BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ THU NGA NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ PHÂN BỔ NƢỚC TỐI ƢU LƢU VỰC SÔNG BA TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62 44 90 01 HÀ NỘI, NĂM 2017 Cơng trình hồn thành Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: GS TS Hà Văn Khối Phản biện 01: TS Nguyễn Lan Châu Phản biện 02: PGS TS Nguyễn Tiền Giang Phản biện 03: PGS TS Ngô Lê Long Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án …………………………………………………………………………… Vào lúc … …ngày … tháng … năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Lưu vực sông Ba lưu vực sông liên tỉnh lớn Việt Nam Dựa theo kết nghiên cứu quy hoạch thủy lợi quy hoạch thủy điện trước đây, địa phương lưu vực đầu tư xây dựng hàng loạt cơng trình thủy lợi, thủy điện Trong đó, đáng kể có hai cơng trình thủy lợi lớn hồ Ayun Hạ, hệ thống thủy nông Đồng Cam năm cơng trình thủy điện An Khê, Kanak, Sơng Ba Hạ, Sông Hinh, Krông Hnăng Tuy nhiên, công trình vào vận hành có tác động ngược trở lại tới hệ thống tài nguyên nước, làm thay đổi tình trạng phân bổ nước theo khơng gian thời gian lưu vực, qua ảnh hưởng đến việc khai thác sử dụng nước lưu vực Đây nguyên nhân dẫn đến tình trạng mâu thuẫn xuất lưu vực sông Ba nông nghiệp thủy điện, thượng lưu hạ lưu, phát triển kinh tế bảo vệ mơi trường Chính vậy, cần thiết có xem xét lại vấn đề phân bổ nước lưu vực sông Ba sở phối hợp hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện có nhằm khai thác, sử dụng nguồn nước cách hiệu Trong bối cảnh đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết lập mơ hình thủy văn - kinh tế phân bổ nước tối ưu lưu vực sông Ba” với mong muốn nghiên cứu sở khoa học xây dựng áp dụng cơng cụ mơ hình tốn hỗ trợ cho nhà hoạch định sách đưa định liên quan đến tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nước lưu vực sơng Ba theo hướng có lợi kinh tế, xã hội mơi trường Mục đích nhiệm vụ luận án - Mục đích luận án: Nghiên cứu toán phân bổ tài nguyên nước liên ngành lưu vực sơng Ba theo định hướng có lợi mặt kinh tế đảm bảo yêu cầu ổn định xã hội bảo vệ môi trường - Nhiệm vụ luận án: Nghiên cứu phương pháp luận thiết lập toán phân bổ nước tối ưu liên ngành cho lưu vực sông Ba; Nghiên cứu phương pháp tính xây dựng cơng cụ mơ hình thủy văn-kinh tế cho lưu vực sơng Ba Ứng dụng mơ hình đánh giá tương quan yếu tố thủy văn kinh tế; đánh giá sách dự kiến quản lý tài nguyên nước Từ đó, đề xuất số biện pháp quản lý tài nguyên nước hiệu cho lưu vực sông Ba Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu toán phân bổ nước cho lưu vực sông Ba, với thời gian tính tốn năm thủy văn (bước thời gian tháng) Đối tượng nghiên cứu: Luận án xem xét phân bổ tài nguyên nước mặt sở có tính đến giá trị kinh tế nước cho nông nghiệp thủy điện Các đối tượng sử dụng nước khác bao gồm sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản, môi trường coi ràng buộc cố định Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp (i) Phương pháp kế thừa; (ii) Phương pháp phân tích tổng hợp; (iii) phương pháp thống kê xác suất; (iv) Phương pháp mơ hình tốn tối ưu phi tuyến; Những đóng góp luận án Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tối ưu phân tích đánh giá, phân bổ nguồn nước lưu vực sông có bổ sung, điều chỉnh phù hợp cho LVS Ba Lượng hóa quan hệ tương quan thủy văn kinh tế cho lưu vực sông Ba mối ràng buộc tự nhiên, kết cấu hạ tầng, mơi trường xã hội Đánh giá hiệu ích kinh tế số sách dự kiến quy hoạch quản lý tài nguyên nước, từ đề xuất biện pháp tăng cường hiệu khai thác sử dụng nước lưu vực sông Ba Cấu trúc luận án Luận án gồm 113 trang, 30 bảng, 19 hình vẽ 72 tài liệu tham khảo Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu mơ hình thủy văn - kinh tế quy hoạch quản lý tài nguyên nước Chương 2: Thiết lập toán thủy văn - kinh tế phân bổ tài nguyên nước lưu vực sông Ba Chương 3: Mơ giải tốn thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba hệ thống GAMS Chương 4: Đánh giá tác động kịch khai thác sử dụng nước đến lợi ích kinh tế xã hội lưu vực sơng Ba CHƢƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ TRONG QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC 1.1 Giải thích số thuật ngữ Mơ hình thủy văn – kinh tế cơng cụ mơ hình tốn kết hợp mơ hình thủy văn mơ hình kinh tế, có khả biểu thị khía cạnh thủy văn, kỹ thuật, môi trường kinh tế hệ thống tài nguyên nước khuôn khổ thống (Harou, 2009) 1.2 Giới thiệu chung mơ hình thủy văn - kinh tế Trong mơ hình thủy văn - kinh tế, việc phân bổ nước định hướng đánh giá giá trị kinh tế mà tạo Nước loại hàng hóa đặc biệt, vừa có tính chất hàng hóa tư nhân, vừa có tính chất hàng hóa cơng Giá trị kinh tế nước thay đổi theo loại hình sử dụng (có tiêu hao khơng tiêu hao, dịng chảy ngồi dịng chảy, hàng hóa trung gian sản phẩm cuối cùng) Giá trị nước thay đổi theo thời gian, khơng gian mục đích sử dụng nước Tùy trường hợp cụ thể mà nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp khác để xác định giá trị kinh tế nước Trong đó, người ta thường dùng phương pháp giá trị phần dư để xác định giá trị kinh tế nước nông nghiệp, phương pháp hàm cầu nhà sản xuất để xác định giá trị kinh tế nước công nghiệp, thủy điện, phương pháp hàm cầu người tiêu dùng để xác định giá trị kinh tế nước sinh hoạt Mơ hình thủy văn – kinh tế khác với mơ hình thủy văn truyền thống quan điểm coi nhu cầu nước khơng có chất "tĩnh" mà thay đổi theo giá trị kinh tế sử dụng nước Mơ hình thủy văn – kinh tế khác với mơ hình kinh tế thường tập trung đánh giá hiệu ích kinh tế dự án mà giản hóa nhiều quan hệ thủy văn Chính vậy, đời mơ hình thủy văn – kinh tế nhằm hướng tới kết nối mơ hình thủy văn mơ hình kinh tế cách hài hòa, phù hợp với quan điểm quản lý tổng hợp tài nguyên nước 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu mơ hình thủy văn - kinh tế giới Việt Nam Các ứng dụng mơ hình thủy văn - kinh tế triển khai nhiều lĩnh vực như: phân bổ sử dụng nước liên ngành; nâng cấp sở hạ tầng; kết hợp sử dụng nước mặt nước ngầm; thể chế, thị trường giá nước; giải xung đột xuyên biên giới; quản lý nước điều kiện biến đổi khí hậu; quản lý lũ lụt (Harou, 2009) Các nghiên cứu mơ hình thủy văn - kinh tế giới đa dạng triển khai từ năm 1960 kỉ trước Các nghiên cứu Việt Nam bắt đầu muộn cịn Một số nghiên cứu điển hình Ringler et al (2006), Vũ Văn Tuấn (2007), VQHTL (2007) áp dụng cho lưu vực sông lớn lưu vực sông Đồng Nai, Mekong, Hồng Chưa có nghiên cứu áp dụng cho lưu vực sơng Ba, bối cảnh có nhiều thay đổi thể chế điều kiện tự nhiên 1.4 Tổng quan Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc Việt Nam Cho đến nay, công tác Quản lý tổng hợp tài nguyên nước Việt Nam đạt số thành tựu định, nhiên nhiều điểm hạn chế, đặc biệt liên quan đến quản lý tài nguyên nước sở lưu vực sông Một nguyên nhân dẫn đến mâu thuẫn khai thác, sử dụng nước vấn đề quy hoạch Phần lớn quy hoạch mang tính đơn ngành, địa phương, chưa kể việc phê duyệt thực quy hoạch chồng chéo 1.5 Những khoảng trống chƣa đƣợc nghiên cứu quy hoạch quản lý tài ngun nƣớc lƣu vực sơng Ba Nhìn chung, nghiên cứu lưu vực sông Ba trước thực sở xem xét nhu cầu sử dụng nước coi không đổi (tùy theo kịch xem xét) vị trí định Phương pháp nghiên cứu chủ yếu áp dụng mơ hình thủy văn truyền thống để mơ q trình sử dụng nước lưu vực Kết nghiên cứu tập trung đánh giá khu vực thiếu nước, từ đề xuất biện pháp cơng trình phi cơng trình cho phù hợp Hầu hết nghiên cứu chưa xem xét đến giá trị kinh tế nước thay đổi tùy theo đối tượng, thời gian vị trí sử dụng nước Ngồi ra, số giải pháp đề xuất cịn định tính mà chưa định lượng, khiến cho nhà quản lý khó định phù hợp 1.6 Kết luận chƣơng Để hỗ trợ công tác quy hoạch quản lý tài ngun nước theo lưu vực sơng, mơ hình tốn coi cơng cụ có vai trị vơ quan trọng Các mơ hình định lượng hóa tác động cơng trình sách quản lý dự kiến, từ hỗ trợ nhà hoạch định sách việc định liên quan Việc sử dụng mơ hình thủy văn - kinh tế coi phù hợp bối cảnh lưu vực sông Việt Nam, cụ thể lưu vực sông Ba CHƢƠNG THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY VĂN – KINH TẾ PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG BA 2.1 Hiện trạng khai thác sử dụng tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba Lưu vực sông Ba lưu vực nội địa lớn Việt Nam Lưu vực sông Ba rộng khoảng 13.900km2 thuộc tỉnh Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên phần nhỏ thuộc tỉnh Kon Tum Địa hình lưu vực bị chia cắt mạnh ảnh hưởng dãy Trường Sơn, tạo thung lũng độc lập kéo dài từ An Khê đến Phú Túc Ngồi phía hạ lưu có núi non bao bọc ba phía Bắc, Tây, Nam, ơm lấy vùng đồng Tuy Hịa rộng 24.000ha có xu mở rộng phía biển Do ảnh hưởng địa hình kết hợp với gió mùa Tây Nam gió mùa Đơng Bắc, lưu vực sơng Ba chia ba miền có khí hậu khác biệt khu vực Tây Trường Sơn, Đông Trường Sơn, khu vực trung gian Từ điều kiện địa hình khí hậu vậy, tài ngun nước mặt lưu vực sông Ba phân bố không theo khơng gian thời gian Lượng mưa bình quân hàng năm lưu vực khoảng 1.740mm Tuy nhiên, lượng mưa biến động lớn theo không gian Trong vùng thượng nguồn sơng Ba sơng Hinh có lượng mưa hàng năm 3.000mm vùng Cheo Reo, Phú Túc đón lượng mưa khơng 1.300mm Lượng mưa lưu vực phân phối không theo thời gian Mùa mưa vùng thượng trung du thường đến sớm từ tháng V kết thúc vào tháng X tháng XI, kéo dài 6-7 tháng Trong mùa mưa vùng hạ du đến muộn kết thúc sớm, kéo dài 3-4 tháng khoảng tháng IX đến tháng XII Lượng dòng chảy mặt hàng năm sinh lưu vực sông Ba xấp xỉ 10tỷ m nước Mạng lưới sơng ngịi lưu vực sông Ba bao gồm 36 phụ lưu cấp I, 54 phụ lưu cấp II, 14 phụ lưu cấp III Nhìn chung, hệ thống sơng Ba có vai trò quan trọng phát điện, cấp nước nông nghiệp, công nghiệp, dân sinh, cải tạo môi trường… phục vụ phát triển kinh tế xã hội tỉnh Gia Lai, Đak Lak Phú Yên 2.2 Quá trình phát triển quy hoạch liên quan đến tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba Trong hàng chục năm phát triển, quy hoạch thủy lợi, quy hoạch thủy điện quy hoạch đơn ngành khác ghi nhận thành tựu đáng kể Một số năm gần đây, địa phương có bước tiến việc ban hành quy hoạch tài nguyên nước đa ngành Quy hoạch tài nguyên nước tỉnh Phú Yên ban hành năm 2011, Quy hoạch tài nguyên nước tỉnh Gia Lai ban hành năm 2015 Tuy nhiên, quy hoạch đơn ngành quy hoạch tài nguyên nước liên ngành lưu vực sông Ba tồn số bất cập Quy hoạch đơn ngành chưa quan tâm đến nhu cầu khai thác sử dụng nước ngành khác Quy hoạch tài nguyên nước theo tỉnh lại chưa xem xét mối quan hệ dòng chảy phạm vi lưu vực sơng Điều có ảnh hưởng đến hiệu giải pháp quy hoạch liên quan đến tài nguyên nước 2.3 Hệ thống hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn lƣu vực sông Ba Hầu hết quy hoạch liên quan đến tài nguyên nước lựa chọn giải pháp xây dựng cơng trình khai thác sử dụng nước Trên hệ thống lưu vực sơng Ba kể số cơng trình thủy lợi, thủy điện lớn, có vai trò quan trọng phân bổ nguồn nước Đó hồ chứa Ayun Hạ, Krơng Hnăng, Sơng Hinh, Sông Ba Hạ cụm hồ An Khê – Kanak Tuy nhiên, năm gần đây, xuất số mâu thuẫn thủy điện nông nghiệp, thượng lưu hạ lưu, phát triển kinh tế bảo vệ môi trường lưu vực sông Ba Rất nhiều nghiên cứu khoa học nguyên nhân mâu thuẫn xuất phát từ việc xây dựng vận hành cơng trình hồ chứa lớn nêu Các hồ thủy điện lớn xây dựng chưa xem xét hết ảnh hưởng đến việc khai thác nước tưới hạ du yêu cầu bảo vệ môi trường Để khắc phục tồn này, đây, quy trình vận hành liên hồ ban hành năm 2014 Tuy nhiên, quy trình cần có thời gian để kiểm chứng mức độ hiệu phù hợp 2.4 2.4.1 Thiết lập toán quy hoạch phân bổ tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba Mục tiêu Phân bổ nước lưu vực sông Ba cho nhiều ngành sử dụng nước khác cho vừa có lợi kinh tế, vừa bảo đảm yêu cầu ổn định xã hội bảo vệ môi trường 2.4.2 Hàm mục tiêu 2.4.2.1 Hàm mục tiêu đầy đủ Dạng phổ biến hàm mục tiêu toán phân bổ nước tối ưu tìm giá trị cực đại lợi ích kinh tế tổng thể (Brooker and Young, 1994) sau: max𝑧∈(𝑧) 𝐸𝐵 = 𝑖 𝐸𝐵𝑖 𝑄𝑖 , 𝑢 (2-1) Trong đó: Vectơ biến định Q = {Qi} là lượng nước cấp cho ngành sử dụng nước, bao gồm nước sử dụng cho nông nghiệp, thủy sản, sinh hoạt, cơng nghiệp, thủy điện, mơi trường, giải trí … ; EBi giá trị lợi ích kinh tế từ việc lấy lượng nước Qi Đơn vị thường dùng để tính EBi đơn vị tiền tệ theo thời gian (ví dụ $/tháng) Trong thực tế số đối tượng sử dụng nước khó định giá, ví dụ giải trí, mơi trường … Có nhiều phương pháp khác để xác định giá trị kinh tế cho đối tượng sử dụng nước phổ biến sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, thủy điện, thủy sản, du lịch … Tùy theo phương pháp lựa chọn, hàm mục tiêu có thay đổi định Hàm mục tiêu toán tối ưu phân bổ nước lưu vực sông Ba kế thừa từ hai hàm mục tiêu lưu vực sông Đồng Nai (Ringler, 2006) sơng Hồng (VQHTL, 2008) có dạng sau: 𝑀𝑎𝑥 𝐟 𝐱 = ( a 𝑉𝐴𝑎 + 𝑚 𝑉𝑀𝑚 + 𝑖𝑛 𝑉𝐼𝑖𝑛 + 𝑝 𝑉𝑃𝑝 ) (2-3) Trong VAa giá trị sử dụng nước cho nơng nghiệp (bao gồm trồng trọt chăn nuôi); VPp giá trị sử dụng nước cho thủy điện; VIin giá trị sử dụng nước cho công nghiệp; VMm giá trị sử dụng nước cho sinh hoạt 2.4.2.2 Hàm mục tiêu rút gọn Lưu vực sơng Ba có lượng nước sử dụng nông nghiệp chiếm tỉ trọng 90% lượng nước tiêu hao vị trí hồ chứa lớn (hồ Sông Ba Hạ) nằm sát khu vực hạ lưu Luận án đề xuất rút gọn hàm mục tiêu ban đầu thành hai dạng sau: 𝑀𝑎𝑥 𝐟𝟏 𝐱 = ( a 𝑉𝐴𝑎 + 𝑀𝑎𝑥 𝐟𝟐 𝐱 = ( 2.4.3 𝑝 𝑉𝑃𝑝 ) a 𝑉𝐴𝑎 ) (2-4) (2-5) Biến định biến trạng thái Biến định hiểu biến độc lập Đối với trường hợp hàm mục tiêu đầy đủ, biến định bao gồm: Diện tích tưới (ha) cho loại trồng vùng; số lượng gia súc vùng; lưu lượng qua tuabin phát điện; lưu lượng cấp nước công nghiệp, sinh hoạt, thủy sản Đối với hàm mục thư viện cơng cụ giải tốn tối ưu hệ thống Mặc dù phải tốn công phát triển mã chương trình máy tính mơ hình công cụ cho phép người sử dụng mô tả chi tiết đặc thù hệ thống Luận án sử dụng hệ thống GAMS công cụ phù hợp để giải toán phân bổ tối ưu tài nguyên nước cho lưu vực sông Ba Luận án lựa chọn chương trình giải (solver) tích hợp GAMS CONOPT3, với thuật toán giải Gradient rút gọn tổng quát (GRG) 2.5 Kết luận chƣơng Luận án phân tích số đặc điểm tài nguyên nước trạng khai thác sử dụng nước lưu vực sơng Ba Trên sở đó, luận án thiết lập toán phân bổ nước tối ưu cho lưu vực sông Ba Hàm mục tiêu, biến định, biến trạng thái hàm ràng buộc tốn trình bày tương đối đầy đủ Với chất tốn tối ưu phi tuyến có ràng buộc với số lượng biến lớn, luận án lựa chọn công cụ GAMS để tiến hành xây dựng mơ hình thủy văn kinh tế cho lưu vực sơng Ba CHƢƠNG MƠ PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TỐN THỦY VĂN – KINH TẾ LƢU VỰC SÔNG BA TRONG HỆ THỐNG GAMS 3.1 Giới thiệu hệ thống GAMS GAMS (General Algebraic Modeling System) hệ thống mơ hình hóa bậc cao dùng để giải tốn tối ưu hóa GAMS bao gồm trình biên dịch nhiều chương trình giải (solvers) Bài tốn quy hoạch phi tuyến tổng quát GAMS/CONOPT có dạng sau: or max subject to lo < x < up f(x) g(x) = b (1) (2) (3) f(x) hàm mục tiêu; x vectơ biến tối ưu hóa; g(x) ràng buộc; b vectơ vế phải ; lo up vectơ giới hạn x 11 Mô tả hàm mục tiêu Người sử dụng phải tạo biến tự có giá trị vơ hướng (khơng có miền xác định) Sau đó, người sử dụng thiết lập phương trình lấy làm hàm mục tiêu Mô tả biến định Tất biến mơ hình GAMS phải khai báo câu lệnh Variables Ví dụ 3-2 Mơ tả biến định GAMS POSITIVE VARIABLES khai báo biến định ar(n) diện tích gieo trồng lúa đơng xn nút n Miền xác định Mô tả biến Tên biến Mô tả ràng buộc Các ràng buộc mô tả GAMS dạng phương trình (Equations) Mơ tả giới hạn biến Giới hạn biến GAMS mơ tả hai cách sử dụng Equations sử dụng giới hạn (lo) giới hạn (up) 3.2 Xây dựng cấu trúc mơ hình thủy văn – kinh tế hệ thống GAMS Cấu trúc mơ hình thủy văn - kinh tế xây dựng GAMS thực chất kết hợp mơ hình thủy văn mơ hình kinh tế thành thể thống Sự kết hợp thể yếu tố liên kết lưu lượng phân bổ nước cho đối tượng sử dụng nước (tại nút) Với mơ hình kinh tế nghiệm tốn phương án phân bổ nước tối ưu Với mơ hình thủy văn phương án phân bổ nước định trạng thái cân nước cho toàn hệ thống thời điểm khác Ngược trở lại, mơ hình thủy văn xác định giá trị lưu lượng giới hạn Qghi,t nút lấy nước, tác động đến phương án phân bổ 12 nước thời điểm Nội dung chương trình tính mơ hình thủy văn – kinh tế trình bày chi tiết Phụ lục Luận án 3.3 Thiết lập tổ hợp kịch tính tốn ứng dụng mơ hình thủy văn - kinh tế Một số kịch liên quan đến sách quản lý tài nguyên nước xây dựng sở xem xét điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội môi trường Kết nghiên cứu từ kịch hỗ trợ cho nhà hoạch định sách có biện pháp quy hoạch, xây dựng quản lý phù hợp, nâng cao hiệu khai thác sử dụng nước Kịch sở (KBCS) kịch tính tốn phân bổ lại nguồn nước năm 2009-2010 để đánh giá hiệu kinh tế từ phương án phân bổ nước tối ưu so với phương án phân bổ nước thực tế Các kịch khác điều chỉnh từ kịch sở với số thay đổi liệu đầu vào Kịch nhóm A thiết lập để đánh giá tác động biến động dòng chảy tự nhiên đến phương án phân bổ nước Kịch nhóm B đề cập đến hiệu số sách kinh tế quản lý nước thông qua thay đổi đầu vào kinh tế mơ hình Kịch nhóm C nghiên cứu hiệu số biện pháp tiết kiệm nước quản lý tài nguyên nước Kịch nhóm D xét riêng cho trường hợp năm hạn hán (mơ hình dịng chảy năm 1982-1983) với đề xuất thay đổi nhiệm vụ phát điện tối thiểu cho nhà máy thủy điện hệ thống Tổ hợp kịch trình bày Bảng 4.3 Tất kịch điều chỉnh có xem xét bổ sung yêu cầu dòng chảy tối thiểu theo QTVHLH yêu cầu an ninh lương thực (diện tích trồng lương thực tối thiểu) 3.4 Các liệu đầu vào mơ hình thủy văn - kinh tế Luận án kế thừa kết phân vùng khai thác sử dụng nước VQHTL, sơ đồ vùng KTSDN trình bày Hình 3.2 Mỗi vùng KTSDN có liệu riêng dịng chảy đến, nhu cầu sử dụng nước cơng trình thủy lợi, thủy điện (nếu có) 13 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kịch tính tốn Nhóm Kịch Dịng chảy biên Nhu cầu nƣớc tƣới Các nhu cầu nƣớc khác Nhu cầu nƣớc thủy điện Đầu vào kinh tế Các hồ chứa Yêu cầu dòng chảy tối thiểu Yêu cầu an ninh lƣơng thực Khơng Khơng Có Có KBCS Có Có KBCS Có Có KBCS Có Có KBCS CS KBCS1 KBCS2 2009-2010 A A1 A2 … A25 1978-1979 1979-1980 … 2009-2010 KBCS KBCS KBCS B B1a B1b B1c 1980-1981 1984-1985 2003-2004 KBCS KBCS KBCS B2a B2b B2c 1980-1981 1984-1985 2003-2004 KBCS KBCS KBCS B3a B3b B3c 1980-1981 1984-1985 2003-2004 KBCS KBCS KBCS C1a C1b C1c C2a C2b C2c C3a C3b C3c 1980-1981 1984-1985 2003-2004 1980-1981 1984-1985 2003-2004 1980-1981 1984-1985 2003-2004 Hệ số tưới: 0,8 KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS KBCS SH CN tăng 100% KBCS KBCS Có Có KBCS Thay đổi cấu trồng KBCS KBCS KBCS Có Có KBCS D1 D2 D3 1982-1983 KBCS KBCS Nmin=0.55Nđb Nmin=0.45Nđb Nmin=0.35Nđb KBCS Có Có KBCS C D KBCS Tăng giá bán nơng sản 20% Tăng chi phí sản xuất điện 20% Tăng suất trồng Hệ thống LVS Ba đưa vào GAMS dạng nút liên kết nút Toàn hệ thống bao gồm nút biên, 20 nút dòng chảy, nút hồ chứa (ngồi cịn sử dụng nút hồ chứa giả định đại diện cho cụm hồ thủy lợi nhỏ vùng), nút nhà máy thủy điện kiểu chân đập, nút nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn (chuyển nước), 42 nút cấp nước (trồng trọt, công nghiệp & dân sinh, chăn nuôi, thủy sản), nút kiểm sốt dịng chảy tối thiểu Tồn sơ đồ hệ thống LVS Ba trình bày Hình 3.3 14 Hình 3.2 Bản đồ phân vùng KTSDN cho LVS Ba (theo VQHTL) 15 Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống lưu vực sông Ba 16 Luận án kế thừa kết tính tốn dịng chảy giai đoạn 1978-2010 VQHTL cho tiểu lưu vực lưu vực sông Ba Các nhu cầu sử dụng nước năm 2009-2010 bao gồm sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản mức tưới nông nghiệp kế thừa từ kết nghiên cứu VQHTL (có xem xét so sánh với số liệu thực tế) Định mức khối lượng chi phí đầu vào kinh tế tham khảo từ văn hành giá bán thị trường có điều chỉnh Thơng tin hệ thống cơng trình thủy lợi, thủy điện lưu vực sông Ba yêu cầu dòng chảy tối thiểu tham khảo từ QTVHLH năm 2014 Ngoài ra, luận án bổ sung yêu cầu an ninh lương thực cho kịch điều chỉnh 3.5 Kết luận chƣơng Nội dung chương tập trung vào việc giới thiệu hệ thống GAMS cách thức thiết lập mơ hình thủy văn - kinh tế GAMS để mơ tả tốn tối ưu phân bổ nước lưu vực sông Ba Chương trình tính đầy đủ mơ hình trình bày Phụ lục luận án Trong chương 3, luận án thiết lập tổ hợp kịch tính tốn cho mơ hình, với mơ tả chi tiết liệu đầu vào CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CÁC KỊCH BẢN KHAI THÁC SỬ DỤNG NƢỚC ĐẾN LỢI ÍCH KINH TẾ XÃ HỘI TRÊN LƢU VỰC SƠNG BA 4.1 4.1.1 Đánh giá kết tính tốn kịch sở Đánh giá hợp lý kết mô thủy văn Với liệu cho năm 2009-2010, MHTV-KT lưu vực sông Ba áp dụng để tính tốn phân bổ lại nguồn nước với mục đích làm tăng giá trị lợi ích từ việc sử dụng nước cho ngành khác Việc tính tốn thực cho hai kịch KBCS1 KBCS2, tương ứng với hai mục tiêu f1(x) f2(x) 17 Hình 4.1 Q trình dịng chảy thực đo tính tốn trạm Củng Sơn năm 2009-2010 Hình 4.2 Đường q trình mực nước hồ Sơng Hinh theo kịch tính tốn 4.1.2 Nghiệm tốn tối ưu Đối với KBCS1, nghiệm tốn q trình lưu lượng qua tua bin hồ chứa thủy điện diện tích tưới cho loại trồng vùng Đối với KBCS2, nghiệm tốn diện tích trồng Kết tính tốn 18 hàm mục tiêu cho hai kịch so sánh với tài liệu năm 2010 trình bày Hình 4.5 Hình 4.3 Lợi nhuận từ đối tượng sử dụng nước theo KBCS 4.1.3 Lựa chọn hàm mục tiêu rút gọn Lưu vực sơng Ba có vị trí hồ chứa thủy điện đặc biệt Thủy điện An Khê - Kanak vùng thượng lưu dịng sơng Ba chuyển nước sang sơng Cơn để phát điện, dẫn đến nước xuống khu vực trung lưu (Ayun Pa, Krông Pa) Thủy điện Sông Ba Hạ có dung tích lớn nằm dịng chính, sát vùng hạ lưu Bảng 4.3 Diện tích trồng trọt tối ưu theo KBCS Đơn vị: Loại trồng Nam Bắc An Khê Thƣợng Ayun Lúa đông xuân 8800 0 4400 3740 24200 Lúa mùa 8800 3921.9 4400 7700 3740 24200 Ngô đông xuân 27500 2750 5054.7 8800 20388.2 4950 820 Ngô mùa 27500 2116.2 8800 22000 4950 820 Cà phê 1100 16500 6050 24200 2200 330 Mía 9900 242.7 1100 2970 11800 4680 Ayun Pa 19 Krông Pa Thƣợng Đồng cam Krơng Hnăng Hạ lƣu Bảng 4.4 Diện tích trồng trọt thực tế năm 2009-2010 Đơn vị: Loại trồng Nam Bắc An Khê Lúa đông xuân 2364 7810 12240 2000 1729 1525 19560 Lúa mùa 5500 9114 16540 3000 4059 1846 2440 Ngô vụ 25000 2500 10400 8000 20000 4500 740 987 14577 5112 20957 1845 285 9000 9229 1000 2700 10725 4250 Cà phê Mía Thƣợng Ayun Ayun Pa Krơng Pa Krơng Hnăng Thƣợng Đồng cam Hạ lƣu Vì thủy điện mang lại lợi nhuận đơn vị thể tích nước cao nhiều so với trồng trọt, nên phương án phân bổ nước tối ưu, nước vùng thượng lưu (ví dụ Thượng Ayun) trung lưu (Ayun Pa) thay sử dụng để tưới bị chuyển hạ lưu để tích nước phát điện Vì thế, chọn hàm mục tiêu theo KBCS2 có tổng lợi nhuận thấp có tính hợp lý 4.2 Đánh giá ảnh hƣởng biến thiên dòng chảy Mối quan hệ tổng lợi nhuận tồn lưu vực với tổng lượng dịng chảy sinh lưu vực có dạng tương quan phi tuyến Hình 4.3 Khi nguồn nước nhiều lợi nhuận sinh lớn, đến ngưỡng (khoảng 15 tỉ m3) tốc độ tăng lợi nhuận giảm nhanh Điều nhu cầu sử dụng nước lưu vực thỏa mãn hệ thống cơng trình thủy lợi, thủy điện khai thác hết tiềm Biến thiên dịng chảy có tác động đến phân bổ nguồn nước lưu vực sông Ba theo không gian Trung bình nhiều năm vùng Hạ lưu vùng Nam Bắc An Khê có tỉ lệ sử dụng nước cao nhất, cho thấy khu vực có giá trị kinh tế sử dụng nước cao Vùng Nam Bắc An Khê có cụm cơng trình KanakAn Khê đưa nước sang sông Côn, với tổng công suất 173MW Vùng Hạ lưu chủ yếu phát triển nông nghiệp, lại hưởng lợi từ việc điều tiết hồ chứa thượng nguồn đặc biệt hồ Sông Ba Hạ Vùng Hạ lưu có ưu 20 vị trí phí sản xuất thấp, suất trồng lại cao, khơng khó hiểu vùng thường xuyên đáp ứng đủ nước Vùng Thượng Đồng Cam có hai cơng trình thủy điện lớn Sơng Hinh Sông Ba Hạ, với đặc điểm lượng nước tiêu hao thủy điện khơng làm nước Như vậy, muốn phân bổ lượng nước cho vùng cịn lại bao gồm Thượng Ayun, Ayun Pa, Krơng Pa Krông Hnăng nhiều hơn, quan quản lý cần có sách đầu tư xây nâng cao dung tích cho hồ chứa vùng Hình 4.5 Quan hệ tương quan tổng lượng dịng chảy tổng lợi nhuận lưu vực sông Ba Hình 4.7 Tỉ lệ phân bổ nước theo vùng trung bình nhiều năm 21 Lượng nước khai thác chủ yếu cho trồng trọt (trung bình nhiều năm 83,7%), phát điện (chuyển sang sông Côn xấp xỉ 9,5% ) Các nhu cầu nước cho sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản chăn nuôi chiếm tỉ lệ nhỏ Trong loại trồng lúa loại đặc biệt tiêu hao nhiều nước lưu vực sông Ba (gần 50%) Nếu xét giá trị kinh tế giá trị lúa thấp, nhiên với ràng buộc diện tích tối thiểu nên vùng đảm bảo có diện tích trồng lúa Vì vậy, lượng nước phân bổ cho lúa lớn Để quản lý nước cách tiết kiệm hiệu hơn, cần phải có giải pháp quy hoạch giảm diện tích trồng lúa Điều có lẽ không cho lưu vực sông Ba mà cịn cho nhiều lưu vực sơng khác nước 4.3 Đánh giá ảnh hƣởng đầu vào kinh tế Giá trị kinh tế nước từ sản xuất nông nghiệp coi thấp so với ngành sản xuất khác công nghiệp, thủy điện, thủy sản Một số sách kinh tế trợ giá cho nông nghiệp tăng thuế sử dụng nước cho cơng nghiệp thủy điện áp dụng, thể đầu vào kinh tế thay đổi bao gồm giá bán nơng sản, chi phí sản xuất điện suất trồng Trong đó, hai yếu tố đầu ảnh hưởng đến mức độ phân bổ lại nguồn nước lưu vực Ngược lại, suất trồng thay đổi tăng đáng kể diện tích tưới lương thực khu vực trung lưu 4.4 Đánh giá ảnh hƣởng số yếu tố khác Các yếu tố đầu vào xem xét điều chỉnh bao gồm: tăng hiệu suất tưới từ 70% lên 80%, tăng nhu cầu cấp nước công nghiệp dân sinh 100% thay đổi cấu trồng Trong đó, nhu cầu cấp nước cơng nghiệp dân sinh dù tăng chiếm tỉ trọng nhỏ, khơng ảnh hưởng đến tình hình phân bổ nguồn nước Hiệu suất tưới tăng làm tăng diện tích tưới cho đối tượng trồng Phương án xem xét thay đổi cấu trồng chưa mang lại hiệu cao khu vực thiếu nước vùng trung lưu (Ayun Pa, Krông Pa, Krông Hnăng) bị thiếu nước cho tất loại trồng 22 4.5 Nghiên cứu phƣơng án phân bổ nƣớc hợp lý xảy hạn hán Khi xảy hạn hán, việc điều chỉnh nhiệm vụ hồ chứa thủy điện cách giảm công suất tối thiểu trung bình tháng mức 30 đến 50% cơng suất bảo đảm đảm bảo u cầu khác (yêu cầu an ninh lương thực yêu cầu dịng chảy tối thiểu) Nếu giảm thêm cơng suất tối thiểu ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện lợi nhuận lưu vực 4.6 Tổng hợp kết tính tốn đề xuất số biện pháp quản lý lƣu vực sông Ba Dựa vào kết tính tốn ban đầu mơ hình thủy văn – kinh tế LVS Ba, luận án đưa số nhận định tình hình phân bổ nước lưu vực sông đề xuất biện pháp nhằm nâng cao hiệu khai thác, sử dụng nước Trong đó, ưu tiên xây dựng cơng trình thủy lợi để tăng cường phân bổ nước cho vùng Nam Bắc An Khê, Hạ lưu Thượng Đồng Cam, giảm gieo trồng từ hai vụ vụ giảm diện tích lương thực vùng Ayun Pa, Krông Pa, Krông Hăng Các nhà quản lý xem xét biện pháp tăng thuế sử dụng tài nguyên cho ngành công nghiệp thủy điện, trợ giá giảm chi phí đầu vào cho sản xuất lương thực Những biện pháp có tác động đến hiệu phân bổ nước mà chủ yếu liên quan đến ổn định công xã hội Biện pháp giúp làm tăng giá trị sử dụng nước tưới vùng thượng trung lưu cách rõ ràng hỗ trợ kỹ thuật nhằm tăng suất trồng 4.7 Kết luận chƣơng Với tổng cộng 48 kịch bản, luận án ứng dụng mơ hình thủy văn - kinh tế nhiều điều kiện khác tự nhiên, kinh tế, xã hội mơi trường Mơ hình có tính linh hoạt cao, dễ điều chỉnh liệu đầu vào kết xuất theo ý muốn người sử dụng Mơ hình cho phép đánh giá nhanh sách biện pháp quản lý phân bổ nước có lợi cho lưu vực sông Ba điều kiện cụ thể 23 KẾT LUẬN Những đóng góp luận án Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tối ưu phân tích đánh giá, phân bổ nguồn nước lưu vực sơng có bổ sung, điều chỉnh phù hợp cho LVS Ba Lượng hóa quan hệ tương quan thủy văn kinh tế cho lưu vực sông Ba mối ràng buộc tự nhiên, kết cấu hạ tầng, môi trường xã hội Đánh giá hiệu ích kinh tế số sách dự kiến quy hoạch quản lý tài nguyên nước, từ đề xuất biện pháp tăng cường hiệu khai thác sử dụng nước lưu vực sông Ba Hƣớng phát triển luận án Mơ hình thủy văn - kinh tế lưu vực sơng Ba cơng cụ có tính linh hoạt cao, phù hợp cho toán phân bổ nước tối ưu lưu vực sơng Ba Mơ hình cịn số điểm hạn chế việc rút gọn hàm mục tiêu, giản hóa số quan hệ vật lý, số liệu kinh tế đầu vào Sự hạn chế chủ yếu khn khổ có hạn luận án Để mơ hình hồn thiện hơn, nghiên cứu phát triển bổ sung thành phần giá trị kinh tế hàm mục tiêu, chi tiết hóa liệu đầu vào kể thủy văn kinh tế 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Thị Thu Nga, Hà Văn Khối “Nghiên cứu ảnh hưởng biến thiên dòng chảy đến tỉ lệ phân bổ nguồn nước lưu vực sông Ba” Tạp chí KHKT Thủy lợi Mơi trường – số 52 (3/2016) Nguyễn Thị Thu Nga “Ứng dụng mô hình HEC-RESSIM tính tốn điều tiết hệ thống hồ chứa lưu vực sông Ba” Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015 Trường ĐHTL Nguyễn Thị Thu Nga, Hoàng Thanh Tùng, Kiều Trung Hiếu “Nghiên cứu xây dựng mơ hình thủy văn - kinh tế lưu vực sông Ba sở ngôn ngữ GAMS” Tạp chí KHKT Thủy lợi Mơi trường – số 49 (6/2015) Hoàng Thanh Tùng, Nguyễn Thị Minh Tâm, Nguyễn Thị Thu Nga “Nghiên cứu phân bổ nguồn nước lưu vực sơng Ba” Tạp chí KHKT Thủy lợi Môi trường – số 48 (3/2015) Vũ Thanh Tú, Nguyễn Thị Thu Nga, Trần Ngọc Huân “Xây dựng mô hình RAM-V ứng dụng thử nghiệm tính tốn hiệu kinh tế việc phân bổ nguồn nước lưu vực sông Sê San” Tuyển tập Hội nghị Khoa học Thường niên năm 2014 Trường ĐHTL ... mơ hình thủy văn - kinh tế quy hoạch quản lý tài nguyên nước Chương 2: Thiết lập toán thủy văn - kinh tế phân bổ tài nguyên nước lưu vực sông Ba Chương 3: Mô giải toán thủy văn - kinh tế cho lưu. .. sử dụng mơ hình thủy văn - kinh tế coi phù hợp bối cảnh lưu vực sông Việt Nam, cụ thể lưu vực sông Ba CHƢƠNG THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY VĂN – KINH TẾ PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG BA 2.1 Hiện... sinh lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu thiết lập mơ hình thủy văn - kinh tế phân bổ nước tối ưu lưu vực sông Ba? ?? với mong muốn nghiên cứu sở khoa học xây dựng áp dụng cơng cụ mơ hình tốn hỗ trợ cho nhà