Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiếu ảnh hưởng của hạn hán tới sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sông cả

Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu vận hành trữ nước tưới, giảm thiểu ảnh hưởng hạn hán đến sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sông Cả.

• Tác giả: Nguyễn Quang An
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tùng Phong
• Trường học: Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Tối Ưu Vận Hành Trữ Nước Tưới Giảm Ảnh Hưởng Hạn Hán Đến Nông Nghiệp Vùng Hạ Du Sông Cả
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của luận án
• 0.2. Mục tiêu của luận án
• 0.3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu
• 0.6. Những đóng góp mới của luận án
• 0.7. Bố cục của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hạn hán và những tác động của hạn hán đối với nông nghiệp
• 1.1.1. Hạn hán và nguyên nhân
• 1.1.2. Những tác động của hạn hán đối với sản xuất nông nghiệp trên Thế giới
• 1.1.3. Những tác động của hạn hán đối với sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam
• 1.1.4. Tình hình hạn trong khu vực nghiên cứu
• 1.2. Các nghiên cứu và giải pháp chống hạn
• 1.3. Bài toán tối ưu
• 1.3.1. Tổng quan bài toán tối ưu
• 1.3.2. Các kỹ thuật tối ưu hóa
• 1.3.3. Ưu nhược điểm của các kỹ thuật tối ưu
• 1.3.4. Tổng quan ứng dụng tối ưu vận hành hệ thống tưới tiêu trên thế giới
• 1.3.5. Tổng quan ứng dụng tối ưu vận hành hệ thống tưới tiêu tại Việt Nam
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu
• 2.1.1. Sơ lược khu vực nghiên cứu
• 2.1.2. Hiện trạng phát triển nông nghiệp
• 2.1.3. Hiện trạng và ảnh hưởng của hạn hán
• 2.1.4. Một số nhận xét về khu vực nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu và cách tiếp cận
• 2.3. Phương pháp và công cụ nghiên cứu
• 2.3.1. Tính toán nhu cầu nước
• 2.3.2. Tính toán cân bằng nước
• 2.3.3. Tính toán thủy lực
• 2.3.4. Xây dựng bài toán vận hành tối ưu trên hệ thống
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Giải pháp thu trữ nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp trong mùa kiệt
• 3.1.1. Kết quả tính toán nhu cầu nước
• 3.1.2. Kết quả tính toán lượng nước thiếu hụt/cân bằng nước
• 3.1.3. Đề xuất phương án trữ nước cho mùa kiệt
• 3.2. Xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống 9 xã kênh Lê Xuân Đào để trữ nước cho vùng nghiên cứu
• 3.2.1. Mô hình tiêu
• 3.2.2. Tính toán các số liệu đầu vào
• 3.2.3. Mặt Pareto và giải pháp vận hành
• 3.2.4. Tính toán thử nghiệm cho năm điển hình
• 3.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• appendix.1. Danh mục tài liệu tiếng Việt
• appendix.2. Danh mục tài liệu tiếng Anh

Tóm tắt

I. Tối ưu vận hành và trữ nước tưới

Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu vận hành hệ thống trữ nước tưới nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán đến nông nghiệp vùng hạ du sông Cả. Phương pháp tiếp cận từ thực tiễn và hệ thống được áp dụng để xác định nguyên nhân, mức độ hạn hán và đề xuất giải pháp chống hạn. Quản lý nguồn nước và hệ thống tưới tiêu được phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả sử dụng nước.

1.1. Tối ưu hóa vận hành hệ thống

Nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa như thuật toán di truyền NSGA II để xây dựng hàm vận hành tối ưu. Mục tiêu là tối thiểu hóa lượng nước thiếu hụt và chi phí vận hành. Các mô hình toán học được áp dụng để tính toán nhu cầu nước, cân bằng nước và thủy lực hệ thống. Kết quả cho thấy việc tối ưu vận hành giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng nước trong mùa kiệt.

1.2. Trữ nước tưới và quản lý nguồn nước

Giải pháp trữ nước tưới được đề xuất nhằm thu trữ nước mùa mưa để sử dụng trong mùa khô. Nghiên cứu xác định lượng nước thiếu hụt và đề xuất phương án trữ nước hợp lý. Quản lý nguồn nước được thực hiện thông qua việc tính toán cân bằng nước và xây dựng kế hoạch vận hành tối ưu. Điều này giúp giảm thiểu tác động của hạn hán đến sản xuất nông nghiệp.

II. Giảm ảnh hưởng hạn hán đến nông nghiệp

Nghiên cứu phân tích tác động của hạn hán đến nông nghiệp vùng hạ du sông Cả. Các loại hạn như hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và hạn kinh tế xã hội được xem xét kỹ lưỡng. Biến đổi khí hậu được coi là yếu tố chính làm gia tăng tình trạng hạn hán. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp để giảm thiểu tác động này.

2.1. Tác động của hạn hán đến nông nghiệp

Hạn hán gây thiếu hụt nước nghiêm trọng, ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và đời sống người dân. Nghiên cứu chỉ ra rằng hạn nông nghiệp là loại hạn phổ biến nhất tại vùng hạ du sông Cả. Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ hạn hán, đòi hỏi các giải pháp quản lý nước hiệu quả hơn.

2.2. Giải pháp giảm thiểu hạn hán

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp như cải thiện hệ thống tưới tiêu, thay đổi cơ cấu cây trồng và tăng cường trữ nước tưới. Việc áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa trong quản lý nước giúp giảm thiểu tác động của hạn hán. Các giải pháp này có thể áp dụng cho các vùng có điều kiện tương tự.

III. Phát triển bền vững nông nghiệp vùng hạ du

Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của phát triển bền vững trong nông nghiệp vùng hạ du sông Cả. Quy hoạch tài nguyên nước và quản lý nguồn nước hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo an ninh lương thực và phát triển kinh tế. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp dài hạn để ứng phó với biến đổi khí hậu và hạn hán.

3.1. Quy hoạch tài nguyên nước

Nghiên cứu đề xuất quy hoạch tài nguyên nước dựa trên việc tính toán cân bằng nước và nhu cầu sử dụng nước. Các giải pháp như xây dựng hồ chứa, cải thiện hệ thống kênh mương và áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước được khuyến nghị. Điều này giúp đảm bảo nguồn nước ổn định cho sản xuất nông nghiệp.

3.2. Phát triển bền vững nông nghiệp

Nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết của phát triển bền vững trong nông nghiệp. Các giải pháp như đa dạng hóa cây trồng, áp dụng kỹ thuật canh tác tiên tiến và tăng cường quản lý nước được đề xuất. Biến đổi khí hậu đòi hỏi các giải pháp linh hoạt và bền vững để đảm bảo an ninh lương thực và phát triển kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Biến đổi khí hậu và sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước cho phát triển kinh tế - xã hội đã làm gia tăng tình trạng mất cân bằng nguồn nước giữa các mùa trong năm tại các lưu vực sông. Vào mùa mưa, lượng nước dư thừa thường gây ra ngập úng, trong khi vào mùa kiệt, dòng chảy suy giảm dẫn đến hạn hán nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp và đời sống dân sinh. Tại vùng hạ du sông Cả, đặc biệt là hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An, mực nước sông Cả trong mùa kiệt thường xuyên xuống thấp khiến công trình đầu mối là cống Nam Đàn không thể lấy nước tự chảy, dẫn đến thiếu hụt nguồn nước tưới nghiêm trọng. Phần lớn các nghiên cứu trước đây về sử dụng nước hiệu quả tại hạ lưu các con sông chủ yếu tập trung vào cải tiến kỹ thuật tưới, chuyển đổi cơ cấu cây trồng hoặc xây dựng các mô hình thu trữ nước quy mô nhỏ, phục vụ cục bộ cho các loại cây chịu hạn. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc thiếu vắng các nghiên cứu tổng thể về giải pháp thu trữ nước mùa mưa trên hệ thống kênh và xây dựng quy trình vận hành tối ưu theo thời gian thực nhằm cấp bù nước cho mùa kiệt, đồng thời giảm thiểu chi phí năng lượng bơm tiêu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

1. Xác định được nhu cầu và khả năng cấp nước của hệ thống tưới trong mùa kiệt và đề xuất giải pháp thu trữ nước hợp lý phục vụ sản xuất nông nghiệp.
2. Ứng dụng bài toán tối ưu xây dựng kế hoạch vận hành theo thời gian thực cho giải pháp được đề xuất bảo đảm cung cấp đủ nước tưới trong mùa kiệt, tiết kiệm chi phí trong vận hành hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

• Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp thu trữ nước trên hệ thống kênh và thuật toán vận hành tối ưu điều tiết nước theo thời gian thực.
• Phạm vi không gian: Vùng 9 xã thuộc tuyến kênh Lê Xuân Đào (bao gồm các xã Hưng Châu, Hưng Lợi, Hưng Phúc, Hưng Mỹ, Hưng Tiến, Hưng Tân, Hưng Thông, Hưng Đạo, Hưng Tây) thuộc huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An, nằm trong vùng hạ du sông Cả thuộc hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An.
• Phạm vi thời gian và mùa vụ: Tập trung vào các tháng mùa kiệt, mùa khô phục vụ sản xuất vụ Đông Xuân và vụ Hè Thu, sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy văn quan trắc nhiều năm và tính toán thử nghiệm chi tiết với số liệu thực tế năm điển hình 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu về hạn hán, các chỉ số đánh giá hạn, các giải pháp công trình và phi công trình chống hạn, cũng như lý thuyết và kỹ thuật tối ưu hóa trong quản lý tài nguyên nước.

Về phân loại và chỉ số hạn hán, tác giả điểm lại hệ thống phân loại của Trung tâm Giảm nhẹ hạn hán Quốc gia Hoa Kỳ thuộc Đại học Nebraska-Lincoln (phân loại thành hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp và hạn kinh tế - xã hội). Các chỉ số giám sát và cảnh báo hạn hán được tổng hợp bao gồm:

Nhóm chỉ số	Tên chỉ số	Tác giả, năm	Đặc điểm và phạm vi áp dụng
Hạn khí tượng	Tỷ chuẩn lượng mưa	—	Dễ tính toán, không sử dụng rộng rãi, phụ thuộc mùa vụ và địa phương.
Hạn khí tượng	Thập phân vị	Gibbs và Maher (1967)	Tính toán đơn giản dựa trên phân nhóm lượng mưa, áp dụng tại Úc.
Hạn khí tượng	Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (SPI)	McKee và cộng sự (1993)	Dựa vào xác suất lượng giáng thủy ở các quy mô thời gian khác nhau.
Hạn khí tượng / nông nghiệp	Chỉ số khắc nghiệt của hạn hán (PDSI)	Palmer (1965), Alley (1984)	Thuật toán cân bằng ẩm đất, sử dụng rộng rãi nhưng cấu trúc phức tạp.
Hạn nông nghiệp	Chỉ số ẩm cây trồng (CMI)	Palmer (1968)	Phản ánh nguồn ẩm đất ngắn hạn, không dùng cho hạn dài hạn.
Hạn nông nghiệp	Chỉ số phục hồi hạn hán (RDI)	Tsakiris (2007)	Dựa trên tỷ số giữa lượng giáng thủy và bốc thoát hơi tiềm năng (P/PET).
Hạn thủy văn	Chỉ số hạn thủy văn (PHDI)	Palmer (1965)	Tương tự PDSI nhưng yêu cầu tỷ số độ ẩm nhận được so với độ ẩm cần thiết bằng 1.
Hạn thủy văn	Chỉ số cung cấp nước mặt (SWSI)	Shafer và Dezman (1982)	Tích hợp lượng tuyết, dòng chảy và dung tích trữ trong hồ chứa theo từng lưu vực.

Về các giải pháp phòng chống hạn hán và thu trữ nước, luận án điểm lại các nghiên cứu:

• Dự báo hạn mùa bằng mô hình thống kê và mô hình động lực học hoàn lưu khí quyển - đại dương (AOGCM, RCM, hệ thống CFS của NCEP) qua các công trình của Stockdale (1998), Shukla (2000), Palmer và Mansfield (1986), Barnett (1988).
• Hướng dẫn quản lý hạn hán của Viện Quản lý Nước Quốc tế (IWMI) và Ủy ban Môi trường bang Texas (2004).
• Kỹ thuật thu trữ nước quốc tế: Israel (Ben Asher, 1988; Zohar và cộng sự); Ấn Độ và Sri Lanka với mô hình đập đất, mương đáy rộng của ICRISAT; Ai Cập với hệ thống bờ đắp đá và bể chứa; Kenya với dự án tại Turkana do Oxfam tài trợ (Critchley và cộng sự); Trung Đông và Bắc Phi (Mamdouh Nasr, 1999).
• Chế độ tưới tiết kiệm và tưới thiếu hụt định kỳ (RDI, CAPRI): McCarthy (1999) tưới hụt cho nho tại Úc; Kirda (2002) và Stewart phân tích quan hệ năng suất cây trồng khi tưới hụt; Schuck và cộng sự (2005) khảo sát tại Colorado (Hoa Kỳ).
• Ứng dụng phần mềm và tối ưu hóa hệ thống nước trong điều kiện hạn: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định CORDIS (2000) tại Địa Trung Hải; Tarek Merabtene và cộng sự (2002) đánh giá rủi ro cấp nước; Canon và cộng sự (2009) ứng dụng chỉ số tần suất hạn DFI trong điều hành liên hồ chứa.
• Tại Việt Nam: Kinh nghiệm xây dựng bờ bán nguyệt, bậc thang lông mày vùng đồi núi; bể xi măng đất và phủ bạt HDPE tại Ninh Thuận, Bình Thuận; tận dụng hệ thống kênh tiêu làm bể trữ nước tại Hoằng Hóa (Thanh Hóa) và hệ thống Bắc Nam Hà.

Về lý thuyết bài toán tối ưu và các kỹ thuật giải: Luận án trình bày quy trình 6 bước xây dựng và giải bài toán tối ưu của Edgar và Himmelblau (1988). Các kỹ thuật tối ưu hóa được tác giả tổng quan gồm: Quy hoạch tuyến tính (LP) phát triển từ Dantzig và Kantorovich; Quy hoạch phi tuyến (NLP); Quy hoạch động (DP); Thuật toán di truyền (GA) của Rechenberg (1960), John Holland (1975), John Koza (1992); Chiến lược tiến hóa (ES) của Rechenberg và Schwefel (1981); Thuật toán đàn kiến (Ant Algorithm) của Dorigo; Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) của Eberhart và Kennedy; Thuật toán luyện thép (Simulated Annealing).

Kỹ thuật tối ưu	Ưu điểm	Nhược điểm
Quy hoạch tuyến tính (LP)	Tìm được tối ưu toàn cục, tốc độ tính toán nhanh, giải được bài toán quy mô cực lớn.	Bắt buộc tất cả hàm mục tiêu và ràng buộc phải ở dạng tuyến tính.
Quy hoạch phi tuyến (NLP)	Mô tả chính xác các quan hệ phi tuyến, giải nhanh và chính xác nghiệm cục bộ.	Không đảm bảo tìm được tối ưu toàn cục; đòi hỏi hàm số liên tục, lồi, có đạo hàm.
Quy hoạch động (DP)	Tìm được tối ưu toàn cục, áp dụng được cho nhiều dạng quan hệ phức tạp.	Không gian biến cực lớn (bùng nổ số chiều); độ chính xác giảm do rời rạc hóa; tính toán chậm.
Kỹ thuật tìm kiếm Metaheuristic (GA, ES, Bầy đàn, Kiến...)	Xử lý được bài toán phi tuyến phức tạp, không gian tìm kiếm lớn, tích hợp được nhiều mô hình con.	Lời giải mang tính kinh nghiệm, không bảo đảm tìm được nghiệm tối ưu tuyệt đối toàn cục.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn: Tích hợp giải pháp nâng cao dung tích trữ nước trên mạng lưới kênh tiêu hiện hữu với thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu NSGA II để xây dựng hàm vận hành xả/tiêu theo thời gian thực, xử lý mâu thuẫn giữa tích trữ nước tưới trong mùa hạn và an toàn tiêu úng tại vùng hạ du sông Cả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Khái niệm về các loại hình hạn hán (khí tượng, nông nghiệp, thủy văn, kinh tế xã hội) theo tiếp cận của Trung tâm Giảm nhẹ hạn hán Quốc gia Hoa Kỳ.
• Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và khái niệm nghiệm không bị trội (Pareto optimality): Tìm tập hợp các giải pháp thỏa hiệp tối ưu giữa hai hàm mục tiêu xung đột gồm cực tiểu hóa tổng lượng nước thiếu hụt cho sản xuất nông nghiệp ($f_1 \to \min$) và cực tiểu hóa tổng lượng nước xả tiêu/chi phí bơm tiêu ($f_2 \to \min$).
• Khung tiếp cận nghiên cứu: Luận án áp dụng đồng thời ba cách tiếp cận: (1) Tiếp cận từ thực tiễn hiện trạng thiếu nước và khó khăn lấy nước của cống Nam Đàn; (2) Tiếp cận hệ thống liên kết các yếu tố khí tượng, thủy văn và công trình trên lưu vực sông Cả; (3) Tiếp cận từ dưới lên thông qua nhu cầu sử dụng nước thực tế từ mặt ruộng và nguyện vọng của người dân địa phương.

Phương pháp nghiên cứu cụ thể

1. Phương pháp khảo sát, thu thập và kế thừa số liệu: Thu thập tài liệu địa hình, mặt cắt kênh rạch, công trình đầu mối (cống Nam Đàn, trạm bơm Hưng Châu), tình hình canh tác nông nghiệp và số liệu hạn hán tại huyện Hưng Nguyên.
2. Phương pháp xác suất thống kê: Xử lý chuỗi số liệu mưa, bốc hơi, mực nước và lưu lượng; tính toán phân tích tần suất thiết kế cấp nước ($P = 75%$ và $P = 85%$).
3. Phương pháp mô hình toán:
   • Mô hình tính toán nhu cầu nước: Xác định nhu cầu nước cho các ngành trồng trọt (dựa trên hệ số sinh lý cây trồng $K_c$ theo từng giai đoạn phát triển và đặc trưng khí hậu trạm Vinh), chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và sinh hoạt.
   • Mô hình Mike Basin: Tính toán cân bằng nước tổng thể trên lưu vực sông Cả, mô phỏng mạng lưới sông ngòi, các nút nhu cầu và công trình khai thác nước để xác định lượng nước thiếu hụt trong các tháng mùa kiệt.
   • Mô hình thủy lực: Tính toán chế độ dòng chảy, mực nước và khả năng chuyển tải, trữ nước trên mạng lưới kênh chính (kênh Lê Xuân Đào, kênh 12/9, kênh Tiến Thắng...).
4. Phương pháp tối ưu hóa: Ứng dụng thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II do Deb đề xuất năm 2000), được lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để tìm các tham số của hàm vận hành thời gian thực.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

• Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu mưa, nhiệt độ, bốc hơi đo đạc tại trạm khí tượng Vinh.
• Dữ liệu thủy văn và công trình: Mực nước sông Lam đo tại thượng lưu cống Nam Đàn (đo 2 lần/ngày), thông số kỹ thuật cống Nam Đàn, trạm bơm Hưng Châu và các trục kênh tiêu trong vùng.
• Dữ liệu kinh tế - xã hội và nông nghiệp: Báo cáo diện tích canh tác, cơ cấu cây trồng, năng suất lúa, số liệu thiệt hại do hạn hán qua các năm của Sở Nông nghiệp và PTNT Nghệ An, Phòng Nông nghiệp huyện Hưng Nguyên và Công ty Thủy lợi Nam Nghệ An.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về hiện tượng hạn hán, nguyên nhân, các chỉ số đánh giá hạn hán và tác động của hạn hán đến nông nghiệp trên thế giới, tại Việt Nam và tại khu vực nghiên cứu. Đồng thời, chương này tổng kết các giải pháp chống hạn và cơ sở lý thuyết của các kỹ thuật tối ưu hóa trong quản lý tài nguyên nước.

Về diễn biến hạn hán tại khu vực nghiên cứu, huyện Hưng Nguyên là vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề của hạn hán vào mùa khô kết hợp tác động của gió mùa Tây Nam (gió Lào), đặc biệt nghiêm trọng vào các năm 1983, 1987, 1988, 1990, 1992, 1993, 1998, 2003, 2004 và 2010. Vụ Hè Thu năm 2010, toàn huyện gieo cấy 5.540 ha lúa thì có 3.900 ha bị hạn, trong đó 2.800 ha bị khô cháy trên ruộng. Hạn hán làm hơn 3.500 ha lúa giảm năng suất trên 50%.

Năm	Diện tích hạn trung bình (ha)	Diện tích hạn nặng (ha)	Mùa vụ	Địa phương bị hạn
2008	1.200	420	Đông Xuân, Hè Thu	Hưng Yên, Hưng Thông, Hưng Tiến, Hưng Trung, Hưng Tây
2009	282	808	Hè Thu	Hưng Tân, Hưng Tiến, Hưng Trung, Hưng Xá, Hưng Đạo, Hưng Phúc...
2010	1.100	2.800	Đông Xuân, Hè Thu	Hưng Châu, Hưng Lợi, Hưng Nguyên, Hưng Phúc, Hưng Mỹ, Hưng Tiến, Hưng Tân

Hạn hán làm xáo trộn thời vụ gieo trồng (buộc địa phương phải đẩy sớm lịch thời vụ từ 5 đến 10 ngày tùy loại chân đất trũng hoặc vàn), thu hẹp diện tích gieo cấy và làm tăng chi phí sản xuất. Năm 2012, Công ty Thủy lợi Nam Nghệ An ghi nhận lượng điện tiêu thụ phục vụ bơm chống hạn vượt trên 1.000.000 kWh (tương đương 2,5 tỷ đồng), cùng chi phí mua máy bơm dầu và dầu chống hạn là 2,5 tỷ đồng.

Cuối chương 1, tác giả phân tích chi tiết cơ sở toán học của các phương pháp tối ưu hóa (LP, NLP, DP, Metaheuristic) và khẳng định tính phù hợp của việc áp dụng thuật toán di truyền đa mục tiêu trong bài toán điều tiết trữ nước trên hệ thống kênh.

Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 tập trung giới thiệu chi tiết về khu vực nghiên cứu điển hình, thiết lập quy trình tính toán nhu cầu nước, cân bằng nước lưu vực và xây dựng cấu trúc toán học của bài toán tối ưu vận hành thời gian thực.

Vùng 9 xã kênh Lê Xuân Đào thuộc huyện Hưng Nguyên có nền kinh tế phụ thuộc chủ yếu vào sản xuất nông nghiệp. Nguồn nước cấp từ sông Lam qua cống Nam Đàn thường xuyên bị suy giảm vào các tháng mùa kiệt do mực nước sông xuống thấp dưới cao trình thiết kế lấy nước. Luận án thiết lập phương pháp tính toán nhu cầu nước theo các khối đối tượng:

• Nhu cầu nước tưới nông nghiệp: Tính toán theo chu kỳ sinh trưởng của cây trồng kết hợp hệ số $K_c$ theo từng giai đoạn và lượng bốc thoát hơi tiềm năng tại trạm Vinh.
• Nhu cầu nước chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và sinh hoạt: Xác định theo định mức và tiêu chuẩn cấp nước hiện hành cho lưu vực sông Cả.

Mô hình cân bằng nước Mike Basin được thiết lập cho toàn bộ lưu vực sông Cả với hệ thống các nút (nodes) lưu vực, công trình khai thác và các nhánh sông chính nhằm mô phỏng dòng chảy đến và xác định cán cân cung - cầu nước trong mùa kiệt.

Về bài toán tối ưu vận hành:

• Thiết lập mô hình tiêu và quan hệ thủy lực trên hệ thống kênh chính (kênh Lê Xuân Đào, kênh 12/9...).
• Xây dựng thuật toán NSGA II trên phần mềm Matlab: Cấu trúc thuật toán gồm khởi tạo quần thể ngẫu nhiên các cá thể (bộ tham số hàm vận hành), đánh giá mức độ thích nghi thông qua việc tính toán hai hàm mục tiêu (tổng lượng nước thiếu hụt và tổng lượng nước tiêu), sắp xếp không bị trội (non-dominated sorting), tính khoảng cách quy tụ (crowding distance), thực hiện các toán tử lai ghép (crossover) và đột biến (mutation) qua các thế hệ để hội tụ về mặt Pareto.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán nhu cầu nước, cân bằng nước, đề xuất giải pháp công trình trữ nước và kết quả mô phỏng bài toán vận hành tối ưu thời gian thực cho hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào.

1. Kết quả cân bằng nước và thiếu hụt nguồn nước: Tính toán cân bằng nước với hai cấp tần suất thiết kế $P = 75%$ và $P = 85%$ cho thấy vùng Nam Hưng Nghi (trong đó có vùng 9 xã kênh Lê Xuân Đào) bị thiếu hụt nguồn nước nghiêm trọng trong các tháng mùa kiệt (đặc biệt từ tháng 3 đến tháng 6), khẳng định sự cần thiết phải có giải pháp trữ nước bổ sung.

2. Đề xuất phương án trữ nước mùa kiệt: Luận án đề xuất giải pháp cải tạo, nạo vét mở rộng tiết diện các trục kênh hiện hữu (kênh 12/9, kênh Lê Xuân Đào, kênh Tiến Thắng...) để biến hệ thống kênh tiêu thành các bể chứa nước hở tích trữ nước mưa và nước lấy bổ sung khi mực nước sông Cả dâng cao, phục vụ cấp nước tưới tự chảy hoặc giảm chiều cao cột bơm trong mùa kiệt. Kích thước mặt cắt kênh hiện tại và mặt cắt đề xuất mở rộng được tính toán cụ thể nhằm đảm bảo dung tích trữ yêu cầu nhưng không cản trở khả năng thoát lũ.

3. Xây dựng hàm vận hành thời gian thực và mô hình tiêu: Thiết lập ma trận và biểu đồ quan hệ giữa ba đại lượng: lượng mưa dự báo/thực tế ($P$), mực nước hiện tại trên kênh ($Z$) và lượng nước cần xả/tiêu ($Q_{tieu}$) cũng như mực nước cuối ngày trên kênh.

4. Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu và mặt Pareto: Mô hình NSGA II trên Matlab đã xác lập được tập nghiệm không bị trội (mặt Pareto) thể hiện sự đánh đổi rõ ràng giữa hai mục tiêu: khi giảm lượng nước thiếu hụt cho tưới thì tổng lượng xả tiêu tăng lên (và ngược lại). Từ mặt Pareto, luận án trích xuất các phương án tối ưu đại diện tương ứng với các mức độ ưu tiên vận hành khác nhau.

5. Tính toán thử nghiệm cho năm điển hình 2014: Mô hình được chạy thử nghiệm với chuỗi số liệu thực tế năm 2014. Kết quả so sánh tương quan giữa vận hành thực tế năm 2014 với các phương án tối ưu đại diện cho thấy: việc áp dụng hàm vận hành tối ưu giúp hệ thống chủ động trữ được lượng nước mưa trên kênh, giảm đáng kể lượng nước tưới thiếu hụt trong các đợt hạn tháng 5 và tháng 6, đồng thời cắt giảm tổng lượng nước phải bơm tiêu không cần thiết, tiết kiệm điện năng vận hành so với quy trình vận hành thủ công trước đây.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

1. Xây dựng được phương pháp luận và bài toán tối ưu hỗ trợ ra quyết định vận hành trữ nước tưới trong mùa kiệt trên hệ thống kênh tưới tiêu kết hợp.
2. Ứng dụng thành công thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Deb, 2000) được lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu có sự xung đột giữa hai chỉ tiêu: giảm thiểu lượng nước thiếu hụt cho nông nghiệp và giảm thiểu tổng lượng nước xả tiêu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Đề xuất được giải pháp công trình cải tạo, nâng cao dung tích trữ nước trên hệ thống kênh trục vùng 9 xã thuộc kênh Lê Xuân Đào (huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An).
2. Xây dựng được hàm vận hành và kế hoạch điều tiết nước thời gian thực cho hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào trong mùa kiệt, giúp các đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi chủ động cấp nước chống hạn và tiết kiệm chi phí bơm tiêu điện lực.
3. Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tính toán có thể tham khảo, chuyển giao áp dụng cho các hệ thống thủy lợi có điều kiện tự nhiên và công trình tương tự ở vùng đồng bằng ven biển Bắc Trung Bộ.

Kiến nghị của luận án

• Đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi (Công ty Thủy lợi Nam Nghệ An) cần áp dụng hàm vận hành tối ưu kết hợp nâng cấp hệ thống quan trắc mực nước và lượng mưa tự động để nâng cao độ chính xác điều hành thời gian thực.
• Cần tiếp tục đầu tư kinh phí nạo vét, mở rộng mặt cắt các trục kênh trữ nước chính theo phương án thiết kế đã được tính toán trong luận án.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Luận án tập trung tính toán thử nghiệm chi tiết trên phạm vi không gian vùng 9 xã tuyến kênh Lê Xuân Đào thuộc huyện Hưng Nguyên; các thông số đầu vào của mô hình thời gian thực vẫn phụ thuộc vào chất lượng số liệu dự báo mưa và quan trắc mực nước thủ công tại địa phương.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng phạm vi không gian bài toán tối ưu vận hành trữ nước cho toàn bộ hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An và các tiểu lưu vực lân cận thuộc hạ du sông Cả.
  • Tích hợp mô hình dự báo khí tượng hạn ngắn và hạn vừa theo thời gian thực vào phần mềm điều hành để tự động hóa hoàn toàn quy trình ra quyết định đóng/mở cống và vận hành trạm bơm.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Kỹ thuật công trình thủy lợi và Quản lý hệ sinh thái nông nghiệp.
• Cán bộ kỹ thuật và lãnh đạo tại các Công ty Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi, Chi cục Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh miền Trung.
• Các cơ quan quy hoạch tài nguyên nước và phòng chống thiên tai.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng trực tiếp gồm:

• Quy trình tích hợp mô hình cân bằng nước Mike Basin với thuật toán di truyền đa mục tiêu NSGA II lập trình trên Matlab.
• Phương pháp xây dựng ma trận quan hệ giữa mưa, mực nước kênh và lượng tiêu phục vụ điều hành cống thời gian thực.
• Giải pháp kỹ thuật cải tạo kênh tiêu thành hệ thống kênh trữ nước mùa kiệt phục vụ sản xuất nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống thủy lợi nghiên cứu điển hình trong luận án là hệ thống nào và lấy nguồn nước chính từ đâu?
Nghiên cứu điển hình được thực hiện tại hệ thống thủy lợi kênh Lê Xuân Đào phục vụ tưới tiêu cho vùng 9 xã phía Đông Nam huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An. Nguồn nước chính của hệ thống được tiếp nhận từ sông Lam (sông Cả) qua công trình đầu mối là cống Nam Đàn và trạm bơm Hưng Châu.

2. Thuật toán tối ưu hóa nào được tác giả lựa chọn để giải quyết bài toán vận hành hệ thống kênh?
Tác giả sử dụng thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) do Kalyanmoy Deb đề xuất năm 2000, được lập trình và cài đặt trên nền tảng ngôn ngữ Matlab.

3. Hai mục tiêu xung đột trong hàm mục tiêu của bài toán tối ưu vận hành là gì?
Hai mục tiêu được tối ưu hóa đồng thời gồm: (1) Cực tiểu hóa tổng lượng nước thiếu hụt cấp cho sản xuất nông nghiệp trong mùa kiệt ($f_1 \to \min$); và (2) Cực tiểu hóa tổng lượng nước xả tiêu nhằm giảm thiểu chi phí năng lượng bơm tiêu ($f_2 \to \min$).

4. Mức độ thiệt hại do đợt hạn hán năm 2010 gây ra đối với huyện Hưng Nguyên được ghi nhận trong luận án như thế nào?
Trong vụ Hè Thu năm 2010, toàn huyện Hưng Nguyên gieo cấy được 5.540 ha lúa thì có tới 3.900 ha bị hạn, trong đó 2.800 ha gần như bị khô cháy hoàn toàn trên ruộng. Đợt hạn hán này đã làm hơn 3.500 ha lúa bị giảm trên 50% năng suất.

5. Luận án sử dụng mô hình nào để tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông Cả?
Luận án sử dụng phần mềm mô hình Mike Basin để thiết lập sơ đồ cân bằng nước trên toàn bộ lưu vực sông Cả, tính toán phân bổ nguồn nước và xác định lượng nước thiếu hụt theo các tần suất thiết kế $P = 75%$ và $P = 85%$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Quang An đã giải quyết bài toán cấp nước tưới mùa kiệt cho vùng hạ du sông Cả thông qua giải pháp thu trữ nước trên mạng lưới kênh tiêu hiện có kết hợp thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu NSGA II. Công trình đã lượng hóa được mức độ thiếu hụt nguồn nước của hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào, đề xuất quy mô mở rộng tiết diện trữ nước của các trục kênh chính và xây dựng thành công hàm vận hành điều tiết nước theo thời gian thực trên phần mềm Matlab. Kết quả thử nghiệm trên chuỗi số liệu thực tế năm 2014 khẳng định tính hiệu quả của phương án vận hành trong việc giảm thiểu lượng nước tưới thiếu hụt và tiết kiệm chi phí bơm tiêu, đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn cho công tác quản lý tài nguyên nước tại các hệ thống thủy lợi tương tự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I.1 Hạn hán và những tác động của hạn hán đối với nông nghiệp 1.1 Hạn hán và nguyên nhân Hạn hán là một hiện tượng phổ biến tại hầu hết các vùng địa lý trên trái đất, là dạng thiên tai phức tạp và có ảnh hưởng đến nhiều người nhất. Theo Trung tâm quản lý hạn Châu Âu (European Drought Centre), hạn là hiện tượng khí hậu xảy ra khi lượng nước sẵn có trong tự nhiên thấp dưới mức trung bình trong một thời gian dài. Hạn hán tác động tới tất cả các thành phần của chu trình thủy văn, từ hiện tượng làm giảm lượng mưa dẫn đến giảm độ ẩm trong đất, giảm lượng nước bổ cập và trữ lượng nước dưới đất, và hệ quả là giảm lưu lượng hoặc làm khô cạn sông suối. Hạn hán không chỉ ảnh hưởng về các mặt kinh tế, xã hội mà còn tác động rất lớn đến môi trường.

Khi hạn hán xảy ra, nông nghiệp là ngành chịu ảnh hưởng trước tiên do đặc trưng của ngành sản xuất này phụ thuộc rất lớn vào nguồn nước. Các nhà nghiên cứu của Trung tâm Giảm nhẹ hạn hán Quốc gia thuộc trường đại học Lebrasca-Licoln – Mỹ đã phân hạn hán thành 4 loại: hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp, và hạn kinh tế xã hội [32]. Trong các loại hạn này, hạn khí tượng là hiện tượng tự nhiên có nguyên nhân trực tiếp từ khí hậu và biến đổi theo vùng. Trong khi đó, hạn nông nghiệp, thủy văn, và kinh tế xã hội tập trung nhiều hơn vào các khía cạnh xã hội, chúng thể hiện mối tương tác giữa các tính chất tự nhiên của hạn thủy văn và các hoạt động của con người.

Hạn hán là hiện tượng hết sức phức tạp mà sự hình thành là do cả hai nguyên nhân: tự nhiên và con người. Các yếu tố tự nhiên gây hạn như sự dao động của các dạng hoàn lưu khí quyển ở phạm vi rộng và các vùng xoáy nghịch, hoặc các hệ thống áp cao, sự BĐKH, sự thay đổi nhiệt độ mặt nước biển như El Nino và các nguyên nhân do con người như nhu cầu nước ngày càng gia tăng, phá rừng, ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới nguồn nước, quản lý đất và nước kém bền vững, gây hiệu ứng nhà kính. Quá trình phát sinh và diễn biến hạn hán được trình bày theo hình 1.1, hình này mô tả sơ đồ quá trình phát sinh và diễn biến hạn hán. Theo đó hạn khí tượng 6 xảy ra trước tiên do không mưa hoặc ít mưa trong thời gian đủ dài, đồng thời những yếu tố khí tượng đi kèm với sự thiếu hụt mưa gây bốc thoát hơi nước gia tăng.

Sự thiếu hụt mưa và gia tăng bốc hơi sẽ dẫn đến sự suy giảm/suy kiệt độ ẩm đất – hạn đất và hạn nông nghiệp ở vùng không được tưới sẽ xảy ra. Sự suy kiệt độ ẩm đất cũng đồng thời dẫn đến sự suy giảm bổ cập nước ngầm làm giảm lưu lượng và hạ thấp mực nước ngầm. Sự suy giảm đồng thời cả dòng mặt và dòng ngầm dẫn đến hạn thủy văn. Dao động khí hậu tự nhiên Không mưa/ít mưa Nhiệt độ, tốc độ gió, bức xạ mặt trời cao, độ ẩm thấp.

Thiếu hụt mưa Tăng lượng bốc thoát hơi nước Hạn khí tượng Thiếu hụt độ ẩm đất Cây thiếu nước, bị giảm sinh khối và sản lượng Hạn nông nghiệp Giảm dòng chảy mặt, lượng Giảm dòng chảy sông suối, nước thấm tạo nguồn nước dòng chảy vào ao, hồ, vùng ngầm đất ngập Hạn thủy văn Hình 1.1: Sơ đồ quan hệ lượng mưa- dòng chảy và các loại hạn 7 Có thể định nghĩa các loại hạn như sau:  Hạn khí tượng: Thiếu hụt nước trong cán cân lượng mưa – lượng bốc hơi, nhất là trong trường hợp liên tục không mưa.