Bài giảng Phân tích hệ thống tài nguyên nước: Chương 1

ƯỜ

Ạ Ọ

TR

ướ

Ỷ Ợ NG Đ I H C THU L I ỷ Khoa Thu văn & Tài nguyên n

c

Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước nâng cao

ộ

ỷ

ướ

B môn Thu văn & Tài nguyên n

Ngô Lê An c

Giới thiệu môn học

lTài liệu tham khảo:

• Sách và bài giảng của

giảng viên

• Sách có ở trong thư viện

của trường

Giới thiệu môn học

lĐánh giá học viên

– Điểm quá trình chiếm 30% (Điểm

danh + Bài tập)

– Điểm thi: 70%

– Thi dạng đề mở sách trong 90 phút

Giới thiệu môn học

lNhiệm vụ môn học:

Môn Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước trình bày những nguyên lý và phương pháp luận trong việc lập quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên nước, quản lý/kiểm soát có hiệu quả tài nguyên nước của một vùng lãnh thổ, một lưu vực sông.

Giới thiệu môn học

ề

ạ

ả

lNội dung môn học: ơ ả ộ

ữ

(1) Nh ng n i dung c b n v Quy ho ch và qu n

lý tài nguyên nguyên n

cướ ỏ

ứ

ụ

(2) Mô hình phô ph ng và ng d ng trong Quy ạ

ướ

ả

ho ch và Qu n lý tài nguyên n

c

ả

ạ

(3) T i u hóa trong Quy ho ch và qu n lý tài

ố ư cướ

nguyên n

ỗ ợ

ố

ế

ệ

ị

(4) Lý thuy t quy t đ nh và H th ng h tr ra ế ị quy t đ nh

Chương 1: Những khái niệm chung

I. Những khái niệm liên quan đến hệ thống

Nội dung

l Định nghĩa một hệ thống l Đặc trưng của một hệ thống l Phân loại hệ thống l Tiếp cận hệ thống l Khái niệm về phân tích hệ thống l Các giai đoạn trong phân tích hệ thống l Khái niệm hệ thống TNN và đặc điểm của nó l Các hệ thống con của hệ thống TNN l Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN l Kỹ thuật phân tích hệ thống TNN l Thuận lợi và hạn chế của phân tích hệ thống

Hệ thống là gì?

l Hệ thống là tập hợp các phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó, có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thành một tập hợp đầy đủ. – Ví dụ: Một trường đại học với các khoa khác nhau. Một bộ máy (chính phủ) trung ương với các bộ máy địa phương. Một lưu vực sông với tất cả các nhánh của nó, v.v…

l Một tập hợp của các đối tượng mà chúng có mối tác động tương tác thường xuyên, phụ thuộc lẫn nhau.

Định nghĩa một hệ thống

Trong nghiên cứu TNN, Dooge (1973) đã định nghĩa hệ thống như l Là: bất cứ cấu trúc, thiết bị, kế hoạch hoặc thủ tục,

Thực hay trừu tượng, Có quan hệ với nhau trong một thời gian tham chiếu xác định, l Bao gồm: Một đầu vào, nguyên nhân, hoặc tác nhân kích thích, của vật chất, năng lượng hoặc thông tin Và

Một đầu ra, hậu quả, hoặc phản ứng

của thông tin, năng lượng, hoăc vật chất

- Dooge (1973)

Lược đồ hóa của một hệ thống

Thông s , ố b

ầ ầ ệ ố H th ng Đ u vào, I Đ u ra, Q

Chính sách, a

Một hệ thống có thể được xác định bởi: l Đầu vào l Định luật vật lý thống trị l Điều kiện biên và điều kiện ban đầu l Đầu ra

ổ ể Hàm chuy n đ i [a (t), b (t)]*I(t) Q(t) = W

Đặc trưng của một hệ thống

Một hệ thống được đặc trưng bởi l Tất cả các hệ thống đều có cấu trúc và tổ chức l Mối quan hệ hàm hóa và cấu trúc tổn tại giữa các

thành phần của hệ thống

chúng là những đặc tính quan trọng của hệ thống

Ví dụ: Một lưu vực sông…

l Mối quan hệ đầu vào – đầu ra và tính chất của

Ví dụ – Một Lưu vực sông

Phân loại hệ thống

l Hệ thống đơn giản và hệ thống phức tạp

đầu vào và đầu ra của hệ thống

– Hệ thống đơn giản: Có mối quan hệ trực tiếp giữa

vài hệ thống con mà mỗi trong số chúng là môt hệ thống đơn giản. Mỗi hệ thống con có một mối quan hệ riêng biệt giữa đầu vào và đầu ra. Ví dụ: Một lưu vực sông với nhiều nhánh sông… l Hệ thống thực và hệ thống trừu tượng

– Một hồ chứa là một hệ thống thực – Chính sách phân bổ nước – hệ thống trừu tượng

– Hệ thống phức tạp: Một sự kết hợp của của một

Phân loại hệ thống

l Hệ thống tự nhiên và hệ thống nhân tạo

l Hệ thống tĩnh và động hay hệ thống thay đổi

theo thời gian và bất biến theo thời gian – Hệ thống bất biến theo thời gian: mối quan hệ

đầu vào – đầu ra không phụ thuộc vào thời gian ứng dụng đầu vào (đầu ra là giống nhau cho cùng đầu vào tại tất cả thời gian)

– Lưu vực – hệ thống tự nhiên – Hồ chứa – hệ thống nhân tạo

Phân loại hệ thống

l Hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến

y = mx

+ Một hệ thống do sự kết hợp của các đầu vào (phép cộng có giá trị)

và I2  Q2

l Nếu I1  Q1 l Khi đó I1 + I2 Q1 + Q2

+ Tính tỷ lệ có giá trị

l Nếu I  Q, khi đó a * I  a * Q – Phi tuyến: y = mxa + nxb + c

– Tuyến tính – đầu ra tỷ lệ hằng số với đầu vào:

l Mối quan hệ đầu vào – đầu ra mà ở đó nguyên lý cộng

không có giá trị

Phân loại hệ thống

l Hệ thống có thông số (hoặc biến) tập trung

và phân bố

l Hệ thống tất định và ngẫu nhiên l Hệ thống liên tục, rời rạc và lượng tử hóa

một cách liên tục

– Liên tục: những thay đổi trong hệ thống diễn ra

những khoảng thời gian rời rạc

– Rời rạc: trạng thái của hệ thống thay đổi tại

16 – Lượng tử hóa: thay đổi chỉ tại những khoảng thời gian rời rạc nào đó và giữ một giá trị không đổi giữa những khoảng thời gian, ví dụ bản ghi mưa.

Phân loại hệ thống

Hệ thống liên tục, rời rạc và lượng tử hóa

Tiếp cận hệ thống là gì?

lại được tổng hợp từ các bộ phận khác mà thành.

– Ví dụ: một ngôi nhà là từ tập hợp nhiều loại vật liệu xây

dựng mà thành.

l Tiếp cận khoa học để nghiên cứu: Tháo gỡ và tìm ra một vật được tạo nên từ các bộ phận gì (phân chia khoa học chuyên ngành để nghiên cứu). – Một cái gì đó không làm bằng một vật chất cụ thể, nhưng

l Sự khác biệt chính là những thành phần này được sắp xếp (tổ chức) cùng với nhau như thế nào. l Đó là một cách để nhìn vào một hệ thống như một tổng thể, tập trung vào mối quan hệ giữa những phần tử

Tiếp cận hệ thống là gì?

l Mối quan hệ đầu vào – đầu ra của một hệ thống được kiểm soát bởi tính chất, những thông số của hệ thống và định luật vật lý chi phối hệ thống đó.

l Trong nhiều hệ thống trong thực tế, tính chất và những định

luật chủ yếu là rất phức tạp và việc mô hình hóa hệ thống trong những trường hợp đó sử dụng những giả thiết đơn giản hóa và những hàm chuyển đổi mà chuyển đổi đầu vào thành đầu ra tương ứng, lờ đi các cơ chế của quá trình vật lý có liên quan trong sự chuyển đổi.

l Điều này yêu cầu khái niệm hóa của hệ thống và cấu hình của của nó để có khả năng xây dựng một mô hình toán học trong đó mối quan hệ đầu vào – đầu ra được thiết lập thông qua vận hành hệ thống theo một cách xác định.

Phân tích hệ thống

l Phân tích hệ thống có thể được định nghĩa như một nghiên cứu phân tích để giúp người ra quyết định nhận dạng và lựa chọn chuỗi những hành động được yêu thích từ một vài phương án thay thế khả thi.

l Phân tích hệ thống là kỹ thuật giải quyết vấn đề mà trong đó những nỗ lực được thực hiện để xây dựng một bản sao của hệ thống thực hoặc những tình huống thực, với mục tiêu thực nghiệm với bản sao đó để đạt được cái nhìn bên trong của thế giới thực.

Các giai đoạn của phân tích hệ thống

ò Hình thành vấn đề ò Xây dựng mô hình toán học ò Lời giải của mô hình toán học ò Kiểm tra mô hình ò Thực thi dựa trên lời giải

Hệ thống Tài nguyên nước

" 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 cùng với sự tác động của môi trường lên nó".

Theo định nghĩa trên đây, hệ thống tài nguyên nước bao gồm:

- Nguồn nước được đánh giá bởi các đặc trưng sau: Lượng và phân bố của nó theo

không gian và thời gian; Chất lượng nước; Động thái của nước và chất lượng nước.

- Hệ thống các công trình thủy lợi: bao gồm các công trình đầu mối các công trình

chuyển nước v.v…, được cấu trúc tuỳ thuộc vào mục đích khai thác tài nguyên nước.

- Các yêu cầu về nước: bao gồm các hộ dùng nước, các yêu cầu phòng chống lũ lụt, các

yêu cầu về bảo vệ hoặc cải tạo môi trường cùng các yêu cầu dùng nước khác.

Tác động của môi trường là những tác động về hoạt động dân sinh kinh tế, hoạt động

của con người (không kể các tác động về khai thác tài nguyên nước theo quy hoạch).

Những tác động đó bao gồm ảnh hưởng của các biện pháp canh tác làm thay đổi mặt đệm

và lòng dẫn, sự tác động không có ý thức vào hệ thống các công trình thủy lợi v..v.

Những thành phần của hệ thống TNN

l Hệ thống sông tự nhiên (Natural River System – NRS) trong đó diễn ra quá trình vật lý, hóa học và sinh học

l Hệ thống kinh tế xã hội (Socio-Economic Subsystem - SES), bao gồm những hoạt động của con người liên quan đến sử dụng hệ thống sông tự nhiên

l Hệ thống hành chính và thể chế (Administrative and Institutional Subsystem - AIS) của quản lý hành chính, luật pháp và sự điều tiết, ở đó sự quyết định và quá trình quy hoạch và quản lý được thực thi

Thành phần của hệ thống TNN

ậ

ị

nhiên: Khí h u, th y văn, đ a lý

ề ề

ủ ể ế

ế

ự ầ ư

ộ

ệ ự Đi u ki n t ệ Đi u ki n kinh t

xã h i: Th ch và chính sách, s đ u t

Phát tri n ể ế kinh t

ộ xã h i

ư ự L u v c

c M&I

ầ ướ Nhu c u n ầ Yêu c u sinh thái

ề ữ B n v ng ệ h sinh thái

Khai thác n

cướ

An ninh ươ L ng th cự

Khu t

iướ

Năng su t ấ i ợ và l nhu nậ

ấ ượ

Phân b n

ổ ướ c

Ch t l ướ n

ng ấ c và đ t

Cánh đ ngồ

ướ

ả ượ S n l cây tr ng ồ ệ và di n tích

ả

ằ Cân b ng n c ộ ặ ạ t i m t ru ng và ướ qu n lý t

ầ Đ u vào khác

ồ Dòng h i quy và dòng th i ô ả nhi mễ

Hệ thống con của của hệ thống TNN

– Lưu vực sông – Hồ chứa – Hệ thống tưới

l Những hệ thống nước mặt

ống)

– Hệ thống xử lý nước thải – Hệ thống thu gom nước – Hệ thống xử lý nước dùng

l Hệ thống nước ngầm l Hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải đô thị – Hệ thống phân phối nước (kênh, mạng lưới đường

Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN

Đã biết

Bài toán Đầu vào Thông số Đầu ra

Bài toán trực tiếp - Dự báo/ Mô phỏng

Đã biết

Bài toán ngược - Ước tính thông số / Thiết kế

Dò tìm

Đã biết

Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN

– Thủy văn nước mặt: Biết mưa hiệu quả (đầu vào) và

đường đơn vị (hệ thống), ước tính dòng chảy từ một lưu vực (đầu ra)

– Bài toán hồ chứa (hệ thống): Biết dòng chảy đến hồ và

lượng trữ (đầu vào), chính sách vận hành, xác định lượng nước phân bổ cho tưới (đầu ra)

– Thủy văn nước ngầm: Xác định phản ứng (đầu ra) của tầng ngậm nước (hệ thống), với mưa và thực tế tưới đã biết (đầu vào)

l Bài toán trực tiếp:

Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN

– Thủy văn nước mặt: Xác định đường đơn vị cho một lưu vực (hệ thống), biết mưa (đầu vào) và dòng chảy (đầu ra)

– Bài toán hồ chứa: Xác định chính sách xả của hồ chứa (vận hành hệ thống) cho một mục tiêu xác định (đầu ra) ứng với dòng chảy đến xác định (đầu vào)

– Thủy văn nước ngầm: Xác định thông số của tầng ngậm nước (hệ thống) biết phản ứng của nó (đầu ra) ứng với mưa và thực tế tưới đã biết (đầu vào)

l Bài toán ngược:

Kỹ thuật phân tích hệ thống TNN

Phân tích hệ thống được tiến hành thông qua kỹ thuật: ò

Tối ưu

Thủ tục lựa chọn những biến ra quyết định để tối đa/

tối thiểu hàm mục tiêu dưới những rằng buộc của hệ thống

+ Tối ưu tuyến tính + Tối ưu phi tuyến + Tối ưu động lực ò Mô phỏng

Quá trình bắt chước những hành vi của hệ thống

đang tồn tại hoặc được đề xuất

Thuận lợi của phân tích hệ thống TNN

những điều kiện và những hệ thống thay thế khác nhau

ò Tự do xem xét, nghiên cứu một tập hợp lớn của

ò Cấu hình và tỷ lệ của những thành phần trong hệ thống có thể được thay đổi hoặc phát sinh cho những mục đích tối ưu

ò Yêu cầu thời gian tương đối ngắn để đạt được kết quả khi so sánh với tiến hành đo đạc số liệu tương ứng.

Những hạn chế của phân tích hệ thống TNN

ò Hệ thống TNN là một hệ thống phức tạp, tồn tại một số lượng các tham số và các mối quan hệ giữa chúng. Hệ thống TNN bị tác động mạnh mẽ bởi yếu tố môi trường. ò Hệ thống nguồn nước là một hệ bất định, có nhiều yếu tố bất định bởi vậy rất khó phân tích các thuộc tính của nó trong quá trình tiếp cận

ò Hệ thống thủy lợi là một hệ thống có cấu trúc yếu, bởi vì + Các mối quan hệ trong hệ thống rất khó thể hiện bằng các phương trình toán học + Khó kiểm soát được các tác động của môi trường, đặc biệt tác động của con người