Các hệ thống nước mặt

283 CH¦¥NG 7 C¸c hÖ thèng N­íc mÆt 7.1. C¸c hÖ thèng hå chøa n­íc mÆt Chøc n¨ng chÝnh cña c¸c hå chøa lµ ®Ó lµm gi¶m sù biÕn thiªn cña dßng n­íc mÆt th«ng qua sù kiÓm so¸t vµ ®iÒu tiÕt, vµ ®iÒu tiÕt n­íc ®Õn nh÷ng n¬i cÇn thiÕt, ®óng lóc vµ ®óng chç. Chøc n¨ng chøa n­íc t¹m thêi cña c¸c hå chøa th­êng vÉn ®­a ®Õn mét kÕt qu¶ kh«ng mong muèn lµ tæn thÊt n­íc t¨ng lªn do qu¸ tr×nh thÊm vµ bèc h¬i. Tuy nhiªn, c¸c lîi Ých cã thÓ nhËn ®­îc th«ng qua ®iÒu hßa dßng ch¶y cho c¸c nguån cung cÊp n­íc, ph¸t ®iÖn, t­íi, sö dông n­íc cho c¸c ho¹t ®éng gi¶i trÝ, vµ c¸c ho¹t ®éng kh¸c sÏ bï l¹i cho c¸c tæn thÊt nµy. C¸c lîi Ých thùc cña mäi dù ¸n ph¸t triÓn hå chøa phô thuéc vµo kÝch th­íc vµ sù ®iÒu tiÕt hå chøa, còng nh­ c¸c môc ®Ých kh¸c nhau cña dù ¸n. C¸c hÖ thèng hå chøa cã thÓ ®­îc chia thµnh hai nhãm chung theo môc tiªu ®iÒu tiÕt: tÝch tr÷ n­íc vµ ®iÒu tiÕt lò. C¸c môc tiªu tÝch tr÷ n­íc bao gåm cung cÊp n­íc, t¨ng dßng ch¶y kiÖt c¶i thiÖn chÊt l­îng n­íc, ho¹t ®éng gi¶i trÝ, giao th«ng thuû, t­íi vµ thñy ®iÖn, vµ mäi môc ®Ých kh¸c trong ®ã n­íc ®­îc tr÷ l¹i ®Ó x¶ ra sau nµy. §iÒu khiÓn lò ®¬n gi¶n lµ tr÷ hoÆc lµm chËm n­íc trong qu¸ tr×nh lò ®Ó lµm gi¶m dßng ch¶y lò. Ch­¬ng nµy chØ tËp trung vµo c¸c hÖ thèng hå chøa n­íc mÆt cho môc tiªu tÝch tr÷ n­íc. §iÒu tiÕt lò, mét khÝa c¹nh cña ®iÒu tiÕt hÖ thèng hå chøa ®­îc th¶o luËn trong ch­¬ng 13. Nãi chung, tæng dung tÝch cña mét hå chøa ®a môc ®Ých gåm cã ba thµnh phÇn chÝnh (xem h×nh 7.1.1); (1) dung tÝch chÕt, chñ yÕu dïng ®Ó l¾ng ®äng bïn c¸t, ho¹t ®éng gi¶i trÝ, hoÆc ph¸t ®iÖn; (2) dung tÝch hiÖu dông, ®­îc sö dông cho c¸c môc ®Ých tÝch tr÷ n­íc, bao gåm c¸c nguån cung cÊp n­íc, t­íi, vËn t¶i thuû, v©n v©n...; (3) dung tÝch ®iÒu tiÕt lò tr÷ thÓ tÝch lò v­ît qu¸ ®Ó gi¶m tiÒm n¨ng ph¸ hñy cña dßng lò. Th­êng th× c¸c l­îng tr÷ nµy cã thÓ 284 ®­îc x¸c ®Þnh riªng rÏ vµ sau ®ã ®­îc kÕt hîp l¹i thµnh tæng l­îng tr÷ cña hå chøa. H×nh 7.1.1 VÞ trÝ c¸c thµnh phÇn cña hå chøa (U.S. Army Corps of Engineers, 1977) 7.2. ph©n tÝch l­îng tr÷ – dßng ch¶y bÒn v÷ng cho cung cÊp n­íc X¸c ®Þnh mèi quan hÖ gi÷a l­îng tr÷ — dßng ch¶y cho mét c«ng tr×nh hå chøa lµ mét trong nh÷ng phÐp ph©n tÝch thñy v¨n c¬ b¶n vÒ thiÕt kÕ hå chøa. 285 Hai vÊn ®Ò c¬ b¶n trong nghiªn cøu l­îng tr÷ — dßng ch¶y (U.S. Army Corps of Engineers — HEC, 1977) lµ: (1) x¸c ®Þnh l­îng tr÷ cÇn thiÕt ®Ó cung cÊp ®­îc mét dßng ch¶y cho tr­íc; vµ (2) x¸c ®Þnh dßng ch¶y cña mét l­îng tr÷ cho tr­íc. VÊn ®Ò ®Çu tiªn th­êng gÆp ph¶i trong c¸c giai ®o¹n lËp kÕ ho¹ch vµ thiÕt kÕ s¬ bé cña mét nghiªn cøu ph¸t triÓn tµi nguyªn n­íc, trong khi ®ã vÊn ®Ò thø hai th­êng diÔn ra trong c¸c giai ®o¹n thiÕt kÕ cuèi cïng hoÆc trong giai ®o¹n ®Þnh gi¸ l¹i cña mét dù ¸n ®· cã ®Ó cã mét ph©n tÝch tæng hîp h¬n. C¸c môc tiªu kh¸c cña ph©n tÝch l­îng tr÷ — dßng ch¶y bao gåm: (1) x¸c ®Þnh c¸c khÝa c¹nh bæ sung hoÆc c¹nh tranh cña viÖc ph¸t triÓn ®a c«ng tr×nh; (2) x¸c ®Þnh c¸c mÆt bæ sung hoÆc c¹nh tranh cña sù ph¸t triÓn mét c«ng tr×nh ®a môc ®Ých; vµ (3) ph©n tÝch c¸c quy t¾c ®iÒu tiÕt kh¸c cho mét c«ng tr×nh hoÆc mét nhãm c«ng tr×nh. C¸c ph­¬ng ph¸p th­êng hay sö dông ®Ó ph¸t triÓn mét quan hÖ l­îng tr÷ — dßng ch¶y bao gåm (U.S. Army Corps of Engineers, 1977): (1) ph©n tÝch ®¬n gi¶n hãa; vµ (2) ph©n tÝch chi tiÕt tuÇn tù. C¸c ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n hãa lµ thÝch hîp khi môc ®Ých nghiªn cøu chØ giíi h¹n ë c¸c nghiªn cøu s¬ bé hoÆc c¸c nghiªn cøu tÝnh kh¶ thi. C¸c ph­¬ng ph¸p chi tiÕt bao gåm ph©n tÝch m« pháng vµ ph©n tÝch tèi ­u th­êng cÇn ®Õn khi nghiªn cøu c¸c môc tiªu cho giai ®o¹n thiÕt kÕ. Môc tiªu cña c¸c ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n hãa lµ thu ®­îc mét ­íc tÝnh kh¸ tèt cña c¸c kÕt qu¶, c¸c ­íc tÝnh nµy sau ®ã cã thÓ ®­îc c¶i thiÖn b»ng mét ph©n tÝch chi tiÕt tuÇn tù. Nh÷ng yÕu tè t¸c ®éng ®Õn sù lùa chän ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch lµ: (1) c¸c yªu cÇu nghiªn cøu; (2) ®é chÝnh x¸c yªu cÇu; vµ (3) sè liÖu c¬ b¶n yªu cÇu vµ sè liÖu cã s½n. 7.2.1 C¸c quy tr×nh ph©n tÝch dßng ch¶y bÒn v÷ng Dßng ch¶y bÒn v÷ng (firm yield) ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ lµ l­îng dßng ch¶y lín nhÊt hoÆc l­u l­îng dßng ch¶y lín nhÊt lu«n cã t¹i mét vÞ trÝ ®· cho trªn dßng ch¶y. Cô thÓ h¬n, Chow vµ nh÷ng ng­êi kh¸c (1988) ®Þnh nghÜa dßng ch¶y bÒn v÷ng cña mét hå chøa nh­ lµ tèc ®é x¶ n­íc trung b×nh n¨m lµm cho mùc n­íc hå chøa ®¹t møc thÊp nhÊt cho phÐp chØ mét lÇn duy nhÊt trong thêi kho¶ng h¹n h¸n cña sè liÖu quan tr¾c. Ph­¬ng ph¸p ®­îc sö dông nhiÒu nhÊt ®Ó x¸c ®Þnh dßng ch¶y bÒn v÷ng cña mét con s«ng kh«ng ®­îc ®iÒu tiÕt lµ x©y dùng ®­êng cong l­u l­îng — thêi gian, nã lµ ®å thÞ cña l­îng x¶, nh­ lµ mét hµm cña phÇn tr¨m sè lÇn l­u l­îng b»ng hoÆc v­ît. VÝ dô nh­ trong h×nh 7.2.1 cho sè liÖu dßng ch¶y th¸ng trong b¶ng 7.2.1. §­êng cong l­u l­îng — thêi gian cã thÓ ®­îc x©y dùng cho mét vÞ trÝ cho tr­íc trªn mét con s«ng b»ng c¸ch s¾p xÕp c¸c gi¸ trÞ tèc ®é dßng ch¶y quan tr¾c theo thø tù ®é lín gi¶m dÇn. Tõ ®ã ta cã thÓ tÝnh ®­îc phÇn tr¨m sè lÇn b»ng hoÆc v­ît cho mçi ®é lín cña l­u l­îng. Sau ®ã, phÇn tr¨m sè lÇn v­ît ®­îc vÏ lªn ®å thÞ theo l­u l­îng ®Ó x¸c ®Þnh quan hÖ l­u l­îng — thêi gian. Dßng ch¶y bÒn v÷ng lµ l­u l­îng b»ng vµ v­ît tØ lÖ 100% sè lÇn cña mét chuçi sè liÖu l­u l­îng lÞch sö. §­êng cong l­u l­îng — thêi gian ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh nguån cung cÊp n­íc tiÒm n¨ng trong giai ®o¹n lËp kÕ 286 ho¹ch vµ thiÕt kÕ cña c¸c dù ¸n tµi nguyªn n­íc, ®Æc biÖt lµ c¸c nhµ m¸y thñy ®iÖn. Ph©n tÝch ®­êng cong lòy tÝch. §Ó t¨ng dßng ch¶y bÒn v÷ng cña mét con s«ng kh«ng ®­îc ®iÒu tiÕt, c¸c c«ng tr×nh ng¨n n­íc mÆt ®­îc x©y dùng ®Ó ®iÒu tiÕt con s«ng. Hai ph­¬ng ph¸p, ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy vµ ph©n tÝch ®Ønh (sequent-peak analysis), cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó x©y dùng quan hÖ l­îng tr÷ — dßng ch¶y cho c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau däc theo mét dßng s«ng. Mét ®­êng cong tÝch lòy lµ ®å thÞ cña hµm lòy tÝch l­îng dßng ch¶y theo thêi gian. Ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy ®­îc x©y dùng lÇn ®Çu tiªn bëi Ripple vµo n¨m 1883. Ph­¬ng ph¸p nµy sö dông c¸c chuçi sè liÖu lÞch sö hoÆc c¸c chuçi sè liÖu tÝnh to¸n cña l­u l­îng dßng ch¶y trong mét kho¶ng thêi gian, [0, T]. Ph©n tÝch gi¶ sö r»ng kho¶ng thêi gian bao gåm c¶ thêi k× tíi h¹n, thêi k× mµ dßng ch¶y ®¹t mét gi¸ H×nh 7.2.1 §­êng cong l­u l­îng - thêi gian cña s«ng Little Weiser gÇn Indian Valley, Idaho (1966 -- 1970). trÞ cùc tiÓu lµm cho mùc n­íc hå chøa gi¶m nhiÒu nhÊt. Ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy cã thÓ ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p ®å gi¶i. Hai ph­¬ng ph¸p ®å gi¶i ®­îc tr×nh bµy ë ®©y. Ph­¬ng ph¸p ®Çu tiªn lµ ph­¬ng ph¸p Ripple nguyªn thñy (nh­ trong h×nh 7.2.2) trong ®ã c¸c gi¸ trÞ cña luü tÝch dßng ch¶y ®Õn hå theo thêi gian trong b¶ng 7.2.1 ®­îc biÓu diÔn lªn trªn ®å thÞ. 287 Ph­¬ng ph¸p Ripple thÝch hîp khi dßng x¶ lµ kh«ng ®æi. Tuy nhiªn trong c¸c tr­êng hîp dßng x¶ cña hå biÕn ®æi, còng dÔ dµng tÝnh ®­îc sù kh¸c nhau gi÷a lòy tÝch c¸c dßng ch¶y ®Õn vµ lòy tÝch c¸c dßng x¶ cña hå. Dung tÝch hiÖu dông cÇn thiÕt chÝnh lµ ®é chªnh lÖch nhiÒu nhÊt gi÷a hai lo¹i dßng ch¶y trªn. TÊt nhiªn lµ c¸ch tiÕp cËn kh¸c nµy còng cã thÓ sö dông cho tr­êng hîp dßng x¶ kh«ng ®æi vµ nã cã thÓ ®­îc thùc hiÖn b»ng ®å thÞ. C¸c ph­¬ng ph¸p cã thÓ ¸p dông nhiÒu lÇn víi c¸c dßng x¶ kh¸c nhau ®Ó nhËn ®­îc ®­êng cong l­îng tr÷ — dßng ch¶y t¹i mét vÞ trÝ hå chøa cho tr­íc. C¸c gi¶ thiÕt g¾n liÒn víi ph­¬ng ph¸p ®­êng cong tÝch lòy lµ tæng l­îng dßng x¶ trong kho¶ng thêi gian ph©n tÝch kh«ng v­ît qu¸ tæng l­îng dßng ch¶y ®Õn. Trong ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy, d·y tíi h¹n cña c¸c l­u l­îng cã thÓ x¶y ra ë ®iÓm cuèi cña sè liÖu dßng ch¶y quan tr¾c. Khi ®iÒu nµy x¶y ra, kho¶ng ph©n tÝch ®­îc nh©n ®«i tõ [0, T] thµnh [0, 2T] víi dßng ch¶y ®Õn lÆp l¹i c¸c gi¸ trÞ cña nã trong thêi kho¶ng thø hai, vµ trong c¸c tiÕn tr×nh ph©n tÝch. NÕu tæng dßng x¶ v­ît qu¸ tæng dßng ch¶y ®Õn trong kho¶ng sè liÖu quan tr¾c lÞch sö, th× ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy kh«ng x¸c ®Þnh ®­îc mét dung tÝch hå chøa cô thÓ. B¶ng 7.2.1 L­u l­îng th¸ng cña s«ng Little Weiser gÇn Indian Valley, Idaho, cho c¸c n¨m thñy v¨n 1966 -- 1970, t N¨m Th¸ng L­u l­îng (AF) QFt (AF) 1 1965 10 742 742 2 11 1,060 1,802 3 12 1,000 2,802 4 1966 1 1,500 3,302 5 2 1,080 4,382 6 3 6,460 10,842 7 4 10,000 20,842 8 5 13,080 33,922 9 6 4,910 38,832 10 7 981 39,813 11 8 283 40,096 12 9 322 40,398 13 10 404 40,822 14 11 787 41,609 15 12 2,100 43,709 16 1967 1 4,410 48,119 17 2 2,750 50,869 18 3 3,370 54,239 288 19 4 5,170 59,409 20 5 19,680 79,089 21 6 19,630 98,719 22 7 3,590 102,309 23 8 710 103,019 24 9 518 103,537 25 10 924 104,461 26 11 1,020 105,481 27 12 874 106,355 28 1 1,020 107,375 29 1968 2 8,640 116,015 PH©n tÝch ®Ønh. Ph­¬ng ph¸p ®Ønh tÝnh to¸n tæng lòy tÝch cña dßng ch¶y ®Õn QFt trõ ®i dßng x¶ cña hå chøa Rt, ®ã lµ,∑tut = ∑t(QFt ∑ Rt), cho mäi kho¶ng thêi gian t thuéc thêi kho¶ng ph©n tÝch [0, T]. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy b»ng ®å thÞ, tæng lòy tÝch cña ut ®­îc vÏ ®å thÞ theo thêi gian t. L­îng tr÷ øng víi mçi thêi kho¶ng lµ sù chªnh lÖch theo trôc th¼ng ®øng gi÷a ®Ønh thø nhÊt vµ ®iÓm thÊp tr­íc d·y ®Ønh. Ph­¬ng ph¸p cã hai gi¶ thiÕt gièng nh­ hai gi¶ thiÕt cña ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy. VÒ ph­¬ng diÖn ®¹i sè, ph­¬ng ph¸p ®Ønh cã thÓ thùc hiÖn b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng tr×nh ®Ö quy sau, 1 , 0, t t t t R QF K K        NÕu d­¬ng cho c¸c tr­êng hîp kh¸c (7.2.1) trong ®ã Kt lµ l­îng tr÷ cÇn thiÕt t¹i ®Çu thêi kho¶ng t. Gi¸ trÞ ban ®Çu cña Kt t¹i t = 0 ®­îc g¸n b»ng 0, Nãi chung, ph­¬ng ph¸p sö dông ph­¬ng tr×nh (7.2.1) ®­îc ¸p dông lÆp ®i lÆp l¹i nhiÒu lÇn, cho hai lÇn ®é dµi cña kho¶ng thêi gian tÝnh to¸n ®Ó gi¶i thÝch cho kh¶ n¨ng chuçi l­u l­îng tíi h¹n cã ë ®o¹n cuèi cña sè liÖu dßng ch¶y quan tr¾c. Gi¸ trÞ cùc ®¹i ®· tÝnh ®­îc cña Kt lµ dung tÝch hiÖu dông cña hå chøa, øng víi chuçi dßng ch¶y vµ c¸c dßng x¶ ®ang xÐt. Trong thùc tÕ, ngoµi c¸c dßng ch¶y ®Õn, c¸c thµnh phÇn thñy v¨n, gi¸ng thñy, l­îng bèc h¬i vµ thÊm còng quyÕt ®Þnh dung tÝch cña mét hå chøa. Gi¸ng thñy r¬i trùc tiÕp trªn bÒ mÆt hå chøa ®ãng gãp vµo l­îng tr÷. Bèc h¬i vµ thÊm dÉn ®Õn tæn thÊt n­íc cña l­îng tr÷ hiÖu dông cña hå chøa. Phô thuéc vµo vÞ trÝ vµ c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt cña vÞ trÝ hå chøa, tæng tæn thÊt cña bèc h¬i vµ thÊm lµ mét t¸c ®éng quan träng tíi c©n b»ng khèi l­îng cña hÖ thèng hå chøa. Bá qua c¸c yÕu tè nµy sÏ dÉn ®Õn ®¸nh gi¸ qu¸ cao tr÷ l­îng n­íc vµ, bëi vËy, ®¸nh gi¸ kh«ng ®óng møc l­îng tr÷ cÇn thiÕt cña hå ®Ó cã ®­îc dßng x¶ mong muèn. Trong c¸c vïng ®Êt kh« c»n vµ b¸n kh« c»n, vÝ dô nh­ miÒn t©y nam n­íc Mü, l­îng n­íc tæn thÊt bëi bèc h¬i cã thÓ lín tíi møc ®ñ ®Ó lµm gi¶m bít ®¸ng kÓ nh÷ng t¸c ®éng cã lîi cña n­íc tr÷. 289 L­îng n­íc tæn thÊt bëi bèc h¬i vµ thÊm lµ mét hµm cña l­îng tr÷, diÖn tÝch mÆt tho¸ng, vµ c¸c yÕu tè ®Þa chÊt vµ khÝ hËu, dßng ch¶y ®Õn thùc cña mét hå chøa cÇn ®­îc hiÖu chØnh vµ sö dông trong c¸c ph­¬ng ph¸p ®­êng cong l­îng tr÷ vµ ph­¬ng ph¸p ®Ønh. Dßng ch¶y ®Õn hå chøa hiÖu chØnh QFta trong thêi kho¶ng t cã thÓ ®­îc tÝnh nh­ sau QFta = QFt + PPt - EVt - SPt (7.2.2) trong ®ã PPt lµ l­îng gi¸ng thñy r¬i trªn mÆt hå chøa, EVt lµ l­îng bèc h¬i, vµ SPt lµ tæn thÊt do thÊm trong thêi kho¶ng t. C¸c yÕu tè trong vÕ ph¶i cña ph­¬ng tr×nh (7.2.2) phô thuéc vµo l­îng tr÷ vµ diÖn tÝch bÒ mÆt hå chøa trong thêi kho¶ng t, vµ c¸c yÕu tè nµy, tíi l­ît nã, l¹i lµ mét hµm cña c¸c thµnh phÇn thñy v¨n nµy. B¶NG 7.2.1 tiÕp theo t N¨m Th¸ng L­u l­îng (AF) QFt (AF) 30 3 6,370 122,385 31 4 6,720 129,105 32 5 13,290 142,395 33 6 9,290 151,685 34 7 1,540 153,225 35 8 915 154,140 36 9 506 154,646 37 10 886 155,532 38 11 3,040 158,572 39 12 2,990 161,562 40 1969 1 8,170 169,732 41 2 2,800 172,532 42 3 4,590 177,122 43 4 21,960 199,082 44 5 30,790 229,872 45 6 14,320 244,192 46 7 2,370 246,562 47 8 709 247,271 290 48 9 528 247,799 49 10 859 248,658 50 11 779 249,437 51 12 1,250 250,687 52 1970 1 11,750 262,437 53 2 5,410 267,849 54 3 5,560 273,407 55 4 5,610 279,017 56 5 24,330 303,347 57 6 32,870 336,217 58 7 7,280 343,497 59 8 1,150 344,647 60 9 916 345,563 H×nh 7.2.2 §­êng cong tÝch lòy cña s«ng Little Weiser gÇn Indian Valley, Idaho, dùa trªn tæng l­u l­îng th¸ng tõ 1966- 1970, VÝ dô 7.2.1. Gi¶ sö r»ng l­îng tæn thÊt do bèc h¬i b×nh qu©n th¸ng vµ gi¸ng thñy cña vµi n¨m lµ nh­ sau: Th¸ng 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 EV (AF) 270 275 280 350 470 450 400 350 370 330 300 290 PP (AF) 3 5 5 10 30 50 100 150 70 10 2 3 Tæn thÊt do thÊm lµ kh«ng ®¸ng kÓ t¹i ®©y. X¸c ®Þnh dung tÝch hiÖu dông cÇn thiÕt ®Ó s¶n sinh mét dßng ch¶y bÒn v÷ng 2000 AF/th¸ng. Lêi gi¶i. TÝnh to¸n b»ng ph­¬ng ph¸p ®Ønh xÐt ®Õn c¸c thµnh phÇn thñy v¨n kh¸c trong b¶ng 7.2.2. Tõ cét (2) — (5) lÇn l­ît chøa d÷ liÖu hµng th¸ng cÇn thiÕt: dßng x¶, dßng n­íc mÆt ch¶y ®Õn, gi¸ng thñy, vµ bèc h¬i. Tõ cét (3) — (5) ®­îc sö dông ®Ó tÝnh dßng ch¶y ®Õn hiÖu chØnh theo ph­¬ng tr×nh (7.2.2). 291 Dßng ch¶y ®Õn hiÖu chØnh cho tõng th¸ng ®­îc sö dông trong ph­¬ng tr×nh (7.2.1) ®Ó tÝnh Kt. Dung tÝch hiÖu dông cÇn thiÕt lµ 8840 AF nh­ ®· chØ ra trong b¶ng 7.2.2. Do cã tæn thÊt do bèc h¬i nªn kÕt qu¶ dung tÝch hiÖu dông cÇn thiÕt t¨ng lªn. CÇn ph¶i chØ ra r»ng, trong vÝ dô nµy, l­îng gi¸ng thñy th¸ng vµ l­îng bèc h¬i th¸ng lµ c¸c h»ng sè vµ ®­îc gi¶ sö r»ng ®éc lËp víi l­îng tr÷. Trong thùc tÕ, gi¸ trÞ th¸ng cña PPt vµ EVt lµ c¸c hµm cña l­îng tr÷, lµ gi¸ trÞ cÇn x¸c ®Þnh trong vÝ dô nµy. §Ó gi¶i thÝch chÝnh x¸c cho c¸c gi¸ trÞ cña PPt vµ EVt khi l­îng tr÷ thay ®æi, cÇn cã mét ph­¬ng ph¸p thö sai ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cÇn thiÕt Ka cña dßng ch¶y bÒn v÷ng cho tr­íc. 7.2.2. C¸c ph­¬ng ph¸p tèi ­u hãa cho ph©n tÝch dßng ch¶y bÒn v÷ng Ph©n tÝch ®­êng cong tÝch lòy vµ ph­¬ng ph¸p ®Ønh ®­îc sö dông trong giai ®o¹n lËp kÕ ho¹ch ®Ó x¸c ®Þnh søc chøa cña mét hå chøa n­íc mÆt ®¬n lÎ víi mét d¹ng dßng x¶ cho tr­íc. Nã cho phÐp c¸c kü s­ ph¸t triÓn mét ®­êng cong l­îng tr÷ - dßng ch¶y cho mét vÞ trÝ hå chøa ®ang nghiªn cøu. Tuy nhiªn, kh¶ n¨ng cña hai ph­¬ng ph¸p nµy trong ph©n tÝch mét hÖ thèng hå chøa gåm vµi hå chøa lµ rÊt h¹n chÕ. H¬n n÷a, dung tÝch hiÖu dông cña mét hå chøa phô thuéc vµo c¸c yÕu tè thñy v¨n kh¸c nhau. Nh÷ng ¶nh h­ëng cña c¸c yÕu tè thñy v¨n nµy ®èi víi c©n b»ng khèi l­îng, ®Õn l­ît nã, l¹i lµ mét hµm cña l­îng tr÷ ch­a biÕt cña hå chøa. Mèi quan hÖ Èn nh­ thÕ nµy kh«ng thÓ ®­îc gi¶i thÝch trùc tiÕp b»ng ph©n tÝch ®­êng cong lòy tÝch vµ ph©n tÝch ®Ønh. MÆt kh¸c, c¸c m« h×nh tèi ­u râ rµng cã thÓ nghiªn cøu c¸c mèi quan hÖ Èn nh­ thÕ, c¸c mèi quan hÖ kh«ng thÓ ®­îc gi¶i quyÕt trùc tiÕp b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p thÝch hîp. H¬n n÷a, c¸c hÖ thèng cã mét vµi hå chøa ®a nhiÖm vô cã thÓ ®­îc m« h×nh hãa vµ mèi quan t­¬ng quan cña chóng cã thÓ ®­îc gi¶i thÝch trong mét m« h×nh tèi ­u hãa. §Ó minh häa xÐt mét hå chøa ®­îc thiÕt kÕ ®¬n lÎ cho môc ®Ých cung cÊp n­íc. §Æc tÝnh cèt yÕu cña mét m« h×nh tèi ­u hãa ®Ó x¸c ®Þnh søc chøa cña hå chøa lµ ph­¬ng tr×nh c©n b»ng khèi l­îng, 1 t t t t ttST ST PP QF R EV      (7.2.3) trong ®ã STt lµ l­îng tr÷ cña hå chøa t¹i thêi ®iÓm ®Çu cña thêi kho¶ng t. Mét m« h×nh ®Ó x¸c ®Þnh dung tÝch hiÖu dung nhá nhÊt (Ka) ®èi víi mét dßng x¶ bÒn v÷ng cho tr­íc (R*), cã thÓ thiÕt lËp nh­ sau Cùc tiÓu hãa Ka (7.2.4a) víi rµng buéc B¶ng 7.2.2 C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cña ph­¬ng ph¸p ®Ønh víi c¸c thµnh phÇn thñy v¨n kh¸c t (th¸ng) (1) Rt (AF/th¸ng) (2) QFt (AF/th¸ng) (3) PPt (AF/th¸ng) (4) EVt (AF/th¸ng) (5) Kt-1 (AF/th¸ng) (6) Kt (AF/th¸ng) (7) 1 2000,0 742,0 3,0 270,0 0,0 1525,0 2 2000,0 1060,0 5,0 275,0 1525,0 2735,0 3 2000,0 1000,0 5,0 2800, 2735,0 4010,0 4 2000,0 1500,0 10,0 350,0 4010,0 4850,0 5 2000,0 1080,0 30,0 470,0 4850,0 6210,0 6 2000,0 6.460,0 50,0 4500 6210,0 2150,0 7 2000,0 10000,0 100,0 400,0 2150,0 0,0 292 8 2000,0 13080,0 150,0 3500 0,0 0,0 9 2000,0 4910,0 70,0 3700 0,0 0,0 10 2000,0 981,0 10,0 330,0 0,0 1339,0 11 2000,0 283,0 2,0 300,0 1339,0 3354,0 12 2000,0 322,0 3,0 290,0 3354,0 5319,0 13 2000,0 404,0 3,0 2700 5319,0 7182,0 14 2000,0 787,0 5,0 275,0 7182,0 8665,0 15 2000,0 2100,0 5,0 280,0 8665,0 8840,0 16 2000,0 4410,0 10,0 350,0 8840,0 6770,0 17 2000,0 2750,0 30,0 470,0 6770,0 6480,0 18 2000,0 3370,0 50,0 450,0 6460,0 5490,0 19 2000,0 5170,0 100,0 400,0 5490,0 2620,0 20 2000,0 19680,0 150,0 350,0 2620, 0,0 21 2000,0 19630,0 70,0 370,0 0,0 0,0 22 2000,0 3590,0 10,0 330,0 0,0 0,0 23 2000,0 710,0 2,0 300,0 0,0 1588,0 24 2000,0 518,0 3,0 290,0 1588,0 3357,0 25 2000,0 924,0 3,0 270,0 3357,0 4700,0 26 2000,0 1020,0 5,0 275,0 4700,0 5950,0 27 2000,0 874,0 5,0 280,0 5950,0 7351,0 28 2000,0 1020,0 10,0 350,0 7351,0 8671,0 29 2000,0 8640,0 30,0 470,0 8671,0 2471,0 a. b¶o toµn khèi l­îng trong mçi thêi kho¶ng t, *1 ˆ , 1,...,t t t t ttST ST R R QF PP EV t T       (7.2.4b) trong ®ã ˆtR lµ l­îng x¶ v­ît qu¸ dßng x¶ bÒn v÷ng cho tr­íc R *. b. dung tÝch cña hå chøa kh«ng thÓ bÞ v­ît qu¸ trong toµn bé c¸c thêi kho¶ng tÝnh to¸n, 0, 1,...,t aST K t T   (7.2.4c) C¸c biÕn quyÕt ®Þnh lµ ˆ, ,t tST R vµ Ka. M« h×nh lµ tuyÕn tÝnh nÕu c¸c biÕn thñy v¨n QFt, PPt, vµ EVt lµ c¸c sè ®· biÕt. Dung tÝch hiÖu dông nhá nhÊt cÇn thiÕt *aK ®Ó mang l¹i dßng x¶ cho tr­íc R * cã thÓ x¸c ®Þnh bëi mét thuËt gi¶i quy ho¹ch tuyÕn tÝnh. §Ó nhËn ®­îc quan hÖ dßng ch¶y bÒn v÷ng — l­îng tr÷, m« h×nh cã thÓ ®­îc gi¶i lÆp ®i lÆp l¹i víi c¸c biÕn dßng x¶ bÒn v÷ng R* kh¸c nhau. B¶ng 7.2.2 tiÕp theo t (th¸ng) (1) Rt (AF/th¸ng) (2) QFt (AF/th¸ng) (3) PPt (AF/th¸ng) (4) EVt (AF/th¸ng) (5) Kt-1 (AF/th¸ng) (6) Kt (AF/th¸ng) (7) 30 2000,0 6370,0 50,0 450,0 2471,0 0,0 31 2000,0 6720,0 100,0 400,0 0,0 0,0 32 2000,0 13290,0 150,0 350,0 0,0 0,0 33 2000,0 9290,0 70,0 370,0 0,0 0,0 34 2000,0 1540,0 10,0 330,0 00, 780,0 35 2000,0 915,0 20, 300,0 780,0 2163,0 36 2000,0 5060 3,0 290,0 2163,0 3944,0 37 2000,0 8860 30 270,0 3944,0 5325,0 38 2000,0 30400 5,0 275,0 5325,0 4555,0 39 2000,0 29900 5,0 280,0 4555,0 3840,0 40 2000,0 81700 10,0 3500, 3840,0 0,0 41 2000,0 28000 30,0 470,0 0,0 0,0 293 42 2000,0 45900 50,0 450,0 0,0 0,0 43 2000,0 21960,0 100,0 400,0 0,0 0,0 44 2000,0 30790,0 150,0 3500, 0,0 0,0 45 2000,0 14320,0 70,0 370,0 0,0 0,0 46 2000,0 2370,0 10,0 330,0 0,0 0,0 47 2000, 0 7090 20 300,0 0,0 1589,0 48 2000,0 5280, 30, 2900 1589,0 3348,0 49 2000,0 859,0 3,0 2700 3348,0 4756,0 50 2000,0 779,0 5,0 2750, 4756,0 6247,0 51 2000,0 1250,0 5,0 280,0 6247,0 7272,0 52 2000,0 117500 10,0 350,0 7272,0 00, 53 2000,0 5410,0 30,0 470,0 0,0 0,0 54 2000,0 55600, 500 450,0 0,0 0,0 55 2000,0 5610,0 100,0 4000 0,0 0,0 56 2000,0 24330,0 150,0 350,0 0,0 0,0 57 2000,0 32870,0 700, 370,0 0,0 0,0 58 2000,0 7280,0 10,0 330,0 0,0 0,0 59 2000,0 1150,0 2,0 300,0 0,0 1148,0 60 2000,0 916,0 3,0 290,0 1148,0 2519,0 VÝ dô 7.2.2. Sö dông sè liÖu dßng ch¶y th¸ng trong b¶ng 7.2.1 cña Little Weiser River gÇn Indian Valley, Idaho, lËp mét m« h×nh QHTT ®Ó x¸c ®Þnh dung tÝch hiÖu dông cÇn thiÕt nhá nhÊt ®Ó s¶n xuÊt mét dßng ch¶y bÒn v÷ng lµ 2000 AF/th¸ng. Gi¶ sö r»ng hå chøa ®Çy vµo lóc ban ®Çu víi ST1 = Ka. Lêi gi¶i. Hµm môc tiªu cho vÊn ®Ò ®­a ra trong ph­¬ng tr×nh (7.2.4a) lµ cùc tiÓu hãa Ka. Bé c¸c rµng buéc thø nhÊt lµ c¸c ph­¬ng tr×nh c©n b»ng khèi l­îng dßng ch¶y cho tõng th¸ng. Víi gi¸ trÞ l­îng tr÷ ban ®Çu ST1 = Ka, cho th¸ng ®Çu tiªn (t = 1), c©n b»ng khèi l­îng lµ * 1 2 1 1 1 1 ˆST ST R R QF PP EV      trong ®ã ST1 = Ka, R * = 2000 AF/th¸ng, QF1 = 742 AF/th¸ng, vµ, tõ vÝ dô 7.2.1, PP1 = 3 AF/th¸ng, vµ EV1 = 270 AF/th¸ng. KÕt qu¶ rµng buéc c©n b»ng khèi l­îng cho th¸ng t =1 lµ 2 1 ˆ 1525. a K ST R   t­¬ng tù nh­ thÕ, rµng buéc c©n b»ng khèi l­îng cho th¸ng t =2 lµ: * 2 3 2 2 2 ˆST ST R R QF PP     2 1210.EV  Qu¸ tr×nh nµy ®­îc lÆp ®i lÆp l¹i cho mçi th¸ng trong toµn bé thêi kho¶ng ph©n tÝch, tøc lµ, T = 60 th¸ng. Bé c¸c rµng buéc thø hai lµ ®Ó ®¶m b¶o r»ng l­îng tr÷ hµng th¸ng STt kh«ng v­ît qu¸ dung tÝch hiÖu dông cña hå chøa, tøc lµ, ph­¬ng tr×nh (7.2.4c). Cô thÓ lµ bé giíi h¹n nµy cã thÓ ®­îc biÒu diÔn nh­ sau 2 3 60 0; 0; ... ; 0; a a a ST K ST K ST K      vµ 61 0. a ST K  M« h×nh QHTT cho vÝ dô nµy gåm cã tæng céng 2T + 1 = 121 biÕn quyÕt ®Þnh ch­a biÕt vµ 2T = 120 rµng buéc víi T rµng buéc c©n b»ng khèi l­îng vµ T rµng buéc l­îng tr÷. MÆt kh¸c, m« h×nh tèi ­u hãa sau ®©y cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh quan hÖ dßng ch¶y bÒn v÷ng — l­îng tr÷. M« h×nh nµy cùc ®¹i hãa dßng x¶ bÒn v÷ng (R) cña mét dung tÝch hiÖu dông cho tr­íc * .( )aK Cùc ®¹i hãa Z = R (7.2.5a) víi rµng buéc 1 ˆ , 1,...,t t t t ttST ST R R QF PP EV t T        (7.2.5b) *, 1,...,t aST K t T  (7.2.5c) 294 Quan hÖ l­îng tr÷ — dßng ch¶y bÒn v÷ng cã thÓ ®­îc x©y dùng b»ng c¸ch lÆp ®i lÆp l¹i viÖc gi¶i m« h×nh nµy víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña dung tÝch chøa hiÖu dông cho tr­íc *.aK Trong tr­êng hîp l­îng bèc h¬i vµ gi¸ng thñy lµ mét hµm cña diÖn tÝch mÆt n­íc cña hå chøa, diÖn tÝch nµy, tíi l­ît nã, l¹i phô thuéc vµo l­îng tr÷ cña hå, ng­êi ta cã thÓ tÝch hîp quan hÖ l­îng tr÷ — diÖn tÝch vµo trong m« h×nh tèi ­u hãa. Quan hÖ l­îng tr÷ — diÖn tÝch cã thÓ thu ®­îc tõ tiÕn hµnh mét cuéc kh¶o s¸t ®Þa h×nh ®Ó x¸c ®Þnh thÓ tÝch chøa vµ diÖn tÝch mÆt n­íc ë mét ®é cao so víi mÆt biÓn cho tr­íc (xem h×nh 7.2.3). §Ó tÝch hîp quan hÖ l­îng tr÷ — diÖn tÝch mÆt n­íc vµo m« h×nh tèi ­u hãa, c«ng thøc cña m« h×nh ®­îc m« t¶ b»ng c¸c ph­¬ng tr×nh (7.2.4a - c) cã thÓ ®­îc hiÖu chØnh nh­ sau Cùc tiÓu hãa Z = Ka (7.2.6a) víi rµng buéc 1 * ˆ. ( ) . ( ) , 1,..., t t t t t t t tt t ST ST p A ST e A ST R R QF t T        (7.2.6b) 0, 1,...,t aST K t T   (7.2.6c) trong ®ã pt vµ et lÇn l­ît lµ c¸c chiÒu cao cña l­îng gi¸ng thñy vµ l­îng bèc h¬i trªn mçi ®¬n vÞ diÖn tÝch trong thêi kho¶ng t. GÇn nh­ víi tÊt c¶ c¸c vÞ trÝ hå chøa, quan hÖ gi÷a thÓ tÝch chøa vµ diÖn tÝch mÆt n­íc lµ phi tuyÕn. V× thÕ, m« h×nh m« t¶ bëi c¸c ph­¬ng tr×nh (7.2.6a-c) lµ mét m« h×nh tèi ­u phi tuyÕn. Quan hÖ phi tuyÕn gi÷a l­îng tr÷ - diÖn tÝch trong Pt. (7.2.6b) cã thÓ xÊp xØ bëi mét hµm tuyÕn tÝnh ®Ó thuËn tiÖn trong viÖc thùc hiÖn mét quy ho¹ch tuyÕn tÝnh. Chó ý r»ng trong m« h×nh x¸c ®Þnh kÝch th­íc vµ ®iÒu tiÕt hå chøa ®¬n ë trªn, c¸c ph­¬ng tr×nh (7.2.5a-c), c¸c biÕn quyÕt ®Þnh lµ dßng ch¶y bÒn v÷ng trong khi ®ã c¸c thÓ tÝch chøa STt ch­a biÕt lµ c¸c biÕn tr¹ng th¸i, vµ lµ c¸c hµm cña biÕn quyÕt ®Þnh R. V× thÕ, vÊn ®Ò thùc ra mµ nãi lµ mét chiÒu. Mét s¬ ®å t×m kiÕm mét chiÒu nh­ ph­¬ng ph¸p mÆt c¾t vµng m« t¶ trong môc 4.4.2 cã thÓ ®­îc ¸p dông. XÐt vÊn ®Ò x¸c ®Þnh dßng ch¶y bÒn v÷ng, R*, cña mét Ka cho tr­íc ®­îc m« t¶ bëi c¸c ph­¬ng tr×nh (7.2.5a-c). NÕu dßng ch¶y bÒn v÷ng gi¶ thiÕt mµ lín h¬n dßng ch¶y nhá nhÊt cÇn thiÕt, th× kÕt qu¶ l­îng tr÷ tÝnh b»ng ph­¬ng tr×nh c©n b»ng khèi l­îng (7.2.5b) trong mét sè c¸c thêi kho¶ng nhÊt ®Þnh sÏ bÞ ©m. V× thÕ, dßng ch¶y bÒn v÷ng dÉn ®Õn kÕt qu¶ lµ cùc tiÓu cña gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña l­îng tr÷ lµ Gi¶i cho m« h×nh hå chøa biÓu diÔn b»ng c¸c ph­¬ng tr×nh (7.2.5a-c). M« h×nh hå chøa rµng buéc nµy cã thÓ ®­îc chuyÓn thµnh mét m« h×nh kh«ng rµng buéc víi hµm môc tiªu nh­ sau Cùc tiÓu hãa Z = |ST1, ST2,..., STT| (7.2.7) 295 H×nh 7.2.3 C¸c ®­êng cong l­îng tr÷ - ®é cao so víi mÆt biÓn vµ diÖn tÝch - ®é cao so víi mÆt biÓn (U.S. Army Corps of Engineers, 1977). VÊn ®Ò cã thÓ ®­îc gi¶i quyÕt b»ng ph­¬ng ph¸p mÆt c¾t vµng trong ®ã ph­¬ng tr×nh rµng buéc c©n b»ng khèi l­îng (7.2.5b) ®­îc tÝch hîp vµo kÜ thuËt tèi ­u hãa d­íi d¹ng diÔn to¸n hå chøa (®iÒu tiÕt lò). Nh÷ng ®Æc ®iÓm ban ®Çu cña mét mèi quan hÖ l­îng tr÷ - diÖn tÝch mÆt n­íc cã thÓ ®­îc sö dông mµ kh«ng cÇn ph¶i biÕn ®æi cho phï hîp víi ph­¬ng ph¸p gi¶i. VÝ dô 7.2.3. M« t¶ mét m« h×nh, dùa trªn ph­¬ng ph¸p mÆt c¾t vµng, ®Ó x¸c ®Þnh dßng ch¶y bÒn v÷ng cho s«ng Little Weiser gÇn Indian Valley, Idaho, cho mét hå chøa cã dung tÝch hiÖu dông b»ng 8840 AF. Sè liÖu hµng th¸ng ®­îc liÖt kª trong b¶ng 7.2.1. Lêi gi¶i. Nh­ ®· m« t¶ trong môc 4.4.2 ph­¬ng ph¸p mÆt c¾t vµng cÇn cã mét kho¶ng sè liÖu ban ®Çu cña dßng ch¶y bÒn v÷ng. Gi¶ sö r»ng kho¶ng sè liÖu ban ®Çu nµy lµ (1000 AF/th¸ng, 10,000 AF/th¸ng). H¬n n÷a, nÕu ®é chÝnh x¸c yªu cÇu cho kho¶ng gi¸ trÞ cuèi bÐ h¬n 50 AF/th¸ng, th× c¸c hµm tÝnh to¸n cÇn thiÕt, víi mçi hµm gåm diÔn to¸n hå chøa cho 60 dßng ch¶y th¸ng, cã thÓ ®­îc tÝnh b»ng (0,618)N(10000 — 1000) 10,79. V× thÕ, cÇn 11 hµm tÝnh to¸n cho hµm môc tiªu, ph­¬ng tr×nh (7.2.7). Nh­ thÕ, dßng ch¶y bÒn v÷ng t×m ®­îc b»ng ph­¬ng ph¸p mÆt c¾t vµng kh«ng sai kh¸c qu¸ 50 AF/th¸ng so víi dßng ch¶y bÒn v÷ng cÇn thiÕt th