CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM SỬ DỤNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH
4.3. Xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định cho hệ thống sông Hồng - sông Thái Bình
4.3.2. Xây dựng mô đun vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa
Vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực là bài toán phức tạp liên quan đến nhiều vấn đề khác nhau: các quá trình thủy văn, thủy lực; các điều kiện kỹ thuật; các quy định vận hành đã ban hành. Một hệ thống quan trắc tốt cần có để cung cấp cho người vận hành các thông tin về dòng chảy, mực nước tại các điểm khác nhau trên hệ thống, dòng chảy vào hồ và mực nước các hồ, ngoài ra còn cần có các thông tin về lượng mưa trong khu vực dùng để dự báo sớm dòng chảy trên hệ thống. Một chương trình diễn toán dòng chảy trên hệ thống sông cũng cần thiết để dự báo dòng chảy dưới hạ du. Các văn bản quy định chế độ vận hành các hồ chứa phản ánh các mục tiêu kiểm soát lũ là các ràng buộc về mặt hành chính. Cuối cùng là cần có một mô hình vận hành hồ chứa để đưa ra kết quả vận hành phù hợp với các mục tiêu và ràng buộc kể trên.
Dự báo lũ là một vấn đề quan trọng trong đời sống xã hội và đặc biệt quan trọng trong vấn đề vận hành các hồ chứa. Bài toán dự báo thủy văn nói chung và dự báo lũ nói riêng có thể xem như là một hệ thống với các đầu vào và đầu ra. Đầu ra của hệ thống là hệ quả của đầu vào thông qua một quá trình tuyến tính hay phi tuyến. Trong vấn đề vận hành hệ thống hồ chứa, hệ thống ở đây là mạng sông và các công trình trên mạng sông. Đầu vào ở đây là quá trình dòng chảy tại các điểm trên thượng lưu hệ thống sông và đầu ra là mực nước và lưu lượng tại một số điểm kiểm soát tại hạ lưu sông. Các tham số điều khiển ở đây chính là quá trình vận hành của các hồ chứa trong hệ thống.
Vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực là bài toán xác định lưu lượng xả của từng hồ trong hệ thống với các thông tin sẵn có, trong khoảng thời gian tương đối ngắn từ vài phút đến vài ngày tùy thuộc vào đặc trưng của hệ thống và khả năng có được các thông tin đầu vào, nhằm thỏa mãn các ràng buộc và các mục tiêu đề ra.
Lưu lượng xả của các hồ tại một thời điểm phụ thuộc vào số lượng cửa xả đáy, xả mặt, mực nước hồ, mực nước hạ du và lưu lượng tuốc bin tại thời điểm đó. Các quan hệ lưu lượng xả với mực nước hồ, quan hệ mực nước hồ và thể tích chứa nước của hồ là các quan hệ phi tuyến do đó quá trình vận hành ở đây là phi tuyến.
Trong vấn đề vận hành hồ chứa theo thời gian thực, vấn đề thời gian dự báo và thời gian cập nhật dự báo là vấn đề quan trọng hàng đầu. Để hiểu rõ vấn đề này, có thể xem xét một ví dụ cụ thể về hệ thống sông Hồng. Lũ lớn trên sông Hồng
thường có thời gian kéo dài từ 15 đến 20 ngày, trong khi đó thời gian dự báo dòng chảy trên hệ thống sông có độ tin cậy cao chỉ là 24h đến 48h, tức là 1 ngày đến 2 ngày. Như vậy số liệu sử dụng để tính toán đưa ra các thông số vận hành hồ sẽ là số liệu dự báo trong 24h hoặc 48h. Nếu sử dụng các số liệu dự báo dài ngày có độ tin cậy không cao đưa vào tính toán có thể dẫn đến những thiệt hại lớn. Ví dụ, theo dự báo dài hạn sẽ có lũ lớn, kết quả tính toán sẽ chỉ ra là các hồ sẽ phải xả lũ trước để đảm bảo an toàn cho hệ thống hồ chứa cũng như đảm bảo mục tiêu chống lũ. Nếu điều đó không xảy ra thì việc xả lũ gây tổn thất cho hạ du và thiệt hại về sản lượng điện là không cần thiết. Ngược lại nếu dự báo dài hạn là lũ nhỏ mà lại xảy ra lũ lớn thì có thể gây nguy hiểm cho hệ thống hồ khi mà kết quả tính toán chỉ ra là có thể nâng mực nước hồ để gia tăng sản lượng điện.
Chính vì khả năng hạn chế của các công cụ dự báo, việc tính toán các phương án vận hành các hồ chứa cần dựa vào số liệu của dự báo ngắn hạn và đặt ra một số chiến lược vận hành nhằm đảm bảo các mục tiêu đặt ra. Chiến lược vận hành có thể hiểu là một số nguyên tắc cần tuân thủ trong tính toán không kể đến các ràng buộc vật lý hoặc một số quy định cứng khác.
Chiến lược vận hành có thể bao gồm 2 điểm chính:
(1) Cập nhật dự báo liên tục. Điều này có nghĩa là quy định thời gian cập nhật dự báo và tính toán lại các thông số vận hành tại thời điểm cập nhật. Ví dụ sử dụng thời gian dự báo là 48h để tính toán các phương án vận hành, tuy nhiên kết quả tính toán sẽ không được sử dụng suốt 48 h mà các thông tin về thường xuyên cập nhật sau mỗi 6h, 12h hoặc 24h ...Thời gian 6h, 12h, 24 h được hiểu là thời gian cập nhật dự báo.
(2) Xác định mục tiêu và các ràng buộc trong khoảng thời gian dự báo. Đây là vấn đề khó khăn nhất của bài toán vận hành hồ chứa theo thời gian thực. Nếu trong khoảng thời gian dự báo, mục tiêu đặt ra là tối thiểu mực nước hạ du thì kết quả vận hành sẽ dẫn đến mực nước hồ dâng cao và có thể không đảm bảo an toàn cho hồ chứa ở thời gian tiếp theo. Vì vậy mục tiêu và các ràng buộc trong khoảng thời gian dự báo cần được xác định dựa vào hiện trạng của hệ thống sao cho trong trường hợp lũ lên, mực nước hạ du và mực nước hồ dâng lên đều nhau và khi các hồ chứa sử dụng hết dung tích chống lũ thì mực nước hạ du cũng tới giới hạn cho phép.
Có thể xem xét các trường hợp hàm mục tiêu và các ràng buộc trong từng thời đoạn dự báo như sau:
+ Hàm mục tiêu:
Bài toán 1. Tổng dung tích chống lũ còn lại của các hồ là cực đại:
( ) max
1
→
=∑
= nho
i CL
obj V i
f (4.1) Trong đó VCL(i) là dung tích chống lũ còn lại của hồ thứ i tại cuối thời đoạn dự báo. Mục tiêu này cần gắn với điều kiện ràng buộc về mực nước hạ du phải nhỏ hơn một mực nước cho trước. Điều kiện ràng buộc này là cần thiết vì để dung tích chống lũ đạt cực đại các hồ có thể xả nhiều nước xuống hạ du và điều này sẽ làm mực nước hạ du vượt giới hạn cho phép.
Bài toán 2. Tổng dung tích chống lũ còn lại của các hồ là cực đại và phương sai tỷ lệ dung tích chống lũ còn lại của các hồ là nhỏ nhất (mực nước các hồ dâng đều):
Tỷ lệ dung tích chống lũ còn lại của hồ i là:
( ) ( ) ( )i V
i i V
TL
CL CL CL
max
=
Để các hồ có tỷ lệ dung tích chống lũ còn lại tương đương nhau thì phương sai tỷ lệ dung tích chống lũ còn lại của các hồ là nhỏ nhất:
( ( ) )
min
2
1 →
−
= ∑
=
nho TL i TL
nho
i
CL CL
σTL (4.2)
TLCL là tỷ lệ dung tích chống lũ trung bình.
Tổng dung tích chống lũ còn lại của các hồ là cực đại:
( ) max
1
→
=∑
= nho
i CL
obj V i
f (4.3)
Tương tự như hàm mục tiêu (4.1), hàm mục tiêu (4.2) và (4.3) có thể đồng thời thỏa mãn gắn với ràng buộc giới hạn mực nước ở hạ du.
Bài toán 3. Tổng dung tích chống lũ của các hồ và mực nước hạ du tăng hoặc giảm đều theo cùng tỷ lệ, hoặc theo một quỹ đạo cho trước.
Giả sử tổng dung tích chống lũ của các hồ là VCLmax, tổng dung tích chống lũ còn lại là VCL; mực nước cực đại cho phép ở hạ du là hmax, mực nước hạ du cực đại trong khoảng dự báo hiện thời là h. Mục tiêu vận hành hệ thống hồ chứa an toàn là sao cho khi VCL tiến đến 0 thì hmax-h cũng tiến đến 0. Để đạt được mục tiêu
max min max
2
⎟ →
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ ⎟ − −
⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛
ref
obj h
h h
VCL f VCL
α
(4.4)
Trong đó href =hmax-hmin, hmin là mực nước cao nhất ở hạ du mà các hồ không cần vận hành chống lũ; hmax là giá trị mực nước lớn nhất cho phép ở hạ du;
α là một tham số dương biểu diễn quỹ đạo của điểm có tọa độ là mực nước hạ du và tổng dung tích chống lũ còn lại. Ví dụ : nếu α =1 quỹ đạo là đường thẳng, α =2 quỹ đạo là đường pa-ra-bôl.
+ Các điều kiện ràng buộc - Giới hạn về dung tích hồ
i i
i V V
Vmin < < max (4.5)
Trong đó Vmin i là dung tích ứng với mực nước chết và Vmax i là dung tích ứng với mực nước dâng gia cường của hồ i trong hệ thống hồ chứa. Ví dụ hồ Hòa Bình có mực nước chết là 80 m (zhomin) ứng với thể tích chết (min) là 3.8 tỷ m3, mực nước gia cường (zhomax) là 122 m ứng với dung tích là 11 tỷ m3.
Điều kiện (5) tương đương với điều kiện giới hạn về mực nước hồ chứa:
i i
i zho zho
zhomin < < max (4.5a)
Giới hạn về số cửa xả đáy và số cửa xả mặt
i xd i xd i
xd n n
n min < < max (4.6)
xm i xmi
xm i n n
n min < < max (4.6a)
Giới hạn về thời gian đóng mở các cửa xả liên tiếp
Thời gian đóng mở giữa các cửa xả được quy định căn cứ vào các thông số kỹ thuật của hệ thống đóng mở cửa van và các điều kiện an toàn hạ du cũng như của hồ chứa. Ví dụ ở hồ Hòa Bình, các cửa van xả mặt và xả đáy về mặt kỹ thuật có thể đóng mở hoàn toàn trong vòng 15 phút. Tuy nhiên để chống sạt lở, xói hạ du và hồ chứa, trong điều kiện chống lũ bình thường thời gian quy định đóng mở giữa các cửa xả là cách nhau 6h. Trong điều kiện cần chống lũ hoặc xả lũ khẩn cấp, thời gian đóng mở có thể nhanh hơn trong điều kiện kỹ thuật cho phép.
- Giới hạn về mực nước ở hạ du.
Với hàm mục tiêu (1), (2) và (3), điều kiện giới hạn về mực nước ở hạ du là cần thiết để bài toán có nghĩa. Giới hạn mực nước ở hạ du được xác định trong từng
thời đoạn dự báo, nằm trong khoảng khả thi (để bài toán có nghiệm) và nhỏ hơn mực nước an toàn hạ du.
Các bước thực hiện tìm lời giải tối ưu:
Bước 1. Chạy bài toán dự báo mực nước hạ du từ thời điểm hiện tại đến hết thời đoạn dự báo (các hồ giữ nguyên số cửa xả).
Bước 2. Nếu mực nước dự báo hạ du thấp hơn mực nước chống lũ thì chạy phương án duy trì mực nước trước lũ tại các hồ. Nếu mực nước dự báo hạ du cao hơn mực nước chống lũ chuyển tiếp sang bước 3.
Bước 3. Xác định điều kiện các hồ tham gia cắt lũ theo quy trình.
Bước 4. Các hồ không tham gia cắt lũ chạy phương án duy trì mực nước hồ.
Đối với các hồ có nhiệm vụ tham gia cắt lũ chạy bước 5.
Bước 5. Xây dựng tập hợp phương án đóng mở cửa van xả cho các hồ tham gia cắt lũ.
Bước 6. Xác định mực nước hồ và mực nước hạ du tại thời điểm cập nhật dự báo cho tất cả các phương án (chạy mô hình điều tiết hồ và mô hình diễn toán dòng chảy). Loại trừ các phương án không thỏa mãn các điều kiện ràng buộc.
Bước 7. Xác định tập hợp giải pháp Pareto cho từng hồ theo điều kiện còn dung tích chống lũ lớn nhất, số lần đóng mở cửa xả it nhất hoặc ứng với mực nước hạ du cho trước.
Bước 8. Xác định tổ hợp các phương án phối hợp giữa các hồ.
Bước 9. Xác định mực nước hồ và mực nước hạ du tại thời điểm cập nhật dự báo cho các phương án phối hợp (chạy mô hình điều tiết hồ và mô hình diễn toán dòng chảy).
Bước 10. Xác định lời giải thỏa mãn hàm mục tiêu bằng cách duyệt các kết quả ở Bước 9.
Bước 11. In kết quả nhận được.
+ Tích hợp các mô đun vào chương trình
Các mô đun chính được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN90 và đã được tích hợp vào một chương chình thống nhất có giao diện thuận tiện qua các menu và các phím bấm.
Sơ đồ tổng quát cho chương trình vận hành tối ưu hồ chứa theo thời gian thực được trình bày như sau:
Thời điểm hiện tại t=t0
Chuẩn bị các số liệu quan trắc đến thời điểm hiện tại
(t0-thc,t0)
Chạy mô hình hiệu chỉnh tham số
Chạy mô hình thủy văn dự báo lưu lượng
(t0,t0+tdb)
Lựa chọn các tham số vận hành
Mục tiêu 1 Mục tiêu 2 Mục tiêu 3
Chạy mô hình tối ưu vận hành
hồ chứa
Chấp nhận kết quả?
Kết thúc Có Không