Môi trường - Mô phỏng hồ chứa nước sông ngòi

CIVE 546 CIVE 546 • Trên thế giới việc xây dựng hồ chứa ngày càng trở nên khó khăn hơn. Đã có những nhận thức tiêu cực nào về hồ chứa? • Những thách thức gây khó khăn cho việc vận hành hồ chứa là gì?. CIVE 546 CIVE 546 • Dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng/thể tích • Mong muốn: Xác định được dòng chảy ra từ công trình và/ mực nước công trình (giai đoạn) › Quá trình nước đến? › Quan hệ H~W? › Lượng xả - giai đoạn? CIVE 546 CIVE 546 ttttt tt OIVtOtIVV tOIVVtOIV I t V OI dt dV         1 1 )()( 0 CIVE 546 CIVE 546 Vcuối = Vđầu + Qđến – Tổn thất – Xả (kiểm soát) – xả tràn Quan trắc Tính toán Tổn thất thực (NET) bao gồm lượng nước đóng góp cho nước ngầm, thấm và bốc hơi. Các thành phần này cũng bao hàm cả sự bổ sung nước từ nước ngầm và lượng mưa vào mặt hồ. CIVE 546 CIVE 546 Vt+1 = Vt + It - Et - Rt - St Phương trình trên đã bỏ qua lượng tổn thất hoặc bổ sung do nước ngấm hay thấm từ đập. Các thành phần này có thể khó định lượng. Bốc hơi thực , Et, đặc trưng cho Bốc hơi – lượng mưa trên mặt hồ trong khoảng thời gian, t. Lưu ý thành phần này có thể mang giá trị âm. CIVE 546 CIVE 546 Vt – Thể tích ban đầu được xác định bởi quan trắc mực nước hồ thông qua quan hệ Z~W . It – Qđến được xác định bởi trạm đo trên sông, suối. Et – được xác định qua tính toán lượng bốc hơi từ diện tích mặt nước hồ (quan hệ F~W). CIVE 546 CIVE 546 Rt – Lượng xả kiểm soát được xác định dựa trên nhu cầu và qui trình vận hành. St – Xả tràn được xác đinh từ mực nước hồ và cao trình ngưỡng tràn. Lưu ý: một số thành phần không thể quan trắc chính xác được. CIVE 546 CIVE 546 • Quan hệ bốc hơi ~ diện tích mặt nước? • Quan hệ diện tích mặt nước-lượng trữ? CIVE 546 CIVE 546 Tính toán BỐC HƠI Et = Eratet * Ft Với Eratet = Độ sâu bốc hơi (m) trong khoảng thời gian t Ft = Diện tích mặt hồ (m 2) trong khoảng thời gian t Ft = f(0.5[aVt b + aVt+1 b]) với f hàm mô tả quan hệ diện tích – Dung tích (F-V) Vấn đề ở đây là ta không biết Vt+1 cho đến khi tính được Et. Việc tính toán dung tích trung bình đòi hỏi cách tiếp cận bằng cách lặp. Cách gần đúng: chỉ xem xét dung tích ban đầu: Et = Eratet * (aVt b) Kết quả tính toán sẽ lớn hơn thực tế trong quá trình xả nước và nhỏ hơn trong quá trình tích nước. CIVE 546 CIVE 546 • Cần xem xét nhu cầu cho từng giai đoạn như một phần của nhu cầu hàng năm. Nghĩa là cần nghiên cứu cả tổng nhu cầu cũng như phân bổ nhu cầu cả năm. • Xác đinh nhu cầu chi từng thời đoạn: Dt = t * TAD, với t = tỷ lệ nhu cầu từng thời kỳ trong năm t; TAD = Tổng nhu cầu hàng năm. Với t: tháng và t “hệ số dùng nước” tháng    12 1 1 t t CIVE 546 CIVE 546 • Có 3 nguyên tắc cơ bản: › Xả nước theo nhu cầu Thường dùng trong trường hợp vận hành bình thường. › Xả nước nhỏ hơn nhu cầu Thường được khai thác trong thời kỳ vận hành hạn hán. › Xả nước lớn hơn nhu cầu Thường được sử dụng trong các giai đoạn dòng chảy trong sông lớn (vận hành lũ). CIVE 546 CIVE 546 • Dung tích hữu ích? • Dung tích giới hạn dưới (Vlc) (Lower critical volume) • Dung tích giới hạn trên (Vuc) (Upper critical volume) Profile 4100 4080 4060 4040 4020 4000 3980 3960 z Vlc Vuc CIVE 546 CIVE 546 • Vùng 1. Vùng hạn chế vận hành • Vùng 2. Vùng vận hành bình thường • Vùng 3. Vùng vận hành nâng cao Profile 4100 4080 4060 4040 4020 4000 3980 3960 z Vlc Vuc CIVE 546 CIVE 546 • Vùng 1. Vùng hạn chế vận hành Khi Vt < Vlct, thì Rt =  * Dt, với  = Tỷ lệ thỏa mãn nhu cầu (0 – 1).  có thể là một giá trị định trước hay hay tính theo tỷ lệ nước còn lại: Ví dụ:  = {(Vt – Vmin) / (Vlct – Vmin)} . • Vùng 2. Vùng vận hành bình thường Rt = Dt CIVE 546 CIVE 546 • Vùng 3. Vùng vận hành nâng cao Khi Vt > Vuct, thì Rt = Dt + lượng dưt, với lượng dưt = lượng nước xả thêm có thể được tính bằng: lượng dưt = Vt+1 – Vuct CIVE 546 CIVE 546 • Cần đảm bảo rằng dung tích mô phỏng nằm trong phạm vi Vmin đến Vmax. Xác định: Vt+1 tt = Vt + It - Et - Lt - Rt XẢ TRÀN Nếu Vt+1 tt > Vmax thì Xả trànt = Vt+1 tt - Vmax Và Vt+1 đc = Vt+1 tt – Xả trànt = Vmax CIVE 546 CIVE 546 • Tình trạng thiếu hụt có thể được coi như lượng nước thiếu để đáp ứng được nhu cầu: Shortaget = Dt – Rt khi Rt < Dt nếu không Shortaget = 0. • “Giai đoạn thiếu hụt” là mọi giai đoạn ta không đáp ứng được nhu cầu đầy đủ. • Nếu đếm số giai đoạn không đáp ứng được, có thể dùng thông tin đó để xác định tần suất không đáp ứng nhu cầu trong năm. CIVE 546 CIVE 546 • The critical period within a period of analysis is the longest period required to go from a full condition (Vt = Vmax) to almost empty (Vt  Vmin) and return to a full condition. 0 200 400 600 800 1000 1200 20 40 60 80 100 120 140 Months V o lu m e in M C M Vmin CIVE 546 CIVE 546 Drawdown-Refill Cycle 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Months V o lu m e Giai đoạn xả Giai đoạn tích Qđến Qyêu cầu CIVE 546 CIVE 546 • Lượng điện P = 9.8*q*h* Với P = Điện phát ra (KW) q = Dòng chảy qua Turbine (m3/s) h = Cột nước turbine (m)  = Hệ số turbine (0 – 1) ht = cVt d CIVE 546 CIVE 546 If we produce this power for some period of time, we are producing energy. Lets assume that we are using a monthly time step in our reservoir model. Lets further assume that a “typical” month has 730 hours (24 * [365/12]). Then: Q(MCM) = q(m3/s)* 2.628 Energyt (KWH) = (9.8*730/2.628)*Qt*ht* Converting Energyt to MWH gives: Energyt = 2.72*HGR*Qt*ht* Energyt = Monthly hydro-electric energy in MWH HGR = proportion of time for generation (0 – 1) Qt = monthly release volume in mcm ht = head on the turbine in m  = turbine efficiency (0 – 1) CIVE 546 CIVE 546 We can also invert the energy equation to solve for the required monthly release to produce the desired monthly energy: Qt req = Energyt / [2.72*HGR*ht*] Energyt = t * AFE AFE = annual firm energy t = proportion of the annual firm energy in period t › For t = 1 month, t represents monthly “energy use coefficients” Restrictions on the minimum or maximum flow that the turbine can handle and the minimum head: ht  hmin Qturbine_min  Qt  Qturbine_max CIVE 546 CIVE 546 • Nếu cả hai mục tiêu quan trọng như nhau chúng ta có thể tính toán lượng xả kết hợp như sau: Relt kh = Max[Rt ; Qt yc ] CIVE 546 CIVE 546 Thiết lập lượng trữ ban đầu Tính toán Bốc hơi Xác định Q đến Xác định Q xả Tính toán lượng trữ kết thúc Tính toán sản lượng điện và Độ thiếu hụt điện /nước Bước tiếp theo CIVE 546 CIVE 546 CIVE 546 CIVE 546 Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Irrigation Area Schematic CIVE 546 • Tiểu hệ thống sông: Cho ta biết bao nhiêu nước ta cần từ hồ chứa. • Tiểu hệ thống hồ chứa: Cho ta biết liệu hồ có thể cung cấp lượng nước yêu cầu hay không. CIVE 546 Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Sơ đồ Nút liên kết Irrigation Area CIVE 546 CIVE 546 Đối với mỗi nút riêng lẻ tính toán cho một khoảng thời gian: Xem xét tất cả các nguồn đối với n inputs và m outputs, cho từng nút: i Node tOtIV I t V OI dt dV      0 0 tOtI m k k n j j    11 CIVE 546 CIVE 546 Đối với nhiều nút trong không gian tính toán từ thượng lưu xuống hạ lưu, tính toán một khoảng thời gian: Gia tăng hay giảm dọc sông? › Một đoạn sông có thể xuất hiện việc gia tăng hay giảm lượng nước. Sự gia tăng này sẽ được tổng hợp và gán cho nút tiếp theo. i i+1 Node Node xOxI m k k n j j    11 111   sum,isum,iii – O I V V CIVE 546 CIVE 546 • Đầu tiên giả thiết một lượng xả từ hồ chứa. Sau đó tính toán lượng nước rời khỏi nút thượng lưu trên cùng. • Tiếp đến thực hiện cho hạ lưu, từng nút một cho đến nút cuối cùng đoạn sông. • Nếu không thể đáp ứng được các nhu cầu hay dòng chảy trên sông, phải tăng thêm lượng xả, hay phân bổ lại lượng thiếu hụt. Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Irrigation Area Sơ đồ CIVE 546 CIVE 546 • Nếu phải phân bổ lại lượng thiếu hụt, nghĩa là lượng nước cấp nhỏ hơn so với yêu cầu. Cần quyết định xem hộ dùng nước nào hay yêu cầu nào sẽ thiếu nước và thời gian thiếu hụt giữa các hộ dùng nước. • Điều chỉnh sự phân bổ và tính toán cho từng nút hạ lưu, cho đến nút cuối cùng. Kiểm tra lại kết quá và điều chỉnh sự phân bổ nếu thấy cần cho đến khi đạt được giải pháp. Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Irrigation Area Sơ đồ CIVE 546 CIVE 546 • Đầu tiên giả thiết một lượng xả từ hồ chứa sau đó mô phỏng cho đoạn sông. • Nếu giá trị xả quá nhỏ sẽ dẫn đến thiếu hụt. Nếu quá lớn sẽ có dòng chảy dư. • Nghĩa là ta sẽ phải lặp đi lặp lại để tìm ra được giải pháp. Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Irrigation Area Sơ đồ CIVE 546 CIVE 546 • Quá trình lặp bắt đầu từ thượng lưu, sau đó mô phỏng xuống hạ lưu. Nếu hạ lưu mô phỏng không thỏa mãn, trở lại thượng lưu và bắt đầu lại. • Quá trình lặp sẽ dừng khi đáp ứng được nhu cầu hay đưa ra giá trị lượng xả lớn nhất có thể từ hồ chứa.. Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Irrigation Area Schematic CIVE 546 CIVE 546 • Nếu việc xả nước không đáp ứng được yêu cầu hạ lưu, cần phân bổ lại lượng thiếu hụt giữa các nhu cầu bằng mô hình mô phỏng sông. • Quá trình này được gọi là “Quét từ thượng lưu xuống hạ lưu”. Environmentally Sensitive Wetland Area Downstream Flow Control Point City Irrigation Area Schematic CIVE 546 CIVE 546 • Việc trình bày riêng biệt nhu cầu dùng nước hàng năm (cấp nước hay năng lượng) có thuận lợi gì? • Tại sao trong mô hình hệ thống sông đòi hỏi cách tiếp cận lặp đi lặp lại? CIVE 546 CIVE 546