Bài toán phân bổ tài nguyên nước bằng mô hình tối ưu hóa động áp dụng tại lưu vực sông Hồng - Thái Bình

Bài viết Bài toán phân bổ tài nguyên nước bằng mô hình tối ưu hóa động áp dụng tại lưu vực sông Hồng - Thái Bình muốn giới thiệu đến các bạn mô hình tối ưu hóa động trong phân bổ tài nguyên nước ở khu vực phía Bắc-Việt nam, cụ thể là lưu vực sông Hồng –Thái Bình. Mời các bạn cùng tham khảo.

BÀI TỐN PHÂN BỔ TÀI NGUN NƯỚC BẰNG MƠ HÌNH TỐI ƯU HĨA ĐỘNG ÁP DỤNG TẠI LƯU VỰC SƠNG HỒNG – THÁI BÌNH Bùi Thị Thu Hòa Đào Văn Khiêm Nguyễn Thị Thu Hà Tóm tắt: Trong kinh tế tài ngun thiên nhiên nói chung mơ hình tối ưu hóa động sử dụng phổ biến để tính tốn việc sử dụng tối ưu nguồn tài ngun Bài viết muốn giới thiệu mơ hình tối ưu hóa động phân bổ tài nguyên nước khu vực phía Bắc- Việt nam, cụ thể lưu vực sơng Hồng – Thái Bình Mơ hình xem xét phân bổ nước theo khu vực, vùng (và tiểu vùng) với điều kiện ràng buộc hàm lợi ích ngành tương ứng Từ khóa: Lưu vực sơng, đa mục tiêu, tối ưu hóa động, phân bổ tài nguyên nước GIỚI THIỆU Trước nhu cầu cấp thiết coi nước hàng hóa kinh tế tính tốn giá trị kinh tế nước nhằm giúp việc phân bổ nguồn nước có hiệu Hơn nữa, xu nghiên cứu chuyển đổi trọng tâm nghiên cứu Tài nguyên Nước theo hướng quy hoạch, quản lý khai thác tài nguyên thiên nhiên Kết hợp với đặc tính thất bại thị trường nước với tiếp cận nghiên cứu tính dài hạn (mang tính động) tốn phân bổ nước tối ưu động cần thiết quy hoạch, quản lý khai thác Tài nguyên Nước Trong viết này, đề cập tới việc xây dựng phương pháp luận áp dụng thực tế số hệ thống điển hình thuộc lưu vực sơng Hồng – Thái Bình Xây dựng mơ hình tối ưu hóa động phân bổ tối ưu nguồn nước thuộc lưu vực sơng Hồng – Thái Bình Xét phương diện sử dụng nước : Lưu vực sơng Hồng mơ tả sau: Lưu vực sơng Hồng Li Si Qi Wi Hi Bi(Wi) 82 - Phân theo tiểu vùng: phân vùng chính: thượng lưu sông Hồng hạ lưu sông Hồng - Phân loại theo khu vực sử dụng nước, khu vực vùng chia thành bốn nhóm gồm nước công nghiệp, nước nông nghiệp, nước sinh hoạt nước cho sử dụng khác có nghề cá, vận tải du lịch Tùy thuộc vào cấu thành nhóm, nhóm chia thành nhóm 1.1 Giả thiết mơ hình Để mơ hình khơng phức tạp, ta giả thiết: (i) Có thể đo lợi ích từ sử dụng nước khu vực sử dụng nước, giả sử hàm lợi ích biết - hàm lợi ích khu vực xem không đổi theo thời gian, trừ hàm lợi ích sử dụng nước cho sinh hoạt (sẽ mô tả phần phụ lục) (ii) Các hệ số phân bổ cần thiết cho khu vực khác biết (iii) Lượng nước, lượng nước cực đại cực tiểu đoạn sơng biết 1.2 Mơ hình tốn học 1.2.1 Các biến mơ hình ký hiệu dòng vào từ sơng tiểu vùng i lưu lượng đoạn sơng i dòng vào ròng khoảng tiểu vùng i lượng nước sơng i chảy vào tiểu khu i lượng nước trở sơng tiểu khu i Lợi ích ròng cực đại (trăm triệu đồng) từ tiêu dùng nước hàng năm Wi tiểu vùng i KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) Wik Bik(Wik) BSi(Si) BSik(Sikt) Vit Sift Sist Usiht,Lsiht Usint,Lsint N M S K J Vi ki NL Tiêu dùng nước hàng năm (trăm triệu m3) khu vực k tiểu vùng i, k = 1, 2, 3, Lợi ích ròng cực đại (trăm triệu đồng) từ tiêu dùng nước hàng năm Wik khu vực k tiểu vùng i Lợi ích ròng cực đại (trăm triệu đồng) thu từ phân bổ tối ưu lưu lượng Si đoạn sơng i khu vực khác tháng năm Lợi ích ròng (trăm triệu đồng) khu vực k quãng i từ Sik, lượng nước tháng t Lượng nước tháng t hồ chứa i Lượng nước tháng t đoạn sông i để ngăn lụt Lượng nước tháng t đoạn sông i để dọn bùn Các giới hạn lượng nước cho trạm thủy điện i tháng t Các giới hạn lượng nước cho tàu bè lại đoạn sông i tháng t Số đoạn sơng Số vùng (định nghĩa vùng: thượng nguồn sông Hồng hạ nguồn sông Hồng) Số tiểu vùng (định nghĩa tiểu vùng tỉnh) Ký hiệu số khu vực sử dụng nước (công nghiệp, nông nghiệp, nghề cá thủy điện) Số loại trồng nông nghiệp Trữ lượng nước hồ i hệ số trữ lượng hồ chứa i Số hồ chứa điều tiết dài hạn 1.2.2 Mơ hình vùng Thiết lập mơ hình phân bổ nước vùng nhằm tìm mối quan hệ tiêu thụ nước lợi ích ròng vùng Vì lợi ích ròng kết lượng nước cung cấp cho vùng sở tối ưu, tốn tối ưu hóa hệ thống Phân theo khu vực sử dụng nước, khu vực vùng chia thành bốn nhóm gồm nước cơng nghiệp, nước nông nghiệp, nước sinh hoạt nước cho sử dụng khác Tùy thuộc vào cấu thành nhóm, nhóm chia thành nhóm Hàm mục tiêu Để sử dụng hợp lý tốt nguồn nước có hạn vùng khu vực sử dụng nước khác nhau, tổng cực đại lợi ích ròng khu vực sử dụng nước khác từ việc cấp nước dùng làm mục tiêu Vì vậy, hàm mục tiêu là: (giả sử phân thành hai vùng thượng lưu hạ lưu sơng Hồng) Để tính Bi(Wi), cần xác định lợi ích ròng cực đại Bik(Wik), lợi ích ròng cực đại thu từ Wsik, tiêu thụ nước hàng năm khu vực k vùng i , tiểu vùng j phân bổ tối ưu hộ tiêu dùng nước khác Các điều kiện ràng buộc Cân đối lượng nước hàng năm: Bi (Wi )  max  Bik (Wik ) i=1,2 (1) k 1 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) S Wi   s 1 S Wik   s 1 S Wikj   s ik W với i, (2) k 1 Nk W ikj với i, k, (3) j 1 12 W s ikjt với i, k,j (4) Các giới hạn LWijks  Wijks  UWijks , i, j, k , s (5) s 1 t 1 s s s LWijkt  Wijkt  UWijkt , i, j , k , s, t S  l 1 s 1 (6) S A s i jl   A s i j với j, t (7) s 1 83 12 A s i jl A s i 2l với i, j,s (8) (9) Ở Asi2jl ký hiệu diện tích loại l trồng j khu vực nông nghiệp vùng i tiểu vùng s tính 108 m2 Bằng cách tổng hợp hàm mục tiêu điều ràng buộc nêu trên, thu mơ hình phân bổ tối ưu vùng 1.2.3 Mơ hình sơng Thiết lập mơ hình phân bổ nước tối ưu sơng xác định mối quan hệ giữ lợi ích ròng lưu lượng sơng Lợi ích ròng kết từ phân bổ tối ưu (chủ yếu điều hòa tối ưu phân bổ nước năm) dòng nước khu vực sử dụng nước khác Phân loại khu vực Các khu vực sử dụng nước dọc sơng chia thành ba nhóm gồm nước cho thủy điện, nước tưới, nước cho nghề cá mục đích khác Hàm mục tiêu BSi(Si) Mơ hình phân bổ nước sơng khác mơ hình phân bổ nước vùng chỗ khơng có nước tiêu dùng sơng chính, sử dụng thuộc tính đặc trưng lượng nước Nói chung lưu lượng sông giữ mức đó, lợi ích khu vực dùng nước khác dọc theo sơng tỷ lệ thuận với lưu lượng quãng sông Nghĩa là, mục tiêu bản, khu vực khác thống với nhau, nảy sinh xung đột định phân bổ nước năm khu vực sử dụng nước khác khau Cần đòi hỏi dòng chảy cao trạm thủy điện ảnh hưởng nhiều tới giao thông thủy Mối quan tâm phân bổ tối ưu lưu lượng hàng năm tháng khác năm Tổng cực đại lợi ích ròng từ sử dụng nước khu vực khác dọc sơng sử dụng làm mục tiêu Vì vậy, hàm mục tiêu đoạn sông i là: 84 i = 1, (10) t 1 k 1 j 1 LAis2 j  Ais2 j  UAis2 j , i, j BS i ( S i )  max  BS ik ( S ikt ) BS, lợi ích ròng cực đại thu từ Sơng Sit, lưu lượng đoạn sơng i tháng t, lượng nước sử dụng khu vực khác (108 m3) Sit  Si1t  Si 2t (11) Các điều kiện ràng buộc Cân đối lượng nước: 12 (12) Si   Sit (108 m3 ) với i t 1 Giới hạn lượng nước đòi hỏi đoạn sơng: LSit  Sit  USit với i, t (13) Đòi hỏi lượng thực điện phát ra: E  t   LE  t  108 kWh , t (14)   Ràng buộc lực cực đại (N): N  A.Q  t  H  t  /10000 104 kWh (15)   Các điều kiện ràng buộc khác ràng buộc khơng âm 1.2.4 Mơ hình lưu vực Bằng cách tổng hợp mơ hình phân bổ nước tối ưu tiểu vùng sơng chính, thu mơ hình tốn học phân bổ tối ưu mục tiêu kinh tế nguồn nước lưu vực lớn Bằng việc xem xét mục tiêu trữ lượng hồ chứa, thu mơ hình tốn học tối ưu đa mục tiêu Hàm mục tiêu kinh tế Giả sử mục tiêu kinh tế cực đại tổng lợi ích ròng từ sử dụng nước tiểu vùng đoạn sơng chính, hàm mục tiêu kinh tế là: Nk M B (W )  max  max  max  Bikj (Wikj )  k 1 j 1  i 1 N 12    max  max  BSik ( Sit )  i 1 t 1 k 1  (16) Ở M N số vùng (mỗi vùng bao gồm nhiều tiểu vùng mà ta gọi S để tránh bớt phức tạp ký hiệu, chúng tơi lợi ích vùng thu từ việc giải tốn lợi ích tiểu vùng vùng) số đoạn sông Ý nghĩa ký hiệu khác nêu Hàm mục tiêu trữ lượng hồ chứa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) Hàm mục tiêu trữ lượng hồ chứa cực đại tổng lượng nước chứa hồ chứa dọc sông N (17) V (W )  max  kiVi , i 1 V(W) trữ lượng cực đại đòi hỏi W, lượng nước sử dụng toàn lưu vực hồ chứa dọc sông; Ki hệ số trữ lượng hồ chứa i; N số hồ chứa điều tiết dài hạn Các điều kiện ràng buộc Ngoài điều kiện ràng buộc tiểu vùng sơng chính, điều kiện ràng buộc mơ hình phân bổ tối ưu đa mục tiêu nguồn nước lưu vực cần bao gồm: Cân đối lượng nước năm Li  Qi  Wi  Si với i, (18) 12 Li   Lit với i, (19) t 1 12 Qi   Qit với i, (20) t 1 12 Wi   Wit t 1 12 Si   Sit với i, Áp dụng mơ hình phân bổ nguồn nước tối ưu hệ thống điển hình thuộc lưu vực sơng Hồng Với cách tiếp cận xây dựng toán phân bổ nguồn nước tối ưu trên, nhóm nghiên cứu lập trình mơ hình phân bổ nguồn nước cho hệ thống thủy lợi Núi cốc – Thái ngun làm ví dụ điển hình Nhóm nghiên cứu xây dựng đường cầu sử dụng nước cho mục đích sử dụng theo tháng thiết lập mơ hình phân bổ tối ưu nước với kết bảng với tổng lợi ích nước đem lại toàn hệ thống 3302 tỷ đồng : Bảng 1- Phân phối nước cho ngành TT Chỉ tiêu Nước tưới cho vụ đông xuân Nước tưới cho vụ hè thu Nước tưới vụ đông Tổng lượng nước tưới Nước cho sinh hoạt Nước cho công nghiệp Nước cho sông Cầu (21) với i, Bảng 2- Phân phối nước theo tháng với nhiều mục đích sử dụng Tháng Lượng nước (triệu m3) Tháng 8.88 Tháng 6.36 Tháng 20.47 Tháng 11.85 Tháng 15.77 Tháng 14.72 Tháng 15.05 Tháng 11.51 Tháng 16.65 Tháng 10 12.56 Tháng 11 5.88 Tháng 12 6.55 (22) t 1 Cân đối lượng nước tháng Lit  Qit  Wit  Sit với i, t, Li 1,t  Sit  H it với i, t, (23) (24) Cân đối lượng nước hồ chứa Sit  Vit  Lit 1,1 với i, t, (25) Vit  Vit  Vi ,t 1 với i, t, (26) Các ràng buộc giới hạn LLi t ,t  Li  t ,t  ULi t ,t với i, t, (27) LSit  Sit  USit với i, t, LVit  Vit  UVit với i, t, Sit  Sif với i, (28) (29) (30) Sit  Sist với i, t, Sit  Siit với i, t, LSiht  Siht  USiht với i, t, LSint  Sint  USint với i, t, (31) (32) (33) (34) Các điều kiện ràng buộc khác lực lượng lao động, vốn điều kiện không âm tất phụ thuộc vào hoàn cảnh cụ thể Lượng nước (triệu m3) 41.61 8.67 14.07 64.36 12.2 3.33 30 KẾT LUẬN Như với xây dựng mơ hình lý thuyết cho toán phân bổ nước với tiếp cận tối ưu hóa động, nhóm nghiên cứu giải toán quy hoạch phi tuyến, với số biến ràng buộc khơng hạn chế Lập trình tốn dạng tổng quát nhanh chóng gọn nhẹ, phù KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 85 hợp cho giải toán thực tế với nhiều biến ràng buộc Trong trình lập trình tốn, chia thành phần riêng biệt, khai báo biến, mảng liệu nhập vào, phần lập hàm mục tiêu, phần lập trình ràng buộc, ta thay đổi, tính tốn tốn cách nhanh chóng, với thời gian ngắn ta thực nhiều toán, phương án khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Tan Deshan: 1990, Research on the coordination algorithms for optimal allocation of water resources in River Basin, J Hohai Univ 19(1), Nanjing, China Umanahesh, N.V and P Sreenivasulu (1997) Two-phase stochastic dynamic programming model for optimal operation of irrigation reservoir Water Resources Management, 11: 395-406 Yakowitz,S (1982) "Dynamic Programming applications in water resources," Water Resources Research 18 673 - 696 Abstract DYNAMIC OPTIMAL ALLOCATION OF WATER RESOURCES IN RED RIVER – THAI BINH BASINS In natural resources economics, dynamic optimization models commonly are used to calculate the optimal uses of resources This paper presents implementations of the dynamic optimization models for allocation of water resources in the context of some sub-basins in the Red-Thaibinh River Basin in Northern Vietnam The model take into account water allocation between various sectoral structures of water users (agriculture, industry, households and other) as well as between regional (sub-regional) sectors Key words: River basin, multi-objective, dynamic optimization, water resources allocation Người phản biện: TS Ngô Minh Hải 86 BBT nhận bài: 10/12/2012 Phản biện xong: 18/12/2012 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) ... i, Áp dụng mơ hình phân bổ nguồn nước tối ưu hệ thống điển hình thuộc lưu vực sông Hồng Với cách tiếp cận xây dựng toán phân bổ nguồn nước tối ưu trên, nhóm nghiên cứu lập trình mơ hình phân bổ. .. khơng âm 1.2.4 Mơ hình lưu vực Bằng cách tổng hợp mơ hình phân bổ nước tối ưu tiểu vùng sơng chính, thu mơ hình tốn học phân bổ tối ưu mục tiêu kinh tế nguồn nước lưu vực lớn Bằng việc xem xét... lợi ích ròng lưu lượng sơng Lợi ích ròng kết từ phân bổ tối ưu (chủ yếu điều hòa tối ưu phân bổ nước năm) dòng nước khu vực sử dụng nước khác Phân loại khu vực Các khu vực sử dụng nước dọc sơng