Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo giới thiệu một mô hình mô phỏng cân bằng nước và điều tiết dòng chảy được phát triển phục vụ cho tính toán cân bằng nước, quản lý nước và vận hành hệ thống hồ chứa cấp nước và phát điện trên lưu vực sông Ba (Ba-Model). Nghiên cứu này dựa trên cơ sở lý thuyết của mô hình NAM và ý tưởng của mô hình HEC-RESSIM để xây dựng chương trình mô phỏng của riêng mình nhằm dễ dàng can thiệp vào tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Ba cho phù hợp với tình hình thực tế.
BÀI BÁO KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG THỦY VĂN, CÂN BẰNG NƯỚC VÀ ĐIỀU TIẾT HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SƠNG BA Cao Đình Huy1, Lê Hùng2, Hà Văn Khối3 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu mơ hình mơ cân nước điều tiết dòng chảy phát triển phục vụ cho tính tốn cân nước, quản lý nước vận hành hệ thống hồ chứa cấp nước phát điện lưu vực sông Ba (Ba-Model) Nghiên cứu dựa sở lý thuyết mơ hình NAM ý tưởng mơ hình HEC-RESSIM để xây dựng chương trình mơ riêng nhằm dễ dàng can thiệp vào tính tốn cân nước cho lưu vực sơng Ba cho phù hợp với tình hình thực tế Mơ hình thiết lập hiệu chỉnh kiểm định đủ độ tin cậy áp dụng cho toán dự báo vận hành hồ chứa cấp nước phát điện lưu vực sông Ba Mơ hình hồn thiện ứng dụng cho lưu cực khác có điều kiện tương tự Từ khố: Mơ hình mơ phỏng, cân nước, hồ chứa, lưu vực sơng Ba, dòng chảy kiệt ĐẶT VẤN ĐỀ* Việc nghiên cứu thiết lập mơ hình dự báo dòng chảy đến hồ chứa vận hành điều tiết mùa lũ ứng dụng nhiều lưu vực sông (Tô Thúy Nga, 2014) (Ngơ Lê An, 2015) áp dụng cho dòng chảy lũ lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn Đối với dòng chảy kiệt có nhiều nghiên cứu ví dụ dự báo dòng chảy đến hồ chứa Cửa Đạt (Vũ Ngọc Dương et al 2016) (Phùng Hồng Long, 2017) dự báo dòng chảy đến hồ chứa sông Tranh Đak Mi Để giải toán cân nước (CBN) cho lưu vực sông, nay, thường ứng dụng mô hình mơ có sẵn mơ hình WEAP, MIKE BASIN, HEC-RESSIM, MIKE HYDRO v v Các mơ hình ứng dụng cho số lưu vực sơng Miền Trung hiệu (Hồng Ngọc Tuấn, et al 2015) (Nguyễn Ngọc Hà, 2012) Tuy nhiên mơ hình có ưu điểm tồn áp dụng thực tế Bởi vậy, nay, ngồi việc sử dụng mơ hình có sẵn, số nghiên cứu phát triển mơ hình riêng phù hợp với toán vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực nghiên cứu Ban Quản lý dự án Đầu tư xây dựng tỉnh Phú Yên Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Thủy lợi (Cheng Chun-tian, 2010) (Kim Sheung Kown, 2011) Phát triển mô hình phù hợp với tốn vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực xu hướng nghiên cứu phát triển số nước có Việt Nam Để chủ động vận hành khai thác cơng trình lưu vực sơng Ba, nghiên cứu phát triển mơ hình Ba-Model sở tích hợp mơ hình thủy văn, cân nước điều tiết dòng chảy cho lưu vực sơng Ba Mơ hình vừa đơn giản lại linh hoạt dễ áp dụng mà phạm vi tính tốn đảm bảo đủ tin cậy mơ hình có sẵn GIỚI THIỆU MƠ HÌNH 2.1 Giới thiệu chung Mục đích xây dựng mơ hình nhằm sử dụng quy hoạch hồ chứa cấp nước phát điện, quản lý nước vận hành hồ chứa cơng trình cấp nước lưu vực sơng Ba thời kỳ mùa cạn theo thời gian thực Tính khả ứng dụng: - Ứng dụng cho toán CBN vận hành hồ chứa với nhiệm vụ cấp nước phát điện - Thời đoạn tính tốn nhỏ ngày có tính cho thời đoạn dài (10 ngày, tháng) - Mơ hình áp dụng cho lưu vực mà nút cấp nước không bị ảnh hưởng thủy triều KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 67 - Có khả dự báo nước đến hồ chứa nút nhập lưu từ tài liệu mưa - Tính tốn điều tiết vận hành hồ chứa theo kịch sử dụng nước khác Đối với hồ chứa thủy điện, xác định trình lưu lượng điều tiết từ hồ chứa theo kịch huy động công suất cho nhà máy thủy điện gắn với nút hồ - Đánh giá thiếu hụt nước nút cấp nước (đập dâng, hồ chứa, trạm bơm) theo kịch vận hành hệ thống yêu cầu cấp nước hạ du Cấu trúc mơ hình Ba-Model bao gồm: (1) Thiết lập mạng sông; (2) Mô hệ thống, bao gồm mô nhập lưu nút sông, hoạt động nút hệ thống quan hệ cân nước nút sơng; (3)Truy xuất kết tính tốn 2.2 Thiết lập mạng sơng Mơ hình cân nước điều tiết hệ thống hồ chứa thuộc kiểu mô hình mạng lưới, sơng nhánh hợp lưu biểu diễn liên kết nhánh nút Các nhánh thể đoạn sông riêng biệt Các nút thể hoạt động ràng buộc cân hệ thống bao gồm hợp lưu, điều tiết hồ chứa, cân nước hệ thống từ điểm nhận dòng chảy hồi quy từ khu tưới, điểm hợp lưu hai nhiều sông, suối vị trí quan trọng cần có kết mơ hình Mạng sơng thiết lập bao gồm hệ thống nút sông (nút nhập lưu, nút hồ chứa, nút cấp nước…) liên kết nút hệ thống (xem hình 1) Sơ đồ mạng sơng mơ hình Ba-Model gồm loại nút Nút nhập lưu: có lưu lượng nhập vào hệ thống sơng, gồm: dòng chảy tự nhiên lưu vực tập trung vào sông, hồi quy từ nút tưới xả thải từ khu công nghiệp dân cư Nút cấp nước sử dụng nước: nút tưới, cấp nước cho công nghiệp sinh hoạt thượng hạ lưu hồ chứa; cấp nước cho nhà máy thủy điện; điều tiết nước cho hạ du theo yêu cầu dòng chảy tối thiểu Tại nút hồ chứa có nhiều nút cấp sử dụng nước 68 Nút hồ chứa: bao gồm hồ chứa cấp nước phát điện Nút cân nước: nút hợp lưu dòng nhập lưu mạng sơng cần tính cân nước, theo tổng dòng chảy đến nút phải dòng chảy khỏi nút Nút kiểm soát: lưu lượng nước mực nước phải lớn giá trị giới hạn kiểm sốt dòng chảy tối thiểu dòng chảy mơi trường vùng hạ du Liên kết nút sông: đoạn mô tả đường dòng chảy mạng sơng mối quan hệ cân nước Trên sơ đồ hệ thống nút, hướng dòng chảy thể mũi tên xuất phát từ nút đến nút xét 2.3 Mô hệ thống Mô CBN hệ thống gồm mô hoạt động nút hệ thống quan hệ cân nước với nút khác hệ thống Mô nút nhập lưu (1) Nếu nhập lưu q trình dòng chảy đến tự nhiên từ tiểu lưu vực THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 71 lưu vực nhập lưu thứ i thuộc lưu vực tính dòng chảy đến mơ hình NAM có diện tích tương ứng FNam Lựa chọn số liệu hiệu chỉnh kiểm định mơ hình: Số liệu khí tượng thủy văn: Số liệu mưa: Dùng số liệu trạm đo lưu vực: Porome, An Khê, AyunPa, Krong Pa, Củng Sơn Số liệu bốc hơi: An Khê, AyunPa, Sơn Hòa Lưu lượng: An Khê, Củng Sơn sông Hinh (số liệu thực đo từ năm 1985-1991, từ 1999-2011) Dữ liệu sử dụng từ năm 1979 đến 1995 để hiệu chỉnh mô hình số liệu từ năm 1995 đến năm 2010 để kiểm định mơ hình Việc trích xuất số liệu đánh giá bỏ năm để giảm sai số điều kiện ban đầu Vì lưu vực lớn, trạm mưa nằm lưu vực thưa, tiểu lưu vực lấy ứng với số liệu mưa gần lưu vực bảng Các tiểu lưu vực có số liệu thực đo An Khê, Củng Sơn sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định nhằm tìm thơng số tiểu lưu vực Các tiểu lưu vực khác hiệu chỉnh thêm từ lưu vực tổng thể Củng Sơn tiểu lưu vực lân cận Bảng Chỉ số đánh giá độ tin cậy dòng chảy (ngày) mơ hình trạm An Khê, Củng Sơn Trạm An Khê Củng Sơn Hiệu chỉnh (1981-1995) Nash R 0.73 0.86 0.76 0.88 Kiểm định (1996-2010) Nash R 0.68 0,83 0.67 0.82 Bảng Bộ thơng số mơ hình NAM sau hiệu chỉnh kiểm định mơ hình TT 10 11 12 13 14 Tên lưu vực KaNak An Khê An Khê An Khê An Khê An Khê Hồ Ayun Hạ Hạ Ayun Hạ TL Sông Ba Sông Ba Hạ KRông Hnăng Hạ KRông Hnăng Sông Hinh CungSon Umax 15 14.5 14 14 13.5 13 15 13.5 15 15 15 14.5 20 18 Lmax 100 98 97 95 88 85 100 85 85 85 90 85 100 85 CQOF 0.550 0.540 0.535 0.530 0.515 0.500 0.550 0.520 0.450 0.450 0.450 0.450 0.392 0.380 Kết mô cho thấy, tương quan mưa dòng chảy tiểu lưu vực tương đối chặt chẽ, thể qua hệ số NASH tương quan lớn 0.65, dạng đường trình tương đối phù hợp Từ cho thấy mơ hình đủ độ tin cậy để sử dụng mơ dòng chảy tương lai có số liệu mưa dự báo 3.2 Kết tính tốn thử nghiệm cho lưu vực sơng Ba 72 CKIF CK1,2 210 23.2 208 22.5 207 23 205 22 202 21 200 20 205 23.2 203 22 195 21 195 20 190 19.5 185 19 200 23 190 23 TOF 0.440 0.438 0.440 0.436 0.435 0.435 0.440 0.430 0.435 0.434 0.434 0.433 0.310 0.310 TIF 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.014 0.013 0.013 TG 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.011 0.031 0.031 CKBF 1622 1550 1525 1500 1450 1400 1600 1450 1400 1400 1450 1400 1310 1250 Năm 2018 dự án “Rà soát quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Ba vùng phụ cận”, Viện quy hoạch sử dung mơ hình MIKEHydro tính tốn cân nước cho lưu vực sơng Ba tốn trạng Theo đó, mạng sơng thiết lập với 52 nút cơng trình gồm hồ chứa, đập dâng trạm bơm tưới, tương ứng 52 nút cấp nước (chủ yếu tưới), sơ đồ rút gọn thể hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) Với mục đích thử nghiệm mơ hình so sánh với kết tính tốn theo mơ hình Mike-Hydro Viện quy hoạch thủy lợi thực hiện, nghiên cứu kế thừa sơ đồ mạng sông Viện quy hoạch thủy lợi thiết lập để tính tốn cân nước theo mơ hình Ba-Model cho 28 năm (19822010) với thời đoạn tính tốn ngày Theo đó, lưu lượng nhập lưu xác định từ lượng mưa ngày theo mơ hình NAM tích hợp mơ hình Ba-Model Các số liệu đầu vào khác gồm yêu cầu lượng nước tưới cấp nước, tham số thiết kế cơng trình lấy theo số liệu tính tốn dự án Kết tính tốn cho thấy khơng có sai lệch lớn số năm thiếu nước so với kết tính tốn Viện quy hoạch thủy lợi mơ hình MIKE HYDRO Bảng Kết tính tốn cân nước theo mơ hình Ba-Model lưu vực sơng Ba TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Tên cơng trình Hồ Hà Nam Hồ Hà Ra Bắc HT Ia Ring Cụm Thượng Ayun Cụm Thượng Ayun Hồ Buôn Lưới Hồ PleiTôKôn Cụm An Khê - Ka Năk Cụm An Khê - Ka Năk Cụm An Khê - Ka Năk Cụm An Khê - Ka Năk Cụm An Khê - Ka Năk A Yun Hạ Hồ Ia Pát+ TB Cụm Ayun Pa Hồ Ea Koa Cụm Ayun Pa Cụm Ayun Pa Cụm Krông Pa Cụm Krông Pa Cụm Krông Pa H Ia Dréh H Ia M'lá Hồ Ea Drông Hồ Ea Drông Hồ Đội Nút Số năm tưới thiếu IRR1 IRR2 IRR3 IRR4 IRR5 IRR6 IRR7 IRR8 IRR9 IRR10 IRR11 IRR12 10 IRR13 IRR14 IRR15 11 IRR16 IRR17 IRR18 12 IRR19 IRR20 IRR21 IRR22 12 IRR23 IRR24 IRR25 IRR26 KẾT LUẬN Nghiên cứu thiết lập mơ hình Ba.Model sở tích hợp mơ hình mưadòng chảy, mơ hình cân nước mơ hình vận hành hệ thống hồ chứa, phù hợp với điều kiện cụ thể lưu vực sông Ba, phục vụ cho toán quy hoạch, quản lý nước vận hành hệ thống hồ chứa theo nhiệm vụ cấp nước phát điện Với kết thử nghiệm lưu vực sơng TT Tên cơng trình 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 Hồ Đội 10 Hồ Ea Knốp Hồ Đông Hồ Hồ Lộc Xuân Hồ Đội Cụm K rông Năng Hồ Ea Júk I Hồ Ea Bir Cụm K rông Năng Cụm Krông Năng Cụm Krông Năng Hồ Đội (Đội 23 cũ) Hồ Ea M'đoan Hồ Thủy điện Ea M'đoan Cụm Thượng Đồng Cam Cụm Thượng Đồng Cam Cụm Thượng Đồng Cam Cụm Thượng Đồng Cam Cụm Thượng Đồng Cam Cụm Thượng Đồng Cam Cụm Thượng Đồng Cam Đ Sông Con Đ Đồng Cam Cụm Hạ lưu Đồng Cam Cụm Hạ lưu Đồng Cam Cụm Hạ lưu Đồng Cam Nút tưới IRR27 IRR28 IRR29 IRR30 IRR31 IRR32 IRR33 IRR34 IRR35 IRR36 IRR37 IRR38 IRR39 IRR40 IRR41 IRR42 IRR43 IRR44 IRR45 IRR46 IRR47 IRR48 IRR49 IRR50 IRR51 IRR52 Số năm thiếu 0 8 0 1 Ba phù hợp với thực tiễn đồng thời so sánh với kết tính tốn cân nước theo mơ hình Mike Hydro Viện quy hoạch thủy lợi thực khẳng định mơ hình Ba-Model có độ tin cậy chấp nhận Mơ hình Ba-Model có khả tính tốn lưu lượng nhập lưu theo mơ hình NAM sử dụng toán quản lý nước, vận hành hệ thống theo thời gian thực có số liệu dự báo mưa tin cậy KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) 73 Mơ hình Ba-Model phát triển thêm hồn thiện ứng dụng cho lưu vực khác Việt Nam Một hạn chế mơ hình Ba-Model chưa tự động hóa phân bổ nước mơ hình khác cho nút điều chỉnh thủ công, tác giả hoàn thiện phiên sau Do số liệu quan trắc mưa lưu vực sông Ba thưa chưa đủ mức đại diện cho tiểu lưu vực nên kết tính tốn thử nghiệm có hạn chế TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngơ Lê An (2015), “Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ lưu vực Vu Gia-Thu Bồn”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, pp 100-106, Vol 51, Hà Nội Vũ Ngọc Dương, Ngô Lê An, Nguyễn Mai Đăng (2016), “Nghiên cứu dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Cửa Đạt phục vụ vận hành hồ chứa hợp lý”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, pp 96-100, Vol 54, Hà Nội Nguyễn Ngọc Hà (2012), Nghiên cứu áp dụng mơ hình WEAP tính tốn CBN lưu vực sơng Vệ, Luận văn Thạc sỹ - Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội Tơ Thúy Nga (2014), Mơ hình vận hành điều tiết thời gian thực thời kỳ mùa lũ hệ thống hồ chứa sông Vu gia – Thu bồn, Luận án tiến sỹ - Đại học Đà Nẵng Phùng Hồng Long (2017), Nghiên cứu dự báo dòng chảy đến hồ chứa lưu vực VGTB mùa kiệt, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng Hoàng Ngọc Tuấn, Thái Phúc Thuận (2015), “Đánh giá tài nguyên nước mặt TP Đà Nẵng có xét đến điều kiện biến đổi khí hậu, phát triển kinh tế xã hội đề xuất định hướng khai thác sử dụng nước đến năm 2050”, Tuyển tập Hội thảo Khoa hoc ATCESD 2015, Đà Nẵng Cheng Chun-tian (2010), “Decision Support System for Large-Scale Hydropower System Operations Modelling and Software 5th International Congress on Environmental Modelling and Software – Ottawa”, Ontario, Canada Kim, SheungKown (2011), “Real Time Reservoir Operation Simulation for the Han River Basin in Korea with CoMOM” AWRA Summer Specialty Conference June 27-29 DHI (2012), A Modelling System for Rivers and Channels, Reference Manual Abstract: DEVELOPMENT OF A MODEL TO SIMULATE HYDROLOGY, WATER BALANCE AND REGULATION OF RESERVOIR OPERATION IN THE BA RIVER BASIN In this paper, a new simulation model was introduced for the calculation of water balance, water management and operation of reservoir system in Ba river basin (named Ba-Model) This model is developed based on the theory of the NAM model and the idea of the HEC-RESSIM With Ba Model, users easily intervene to calculate the water balance to suit the actual situation in Ba river basin Validation and calibration of simulation models were conducted and show that it is reliable enough to apply to forecasting and operation problems in Ba river basin This model is also applied to other basins with similar conditions Keywords: model to simulate, water balance, reservoir, Ba river’s basin, predicting low stream Ngày nhận bài: 13/12/2018 Ngày chấp nhận đăng: 18/12/2018 74 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 63 (12/2018) .. .- Có khả dự báo nước đến hồ chứa nút nhập lưu từ tài liệu mưa - Tính tốn điều tiết vận hành hồ chứa theo kịch sử dụng nước khác Đối với hồ chứa thủy điện, xác định trình lưu lượng điều tiết. .. cho nhà máy thủy điện; điều tiết nước cho hạ du theo yêu cầu dòng chảy tối thiểu Tại nút hồ chứa có nhiều nút cấp sử dụng nước 68 Nút hồ chứa: bao gồm hồ chứa cấp nước phát điện Nút cân nước: ...ập mơ hình Ba. Model sở tích hợp mơ hình mưadòng chảy, mơ hình cân nước mơ hình vận hành hệ thống hồ chứa, phù hợp với điều kiện cụ thể lưu vực sơng Ba, phục vụ cho tốn quy hoạch, quản lý nước v