Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THIỆN DŨNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LẬP QUY HOẠCH PHÒNG CHỐNG ÚNG NGẬP DỰA TRÊN PHÂN TÍCH RỦI RO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THIỆN DŨNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LẬP QUY HOẠCH PHÒNG CHỐNG ÚNG NGẬP DỰA TRÊN PHÂN TÍCH RỦI RO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 62 – 58 – 02 - 12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. NGUYỄN QUANG KIM 2. PGS.TS. NGUYỄN THU HIỀN HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính 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 dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thiện Dũng i LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, NCS xin gửi lời cám ơn tới Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, NCS xin trân trọng gửi tới người thầy hướng dẫn nghiên cứu khoa học GS.TS. Nguyễn Quang Kim và PGS.TS. Nguyễn Thu Hiền đã luôn dành thời gian quý báu và ít ỏi của mình để lắng nghe và đưa ra những định hướng đúng đắn nhờ đó luận án mới được hoàn thành đúng tiến độ. Trong quá trình nghiên cứu, NCS luôn nhận được sự ủng hộ nhiệt tình và vô điều kiện, chính sự ủng hộ, khích lệ và đặt niềm tin tưởng của người Thầy đã giúp NCS vững tin trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu. NCS 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. NCS cũng vô cùng biết ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp quý báu giúp NCS hoàn thiện luận án. NCS cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô và đồng nghiệp ở Khoa Kinh tế và Quản lý đặc biệt là Bộ môn Quản lý Xây dựng đã có những động viên, chia sẻ, giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu. NCS xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và các em sinh viên luôn sát cánh bên NCS. Cuối cùng, NCS xin được gửi tới những người thân thương trong gia đình của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự yêu thương và ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt nhất để giúp NCS hoàn thành nghiên cứu. Xin trân trọng cám ơn! ii MỤC LỤC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ....................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CÁM ƠN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC ......................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ .....................x MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..........................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................3 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .....................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...............................................................................5 6. Những đóng góp mới của luận án .........................................................................5 7. Cấu trúc của luận án ..............................................................................................6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH PHÒNG CHỐNG ÚNG NGẬP TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH RỦI RO ...................................7 1.1. Giới thiệu về rủi ro úng ngập và phân tích rủi ro úng ngập ...........................7 1.1.1. Khái niệm về rủi ro .........................................................................................7 1.1.2. Khái niệm rủi ro thiên tai ................................................................................9 1.1.3. Khái niệm rủi ro úng ngập do mưa lũ .............................................................9 1.1.4. Phân tích rủi ro và một số thuật ngữ dùng trong phân tích rủi ro .................10 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu úng ngập do mưa lũ trên thế giới..................13 1.2.1. Tình hình úng ngập trên thế giới ..................................................................13 1.2.2. Quan điểm đánh giá rủi ro úng ngập ............................................................15 1.2.3. Các nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích rủi ro trên thế giới .......................17 1.3. Tổng quan các nghiên cứu rủi ro úng ngập tại Việt Nam .............................19 1.3.1. Tình hình úng ngập tại Việt Nam .................................................................19 1.3.2. Nghiên cứu đánh giá rủi ro úng ngập ...........................................................20 1.3.3. Nghiên cứu đánh giá rủi ro úng ngập dựa trên phân tích tối ưu rủi ro .........22 1.4. Các tồn tại trong nghiên cứu rủi ro úng ngập hiện nay tại Việt Nam .........25 1.5. Định hướng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của luận án ...............26 1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................30 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN VỀ QUY HOẠCH PHÒNG CHỐNG ÚNG NGẬP DỰA TRÊN PHÂN TÍCH RỦI RO ....................................................31 2.1. Tiếp cận quy hoạch giảm thiểu rủi ro úng ngập ............................................31 2.1.1. Tiếp cận kinh nghiệm (I) ..............................................................................32 2.1.2. Tiếp cận dựa trên chu kỳ lặp của trận ngập (II) ............................................33 iii 2.1.3. Tiếp cận theo chu kỳ lặp của riêng từng vùng (III) ......................................33 2.1.4. Tiếp cận mức rủi ro chấp nhận được (IV) ....................................................33 2.1.5. Tiếp cận phân tích tối ưu rủi ro (V) ..............................................................34 2.2. Các phương pháp đánh giá giảm thiểu rủi ro do úng ngập ..........................38 2.2.1. Phương pháp phân tích chi phí tối thiểu (Cost Mininization Analysis- CMA) ........................................................................................................................38 2.2.2. Phương pháp phân tích chi phí hiệu quả (Cost Effectiveness Analysis-CEA) ........................................................................................................................39 2.2.3. Phương pháp phân tích đa mục tiêu (Multi-Criteria Analysis -MCA) .........40 2.2.4. Phương pháp phân tích chi phí lợi ích (Cost Benefit Analysis -CBA) ........41 2.3. Nhận dạng và phân loại rủi ro do úng ngập ...................................................44 2.3.1. Nhận dạng rủi ro do úng ngập ......................................................................44 2.3.2. Phân loại rủi ro do úng ngập .........................................................................45 2.4. Các phương pháp ước lượng thiệt hại rủi ro úng ngập .................................48 2.4.1. Xác định đối tượng và phương pháp nghiên cứu phù hợp ...........................48 2.4.2. Giới thiệu các phương pháp đánh giá trực tiếp thiệt hại rủi ro úng ngập .....49 2.4.3. Giới thiệu các phương pháp đánh giá gián tiếp thiệt hại do úng ngập .........57 2.5. Lựa chọn phương pháp để ước lượng thiệt hại cho từng đối tượng ............59 2.6. Giới thiệu mô hình bài toán tối ưu dựa trên phân tích rủi ro úng ngập......61 2.6.1. Mô hình bài toán tối ưu tổng quát trong quy hoạch úng ngập......................62 2.6.2. Mô hình bài toán tối ưu đơn giản trong quy hoạch úng ngập.......................65 2.6.3. Mô hình bài toán xác định cấp lũ cần tiêu tối ưu .........................................67 2.6.4. Bài toán tìm giải pháp công trình tối ưu ứng với cấp tiêu tối ưu..................68 2.7. Phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến ...................................................71 2.7.1. Phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến ..................................................71 2.7.2. Đề xuất công cụ giải bài toán tối ưu phi tuyến .............................................74 2.7.3. Giới thiệu về phần mềm giải toán tối ưu GAMS..........................................75 2.8. Phân loại, điều tra, thu thập và phân tích số liệu...........................................76 2.8.1. Phân loại số liệu ............................................................................................76 2.8.2. Phương pháp điều tra thu thập số liệu bằng phỏng vấn trực tiếp .................77 2.8.3. Phương pháp phân tích và đánh giá số liệu ..................................................78 2.9. Phương pháp xây dựng hàm thiệt hại và hàm chi phí đầu tư ......................78 2.9.1 Các bước thực hiện xây dựng hàm thiệt hại và hàm chi phí đầu tư ...............79 2.9.2 . Xây dựng hàm phi tuyến Y = a .............................................................79 2.10. Kết luận Chương 2 ..........................................................................................80 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ HÌNH BÀI TOÁN QUY HOẠCH PHÒNG CHỐNG ÚNG NGẬP TỐI ƯU LƯU VỰC SÔNG PHAN- CÀ LỒ TỈNH VĨNH PHÚC ..........................................................................81 3.1. Lý do lựa chọn vùng nghiên cứu ......................................................................81 3.1.1. Giới thiệu về lưu vực sông Phan – Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc ...........................81 iv 3.1.2. Tình hình úng ngập vùng nghiên cứu ...........................................................88 3.1.3. Lựa chọn vùng nghiên cứu điển hình ...........................................................89 3.2. Tính toán, xây dựng bản đồ úng ngập vùng nghiên cứu ...............................91 3.2.1. Lựa chọn công cụ tính toán...........................................................................91 3.2.2. Thiết lập mô hình thủy lực và biên tính toán của vùng nghiên cứu .............91 3.2.3. Kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình...........................................................92 3.2.4. Xác định các kịch bản tính toán đánh giá hiện trạng úng ngập ....................93 3.2.5. Kết quả tính toán với hiện trạng công trình tiêu thoát ..................................95 3.2.6. Phân tích kết quả tính toán từ mô hình thủy lực ...........................................98 3.3. Tính toán thiệt hại kinh tế phục vụ bài toán quy hoạch tiêu vùng nghiên cứu ..........................................................................................................................100 3.3.1 Thiệt hại từ việc mất hoàn toàn diện tích canh tác nông nghiệp .................100 3.3.2 Thiệt hại do giảm năng suất cây trồng nông nghiệp ....................................102 3.3.3 Thiệt hại liên quan đến chi phí khắc phục sự cố sửa chữa nhà cửa, đô thị ..103 3.3.4 Thiệt hại cơ sở hạ tầng xã hội ......................................................................104 3.3.5 Thiệt hại do giá trị đất đai định cư giảm ......................................................105 3.3.6 Thiệt hại do chi phí vệ sinh môi trường .......................................................106 3.3.7 Thiệt hại chi phí y tế các bệnh do vệ sinh môi trường kém .........................107 3.3.8 Thiệt hại do ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất công nghiệp ......................108 3.3.9 Thiệt hại liên quan đến đình trệ thời gian lao động, kinh doanh và giao thông. ......................................................................................................................108 3.3.10 Tổng hợp thiệt hại và ước lượng giá trị rủi do còn lại theo từng cấp lũ .109 3.4 Xây dựng hàm thiệt hại do rủi ro úng ngập và hàm chi phí đầu tư ..........111 3.5. Xác định cấp ngập cần bảo vệ tối ưu dựa trên phân tích rủi ro .................113 3.5.1. Xác định cấp lũ cần phải tiêu theo phương pháp tối ưu rời rạc ..................114 3.5.2. Xác định cấp lũ cần tiêu tối ưu theo phương pháp liên tục ........................115 3.6. Tính toán giải pháp công trình tiêu ứng với cấp lũ cần tiêu tối ưu ............117 3.6.1. Phân tích và lựa chọn kịch bản tiêu ứng với tần suất lũ 10% (chu kỳ lặp lại 10 năm) .................................................................................................................117 3.6.2. Tính toán lựa chọn phương án tiêu tối ưu dựa trên hàm liên tục................128 3.7. Xây dựng quy trình quy hoạch tối ưu rủi ro úng ngập ...............................135 3.8. Kết luận Chương 3 ..........................................................................................141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................143 1. Những kết quả đạt được của luận án ...............................................................143 2. Những kiến nghị của luận án ............................................................................144 3. Những hạn chế và định hướng phát triển tiếp theo ........................................144 v DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................146 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................147 PHỤ LỤC CHƯƠNG 2 .............................................................................................154 PHỤ LỤC CHƯƠNG 3 .............................................................................................158 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Phân loại rủi ro theo tính chất.........................................................................8 Hình 1. 2. Đồ thị thể hiện rủi ro còn dư với cấp bảo vệ của lũ (chu kỳ lặp lại) ............13 Hình 1. 3. Phương pháp sử dụng bản đồ đánh giá rủi ro úng ngập [50] .......................22 Hình 1. 4. Sơ đồ nghiên cứu của luận án .......................................................................29 Hình 2. 1. Điểm tối ưu trong phân tích rủi ro úng ngập [61]........................................35 Hình 2. 2. Các điểm tối ưu trong phân tích tối ưu .........................................................38 Hình 2. 3. Mô tả phương pháp phân tích Chi phí tối thiểu (CMA) ...............................39 Hình 2.4. Mô tả phương pháp phân tích chi phí hiệu quả (CEA) .................................39 Hình 2. 5. Mô tả phương pháp phân tích đa mục tiêu ...................................................40 Hình 2. 6. Quy trình quản lý rủi ro úng ngập tích hợp với phân tích chi phí lợi ích .....43 Hình 2. 7. Phương pháp phân tích chi phí lợi ích trong giảm thiểu rủi ro ....................44 Hình 2.8. Phân loại các loại hình thiệt hại do rủi ro úng ngập ......................................45 Hình 2. 9. Sơ đồ khối nhận dạng, phân loại và phương pháp ước lượng thiệt hại ........49 Hình 2.10. Biểu thị tương quan giá nhà đất với cải thiệt úng ngập ...............................59 Hình 2.11. Mô phỏng quá trình tìm lời giải tối ưu của bài toán ....................................73 Hình 3. 1. Bản đồ vị trị địa lý lưu vực sông Phan – Cà Lồ..........................................81 Hình 3. 2. Vùng 2- lưu vực sông Phan – Cà Lồ Tỉnh Vĩnh Phúc (Vùng nghiên cứu) .82 Hình 3. 3. Địa hình tự nhiên vùng nghiên cứu .............................................................83 Hình 3. 4. Bản đồ đẳng trị lượng mưa 1 ngày max nhiều năm của vùng nghiên cứu ..85 Hình 3. 5. Bản đồ mạng lưới sông suối lưu vực sông Phan – Cà Lồ ............................86 Hình 3. 6.Một số hình ảnh úng ngập trong Vùng nghiên cứu năm 2008 ......................89 Hình 3. 7. Sơ đồ mạng lưới tính toán thủy lực vùng nghiên cứu ..................................94 Hình 3. 8. Mô tả khả năng úng ngập khi xuất hiện mưa lũ thường xuyên ....................96 Hình 3. 9. Mô tả khả năng úng ngập xuất hiện mưa lũ chu kỳ 10 năm.........................96 Hình 3. 10. Hàm quan hệ giữa công suất trạm bơm và vốn đầu tư .............................111 Hình 3. 11. Quan hệ giữa tổng mức đầu tư ban đầu và chu kỳ lặp lại của lũ..............113 Hình 3. 12. Phân chia vùng nghiên cứu thành tiểu lưu vực dựa trên đặc điểm tiêu....114 Hình 3. 13. Xác định cấp lũ bảo vệ đạt tối ưu về rủi ro ..............................................115 Hình 3. 14. Hàm quan hệ giữa rủi ro, chi phí và chu kỳ lặp lại của lũ ........................116 Hình 3. 15. Phân chia vùng tiêu và phương án tiêu.....................................................118 vii Hình 3. 16. Mô hình mô phỏng sơ đồ tiêu của toàn hệ thống thuộc vùng nghiên cứu119 Hình 3. 17. Phương án lựa chọn quy hoạch tiêu tối ưu về rủi ro ................................128 Hình 3. 18. Mô phỏng quá trình hoạt động của chương trình GAMS ........................132 Hình 3. 19. Kết quả nghiệm của chương trình ứng với các biến.................................134 Hình 3. 20. Quy trình tính toán quy hoạch tối ưu rủi ro úng ngập ..............................136 Hình 3. 21. Cấp lũ bảo vệ tối ưu ..................................................................................139 Hình 3. 22. Phương án chọn tối ưu ứng với cấp lũ tối ưu ...........................................140 viii