Luận án tiến sĩ 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 sông cả nghiên cứu điển hình tại hệ thống thủy lợi lê xuân đào

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 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 sông Cả - Nghiên cứu điển hình tại hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào
• 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. Nghiên cứu và tối ưu vận hành trữ nước tưới

Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng bài toán tối ưu vận hành trữ nước tưới nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán đến sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sông Cả. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp toán học và mô hình hóa để tối ưu hóa việc quản lý nguồn nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Tối ưu vận hành được thực hiện thông qua việc xác định nhu cầu nước, tính toán cân bằng nước, và xây dựng các kế hoạch vận hành thời gian thực. Trữ nước tưới là giải pháp chính để đảm bảo nguồn nước cho mùa khô, giảm thiểu tác động của hạn hán.

1.1. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thu thập và phân tích dữ liệu khí tượng, thủy văn, và nhu cầu nước cho nông nghiệp. Nghiên cứu sử dụng các mô hình toán học như Mike Basin để tính toán cân bằng nước và xác định lượng nước thiếu hụt. Tối ưu vận hành được thực hiện thông qua thuật toán di truyền NSGA II, giúp tìm ra các giải pháp tối ưu cho việc vận hành hệ thống tưới. Trữ nước tưới được đề xuất dựa trên kết quả tính toán và phân tích, nhằm đảm bảo nguồn nước ổn định cho sản xuất nông nghiệp.

1.2. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc tối ưu vận hành hệ thống tưới có thể giảm thiểu đáng kể tác động của hạn hán. Trữ nước tưới trong mùa mưa và sử dụng hiệu quả trong mùa khô giúp đảm bảo nguồn nước cho nông nghiệp. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp cụ thể như mở rộng kênh tưới và cải thiện hệ thống quản lý nước. Những giải pháp này có thể áp dụng cho các vùng có điều kiện tương tự, góp phần phát triển bền vững nông nghiệp.

II. Giảm thiểu hạn hán và phát triển nông nghiệp

Giảm thiểu hạn hán là mục tiêu chính của nghiên cứu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Nông nghiệp vùng hạ du sông Cả chịu ảnh hưởng nặng nề bởi hạn hán, dẫn đến giảm năng suất và thiệt hại kinh tế. Vùng hạ du sông Cả được lựa chọn làm khu vực nghiên cứu điển hình do tình trạng hạn hán nghiêm trọng và nhu cầu cấp thiết về giải pháp quản lý nước. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp tổng thể để cải thiện hệ thống tưới tiêu và quản lý nguồn nước hiệu quả.

2.1. Tác động của hạn hán

Hạn hán gây ra nhiều tác động tiêu cực đến nông nghiệp, bao gồm giảm năng suất cây trồng, thiếu nước tưới, và tăng chi phí sản xuất. Vùng hạ du sông Cả thường xuyên đối mặt với tình trạng thiếu nước vào mùa khô, ảnh hưởng đến sinh kế của người dân. Giảm thiểu hạn hán thông qua việc trữ nước và tối ưu hóa hệ thống tưới là giải pháp quan trọng để đảm bảo sản xuất nông nghiệp bền vững.

2.2. Giải pháp phát triển bền vững

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp phát triển bền vững như cải thiện hệ thống tưới tiêu, thay đổi cơ cấu cây trồng, và nâng cao hiệu quả sử dụng nước. Nông nghiệp vùng hạ du sông Cả cần được hỗ trợ bởi các chính sách quản lý nguồn nước hiệu quả và đầu tư vào cơ sở hạ tầng thủy lợi. Giảm thiểu hạn hán không chỉ giúp ổn định sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nguồn tài nguyên nước.

III. Quản lý nước và bảo vệ môi trường

Quản lý nước là yếu tố then chốt trong việc đảm bảo nguồn nước cho nông nghiệp và các hoạt động kinh tế khác. Bảo vệ môi trường được tích hợp vào các giải pháp quản lý nước nhằm đảm bảo sự bền vững của nguồn tài nguyên. Sông Cả là nguồn nước chính cho vùng hạ du, do đó việc quản lý và bảo vệ nguồn nước này là ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu đề xuất các biện pháp quản lý nước hiệu quả, bao gồm cả việc sử dụng công nghệ hiện đại và nâng cao nhận thức cộng đồng.

3.1. Quy hoạch nông nghiệp

Quy hoạch nông nghiệp cần được thực hiện dựa trên nhu cầu nước và khả năng cung cấp của hệ thống tưới. Quản lý nước hiệu quả giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nước, giảm thiểu lãng phí và đảm bảo năng suất cây trồng. Sông Cả cần được quản lý chặt chẽ để đảm bảo nguồn nước ổn định cho các hoạt động nông nghiệp và sinh hoạt.

3.2. Bảo vệ môi trường

Bảo vệ môi trường là một phần không thể thiếu trong các giải pháp quản lý nước. Quản lý nước cần được thực hiện theo hướng bền vững, đảm bảo sự cân bằng giữa nhu cầu sử dụng và bảo vệ nguồn tài nguyên. Sông Cả cần được bảo vệ khỏi các tác động tiêu cực như ô nhiễm và khai thác quá mức, nhằm duy trì nguồn nước sạch và ổn định cho tương lai.

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. Ở đây lượng mưa tiêu biểu cho phần thu và lượng bốc hơi tiêu biểu cho phần chi của cán cân nước. Do lượng bốc hơi đồng biến với cường độ bức xạ, nhiệt độ, tốc độ gió và nghịch biến với độ ẩm nên hạn hán gia tăng khi nắng nhiều, nhiệt cao, gió mạnh, thời tiết khô ráo.  Hạn nông nghiệp: Thiếu hụt mưa dẫn tới mất cân bằng giữa hàm lượng nước thực tế trong đất và nhu cầu nước của cây trồng.Hạn nông nghiệp thực chất là hạn sinh lý được xác định bởi điều kiện nước thích nghi hoặc không thích nghi của cây trồng, hệ canh tác nông nghiệp, thảm thực vật tự nhiên… Ngoài lượng mưa ra, hạn nông nghiệp liên quan với nhiều điều kiện tự nhiên (địa hình, đất,…) và điều kiện xã hội (tưới, chế độ canh tác…)  Hạn thủy văn: Dòng chảy sông suối thấp hơn trung bình nhiều năm rõ rệt và mực nước trong các tầng chứa nước dưới đất bị hạ thấp.Ngoài lượng mưa ra, hạn thủy văn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác: dòng chảy mặt, nước ngầm tầng nông, nước ngầm tầng sâu…  Hạn kinh tế xã hội: Nước không đủ cung cấp cho nhu cầu của các hoạt động kinh tế - xã hội.

Mức hạn có thể được phân theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên về cơ bản là dựa trên số liệu thống kê nhiều năm của lượng mưa vào các năm hạn. Các yếu tố cơ bản để phân loại tình trạng hạn hán bao gồm:  Lượng mưa (tháng, mùa).  Mực nước ngầm.  Mực nước/dung tích hồ chứa.

 Mực nước, lưu lượng trên sông suối. Để việc giám sát hạn hán có hiệu quả hơn và dự báo các tình trạng hạn hán sát với diễn biến hạn hán thực tế cần tính toán và phân tích thêm các chỉ số hạn. Hiện nay, ở trên thế giới có rất nhiều chỉ số hạn khác nhau được sử dụng để phân loại, dự báo, cảnh báo mức độ hạn hán. Các chỉ số này đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng, cần tùy vào điều kiện thực tế để áp dụng, một số chỉ số sử dụng phổ biến được thống kê theo bảng 1.1 Tổng hợp các chỉ số hạn hán Chỉ số Mô tả và sử du ̣ng Điể m ma ̣nh Điể m yế u Các chỉ số ha ̣n khí tượng Tỷ chuẩn Dễ tính toán Đươc̣ Có hiê ̣u quả trong viê ̣c Lươṇ g mưa không sử du ̣ng rô ̣ng rãi so sánh vùng riêng lẻ có phân bố chuẩ n.

Lượng mưa hoă ̣c mùa Các giá tri ̣phu ̣ và tích lũy thuô ̣c vào tính điạ Chênh lê ̣ch phương và mùa lượng mưa Thập phân vi ̣ Dễ tính toán bằ ng Lươṇ g hóa thố ng kê Để tính toán chính cách lâ ̣p nhóm chính xác, tính toán xác cầ n có chuỗi số Gibbs và lươṇ g mưa thành đơn giản. Ta ̣o ra sự liê ̣u khí hâ ̣u nhiề u Maher [33] các thâ ̣p phân vi. đồ ng nhấ t trong phân năm Đươc̣ hê ̣ thổ ng theo loa ̣i ha ̣n hán dõi ha ̣n hán ở Úc áp du ̣ng Chỉ số chuẩn Dựa vào xác suấ t Tính toán cho các Các giá tri ̣có thể hóa lượng lươṇ g giáng thủy ở pha ̣m vi thời gian khác thay đổ i Chỉ sử mưa (SPI), các pha ̣m vi thời nhau; đưa ra cảnh báo du ̣ng đế n tham số McKee et al. gian bấ t kỳ.

Đươc̣ sớm ha ̣n hán và hỗ trơ ̣ giáng thủy. [42] nhiề u nhà kế hoa ̣ch cho viê ̣c ước lươṇ g sử du ̣ng mức đô ̣ khắ c nghiê ̣t của ha ̣n hán. Chỉ số khắ c Thuâ ̣t toán đô ̣ ẩ m Là chỉ số ha ̣n ha ̣n tổ ng Chỉ số PDSI có thể nghiê ̣t của đấ t đươc̣ hiê ̣u chỉnh quát đầ u tiên; đươc̣ sử làm trễ sự khẩ n cấ p hạn hán cho những khu vực du ̣ng rô ̣ng raĩ. Rấ t hiê ̣u của ha ̣n.

Kém phù (PDSI), tương đố i đồ ng quả đố i với ha ̣n nông hơp̣ đố i với các Palmer [51] nhấ t. Đươc̣ sử du ̣ng nghiê ̣p vì có kèm theo vùng núi thường ở Mỹ cho các đô ̣ ẩ m đấ t. xuyên xảy ra các Alley [61] chương trình báo cực tri ̣khí hâ ̣u. đô ̣ng giảm thiể u Phức ta ̣p.

Các cấ p 9 Chỉ số Mô tả và sử du ̣ng Điể m ma ̣nh Điể m yế u ha ̣n hán và các kế ha ̣n không đồ ng hoa ̣ch đô ̣t xuấ t. nhấ t với mức cầ n thiế t, dưới da ̣ng xác suấ t xảy ra, cả không gian và thời gian. Các chỉ số ha ̣n nông nghiêp̣ Chỉ số ẩm cây Là sản phẩ m rút ra Xác đinh ̣ đươc̣ khả Không phải là công trồ ng (CMI) từ chỉ số PDSI. năng xảy ra ha ̣n nông cu ̣ tố t để giám sát Phản ánh đươc̣ nghiê ̣p.

ha ̣n hán dài ha ̣n. Palmer [50] nguồ n ẩ m trong đấ t ở thời đoa ̣n ngắ n. Chỉ số phục Tương tự như SPI. Ha ̣n hán dựa vào cả Cầ n số liê ̣u để tính hồ i hạn hán Biế n số chủ yế u là giáng thủy lẫn bố c PET.

(RDI) P/PET thoát hơi tiề m năng. Phù hơp̣ với các kicḥ Tsakiris [60] bản biế n đổ i khí hâ ̣u. Các chỉ số ha ̣n thủy văn Chỉ số hạn Cũng giố ng như Cũng giố ng như PDSI Cũng giố ng như thủy văn PDSI nhưng đòi PDSI Palmer hỏi nhiề u tham số (PHDI), hơn để xem xét Palmer [51] ha ̣n. Ha ̣n chỉ kế t thúc khi tỷ số Pe (đô ̣ ẩ m nhâ ̣n đươc̣ so với đô ̣ ẩ m cầ n thiế t) là 1.

10 Chỉ số Mô tả và sử du ̣ng Điể m ma ̣nh Điể m yế u Chỉ số cung Da ̣ng mở rô ̣ng của Thể hiê ̣n các điề u kiê ̣n Viê ̣c quản lý phu ̣ cấ p nước mặt chỉ số Palmer có nguồ n nước mă ̣t và thuô ̣c thố ng nhấ t (SWSI) Shafer tính đế n lươṇ g quản lý nước. Tính với từng lưu vực, và Dezman tuyế t trên núi. Kế t hơp̣ ha ̣n chế viê ̣c so sánh [54] đươc̣ các đă ̣c điể m giữa các vùng nằ m thủy văn và khí hâ ̣u. Có xem xét lươṇ g Không thể hiê ̣n tố t nước tích trữ trong hồ.

các đơṭ ha ̣n khắc nghiê ̣t. Việc nghiên cứu áp dụng một chỉ số hạn nào đó còn phụ thuộc vào cơ sở dữ liệu quan trắc sẵn có.Một chỉ số hạn dù được đánh giá là tốt nhưng cũng không khả dụng nếu thiếu số liệu quan trắc cần thiết. Chỉ số Palmer, một chỉ số tổng hợp được áp dụng rất thành công ở Mỹ, cho đến nay vẫn không thể áp dụng rộng rãi cho nhiều vùng khác trên thế giới cũng chính bởi lý do thiếu dữ liệu quan trắc.