BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

VŨ NGỌC DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA
NƯỚC CỬA ĐẠT TRONG MÙA KIỆT PHỤC VỤ PHÁT
TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH THANH HÓA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017


MỤC LỤC
-

DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................vi

-

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................ix

-

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................xi

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1

CHỨA ĐA MỤC TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC .................... 5
1.1

Một số khái niệm dùng trong Luận án ...............................................................5

1.1.1

Hồ chứa đa mục tiêu....................................................................................5

1.1.2

Vận hành hồ chứa và biểu đồ điều phối ......................................................5

1.1.3

Bài toán tối ưu hóa trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu ............................6

1.1.4

Vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu ...................................................7

1.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành hồ chứa đa mục tiêu và dự báo
trung hạn dòng chảy trên thế giới ......................................................................8

1.2.1

Vận hành hồ chứa ........................................................................................8



Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu trong luận án .............................22

1.7

Giới thiệu tóm tắt các hồ chứa nghiên cứu trên lưu vực sông Chu .................25

1.7.1

Hồ Cửa Đạt................................................................................................ 25

1.7.2

Hồ Hủa Na .................................................................................................28

1.8

Kết luận chương I ............................................................................................29

CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH THÍCH NGHI
HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU ........................................................................... 31
2.1

Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ Cửa Đạt ..............................31

2.1.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình thủy văn 2 thông số kết hợp với mô hình điều
tiết hồ chứa dự báo dòng chảy 10 ngày đến hồ Cửa Đạt ...........................32
2.1.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình mạng trí tuệ nhận tạo (ANN) dự báo dòng
chảy tháng đến hồ Cửa Đạt ........................................................................41

CHƯƠNG 3
TÍCH HỢP DỰ BÁO DÒNG CHẢY VỚI MÔ HÌNH TỐI ƯU
VẬN HÀNH THÍCH NGHI HỒ CHỨA CỬA ĐẠT .................................... 86
3.1

Vận hành tối ưu hồ chứa Cửa Đạt ...................................................................86

3.1.1

Các bước thiết lập và chạy mô phỏng tối ưu hồ Cửa Đạt .........................86

3.1.2

Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944 ............90

iv


3.1.3 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944 và quy trình
1911 ............................................................................................................92
3.1.4 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình 3944, quy trình
1911 và gia tăng dần dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy mặn ....................95
3.1.5 Vận hành tối ưu hồ Cửa Đạt trên cơ sở tuân theo quy trình kết hợp 1911,
3944 và xét tới BĐKH ...............................................................................98
3.2

Xây dựng chương trình tích hợp dự báo trung hạn (10 ngày) dòng chảy đến hồ
với mô hình vận hành hồ chứa Cửa Đạt ........................................................101

3.3

- DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1: Biểu đồ điều phối hồ chứa điều tiết năm [1] ..................................................6
Hình 1. 2: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ...........................................................................24
Hình 1. 3: Bản đồ lưu vực sông Mã phần thuộc tỉnh Thanh Hóa .................................26
Hình 1. 4: Sơ họa hệ thống hồ chứa trên Sông Chu và một số vị trí kiểm soát trên sông
Mã ................................................................................................................28
Hình 2. 1: Sơ đồ cân bằng nước mô hình 2 thông số ...................................................32
Hình 2. 2: Bản đồ các tiểu lưu vực hồ Cửa Đạt.............................................................34
Hình 2. 3: Bản đồ sử dụng đất khu vực hồ Cửa Đạt .....................................................35
Hình 2. 4: Bản đồ loại đất khu vực hồ Cửa Đạt ............................................................35
Hình 2. 5: Đường quá trình dòng chảy đến hồ Cửa Đạt từ 1993 đến 2000
(hiệu chỉnh mô hình) ...................................................................................36
Hình 2. 6: Đường quá trình dòng chảy đến hồ Cửa Đạt từ 2001 đến 2007
(Kiểm định mô hình) ...................................................................................36
Hình 2. 7: Kết quả thử nghiêm dự báo dòng chảy đến hồ Hủa Na năm 2014 và
2015 ............................................................................................................39
Hình 2. 8: Kết quả ước tính dòng chảy xả tổng cộng từ hồ Hủa Na theo 2
phương án năm 2014 và 2015 .....................................................................39
Hình 2. 9: Kết quả thử nghiệm dự báo dòng chảy đến hồ Cửa Đạt năm
2014 và 2015 ...............................................................................................40
Hình 2. 10: Mạng nơron thần kinh 3 lớp ......................................................................41
Hình 2. 11: Tương quan giữa lưu lượng dòng chảy đến hồ Cửa Đạt tính toán
và thực đo..................................................................................................47
Hình 2. 12: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Cửa Đạt tính toán và thực đo ............47
Hình 2. 13: Sơ đồ tính toán ảnh hưởng của BĐKH đến nhu cầu tưới cây trồng ..........53
Hình 2. 14: Quá trình 1 chu kỳ triều trong thời gian quan trắc từ ngày 10-22/III/201561
Hình 2. 15: Tương quan lưu lượng Xuân Khánh và độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính trung
bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ...................62
Hình 2. 16: Tương quan giữa lưu lượng Sét Thôn và độ mặn lớn nhất tại Giàng (tính
trung bình thời kỳ quan trắc vào tháng III hàng năm từ 2007-2015) ..........63

khác nhau của dòng chảy đến hồ ..................................................................91
Hình 3. 7: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm
bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ ...........................................................91
Hình 3. 8: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác
nhau (vận hành trên cơ sở quy trình 3944) ...................................................92
Hình 3.9: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở kết hợp
quy trình 3944 và 1911 .................................................................................93
Hình 3.10: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo
khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và 1911
.......................................................................................................................94
vii


Hình 3.11: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm
bảo khác nhau của dòng chảy đến hồ trên cơ sở kết hợp quy trình 3944 và
1911...............................................................................................................94
Hình 3. 12: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác
nhau (vận hành trên cơ sở quy trình 3944 kết hợp với quy trình liên hồ 1911)
.......................................................................................................................95
Hình 3. 13: Minh họa quá trình tìm kiếm tối ưu vận hành hồ Cửa Đạt trên cơ sở quy
trình 3944+ 1911 và gia tăng lưu lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng
III (tháng kiệt nhất) .......................................................................................96
Hình 3. 14: Mô phỏng sản lượng điện năm trung bình nhiều năm với các mức đảm bảo
khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 3944+1911 và gia tăng lưu
lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng III (tháng kiệt nhất) .............97
Hình 3. 15: Mô phỏng sản lượng điện mùa kiệt trung bình nhiều năm với các mức đảm
bảo khác nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 1911 và gia tăng lưu
lượng duy trì dòng chảy sinh thái trong tháng 3 ...........................................97
Hình 3. 16: Minh họa một số quỹ đạo vận hành hồ Cửa Đạt theo các mức đảm bảo khác
nhau của dòng chảy đến trên cơ sở quy trình 1911 và gia tăng lưu lượng duy

Bảng 2. 8: Mực nước hồ quy định trong biểu đồ điều phối (Quy trình 3944) ..............50
Bảng 2. 9: Quy định mực nước và lưu lượng tối thiểu hồ Cửa Đạt trong các thời kỳ trong
mùa Kiệt (Quy trình 1911) .........................................................................51
Bảng 2. 10: Số liệu đầu vào khí hậu cho mô hình Cropwat trong điều kiện bình thường
ở khu vực nghiên cứu .................................................................................55
Bảng 2. 11: Sự thay đổi nhiệt độ và lượng mưa theo kịch bản BĐKH-B2 ở tỉnh Thanh
Hóa .............................................................................................................55
Bảng 2. 12: Số liệu đầu vào khí hậu cho mô hình Cropwat trong bối cảnh BĐKH – B2
cho khu vực nghiên cứu .............................................................................56
Bảng 2. 13: Kết quả tính toán hệ số tưới cho lúa trong điều kiện bình thường (l/s/ha)
....................................................................................................................56
Bảng 2. 14: Kết quả tính toán hệ số tưới cho lúa trong bối cảnh BĐKH-B2 (l/s/ha) ..57
Bảng 2. 15: Phần trăm thay đổi hệ số tưới cho lúa có xét đến BĐKH-B2 so với điêu kiện
bình thường (%) .........................................................................................57
Bảng 2. 16: Nhu cầu nước đối với hồ Cửa Đạt (p=85%) giai đoạn đến 2050 theo kịch
bản BĐKH- B2 ...........................................................................................57
Bảng 2. 17: Hàm phân bố xác suất dòng chảy đến hồ Hủa Na và khu giữa từ hồ Hủa Na
đến hồ Cửa Đạt các tháng và các thông số thống kê của từng hàm ...........70
Bảng 2. 18: Các phân phối dòng chảy đến hồ ngẫu nhiên và thông số thống kê ..........71
Bảng 2. 19: Ràng buộc về mực nước hồ Cửa Đạt trong thời kỳ mùa kiệt ....................77
Bảng 2. 20: Ràng buộc lưu lượng cấp nước hồ Cửa Đạt trong thời kỳ mùa kiệt quy định
trong Quy trình 1911 và trong các kịch bản tính toán ...............................78
ix


Bảng 3. 1: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944 ..........90
Bảng 3. 2: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944+1911 93
Bảng 3. 3: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944+1911+
gia tăng lưu lượng trong tháng III (tháng kiệt nhất) ..................................97
Bảng 3. 4: Giá trị các biến quyết định khi vận hành tối ưu theo quy trình 3944+1911 và


ĐHTL

Đại học Thủy lợi

EANN

Mạng nơ ron nhân tạo thuyêt tiến hóa (Evolutionary Algorithms Nueral
Network)

ENNIS

Mạng trí tuệ nhận tạo tiến hóa

FDP

Folded Dynamic Programming – quy hoạch động theo tệp

FUZZY

Lý thuyết Mờ

GA

Thuật giải đoán ghen (Genetic Algorithms)

GAMS

Phần mềm tối ưu GAMS


NASH

Chỉ số đánh giá hiệu quả việc tính toán (mô phỏng) so với thực đo

NCS

Nghiên cứu sinh

NEURO

Mạng nơ ron thần kinh

NEXRAD

Mô hình dự báo mưa bằng Radar

NSGAII

Một dạng tối ưu mạng trí tuệ nhân tạo

xi


PE

Phần tử xử lý

PARETO

Các dải tối ưu


Tài nguyên Môi trường

VHHC

Vận hành hồ chứa

xii


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của luận án

Thanh Hóa là một trong năm tỉnh, thành phố có diện tích và dân số lớn nhất nước ta,
nhưng cũng là một trong những tỉnh hứng chịu nhiều tác động nhất của thiên tai lũ, bão
và hạn hán. Những năm gần đây thiên tai xảy ra nhiều hơn, với mức độ trầm trọng hơn.
Ngoài các nguyên nhân khách quan do thời tiết, khí hậu, còn có những nguyên nhân chủ
quan khác như khả năng dự báo mưa lũ, sự phối hợp quản lý, vận hành các hồ chứa hiện
có trên lưu vực sông chưa hợp lý.
Trước thực trạng đó, Chính phủ đã ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa Sông Mã
theo Quyết định số 1911/QĐ-TTg ngày 5/11/2015 (Quy trình 1911). Quy trình đưa ra
những quy định vận hành phối hợp giữa hồ Hủa Na và hồ Cửa Đạt cả mùa lũ và mùa
kiệt trong đó mùa lũ có quy định phối hợp vận hành giữa 2 hồ để phòng chống lũ còn
mùa kiệt chủ yếu quy định chế độ vận hành của hồ Cửa Đạt theo 5 thời kỳ từ 1/XII đến
30/VI và theo thời đoạn 10 ngày. Tuy nhiên quy trình trên mới chỉ được xây dựng dựa
trên hiện trạng tài nguyên nước lưu vực sông Chu (thuộc sông Mã) mà chưa xét tới
những ảnh hưởng tiêu cực của biến đổi khí hậu (BĐKH) đến hồ chứa; vấn đề dự báo
phục vụ vận hành hồ mới chỉ được đề cập đến trong mùa lũ mà chưa có nghiên cứu đi

-

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên lưu vực Sông Chu (thuộc

Sông Mã).
-

Phạm vi nghiên cứu: lưu vực Sông Chu (thuộc Sông Mã) bao gồm 2 hồ chứa Hủa

Na và Cửa Đạt và các đối tượng dùng nước khu vực hạ du hồ Cửa Đạt. Tác động của
BĐKH chỉ xét đến khi tính toán nhu cầu nước tưới.
4.
-

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập

hợp, đánh giá và tình toán nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến tác động của
BĐKH;
-

Phương pháp mô hình toán (tất định và ngẫu nhiên) mô phỏng dòng chảy ngẫu nhiên

đến hồ và dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ;
-

Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng mô hình mô phỏng kết hợp với kỹ thuật

tối ưu để nghiên cứu vận hành hồ chứa Cửa Đạt.

đạo vận hành đã xây dựng để vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu.
2) Xây dựng được chế độ vận hành thích nghi cho hồ chứa Cửa Đạt trong mùa kiệt
đảm bảo đáp ứng nhu cầu sử dụng nước các ngành có xét đến BĐKH, nâng cao
hiệu quả phát điện đồng thời đánh giá được tính hợp lý của lưu lượng tối thiểu
tham gia đẩy mặn của hồ Cửa Đạt đối với hạ du lưu vực sông Mã.

3


7.

Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án được bố cục trong 3 chương, bao
gồm:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Chương này
trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hồ chứa đa mục tiêu, dự báo trung
hạn dòng chảy trong nước và trên Thế giới, những nghiên cứu ở lưu vực sông Chu –
sông Mã từ đó thấy đó thấy được những khoảng trống trong nghiên cứu và đưa ra được
định hướng nghiên cứu trong Luận án.
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu. Từ
định hướng nghiên cứu đã xác định trong chương I, chương này tiến hành xây dựng các
cơ sở khoa học cần thiết để vận hành thích nghi hồ chứa Cửa Đạt; bao gồm nghiên cứu
xây dựng mô hình ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ, tính toán nhu cầu sử dụng nước khi xét
đến tác động của BĐKH, đánh giá dòng chảy tối thiểu góp phần đẩy mặn khu vực hạ du
sông Mã, xây dựng mô hình kết hợp vận hành hồ chứa (kết hợp giữa mô phỏng và tối
ưu), và nghiên cứu xây dựng các phương án dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ.
Chương 3: Tích hợp dự báo dòng chảy với mô hình tối ưu vận hành thích nghi hồ chứa
Cửa Đạt. Chương này trình bày các kết quả phân tích vận hành tối ưu hồ theo các mức
đảm bảo khác nhau, và kết quả tích hợp dự báo trung hạn dòng chảy đến hồ với mô hình

đặc trưng. Mỗi vùng của biểu đồ phản ánh về khả năng cấp nước của hồ chứa đối với
nhiệm vụ cấp nước cũng như trạng thái nguy hiểm đối với bài toán phòng lũ hạ du hoặc
chống lũ cho công trình. Tại mỗt thời đoạn bất kỳ, trạng thái hồ chứa ở đầu thời đoạn sẽ
rơi vào một vùng nào đó trên biểu đồ, người quản lý hồ dựa vào đó để ra quyết định về
lưu lượng cấp nước q và lưu lượng xả thừa ở thời đoạn đó.

5


Hđập

36

Vsc

34

Vùng D

32

Vùng B
Htl

30
28

(2) Đ-ờng phòng phá hoại
Hbt



B1
(1) Đ-ờng hạn chế cấp n-ớc

22

t2

t1

20
31/VIII

30/IX

31/X

30/XI

31/XII

31/I

28/II

31/III

30/IV

31/V

Để giải bài toán tối ưu hóa, người ta tiến hành thay đổi biến điều khiển (biến quyết định)
trong khoảng thay đổi nào đó được gọi là vùng khả thi. Người ra quyết định sẽ đánh giá
các giải pháp hiện có thông qua các kết quả tương ứng đạt được của hàm mục tiêu. Các
hàm mục tiêu cần được xác định sao cho phản ánh được quyền ưu tiên của người ra quyết
định. Nhìn chung, hàm mục tiêu có thể là đạt lợi nhuận lớn nhất hay chi phí nhỏ nhất theo
các tiêu chuẩn kinh tế hoặc/và xã hội hoặc/và môi trường.
Các ràng buộc trong bài toán tối ưu hóa hồ chứa được chia làm 3 nhóm chính:
- Ràng buộc cấp nước: căn cứ vào nhu cầu cấp nước, nhu cầu phát điện.
- Ràng buộc hồ chứa: cân bằng nước hồ chứa, lượng trữ nhỏ nhất, lớn nhất, tổn thất
nước hồ chứa.
- Ràng buộc khác: lượng xả lớn nhất, nhỏ nhất, giới hạn phát điện, tổn thất cột nước...
Do cần phải thỏa mãn các ràng buộc cũng như tìm kiếm được các giải pháp thỏa mãn
yêu cầu tối ưu của biến điều khiển, các bài toán tối ưu hóa hồ chứa phải kết nối kỹ thuật
tối ưu hóa với mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa để tiến hành tìm kiếm tối ưu.
1.1.4 Vận hành thích nghi hồ chứa đa mục tiêu
Vận hành thích nghi hồ chứa là quá trình vận hành mà việc xả nước ở từng bước thời
gian được quyết định dựa trên trạng thái ban đầu của hệ thống và thông tin dự báo dòng
chảy đến hồ trong khoảng thời gian dự kiến.
Quy trình ra quyết định cho việc vận hành gồm:
1) Dự báo trung hạn lưu lượng nước đến hồ.
2) Trên cơ sở các thông tin dự báo, áp dụng mô hình tối ưu để xác định lượng nước
tối ưu xả qua hồ. Lượng nước xả cần được tính toán đảm bảo sự thoả hiệp giữa
các mục tiêu dài hạn và các mục tiêu ngắn hạn. Các mục tiêu này bao gồm cấp
nước, phát điện, cao trình mực nước, hay lưu lượng tại các điểm khống chế ở hạ
lưu và có thể đánh giá thông qua các tiêu chuẩn kinh tế.

7


3) Các thông tin quan trắc sau một số bước thời gian sẽ được cập nhật và quy trình



R. Mehta and S. K. Jain [4] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp mạng nơ ron thần kinh với
lý thuyết mờ (Neuro – Fuzzy) trong xây dựng quy trình vận hành đa mục tiêu hồ chứa
Ramganga, thuộc tỉnh Kalagarh, Ấn Độ. Kỹ thuật trên được chia làm sáu mô hình tính
cho hai thời kỳ theo mùa và không theo mùa. Các mô hình tính toán đều cho kết quả tốt
và việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa đa mục tiêu bằng phương pháp kết hợp
này là tương đối thuận tiện.
D. N. Kumar et al (2010) [5] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch động (FDP
- Folded Dynamic Programming) trong xây dựng quy trình vận hành chống lũ cho công
trình hồ chứa Hirakud, Ấn Độ với số liệu dòng chảy được thu thập từ năm 1958 đến
1995. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp FDP không chỉ có thể áp dụng cho đơn
hồ mà còn có thể áp dụng cho hệ thống hồ chứa chống lũ và đã xây dựng quỹ đạo vận
hành tối ưu cho hồ chứa Hirakud.
R.Beard et al. (1972) [6] đã nghiên cứu lập chương trình vận hành hồ chứa đa mục tiêu
trên cơ sở phân tích đưa các mục tiêu về thành một mục tiêu kinh tế từ việc sử dụng
nước để tiến hành tối ưu hóa mục tiêu này. Theo tác giả, chương trình này hoàn toàn có
thể áp dụng một cách mềm dẻo cho các công trình hồ chứa đa mục tiêu khác.
N. L. Long et al. (2007) [7] đã theo hướng tiếp cận kết hợp mô hình mô phỏng với kỹ
thuật tối ưu trong nghiên cứu vận hành hồ chứa Hòa Bình ở Việt Nam. Nghiên cứu nhằm
giải quyết vấn đề giữa điều tiết lũ, phát điện, và cấp nước của hồ chứa Hoà Bình. Do
vậy bài toán tối ưu đa mục tiêu trong trường hợp này sẽ không chỉ có một giải pháp duy
nhất mà sẽ tồn tại một tập các giải pháp ngang bằng nhau (Pareto). Theo đó, nếu đi dọc
theo dải Pareto, bất cứ sự thay đổi theo chiều hướng “tốt” lên của một mục tiêu nào đó
đều phải trả giá bởi sự “kém” đi của mục tiêu khác và giải pháp cho bài toán tối ưu đa
mục tiêu có thể quyết định khi người ra quyết định lựa chọn giải pháp ưa thích phù hợp
nhất. Nghiên cứu đã kết hợp mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu để vận hành hồ Hòa
Bình trong giải quyết xung đột chính giữa phòng lũ và phát điện ở giai đoạn cuối mùa
lũ và đầu mùa kiệt. Tác giả đã sử dụng phần mềm MIKE 11 để mô phỏng hệ thống sông
và hồ chứa kết hợp với các thuật toán tối ưu SCE (shuffled complex evolution) để tìm

các phương pháp thường dùng như: Tối ưu ngẫu nhiên ẩn (Implicit Stochastic
Optimization) gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính (Linear Programming Models),
các mô hình tối ưu dòng chảy mạng (Network Flow Optimization Models), các mô hình
quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming Models), các mô hình quy hoạch động

10


rời rạc (Discrete Dynamic Programming Model), các mô hình quy hoạch động liên tục
(Diffirential Dynamic Programming Models), các lý thuyết điều khiển tối ưu rời rạc theo
thời gian (Discrete Time Optimal Control Theory). Nhóm các phương pháp ngẫu nhiên
hiện (Explicit Stochastic Optimization) bao gồm: các mô hình quy hoạch tuyến tính
ngẫu nhiên (Stochastic Linear Programming Models), các mô hình quy hoạch động
ngẫu nhiên (Stochastic Dynamic Programming Models), Các mô hình điều khiển tối ưu
ngẫu nhiên (Stochastic Optimal Control Models). Nhóm tích hợp dự báo để vận hành
hồ chứa theo thời gian thực.
Trong nghiên cứu xây dựng các quy trình vận hành thích nghi hồ chứa với các tác động
của BĐKH, Mohsen Ahmadi et al. (2015) [12] đã sử dụng thuật toán tối ưu NSGAII –
một dạng tối ưu mạng trí tuệ nhân tạo (A metaheuristic multiobjective optimization
algorithm) để áp dụng cho hồ chứa Karoon-4 ở Iran. Kết quả vận hành thích nghi khi
xét đến các yếu tố ảnh hưởng được so sánh với kết quả vận hành trong trường hợp bình
thường cho thấy tốt hơn và đó là cơ sở làm tăng mức độ tin cậy trong vận hành hồ chứa
khi các biến đầu vào là bất định, đặc biệt trong bối cảnh BĐKH.
Wenzhao Xu et al. (2015) [13] đã nghiên cứu tích hợp dự báo dòng chảy vào vận hành
thích nghi hồ chứa Miyun ở Trung Quốc. Các tác giả đã sử dụng kết hợp mô hình mô
phỏng và kỹ thuật tối ưu quy hoạch động để xây dựng chế độ vận hành tối ưu hồ chứa
sau đó sử dụng mô hình ARIMA dự báo dòng chảy đến hồ. Việc vận hành thích nghi
hồ chứa theo một số kịch bản nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi chưa có dự báo kết quả đạt
được tốt hơn khoảng từ 3% đến 5% so với quy trình vận hành hiện thời, và khi tích hợp
dự báo dòng chảy đến hồ vào vận hành thích nghi hồ chứa thì kết quả đạt được còn lên

xác định giá trị các biến quyết định. Trong quá trình vận hành các tác giả đã đưa vào sử
dụng hàm cơ bản Radius (Radius Basis Function) như một công nghệ dò tìm số liệu để
đưa ra quyết định cấp và xả nước. Việc sử dụng Co-EAISM bước đầu cho thấy một số
lợi ích như: i) quản lý vận hành hồ có thể theo hướng tự thích nghi theo một số quỹ đạo
vận hành được mô phỏng; ii) cho phép tự thích nghi linh hoạt trong khuôn khổ của các
quy trình vận hành để tương thích với môi trường vận hành phức tạp và có nhiều thay
đổi.
1.2.2 Dự báo trung hạn dòng chảy
Nghiên cứu dự báo trung hạn dòng chảy (10 ngày, 1 tháng) đến hồ đóng một vai trò
quan trọng trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu. Đặc biệt là việc nâng cao chất lượng

12


dự báo vẫn đang là một đề tài được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Một
số nghiên cứu cụ thể được tóm tắt dưới đây:
Mô hình thủy văn thông số phân bố MGB-IPH đã được Walter, C. và nnk (2007) [17]
sử dụng để dự báo trung hạn dòng chảy cho sông Paranafba ở Brazil. Mô hình này được
cải tiến từ mô hình LARSIM với một số thay đổi trong các modul tính bốc thoát hơi,
tính thấm. Ô lưới tính toán của mô hình thường là 10km x 10km và chúng được kết nối
với mạng sông suối với mỗi ô được coi như ‘một đơn vị thủy văn’ với giá trị phụ thuộc
vào loại đất và hiện trạng sử dụng đất trên từng ô lưới. Số liệu đầu vào của mô hình là
lượng và bốc hơi được lấy từ mô hình ETA của Trung tâm dự báo mưa Brazil (BCWP).
Mô hình dự báo thời tiết ETA là mô hình số trị với vùng dự báo bao phủ toàn bộ khu
vực Nam Mỹ và một phần của vùng phụ cận; mô hình dự báo thời tiết này được đưa vào
dự báo tác nghiệp từ năm 1996, chủ yếu cho dự báo hạn ngắn. Kết quả dự báo của mô
hình thủy văn phân bố MGB-IPH này được so sánh với kết quả dự báo của mô hình
ARMA truyền thống đã cho kết quả khả quan hơn nhiều trong cả mùa mưa và mùa khô
ứng với thời gian dự kiến từ 3, 5 đến 12 ngày, đặc biệt là khi dự báo mưa tốt.
Mô hình dự báo lũ trung hạn cho lưu vực sông San Antonio, Hoa Kỳ (diện tích khoảng

toán GP (Goal programming) đã được dùng để ước tính các thông số (p,d,q) của mô
hình từ chuỗi số liệu quan trắc 68 năm. Kết quả nghiên cứu cho thấy các thông số của
mô hình ARIMA được xác định bằng thuật toán GP tốt hơn khi xác định bằng thuật toán
Maximum Likelihood và tốt hơn nhiều so với việc tính đúng các hệ số của mô hình
ARIMA bằng phương pháp giải tích truyền thống (công thức Truy trứng của Dublin).
Đây là một cách tiếp cận mới: khi có sự trợ giúp của máy tính thì việc giải gần đúng
nhanh hơn rất nhiều.
1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu và
dự báo trung hạn dòng chảy ở Việt Nam
1.3.1 Vận hành tối ưu hồ chứa đa mục tiêu
Việt Nam là nước nông nghiệp có nhiều hồ chứa thủy lợi (trên 6.600 hồ). Những năm
gần đây, nhiều hồ chứa thủy điện cũng đã được xây dựng phục vụ công nghiệp hóa và
hiện đại hóa đất nước. Chính vì vậy, nghiên cứu vận hành hồ chứa cũng được nhiều nhà
khoa học, nhiều cơ quan nghiên cứu trong nước quan tâm. Một số công trình nghiên cứu
tiêu biểu được trình bày tóm tắt dưới đây.
T. T. Nghĩa và L. H. Nam [21] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp cận kết hợp mô
hình toán mô phỏng với mô hình toán tối ưu phi tuyến, cùng sự hỗ trợ của công cụ tiên
14