Để nâng cao hiệu quả của các công trình thuỷ lợi cần phải đánh giá hiệu quả tưới của hệ thống thủy lợi được quản lý bằng các mô hình quản lý khác nhau, tìm ra các điểm mạnh, điểm yếu, từ đó đề xuất các giải pháp hoàn thiện các mô hình quản lý tưới. Bài viết Ứng dụng phương pháp lý thuyết tập mờ (Fuzzy Set Theory) đánh giá hiệu quả quản lý tưới giới thiệu việc ứng dụng phương pháp lý thuyết tập mờ, một công cụ toán học hiện đại để đánh giá khách quan hiệu quả quản lý tưới. Hy vọng nội dung bài viết là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.
ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ (Fuzzy Set Theory) đánh giá hiệu quản lý tưới TS Trn Chí Trung Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam Tóm tắt: Để nâng cao hiệu cơng trình thuỷ lợi cần phải đánh giá hiệu tưới hệ thống thủy lợi quản lý mô hình quản lý khác nhau, tìm điểm mạnh, điểm yếu, từ đề xuất giải pháp hồn thiện mơ hình quản lý tưới Bài báo giới thiệu việc ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ (Fuzzy Set Theory), cơng cụ tốn học đánh giá khách quan hiệu quản lý tưới Đặt vấn đề Để nâng cao hiệu cơng trình thuỷ lợi cần phải đánh giá hiệu hoạt động tổ chức quản lý tác động mơ hình quản lý tới hiệu tưới, tìm mơ hình quản lý tưới phù hợp Phương pháp thông thường sử dụng để đánh giá hiệu quản lý tưới tính tốn xác định tiêu đánh giá để lượng hố khía cạnh khác hiệu quản lý tưới Việc xác định hệ thống tiêu đánh giá hữu ích để đánh giá hiệu quản lý cho hệ thống thủy lợi, tìm mạnh điểm yếu hệ thống này, từ đề giải pháp khắc phục thích hợp Tuy nhiên việc đánh giá, phân loại hiệu hoạt động hệ thống thủy lợi để xác định hệ thống thủy lợi hoạt động hiệu thông qua việc xác định hệ thống tiêu đánh giá đa thứ nguyên khó khăn, hệ thống thủy lợi có số tiêu đạt giá trị cao, lại có số tiêu có giá trị thấp Việc so sánh hiệu hệ thống thuỷ lợi khác thường sử dụng phương pháp chuyên gia để xác định trọng số cho tiêu đánh giá Phương pháp chuyên gia có ưu điểm tập hợp ý kiến nhiều chuyên gia vai trò quan trọng tiêu đánh giá, cách cho điểm trọng số cho tiêu đánh giá Phương pháp chuyên gia có hạn chế việc xác định trọng số cho tiêu đánh giá lệ thuộc vào chủ quan người đánh giá Bài báo giới thiệu việc ứng dụng phương pháp lý thuyết tập mờ (fuzzy set theory) kết hợp với phương pháp lý thuyết phân bậc (Analytic Hierarchy Process) cơng cụ tốn học đánh giá khách quan hiệu quản lý tưới hệ thống thủy lợi Ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới Lý thuyết tập mờ (fuzzy set theory) Giáo sư L.A Zadeh đề xuất từ năm 1965 [1], mảng toán học nghiên cứu ứng dụng đại, hữu ích việc phân tích vấn đề mơ hồ nhận thức người, nhiều tranh luận Lý thuyết tập mờ nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, tự động hóa Trong năm gần đây, lý thuyết tập mờ nghiên cứu áp dụng để đánh giá hiệu quản lý tưới Theo hướng này, Malano (1992) [2] ứng dụng lý thuyết tập mờ để so sánh hiệu quản lý tưới cho hệ thống thủy nông Trung Quốc Australia Gowing et al (1996) [3] áp dụng phương pháp lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới nội đồng hệ thống thủy lợi Gezira, Sudan Trần Chí Trung (2005) [4] nghiên cứu áp dụng lý thuyết tập mờ để đánh giá hiệu quản lý tưới hồ Ngòi Là, Tuyên Quang hệ thống thủy lợi Bắc Nghệ An Lê Công Thành (2009) [5] ứng dụng phương pháp lý thuyết tập mờ để xác định lượng bốc mặt ruộng cho huyện Kỳ Anh, Hà Tĩnh Những ưu điểm ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ để đánh giá hiệu quản lý tưới là: - Cho phép xếp hạng so sánh mức độ hiệu sở tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới đa thứ nguyên phản ánh mục đích quản lý thiết lập - Trọng số tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới phân bổ theo ưu tiên nhà quy hoạch quản lý - Các tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới phân tích định giá trị khoảng từ [0,1] Ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới gồm bước sau: Bước 1: Xây dựng ma trận tiêu đánh giá đa thứ nguyên (ma trận X) Ma trận tập hợp lựa chọn m (các hàng) tập hợp biến hiệu n (các cột) minh họa Hình Các hàng (Xi) ma trận X thể hệ thống thủy lợi cột Ij thể tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới I1 I2 I3 … Ij … In X1 X2 … Xi … Xij Xn Hình Ma trận số liệu X Do tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới có thứ nguyên khác nhau, ví dụ mức độ đảm bảo diện tích tưới (%), diện tích tưới (ha), suất trồng (t/ha), nên cần chuấn hoá theo tỷ lệ từ tới để thuận tiện cho việc so sánh Vì ma trận Y tạo từ việc chuẩn hoá ma trận X theo biểu thức sau: - Trường hợp số liệu đầu vào tốt lớn nhất: yij xij ; xbest i 1,2, ;m; j 1,2, ,n - Trường hợp số liệu đầu vào tốt nhỏ nhất: yij xbest ; xij i 1,2, ;m; j 1,2, ,n Trong đó: xij = số liệu đầu vào ma trận X xbest = số liệu đầu vào tốt Bước 2: Xác định trọng số cho tiêu đánh giá Khi trọng số khác gán cho tiêu đánh giá cho phép nhà quản lý nhà hoạch định sách phân bổ ưu tiên tới tiêu đánh giá dựa mục đích quản lý phù hợp Việc xác định trọng số cho tiêu đánh giá theo phương pháp thông thường sử dụng phương pháp chuyên gia, nhiên phương pháp chuyên gia có hạn chế việc xác định trọng số cho tiêu đánh giá lệ thuộc vào quan điểm định người đánh giá Mỗi chuyên gia đánh giá có quan điểm khác mức độ quan trọng cấc tiêu đánh giá, phụ thuộc vào muc tiêu, nhiệm vụ phát triển kinh tế, kỹ thuật, xã hội mơi trường cơng trình thủy lợi Để xác định trọng số cho tiêu đánh giá cách khách quan hơn, nghiên cứu giới thiệu việc ứng dụng phương pháp lý thuyết phân bậc để xác định trọng số cho tiêu đánh giá Phương pháp lý thuyết phân bậc (Analytic Hierarchy Process) phát triển bới Saaty (1988) [6] Theo Lý thuyết phân bậc việc xác định trọng số qua việc so sánh tầm quan trọng tương đối cặp tiêu đánh giá Sự so sánh tầm quan trọng tương đối cặp tiêu đánh giá Saaty đề xuất Bảng Dựa so sánh tầm quan trọng tương đối cặp tiêu đánh giá, đối tượng khác (nhà quản lý, nhà lập sách, người dùng nước) cho điểm cho phần tử ma trận C cấp số n x n gồm cặp tiêu đánh giá Các phần tử ma trận C xác định theo biểu thức sau: Nếu ci,j = , cj,i =1/ Nếu i=j , ci,j = cj,i = Bảng Điểm ứng với mức độ ưu tiên quan trọng tiêu đánh giá Điểm ứng với mức độ ưu tiên quan Định nghĩa trọng Sự quan trọng Sự quan trọng mức vừa phải Sự quan nhiều Sự quan trọng nhiều Sự quan trọng tuyệt đối 2,4,6,8 Những giá trị trung gian Nguồn: Saaty (1988) Trong đó, điểm ứng với mức độ ưu tiên quan trọng tiêu đánh giá Sau đó, trọng số cho tiêu đánh giá tính tốn qua việc xác định giá trị eigenvector ma trận C theo phương trình sau: C.W = max.W (1) Trong đó, max giá trị eigenvalue lớn W hàm vecto tương ứng với max Các nhân tử vecto W trọng số tương ứng tiêu đánh giá Bước 3: Xây dựng ma trận ràng buộc (ma trận R) Áp dụng lý thuyết tập mờ để đánh giá hiệu quản lý tưới thông qua ma trận tiêu đánh giá đa thứ nguyên bắt đầu với ma trận số liệu chuẩn hóa Y bao gồm tập hợp tiêu I1, I2, I3, …, In tập hợp hệ thống thủy lợi X1 …, Xm theo thứ tự cột hàng ma trận Phương pháp này nhằm mục đích thiết lập mối quan hệ ưu cặp khả dựa ma trận Y việc xây dựng ma trận ràng buộc R sau: R= (rij) (2) đó: n D j (i, k ), rij j 1 0, Dj(i,k) tính sau: if i k if i k Wk D j (i, k ) 0, 0.5 *W k if y ij y kj if y ij y kj if y ij y kj Trong đó: Wk trọng số biểu thị mức độ ưu tiên tiêu đánh giá k Bước 4: Xác định giá trị phần tử ma trận R Thứ tự xếp loại hiệu hoạt động hệ thống thủy lợi xác định tổng hàng tương ứng ma trận Hệ thống thủy lợi hiệu tương ứng với hàng có tổng lớn hệ thống thủy lợi tương ứng với hàng có tổng bé Kết áp dụng lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới Để minh họa cho việc ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới, báo trình bầy kết áp dụng Lý thuyết tập mờ để đánh giá, xếp loại hiệu quản lý tưới cho hệ thống thủy lợi hệ thống Vân Đình (Hà Nội), Nam Thạch Hãn (Quảng Trị), Nam Đuống (Bắc Ninh), hồ Ngòi Là (Tuyên Quang) hồ Sông Trâu (Ninh Thuận) Các hệ thống hệ thống thủy lợi vừa lớn, gồm có loại hình cơng trình thủy lợi đập dâng, trạm bơm hồ chứa Trong hệ thống thủy lợi nghiên cứu có hệ thống thủy lợi quản lý công ty khai thác công trình thủy lợi, tương tự hệ thống tổ chức quản lý phổ biến nước ta, riêng hồ chứa Ngòi Là, tỉnh Tuyên Quang quản lý Ban quản lý cơng trình thủy lợi Hiệu quản lý tưới hệ thống thủy lợi nghiên cứu đánh giá qua việc xác định hệ thống tiêu đánh giá đa thứ nguyên Hệ thống tiêu đánh giá đa thứ nguyên xác định gồm tiêu đánh sau: I1: Số cán quản lý (người/1000 ha) I2: Số thuỷ nông viên (người/1000 ha) I3: Mức độ đảm bảo diện tích tưới (%) I4: Hệ số sử dụng ruộng đất I5: Công đầu-cuối kênh I6: Hiệu tu bảo dưỡng (%) I7: Khả tự chủ tài (%) I8: Tỷ lệ chi phí cho O&M (%) - Xây dựng ma trận số liệu X, với số hàng: X1, X2, X3, X4,X5 hệ thống thủy lợi Vân Đình, Nam Thạch Hãn, Nam Đuống, Ngòi Là Sông Trâu số cột (Ii) tiêu đánh giá hiệu hệ thống thủy lợi Kết tính tốn xây dựng ma trận số liệu X trình bầy Bảng Bảng Kết xác định ma trận số liệu X Hệ thống thủy lợi X1 X2 X3 X4 X5 Các tiêu đánh giá I1 7,8 10,6 18,5 12,76 9,05 I2 6,1 8,3 13,1 8,69 I3 67 44 100 100 92,03 - Xác định trọng số ưu tiên cho tiêu đánh giá: Mức độ ưu tiên cho tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới xác định sở đánh giá 20 chuyên gia có nhiều kinh nghiệm quản lý tưới nhà nghiên cứu khoa học, quản lý nhà nước cán quản lý khai thác cơng trình thủy lợi Dựa theo bảng hướng dẫn so sánh tầm quan trọng tương đối cặp tiêu đánh giá Saaty (Bảng 1), xác định phần tử ma trận C ma trận vuông gồm có hàng, cột Để tính tốn giá trị eigenvalue lớn (max) hàm vecto tương ứng với giá trị eigenvalue lớn trọng số tương ứng tiêu đánh giá, nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB để giải phương trình (1) Kết tính tốn giá trị eigenvalue lớn λ I4 2,4 1,86 2,09 3 I5 1 3,1 1,05 1,11 I6 100 100 90 100 90 I7 100 105 95 105 158 I8 6,8 14 12 20 22 max = 8,289 hàm vecto tương ứng giá trị eigenvalue lớn tương ứng với trọng số tiêu đánh giá W1 = 0,05, W2 = 0,07, W3 = 0,73, W4 = 0,34, W5 = 0,50, W6 = 0,15, W7 = 0,23 W8= 0,10 - Xây dựng ma trận ràng buộc R xếp hạng hiệu quản lý tưới: Trên sở kết tính tốn xác định ma trận Y từ việc chuẩn hoá tiêu đánh giá hệ thống thủy lợi nghiên cứu kết xác định giá trị trọng số ưu tiên cho tiêu đánh trình bầy trên, bước cần xây dựng ma trận ràng buộc R Một chương trình tính tốn lập trình chạy phần mềm FORTRAN 90 để tính toán xác định phần tử ma trận R, từ xếp hạng hiệu hoạt động hệ thống thủy lợi Bảng Kết tính tốn phần tử ma trận R xếp hạng hiệu quản lý tưới Hệ thống thủy lợi X1 X2 X3 X4 X5 X1 X2 X3 X4 X5 Tổng Xếp hạng 0,73 0,90 1,55 1,47 1,45 1,14 1,36 1,52 1,27 1,03 1,74 1,29 0,63 0,81 0,44 0,62 0,70 0,65 0,88 1,55 4,04 3,22 3,35 6,19 4,91 Kết tính toán cho thấy tổng hàng lớn nhất, đồng nghĩa với hiệu quản lý tưới hệ thống Ngòi Là (X4) cao nhất, tổng hàng cho thấy hiệu quản lý tưới hệ thống Hồ Sông Trâu (X5) xếp thứ Hàng có tổng nhỏ cho thấy hiệu quản lý tưới hệ thống Nam Thạch Hãn (X2) thấp Kết tính tốn hiệu quản lý tưới hồ Ngòi Là cao cho thấy Ban quản lý cơng trình thủy lợi thực quản lý hiệu cơng trình thủy lợi Các hệ thống Ngòi Là hồ Sơng Trâu xếp hạng cao đạt tiêu đánh giá quan trọng mức độ đảm bảo diện tích tưới cơng đầu-cuối kênh Hệ thống Nam Thạch Hãn xếp hạng thấp tiệu mức độ đảm bảo diện tích tưới hệ số sử dụng đất thấp Tuy nhiên, kết đánh giá, xếp hạng hiệu quản lý tưới hệ thống thủy lợi nghiên cứu để minh họa cho việc ứng dụng phương pháp lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới Kết đánh giá dựa việc xác định tiêu đánh giá hệ thống Kết luận Để nâng cao hiệu cơng trình thuỷ lợi cần phải đánh giá hiệu hoạt động tổ chức quản lý tác động mơ hình quản lý khác tới hiệu tưới, từ tìm mơ hình quản lý tưới phù hợp Phương pháp lý thuyết tập mờ cơng cụ tốn học đại hữu ích để đánh giá khách quan hiệu quản lý tưới hệ thống thủy lợi Kết đánh giá hiệu quản lý tưới hệ thống thủy lợi đồng nghĩa với việc đánh giá hiệu quản lý mơ hình quản lý cơng trình thủy lợi Kết đánh giá hiệu quản lý tưới phản ánh điểm mạnh, tồn mơ hình quản lý, từ đưa giải pháp phù hợp để hồn thiện mơ hình quản lý tưới Tuy nhiên, cần lưu ý kết đánh giá, xếp hạng khách quan hiệu quản lý tưới hệ thống thủy lợi phụ thuộc vào việc lựa chọn tiêu đánh giá, xác định giá trị tiêu đánh giá mức độ ưu tiên tiêu đánh giá Tài liệu tham khảo [1] Zadeh, L.A (1965) Fuzzy sets Information and Control, 8: 338-353 [2] Malano (1992) Rangking and classification of irrigation system performamnce using fuzzy set theory: case studies in Astrallia and China, Irrigation and Drainage Sysytem, No 6, pp: 129-148 [3] Gowing J., Tarimo A., El-Awad O (1996) A Rational method for assessing irrigation perforemance at farm level with the aid of fuzzy set theory Irrigation and Drainage Sysytem, No 10, pp: 319-330 [4] Trần Chí Trung (2005) Evaluation of irrigation performance of altarnative irrigation management management models in Vietnam Doctoral dissertation at Asian Institute of Technology (AIT) [5] Lê Công Thành (2009) Ứng dụng lý thuyết tập mờ để xác định lượng bốc mặt ruộng Tuyển tập báo cáo khoa học, 50 năm thành lập Trường Đại học Thủy lợi [6] Saaty, T.L (1988) Multicriteria decision making: The analytical hierarchy process University of Pittsburgh Pa Abstract Assess irrigation management performance using Fuzzy Set Theory Dr Tran Chi Trung Vietnam Academy for water resources In order to enhance irrigation management performance, there is a need to assess effectiveness of the irrigation systems managed by various management models, find out the strengtherness as well as weaknes to propose solutions to improve these irrigation management models This paper introduces method of using Fuzzy Set Theory, a modern mathematic tool to assess objectively irrigation management performance ... tương ứng với hàng có tổng bé Kết áp dụng lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới Để minh họa cho việc ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới, báo trình bầy kết áp dụng. .. theo ưu tiên nhà quy hoạch quản lý - Các tiêu đánh giá hiệu quản lý tưới phân tích định giá trị khoảng từ [0,1] Ứng dụng phương pháp Lý thuyết tập mờ đánh giá hiệu quản lý tưới gồm bước sau: Bước... chức quản lý tác động mơ hình quản lý khác tới hiệu tưới, từ tìm mơ hình quản lý tưới phù hợp Phương pháp lý thuyết tập mờ cơng cụ tốn học đại hữu ích để đánh giá khách quan hiệu quản lý tưới