Mô hình hóa hệ thống tài nguyên nước

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TÀI NGUYÊN NƯỚC PGS.TS. Ngô Lê Long Tài liệu tham khảo  Hà Văn Khối, L.Đ. Thành, N.L. Long. Giáo trình Quy hoạch và phân tích hệ thống tài nguyên nước. NXB Giáo dục, 2007.  Mays L.W. and Y.-K. Tung. Hydrosystems Engineering and Management. Water Resources Publications, 1992.  Jain, S.K. and V.P. Singh. Water resources systems planning and management. Elsevier, 2003.  Daniel P. Loucks. Water resources systems planning and management – An Introduction to Methods, Models and Applications. United Nations Educational Publicatio,n 2005. Phân tích hệ thống tài nguyên nước có liên quan chặt chẽ với việc sử dụng các mô hình toán. Vận hành hệ thống tài nguyên nước là bài toán phức tạp do không biết đầu vào (tương lai) của hệ thống (mưa & dòng chảy). Mô hình mô phỏng cân bằng nước cung cấp một công cụ nhằm đánh giá biến thiết kế hay chiến lược vận hành trên cơ sở số liệu lịch sử hay số liệu tổng hợp nhằm xem xét hệ thống thực thi thế nào. Giới thiệu 1. Giới thiệu các phương trình cân bằng cơ bản sử dụng cho mô hình hệ thống sông và hồ chứa. 2. Giới thiệu các kiến thức vận hành cơ bản đối với hồ chứa đơn/đa mục tiêu. 3. Giới thiệu bài toán vận hành hồ chứa phục vụ đa mục tiêu Mục tiêu Hệ thống lưu vực sông Nước sử dụng cho: • Cấp nước • Giải trí • Tự nhiên • Phát điện • Kiểm soát ô nhiễm • Giao thông thủy Hệ thống lưu vực sông Các thành phần: • Hồ chứa, đập, trạm bơm • Kênh dẫn, đường ống • Cơ sở vật chất • Nhà máy thủy điện • Nhà máy nước, xử lý nước thải • Âu thuyền • Kiểm soát lũ (hồ chứa, đắp đê) • Hệ thống thu gom, phân bổ “Hệ thống tài nguyên nước là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng và sự tác động của môi trường lên nó”  Nguồn nước: Lượng và phân bố của chúng theo không gian và thời gian; chất lượng nước và động thái của nước.  Hệ thống các công trình khai thác: Bao gồm các công trình đầu mối, các công trình chuyển nước v.v. được cấu trúc tùy thuộc vào mục đích khai thác TNN.  Các yêu cầu về nước: Bao gồm các hộ dùng nước, yêu cầu phòng chống lũ, lụt, yêu cầu cải tạo môi trường và yêu cầu dùng nước khác. 1.1 Khái niệm về hệ thống TNN Tại sao mô hình: • Làm hay thiết kế gì? • Làm hay thiết kế ở đâu? • Độ lớn, số lượng và vận hành như thế nào? • Khi nào thực hiện? • Thủy văn, kinh tế, sinh thái và xã hội tác động gì? Tại sao? 1.2 Khái quát về mô hình hóa hệ thống TNN Mô hình hoá hệ thống tài nguyên nước là sự biểu đạt các quy luật của hệ thống TNN, bao gồm các quá trình vật lý và động thái của hệ thống bằng các biểu thức toán học.  Giúp cho việc nhận thức được những hành xử của hệ thống một cách thấu đáo  Dễ dàng cung cấp các kịch bản vận hành hệ thống khác nhau  Là cầu nối giữa người quản lý chính sách và nghiên cứu 1.2 Khái quát về mô hình hóa hệ thống TNN 1.3 Những thách thức trong việc mô hình hóa HTTNN  Thách thức của những nhà hoạch định và quản lý  Xác định được các lựa chọn nhằm giải quyết bài toán  Tìm hiểu các nhu cầu của các nhóm lợi ích nhằm đạt được sự đồng thuận về các vấn đề cần làm.  Thiết lập và sử dụng mô hình đưa ra các kết quả để mọi hộ dùng nước đạt được sự thỏa thuận chung phù hợp với giá trị riêng của họ  Ra quyết định và thực hiện chúng, đưa ra sự khác biệt của các ý tưởng, giá trị xã hội và mục tiêu. 1.3 Những thách thức trong việc mô hình hóa HTTNN  Thách thức của mô hình hóa  Giải pháp hoàn thiện cho việc quy hoạch TNN hiếm khi tồn tại: Các kế hoạch và dự án là động, phát triển theo thời gian.  Bất kỳ quyết định lớn nào cũng bao gồm nhiều quyết định nhỏ được thực hiện bởi các cơ quan khác nhau có trách nhiệm về các khía cạnh khác nhau của dự án.  Thời gian dành cho việc nghiên cứu TNN nói riêng thường ngắn hơn so với yêu cầu. Nếu có đủ thời gian thì mục tiêu của các nghiên cứu có thể thay đổi đáng kể. Khung phân tích chung của các nghiên cứu HTTNN 1.3 Những thách thức trong việc mô hình hóa HTTNN  Thách thức trong việc áp dụng mô hình vào thực tế  Luôn có một khoảng cách giữa những nghiên cứu về sản phẩm mô hình hóa HTTNN với thực tế sử dụng.  Không phải những nghiên cứu công bố nào cũng sẵn sàng hay hiệu quả trong việc sử dụng.  Liệu mô hình mới (chương trình máy tính) có làm cho người sử dụng dễ dàng giải quyết các vấn đề của họ hay không? 1.4 Đặc điểm của những bài toán mô hình hóa hệ thống TNN  Mục tiêu quy hoạch và quản lý TNN được xác định rõ ràng và các tổ chức và cá nhân có thể nhận dạng được ai có thể đạt được lợi từ kết quả mô hình.  Tồn tại nhiều quyết định khác nhau mà có thể thoả mãn các mục tiêu, và quyết định tốt nhất chưa rõ ràng.  Hệ thống TNN và các mục tiêu có thể miêu tả tường minh bằng các hàm toán học.  Thông tin cần thiết như những tác động thuỷ văn, kinh tế, môi trường, sinh thái từ quyết định nào đó có thể được ước tính tốt hơn thông qua sử dụng mô hình.  Thông số của những mô hình xác định từ dữ liệu có khả năng đạt được dễ dàng.. 2.1 Khái quát Ví dụ: - Một hồ chứa có nhiệm vụ phân bổ nước cho các hộ dùng nước ở hạ lưu. - Xem xét xem lợi nhuận tăng thêm của các hộ dùng nước do việc tăng dòng chảy có bù đắp được chi phí xây dựng hồ không? 2.1 Khái quát  Người hoạch định HTTNN phải xác định và đánh giá được các thiết kế/kế hoạch quản lý hệ thống TNN trên cơ sở kinh tế, môi trường, sinh thái hay tác động chính trị của chúng.  Một số hệ thống thực thi các mục tiêu mâu thuẫn với nhau. Trong trường hợp này, mô hình có thể giúp định ra các thỏa hiệp hiệu quả giữa các giải pháp mâu thuẫn đó.  Đòi hỏi các tiếp cận theo hướng mô hình hóa mô phỏng hay tối ưu nhằm nghiên cứu phân tích hệ thống tài nguyên nước Mô hình toán Các phương trình đại số Biến đã biết (Paramaters) Biến chưa biết (Decision variables) Biến thiết kế Biến vận hành 2.2 Các thành phần của mô hình Biến thiết kế • Dung tích phòng lũ (hồ chứa) • Dung tích hiệu dụng (hồ chứa) • Công suất phát điện • Công suất máy bơm • Diện tích tưới • Năng lực kênh dẫn • Cao trình đê • Biến vận hành • Q xả qua hồ • Phân bổ nước cho các hộ dùng nước •  Các mô hình mô phỏng Mô phỏng (Simulation): Quá trình sao chép lại hành vi của một hệ thống đang tồn tại hoặc được đề xuất  Thiết kế một mô hình của hệ thống và tiến hành thực nghiệm với mô hình đó nhằm để hiểu rõ hơn về chức năng của hệ thống hoặc để đánh giá những chiến lược quản lý khác nhau của hệ thống đó.  Bản chất của mô phỏng là xác định lại động thái của hệ thống ở các mặt quan trọng để trả lời câu hỏi hệ thống phản ứng như thế nào với những điều kiện có thể áp đặt vào nó hoặc có thể phát sinh trong tương lai 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu  Các mô hình mô phỏng Trong bài toán phân tích hệ thống mô hình mô phỏng được sử dụng để phân tích hiệu quả của từng phương án quy hoạch, từ đó tìm ra phương án có lợi nhất. Phương án mô phỏng chỉ đưa ra được phương án gần tối ưu (phương án hợp lý). Do phương án tốt nhất được xác lập trên cơ sở các kịch bản về phương án quy hoạch và do đó có thể bỏ sót các phương án tốt hơn do không tạo ra được không gian đầy đủ các phương án. 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu  Các mô hình tối ưu Cho phép đưa ra các giải pháp tối ưu từ một miền giới hạn các giải pháp khả thi. Hạn chế:  Không phải bài toán quy hoạch nào có thể mô tả được bằng mô hình tối ưu.  Nhiều trường hợp bài toán tối ưu không giải được.  Có thể nghiệm bài toán tối ưu là nghiệm cục bộ.  Các mô hình kết nối kỹ thuật tối ưu với mô hình mô phỏng 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Sơ đồ phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng – tối ưu Nhập số liệu Mô phỏng phản ứng của hệ thống theo qui tắc vận hành Quy tắc vận hành Sử dụng mô hình tối ưu tạo ra bộ thông số mới Đánh giá các hàm mục tiêu Giải pháp tối ưu Thỏa mãn tiêu chuẩn ? NO YES Mô hình Mô phỏng Mô hình tối ưu 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Ví dụ: - Một hồ chứa có nhiệm vụ phân bổ nước cho các hộ dùng nước ở hạ lưu. - Xem xét xem lợi nhuận tăng thêm của các hộ dùng nước do việc tăng dòng chảy có bù đắp được chi phí xây dựng hồ không? 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Hàm mục tiêu: Maximize tổng lợi nhuận  Lợi nhuận Bit của mỗi hộ dùng nước tại mỗi bước thời gian phụ thuộc vào lượng nước, Xit, phân phối cho nó.  Hàm lợi nhuận Bit=Bit(Xit) cần được xác định và được biểu diễn dưới dạng phù hợp của giải pháp tối ưu lựa chọn.  Các biến chưa biết bao gồm:Lượng nước cấp cho các hộ dùng nước, Xit, và lượng nước xả từ hồ tương ứng, Rt, tại tất cả các bước thời gian.  Ràng buộc: Rt ≥ X1t + X2t + X3t St + It – Rt = St+1 với t 1, 2, . , T; St ≤ K với t 1, 2, . . . , T. 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Phát biểu bài toán tối ưu: Tìm giá trị của 60 biến chưa biết sao cho thỏa mãn được hàm mục tiêu Xác định vấn đề Thu thập các số liệu Lập sơ đồ hệ thống Đánh giá sự thực thi hệ thống hoặc cải thiện hiệu quả hệ thống Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống Xây dựng mô hình tối ưu hệ thống Ứng dụng kết quả của mô hình 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Mô hình mô phỏng giải quyết các câu hỏi ‘what if ’; Mô hình tối ưu có thể giải quyết các câu hỏi ‘what should be’. Mô phỏng Tối ưu 2.3 Mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu Bài toán vận hành hồ chứa  Khái quát về hồ chứa  Hệ thống liên hồ chứa  Mô phỏng hồ chứa, sông ngòi  Nguyên tắc vận hành hồ chứa 30 3.1 Phân loại mô hình mô phỏng Phân loại theo: theo tính phức tạp của cấu trúc Phân loại theo các lĩnh vực ứng dụng:  Mô hình chất/số lượng nước (sông, vịnh, cửa sông)  Mô hình vận hành hồ chứa (số/chất lượng)  Mô hình bão hòa/không bão hòa số/chất lượng nước ngầm  Mô hình mưa dòng chảy  Phân bổ nước, nhu cầu nước  Vận hành tưới tiêu  Dự báo  Biến đổi hình thái  . 3.1 Phân loại mô hình mô phỏng  Mô hình thành phần mưa dòng chảy  TANK, NAM, SARR, TOP, BTOPMC,  Mô hình diễn toán dòng chảy  Diễn toán thủy văn (Muskingum)  Diễn toán thủy lực  Mô hình chất lượng nước  Qual2K, Qual2E, MIKE 11 WQ  Mô hình nước ngầm  MODFLOW, MIKE-SHE, GMS (Groundwater Modeling System)  Mô hình quản lý tiêu thoát nước đô thị  SWMM (EPA-SWMM, MIKE-SWMM)  MOUSE  EPANET (Water Distribution Network Simulation Model)  Mô hình lưu vực sông  HEC-HMS, HEC-ResSim, HEC-RAS,  MIKE 11  SWAT  WMS – Watershed Modeling System  RIBASIM, WEAP, MIKE BASIN, MODSIM Một số mô hình mô phỏng TNN MIKE 11 HD Module Ứng dụng của HD Module  Nghiên cứu nước dâng do bão và thủy triều trong vùng cửa sông và sông  Thiết kế hệ thống kênh  Vận hành hệ thống tưới tiêu  Mô phỏng những biện pháp kiểm soát lũ  Dữ báo lũ và vận hành hồ chứa Cơ sở lý thuyết  Dòng chảy trong kênh hở: giải quyết dạng sai phân hữu hạn của phương trình Saint Venant (1D):  Phương trình liện tục (continuity equation)  Phương trình động lượng (momentum equation)  Giả sử  Nước là không nén được và đồng nhất  Độ dốc đáy là nhỏ  Dòng chảy ở mọi nơi là song song với đáy (ví dụ: chiều dài sóng là đủ lớn khi so sánh với độ sâu nước) Biến thủy lực Cơ sở lý thuyết  Biến độc lập Theo không gian x Theo thời gian t  Biến phụ thuộc Lưu lượng Q Mực nước H  Tất cả những biến khác là hàm của biến độc lập hoặc biến phụ thuộc  Phương trình liên tục q t A x Q        Phương trình động lượng 0 2 2                ARC QgQ x h gA x A Q t Q  Cơ sở lý thuyết  Phụ thuộc vào bao nhiêu thành phần được sử dụng trong phương trình động lượng  Phương trình Saint Venant đầy đủ (dynamic wave)  Lược đồ hiện (explicit methods)  Lược đồ ẩn (implicit methods) Time step j+1 Time step j Time step j-1 Cross section i Cross section i+1 Cross section i-1 Space Time Reach Cơ sở lý thuyết – mô tả dòng chảy Bỏ đi 2 thành phần đầu tiên 0 2 2                ARC QgQ x h gA x A Q t Q  • Diffusive wave (backwater analysis) 0 2 2                ARC QgQ x h gA x A Q t Q  • Kinematic wave (relatively steep rivers without backwater effects) Cơ sở lý thuyết – Mô tả dòng chảy Bỏ qua 3 thành phần đầu tiên  Hệ phương trình vi phân riêng phần về hệ phương trình sai phân hữu hãn với lược đồ sai phân ẩn trên toàn bộ lưới tính toán  Điểm Q và H thay thế, ở đó Q và H được tính toán cho mỗi bước thời gian  Lược đồ 6 điểm - (point Abbott-Ionescu scheme Time step n+1/2 Time step n Time Time step n+1 i i+1 i-1 Space h 1 h3 h5 h 7 2 4 6 Q Q Q Center point Cơ sở lý thuyết – Lược đồ giải  Điều kiện biên (Boundary conditions) Điều kiện biên ngoài – biên thượng và hạ lưu (external boundary conditions - upstream and downstream) Điều kiện biên bên trong (internal “boundary conditions”)  Điều kiện ban đầu (Initial condition)  t=0 Cơ sở lý thuyết – Điều kiện biên và ban đầu  Lọai điều kiện biên thượng lưu điển hình Lưu lượng hằng số từ một hồ chứa Đường quá trình Q ~ t  Loại điều kiện biên hạ lưu điển hình Mực nước hằng số H ~ t  Đường quan hệ Q ~ H (rating curve) Cơ sở lý thuyết – Lựa chọn điều kiện biên Q Q Q h or Q/h Yêu cầu dữ liệu cho HD • Định nghĩa lưu vực (Catchment Delineation) • Mạng sông (nhánh và node) và dữ liệu địa hình (River and Floodplain Topography) • Dữ liệu thủy văn cho những điều kiện biên (Hydrometric Data for Boundary Conditions) • Dữ liệu thủy văn cho kiểm định và hiệu chình mô hình (Hydrometric Data for Calibration / Validation) • Dữ liệu về công trình và vận hành của nó (Man-made Interventions) Cross Section Editor (*.XNS11) Network Editor (*.NWK11 ) Simulation Editor(*.SIM11) Parameter Editors (HD, AD, WQ, ST, RR) *.HD11 Boundary Editor (*.BND11) Time Series Editor (*.DFS0) Cấu trúc một mô phỏng cho MIKE 11 Cho mô phỏng: Cho hiện thị kết quả: Mike view Data Editors (New Files)  Simulation editor  Network editor  Cross- section editor  Parameter editor  Boundary editor  Time-series editor Simulation Editor  Đặc trưng:  Xác nhận một mô phỏng (Loại mô phỏng, thời kỳ, bước thời gian)  Xác định file đầu vào, đầu ra (Input- and Result-filenames)  Tổng hợp tất cả các Editor Network Editor  Làm việc với dữ liệu mạng sông  Thiết lập mạng sông:  Mạng sông số hóa (Digitized River Network)  Nhánh sông (River Branches)  Công trình thủy lực (Hydraulic Structures) - Đập (Weirs), - Cống (Culverts), - Công trình điều tiết (Regulating), - Controllable Weir/Gate - Dambreak  Mô hình mưa dòng chảy cho lưu vực bộ phận(Hydrological Catchments) Indsæt dump fra nwk-editor med signatur forklaring (h, Q, digi-points) Graphical View Network Editor (cont’d) Network Editor (cont’d) Tabular View Network Editor (cont’d)  Định nghĩa nhánh sông (River Branches):  Nhận dạng địa hình (Topo ID)  Tên sông (River Name)  Điểm thượng lưu (Upstream Chainage [m])  Điểm hạ lưu (Downstream Chainage [m])  Loại nhánh (Branch type: Regular or Link channel)  Kết nối thượng lưu với nhánh khác (Upstream connection to other Branches)  Kết nối hạ lưu với nhánh khác (Downstream connection to other Branches)  Maximum x Network Editor (cont’d) Grid-point spacing in River Branch Chainage [m] : 20.000 28.000 32.000 40.000 H-point with cross section from Database H-point with interpolated Cross Section Q-point Maximum dx = 5.000 m Maximum dx = 3.000 m Maximum dx > 8.000 m RIVER MODEL 1D RIVER CROSS-SECTIONS SCHEMATIZATION (1 DIMENSION) LOOPED RIVER NETWORK TRIBUTARIES SCHEMATIZATION OF FLOODPLAINS (QUASI 2D) PARALLEL RIVERS FLOODED AREAS LINK CHANNELS HYDRAULIC STRUCTURES Cross Section Editor  Làm việc với dữ liệu địa hình (Topographical data).  Bao gồm 2 loại dữ liệu:  Dữ liệu thô (Raw data) - Dữ liệu mặt cắt ngang khảo sát (Cross Section survey data)  Dữ liệu xử lý (Processed data) - Bảng thông số thủy lực cho mỗi mặt cắt - Được tính toán từ dữ liệu thô - Dữ liệu này sẽ được sử dụng trong mô phỏng => Dữ liệu xử lý được yêu cầu trong tất cả các mặt cắt Cross Section Editor – Raw data  Dữ liệu thô  Mỗi mặt cắt nhập vào được định nghĩa bởi:  Tên sông (River Name)  Nhận dạng địa hình (Topo ID)  Khoảng cách (Chainage [m]) Cửa sổ dữ liệu thô bao gồm:  Tree View liệt kê tất cả các mặt cắt  Tabular View liệt kê dữ liệu theo x,z  Graphical View thể hiện hình vẽ mặt cắt Tabular View Raw Data- set Tree View Cross Section Editor – Raw data Graphical View Dữ liệu thô: Loại mặt cắt (Section Type): Mở/ đóng (Open / Closed) Loại bán kính (Radius Type): Resistance Radius Hydraulic Radius, Effective area Hydraulic Radius, Total area Datum: Reference level Phân chia mặt căt (Divide Section): Chia mặt cắt và đồng bằng lũ Cao trình phân chia (Level of Divide): Cho sông và đồng bằng lũ Nhân tố nhám: Nhám tương đối (Relative Resistance) Flood Plain River channel M = 10 M = 30 Datum Cross Section Editor – Raw data Cross Section Editor – Processed data Dữ liệu xử lý (Processed Data):  Mỗi mặt cắt sẽ tương ứng với:  Area, Hydr.Radius, Width & Conveyance calculated for different Water Levels  Additional Flooded Area (optional)  Resistance factor (optional)  Cửa sổ dữ liệu xử lý bao gồm:  Tree View: liệt kê tất cả các mặt cắt  Tabular View: Liệt kê thông số thủy lực  Graphical View: Đường quan hệ của những thông số thủy lực được chọn Processed Data-set Cross Section Editor – Processed data Nhám đáy (Bed Resistance) Nhám đáy: • Manning-Strickler M [m1/3 /s] • Manning’s coefficient n [s/ m1/3] (= 1/M) • Chezy’s coefficient C [m1/2 /s] Resistance Number = Resistance factor * Bed Resistance number (Cross section database) (HD Parameter file) (default: Rf = 1.0) (default: M = 30) Boundary Editor  Cho mô phỏng HD  Biên dòng chảy vào (Inflow): hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tại biên thượng lưu.  Mực nước (Water level): hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tại biên hạ lưu.  Q/h: được sử dụng khi mối quan hệ Q-h được xác định tại hạ lưu  Biên được định nghĩa bởi:  Tên sông (River Name)  Chainage  Loại biên (Boundary type)  Chuỗi số liệu và dữ liệu tương ứng (Time series file-name and item) Q t t t Q Wl HD Boundary Editor Time Series (TS) Editor  Chỉnh sửa và lưu trữ chuỗi dữ liệu theo sự kiện  Đặc tính của chuỗi dữ liệu bao gồm:  Tên, Loại dữ liệu (water level, discharge etc.) và đơn vị (unit)  Loại trục thời gian (equidistant / non-equidistant), (calendar / relative)  Thời gian bắt đầu (Start-time), Bước thời gian (Time-step), và số bước thời gian (no of Time-steps)  Đặc tính của chuỗi dữ liệu được định nghĩa trong “File Properties”  Một file time series có thể chứa đựng nhiều cột dữ liệu khác nhau cho một sự kiện cụ thể Time Series Editor Graphical View Tabular View HD Parameter Editor  Điều kiện ban đầu (Initial values of H and Q)  Giá trị nhám đáy (Bed resistance Values)  Etc. HD Parameter Editor Global and Local Variables: Global Value: Local Values: M = 30 M = 30 M = 25 M = 20 0.0 5000 10000 15000 20000 Distance [m] M a n n in g ’s M HD Parameter Editor Indsæt cut af Additional output dialog MIKE 11 Mô đun điều khiển công trình MIKE 11 HD – Công