Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN QUANG AN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU VẬN HÀNH TRỮ NƯỚC TƯỚI ĐỂ GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA HẠN HÁN TỚI SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG HẠ DU SÔNG CẢ - NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH TẠI HỆ THỐNG THỦY LỢI LÊ XUÂN ĐÀO TÓM TẮTLUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC MÃ SỐ: 9 58 02 12 HÀ NỘI, NĂM 2018 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Tùng Phong 2. PGS. TS. Trần Chí Trung Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp: ………………. Họp tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM 171 Tây Sơn, Phường Trung liệt, Quận Đống Đa, Hà Nội Vào hồi: …… giờ ……phút, ngày …… tháng ….. năm 2018. Có thể tìm đọc luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trước đây, nước được coi như là một nguồn tài nguyên vô tận. Qua quá trình phát triển của nhân loại, với sự bùng nổ về dân số, sự phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội và đời sống sản xuất, tình trạng thiếu hụt nước giờ đây đã trở thành một mối lo ngại hàng đầu của con người. Điều này đòi hỏi ở các nhà quản lý, các nhà hoạch định chiến lược phát triển phải có được sự thay đổi hợp lý nhằm sử dụng hiệu quả tài nguyên nước. Hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng nước hiệu quả cho nông nghiệp tại hạ lưu các con sông chủ yếu tập trung vào việc cải thiện kỹ thuật tưới, thay đổi giống và cơ cấu cây trồng hoặc chỉ là những mô hình thu trữ nước nhỏ, phục vụ cho các cây trồng có khả năng chịu hạn cao mà chưa tập trung vào vấn đề nghiên cứu thu trữ nước mùa mưa và cung cấp một cách tối ưu nhất cho mùa khô. Vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu bài toán tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán tới sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sông Cả - Nghiên cứu điển hình tại hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu của luận án  Xác định đươc nhu cầu và khả năng cấp nước của hệ thống tưới trong mùa kiệt và đề xuất giải pháp thu trữ nước hợp lý phục vụ sản xuất nông nghiệp.  Ứng dụng bài toán tối ưu xây dựng kế hoạch vận hành theo thời gian thực cho giải pháp được đề xuất bảo đảm cung cấp đủ nước tưới trong mùa kiệt, tiết kiệm chi phí trong vận hành hệ thống. 3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu giải pháp thu trữ nước, và xây dựng thuật toán vận hành tối ưu điều tiết nước theo thời gian thực cho vùng 9 xã thuộc kênh Lê Xuân Đào, hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An là một trong những vùng bị hạn hán nặng nhất trong hệ thống. 1 4. Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu; Phương pháp kế thừa; Phương pháp (xác suất) thống kê; Phương pháp mô hình toán; Phương pháp tối ưu hóa trong quản lý vận hành hệ thống. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được phương pháp luận và các thuật toán tối ưu để vận hành hệ thống tưới trong mùa kiệt bằng biện pháp thu trữ nước.Trong nghiên cứu về vận hành hệ thống, thuật toán tìm kiếm giải pháp tối ưu đã được lập bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. Thuật toán này lấy thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Deb 2000) làm cơ sở, bài toán được chuyển về tìm tham số của một dạng hàm vận hành đã được đề xuất với mục tiêu tối ưu hóa 2 chỉ tiêu về tổng lượng tiêu và lượng nước thiếu hụt mà luôn mâu thuẫn nhau trong thực tế. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất được giải pháp và kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống kênh phục vụ tưới cho mùa khô vùng 9 xã phía Đông nam của huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An. Giải pháp này có thể ứng dụng cho các vùng khác có điều kiện tương tự. 6. Những đóng góp mới của luận án 1. Đã xây dựng được bài toán tối ưu hỗ trợ ra quyết định vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán tới sản xuất nông nghiệp. 2. Đề xuất được giải pháp và kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào trong mùa kiệt. Các kết quả của luận án có thể tham khảo và áp dụng được cho các hệ thống tương tự. 7. Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 3 chương chính như sau: Chương 1. Tổng quan Chương 2. Phương pháp luận và công cụ nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1 Hạn hán và những tác động của hạn hán đối với nông nghiệp 1.1.1 Hạn hán và nguyên nhân Hạn hán là một hiện tượng phổ biến tại hầu hết các vùng địa lý trên trái đất, là dạng thiên tai phức tạp và có ảnh hưởng đến nhiều người nhất. Theo Trung tâm quản lý hạn Châu Âu (European Drought Centre), hạn là hiện tượng khí hậu xảy ra khi lượng nước sẵn có trong tự nhiên thấp dưới mức trung bình trong một thời gian dài. Các nhà nghiên cứu của Trung tâm Giảm nhẹ hạn hán Quốc gia thuộc trường đại học Lebrasca-Licoln – Mỹ đã phân hạn hán thành 4 loại: hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp và hạn kinh tế xã hội. Mức hạn có thể được phân theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên về cơ bản là dựa trên số liệu thống kê nhiều năm của lượng mưa vào các năm hạn.Các yếu tố cơ bản để phân loại tình trạng hạn hán bao gồm:     Lượng mưa (tháng, mùa). Mực nước ngầm. Mực nước/dung tích hồ chứa. Mực nước, lưu lượng trên sông suối. 1.1.2 Một số tác động của hạn hán đối với sản xuất nông nghiệp trên Thế giới Ở miền nam Châu Âu, kết quả dự tính cho thấy tình trạng nhiệt độ cao và hạn hán có thể xấu đi ở khu vực khan hiến nguồn nước mặt và khu vực có sóng nhiệt.Châu Phi là một trong những khu vực điển hình về hạn hán gây ra đói nghèo đối với người dân ởlục địa này. Hoa Kỳ, những năm bị hạn hán, thiệt hại về kinh tế ở nước này là rất nghiêm trọng,các nghiên cứu đã thống kê mức thiệt hại hàng năm do 3 hạn hán khoảng 6-8 tỷ USD/năm. Tại Trung Quốc, năm 1941, hạn hán làm gần ba triệu người chết.Tại Ấn Độ, năm 1769 đến 1770, hạn làm cho 5 triệu người chết vì đói và dịch bệnh.Tại Nhật Bản, năm 1994 có một đợt sóng nhiệt độ cao kéo dài gây nên hạn nặng trên 1/3 lãnh thổ của nước này. Năm 1982-1983, Australia xảy ra đợt hạn hán tồi tệ nhất của nước này trong thế kỷ XX.Trong những năm 1997, 1998 do ảnh hưởng của hiện tượng El-Ninô, các nước trong khu vực Đông Nam Á hầu như không có mưa, nhiệt độ không khí cao là nguyên nhân chính gây cháy rừng ở nhiều nơi, điển hình là Inđônêsia và Malaysia. 1.1.3 Những tác động của hạn hán đối với sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam Ở Việt Nam, hạn hán xẩy ra ở cả vùng mưa nhiều cũng như vùng mưa ít, trong thời gian mùa khô thậm chí ngay trong mùa mưa.Hạn hán xuất hiện tại các vùng sinh thái cũng rất khác nhau. Vùng đồng bằng và trung du Bắc bộ thường gặp hạn hán trong vụ đông xuân, rất hiếm khi gặp hạn hán vụ mùa; vùng Trung bộ từ Nghệ An đến Bình Định thường xẩy ra hạn vụ hè thu, vùng Nam Trung Bộ thường gặp hạn hán vụ đông xuân; miền tây Nam Bộ thường gặp hạn hán vào cuối vụ đông xuân, đầu vụ hè thu, miền đông Nam Bộ thường gặp hạn hán vào vụ đông xuân; vùng Tây Nguyên thường gặp hạn hán vào vụ đông xuân và đầu vụ hè thu.Theo đánh giá của chương trình hành động giảm nhẹ thiên tai của Việt Nam thì hạn hán là thiên tai gây tổn thất nghiêm trọng thứ 3 sau bão và lũ. 1.1.4 Tình hình hạn trong khu vực nghiên cứu Trong những năm gần đây tình hình hạn hán tại huyện Hưng Nguyên đặc biệt là các xã: Hưng Châu, Hưng Lợi, Hưng Yên, Hưng Phúc, 4 Hưng Mỹ diễn ra gay gắt, lượng mưa mùa khô liên tục giảm mạnh, năm sau thấp hơn năm trước. Cùng với tác động của gió Lào nên hạn hán tại vùng này càng khốc liệt hơn. Trong những năm gần đây, tình hình hạn hán xảy ra thường xuyên hơn, nghiêm trọng hơn trong đó có thể thống kê những đợt hạn hán nặng như hạn năm 1983, 1987, 1988, 1990, 1992, 1993, 1998, 2003, 2004, 2010 đặc biệt hạn rất nghiêm trọng vào năm 1993, 1998 và năm 2010. 1.2 Các nghiên cứu và giải pháp chống hạn hán 1.2.1 Thế giới Vấn đề nghiên cứu, dự báo và dự tính hạn hán, hiện nay được thực hiện ở hầu khắp các quốc gia trên thế giới, tuy nhiên do tính phức tạp trong bản chất của hiện tượng này nên chưa có một phương pháp thống nhất nào trong nghiên cứu hạn hán. Nhiều chính phủ các nước trên thế giới cũng đã giành các khoản chi lớn cho các dự án thuỷ lợi cấp nước, chống hạn, như dự án xây dựng đập At-soan trên sông Nine ở Ai Cập. Trung Quốc đã thành lập Hiệp hội cảnh báo thảm hoạ thiên tai lâu đời nhất thế giới cùng với Hoa Kỳ. Israel và Ấn Độ cũng là những nước đạt được nhiều thành tựu trong nghiên cứu về các giải pháp chống hạn, công nghệ tưới tiết kiệm nước.Việc kết hợp các biện pháp nông - lâm nghiệp với các kỹ thuật thu trữ nước tại các vùng thiếu nước được nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng như: Ấn Độ, Sri Lanka, Ai Cập, Kenya… 1.2.2 Việt Nam Ở Việt Nam, từ nhiều năm qua, các nhà quản lý và các nhà khoa học đã tập trung rất nhiều vào việc nghiên cứu đưa ra các giải pháp phòng chống hạn hán. Trong đó tập trung vào các giải pháp cơ bản: - Xây dựng các công trình khai thác tổng hợp để điều tiết dòng chảy mùa mưa, mùa khô. 5 - Nâng mức đảm bảo của các hệ thống công trình thuỷ nông, công trình cấp nước. - Quản lý và nâng độ che phủ các khu rừng phòng hộ, rừng đầu nguồn. - Kiểm soát việc xả, thải nước độc hại vào các nguồn nước. - Vận hành hiệu quả các hệ thống thuỷ lợi. - Nâng cao chất lượng công tác dự báo khí tượng thuỷ văn, nhất là dự báo dài hạn. - Nâng cao nhận thức và sự tham gia của cộng đồng. - Quản lý nhu cầu dùng nước. 1.3 Bài toán tối ưu 1.3.1 Tổng quan bài toán tối ưu Mục tiêu của bài toán tối ưu được biểu diễn bởi hàm: f (x)  min (max) với x là một biến hoặc vecto biến x = (x1, x2, ..., xn) Biến x hoặc vector biến x = (x1, x2, ..., xn) thường có yêu cầu phải thỏa mãn một số điều kiện nào đó. Tập hợp các điều kiện của các biến thì được gọi là điều kiện ràng buộc và được biểu diễn bởi miền D (miền ràng buộc). Dạng tổng quát của bài toán tối ưu: Làm cực tiểu/cực đại một hàm mục tiêu: f (x)  min (max) (1) Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc x  D (2) Yêu cầu: Tìm x để thỏa mãn (2) và làm cực tiểu/ cực đại hàm mục tiêu (1). x (một bộ các giá trị cụ thể của (x1, x2,..., xn)), thỏa mãn điều kiện (1) & (2) gọi là phương án tối ưu. Nếu x chỉ thỏa mãn điều kiện (2) gọi x là phương án chấp nhận được hay phương án. (*) Vận hành tối ưu hệ thống tài nguyên nước, hiện nay, đang phát triển mạnh mẽ và đa dạng với rất nhiều phương pháp giải khác nhau. Đối với từng bài toán, việc chọn phương pháp thích hợp để giải phụ 6 thuộc vào dạng hàm mục tiêu, ràng buộc và số lượng các biến tối ưu. Năm 1988, Edgar và Himmelblau đã đề xuất các bước xây dựng và giải bài toán tối ưu hệ thống như sau: Bước 1: Phân tích bản chất bài toán để có thể thấy rõ được các đặc tính riêng biệt để có thể xác định hệ thống biến tối ưu. Bước 2: Xác định tiêu chuẩn tối ưu, thiết lập hàm mục tiêu từ biến tối ưu đã xác định và các hệ số tương ứng. Bước 3: Phát triển hệ thống các quan hệ toán học mô phỏng, liên hệ giữa các biến tối ưu, số liệu vào ra và các hệ số tương ứng. Bước 4: Trong trường hợp phạm vi của bài toán quá lớn cần (i) phân ra thành những phần nhỏ dễ mô phỏng hơn, (ii) đơn giản hóa hàm mục tiêu hoặc cách mô phỏng. Bước 5: Ứng dụng kỹ thuật giải tương thích. Bước 6: Kiểm tra kết quả, phân tích độ nhạy của mô hình bằng cách thay đổi hệ số cũng như các giả thiết. 1.3.2 Các kỹ thuật tối ưu hóa Hiện nay, có hai cách tiếp cận để giải bài toán tối ưu, là:  Cách tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên ẩn ISO (Implit Stochastic Optimization).  Cách tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên hiện ESO (Explicit Stochastic Optimization). Các kỹ thuật tối ưu thường được sử dụng:  Quy hoạch tuyến tính LP (Linear Programming)  Quy hoạch phi tuyến NLP (Nonlinear Programming)  Quy hoạch động DP (Dynamic Programming)  Tìm kiếm (Meta heuristic) 7 Giới thiệu thuật toán NSGA II Kỹ thuật tối ưu tìm kiếm: Thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGAII là một cải tiến NSGA (None Dominated Sorting Genetic Algorithm).  Ứng dụng thuật toán NSGA II trong thực tế Với các ưu điểm vượt trội so với các thuật toán khác, trong thực tế, trên thế giới đã áp dụng thuật toán NSGA II khá nhiều trong lĩnh vực tài nguyên nước. Một số nghiên cứu điển hình như: Năm 2006, hai nhà khoa học Taesoon Kim và Jun-Haeng Heođã sử dụng thuật toán NSGA II trong nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống nhiều hồ chứa thuộc lưu vực sông Han, Hàn Quốc. Năm 2006, Md. Atiquzzaman, ShieYui Liong, M.ASCE, và Xinying Yusử dụng NSGA II nghiên cứu ra quyết định thay thế trong mạng phân phối tài nguyên nước. Năm 2016, Feifei Zheng; Aaron C. Zecchin; Holger R. Maier; and Angus R. Simpsonđã nghiên cứu so sánh về chất lượng tìm kiếm và quá trình hội tụ của 3 thuật toán NSGA II, thuật toán SAMOD và Borg áp dụng cho 6 hệ thống phân phối nước... 1.3 Tổng quan ứng dụng tối ưu vận hành hệ thống tưới tiêu trên thế giới Trong mấy năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nhiều vào các công trình nghiên cứu tối ưu cho ngành nước. Các mô hình tối ưu hóa, kể cả các mô hình tối ưu hóa động cho các hệ thống tài nguyên nước của các quốc gia, đặc biệt là các hệ thống của các quốc gia đang phát triển như Ấn Độ, Trung Quốc, Ả Rập, Banglades, Brazin, … Các mô hình tối ưu hóa này được sử dụng cho hầu hết các lĩnh vực liên quan đến tài nguyên nước như tưới, phát điện, nuôi trồng thủy sản, cấp nước sinh hoạt, … và cả sự điều tiết phân bổ nhu 8