nghiên cứu ứng dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính trong bài toán phân bổ tài nguyên nước tỉnh cao bằng

LUYỆN ĐỨC THUẬN “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH TRONG BÀI TOÁN PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƯỚC TỈNH CAO BẰNG” Chuyên ngành: Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước Mã số:

LUYỆN ĐỨC THUẬN

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH TRONG BÀI TOÁN PHÂN BỔ TÀI

NGUYÊN NƯỚC TỈNH CAO BẰNG”

Chuyên ngành: Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước

Mã số: 60 – 62 – 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Nguyễn Mai Đăng

2 TS Tống Ngọc Thanh

Hà Nội - 2013

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, tháng 6 năm 2013

Tác giả luận văn

Luyện Đức Thuận

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu thực hiện, đến nay luận văn thạc sĩ đề tài

“Nghiên cứu ứng dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính trong bài toán phân bổ tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng” đã được thực hiện và hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Mai Đăng và TS Tống Ngọc Thanh đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện và viết luận văn

Qua luận văn này, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, phòng đào tạo Sau đại học - Trường đại học Thủy lợi, Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền Bắc, các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên và giúp

đỡ tác giả để hoàn thành tốt bản luận văn này

Với thời gian và kiến thức có hạn, chắc chắn không thể tranh khỏi những khiếm khuyết, tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến góp ý của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH SÁCH BẢNG 4

DANH SÁCH HÌNH 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 11

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 11

1.1.1 Phân loại tổng quan các mô hình tối ưu 11

1.1.1.1 Bài toán tối ưu tổng quát 11

1.1.1.2 Bài toán quy hoạch tuyến tính 12

1.1.2 Quy hoạch tuyến tính 12

1.1.2.1 Khái niệm và các ví dụ về bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT) 12

1.1.2.2 Hai dạng cơ bản của quy hoạch tuyến tính 12

1.1.2.3 Định lý cơ bản và các định nghĩa về quy hoạch tuyến tính 14

1.1.2.4 Giải bài toán quy hoạch tuyến tính 15

1.1.3 Tổng quan tình hình ứng dụng quy hoạch tuyến tính trong tài nguyên nước ở Việt Nam và trên thế giới 21

1.1.3.1 Trên thế giới 21

1.1.3.2 Trong nước 22

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 24

1.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 24

1.2.1.1 Vị trí địa lý 24

1.2.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo 25

1.2.2 Đặc điểm khí tượng 26

1.2.3 Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Cao Bằng 28

1.2.3.1 Dân cư 28

1.2.3.2 Tăng trưởng kinh tế 29

1.2.3.3 Chuyển dịch cơ cấu kinh tế 30

1.2.3.4 Những định hướng phát triển 30

1.2.4 Đặc điểm mạng lưới sông hồ 33

CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG TÀI NGUYÊN NƯỚC TỈNH CAO BẰNG 37

2.1 Hiện trạng tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 37

2.1.1 Đặc điểm tài nguyên nước mưa 37

2.1.2 Đặc điểm tài nguyên nước mặt 38

2.1.2.1 Dòng chảy năm và phân phối dòng chảy năm 38

2.1.2.2 Dòng chảy mùa lũ 40

2.1.2.3 Dòng chảy mùa kiệt 42

2.1.3 Tài nguyên nước dưới đất 43

2.1.3.1 Đặc điểm phân bố các tầng chứa nước 43

2.2 Hiện trạng khai thác, sử dụng tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 50

2.2.1 Hiện trạng khai thác nước cho sinh hoạt 50

2.2.1.1 Khai thác nước mặt 50

2.2.1.2 Khai thác NDĐ 51

2.2.2 Hiện trạng khai thác nước cho công nghiệp 52

2.2.3 Hiện trạng khai thác nước cho thủy điện 53

2.2.4 Hiện trạng khai thác nước cho nông nghiệp 54

2.3 Đánh giá tài nguyên nước trên tỉnh Cao Bằng 57

2.3.1 Nguyên tắc phân vùng đánh giá tài nguyên nước 57

2.3.2 Mô hình tính toán mưa – dòng chảy và thông số của mô hình 59

2.3.3 Thiết lập các tài liệu, dữ liệu cần thiết cho mô hình 60

2.3.3.1 Thiết lập mạng lưới tính toán cho mô hình Nam 60

2.3.3.2 Xây dựng số liệu đầu vào cho mô hình Nam 61

2.3.3.3 Xác định thông số mô hình Nam 62

2.3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 63

2.3.5 Trữ lượng tài nguyên nước mặt 63

2.3.6 Trữ lượng tài nguyên nước dưới đất 65

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH VÀO PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƯỚC TỈNH CAO BẰNG 70

3.1 Dự báo nhu cầu khai thác sử dụng nước tỉnh Cao Bằng 70

3.1.1 Các tiêu chuẩn và chỉ tiêu dùng nước 70

3.1.1.1 Chỉ tiêu cấp nước sinh hoạt 70

3.1.1.2 Chỉ tiêu cấp nước công nghiệp 71

3.1.1.3 Chỉ tiêu cấp nước nông nghiệp 71

3.1.1.4 Chỉ tiêu cấp nước cho hoạt động dịch vụ, công cộng 74

3.1.2 Nhu cầu sử dụng nước tỉnh Cao Bằng 74

3.1.2.1 Nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt 75

3.1.2.2 Nhu cầu nước cho nông nghiệp 76

3.1.2.3 Nhu cầu nước cho công nghiệp 78

3.1.2.4 Nhu cầu dùng nước cho dịch vụ, công cộng 79

3.1.2.5 Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước tỉnh Cao Bằng 80

3.1.2.6 Yêu cầu về dòng chảy môi trường 84

3.1.2.7 Dòng hồi quy từ khu sử dụng nước 84

3.1.3 Hiệu quả khai thác, sử dụng nước trong địa bàn tỉnh Cao Bằng 85

3.2 Phương án phân bổ tài nguyên nước 86

3.3 Ứng dụng quy hoạch tuyến tính trong phân bổ tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 88

3.3.1 Nghiên cứu thiết lập bài toán quy hoạch tuyến tính trong phân bổ tài nguyên nước 88

3.3.2 Nghiên cứu lựa chọn chương trình để giải bài toán đã được thiết lập 90

3.3.3 Ứng dụng excel để giải bài toán quy hoạch tuyến tính 91

3.3.4 Xác định các biến tối ưu, các điều kiện ràng buộc và hàm mục tiêu trong phân bổ tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 92

3.3.4.1 Xác định biến tối ưu 92

3.3.4.2 Xây dựng hàm mục tiêu 92

3.3.4.3 Xác định các điều kiện ràng buộc 93

3.4 Xác định giải pháp phân bổ tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 93

3.4.1 Giải pháp phân bổ nguồn nước cho giai đoạn 2015 94

3.4.1.1 Kết quả phân bổ nguồn nước cho giai đoạn 2015 theo phương án 1 94

3.4.1.2 Kết quả phân bổ nguồn nước cho giai đoạn 2015 theo phương án 2 96

3.4.2 Giải pháp phân bổ nguồn nước cho giai đoạn 2020 98

3.4.2.1 Kết quả phân bổ nguồn nước cho giai đoạn 2020 theo phương án 1 98

3.4.2.2 Kết quả phân bổ nguồn nước cho giai đoạn 2020 theo phương án 2 100

3.5 Các giải pháp thực hiện quy hoạch phân bổ tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 102

3.5.1 Các giải pháp về quản lý 102

3.5.2 Các giải pháp kỹ thuật 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC 109

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Phân bố dân số trên địa bàn tỉnh 29

Bảng 1.2 Dự báo phân bổ đất canh tác theo đơn vị hành chính tỉnh Cao Bằng (ha) 31

Bảng 1.3 Quy hoạch đàn gia súc, gia cầm tỉnh Cao Bằng đến năm 2015 và 2020 32

Bảng 1.4 Quy hoạch diện tích mặt nước (ha) nuôi trồng thủy sản tỉnh Cao Bằng 32

Bảng 2.1 Bảng phân phối lượng mưa theo mùa thời kỳ quan trắc 38

Bảng 2.2 Đặc trưng dòng chảy năm một số trạm 39

Bảng 2.3 Phân phối dòng chảy năm trung bình một số trạm 39

Bảng 2.4 Phân phối mô đuyn dòng chảy năm trung bình một số trạm 40

Bảng 2.5 Một số trận lũ lớn ở tỉnh Cao Bằng 42

Bảng 2.6 Dòng chảy nhỏ nhất một số trạm trên tỉnh Cao Bằng 42

Bảng 2.7 Thống kê công trình cấp nước sạch đô thị tỉnh Cao Bằng 50

Bảng 2.8 Hiện trạng khai thác nước dưới đất tỉnh Cao Bằng 52

Bảng 2.9 Hiện trạng khai thác nước cho công nghiệp 52

Bảng 2.10 Hiện trạng khai thác nước của công trình thủy điện 54

Bảng 2.11 Hiện trạng công trình thủy lợi tỉnh Cao Bằng 55

Bảng 2.12 Hiện trạng khai thác tài nguyên nước trên địa bàn tỉnh Cao Bằng 56

Bảng 2.13 Kết quả phân khu sử dụng nước tỉnh Cao Bằng 58

Bảng 2.14 Bộ thông số mô hình MIKE NAM tại các trạm trong vùng tính toán 63

Bảng 2.15 Dòng chảy năm và tổng lượng dòng chảy năm sinh ra trên các tiểu lưu vực của tỉnh Cao Bằng 64

Bảng 2.16 Lưu lượng đến bình quân (từ năm 1960 – 2010) 65

Bảng 2.17 Tổng hợp trữ lượng nước dưới đất đã được xếp cấp 66

Bảng 2.18 Bảng tổng hợp kết quả tính trữ lượng động tự nhiên nước dưới đất 67

Bảng 2.19 Tổng hợp trữ lượng tiềm năng NDĐ tỉnh Cao Bằng theo các lưu vực 68

Bảng 3.1 Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt tỉnh Cao Bằng 70

Bảng 3.2 Mô hình mưa hiện trạng và thiết kế ứng với tần suất 75% 72

Bảng 3.3 Thời vụ cây trồng tỉnh Cao Bằng 73

Bảng 3.4 Tiêu chuẩn cấp nước cho các loại vật nuôi 73

Bảng 3.5 Chỉ tiêu cấp nước cho thủy sản 74

Bảng 3.6 Tiêu chuẩn cấp nước cho hoạt động dịch vụ, công cộng 74

Bảng 3.7 Nhu cầu nước cho sinh hoạt đô thị tỉnh Cao Bằng 75

Bảng 3.8 Nhu cầu nước cho sinh hoạt nông thôn tỉnh Cao Bằng 76

Bảng 3.9 Nhu cầu nước cho tưới tỉnh Cao Bằng 77

Bảng 3.10 Nhu cầu nước cho chăn nuôi tỉnh Cao Bằng 77

Bảng 3.11 Nhu cầu nước cho nuôi trồng thủy sản tỉnh Cao Bằng 78

Bảng 3.12 Nhu cầu nước công nghiệp tỉnh Cao Bằng hiện trạng và dự báo 78

Bảng 3.13 Nhu cầu nước dịch vụ, công cộng tỉnh Cao Bằng hiện trạng và dự báo 79

Bảng 3.14 Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước tỉnh Cao Bằng 80

Bảng 3.15 Tổng hợp nhu cầu khai thác sử dụng nước đến năm 2015 82

Bảng 3.16 Tổng hợp nhu cầu khai thác sử dụng nước đến năm 2020 83

Bảng 3.17 Yêu cầu về dòng chảy môi trường 84

Bảng 3.18 Dòng chảy hồi quy từ khu sử dụng nước 85

Bảng 3.19 Tỷ lệ phân bổ chia sẻ nguồn nước năm 2015 và 2020_PA1 87

Bảng 3.20 Tỷ lệ phân bổ chia sẻ nguồn nước năm 2015 và 2020 _ PA2 88

Bảng 3.21 Giá trị của các thông số đầu vào cho bài toán quy hoạch tuyến tính giai đoạn 2015 94

Bảng 3.22 Lượng nước phân bổ tháng III cho các ngành giai đoạn năm 2015_PA1 96

Bảng 3.23 Giá trị của các ngành sử dụng nước trong tháng III năm 2015_PA1 96

Bảng 3.24 Lượng nước phân bổ tháng III cho các ngành giai đoạn năm 2015_PA2 97

Bảng 3.25 Giá trị của các ngành sử dụng nước trong tháng III năm 2015_PA2 98

Bảng 3.26 Giá trị của các thông số đầu vào cho bài toán quy hoạch tuyến tính giai đoạn 2020 98

Bảng 3.27 Lượng nước phân bổ tháng III cho các ngành giai đoạn năm 2020_PA1 99

Bảng 3.28 Giá trị của các ngành sử dụng nước trong tháng III năm 2020_PA1 100

Bảng 3.29 Lượng nước phân bổ tháng III cho các ngành giai đoạn năm 2020_PA2 101

Bảng 3.30 Giá trị của các ngành sử dụng nước trong tháng III năm 2020_PA2 102

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 16

Hình 1.2 16

Hình 1.3 Sơ đồ khối tính nghiệm tối ưu bằng phương pháp Đơn hình 20

Hình 1.4 Vị trí địa lý tỉnh Cao Bằng 25

Hình 1.5 Tốc độ tăng trưởng theo các khu vực kinh tế tỉnh Cao Bằng 30

Hình 1.6 Biểu đồ chuyển dịch cơ cấu kinh tế tỉnh Cao Bằng 30

Hình 2.1 Sơ đồ hiện trạng khai thác tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng 57

Hình 2.2 Bản đồ phân vùng lưu vực tỉnh Cao Bằng 59

Hình 2.3 Các modul trong mô hình Mike11 60

Hình 2.4 Mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn tính toán 61

Hình 2.5 Cửa sổ nhập tên và diện tích tiểu lưu vực 62

Hình 2.6 Cửa sổ nhập số liệu mưa, bốc hơi, lưu lượng thực đo 62

Hình 2.7 Bản đồ tài nguyên nước mặt tỉnh Cao Bằng 65

Hình 2.8 Sơ đồ địa chất thủy văn 69

Hình 2.9 Bản đồ tiềm năng tài nguyên nước dưới đất tỉnh Cao Bằng 69

Hình 3.1 Cơ cấu nhu cầu nước của các đối tượng sử dụng nước tỉnh Cao Bằng 81

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, tài nguyên nước (TNN) ngày càng được cộng đồng quốc tế đặc biệt quan tâm Nhiều nước phát triển trên thế giới đã xây dựng và quản

lý khá thành công các Quy hoạch TNN trong đó điển hình là quy hoạch sông Missipisi (Mỹ), quy hoạch sông Thame (Anh), quy hoạch sông Murray-Darling (Úc), sông Trường Giang và sông Hoàng Hà (Trung Quốc)…Ở Việt Nam, các quy hoạch chuyên ngành liên quan đến khai thác sử dụng TNN, phòng chống và giảm thiểu tác hại do nước gây ra như các quy hoạch thủy lợi, quy hoạch phòng chống lũ, quy hoạch cấp nước, quy hoạch phát triển thủy điện được được nhiều Bộ ngành và địa phương thực hiện như Bộ NN và PTNT, Bộ Công thương, Bộ Xây dựng Các quy hoạch này đều nhằm mục đích sử dụng và khai thác nguồn nước và là những quy hoạch có tác động trực tiếp làm thay đổi nguồn nước Tùy theo từng ngành mà trong khi làm quy hoạch có mục tiêu, phương pháp tiếp cận và xử lý vấn đề khác nhau Vì vậy rất cần có cách nhìn tổng thể và đồng bộ, xem xét đánh giá nhu cầu của các ngành một cách khách quan, tránh tình trạng quy hoạch này phá vỡ và chống chéo lên các quy hoạch khác Từ đó đề xuất các các phương án khai thác sử dụng TNN phù hợp nhằm đạt được mục tiêu quản lý tổng hợp tài nguyên nước ở Việt Nam là việc làm hết sức cần thiết và cần được đầu tư nghiên cứu

Thực hiện Luật tài nguyên nước, và các Chương trình hành động của Chính phủ, nhằm đảm bảo việc khai thác sử dụng tài nguyên nước công bằng, bền vững và bảo vệ tài nguyên nước không bị suy thoái cạn kiệt, trong những năm qua Bộ Tài nguyên và Môi trường đã và đang triển khai xây dựng các quy hoạch tài nguyên nước trên các lưu vực sông và các vùng kinh tế trọng điểm, cụ thể là: QH TNN các lưu vực sông Đồng Nai, sông Ba, sông Cầu, sông Hương; các Vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, phía Nam, Vùng cực Nam Trung Bộ, Bán đảo Cà Mau Tuy nhiên, đến nay hầu như chưa có một quy hoạch tổng thể tài nguyên nước ở lưu vực sông, vùng lãnh thổ nào được Chính phủ hoặc Bộ quản lý phê duyệt Bên cạnh đó Luật tài nguyên nước sửa đổi năm 2012 ngoài các quy định về quy hoạch theo đơn vị lưu

vực sông còn cho phép thực hiện quy hoạch trong phạm vị ranh giới hành chính Điều này phù hợp với thực tế quản lý ở nước ta vì vậy nhiều tỉnh đã sớm thực hiện quy hoạch tài nguyên nước nhằm đáp ứng yêu cầu về quản lý tài nguyên nước của tỉnh Tuy nhiên việc thực hiện gặp nhiều lúng túng đặc biệt là trong phân bổ, chia sẻ nguồn nước do ngoài việc phân bổ trong nội bộ tỉnh còn phải xét đến mối quan hệ với các tỉnh lân cận có cùng nguồn nước

Năm 2008 Chính phủ đã ban hành nghị định số 120 về quản lý lưu vực sông Theo nghị định 120/2008/NĐ-CP về quản lý lưu vực sông đã nêu, quy hoạch lưu vực sông bao gồm: quy hoạch phân bổ TNN; quy hoạch bảo vệ TNN; quy hoạch phòng chống và khắc phục hậu quả tác hại do nước gây ra Trong đó quy hoạch phân bổ TNN là thành phần rất quan trọng, là cơ sở cho việc điều hòa phân bổ nguồn nước để đảm bảo yêu cầu nước cho sinh hoạt và tính bền vững của nguồn nước, tối đa hóa lợi ích của nước cho xã hội Quy hoạch phân bổ TNN là bài toán rất phức tạp và khó khăn đối với các nhà quy hoạch để tìm lời giải Thực trạng của các quy hoạch phân bổ TNN đã được xây dựng hiên nay cho một số lưu vực sông là phân bổ tĩnh và theo nhu cầu của từng đối tượng sử dụng TNN liên quan mà không xét đến lợi ích và thiệt hại từ việc sử dụng TNN đó Đây là một thiếu sót rất lớn vì tài nguyên nước phải được xem như một tài nguyên động (theo cả nghĩa không gian

và thời gian, có thể tái tạo toàn phần hay một phần, có sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các đối tượng sử dụng) và có giá trị kinh tế (nghĩa là lợi ích và thiệt hại từ việc sử dụng TNN) Do tính chất động và phụ thuộc đa chiều nêu trên nên đến nay chưa có một bài toán và phần mềm tổng quát nào có thể áp dụng hoàn hảo cho quy hoạch phân bổ TNN cho bất cứ một lưu vực hay vùng lãnh thổ cụ thể nào

Quy hoạch tuyến tính là công cụ toán học hữu hiệu đặc biệt đối với các bài toán quy hoạch, tối ưu do đó ứng dụng quy hoạch tuyến tính là hướng nghiên cứu phù hợp để giải quyết bài toán phân bổ tài nguyên nước

2 Mục tiêu của đề tài

Xây dựng hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc của bài toán quy hoạch tuyến tính trong phân bổ tài nguyên nước và tiến hành giải bài toán tối ưu hiệu quả

sử dụng nước của các ngành để mang lại giá trị kinh tế cao nhất cho tỉnh Cao Bằng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu phương pháp quy hoạch tuyến tính để phân bổ tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng

* Phạm vi nghiên cứu:

Toàn bộ tỉnh Cao Bằng với diện tích là 6.717 km2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

+ Kế thừa các nghiên cứu đã có trước đây của các ngành liên quan trên các vùng liên quan Phương pháp kế thừa, tổng hợp, phân tích, thống kê…;

* Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp tương tự thủy văn;

- Phương pháp thống kê;

- Phương pháp kế thừa;

- Phương pháp chuyên gia;

- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu;

- Phương pháp phân tích, xử lý, đánh giá số liệu;

- Phương pháp sử dụng mô hình toán tối ưu hệ thống

- Một số phương pháp khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VÀ KHU

VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.1.1 Phân loại tổng quan các mô hình tối ưu

Hiện nay tồn tại khá nhiều các phương pháp tối ưu hoá có phạm vi ứng dụng khác nhau Trong các bài toán kỹ thuật người ta cố gắng đưa các bài toán tối ưu về các dạng chuẩn tắc đã có và có thể giải được Để làm được điều đó cần có những giả thiết về những điều kiện giản hoá sao cho bản chất vật lý của bài toán được bảo toàn một cách tương đối Có thể có một số mẫu bài toán tối ưu thích hợp khi thiết

kế và điều khiển hệ thống nguồn nước Do đó trong đồ án chỉ trình bày một số phương pháp đơn giản nhưng điển hình cho các dạng áp dụng được

1.1.1.1 Bài toán tối ưu tổng quát

Bài toán tối ưu tổng quát có thể mô tả như sau:

X = (x1, x2,…, xn) (1 - 5)

Nghiệm tối ưu của bài toán tối ưu là véc tơ nghiệm

X* = (x1*, x2*,…, xn*) (1 - 6)

1.1.1.2 Bài toán quy hoạch tuyến tính

Bài toán (1 – 1), (1 – 2) được gọi là tuyến tính, nếu hàm mục tiêu và các ràng buộc đều là hàm tuyến tính đối với các đối số của véc tơ X = (x1, x2,…., xm), tức là:

ix c X

Với ràng buộc j

n i

1.1.2 Quy hoạch tuyến tính

1.1.2.1 Khái niệm và các ví dụ về bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT)

Quy hoạch tuyến tính là môn toán học nghiên cứu phương pháp tìm giá trị nhỏ nhất (min) hoặc lớn nhất (max) của một hàm tuyến tính (hàm mục tiêu) theo một số biến, thỏa mãn một số hữu hạn ràng buộc được biểu diễn bằng hệ phương trình và bất phương trình tuyến tính

1.1.2.2 Hai dạng cơ bản của quy hoạch tuyến tính

1 Dạng chính tắc

Nếu hàm mục tiêu và ràng buộc (1 – 1) và (1 – 2) là các biểu thức tuyến tính đối với các biến số, ta có mô hình tối ưu là tuyến tính đối với các biến số: Mô hình tuyến tính được gọi là chính tắc nếu các ràng buộc là đẳng thức Ta có hàm mục tiêu của mô hình tuyến tính là:

F(X) c1x1 + c2x2 + … + cixi + …+ cnxn → min (1 – 9)

Với ci là hằng số với biến thứ i

Với ràng buộc là:

gj(X) = aj1x1 + aj2x2 + … + ajmxm = bj; j =1,m (1 – 10)

và xi ≥ 0 với i = 1, 2,…, n

Với bj là hằng số với ràng buộc thứ j; aji là các hằng số

Trong trường hợp bài toán cần tìm cực đại (max), phải nhân hàm mục tiêu với (-1) để đưa về bài toán tối ưu dạng chính tắc

Bài toán tìm cực đại (1 – 2) có dạng:

+ Đưa bài toán chuẩn tắc về dạng chính tắc:

Bài toán dạng chuẩn có thể đưa về dạng chính tắc bằng cách thêm các biến phụ vào vế trái của các bất đẳng thức Có m ràng buộc bất đẳng thức sẽ có m biến phụ Do đó dạng chính tắc mới sẽ có n + m nghiệm Ta có:

gj (X) + xn+j = 0; j=1,m (1 – 14)

trong đó: xn+j là biến phụ;

và xi ≥ 0 với i =1, 2, , n

1.1.2.3 Định lý cơ bản và các định nghĩa về quy hoạch tuyến tính

1 Định lý cơ bản của quy hoạch tuyến tính

Định lý: (Phát biểu cho dạng chính tắc): Phương án tối ưu quy hoạch tuyến

tính chứa một số biến dương đúng bằng số các ràng buộc dạng đẳng thức độc

lập, các biến còn lại có giá trị không

Nếu bài toán tối ưu tuyến tính dạng chính tắc có nghiệm thì nghiệm của bài toán sẽ nằm ở các điểm cực biên: các đỉnh tam giác (đối với bài toán phẳng) và đỉnh các đa giác (đối với bài toán 3 chiều)…Các phương pháp tìm nghiệm của bài toán thường là các phép thử dần tại các điểm cực biên Giả sử đã dò tìm ở tất cả những điểm cực biên mà không tìm được một trường hợp nào có xi ≥ 0 với mọi i thì bài toán là vô nghiệm

2 Khái niệm về phương án cơ sở chấp nhận được

Biến cơ sở (BCS) và biến tự do (BTD)

Giả sử ta xét một bài toán tối ưu chính tắc có n biến số, với số phương trình ràng buộc đẳng thức là m Ta gọi:

Tập hợp các biến được chọn tùy ý với giả thiết là xi ≥ 0, với i = 1→ m, trong

đó m là số các phương trình ràng buộc được gọi các biến cơ sở

Tập hợp các biến còn lại xj với j≠i, j = (n-m) → n được gọi là biến tự do

Phương án cơ sở là phương án mà các biến tự do được chọn bằng không, tức

là giả định xj = 0 với mọi j thuộc biến tự do Giá trị của các biến cơ sở được xác định theo thủ tục sau:

Chọn biến cơ sở của bài toán

Giả định các giá trị của biến tự do bằng không xj = 0 với mọi j thuộc biến tự

do

Xác định giá trị của biến cơ sở bằng cách giải hệ các phương trình ràng buộc với sau khi thay các giá trị bằng không của biến tự do vào phương trình

Phương án cơ sở chấp nhận được

Là phương án cơ sở có các biến cơ sở nhận các giá trị dương

1.1.2.4 Giải bài toán quy hoạch tuyến tính

1 Phương pháp đồ thị

Phương pháp đồ thị được dùng khi số biến số ≤ 3 Về phương pháp này có thể tham khảo ở nhiều tài liệu chuyên khảo Ta xem xét bài toán phẳng qua một ví dụ: Bài toán:

Tìm nghiệm tối ưu X* = (x1*, x2*) sao cho hàm mục tiêu:

Cách giải bài toán phẳng được tiến hành như sau:

Vẽ miền chấp nhận được (miền D mà X thỏa mãn ràng buộc 1 – 16) xem Hình 1.1

+ Nếu ràng buộc là đẳng thức thì miền chấp nhận được là điểm A, giao của đường N1M1 và N2M2

+ Nếu ràng buộc là bất đẳng thức thì miền chấp nhận được là hình AN1OM2, bao gồm cả biên AN1 và AN2

Vẽ các đường cùng mục tiêu (đường mức):

+ Cho một giá trị cụ thể Z = Z0 Vẽ đường 1

2

1 1

0

c

c c z

x = −

+ Thay đổi giá trị Z0 ta được các đường song song Trên mỗi đường hàm mục tiêu có cùng giá trị Giá trị Z0 càng lớn thì đường x2 càng xa điểm “0”

Tìm nghiệm tối ưu:

+ Di chuyển đường Z0 (theo giá trị Z0) xác định được nghiệm cực đại tại A + Nếu đường cùng mục tiêu tiếp xúc tại 1 đỉnh thì nghiệm tối ưu là đơn trị + Nếu đường cùng mục tiêu tiếp xúc tại 2 đỉnh (1 cạnh) thì nghiệm tối ưu là đa trị

+ Nếu miền chấp nhận được có dạng khác (Hình 1.2) thì tọa độ điểm A xác định giá trị cực tiểu

Trường hợp mở rộng: Đối với bài toán có n biến x1, x2,…, xn với m ràng buộc

+ Nghiệm tối ưu là tọa độ của một đỉnh hay nhiều đỉnh miền cho phép Miền

đa diện là một đa diện lồi (n-m) chiều

+ Nghiệm đơn trị nếu có 1 đỉnh tiếp xúc với mặt cùng mục tiêu

+ Nghiệm đa trị nếu có k đỉnh (k > 1) tiếp xúc với mặt mục tiêu, tạo thành 1 đơn hình (k – 1) chiều Đó là cơ sở của phương pháp đơn hình

2 Phương pháp đơn hình

Phương pháp đơn hình là phương pháp cơ bản nhất khi giải các bài toán quy hoạch tuyến tính Phương pháp do G.B Dantzig đưa ra năm 1948

Nội dung của phương pháp như sau: Tìm đỉnh tối ưu của đa diện các nghiệm cho phép bằng phương pháp lần lượt thử các đỉnh của đa diện Để việc thử không phải mò mẫm, người ta đưa ra thuật toán đi từ nghiệm xấu đến nghiệm tốt hơn tức

là đi dần đến nghiệm tối ưu

Cơ sở của phương pháp tính thử dần:

Trong đồ án này chỉ nêu nguyên tắc và các bước tính toán Cơ sở cho việc tìm nghiệm có thể tham khảo các sách chuyên khảo Trình tự tính toán như sau:

a Chọn biến cơ sở: đầu tiên chọn một điểm tùy ý của đa diện các nghiệm cho

phép, đó là tập (x1, x2,…, xn) Theo định lý cơ bản của quy hoạch tuyến tính có m số dương, còn những số khác bằng không Gọi các biến dương của điểm xuất phát là biến cơ sở:

(x1, x2,…, xm, 0, 0,…, 0) (1 – 17)

Chú ý: 3 biến dương có thể chọn bất kỳ

b Tìm nghiệm xuất phát (nghiệm thử thứ nhất): Thay thế các biến cơ sở vào

các ràng buộc được m phương trình chứa m ẩn:

- Thử thêm vào 1 biến mới x m+1 ( có thể chọn bất kỳ trong số các biến không

còn lại) Lúc này ràng buộc có dạng:

Do (1 – 23) có m+1 biến nên phải có 1 biến bằng không, ngoài ra các biến

xm+2,…, xn cũng bằng không Muốn biết biến nào trong (1 – 23) bằng không ta làm như sau:

+ Tính số gia ΔZ 1: là chênh lệch giá trị hàm mục tiêu với nghiệm thử lần thứ nhất và nghiệm thử lần thứ hai Bằng cách thay nghiệm của hai lần thử vào hàm mục tiêu biến đổi được dạng sau:

ΔZ1 = k[cm+1 - γm+1] (1 – 24)

Với: γm+1 = c1y1(0) + c2y2(0) +….+ cmym(0) (1 – 25)

Hiệu số cm+1 - γm+1 gọi là hiệu suất, trong đó cm+1 là hệ số của số hạng thứ m+1 của hàm mục tiêu

+ Xem xét loại biến cơ sở:

Xét 3 trường hợp xảy ra:

ΔZ1 = 0: Nghiệm xuất phát và nghiệm mới (nghiệm thử lần 2) tốt như nhau Suy ra có hai đỉnh tiếp xúc giữa đa diện cho phép và mặt hàm mục tiêu Trong trường hợp này phải xem xét loại 1 biến nào đó xấu hơn trong số các biến cơ sở

ΔZ1 < 0: Nghiệm mới xấu hơn nghiệm xuất phát trường hợp thử này không thành công cần loại bỏ

ΔZ1 > 0: Nghiệm mới tốt hơn nghiệm xuất phát trường hợp thử này thành công gần được giữ lại và loại 1 trong những biến cơ sở ở phương án xuất phát trước đó Như vậy, nếu lần thử nghiệm thứ hai rơi vào một trong hai trường hợp (a) hoặc (b) ta cần đưa biến mới vào biến cơ sở và cần loại 1 nghiệm trong biến xuất phát (vì theo định lý cơ bản, chỉ có m biến dương) Từ đó rút ra trình tự tính toán biến cơ sở như sau:

Nếu ΔZ1 < 0: Nghiệm mới xấu hơn nghiệm xuất phát trường hợp thử này không thành công nên giữ nguyên biến cơ sở như cũ để thử nghiệm cho biến thứ 3 Nếu ΔZ1 ≥ 0 cần tính them hệ số k cho các biến:

((00))

i

i i

y

x

k = (1 – 26) Loại biến nào có hệ số k>0 và nhận giá trị nhỏ nhất, tức là:

- Thực hiện lien tục các thuật toán trên: Dựa vào các biến chưa dùng m+2,

m+3,…, tính các giá trị tương ứng ΔZ2, ΔZ3,… cho đến khi thử hết các biến cơ sở

ΔZ1 = k[cm+1 - γm+1]

ΔZ2 = k[cm+2 - γm+2]

ΔZ3 = k[cm+3 - γm+3]

………

ΔZi = k[cm+i - γm+i]

Tính toán được thực hiện sau (n-m) lần lặp được nghiệm tối ưu

Phương pháp đơn hình có ưu điểm là thuật toán đơn giản Nếu số ẩn có ít có thể tính bằng tay (trực tiếp hoặc bằng bảng đơn hình) Khi có nhiều biến số phải lập chương trình tính Chương trình toán có sơ đồ trình bày trên Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối tính nghiệm tối ưu bằng phương pháp Đơn hình

Bắt đầu

Vào số liệu và chọn biến cơ sở

Tìm nghiệm xuất phát và đánh giá ΔZi với i = 1, 2,…

1.1.3 Tổng quan tình hình ứng dụng quy hoạch tuyến tính trong tài nguyên

nước ở Việt Nam và trên thế giới

1.1.3.1 Trên thế giới

Trên thế giới hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về quy hoạch chia sẻ, phân bổ TNN Mỗi nhà quy hoạch đều đưa ra quan điểm và có hướng tiếp cận riêng, có những đề xuất về nguyên tắc phân bổ chia sẻ; những nghiên cứu để xác định tiêu chí; những nghiên cứu và phân tích về giá trị của nước; Tuy nhiên, các vấn đề

đó mới chỉ xem xét theo các khía cạnh riêng lẻ theo những cấu trúc riêng, chưa được xem xét một cách tổng thể theo hệ thống, trong những ràng buộc nhất định trong một hệ thống tích hợp hay tổng hợp (intergrated system) Trong bài toán quy hoạch chia sẻ, phân bổ TNN có thể xem xét như một hệ thống tổng hợp bao gồm các hệ thống con Giải quyết nội dung quy hoạch chia sẻ phân bổ TNN theo phương pháp tiếp cận tổng hợp hệ thống giúp cho các nhà quy hoạch có thể xem xét các vấn

đề nảy sinh, các tác động qua lại giữa các thành phần trong hệ thống môt cách linh hoạt, logic, định lượng và có cấu trúc

Phân bổ nguồn nước là vấn đề thách thức các nhà khoa học và kỹ sư tài nguyên nước trong hàng thập kỷ Các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật về phân bổ nguồn nước chủ yếu tập trung vào tối ưu hóa phân bổ lượng nước sau hồ chứa (Louck và nnk, 1981) Ngay cả khi dòng chảy không bị điều tiết bởi đập thì việc quản lý tài nguyên nước trong lưu vực cũng rất phức tạp

Nhiều nước đã ban hành hệ thống cấp phép để quản lý tài nguyên nước Việc cấp phép cho phép các nhà quản lý tài nguyên nước phân bổ tài nguyên nước theo phương thức phản ánh được giá trị của khu vực (Cox, 1989) Nhiệm vụ đầu tiên trong việc phân bổ nguồn nước là xác định và tính toán mục tiêu tổng quát của hệ thống cấp phép và quy tắc ban hành giấy phép Lund và Israel (1995) sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa trong quy hoạch mạng phân phối nước trong đô thị Winter (1995)

đã tổng quát những nghiên cứu hiện tại liên quan đến việc tối ưu trong phân bổ nguồn nước mặt và nước dưới đất Nhiệm vụ của phân bổ nguồn nước tối ưu trong lưu vực có thể được tiếp cận theo hướng phân tích hệ thống Phân tích hệ thống đã

được áp dụng trong những nghiên cứu tối ưu hoặc kỹ thuật ra quyết định Yeh (1985), Loucks và nnk (1981), Rogers và Fiering (1986) và nhiều nhà nghiên cứu khác đã đưa ra cái nhìn tổng quan về phân tích hệ thống ứng dụng trong lĩnh vực tài nguyên nước Roger và Fiering (1986) cho rằng các ứng dụng trước đây của phân tích hệ thống trong tài nguyên nước đã được thực hiện nhưng việc mô phỏng chưa sát với thực tế Tuy nhiên trong những năm gần đây các phương pháp phân tích hệ thống đã sát thực hơn và nhưng phương pháp tối ưu hóa cũng được biết đến rộng rãi, bên cạnh đó sự phát triển của công nghiệp máy tính cũng cung cấp một công cụ mạnh mẽ để thể hiện các phân tích và các thuật toán tối ưu ngày càng phổ biến trong các phần mềm

Một trong những kỹ thuật tối ưu sử dụng rộng rãi nhất là quy hoạch tuyến tính Phương pháp này đã được ứng dụng trong lĩnh vực tài nguyên nước bằng việc sử dụng phân phối xác suất tích lũy của dòng chảy (Loucks và nnk, 1981; Loaiciga, 1988; Mays and Tung, 1992) Han Yan và nnk (2011) đã nghiên cứu xây dựng mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu áp dụng cho phân bổ tài nguyên nước cho thành phố Đại Liên (Trung Quốc) cho giai đoạn quy hoạch 2015 và 2020 Kết quả của nghiên cứu đã cung cấp được công cụ hỗ trợ ra quyết định hữu ích cho các cơ quan quản lý tài nguyên nước C.H Dagli và J.F Miles (1980) đã nghiên cứu các phương pháp để xác định cơ chế vận hành cho chuỗi hồ chứa được xây dựng trên sông Firat ở Thổ Nhĩ Kỳ có nhiệm vụ cấp nước cho phát điện và tưới Trong nghiên cứu của mình C.H Dagli và J.F Miles đã ứng dụng nhiều phương pháp khác nhau

để giải quyết bài toán của mình như: mô phỏng, quy hoạch tuyến tính, tối ưu ngẫu nhiên Bên cạnh đó G.C Dandy và P.D Crawley (1992) cũng nghiên cứu ứng dụng quy hoạch tuyến tính cho việc quy hoạch và vận hành hệ thống hồ chứa

1.1.3.2 Trong nước

Ở Việt Nam, sự tranh chấp về nguồn nước ngày càng gay gắt Cạnh tranh giữa

sử dụng nguồn nước cho phát điện và các nhu cầu tiêu thụ nước khác, nhất là cho sản xuất nông nghiệp ở hạ du một số lưu vực sông như: Vu Gia - Thu Bồn, sông Hồng, Do đó công việc trước tiên của các cơ quan quản lý tài nguyên nước là phải

xây dựng được cơ chế phân bổ tài nguyên nước đảm bảo nguyên tắc công bằng và

sử dụng nguồn nước hiệu quả để giải quyết những mẫu thuẫn trên Nghị định 120 của Chính phủ về quản lý lưu vực sông có nêu rõ: Quy hoạch lưu vực sông gồm các quy hoạch thành phần, trong đó có Quy hoạch phân bổ tài nguyên nước Quy hoạch phân bổ tài nguyên nước cần xác định thứ tự ưu tiên và tỷ lệ phân bổ tài nguyên nước trong khai thác, sử dụng tài nguyên nước cho cấp nước sinh hoạt, cho các mục đích sử dụng nước khác bao gồm cả nhu cầu cho bảo vệ môi trường trong trường hợp hạn hán, thiếu nước Điều này đã được cụ thể hóa trong Luật Tài nguyên nước tại mục c khoản 1 điều 16: “ , đảm bảo khai thác, sử dụng tiết kiệm, hiệu quả tài nguyên nước và phân bổ hài hòa lợi ích sử dụng nước giữa các địa phương, các ngành, giữa thượng lưu và hạ lưu“, tại mục c khoản 1 điều 19: phân bổ tài nguyên nước phải “xác định tỷ lệ phân bổ tài nguyên nước cho các đối tượng khai thác, sử dụng nước, thứ tự ưu tiên và tỷ lệ phân bổ trong trường hợp hạn hán, thiếu nước, “ Như vậy có thể thấy việc phân bổ tài nguyên nước phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn nước (trữ lượng, chất lượng) và các đối tượng khai thác sử dụng nước

Do những quy định về phân bổ tài nguyên nước mới được ban hành nên những nghiên cứu về xác định cơ chế phân bổ tài nguyên nước chưa được nghiên cứu nhiều Các nghiên cứu chủ yếu trước đây thường tập trung vào tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu (Nguyễn Thế Hùng, Lê Hùng, 2011) Về phân bổ tài nguyên nước, các cơ chế chưa được đưa ra rõ ràng, những quy định về dòng chảy tối thiểu, dòng chảy môi trường chưa cụ thể nên việc phân bổ tài nguyên nước chưa được sự đồng thuận của các đối tượng sử dụng nước Nguyễn Chí Công (2009) đã tổng hợp được

04 nguyên tắc phân bổ nguồn nước: (1) Ưu tiên cấp nước theo hiệu quả kinh tế sử dụng nước cao nhất sau khi đã dành đủ lượng nước cho sinh hoạt, (2) Ưu tiên cấp nước theo mức bảo đảm cấp nước, (3) Cấp nước theo tỷ lệ đã được phân bổ, (4) Ưu tiên cấp nước theo mục tiêu ổn định chính trị - xã hội, xóa đói giảm nghèo, an ninh lương thực Ngoài ra hướng tiếp cận dùng mô hình hóa phân bổ tài nguyên nước bằng thuật toán tối ưu đã được nghiên cứu (Đào Văn Liêm và Bùi Thị Thu Hòa, 2012) tuy nhiên kết quả chưa thực sự hữu ích Viện Quy hoạch Thủy lợi (2000) đã

thực hiện đề tài nghiên cứu tối ưu hóa trong quản lý, quy hoạch và khai thác tài nguyên nước với hàm mục tiêu về kinh tế trong sử dụng nước trên LVS Hồng – Thái Bình Claudia Ringler (2004) đã thực hiện đề tài sử dụng công cụ GAMS trong phân tích tính toán tối ưu phân bổ nguồn nước cho LVS Đồng Nai Vũ Thanh Tâm (2009) đã nghiên cứu ứng dụng mô hình phân tích hệ thống nhằm tối ưu hóa phân

bổ nguồn nước phục vụ công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tuy nhiên mới dừng lại ở mức độ phân bổ tài nguyên nước cho lưu vực sông

Bên cạnh đó, hiện nay tại Việt Nam mới chỉ ứng dụng một số mô hình như MIKE BASIN, WEAP trong tính toán cân bằng nước, chưa tính đến tối ưu và chưa được xem xét phân tích theo quan điểm của lý thuyết quy hoạch tuyến tính Đây là một khái niệm còn rất mới tại Việt Nam và đề tài này là một nghiên cứu mở đầu cho phương pháp luận về lý thuyết quy hoạch tuyến tính trong quy hoạch TNN đặc biệt

là tối ưu trong phân bổ TNN – bài toán đang được các nhà quy hoạch tìm lời giải Như vậy có thể thấy việc xây dựng phương pháp xác định cơ chế phân bổ tài nguyên nước ở Việt Nam chưa được nghiên cứu nhiều Trong khi đó hướng tiếp cận

sử dụng các thuật toán quy hoạch tuyến tính có tính ứng dụng cao với các bài toán

có tính hệ thống như phân bổ tài nguyên nước Chính vì vậy, nghiên cứu ứng dụng quy hoạch tuyến tính trong phân bổ tài nguyên nước sẽ đưa ra phương pháp có cơ

sở khoa học cho việc xây dựng cơ chế phân bổ tài nguyên nước làm căn cứ để quản

lý tài nguyên nước một cách hiệu quả và tiết kiệm

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

1.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

1.2.1.1 Vị trí địa lý

Cao Bằng là một tỉnh biên giới nằm ở vùng miền núi phía Bắc, ở cực Bắc của đất nước, diện tích của tỉnh là 6.717 km2, được giới hạn từ toạ độ địa lý 22° 21'21” đến 23°07'12'' vĩ độ Bắc và từ; 105°16' 15'' đến 106°50' 25'' kinh độ Đông

+ Phía Bắc và phía Đông giáp tỉnh Quảng Tây (Trung Quốc) với đường biên giới dài 332 km;

+ Phía Nam giáp tỉnh Bắc Cạn

+ Phía Đông và Đông Nam giáp tỉnh Lạng Sơn

+ Phía Tây giáp tỉnh là Hà Giang và tỉnh Tuyên Quang

Hình 1.4 Vị trí địa lý tỉnh Cao Bằng

Cao Bằng là một tỉnh có vị trí địa lý cách xa các trung tâm kinh tế lớn của miền Bắc và cả nước, nhưng lại có điều kiện thuận lợi trong việc tiếp cận với thị trường Trung Quốc thông qua 3 cửa khẩu lớn là Tà Lùng, Hùng Quốc và Sóc Hà (Tà Lùng là một trong 6 cửa khẩu lớn của quốc gia) Sự phát triển kinh tế của tỉnh theo hướng này sẽ nảy sinh nhu cầu về khai thác sử dụng nước Do đó, công tác quản lý, quy hoạch TNN là việc rất cần thiết để phục vụ xây dựng cơ sở hạ tầng, cơ

sở dịch vụ và các khu, cụm công nghiệp

1.2.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo

Địa hình của tỉnh khá phức tạp với độ cao trung bình so với mặt biển trên 300

m, thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông, đỉnh cao nhất là ngọn núi Phia Oắc thuộc huyện Nguyên Bình có độ cao 1931 m Địa hình của tỉnh được chia thành 3 vùng rõ rệt là vùng núi đất, vùng núi đá, vùng bình địa trũng

+ Vùng bình địa trũng (vùng trung tâm): địa hình của vùng khá bằng phẳng,

bao gồm đồi thấp xen kẽ các cánh đồng tương đối rộng Phân bố chủ yếu ở huyện Hoà An, thị xã Cao Bằng và các xã phía Nam huyện Hà Quảng Độ cao trung bình của vùng so với mặt biển là khoảng 100 - 200 m

+ Vùng núi đất: chạy từ phía Tây Bắc huyện Bảo Lạc, qua huyện Nguyên

Bình xuống phía Tây Nam huyện Thạch An Là vùng có địa hình chia cắt mạnh, độ dốc lớn, độ cao trung bình so với mặt biển khoảng 300 đến 600 m

+ Vùng núi đá vôi: chạy từ phía Bắc dọc theo biên giới Việt - Trung, vòng

xuống phía Đông Nam của tỉnh Phân bố tập trung chủ yếu ở các huyện Hà Quảng, Trà Lĩnh, Trùng Khánh, Thông Nông, Hạ Lang, Quảng Uyên, Phục Hoà Vùng có địa hình núi đá cao, chia cắt phức tạp

Về địa thế thì phần lớn diện tích đất của tỉnh Cao Bằng có độ dốc cao, đặc biệt

là ở những nơi có nhiều núi đá, có tới 75% diện tích đất đai có độ dốc trên 250 Nhìn chung, tỉnh Cao Bằng có địa hình khá đa dạng, bị chia cắt phức tạp bởi

hệ thống sông suối khá dày, núi đồi trùng điệp, thung lũng sâu,… và sự phức tạp của địa hình tạo ra nhiều tiểu vùng sinh thái đặc thù cho phép Cao Bằng phát triển

đa dạng cây trồng, vật nuôi Tuy nhiên đặc điểm địa hình cũng gây ảnh hưởng lớn đến việc giao lưu phát triển kinh tế - xã hội và đầu tư phát triển hệ thống hạ tầng cơ

sở đặc biệt là giao thông, đồng thời đã tạo ra sự manh mún đất trong sản xuất nông nghiệp và dễ gây ra hiện tượng rửa trôi, xói mòn đất trong mùa mưa Đây là một khó khăn lớn trong việc tổ chức sản xuất theo lãnh thổ, chính vì vậy công tác quy hoạch sử dụng đất của tỉnh trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp, nông thôn cần có những giải pháp, biện pháp sử dụng đất phù hợp với điều kiện thực tế của từng địa bàn

1.2.2 Đặc điểm khí tượng

a) Chế độ nhiệt

Nhiệt độ trung bình năm dao động trong khoảng từ 19,80C đến 21,60C, mùa hè

có nhiệt độ trung bình dao động trong khoảng từ 250C đến 280C, mùa đông có nhiệt

độ trung bình dao động trong khoảng từ 140C đến 180C Tổng tích ôn trong năm đạt

từ 7.000 đến 7.5000C

b) Nắng

Tổng số giờ nắng trung bình hàng năm khoảng 1.300 - 1.400 giờ và phân bố không đều giữa các tháng trong năm Mùa hè có số giờ nằng nhiều, mùa đông có số giờ nắng ít

c) Lượng bốc hơi

Lượng bốc hơi hàng năm biến động từ 850 - 1.000 mm Thường từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau ở tất cả các khu vực lượng bốc hơi lớn hơn lượng mưa, gây nên tình trạng thiếu nước và khô hạn nghiêm trọng

d) Chế độ mưa

Lượng mưa trung bình năm vào khoảng 1.450 - 1.600 mm phân bố không đều giữa các tháng và các khu vực Lượng mưa vào các tháng mùa mưa chiếm tới 70 - 80% lượng mưa cả năm, tập trung từ tháng 6 tới tháng 9 Trong mùa khô lượng mưa chỉ chiếm 20 - 30% lượng mưa cả năm và thời kỳ khô hạn nhất là từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau Do sự chi phối của địa hình nên lượng mưa có sự khác nhau giữa các khu vực: lượng mưa trung bình cao nhất là ở huyện Hà Quảng đạt 1.637 mm/năm; lượng mưa trung bình thấp nhất là ở các huyện Thạch An và Bảo Lạc chỉ đạt 1.000 - 1.300 mm/năm

e) Độ ẩm không khí

So với các vùng lân cận khác, độ ẩm không khí của tỉnh Cao Bằng tương đối thấp, trung bình năm vào khoảng 81% đến 83% Độ ẩm lớn nhất thường xảy ra vào giữa mùa hè (tháng VII và VIII) Tháng có độ ẩm nhỏ nhất thường xảy ra vào các tháng XII và I Độ ẩm thấp nhất ở nhiều nơi xuống tới giá trị rất thấp, ở Trùng Khánh ngày 2/I/1974 độ ẩm đã quan trắc được có giá trị là 6% Độ ẩm nhỏ nhất trung bình của vùng này khoảng 18÷20%

f) Gió

Có 2 hướng gió chính là gió Đông Bắc thổi từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau, gió Đông Nam thổi từ tháng 5 đến tháng 11, đôi khi xuất hiện gió lốc cục bộ từng khu vực hẹp nên ít ảnh hưởng đến sản xuất, sinh hoạt của nhân dân

Ngoài các đặc điểm khí hậu, thời tiết như trên thì trên địa bàn tỉnh nhiều khi cũng xuất hiện sương muối, sương mù, dông tố, mưa đá và đặc biệt là lũ quét ảnh hưởng xấu đến sản xuất và sinh hoạt của nhân dân

Nhìn chung, khí hậu, thời tiết tỉnh Cao Bằng mang tính chất đặc thù của dạng khí hậu lục địa miền núi cao, có nét đặc trưng riêng với các tỉnh khác trong vùng Đông Bắc Do vậy ở tỉnh Cao Bằng có một số tiểu vùng đặc biệt cho phép phát triển những loại cây trồng đặc thù như dẻ (huyện Trùng Khánh), hồi (huyện Trà Lĩnh),

1.2.3 Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Cao Bằng

1.2.3.1 Dân cư

Theo số liệu thống kê, dân số trung bình năm 2010 của tỉnh có 513.108 người, mật độ dân số đạt 76 người/km2 , trong đó nam có 254.510 người và nữ có 258.598 người; dân số thành thị có 87.045 người và nông thôn có 426.063 người Đơn vị hành chính có dân số lớn nhất là thành phố Cao bằng với 67.813 người và dân số ít nhất là huyện Trà Lĩnh với 22.037 người

Theo quy hoạch tổng thể kinh tế - xã hội tỉnh Cao Bằng đến năm 2020, tốc độ tăng dân số trung bình toàn tỉnh đến năm 2020 là 1,0%/năm Như vậy theo dự báo dân số Cao Bằng đến năm 2015 sẽ đạt 566,5 nghìn người và đến năm 2020 đạt 602,3 nghìn người

Toàn tỉnh Cao Bằng dự kiến đến năm 2020 sẽ có 18 đô thị trong đó: 1 đô thị được nâng cấp (TT Tà Lùng nâng cấp thành thị xã Tà Lùng), 3 đô thị được xây mới (TT Sóc Giang với vai trò là thị trấn cửa khẩu và thị trấn Bản Giốc và thị trấn Phia Đén là đô thị du lịch), nâng tổng dân số đô thị lên 125.345 người vào năm 2015 chiếm 22% tổng dấn số và 159.962 người vào năm 2020 chiếm 26% tổng dân số Quy hoạch đô thị và dự báo dân số thành thị và nông thôn tỉnh Cao Bằng được thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân bố dân số trên địa bàn tỉnh Năm 2010 Năm 2015 Năm 2020

1.2.3.2 Tăng trưởng kinh tế

Nhờ sự tập trung lãnh đạo, chỉ đạo của Tỉnh ủy và hoạt động điều hành của UBND tỉnh, trong thời kỳ 2005 - 2010 nền kinh tế của tỉnh đã có những chuyển biến tích cực, phát triển theo hướng sản xuất hàng hoá, đã xuất hiện những nhân tố mới tạo đà để tiếp tục đổi mới và phát triển

Giá trị tổng sản phẩm (theo giá so sánh 1994) tăng nhanh từ 1.758.015 triệu đồng năm 2005 và đạt 2.966.259 triệu đồng năm 2010 Bình quân GDP đầu người năm 2010 (giá hiện hành) đạt 10,78 triệu đồng/năm Tuy có tăng nhưng GDP/người năm 2010 mới bằng khoảng 47% so với mức chung của cả nước và bằng gần 90%

so với mức chung của vùng Miền núi và Trung du Bắc Bộ

Tăng trưởng kinh tế giai đoạn 2006 - 2010 như sau:

- Tốc độ tăng trưởng kinh tế (GDP) bình quân đạt 11.05%/năm;

- Khu vực kinh tế nông, lâm nghiệp và thuỷ sản đạt 3,5%/năm;

- Khu vực kinh tế công nghiệp và xây dựng đạt 16.9%/năm;

- Khu vực kinh tế dịch vụ đạt 15.9%/năm

Hình 1.5 Tốc độ tăng trưởng theo các khu vực kinh tế tỉnh Cao Bằng

Nguồn: Niên giám thống kê tỉnh Cao Bằng năm 2010

1.2.3.3 Chuyển dịch cơ cấu kinh tế

36,52 36,13 36,59 35,37 34,53

25,72 21,94 24,9 23,54 24,65

37,77 41,93 38,51 41,09 40,83

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

2006 2007 2008 2009 2010

Nông, lâm nghiệp và thuỷ sản Công nghiệp và xây dựng Dịch vụ

Hình 1.6 Biểu đồ chuyển dịch cơ cấu kinh tế tỉnh Cao Bằng

Nguồn: Niên giám thống kê tỉnh Cao Bằng năm 2010

Cơ cấu kinh tế của Cao Bằng đang chuyển dịch theo hướng tích cực: cơ cấu khu vực kinh tế nông, lâm nghiệp và thuỷ sản trong GDP từng bước giảm từ 38,50% năm 2005 xuống 34,53% năm 2010; khu vực kinh tế công nghiệp và xây dựng tăng từ 17,50% năm 2005 lên 24,65% năm 2010; khu vực kinh tế dịch vụ giảm tư 44,0% năm 2005 xuống còn 40,83% năm 2010 Tuy nhiên sự chuyển dịch

cơ cấu kinh tế ở tỉnh Cao Bằng còn chậm không bền vững, phụ thuộc nhiều vào nguồn đầu tư từ ngân sách Trung ương

1.2.3.4 Những định hướng phát triển

a Định hướng phát triển nông nghiệp

Theo Báo cáo Quy hoạch sử dụng đất tỉnh Cao Bằng dự báo trong thời kỳ

2011 - 2020 diện tích đất sản xuất nông nghiệp tiếp tục giảm khoảng 2.980 ha để

chuyển sang các mục đích phi nông nghiệp do trong thời kỳ này trên địa bàn tỉnh có rất nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật và hạ tầng xã hội được đầu tư xây dựng Đồng thời, để thực hiện được mục tiêu tăng trưởng kinh tế của ngành nông nghiệp đến năm 2020 với mức bình quân là 4,9%/năm và sản lượng lương thực đạt 248.000 tấn vào năm 2020, thì ngoài việc hạn chế chuyển đất trồng lúa, nhất là đất chuyên trồng lúa nước sang đất phi nông nghiệp và các mục đích khác, trong thời kỳ 2011 - 2020

dự kiến đầu tư khai hoang khoảng 125 ha đất chưa sử dụng đưa vào sử dụng cho mục đích sản xuất nông nghiệp Như vậy diện tích đất sản xuất nông nghiệp của tỉnh đến năm 2020 có khoảng 92.663 ha

Bảng 1.2 Dự báo phân bổ đất canh tác theo đơn vị hành chính tỉnh Cao Bằng (ha)

Năm 2015 Năm 2020 Lúa Màu Lúa Màu STT Huyện, thị

Chiêm Mùa Chiêm Mùa Chiêm Mùa Chiêm Mùa

Nguồn: UBND tỉnh Cao Bằng năm 2010

b Định hướng phát triển chăn nuôi

Tỉnh Cao Bằng phấn đấu cơ cấu giá trị chăn nuôi trong ngành nông nghiệp tăng từ 30,55% lên 35,77% năm 2015 và tăng lên 42,74% năm 2020 Tập trung phát triển đồng cỏ, tổ chức chăm nuôi bò nhốt chuồng, tận dụng thức ăn từ vùng nguyên liệu mía, ngô để phát triển chăn nuôi bò Phát triển lợn hướng nạc tại vùng ven

Thành phố, trung tâm cụm xã và các Thị trấn huyện nơi đông dân cư Phát triển

chăn nuôi theo mô hình trang trại

Bảng 1.3 Quy hoạch đàn gia súc, gia cầm tỉnh Cao Bằng đến năm 2015 và 2020

c Định hướng phát triển ngành thủy sản

Theo quy hoạch phát triển nông nghiệp - nông thôn tỉnh Cao Bằng đến năm

2020, tỉnh đẩy mạnh phát triển ngành thủy sản, trong đó tập trung mở rộng diện tích

nuôi trồng thủy sản lên 800 ha năm 2015 và 900 ha lên 2020 Tuy nhiên, trong

những năm gần đây, ngành thủy sản của tỉnh còn gặp nhiều khó khăn trong phát

triển diện tích nuôi trồng thủy sản nên diện tích nuôi trồng thủy sản được tính toán ở

mức duy trì khoảng 441 ha trong giai đoạn 2011 - 2020

Bảng 1.4 Quy hoạch diện tích mặt nước (ha) nuôi trồng thủy sản tỉnh Cao Bằng

STT Huyện, thị Năm 2010 Năm 2020

d Định hướng phát triển công nghiệp

Quy hoạch, xây dựng các cụm công nghiệp, từng bước hình thành và phát triển các khu, cụm công nghiệp của tỉnh tại Đề Thám, Hưng Đạo, Chu Trinh, Tà Lùng, khuyến khích các thành phần kinh tế đầu tư chế biến sâu các loại khoáng sản sắt, mangan, thiếc, boxit Xây dựng các nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ kết hợp làm thuỷ lợi, phát triển công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, công nghiệp chế biến nông lâm sản, các ngành công nghiệp nhẹ, phát triển các ngành nghề ở nông thôn, tập trung xây dựng khu liên hợp sản xuất phôi thép công suất 2400 tấn/năm, xúc tiến đầu tư thuỷ điện Lương Thiện và thuỷ điện Bảo Lâm Củng cố, mở rộng, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của các cơ sở sản xuất công nghiệp hiện có, nâng cao sức cạnh tranh của các sản phẩm công nghiệp đầu tư chiều sâu, đổi mới công

nghệ, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm

1.2.4 Đặc điểm mạng lưới sông hồ

Cao Bằng là vùng thượng nguồn của hai hệ thống sông Hồng và sông Tả Giang (Trung Quốc) Trên địa bàn tỉnh có khoảng 1.200 sông, suối lớn nhỏ có chiều dài từ 2 km trở lên, với tổng chiều dài khoảng 3.175 km, mật độ sông, suối khá dầy khoảng 0,47 km/km2 Trên địa bàn tỉnh Cao Bằng có các hệ thống sông chính sau:

a Sông Bằng

Sông Bằng bắt nguồn từ núi Nà Vài cao 600m, cách Sóc Giang về phía Tây Bắc 10 km, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam và nhập vào sông Tây Giang tại Long Châu ở độ cao 140m Lưu vực sông Bằng ở phía Đông Nam cánh cung Ngân Sơn , là đường phân thủy lớn nhất khu Đông Bắc Bắc Bộ, toàn bộ vùng thung lũng sông nằm giữa một vùng cao nguyên đá vôi rộng lớn ở phía Bắc với cánh cung Ngân Sơn đồ sộ, cao nhất khu Đông Bắc nằm ở phía Tây lưu vực

Phần thượng lưu sông Bằng chảy len lỏi trong một vùng đá vôi hiểm trở , cao nguyên Pác Bó nằm ở phía Tây Bắc vùng này Theo hướng tây Bắc - Đông Nam, sông Bằng chảy gần tới Nước Hai thì gặp sông Dẻ Rào, cách cửa sông chính 73km

Từ Nước Hai, sông Bằng chảy vào một cánh đồng phù sa trù phú kéo dài tới tận thành phố Cao Bằng Từ phía dưới thành phố Cao Bằng, sông Bằng đào qua vùng

đá vôi thành một hẻm rất sâu, ngăn cách hai vùng cao nguyên Đông Khê và Quảng Uyên Tới gần biên giới Việt Nam - Trung Quốc, sông Bằng nhận thêm nước của sông Bắc Vọng từ phía bờ trái rồi chảy qua Trung Quốc Độ dốc đáy sông là 1,99‰ , riêng ở đoạn thượng lưu, khoảng 30km đầu tiên độ dốc đáy sông đạt tới 43m/km

Từ Nước Hai đến Xuân Quang , độ dốc đáy sông rất nhỏ, địa hình đồng bằng thể hiện rõ rệt

Sông Bằng có diện tích lưu vực đến cửa ra là 4.560 km2 (kể cả sông Bắc Vọng) Trong đó diện tích lưu vực phần đá vôi là 1.850 km2, diện tích lưu vực sông Bằng thuộc tỉnh Cao Bằng là 3.377 km2 (không kể sông Bắc Vọng) và có trạm đo thủy văn tại thành phố Cao Bằng với diện tích lưu vực 2.880 km2 Sông chảy qua

địa phận tỉnh Cao Bằng dài 110 km với 4 phụ lưu là sông Dẻ Rào, sông Hiến, sông Trà Lĩnh, sông Bắc Vọng; độ dốc lưu vực là 20%, mật độ lưới là 0,91 km/km2, hệ

số uốn khúc là 1,29

+ Sông Dẻ Rào: bắt nguồn từ biên giới Việt - Trung, chảy theo hướng Tây Bắc

- Đông Nam, chảy qua huyện Thông Nông, Hòa An, nhập lưu với sông Bằng tại thị trấn Nước Hai Sông có chiều dài 53 km, diện tích toàn lưu vực là 711 km2 trong đó phần thuộc địa phận tỉnh Cao Bằng là 686 km2 Sông có nhánh lớn là sông Nguyên Bình bắt nguồn từ xã Thể Dục, huyện Nguyên Bình chảy theo hướng Tây - Bắc, khi

ra khỏi địa phận xã Minh Thanh, sông đổi hướng chảy Nam - Bắc và nhập với sông

Dẻ Rào tại xã Trương Lương

+ Sông Hiến: Là phụ lưu lớn nhất của sông Bằng ở phía bờ phải Bắt nguồn từ vùng núi Khau Vài cao 1200m, đổ vào sông Bằng ở thành phố Cao Bằng tại Nước Giáp, cách cửa sông chính 53km Sông Hiến chảy theo hướng từ Tây Nam lên Đông Bắc, nằm hoàn toàn trong vùng diệp thạch thuộc đới sông Hiến Độ cao bình quân lưu vực thuộc loại lớn trong vùng, khoảng 526m Độ cao từ trên 400m trở lên chiếm trên 80% diện tích toàn lưu vực Độ dốc bình quân lưu vực thuộc loại lớn nhất trong

cả hệ thống sông Bằng Giang, đạt tới 26,8%

+ Sông Bắc Vọng: Là sông nhánh lớn nhất của hệ thống sông Bằng, bắt nguồn

từ vùng núi Rủng Xuân, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam và tới biên giới Việt

- Trung thì đổi sang hướng gần Bắc - Nam, nhập lưu với sông Bằng ở Thủy Khẩu,

về phía bờ trái Trong lưu vực sông Bắc Vọng diện tích đá vôi nhiều, chiếm tới 47,3% Lưu vực sông Bắc Vọng có dạng dài, phụ lưu song song với sông chính, hệ

số uốn khúc đạt tới 1,29

b Sông Gâm:

Là sông nhánh lớn của sông Lô, bắt nguồn từ Trung Quốc có tổng diện tích lưu vực là 17.200 km2 (phần diện tích lưu vực phía Việt Nam là 9.780 km2), tại Bảo Lạc có trạm đo dòng chảy với diện tích lưu vực 4.060 km2

Sông Gâm chảy qua tỉnh Cao Bằng bắt đầu ở xã Khánh Xuân (huyện Bảo Lạc)

và kết thúc ở thị trấn Pác Miầu (huyện Bảo Lâm), có diện tích lưu vực là 2.006 km2(kể cả phần sông Năng)

Các sông thuộc lưu vực lớn của sông Gâm: sông Neo, Nho Quế và sông Năng

c Sông Quây Sơn

Bắt nguồn từ Trung Quốc, chảy qua huyện Trùng Khánh và huyện Hạ Lang với chiều dài là 38 km, tổng diện tích lưu vực sông đến cầu biên phòng là 1.160 km2(diện tích phần núi đá vôi là 850 km2), diện tích lưu vực sông Quây Sơn thuộc Việt Nam là 489 km2 (cột mốc 49) Tại Bản Giốc có trạm đo dòng chảy với diện tích lưu vực 1.660 km2

Các sông, suối thuộc lưu vực lớn của sông Quây Sơn là sông Quây Sơn Tây, sông Quây Sơn Đông, suối Bản Viết, suối Na Vy và suối Gun

Sông suối ở Cao Bằng có cao trình bình quân lưu vực tương đối cao (khoảng 500÷900 m), độ dốc lưu vực khá lớn (khoảng 15÷30%), sông tương đối thẳng và có nhiều núi đá vôi nên khả năng điều tiết nguồn nước giữa mùa mưa và mùa khô bằng giải pháp công trình nhìn chung là không thuận lợi Nhưng đặc điểm nổi bật của sông suối tỉnh Cao Bằng là trong lưu vực có nhiều núi đá vôi, nên tương tác dòng chảy với lòng dẫn đã tạo nên nhiều danh lam thắng cảnh đẹp

Như vậy trên địa bàn tỉnh Cao Bằng có hệ thống sông suối rất phong phú, tạo nên tiềm năng về nguồn nước, nhưng lưu lượng dòng chảy lại phân bố không đều

trong năm, tập trung vào mùa lũ (chiếm 60 - 80%) nên việc khai thác sử dụng cho sản xuất nông nghiệp gặp khó khăn, đòi hỏi đầu tư lớn

d Hệ thống hồ

Hiện nay, tỉnh Cao Bằng có khoảng 47 hồ trong đó có 25 hồ chứa nhân tạo Các hồ này góp phần tạo cảnh quan và cung cấp nước cho người dân trong tỉnh, trong số đó phải kể đến các hồ như:

- Hồ Thang Hen là hồ nước ngọt tự nhiên nằm ở độ cao 1000 m so với mực nước biển, được hình thành do hiện tượng Karst Hồ có chiều rộng 100 - 300 m, chiều dài 500 - 1.000 m, mực nước trong hồ dao động theo ngày, chênh lệch mực nước giữa mùa khô và mùa mưa có thể tới 15 - 20 m

- Hồ Bản Viết là hồ nhân tạo lớn nhất tỉnh Cao Bằng có dung tích tổng cộng 3,143 triệu m3 cung cấp nước tưới cho 135 ha đất nông nghiệp

Ngoài ra còn có các hồ nhân tạo như hồ Nà Tấu, Khuổi Lái, Bản Mưa có dung tích từ vài trăm đến vài triệu m3 cung cấp nước tưới cho hàng trăm ha đất nông nghiệp của tỉnh Cao Bằng