Áp dụng lý thuyết tối ưu hóa cho bài toán phân bổ hiệu quả tài nguyên nước ở lưu vực sông hồng – thái bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO VĂN KHIÊM ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU HĨA CHO BÀI TỐN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNG- THÁI BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO VĂN KHIÊM ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU HÓA CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SƠNG HỒNG- THÁI BÌNH Chun ngành: Quy hoạch quản lý tài nguyên nƣớc Mã số: 62-62-30-01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Nguyễn Quang Kim HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn dƣới hình thức Các tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn ghi rõ nguồn theo quy định Tác giả luận án Đào Văn Khiêm i LỜI CÁM ƠN Tác giả trân trọng cám ơn GS.TS Nguyễn Quang Kim tận tình hƣớng dẫn tác giả nghiên cứu hoàn thành Luận án Tiến sĩ Tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc, Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ động viên tác giả trình nghiên cứu, thực Luận án Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp GS.TS Nguyễn Khắc Minh, NCS Bùi Thu Hịa đóng góp nhiều ý kiến q báu cho tác giả việc hoàn thành Luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .x MỞ ĐẦU xi Tính cấp thiết đề tài xi Mục tiêu nghiên cứu xii Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu xii Các tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu xiii Ý nghĩa khoa học thực tiễn xiv Những đóng góp luận án xvi Cấu trúc luận án xvii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm chung lƣu vực 1.1.1 Các đặc trƣng khí hậu 1.1.2 Các đặc điểm kinh tế xã hội 1.1.3 Tình hình quản lý tài nguyên nƣớc Hệ thống Sông Hồng Thái Bình 1.1.3.1 Tại Trung Quốc .2 1.1.3.2 Tại Việt Nam 1.2 Công tác quy hoạch quản lý 1.2.1 Công tác định cấp quy hoạch .4 1.2.2 Công tác quy hoạch mức quản lý .4 1.2.3 Quy hoạch ràng buộc cho tƣới vụ Đông Xuân 1.2.4 Tình trạng khẩn cấp mùa lũ 1.3 Tình hình ứng dụng tối ƣu hóa cho quy hoạch quản lý tài nguyên nƣớc giới 1.3.1 Mơ hình hóa quản lý tài nguyên nƣớc cấp lƣu vực sông 1.3.2 Kinh tế học phân bổ tài nguyên nƣớc 1.3.4 Mơ hình kinh tế thủy văn tổng hợp phát triển gần 12 1.4 Ứng dụng nghiên cứu tối ƣu hóa cho quy hoạch quản lý tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Hồng .14 iii 1.4.1 Quy hoạch tài nguyên nƣớc vùng lƣu vực sơng Hồng Thái Bình 14 1.4.2 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa .15 1.4.3 Các thách thức việc xây dựng thủ tục vận hành liên hồ chứa 17 1.5 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ƣu hóa mục tiêu nghiên cứu Luận án 18 1.5.1 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ƣu hóa động phân bổ hiệu kinh tế QH&QLTNN Việt nam 18 1.5.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án 20 1.5.2.1 Tình hình nghiên cứu tối ƣu hóa QH&QLTNN Lƣu vực Sơng Hồng - Thái bình 20 1.5.2.2 Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án 21 CHƢƠNG THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC .25 2.1 Mở đầu 25 2.1.1 Đặt vấn đề 25 2.1.2 Mơ hình phân bổ tài nguyên 27 2.2 Hệ thống Mơ hình hóa Phân bổ Tài nguyên nƣớc Lƣu vực sông (Aquarius) 29 2.2.1 Giới thiệu mơ hình Aquarius 29 2.2.2 Hiệu chỉnh Phát triển mơ hình Aquarius 33 2.2.3 Tóm tắt 35 2.3 Bài toán tối ƣu hóa với ràng buộc hỗn hợp .36 2.3.1 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc đẳng thức 36 2.3.2 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc bất đẳng thức 37 2.3.3 Trƣờng hợp tổng quát: ràng buộc hỗn hợp 37 2.3.4 Một số nhận xét 38 2.4 Phƣơng pháp giải gần ứng dụng phần mềm Lingo 39 2.4.1 Phƣơng pháp giải gần .39 2.4.2 Ứng dụng phần mềm Lingo 41 2.4.3 Phát triển thủ tục tối ƣu hóa ngẫu nhiên cho ứng dụng .43 2.5 Kết luận 44 CHƢƠNG PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƢU VỰC SÔNG HỒNG 45 3.1 Đặt vấn đề 45 iv 3.2 Một số cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc cấu trúc chi phí 45 3.2.1 Cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc tƣới 46 3.2.1.1 Cầu tĩnh nƣớc tƣới 46 3.2.1.2 Cầu động nƣớc tƣới 48 3.2.2 Cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc phát điện .57 3.2.3 Cấu trúc chi phí 58 3.2.3.1 Chi phí vận hành 58 3.2.3.2 Chi phí vốn 60 3.2.3.3 Nhận xét .62 3.3 Mơ hình tối ƣu hóa động cho Hệ thống Núi Cốc .63 3.3.1 Giới thiệu Hệ thống Núi Cốc 63 3.3.2 Phân tích ƣớc lƣợng hàm cầu hàm giá trị sử dụng nƣớc 64 3.3.2.1 Hàm cầu sử dụng nƣớc tƣới 64 3.3.2.2 Hàm cầu sử dụng nƣớc cho mục đích sinh hoạt 65 3.3.2.3 Hàm cầu nƣớc cho mục đích phát điện 66 3.3.2.4 Hàm cầu sử dụng nƣớc cho mục đích du lịch 67 3.3.3 Tính tốn chi phí 67 3.3.4 Mơ hình tối ƣu hóa động cho hồ chứa Núi Cốc 70 3.3.4.1 Xác định hàm mục tiêu 70 3.3.4.2 Các ràng buộc .71 3.3.4.3 Sử dụng phần mềm Lingo 16 71 3.3.5 Tóm tắt kết mơ hình tối ƣu hóa động tất định cho hồ chứa Núi Cốc .71 3.3.6 Tóm tắt kết mơ hình tối ƣu hóa động ngẫu nhiên 80 3.4 Mơ hình tối ƣu hóa động cho Hệ thống Sơn La – Hịa Bình 86 3.4.1 Giới thiệu hệ thống hồ chứa Sơn La – Hịa Bình .86 3.4.2 Mơ hình phân bổ nƣớc Hệ thống Sơn La – Hịa Bình 89 3.4.3 Kết mơ hình tối ƣu hóa động cho hệ thống Sơn La – Hịa Bình 90 3.5 Kết luận 102 CHƢƠNG CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNG .105 4.1 Đặt vấn đề .105 v 4.1.1 Giới thiệu độc quyền 105 4.1.2 Khái niệm Độc quyền tự nhiên 106 4.1.2.1 Độc quyền công ty sản phẩm đơn 107 4.1.2.2 Điều chỉnh công ty sản phẩm đơn 108 4.1.2.3 Tóm tắt .110 4.1.3 Xây dựng phƣơng pháp xác định cấu trúc độc quyền tự nhiên từ kết lời giải tối ƣu mơ hình tối ƣu hóa động cho phân bổ hiệu nƣớc .111 4.2 Các kết chạy mơ hình tối ƣu hóa động cho hệ thống Núi Cốc .116 4.3 Tối ƣu hóa động ngẫu nhiên phục vụ nghiên cứu cấu trúc độc quyền tự nhiên hệ thống hồ chứa Sơn La – Hịa Bình 121 4.3.1 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới đủ tất định giảm dòng chảy đến ngẫu nhiên (mơ hình chi phí hàm mũ) .122 4.3.2 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới trƣớc Đổi dòng chảy đến ngẫu nhiên .123 4.3.3 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới tất định sau Đổi dịng chảy đến ngẫu nhiên (mơ hình với chi phí hàm mũ) 124 4.3.4 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới giảm dịng chảy đến ngẫu nhiên khơng có can thiệp phủ 125 4.3.5 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới ngẫu nhiên giảm dòng chảy đến ngẫu nhiên điều kiện tƣới đủ (mơ hình với chi phí bậc ba) .126 4.3.6 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới ngẫu nhiên giảm dòng chảy đến ngẫu nhiên điều kiện cạnh tranh hồn hảo (mơ hình với chi phí bậc ba) 127 4.3.7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu với mơ hình cầu tƣới ngẫu nhiên ARIMA (mơ hình với chi phí hàm mũ) 128 4.3.8 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới ngẫu nhiên giảm, dịng chảy đến ngẫu nhiên, cầu điện tăng (mơ hình với chi phí hàm mũ) .129 4.3.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu tính theo tháng (mơ hình với chi phí hàm mũ) 130 4.3.10 Một số nhận xét .131 4.4 Kết luận chƣơng .132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134 Kết đạt đƣợc luận án 134 Tóm tắt đóng góp luận án .136 Kiến nghị đề xuất từ kết nghiên cứu luận án 136 vi DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 PHỤ LỤC 145 MỘT SỐ THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH THƢỜNG ĐƢỢC SỬ DỤNG 216 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mơ biến liên quan đến hồ chứa 30 Hình 3.1 Các quỹ đạo tối ƣu kế hoạch tối ƣu ứng với mẫu số liệu ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ chứa Núi Cốc tƣới đủ 81 Hình 3.2 Hàm mật độ phân phối xác suất tổng lợi ích rịng 82 Hình 3.3 Các quỹ đạo tối ƣu hóa tùy thuộc tình ngẫu nhiên 82 Hình 3.4 Hàm mật độ phân phối xác suất tổng lợi ích rịng 83 Hình 3.5 Tối ƣu hóa với cầu tƣới ngẫu nhiên dịng chảy đến ngẫu nhiên 83 Hình 3.6 Hàm mật độ phân phối xác suất cho mức tổng lợi ích rịng 84 Hình 3.7 Mơ hình tối ƣu hóa động với cầu tƣới ngẫu nhiên giá lúa ngẫu nhiên 84 Hình 3.8 Hàm phân phối xác suất mức tổng lợi ích rịng 85 Hình 3.9 Sơ đồ vận hành Liên hồ Sơn La – Hịa Bình 88 Hình 3.10 Các quỹ đạo tối ƣu (theo giá trị tại, tức chƣa đƣợc chiết khấu) với cầu tƣới tất định giảm dần dòng chảy đến ngẫu nhiên 93 Hình 3.11 Hàm mật độ phân phối xác suất tổng lợi ích chiết khấu 94 Hình 3.12 Các quỹ đạo tối ƣu (đã đƣợc chiết khấu tổng lợi ích với cầu tƣới tất định giảm dần dòng chảy đến ngẫu nhiên 94 Hình 3.13 Hàm mật độ phân phối xác suất trƣờng hợp có chiết khấu 95 Hình 3.14 Các quỹ đạo tối ƣu tổng lợi ích (chƣa chiết khấu) 95 Hình 3.15 Hàm mật độ phân phối xác suất mức tổng lợi ích 96 Hình 3.16 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới tất định dịng chảy đến ngẫu nhiên 96 Hình 3.17 Hàm mật độ phân phối xác suất 97 Hình 3.18 Hàm mật độ phân phối xác suất 97 Hình 3.19 Các quỹ đạo tổng lợi ích tối ƣu (chƣa chiết khấu) .98 Hình 4.1 Các quan hệ AC Q (biểu đồ a) TB/Q Q (biểu đồ b) 114 Hình 4.2 Hàm cầu xả nƣớc từ hệ thống hồ chứa 115 Hình 4.3 Cấu trúc độc quyền tự nhiên hồ chứa Núi Cốc cho tƣới phát điện 117 Hình 4.4 Độc quyền tự nhiên hồ chứa Núi Cốc khơng can thiệp tƣới 118 Hình 4.5 Cấu trúc độc quyền tự nhiên Núi Cốc cầu tƣới dòng chảy đến đại lƣợng ngẫu nhiên điều kiện tƣới đủ (3, 9, 15, 19) 119 Hình 4.6 Cấu trúc độc quyền tự nhiên Núi Cốc với năm 5, 10, 13, 19 .120 Hình 4.7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 2, 4, 9, 12, 15, 19 .122 Hình 4.8 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 1, 5, 10, 13, 19,21 123 Hình 4.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 3, 7, 9, 13, 17, 19 124 Hình 4.10 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 5, 9, 13, 16, 20, 24 125 Hình 4.11 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 3, 5, 9, 11, 18, 25 126 Hình 4.12 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 3, 7, 9, 15, 19, 25 127 Hình 4.13 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 3, 7, 9, 11, 17, 23 128 Hình 4.14 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho năm 3, 5, 9, 12, 19, 23 129 vi