7. Cấu trúc của luận án
2.3.1. Giới thiệu mơ hình GAMS
Algebraic Modeling System). Cơng nghệ GAMS là một cơng nghệ tiên tiến trong mơ phỏng tối ưu hệ thống, cĩ thể xây dựng và giải các bài tốn hiệu quả kinh tế hệ thống tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến hoặc hỗn hợp. Cơng nghệ này được hai tổ chức Ngân hàng Thế giới và Liên Hợp Quốc phối hợp xây dựng và khuyến cáo sử dụng trong thập niên gần đây. Cơng nghệ GAMS là cơng cụ tốt nhất để giải các bài tốn tối ưu của thực tế sản xuất nĩi chung và trong lĩnh vực tài nguyên nước nĩi riêng (theo GS. Larry W. Mays trường Arizona).
Hệ thống này đặc biệt sử dụng trong trường hợp hệ thống lớn và phức tạp. Mơ hình hĩa hệ thống theo cách tự nhiên và cơ đọng nhất và giải bài tốn tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, tối ưu động (quy hoạch động)…
Cơng nghệ GAMS hình thành một mơ hình với tên gọi “mơ hình GAMS” được thiết kế đặc biệt phục vụ cho mơ phỏng hệ thống kinh tế tối ưu trong quy hoạch và quản lý và mơ phỏng sự phân bổ các nguồn tài nguyên ở mức khá chính xác.
Những tiện ích trong khi sử dụng mơ hình GAMS:
- Thay đổi cơng thức nhanh chĩng và dễ dàng, cĩ thế giải với nhiều bộ giải khác nhau (10 bộ giải) và chuyển đổi từ giải pháp này sang giải pháp khác.
- Khả năng mở rộng bổ sung mơ hình và thay đổi ngữ cảnh. Cĩ thể biểu diễn một số cơng thức dưới dạng thuật ngữ đại số b ng cách dùng những kí hiệu.
- Cho phép người dùng mơ tả vấn đề một cách khá hệ thống và dùng những biến, cơng thức và tên chỉ mục, mơ tả dữ liệu...
- Đạt kết quả tốt nhất cho những mơ hình cỡ vừa hoặc lớn (trên 100 hàng và cột)
a) Khả năng áp dụng
Mơ hình được xây dựng dựa trên phương pháp tối ưu hố, cho phép người sử dụng cĩ thể tự thiết lập được các bài tốn quy hoạch mà thực tế đặt ra. Hiện nay, GAMS đã trở thành một tiêu chuẩn trong việc hình thành các mơ hình tối ưu hĩa trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Tại Việt Nam, Viện Nghiên cứu Thương mại (Bộ Thương Mại), Viện Chiến lược và Phát triển (Bộ Khoa Học & Đào tạo), Viện Kinh tế và Chính trị thế giới, Viện Kinh tế Việt Nam, Trung tâm Thơng tin và Dự báo kinh tế quốc gia, Trung tâm Tin học và Thống kê - Bộ NN&PTNT, một số trường đại học tại Hà Nội như Đại học Kinh tế Quốc dân, Đại học Thương mại…đã sử dụng GAMS cho nhiều mục tiêu.
- Hệ thống phân bổ nước (các ngành dùng nước, vận hành hồ chứa thủy điện). - Xác định được hiệu quả kinh tế của các ngành dùng nước (định lượng giá
trị) hay cân b ng việc dùng nước.
Mơ hình tối ưu GAMS dễ dàng thiết lập các module tính tốn và đánh giá nhanh theo các kịch bản. GAMS đã ứng dụng thành cơng ở một số nước trên thế giới như tại nước Úc cho lưu vực Murray-Darling. Ứng dụng mơ hình GAMS (năm 2004) để đề xuất (cho các nhà làm chính sách) cách phân phối nguồn nước tối ưu giữa những người dùng khác nhau tại thượng lưu của lưu vực sơng Pirapama, bang Pernambuco, Đơng Bắc Brazin [70]
. Viện nghiên cứu Khí tượng và Khí hậu IMK-IFU, Đức đã phối hợp mơ hình thủy văn WaSiM và mơ hình kinh tế GAMS ứng dụng cho lưu vực Volta, phía Bắc vùng Guinea Sudan của Tây Phi (2007)[71]
. Đại học California đã kết hợp GAMS và MIKE BASIN cho mục đích quản lý lưu vực São Francisco tại Brazin….
Ở Việt Nam, mơ hình GAMS đã ứng dụng phục vụ quy hoạch, quản lý và khai thác lưu vực sơng Đồng Nai, sơng Cửu Long và thượng lưu sơng Thái Bình…Viện Nghiên cứu Chính sách Lương thực thế giới (IFPRI) cùng với Viện Qui hoạch Thủy Lợi miền Nam nghiên cứu chính sách đầu tư và phân bổ nguồn nước hợp lý cho lưu vực sơng Đồng Nai.
b) Cấu trúc mơ hình
Các thành phần trong mơ hình
Các thành phần chính trong mơ hình gồm:
- Thành phần thủy văn: xem xét đến mối quan hệ của các thành phần dịng chảy, trong sự cân b ng nước tại nút sơng hay tại các hồ chứa, bao gồm cân b ng nước, phân phối nước và dịng chảy mơi trường.
- Thành phần kinh tế: gồm các yếu tố liên quan đến việc tính lợi nhuận rịng, lợi ích kinh tế từ việc sử dụng nước theo các ngành hay các tiểu vùng, các loại giá, thuế, phí và hệ số kinh tế.
Thành phần kinh tế với các điều kiện ràng buộc về khả năng cung cấp của nguồn nước và qui luật cung cầu của thị trường nh m đạt mục tiêu tối đa lợi nhuận thu được từ việc sử dụng nước.
- Thành phần thể chế gồm các qui định liên quan đến chính sách phân phối nước và các nhân tố kinh tế tác động:
bảo dưỡng nguồn nước và cơng trình.
Các động cơ kinh tế tác động đến thành phần kinh tế
Thành phần thể chế sẽ tạo thành một khung thể chế cơ bản và là các ràng buộc của mơ hình để giải quyết mâu thuẫn về sử dụng nước giữa các vùng hay các ngành.
Sự kết hợp thành phần kinh tế và thủy văn làm cho mơ hình phản ánh vận hành của hệ thống nguồn nước đúng với tình trạng thực tế hơn. Các thành phần trong mơ hình được kết hợp với nhau trong quá trình mơ phỏng phân phối và sử dụng nguồn nước trên lưu vực.
Để tối ưu việc phân phối và sử dụng nguồn nước trên lưu vực sơng Bé cần xác định được mức độ ảnh hưởng của các thành phần tác động lên tồn bộ quá trình và sau đĩ thơng qua mơ hình tối ưu tốn học sẽ tìm ra phương án tối ưu cho tồn hệ thống.
Hình 2.9.Sơ đồ mơ hình kinh tế – thủy văn GAMS
Các hàm và quan hệ trong mơ hình tốn
Các hàm và quan hệ thể hiện 3 thành phần (thủy văn, kinh tế, thể chế) trong mơ hình tốn dưới dạng các phương trình bao gồm hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc
- Hàm mục tiêu chung để tính lợi nhuận tối đa
+ Phương trình hàm mục tiêu chung:
Hàm mục tiêu của mơ hình được xác định là hàm tối đa lợi nhuận rịng thu được từ sử dụng nước cho các hoạt động tưới cho cây trồng, cấp nước sinh hoạt, sản xuất cơng nghiệp và phát điện của các trạm thủy điện. Hàm mục tiêu cần tối ưu hĩa là tổng lợi nhuận của các ngành dùng nước trên lưu vực như:
(2)Nhĩm sử dụng nước khơng cĩ tiêu hao như: phát điện, giao thơng thủy, nuơi trồng thủy sản, vùng đất ngập nước v.v…
(3)Nhĩm sử dụng nước cho tác động đến mơi trường như: lũ lụt, xâm nhập mặn. Trên lưu vực sơng Bé bao gồm các hoạt động chính là nơng nghiệp, cơng nghiệp, sinh hoạt và phát điện, vì vậy trong bài tốn này tính hàm mục tiêu trên các lợi nhuận thành phần sau:
Lợi nhuận tối đa =
1 1 1 1 p a m i i i i i A M I P = = = = + + + å å å å - hàm phạt (A) (2.1)
A: Lợi nhuận rịng từ việc tưới tiêu nơng nghiệp (Agriculture) M: Lợi nhuận rịng từ việc cấp nước cho sinh hoạt (Municial) I: Lợi nhuận rịng từ việc cấp nước cho cơng nghiệp (Industrial) P: Lợi nhuận rịng từ việc cấp nước cho thủy điện. (Power) a: Các chỉ số khu tưới cho nơng nghiệp
m: Các chỉ số khu dùng nước cho sinh hoạt i: Các chỉ số khu dùng nước cho cơng nghiệp p: Các chỉ số khu vực dùng nước cho thủy điện
Theo hướng dẫn của FAO, hàm phạt sẽ giúp phân phối và tính tốn nhu cầu nước của cây trồng theo từng tháng cho cây trồng dựa trên sự suy giảm năng suất cây trồng. Hàm phạt (A) xảy ra trong trường hợp khơng cấp đủ nước tưới cho các loại cây trồng, cĩ cơng thức như sau:
( , ) * ( ) * ( ) * ( , )
( , ))
agdm crop
yldm agdm crop price crop area agdm mdft agdm crop adft agdm crop
-
å å (2.2)
yldm Năng suất khi đủ nước (được tính tốn từ Hàm năng suất) price Giá nơng sản
area Diện tích được tưới
mdft Hệ số thiếu hụt lớn nhất của một thời đoạn trong mùa vụ adft Hệ số thiếu hụt trung bình trong cả mùa vụ
dft = kym (1 – ETa/ETm)
với dft Hệ số thiếu hụt nước của một thời đoạn kym Hệ số năng suất từng thời đoạn ETa Bốc thốt hơi thực tế (mm) ETm Bốc thốt hơi tiềm năng (mm)
Các phương trình ràng buộc
Mơ hình được thiết lập theo một số ràng buộc về biên trên và dưới của các biến, điều kiện khơng âm của các biến dương. Các hàm ràng buộc về cân b ng nước, bản chất vật lý và thể chế kinh tế.
Các hàm ràng buộc xác định trên nguồn nước cung cấp thơng qua cân b ng nước của thành phần thủy văn, nhu cầu nước được tính theo các hàm quan hệ giữa nhu cầu nước và năng suất cây trồng, cấp nước sinh hoạt, cấp nước cho sản xuất cơng nghiệp và thủy điện. Nguồn nước cung cấp được xác định dựa trên mục tiêu tối đa lợi ích kinh tế trong sử dụng nước, yêu cầu về mặt mơi trường như dịng chảy tối thiểu sau đập… được xem như là các điều kiện ràng buộc của mơ hình.
Ngồi hàm mục tiêu tối đa lợi nhuận, cịn các điều kiện ràng buộc của cơng trình,
1. Phương trình cân b ng nước trên lưu vực:
- Cân b ng nước tại một các nút sơng
Dịng chảy hạ lưu = d/c từ thượng lưu + d/c phát sinh từ mưa trong tiểu lưu vực + d/c hồi qui – lượng nước sử dụng – tổn thất
- Cân b ng nước cho nút hồ chứa:
t) L(rev, t) E(rev, t) R(indm, t) R(mundm, t) R(agdm, t) R(m, t) V(rev, t) I(n, 1) t V(rev, (indm) (mundm) (agdm) (m) (n) (2.3)
Với V Dung tích của hồ chứa (106m3)
I Dịng chảy đến từ thượng lưu trong thời đoạn (106
m3)
R Dịng chảy xả xuống hạ lưu, qua tuabin hoặc các khu dùng nước (106m3)
E Bốc hơi mặt hồ (106
m3) L Tổn thất trong hồ do thấm (106
m3) rev Chỉ số của hồ chứa
n, m Chỉ số của các nút sơng thượng lưu và hạ lưu t Chỉ số thời gian
agdm Chỉ số của khu cấp nước tưới mundm Chỉ số của khu cấp nước sinh hoạt indm Chỉ số của khu cấp nước cơng nghiệp
- Khả năng nguồn nước, khả tích tích trữ và xả của hồ chứa
- Dung tích của hồ chứa (lớn nhất và nhỏ nhất), các điều kiện vận hành của hồ chứa như lưu lượng xả lớn nhất của tua-bin, mực nước phịng lũ…
- Các điều kiện ưu tiên về cấp nước (sinh hoạt, sản xuất cơng nghiệp, tưới..) - Các điều kiện về diện tích tưới tối thiểu và tối đa của các vùng.
- Hàm năng suất cây trồng
- Dịng chảy mơi trường giữ lại ở hạ lưu được xác định trước.
Các hàm ràng buộc này được trình bày trong tính tốn nhu cầu nước và lợi nhuận trong việc dùng nước của các ngành (xem mục 3.1 trong chương 3) .
d) Các số liệu đầu vào của mơ hình
Việc xác định nhu cầu sử dụng nước trong các năm 2004, 2010 và 2020 dựa vào kế hoạch phát triển và chiến lược phát triển kinh tế của các ngành và các vùng.
Các số liệu dịng chảy
- Số liệu về dịng chảy tại các vị trí đo đạc thủy văn.
- Các số liệu về hồ chứa – dung tích và các quan hệ về hồ chứa - Lượng bốc hơi và lượng nước xả của các hồ chứa đã cĩ.
Số liệu lượng nước sử dụng
- Lượng nước cần dùng cho nơng nghiệp, sinh hoạt và cơng nghiệp
- Các số liệu về thủy điện của các cơng trình đã cĩ và các cơng trình dự kiến (cơng suất, điện lượng sản xuất, đặc trưng về nhà máy).
- Giá 1 đơn vị m3 nước sử dụng cho các ngành khác nhau .
Các số liệu khí hậu nơng nghiệp
- Số liệu mưa và bốc hơi (theo tháng) tại một số trạm trên lưu vực - Số liệu bốc hơi tiềm năng.
- Số liệu mưa hiệu quả theo các loại cây trồng.
Các số liệu nơng nghiệp
- Diện tích, năng suất và sản lượng của các loại cây trồng ở các khu vực được tưới trong 5 năm gần nhất.
- Chi phí đầu tư cho sản xuất.
nghiệp như phân bĩn, thuốc trừ sâu, cơng lao động...
e) Kết quả từ mơ hình GAMS
Mơ hình GAMS thực hiện bài tốn theo hướng tối ưu được xác định theo các kịch bản phát triển. Kết quả của mơ hình gồm:
- dịng chảy đến và nhu cầu nước của các ngành dùng nước (theo thời gian). - lợi nhuận của các ngành dùng nước (theo thời gian).
- lợi nhuận tối đa của tất cả các ngành dùng nước.
- lượng nước thiếu hụt và thiệt hại kinh tế (theo hàm phạt trong nơng nghiệp).