Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với 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" (trang bìa phụ ghi: "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 sông Cả - Nghiên cứu điển hình tại hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào") được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Quang An, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Tùng Phong và PGS. Trần Chí Trung. Luận án được bảo vệ năm 2018 tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam thuộc chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, mã số 9 58 02 12.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, tác giả trình bày thực trạng nguồn tài nguyên nước trước đây từng được coi là vô tận, nhưng sự gia tăng dân số, phát triển kinh tế - xã hội cùng tác động của biến đổi khí hậu đã dẫn đến nguy cơ thiếu hụt nghiêm trọng. Vào mùa khô, thời tiết trở nên khắc nghiệt, hạn hán kéo dài; trong khi mùa mưa thường xuyên xuất hiện lũ lụt và thừa nước tại hầu hết các lưu vực. Trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp, các nghiên cứu trước đây tại khu vực 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 cho các loại cây chịu hạn. Luận án xác định khoảng trống nghiên cứu là chưa có công trình tập trung nghiên cứu khả năng thu trữ nước mùa mưa ngay trong hệ thống và thiết lập quy trình vận hành tối ưu theo thời gian thực nhằm tích trữ đủ lượng nước mưa cấp bù cho sản xuất nông nghiệp mùa khô kết hợp giảm thiểu chi phí bơm tiêu úng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 mục tiêu cụ thể:

  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.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp công trình thu trữ nước và thuật toán vận hành tối ưu điều tiết nước theo thời gian thực.
  • Phạm vi nghiên cứu: Không gian tập trung tại vùng 9 xã thuộc kênh Lê Xuân Đào, huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An thuộc hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An ở hạ du sông Cả. Về thời gian, luận án tập trung vào các tháng mùa kiệt, chuỗi số liệu khí tượng thủy văn nhiều năm và thử nghiệm tính toán kiểm chứng trên chuỗi số liệu thực tế năm 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo các nhóm nội dung:

Thứ nhất, về phân loại hạn và chỉ số hạn hán: Tác giả dẫn định nghĩa của Trung tâm Quản lý Hạn Châu Âu (European Drought Centre) và phân loại 4 dạng hạn (hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thủy văn, hạn kinh tế - xã hội) từ Trung tâm Giảm nhẹ Hạn hán Quốc gia thuộc Đại học Nebraska-Lincoln. Các chỉ số hạn hán được điểm lại gồm: Tỷ chuẩn lượng mưa; Phương pháp phân vị của Gibbs và Maher (1967); Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa SPI của McKee et al. (1993); Chỉ số khắc nghiệt hạn hán PDSI của Palmer (1965) và Alley (1984); Chỉ số ẩm cây trồng CMI của Palmer (1968); Chỉ số phục hồi hạn hán RDI của Tsakiris (2007); Chỉ số hạn thủy văn PHDI của Palmer (1965); và Chỉ số cung cấp nước mặt SWSI của Shafer và Dezman (1982). Tác giả cũng dẫn các đánh giá của Oladipio (1985), Wu, Smakhtin và Hughes (2004) về tính thích ứng của các chỉ số dựa trên lượng giáng thủy so với các chỉ số thủy văn phức tạp.

Thứ hai, về dự báo hạn mùa: Luận án điểm cứu các công trình nghiên cứu dự báo hạn mùa từ 1 đến 6 tháng của Stockdale (1998) và Shukla J. (2000); mô hình khí quyển - đại dương kết hợp của Barnett (1984); nghiên cứu điều kiện biên dị thường nhiệt độ mặt nước biển (SST) của Palmer và Mansfield (1986); hệ thống mô hình kết hợp đầy đủ CFS của Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia Hoa Kỳ (NCEP, 2004); cùng các mô hình hoàn lưu chung khí quyển - đại dương (AOGCM) và mô hình khí hậu khu vực (RCM).

Thứ ba, về công trình và giải pháp thu trữ nước:

  • Quốc tế: Hướng dẫn 5 nguyên tắc chiến lược đối phó hạn của Viện Quản lý Nước Quốc tế (IWMI); sổ tay hướng dẫn 5 bước lập kế hoạch hạn hán cho cơ quan quản lý tưới của Ủy ban Môi trường bang Texas (2004); kinh nghiệm thu trữ nước của Ben Asher (1988) tại Israel do Ngân hàng Thế giới tài trợ; mô hình nông lâm kết hợp Wadi Mashash của Zohar et al.; hệ thống đập đất và mương đáy rộng của ICRISAT tại Nam Ấn Độ và Sri Lanka; hồ trữ nước tại Ai Cập (tăng từ 3.000 bể năm 1960 lên 15.000 bể năm 1993 với tổng dung tích 4 triệu m³); dự án Oxfam tại Turkana, Kenya (Critchley et al., 1984); và nghiên cứu của Mamdouh Nasr (1999) tại Trung Đông và Bắc Phi ghi nhận giải pháp thu trữ nước làm tăng trung bình 15% diện tích gieo cấy.
  • Việt Nam: Các kỹ thuật bờ bán nguyệt, bờ tam giác, bậc thang sườn đồi ở miền núi; bể chứa xi măng đất và bể phủ bạt HDPE tại Ninh Thuận, Bình Thuận; việc tận dụng kênh tiêu làm hồ chứa trữ nước mùa mưa phục vụ mùa kiệt tại hệ thống thủy lợi huyện Hoằng Hóa (Thanh Hóa) và hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà.

Thứ tư, về kỹ thuật tưới tiết kiệm và phần mềm hỗ trợ ra quyết định: Các chế độ tưới thiếu hụt định kỳ (RDI), tưới luân chuyển một phần bộ rễ (CAPRI); nghiên cứu của McCarthy (1999) trên cây nho tại Nam Úc giúp giảm một nửa lượng nước; nghiên cứu của Kirda (2002) ứng dụng hàm năng suất của Stewart et al. trên ngô, bông, khoai tây; hệ thống hỗ trợ ra quyết định CORDIS (2000) tại Địa Trung Hải; mô hình DSS đánh giá rủi ro cấp nước của Tarek Merabtene et al. (2002); ứng dụng chỉ số tần suất hạn DFI của Canon et al. (2009) điều hành hệ thống liên hồ chứa; công trình của Schuck et al. (2005) tại Colorado; và các hệ thống tưới nhỏ giọt tự động tại thung lũng Napa (California) và bang Hawaii (Hoa Kỳ).

Thứ năm, về lý thuyết và kỹ thuật tối ưu hóa: Luận án điểm lại mô hình Quy hoạch tuyến tính của Dantzig và Kantorovich; 6 bước xây dựng và giải bài toán tối ưu của Edgar và Himmelblau (1988); các kỹ thuật Quy hoạch tuyến tính (LP), Quy hoạch phi tuyến (NLP với điều kiện Karush-Kuhn-Tucker, phương pháp luân phiên biến, phương pháp leo dốc), Quy hoạch động (DP với cấu trúc Top-down và Bottom-up); cùng các giải thuật tìm kiếm heuristic/metaheuristic như Giải thuật di truyền (GA) của Rechenberg (1960), John Holland (1975) và John Koza (1992); Chiến lược tiến hóa (ES) của Rechenberg và Hans Peter Schwefel (1981); Thuật toán bầy kiến của Dorigo et al.; Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) của Eberhart và Kennedy; Giải thuật luyện thép (Simulated Annealing); và thuật toán NSGA II của Deb (2000).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Tích hợp giải pháp công trình cải tạo, mở rộng dung tích trữ của mạng lưới kênh tiêu hiện có kết hợp thuật toán tối ưu đa mục tiêu NSGA II để xây dựng hàm vận hành điều tiết nước theo thời gian thực, vừa giải quyết tình trạng thiếu hụt nước tưới nông nghiệp trong mùa kiệt, vừa giảm thiểu chi phí năng lượng bơm tiêu úng cho khu vực đồng bằng hạ du sông Cả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết, công cụ tính toán và dữ liệu thực địa sau:

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Khái niệm về các loại hình hạn hán (khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, kinh tế - xã hội) và chu trình phát sinh hạn (suy giảm mưa dẫn đến suy giảm độ ẩm đất, dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm).
  • Lý thuyết bài toán tối ưu tổng quát: Cực tiểu hóa hoặc cực đại hóa hàm mục tiêu $f(x) \to \min (\max)$ trên miền ràng buộc $x \in D$. Hai hướng tiếp cận bài toán tối ưu ngẫu nhiên gồm: tối ưu ngẫu nhiên ẩn (ISO) và tối ưu ngẫu nhiên hiện (ESO).
  • Thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Deb, 2000): Sử dụng kỹ thuật sắp hạng không bị trội (non-dominated sorting), tính toán khoảng cách quy tụ (crowding distance) nhằm tìm kiếm tập nghiệm thỏa hiệp trên mặt biên Pareto cho bài toán tối ưu hai mục tiêu mâu thuẫn.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Tiếp cận nghiên cứu: Luận án áp dụng đồng thời 3 cách tiếp cận:
    • Tiếp cận từ thực tiễn: Xuất phát từ hiện trạng hạn hán cục bộ do cống Nam Đàn không lấy được nước trong mùa kiệt khi mực nước sông Cả xuống thấp.
    • Tiếp cận hệ thống: Xem xét mối quan hệ tương tác thống nhất giữa khí hậu, chế độ dòng chảy sông Cả và các công trình điều tiết nước trên lưu vực.
    • Tiếp cận từ dưới lên: Xác định nhu cầu dịch vụ tưới tiêu từ quy mô mặt ruộng, năng suất cây trồng và nguyện vọng của các hộ nông dân tại địa phương.
  2. Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu: Điều tra hiện trạng công trình (kênh chính, cống lấy nước, trạm bơm), hiện trạng sản xuất nông nghiệp và tình hình vận hành chống hạn tại địa phương.
  3. Phương pháp kế thừa: Tiếp thu tài liệu, mô hình tính toán và cơ sở dữ liệu từ các đề tài, dự án thủy lợi đã triển khai trong khu vực.
  4. Phương pháp xác suất thống kê: Phân tích chuỗi số liệu khí tượng, thủy văn nhiều năm; xác định các đặc trưng dòng chảy, lượng mưa theo các cấp tần suất thiết kế $P = 75%$ và $P = 85%$.
  5. Phương pháp mô hình toán:
    • Mô hình cân bằng nước Mike Basin (hãng DHI phát triển): Thiết lập sơ đồ mạng lưới sông Cả với các nút (node) và lưu vực nhánh để tính toán cân bằng nước và xác định lượng nước thiếu hụt trong mùa kiệt.
    • Tính toán nhu cầu nước cho cây trồng (áp dụng phương pháp hệ số sinh lý cây trồng $K_c$ theo từng giai đoạn phát triển kết hợp chuỗi số liệu khí hậu trạm Vinh), nhu cầu nước sinh hoạt, chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản.
    • Mô hình thủy lực: Thiết lập quan hệ toán học mô phỏng thủy lực dòng chảy trên hệ thống kênh chính để tính toán tiêu thoát và mực nước điều tiết.
  6. Phương pháp tối ưu hóa vận hành hệ thống: Lập trình thuật toán NSGA II bằng ngôn ngữ Matlab, chuyển đổi bài toán tối ưu thành bài toán tìm kiếm các tham số của hàm vận hành thời gian thực nhằm đồng thời giảm thiểu lượng nước thiếu hụt cho tưới và tổng lượng nước phải bơm tiêu.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực tế

  • Số liệu khí tượng: Chuỗi số liệu lượng mưa, bốc hơi, nhiệt độ quan trắc tại trạm khí tượng Vinh.
  • Số liệu thủy văn: Chuỗi mực nước sông Lam tại thượng lưu cống Nam Đàn (đo 2 lần/ngày và số liệu trung bình tháng năm 2010).
  • Số liệu công trình: Hồ sơ kỹ thuật cống Nam Đàn, trạm bơm Hưng Châu, kênh Tiến Thắng, kênh 12/9 và hệ thống kênh trữ nước 9 xã kênh Lê Xuân Đào.
  • Số liệu kinh tế - xã hội và nông nghiệp: Báo cáo thống kê nông nghiệp huyện Hưng Nguyên năm 2012; số liệu diện tích hạn hán giai đoạn 2008–2011 của Sở Nông nghiệp và PTNT Nghệ An; báo cáo chi phí nạo vét, điện năng tiêu thụ bơm chống hạn của Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Nghệ An và Phòng Nông nghiệp huyện Hưng Nguyên năm 2012.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày chi tiết về bản chất hạn hán, các chỉ số đánh giá, tác động thực tế của hạn hán trên thế giới và tại Việt Nam, tình hình hạn hán tại huyện Hưng Nguyên, các giải pháp chống hạn và tổng quan lý thuyết tối ưu hóa.

Nội dung chương tổng hợp các chỉ số hạn hán phổ biến qua bảng so sánh:

Chỉ số hạn Mô tả và sử dụng Điểm mạnh Điểm yếu
Tỷ chuẩn lượng mưa Lượng mưa theo mùa hoặc tích lũy so với trung bình Dễ tính toán, được sử dụng rộng rãi Lượng mưa không có phân bố chuẩn, phụ thuộc địa phương
Thập phân vị (Gibbs & Maher) Lập nhóm lượng mưa thành các thập phân vị Dễ tính toán, lượng hóa thống kê chính xác, phân loại đồng nhất Cần chuỗi số liệu khí hậu nhiều năm
Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (SPI) (McKee et al.) Xác suất lượng giáng thủy ở phạm vi thời gian bất kỳ Tính cho nhiều phạm vi thời gian; đưa ra cảnh báo sớm Giá trị có thể thay đổi; chỉ sử dụng tham số giáng thủy
Chỉ số khắc nghiệt hạn hán (PDSI) (Palmer; Alley) Thuật toán cân bằng ẩm đất hiệu chỉnh cho khu vực tương đối đồng nhất Chỉ số hạn tổng quát đầu tiên; phản ánh ẩm đất; hiệu quả cho hạn nông nghiệp Trễ khẩn cấp hạn; kém phù hợp cho vùng núi; phức tạp về tính toán
Chỉ số ẩm cây trồng (CMI) (Palmer) Rút ra từ PDSI, phản ánh ẩm đất thời đoạn ngắn Xác định được khả năng xảy ra hạn nông nghiệp Không phù hợp giám sát hạn dài hạn
Chỉ số phục hồi hạn (RDI) (Tsakiris) Tương tự SPI, sử dụng biến số tỷ số $P/PET$ Dựa vào cả giáng thủy và bốc thoát hơi tiềm năng; hợp kịch bản BĐKH Cần số liệu tính toán bốc thoát hơi tiềm năng PET
Chỉ số hạn thủy văn (PHDI) (Palmer) Mở rộng từ PDSI, xét điều kiện kết thúc hạn khi tỷ số $P_e = 1$ Đánh giá sát trạng thái thủy văn lưu vực Đòi hỏi nhiều tham số quan trắc
Chỉ số cấp nước mặt (SWSI) (Shafer & Dezman) Mở rộng từ Palmer, tính đến tuyết trên núi và lượng trữ trong hồ Thể hiện nguồn nước mặt và quản lý nước; kết hợp khí hậu - thủy văn Phụ thuộc từng lưu vực; hạn chế so sánh giữa các vùng

Về tác động của hạn hán, chương dẫn các số liệu thực tế:

  • Thiệt hại quốc tế: Nạn đói tại Ấn Độ (1702–1704 làm mất mùa hoàn toàn; 1769–1770 làm 5 triệu người chết); hiện tượng ENSO năm 1991 tại Indonesia gây thiệt hại 843.000 ha lúa, cháy 88.000 ha rừng tại Kalimantan và đợt 1997–1998 làm 420.000 ha lúa thiếu nước, 158.000 ha mất trắng, 3,7 triệu ha rừng cháy; hạn hán năm 1941 tại Trung Quốc làm gần 3 triệu người chết; đợt khô hạn năm 2015 tại Đông Nam Brazil; hạn hán 1982–1983 tại miền Đông Nam Australia; và mức thiệt hại hàng năm do hạn hán tại Hoa Kỳ từ 6 đến 8 tỷ USD.
  • Thiệt hại tại Việt Nam: Nạn đói năm 1945 gắn liền với hạn hán và sâu bệnh năm 1944 làm chết khoảng 2 triệu người; đợt hạn vụ đông xuân 1992–1993 làm hơn 176.000 ha lúa bị hạn; đợt hạn 1997–1998 làm hơn 750.000 ha lúa bị hạn (mất trắng 120.000 ha), 236.000 ha cây công nghiệp và cây ăn quả bị ảnh hưởng, 3,1 triệu người thiếu nước sinh hoạt, ước tính thiệt hại kinh tế khoảng 5.000 tỷ đồng; năm 2004–2005 mực nước sông Hồng tại Hà Nội xuống 1,72 m, hồ Tân Giang xuống dưới mực nước chết, hồ Đa Nhim chỉ còn 1/3 dung tích, ranh mặn trên sông Vàm Cỏ xâm nhập sâu 120–140 km; năm 2016 có 500.000 ha lúa hè thu tại Đồng bằng sông Cửu Long không thể xuống giống, ảnh hưởng đến 1 triệu hộ dân.

Về tình hình hạn hán tại khu vực nghiên cứu (huyện Hưng Nguyên, Nghệ An):

  • Các đợt hạn hán nghiêm trọng xảy ra vào các năm 1983, 1987, 1988, 1990, 1992, 1993, 1998, 2003, 2004, 2010. Trong mùa khô 2010, toàn huyện Hưng Nguyên có 3.900 ha lúa hè thu bị hạn trên tổng số 5.540 ha gieo cấy (trong đó 2.800 ha bị khô cháy trên ruộng).
  • Diện tích hạn được thống kê cụ thể:
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 Đông Xuân Hưng Châu, Hưng Lợi, Hưng Nguyên, Hưng Phúc, Hưng Mỹ, Hưng Tiến, Hưng Tân
  • Tác động kinh tế: Năm 2012, huyện Hưng Nguyên phải chi 17.000.000 đồng nạo vét 14 bể hút trạm bơm và 8 kênh trục dẫn nước chống hạn. Theo báo cáo của Công ty Thủy lợi Nam Nghệ An năm 2012, tiền điện phục vụ bơm nước chống hạn vượt 1.000.000 kWh (tương đương 2,5 tỷ đồng), chi phí mua máy bơm dầu và nhiên liệu dầu chống hạn là 2,5 tỷ đồng.

Về các kỹ thuật tối ưu hóa, tác giả phân tích và tổng hợp ưu, nhược điểm tại Bảng 1.3:

Kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm
Quy hoạch tuyến tính (LP) Đảm bảo tìm được tối ưu toàn cục; tốc độ tính toán nhanh; kích thước bài toán có thể cực lớn. Mọi mối quan hệ của hàm mục tiêu và ràng buộc bắt buộc phải ở dạng tuyến tính.
Quy hoạch phi tuyến (NLP) Đảm bảo mô tả chính xác các quan hệ vật lý phi tuyến; tốc độ giải cục bộ khá nhanh, chính xác. Không đảm bảo tìm được tối ưu toàn cục; thường dừng ở cực trị cục bộ; hàm toán học phải liên tục, lồi và khả vi; phức tạp khi mở rộng quy mô.
Quy hoạch động (DP) Đảm bảo tìm được tối ưu toàn cục; áp dụng được cho mọi dạng quan hệ phức tạp. Bùng nổ không gian biến; phải rời rạc hóa dẫn đến giảm độ chính xác; tốc độ tính toán chậm; gặp khó khăn khi số chiều từ 3 trở lên hoặc dòng chảy ngẫu nhiên.
Kỹ thuật tìm kiếm Metaheuristic (GA, ES, Kiến, PSO...) Giải quyết được bài toán phi tuyến phức tạp, không gian biến lớn; cho phép tích hợp nhiều mô hình con; khối lượng tính toán nhỏ hơn DP; tính ứng dụng cao. Thuật toán mang tính kinh nghiệm; không đảm bảo chắc chắn tìm được nghiệm tối ưu toàn cục mà thường tìm các nghiệm xấp xỉ lân cận tốt nhất.

Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày điều kiện tự nhiên, hiện trạng công trình khu vực 9 xã kênh Lê Xuân Đào cùng các công cụ mô hình toán được thiết lập:

  • Đặc điểm khu vực nghiên cứu: Vùng 9 xã nằm ở phía Đông Nam huyện Hưng Nguyên chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió Tây Nam khô nóng (gió Lào). Mùa kiệt, mực nước sông Cả (sông Lam) xuống thấp dưới ngưỡng thiết kế khiến cống Nam Đàn không thể tự chảy lấy nước vào hệ thống, dẫn đến hạn hán nghiêm trọng.
  • Hiện trạng công trình: Đánh giá thông số kỹ thuật của cống Nam Đàn, kênh Tiến Thắng, trạm bơm Hưng Châu, kênh 12/9 và các trục kênh tiêu hiện trạng phục vụ trữ nước.
  • Phương pháp tính toán nhu cầu nước: Xác định nhu cầu nước của các ngành:
    • Nông nghiệp trồng trọt: Dựa vào cơ cấu mùa vụ (vụ xuân, vụ hè thu), số liệu khí hậu trạm Vinh và hệ số sinh lý cây trồng $K_c$ theo từng giai đoạn phát triển.
    • Chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và nước sinh hoạt: Tính toán theo các định mức cấp nước quy chuẩn trên lưu vực sông Cả.
  • Phương pháp cân bằng nước: Thiết lập mô hình Mike Basin mô phỏng lưu vực sông Cả và tiểu lưu vực vùng Nam Hưng Nghi, tính toán cân bằng nước theo các cấp tần suất thiết kế $P = 75%$ và $P = 85%$ để lượng hóa lượng nước thiếu hụt trong các tháng kiệt.
  • Tính toán thủy lực và mô hình tiêu: Xây dựng quan hệ thủy lực giữa lượng mưa rào, mực nước ban đầu trên kênh và lượng nước cần bơm tiêu nhằm thiết lập ma trận quan hệ phục vụ điều tiết thời gian thực trên kênh Lê Xuân Đào.
  • Thiết lập bài toán tối ưu vận hành: Xây dựng thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II trên nền Matlab. Bài toán tối ưu hóa đồng thời 2 hàm mục tiêu:
    1. Giảm thiểu lượng nước thiếu hụt cấp cho sản xuất nông nghiệp trong mùa kiệt: $f_1 \to \min$.
    2. Giảm thiểu tổng lượng nước xả/bơm tiêu để tiết kiệm chi phí vận hành: $f_2 \to \min$. Biến tối ưu là các thông số điều khiển đóng mở công trình theo các ngưỡng mực nước khống chế trên hệ thống kênh trữ.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán mô phỏng và phương án vận hành được đề xuất:

  • Kết quả tính toán nhu cầu nước và thiếu hụt: Xác định tổng nhu cầu nước cho trồng trọt, sinh hoạt, chăn nuôi, thủy sản vùng Nam Hưng Nghi; lượng hóa mức thiếu hụt nước tại các tần suất $P = 75%$ và $P = 85%$, làm cơ sở xác định dung tích trữ nước bổ sung cần thiết.
  • Đề xuất giải pháp trữ nước: Nạo vét, mở rộng mặt cắt các trục kênh tiêu chính (tiêu biểu là mở rộng mặt cắt đoạn 1 kênh 12/9 và hệ thống kênh chính vùng 9 xã kênh Lê Xuân Đào) nhằm biến các lòng kênh này thành các bể trữ nước phân tán trong mùa mưa để cấp bù cho mùa khô. So sánh cụ thể kích thước hình học kênh hiện tại và kích thước kênh đề xuất.
  • Xây dựng mô hình tiêu và hàm vận hành thời gian thực:
    • Tính toán các đại lượng đầu vào: Lượng dòng chảy bổ cập do mưa, lưu lượng lấy vào từ công trình đầu mối, tổn thất do bốc hơi mặt thoáng trên kênh, dung tích trữ thực tế của hệ thống kênh và lưu lượng xả qua các cống tiêu.
    • Thiết lập ma trận quan hệ giữa lượng mưa, mực nước ban đầu trên kênh với lượng nước cần tiêu và mực nước cuối ngày trên kênh Lê Xuân Đào.
  • Kết quả tối ưu đa mục tiêu:
    • Thuật toán NSGA II xuất ra tập nghiệm Pareto thể hiện sự đánh đổi rõ ràng giữa lượng nước thiếu hụt và tổng lượng tiêu úng.
    • Luận án trích xuất các phương án tối ưu đại diện (Bảng 3.17) từ biên Pareto để người quản lý hệ thống lựa chọn tùy theo mức độ ưu tiên mùa vụ và nguồn kinh phí vận hành.
    • Tính toán thử nghiệm kiểm chứng cho chuỗi số liệu thực tế năm điển hình 2014 (Bảng 3.18), chứng minh phương án vận hành tối ưu đề xuất giúp giảm thiểu lượng nước thiếu hụt cho nông nghiệp và giảm đáng kể lượng nước phải bơm tiêu so với quy trình vận hành thực tế tại địa phương.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng phương pháp luận và bài toán tối ưu hỗ trợ ra quyết định vận hành trữ nước tưới nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán đến sản xuất nông nghiệp tại vùng hạ du các con sông.
  2. Ứng dụng thành công thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Deb, 2000) trên môi trường Matlab, chuyển bài toán vận hành hệ thống thủy nông phức tạp về bài toán tìm kiếm bộ tham số tối ưu của hàm vận hành thời gian thực, giải quyết đồng thời hai mục tiêu xung đột: cực tiểu hóa lượng nước thiếu hụt cho cây trồng và cực tiểu hóa tổng lượng nước bơm tiêu úng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Đề xuất giải pháp công trình kết hợp phi công trình cụ thể cho vùng 9 xã kênh Lê Xuân Đào (huyện Hưng Nguyên, Nghệ An): Mở rộng mặt cắt lòng kênh tiêu (kênh 12/9, kênh chính) để tăng dung tích trữ nước mùa mưa kết hợp quy trình điều tiết đóng mở cống theo thời gian thực để cấp bù nước tưới mùa kiệt.
  2. Kế hoạch vận hành tối ưu được kiểm nghiệm trên năm thực tế 2014 chứng minh tính khả thi, giúp hệ thống chủ động nguồn nước phục vụ sản xuất lúa và cây trồng, cắt giảm chi phí điện năng và nhiên liệu bơm chống hạn của các đơn vị khai thác thủy nông.
  3. Khung tính toán và thuật toán tối ưu của luận án có thể tham khảo, chuyển giao và áp dụng cho các hệ thống thủy lợi khác có điều kiện địa hình trũng thấp và nguồn nước tương tự ở khu vực Bắc Trung Bộ và đồng bằng ven biển.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề nghị các cơ quan chức năng tiến hành cải tạo, kiên cố hóa và mở rộng mặt cắt các trục kênh tiêu theo kích thước đề xuất của luận án để đảm bảo dung tích trữ nước tính toán.
  • Áp dụng các bảng tra ma trận quan hệ thủy lực và bộ thông số vận hành tối ưu đại diện vào quy trình vận hành đóng mở thường trực tại cống Nam Đàn, trạm bơm Hưng Châu và các cống trên kênh Lê Xuân Đào.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và các nội dung được văn bản luận án trình bày, các hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp gồm:

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi mô phỏng và kiểm chứng chuyên sâu mới thực hiện trên vùng nghiên cứu điển hình là 9 xã thuộc kênh Lê Xuân Đào, huyện Hưng Nguyên thuộc hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An; chưa tính toán mở rộng đồng thời cho toàn bộ lưu vực sông Cả.
  • Nguồn số liệu thủy văn phụ thuộc vào chuỗi đo đạc quan trắc tại trạm Vinh và mực nước sông Lam đo tại cống Nam Đàn; các kịch bản tính toán kiểm chứng tập trung chủ yếu trên chuỗi số liệu thực tế năm 2014 và hai mức tần suất thiết kế $P = 75%$ và $P = 85%$.
  • Bài toán tối ưu tìm nghiệm xấp xỉ trên biên Pareto dựa trên kỹ thuật tìm kiếm metaheuristic, nên kết quả mang tính chất thỏa hiệp cục bộ tốt nhất theo thuật toán di truyền chứ không phải nghiệm giải tích toàn cục tuyệt đối.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng bài toán tối ưu và liên kết vận hành cho toàn bộ hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An và các hệ sinh thái lưu vực lân cận hạ du sông Lam.
  • Tích hợp thêm các dữ liệu dự báo khí hậu hạn mùa tự động (như mô hình CFS, RCM) trực tiếp vào thuật toán điều hành thời gian thực để nâng cao tính chủ động trước các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho các nhóm đối tượng học thuật và ứng dụng thực tiễn:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy lợi, Quản lý tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp tích hợp mô hình cân bằng nước Mike Basin với thuật toán tối ưu đa mục tiêu NSGA II lập trình trên Matlab để giải quyết các bài toán mâu thuẫn lợi ích nguồn nước.
  • Cán bộ kỹ thuật và đơn vị quản lý, khai thác công trình thủy lợi (trực tiếp là Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Nghệ An): Tham khảo bảng ma trận tra cứu quan hệ lượng mưa - mực nước kênh - lượng nước tiêu và các phương án tối ưu đại diện để vận hành đóng mở cống và trạm bơm thực tế hàng ngày.
  • Các cơ quan hoạch định chính sách, Sở Nông nghiệp và PTNT, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai các tỉnh miền Trung: Tham khảo mô hình thu trữ nước trong lòng kênh tiêu như một giải pháp công trình phân tán chi phí thấp nhằm thích ứng với hạn hán và biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân kỹ thuật chủ yếu dẫn đến hạn hán nghiêm trọng tại vùng 9 xã kênh Lê Xuân Đào vào mùa kiệt là gì?

Nguyên nhân chủ yếu là do vào các tháng mùa kiệt, mực nước sông Cả (sông Lam) xuống rất thấp, khiến công trình đầu mối là cống Nam Đàn không thể vận hành lấy nước tự chảy vào hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An. Tình trạng này kết hợp với thời tiết khô nóng kéo dài và tác động của gió Lào dẫn đến nguồn nước bổ cập bị cắt đứt, gây thiếu nước tưới trên diện rộng cho sản xuất lúa và cây trồng của huyện Hưng Nguyên.

2. Hai mục tiêu xung đột mà thuật toán NSGA II trong luận án cần giải quyết đồng thời là gì?

Hai hàm mục tiêu mâu thuẫn nhau trong bài toán vận hành hệ thống là:

  1. Cực tiểu hóa lượng nước thiếu hụt phục vụ sản xuất nông nghiệp trong mùa khô ($f_1 \to \min$).
  2. Cực tiểu hóa tổng lượng nước phải tiêu thoát/bơm tiêu ($f_2 \to \min$). Trong thực tế, nếu muốn giữ nhiều nước để tránh thiếu hụt thì khi gặp mưa lớn sẽ làm tăng nguy cơ ngập úng và tăng khối lượng nước phải bơm tiêu tốn kém điện năng; ngược lại, nếu tiêu nước quá nhanh để đề phòng ngập úng thì hệ thống sẽ không còn đủ nước tích trữ để chống hạn.

3. Giải pháp trữ nước cho mùa kiệt được luận án đề xuất cụ thể như thế nào?

Luận án đề xuất tận dụng ngay mạng lưới kênh tiêu hiện trạng (đặc biệt là trục kênh tiêu 12/9 và kênh Lê Xuân Đào) làm hồ trữ nước phân tán. Bằng cách nạo vét, mở rộng mặt cắt hình học của kênh theo kích thước thiết kế mới, hệ thống có thể thu gom và tích trữ nước mưa cuối mùa mưa hoặc nguồn nước gợn mùa kiệt, sau đó sử dụng quy trình điều tiết đóng mở cống hợp lý để cấp bù cho các khu tưới nông nghiệp trong những đợt hạn gay gắt.

4. Tình hình thiệt hại hạn hán và chi phí chống hạn tại Hưng Nguyên được luận án ghi nhận ra sao?

Theo số liệu thống kê trong luận án, vụ hè thu năm 2010 huyện Hưng Nguyên có 3.900 ha lúa bị hạn trên tổng số 5.540 ha (trong đó 2.800 ha bị khô cháy trên ruộng); năm 2008 diện tích hạn trung bình là 1.200 ha, hạn nặng 420 ha; năm 2009 hạn trung bình 282 ha, hạn nặng 808 ha. Về chi phí, năm 2012 huyện chi 17.000.000 đồng nạo vét 14 bể hút và 8 kênh trục chống hạn; Công ty Thủy lợi Nam Nghệ An ghi nhận tiền điện bơm nước chống hạn vượt 1.000.000 kWh (tương đương 2,5 tỷ đồng) và tiền mua máy bơm dầu cùng nhiên liệu chống hạn hết 2,5 tỷ đồng.

5. Những mô hình toán và phần mềm cụ thể nào được sử dụng trong luận án?

Luận án sử dụng phần mềm Mike Basin của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) để mô phỏng mạng lưới và tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cả theo các tần suất $P = 75%$ và $P = 85%$. Để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, tác giả sử dụng môi trường lập trình Matlab để cài đặt thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Deb, 2000), kết nối với mô hình tính toán thủy lực để xây dựng ma trận quan hệ thời gian thực.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Quang An đã giải quyết bài toán cấp bách về hạn hán nông nghiệp tại vùng hạ du sông Cả thông qua hướng tiếp cận kết hợp công trình thu trữ nước trên hệ thống kênh với mô hình điều hành tối ưu. Bằng việc ứng dụng mô hình cân bằng nước Mike Basin và thuật toán tối ưu đa mục tiêu NSGA II trên môi trường Matlab, nghiên cứu đã lượng hóa được lượng nước thiếu hụt tại các mức tần suất $P = 75%$ và $P = 85%$, đồng thời thiết lập được hàm vận hành thời gian thực điều hòa mâu thuẫn giữa tích trữ nước tưới và chi phí bơm tiêu úng. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất được phương án mở rộng mặt cắt kênh trữ và bộ giải pháp vận hành đại diện được kiểm nghiệm trên chuỗi số liệu thực tế năm 2014 tại 9 xã kênh Lê Xuân Đào, huyện Hưng Nguyên. Đây là tài liệu khoa học có ý nghĩa thực tiễn rõ rệt, cung cấp cơ sở kỹ thuật hỗ trợ các đơn vị quản lý khai thác thủy nông nâng cao hiệu quả phân phối nguồn nước và giảm thiểu rủi ro thiên tai trong bối cảnh biến đổi khí hậu.