Ứng dụng bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định cơ cấu diện tích đất sử dụng

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.5. Định hướng sử dụng đất sản xuất nông nghiệp bền vững cho huyện Chợ Đồn

3.5.1. Ứng dụng bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định cơ cấu diện tích đất sử dụng

đề xuất định hướng sử dụng đất sản xuất nông nghiệp cho huyện Chợ Đồn trong thời gian tới theo hướng hiệu quả cao và bền vững, đề tài ứng dụng bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định được cơ cấu diện tích đất sử dụng cho các LUT sản xuất nông nghiệp thích hợp, đạt hiệu quả cao và bền vững.

Mô hình tối ưu đa mục tiêu có dạng

Zj (X) → max (1)

X € D (2)

Trong đó: - (1) là tập các hàm mục tiêu xác định theo tập biến quyết định X.

- (2) là các điều kiện ràng buộc mà tập biến quyết định X phải thỏa mãn, D còn gọi là miền ràng buộc của bài toán, được xác định bởi các điều kiện ràng buộc.

Căn cứ vào thực tế địa phương là một huyện miền núi của tỉnh Bắc Kạn, đề tài xác định các mục tiêu cần đạt được của bài toán là:

- Mục tiêu về mức độ thích hợp đất đai

- Mục tiêu về kinh tế: giá trị gia tăng (VA) cao nhất

- Mục tiêu về xã hội: khả năng thu hút lao động và giải quyết việc làm (số công lao động cao)

- Mục tiêu môi trường: đạt được các chỉ tiêu về môi trường cao nhất (tính điểm quy đổi của các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả môi trường (điểm) của từng loại sử dụng đất).

Phương án được lựa chọn là phương án đáp ứng được 4 mục tiêu trên và thoả mãn với các điều kiện ràng buộc (ràng buộc về diện tích kiểu thích hợp; hạn chế về mức độ thích hợp đất đai của loại sử dụng đất (LUT); về thị trường tiêu thụ sản phẩm;

về an ninh lương thực; về mục tiêu phát triển của huyện).

Dữ liệu để sử dụng giải bài toán tối ưu trong nghiên cứu này gồm có:

- Dữ liệu về điều kiện tự nhiên: kết quả phân hạng thích hợp đất đai đối với các LUT đạt hiệu quả và bền vững đã được lựa chọn.

- Dữ liệu về hiệu quả kinh tế: là số liệu của chỉ tiêu giá trị tăng thêm (VA) của các LUT

- Dữ liệu về hiệu quả xã hội: là số liệu về số công lao động của các LUT - Dữ liệu về hiệu quả môi trường: là tổng điểm quy đổi của các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả môi trường (điểm) của từng loại sử dụng đất).

3.5.1.1. Phân kiểu thích hợp đất đai

Từ kết quả phân hạng thích hợp đất đai, đề tài đã tổng hợp thành các kiểu thích hợp sau:

Bảng 3.54. Kết quả phân kiểu thích hợp cho các LUT huyện Chợ Đồn Kiểu LMU Diện tích

(ha)

LUT 1

LUT 2

LUT 3

LUT 4

LUT 5

LUT 6

LUT 7

I 1,2,5,15 824,51 S1 S2 S1 S2 S2 S3 S1

II

3,7,10,11,1

4 1.256,36 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2

III 6,12,13 510,62 S2 S2 S2 S3 S3 S3 S3

IV 8,16 332,57 S3 S3 S2 S3 S3 S3 S2

V 4,9 4.540,86 S1 S2 S1 S1 S2 S2 S1

VI 18,19,20 137,86 N N S3 S2 S1 S2 S1

VII 17,21 2.035,63 N N N S2 S2 S2 S3

VIII

23,26,27,29 ,30, 33,34,41

39.344,57 N N N N N S3 N

IX

24,35,36,37

,40,42 12.476,08 N N N S3 S2 S1 S3

X 28,31,32 16.294,51 N N N S3 S3 S2 S3

XI 22,25,38,39 8.496,90 N N N N N N N

Tổng 42 86.250,47

(Ghi chú: LUT1 (Lúa Xuân - Lúa mùa); LUT2 (Lúa Xuân - Lúa mùa - Khoai lang Đông); LUT3 (Thuốc lá - Lúa mùa); LUT4 (Khoai môn); LUT5 (Chè); LUT6 (Cam quýt);

LUT7 (Hồng không hạt).

- Kiểu I: có diện tích 824,51 ha. Rất thích hợp (S1) với các LUT: 1,3,7; ít thích hợp (S3) với LUT 6; thích hợp trung bình (S2) đối với các LUT còn lại.

- Kiểu II: diện tích 1.256,36 ha. Rất thích hợp với các LUT: 1,2,3,4; thích hợp trung bình với LUT 5, LUT 6, LUT 7.

- Kiểu III: thích hợp trung bình đối với LUT 1,2,3; các LUT còn lại ít thích hợp.

- Kiểu IV: diện tích 332,57 ha. Ít thích hợp với LUT 1,2,4,5,6; thích hợp trung bình đối với LUT 3 và LUT 7.

- Kiểu V: có diện tích 4.540,86 ha. Rất thích hợp với LUT 1,3,4,7; thích hợp trung bình với LUT 2, LUT 5, LUT 6.

- Kiểu VI: Không thích hợp (N) với LUT 1,2. Ít thích hợp với LUT 3; thích hợp trung bình với LUT 4,6; rất thích hợp với các LUT còn lại.

- Kiểu VII: không thích hợp với LUT 1,2,3. Ít thích hợp với LUT 7 và thích hợp trung bình với các LUT còn lại.

- Kiểu VIII: có diện tích 39.344,57 ha. Ít thích hợp với LUT 6; không thích hợp với 6 LUT còn lại.

- Kiểu IX: Rất thích hợp với LUT 6; thích hợp trung bình với LUT 5; ít thích hợp với LUT 4, LUT 7; không thích hợp với các LUT còn lại.

- Kiểu X: ít thích hợp với LUT 4,5,7; thích hợp trung bình với LUT 6. Không thích hợp với 3 LUT: 1,2,3.

- Kiểu XI: có diện tích 8.496,90 ha, thuộc các LMU 22,25,38,39. Đây là khu

vực đồi núi cao nên không thích hợp với các LUT sản xuất nông nghiệp.

Hình 3.10. Bản đồ phân kiểu thích hợp đất đai theo điều kiện tự nhiên huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn

3.5.1.2. Xây dựng bài toán tối ưu a) Xác định các biến số

Căn cứ vào điều kiện thực tế địa phương, chúng tôi xác định các biến số như sau: Xi_j_k (ha)

i - Kiểu/ vùng thích hợp đất đai (i=1÷11; 11 vùng thích hợp đất đai). Kiểu thích hợp đất đai là các đơn vị đất đai có cùng độ thích hợp với 7 loại sử dụng đất trên cơ sở đánh giá thích hợp đất đai.

j - Độ thích hợp đất đai (j=1,2; độ thích hợp S1, S2)

k - Loại sử dụng đất (k=1,2,3,4,5,6,7 ; 7 loại sử dụng đất)

Ví dụ: X1_2_1: Kiểu thích hợp 1 có độ thích hợp S2 của LUT1 (Loại sử dụng đất hai vụ lúa).

b) Xây dựng các hàm mục tiêu

*Mục tiêu thích hợp đất đai (Z1)

Z1 (ha) = x111 + x112 + x321 + x411 + x122 + x212 + x322 + x522 + x113+ x213 + x323+ x423+ x513+ x124 + x224 + x324+ x424+ x514+ x624+ x724+ x924+ x1024+x125 + x525+ x615+ x725

+ x825+ x925+ x1015+ x226+ x526+ x626+ x726+ x816+ x916+ x1026+ x117+ x227+ x427+ x517+ x617+ x727+ x927+ x1027 → Max

*Mục tiêu giá trị gia tăng (VA) cao nhất (Z2)

Z2 (triệu đồng) = ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐜𝐤 𝐗𝐢_𝐣_𝐤  Max với ck là giá trị gia tăng (triệu đồng/ha) của từng loại sử dụng đất, cụ thể:

Z2 = 58,58 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_1 + 114,94 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_2 + 76,41 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_3 + 59,04 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_4 + 97,34 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_5+ 89,95 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_6 + 103,52

∑10i=1∑2j=1Xi_j_7  Max

* Mục tiêu yêu cầu công lao động cao nhất (Z3): giải quyết được lao động dư thừa của địa phương.

Z3 (số công) = ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐦𝐤 𝐗𝐢_𝐣_𝐤  Max với mk là yêu cầu công lao động của từng loại sử dụng đất. Cụ thể:

Z3 (công) = 527,67 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_1 + 805,33 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_2 + 594

∑10i=1∑2j=1Xi_j_3 + 401,33 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_4 + 519 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_5+ 265,67

∑10i=1∑2j=1Xi_j_6 + 318 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_7  Max

* Mục tiêu hiệu quả môi trường tổng hợp lớn nhất (Z4)

Z4 (điểm) = ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐭𝐤 𝐗𝐢_𝐣_𝐤  Max với tk là tổng điểm quy đổi của các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả môi trường (điểm) của từng loại sử dụng đất. Cụ thể:

Z4 (điểm) = 2,3 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_1 + 2,7 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_2 + 2,3 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_3 + 2,7

∑10i=1∑2j=1Xi_j_4 + 2,7 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_5+ 2,3 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_6 + 2,3 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_7  Max

c) Xây dựng các điều kiện ràng buộc

Bảng 3.55. Tổng hợp diện tích theo kiểu thích hợp

Đơn vị tính: ha Kiểu thích

hợp (i) LMU Số lượng

LMU Diện tích - di (ha)

I 1,2,5,15 4 824,51

II 3,7,10,11,14 5 1.256,36

III 6,12,13 3 510,62

IV 8,16 2 332,57

V 4,9 2 4.540,86

VI 18,19,20 3 137,86

VII 17,21 2 2.035,63

VIII

23,26,27,29,30,

33,34,41 8 39.344,57

IX 24,35,36,37,40,42 6 12.476,08

X 28,31,32 3 16.294,51

XI 22,25,38,39 4 8.496,90

Cộng 42 86.250,47

* Ràng buộc giới hạn về diện tích thích hợp: tổng diện tích của từng LUT thích hợp trên mỗi kiểu thích hợp không được lớn hơn diện tích kiểu thích hợp đối với các LUT được lựa chọn: ∑𝟐𝐣=𝟏∑𝟕𝐤=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝐤 ≤ di , trong đó di là diện tích của từng kiểu thích hợp (11 kiểu thích hợp, bảng 3.54).

Cụ thể:

∑2j=1∑7k=1X1_j_k ≤ 824,51

∑2j=1∑7k=1X2_j_k ≤ 1.256,36

∑2j=1∑7k=1X3_j_k ≤ 510,62

∑2j=1∑7k=1X4_j_k ≤ 332,57

∑2j=1∑7k=1X5_j_k ≤ 4.540,86

∑2j=1∑7k=1X6_j_k ≤ 137,86

∑2j=1∑7k=1X7_j_k ≤2.035,63

∑2j=1∑7k=1X8_j_k ≤ 39.344,57

∑2j=1∑7k=1X9_j_k ≤ 12.476,08

∑2j=1∑7k=1X10_j_k ≤ 16.294,51

∑2j=1∑7k=1X11_j_k ≤ 8.496,90 + Diện tích của từng loại sử dụng đất không vượt quá khả năng (tổng) diện tích thích hợp (S1, S2) của loại sử dụng đất đó:

∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝐤 ≤ dk , trong đó dk là diện tích thích hợp (S1, S2) của từng loại sử dụng đất (7 loại sử dụng đất, bảng 3.56)

Bảng 3.56. Tổng hợp diện tích phân hạng thích hợp

Đơn vị tính: ha Hạng thích

hợp LUT1 LUT2 LUT3 LUT4 LUT5 LUT6 LUT7

S1 6.621,73 1.256,36 6.621,73 5.797,22 137,86 12.476,08 5.503,23 S2 510,62 5.875,99 843,19 2.998,00 21.133,44 24.265,22 1.588,93 S3 332,57 332,57 137,86 29.613,78 17.137,70 41.012,27 31.316,84

N 78.785,55 78.785,55 78.647,69 47.841,47 47.841,47 8.496,90 47.841,47 Tổng diện

tích 86.250,47 86.250,47 86.250,47 86.250,47 86.250,47 86.250,47 86.250,47 Tổng thích

hợp- Dk 7.132,35 7.132,35 7.464,92 8.795,22 21.271,30 36.741,30 7.092,16

(Ghi chú: chỉ tính tổng diện tích thích hợp cho hạng S1, S2)

Cụ thể: ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟏 ≤ 7.132,35 ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟓 ≤ 21.271,30

∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟐 ≤ 7.132,35 ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟔 ≤ 36.741,30 ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟑 ≤ 7.464,92 ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟕 ≤ 7.092,16 ∑𝟏𝟎𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐗𝐢_𝐣_𝟒 ≤ 8.795,22

* Ràng buộc diện tích để phát triển thị trường tiêu thụ sản phẩm: để sản phẩm của các LUT có thị trường tiêu thụ, giá bán ổn định, thì các LUT (LUT4, LUT6, LUT7) có diện tích thích nghi (S1, S2) lớn và đa phần sản phẩm là hoàng hóa sẽ chịu ràng buộc về diện tích thích nghi (chỉ sử dụng diện tích thích nghi S1 theo kết quả phân hạng).

LUT4 (khoai môn): ∑10𝑖=1∑𝑗=1𝑋𝑖_𝑗_4 ≤ 5.797,22 LUT6 (cam quýt): ∑10𝑖=1∑𝑗=1𝑋𝑖_𝑗_6 ≤ 12.476,08 LUT7 (hồng không hạt): ∑10𝑖=1∑𝑗=1𝑋𝑖_𝑗_7 ≤ 5.503,23

* Ràng buộc an ninh lương thực

Diện tích trồng lúa phải đáp ứng nhu cầu lương thực của vùng

∑𝟏𝟏𝐢=𝟏∑𝟐𝐣=𝟏𝐧𝐤𝐗𝐢_𝐣_𝟏 ≥ S ; với nk là năng suất lúa (tấn/ha) của từng loại sử dụng đất; S là mức an toàn lương thực của huyện.

Dự báo dân số của huyện đến năm 2025 là 60.000 người, định mức 360 kg/người/năm, vậy nhu cầu sản lượng lúa là 21.600 tấn

10,21∑11𝑖=1∑2𝑗=1𝑋𝑖_𝑗_1+10,21 ∑11𝑖=1∑2𝑗=1𝑋𝑖_𝑗_2 + 4,65 ∑11𝑖=1∑2𝑗=1𝑋𝑖_𝑗_3 ≥ 21.600 (tấn)

* Ràng buộc về chỉ tiêu phát triển các LUT

Căn cứ vào báo cáo chính trị Đại hội đại biểu Đảng bộ huyện Chợ Đồn nhiệm kỳ 2015 - 2020, phương hướng tầm nhìn đến 2030 và kế hoạch quy hoạch sử dụng đất của huyện đến năm 2020. Điều kiện ràng buộc về chỉ tiêu quy hoạch phát triển các kiểu sử dụng đất như sau:

Cụ thể: ∑10i=1∑2j=1Xi_j_1 ≥ 2.250 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_5 ≥ 900

∑10i=1∑2j=1Xi_j_2 ≥ 950 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_6 ≥ 634 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_3 ≥ 120 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_7 ≥ 400 ∑10i=1∑2j=1Xi_j_4 ≥ 70

* Điều kiện không âm của các biến

Xi_j_k  0 (i=1,...,10 ; j=1,2; k=1,2,3,4,5,6,7).

Căn cứ vào các yếu tố xác định như trên, ta có mô hình tối ưu đa mục tiêu để giải quyết vấn đề xác định cơ cấu loại sử dụng đất sản xuất nông nghiệp hợp lý cho huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn.

3.5.1.3. Giải bài toán tối ưu

Để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu này có nhiều phương pháp, chẳng hạn phương pháp “Thỏa dụng mờ”, hoặc phương pháp “Nhượng bộ từng bước”. Ở đây chúng tôi chọn phương pháp “nhượng bộ từng bước” vì đây là phương pháp khá phổ biến và đơn giản. Phương pháp này gồm hai bước:

Bước 1: Lập bảng Pay-off: Giải bài toán với từng hàm mục tiêu Zi, kết quả của các bài toán thể hiện trong bảng 3.57

Bảng 3.57. Giá trị hàm mục tiêu theo các phương án tối ưu tính cho các LUT Phương

án tối ưu Z1 (ha) Z2

(triệu đồng) Z3 (công) Z4 (điểm) Z1 19.235,67 1.721.947,26 7.026.037,54 48.648,31 Z2 4.553,23 3.152.843,83 13.713.454,30 85.742,99 Z3 5.809,56 3.047.581,67 14.785.101,58 85.742,99 Z4 2.881,78 2.855.368,42 13.439.006,07 87.296,11

Từ kết quả giải bài toán với từng hàm mục tiêu ta thấy:

- Mục tiêu 1 (Z1) đạt giá trị tối ưu là 19.235,67 ha

- Mục tiêu 2 (Z2) đạt giá trị tối ưu là 3.152.843,83 triệu đồng - Mục tiêu 3 (Z3) đạt giá trị tối ưu là 14.785.101,58 công - Mục tiêu 4 (Z4) đạt giá trị tối ưu là 87.296,11 điểm Bước 2: Nhượng bộ cho các mục tiêu phụ

Căn cứ vào kết quả giải bài toán với từng mục tiêu, căn cứ vào chủ trương, chính sách phát triển trên địa bàn huyện Chợ Đồn, mục tiêu trước mắt là cần đạt được

giá trị gia tăng (VA) có ý nghĩa hơn. Do vậy, với mục tiêu mức độ thích hợp đất đai chúng tôi kỳ vọng đạt được 75% giá trị tối ưu (nhượng bộ), tức Z1 ≥ 14.426,75 ha;

với mục tiêu tổng hiệu quả xã hội, kỳ vọng đạt được 75% giá trị tối ưu (nhượng bộ), tức Z3 ≥ 11.088.826,19 (công). Với mục tiêu tổng hiệu quả môi trường, chúng tôi cũng kỳ vọng đạt được 75% giá trị tối ưu (nhượng bộ), tức Z4 ≥ 65.472,08 (điểm).

Trên cơ sở đó, bài toán đa mục tiêu đưa về giải thành bài toán đơn mục tiêu với mục tiêu Z2 cộng thêm ràng buộc Z1 ≥ 14.426,75; Z3 ≥ 11.088.826,19 và Z4 ≥ 65.472,08.

Kết quả giải bài toán thể hiện tại bảng 3.58.

Bảng 3.58. Kết quả giải bài toán đa mục tiêu cho các loại sử dụng đất

Kiểu thích hợp

LMU Diện tích

(ha) LUT1 LUT2 LUT3 LUT4 LUT5 LUT6 LUT7

I 1,2,5,15 824,51 0,01 824,48 0,03

II 3,7,10,11,14 1.256,36 0,05 439,45 816,86

III 6,12,13 510,62 0,03 510,55 0,04

IV 8,16 332,57 332,57

V 4,9 4.540,86 2.249,91 2.028,84 262,11

VI 18,19,20 137,86 137,86

VII 17,21 2.035,63 70,00 1.965,63

VIII

23,26,27,29,30,

33,34,41 39.344,57

IX 24,35,36,37,40,42 12.476,08 5.354,16 7.121,92

X 28,31,32 16.294,51 5.354,16

XI 22,25,38,39 8.496,90

Tổng 86.250,47 2.250,00 950,00 4.002,78 70,00 7.319,79 12.476,08 400,00

Kết quả giải bài toán với mục tiêu tổng quát là xác định được cơ cấu diện tích tối ưu của từng loại sử dụng đất đối với từng kiểu thích hợp cho thấy:

- LUT1: diện tích 2.250,0 ha, có thể trồng trên các kiểu thích hợp I, II, III và V. Nhưng tối ưu nhất đối với kiểu thích hợp V với diện tích 2.249,91 ha. Ở kiểu thích hợp số V, LUT1 đáp ứng được các mục tiêu của bài toán đề ra, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu ràng buộc.

- LUT2: diện tích 950,0 ha có thể tối ưu trên hai kiểu thích hợp là II và III. Các kiểu thích hợp còn lại không thỏa mãn yêu cầu để phát triển LUT 2.

- LUT3: cho kết quả trên các kiểu thích nghi I, II, III, IV, V, với diện tích 4.002,78 ha. Tuy nhiên, tại kiểu thích hợp số III, diện tích tối ưu thấp 0,04 ha. LUT3, tối ưu nhất tại kiểu thích hợp V (2.028,84 ha), thuộc LMU 4 và 9.

- LUT4: diện tích 70,0 ha, chỉ đạt kết quả tối ưu tại kiểu thích hợp số VII.

- LUT5: diện tích 7.319,79 ha, tối ưu đối với kiểu thích hợp VII (1.965,63 ha) và kiểu thích hợp IX (5.354,16 ha).

- LUT6: diện tích tối ưu là 12.476,08 ha, phân bố trên hai kiểu thích hợp IX và X.

- LUT7: diện tích 400,0 ha. Kết quả tối ưu nhất tại kiểu thích hợp V (262,11 ha) thuộc LMU số 4,9 và kiểu thích hợp số VI (137,86 ha).

Có thể thấy kết quả bài toán đã cho ra phương án tối ưu hợp lý, những kiểu thích hợp có kết quả phân hạng thấp (Ít, không thích hợp với các LUT) thì không thể tối ưu do vậy không cho kết quả đề xuất (kiểu thích hợp VIII). Những kiểu thích hợp cao, phù hợp với các LUT sẽ cho kết quả tối ưu, tuy nhiên tùy theo từng yêu cầu ràng buộc mà có diện tích phân bổ cụ thể trên từng LUT và từng kiểu thích hợp. Nhìn chung, kết quả giải bài toán đủ cơ sở khoa học cho định hướng sử dụng đất của huyện trong thời gian tới.