Tích hợp phương pháp phân tích thứ bậc fuzzy AHP và phương pháp fuzzy GIS trong phân vùng phát triển điện gió tỉnh bạc liêu theo hướng bền vững

Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường 2022, 6(1):493-506 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Tích hợp phương pháp phân tích thứ bậc Fuzzy-AHP phương pháp Fuzzy -GIS phân vùng phát triển điện gió tỉnh Bạc Liêu theo hướng bền vững Hoàng Nhật Trường1 , Lý Thị Bích Trâm2,* , Đỗ Thị Thu Huyền2 , Nguyễn Minh Hiếu2 TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Dưới góc độ kinh tế, môi trường xã hội, việc lựa chọn địa điểm dự án gió tốn khó với nhiều tiêu chí cần xem xét Nghiên cứu đề xuất công cụ hỗ trợ định thơng qua việc tích hợp phương pháp phân tích thứ bậc Fuzzy-AHP nhằm xác định trọng số tiêu chí phương pháp Fuzzy -GIS để chuẩn hóa liệu xây dựng đồ phân vùng khu vực tiềm năng, xác định phương án bố trí tối ưu nhà máy điện gió Nghiên cứu đề xuất 02 tiêu chí đánh giá, bao gồm tiêu chí loại trừ tiêu chí đánh giá xếp hạng mức độ ưu tiên khu vực phát triển điện gió Nhóm tiêu chí đánh giá phân thành nhóm tiêu chí cấp 10 tiêu chí cấp Bên cạnh kết nghiên cứu cho thấy phù hợp với quy hoạch phát triển điện gió tỉnh Bạc Liêu, kết bật nghiên cứu là: Trong nhà định cho khu vực đất trồng lúa, chiếm 83,86% tổng diện tích tỉnh, khơng thích hợp để phát triển điện gió nhóm nghiên cứu phát khu vực ruộng lúa cần đưa vào khu vực xem xét quy hoạch có tốc độ gió lớn tác động tích cực trang trại gió mang lại cho suất trồng giảm thiểu tác động tiêu cực lên mơi trường tự nhiên Từ khố: Fuzzy-AHP, Fuzzy -GIS, phân vùng, lựa chọn vị trí, điện gió GIỚI THIỆU Trường Đại học Quốc tế, ĐHQG-HCM, Việt Nam Viện Môi trường Tài nguyên, ĐHQG-HCM, Việt Nam Liên hệ Lý Thị Bích Trâm, Viện Mơi trường Tài nguyên, ĐHQG-HCM, Việt Nam Email: bichtram@hcmier.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 07-12-2021 • Ngày chấp nhận: 05-01-2022 • Ngày đăng: 30-06-2022 DOI : 10.32508/stdjsee.v6i1.669 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Trong nhiều năm qua, có nỗ lực to lớn việc giới thiệu kỹ thuật định đa tiêu chí (Multiple Criteria Decision Making -MCDM) để tìm định xếp hạng thứ bật hiệu MCDM giúp người định đưa định mang tính khách quan có tính định lượng so với phương pháp truyền thống mang tính định tính chủ quan Bên cạnh đó, việc ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc kỹ thuật định đa tiêu chí kết hợp phương pháp với kết hợp một/nhiều phương pháp nhóm kỹ thuật với GIS/Fuzzy logic GIS việc lựa chọn vị trí tối ưu, lĩnh vực lượng tái tạo Trên giới Việt Nam, có nhiều nghiên cứu phát triển công cụ hỗ trợ định lựa chọn vị trí điện gió dựa sử dụng kết phương pháp GIS phương pháp phân tích định đa tiêu chí Trong đó, phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process – AHP) phương pháp phân tích thứ bậc mờ (Fuzzy Analytic Hierarchy Process - FAHP) phương pháp MCDM sử dụng phổ biến Bảng thể tổng quan số nghiên cứu năm gần thực liên quan đến việc xác định vị trí đặt nhà máy điện gió Tại tỉnh Bạc Liêu, dựa quy hoạch phát triển điện gió tỉnh Bạc Liêu Quyết định số 1403/QĐ-BCT Bộ Công Thương phê duyệt ngày 11/4/2016, tỉnh Bạc Liêu xác định vùng quy hoạch phát triển điện gió Mặc dù vậy, nội dung quy hoạch chưa có phương pháp cụ thể đề cập mức độ ảnh hưởng tiêu chí đánh giá nội dung quy hoạch chưa thể rõ ràng Do đó, cơng cụ hỗ trợ định dựa Fuzzy AHP kết hợp với phương pháp Fuzzy logic-GIS nghiên cứu đem lại phương pháp khả thi nhằm xây dựng cơng cụ để xác định vị trí tối ưu lĩnh vực lượng tái tạo KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Khu vực nghiên cứu Tỉnh Tỉnh Bạc Liêu nằm Tây Nam Bộ, thuộc khu vực Đồng sơng Cửu Long (Hình 1), có tọa độ từ 90 00’00” đến 90 37’30” vĩ độ Bắc từ 1050 15’00” đến 1050 52’30” kinh độ Đông, địa hình tự nhiên thấp Trích dẫn báo này: Trường H N, Trâm L T B, Huyền D T T, Hiếu N M Tích hợp phương pháp phân tích thứ bậc Fuzzy-AHP phương pháp Fuzzy -GIS phân vùng phát triển điện gió tỉnh Bạc Liêu theo hướng bền vững Sci Tech Dev J - Sci Earth Environ 2022; 6(1):493-506 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường 2022, 6(1):493-506 Bảng 1: Tổng quan số nghiên cứu năm gần liên quan đến việc xác định vị trí đặt nhà máy điện gió Phương pháp thực Khu vực nghiên cứu Năm Tài liệu tham khảo GIS AHP Ấn Độ 2021 GIS AHP Thổ Nhĩ Kỳ 2021 GIS FAHP Morocco 2021 GIS AHP Governorate 2021 GIS AHP Virginia 2021 GIS Phương pháp kết hợp có trọng số MDCM Hy Lạp 2021 Grid GIS Choquet Fuzzy Integral Trung Quốc 2021 Các số mờ ngơn ngữ trực quan tốn tử IL-WAA Trung Quốc 2020 TOPSIS Saudi Arabia 2020 Phương pháp định lượng, GIS, phân tích định đa tiêu chí Israel 2020 10 IAHP, VIKOR GIS Trung Quốc 2020 11 GIS- phân tích định đa tiêu chí, Mơ hình Deep-array wake Saudi Arabia 2020 12 GIS phương pháp đánh giá thứ bậc Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha Pháp 2020 13 AHP- TOPSIS Apogee tools - GIS Hy Lạp 2020 14 AHP TOPSIS Hy Lạp 2019 15 GIS- Phân tích định đa tiêu chí Anh 2019 16 Phần mềm AHP- HGM-KURE Thổ Nhĩ Kỳ 2019 17 GIS- Phân tích định đa tiêu chí Hong Kong 2019 18 PROMETHEE-GIS - 2019 19 AHP-GIS Thổ Nhĩ Kỳ 2019 20 Hình 1: Khu vực nghiên cứu Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường 2022, 6(1):493-506 tương đối phẳng, phía Bắc giáp tỉnh Hậu Giang Kiên Giang; phía Đơng Đơng Bắc giáp tỉnh Sóc Trăng; phía Tây Tây Nam giáp tỉnh Cà Mau; phía Đơng Đơng Nam giáp biển Đông Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất mơ hình MCDM, bao gồm tích hợp phương pháp Fuzzy- GIS phương pháp Fuzzy-AHP để lựa chọn vị trí tối ưu cho việc xây dựng nhà máy điện gió theo hương bền vững Có 04 giai đoạn nghiên cứu này, thể Hình - Giai đoạn 1: Xác định mục tiêu tiêu chí Trong bước này, tiêu chí để lựa chọn vị trí tối ưu xác định Tất tiêu chí xây dựng thông qua tham khảo ý kiến chuyên gia tổng hợp, đánh giá tài liệu nghiên cứu trước Để xác định khu vực tiềm phát triển điện gió, hai tiêu chí gồm tiêu chí loại trừ tiêu chí có trọng số xác định dựa việc tham vấn ý kiến chuyên gia tổng quan tài liệu nghiên cứu có Các tiêu chí loại trừ sử dụng để xác định vùng không phù hợp để phát triển điện gió tiêu chí có trọng số phục vụ việc phân loại xếp hạng mức độ phù hợp khu vực lại cho việc phát triển dự án điện gió 21 Các tiêu chí phân loại mơ tả Bảng Bảng - Giai đoạn 2: Thu thập xây dựng sở liệu cho tiêu chí xác lập Các liệu liên quan chuyển thành lớp đồ để xử lý bước môi trường GIS Các liệu liên quan thu thập từ nguồn uy tín, cơng bố rộng rãi, đó: • Dữ liệu gió độ cao 100m lấy từ sở liệu The Global Wind Atlas, đó, số liệu đo gió tham khảo liệu xây dựng từ trạm đo gió Thạnh Hải (thuộc huyện Thạnh Phú, tỉnh Bến Tre), cách tỉnh Bạc Liêu khoảng 120km; • Dữ liệu đo gió trạm đo gió Cơng Lý (tại Tp Bạc Liêu) phục vụ hiệu chỉnh đồ tiềm gió; • Dữ liệu sử dụng đất để tính hệ số ma sát mặt đất theo công thức Hellman v = v0 ( H H0 )α Trong đó: v vận tốc gió độ cao H, v0 vận tốc gió độ cao H0 α hệ số ma sát bề mặt hay số mũ Hellman (Bảng 4) Từ kết xây dựng từ liệu gió tồn cầu, tốc độ gió độ cao 80m xác định dao động từ 4,32 m/s đến 6,64 m/s tốc độ gió trung bình tồn vùng 5,49m/s Áp dụng Fuzzy để chuẩn hóa liệu: - Chuyển định dạng liệu vector thành raster với độ phân giải 300m x 300m - Chuẩn hóa liệu: Phương pháp phân loại Fuzzy Logic phương pháp dựa nguyên tắc pixel thuộc nhiều lớp phủ lớp phủ chiếm tỷ lệ phần trăm tương ứng pixel Dữ liệu các lớp tiêu chí phân loại lại chuyển đổi theo thang điểm từ đến dựa khả thành viên tập hợp cụ thể gán cho vị trí chắn khơng phải thành viên tập định, gán cho giá trị chắn thành viên tập định toàn phạm vi khả từ đến gán cho số mức thành viên (số lượng lớn khả lớn) Việc chuẩn hóa lớp đồ cần thiết để chuyển đổi đơn vị không đồng thành đơn vị tương tự so sánh 40 Trong nghiên cứu này, lớp đồ chuẩn hóa logic mờ thông qua hàm thuộc mờ thể Bảng Bảng đưa giá trị tham chiếu ngưỡng cho phép tiêu chí tiêu chí phụ - Các tiêu chí có trọng số chuẩn hóa hàm Fuzzy Logic tương ứng sau: Kết chuẩn hóa 10 tiêu chí thể Hình - Giai đoạn 3: Áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc Fuzzy-AHP nhằm xác định trọng số tiêu chí phương pháp Fuzzy -GIS để chuẩn hóa liệu xây dựng đồ Bản đồ khu vực phù hợp để phát triển điện gió xây dựng thơng qua phương pháp Tổ hợp tuyến tính có trọng số (WLC) lớp tiêu chí Trong phương pháp phân tích thứ bậc Fuzzy -AHP, thang đo chuyển đổi áp dụng để chuyển đổi biến ngôn ngữ thành số Fuzzy Nghiên cứu sử dụng thang đo từ đến 43 với khoảng chuyển đổi thể Bảng Từ đó, ma trận so sánh cặp Fuzzy xây dựng sau:   a12 a1n a a2n   21  A=      a an2  n1  (1) a12 a1n 1/a a2n   12  =      1/a1n 1/a2n Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường 2022, 6(1):493-506 Hình 2: Khung tiến trình nghiên cứu Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường 2022, 6(1):493-506 Bảng 2: Các tiêu chí loại trừ Tên tiêu chí Mơ tả Khu vực bảo vệ theo luật Các khu vực bảo vệ theo luật gồm khu bảo tồn thiên nhiên, khu sinh quyển, di tích lịch sử khảo cổ, khu vực di sản văn hóa, khu vực an ninh- quốc phòng, khu du lịch, rừng phòng hộ, hành lang an toàn khu vực phạm vi đệm 500 m vùng phân loại khu vực không phù hợp 22–24 Khu mặt nước chuyên dùng (sông, hồ) khu đất ngập nước Các khu vực mặt nước chuyên dùng (sông, hồ tự nhiên, kênh thủy lợi) không phù hợp cho nhà máy điện gió cản trở đường dẫn nước chi phí xây dựng cao Do đó, khu vực vùng đệm 200 m sông cấp phân loại vùng loại trừ 25 Khu vực có tốc độ gió 6,0 m/s Theo tài liệu hướng dẫn đánh giá lượng gió, tốc độ gió 5-6m/s tốc độ gió khả thi cho bơm nước phát điện thương mại Tốc độ gió 6m/s trở lên phù hợp cho phát triển điện gió 26 Do đó, nghiên cứu chọn loại trừ khu vực có tốc độ gió 6,0 m/s Hình 3: Các tiêu chí chuẩn hóa theo lớp liệu đồ Tnh tốn trọng số Fuzzy cho tiêu chí Sử dụng phương pháp trung bình hình học để xác định số trung bình hình học Fuzzy trọng số Fuzzy cho tiêu chí r j = (ai1 × ai2 × ai3 × × ain )1/n (2) w j = (r1 × r2 × r3 × × rn )−1 (3) ( ) Với w j = Lw j , Mw j ,Uw j , Lw j , Mw j Uw j đại diện cho giá trị thấp nhất, trung bình cao trọng số Fuzzy tiêu chí thứ j Giải mờ trọng số Fuzzy Vì w j số mờ nên tiến hành giải mờ phương pháp khu vực trung tâm (Centre of Area method) theo công thức: _ wj = Trong đó: r j số trung bình hình học Fuzzy w j trọng số Fuzzy tiêu chí thứ j, Lw j + Mw j +Uw j (4) _ Với w j trọng số thực tiêu chí thứ j Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường 2022, 6(1):493-506 Bảng 3: Các tiêu chí có trọng số Nhóm tiêu chí (*) Tiêu chí Mơ tả Ký hiệu Kỹ thuật Tốc độ gió (m/s) Tốc độ gió đóng vai trị quan trọng việc lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy điện gió yếu tố để xác định sản lượng điện nhà máy điện gió 27–29 C11 Cao độ địa hình (m) Địa hình thấp, phẳng thuận lợi cho việc xây dựng, vận hành bảo trì nhà máy 27,30,31 C12 Khoảng cách đến lưới điện (m) Việc lựa chọn địa điểm gần với lưới điện cần thiết để giảm chi phí đầu tư mạng lưới trung chuyển giảm thất thoát điện 29,31,32 C13 Khoảng cách đến đường giao thông (m) Vị trí nhà máy điện gió gần mạng lưới đường giao thơng (huyện lộ trở lên) việc xây dựng bảo trì thuận tiện 23,31 C14 Khoảng cách đến khu dân cư đô thị (m) Các trụ gió gió gần khu thị gây tác động tiêu cực (tiếng ồn, độ nhấp nháy) đến người dân địa phương Để giảm thiểu tác động tiêu cực đến mơi trường, vị trí xây dựng nên cách khu đô thị khoảng cách xa có thể, 2.000 m 23,32 C21 Khoảng cách đến cơng trình văn hóa, lịch sử, tơn giáo, tín ngưỡng Khu vực quy hoạch nên đặt xa cơng trình văn hóa, tín ngưỡng (khu vực tập trung đông người) tác động tiêu cực tiếng ồn, độ nhấp nháy cảnh quang trụ gió gây 33,34 C22 Khoảng cách đến các cơng trình hạ tầng thu phát sóng, tín hiệu Các trụ gió có khả gây tác động đến hạ tầng thu phát tín hiệu, làm nhiễu gián đoạn tín hiệu thu phát sóng radio 35 C23 Khu vực sinh sống loài chim dơi Mặc dù nằm khu bảo tồn, trụ điện gió gây tiếng ồn tác động thị giác, ảnh hưởng đến môi trường sống loài chim dơi khác Cánh quạt tuabin gây va chạm, phương hướng với loài chim dơi 22,31,32,36–38 C31 Tác động tiếng ồn Tiếng ồn di chuyển theo tần số khác lan truyền khơng gian bị ảnh hưởng số yếu tố: khoảng cách, số lượng tuabin hoạt động, tần số, vận tốc hướng gió, tiếng ồn xung quanh yếu tố địa lý khác gây tác động lên người sinh vật C32 Tác động độ nhấp nháy bóng cánh quạt tuabin Các cánh quay làm gián đoạn ánh sáng mặt trời, tạo tượng nhấp nháy Mặc dù nhấp nháy không gây nguy hiểm cho sức khỏe người tượng thường xuyên gây tác động lên tâm lý, gây khó chịu cho người dân Ngưỡng tác động xác định không vượt 30 giờ/năm, tương ứng với khoảng cách 1,2km từ tuabin theo kết đánh giá mơ hình C33 Kinh tế Xã hội Mơi trường Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường 2022, 6(1):493-506 Bảng 4: Số mũ Hellman theo loại địa hình 39 Dạng địa hình Hệ số α Phân theo loại đất tương ứng Bạc Liêu Hồ, biển dạng địa hình cứng, phẳng 0,10 Đất sơng, hồ, mặt nước, đất làm muối, nuôi thủy sản (MNC, SON, LMC, TSL, TSN) Đồng cỏ, địa hình thấp, vật cản 0,15 Đất trồng lúa (LUC, LUK, LUN), giao thông Cây cao, hàng rào, bụi 0,20 Đất trồng hàng năm, lâu năm, công nghiệp, đất rừng phịng hộ, đất nơng thơn (ONT, LNC, LNQ, LNK, RPT, RPN, RSX, RPH) Khu vực có rừng rậm 0,25 N/A Thị trấn nhỏ với số cối bụi rậm 0,30 Đất đô thị, đất công nghiệp, an ninh, dịch vụ Khu vực thành phố có nhà cao tầng 0,40 N/A Bảng 5: Các hàm thuộc mờ (Fuzzy membership functions) sử dụng nghiên cứu 41 µA (x) = Hàm thuộc dạng tam giác µA (x) =                                 0, x ≤ a x−a b−a′ , a