Trong thời đại chúng ta, dân số gia tăng nhanh, tốc độ tăng trưởng kinh tế lớn, cùng với những bất lợi trong biến đổi khí hậu khiến cho cầu sử dụng nước trong tất cả các lĩnh vực, từ cầu sử dụng nước sinh hoạt, cầu sử dụng nước tưới trong sản xuất nông nghiệp, cầu nước công nghiệp, cầu sử dụng nước cho các mục tiêu môi trường, sinh thái đều tăng lên với tốc độ lớn. Bên cạnh những thay đổi về kỹ thuật tài nguyên nước, những thay đổi về kinh tế xã hội có ảnh hưởng ngày càng lớn lên các quyết định chính sách trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Vì vậy, các nghiên cứu quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cần thiết có những tiếp cận phân tích kinh tế chuyên nghiệp để cung cấp thông tin đầy đủ cho các quyết định quản lý nền kinh tế. Tính chuyên nghiệp trong phân tích kinh tế tài nguyên nước được thể hiện ở hai khía cạnh căn bản là: (i) Như tuyên bố Dublin (1992) đã chỉ ra, nước có giá trị kinh tế và cần được coi như một hàng hóa kinh tế, do vậy, khung quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tại mọi quốc gia trên thế giới cần thiết phải bao gồm cả khung phân tích kinh tế dựa trên tiếp cận kinh tế thị trường để phân tích và đánh giá các hoạt động cung cấp và sử dụng tài nguyên nước; và (ii) Cũng như tuyên bố Dublin đã nói, nước là một tài nguyên thiên nhiên ngày càng trở nên khan hiếm và dễ bị tổn thương, tức là khác với các tài nguyên và các hàng hóa thị trường khác, ngành nước là một ngành nổi tiếng vì có nhiều “thất bại thị trường”, tức là có nhiều đặc tính khiến cho các giao dịch thị trường nước sẽ tao ra nhiều ngoại ứng xấu. Điều này hàm ý khung phân tích kinh tế cho ngành nước phải được áp dụng dựa trên những nghiên cứu đặc biệt về phân tích ‘thất bại thị trường’ và các biện pháp để khắc phục những sự cố này. Vì vậy, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước đồng thời phải đứng trước những thách thức lớn: bên cạnh việc gia tăng nghiên cứu và ứng dụng các tiến bộ khoa học tự nhiên để gia tăng khả năng phân tích, đánh giá và dự báo các quy luật biến đổi về nước, còn cần chú trọng tới công tác nghiên cứu và các biện pháp khắc phục các nhân tố “thất bại thị trường”, và phát triển các thể chế thích hợp để quản lý nước để cải thiện quy hoạch
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO VĂN KHIÊM ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HĨA CHO BÀI TỐN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SÔNG HỒNGTHÁI BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO VĂN KHIÊM ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SƠNG HỒNGTHÁI BÌNH Chun ngành: QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Mã số: 62-62-30-01 NGƯỜI HƯỚNG 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 hình thức Các tài liệu tham khảo 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 hướng dẫn tác giả nghiên cứu hồn thành Luận án Tiến sĩ Tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nước 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 LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU xii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm chung lưu vực 1.1.1 Các đặc trưng khí hậu .1 1.1.2 Các đặc điểm kinh tế xã hội 1.1.3 Tình hình quản lý tài nguyên nước Hệ thống Sơng Hồng Thái Bình .2 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 tưới vụ Đông Xuân .5 1.2.4 Tình trạng khẩn cấp mùa lũ 1.3 Tình hình ứng dụng tối ưu hóa cho quy hoạch quản lý tài nguyên nước giới 1.3.1 Mơ hình hóa quản lý tài ngun nước cấp lưu vực sông .6 1.3.2 Kinh tế học phân bổ tài nguyên nước .8 1.3.3 Mơ hình kinh tế thủy văn tổng hợp phát triển gần .12 1.4 Ứng dụng nghiên cứu tối ưu hóa cho quy hoạch quản lý tài nguyên nước Việt nam Lưu vực sông Hồng 14 1.4.1 Một số nghiên cứu kinh tế tài nguyên nước Việt nam từ chuyên gia quốc tế kết hợp với nhà nghiên cứu Việt nam 14 1.4.2 Quy hoạch tài nguyên nước vùng lưu vực sơng Hồng Thái Bình .15 1.4.3 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa 16 iii 1.4.4 Các thách thức việc xây dựng thủ tục vận hành liên hồ chứa 18 1.5 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa mục tiêu nghiên cứu 19 1.5.1 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa động phân bổ hiệu kinh tế QH&QLTNN Việt nam 19 1.5.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án .21 1.5.2.1 Tình hình nghiên cứu tối ưu hóa QH&QLTNN Lưu vực Sơng Hồng - Thái bình .21 1.5.2.2 Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án .22 Chương 2: THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC .26 2.1 Mở đầu 26 2.1.1 Giới thiệu 26 2.1.2 Cơ sở lý thuyết phân bổ hiệu tài nguyên nước 28 2.2 Khái niệm phân bổ hiệu kinh tế mơ hình Aquarius 30 2.2.1 Giới thiệu mơ hình Aquarius 30 2.2.2 Nhận xét 34 2.3 Tiếp cận mơ hình tối ưu hóa động 35 2.3.1 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc đẳng thức 35 2.3.2 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc bất đẳng thức 37 2.3.3 Trường hợp tổng quát: ràng buộc hỗn hợp 37 2.3.4 Một số nhận xét 38 2.3.5 Một số khía cạnh phương pháp giải xấp xỉ 39 2.3.5.1 Phương pháp giải gần 39 2.3.5.2 Phần mềm Lingo 41 2.3.6 Một số cấu phần mô hình tối ưu hóa tất định phát triển luận án .43 2.3.6.1 Bổ sung số cấu trúc giá trị sử dụng nước 43 2.3.6.2 Phát triển hàm chi phí hệ thống tài nguyên nước .53 2.3.7 Nhận xét .57 2.4 Áp dụng tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên 58 2.4.1 Giới thiệu 58 2.4.2 Cơ sở lý thuyết cho phân tích đầu vào ngẫu nhiên mơ hình tài ngun nước .59 iv 2.4.2.1 Biến đổi chuỗi thời gian không dừng thành chuỗi thời gian dừng 59 2.4.2.2 Mơ hình ARMA (Tự hồi quy trung bình trượt) 61 2.4.2.3 Ước lượng mơ hình ARMA 64 2.4.3 Ứng dụng mô hình ARMA cho tốn tối ưu ngẫu nhiên 64 2.5 Tiếp cận Độc quyền Tự nhiên 68 2.5.1 Giới thiệu 68 2.5.2 Ứng dụng tiếp cận độc quyền tự nhiên cho phân bổ hiệu tài nguyên nước .69 2.5.2.1 Ước lượng 69 2.5.2.2 Phân tích 70 2.6 Kết luận .71 Chương 3: PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƯU VỰC SÔNG HỒNG 72 3.1 Đặt vấn đề 72 3.2 Phân tích số liệu đầu vào mơ hình .72 3.2.1 Sử dụng số liệu cho mơ hình tối ưu .72 3.2.2 Số liệu cho hệ thống hồ chứa Núi Cốc 74 3.3 Mơ hình tối ưu hóa động cho Hệ thống Núi Cốc .94 3.3.1 Giới thiệu Hệ thống Núi Cốc 94 3.3.2 Phân tích ước lượng hàm cầu hàm giá trị sử dụng nước 95 3.3.2.1 Hàm cầu sử dụng nước tưới 95 3.3.2.2 Hàm cầu sử dụng nước cho mục đích sinh hoạt 96 3.3.2.3 Hàm cầu nước cho mục đích phát điện 97 3.3.2.4 Hàm cầu sử dụng nước cho mục đích du lịch 98 3.3.3 Tính tốn chi phí 98 3.3.4 Mơ hình tối ưu hóa động cho hồ chứa Núi Cốc 101 3.3.4.1 Xác định hàm mục tiêu 101 3.3.4.2 Các ràng buộc .102 3.3.4.3 Sử dụng phần mềm Lingo 16 102 3.3.5 Tóm tắt kết mơ hình tối ưu hóa động tất định cho hồ chứa Núi Cốc .102 v 3.3.6 Tóm tắt kết mơ hình tối ưu hóa động ngẫu nhiên 110 3.4 Mơ hình tối ưu hóa động cho Hệ thống Sơn La – Hịa Bình 117 3.4.1 Giới thiệu hệ thống hồ chứa Sơn La – Hịa Bình .117 3.4.2 Mơ hình phân bổ nước Hệ thống Sơn La – Hịa Bình .120 3.4.3 Kết mơ hình tối ưu hóa động cho hệ thống Sơn La – Hịa Bình 121 3.5 Kết luận 133 Chương 4: CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SÔNG HỒNG 135 4.1 Đặt vấn đề 135 4.2 Các kết chạy mô hình tối ưu hóa động cho hệ thống Núi Cốc 140 4.3 Tối ưu hóa động ngẫu nhiên phục vụ nghiên cứu cấu trúc độc quyền tự nhiên hệ thống hồ chứa Sơn La – Hòa Bình .145 4.3.1 Tối ưu hóa động với cầu tưới đủ tất định giảm dịng chảy đến ngẫu nhiên (mơ hình chi phí hàm mũ) 146 4.3.2 Tối ưu hóa động với cầu tưới trước Đổi dòng chảy đến ngẫu nhiên .147 4.3.4 Tối ưu hóa động với cầu tưới giảm dòng chảy đến ngẫu nhiên khơng có can thiệp phủ 148 4.3.5 Tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên giảm dòng chảy đến ngẫu nhiên điều kiện tưới đủ (mơ hình với chi phí bậc ba) 149 4.3.6 Tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên giảm dòng chảy đến ngẫu nhiên điều kiện cạnh tranh hồn hảo (mơ hình với chi phí bậc ba) 150 4.3.7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu với mơ hình cầu tưới ngẫu nhiên ARIMA (mơ hình với chi phí hàm mũ) .151 4.3.8 Tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên giảm, dòng chảy đến ngẫu nhiên, cầu điện tăng (mơ hình với chi phí hàm mũ) 152 4.3.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu tính theo tháng (mơ hình với chi phí hàm mũ) .153 4.3.10 Một số nhận xét .154 4.4 Kết luận chương 156 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .158 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 160 TÀI LIỆU THAM KHẢO 163 PHỤ LỤC 168 vi MỘT SỐ THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG 238 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mơ biến liên quan đến hồ chứa .31 Hình 2.2 Biểu đồ dịng chảy đến Hồ chứa Núi Cốc 65 Hình 2.3 Kết phân tích kiểm định IID chuỗi phần dư 66 Hình 3.1 Đồ thị dòng chảy đến hồ chứa Núi Cốc (1980-2000) 75 Hình 3.2 Phân phối tần suất dòng chảy đến hồ chứa Núi Cốc giai đoạn 1980-2000 .75 Hình 3.3 Chuỗi số liệu dòng chảy đến hồ chứa Núi Cốc sau lấy lơ ga 76 Hình 3.4 Phân phối chuẩn chuỗi số liệu dòng chảy đến sau lấy lơ ga 76 Hình 3.5 Chuỗi dừng nhận sau biến đổi 77 Hình 3.6 Các biểu đồ ACF (trái) PACF (phải) số liệu gốc 77 Hình 3.7 Kết ước lượng mơ hình 𝑨𝑹𝑰𝑴𝑨 .78 Hình 3.8 Đồ thị phần dư 79 Hình 3.9 Biểu đồ tần suất phần dư 79 Hình 3.10 Kết kiểm định tính ồn trắng phần dư 79 Hình 3.11 Một mơ chuỗi lơ ga dịng chảy đến hồ chứa Núi Cốc 80 Hình 3.12 Chuỗi số liệu mơ dịng chảy đến hồ chứa Núi Cốc 81 Hình 3.13 Dịng chảy đến hồ chứa Sơn La giai đoạn 1/1980 đến 12/2004 82 Hình 3.14 Dịng chảy đến Sơn La sau biến đổi (lấy lô ga, xử lý Box-Cox, lấy sai phân, loại bỏ trung bình) .83 Hình 3.15 Biểu đồ ACF PACF cho chuỗi số liệu nước đến hồ chứa Sơn La 83 Hình 3.16 Kết ước lượng 𝐴𝑅𝑀𝐴𝑝, 𝑞 với 𝑝 ≤ 26, 𝑞 ≤ 26 cho AICC nhỏ .84 Hình 3.17 Biểu đồ tần suất phần dư 84 Hình 3.18 Kết kiểm định tính ồn trắng 85 Hình 3.19 Một kết mơ mơ hình ước lượng 85 Hình 3.20 Kết mô khôi phục cách lấy hàm e mũ .86 Hình 3.21 Số liệu dịng chảy đến Sơn La, Hịa Bình, SL+D1+…+D5 trước xử lý 87 Hình 3.22 Số liệu dịng chảy đến Sơn La, Hịa Bình, SL+D1+…+D5 sau xử lý 87 Hình 3.23 Biểu đồ ACF PACF tương quan chéo ba chuỗi thời gian dòng chảy sau biến đổi 87 Hình 3.24 Biểu đồ ACF PACF phần dư mơ hình ước lượng 93 Hình 3.25 Đồ thị kết mơ mơ hình .94 Hình 3.26 Các quỹ đạo tối ưu kế hoạch tối ưu ứng với mẫu số liệu ngẫu nhiên dòng chảy đến hồ chứa Núi Cốc tưới đủ 112 Hình 3.27 Hàm mật độ phân phối xác suất tổng lợi ích rịng 112 Hình 3.28 Các quỹ đạo tối ưu hóa tùy thuộc tình ngẫu nhiên 113 Hình 3.29 Hàm mật độ phân phối xác suất tổng lợi ích rịng 113 Hình 3.30 Tối ưu hóa với cầu tưới ngẫu nhiên dòng chảy đến ngẫu nhiên 114 viii