Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 3
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: Tóm tắt 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62 44 90 01 HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: GS. TS. Hà Văn Khối Phản biện 01: TS. Nguyễn Lan Châu Phản biện 02: PGS. TS. Nguyễn Tiền Giang Phản biện 03: PGS. TS. Ngô Lê Long Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại ……………………………………………………………………………. Vào lúc …. giờ …ngày … tháng … năm 2017. Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lưu vực sông Ba là một trong những lưu vực sông liên tỉnh lớn ở Việt Nam. Dựa theo các kết quả nghiên cứu quy hoạch thủy lợi và quy hoạch thủy điện trước đây, các địa phương trên lưu vực đã đầu tư xây dựng hàng loạt công trình thủy lợi, thủy điện. Trong đó, đáng kể có hai công trình thủy lợi lớn là hồ Ayun Hạ, hệ thống thủy nông Đồng Cam và năm công trình thủy điện là An Khê, Kanak, Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông Hnăng. Tuy nhiên, khi các công trình này đi vào vận hành sẽ có tác động ngược trở lại tới hệ thống tài nguyên nước, làm thay đổi tình trạng phân bổ nước theo không gian và thời gian trên lưu vực, qua đó ảnh hưởng đến việc khai thác sử dụng nước trên lưu vực. Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến tình trạng mâu thuẫn đã xuất hiện trên lưu vực sông Ba giữa nông nghiệp và thủy điện, thượng lưu và hạ lưu, giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. Chính vì vậy, cần thiết có sự xem xét lại vấn đề phân bổ nước trên lưu vực sông Ba trên cơ sở phối hợp hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện hiện có nhằm khai thác, sử dụng nguồn nước một cách hiệu quả hơn. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết lập mô hình thủy văn - kinh tế phân bổ nước tối ưu lưu vực sông Ba” với mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng và áp dụng một công cụ mô hình toán hỗ trợ cho những nhà hoạch định chính sách đưa ra những quyết định liên quan đến tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Ba theo hướng có lợi nhất về kinh tế, xã hội và môi trường. 2. Mục đích và nhiệm vụ của luận án - Mục đích của luận án: Nghiên cứu bài toán phân bổ tài nguyên nước liên ngành trên lưu vực sông Ba theo định hướng có lợi nhất về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về ổn định xã hội và bảo vệ môi trường. 1
- Nhiệm vụ của luận án: Nghiên cứu phương pháp luận thiết lập bài toán phân bổ nước tối ưu liên ngành cho lưu vực sông Ba; Nghiên cứu phương pháp tính hiện đại để xây dựng công cụ mô hình thủy văn-kinh tế cho lưu vực sông Ba. Ứng dụng mô hình đánh giá tương quan giữa các yếu tố thủy văn và kinh tế; đánh giá các chính sách dự kiến trong quản lý tài nguyên nước. Từ đó, đề xuất một số biện pháp quản lý tài nguyên nước hiệu quả cho lưu vực sông Ba. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bài toán phân bổ nước cho lưu vực sông Ba, với thời gian tính toán là một năm thủy văn (bước thời gian là một tháng). Đối tượng nghiên cứu: Luận án chỉ xem xét phân bổ tài nguyên nước mặt trên cơ sở có tính đến giá trị kinh tế của nước cho nông nghiệp và thủy điện. Các đối tượng sử dụng nước khác bao gồm sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản, môi trường được coi là ràng buộc cố định. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp (i) Phương pháp kế thừa; (ii) Phương pháp phân tích tổng hợp; (iii) phương pháp thống kê xác suất; (iv) Phương pháp mô hình toán tối ưu phi tuyến; 5. Những đóng góp mới của luận án Nghiên cứu ứng dụng mô hình tối ưu trong phân tích đánh giá, phân bổ nguồn nước trong lưu vực sông và có bổ sung, điều chỉnh phù hợp cho LVS Ba. Lượng hóa được quan hệ tương quan giữa thủy văn và kinh tế cho lưu vực sông Ba trong mối ràng buộc về tự nhiên, kết cấu hạ tầng, môi trường và xã hội. Đánh giá hiệu ích kinh tế của một số chính sách dự kiến trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, từ đó đề xuất các biện pháp tăng cường hiệu quả trong khai thác sử dụng nước trên lưu vực sông Ba. 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 113 trang, 30 bảng, 19 hình vẽ và 72 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương: 2
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu mô hình thủy văn - kinh tế trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước Chương 2: Thiết lập bài toán thủy văn - kinh tế phân bổ tài nguyên nước lưu vực sông Ba Chương 3: Mô phỏng và giải bài toán thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba trong hệ thống GAMS Chương 4: Đánh giá tác động kịch bản khai thác sử dụng nước đến lợi ích kinh tế xã hội trên lưu vực sông Ba 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 trường và kinh tế của hệ thống tài nguyên nước trong một khuôn khổ thống nhất (Harou, 2009). 1.2 Giới thiệu chung về mô hình thủy văn - kinh tế Trong mô hình thủy văn - kinh tế, việc phân bổ nước được định hướng và đánh giá bởi các giá trị kinh tế mà nó tạo ra. Nước là một loại hàng hóa đặc biệt, vừa có tính chất hàng hóa tư nhân, vừa có tính chất hàng hóa công. Giá trị kinh tế nước thay đổi theo loại hình sử dụng (có tiêu hao hoặc không tiêu hao, trên dòng chảy hoặc ngoài dòng chảy, là hàng hóa trung gian hoặc là sản phẩm cuối cùng). Giá trị của nước cũng thay đổi theo thời gian, không gian và mục đích sử dụng nước. Tùy từng trường hợp cụ thể mà các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các phương pháp khác nhau để xác định giá trị kinh tế nước. Trong đó, người ta thường dùng phương pháp giá trị phần dư để xác định giá trị kinh tế của nước trong nông nghiệp, phương pháp hàm cầu nhà sản xuất để xác định giá trị kinh tế nước trong công nghiệp, thủy điện, và phương pháp hàm cầu người tiêu dùng 3
để xác định giá trị kinh tế nước trong sinh hoạt. Mô hình thủy văn – kinh tế khác với các mô hình thủy văn truyền thống chính ở quan điểm coi nhu cầu nước không có bản chất "tĩnh" mà thay đổi theo giá trị kinh tế trong sử dụng nước. Mô hình thủy văn – kinh tế cũng khác với các mô hình kinh tế thường chỉ tập trung đánh giá hiệu ích kinh tế của một dự án nào đó mà giản hóa rất nhiều các quan hệ thủy văn. Chính vì vậy, sự ra đời của mô hình thủy văn – kinh tế nhằm hướng tới kết nối mô hình thủy văn và mô hình kinh tế một cách hài hòa, phù hợp với quan điểm quản lý tổng hợp tài nguyên nước hiện nay. 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu mô hình thủy văn - kinh tế trên thế giới và ở Việt Nam Các ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế đã được triển khai trong rất nhiều lĩnh vực như: phân bổ và sử dụng nước liên ngành; nâng cấp cơ sở hạ tầng; kết hợp sử dụng nước mặt và nước ngầm; thể chế, thị trường và giá nước; giải quyết xung đột xuyên biên giới; quản lý nước trong điều kiện biến đổi khí hậu; quản lý lũ lụt (Harou, 2009). Các nghiên cứu về mô hình thủy văn - kinh tế trên thế giới rất đa dạng và đã được triển khai từ những năm 1960 thế kỉ trước. Các nghiên cứu ở Việt Nam được bắt đầu muộn hơn và còn khá ít. Một số nghiên cứu điển hình của Ringler et al. (2006), Vũ Văn Tuấn (2007), VQHTL (2007) đều áp dụng cho các lưu vực sông lớn như lưu vực sông Đồng Nai, Mekong, Hồng. Chưa có nghiên cứu nào áp dụng cho lưu vực sông Ba, nhất là trong bối cảnh có nhiều thay đổi về thể chế cũng như điều kiện tự nhiên như hiện nay. 1.4 Tổng quan về Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc ở Việt Nam Cho đến nay, công tác Quản lý tổng hợp tài nguyên nước ở Việt Nam đã đạt được một số thành tựu nhất định, tuy nhiên cũng còn rất nhiều điểm hạn chế, đặc biệt liên quan đến quản lý tài nguyên nước trên cơ sở lưu vực sông. Một trong những nguyên nhân dẫn đến các mâu thuẫn trong khai thác, sử dụng nước hiện nay chính là vấn đề quy hoạch. Phần lớn các quy hoạch mang tính đơn ngành, địa phương, chưa kể việc phê duyệt và thực hiện quy hoạch vẫn còn chồng chéo. 4
1.5 Những khoảng trống chƣa đƣợc nghiên cứu trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba Nhìn chung, các nghiên cứu về lưu vực sông Ba trước đây đều được thực hiện trên cơ sở xem xét nhu cầu sử dụng nước được coi là không đổi (tùy theo kịch bản xem xét) tại các vị trí nhất định. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu áp dụng các mô hình thủy văn truyền thống để mô phỏng quá trình sử dụng nước trên lưu vực. Kết quả nghiên cứu tập trung đánh giá những khu vực thiếu nước, từ đó đề xuất biện pháp công trình hoặc phi công trình cho phù hợp. Hầu hết các nghiên cứu đều chưa xem xét đến giá trị kinh tế của nước thay đổi tùy theo đối tượng, thời gian và vị trí sử dụng nước. Ngoài ra, một số giải pháp đề xuất còn định tính mà chưa được định lượng, khiến cho các nhà quản lý khó ra quyết định phù hợp. 1.6 Kết luận chƣơng 1 Để hỗ trợ trong công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông, mô hình toán được coi là công cụ có vai trò vô cùng quan trọng. Các mô hình này có thể định lượng hóa các tác động của các công trình hoặc chính sách quản lý dự kiến, từ đó sẽ hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách trong việc ra quyết định liên quan. Việc sử dụng mô hình thủy văn - kinh tế có thể coi là rất phù hợp trong bối cảnh hiện nay của các lưu vực sông ở Việt Nam, cụ thể là lưu vực sông Ba. CHƢƠNG 2 THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY VĂN – KINH TẾ PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG BA 2.1 Hiện trạng khai thác và sử dụng tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba Lưu vực sông Ba là một trong những lưu vực nội địa lớn nhất Việt Nam. Lưu vực sông Ba rộng khoảng 13.900km2 thuộc các tỉnh Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên và một phần nhỏ thuộc tỉnh Kon Tum. Địa hình lưu vực bị chia cắt mạnh do ảnh hưởng của dãy Trường Sơn, tạo ra các thung lũng độc lập kéo dài từ An Khê đến Phú Túc. Ngoài ra về phía hạ lưu có núi non bao bọc ba phía Bắc, Tây, 5
Nam, ôm lấy vùng đồng bằng Tuy Hòa rộng trên 24.000ha có xu thế mở rộng ra phía biển. Do ảnh hưởng của địa hình kết hợp với gió mùa Tây Nam và gió mùa Đông Bắc, lưu vực sông Ba được chia ra ba miền có khí hậu khác biệt là các khu vực Tây Trường Sơn, Đông Trường Sơn, và khu vực trung gian. Từ những điều kiện địa hình và khí hậu như vậy, tài nguyên nước mặt trên lưu vực sông Ba phân bố rất không đều theo không gian và thời gian. Lượng mưa bình quân hàng năm trên lưu vực khoảng 1.740mm. Tuy nhiên, lượng mưa biến động lớn theo không gian. Trong khi các vùng thượng nguồn sông Ba và sông Hinh có lượng mưa hàng năm trên dưới 3.000mm thì các vùng Cheo Reo, Phú Túc chỉ đón được lượng mưa không quá 1.300mm. Lượng mưa trên lưu vực phân phối không đều theo thời gian. Mùa mưa ở vùng thượng và trung du thường đến sớm từ tháng V và kết thúc vào tháng X hoặc tháng XI, kéo dài trong 6-7 tháng. Trong khi đó mùa mưa vùng hạ du đến muộn và kết thúc sớm, chỉ kéo dài 3-4 tháng khoảng tháng IX đến tháng XII. Lượng dòng chảy mặt hàng năm sinh ra trên lưu vực sông Ba xấp xỉ 10tỷ m 3 nước. Mạng lưới sông ngòi của lưu vực sông Ba bao gồm 36 phụ lưu cấp I, 54 phụ lưu cấp II, 14 phụ lưu cấp III . Nhìn chung, hệ thống sông Ba có vai trò hết sức quan trọng trong phát điện, cấp nước nông nghiệp, công nghiệp, dân sinh, cải tạo môi trường… phục vụ phát triển kinh tế xã hội của các tỉnh Gia Lai, Đak Lak và Phú Yên. 2.2 Quá trình phát triển quy hoạch liên quan đến tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba Trong hàng chục năm phát triển, quy hoạch thủy lợi, quy hoạch thủy điện và các quy hoạch đơn ngành khác đều đã ghi nhận những thành tựu đáng kể. Một số năm gần đây, các địa phương đã có bước tiến trong việc ban hành các quy hoạch tài nguyên nước đa ngành. Quy hoạch tài nguyên nước tỉnh Phú Yên được ban hành năm 2011, Quy hoạch tài nguyên nước tỉnh Gia Lai được ban hành năm 2015. Tuy nhiên, các quy hoạch đơn ngành hoặc quy hoạch tài nguyên nước liên ngành ở lưu vực sông Ba đều tồn tại một số bất cập. Quy hoạch đơn ngành thì chưa quan tâm đến nhu cầu khai thác sử dụng nước của các ngành khác. Quy hoạch tài nguyên nước theo tỉnh lại chưa xem xét mối 6
quan hệ dòng chảy trên phạm vi lưu vực sông. Điều này sẽ có ảnh hưởng đến hiệu quả của các giải pháp quy hoạch liên quan đến tài nguyên nước. 2.3 Hệ thống các hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn trên lƣu vực sông Ba Hầu hết các quy hoạch liên quan đến tài nguyên nước đều lựa chọn giải pháp xây dựng các công trình khai thác sử dụng nước. Trên hệ thống lưu vực sông Ba có thể kể ra một số công trình thủy lợi, thủy điện lớn, có vai trò rất quan trọng trong phân bổ nguồn nước. Đó là các hồ chứa Ayun Hạ, Krông Hnăng, Sông Hinh, Sông Ba Hạ và cụm hồ An Khê – Kanak. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, xuất hiện một số mâu thuẫn giữa thủy điện và nông nghiệp, giữa thượng lưu và hạ lưu, giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường trên lưu vực sông Ba. Rất nhiều nghiên cứu khoa học đã chỉ ra nguyên nhân của các mâu thuẫn này xuất phát từ việc xây dựng và vận hành các công trình hồ chứa lớn nêu trên. Các hồ thủy điện lớn khi xây dựng chưa xem xét hết ảnh hưởng đến việc khai thác nước tưới ở hạ du và yêu cầu bảo vệ môi trường. Để khắc phục những tồn tại này, mới đây, quy trình vận hành liên hồ đã được ban hành năm 2014. Tuy nhiên, quy trình này cần có thời gian để kiểm chứng mức độ hiệu quả và sự phù hợp. 2.4 Thiết lập bài toán quy hoạch phân bổ tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba 2.4.1 Mục tiêu Phân bổ nước lưu vực sông Ba cho nhiều ngành sử dụng nước khác nhau sao cho vừa có lợi về kinh tế, vừa bảo đảm được các yêu cầu về ổn định xã hội và bảo vệ môi trường. 2.4.2 Hàm mục tiêu 2.4.2.1 Hàm mục tiêu đầy đủ Dạng phổ biến nhất của hàm mục tiêu trong các bài toán phân bổ nước tối ưu là tìm giá trị cực đại của lợi ích kinh tế tổng thể (Brooker and Young, 1994) như sau: max𝑧∈(𝑧) 𝐸𝐵 = 𝑖 𝐸𝐵𝑖 𝑄𝑖 , 𝑢 (2-1) 7
Trong đó: Vectơ biến quyết định Q = {Qi} là là lượng nước cấp cho các ngành sử dụng nước, bao gồm nước sử dụng cho nông nghiệp, thủy sản, sinh hoạt, công nghiệp, thủy điện, môi trường, giải trí … ; EBi là giá trị hoặc lợi ích kinh tế từ việc lấy lượng nước Qi. Đơn vị thường dùng để tính EBi là đơn vị tiền tệ theo thời gian (ví dụ $/tháng). Trong thực tế một số đối tượng sử dụng nước rất khó định giá, ví dụ như giải trí, môi trường … Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định giá trị kinh tế cho các đối tượng sử dụng nước phổ biến như sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, thủy điện, thủy sản, du lịch … Tùy theo phương pháp lựa chọn, các hàm mục tiêu sẽ có sự thay đổi nhất định. Hàm mục tiêu trong bài toán tối ưu phân bổ nước lưu vực sông Ba được kế thừa từ hai hàm mục tiêu của các lưu vực sông Đồng Nai (Ringler, 2006) và sông Hồng (VQHTL, 2008) có dạng như sau: 𝑀𝑎𝑥 𝐟 𝐱 = ( a 𝑉𝐴𝑎 + 𝑚 𝑉𝑀𝑚 + 𝑖𝑛 𝑉𝐼𝑖𝑛 + 𝑝 𝑉𝑃𝑝 ) (2-3) Trong đó VAa là giá trị sử dụng nước cho nông nghiệp (bao gồm trồng trọt và chăn nuôi); VPp là giá trị sử dụng nước cho thủy điện; VIin là giá trị sử dụng nước cho công nghiệp; VMm là giá trị sử dụng nước cho sinh hoạt. 2.4.2.2 Hàm mục tiêu rút gọn Lưu vực sông Ba có lượng nước sử dụng trong nông nghiệp chiếm tỉ trọng trên 90% lượng nước tiêu hao và vị trí hồ chứa lớn (hồ Sông Ba Hạ) nằm ở sát khu vực hạ lưu. Luận án đề xuất rút gọn hàm mục tiêu ban đầu thành hai dạng sau: 𝑀𝑎𝑥 𝐟𝟏 𝐱 = ( a 𝑉𝐴𝑎 + 𝑝 𝑉𝑃𝑝 ) (2-4) 𝑀𝑎𝑥 𝐟𝟐 𝐱 = ( a 𝑉𝐴𝑎 ) (2-5) 2.4.3 Biến quyết định và biến trạng thái Biến quyết định được hiểu là các biến độc lập. Đối với trường hợp hàm mục tiêu đầy đủ, các biến quyết định sẽ bao gồm: Diện tích tưới (ha) cho mỗi loại cây trồng ở mỗi vùng; số lượng gia súc từng vùng; lưu lượng qua tuabin phát điện; lưu lượng cấp nước công nghiệp, sinh hoạt, thủy sản. Đối với hàm mục 8
tiêu rút gọn, số lượng biến sẽ được giảm đi tương ứng với số thành phần kinh tế xem xét. Biến trạng thái là biến phụ thuộc. Các biến trạng thái của hệ thống bao gồm: lưu lượng lấy nước tưới vào các nút, lưu lượng lấy nước cho chăn nuôi, dung tích và mực nước hồ chứa, lưu lượng vào và ra mỗi nút, công suất và cột nước phát điện, lưu lượng xả thừa từ các hồ chứa. 2.4.4 Các ràng buộc 2.4.4.1 Mô phỏng cân bằng nước hệ thống Mô phỏng cân bằng nước hệ thống chính là thành phần thủy văn trong mô hình thủy văn-kinh tế. Mô phỏng cân bằng nước hệ thống gồm mô phỏng hoạt đông của mỗi nút trong hệ thống và quan hệ cân bằng nước với các nút khác trong hệ thống. 2.4.4.2 Miền giới hạn của biến Tùy theo từng loại biến mà miền giới hạn có thể xếp vào loại "tĩnh" hoặc "động". Trong đó, miền giới hạn động được thể hiện ở nút lấy nước như sau: - Lượng nước lấy không được vượt quá lượng nước có trong sông tại thời điểm tính toán Qcấpi,t  Qghi,t (2-13) Trong đó Qghi,t là lưu lượng có trong sông tại nút i, thời điểm t. Lưu ý là Qghi,t không phải là giá trị "tĩnh" mà nó thay đổi phụ thuộc vào phương án phân bổ nước của các nút phân bổ khác trong hệ thống. Các biến có miền giới hạn tĩnh ví dụ như mực nước và dung tích hồ chứa. 2.4.5 Bài toán tối ưu phi tuyến và phương pháp giải Bài toán tối ưu phân bổ nước được thiết lập cho lưu vực sông Ba có thể xếp vào loại bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc. 2.4.5.1 Bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc tổng quát min 𝒇 𝒙 9
𝑣ớ𝑖 𝑔𝑖 𝒙 = 0, 𝑖 = 1, … , 𝑚 (2-24) 𝑥𝑗 ≤ 𝑥𝑗 ≤ 𝑥𝑗 , j=1, …, n 2.4.5.2 Các phương pháp giải Có rất nhiều phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến, nhưng chưa có phương pháp nào tỏ ra hữu hiệu cho mọi bài toán tối ưu phi tuyến. Khi giải bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc người ta thường đưa về dạng bài toán tối ưu phi tuyến không ràng buộc (có thể sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange). Các bài toán tìm giá trị cực đại thường được chuyển về bài toán tìm giá trị cực tiểu (minimize), sau đó suy ngược lại (Mays, 1997). Nhìn chung, chỉ trong một vài trường hợp cụ thể người ta mới có thể giải trực tiếp ra nghiệm. Cách giải phổ biến nhất là áp dụng thuật toán tìm kiếm. 2.4.5.3 Phương pháp gradient rút gọn tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG) Ý tưởng cơ bản của phương pháp GRG là tách vectơ biến quyết định (x) thành hai vectơ biến cơ sở (xB) và biến tự do (xN). Về lý thuyết, m biến cơ sở có thể biểu diễn theo (n-m) biến tự do. Khi đó hàm mục tiêu rút gọn sẽ có dạng: 𝑭 𝒙𝑁 = 𝒇 𝒙𝐵 𝒙𝑁 , 𝒙𝑁 (2-27) Dạng bài toán ban đầu được rút gọn thành dạng phi tuyến không ràng buộc: Min F(𝒙𝑁 ) (2-28) Với 𝑥𝑁 ≤ 𝑥𝑁 ≤ 𝑥𝑁 Phương pháp GRG do Abadie và Carpenter phát triển dựa trên cơ sở của phương pháp gradient rút gọn do Wolfe khởi xướng. Đây là phương pháp đã có trong Solver CONOPT của mô hình GAMS và luận án cũng sử dụng để giải bài toán phân bổ tối ưu nước cho lưu vực sông Ba. 2.4.6 Lựa chọn công cụ tính toán Hiện nay trên thế giới có khá nhiều công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống được ứng dụng trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Thực chất đây là hệ thống các ngôn ngữ máy tính có khả năng xây dựng mô hình toán kết nối với bộ 10
thư viện các công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống. Mặc dù phải tốn công phát triển bộ mã chương trình máy tính mô hình nhưng các công cụ này cho phép người sử dụng mô tả chi tiết đặc thù của hệ thống. Luận án đã sử dụng hệ thống GAMS là một trong những công cụ phù hợp để giải bài toán phân bổ tối ưu tài nguyên nước cho lưu vực sông Ba. Luận án lựa chọn chương trình giải (solver) tích hợp trong GAMS là CONOPT3, với thuật toán giải là Gradient rút gọn tổng quát (GRG). 2.5 Kết luận chƣơng 2 Luận án đã phân tích một số đặc điểm tài nguyên nước và hiện trạng khai thác sử dụng nước trên lưu vực sông Ba. Trên cơ sở đó, luận án đã thiết lập bài toán phân bổ nước tối ưu cho lưu vực sông Ba. Hàm mục tiêu, biến quyết định, biến trạng thái và các hàm ràng buộc của bài toán được trình bày tương đối đầy đủ. Với bản chất của bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc với số lượng biến lớn, luận án đã lựa chọn công cụ GAMS để tiến hành xây dựng mô hình thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba. CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN THỦY VĂN – KINH TẾ LƢU VỰC SÔNG BA TRONG HỆ THỐNG GAMS 3.1 Giới thiệu về hệ thống GAMS GAMS (General Algebraic Modeling System) là một hệ thống mô hình hóa bậc cao dùng để giải các bài toán tối ưu hóa. GAMS bao gồm một trình biên dịch và rất nhiều các chương trình giải (solvers). Bài toán quy hoạch phi tuyến tổng quát trong GAMS/CONOPT có dạng như sau: min or max f(x) (1) subject to g(x) = b (2) lo < x < up (3) trong đó f(x) là hàm mục tiêu; x là vectơ biến tối ưu hóa; g(x) là các ràng buộc; b là vectơ vế phải ; lo và up là các vectơ giới hạn dưới và trên của x. 11
Mô tả hàm mục tiêu Người sử dụng phải tạo ra một biến tự do và có giá trị vô hướng (không có miền xác định). Sau đó, người sử dụng sẽ thiết lập một phương trình lấy nó làm hàm mục tiêu. Mô tả biến quyết định Tất cả các biến của mô hình trong GAMS phải được khai báo bằng câu lệnh Variables. Ví dụ 3-2 Mô tả biến quyết định trong GAMS POSITIVE VARIABLES khai báo biến quyết định ar(n) diện tích gieo trồng lúa đông xuân nút n Miền xác định Tên biến Mô tả về biến Mô tả các ràng buộc Các ràng buộc được mô tả trong GAMS dưới dạng các phương trình (Equations). Mô tả giới hạn của biến Giới hạn trên và dưới của biến trong GAMS có thể được mô tả bằng hai cách sử dụng Equations hoặc sử dụng giới hạn dưới (lo) và giới hạn trên (up). 3.2 Xây dựng cấu trúc mô hình thủy văn – kinh tế trong hệ thống GAMS Cấu trúc của mô hình thủy văn - kinh tế được xây dựng trong GAMS thực chất là sự kết hợp mô hình thủy văn và mô hình kinh tế thành một thể thống nhất. Sự kết hợp này thể hiện ở yếu tố liên kết là lưu lượng phân bổ nước cho mỗi đối tượng sử dụng nước (tại các nút). Với mô hình kinh tế thì nghiệm của bài toán chính là phương án phân bổ nước tối ưu. Với mô hình thủy văn thì phương án phân bổ nước sẽ quyết định trạng thái cân bằng nước cho toàn hệ thống tại từng thời điểm khác nhau. Ngược trở lại, mô hình thủy văn cũng xác định giá trị lưu lượng giới hạn Qghi,t tại từng nút lấy nước, tác động đến phương án phân bổ 12
nước ở thời điểm tiếp theo. Nội dung chính của chương trình tính mô hình thủy văn – kinh tế được trình bày chi tiết trong Phụ lục 1 của Luận án. 3.3 Thiết lập tổ hợp các kịch bản tính toán ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế Một số kịch bản liên quan đến chính sách quản lý tài nguyên nước được xây dựng trên cơ sở xem xét các điều kiện về tự nhiên, kinh tế, xã hội và môi trường. Kết quả nghiên cứu từ những kịch bản này có thể hỗ trợ cho những nhà hoạch định chính sách có biện pháp quy hoạch, xây dựng hoặc quản lý phù hợp, nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng nước. Kịch bản cơ sở (KBCS) là kịch bản tính toán phân bổ lại nguồn nước năm 2009-2010 để đánh giá hiệu quả kinh tế từ phương án phân bổ nước tối ưu so với phương án phân bổ nước thực tế. Các kịch bản khác được điều chỉnh từ kịch bản cơ sở với một số thay đổi về dữ liệu đầu vào. Kịch bản nhóm A được thiết lập để đánh giá sự tác động của biến động dòng chảy tự nhiên đến phương án phân bổ nước. Kịch bản nhóm B đề cập đến hiệu quả của một số chính sách kinh tế trong quản lý nước thông qua thay đổi các đầu vào kinh tế của mô hình. Kịch bản nhóm C nghiên cứu hiệu quả của một số biện pháp tiết kiệm nước trong quản lý tài nguyên nước. Kịch bản nhóm D xét riêng cho trường hợp năm hạn hán (mô hình dòng chảy năm 1982-1983) với đề xuất thay đổi nhiệm vụ phát điện tối thiểu cho các nhà máy thủy điện trên hệ thống. Tổ hợp các kịch bản được trình bày trong Bảng 4.3. Tất cả các kịch bản điều chỉnh đều có xem xét bổ sung yêu cầu dòng chảy tối thiểu theo QTVHLH và yêu cầu an ninh lương thực (diện tích trồng cây lương thực tối thiểu). 3.4 Các dữ liệu đầu vào của mô hình thủy văn - kinh tế Luận án kế thừa kết quả phân vùng khai thác sử dụng nước của VQHTL, sơ đồ 7 vùng KTSDN được trình bày trong Hình 3.2. Mỗi vùng KTSDN đều có dữ liệu riêng về dòng chảy đến, nhu cầu sử dụng nước và các công trình thủy lợi, thủy điện (nếu có). 13
Bảng 3.3 Bảng tổng hợp các kịch bản tính toán Nhóm Kịch Dòng Nhu cầu Các Nhu cầu Đầu Yêu Yêu Các hồ bản chảy nƣớc nhu nƣớc thủy vào cầu cầu an chứa biên tƣới cầu điện kinh tế dòng ninh nƣớc chảy lƣơng khác tối thực thiểu KBCS1 CS 2009-2010 Không Không KBCS2 A1 1978-1979 A2 1979-1980 A KBCS KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS … … A25 2009-2010 Tăng B1a 1980-1981 giá bán B B1b 1984-1985 KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS nông B1c 2003-2004 sản 20% Tăng B2a 1980-1981 chi phí B2b 1984-1985 KBCS KBCS KBCS sản xuất Có Có KBCS B2c 2003-2004 điện 20% Tăng B3a 1980-1981 năng B3b 1984-1985 KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS suất cây B3c 2003-2004 trồng C1a 1980-1981 Hệ số tưới: C C1b 1984-1985 KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS 0,8 C1c 2003-2004 C2a 1980-1981 SH và C2b 1984-1985 KBCS CN tăng KBCS KBCS Có Có KBCS C2c 2003-2004 100% C3a 1980-1981 Thay đổi C3b 1984-1985 cơ cấu cây KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS C3c 2003-2004 trồng D1 Nmin=0.55Nđb D D2 1982-1983 KBCS KBCS Nmin=0.45Nđb KBCS Có Có KBCS D3 Nmin=0.35Nđb Hệ thống LVS Ba được đưa vào GAMS dưới dạng nút và liên kết giữa các nút. Toàn bộ hệ thống bao gồm 7 nút biên, 20 nút dòng chảy, 6 nút hồ chứa (ngoài ra còn sử dụng 7 nút hồ chứa giả định đại diện cho các cụm hồ thủy lợi nhỏ ở mỗi vùng), 4 nút nhà máy thủy điện kiểu chân đập, 2 nút nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn (chuyển nước), 42 nút cấp nước (trồng trọt, công nghiệp & dân sinh, chăn nuôi, thủy sản), và 4 nút kiểm soát dòng chảy tối thiểu. Toàn bộ sơ đồ hệ thống LVS Ba được trình bày trong Hình 3.3. 14
Hình 3.2 Bản đồ phân vùng KTSDN cho LVS Ba (theo VQHTL) 15
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống lưu vực sông Ba 16
Luận án kế thừa kết quả tính toán dòng chảy giai đoạn 1978-2010 của VQHTL cho các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Ba. Các nhu cầu sử dụng nước năm 2009-2010 bao gồm sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản và mức tưới trong nông nghiệp được kế thừa từ kết quả nghiên cứu của VQHTL (có xem xét so sánh với số liệu thực tế). Định mức khối lượng và chi phí đầu vào kinh tế được tham khảo từ các văn bản hiện hành và giá bán trên thị trường có điều chỉnh. Thông tin về hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện trên lưu vực sông Ba và yêu cầu về dòng chảy tối thiểu được tham khảo từ QTVHLH năm 2014. Ngoài ra, luận án cũng bổ sung yêu cầu về an ninh lương thực cho các kịch bản điều chỉnh. 3.5 Kết luận chƣơng 3 Nội dung chương 3 tập trung vào việc giới thiệu hệ thống GAMS và cách thức thiết lập mô hình thủy văn - kinh tế trong GAMS để mô tả bài toán tối ưu phân bổ nước lưu vực sông Ba. Chương trình tính đầy đủ của mô hình được trình bày trong Phụ lục 1 của luận án. Trong chương 3, luận án cũng thiết lập tổ hợp các kịch bản tính toán cho mô hình, với mô tả chi tiết về các dữ liệu đầu vào. 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 4.1 Đánh giá kết quả tính toán kịch bản cơ sở 4.1.1 Đánh giá sự hợp lý kết quả mô phỏng thủy văn Với các dữ liệu cho năm 2009-2010, MHTV-KT lưu vực sông Ba được áp dụng để tính toán phân bổ lại nguồn nước với mục đích làm tăng giá trị lợi ích từ việc sử dụng nước cho các ngành khác nhau. Việc tính toán được thực hiện cho hai kịch bản KBCS1 và KBCS2, tương ứng với hai mục tiêu f1(x) và f2(x). 17
Hình 4.1 Quá trình dòng chảy thực đo và tính toán tại trạm Củng Sơn năm 2009-2010 Hình 4.2 Đường quá trình mực nước hồ Sông Hinh theo các kịch bản tính toán 4.1.2 Nghiệm của bài toán tối ưu Đối với KBCS1, nghiệm của bài toán chính là quá trình lưu lượng qua tua bin tại các hồ chứa thủy điện và diện tích tưới cho mỗi loại cây trồng ở từng vùng. Đối với KBCS2, nghiệm của bài toán chỉ là diện tích trồng. Kết quả tính toán 18