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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN QUANG AN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG 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 Chuyên ngành : Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số : 58 02 12 Người hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Tùng Phong PGS TS Trần Chí Trung HÀ NỘI, NĂM 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu xây dựng toán tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng hạn hán tới sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sông Cả - Nghiên cứu điển hình hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các trích dẫn kết nêu luận án trung thực có xuất xứ rõ ràng Hà Nội, ngày 31 tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Quang An ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài “Nghiên cứu xây dựng 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”, nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện tập thể Lãnh đạo Ban Quản lý Trung ương Dự án Thủy lợi; tập thể lãnh đạo, phòng ban chức nhà khoa học Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi Việt Nam; Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Tùng Phong PGS TS Trần Chí Trung – người thầy trực tiếp hướng dẫn bảo cho tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp công tác Ban Quản lý Trung ương Dự án Thủy lợi gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Quang An iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu luận án Phạm vi đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu Những đóng góp luận án Bố cục luận án CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Hạn hán tác động hạn hán sản xuất nông nghiệp 1.1.1 Hạn hán nguyên nhân 1.1.2 Những tác động hạn hán sản xuất nông nghiệp Thế giới10 1.1.3 Những tác động hạn hán sản xuất nông nghiệp Việt Nam 14 1.1.4 Tình hình hạn khu vực nghiên cứu 17 1.2 Các nghiên cứu giải pháp chống hạn 19 1.3 Bài toán tối ưu 29 1.3.1 Tổng quan toán tối ưu 29 1.3.2 Các kỹ thuật tối ưu hóa 30 1.3.3 Ưu nhược điểm kỹ thuật tối ưu 40 1.4 Tổng quan ứng dụng tối ưu vận hành hệ thống tưới tiêu giới 41 1.5 Tổng quan ứng dụng tối ưu vận hành hệ thống tưới tiêu Việt Nam 44 Kết luận chương 47 CHƯƠNG II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48 2.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 48 2.1.1 Sơ lược khu vực nghiên cứu 48 2.1.2 Hiện trạng phát triển nông nghiệp 52 2.1.3 Hiện trạng ảnh hưởng hạn hán 62 2.1.4 Một số nhận xét khu vực nghiên cứu 66 2.2 Nội dung nghiên cứu cách tiếp cận 67 2.3 Phương pháp công cụ nghiên cứu 70 2.3.1 Tính toán nhu cầu nước 70 iv 2.3.2 Tính tốn cân nước 72 2.3.3 Tính tốn thủy lực 79 2.3.4 Xây dựng toán vận hành tối ưu hệ thống 80 Kết luận chương 94 CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 95 3.1 Giải pháp thu trữ nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp mùa kiệt 95 3.1.1 Kết tính tốn nhu cầu nước 95 3.1.2 Kết tính tốn lượng nước thiếu hụt/cân nước 101 3.1.3 Đề xuất phương án trữ nước cho mùa kiệt 107 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 110 3.2.1 Mơ hình tiêu 111 3.2.2 Tính tốn số liệu đầu vào 119 3.2.3 Mặt Pareto giải pháp vận hành 122 3.2.4 Tính tốn thử nghiệm cho năm điển hình 125 Kết luận chương 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 Danh mục tài liệu tiếng Việt 134 Danh mục tài liệu tiếng Anh 136 PHỤ LỤC 140 v DANH MỤC BẢNG Bảng1.1 Tổng hợp số hạn hán Bảng 1.2 Diện tích hạn vùng số năm 17 Bảng1.3 Ưu nhược điểm kỹ thuật tối ưu 40 Bảng 2.1 Cơ cấu diện tích đất vùng xã kênh Lê Xuân Đào 54 Bảng 2.2 Diện tích, suất, sản lượng lúa vùng xã kênh Lê Xuân Đào năm 2012 55 Bảng 2.3 Diến biến mực nước Sông Lam tháng kiệt số năm 56 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật cống Nam Đàn 57 Bảng2.5 Thống kê trục kênh trữ nước vùng 59 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật trạm bơm Hưng Châu 60 Bảng 2.7 Diện tích hạn vùng số năm gần 63 Bảng 3.1 Thời vụ trồng vùng sông Cả 96 Bảng 3.2 Hệ số sinh lý trồng theo giai đoạn phát triển 97 Bảng 3.3 Đặc trưng khí hậu tram Vinh 97 Bảng 3.4 Nhu cầu nước cho trồng trọt vùng nghiên cứu 98 Bảng 3.5 Chỉ tiêu cấp nước cho chăn nuôi 99 Bảng 3.6 Nhu cầu nước cho chăn nuôi 99 Bảng 3.7 Mức cấp nước cho nuôi trồng thủy sản lưu vực sông Cả 100 Bảng 3.8 Nhu cầu nước cho nuôi trồng thủy sản 100 Bảng 3.9 Chỉ tiêu cấp nước cho sinh hoạt 101 Bảng 3.10 Nhu cầu nước cho sinh hoạt 101 Bảng 3.11 Tổng lượng nước thiếu hụt vùng Nam Hưng Nghi - P=75% 106 Bảng 3.12 Tổng lượng nước thiếu hụt vùng Nam Hưng Nghi- P=85% 107 Bảng 3.13 Kích thước kênh 108 Bảng 3.14 Kích thước kênh đề xuất 110 Bảng 3.15.Kết tính tốn quan hệ mưa, mực nước kênh lượng nước cần tiêutrên kênh Lê Xuân Đào 116 Bảng 3.16 Kết tính tốn quan hệ mưa, mực nước kênh mực nước cuối ngày kênh Lê Xuân Đào 118 Bảng 3.17: Các phương án tối ưu đại diện 125 Bảng 3.18: Tương quan vận hành năm 2014 với phương án tối ưu đại diện 127 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ quan hệ lượng mưa- dòng chảy loại hạn Hình 2.1 Bản đồ khu vực nghiên cứu 50 Hình 2.2 Biểu đồ mưa trung bình tháng 51 Hình 2.3 Sơ đồ khu vực nghiên cứu 53 Hình 2.4 Cống Nam Đàn 57 Hình 2.5 Trạm bơm 12/9 58 Hình 2.6 Kênh Tiến Thắng 59 Hình 2.7 Biểu đồ Diễn biến mực nước thượng lưu cống Nam Đàn đo lần/ngày (Năm 2010) 64 Hình 2.8 Biểu đồ Diễn biến mực nước thượng lưu cống Nam Đàn trung bình tháng (Năm 2010) 65 Hình 2.9 Sơ đồ nội dung nghiên cứu cách tiếp cận 69 Hình 2.10 Sơ đồ lưu vực sông 74 Hình 2.11 Các cơng cụ Mike Basin 76 Hình 2.12 Các node lưu vực sông 78 Hình 2.13 Minh họa hạng nhanh khơng bị trội 81 Hình 2.14 Minh họa quy tụ nghiệm quanh nghiệm 82 Hình 2.15 Minh họa tính khoảng cách quy tụ cá thể i 82 Hình 2.16 Sơ đồ khung xây dựng giải pháp tối ưu 88 Hình 2.17 Sơ đồ thể thuật tốn NSGA II 91 Hình 3.1a Sơ đồ tính tốn cân nước lưu vực sơng Cả 102 Hình 3.1b Sơ đồ tính tốn cân nước lưu vực sơng Cả (tiếp) 103 Hình3.2 Sơ đồ tính tốn mơ hình Mike Basin lưu vực sơng Cả 104 Hình 3.3 Mặt cắt kênh 12/9 (đoạn 1) trạng mở rộng 109 Hình 3.4 Sơ đồ mạng lưới hệ thống kênh 112 Hình 3.5 Ma trận quan hệ mưa, mực nước kênh lượng nước cần tiêu 115 Hình 3.6 Ma trận quan hệ mưa, mực nước kênh mực nước cuối ngày kênh 117 Hình 3.7 Biểu đồ tổng lượng xả (m3/s) 119 Hình 3.8 Biểu đồ dung tích hệ thống (106m3) 120 Hình 3.9 Biểu đồ lượng bốc mặt thoáng kênh (106m3/ngày) 121 Hình 3.10 Biểu đồ dòng chảy vào mưa (m3/s) 121 Hình 3.11 Biểu đồ dòng chảy lấy vào (m3/s) 122 Hình 3.12 Kết nghiệm pareto 123 Hình 3.13 Các nghiệm điển hình 125 Hình 3.14 Tương quan nghiệm điển hình thực tế vận hành năm 2014127 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu DP Quy hoạch động ESO Tối ưu hóa ngẫu nhiên HTX Hợp tác xã ISO Tối ưu hóa ngẫu nhiên ẩn LP Quy hoạch tuyến tính NLP Quy hoạch phi tuyến NSGA II Thuật tốn di truyền xếp nghiệm khơng trội XNTL Xí nghiệp thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trước đây, nước coi nguồn tài ngun vơ tận Qua q 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 Trong sản xuất nông nghiệp, sử dụng hiệu tài nguyên nước trở thành chiến lược quan trọng, đặc biệt vùng khô hạn bán khô hạn.Trong năm gần đây, nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu phát triển kỹ thuật phân phối tài nguyên nước nhằm sử dụng nước cách có hiệu Nhiều kỹ thuật sử dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước, kỹ thuật thu trữ nước… Biến đổi khí hậu nhân tố gây ảnh hưởng lớn đến khả phân phối nước lưu vực.Biến đổi khí hậu gây thực trạng vào mùa khô, khí hậu trở nên khắc nghiệt hơn, nắng nóng thời gian kéo dài Trong đó, vào mùa mưa lại xảy lũ lụt thường xuyên hơn, tượng thừa nước diễn hầu hết tất lưu vực Việc thiếu nước vào mùa kiệt thừa nước vào mùa mưa thách thức lớn cho nhân loại nói chung cho ngành nơng nghiệp nói riêng Nhiều giải pháp khắc phục tượng nhà khoa học đưa áp dụng tương đối thành công.Trong đó, giải pháp tích trữ nước mùa mưa để sử dụng cho mùa khô hiệu 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 khô ... hán năm 1991, Inđônêsia xảy cháy 88.000 rừng Kalimanan lúc với tượng ENSO Rừng cháy tạo lớp khói dầy đặc bao phủ bầu trời đảo Kalimanan, sau lan tới Singapore 12 Malaysia tháng 9, 10 năm 1991... KIẾN NGHỊ 130 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 Danh mục tài liệu tiếng Việt 134 Danh mục tài liệu tiếng Anh 136 PHỤ LỤC... trình nghiên cứu vấn đề liên quan đến hạn hán.Năm 2007, báo cáo đánh giá lần thứ Tư (AR4) Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu (IPCC-Intergovernmental Panel on Climate Change) nhận định khu vực dễ bị