đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong thực tế. Nhiều phần mềm vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa đã được xây dựng, tuy nhiên khả năng giải quyết các bài toán thực tế vẫn còn hạn chế. Các phần mềm tối ưu hiện nay nói chung vẫn chỉ đưa ra lời giải cho những điều kiện đã biết mà không đưa ra được các nguyên tắc vận hành hữu ích. Phần lớn các phần mềm vận hành hồ chứa được kết nối với mô hình diễn toán lũ dựa trên mô hình Muskingum hay sóng động học như các phần mềm thương mại MODSIM (Labadie et al. 2000), RiverWare (Zagona et al. 1998, Biddle 2001), CalSIM (Munevar & Chung 1999). Điều này rất hạn chế cho việc điều hành chống lũ và không áp dụng được cho lưu vực có ảnh hưởng của thủy triều hay nước vật. Các nghiên cứu mới nhất gần đây về điều hành chống lũ cũng chỉ được áp dụng cho hệ thống một hồ Hsu & Wei (2007), Madsen et al. (2007). 1.3 Đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế xã hội của lưu vực sông Ba 1.3.1 Vị trí địa lý và mạng lưới sông suối Lưu vực sông Ba là một trong 9 lưu vực sông lớn ở Việt Nam, thuộc địa phận của 4 tỉnh: Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên và một phần nhỏ thuộc Kon Tum. Phạm vi 16 lưu vực nằm trong khoảng 12 035’ - 14038’ vĩ độ Bắc, 180 000’ - 190055’ kinh độ Đông với diện tích lưu vực là 13.900 km2. Phía Bắc giáp thượng nguồn sông Trà Khúc, Bắc và Tâ y Bắc giáp sông Sê San, Tây và Tây Nam giáp sông Srepok. Phía Nam giáp sông Bàn ạch.ThPhía Đông là dải Trường Sơn Đông ngăn cách với các lưu vực sông Kone, sông Kỳ Lộ. Sông Ba đổ ra biển Đông ở Đồng Bằng Tuy Hoà tỉnh Phú Yên. Hình 1.2: Sơ đồ vị trí địa lý lưu vực sông Ba 17 Hệ thống sông Ba có mật độ lưới sông là 0,22 km/km2; sông chính sông Ba có chiều dài là 372 km. Sông Ba thuộc loại sông kém phát triển so với các sông khác vùng lân cận . Trong đó , ba sông nhánh lớn nhất là Iayun , Krông H’Năng và sô ng Hinh đều nằm bên phía hữu ngạn: a. Sông Iayun Iayun là một sông nhánh lớn nhất của sông Ba có diện tích lưu vực là 2.950 km2 và chiều dài sông là 175 km. Sông bắt nguồn từ vùng núi cao từ 1500 đến 1700 m, chảy theo hướng Bắc -Nam đến Chư Sê và sau đó chuyển hướng Tây Bắc- Đông Nam đến Cheo Reo thì nhập vào bờ phải sông Ba. Sông IaYun có lượng mưa năm khoảng 1.600 mm, mô duyn dòng chảy trung bình nhiều năm 18 l/s km2 và chiếm khoảng 17,5% tổng lượng nước đến của lưu vực sông Ba. b. Sông Krông Hnăng Krông H’Năng là sông nhánh lớn thứ hai của sông Ba có diện tích lưu vực là 1.840 km2 và chiều dài sông là 130 km. Sông Krông H’Năng bắt nguồn ở vùng núi cao trên 1000 m thuộc huyện Kr ông H’Năng của tỉnh Dak Lak. Do địa hình phức tạp nên hướng chảy của sông này gần như hình vòng cung, đoạn đầu theo hướng Bắc- Nam, sau đó chuyển sang hướng Tây Bắc - Đông Nam rồi lại chảy ngược lên gần như hướng Nam - Bắc để nhập vào sông Ba. Lượng nước của sông nhánh Krông H’Năng đổ vào sông Ba chiếm khoảng 12,5% tổng lượng nước của toàn lưu vực sông Ba. c. Sông Hinh Với diện tích lưu vực là 1.040 km2 và chiều dài sông là 88 km, sông Hinh là sông nhánh lớn thứ 3 của sông Ba. Sông Hinh bắt nguồn từ đỉnh núi Chư Hmú cao 2.051m chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc, đến gần thị trấn Sơn Hoà thì nhập vào bờ phải sông Ba. Do có địa hình núi cao chắn gió nên sông Hinh có lượng mưa tương đối lớn hơn các nhánh sông khác với lượng mưa năm trung bình khoảng 2.600 mm và mô đun dòng chảy trung bình nhiều năm là khoảng 53 l/s km 2. Lượng nước của sông Hinh chiếm khoảng 17,4% tổng lượng nước của toàn lưu vực sông Ba. 18 1.3.2 Mạng lưới trạm đo khí tượng thuỷ văn Việc nghiên cứu khí hậu lưu vực sông Ba được bắt đầu đo mưa tại trạm Cheo Reo từ năm 1931, trước những năm 60 việc đo đạc không có hệ thống và bị gián đoạn nhiều năm. Tại trạm Pleiku, việc đo mưa đã được tiến hành từ năm 1933, các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm không khí, bốc hơi bắt đầu quan trắc từ năm 1939 nhưng chỉ kéo dài được 3-5 năm, tiếp đó là gián đoạn, phải đến năm 1959 mới được quan trắc trở lại. Các điểm đo mưa trên lưu vực có tài liệu quan trắc chủ yếu từ năm 1977 cho đến nay. Những đo đạc thủy văn đầu tiên trên lưu vực sông Ba được tiến hành bằng việc quan trắc mực nước tại đập Đồng Cam trước những năm 1940, nhưng việc quan trắc mự c nước giai đoạn này có nhiều gián đoạn và không có hệ thống. Từ năm 1967 trở về sau này, tại trạm thủy văn An Khê việc quan trắc các yếu tố mực nước, lưu lượng mới tiến hành có hệ thống. Tuy việc đo đạc thủy văn tại đây có bị gián đoạn nhưng nhìn chung chuỗi tài liệu đo đạc tại trạm thủy văn An Khê từ năm 1967 đến nay là đáng tin cậy. Bảng 1.1 : Các trạm khí tượng trong và lân cận lưu vực sông Ba Kinh vĩ độ TT Tên Kinh độ Vĩ độ Thời đoạn và các yếu tố quan trắc Mưa T 0 KK trạm 1 2 An Khê Cheo Độ ẩm Bốc hơi Gió 78-nay 88 - nay KK 108 0 38’ 108 0 26’ 13 0 57’ 18 0 25’ Reo 77-nay 8-82, 7-82, 88-00 92-00 1-42, 64- 8-82, 91-nay 74, 77-nay 91-00 61-74, 78-nay (Ayun Pa) 3 Buôn Hồ 108 0 16’ 12 0 54’ 91-nay 91-nay 91-nay 91-nay 4 Sơn Hòa 108 0 59’ 12 0 03’ 78-nay 77-85, 77-85, 77-nay 90-nay 91-nay 19 76-82; 88-nay Kinh vĩ độ TT Kinh độ Tên Thời đoạn và các yếu tố quan trắc Vĩ độ Mưa T 0 KK trạm 5 6 Độ ẩm Bốc hơi Gió KK M’Đrak 108 0 47’ 108 0 01’ Kon 12 0 42’ 14 0 30’ Tum 77-82 93- 7-82, 7-82, nay 93-00 93-00 7-20, 31- 61-70, 61-68, 61-68, 61-70 41, 61-68, 76-nay 77-nay 70, 77- 76-nay 72, 73, 76- 93-nay nay nay 7 8 Plêiku Tuy Hòa 108 0 00’ 109 0 17’ 13 0 59’ 13 0 05’ 3-44, 59- 39-42, 9-42, 39-44, 40-44, 74, 76-nay 59-71, 59-71, 59-nay 58-71, 76-nay 76-nay 77-nay 6-90, 56-86, 76-82, 93-00 88-nay 88-nay 57-74, 76nay 46-nay Bảng 1.2: Các trạm đo mưa trong và lân cận lưu vực sông Ba TT Tên trạm 1 Kinh vĩ độ Thời gian quan trắc Kinh độ Vĩ độ An Hòa 108 0 55’ 14 0 35’ 64-68, 81-nay 2 Sơn Thành 109 0 01’ 12 0 56’ 77-93, 94-nay 3 Mang Yang 108 0 00’ 13 0 58’ 84-nay 4 Thuần Mẫn 108 0 01’ 13 0 14’ 79-87 5 Đá Bàn 109 0 06’ 12 0 37’ 77-84, 87, 90, 94-nay 6 Nghĩa Thành 108 0 47’ 13 0 05’ 92-93 7 Sông Cầu 109 0 04’ 13 0 27’ 76-90, 92-nay 8 Chư Sê 108 0 04’ 13 0 42’ 78-nay 20