Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu áp dụng mô hình thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Xây dựng mô hình thủy văn – kinh tế cho lưu vực sông Ba nhằm phân bổ tài nguyên nước. Đánh giá các kịch bản và định hướng phương thức phân bổ sử dụng nguồn nước hợp lý cho lưu vực sông Ba. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu áp dụng mô hình thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ THU NGA NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ PHÂN BỔ NƢỚC TỐI ƢU LƢU VỰC SÔNG BA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ THU NGA NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ PHÂN BỔ NƢỚC TỐI ƢU LƢU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62 44 90 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TS. Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án i
LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin trân trọng gửi tới GS.TS. Hà Văn Khối, ngƣời thầy đã luôn lắng nghe, thấu hiểu, ủng hộ vô điều kiện và đƣa ra những định hƣớng đúng đắn vào những thời khắc quan trọng trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin gửi lời tri ân đến các nhà khoa học trong Hội đồng đánh giá luận án vì đã dành thời gian và tâm huyết để đọc và sửa chữa luận án. Tác giả vô cùng biết ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp ở Khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, đặc biệt là Bộ môn Thủy văn và Tài nguyên nƣớc. Sự động viên, khích lệ, giúp đỡ và chia sẻ của họ là không thể đo đếm đƣợc. Xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và các em sinh viên luôn sát cánh bên tác giả. Cuối cùng, từ tận đáy lòng, tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới những ngƣời thân trong gia đình của mình. Nếu thiếu sự yêu thƣơng và ủng hộ của họ thì chắc chắn luận án này đã không thể hoàn thành. Tác giả Nguyễn Thị Thu Nga ii
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................vi DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ TRONG QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC ...............5 1.1 Giải thích một số thuật ngữ ................................................................................5 1.2 Giới thiệu chung về mô hình thủy văn - kinh tế ................................................6 1.2.1 Nguồn gốc và quá trình phát triển mô hình ................................................6 1.2.2 Đặc điểm và mục tiêu mô hình thủy văn – kinh tế .....................................7 1.2.3 Sự cần thiết quản lý nƣớc theo cách tiếp cận kinh tế ..................................8 1.2.4 Giá trị kinh tế của nƣớc ...............................................................................8 1.2.5 Phân loại mô hình thủy văn - kinh tế ........................................................13 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế trên thế giới và ở Việt Nam ....................................................................................................14 1.3.1 Các nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế trên thế giới .........15 1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế ở Việt Nam ..........18 1.4 Tổng quan về Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc ở Việt Nam ........................21 1.4.1 Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc và Quản lý tổng hợp lƣu vực sông ....21 1.4.2 Quá trình phát triển các chính sách liên quan đến quản lý tài nguyên nƣớc ở Việt Nam ............................................................................................................22 1.4.3 Một số tồn tại trong quy hoạch tài nguyên nƣớc trên phạm vi lƣu vực sông ở Việt Nam ............................................................................................................24 1.4.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba .....................................................................................................26 1.5 Những khoảng trống chƣa đƣợc nghiên cứu trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba ...................................................................................28 1.6 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................29 CHƢƠNG 2 THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY VĂN – KINH TẾ PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG BA ....................................................................32 2.1 Hiện trạng khai thác và sử dụng tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba ................32 2.1.1 Đặc điểm tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba .............................................32 2.1.2 Nhu cầu sử dụng nƣớc trên lƣu vực sông Ba ............................................38 2.2 Quá trình phát triển quy hoạch liên quan đến tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba 40 2.2.1 Quy hoạch thủy lợi ....................................................................................40 iii
2.2.2 Quy hoạch thủy điện .................................................................................42 2.2.3 Quy hoạch tài nguyên nƣớc ......................................................................42 2.3 Hệ thống các hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn trên LVS Ba .............................43 2.3.1 Quá trình xây dựng và phát triển...............................................................43 2.3.2 Các vấn đề nảy sinh sau khi các hồ chứa lớn hoàn thành và đi vào hoạt động 45 2.3.3 Tóm lƣợc về Quy trình vận hành liên hồ ..................................................46 2.4 Thiết lập bài toán quy hoạch phân bổ tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba ........46 2.4.1 Mục tiêu.....................................................................................................47 2.4.2 Hàm mục tiêu ............................................................................................47 2.4.3 Biến quyết định và biến trạng thái ............................................................49 2.4.4 Các ràng buộc ............................................................................................51 2.4.5 Bài toán tối ƣu phi tuyến và phƣơng pháp giải .........................................53 2.4.6 Lựa chọn công cụ tính toán .......................................................................56 2.5 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................58 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN THỦY VĂN - KINH TẾ LƢU VỰC SÔNG BA TRONG HỆ THỐNG GAMS ...........................................................60 3.1 Giới thiệu về hệ thống GAMS .........................................................................60 3.1.1 Cấu trúc của một mô hình xây dựng trong hệ thống GAMS ....................60 3.1.2 Mô tả bài toán tối ƣu phi tuyến tổng quát trong GAMS [65] ...................61 3.1.3 Giới thiệu về các solvers trong GAMS .....................................................64 3.2 Xây dựng cấu trúc mô hình thủy văn – kinh tế trong hệ thống GAMS ...........64 3.2.1 Xây dựng cấu trúc mô hình thủy văn ........................................................65 3.2.2 Xây dựng cấu trúc mô hình kinh tế ...........................................................67 3.2.3 Kết hợp mô hình thủy văn và mô hình kinh tế ..........................................67 3.3 Thiết lập tổ hợp các kịch bản tính toán ứng dụng mô hình thủy văn – kinh tế68 3.3.1 Kịch bản cơ sở ...........................................................................................68 3.3.2 Kịch bản điều chỉnh ..................................................................................70 3.4 Các dữ liệu đầu vào của mô hình thủy văn - kinh tế .......................................72 3.4.1 Phân vùng khai thác sử dụng nƣớc ...........................................................72 3.4.2 Sơ đồ hệ thống...........................................................................................75 3.4.3 Dòng chảy biên .........................................................................................78 3.4.4 Nhu cầu khai thác sử dụng nƣớc ...............................................................78 3.4.5 Các dữ liệu đầu vào tính kinh tế................................................................80 3.4.6 Các hồ chứa trong hệ thống ......................................................................83 iv
3.4.7 Yêu cầu về an ninh lƣơng thực .................................................................84 3.4.8 Yêu cầu dòng chảy tối thiểu ......................................................................85 3.5 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................87 CHƢƠNG 4 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CÁC KỊCH BẢN KHAI THÁC SỬ DỤNG NƢỚC ĐẾN LỢI ÍCH KINH TẾ XÃ HỘI TRÊN LƢU VỰC SÔNG BA ..................88 4.1 Đánh giá kết quả tính toán kịch bản cơ sở .......................................................88 4.1.1 Đánh giá sự hợp lý kết quả mô phỏng thủy văn .......................................88 4.1.2 Nghiệm của bài toán tối ƣu .......................................................................90 4.1.3 Lựa chọn hàm mục tiêu rút gọn ................................................................93 4.2 Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy ................................................93 4.2.1 Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy đến hiệu quả kinh tế .......93 4.2.2 Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy đến phân bổ nƣớc theo không gian .............................................................................................................97 4.2.3 Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy đến tỉ lệ phân bổ nƣớc cho các đối tƣợng sử dụng nƣớc ..................................................................................98 4.3 Đánh giá ảnh hƣởng của các đầu vào kinh tế ................................................100 4.3.1 Xem xét thay đổi giá bán nông sản .........................................................100 4.3.2 Xem xét thay đổi chi phí sản xuất điện ...................................................100 4.3.3 Xem xét thay đổi năng suất cây trồng .....................................................102 4.4 Đánh giá ảnh hƣởng của một số yếu tố khác .................................................103 4.4.1 Xem xét thay đổi hiệu suất tƣới ..............................................................103 4.4.2 Xem xét thay đổi yêu cầu dùng nƣớc trong tƣơng lai .............................104 4.4.3 Xem xét thay đổi cơ cấu cây trồng ..........................................................104 4.5 Nghiên cứu phƣơng án phân bổ nƣớc hợp lý khi xảy ra hạn hán ..................106 4.6 Tổng hợp kết quả tính toán và đề xuất một số biện pháp quản lý lƣu vực sông Ba 108 4.7 Kết luận chƣơng 4 ..........................................................................................110 KẾT LUẬN .................................................................................................................111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................115 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................121 PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................134 PHỤ LỤC 3 .................................................................................................................136 PHỤ LỤC 4 .................................................................................................................143 PHỤ LỤC 5 .................................................................................................................146 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phân loại sử dụng nƣớc [10] .............................................................................9 Hình 1.2 Các phƣơng pháp xác định giá trị của nƣớc [10] ...........................................10 Hình 1.3. Khuôn khổ chung QLTHTNN [9] .................................................................22 Hình 1.4 Các thành phần QLTHLVS [74] ....................................................................23 Hình 1.5 Sơ đồ tiếp cận của luận án ..............................................................................31 Hình 2.1 Bản đồ đẳng trị lƣợng mƣa trung bình nhiều năm lƣu vực sông Ba [44] ......34 Hình 2.2 Bản đồ vị trí một số công trình thủy lợi, thủy điện lớn trên HTS Ba [44] .....44 Hình 2.3 Sơ đồ tìm kiếm nghiệm bài toán tối ƣu [58]...................................................54 Hình 3.1 Sơ đồ ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế cho lƣu vực sông Ba .................69 Hình 3.2 Bản đồ phân vùng KTSDN cho LVS Ba (theo VQHTL [2]) .........................76 Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống lƣu vực sông Ba .....................................................................77 Hình 4.1 Quá trình dòng chảy thực đo và tính toán tại trạm Củng Sơn năm 2009-2010 .......................................................................................................................................89 Hình 4.2 Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sông Hinh theo các kịch bản tính toán .........89 Hình 4.3 Lợi nhuận thuần từ các đối tƣợng sử dụng nƣớc theo KBCS ........................91 Hình 4.4. Tổng lợi nhuận thuần trên lƣu vực trong các kịch bản nhóm A ....................94 Hình 4.5. Quan hệ tƣơng quan giữa tổng lƣợng dòng chảy và tổng lợi nhuận thuần lƣu vực sông Ba ...................................................................................................................95 Hình 4.6. Tỉ lệ đóng góp lợi nhuận thuần từ các đối tƣợng sử dụng nƣớc (%).............95 Hình 4.7 Tỉ lệ phân bổ nƣớc theo vùng trung bình nhiều năm .....................................97 Hình 4.8. Tỉ lệ phân bổ nƣớc cho các đối tƣợng trung bình nhiều năm ........................98 vi
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Lƣợng mƣa tháng, năm bình quân nhiều năm tại các trạm ...........................36 Bảng 2.2. Giá trị các thông số thống kê và trị số lƣợng mƣa năm thiết kế ...................36 Bảng 2.3. Các đặc trƣng dòng chảy mặt của các sông trên lƣu vực ..............................38 Bảng 2.4 Một số thông số các hồ chứa trên hệ thống sông Ba .....................................43 Bảng 3.1 Các thành phần cơ bản của một mô hình trong GAMS .................................61 Bảng 3.2 Phân loại các dữ liệu đầu vào mô hình thủy văn - kinh tế lƣu vực sông Ba ..66 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp các kịch bản tính toán ............................................................73 Bảng 3.4. Diện tích tƣới lớn nhất theo tiềm năng đất đai ở mỗi phân vùng (ha) ..........79 Bảng 3.5. Số lƣợng gia súc lớn nhất ở mỗi phân vùng (con) ........................................79 Bảng 3.6. Nhu cầu nƣớc cho các ngành năm 2009-2010 ..............................................80 Bảng 3.7 Bảng tổng hợp số lƣợng và các chi phí đầu vào tƣới .....................................81 Bảng 3.8. Năng suất cây trồng (kg/ha) ..........................................................................82 Bảng 3.9 Giá bán nông sản ............................................................................................82 Bảng 3.10. Chi phí sản xuất và giá bán điện .................................................................83 Bảng 3.11 Các đặc trƣng dung tích hồ chứa trong hệ thống lƣu vực sông Ba ..............84 Bảng 3.12. Diện tích tƣới cây lƣơng thực tối thiểu ở mỗi phân vùng (ha) ...................85 Bảng 3.13. Tổng hợp lƣu lƣợng xả tối thiểu xuống hạ lƣu của các hồ chứa .................86 Bảng 4.1 Quá trình lƣu lƣợng qua tuabin tại các hồ chứa theo KBCS1 .......................91 Bảng 4.2 Diện tích trồng trọt tối ƣu theo KBCS 1 ........................................................92 Bảng 4.3 Diện tích trồng trọt tối ƣu theo KBCS 2 ........................................................92 Bảng 4.4 Diện tích trồng trọt thực tế năm 2009-2010...................................................92 Bảng 4.5 Tổng hợp lợi nhuận thuần từ các đối tƣợng sử dụng nƣớc theo các kịch bản nhóm A ..........................................................................................................................96 Bảng 4.6 Tổng hợp lƣợng nƣớc phân bổ cho các đối tƣợng sử dụng nƣớc trong nhiều năm ................................................................................................................................99 Bảng 4.7. Tổng lợi ích thuần trƣớc và sau khi tăng giá bán nông sản 20% ................101 Bảng 4.8. Tổng lợi nhuận thuần sau khi tăng chi phí sản xuất điện ............................101 Bảng 4.9. Tổng lợi nhuận thuần sau khi tăng năng suất cây trồng..............................102 Bảng 4.10. Tổng lợi ích thuần sau khi tăng hiệu suất tƣới ..........................................103 Bảng 4.11. Tổng lợi ích thuần khi thay đổi nhu cầu dùng nƣớc cho sinh hoạt và công nghiệp ..........................................................................................................................104 Bảng 4.12. Tổng lợi ích thuần khi thay đổi cơ cấu cây trồng .....................................106 Bảng 4.13. Tổng lợi nhuận thuần khi thay đổi công suất đảm bảo các nhà máy ........107 vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT (Sắp xếp theo thứ tự A,B,C….) Bộ CT Bộ Công thƣơng Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Bộ TN&MT Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng BTQHPT Bài toán quy hoạch phi tuyến (bài toán tối ƣu phi tuyến) CTCP Công ty cổ phần CTTL Công trình thủy lợi CTTĐ Công trình thủy điện ĐHTL Đại học Thủy lợi GAMS General Algebraic Modeling System (Hệ thống Mô hình Số học Tổng quát) GRG General Reduced Gradient (Gradient rút gọn tổng quát) GWP Mạng lƣới Cộng tác vì nƣớc Toàn cầu KBCS Kịch bản cơ sở KTSDN Khai thác sử dụng nƣớc Luật TNN Luật Tài nguyên nƣớc LVS Lƣu vực sông MHTVKT Mô hình thủy văn - kinh tế NCKH Nghiên cứu khoa học NLP Nonlinear programming (tối ƣu phi tuyến hoặc quy hoạch phi tuyến) QHTĐ Quy hoạch thủy điện QHTL Quy hoạch thủy lợi QHTNN Quy hoạch tài nguyên nƣớc QL,KTCTTL Quản lý, khai thác công trình thủy lợi QLTHTNN Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc QLTHLVS Quản lý tổng hợp lƣu vực sông QTVHLH Quy trình vận hành liên hồ TNN Tài nguyên nƣớc TTCP Thủ tƣớng Chính phủ TVKT Thủy văn - kinh tế UBND Ủy ban nhân dân VKHKTTV&BĐKH Viện Khoa học Khí tƣợng thủy văn và Biến đổi khí hậu VQHTL Viện Quy hoạch thủy lợi viii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Do bản chất tự nhiên của dòng chảy sông ngòi, lƣu vực sông đƣợc coi là một đơn vị trong quy hoạch và quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc. Điều này đã đƣợc thừa nhận và nêu ở mục 18.9 Chƣơng trình Nghị sự 21[1] của Hội nghị về Môi trƣờng và Phát triển của Liên Hiệp Quốc (UNCED). Các hoạt động đƣợc đề xuất liên quan đến lĩnh vực phát triển và quản lý tài nguyên nƣớc của Chƣơng trình Nghị sự này bao gồm “phát triển cơ sở dữ liệu tương tác, các mô hình dự báo, các mô hình quy hoạch kinh tế và các phương pháp quản lý và quy hoạch nước” và “tối ưu hóa việc phân bổ nước trong các ràng buộc về tự nhiên và kinh tế xã hội” (Mục 18.12) [1]. Ở Việt Nam, lĩnh vực quy hoạch khai thác sử dụng tài nguyên nƣớc trên lƣu vực sông trƣớc đây thƣờng thuộc lĩnh vực quy hoạch thủy lợi, do nhu cầu nƣớc dành cho nông nghiệp ở nƣớc ta vẫn chiếm tỉ trọng rất lớn so với các nhu cầu khác. Hiện nay quá trình phát triển kinh tế và đô thị hóa làm cho các mâu thuẫn trong khai thác, sử dụng nƣớc dần bộc lộ rõ hơn. Các mâu thuẫn giữa thƣợng lƣu và hạ lƣu, giữa thủy điện và tƣới, giữa thủy điện và phòng lũ, giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trƣờng tồn tại ở tất cả các lƣu vực sông lớn trên cả nƣớc. Do sự phát triển của các quy hoạch thủy lợi, quy hoạch thủy điện, quy hoạch cấp nƣớc đô thị và một số quy hoạch ngành khác đã dẫn đến có những sự chồng chéo, thiếu hiệu quả trong khai thác, sử dụng nƣớc. Lƣu vực sông Ba là một trong những lƣu vực sông liên tỉnh lớn ở Việt Nam. Từ các kết quả nghiên cứu quy hoạch thủy lợi trƣớc đây đã giúp các địa phƣơng trên lƣu vực đầu tƣ xây dựng hàng loạt công trình thủy lợi, bao gồm: 147 hồ chứa nƣớc, 121 đập dâng, 61 trạm bơm. Đặc biệt có hồ Ayun Hạ năng lực thiết kế 13.500ha và hệ thống thủy nông Đồng Cam năng lực tƣới thiết kế 19.800ha [2]. Theo quy hoạch thủy điện, tiềm năng thủy điện trên lƣu vực sông Ba là 737MW, tính đến 2010 đã có hệ thống 5 cụm hồ chứa lớn với tổng công suất 530MW đi vào hoạt động. Các công trình thủy lợi, thủy điện đƣợc xây dựng dựa theo các quy hoạch phát triển nguồn nƣớc của các ngành thủy lợi, thủy điện. Mặt khác, khi các công trình này đi vào vận hành sẽ làm thay đổi 1
tình trạng phân bổ nƣớc theo không gian và thời gian trên lƣu vực. Chính vì vậy, cần thiết có sự xem xét lại vấn đề phân bổ nƣớc trên lƣu vực sông Ba trên cơ sở phối hợp hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện hiện có nhằm khai thác, sử dụng nguồn nƣớc một cách hiệu quả hơn. Để thực thi công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc, các nhà hoạch định chính sách luôn phải dựa trên cơ sở tài nguyên nƣớc có sẵn, nhu cầu phát triển kinh tế và bảo vệ môi trƣờng. Kết quả tính toán từ các mô hình hệ thống sẽ là cơ sở có tính lƣợng hóa, giúp dự báo tác động của các công trình hoặc chính sách quản lý dự kiến đối với hệ thống lƣu vực sông. Trong các loại mô hình hệ thống lƣu vực sông, mô hình thủy văn - kinh tế là công cụ biểu thị các khía cạnh thủy văn, kỹ thuật, môi trường và kinh tế của hệ thống tài nguyên nước trong một khuôn khổ thống nhất. Điểm trọng tâm của mô hình là coi nƣớc nhƣ một loại hàng hóa có giá trị kinh tế. Điều này có thể hiểu đơn giản là cùng một đơn vị nƣớc nhƣng thời điểm sử dụng và vị trí sử dụng khác nhau sẽ mang lại lợi ích khác nhau. Nếu nhƣ tài nguyên nƣớc của lƣu vực đủ đáp ứng cho mọi nhu cầu về nƣớc thì sẽ không xảy ra mâu thuẫn gì. Nhƣng nếu tài nguyên nƣớc của lƣu vực bị thiếu (hay khan hiếm) thì sẽ rất dễ xảy ra mâu thuẫn trong sử dụng nƣớc. Nhìn chung, các nghiên cứu trong lĩnh vực tài nguyên nƣớc từ trƣớc đến nay chỉ tập trung vào phƣơng pháp ứng dụng mô hình thủy văn truyền thống, việc phân tích kinh tế nếu có, chỉ dựa trên một số giới hạn các kịch bản khai thác sử dụng nƣớc, đƣợc xác định trên cơ sở yêu cầu nƣớc tại từng địa phƣơng. Điều này vô hình chung làm khó cho ngƣời quản lý khi muốn đƣa ra các chính sách phân bổ lại tài nguyên nƣớc theo phƣơng thức mang lại nhiều lợi ích hơn cho toàn lƣu vực. Trong trƣờng hợp này, mô hình thủy văn - kinh tế sẽ là một công cụ phù hợp để giúp cho ngƣời quản lý hiểu rõ về hiệu quả khai thác sử dụng nƣớc trên lƣu vực. Mô hình sẽ hƣớng đến một mục tiêu có lợi nhất về mặt kinh tế cho toàn lƣu vực, trên cơ sở xem xét đến các yếu tố về xã hội và môi trƣờng. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu áp dụng mô hình thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba” với mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng và áp dụng một công cụ hỗ trợ cho những nhà hoạch định chính sách đƣa ra 2
những quyết định liên quan đến tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nƣớc trên lƣu vực sông Ba theo hƣớng có lợi nhất về kinh tế, xã hội và môi trƣờng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Xây dựng mô hình thủy văn – kinh tế cho lƣu vực sông Ba nhằm phân bổ tài nguyên nƣớc.  Đánh giá các kịch bản và định hƣớng phƣơng thức phân bổ sử dụng nguồn nƣớc hợp lý cho lƣu vực sông Ba. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu:  Về không gian: Giới hạn nghiên cứu cho lƣu vực sông Ba.  Về thời gian: Thời gian tính toán là một năm thủy văn, bƣớc thời gian 1 tháng. Đối tƣợng nghiên cứu:  Luận án chủ yếu xem xét tài nguyên nƣớc mặt.  Các đối tƣợng sử dụng nƣớc: sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, thủy điện, thủy sản và môi trƣờng. Trong đó, các yêu cầu về nƣớc dành cho sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản và môi trƣờng đƣợc coi là các điều kiện ràng buộc (cố định). 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: o Cách tiếp cận hệ thống o Cách tiếp cận liên ngành Phương pháp nghiên cứu:  Phƣơng pháp kế thừa: Luận án kế thừa một số kết quả nghiên cứu trƣớc đây của các cơ quan, tổ chức có liên quan đến lƣu vực sông Ba. Trong đó, chủ yếu là kết quả tính toán dòng chảy và nhu cầu sử dụng nƣớc cho các phân vùng sử dụng nƣớc trên lƣu vực.  Phƣơng pháp mô hình toán: Luận án xây dựng một mô hình thủy văn - kinh tế cho lƣu vực sông Ba trong hệ thống GAMS.  Phƣơng pháp thống kê xác suất: sử dụng để phân tích tần suất dòng chảy lƣu vực sông Ba, phân tích tƣơng quan giữa các đại lƣợng thủy văn và kinh tế. 3
 Phƣơng pháp phân tích tổng hợp: đƣợc sử dụng để đánh giá hiệu ích kinh tế từ các phƣơng án phân bổ nƣớc, phân tích hiệu quả từ các chính sách quản lý nƣớc dự kiến. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học  Nghiên cứu cơ sở khoa học thiết lập mô hình thủy văn – kinh tế cho bài toán phân bổ nƣớc tối ƣu trên lƣu vực sông Ba.  Lƣợng hóa mối quan hệ tƣơng quan giữa các yếu tố thủy văn và kinh tế. Trên cơ sở đó, phân tích đƣợc những điểm bất hợp lý trong lĩnh vực khai thác sử dụng nƣớc trên lƣu vực sông Ba và đề xuất những phƣơng thức điều chỉnh cho phù hợp. Ý nghĩa thực tiễn  Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể đƣợc sử dụng là một kênh tham khảo tích cực cho những nhà quản lý trong quá trình ra quyết định liên quan đến quy hoạch chiến lƣợc phát triển tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba.  Cơ sở khoa học và chƣơng trình tính thủy văn - kinh tế cho lƣu vực sông Ba có thể sử dụng để xây dựng các mô hình thủy văn - kinh tế cho những lƣu vực sông khác có điều kiện tƣơng tự.  Phƣơng pháp xây dựng và trình tự thiết lập mô hình thủy văn - kinh tế cho lƣu vực sông Ba có thể dùng là tài liệu học tập cho sinh viên và học viên cao học. 6. Những đóng góp mới của luận án  Nghiên cứu ứng dụng mô hình tối ƣu trong phân tích đánh giá, phân bổ nguồn nƣớc trong lƣu vực sông và có bổ sung, điều chỉnh phù hợp cho LVS Ba.  Lƣợng hóa đƣợc quan hệ tƣơng quan giữa thủy văn và kinh tế cho lƣu vực sông Ba trong mối ràng buộc về tự nhiên, kết cấu hạ tầng, môi trƣờng và xã hội.  Đánh giá hiệu ích kinh tế của một số chính sách dự kiến trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc, từ đó đề xuất các biện pháp tăng cƣờng hiệu quả trong khai thác sử dụng nƣớc mặt trên lƣu vực sông Ba. 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ TRONG QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC 1.1 Giải thích một số thuật ngữ Mô hình thủy văn – kinh tế: là công cụ mô hình toán kết hợp mô hình thủy văn và mô hình kinh tế, có khả năng biểu thị các khía cạnh thủy văn, kỹ thuật, môi trƣờng và kinh tế của hệ thống tài nguyên nƣớc trong một khuôn khổ thống nhất [3]. Tài nguyên nƣớc: bao gồm nguồn nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất, nƣớc mƣa và nƣớc biển thuộc lãnh thổ của nƣớc CHXHCN Việt Nam [4]. Nguồn nƣớc là các dạng tích tụ nƣớc tự nhiên hoặc nhân tạo có thể khai thác, sử dụng bao gồm sông, suối, kênh, rạch, hồ, ao, đầm, phá, biển, các tầng chứa nƣớc dƣới đất; mƣa, băng, tuyết và các dạng tích tụ khác [4]. Hệ thống tài nguyên nƣớc là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nƣớc, các công trình khai thác tài nguyên nƣớc, các yêu cầu về nƣớc cùng với mối quan hệ tƣơng tác giữa chúng cùng với sự tác động của môi trƣờng lên nó [5]. Lƣu vực sông: là vùng đất mà trong phạm vi đó nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất chảy tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển [4]. Dòng chảy tối thiểu: là dòng chảy ở mức thấp nhất cần thiết để duy trì dòng sông hoặc đoạn sông nhằm bảo đảm sự phát triển bình thƣờng của hệ sinh thái thủy sinh và bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng nguồn nƣớc của các đối tƣợng sử dụng nƣớc [4]. Hàng hóa kinh tế: Một hàng hóa đƣợc coi là một hàng hóa kinh tế (còn đƣợc gọi là một hàng hóa khan hiếm) nếu số lƣợng “cầu” hàng hóa vƣợt số lƣợng “cung” tại mức giá bằng zero [6]. Hàng hóa trung gian (hàng hóa của nhà sản xuất): sản phẩm hoặc dịch vụ để tạo ra hàng hóa và dịch vụ khác (ngƣợc với hàng hóa tiêu dùng cuối cùng, đƣợc sử dụng trực tiếp bởi khách hàng) [7]. 5
1.2 Giới thiệu chung về mô hình thủy văn - kinh tế 1.2.1 Nguồn gốc và quá trình phát triển mô hình Kinh tế và kỹ thuật là những lĩnh vực có tính tƣơng trợ lẫn nhau. Ví dụ nổi bật chính là khái niệm về thặng dƣ tiêu dùng đƣợc một kỹ sƣ ngƣời Pháp Jules Dupuit đƣa ra năm 1844. Dupuit đã nhận ra rằng cần xem xét chi phí xây dựng, vận hành và lợi ích kinh tế từ các công trình khai thác sử dụng nƣớc công cộng. Trong suốt thế kỷ 19 và 20, các khái niệm kinh tế đã đƣợc các kỹ sƣ ngành nƣớc vận dụng, nhất là khi có sự ra đời và phát triển lĩnh vực phân tích hệ thống. Các nguyên tắc kinh tế đƣợc sử dụng để hỗ trợ các quá trình quy hoạch, thiết kế, hay quản lý các hệ thống tài nguyên nƣớc. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, công cụ mô hình toán đƣợc ứng dụng trong lĩnh vực tài nguyên nƣớc ngày càng rộng rãi. Thế nhƣng trong nhiều năm qua, các mô hình tài nguyên nƣớc hoặc là thiên về mảng kỹ thuật (mô hình thủy văn) hoặc là thiên về mảng kinh tế (mô hình kinh tế). Các mô hình thủy văn có khả năng mô tả một hệ thống một cách rất chi tiết, tuy nhiên yếu tố kinh tế nếu có xem xét thƣờng dừng ở mức phân tích lợi ích – chi phí theo kịch bản. Ngƣợc lại, các mô hình kinh tế lại tập trung vào mục tiêu tối đa hóa lợi ích kinh tế mà bỏ qua hoặc lƣợc bỏ rất nhiều các thành phần thủy văn. Ngoài ra còn nhiều khó khăn khác khi liên kết hai loại mô hình này với nhau. Ví dụ, mô hình thủy văn thƣờng sử dụng phƣơng pháp mô phỏng còn mô hình kinh tế hay áp dụng phƣơng pháp tối ƣu. Mô hình thủy văn có thể áp dụng cho một lƣu vực sông lớn có cấu trúc phức tạp, trong khi mô hình kinh tế thƣờng chỉ áp dụng cho phạm vi nghiên cứu là một hệ thống cấp nƣớc nhỏ hoặc hệ thống thủy lợi nội đồng. Mô hình kinh tế thƣờng tính toán cho bƣớc thời gian dài hạn (theo năm hoặc theo mùa) còn mô hình thủy văn có thể tính cho bƣớc thời gian ngắn (ngày, giờ) [8]. Mô hình thủy văn - kinh tế ra đời với mục đích kết nối hai thành phần mô hình thủy văn và mô hình kinh tế. Mục đích này cũng rất phù hợp với xu hƣớng tiếp cận tổng hợp hiện nay trong lĩnh vực quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Ngoài các yếu tố thủy văn và kinh tế, tùy theo mục đích nghiên cứu, các tác giả có thể đƣa thêm vào những thành phần khác nhƣ nông nghiệp, sinh thái, thể chế … Chính vì vậy, mô hình thủy văn - kinh tế (hydro-economic model) còn có nhiều tên gọi khác nhƣ mô hình kinh tế nƣớc (hydroeconomic), kinh tế - thủy văn - nông nghiệp (economic – hydrologic - 6
agronomic), tổng hợp thủy văn - kinh tế - thể chế (integrated hydrologic – economic - institutional), tổng hợp tối ƣu hóa lƣu vực sông (integrated river basin optimization), phân bổ hiệu quả (efficient allocation), tổng hợp kinh tế - thủy văn (integrated economic-hydrologic), kỹ thuật kinh tế (economic - engineering), tổng hợp thủy văn - nông nghiệp - kinh tế (integrated hydrologic – agronomic - economic), cầu và cung (demand and supply), tổng hợp thủy văn - kinh tế (integraged hydrologic - economic), kinh tế tài nguyên nƣớc chính luận (holistic water resources - economic), tổng hợp thủy động lực học - kinh tế (integrated hydrodynamic - economic), và tổng hợp sinh thái - kinh tế (integrated ecological – economic) [3]. Trong các nội dung tiếp theo, luận án sử dụng tên gọi duy nhất mô hình thủy văn - kinh tế cho tất cả các mô hình cùng loại sẽ đƣợc đề cập. 1.2.2 Đặc điểm và mục tiêu mô hình thủy văn – kinh tế Trong các mô hình hệ thống không theo quan điểm kinh tế, nhu cầu nƣớc thƣờng đƣợc biểu thị là yêu cầu nƣớc cố định hoặc là các mục tiêu cấp nƣớc đã định. Dựa vào các yêu cầu đó, thông thƣờng, các kỹ sƣ ngành nƣớc sẽ tính toán chi phí xây dựng, vận hành và sửa chữa các công trình khai thác sử dụng nƣớc hoặc xử lý nƣớc thải. Quan điểm nhu cầu nƣớc "tĩnh" kiểu này có thể dẫn đến thiết kế thiên lớn các cơ sở hạ tầng, gây lãng phí và chậm thích ứng với điều kiện mới. Khi các nguồn nƣớc đã bị khai thác quá mức, việc lựa chọn một nguồn nƣớc mới sẽ trở nên rất khó khăn. Ví dụ muốn xây dựng một công trình thủy lợi mới sẽ khó lựa chọn vị trí tốt, các loại chi phí phát sinh cao hơn so với các công trình trƣớc đó, đồng thời mâu thuẫn giữa những đối tƣợng sử dụng nƣớc mới và cũ trong hệ thống sẽ bị bộc lộ. Các nhà quản lý nƣớc sẽ chuyển từ quan điểm nhu cầu nƣớc “tĩnh” sang quan điểm nhu cầu nƣớc có liên quan đến giá trị kinh tế nƣớc. Giá trị của nƣớc thay đổi theo thời gian, không gian và mục đích sử dụng nƣớc. Trong các mô hình thủy văn - kinh tế, việc phân bổ nƣớc đƣợc định hƣớng và đánh giá bởi các giá trị kinh tế mà nó tạo ra. Các mô hình thủy văn - kinh tế biểu thị tất cả các thành phần thủy văn và kỹ thuật theo không gian của hệ thống. Các đặc trƣng thủy văn và kỹ thuật đƣợc bao gồm trong mạng nút – liên kết (node-link), ở đó các nhu cầu kinh 7
tế đƣợc mô tả tại các vị trí (node) và chi phí (hoặc lợi ích) đƣợc mô tả tại các liên kết (link) [3]. 1.2.3 Sự cần thiết quản lý nước theo cách tiếp cận kinh tế Việc phân bổ nƣớc cho một đối tƣợng sử dụng nƣớc ở một địa điểm trong một khoảng thời gian sẽ có ảnh hƣởng đến đối tƣợng sử dụng nƣớc khác và các tài nguyên khác ở các địa điểm khác và trong các khoảng thời gian khác [3]. Khái niệm nƣớc đƣợc coi là hàng hóa có giá trị kinh tế xuất hiện trong các buổi họp chuẩn bị cho Hội nghị thƣợng đỉnh Trái đất ở Rio de Janeiro năm 1992. Sau đó tiếp tục đƣợc trao đổi và thảo luận trong Hội nghị Dublin về Nƣớc và Môi trƣờng (ICWE, 1992) và trở thành một trong bốn nguyên tắc Dublin. Trong đó, nguyên tắc thứ tƣ nêu quan điểm nƣớc có giá trị kinh tế và cần đƣợc công nhận là một hàng hóa kinh tế. Nƣớc là một loại hàng hóa đặc biệt vừa có tính chất hàng hóa tƣ nhân, vừa có tính chất hàng hóa công. Nếu nhu cầu của con ngƣời vƣợt khả năng cung cấp của nguồn nƣớc, tùy theo từng mức độ có thể gọi là các tình trạng áp lực về nƣớc, thiếu nƣớc, khan hiếm nƣớc hay khủng hoảng về nƣớc. Trong đó, khan hiếm nƣớc có thể phân thành hai loại khan hiếm tự nhiên và khan hiếm kinh tế. Khan hiếm nƣớc tự nhiên chủ yếu xảy ra ở các khu vực có điều kiện khí hậu khô hạn hoặc bán khô hạn. Khan hiếm nƣớc kinh tế xảy ra ở những khu vực tuy có nguồn nƣớc phong phú nhƣng lại không có đủ nguồn lực đầu tƣ để khai thác sử dụng nƣớc. Khi nguồn nƣớc bị khan hiếm thì nên đƣợc quản lý và phân bổ hiệu quả để mang lại tối đa giá trị cho xã hội. 1.2.4 Giá trị kinh tế của nước Theo Mạng lƣới Cộng tác vì nƣớc Toàn cầu [9], giá trị của nƣớc bao gồm giá trị kinh tế và giá trị nội tại. Trong đó, giá trị kinh tế của nƣớc bao gồm giá trị đối với ngƣời sử dụng; lợi nhuận thực từ việc sử dụng nƣớc hồi quy; lợi nhuận thực từ việc sử dụng nƣớc gián tiếp; và điều chỉnh cho các mục đích xã hội. Giá trị nội tại hay còn gọi là giá trị không sử dụng bao gồm: thẩm mĩ, văn hóa, tôn giáo, địa mạo, tự nhiên… không đƣợc xem xét trong phạm vi luận án. Giá trị kinh tế tùy thuộc vào ngƣời sử dụng và cách sử dụng. Các loại sử dụng nƣớc có thể đƣợc phân loại theo khả năng lấy nƣớc (có tiêu hao, không tiêu hao), theo vị trí lấy 8
nƣớc (trên dòng chảy (instream), ngoài dòng chảy (offstream)), hoặc theo vai trò kinh tế của nƣớc (hàng hóa trung gian, sản phẩm cuối cùng) (Hình 1.1). Do sự phức tạp nhƣ vậy nên cũng có rất nhiều phƣơng pháp xác định giá trị kinh tế nƣớc. Phân loại sử dụng nƣớc Theo khả năng Theo vị trí lấy Theo vai trò lấy nƣớc nƣớc kinh tế Sử dụng Sử dụng Sử dụng Sử dụng Sử dụng Sử dụng nƣớc có tiêu nƣớc không nƣớc trên nƣớc ngoài nƣớc làm nƣớc làm hao tiêu hao dòng chảy dòng chảy hàng hóa sản phẩm trung gian cuối cùng Nông nghiệp Thủy điện Giao thông Nông nghiệp Nông nghiệp Sinh hoạt Công nghiệp Giao thông thủy Công nghiệp Công nghiệp Giao thông Sinh hoạt thủy Pha loãng Sinh hoạt Thủy điện thủy Pha loãng Thủy điện Pha loãng Hình 1.1 Phân loại sử dụng nƣớc [10] Sơ đồ Hình 1.2 trình bày một số phƣơng pháp xác định giá trị của nƣớc đƣợc chia thành ba nhóm nhƣ sau: (1) Các phƣơng pháp suy luận giá trị của nƣớc từ thông tin liên quan đến thị trƣờng nƣớc hoặc các lợi ích có liên quan đến nƣớc (2) Các phƣơng pháp suy luận giá trị của nƣớc từ nhu cầu nƣớc, ở đó nƣớc đƣợc coi là hàng hóa (sản xuất) trung gian (3) Các phƣơng pháp suy luận giá trị của nƣớc từ nhu cầu khách hàng, ở đó nƣớc đƣợc coi là hàng hóa (tiêu dùng) cuối cùng, đƣợc sử dụng trực tiếp bởi ngƣời sử dụng. 9
Xác định giá trị của nƣớc Khái niệm dòng giá trị Suy luận giá trị từ Xem nƣớc là hàng Xem nƣớc là hàng thị trƣờng nƣớc hóa trung gian hóa cuối cùng Nƣớc là hàng Nƣớc là lợi hóa tƣ nhân ích công cộng Từ việc cho thuê Hàm cầu nhà Hàm cầu Mô hình chi hoặc bán quyền sản xuất ngƣời tiêu phí du lịch sử dụng nƣớc dùng va/hoặc đất Giá trị phần dƣ Giá cả hƣởng thụ Giá trị gia tăng Định giá ngẫu nhiên Chi phí thay Chuyển giao thế lợi ích Hình 1.2 Các phƣơng pháp xác định giá trị của nƣớc [10] Bất cứ phƣơng pháp nào thì chỉ có giá trị và đáng tin cậy trong điều kiện và cơ sở của phƣơng pháp đó [10]. Dƣới đây xin trình bày các phƣơng pháp thƣờng dùng để xác định giá trị sử dụng nƣớc cho một số ngành sử dụng nƣớc chủ yếu. 1.2.4.1 Giá trị sử dụng nƣớc cho trồng trọt Nƣớc sử dụng cho trồng trọt đƣợc xếp vào loại hàng hóa trung gian. Bởi vậy, giá trị sử dụng nƣớc nên đƣợc xác định từ quan điểm của nhà sản xuất [10]. Phƣơng pháp giá trị phần dƣ thƣờng đƣợc sử dụng để xác định giá trị sử dụng nƣớc cho trồng trọt. Về mặt lý thuyết, mô hình sản xuất mùa vụ thƣờng đƣợc các nhà kinh tế mô tả nhƣ một “hộp đen” có các đầu vào là vốn, lao động, đất đai, phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, 10