NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU VẬN HÀNH TRỮ NƯỚC TƯỚI ĐỂ GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA HẠN HÁN TỚI SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP.LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN QUANG AN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU VẬN HÀNH TRỮ NƯỚC TƯỚI ĐỂ GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA HẠN HÁN TỚI SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG HẠ DU SƠNG CẢ - NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH TẠI HỆ THỐNG THỦY LỢI LÊ XUÂN ĐÀO TÓM TẮTLUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC Mà SỐ: 58 02 12 HÀ NỘI, NĂM 2018 Công trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tùng Phong PGS TS Trần Chí Trung Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp: ……………… Họp tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM 171 Tây Sơn, Phường Trung liệt, Quận Đống Đa, Hà Nội Vào hồi: …… ……phút, ngày …… tháng … năm 2018 Có thể tìm đọc luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trước đây, nước coi nguồn tài nguyên vô tận Qua trình phát triển nhân loại, với bùng nổ dân số, phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội đời sống sản xuất, tình trạng thiếu hụt nước trở thành mối lo ngại hàng đầu người Điều đòi hỏi nhà quản lý, nhà hoạch định chiến lược phát triển phải có thay đổi hợp lý nhằm sử dụng hiệu tài nguyên nước Hiện nay, nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng nước hiệu cho nông nghiệp hạ lưu sông chủ yếu tập trung vào việc cải thiện kỹ thuật tưới, thay đổi giống cấu trồng mơ hình thu trữ nước nhỏ, phục vụ cho trồng có khả chịu hạn cao mà chưa tập trung vào vấn đề nghiên cứu thu trữ nước mùa mưa cung cấp cách tối ưu cho mùa khơ Vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu toán tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng hạn hán tới sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sơng Cả - Nghiên cứu điển hình hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào” có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu luận án  Xác định đươc nhu cầu khả cấp nước hệ thống tưới mùa kiệt đề xuất giải pháp thu trữ nước hợp lý phục vụ sản xuất nơng nghiệp  Ứng dụng tốn tối ưu xây dựng kế hoạch vận hành theo thời gian thực cho giải pháp đề xuất bảo đảm cung cấp đủ nước tưới mùa kiệt, tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống Phạm vi đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu giải pháp thu trữ nước, xây dựng thuật toán vận hành tối ưu điều tiết nước theo thời gian thực cho vùng xã thuộc kênh Lê Xuân Đào, hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An vùng bị hạn hán nặng hệ thống Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu; Phương pháp kế thừa; Phương pháp (xác suất) thống kê; Phương pháp mơ hình tốn; Phương pháp tối ưu hóa quản lý vận hành hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu Ý nghĩa khoa học: Xây dựng phương pháp luận thuật toán tối ưu để vận hành hệ thống tưới mùa kiệt biện pháp thu trữ nước.Trong nghiên cứu vận hành hệ thống, thuật tốn tìm kiếm giải pháp tối ưu lập ngơn ngữ lập trình Matlab Thuật toán lấy thuật toán di truyền xếp nghiệm không trội NSGA II (Deb 2000) làm sở, tốn chuyển tìm tham số dạng hàm vận hành đề xuất với mục tiêu tối ưu hóa tiêu tổng lượng tiêu lượng nước thiếu hụt mà mâu thuẫn thực tế Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất giải pháp kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống kênh phục vụ tưới cho mùa khơ vùng xã phía Đơng nam huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An Giải pháp ứng dụng cho vùng khác có điều kiện tương tự Những đóng góp luận án Đã xây dựng toán tối ưu hỗ trợ định vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng hạn hán tới sản xuất nông nghiệp Đề xuất giải pháp kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào mùa kiệt Các kết luận án tham khảo áp dụng cho hệ thống tương tự Bố cục luận án Luận án trình bày chương sau: Chương Tổng quan Chương Phương pháp luận công cụ nghiên cứu Chương Kết nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Hạn hán tác động hạn hán nông nghiệp 1.1.1 Hạn hán nguyên nhân Hạn hán tượng phổ biến hầu hết vùng địa lý trái đất, dạng thiên tai phức tạp có ảnh hưởng đến nhiều người Theo Trung tâm quản lý hạn Châu Âu (European Drought Centre), hạn tượng khí hậu xảy lượng nước sẵn có tự nhiên thấp mức trung bình thời gian dài Các nhà nghiên cứu Trung tâm Giảm nhẹ hạn hán Quốc gia thuộc trường đại học Lebrasca-Licoln – Mỹ phân hạn hán thành loại: hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp hạn kinh tế xã hội Mức hạn phân theo nhiều cách khác nhau, nhiên dựa số liệu thống kê nhiều năm lượng mưa vào năm hạn.Các yếu tố để phân loại tình trạng hạn hán bao gồm:     Lượng mưa (tháng, mùa) Mực nước ngầm Mực nước/dung tích hồ chứa Mực nước, lưu lượng sông suối 1.1.2 Một số tác động hạn hán sản xuất nông nghiệp Thế giới Ở miền nam Châu Âu, kết dự tính cho thấy tình trạng nhiệt độ cao hạn hán xấu khu vực khan hiến nguồn nước mặt khu vực có sóng nhiệt.Châu Phi khu vực điển hình hạn hán gây đói nghèo người dân ởlục địa Hoa Kỳ, năm bị hạn hán, thiệt hại kinh tế nước nghiêm trọng,các nghiên cứu thống kê mức thiệt hại hàng năm hạn hán khoảng 6-8 tỷ USD/năm Tại Trung Quốc, năm 1941, hạn hán làm gần ba triệu người chết.Tại Ấn Độ, năm 1769 đến 1770, hạn làm cho triệu người chết đói dịch bệnh.Tại Nhật Bản, năm 1994 có đợt sóng nhiệt độ cao kéo dài gây nên hạn nặng 1/3 lãnh thổ nước Năm 1982-1983, Australia xảy đợt hạn hán tồi tệ nước kỷ XX.Trong năm 1997, 1998 ảnh hưởng tượng El-Ninô, nước khu vực Đơng Nam Á khơng có mưa, nhiệt độ khơng khí cao ngun nhân gây cháy rừng nhiều nơi, điển hình Inđơnêsia Malaysia 1.1.3 Những tác động hạn hán sản xuất nông nghiệp Việt Nam Ở Việt Nam, hạn hán xẩy vùng mưa nhiều vùng mưa ít, thời gian mùa khơ chí mùa mưa.Hạn hán xuất vùng sinh thái khác Vùng đồng trung du Bắc thường gặp hạn hán vụ đông xuân, gặp hạn hán vụ mùa; vùng Trung từ Nghệ An đến Bình Định thường xẩy hạn vụ hè thu, vùng Nam Trung Bộ thường gặp hạn hán vụ đông xuân; miền tây Nam Bộ thường gặp hạn hán vào cuối vụ đông xuân, đầu vụ hè thu, miền đông Nam Bộ thường gặp hạn hán vào vụ đông xuân; vùng Tây Nguyên thường gặp hạn hán vào vụ đông xuân đầu vụ hè thu.Theo đánh giá chương trình hành động giảm nhẹ thiên tai Việt Nam hạn hán thiên tai gây tổn thất nghiêm trọng thứ sau bão lũ 1.1.4 Tình hình hạn khu vực nghiên cứu Trong năm gần tình hình hạn hán huyện Hưng Nguyên đặc biệt xã: Hưng Châu, Hưng Lợi, Hưng Yên, Hưng Phúc, Hưng Mỹ diễn gay gắt, lượng mưa mùa khô liên tục giảm mạnh, năm sau thấp năm trước Cùng với tác động gió Lào nên hạn hán vùng khốc liệt Trong năm gần đây, tình hình hạn hán xảy thường xuyên hơn, nghiêm trọng thống kê đợt hạn hán nặng hạn năm 1983, 1987, 1988, 1990, 1992, 1993, 1998, 2003, 2004, 2010 đặc biệt hạn nghiêm trọng vào năm 1993, 1998 năm 2010 1.2 Các nghiên cứu giải pháp chống hạn hán 1.2.1 Thế giới Vấn đề nghiên cứu, dự báo dự tính hạn hán, thực hầu khắp quốc gia giới, nhiên tính phức tạp chất tượng nên chưa có phương pháp thống nghiên cứu hạn hán Nhiều phủ nước giới giành khoản chi lớn cho dự án thuỷ lợi cấp nước, chống hạn, dự án xây dựng đập At-soan sông Nine Ai Cập Trung Quốc thành lập Hiệp hội cảnh báo thảm hoạ thiên tai lâu đời giới với Hoa Kỳ Israel Ấn Độ nước đạt nhiều thành tựu nghiên cứu giải pháp chống hạn, công nghệ tưới tiết kiệm nước.Việc kết hợp biện pháp nông - lâm nghiệp với kỹ thuật thu trữ nước vùng thiếu nước nhiều nước nghiên cứu ứng dụng như: Ấn Độ, Sri Lanka, Ai Cập, Kenya… 1.2.2 Việt Nam Ở Việt Nam, từ nhiều năm qua, nhà quản lý nhà khoa học tập trung nhiều vào việc nghiên cứu đưa giải pháp phịng chống hạn hán Trong tập trung vào giải pháp bản: - Xây dựng cơng trình khai thác tổng hợp để điều tiết dịng chảy mùa mưa, mùa khơ - Nâng mức đảm bảo hệ thống cơng trình thuỷ nơng, cơng trình cấp nước - Quản lý nâng độ che phủ khu rừng phòng hộ, rừng đầu nguồn - Kiểm soát việc xả, thải nước độc hại vào nguồn nước - Vận hành hiệu hệ thống thuỷ lợi - Nâng cao chất lượng công tác dự báo khí tượng thuỷ văn, dự báo dài hạn - Nâng cao nhận thức tham gia cộng đồng - Quản lý nhu cầu dùng nước 1.3 Bài toán tối ưu 1.3.1 Tổng quan toán tối ưu Mục tiêu toán tối ưu biểu diễn hàm: f (x)  (max) với x biến vecto biến x = (x1, x2, , xn) Biến x vector biến x = (x1, x2, , xn) thường có yêu cầu phải thỏa mãn số điều kiện Tập hợp điều kiện biến gọi điều kiện ràng buộc biểu diễn miền D (miền ràng buộc) Dạng tổng quát toán tối ưu: Làm cực tiểu/cực đại hàm mục tiêu: f (x)  (max) (1) Thỏa mãn điều kiện ràng buộc x  D (2) Yêu cầu: Tìm x để thỏa mãn (2) làm cực tiểu/ cực đại hàm mục tiêu (1) x (một giá trị cụ thể (x1, x2, , xn)), thỏa mãn điều kiện (1) & (2) gọi phương án tối ưu Nếu x thỏa mãn điều kiện (2) gọi x phương án chấp nhận hay phương án (*) Vận hành tối ưu hệ thống tài nguyên nước, nay, phát triển mạnh mẽ đa dạng với nhiều phương pháp giải khác Đối với tốn, việc chọn phương pháp thích hợp để giải phụ thuộc vào dạng hàm mục tiêu, ràng buộc số lượng biến tối ưu Năm 1988, Edgar Himmelblau đề xuất bước xây dựng giải toán tối ưu hệ thống sau: Bước 1: Phân tích chất tốn để thấy rõ đặc tính riêng biệt để xác định hệ thống biến tối ưu Bước 2: Xác định tiêu chuẩn tối ưu, thiết lập hàm mục tiêu từ biến tối ưu xác định hệ số tương ứng Bước 3: Phát triển hệ thống quan hệ tốn học mơ phỏng, liên hệ biến tối ưu, số liệu vào hệ số tương ứng Bước 4: Trong trường hợp phạm vi toán lớn cần (i) phân thành phần nhỏ dễ mô hơn, (ii) đơn giản hóa hàm mục tiêu cách mơ Bước 5: Ứng dụng kỹ thuật giải tương thích Bước 6: Kiểm tra kết quả, phân tích độ nhạy mơ hình cách thay đổi hệ số giả thiết 1.3.2 Các kỹ thuật tối ưu hóa Hiện nay, có hai cách tiếp cận để giải toán tối ưu, là:  Cách tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên ẩn ISO (Implit Stochastic Optimization)  Cách tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên ESO (Explicit Stochastic Optimization) Các kỹ thuật tối ưu thường sử dụng:  Quy hoạch tuyến tính LP (Linear Programming)  Quy hoạch phi tuyến NLP (Nonlinear Programming)  Quy hoạch động DP (Dynamic Programming)  Tìm kiếm (Meta heuristic) Giới thiệu thuật tốn NSGA II Kỹ thuật tối ưu tìm kiếm: Thuật tốn di truyền xếp nghiệm khơng trội NSGAII cải tiến NSGA (None Dominated Sorting Genetic Algorithm)  Ứng dụng thuật toán NSGA II thực tế Với ưu điểm vượt trội so với thuật toán khác, thực tế, giới áp dụng thuật toán NSGA II nhiều lĩnh vực tài nguyên nước Một số nghiên cứu điển hình như: Năm 2006, hai nhà khoa học Taesoon Kim Jun-Haeng Heođã sử dụng thuật toán NSGA II nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống nhiều hồ chứa thuộc lưu vực sông Han, Hàn Quốc Năm 2006, Md Atiquzzaman, ShieYui Liong, M.ASCE, Xinying Yusử dụng NSGA II nghiên cứu định thay mạng phân phối tài nguyên nước Năm 2016, Feifei Zheng; Aaron C Zecchin; Holger R Maier; and Angus R Simpsonđã nghiên cứu so sánh chất lượng tìm kiếm trình hội tụ thuật toán NSGA II, thuật toán SAMOD Borg áp dụng cho hệ thống phân phối nước 1.3 Tổng quan ứng dụng tối ưu vận hành hệ thống tưới tiêu giới Trong năm gần đây, nhà khoa học giới tập trung nhiều vào cơng trình nghiên cứu tối ưu cho ngành nước Các mơ hình tối ưu hóa, kể mơ hình tối ưu hóa động cho hệ thống tài nguyên nước quốc gia, đặc biệt hệ thống quốc gia phát triển Ấn Độ, Trung Quốc, Ả Rập, Banglades, Brazin, … Các mơ hình tối ưu hóa sử dụng cho hầu hết lĩnh vực liên quan đến tài nguyên nước tưới, phát điện, nuôi trồng thủy sản, cấp nước sinh hoạt, … điều tiết phân bổ nhu 1983, 1987, 1988, 1990, 1992, 1993, 1998, 2003, 2004, 2010 đặc biệt hạn nghiêm trọng vào năm 1993, 1998 năm 2010 Các tháng thường xuyên thiếu nước tháng đến tháng 8, mà mực nước Nam Đàn xuống thấp, giao động từ 0,2m đến 0,7m Hình 2.2 biểu diễn mực nước thượng lưu cống Nam Đàn trung bình tháng năm 2010 m 1.95 1.85 1.75 1.65 1.55 1.45 1.35 1.25 1.15 1.05 0.95 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15 0.05 Tháng 10 11 12 Hình 2.2 Biểu đồ Diễn biến mực nước thượng lưu cống Nam Đàn trung bình tháng (Năm 2010) 2.2 Nội dung nghiên cứu cách tiếp cận Với mục tiêu đề xuất giải pháp trữ nước mùa mưa để sử dụng cho mùa khô tối ưu điều tiết thời gian thực cho hệ thống nêu Tác giả tập trung nghiên cứu nội dung sau: Nội dung 1: Đánh giá trạng hệ thống Nội dung 2: Xác định nhu cầu nước Nội dung 3: Tính tốn lượng nước thiếu hụt mùa kiệt Nội dung 4: Đề xuất giải pháp thu trữ nước Nội dung 5: Phương án tối ưu điều tiết thời gian thực hệ thống 2.3 Phương pháp công cụ nghiên cứu 2.3.1 Tính tốn nhu cầu nước 11 Hiện có nhiều phương pháp tính tốn lượng bốc nước cho trồng FAO đề xuất phương pháp tính tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu, tình hình tài liệu thực đo để áp dụng cho nhiều vùng khác Theo đánh giá chuyên gia phương pháp Penman thường cho kết tốt Căn thực tế đó, tác giả chọn phương pháp Penman để tính tốn lượng bốc Việc tính tốn nhu cầu nước dựa vào chương trình CROPWAT FAO 2.3.2 Tính tốn thủy lực Để tính tốn thủy lực hệ thống sơng có nhiều mơ hình tính tốn.Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mơ hình MIKE11 để tính tốn mực nước, lưu lượng lũ, kiệt cho mạng sông vùng 2.3.4 Xây dựng toán vận hành tối ưu hệ thống Khí hậu khu vực bất thường khó dự báo, mùa lũ nhỏ kết thúc sớm mà lại trữ lượng nước kênh nhỏ vào cuối mùa lũ khơng đủ nước mùa kiệt mùa lũ lớn kết thúc muộn mà lại trữ lượng nước kênh lớn tổn thất tiêu hệ thống lớn Vì vậy, mục tiêu tốn tìm hàm vận hành thời gian thực để tối ưu hóa hài hịa hai mục tiêu Để tính tốn lượng nước tích trữ, tác giả xây dựng hàm định lượng nước lấy vào hệ thống: [𝒖𝑰𝒕 ] = f(𝒔𝒕 , 𝑺𝒀𝑺, ENSO index, WLNĐt, t);(2.1) Trong đó, 𝑢𝐼𝑡 tính sau: 𝒖𝑰𝒕 = 𝒖𝑰𝒕min + (𝒖𝑰𝒕max - 𝒖𝑰𝒕min) x1 ;(2.2) 𝒆𝒙 −𝒆−𝒙 Hàm tang hyperbolic: Tanh (x) = 𝒆𝒙 +𝒆−𝒙 = x1(2.3) x = st.w11 + (ENSO index).w12 + WLNĐt.w13 + t.w14 +d1(2.4) Trong đó: 𝑢𝐼𝑡 : Giá trị biến định lấy vào hệ thống bước thời gian t; 12 x: Biến trung gian Wij: trọng số lớp đầu vào; 0< wij Ir then 𝑾𝒕𝒉𝒊ế𝒖 𝒊 = Wdi – Iri, else 𝑾𝒕𝒉𝒊ế𝒖 𝒊 = Trong đó: 𝑊𝑡ℎ𝑖ế𝑢 𝑖 : Lượng nước thiếu hụt Wdi: Nhu cầu nước trồng Iri: Lượng nước tưới Hàm mục tiêu 2: Lượng nước tiêu phải nhỏ Min ∑ Wtiêu (2.6) 𝐖𝐭𝐢ê𝐮𝐭 = f(𝒔𝒕 , R, Treq, SYS) +𝒖𝑰𝒕−𝟏 if 𝒖𝑰𝒕< 0(2.7) Else 𝐖𝐭𝐢ê𝐮𝐭 = f(𝒔𝒕 , R, Treq, SYS) Treq: Ngưỡng tiêu 2.3.4.2 Ràng buộc Ràng buộc: 𝑰𝒕 + 𝑹𝒕 + 𝑺𝒕 = IR + 𝑾𝒍𝒐𝒔𝒕 + 𝑾𝒕𝒊ê𝒖 + 𝑬𝒕 + 𝑺𝒕+𝟏(2.8) 𝐼𝑡 : Lượng nước đến, phụ thuộc vào 𝑈𝐼 𝑢𝐼𝑚𝑖𝑛 ≤ uI ≤ 𝑢𝐼𝑚𝑎𝑥 ; 𝑢𝐼𝑚𝑖𝑛 phụ thuộc vào mực nước kênh lực bơm hệ thống 13 𝑢𝐼𝑚𝑎𝑥 phụ thuộc vào mực nước cống Nam Đàn lực lấy vào hệ thống 𝑠𝑡 : Dung tích kênh thời điểm tính tốn t; 𝑠𝑡+1 : Dung tích kênh thời điểm t + 1; 𝑅𝑡 : Lượng mưa thời điểm tính tốn; IR = uIR x S; (2.9) S: Diện tích trồng; 𝐸𝑡 : Lượng bốc thời điểm tính toán; 𝑊𝑙𝑜𝑠𝑡 : Lượng nước tổn thất thời điểm tính tốn; 𝑊𝑙𝑜𝑠𝑡 = 𝑠𝑡 x 𝐾𝑡ℎ ; (2.10) 𝐾𝑡ℎ : Hệ số thấm; 𝑊𝑡𝑖ê𝑢 : Lượng nước tiêu; 𝑊𝑡𝑖ê𝑢 = f(𝑠𝑡 , R)(2.11) 2.3.4.3 Khung xây dựng giải pháp tối ưu thuật toán di truyền NSGA II NSGA viết tắt thuật toán di truyền xếp nghiệm khơng trội.Các ký hiệu thuật tốn thuật toán NSGA II cải tiến từ thuật toán NSGA.Cụ thể q trình tối ưu hóa sau: Các biến: Pt: Quần thể cha; Q: Quần thể tạo thành từ cá thể Pt; Fj: Biến chứa nghiệm không trội, với j=1, …, R; N: Số lượng cá thể quần thể Pt; Thuật toán: Bước 1: Tạo ngẫu nhiên quần thể cha P0 với │ P0 │= N; Gán t = 0; Bước 2: Áp dụng tốn tử chéo hóa đột biến cá thể quần thể P0 để tạo quần thể Q0 với │ Q0 │= N; Bước 3: Nếu điều kiện dừng thỏa mãn dừng xuất cá thể quần thể Pt Bước 4: Đặt Rt= Pt ∪ Qt 14 Bước 5: Dùng thuật toán xếp nghiệm không trội – NSGA để nhận diện biến chứa nghiệm không trội F1, F2, …, Fk Rt Bước 6: Với i = 1, …, k ta thực bước sau: - Tính khoảng cách quy tụ nghiệm Fi - Tạo quần thể Pt+1 sau : Nếu │ Pt+1 + Fi│≤ N thiết lập Pt+1 = Pt ∪ Fi Nếu │ Pt+1 + Fi│> N bổ sung N - Pt+1 nghiệm mà có cá thể khác quy tụ từ quần thể Fi vào Pt+1 Bước 7: Sử dụng toán tử lựa chọn vòng nhị phân dựa khoảng cách quy tụ nghiệm x để lựa chọn cá thể cha từ quần thể Pt+1 Áp dụng tốn tử chéo hóa đột biến quần thể Pt+1 để tạo quần thể Qt+1 với │ Qt+1│= N Bước 8: Gán t Quay lại bước Kết luận chương Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án phương pháp có sở khoa học chặt chẽ Để giải theo phương pháp này, tác giả sử dụng loạt công cụ tiên tiến Cropwat, Mike 11, Mike Basin đặc biệt kỹ thuật tối ưu đa mục tiêu NSGA II Kết hàm tối ưu đa mục tiêu cho ta mặt Pareto tập hợp nghiệm tối ưu không trội, nghiệm giải pháp vận hành tối ưu cho hệ thống.Chương mô tả chi tiết kỹ thuật áp dụng nghiên cứu, đưa khung giải pháp tối ưu trình tự thực giải thích rõ ràng thuật tốn sử dụng.Việc ứng dụng kỹ thuật tối ưu xây dựng giải pháp vận hành cho hệ thống tưới thuật tốn di truyền xếp nghiệm khơng trội NSGA II chưa sử dụng để tính toán cho hệ thống Việt Nam 15 CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Giải pháp thu trữ nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp mùa kiệt 3.1.1 Kết tính tốn nhu cầu nước 3.1.1.1Nhu cầu nước cho trồng trọt Trên sở tài liệu khí tương cấu trồng, sử dụng chương trình CROPWAT.7, tính tốn nhu cầu nước cho loại trồng ứng với tần suất 75% 85% kết bảng 3.1 16 Bảng 3.1 Nhu cầu nước cho trồng trọt vùng nghiên cứu Đơn vị: 106m3 Vùng 10 11 12 Tổng Tần suất 75% Vùng VII Vùng VII 23.18 22.94 18.34 20.52 28.16 30.25 45.99 34.12 41.59 12.26 3.14 0.00 0.49 29.72 274.07 45.24 Tần suất 85% 34.85 41.22 44.70 37.08 10.76 5.20 0.01 0.65 31.04 287.37 3.1.1.2Nhu cầu nước cho chăn nuôi Căn vào tiêu cấp nước cho chăn nuôi số lượng đàn gia súc, tính tốn nhu cầu cấp nước cho chăn nuôi theo tháng vùng nghiên cứu bảng 3.2 Bảng 3.2 Nhu cầu nước cho chăn nuôi Đơn vị: 106m3 Tháng Nhu cầu 0.40 0.36 0.40 0.39 0.40 0.39 0.40 0.40 10 11 12 0.39 0.40 0.39 0.40 Tổng 4.71 3.1.1.3Nhu cầu nước cho thủy sản Căn diện tích ni trồng thủy sản vùng nghiên cứu 4282ha, đó: Thủy sản nước 3.942ha nước lợ 340ha tiêu chuẩn cấp nước, kết tính tốn nhu cầu cấp nước cho thủy sản sau 17 Bảng 3.3 Nhu cầu nước cho nuôi trồng thủy sản Đơn vị: 106m3 Tháng Nhu cầu 10 11 12 Tổng 0.001 0.001 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 4.250 Từ kết tính tốn nhu cầu nước cho hộ dùng nước, tổng hợp nhu cầu nước năm cho toàn vùng với tần suất 75% là: 525,46 triệu mét khối với tần suất 85% 547,62 triệu mét khối 3.1.1.4 Nhu cầu nước cho sinh hoạt Căn vào tiêu cấp nước cho sinh hoạt, tính tốn nhu cầu sử dụng nước khu vực nghiên cứu sau: Bảng 3.4 Nhu cầu nước cho sinh hoạt Đơn vị: 106m3 Tháng Nhu cầu 3.20 2.89 3.20 3.10 3.20 3.10 3.20 3.20 3.10 10 3.20 Như vậy, tổng nhu cầu nước cho sinh hoạt toàn vùng vào khoảng 37,67 triệu m3 18 11 3.10 12 3.20 Tổng 37.67 3.1.2 Kết tính tốn lượng nước thiếu hụt Với tần suất 75%, lượng nước thiếu hụt thường xuất từ tháng 12 đến tháng năm sau, tháng thiếu hụt lớn tháng với 0,83 triệu m3, tháng thiếu tháng 12 với 0,35 triệu m3, tổng hợp năm toàn vùng thiếu 2,31 triệu m3.Với tần suất 85%, tháng thiếu hụt lớn tháng với 1,51 triệu m3, tháng thiếu tháng với 0,42 triệu m3, tổng hợp năm toàn vùng thiếu 7,58 triệu m3 xã thuộc vùng nghiên cứu thiếu hụt năm 1,65 triệu m3 3.1.3 Đề xuất phương án trữ nước cho mùa kiệt Hiện nay, nhiều biện pháp thu trữ nước áp dụng giới Việt Nam Một số biện pháp xây dựng hồ điều hịa, sử dụng kênh sẵn có để trữ nước,… Qua nghiên cứu khảo sát, tác giả đề xuất mở rộng kênh theo bảng 3.5: Bảng 3.5 Kích thước kênh đề xuất Tên kênh Kích thước đề xuất (m) L B H H.S Máim Khả trữ (m3) Kênh 12/9 (đoạn 1) 2.500 8,0 4,0 1,5 124.294 Kênh 12/9 (đoạn 2) 1.800 5,0 4,0 1,5 79.558 Lê Xuân Đào 3.500 6,0 4,0 1,5 124.385 Hạnh Phúc 1.800 6,0 4,0 1,5 63.969 Tiến thắng 18.300 22,0 3,5 1,5 1.255.380 22,0 3,5 1,5 Hưng Nghĩa Tổng cộng 1.647.586 3.2 Xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống xã kênh Lê Xuân Đào để trữ nước cho vùng nghiên cứu Hệ thống kênh khu vực nghiên cứu khép kín liên kết chặt chẽ với Kênh Lê Xuân Đào nằm cuối nguồn, trạm bơm Hưng Châu đặt cuối kênh Lê Xuân Đào, có nhiệm vụ tiêu nước cho khu vực Việc tính tốn vận hành cho hệ thống phải phụ thuộc vào lượng nước đến, mưa lực hệ thống, đặc biệt kênh Lê Xuân Đào nơi đặt trạm bơm Hưng Châu 3.2.1 Mơ hình tiêu Mơ hình tiêu viết chương trình Matlab Các số liệu bao gồm: số liệu mưa 50 năm (1960 – 2010) trạm Vinh; mặt cắt kênh theo kích thước đề xuất mở rộng; mực nước ban đầu hệ thống.Để xây dựng mơ hình tiêu cho hệ thống, sử dụng Mike 11 trực tiếp q trình tính tốn nhiều thời gian Vì thế, tác giả đề suất xây dựng ma trận bảng tra kết tính độc lập từ Mike 11 Cụ thể việc xây dựng bảng tra thông qua bước: Bước 1: Thiết lập mơ hình tiêu Mike 11 cho hệ thống Bước 2: Ứng dụng mô hình Mike 11 xây dựng ma trận tiêu Tổng cộng có 1.836 kịch bản, kết (i) quan hệ tổng lượng tiêu ngày theo lượng mưa ngày mực nước kênh đầu ngày; (ii) quan hệ mực nước cuối ngày kênh, lượng mưa ngày mực nước kênh đầu ngày, hình 3.1: x 10 Lượng mưa(mm) 12 50 10 100 150 200 250 300 350 Mực nước kênh (m) Hình 3.1 Ma trận quan hệ mưa, mực nước kênh lượng nước cần tiêu Biểu đồ biểu thị số kết điển hình bảng tra quan hệ mưa, mực nước kênh Lê Xuân Đào lượng nước cần tiêu.Ma trận tiêu bảng tra ứng với trận mưa mực nước đầu ngày kênh cho ta kết lượng nước cần tiêu.Ma trận tiêu thay đảm bảo yêu cầu mặt khối lượng giảm nhiều thời gian tính tốn Lượng mưa (mm) 4.5 50 3.5 100 150 2.5 200 1.5 250 300 0.5 350 Mực nước kênh (m) Hình 3.2 Ma trận quan hệ mưa, mực nước kênh mực nước cuối ngày kênh Hình 3.2 ma trận quan hệ mưa, mực nước kênh mực nước cuối ngày kênh bảng tra ứng với trận mưa mực nước đầu ngày kênh cho ta kết mực nước cuối ngày kênh.Kết số liệu đầu vào cho việc tính tốn lưu lượng tiêu ngày hơm sau 3.2.2 Tính tốn số liệu đầu vào mơ hình Sau áp dụng cơng thức, sử dụng Matlab để xây dựng mơ hình, với chuỗi thời gian 50 năm (18.250 ngày), có kết tổng lượng xả, dung tích thật hệ thống, dòng chảy đến, dòng chảy vào mưa tổng lượng bốc mặt thoáng kênh Các kết sau: 3.2.3 Mặt Pareto giải pháp vận hành Tồn khung giải pháp viết ngơn ngữ Matlab tính tốn chuỗi thời gian 50 năm, theo ngày, tổng cộng 18.250 bước Trong trình chạy mơ hình tính tốn thuật tốn NSGA II đến hệ gần 200 200 mặt pareto khơng có phát triển thêm gần dừng lại NCS cho dừng trình chạy lần chạy thứ 200 (thế hệ 200) Sau tính tốn, nghiệm mặt Pareto sau: A B 3265 Tổng 3260 lượng 3255 nước 3250 cần 3245 tiêu 3240 (triệu 3235 m3) 3230 3225 88.2 C 88.4 88.6 88.8 89 89.2 Tổng lượng nước thiếu hụt (triệu m3) Như vậy, với kết tập hợp nghiệm tối ưu không trội cho 5.000 giải pháp tối ưu không gian hàm mục tiêu tổng lượng nước tiêu lượng nước thiếu hụt Với tính tốn này, tổng lượng nước thiếu hụt 50 năm dao đông từ 88,3 triệu m3 đến 89,1 triệu m3; tổng lượng nước cần tiêu dao động từ 3.228 triệu m3 đến 3.258 triệu m3 Có xu giải pháp vận hành cho hệ thống ln đảm bảo tính tối ưu: (1)Phương án lượng nước thiếu hụt nhỏ, (2) phương án lượng bơm tiêu nhất, (3) phương án cân lượng nước thiếu hụt lượng nước tiêu Chọn phương án A, B, C điển hình cho xu thế, thấy mặt pareto 3.2.4 Ứng dụng tính tốn cho năm điển hình Tác giả lựa chọn năm 2014 năm để tính tốn thử nghiệm Kết tính tốn tổng lượng nước tiêu năm 65.17531 triệu m3 tổng lượng nước thiếu hụt 1.785331 triệu m3.So sánh với điển hình vận hành đại diện mặt tối ưu pareto A, B C để thử nghiệm cho năm 2014 cho thấy các kết tốt Kết luận chương Trên sở nghiên cứu tổng quan thực tiễn phương pháp luận đưa chương II, tác giả tính tốn cân nước tổng thể cho toàn vùng, lượng thiếu hụt ứng với tần suất điển hình đưa giải pháp quy hoạch cần thiết cho khu vực nghiên cứu, nâng dung tích trữ kênh từ 400.000 m3 lên 1,6 triệu m3 đáp ứng nhu cầu bổ sung nước cho tháng mùa kiệt Mặc dù yếu tố kinh tế chưa xem xét đến giải pháp đưa sở cho nghiên cứu tiếp theo, đồng thời tập hợp hệ thống số liệu cần thiết nghiên cứu giải pháp vận hành cho hệ thống Kết sau 200 hệ, với số lượng đủ lớn, khoảng 5.000 cá thể quần thể, trình tìm kiếm hội tụ đến mặt pareto có mật độ nghiệm tính đa dạng cao Từ mặt pareto này, nghiệm điển hình lựa chọn để thử nghiệm cho năm 2014 với kết tốt KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với tình hình khí hậu diễn bất thường, phát triển kinh tế nhanh, nhu cầu nước đòi hỏi ngày cao mức độ yêu cầu.Các giải pháp cho hệ thống tưới tiêu mang tính truyền thống quy trình vận hành (một giải pháp tĩnh) tương lai khơng cịn phù hợp, điều đòi hỏi giải pháp phải mang tính thích ứng cao thiết kế vận hành Để đảm bảo đưa yếu tố ngẫu nhiên dòng chảy đến, tác giả tiến hành mô chuỗi số liệu 50 năm với bước thời gian ngày Sau ngày tính tốn, thuật tốn thành cơng tìm mặt pareto bao gồm nghiệm tối ưu không trội không gian hàm mục tiêu tổng lượng tiêu lượng nước thiếu hụt Các giải pháp tối ưu kiểm tra cho năm 2014 thể tính vượt trội rõ rệt giúp giảm lượng tiêu giảm lượng thiếu hụt nước Như vậy, với mặt pareto giúp bên có liên quanlựa chọn giải pháp vận hành phù hợp giao cho nhà vận hành triển khai thực thực tế Kiến nghị Kỹ thuật tính tốn kỹ thuật tiên tiến, địi hỏi phải có thiết bị hỗ trợ với cấu hình đủ mạnh để xử lý Trong nghiên cứu, tác giả xử dụng máy tính chip Xeo E5 V2567, 32 lõi tính, RAM 128 G, CACHE 32 Mb, nhớ 20 TB, máy chuyên dụng, cấu hình cao, phải ngày tính tốn cho kết DANH MỤC CƠNG TRÌNH Đà ĐƯỢC CƠNG BỐ Nguyễn Quang An, Sử dụng thuật toán NSGA II tối ưu vận hành trữ nước mùa mưa sử dụng cho mùa khơ hệ thống kênh vùng xã kênh Lê Xuân Đào, hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An Tạp chí Khoa học cơng nghệ Thủy lợi,Viện Khoa học Thủy lợi, số 39 (tháng 8/2017) Nguyễn Quang An, Xâm nhập mặn hạ du sông Cả vai trò điều tiết hồ chứa thượng nguồn Tại chí Tài nguyên nước, tháng năm 2017 Nguyễn Quang An, Nguyễn Xuân Lâm, Đánh giá tác động điều tiết hồ chứa đến xâm nhập mặn hạ du lưu vực sơng Mã, Tạp chí Khoa học công nghệ Thủy lợi,Viện Khoa học Thủy lợi, số 22 (tháng 8/2014) Nguyễn Quang Trung, Nguyễn Quang An, Các giải pháp giảm thiểu tác động dòng chảy kiệt, chống hạn ngăn mặn vùng hạ lưu sông Cả, tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi, số 21 (tháng 6/2014) Hà Hải Dương, Nguyễn Quang An, Đinh Thùy Linh, Tác động biến đổi khí hậu đến lĩnh vực nơng nghiệp giải pháp ứng phó Sách chuyên khảo, Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội, năm 2012 Nguyễn Quang An, Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho hệ thống sông Nhuệ, sông Đáy Kỹ yếu hội thảo lần thứ ”Sử dụng nước nông nghiệp bền vững đa mục tiêu cho đồng lúa (INWEPF) tổ chức Malaysia, tháng 11 năm 2011 ... chịu hạn cao mà chưa tập trung vào vấn đề nghiên cứu thu trữ nước mùa mưa cung cấp cách tối ưu cho mùa khô Vì vậy, đề tài: ? ?Nghiên cứu tốn tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng hạn. .. đủ nước tưới mùa kiệt, tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống Phạm vi đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu giải pháp thu trữ nước, xây dựng thuật toán vận hành tối ưu điều tiết nước. .. định vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng hạn hán tới sản xuất nông nghiệp Đề xuất giải pháp kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào mùa kiệt Các kết luận án tham khảo