Luận án 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

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Luận án nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng của hạn, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Trường học: Trường Đại Học Nông Nghiệp
• Chuyên ngành: Nông Nghiệp
• Đề tài: Tối ưu hóa vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu hạn hán trong nông nghiệp vùng hạ du sông Cả
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Nghệ An

Mục lục chi tiết

• 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
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nước đã từng được xem là nguồn tài nguyên vô tận. Tuy nhiên, với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế, tình trạng thiếu nước đã trở thành mối lo ngại lớn. Việc tối ưu hóa nước tưới trong nông nghiệp là một chiến lược quan trọng, đặc biệt ở các vùng khô hạn. Biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tình trạng hạn hán, gây ra thách thức lớn cho sản xuất nông nghiệp. Giải pháp tích trữ nước mùa mưa để sử dụng cho mùa khô đã được chứng minh là hiệu quả. Nghiên cứu này nhằm xây dựng quy trình vận hành trữ nước hiệu quả, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán đến sản xuất nông nghiệp.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định nhu cầu và khả năng cấp nước của hệ thống tưới trong mùa kiệt. Nghiên cứu sẽ đề xuất giải pháp thu trữ nước hợp lý, ứng dụng bài toán tối ưu để xây dựng kế hoạch vận hành theo thời gian thực. Điều này nhằm đảm bảo cung cấp đủ nước tưới trong mùa kiệt, đồng thời tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống.

1.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào giải pháp thu trữ nước và xây dựng thuật toán vận hành tối ưu cho vùng 9 xã thuộc kênh Lê Xuân Đào, hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An. Đây là một trong những vùng bị hạn hán nặng nhất, do đó việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp quản lý nước là rất cần thiết.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để thu thập và phân tích dữ liệu. Phương pháp khảo sát và thu thập số liệu giúp xác định hiện trạng hệ thống tưới tiêu và tình hình hạn hán. Phương pháp kế thừa các tài liệu và kết quả nghiên cứu trước đó cũng được sử dụng để làm cơ sở cho nghiên cứu. Phương pháp thống kê và mô hình toán được áp dụng để tính toán nhu cầu nước cho cây trồng và xác định lượng nước thiếu hụt. Cuối cùng, phương pháp tối ưu hóa trong quản lý vận hành hệ thống sẽ giúp xây dựng hàm vận hành tối ưu cho hệ thống.

2.1. Cách tiếp cận nghiên cứu

Nghiên cứu tiếp cận từ thực tiễn, hệ thống và từ dưới lên. Cách tiếp cận từ thực tiễn giúp xác định nguyên nhân và mức độ hạn hán, từ đó đề xuất giải pháp. Cách tiếp cận hệ thống xem xét mối quan hệ giữa các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người. Cách tiếp cận từ dưới lên giúp xác định nhu cầu dịch vụ tưới tiêu và mong muốn của người dân.

2.2. Phương pháp phân tích dữ liệu

Phương pháp khảo sát và thu thập số liệu giúp xác định hiện trạng hệ thống tưới tiêu. Phương pháp thống kê xử lý các tài liệu về khí tượng, thủy văn. Phương pháp mô hình toán sử dụng phần mềm để tính toán nhu cầu nước cho cây trồng và xác định chế độ dòng chảy trong hệ thống tưới. Tất cả các phương pháp này đều hướng đến việc quản lý nước hiệu quả hơn.

III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Về mặt khoa học, nghiên cứu xây dựng phương pháp luận và thuật toán tối ưu cho vận hành hệ thống tưới trong mùa kiệt. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu đề xuất giải pháp và kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống kênh phục vụ tưới cho mùa khô. Giải pháp này có thể được áp dụng cho các vùng khác có điều kiện tự nhiên tương tự, góp phần bảo vệ nguồn nước và giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán đến sản xuất nông nghiệp.

3.1. Đóng góp mới của nghiên cứu

Nghiên cứu đã xây dựng bài toán tối ưu hỗ trợ ra quyết định vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán. Kết quả nghiên cứu có thể tham khảo và áp dụng cho các hệ thống tương tự, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Giải pháp và kế hoạch vận hành tối ưu được đề xuất có thể ứng dụng cho các vùng khác, giúp cải thiện tình hình hạn hán trong nông nghiệp. Việc áp dụng các kỹ thuật tưới tiết kiệm nước và quản lý nước hiệu quả sẽ góp phần nâng cao năng suất cây trồng và bảo vệ môi trường.

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.