Luận văn Thạc sĩ Cơ học kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước - Xây dựng môđun chương trình phân tích hỗ trợ ra quyết định đa tiêu chí Topsis và áp dụng phân tích cho một bài toán thực tế

Chia sẻ: 123share | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

208
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu một cách tổng quát về hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước. Qua đó có cơ sở lý thuyết để áp dụng cụ thể vào thực tế thông qua việc kết hợp với một thuật toán được lựa chọn để xây dựng một sơ đồ khối tính toán cho các bài toán hỗ trợ ra quyết định trong tổng hợp tài nguyên nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Cơ học kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước - Xây dựng môđun chương trình phân tích hỗ trợ ra quyết định đa tiêu chí Topsis và áp dụng phân tích cho một bài toán thực tế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THÀNH TRUNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC: XÂY DỰNG MÔ ĐUN CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH ĐA TIÊU CHÍ TOPSIS VÀ ÁP DỤNG PHÂN TÍCH CHO MỘT BÀI TOÁN THỰC TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THÀNH TRUNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC: XÂY DỰNG MÔ ĐUN CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH ĐA TIÊU CHÍ TOPSIS VÀ ÁP DỤNG PHÂN TÍCH CHO MỘT BÀI TOÁN THỰC TẾ Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60 52 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sỹ Đặng Thế Ba Hà Nội – 2011
3 MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................. 7 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. 9 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ............................................................................................... 10 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC .............................................. 13 2.1. Một số khái niệm về hệ thống hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước .................................................................................................... 13 2.2. Một số hệ thống HTRQĐ QL TNN đã phát triển và sử dụng .......................... 15 2.2.1. Các hệ thống trợ giúp ra quyết định kiểm soát lũ lụt .............................. 15 2.2.2. Các hệ thống trợ giúp ra quyết định ứng phó sự cố tràn hóa chất .......... 16 2.2.3. Các hệ thống hỗ trợ ra quyết định phân phối nước ................................. 16 2.2.4. Các hệ thống trợ giúp ra quyết định quản lý chất lượng nước ............... 18 2.3. Hệ thống HTRQĐ quản lý tổng hợp tài nguyên nước – mDSS ....................... 18 2.4. Phát triển và sử dụng hệ thống HTRQĐ quản lý TNN ở Việt Nam ................. 20 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ PHÂN TÍCH VỀ THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN HTHTRQĐ QLTH TÀI NGUYÊN NƯỚC ........................................................ 22 3.1. Những vấn đề cần quan tâm trong QLTH tài nguyên nước ............................. 22 3.1.1. Quản lý các hiểm hoạ nguồn nước .......................................................... 22 3.1.2. Vấn đề điều tiết, cung cấp và chất lượng nước ....................................... 23 3.2. Những công nghệ hỗ trợ việc phân tích và tạo lập quyết định trong quản lý nước ................................................................................................................. 25 3.2.1. Các mô hình mô phỏng và tối ưu ............................................................ 25 3.2.2. Hệ thống thông tin địa lý ......................................................................... 25 3.2.3. Hệ thống chuyên gia ................................................................................ 25 3.2.4. Các công cụ phân tích đa tiêu chí ............................................................ 26 3.3. Thiết kế, xây dựng và phát triển HTHTRQĐ QLTH TNN .............................. 26
4 3.4. Xây dựng mô đun chương trình phân tích ĐTC hỗ trợ ra quyết định QLTH TNN ..................................................................................................... 28 3.4.1. Phân tích ĐTC hỗ trợ ra quyết định QLTH TNN .................................. 28 3.4.2. Cơ sở lý thuyết phân tích đa tiêu chí cho chương trình phân tích hỗ trợ ra quyết định QLTH TNN ........................................................................... 30 CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN VÀ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐA TIÊU CHÍ TOPSIS PHÂN TÍCH CHO HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH ........................... 36 4.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 36 4.2. Lý thuyết về phương pháp điểm lý tưởng TOPSIS .......................................... 37 4.3. Những điểm cần lưu ý khi sử dụng TOPSIS và áp dụng cho Phân tích quản lý tổng hợp tài nguyên nước ................................................................... 41 4.4. Xây dựng môđun chương trình và thử nghiệm với một số ví dụ cụ thể ........... 42 4.4.1. Xây dựng môđun chương trình ............................................................... 42 4.4.2. Áp dụng cho một số ví dụ ....................................................................... 43 CHƯƠNG 5: ÁP DỤNG CHO MỘT BÀI TOÁN CỤ THỂ Ở VIỆT NAM – PHÂN TÍCH QUẢN LÝ XÂY DỰNG ĐẬP THỦY ĐIỆN ĐAK MI-4 ..................................... 49 5.1. Giới thiệu về đập thủy điện Đak Mi-4 .............................................................. 49 5.1.1. Vị trí địa lý, thiết kế và mục tiêu phát triển ............................................ 49 5.1.2. Vấn đề trong việc quản lý đập thủy điện Đak Mi-4 ............................... 54 5.2. Xây dựng các phương án và tiêu chí đánh giá .................................................. 56 5.2.1. Xây dựng bài toán phân tích hỗ trợ ra quyết định ................................... 56 5.2.1.1. Xác định bài toán ......................................................................... 56 5.2.1.2. Xác định nhân tố tham gia quá trình hỗ trợ ra quyết định ........... 56 5.2.2. Xây dựng và phân tích kịch bản cùng các phương án tính toán ............. 56 5.2.3. Xác định các tiêu chí đánh giá hỗ trợ ra quyết định ................................ 57 5.3. Mô hình tính dòng chảy 1 chiều trên sông Vu Gia – Hàn theo các phương án bằng phần mềm thủy lực MIKE11 ............................................................. 58 5.4. Phân tích các phương án .................................................................................. 64 5.4.1. Ma trận phân tích .................................................................................... 64
5 5.4.2. Sử dụng các hàm chuyển đổi giá trị để đưa ma trận phân tích về ma trận đánh giá ...................................................................................................... 64 5.4.3. Kết hợp với trọng số để tạo ma trận tổng hợp ........................................ 65 5.4.4. Sử dụng phương pháp TOPSIS tính Điểm đánh giá ............................... 66 5.4.5. So sánh kết quả với chương trình tính toán sử dụng phương pháp SAW ................................................................................................................. 68 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .................. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 71 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 73
6 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Khoa học đánh giá tốt hơn có sự tích hợp các nguồn điểm và BASINS: nguồn phân tán (Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources) CALSIM : Mô hình mô phỏng tài nguyên nước Caliphornia Hệ thống quản lý nước các tập đoàn doanh nghiệp (Corps Water CWMS : Management System) DBAM : Mô hình cảnh báo lưu vực sông Danube ĐTC: Đa tiêu chí Các chính sách và tổ chức môi trường cho khu vực Trung Á EPIC: (Environmental Policies and Institutions for Central Asia) GIS: Hệ thống thông tin địa lý HHTRQĐ: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định HTRQĐ: Hỗ trợ ra quyết định OASIS : Phân tích và mô phỏng hoạt động của các hệ thống tích hợp QLTH: Quản lý tổng hợp QLTNN : Quản lý tài nguyên nước SMS : Hệ thống mô hình nước mặt
7 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Sơ đồ tổng quát của HTHTRQĐ quản lý tài nguyên nước Hình 2. Sơ đồ các bước phân tích đa tiêu chí hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước Hình 3: Sơ đồ mô hình phân tích nhận thức DPSIR Hình 4: Các bước đầy đủ trong phân tích đa tiêu chí hỗ trợ ra quyết định Hình5. Một số dạng hàm giá trị Hình 6: Sơ đồ khối mô tả quá trình ra quyết định trong QLTH TNN sử dụng phương pháp TOPSIS Hình 7: Ví dụ tính toán sử dụng phương pháp SAW trong mDSS Hình 8: Biểu đồ so sánh tỉ lệ phần trăm giữa các lựa chọn theo Điểm đánh giá của phương pháp TOPSIS Hình 9: Quy hoạch hệ thống thủy điện trên Vu Gia – Thu Bồn Hình 10: Đập thủy điện Đak Mi-4 Hình 11: Sơ đồ phân tích giải pháp đáp ứng XDQL hệ thống đập thủy điện Hình 12: Thiết lập mô hình MIKE11 Hình 13: Thiết lập các thông số đầu vào cho mô hình MIKE11 Hình 14: Thiết lập mạng sông trong mô hình MIKE11 Hình 15: Thiết lập sơ đồ các mặt cắt sông trong mô hình MIKE11 Hình 16: Thiết lập các điều kiện biên trong mô hình MIKE11 Hình 17: Thiết lập dữ liệu triều trong mô hình MIKE11 Hình 18: Thiết lập lưu lượng thực đo trạm Thành Mỹ trong MIKE11 Hình 19: Thiết lập lưu lượng thực đo trạm Sông Bung trong MIKE11 Hình 20: Thiết lập lưu lượng thực đo trạm Sông Kôn trong MIKE11 Hình 21: Biểu đồ độ mặn tại Vu Gia 1 theo 4 lựa chọn biểu diễn theo thời gian Hình 22: Biểu đồ lưu lượng dòng chảy tại VG1 theo 4 lựa chọn biểu diễn theo thời gian Hình 23: Biểu đồ so sánh tỉ lệ phần trăm giữa các lựa chọn theo Điểm đánh giá của phương pháp TOPSIS áp dụng cho bài toán thực tế
8 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 24: Sử dụng phương pháp SAW trong mDSS tính cho bài toán thực tế Hình 25: Biểu đồ bền vững phân tích các phương án của bài toán thực tế
9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Ví dụ so sánh từng cặp: (I) tỷ lệ so sánh từng cặp; (II) ma trận so sánh từng cặp giữa 4 tiêu chí (C1 – C4) Bảng 2: Sự quy tập sử dụng phương pháp quyết định TOPSIS Bảng 3: Ví dụ minh họa giải quyết tính toán phức tạp sử dụng TOPSIS Bảng 4: Ví dụ tính toán sử dụng phương pháp TOPSIS tự xây dựng Bảng 5: Các dự án thủy điện lớn đề xuất trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn [42] Bảng 6: Ma trận phân tích cho bài toàn thực tế Bảng 7: Ma trận giá trị cho bài toàn thực tế Bảng 8: Ma trận tổng hợp cho bài toán thực tế Bảng 9: Kết quả tính Điểm đánh giá theo phương pháp TOPSIS cho bài toàn thực tế
10 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Phát triển bền vững là một khái niệm mới nhằm định nghĩa một sự phát triển về mọi mặt trong hiện tại mà vẫn phải bảo đảm sự tiếp tục phát triển trong tương lai xa. Khái niệm này hiện đang là mục tiêu hướng tới của nhiều quốc gia trên thế giới, mỗi quốc gia sẽ dựa theo đặc thù kinh tế, xã hội, chính trị, địa lý, văn hóa... riêng để hoạch định chiến lược phù hợp nhất với quốc gia đó. Thuật ngữ "phát triển bền vững" xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1980 trong ấn phẩm Chiến lược bảo tồn Thế giới (công bố bởi Hiệp hội Bảo tồn Thiên nhiên và Tài nguyên Thiên nhiên Quốc tế - IUCN) với nội dung rất đơn giản: "Sự phát triển của nhân loại không thể chỉ chú trọng tới phát triển kinh tế mà còn phải tôn trọng những nhu cầu tất yếu của xã hội và sự tác động đến môi trường sinh thái học". Khái niệm này được phổ biến rộng rãi vào năm 1987 nhờ Báo cáo Brundtland (còn gọi là Báo cáo Our Common Future) của Ủy ban Môi trường và Phát triển Thế giới - WCED (nay là Ủy ban Brundtland). Báo cáo này ghi rõ: Phát triển bền vững là "sự phát triển có thể đáp ứng được những nhu cầu hiện tại mà không ảnh hưởng, tổn hại đến những khả năng đáp ứng nhu cầu của các thế hệ tương lai...". Nói cách khác, phát triển bền vững phải bảo đảm có sự phát triển kinh tế hiệu quả, xã hội công bằng và môi trường được bảo vệ, gìn giữ. Để đạt được điều này, tất cả các thành phần kinh tế - xã hội, nhà cầm quyền, các tổ chức xã hội... phải bắt tay nhau thực hiện nhằm mục đích dung hòa 3 lĩnh vực chính: kinh tế - xã hội - môi trường. Hai khái niệm gắn liền với quan điểm trên: • Khái niệm "nhu cầu"... • Khái niệm của sự giới hạn mà tình trạng hiện tại của khoa học kỹ thuật và sự tổ chức xã hội áp đặt lên khả năng đáp ứng của môi trường nhằm thỏa mãn nhu cầu hiện tại và tương lai. Sau đó, năm 1992, tại Rio de Janeiro, các đại biểu tham gia Hội nghị về Môi trường và Phát triển của Liên hiệp quốc đã xác nhận lại khái niệm này, và đã gửi đi một thông điệp rõ ràng tới tất cả các cấp của các chính phủ về sự cấp bách trong việc đẩy mạnh sự hòa hợp kinh tế, phát triển xã hội cùng với bảo vệ môi trường. Năm 2002, Hội nghị thượng đỉnh Thế giới về Phát triển bền vững (còn gọi là Hội nghị Rio +10 hay Hội nghị thượng đỉnh Johannesburg) nhóm họp tại Johannesburg, Cộng hòa Nam Phi với sự tham gia của các nhà lãnh đạo cũng như các chuyên gia về kinh tế, xã hội và môi trường của gần 200 quốc gia đã tổng kết lại kế hoạch hành động về phát triển bền vững 10 năm qua và đưa ra các quyết sách liên quan tới các vấn đề về nước, năng
11 lượng, sức khỏe, nông nghiệp và sự đa dạng sinh thái. Trong đó vấn đề về nước là một vấn đề hết sức cấp thiết và gây nhiều tranh cãi cũng như sự quan tâm của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Theo một báo cáo ngày 03 tháng 05 năm 2011, hiện nay có 1 tỷ người không có nước ngọt, mỗi năm 1,6 triệu người dân trên thế giới chết do thiếu nước sạch. Nhịp độ đô thị hóa sẽ còn tiếp tục tăng nhanh, kèm theo đó là vấn đề cung cấp nước sạch, đảm bảo chất lượng nước cho mọi người sẽ trở thành mối lo của toàn cầu. Trong thế kỷ 20, dân số trên trái đất đã tăng gấp ba lần. Cùng thời kỳ, nhu cầu về nước ngọt của nhân loại tăng lên gấp sáu lần so với thế kỷ 19. Trung bình mỗi ngày, một người dân ở Bắc Mỹ, chủ yếu là Canada và Hoa Kỳ dùng đến 600 tới 800 lít nước. Để so sánh, nhu cầu này tại các quốc gia đang phát triển dao động từ 60 tới 150 lít/ ngày. Dân số trên trái đất ước tính lên tới 9 tỷ người vào khoảng năm 2050. Nhu cầu về lương thực qua đó tăng theo. Để nuôi sống 9 tỷ người, ngành nông nghiệp trên thế giới phải sản xuất thêm, kéo theo nhu cầu về nước đi lên. Để sản xuất ra một lít sữa, nông dân phải cần tới hơn 1.000 lít nước, và để có được một cân thịt bò thì người ta cần tới 12.000 đến 15.000 lít nước. Cùng lúc, để gia tăng năng suất, ngành nông nghiệp cũng sẽ phải sử dụng ngày càng nhiều phân bón hóa học. Mức độ ô nhiễm nước sẽ gia tăng. Vấn đề lọc nước bẩn, sát trùng các nguồn nước bị ô nhiễm và quản lý các nguồn nước sạch trở thành mối quan tâm hàng đầu. Tại Châu Á và Châu Phi, dân số thành thị tăng gấp đôi trong ba thập niên từ năm 2000 đến 2030. 141 triệu dân cư ở các thành phố lớn không được bảo đảm về nước ngọt và nước sạch. Nước bẩn sẽ là mầm mống gây ra cái chết cho 1/5 trẻ em trong độ tuổi dưới 5 tuổi vì những căn bệnh như: tiêu chảy, dịch tả, sốt rét … Tại các nước đang phát triển, như Trung Quốc hay Ấn Độ, trung bình một tháng, các thành phố lớn phải đón nhận thêm khoảng 5 triệu người đến định cư. Trong thập niên sắp tới, 95% những người từ nông thôn lên thành thị sinh sống thuộc các nền kinh tế đang trỗi dậy. Làn sóng di dân này đã, đang và còn tiếp tục đặt ra nhiều thách thức cho chính quyền, đặc biệt là vấn đề cung cấp nước cho tất cả mọi người, đồng thời cần mở rộng hệ thống xử lý nước thải trước hiện tượng dân số ngày càng gia tăng. Một trong những mối lo ngại đau đầu nhất đối với những quốc gia đang phát triển – đặc biệt là Brazil và Ấn Độ - là làm thế nào để đem nước đến cho hơn 820 triệu người sống tại các khu nhà ổ chuột, lắp đặt hệ thống cung cấp nước sạch, thải nước bẩn tại những khu vực này. Theo cơ quan đặc trách về vấn đề nước trực thuộc Liên hợp quốc, cộng đồng quốc tế cần khoản tiền 20 tỉ đô la hàng năm để giải quyết vấn đề nước cho các thành phố lớn đang phải liên tục mở rộng vành đai để đón nhận thêm dân cư. Các thành phố Châu Á chiếm đến 6 trong số 10 thành phố lớn nhất trên thế giới, mà hầu hết đều vấp phải vấn đề
12 nghiêm trọng vừa nêu. Dự báo đến năm 2050, sẽ có đến 60% dân số tại Châu Á sống ở thành phố. Với hơn 1,5 tỉ dân, Trung Quốc chỉ làm chủ khoảng 9% khoản nước ngọt của thế giới. Trong lúc đó, 41% các con sông lớn của Trung Quốc bị ô nhiễm tới mức báo động. Bộ Tài nguyên và Môi trường Trung Quốc nhìn nhận là Trung Quốc chưa sử dụng nước một cách tối ưu. Ngoài ra, chính sách phát triển đô thị và công nghiệp hóa của Trung Quốc đang đặt ra những thách thức lớn cho chính quyền cả ở cấp địa phương lẫn Trung ương. Bên cạnh đó hệ thống lọc nước của Trung Quốc bị coi là đã lỗi thời, có khi đã được xây dựng cả trăm năm nay, không còn khả năng cung cấp một khối lượng nước ngày càng lớn cho các thành phố. Mỗi tháng đều xảy ra các vụ ô nhiễm nước, khi các nhà máy thường xuyên đổ chất hóa học độc hại ra sông. Nước sạch và nước ngọt không còn là tài nguyên thiên nhiên để phục vụ con người, mà đã từng bước trở thành một món hàng mà người ta phải bỏ tiền ra mua. Bước kế tiếp là nước sẽ trở thành một trong những yếu tố gây căng thẳng trong xã hội và có thể dẫn tới xung đột chiến tranh. Trước vấn đề cấp thiết đó, cộng với tính đa mục đích trong sử dụng tài nguyên nước, thì vấn đề lựa chọn đưa ra một quyết định hợp lý nhất trong việc bảo tồn và phát triển nguồn tài nguyên quý giá này là một yêu cầu không hề đơn giản đối với bất cứ một nhà ra quyết định nào. Bởi vậy việc xây dựng một hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong Quản lý và Tổng hợp tài nguyên nước là một yêu cầu tất yếu đáp ứng nhu cầu đặt ra hiện nay. Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu một cách tổng quát về hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước. Qua đó có cơ sở lý thuyết để áp dụng cụ thể vào thực tế thông qua việc kết hợp với một thuật toán được lựa chọn để xây dựng một sơ đồ khối tính toán cho các bài toán hỗ trợ ra quyết định trong tổng hợp tài nguyên nước. Nội dung của luận văn được chia làm 6 chương trong đó chương 1,2,3,4 tập trung vào việc giới thiệu chung về mặt lý thuyết của hệ thống hỗ trợ ra quyết định nói chung và trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước nói riêng. Chương 4, chương 5 trình bày cụ thể về phương pháp điểm lý tưởng được lựa chọn để kết hợp tính toán đánh ra trong vấn đề ra quyết định tổng hợp tài nguyên nước. Đồng thời trong hai chương này, từ cơ sở lý thuyết và những dữ liệu được cung cấp đã tiến hành áp dụng tính toán cho một số ví dụ cụ thể và thu được một số kết quả nhất định. Mặc dù về cơ bản khả năng xây dựng một chương trình hỗ trợ ra quyết định tổng hợp tài nguyên nước đúng nghĩa còn chưa được hoàn thành nhưng những kết quả thu được sẽ là tiền đề quan trọng cho những nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
13 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC 2.1. Một số khái niệm về hệ thống hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (HTHTRQĐ) đối với các vấn đề về tài nguyên nước đã bắt đầu xuất hiện giữa những năm 1970. Sau đó phát triển mạnh như được trình bày trong các tài liệu từ giữa những năm 1980 (Loucks et al., 1985a, 1985b; Labadie and Sullivan, 1986; Loucks and da Costa 1991; Fedra, 1992; Georgakakos, and Martin, 1996; Watkins and McKinney, 1995; Loucks, 1995; McKinney et al., 2000). Trải qua nhiều năm tiếp theo của thập niên 90 của thế kỷ trước, cùng với sự tiến bộ về năng lực tính toán, sự phát triển của các phần mềm, các hệ điều hành thân thiện với người sử dụng, sự nâng cao hiểu biết cơ bản của người ra quyết định về sử dụng máy tính điện tử, đã giúp cho việc xây dựng và khai thác phần mềm hỗ trợ ra quyết định trong quản lý nguồn nước trở nên phổ biến hơn. Tuy nhiên, sự phát triển và ứng dụng của HTHTRQĐ đối với việc quản lý tài nguyên nước chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu. Khái niệm HTHTRQĐ được Sprague và Carlson (1982) đưa ra là hệ thống hỗ trợ các nhà ra quyết định sử dụng các dữ liệu và mô hình để giải quyết những vấn đề khác nhau, dựa trên mối tương tác với máy tính điện tử. Một số thuật ngữ liên quan như: mối tương tác, các dữ liệu và các mô hình luôn là chủ đề được tranh luận giữa những người xây dựng, phát triển các hệ thống hỗ trợ ra quyết định quản lý nguồn nước. Adelman (1992) đã định nghĩa hệ thống hỗ trợ ra quyết định như là chương trình tương tác người - máy tính, sử dụng các phương pháp phân tích, các thuật toán tối ưu, các thủ tục lập chương trình… giúp cho các nhà ra quyết định xem xét, phân tích các khả năng và lựa chọn phương án hợp lý giải quyết các vấn đề thực tế. Poch et al (2003) đã định nghĩa HTHTRQĐ như là hệ thống thông tin thông minh để làm giảm thời gian ra quyết định, cải thiện độ tin cậy và chất lượng của các quyết định này. Rõ ràng theo các quan điểm này, HTHTRQĐ tích hợp các công nghệ khác nhau và trợ giúp chọn lựa các phương án giải quyết các vấn đề có quan hệ phức tạp, mang tính công trình và phi công trình. Có thể định nghĩa HTHTRQĐ quản lý nguồn nước như sau: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (HTHTRQĐ) quản lý tài nguyên nước là một hệ tích hợp, tương tác với máy tính; gồm các công cụ phân tích, có khả năng quản lý thông tin, được thiết kế để hỗ trợ những người ra quyết định trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến quản lý nguồn nước mang tính tổng hợp. Người ra quyết định là các nhà hoạch định chính sách, các nhà quản lý hệ thống tài nguyên nước, những người có trách nhiệm giải quyết nhu cầu và các vấn đề liên quan đến
14 nguồn nước. Trên thực tế, mục đích việc đưa ra quyết định ở đây là đưa ra sự đảm bảo nguồn nước cho nhu cầu sử dụng, sản xuất điện năng, phòng tránh lũ lụt, và bảo vệ môi trường sinh thái. Có ba hệ thống phụ cơ bản được tích hợp trong HTHTRQĐ (Orlob, 1992; Close et al., 2003): • Giao diện: giao tiếp giữa hệ thống và người dùng. • Hệ thống quản lý dữ liệu và các mô hình • Hệ thống quản lý và phân tích thông tin Các thành phần cơ bản và quy trình thực hiện của một hệ thống hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước thể hiện trên Hình 1. Mưa, Phát triển hạ tầng Nhiệt độ Ra chính sách Thu thập Độ ẩm Cảnh báo Ra Dòng chảy khảo sát Báo động quyết số liệu Bốc hõi… định HT HỖ TRỢ RA QĐ Tạo lập quyết Xử lý định số liệu Tạo lập các QĐ đa TC Cõ sở dữ liệu Quy tắc tác nghiệp Mô hình Hệ thống chuyên gia Phân Hiển thị Tối ưu hoá tích Quản lý rủi ro số liệu Mưa, Thuỷ văn, Lũ, Thuỷ lực, Hồ chứa, Ô nhiễm… (Dự đoán trạng thái) Hình 1: Sơ đồ tổng quát của HTHTRQĐ quản lý tài nguyên nước • Thu thập, khảo sát số liệu – Thu thập, quản lý dữ liệu liên quan đến tài nguyên nước. • Xử lý dữ liệu – Kiểm tra, xử lý dữ liệu, đưa vào cơ sở dữ liệu, mô hình.
15 • Phân tích dữ liệu – Tại đây, các mô hình được sử dụng để tính toán trạng thái của hệ thống; Các phương án trong quản lý, phát triển có thể được tính toán, làm sáng tỏ tác động của chúng đến trạng thái tài nguyên nước • Tạo lập quyết định – Tập hợp, liên kết và phân tích các phương án ra quyết định dựa trên các dữ liệu và các kết quả tính toán các kịch bản cũng như sự hiểu biết của các chuyên gia. Sự tương tác giữa con người và máy tính thực hiện nhờ các giao diện đồ hoạ. Kết quả phân tích sẽ đưa ra đánh giá mang tính tổng hợp của các phương án dựa trên các lý thuyết phân tích đa tiêu chí, phân tích tối ưu hoặc phân tích rủi ro... • Ra quyết định – Người ra quyết định chọn phương án trên cơ sở các kết quả phân tích để giải quyết các vấn đề thực tiễn. Có thể thấy, quy trình phân tích hỗ trợ ra quyết định được bắt đầu bằng việc thu thập, xử lý số liệu, tiếp theo là sử dụng các dữ liệu đó để phân tích các vấn đề khác nhau liên quan đến nguồn tài nguyên nước. Sau đó, kết quả phân tích sẽ được kết hợp với kinh nghiệm, hiểu biết của các chuyên gia, cũng như mong muốn và ý tưởng của người ra quyết định. Những dữ liệu này là đầu vào cho hệ phân tích các phương án để đưa ra quyết định. Trong thực tiễn, quá trình này không phải là một đường thẳng, xử lý từng bước, mà là quá trình tuần hoàn cùng với dữ liệu đưa vào quá trình xử lý, các phân tích được thực hiện và các quyết định được đưa ra theo chuỗi liên tục. 2.2. Một số hệ thống HTRQĐ QL TNN đã phát triển và sử dụng Trên thế giới, đã có một số hệ thống được phát triển, có thể thoả mãn một phần nhu cầu nhất định cho hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước. Dưới đây đưa ra một số ví dụ về HHTRQĐ đã và đang được phát triển và sử dụng. 2.2.1. Các hệ thống trợ giúp ra quyết định kiểm soát lũ lụt ♦ CWMS (Fritz, J.A., et al., 2002 - Corps Water Management System) sử dụng cơ sở dữ liệu quan hệ (ORACLE) và các mô hình HEC-HIVIS (thực hiện tinh toán dòng chảy thủy văn), HEC-RAS (tính toán dòng chảy sông ngòi), HEC- ResSim (tính toán hồ chứa) và HEC-FIA (phân tích tác động dòng chảy). Truy cập vào các thành phần của CWMS được thực hiện thông qua một giao diện đồ họa. Nó bao gồm các chức năng đánh giá chất lượng của dữ liệu đầu vào, hiển thị thông tin theo cấu trúc không gian và thời gian, giúp cho việc dễ dàng thay đổi các tham số mô hình, kiểm soát và chạy các mô hình mô phỏng, và so sánh các kết quả các kịch bản khác nhau.
16 CWMS được quân chủng công binh Hoa Kỳ phát triển và phân phối cho các cơ quan tham mưu của mình. Nó được chạy trên máy trạm Sun-UNIX. ♦ SMS (EMRL, 2004) - The Surface Water Modeling System: Được phát triển bởi phòng nghiên cứu mô hình về môi trường, Đại học Brigham Young và Trạm quan trắc đường thủy, Binh chủng công binh Hoa Kỳ (WES). SMS có giao diện để truy cập vào mô hình dòng chảy một, hai, và ba chiều. Các mô đun bổ sung để tính toán sự phát tán của chất gây ô nhiễm, sự xâm nhập mặn, và vận chuyển bùn cát (xói và bồi). Đây thực chất là một hệ thống các mô hình tính toán mô phỏng nước mặt làm cơ sở cho tính toán mô phỏng các phương án trong phòng chống lũ lụt, quản lý dòng chảy nước mặt. 2.2.2. Các hệ thống trợ giúp ra quyết định ứng phó sự cố tràn hóa chất ♦ DBAM (Danube Basin Alarm Model) là mô hình mô phỏng thời gian truyền và nồng độ các chất khi xảy ra các sự cố tràn hóa chất trong các hệ thống sông. DBAM được thiết kế để đánh giá nhanh chóng các tác động của tràn hóa chất trên cơ sở các dữ liệu sẵn có. DBAM được phát triển trong sự hợp tác giữa Cục tài nguyên nước Hungari và Viện thủy lực Delft – Hà Lan. 2.2.3. Các hệ thống hỗ trợ ra quyết định phân phối nước ♦ Aquarius (Diaz et al., 1997) - AQUARIUS được phát triển bởi Khoa Kỹ thuật công trình, Đại học Colorado trong khuôn khổ hợp tác với U.S Forest Service. AQUARIUS là mô hình phân phối nước theo không gian và thời gian hỗ trợ việc quản lý nguồn nước. ♦ Aquatool (Andreu, et al., 1991; Andreu, et al., 2003; Andreu, 2004) bao gồm một chuỗi các mô đun được liên kết thành một hệ thống. Các mô đun bao gồm: mô phỏng dòng chảy nước ngầm và nước mặt; tối ưu nguồn nước đơn và đa tiêu chí; phân tích chuỗi thời gian thủy văn; phân tích các rủi ro quản lý hệ thống tài nguyên nước. Mô hình không tính đến chất lượng nguồn nước. ♦ CALSIM (DWR, 2004) - The CALifornia Water Resources SImulation Model: Được phát triển bởi Phòng tài nguyên nước bang California và Cục cải tạo liên bang về quy hoạch và quản lý dự án nước bang California, dự án lưu vực Trung Mỹ. Mô hình được sử dụng để mô phỏng sự phân phối nước đã có và có thể có với các chính sách vận hành hồ chứa và các ràng buộc cân bằng sử dụng nước vì các lợi ích khác nhau (Quinn et al., 2004). Các chính sách và quyền ưu tiên được thực hiện thông qua việc sử dụng các trọng số do người dùng xác định áp dụng cho dòng chảy trong hệ thống. CALSIM hiện vẫn đang được phát
17 triển bổ xung. CALSIM không có giao diện đồ họa một cách đầy đủ cho việc thiết lập và chỉnh sửa cấu trúc liên kết hệ thống lưu vực. ♦ DELFT-TOOLS (Delft Hydraulics, 2004) là một cơ cấu trợ giúp ra quyết định được phát triển bởi các nhà thủy lực tại viện thủy văn Delft – Hà Lan. Các chức năng của hệ thống bao gồm quản lý các kịch bản, truy nhập dữ liệu, thiết kết mạng lưới tương tác từ bản đồ số liệu, thiết lập cơ sở dữ liệu, biểu diễn, phân tích và thể hiện kết quả lên bản đồ. DELFT-TOOLS tích hợp các mô hình thủy lực: SOBEK, RIBASIM và HYMOS. ♦ EPIC (McKinney and Savitsky, 2001; Schleuter et al., 2004 - Environmental Policies and Institutions for Central Asia): Chương trình xác định sự phân phối nước tối ưu trong lưu vực sông nhờ việc tối ưu đa tiêu chí. Sự vận chuyển các chất không biến đổi như muối, và việc quản lý thủy điện cũng có thể được tối ưu nhờ áp dụng các mô hình. Các khả năng thay đổi phương án quản lý nước có thể được tính toán trong khoảng thời gian 15 năm. EPIC đã được sử dụng để xác lập quy trình phân phối nước hợp lý cho các nhu cầu sản xuất thủy điện ở đầu nguồn và tưới tiêu ở hạ lưu (Antipova et al., 2002). ♦ Mike-Basin (DHI, 2004): Kết hợp ArcView GIS với mô hình thủy văn để xác định tính sẵn có của nguồn nước, các nhu cầu sử dụng, sự vận hành hồ chứa đa mục đích, các kế hoạch chuyển/đổi hướng dòng chảy và các ràng buộc về môi trường cần thiết trong lưu vực sông. ArcView được sử dụng để hiển thị và thay đổi các phần tử mạng lưới. MIKE-BASIN hiện đang được mở rộng theo hướng tận dụng chức năng của ArcGIS-9. MIKE-BASIN đã được sử dụng để xây dựng HTHTRQĐ cho việc mở rộng các kế hoạch quản lý nước phù hợp với hiệp định khung về nước đã được ký kết bới các quốc gia Châu Âu. ♦ ModSim (Labadie et al., 2000; Shannon, et al., 2000 ; Dai and Labadie, 2001; Labadie, 2004) là một HTHTRQĐ lưu vực sông và mô hình mạng lưới dòng chảy tổng quát được phát triển tại Colorado State University, có khả năng kết hợp chặt chẽ các yếu tố vật lý, thủy văn, và quản lý lưu vực sông. ModSim có cấu trúc như HTHTRQĐ với giao diện đồ họa cho phép người sử dụng tạo ra mạng lưới mô hình lưu vực sông mong muốn. Thông qua giao diện đồ họa, người sử dụng thể hiện các thành phần của hệ thống tài nguyên nước như một mạng các nút và các đường. ModSim có thể chạy chương trình dự báo hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng và hàng năm. ♦ OASIS (Hydrologics, 2001; Randall et al, 1997 - Operational Analysis and Simulation of Integrated Systems) được phát triển bởi Hydrologics,
18 Inc. OASIS sử dụng giao diện đồ họa để thiết lập mô hình, giống như ModSim. Một lưu vực sông được xem như một mạng các nút và các đường. Oasis sử dụng Microsoft Access để lưu trữ dữ liệu tĩnh. OASIS đã được sử dụng ở một số nơi như sông Delaware (bởi Delaware River Basin Commission), sông Roanoke (bởi U.S. Bureau of Reclamation, The Nature Conservancy), sông Kansas (bởi Kansas Water Office), sông Rio Grande (bởi University of Texas at Austin), South Fork of the American River, California.... ♦ CRSS (Colorado River Simulation System, Schuster, 1987) được xây dựng trong những năm 1980 để mô hình hóa lưu vực sông Colorado, dự báo và lập kế hoạch vận hành hồ chứa. ♦ WaterWare (Fedra, 2002; Jamison and Fedra, 1996) là hệ thống trợ giúp ra quyết định dựa trên sự liên kết các mô hình mô phỏng sử dụng các dữ liệu từ hệ thống thông tin địa lý GIS và hệ thống các chuyên gia. Hệ thống sử dụng giao diện người dùng đa phương tiện bằng việc truy cập Internet và một hệ GIS hỗn hợp với các lớp bản đồ, cơ sở dữ liệu, các phân tích theo chuỗi thời gian, các chức năng đưa tin, và hệ chuyên gia cho việc ước lượng, phân loại và đánh giá các tác động. Hệ thống này liên kết đầu vào và đầu ra của mô hình mưa và dòng chảy tràn, mô hình ước lượng nhu cầu tưới tiêu, mô hình phân phối tài nguyên nước, mô hình chất lượng nước, mô hình nước ngầm và ô nhiễm. 2.2.4. Các hệ thống trợ giúp ra quyết định quản lý chất lượng nước ♦ BASINS (USEPA, 2004 - Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources) là một hệ HTHTRQĐ đưa đồng thời một số lượng lớn các dữ liệu môi trường và các khả năng mô hình hóa vào một gói chung, gắn kết với GIS. BASINS có ba mục tiêu: thuận tiện kiểm tra thông tin môi trường; hỗ trợ phân tích các hệ thống môi trường; và đưa ra cơ cấu kiểm tra các khả năng thay đổi quản lý (US EPA, 1998). Hệ thống này chạy trên các máy tính cá nhân có nền Windows và cho phép người sử dụng đánh giá chất lượng nước tại các vị trí lựa chọn hoặc trên toàn bộ lưu vực. Các dữ liệu của BASINS và các công cụ tính toán được tích hợp trong môi trường ArcView GIS. 2.3. Hệ thống HTRQĐ quản lý tổng hợp tài nguyên nước - mDSS Trong các hệ thống vừa nêu trên, tất cả đều chỉ mới dừng lại ở công cụ trợ giúp trong quản lý ở một khía cạnh nào đó của việc khai thác sử dụng tài nguyên nước, chưa có hệ thống nào đề cập đến vấn đề quản lý tổng hợp và phát triển bền vững.
19 Trong những năm gần đây, do nhận thức được tính cấp bách trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước gắn với phát triển bền vững, nhiều nghiên cứu và chính sách về quản lý tổng hợp tài nguyên nước đã được thực hiện ở các khu vực phát triển của Châu Âu. Chính sách về nước ở Châu Âu đã thực sự phát triển vượt bậc với việc đạt được sự thống nhất cho một hiệp định khung về nước trong khuôn khổ Cộng Đồng Chung Châu Âu. Tuy nhiên nếu thiếu một cái nhìn đa ngành và các công cụ thích hợp để quản lý tài nguyên nước một cách tổng hợp thì sẽ gia tăng các cuộc xung đột giữa các người dùng nước và đe doạ một cách mạnh mẽ tới tính ổn định kinh tế xã hội. Trước yêu cầu đó, dự án Mulino đã được hình thành để phát triển một công cụ phần mềm hỗ trợ quyết định cho việc giải quyết nhiều vấn đề phức tạp trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước quy mô lưu vực sông ở châu Âu. Dự án đã được thực hiện thông qua liên kết các trường đại học, trung tâm nghiên cứu và cơ quan quản lý (9 cơ quan) của 5 nước thành viên Liên minh Châu Âu. Bằng việc kết hợp mô tả rõ ràng các vấn đề trong bối cảnh ra quyết định với mô hình thủy văn, hệ thống thông tin địa lý, phân tích đa tiêu chí. Chương trình cung cấp một công cụ có giá trị để trợ giúp cho việc tạo lập quyết định mà trong đó đã bao gồm: những thỏa thuận của các bên liên quan, nhận thức của xã hội, và phối hợp giữa những người ra quyết định. Dự án Mulino còn góp phần vào việc tạo ra một sự hiểu biết chung về quản lý tài nguyên nước một cách bền vững, là điều kiện tiên quyết đối với những mục tiêu phản ánh trong Hiệp Định Khung về Nước. Như vậy kết quả của dự án là một phần mềm (có tên là mDSS) và một phương pháp luận chung mà theo đó phần mềm được sử dụng theo một cách tiếp cận tổng hợp cho bài toán phân tích hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước. Chương trình mDSS là sự kết hợp của các thuật toán và mô hình như: Mô hình nhận thức DPSIR, phân tích tích hợp các mô hình, và phân tích đa tiêu chí (MCA). Chương trình được dùng tích hợp với các phần mềm khác như GIS, các mô hình thủy văn và/hoặc thuỷ lực hay những mô hình tính toán mô tả trạng thái nguồn nước nào khác để thu thập dữ liệu từ các mô hình này tuỳ thuộc vào kịch bản của các phương án ra quyết định. Phương pháp luận cho chương trình có thể được áp dụng cho nhiều quy mô và cung cấp cho nhà quản lý tài nguyên nước một công cụ mạnh mẽ phù hợp với triển khai các nội dung của Hiệp định Khung về nước. Vì vậy, việc áp dụng mDSS cần một cách tiếp cận để đưa ra các lựa chọn ra quyết định theo cách thức hoàn toàn mới đối với nhiều nhà quản lý. Những ứng dụng ban đầu cần một sự đầu tư thời gian và công sức để tìm
20 hiểu cách sử dụng phần mềm, cách tiếp cận, thu thập thông tin liên quan và tổ chức thành một bài toán hỗ trợ ra quyết định phù hợp với mô hình sử dụng trong chương trình. Phần mềm mDSS và phương pháp luận của nó đã được áp dụng thử nghiệm cho một số bài toán hỗ trợ ra quyết định. Các kết quả cho thấy tính hiệu quả của việc đánh giá chọn phương án khi sử dụng phương pháp luận và chương trình của HHTRQĐ mDSS. Một số bài toán đã áp dụng thử nghiệm như: • Phân tích lựa chọn giải pháp phát triển nông nghiệp để giảm thiểu xói mòn và nồng độ Nitrate trong đất của lưu vực sông Bahlui, Rumania. • Phân tích xác định mực nước thích hợp cho đập Caia , Thổ Nhĩ Kỳ đáp ứng nhu cầu cấp nước. • Xác định chi phí tối ưu cho thuỷ lợi để có lượng nước tưới tối đa trong các mùa đông và mùa hè trong muốn giảm thiểu những tác động xấu đến sinh thái các con sông đối với lưu vực sông Yare & Bure, Anh Quốc • Phân tích lựa chọn giải pháp phòng chống lũ lụt cho thung lũng sông Nethan, Bỉ bằng các giải pháp sử dụng các vùng phân lũ, chậm lũ và xác định quy mô, vị trí cho các vùng phân và chậm lũ này • Phân tích chọn giải pháp giảm thiểu nitrat do các sông đổ vào phá Venice. • Phân tích xác định các giải pháp phòng chống rủi ro lũ do biến đổi khí hậu của lưu vực sông Danube (lớn thứ 2 ở Châu Âu, bắt nguồn từ Đức, qua Áo, Slovakia, Hungary, Croatia, Serbia, Bulgari, Moldova, Ucraine, Romania đổ ra Biển Đen và sông Brahmaputra (bắt nguồn từ Tây Tạng qua Ấn Độ đến Banglades và đỏ ra vịnh Bengal). 2.4. Phát triển và sử dụng hệ thống HTRQĐ quản lý TNN ở Việt Nam Ở nước ta, do nhiều lý do như: Trước đây phát triển kinh tế chưa cao, được thiên nhiên ưu đãi, nên các vấn đề liên quan đến tài nguyên nước chưa được đặt ra cấp bách. Những quan tâm chủ yếu thường phải đặt ra là lũ lụt và thời tiết. Vì vậy vấn đề về phát triển một phương pháp luận cũng như công cụ HTHTRQĐ quản lý tổng hợp tài nguyên nước chưa được quan tâm nhiều. Những công cụ và phương pháp luận phát triển trong thời gian này ở Việt Nam chủ yếu là các bộ chương trình tính toán dòng chảy một hay hai chiều trong sông, tính toán truyền lũ hoặc truyền chất. Một số cơ sở hay trung tâm nghiên cứu tiếp nhận các chương trình của nước ngoài, cũng chủ yếu là các chương trình tính toán mô phỏng dòng chảy và truyền chất ô nhiễm. Các bộ chương trình này cũng đã góp