1.4 TÍNH TOÁN THUỶ NĂNG THUỶ LỢI NGUỒN NƯỚC .1 Khái niệm và nội dung tính toán thuỷ năng - thuỷ lợi nguồn nước
1.4.3 Các bài toán tính toán điều tiết dòng chảy
1.4.3.1 Bài toán điều tiết dòng chảy tổng quát
Chúng ta đã nghiên cứu khái niệm điều tiết dòng chảy và có kết luận rằng:
Điều tiết dòng chảy là tác động của con người vào tự nhiên nhằm chủ động hơn trong việc khai thác và sử dụng dòng chảy thiên nhiên. Như vậy quá trình điều tiết phụ thuộc khá nhiều vào những yếu tố như:
- Đặc tính tự nhiên của dòng chảy bị điều tiết, là dòng chảy năm, dòng chảy kiệt, dòng chảy lũ hay dòng chảy rắn (bùn cát),...;
- Chu kỳ (hay thời kỳ tính toán) điều tiết là ngắn hạn hay dài hạn;
- Phương pháp tính toán điều tiết liên quan đến quan niệm về dòng chảy là ngẫu nhiên hay là có quy luật;
- Công cụ để tiến hành điều tiết, tức là điều tiết bằng bể, bằng hồ chứa đơn hay hệ thống hồ, là những hồ chứa có quan hệ thuỷ lực dạng bậc thang hay dạng song song,...;
- Mục đích của điều tiết và mức độ yêu cầu về điều tiết;
Hàng loạt yếu tố trên đây làm cho vấn đề điều tiết dòng chảy trở nên hết sức phong phú và đa dạng, cũng chính vì phong phú và đa dạng cho nên vấn đề điều tiết dòng chảy luôn là vấn đề phức tạp, và luôn là đề tài nghiên cứu để hướng tới sự hoàn thiện. Do bài toán điều tiết dòng chảy rất phong phú, đa dạng và phức tạp, trước hết cần mô tả và xây dựng bài toán điều tiết dòng chảy tổng quát.
Bài toán điều tiết dòng chảy tổng quát có thể được phát biểu như sau:
Với một tuyến xây dựng đập và hồ chứa nào đó đang nghiên cứu, khả năng của dòng chảy thiên nhiên tại tuyến đó đã biết, chu kỳ điều tiết và phương pháp tính đã lựa chọn. Hãy (1) Xác định dung tích điều tiết cần thiết của hồ chứa nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng nước; hoặc (2) Xác định khả năng cấp nước của hồ chứa khi dung tích điều tiết của hồ đã cho trước. Mô hình bài toán điều tiết dòng chảy tổng quát được minh họa trong Hình 1.18.
Như vậy bài toán điều tiết dòng chảy thường thuộc một trong hai dạng: Xác định dung tích điều tiết khi biết trước nhu cầu sử dụng nước hoặc xác định khả năng cung cấp nước từ hồ chứa khi dung tích điều tiết được ấn định trước. Trong hai loại bài toán trên, ngoài kết quả trực tiếp là dung tích điều tiết hoặc khả năng cấp nước, bao giờ cũng phải kèm theo Quy luật điều tiết tương ứng.
Biết dòng chảy đến Qtn = f(t) Đặc tính lòng hồ và các tài liệu khác Lựa chọn mục tiêu và phương pháp tính
Xác định loại bài toán
Bài toán (1) Bài toán (2)
Xác định dung tích điều tiết của hồ Xác định khả năng cấp nước của hồ
Xác định quy luật điều tiết nhằm thỏa mãn mục đích của bài toán
Qđt = f(t)
Kết quả BT (1) Kết quả BT (2)
Vhi Khả năng cấp nước
Kết thúc bài toán điều tiết
Hình 1.18: Mô hình bài toán điều tiết dòng chảy tổng quát
Vậy quy luật điều tiết là gì? Quy luật điều tiết hay quy tắc điều tiết được hiểu là quá trình lưu lượng điều tiết theo thời gian trong một chu kỳ điều tiết: Qđt
= f(t). Do mối quan hệ chặt chẽ giữa lưu lượng điều tiết với dung tích và mực nước hồ, cho nên đôi khi người ta còn biểu diễn quy luật điều tiết dưới dạng dung tích hoặc mực nước hồ theo thời gian.
Đối với bài toán dạng (1), chúng ta cần xác định dung tích điều tiết của hồ nhằm thỏa mãn được các nhu cầu sử dụng nước của con người trong các ngành kinh tế quốc dân khác nhau. Bài toán này phức tạp hơn bài toán dạng (2) bởi vì nhu cầu sử dụng nước rất đa dạng, phong phú và thay đổi theo thời gian. Nếu nhu cầu dùng nước để phục vụ phát điện thì bài toán điều tiết dòng chảy còn được gọi là bài toán điều tiết và tính toán thủy năng, bài toán thủy năng sẽ được nghiên cứu rất tỷ mỉ trong Chương V. Nếu nhu cầu dùng nước để phục vụ tưới cho cây trồng hoặc phục vụ nước sinh hoạt, nước công nghiệp thì gọi là bài toán điều tiết phục vụ tưới và cấp nước. Nếu nhu cầu nước hạ du là đẩy mặn hoặc phục vụ giao thông thủy thì bài toán là điều tiết dòng chảy phục vụ giao thông và đẩy mặn. Nếu điều tiết để đảm bảo an toàn chống lũ cho công trình và hạ du thì được gọi là bài toán điều tiết lũ. Ngày nay, mỗi hồ chứa, đặc biệt với hồ chứa ở quy mô trung bình và quy mô lớn thì hồ thường phải làm nhiệm vụ tổng hợp, phục vụ cấp nước cho nhiều ngành. Chính vì vậy bài toán điều tiết dòng chảy ngày càng trở nên phức
tạp, và mục tiêu lựa chọn của bài toán ngày càng khó khăn. Vấn đề phân phối chi phí và thu nhập cũng như đánh giá hiệu quả của công trình ngày càng phức tạp hơn trước.
Đối với bài toán dạng (2), khi biết dung tích điều tiết hồ, cần xác định được khả năng cấp nước của hồ chứa. Bài toán này có phần đơn giản hơn nếu như dòng chảy thiên nhiên đến là biết trước hoặc có dự báo chính xác. Lưu lượng điều tiết ở sau đập sẽ được phân phối cho các ngành như thế nào đôi khi không thuộc mục đích của bài toán điều tiết dòng chảy.
Công cụ quan trọng nhất đối với mỗi bài toán điều tiết dòng chảy là phương trình cân bằng nước của hồ chứa, mỗi thời đoạn tính toán có một phương trình cân bằng, với lưu ý là dung tích hồ cuối thời đoạn nào đó chính là dung tích hồ ở đầu thời đoạn tiếp sau, chúng ta sẽ có một hệ hay một chuỗi các phương trình cân bằng nước của hồ chứa. Hệ các phương trinh cân bằng nước cùng các điều kiện biên của bài toán và các phương trình nhiệm vụ (phương trình năng lượng đối với thủy điện) sẽ cho phép chúng ta giải được bài toán điều tiết dòng chảy.