VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

Mô hình toán trong quy hoạch thủy lợi

Tác giả: Ths. Nguyễn Vũ Huy, Ths. Ncs Đỗ Đức Dũng

Phòng QHTL Đông Nam bộ và Phụ cận - Viện QHTL Miền Nam


Trong quản lý tài nguyên nước và lưu vực sông, xu thế sử dụng mô hình toán các loại đang được nhiều nước quan tâm do tính khoa học, khách quan và dự báo cao. Hiện nay, ngoài các mô hình thông dung tính toán mưa-dòng chảy, cân bằng nước, thuỷ lực, chất lượng nước, nước dưới đất..., mô hình phân tích tối ưu cũng được phát triển và ứng dụng ngày càng hiệu quả.


1.         Tổng quan
            Mô hình lưu vực sông có thể chia thành hai loại chính là mô hình mô phỏng (simulation model) và mô hình tối ưu (optimization model). Mô hình mô phỏng mô tả toàn bộ hoạt động của chu văn với các quy luật phân phối nguồn nước đã được định trước. Mô hình tối ưu có mục đích là tối ưu hoá việc phân phối nguồn nước dựa trên hàm mục tiêu đã đặt ra với một số ràng buộc về vật lý và kinh tế. Thực ra trong mô hình tối ưu cũng thực hiện một số mô phỏng lại chu trình thuỷ văn. Đặc điểm nổi bật của mô hình tối ưu đối với mô hình mô phỏng đó chính là khả năng kết hợp các yếu tố kinh tế-xã hội trong phân phối nguồn nước. Mô hình tối ưu quản lý nguồn nước lưu vực sông đã được nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài và đã chứng minh nó có thể áp dụng hiệu quả trong công tác quản lý nguồn nước lưu vực sông. Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu đã ứng dụng mô hình tối ưu trong phân tích đánh giá, phân bổ nguồn nước trong lưu vực sông (chi tiết xem báo cáo chuyên đề cơ sở khoa học mô hình toán trong quản lý và quy hoạch tài nguyên nước). Trong nước, Viện QHTLMN hợp tác với Viện Nghiên cứu Chính sách Lương thực Quốc tế IFPRI (International Food Policy Research Insstitute) (2002) đã xây dựng một mô hình tổng hợp kinh tế- thuỷ văn áp dụng trên LVSĐN. Cấu trúc của mô hình bao gồm 3 thành phần chính đó là thành phần thuỷ văn, thành phần kinh tế và thành phần thể chế. Thành phần thuỷ văn bao gồm toàn bộ chu trình thuỷ văn của lưu vực sông như dòng chảy, cân bằng hồ chứa, tưới tiêu cho nông nghiệp, cấp nước sinh hoạt và sản xuất công nghịêp. Thành phần kinh tế bao gồm các yếu tố kinh tế chi phối việc sử dụng nước nhằm đạt lợi nhuận tối đa. Thành phần thể chế là các chính sách chi phối hoạt động của cả thành phần thuỷ văn và thành phần kinh tế. Mô hình được xây dựng bằng ngôn ngữ tối ưu GAMS (General Algebrraic Modeling System).
  
2.         Khái niệm về mô hình kinh tế-thủy văn
            Mặc dù các biến số về kinh tế có vai trò quan trọng trong quản lý và phân phối nguồn nước nhưng hầu hết các nghiên cứu về nguồn nước đều chỉ tập trung vào nghiên cứu các vấn đề về thủy văn như kiểm soát lũ, lập quy hoạch nguồn nước theo quan điểm kỹ thuật. Trong lúc đó các nghiên cứu về kinh tế hay phân tích chính sách lại thường chỉ tập trung vào tối đa lợi nhuận từ tưới tiêu, cấp nước sinh hoạt, sản xuất công nghiệp; và vậy là nguồn nước cần cho nhu cầu vẫn phụ thuộc vào khả năng cung cấp của các điểm lấy nước. Như vậy, vấn đề quản lý nguồn nước đòi hỏi phải được nghiên cứu bằng một phương pháp tiếp cận đa ngành, tổng hợp của khoa học tự nhiên và khoa học xã hội. Kết hợp nghiên cứu kinh tế và thủy văn ở cấp độ lưu vực sông chính là công cụ để đánh giá công tác quản lý nguồn nước và công tác ban hành chính sách. Sự hiện diện của thành phần thủy văn trong mô hình bao gồm các hồ chứa, hệ thống dòng chảy sông ngòi, nước ngầm, phân loại đất, cơ cấu cây trồng… là các nhân tố quan trọng để hiểu và mô tả lại toàn bộ chu trình cân bằng nước của lưu vực sông. Thành phần kinh tế với mục tiêu tối đa lợi nhuận thu được từ sử dụng nước với các điều kiện ràng buộc về khả năng cung cấp của nguồn nước và quy luật cung cầu của thị trường. Sự kết hợp thành phần kinh tế và thủy văn làm cho mô hình phản ánh vận hành của hệ thống nguồn nước đúng với tình trạng thực tế hơn. Thành phần chính sách sẽ tạo thành một khung thể chế cơ bản của mô hình để giải quyết mâu thuẫn về sử dụng nước giữa các khu vực, tăng thêm lợi ích của sử dụng nước và cải thiện chất lượng nguồn nước.
  
 3.         Đặc điểm mô hình kinh tế-thủy văn
            Việc tổng hợp thành phần thủy văn, kinh tế và thể chế có khả năng tương thích với môi trường tự nhiên và môi trường kinh tế-xã hội của lưu vực sông.
            Sơ đồ mô tả lưu vực sông trong mô hình được xây dựng sẽ bao gồm hệ thống cấp nguồn nước (hồ chứa, trạm bơm…), hệ thống phân phối nước (kênh dẫn, đường ống,…), hệ thống dùng nước (nông nghiệp và phi nông nghiệp), hệ thống tiêu thoát nước và các kết nối mô tả liên kết giữa các hệ thống với nhau.
            Có sự trao đổi và phân phối nguồn nước theo không gian và thời gian và cân bằng tổng lượng trong toàn lưu vực sông.
            Xác định được nhu cầu dùng nước của các đối tượng và chính sách phân phối nguồn nước giữa các đối tượng với nhau.
            Đánh giá được lợi ích kinh tế từ các nhu cầu dùng nước theo khối lượng nước sử dụng.
            Kết hợp giữa động lực kinh tế với bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn nước.          
            Với các đặc điểm nêu trên mô hình kinh tế- thủy văn có thể được sử dụng như là công cụ nghiên cứu phân tích chính sách và hỗ trợ việc quản lý hệ thống nguồn nước.
  
4.         Cấu trúc mô hình
            Mô hình tối ưu phân phối nguồn nước lưu vực sông áp dụng cho tỉnh Đồng Nai là mô hình tổng hợp kinh tế-thủy văn cho lưu vực sông. Thành phần thủy văn là mô hình thuỷ văn dòng chảy mô phỏng lại chu trình vật lý của hoạt động sử dụng nước cho sản xuất nông nghiệp, thủy điện, cấp nước sinh hoạt, cấp nước sản xuất công nghiệp. Thành phần kinh tế là các quy luật kinh tế về mối quan hệ giữa giá cả của nước với giá trị sử dụng nước (được tính từ hiệu quả của sản xuất có dùng nước).
            Mạng lưới các nút nối kết nhau là đại diện của mối liên kết không gian giữa các thực thể vật lý trong lưu vực sông. Các nút đại diện cho nút sông, hồ chứa, các khu vực sử dụng nước. Dòng chảy vào các nút là dòng chảy từ các nút thượng lưu và từ mưa cục bộ trong bản thân tiểu lưu vực. Cân bằng dòng chảy được thiết lập tại từng nút theo từng thời đoạn, và lượng nước trao đổi được tính toán dựa trên quan hệ không gian của hệ thống nguồn nước trong lưu vực.
             Cấu trúc của mô hình bao gồm 3 thành phần chính: (1) Thành phần thủy văn; (2) Thành phần kinh tế; và (3) Thành phần thể chế. Sơ đồ về mối quan hệ tương tác giữa các thành phần được biểu diễn như hình bên. Nguồn nước cung cấp được xác định thông qua cân bằng nước của thành phần thủy văn trong mô hình, nhu cầu nước được tính bởi các hàm số quan hệ giữa nhu cầu nước và sản lượng trong tưới cho cây trồng, cấp nước sinh hoạt, cấp nước cho sản xuất công nghiệp và thủy điện. Cung và cầu nguồn nước được xác định dựa trên mục tiêu tối đa lợi ích kinh tế trong sử dụng nước. Các yêu cầu về mặt môi trường như dòng chảy tối thiểu sau đập, lưu lượng tối thiểu để đẩy mặn hạ du được xem như là các điều kiện ràng buộc của mô hình. Thời đoạn tính toán trong mô hình là tháng.
            Một trong những thành phần quan trọng của mô hình tối ưu đó chính là hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu của mô hình được xác định là hàm tối đa lợi nhuận ròng thu được từ sử dụng nước cho các hoạt động tưới cho cây trồng, cấp nước sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và phát điện của các trạm thủy điện. Hàm mục tiêu được thiết lập có dạng sau:
với:     VA      Lợi nhuận ròng do tưới cho cây trồng trong nông nghiệp
VM     Lợi nhuận ròng từ cấp nước cho sinh hoạt
VI       Lợi nhuận ròng từ cấp nước cho sản xuất công nghiệp
VP     Lợi nhuận ròng từ phát điện
a, m, in, pw    Là chỉ số dùng cho tưới, sinh hoạt, công nghiệp và thủy điện.
            Tùy từng bài toán cụ thể đối với các lưu vực sông ứng dụng mà các thành phần của hàm mục tiêu có thể thay đổi.
            Ngoài ra, mô hình tối ưu còn phải xây dựng các phương trình (hàm ràng buộc) khác như phương trình cân bằng nước thủy văn, phương trình tính toán điện lượng phát ra từ nhà máy thủy điện, phương trình tính toán lượng nước cấp cho các nhu cầu, hàm năng suất cây trồng,…
  
5.         Ứng dụng mô hình tối ưu GAMS tính toán phân phối nguồn nước đối với lưu vực sông Lá Buông(LVSLB)
            Mô hình tối ưu phân phối nguồn nước LVSLB được lập trình bằng ngôn ngữ GAMS. Mô hình gồm các thành phần: tập hợp (Set), tham số (Parameter), biến (Variable), phương trình (Equation) và các điều kiện ràng buộc khác. Thành phần tập hợp là tất cả các đối tượng có trong mô hình được hệ thống lại và khai báo dưới dạng mảng một chiều hay nhiều chiều. Khai báo tham số nhằm gán các giá trị có thể có của tham số vào trong mô hình. Khai báo biến là xác định các biến quyết định hoặc trung gian để đưa vào trong các phương trình. Khai báo phương trình là xác định các phương trình sẽ có trong mô hình.
            LVSLB được sơ đồ hoá trong mô hình với các đặc điểm sau: 23 nút sông, 12 hồ chứa, 20 khu tưới với 12 loại cây trồng chính, 1 khu cấp nước sinh hoạt, 1 khu cấp nước công nghiệp. Sơ đồ LVSLB trong mô hình được trình bày ở Hình 2. Bước thời gian tính toán trong mô hình là 1 tháng, năm tính toán là năm thủy văn bắt đầu từ tháng IV và kết thúc vào tháng III năm sau, thời gian chạy mô hình là 1 năm. Chi tiết về các phương trình liên quan xem báo cáo chuyên đề cơ sở khoa học mô hình toán trong quản lý và quy hoạch tài nguyên nước.
  
6.1       Các trường hợp sử dụng nước
            Để đánh giá việc sử dụng hiệu quả nguồn nước trên LVSLB, 03 trường hợp của nguồn nước đến được xác định để phân tích là: trường hợp nguồn nước đến P=50%, trường hợp nguồn nước đến P=75% và trường hợp nguồn nước đến P=90%. Việc lựa chọn các trường hợp phân tích dựa trên nguồn nước đến sẽ giúp cho việc sử dụng nước trên lưu vực có được các biện pháp phân phối nguồn nước một cách hợp lý khi mà nguồn nước đến trong tự nhiên luôn thay đổi.
            Song song với việc phân tích dựa trên nguồn nước đến, mô hình còn có thể cho phép phân tích nhiều vấn đề khác mà tiêu biểu là việc sử dụng nước kết hợp với bảo vệ môi trường. Trong trường hợp không xem xét đến dòng chảy môi trường sau hạ lưu đập, nguồn nước sẽ được sử dụng triệt để phục vụ các hoạt động sản xuất sử dụng nước trên lưu vực sông. Khi xem xét đến yếu tố dòng chảy môi trường sau hạ lưu đập, việc sử dụng nước lúc này sẽ phải cân nhắc trên quan điểm sử dụng nước hiệu quả nhất nhưng vẫn đảm bảo bền vững cho môi trường sinh thái.
  
6.2       Kết quả phân tích từ mô hình tối ưu
-   Phương án không xem xét đến dòng chảy môi trường sau đập dâng (PA1):
            Trong phương án này nguồn nước được sử dụng triệt để cấp nước cho nông nghiệp, sinh hoạt và công nghiệp. Trong từng trường hợp của nguồn nước đến, tổng lợi nhuận thu được từ sử dụng nước giảm dần theo lượng nước đến. Khi tần suất nguồn nước đến là P=50% thì cho lợi nhuận thu được là lớn nhất, khoảng 9,1 triệu USD, và khi tần suất nguồn nước đến là P=90% thì lại cho lợi nhuận nhỏ nhất, khoảng 8,6 triệu USD. Điều này cho thấy nhu cầu sử dụng nước trên LVSLB là rất lớn, lớn hơn khả năng cung cấp của lưu vực sông, do vậy khi nguồn nước đến thay đổi đã làm thay đổi đáng kể lợi nhuận thu được. 
            Trong sản xuất nông nghiệp, khi nguồn nước thay đổi dẫn đến diện tích gieo trồng của các loại cây trồng phải thay đổi và có thể phải giảm năng suất do không đủ nguồn nước tưới. Kết quả từ mô hình đã phản ánh được sự thay đổi này. Tổng diện tích gieo trồng của trường hợp P=50% là 8.582 ha, P=75% là 7.942 ha và P=90% là 7.544 ha. Diện tích tưới của các loại cây trồng có năng suất thấp và giá trị kinh tế thấp bị giảm đi để dành nguồn nước cho các loại cây sử dụng ít nước và có giá trị kinh tế cao hơn. Lúa HT có năng suất và giá thấp hơn lúa ĐX nên đã bị giảm mạnh, diện tích lúa HT giảm 40%, sản lượng giảm gần 50%. Các loại cây khác cũng có giảm nhưng không nhiều. Về sử dụng nước, khi nguồn nước đến giảm kéo theo lượng nước sử dụng cũng giảm, trong trường hợp nguồn nước đến P=50% thì tổng lượng nước sử dụng là 263 triệu m3, khi P=90% thì tổng lượng nước sử dụng là 236 triệu m3. Tuy nhiên, lượng nước cấp cho sinh hoạt và sản xuất công nghiệp lại không thay đổi do được ưu tiên trong việc phân phối nguồn nước. Do không quan tâm đến dòng chảy môi trường sau hồ đập nên trong phương án này dòng chảy sau hồ Lá Buông 2 vào các tháng mùa khô là rất nhỏ, nhỏ nhất là vào tháng III, Q=0,2 m3/s ứng với P=50%, Q=0,15 m3/s ứng với P=90%; và nguồn nước này chủ yếu là do nguồn nước hồi quy từ những khu vực sử dụng nước thải ra. Với lưu lượng kiệt thấp như vậy thì khó có thể duy trì môi trường và hệ sinh thái sau hồ đập.

-   Phương án có xem xét đến dòng chảy môi trường sau đập dâng (PA2):

Trong trường hợp này nguồn nước được sử dụng để cấp nước cho nông nghiệp, sinh hoạt và công nghiệp nhưng vẫn phải đảm bảo cho dòng chảy tối thiểu sau hồ Lá Buông 2 là Q=1m3/s. Cũng giống như trong phương án không có dòng chảy môi trường, trong từng trường hợp của nguồn nước đến, tổng lợi nhuận thu được từ sử dụng nước giảm dần theo lượng nước đến. Khi tần suất nguồn nước đến là P=50% thì cho lợi nhuận thu được là lớn nhất, khoảng 9,0 triệu USD, và khi tần suất nguồn nước đến là P=90% thì lại cho lợi nhuận nhỏ nhất, khoảng 8,4 triệu USD. Như vậy là lợi nhuận đều giảm so với phương án không có dòng chảy môi trường sau đập. Điều này cho thấy việc phải giảm lượng nước sử dụng để duy trì dòng chảy môi trường đã ảnh hưởng đến lợi nhuận thu được.

            
Trong sản xuất nông nghiệp, tương tự như trong phương án trên, diện tích gieo trồng đã bị giảm theo trường hợp của nguồn nước đến giảm, tuy nhiên sự sụt giảm này xảy ra nhiều hơn so với phương án trên. Tổng diện tích gieo trồng của trường hợp P=50% là 8.108 ha, giảm khoảng 480 ha so với phương án trên, P=75% là 7.505 ha và P=90% là 7.089 ha. Lúa HT có năng suất và giá thấp hơn lúa ĐX nên đã bị giảm mạnh, diện tích lúa HT giảm 60%, sản lượng giảm gần 70%. Cà phê giảm hơn 40% về diện tích sản lượng. Về sử dụng nước, trong trường hợp nguồn nước đến P=50% thì tổng lượng nước sử dụng là 252 triệu m3, khi P=90% thì tổng lượng nước sử dụng là 223 triệu m3. Lượng nước giảm đều do sử dụng từ nông nghiệp giảm. Lúc này do phải dành ra tối thiểu 1m3/s để duy trì dòng chảy môi trường sau hồ đập nên dòng chảy sau hồ Lá Buông 2 luôn được duy trì ở mức tối thiểu là 1,0 m3/s.

 7.       Kết luận

            Kết quả từ mô hình tối ưu GAMS-Lá Buông cho phép chúng ta phân tích và lựa chọn các phương án sử dụng nguồn nước quí giá của lưu vực một các hiệu quả nhất mà vân đảm bảo phát triển một cách bền vững