Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông hồng

Bài toán quản lý tổng hợp nguồn nước có gắn kết tính toán cân bằng nước với hiệu quả kinh tế các hộ dùng nước và diễn biến tác động môi trường nguồn nước đã bước đầu được nghiên cứu và ứ

VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC

VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN

BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS TÔ TRUNG NGHĨA

II PHẦN CHÍNH CỦA BÁO CÁO

2.1 Đặt vấn đề

2.1.1 Lưu vực sông Hồng-Thái Bình

Lưu vực sông Hồng là lưu vực sông quốc tế bắt nguồn từ lãnh thổ Trung Quốc có diện tích tự nhiên lưu vực 169 000Km2, trong đó phần thuộc lãnh thổ Việt Nam là 86 680 Km2 bao gồm địa giới hành chính của 26 tỉnh Bắc bộ là trung tâm chính trị, kinh tế của cả nước

Mặc dù nguồn sinh thuỷ lưu vực khá lớn tuy vậy phân bổ rất không đồng đều theo thời gian và không gian nên hàng năm hạn hán, lũ, ô nhiễm môi trường nước vẫn thường xuyên xảy ra và ngày càng diễn biến trầm trọng mặc dù hệ thống công trình thuỷ lợi trên lưu vực đã được quan tâm đầu tư xây dựng khá hoàn chỉnh Nguyên nhân một phần là do biến đổi bất thường theo chiều hướng xấu của chế độ khí hậu trong lưu vực, nhưng phần lớn có thể do tác động của nhu cầu phát triển kinh tế trong vùng lớn, công quản lý khai thác nguồn nước còn nhiều bất cập, các vấn đề về môi trường nước chưa được quan tâm đúng mức

Đặc biệt trong 3 năm gần đây, 2004-2006, hạn hán liên tục xảy ra trên diện rộng theo

xu thế cực đoan Mực nước sông Hồng nhiều lần đã xuống đến mức thấp nhất trong

100 năm gần đây (mực nước tại Hà Nội là 1.58 m ngày 8/3/2005, 1.6m 20/1/2006, 1.46m ngày 4/2/2006), hạn hán dẫn đến thiếu thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp và các ngành kinh tế trên lưu vực cũng như các diễn biến nguy hiểm về môi trường nguồn nước ở một số vùng trên lưu vực

Mức độ ô nhiễm môi trường nước xảy ra trầm trọng ở một số vùng như Việt Trì, Thái Nguyên, Bắc Giang, Hải Dương, Phủ Lý do nguồn thải từ các hoạt động công nghiệp, dân sinh không qua xử lý trực tiếp vào nguồn nước trong khi lưu lượng pha loãng trong sông nhỏ không đáp ứng đủ khả năng tự pha loãng của sông tự nhiên (Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2002, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2006)

2.1.2 Hiện trạng khai thác sử dụng và bảo vệ nguồn nước

Tình hình hạn hán thời gian vừa qua ở Việt Nam xảy ra trên diện rộng với mức độ khá trầm trọng ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất ở nhiều địa phương như thiếu nước phục

vụ sinh hoạt, công nghiệp, thiếu nước tưới, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống hồ chứa thủy điện, suy giảm nước ngầm, tắc nghẽn giao thông thủy Hạn cũng gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái lưu vực sông như ô nhiễm nguồn nước, xâm nhập mặn vùng cửa sông Đặc biệt các điểm nóng về môi trường nguồn nước trong thời gian qua đã xảy ra ở các lưu vực sông Nhuệ-Đáy, Đồng Nai, Cầu-Thương Hạn hán xảy ra khi mưa rơi trên lưu vực thấp hơn trung bình nhiều năm, khi dòng chảy đến trong sông nhỏ hơn giá trị trung bình của chuỗi số liệu đo Ngoài ra sụt giảm nguồn nước trên lưu vực sông còn có nguyên nhân rất lớn từ các hoạt động khai thác không hợp lý của các hoạt động sản xuất trên lưu vực

Trên lưu vực hàng nghìn hệ thống công trình thủy lợi đã được xây dựng tưới cho 620

000 ha lúa chiêm xuân, 730 000 ha lúa mùa, hàng chục nghìn ha rau màu, cây công nghiệp, cây ăn quả, chống lũ kết hợp tiêu úng bảo vệ hàng vạn ha đất canh tác và các khu công nghiệp dân cư đô thị trên toàn lưu vực Nhờ có công trình thủy lợi đã chuyển được hàng trăm nghìn ha đất canh tác 1 vụ sang 2 đến 3 vụ, năng suất cây trồng ngày một tăng

Lưu vực sông Hồng với tổng lượng dòng chảy khá lớn (khoảng 135 tỉ m3/năm) nhưng phân bổ rất không đều theo thời gian trong năm, tổng lượng dòng chảy 7-9 tháng mùa khô chỉ chiếm từ 20-30% tổng lượng dòng chảy năm Đặc biệt trong vài năm trở lại đây tình hình hạn hán trên lưu vực ngày càng trở lên khắc nghiệt do diễn biến bất thường của thời tiết, dòng chảy đến hệ thống sông cũng như công tác quản lý vận hành

hệ thống công trình hồ chứa lớn chưa phù hợp (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2006b)

Năm 2003-2004 do mùa mưa năm 2003 kết thúc sớm với lượng mưa thiếu hụt 10-30%

so với TBNN nên từ tháng 9/2003 đến tháng 3/2004 nhiều khu vực không có mưa với lượng thiếu hụt khoảng 100-300mm Thời tiết khô hanh diễn ra liên tục dẫn đến bốc hơi mạnh làm giảm mực nước các hồ chứa, sông suối, ao hồ Cùng với thời tiết khô hanh dòng chảy đến trên các sông cũng giảm khoảng 10-20% so với TBNN Thiếu nước dẫn đến mực nước trên các sông suối giảm mạnh cản trở công tác lấy nước phục

vụ tưới, mặn xâm nhập sâu vào các cửa sông

Mùa khô 2004-2005 có thể nói là một trong những năm có diễn biến hạn trầm trọng nhất đã xảy ra trong thời gian gần đây nguyên nhân chính là từ diễn biến bất thường của dòng chảy đến, thời tiết, công tác vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên hệ thống Mùa mưa năm 2004 kết thúc sớm 1-2 tháng với lượng mưa 10 tháng đầu năm thiếu hụt 30% so với TBNN đồng thời với với dòng chảy đến đầu năm 2005 trên hai nhánh sông Thao và sông Lô đều giảm khoảng 27%-35% dẫn đến tổng dòng chảy về toàn hệ thống tại Sơn Tây rất nhỏ, mực nước tại Hà Nội xuống đến 1.58m (8/3/2005) Diễn biến bất thường của thời tiết cũng ảnh hưởng lớn đến tình hình tích nước của các

hồ chứa cấp nước Hồ Hòa Bình và hồ Thác Bà đạt mức thấp hơn TBNN và thấp hơn năm 2004 Tình hình dung tích tích nước ở các hồ chứa vừa và nhỏ, các hồ chứa nhỏ

và đập dâng ở miền núi trung du thiếu hụt 50-70% (Nguyễn Đình Ninh, 2006)

Mùa khô năm 2005-2006 tình hình có khả quan hơn khi ở đầu mùa khô hồ chứa Hòa Bình tích được đến mực nước dâng bình thường (117 m) và hồ chứa Thác Bà tích lên đến 58.05m tuy vậy trong những một số giai đoạn đầu tháng II/2006 có thời gian hồ Hòa Bình, Thác Bà gần như không xả nước xuống hạ du dẫn đến mực nước sông Hồng

hạ xuống mức 1.38 m lúc 13h ngày 20/2 tại Hà Nội (Viện Quy hoạch Thủy lợi,

hàng năm trên lưu vực giảm so với TBNN đồng thời lượng bốc hơi lớn do thời tiết khô hanh có thể là do ảnh hưởng của sự xuất hiện thường xuyên và kéo dài của hiện tượng El-nino (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2006a)

Sự gia tăng dân số kéo theo quá trình phát triển của các ngành kinh tế cũng làm tăng mức độ phức tạp của các hoạt động sử dụng nước trong khi phát triển thủy lợi còn chậm, còn thiếu công tình thủy lợi điều tiết nước giữa mùa mưa và mùa khô Các hệ thống công trình thủy lợi hầu hết được xây dựng đã lâu, đã xuống cấp và không đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước ở giai đoạn hiện tại

Một nguyên nhân có thể cần phải xem xét đến là khả năng lấy nước của một số hệ thống công trình thủy lợi vùng thượng nguồn sông Thao thuộc lãnh thổ Trung Quốc cũng có thể làm suy giảm dòng chảy mùa khô về đến Việt Nam (Tô Trung Nghĩa, 2006)

Để đối phó với tình hình hạn Bộ nông nghiệp và PTNT đã áp dụng giải pháp đảm bảo cấp đủ nước cho các hoạt động sản xuất kinh tế trên lưu vực Tuy nhiên tác động về môi trường nguồn nước, tác động lên hệ sinh thái nguồn nước chưa được xem xét đánh giá đúng mức

Do thời gian gần đây dòng chảy trong mùa khô về hạ du biến đổi bất thường, có thời gian dòng chảy sông Hồng đoạn chảy qua thành phố Hà Nội giảm đến mức người dân

có thể lội qua sông Hồng, mực nước tại trạm thủy văn Hà Nội nhiều lần xuống dưới 1.50 m làm gián đoạn giao thông thủy (mực nước thiết kế yêu cầu là 2.15 m)

Lưu lượng dòng chảy giảm thiểu, sụt giảm đầu nước lấy vào hệ thống các công trình thủy lợi kết hợp với việc quản lý vận hành không hợp lý đã làm giảm nguồn cấp nước sạch trong khi nhiều khu đô thị, công nghiệp liên tục xả chất thải ô nhiễm xuống dòng sông đã tác động mạnh mẽ đến môi trường ở nhiều địa phương Điển hình như vùng lưu vực sông Đáy-Nhuệ (thuộc lưu vực sông Hồng) vào thời điểm cuối năm 2005 khi lưu lượng xả thải từ Hà Nội và Hà Tây đã gây ô nhiễm nghiêm trọng vùng nước giao thoa giữa sông Đáy, sông Nhuệ và sông Châu Giang

Theo sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Hà Nam thì nước bẩn làm ảnh hưởng đến khoảng

200000 hộ dân thuộc 30 xã trong tỉnh, trong đó thiệt hại nặng nề nhất là khoảng 200

hộ làng chài thuộc xã Châu Thủy, Châu Giang Dòng chảy nước bẩn đen kịt tràn về vào đúng ngày thứ Bảy nên phải đến ngày thứ hai các cơ quan chức năng của tỉnh mới báo cáo lên Bộ và Trung ương đề nghị giải quyết Để giải quyết tình hình, Bộ Tài nguyên Môi trường đã kiến nghị ngừng trạm bơm xả nước ở Hà Nội và mở cửa xả bơm nước sông Hồng vào, pha loãng độ đậm đặc ô nhiễm của sông Nhuệ, sông Đáy, sông Châu Giang Tình hình nhờ thế mà được cải thiện Đối với làng chài Châu Thủy nước bẩn tràn từ sông Nhuệ sang làm cho cá chết nôi trắng mặt sông, những loài cá sống sâu dưới lớp bùn cũng bị chết, mùi tanh hôi thối nồng nặc vùng ven sông nhiều

hộ dân mất trắng do đầu tư nuôi trồng thủy sản, có hộ mất trắng 400 triệu đồng

Nước bẩn sông Nhuệ nhập vào sông Đáy do bị ảnh hưởng triều lại dềnh lên phía sông Đáy nơi đặt trạm bơm lấy nước cho các nhà máy xử lý nước cho thị xã Phủ Lý làm gián đoạn cấp nước trong thời gian dài từ ngày 23-26/11/2003 gây mất ổn định cho sinh hoạt và sản xuất trong vùng Theo báo cáo của UBND tỉnh Hà Nam trình Chính

Phủ thì ”nước sông Đáy, cách 20 km từ Phủ Lý về phía thượng lưu trở xuống rất hôi

thối, màu đen đặc, đã làm cho cá và một số thuỷ sản khác trên các sông nói trên bị

chết rất nhiều Đặc biệt, nhà máy nước thị xã Phủ Lý đã phải ngừng hoạt động, nhân dân thị xã Phủ Lý và dọc ven sông Nhuệ, sông Châu Giang, sông Đáy không có nước dùng để ăn và sinh hoạt đang trong tình trạng lo lắng, kiến nghị tỉnh phản ánh tới Chính phủ và Quốc hội” Tỉnh Hà Nam cũng đề nghị Thành phố Hà Nội và Hà Tây

cần phối hợp chặt chẽ trong vận hành hệ thống công trình cấp thoát nước để tránh xảy

ra tình trạng ô nhiễm nêu trên Thực tế thì hiện tượng ngừng cấp nước sinh hoạt do nguồn bị ô nhiễm cũng đã xảy ra trong năm 2001 và 2002

Trong phiên họp về giải quyết tình hình thiếu nước gần đây do bộ Tài Nguyên Môi trường chủ trì với sự đóng góp ý kiến của các bộ ngành liên quan như Bộ Nông nghiệp

và PTNT, bộ Công nghiệp, Tập đoàn Điện lực Việt nam qua đánh giá tình hình diễn biến dòng chảy gần đây trên lưu vực sông sông Hồng-Thái Bình đã đi đến kết luận cần tiến hành nghiên cứu xác định dòng chảy môi trường cho lưu vực sông Hồng

2.1.3 Khoa học công nghệ trong quản lý khai thác sử dụng nước

Khởi đầu từ cuộc cách mạng công nghiệp nền kinh tế thế giới phát triển nhanh chóng

cả về phạm vi độ lớn cũng như về tính phức tạp

Cùng với các lợi ích mà quá trình phát triển đem lại chúng cũng đã dẫn đến tình trạng các nghành kinh tế phát triển một cách tự phát lấn át lẫn nhau về nhiều mặt đặc biệt là trong vấn đề chia sẻ các nguồn tài nguyên liên quan Thông thường cùng với tình hình phát triển của một cá thể cũng đồng thời với sự thất bại, biến mất của một số cá thể khác Một số cá thể vẫn phát triển với các nguy cơ đối đầu tiềm ẩn

Một vấn đề liên quan là khi quá trình phát triển trở lên phức tạp sẽ dẫn đến tình trạng rất khó phân chia tài nguyên cho các cá thể để cùng phát triển đồng thời một cách hiệu quả nhất Từ việc cần thiết phải tìm một hướng giải quyết đã dẫn đến yêu cầu cần có một phương pháp giải quyết bài toán vận hành hệ thống tối ưu (Hillier và Liebeman,

2001, Canter, 1996)

Có hai yếu tố thúc đẩy quá trình phát triển của khoa học vận hành tối ưu hệ thống Thứ nhất là các tiến bộ vượt bậc đã đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt này Sau khi kết thúc chiến tranh rất nhiều nhà nghiên cứu từng tham gia phục vụ trong thời chiến cùng một số lớn các nhà nghiên cứu khác đã tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu và kết quả họ đã đạt được rất nhiều tiến bộ vượt bậc (Hillier và Liebeman, 2001) Một số lượng lớn các công cụ tính toán đã được phát triển trong thời kỳ này, như các công cụ trong tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, quy hoạch động, lý thuyết hàng, lý thuyết cung-cầu (Hillier và Liebeman, 2001, Mays và Tung, 1992)

Quá trình phát triển dân số thế giới dẫn tới nhu cầu nước gia tăng phục vụ sản xuất lương thực cũng như các ngành dùng nước khác Đặc biệt đối với các quốc gia nông nghiệp châu Á, nhu cầu nước cho tưới ngày càng trở lên khắc nghiệt khi ngày càng cần nhiều nước hơn để duy trì và tăng cao sản lượng cây trồng Chất lượng nước ngày càng xuống thấp do các hoạt động phát triển nông nghiệp, công nghiệp cũng như phục

vụ cho nhu cầu sinh hoạt đô thị và nông thôn cũng đã và sẽ là một gánh nặng lên nguồn nước đang ngày càng trở lên hạn hẹp (Helweg, 1985, Canter, 1996) Trong tình huống khó khăn này việc đưa khoa học vận hành hệ thống tối ưu và ứng dụng phân tích đánh giá các phương án khả thi của hệ thống nguồn nước, tác động qua lại giữa các ngành dùng nước, giữa nhu cầu nước và khả năng cấp nhằm mục đích tìm ra hướng giải quyết phân bổ nguồn nước để đảm bảo cấp đủ các nhu cầu thiết yếu, duy trì môi trường là cần thiết

Trên 70% diện tích quả đất chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các hoạt động phát triển lưu vực sông Do vậy hoạt động phát triển và quản lý lưc vực sông sẽ có ảnh hưởng lớn đến hiện trạng và tương lai của cuộc sống con người cũng như hệ sinh thái trên lưu vực (Mays, 1996)

Tài nguyên nước có những đặc trưng riêng biệt nên việc quản lý và phát triển có tính công cộng, trong khi các loại hàng hoá khác thường được quản lý một cách hiệu quả trong khung thị trường Rất nhiều các dự án phát triển tài nguyên nước đã được tiến hành mà không tính đến các mối liên hệ về mặt kinh tế để sử dụng tài nguyên nước có hiệu quả cao

Bài toán quản lý tổng hợp nguồn nước có gắn kết tính toán cân bằng nước với hiệu quả kinh tế các hộ dùng nước và diễn biến tác động môi trường nguồn nước đã bước đầu được nghiên cứu và ứng dụng ở một số lưu vực sông trên thế giới (Goodman, 1984, Yeh, 1985) Tuy vậy hiện phương pháp tiếp cận chưa thống nhất, hệ thống công cụ hỗ trợ còn nhiều khác biệt về trình độ khoa học công nghệ và khả năng ứng dụng thực tiễn (Mays và Tung, 1992)

Hiện nay hệ thống công trình thuỷ lợi và vấn đề khai thác sử dụng nguồn nước bao gồm nhiều thành phần liên hệ ảnh hưởng lẫn nhau, do vậy các cách tiếp cận có tính phân lẻ trong phát triển và quản lý thường không đạt được mục tiêu tối ưu hệ thống thường dẫn đến việc khai thác lãng phí tài nguyên nước, thất thoát về kinh tế, môi trường xuống cấp (Field, 1971, Douglas và Lee, 1971)

Để tạo tiền đề và điều kiện thuận lợi cho sự nghiệp hiện đại hoá nông nghiệp làm tăng sản phẩm nông nghiệp có chất lượng cao đáp ứng được nhu cầu trong nước và xuất khẩu - đồng thời hiện đại hoá nông nghiệp và công nghiệp ở nông thôn đòi hỏi phải sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững và tối ưu

Ở Việt Nam hệ thống công trình thuỷ lợi luôn có vai trò và ý nghĩa hết sức quan trọng đối với phát triển kinh tế, đặc biệt là kinh tế nông nghiệp Trong những năm gần đây nhà nước đã tập trung đầu tư khoảng 1 500 đến 1 600 tỉ đồng/năm cho thuỷ lợi, chủ yếu là xây dựng các công trình Tổng số tài sản cố định lên tới khoảng 100 000 nghìn

tỉ vào năm 2000, trong đó nhà nước đầu từ khoảng 50 000 đến 60 000 tỉ đồng Do có đầu tư hàng ngàn công trình thuỷ lợi lớn nhỏ trên mọi miền tổ quốc đã cấp được nước tưới cho 4,6 triệu ha năm 1986 tăng lên 5,8 triệu ha năm 1996 và năm 2001 xấp xỉ 7 triệu ha, ngoài ra còn cấp nước sinh hoạt cho hàng chục triệu người thuộc các cộng

đồng dân cư, phục vụ cho sản xuất công nghiệp cũng như các nhu cầu vui chơi giải trí

và bảo vệ môi trường (Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2001, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2005a)

Tuy vậy, hiệu quả kinh tế mà các hệ thống công trình thuỷ lợi mang lại chưa tương xứng với tiềm năng công trình Do chưa được coi trọng nên công tác quản lý vận hành khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi luôn bị động trước các diễn biến phức tạp về thời tiết, đặc biệt là gần đây do tác động của thị trường nói chung và chính sách chuyển đổi cơ cấu sản xuất nông nghiệp nói riêng Nhìn chung hệ thống công trình thuỷ lợi mới được khai thác ở mức thấp so với năng lực thiết kế Hàng năm Nhà nước đầu tư hàng nghìn tỉ đồng cho công tác xây dựng, tu sửa nâng cấp mà vẫn không đáp ứng được yêu cầu của phát triển kinh tế, môi trường nguồn nước ngày càng xuống cấp trầm trọng Do vậy cùng với việc đầu tư xây dựng nâng cấp công trình, cải tiến về cơ cấu tổ chức và quản lý thì nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, bảo vệ môi trường nguồn nước của công tác quản lý vận hành khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi cần phải được đặc biệt chú trọng đầu tư(Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2002, JICA, 2002)

Đối với bài toán quản lý môi trường nước, cùng với công tác đo đạc khảo sát diễn biến môi trường nước theo không gian và thời gian trên phạm vi toàn lưu vực thì việc ứng dụng khoa học công nghệ trong kiểm soát, dự báo tình hình ô nhiễm gây ra bởi các hoạt động phát triển ngày càng được quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam

(Nguyễn Trọng Sinh, 1995, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2005b)

Từ những bài toán vận chuyển và phân huỷ đơn giản cho một đoạn sông như phương pháp của Streete-Phelp, đến các công cụ tính toán cân bằng, vận chuyển, phân huỷ khác như QUAL2E, MIKE BASIN WQ, IQQM, SWAT đến các mô hình thuỷ động lực MIKE 11 WQ, SOBEK, ISIS, MIKE SHE WQ Với hệ thống các công cụ như trên

hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý môi trường nguồn nước trong thời gian vừa qua

Tuy vậy hệ thống các công cụ này còn một số tồn tại dẫn đến hạn chế trong khả năng ứng dụng cho hệ thống thực ngày càng phức tạp của thực tế phát triển kinh tế xã hội Tồn tại chính các công cụ thông dụng hiện có gồm (i) khả năng mềm dẻo trong mô tả các quá trình biến đổi sinh thái trong môi trường nước, (ii) kết nối thuận tiện với hệ thống các mô hình thuỷ động lực học hàm số phân bổ có khả năng mô phỏng khá tốt

hệ thống nguồn nước

Viện thuỷ lực Đan Mạch năm 2005 giới thiệu công cụ ECOLab mô tả bài toán sinh thái nguồn nước có thể giải quyết khá tốt tồn tại trong mô tả hệ thống các quá trình biến đổi sinh thái nguồn nước cũng như khả năng rất mềm dẻo trong kết nối với hệ

diện GIS (như mô hình VRSAP, nhóm mô hình HEC-của Công binh Mỹ, bộ mô hình MIKE-Viện Thuỷ Lực Đan Mạch, các mô hình MITSIM, WUS, TANK, RRMOD, CROPWAT) với hệ thống cơ sở dữ liệu sẵn có tại cơ quan Viện là điều kiện tốt để thực hiện mục tiêu liên kết tổng hợp mô hình phân bổ tối ưu nguồn nước kết hợp quản

lý môi trường nguồn nước, áp dụng phương pháp luận, công nghệ tiến tiến của thế giới MIKE 11, EcoLab, GAMS phục vụ công tác quản lý, khai thác hệ thống nguồn nước lưu vực sông Hồng

Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu quả công tác quản lý, khai thác, bảo vệ môi trường nguồn nước đáp ứng các yêu cầu của phát triển kinh tế lưu vực sông Hồng-Thái Bình

2.2 Mục tiêu của đề tài

11 (s.Nhuệ), EcoLab (s.Nhuệ)

ƒ Đề xuất một số vấn đề chiến lược phát triển tổng hợp bền vững phục vụ phát triển KTXH lưu vực sông

2.3 Cách tiếp cận

Từ mục tiêu Xây dựng luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ phục vụ quy hoạch phát triển bền vững lưu vực sông Nghiên cứu sẽ bắt đầu bằng bước rà soát các nghiên cứu liên quan để lựa chọn, xác định các giải pháp cụ thể cho các vấn đề đặc thù của lưu vực nghiên cứu lưu vực sông Hông-Thái Bình cũng như các vấn đề liên quan như phân bổ tối ưu nguồn nước, dự báo định lượng các tác động về chế độ dòng chảy và diễn biến chất lượng môi trường nước trong vùng

Tiếp theo nghiên cứu sẽ lựa chọn các công cụ tiên tiến trong và ngoài nước, phù hợp với trình độ khoa học công nghệ của các cơ quan trong nước, phù hợp với đặc thù của lưu vực nghiên cứu là lưu vực sông Hồng-Thái Bình cũng như khả năng có thể đáp ứng về số liệu hiện tại

Qua việc xây dựng các kịch bản nghiên cứu cho lưu vực sông Hồng, phát triển và ứng dụng các công nghệ tiến tiến trong dự báo định lượng tác động của các hoạt động phát

triển kinh tế xã hội nghiên cứu sẽ khuyến cáo một số vấn đề về chiến lược phát triển bền vững lưu vực sông Hồng-Thái Bình cũng như các biện pháp quản lý giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông Nhuệ

2.3.1 Mô hình hóa hệ thống nguồn nước

2.3.1.1 Mô hình mô phỏng và môi hình tối ưu

Mục đích phát triển tài nguyên nước ở một lưu vực sông có tầm quan trọng đặc biệt đối với quá trình phát triển kinh tế vùng, trong đó việc phân tích kinh tế của tài nguyên nước, cụ thể là phân tích kinh tế các nhu cầu dùng nước, khả năng nguồn cấp cùng giá trị kinh tế của tài nguyên nước đối với các yêu cầu dùng nước trên lưu vực phục vụ công tác quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi đạt hiệu quả kinh tế cao là vấn đề rất quan trọng Hơn nữa việc hiểu rõ tác động qua lại giữa hoạt động phát triển kinh tế xã hội và phát triển tài nguyên nước trên lưu vực là rất cần thiết để vận hành hệ thống công trình thuỷ lợi phân bổ nguồn nước hạn hẹp đáp ứng các nhu cầu tưới, phát điện, cấp nước đô thị và công nghiệp (Mays, 1996)

Hiện có hai cách tiếp cận trong quản lý khai thác phân bổ nguồn nước:

ƒ Mô hình mô phỏng quản lý tài nguyên nước thông thường dựa trên quy tắc phân chia nguồn nước và điều khiển của hệ thống công trình thuỷ lợi (ví dụ các mô hình cân bằng nước), mô hình thuộc nhóm này hầu hết còn tập trung vào tính toán cân bằng nước, chưa chú trọng đến các khía cạnh tối ưu kinh

tế, môi trường, quản lý và khai thác hiệu quả hệ thống công trình thuỷ lợi (Helweg và Labadie, 1977, Mays và Tung, 1992, DHI, 2005)

ƒ Cách tiếp cận thứ hai là phân tích kinh tế quá trình vận hành hệ thống phân

bổ tài nguyên dựa trên Mô hình tối ưu hàm mục tiêu cùng với các ràng buộc

về các nguồn tài nguyên liên quan, ví dụ tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên con người Công nghệ GAMS (General Algebraic Modelling System) là một công nghệ tiên tiến trong mô phỏng tối ưu hệ thống, có thể xây dựng và giải các bài toán hiệu quả kinh tế hệ thống tối ưu tuyến tính, tối

ưu phi tuyến đã được hai tổ chức Ngân Hàng Thế Giới và Liên Hợp Quốc phối hợp xây dựng và khuyến cáo sử dụng

Có thể nhận thấy rằng mô hình mô phỏng và Mô hình tối ưu (công nghệ GAMS) có

Để phục vụ cho bài toán quản lý lũ hệ thống nguồn nước ngoài mô hình tính toán biên dòng chảy đến thì mô hình thủy động lực học tính toán truyền sóng lũ trên cơ sở phương trình Saint-Venant đã được phát triển khá rộng rãi và đã đem lại hiệu quả thiết thực trong công tác quy hoạch và quản lý dòng chảy lũ Mô hình thủy động lực học với đầu vào chính là các diến biến quá trình dòng chảy lũ từ thượng nguồn theo các phương án, kịch bản lũ sẽ tính toán dự báo diễn biến lưu lượng, mực nước tại các vị trí khống chế phục vụ công tác phòng chống lũ ở hạ lưu Một số mô hình toán thông dụng trong tính toán thủy động lực đã được phát triển và đưa vào ứng dụng phổ biến có thể

kể đến như các mô hình của Việt Nam gồm VRSAP, SAL, KOD, TL_VC, các mô hình nước ngoài như SOBEK, ISIS, WENDY và bộ mô hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch giới thiệu với nhiều chức năng nổi trội tính toán mô tả hệ thống thủy động lực học phục vụ nhiều mục đích khác nhau như tình toán thủy lực mạng lưới sông và vùng ngập lũ gồm các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều, tính toán cho vùng ven biển & cửa sông, vùng ven bờ, tính toán thủy động lực học hệ thống hồ chứa, hệ thống tiêu thoát nước đô thị và mô phỏng hệ sinh thái nguồn nước (sẽ được trình bày chi tiết

ở phân tiếp theo)

Để phục vụ cho bài toán quản lý lũ, xây dựng hệ thống vận hành chống lũ lưu vực sông Hương hiện tại mô hình toán AUTOCAL của DHI có khả năng mô tả chi tiết các chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa thủy điện để đề xuất chế độ vận hành hợp lý cho hệ thống hồ Ứng dụng AUTOCAL trong vận hành hệ thống nguồn nước được được thực hiện trong nhiều nghiên cứu như nghiên cứu vận hành chống lũ & phát điện cho nhà máy thủy điện Hòa Bình trong Luận văn tiến sỹ của Ngô Lê Long, nghiên cứu vận hành hệ thống công trình thủy lợi lưu vực sông Orange-Fish-Sundays ở Nam Phi Tác giả Ngô Lê Long (Ngô Lê Long, 2006) trong nghiên cứu cho hồ Hòa Bình đã sử dụng AUTOCAL tính toán đề xuất chế độ vận hành thực bao gồm hệ thống mô hình thủy động lực học hệ thống sông Hồng (vận hành 1 hồ Hòa bình) chống lũ cho hạ du kết hợp tối ưu phát điện đã đề xuất chế độ vận hành hợp lỹ đảm bảo an toàn chống lũ

hạ du đồng thời tăng sản lượng điện phát từ hồ Hòa Bình hàng năm khoảng 0.4 triệu KWh/năm Tuy vậy trong nghiên cứu này mới xét đến chế độ vận hành đơn hồ chứa-chưa xem xét đến việc phối hợp vận hành hệ thông liên hồ chứa đa mục tiêu

Ngoài việc tính toán phục vụ quản lý lũ, mô hình thủy động lực học cũng được sử dụng phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống công trình phục vụ cấp nước bằng diễn toán quá trình dòng chảy trong sông và hệ thống lấy nước vùng hạ du (trạm bơm, cống

tự chảy, đập dâng …) để kiểm tra khả năng cấp của hệ thống, cũng như khả năng vận hành các cống, trạm bơm… có thể lấy đủ nước vào trong các hệ thống sử dụng nước hay không

Nghiên cứu ứng dụng AUTOCAL cho lưu vực sông Orange-Fish-Sundays (Pedersen

và nnk, 2007) đưa vào ứng dụng hệ thống mô hình thủy động lực học 1 chiều kết hợp với AUTOCAL tính toán dòng chảy hệ thống sông và công trình thủy lợi phục vụ cấp nước bao gồm hệ thống các hồ chứa, công trình chuyển nước lưu vực, hệ thống sử dụng nước Kết quả tính toán đảm bảo cấp đủ nước cho các mục tiêu sử dụng, đảm bảo thỏa mãn các điều kiện cần duy trì về xâm nhập mặn vùng hạ du

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp lan truyền ngược mạng trí tuệ nhân tạo (BPNN) kết hợp mô hình toán phép lọc thống kê tính toán dự báo dòng chảy sông Đà (Black river basin) đã đạt kết quả khá tốt khi sử dụng BPNN dự báo dòng chảy trung bình

tháng đến các tuyến trên dòng chính sông Đà, kết quả nghiên cứu cũng kết luận BPNN

đã khai thác tốt chuỗi số liệu đo đạc hiện nên việc đưa vào ứng dụng phương pháp lọc

hỗ trợ đã không làm tăng hiệu quả quá trình dự báo (Nam, 1998, Nam và nnk, 1998) Hai nghiên cứu cho sông Đà (hồ chứa Hòa Bình) và sông Orange-Fish-Sundays bước đầu đã đề xuất hệ thống điều hành thực cho bài toán tương ứng chống lũ-phát điện cho

hệ thống một hồ chứa (Hòa Bình) và cấp nước-môi trường (cho hệ thống hồ chứa, đập dâng, hệ thống sử dụng nước)

Đối với lưu vực sông Hồng-Thái Bình mô hình thủy động lực học đã được nghiên cứu

từ những năm 70, 80 của thế kỉ 20 như đã trình bày ở trên với các mô hình nổi tiếng của Việt Nam như VRSAP do GS Nguyễn Như Khuê xây dựng và hiện vẫn được phát triển và sử dụng rộng rãi để giải quyết các vấn đề liên quan đến diễn toán thủy động lực học hệ thống sông ở Việt Nam Cùng với VRSAP và các mô hình toán do các nhà khoa học, cơ quan nghiên cứu và tư vấn Việt Nam đầu tư phát triển thì bộ mô hình MIKE là một trong những công cụ của nước ngoài đã được phổ biến rộng rãi nhất ở Việt Nam cũng như trên thế giới MIKE và đặc biệt là MIKE 11 đã được đưa vào ứng dụng thành công trong nhiều dự án quản lý nguồn nước ở lưu vực sông Hồng-Thái Bình nên việc tiếp tục được đưa vào ứng dụng phục vụ trong nghiên cứu này là cần thiết và hợp lý, đặc biệt để giải quyết các tồn tại mà các bộ công cụ khác đang còn hạn chế Ví dụ như chế độ thủy động lực học của hệ thống sông và công trình thủy lợi vùng ảnh hưởng triều, vùng xâm nhập mặn, mô tả các nút phân lưu vùng hạ du lưu vực sông sẽ rất khó khăn nếu chỉ dựa vào mô hình toán cân bằng nước, mô hình toán tối

ưu

2.3.1.3 Vận hành tối ưu hệ thống

Đối với bài toán cấp nước cho các mục tiêu sử dụng loại mô hình toán thông dụng phải

kể đến là mô hình cân bằng nước và mô hình phân bổ tối ưu nguồn nước Mục tiêu sử dụng ở đây có thể hiểu bao gồm cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, tưới, giao thông thủy, phát điện, môi trường

Phương pháp vận hành hệ thống tối ưu được trình bày trong nhiều tài liệu tra cứu Ứng dụng mô hình điều khiển tối ưu hệ thống tài nguyên nước được biết đến qua các nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20 tập trung và có thể phân theo dạng mô hình tối ưu được sử dụng để mô phỏng hệ thống

Một số phương pháp tối ưu được tập trung phát triển và đưa vào ứng dụng phổ biến như:

Ngoài ra còn phải kể đến lý thuyết tối ưu trò chơi, lý thuyết chuỗi Markov, lý thuyết xếp hàng, lý thuyết quản lý hàng hoá tồn kho…

Lý thuyết tối ưu tuyến tính luôn được chú ý tập trung nhiều nhất Sự phát triển của tối

ưu tuyến tính đã được liệt vào một trong những tiến bộ quan trọng nhất của thế kỷ 20 Tối ưu tuyến tính đã được xem là một tiến bộ bất thường từ những năm 50 Cho đến ngày nay lý thuyết tối ưu tuyến tính chuẩn đã mang lại hàng triệu đôla lợi nhuận hàng năm cho các xí nghiệp công nghiệp trên phạm vi toàn thế giới, và phạm vi ứng dụng lý thuyết tối ưu tuyến tính trong các ngành kinh tế khác liên tục được phát triển với tốc

độ chóng mặt

Tối ưu động-hay quy hoạch động theo một số tài liệu ở Việt Nam-là một trong những phương pháp tối ưu được tập trung chú ý trong nhiều tài liệu nghiên cứu Tối ưu động cung cấp một kỹ thuật có tính hệ thống để xác định tối ưu cho tập hợp các hành động cho một quá trình

Một số đặc tính chung của các loại bài toán tối ưu động bao gồm:

• Bài toán tối ưu động được phân chia thành các giai đoạn (stages)

• Mỗi giai đoạn được cung cấp giá trị ban đầu-gọi là trạng thái (states) của giai đoạn

• Mô tả chuyển đổi giữa trạng thái của một giai đoạn với trạng thái của giai đoạn tiếp theo

• Phương pháp tìm một lựa chọn tối ưu trong từng giai đoạn ứng với các trạng thái khác nhau

• Xác định quan hệ đệ quy (recursive relationship) để xác định tối ưu bước đi ở từng giai đoạn khi biết trước bước đi tối ưu của giai đoạn tiếp theo…

Có thể phân tối ưu động thành 2 dạng:

• Tối ưu động mang tính xác định là loại tối ưu động trong đó trạng thái của giai đoạn tiếp theo trong tương lai hoàn toàn được xác định bởi trạng thái và lựa chọn bước đi tại giai đoạn hiện tại

• Tối ưu động mang tính ngẫu nhiên khác với tối ưu động mang tính xác định ở chỗ là trạng thái của giai đoạn tiếp theo không hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái và lựa chọn bước đi ở giai đoạn hiện tại Trạng thái của giai đoạn tiếp theo được xác định bởi một phân bố xác suất và phân bố xác suất này lại hoàn toàn được xác định được từ trạng thái và lựa chọn bước đi của giai đoạn hiện tại

Một nội dung đặc biệt quan trọng là tối ưu phi tuyến Một giả thuyết cơ bản của tối ưu tuyến tính là tất cả các biểu thức toán (hàm mục tiêu, ràng buộc) có dạng tuyến tính Tuy vậy trong thực tiễn phân tích tính toán thì giả thiết này không thể đem ra ứng dụng Trong thực tế hầu hết các bài toán đều ở một mức độ nào đó mang tính chất phi tuyến do vậy hầu hết các bài toán tối ưu đều ở dạng phi tuyến

Hiện chưa có một phương pháp giải nào có thể áp dụng cho tất cả các bài toán tối ưu phi tuyến Tuy nhiên giải pháp cho bài toán phi tuyến được cải tiến liên tục bởi phát triển và sử dụng một số giả thiết cho một số bài toán tối ưu phi tuyến thường gặp Phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến hiện vẫn còn là một vấn đề còn rộng mở

mà khả năng con người có thể khám phá hoàn toàn vẫn còn rất xa vời Trong nhiều tài

liệu đã có cung cấp một số hướng giải quyết bài toán tối ưu phi tuyến quan trọng

thường gặp trong thực thế nghiên cứu ứng dụng

Nhìn chung các tài liệu các giới thiệu về vận hành hệ thống đã cung cấp đầy đủ các thông tin về lý thuyết, phương pháp giải cùng như một bộ các ứng dụng thực tiễn sinh động về tối ưu hệ thống đã được ứng dụng thành công trong nhiều nghành kinh tế khác nhau, đặc biệt là về tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, và tối ưu động Tuy vậy thông thường các ứng dụng trong trong quản lý nguồn nước chỉ được nhắc đến trong các tạp chí nghiên cứu, các sách chuyên môn về tài nguyên nước

Ở Việt Nam tài liệu giảng dạy về vận hành tối ưu hệ thống trong Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước có thể kể đến các tác giả Hà Văn Khối, Phó Đức Anh và Đặng Hữu Đạo các tài liệu này được dùng làm giáo trình giảng dạy sinh viên thạc sỹ ngành công trình, thuỷ nông cải tạo đất, thuỷ điện và thuỷ văn công trình tại trường Đại học Thuỷ lợi trình bày các nội dung về phân tích hệ thống nguồn nước nhằm mục đích trang bị phương pháp tính toán quy hoạch và quản lý nguồn nước Hệ thống tài liệu này sau khi giới thiệu về bài toán tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến (Quy hoạch tuyến tính và Quy hoạch phi tuyến theo cách gọi của tác giả) đã đi vào các nội dung sau:

• Tối ưu hoá trong quy hoạch hệ thống nguồn nước

• Phương pháp mô phỏng trong quy hoạch và quản lý nguồn nước

• Nhiệm vụ quy hoạch phòng lũ

• Tính toán điều tiết cho hệ thống hồ chứa phòng lũ

• Phương pháp mô phỏng trong bài toán điều khiển hệ thống tưới

• Phương pháp quy hoạch động

Tuy các tài liệu được soạn thảo chủ yếu dành cho sinh viên các ngành đào tạo của Trường Đại học Thuỷ lợi nhưng các ví dụ minh hoạ chưa hoàn toàn tập trung vào hệ thống tài nguyên nước

Có thể nói nghiên cứu vận hành tối hệ thống tài nguyên nước đã được phát triển mạnh

mẽ và rất đa dạng

Đối với từng bài toán, việc chọn phương pháp thích hợp để giải phụ thuộc vào các đặc trưng sau:

1 Dạng hàm mục tiêu,

• 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, bao gồm các ràng buộc dưới dạng đẳng thức, bất đẳng thức Sử dụng các quan hệ vật lý, hàm kinh nghiệm

• Bước 4: Trong trường hợp phạm vi của bài toán quá lớn: (i) Phân ra thành

những phần nhỏ dễ mô phỏng hơn, (ii) Đơn giản hoá 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

Một số bài toán không bắt buộc phải theo sát các bước trên, tuy vậy nên xem xét từng bước khi tiến hành xây dựng mô hình

Thực tế bài toán điều khiển tối ưu hệ thống là xác định giá trị của một tập hợp các biến tối ưu để đạt cực trị và giá trị hàm mục tiêu thoả mãn tất cả các ràng buộc liên quan Rất nhiều các phương pháp đã được xây dựng nhằm mục đích giải các bài toán điều khiển tối ưu Với ứng dụng thực tiễn phạm vi của bài toán tối ưu có thể lên đến hàng trăm, hàng nghìn, hàng trăm nghìn các biến tối ưu cùng các ràng buộc Hệ thống này đòi hỏi phải thực hiện một số lần tính toán cực kỳ lớn-thông thường không thể giải được bằng tính tay

Một số bài toán không bắt buộc phải theo sát các bước trên, tuy vậy nên xem xét từng bước khi tiến hành xây dựng mô hình

Thực tế bài toán điều khiển tối ưu hệ thống là xác định giá trị của một tập hợp các biến tối ưu để đạt cực trị và giá trị hàm mục tiêu thoả mãn tất cả các ràng buộc liên quan Rất nhiều các phương pháp đã được xây dựng nhằm mục đích giải các bài toán điều khiển tối ưu Với ứng dụng thực tiễn phạm vi của bài toán tối ưu có thể lên đến hàng trăm, hàng nghìn, hàng trăm nghìn các biến tối ưu cùng các ràng buộc Hệ thống này đòi hỏi phải thực hiện một số lần tính toán cực kỳ lớn-thông thường không thể giải được bằng tính tay

Công cụ giải tối ưu

Cùng với các tài liệu tham khảo về phương pháp tối ưu hệ thống, một số công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống bằng máy tính cá nhân cũng đã được phát triển khá phong phú, đại diện có thể liệt kê như sau:

• Phần mềm LINDO dùng để giải bài toán tối ưu tuyến tính, tối ưu tuyến tính biến nguyên, tối ưu hàm bậc hai

• Ngôn ngữ máy tính LINGO dùng để thiết kế và giải các dạng tối ưu tuyến tính, tối ưu tuyến tính biến nguyên, tối ưu phi tuyến

• Hệ thống GAMS được thiết kế để giải các bài toán lớn về tối ưu tuyến tính, tối

ưu phi tuyến, tối ưu biến nguyên… GAMS là một loại ngôn ngữ lập trình bậc

cao được sử dụng để quản lý số liệu, mô phỏng hệ thống cùng với một bộ các thư viện toán giải tối ưu

Trước đây LINDO đã được sử dụng khá rộng Tuy nhiên gần đây công nghệ GAMS ngày càng được chú ý đưa vào nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt trong quy hoạch và quản

lý tài nguyên nước nhờ tính mềm dẻo và khả năng ứng dụng bao quát sẵn có của công nghệ

Vận hành hệ thống tối ưu và ứng dụng trong quản lý nguồn nước

Ứng dụng vận hành tối ưu hệ thống trong quy hoạch và quản lý nguồn nước có thể hệ thống như sau:

• Quản lý chất lượng nước

• Quản lý vùng cửa sông, ven biển

Hệ thống các mô hình cân bằng nước thông dụng trong quy hoạch và quản lý nguồn nước bao gồm các mô hình MITSIM, RESSIM (Mỹ), MIKE BASIN (Đan Mạch), IQQM (Úc), RIBASIM (Hà Lan) Mô hình cân bằng nước tính toán cân bằng nước tại các nút sử dụng nước theo thứ tự từ thượng du Có thể nói mô hình cần bằng nước là loại mô hình thông dụng nhất trong tính toán quy hoạch nguồn nước cho đến nay (Wurb, 1996) Ngoài những mô hình cân bằng nước trên thì cũng đã có các mô hình cân bằng nước đã được phát triển, ứng dụng riêng cho đặc thù từng lưu vực riêng biệt như mô hình CALSIM của Mỹ, với loại mô hình đặc thù này thì ngoài khả năng tính toán cân bằng nước nhiều khẳ năng riêng biệt đã được đưa vào trong tính toán ví dụ như phép giải tối ưu hệ thống phân bổ nguồn nước – tuy vậy khả năng ứng dụng loại

mô hình này cho các lưu vực khác thường gặp nhiều khó khăn do cần thiết chỉnh sửa

Markov Cùng với các lý thuyết tối ưu đã được phát triển thì các phương pháp giải toán, cũng như các công cụ máy tính hỗ trợ giải bài toán tối ưu đã được tập trung nghiên cứu phát triển mạnh trên thế giới

Hai phương pháp tối ưu được nhắc đến nhiều nhất là tối ưu tuyến tính và tối ưu động (Bellman, 1957, Yakowits, 1982), các ứng dụng cụ thể của hai phương pháp này đã được ghi chép và xuất bản nhiều trong thời gian qua Lý thuyết tuyến tính cho phép

mô tả bài toán tối ưu với các ràng buộc và hàm mục tiêu có dạng tuyến tính, trong khi tối ưu động yêu cầu các quá trình tối ưu thường có dạng đơn giản phải được phân đoạn thành các giai đoạn, tại các giai đoạn biến tối ưu nhận các trạng thái riêng biệt Một số ứng dụng cụ thể có thể kể đến như nghiên cứu của Young trong vận hành hồ chứa (Young, 1967), nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa cho lưu vực sông Gunpowder River, Baltimore, Mỹ (Karamouz và nnk, 1992)

Tuy vậy để đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn đòi hỏi các quá trình cần được mô tả thường rất phức tạp, là các quá trình liên tục và hầu như hoàn toàn phi tuyến dẫn đến khó khăn khi đưa vào ứng dụng lý thuyết tối ưu tuyến tính và tối ưu động Yêu cầu đặt

ra là phải đưa vào ứng dụng lý thuyết tối ưu phi tuyến – đây là một hướng nghiên cứu rất rộng, thu hút giới khoa học thế giới trong nhiều thập kỷ gần đây

Như đã trình bày ở trên lý thuyết tối ưu phi tuyến đã được phát triển mạnh có khả năng giải được hầu hết các bài toán của thực tiễn đề ra Một số công cụ giải bài toán phi tuyến đã được phát triển khá hoàn chỉnh như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL Cụ thể phục vụ cho quản lý nguồn nước một số công cụ đã được phát triển như MIKE BASIN OPTIMISATION (Đan Mạch), RESSIM (Mỹ)… Mô hình CALSIM (của Cục tài nguyên nước bang Califonia, Mỹ) được phát triển phục vụ cho hệ thống nguồn nước vùng Califonia (Munevar và Chung, 1999), trong khi các công cụ khác MIKE BASIN OPTIMISATION, RESSIM là các phần mềm được thiết kế cho các hệ thống nguồn nước nói chung Hệ thống các công cụ mô hình toán thiết kế cho chung hệ thống nguồn nước, hoặc thiết kế riêng cho một hệ thống nguồn nước cụ thể đã được đưa vào ứng dụng thành công trong nhiều nghiên cứu tuy vậy khi đưa vào ứng dụng các công cụ này thông thường người sử dụng cần có các bước xử lý, đơn giản hóa hệ thống mô phỏng để “vừa” với khả năng của công cụ (thường đã được cố định)

Để giải quyết điểm tồn tại này thì các công cụ như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL được triển khai ứng dụng khá rộng rãi trong quy hoạch và quản lý nguồn nước Thực chất đây là hệ thống các ngôn ngữ máy tính có khả năng xây dựng mô hình toán kết nối với bộ thư viện các công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống Mặc dù phải tốn công sức phát triển bộ mã chương trình máy tính mô hình nhưng các công cụ này cho phép người sử dụng mô tả chi tiết các đặc thù của hệ thống cần mô phỏng do vậy các ứng dụng của các công cụ như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL được phát triển rộng khắp trên toàn thế giới trong đó có các ứng dụng quy hoạch và quản lý nguồn nước Theo đánh giá của hai tác giả Mays và Tung thì GAMS là một trong những công cụ hữu hiệu nhất để giải bài toán vận hành phân bổ tối ưu nguồn nước (Mays và Tung, 1992)

Trong phân tích tối ưu thì xây dựng hệ thống các ràng buộc và hàm mục tiêu đóng vai trò quan trọng trong quyết định các yếu tố đầu ra từ quá trình phân tích tính toán

Ràng buộc thể hiện các giới hạn cho phép của hệ thống, các quan hệ giữa các thành

phần, đối tượng trong hệ thống như giới hạn về tài nguyên, quan hệ vật lý giữa các

thành phần của hệ thống Đối với nghiên cứu cho lưu vực sông Hồng-Thái Bình ràng buộc của bài toán tối ưu có thể cần phải xem xét đến bao gồm :

ƒ Cân bằng tại các nút biên thủy văn, nhập lưu, phân lưu, chuyển nước

ƒ Cân bằng nước trong hồ chứa

ƒ Cân bằng tại các nút sử dụng nước, nút khống chế dòng chảy môi trường, giao thông thủy

ƒ Quan hệ thông số thiết kế của các nhà máy thủy điện

ƒ Quan hệ về lợi ích kinh tế tại các nút sử dụng nước, turbine phát điện

Một số ràng buộc khác là phạm vi biến đổi của các biến tối ưu ví dụ như các biến về lưu lượng xả từ hồ, lượng nước chuyển cho các hộ sử dụng nước là giá trị không âm

Hàm mục tiêu thể hiện là giá trị tổng hợp các thành phần quan trọng của vận hành hệ

thống đáp ứng theo một yêu cầu chủ quan của người vận hành như chi phí, lợi ích, hiệu quả hoặc năng suất đạt được của hệ thống

Đối với bài toán vận hành hệ thống nguồn nước hàm mục tiêu có thể là tổng lượng nước cấp cho các hộ sử dụng nước, tổng lượng nước thiếu, tổng lượng điện phát từ các nhà máy thủy điện, lợi ích kinh tế từ các hoạt động sử dụng nước, mức đảm bảo yêu cầu môi trường, giao thông thủy…

Để giải quyết một bài toán tối ưu vận hành hệ thống nguồn nước cụ thể thông thường

mô hình toán mô phỏng được sử dụng hỗ trợ cho mô hình toán tối ưu Cụ thể đối với lưu vực sông Hồng-Thái Bình mô hình toán mô phỏng được sử dụng để mô tả những quá trình thủy động lực học phức tạp như chế độ dòng chảy vùng ảnh hưởng triều mà hiện tại mô hình toán tối ưu chưa giải quyết tốt

2.3.1.4 Mô hình hóa môi trường nước lưu vực sông

Mặc dù đi sau các loại mô hình toán thủy động lực học, cân bằng nước, tối ưu nguồn nước nhưng do yêu cầu cấp thiết của thực tế môi trường đang bị xuống cấp trầm trọng nên trong thời gian qua các nghiên cứu về mô hình hóa hệ thống môi trường, đặc biệt

là môi trường nước được phát triển rất nhanh Thông dụng nhất có thể kể đến hệ thống các mô hình QUAL2E của Mỹ từ việc mô tả diễn biến lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường nước ở trạng thái ổn định, đến các mô hình tính toán diễn biến chất lượng nguồn nước trong tầng ngầm

Một số mô hình toán thủy động lực học đã được phát triển thêm khả năng mô phỏng quá trình chuyển tải chất ô nhiễm cho chế độ dòng chảy không ổn định đã giúp mô tả chính xác hơn diễn biến các quá trình ô nhiễm trong môi trường dòng chảy trong sông,

ví dụ như các mô hình toán MIKE 11 (Đan Mạch), SOBEK (Hà Lan), ISIS (Anh)

thủy động lực học dòng không ổn định mô tả chi tiết quá trình biến đổi hệ sinh thái môi trường nguồn nước (sông, hồ, vùng ven biển, vùng biển, tầng ngầm….) như hiện tượng phú dưỡng, kim loại nặng, quá trình sống của hệ động thực vật trong môi trường nước Đồng thời ECOLab cung cấp một thư viện các mô hình mẫu có thể đưa vào ứng dụng (hoặc cải tiến trước khi sử dụng) mô phỏng các hệ thống thực tùy theo mức độ chi tiết hệ sinh thái nguồn nước người sử dụng muốn mô tả Ngoài ra ECOLab cũng cho phép người sử dụng có thể tự xây dựng các quá trình biến đổi sinh thái theo đặc thù hệ thống nghiên cứu mà trong bộ thư viện các mô hình mẫu chưa được cung cấp Hiện nay ECOLab đã được đưa vào ứng dụng ở một số quốc gia trên thế giới như Nhật Bản, Mỹ … Khả năng nổi trội của ECOLab là tính mở của mô hình, cũng như kết hợp chặt chẽ với các mô hình thủy động lực học dòng không ổn định cho phép người

sử dụng có thể mô tả chi tiết, đáp ứng đầy đủ các đặc thù của hệ thống môi trường sinh thái nguồn nước Gần đây tại Nhật Bản – một quốc gia phát triển hàng đầu của thế giới – đã thành lập Hội những người sử dụng ECOLab

2.3.2 Kịch bản phát triển

Hiện tại phương pháp luận mới Phương pháp luận quy hoạch mang tính chiến lược

thích ứng với quá trình chuyển đổi từ nền kinh tế kế hoạch hoá sang nền kinh tế thị trường do có tính năng (i) Tập trung vào một số chiến lược chủ chốt (ii) có thể đưa ra một loạt các giải pháp linh động thích ứng với biến đổi bất thường của tương lai Quy hoạch chiến lược đang được thế giới (Douglas Webster and Lê Hữu Tí, 2002, Tô Trung Nghĩa, 2006) ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội và đã bước đầu được đưa vào ứng dụng thành công trong công tác quy hoạch nguồn nước ở Việt Nam qua Dự án Quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước lưu vực sông Hồng-Thái Bình (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2007) Quy hoạch chiến lược cũng đã được ứng dụng trong nội dung xây dựng kịch bản phát triển trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GAMS phục vụ quy hoạch, quản lý và khai thác hệ thống công trình thủy lợi vùng Thượng du sông Thái Bình (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2006) Trong nghiên cứu này phương pháp luận quy hoạch mang tính chiến lược đã được đưa vào sử dụng trong quá trình xây dựng các kịch bản phát triển cho lưu vực sông Hồng-Thái Bình

2.3.2.1 Phương pháp luận quy hoạch

Hiện nay trên thế giới có 3 hướng phát triển phương pháp luận quy hoạch thuỷ lợi Đó là: quy hoạch tổng thể, quy hoạch hành động và quy hoạch chiến lược

Quy hoạch tổng thể là phương pháp luận quy hoạch cổ điển nhất, nội dung của nó tương tự như phương pháp luận quy hoạch được trình bày trong các quy phạm về quy hoạch thuỷ lợi của Việt nam Sau đây sẽ trình bày chi tiết về hai khái niệm tương đối mới là quy hoạch hành động và quy hoạch chiến lược

Khái niệm quy hoạch hành động được các nhà quy hoạch tại nước Đan Mạch đưa ra sau các hội nghị quốc tế về “Nước và môi trường” tiến hành tại Dublin vào tháng 1/1992 và hội nghị quốc tế về “Môi trường và phát triển” họp tại Rio de Janero vào tháng 6/1992 Phương pháp luận “quy hoạch hành động” nhằm khắc phục những hạn chế về tài liệu cơ bản ở các nước đang phát triển, nhằm đưa ra một loạt các đề xuất

hành động trong thời gian ngắn nhất có thể để cải thiện việc sử dụng và bảo vệ tài nguyên nước đang có nhiều yếu kém ở các nước này

Phương pháp luận “quy hoạch hành động” đã được các chuyên gia Đan Mạch đưa vào

áp dụng tại dự án hợp tác quốc tế về phát triển thuỷ lợi lưu vực Srêpok ở Việt Nam vào năm 1993 Qua thời gian thực hiện cho thấy dự án đã tiến hành đánh giá nhiều mặt liên quan đến phát triển nguồn nước tại lưu vực sông Srêpok: môi trường, kinh tế xã hội phát triển rừng Dự án đã nhanh chóng đưa ra một hạng mục đầu tư là công trình cải tạo hệ thống cấp nước Buôn Mê Thuột, với vốn tài trợ của DANIDA là 400.000 USD

Tuy nhiên, đối với các công trình lớn có tính chất dài hạn dự án chưa đưa ra được một khung hợp lý, do đó đối với một số vùng tuy có vấn đề cấp bách nhưng lại liên quan đến các công trình lớn thì việc nghiên cứu phải xếp lại chờ các giai đoạn tiếp theo

Qua đó có thể thấy rằng “Quy hoạch hành động” thích ứng với các vùng với các công trình cỡ nhỏ, ngắn hạn Nó cũng thích ứng với các vùng mà các công trình lớn đã được xác định tương đối rõ ràng bằng các nghiên cứu trước đây Nó có khả năng nhanh chóng xác định hạng mục để xin vốn đầu tư Nó cũng có khả năng phối hợp nghiên cứu đa ngành, tạo cho chúng ta một khung cảch phát triển toàn diện của vùng, trong đó

sự phát triển tài nguyên nước là một yếu tố kết hợp hài hoà với các yếu tố khác Tuy nhiên,, với thực tế áp dụng ở Việt Nam, một số vấn đề phương pháp thực hiện “quy hoạch hành động” cũng cần phải xem xét điều chỉnh, ví dụ như vấn đề điều tra nông

hộ sao cho nhanh chóng và hiệu quả, vấn đề phối hợp chặt chẽ giữa các ngành trong tiến trình nghiên cứu

Khái niệm “quy hoạch chiến lược” được Ban thư ký Uỷ hội Mê Kông Quốc tế đưa vào

để thực hiện quy hoạch lưu vực Mê Kông từ mấy năm trước đây Ngày nay quy hoạch chiến lươc bao gồm một loạt các giải pháp (nghĩa là một tập hợp các khái niệm, thủ thuật và công cụ) biến đổi linh hoạt trong quá trình áp dụng và hữu dụng trong mọi trường hợp cụ thể khác nhau

Quy hoạch chiến lược giả thiết rằng tương lai của một lưu vực hoặc một ngành không thể kiểm soát được hoàn toàn và trên thực tế tương lai có độ bất định rất cao, ngay cả chính phủ cũng khó có thể kiểm soát được nó Quy hoạch chiến lược cho rằng tốt nhất

là tập trung các nguồn lực để thực hiện một số ít các chiến lược chủ chốt hơn là cố gắng thực hiện quá nhiều hành động mà kết quả không chắc chắn, bởi vì các nguồn lực

bị dàn trải quá mỏng Tính hiệu quả của các chiến lược chủ chốt này (gồm các hoạt động được lựạ chọn kỹ như thay đổi cơ chế, chính sách, các chương trình, các dự án) phụ thuộc vào các nhân tố con người và cơ chế Chiến lược cần được các cơ quan có

Quy hoạch chiến lược hiện đang được các nước phát triển áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội để định hướng cho các hoạt động phát triển và ngày càng tỏ ra

có nhiều ưu điểm và phát huy hiệu quả mạnh mẽ trong thực tế

Kịch bản phát triển xây dựng trên cơ sở phương pháp quy hoạch chiến lược được lần đầu được đưa vào ứng dụng thử nghiệm trong nghiên cứu này Cơ sở phương pháp và các bước tiến hành dựa trên các tài liệu nghiên cứu của Douglas Webster and Lê Hữu

Tí (2002), Tô Trung Nghĩa (2006)

2.3.2.2 Lý thuyết kịch bản

Một trong những cơ sở chính của phương pháp luận quy hoạch chiến lược là lý thuyết

về kịch bản Khái niệm về kịch bản trong quy hoạch phát triển hiện nay còn đang có nhiều cách hiểu khác nhau dẫn tới thiếu thống nhất trong khi áp dụng Sau khi nghiên cứu các phương pháp quy hoạch chiến lược của UNESCAP, chúng tôi nêu ra ở đây một số luận giải cơ bản về khái niệm kịch bản dùng trong quy hoạch chiến lược

Khái niệm kịch bản ở đây nằm trong phạm vi của quy hoạch chiến lược, cho nên ở đây chúng tôi cũng trình bày một số khái niệm về chiến lược, từ đó đi tới khái niệm kịch bản Để tránh nhầm lẫn, bài viết cũng phân tích sự khác nhau giữa kịch bản và một số cách xử lý khác đối với những biến động bất thường trong tương lai của phương pháp quy hoạch truyền thống

Từ hàng trăm năm nay người ta đã tiến hành xây dựng các chiến lược phát triển cho một tổ chức Mục đích của chiến lược là xây dựng các chính sách định hướng cho hoạt động của các thành viên sao cho toàn bộ hệ thống tổ chức đó tương thích với môi trường xung quanh nhằm đạt được mục tiêu do tổ chức đó đề ra Theo cách hiểu phổ biến, một chiến lược tốt phải dựa trên các yếu tố sau:

• Xác định được mục tiêu tồn tại và phát triển

• Đánh giá các đặc trưng của tổ chức, bao gồm các khả năng biến đổi

• Đánh giá môi trường hiện tại và tương lai

• Đánh giá sự tương thích giữa tổ chức và môi trường

• Xây dựng các chính sách và các chương trình hành động để cải thiện sự tương thích đó

Qua nhiều năm phát triển các phương pháp xây dựng chiến lược, người ta thấy rằng có thể chia các phương pháp này ra ba trường phái, đó là trường phái duy lý, trường phái tiến hoá, và trường phái quá trình

Trường phái duy lý giải thích rằng chỉ có một giải pháp tối ưu, và nhiệm vụ của nhà chiến lược là tìm ra giải pháp tối ưu đó tương ứng với một tập hữu hạn các nguồn lực Nhà chiến lược suy nghĩ thay cho toàn bộ tổ chức, và tìm kiếm chiến lược tối ưu bằng cách chọn ra một phương án có hiệu ích tối đa giữa hàng loạt phương án khác nhau Khi đã xác định được hướng đi tối ưu, thì tiến hành vạch ra các chương trình hành động Các giả thiết của trường phái duy lý còn bao gồm:

• Tương lai có thể dự báo được

• Mục đích rõ ràng

• Hành động theo quy tắc (suy nghĩ độc lập với hành động)

• Hiểu rõ toàn bộ hệ thống tổ chức

• Con người có lý sẽ thực hiện các việc có lý

Trường phái này chiếm đa số và hiện nay cũng đang thống trị trong lĩnh vực quy hoạch ở nước ta

Trường phái tiến hoá nhấn mạnh bản chất phức tạp của hành vi của tổ chức, có thể vượt ra khỏi phạm vi của những suy nghĩ có lý Chiến lược là viễn cảnh của những hành vi bất thường, và là quá trình thực nghiệm ngẫu nhiên và được chọn lọc thông qua phán đoán và ghi nhớ về các chiến lược đã ứng dụng thành công

Trường phái quá trình chiếm vị trí trung gian giữa hai trường phái trên Nó cho rằng, trong khi không thể vạch ra một chiến lược tối ưu chỉ dựa vào quá trình suy nghĩ duy

lý, thì nhà quản lý có thể tạo ra các quá trình trong tổ chức làm cho nó mềm dẻo và dễ tương thích hơn, và có khả năng tự học tập được qua những sai lầm Các hành vi tiến hoá của tổ chức có thể bị tác động bởi nhà quản lý

Một cách ẩn dụ, có thể coi là:

• Trường phái duy lý coi tổ chức như một cỗ máy

• Trường phái tiến hoá coi tổ chức như hệ sinh thái

• Trường phái quá trình coi tổ chức như một cơ thể sống

Trong thực tế, thì tổ chức là sự kết hợp hài hoà của cả ba khái niệm nói trên

Trường phái duy lý

Cách tiếp cận duy lý quan niệm rằng chỉ có một câu trả lời đúng, và nhiệm vụ của nhà

chiến lược là tìm ra nó Mục đích của chiến lược là tìm càng gần càng tốt đến lời giải đúng duy nhất đó Theo nhà duy lý thì nhà xây dựng chiến lược không đóng vai trò quan trọng nếu xét về năng lực bản thân anh ta Nếu chỉ có một câu trả lời duy nhất, thì bất kỳ ai được cấp thông tin, cuối cùng cũng sẽ tìm ra nó Cách tiếp cận duy lý xây dựng chiến lược theo các bước sau đây:

• Xác định nhiệm vụ

- Xác định lợi ích

- Xác định các mục tiêu chiến lược

• Phân tích SWOT

- Phân tích nội tại

- Dự báo môi trường

- Xác định các phương án chiến lược

• Lựa chọn phương án có lợi ích tối đa

quan quân sự xây dựng chiến lược của họ trên cơ sở nhiệm vụ được giao Tương tự như vậy, nhà chiến lược duy lý làm việc với một tuyên bố nhiệm vụ được cho trước Công việc tiếp theo là xác định một tập hợp các mục tiêu chiến lược dựa trên nhiệm vụ được giao Các mục tiêu này là cầu nối giữa nhiệm vụ được giao và thực tiễn hoạt động, và chuyển đổi nhiệm vụ thành một loạt các mục tiêu cụ thể Ví dụ: Nhiệm vụ được giao là “tạo ra mức hoàn vốn tối đa” thì một mục tiêu cụ thể có thể là tăng lợi nhuận thêm 2% trong năm tới Để chuyển đổi được sang các con số cụ thể như vậy, người ta cần phải tiến hành phân tích nội tại của tổ chức, cả về năng lực và hạn chế Sau đó phải phân tích các điều kiện ngoại cảnh, các mối quan hệ với bên ngoài Từ đó

sẽ xác định ra các mục tiêu hợp lý

Chiến lược được thiết kế để đạt được các mục tiêu đó Thường là có hàng loạt các phương án được đưa ra và nhà chiến lược duy lý cần lựa chọn phương án có hiệu quả nhất Để lựa chọn thì người ta tiến hành dự báo môi trường hoạt động trong tương lai, căn cứ vào đó để đánh giá các phương án Sau khi vẽ ra được viễn cảnh môi trường tương lai, người ta tính toán hiệu ích của từng phương án Phương án nào cho hiệu ích cao nhất được lựa chọn làm chiến lược

Cách tiếp cận Dự báo

Dự báo tương lai để đánh giá các phương án chiến lược là một công đoạn của lập chiến lược duy lý Dự báo ở đây dựa trên giả thiết rằng quá khứ có thể được kéo dài tới tương lai Ở mức độ đơn giản nhất, nó cho phép ta ngoại suy thống kê các biến số Khi có các thay đổi đột biến thì phương pháp này thất bại Ở dạng dự báo phức tạp hơn, người ta thiết lập các mô hình mô phỏng cho phép xét đến các mối quan hệ nội tại giữa các biến số Tuy nhiên mô hình mô phỏng vẫn dựa trên giả thiết là các mối quan

hệ nội tại này trong quá khứ được kéo dài tới tương lai, tức là dựa trên giả thiết cấu trúc hệ thống luôn ổn định bất biến Tuy nhiên khi cấu trúc cơ bản của hệ thống thay đổi thì các mô hình mô phỏng cũng thất bại

Cách tiếp cận Độ nhạy

Trên đây ta thấy là dự báo không cho ta thấy tương lai thay đổi như thế nào và trong trường hợp ấy thì chiến lược có còn phù hợp nữa hay không Để khắc phục điều đó người ta xem xét đến độ nhạy của chiến lược Người ta nghiên cứu xem cái gì sẽ xảy

ra khi một biến số quan trọng của môi trường biến đổi khác với dự báo Ví dụ như trường hợp lợi nhuận thay đổi như thế nào nếu giá bán sản phẩm hạ xuống 10% Tuy nhiên những giả thiết này không có cơ sở chắc chắn và cũng không cho thấy mối liên

hệ giữa các yếu tố khác nhau của môi trường Các tính toán độ nhạy chỉ cho chúng ta các thông tin hết sức hạn chế, nó không phản ảnh được tương lai, và do đó không giúp ích gì mấy cho xây dựng chiến lược

Cách tiếp cận Xác suất

Khái niệm xác suất xuất hiện được ứng dụng để dự báo tương lai cũng là một khái niệm thuộc cách tiếp cận duy lý Khi nghiên cứu xác suất xuất hiện một giá trị nào đó trong tương lai, chúng ta dựa trên nghiên cứu thống kê các số liệu quá khứ, do đó cũng dựa trên giả thiết là cấu trúc hệ thống không thay đổi tương lai Điều này, như đã nói ở trên, sẽ dẫn đến một bức tranh tương lai không đúng và đưa tới một chiến lược sai lầm Dựa trên khái niệm xác suất, người ta có thể đưa ra một số khung cảnh môi trường tương lai, thường là vẽ ra 3 khung cảnh: cao, thấp, và theo xu thế thông thường Điều này phần nào giúp cho hoạch định chiến lược, nhưng không giải quyết được khuyết

điểm của quan niệm dự báo và cần được phân biệt với khái niệm “kịch bản” với đúng nghĩa của nó

Trường phái quá trình

Trường phái quá trình được thể hiện trong một hướng mới của quy hoạch tổng hợp tài nguyên nước hiện đang được phát triển mạnh mẽ trên thế giới, đó là quy hoạch và quản lý có tính chiến lược (Strategic Planning and Management, viết tắt là SPM) SPM

là một giải pháp quy hoạch và quản lý nhằm hỗ trợ cho việc ra quyết định trong bối cảnh các điều kiện thay đổi nhanh chóng trong lĩnh vực quản lý nguồn nước Theo SPM, khả năng dự ứng (anticipation) các thay đổi là yếu tố then chốt cho quy hoạch

và quản lý tốt Rõ ràng là tương lai là không thể biết trước được, do vậy dự kiến (foresight) và dự ứng (anticipation) là cần thiết để xác định các tình huống có thể xảy

ra để hệ thống sẵn sàng đối phó Dự kiến liên quan đến khả năng xác định các thay đổi

có thể xảy ra trong tượng lai của môi trường hoạt động, còn dự ứng là chuẩn bị các phản ứng của hệ thống đối với các thay đổi dự kiến Hệ thống phát triển tốt hay kém không phải do sự thay đổi môi trường, mà là do hệ thống đó phản ứng như thế nào trước hoàn cảnh mới Trên thực tế, những sự kiện bất lợi có thể dẫn đến những kết quả tốt hơn hiện trạng, nếu những phản ứng của hệ thống là có hiệu quả

Quy hoạch chiến lược (trường phái quá trình) có những đặc trưng sau đây :

1 Nguồn lực được tập trung nhằm đạt được một nhiệm vụ, thường được gắn trong một tầm nhìn rõ ràng và có tính hiện thực, có tiến độ thực hiện Hết sức tránh các kế hoạch toàn diện phi thực tế

2 Nhiệm vụ đó dựa trên những vấn đề được xác định qua quá trình tham gia của nhiều bên liên quan Tránh việc để cho bộ máy quan liêu đặt trước mục tiêu

3 Chú trọng tới các hành động và mức độ thực hiện các nhiệm vụ so với kế hoạch đặt ra

4 Hành động được tập trung vào những điểm mấu chốt trong hệ thống sao cho tạo

ra được đòn bẩy lớn nhất tương ứng với nguồn lực hiện có Làm được như vậy thì các chi phí sẽ có hiệu qủa lớn nhất

5 SPM thừa nhận tầm quan trọng của các nhà lãnh đạo và các cơ quan quản lý Chiến lược đề ra cần tập trung thế mạnh của thể chế hiện hành, đồng thời cũng cần đề ra phương án tăng cường thể chế về lâu dài

6 SPM nhấn mạnh tầm quan trọng của dự ứng, thông qua các kỹ thuật như phân tích các động lực và xây dựng các kịch bản, bởi vì nó thừa nhận rằng thế giới đang thay đổi nhanh chóng Không thể biết trước được tương lai, nhưng phạm

Dự báo và kịch bản

Để hiểu rõ khái niệm kịch bản ta phải so sánh với dự báo Dự báo dựa trên giả thiết là việc phỏng đoán trước tương lai là có thể và có ích Điều này có quan hệ chặt chẽ với giả thiết của nhà chiến lược duy lý cho rằng chỉ có 1 câu trả duy nhất đứng và nghệ thuật lập chiến lược là đạt đến càng gần câu trả lời đó càng tốt Do đó nhiệm vụ dự báo được giao cho các chuyên viên trình độ cao nhất với sự trợ giúp của máy tính, sao cho đạt được câu trả lời tốt nhất Dự báo là sự tổng hợp thống kê của chuyên gia Một dự báo không nhất thiết phải đưa ra một con số nhất định mà có thể đưa ra một khoảng biến thiên Anh ta có thể đưa ra các thông tin xác suất đối với vấn đề anh ta dự báo Nhưng đó bao giờ cũng là các đánh giá xác suất phản ảnh ý kiến của chuyên gia Phân tích kịch bản khác về mặt cơ bản với dự báo Phân tích kịch bản là một mô tả nhận thức về tương lai dựa trên quan hệ nhân quả Nó là một quá trình dựa trên giả thiết là không chỉ có một câu trả lời tốt nhất, và tồn tại một giới hạn của nhận thức thực tại Điều đó có nghĩa là người có trách nhiệm ra các quyết định chiến lược phải chấp nhận rủi ro Phân tích kịch bản giả thiết rằng tương lai không thể đoán trước được

và do đó tính bất trắc là không thể tránh khỏi Việc dự báo tương lai khi vẫn tồn tại sự bất trắc là rất nguy hiểm vì nó sẽ không cung cấp được các thông tin đủ để các nhà hoạch định chính sách ra quyết định cần thiết Các chuyên gia làm dự báo không phải

là người hoạch định chính sách Khi nhà hoạch định chính sách sử dụng kết quả dự báo, họ không nhận thức được tính bấp bênh của dự báo, do đó họ không thể thấy được các hậu quả nghiêm trọng mà quyết định của họ có thể dẫn đến khi tương lai diễn biến bất thường

Người làm dự báo trước hết phải tự quyết định là anh ta dự báo cái gì Nhưng anh ta không thể biết rằng đại lượng mà anh ta dự báo sẽ ảnh hưởng bởi những yếu tố khác nữa không được phân tích, do môi trường có bản chất rất phức tạp, trong khi anh ta bị

bó hẹp trong vòng suy lý của cá nhân minh Nhà phân tích kịch bản có quan điểm rộng rãi hơn Anh ta nghiên cứu hoạt động của hệ thống, từ đó anh ta không phải chỉ dự báo nhu cầu trong tương lai, mà xem xét tới các động lực tạo ra nhu cầu đó

Dự báo còn là một sự đơn giản hoá thực tại, đưa hệ thống về một biến đơn, do đó tạo cho người hoạch định chính sách rất dễ dàng trong việc ra quyết định Nhà phân tích kịch bản đi sâu vào mối quan hệ nhân qủa, do đó đưa ra nhiều thông tin hơn, cung cấp một bức tranh toàn diện về sự vật Các kịch bản nêu ra sẽ là cơ sở để nhà hoạch định chính sách suy nghĩ, phân tích trước khi đi đến một quyết định nào đó

Trong thực tế, dự báo có thể sử dụng khi hoạch định công việc ngắn hạn, khi chúng ta

có nhiều khả năng dự báo đúng, ít gặp bấp bênh bất trắc Phân tích kịch bản được sử dụng đối với một tương lai giới hạn, khi mà khả năng dự báo và sự bất trắc ngẫu nhiên dều có ý nghĩa quan trọng như nhau

2.3.2.3 Một số ví dụ về kịch bản trong quy hoạch chiến lược

Trong nghiên cứu về sử dụng nước toàn cầu tới năm 2025 do Viện Nghiên cứu chính sách lương thực quốc tế thực hiện, người ta phát triển ba kịch bản cơ sở như sau:

1) Kịch bản diễn biến như bình thường (BAU) dự kiến những sản phẩm nước

và lương thực đối với tương lai có xu thế giống như quá khứ gần, do đó những khuynh hướng hiện thời về đầu tư cho nước, giá nước và quản lý nước được duy trì

2) Kịch bản khủng hoảng nước (CRI) dự đoán sự xấu đi của những khuynh

hướng và chính sách hiện thời trong ngành nước

3) Kịch bản sử dụng nước bền vững (SUS) dự kiến có những cải thiện trong

một loạt các chính sách và khuynh hướng về nước

Những yếu tố chi phối chính trong hệ thống được sử dụng như là các tập hợp cơ

sở để xây dựng các kịch bản Các yếu tố chi phối được tóm tắt ở đây:

• Các yếu tố kinh tế và dân số bao gồm tăng trưởng dân số, tốc độ đô thị hóa,

và tốc độ tăng trưởng của GDP, và GDP bình quân đầu người Những kết quả dự kiến của các yếu tố kinh tế và dân số được giữ bất biến cho tất cả các kịch bản

• Các thông số khí hậu và thủy văn bao gồm lượng mưa, bốc thoát hơi, dòng

chảy mặt và nạp lại nước ngầm Những thông số này cũng được giữ bất biến trong suốt

3 kịch bản

• Các yếu tố công nghệ, quản lý, và cơ sở hạ tầng bao gồm hệ thống quản lý

lưu vực sông, lượng trữ của hồ chứa, khả năng lấy nước, diện tích được tưới tiềm

năng, và tăng năng suất của cây trồng và vật nuôi

• Các yếu tố chính sách bao gồm giá nước, ưu tiên phân bổ nước giữa các

ngành, lưu lượng nước cam kết cho các mục đích môi trường, chia sẻ nước liên lưu

vực, chính sách giá hàng hóa được xác định bởi thuế và trợ cấp cho hàng hóa

Uỷ ban sông Rhine khi nghiên cứu quy hoạch phát triển của sông Rhine đến năm 2025

đã vạch ra nhiều kịch bản phát triển, trong đó có ba kịch bản chính như sau:

1/ Kịch bản diễn biến như bình thường (BAU), giả thiết là các chính sách hiện

nay vẫn tiếp tục và có kết quả nhất định Kịch bản này sẽ không dẫn tới khủng hoảng nước trên lưu vực, song có thể dẫn tới suy thoái chất lượng nước và môi trường, và làm cho thuỷ hệ dễ bị xuống cấp hơn

2/ Kịch bản Kinh tế, Công nghệ và thành phần kinh tế tư nhân (TEC), dựa trên

thị trường, sự tham gia của khu vực tư nhân, và chủ yếu là các giải pháp công nghệ cũng như các hoạt động ở cấp quốc gia hoặc cấp lưu vực nhằm bảo đảm tài nguyên nước vững bền Kịch bản này dẫn tới sự bền vững cao hơn cho tài nguyên nước, nhưng

có thể gây mâu thuẫn giữa các nước thượng hạ lưu cũng như giữa các nước nghèo và giàu

3/ Kịch bản Các giá trị nhân sinh (VAL), có mục đích duy trì các giá trị con

người, tăng cường hợp tác quốc tế, nhấn mạnh vào gíáo dục, các cơ chế quốc tế, các quy tắc quốc tế, tăng cường sự thống nhất, thay đổi hành vi và lối sống nhằm đảm bảo

sự bền vững của tài nguyên nước Kịch bản này sẽ đảm bảo phát triển tài nguyên nước

• Mỗi kịch bản phải hợp lý, điều đó có nghĩa là chúng phải phát triển hợp lý (theo cách nhân quả) từ quá khứ tới hiện tại

• Phải nhất quán nội bộ Điều đó có nghĩa là những sự kiện trong một kịch bản phải liên quan thông qua các tuyến nhân quả của lý lẽ mà không có thể có lỗ hổng

• Phải thích hợp cho vấn đề mà khách hàng quan tâm Phải tạo ra những điều kiện hữu ích, toàn diện vừa thách thức để tạo ra vừa thử nghiệm ý tưởng Mà dựa vào đó khách hàng có thể xem xét các kế hoạch, chiến lược và hướng kịch bản tương lai

• Kịch bản phải tạo ra một triển vọng mới và cơ bản về các vấn đề của khách hàng mà ở đây cụ thể là phải được Bộ NN và PTNT quan tâm

Việc xây dựng bản phát triển cho vùng lưu vực sông Hồng-Thái Bình dựa trên phân tích đánh giá (i) Xu thế phát triển của các ngành có liên quan trong thời gian gần đây, (ii) Quy hoạch phát triển tổng thể các ngành kinh tế trong giai đoạn tới (iii) các văn bản, nghị quyết của Nhà nước trên phạm vi toàn lãnh thổ nói chung, cho lưu vực sông Hồng và vùng nghiên cứu nói riêng Đồng thời các yếu tố chi phối chính trong quá trình xác định kịch bản bao gồm (i) Nhóm yếu tố kinh tế, (ii) Nhóm công nghệ, quản

lý, cơ sở hạ tầng, thị trường và chính sách, (iii) Nhóm yếu tố khí hậu và thuỷ văn, (iv) Nhóm yếu tố tiến độ xây dựng các hồ chứa lớn

Qua phân tích đánh giá các tài liệu nghiên cứu liên quan, xem xét đặc thù của vùng nghiên cứu lưu vực sông Hồng-Thái Bình, cũng như xét khả năng về số liệu thu thập

và trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đã đề xuất 3 kịch bản phát triển cho vùng nghiên cứu:

• Kịch bản diễn biến như bình thường

• Kịch bản phát triển bền vững

• Kịch bản khủng hoảng

Kịch bản Diễn biến như bình thường căn cứ vào thực tế phát triển của các ngành

kinh tế xã hội cũng như diễn biến khí tượng thuỷ văn và thực trạng trong công tác đầu

tư xây dựng các công trình thuỷ lợi trên lưu vực làm cơ sở xây dựng kịch bản Trong nghiên cứu này các số liệu phân tích đánh giá để đưa ra các tiêu chí xác định kịch bản dựa trên nền số liệu dân sinh kinh tế của miền bắc, và của lưu vực sông Hồng

Trên cơ sở diễn biến gần đây của các ngành kinh tế liên quan đến sử dụng nước vùng nghiên cứu đã đề xuất tốc độ phát triển các ngành kinh tế

Diện tích lúa xuân (1000 ha)

Diện tích lúa mùa (1000 ha)

Mien Bac Dong bang MienNui

Hình 1.b Diễn biến diện tích lúa (1000 ha)

Hình 1.d Diễn biến giá trị sản xuất công nghiệp (tỉ đồng)

Kịch bản phát triển bền vững

Được xây dựng căn cứ vào kế hoạch phát triển của các ngành kinh tế, quy hoạch tổng thể các ngành và các nghị quyết đại hội Đảng cho vùng nghiên cứu như:

• Chuyên đề quy hoạch Nông nghiệp lưu vực sông Hồng

• Chuyên đề quy hoạch Lâm nghiệp lưu vực sông Hồng

• Quy hoạch tổng thể PTKTXH vùng Đông Bắc (1996), Đồng bằng Bắc Bộ (1999)

• Quy hoạch phát triển thuỷ sản Ven biển Bắc Bộ

Tiêu chí xây dựng Kịch bản phát triển bền vững về cơ bản có tốc độ tăng dân đô thị cao hơn, chuyển đổi cơ cấu sản xuất nông nghiệp cao hơn, tốc độ phát triển công nghiệp cao hơn so với kịch bản Diễn biến như bình thường

Diễn biến điều kiện khí tượng, thuỷ văn lấy như kịch bản Diễn biến như bình thường

Kịch bản khủng hoảng được xây dựng trên cơ sở:

Do biến động về thị trường, ngành nông nghiệp phát triển theo chiều hướng: Thu hẹp diện tích cây trồng cạn do sản phẩm khó tiêu thụ hoặc không có lợi nhuận cao nên nông dân chuyển sang trồng lúa là chính với lý do thị trường xuất khẩu gạo cũng như nhu cầu sử dụng gạo trong nước tiêu thụ tốt

Do dịch cúm gia cầm có nguy cơ xảy ra thường xuyên nên người nông dân hạn chế phát triển chăn nuôi theo đó là các yêu cầu về nước thay đổi

Công nghiệp và đô thị phát triển mạnh làm tăng nhanh nhu cầu nước

Điều kiện về khí tượng thủy văn diễn biến theo xu thế bất lợi do nhiều nguyên nhân như phá rừng, biến đổi khí hậu

Bảng 1 Thông số tính toán cho các kịch bản phát triển

2010 2020 Hạng mục

Khu CN tập trung (ha) 14418 15845 19014 55700 25311 30373

6 Giao thông thuỷ

Xà lan (tấn) 200 200 200 400 400 400

Tàu (CV) 135 135 135 150 150 150

II Nhóm công nghệ, chính sách

Hệ số sử dụng kênh mương 0.60 0.65 0.57 0.65 0.75 0.60

2010 2020 Hạng mục

KB1 KB2-TH2 KB3 KB1 KB2-TH2 KB3

- Thủy điện (MW) 2340 3265 3265 5940 6865 6865

2.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nội dung tính toán phân bổ tối ưu nguồn nước lưu vực sông Hồng-Thái

Bình các nội dung phân tích bao gồm khảo sát, thu thập số liệu đánh giá hệ thống, xác

định phương án vận hành phân bổ nguồn nước cho toàn bộ lưu vực sông Hồng-Thái

Bình, trên cơ sở đó sẽ tập trung giải quyết chi tiết bài toán phân bổ nguồn nước và bảo

vệ môi trường nguồn nước lưu vực sông Nhuệ

Phương pháp luận và công nghệ chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm

phương pháp xây dựng kịch bản phát triển mang tính chiễn lược, công nghệ phân tích

tối ưu hệ thống GAMS, mô hình toán thủy động lực học dòng chảy MIKE 11, mô hình

toán môi trường sinh thái ECOLab

Hiện phạm vi nghiêm cứu giới hạn giải quyết các vấn đề trong mùa khô khi tranh chấp

về các mục tiêu sử dụng nước hiện khá trầm trọng Nghiên cứu cũng chưa xem xét

được chi tiết hiệu quả kinh tế từ các yếu tố xã hội và môi trường

Đề tài nghiên cứu cũng bước đầu đã xem xét đến các tác động của biến đổi khí hậu

đến vùng lưu vực sông Hồng-Thái Bình

Điều tra đánh giá HT, TTSL KTTV, SD nước, vận hành

công trình, số liệu môi trường

XD kịch bản PT lưu vực

sông Hồng-Thái Bình

Xây dựng mô hình thủy động lực học + môi trường sông Nhuệ

XD mô hình tối ưu kinh

tế phân bổ nguồn nước

lưu vực sông H-TB

Tính phân bổ tối ưu

nguồn nước lưu vực

sông Hồng-Thái Bình

KIẾN NGHỊ PHƯƠNG ÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC VÀ

BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

Tính toán cấp nước

và bảo vệ môi trường

sông Nhuệ Điều tra đánh giá HT, TTSL KTTV, SD nước, vận hành

công trình, số liệu môi trường

XD kịch bản PT lưu vực

sông Hồng-Thái Bình

Xây dựng mô hình thủy động lực học + môi trường sông Nhuệ

XD mô hình tối ưu kinh

tế phân bổ nguồn nước

lưu vực sông H-TB

Tính phân bổ tối ưu

nguồn nước lưu vực

sông Hồng-Thái Bình

KIẾN NGHỊ PHƯƠNG ÁN PHÂN BỔ NGUỒN NƯỚC VÀ

BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

Tính toán cấp nước

và bảo vệ môi trường

sông Nhuệ

Hình 1e Sơ đồ khối các nội dung tính toán mô hình

2.4.1 Điều tra khảo sát hiện trường, thu thập số liệu

2.4.1.1 Thu thập số liệu

Nghiên cứu đã tiến hành thu thập các nguồn số liệu bao gồm:

2.4.1.2 Khảo sát, đo đạc xây dựng mô hình toán môi trường nước sông Nhuệ

2.4.1.2.1 Đo dòng chảy

Đo đạc lưu lượng, mực nước trong mùa kiệt tại các vị trí trong vùng nghiên cứu nhằm thu thập tài liệu cơ bản phục vụ tính toán thủy lực Đơn vị thực hiện là Phòng Thuỷ văn - Viện Quy hoạch Thuỷ lợi Khối lượng thực hiện theo đề cương được duyệt, đo đạc lưu lượng, mực nước làm biên tại 10 vị trí và đo đạc mực nước vùng triều làm biên tại 3 vị trí Các vị trí cần đo đạc ở trong Bảng 1 và bản đồ kèm theo, trong đó

Bảng 2: Vị trí các tuyến khảo sát lưu lượng, mực nước

Kênh

Đo lưu lượng

Đo mực nước

2 Sông Cầu Ngà trước nhập lưu sông

Nhuệ

5 Cầu Hạ dục (Cầu Tân Trượng) Tích +

10 Sông Thanh Hà trước nhập lưu sông

Chế độ đo đạc: Đo mực nước vùng triều làm biên tại 3 vị trí : (1) tại Phủ lý, (2) trước

và (3) sau cống Phủ lý với chế độ đo 12 lần/ngày (vào các giờ lẻ trong ngày), thời gian

đo tại mỗi vị trí trong 5 ngày Các vị trí còn lại đo lưu lượng, mực nước theo chế độ 4

lần/ngày (sáng 02 lần, chiều 02 lần), thời gian đo tại mỗi điểm trong 5 ngày

Phương pháp đo: Sử dụng máy lưu tốc kế để đo vận tốc, đo theo quy phạm thuỷ văn,

đo mặt cắt ngang tại tuyến đo để phục vụ tính lưu lượng, khi đo ngoài thực địa có ghi

chép nhật ký thời tiết trong ngày

Thời gian khảo sát đo đạc: 5 ngày, từ ngày 26/1/2007 đến ngày 30/1/2007

Tổ chức triển khai: chia làm 3 nhóm đi khảo sát

- Nhóm 1 : đo đạc các điểm từ điểm (1) đến điểm (3)

- Nhóm 2: đo đạc các điểm từ điểm (4) đến điểm (7)

- Nhóm 3: Đo đạc các điểm từ điểm (8) đến điểm (12)

Bố trí nhân lực:

- Nhóm 1 : Nguyễn Thế Anh, Nguyễn Thanh Hằng, Vũ Đình Hựu, Lê Viết Lanh

- Nhóm 2: Nguyễn Xuân Phùng, Lê Côi, Vũ Tuyết Hào, Trần Chung Vĩnh, Đặng

Bảng 3 Kết quả đo tại cầu Đăm, sông Đăm Thời gian đo

Bảng 4 Kết quả đo tại Ba Thá, sông Đáy Thời gian đo

Bảng 5 Kết quả đo tại cửa sông Thanh Hà trên sông Thanh Hà

Thời gian đo

TT

Ngày Bắt đầu Kết thúc

1 26/01/2007 6h45’ 7h15’ 205 -4,54 Sông Đáy chảy vào sông Thanh Hà

9 28/01/2007 6h40’ 7h10’ 190 -1,97 Sông Đáy chảy vào sông Thanh Hà

11 28/01/2007 14h20’ 14h40’ 204 1,91 Sông Thanh Hà chảy ra sông Đáy

17 30/01/2007 6h45’ 7h15’ 178 -2,07 Sông Đáy chảy vào sông Thanh Hà

18 10h00’ 10h30’ 168 -2,67 Sông Đáy chảy vào sông Thanh Hà

19 30/01/2007 15h00’ 15h30’ 182 2,13 Sông Thanh Hà chảy ra sông Đáy

Bảng 6 Kết quả đo mực nước tại cống Phủ Lý (cm)

Quá trình đo đạc, chỉnh biên tài liệu đã thực hiện đúng theo quy trình, quy phạm đo

đạc mực nước, lưu lượng mùa kiệt do Tổng cục Khí tượng thuỷ văn ban hành Thiết bị

đo đạc hiện đại, có độ chính xác cao Kết quả đo đạc đã phản ánh đã có tác động của

công trình lấy nước (như hoạt động của các trạm bơm, cống lấy nước …) phục vụ vụ

chiêm xuân tới mực nước, lưu lượng trong thời kỳ kiệt tháng I năm 2007 Cụ thể là các

vị trí đo đạc như Mai Lĩnh (vị trí không ảnh hưởng của thủy triều) lưu lượng dòng

chảy biến đổi lớn, từ 1.82 m3/s đến 3.13 m3/s, trạm Cầu Xém lưu lượng biến đổi từ

11.0 m3/s đến 26.8 m3/s

Khối lượng thực hiện gồm khảo sát lưu lượng thực tế đã thực hiện là 10 vị trí, đo đạc

mực nước tại 03 vị trí Thời gian đo đạc tại mỗi điểm đủ trong 5 ngày, lưu lượng đo

theo chế độ 4 lần/ngày, mực nước đo theo chế độ 12 lần/ngày

2.4.1.2.2 Đo chất lượng nước

Bảng 7 Vị trí đo đạc chất lượng nước

1 Cống Liên Mạc Nhuệ

3 Cầu Diễn Nhuệ