Chuong 1 phan tich he thong tai nguyen nuocb

 Trong nhiều tình huống, bằng cách tập trung vào các mối quan hệ và tương tác giữa các các thành phần của hệ thống phức tạp, phân tích các hệ thống có thể cung cấp một cách thức để phân

TS Lê Hùng Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện Trường Đại học Bách Khoa

Đ

1

CHƯƠNG 1

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TÀI NGUYÊN NƯỚC

Clic k to edit Master text styles Seco nd levelThird levelFo urth level

Fifth level

1.1 Giới thiệu về phân tích hệ thống tài nguyên nước

1.2 Phương pháp mô hình hóa hệ thống tài nguyên nước

1.3 Kỹ thuật phân tích hệ thống

1.4 Phân tích độ nhạy thông số

 Quy hoạch, quản lý và thiết kế: Các quá trình cơ bản của phát triển bền vững

 Quy hoạch và thiết kế: Phân tích các chi phí, các lợi ích đạt được và các ảnh hưởng đến môi trường Thiếu phân tích này: Sử dụng lãng phí tài nguyên (thiên nhiên cũng như nguồn lực xã hội), không đạt được sự cân bằng giữa phát triển và duy trì môi trường, hệ sinh thái

Khái niệm cơ bản

• Dân số

• Trình độ phát triển

• Chính trị

Áp lực thay đổi

• Đơn mục têu

• Đơn mục

đíc h

• Các

dự

án đơn lẻ

Trước

đây

•

Đa mụ

c têu

•

Đa mụ

c đíc h

• Các

dự

án

đa

Hiện nay

 Hệ thống: Một hệ thống là một tập hợp của

các thành phần và mối quan hệ của chúng

hình thành nên một thực thể (ví dụ, một lưu

vực sông) được tác động bởi các lực hay

ảnh hưởng ngoại vi (bên ngoài) hoặc đầu

vào (lượng mưa) và tạo ra một hiệu ứng

hoặc đầu ra (dòng chảy) cụ thể

Khái niệm cơ bản

• Có thể nói, một hệ thống là một tập

hợp các đối tượng có thể biến đổi

đầu vào thành đầu ra; đầu ra đúng

 Phân tích hệ thống: Phân tích hệ thống được sử dụng trong việc

xác định những tình huống có thể xẩy ra đảm bảo được đầu tư là ít

nhất (về tài chính hay năng lượng) song lại tạo ra lợi ích tối đa

trong phân bổ nguồn lực, phát triển kinh tế và an sinh môi trường

Nói chung, phân tích hệ thống là nghệ thuật và khoa học về phân

rã/phân chia/tách các hiện tượng phức tạp thành các hệ thống con

nhỏ hơn, tách rời (ờ mức độ nào đó) và dễ hiểu hơn, sau đó tiến

hành phân tích sự tương tác giữa các hệ thống con và giữa các hệ

thống con với môi trường lớn hơn (Churchman, 1968)

Khái niệm cơ bản

 Trong nhiều tình huống, bằng cách tập trung vào các mối quan hệ và tương tác giữa các các thành phần của hệ thống phức tạp, phân tích các hệ thống có thể cung cấp một cách thức để phân loại thông qua vô số các giải pháp có thể cho một vấn đề và thu hẹp việc tìm kiếm một số ít những giải pháp có khả năng tối ưu cùng với việc xác định và mô tả/minh họa các tác động của các phương án cũng như việc đánh đổi/lựa chọn giữa các mục tiêu mâu thuẫn nhau

 Phương pháp chung cơ bản được sử dụng trong phân tích hệ thống tài nguyên nước là mô tả/mô phỏng

các hệ thống vật lý và kinh tế xã hội bằng các mô hình toán học.

1.1.1 Hệ thống tài nguyên nước

Tài nguyên nước

Nước mặt

Nước ngầm

Nước trong đại dương

Nước trong khí quyển

" Hệ thống tài nguyên nước là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài

nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng cùng với sự tác động của của môi trường lên nó"

1.1.2 Các hệ thống thành phần của hệ thống tài nguyên nước

1 Hệ thống tài nguyên nước mặt

Hệ thống tài nguyên nước mặt bao gồm nguồn nước ở trạng thái tự nhiên và nguồn nước đã được tái tạo (hồ chứa, nước thải được xử lý) cùng với hệ thống công trình khai thác nước mặt (hồ chứa, đập dâng, cống điều tiết, đập ngăn sông, các công trình tưới, tiêu v.v

2 Hệ thống nước ngầm

Hệ thống nước ngầm bao gồm vùng trữ nước ngầm có thể khai thác được và hệ thống công trình khai thác nước ngầm Nước ngầm được khai thác chủ yếu phục vụ sinh hoạt cả ở thành phố và vùng nông thôn Nước ngầm được phân bố ở các tầng địa chất khác nhau trong đó nước ngầm tầng sâu có chất lượng nước tốt là đối tượng khai thác sử dụng

1.1 3 Hệ thống khai thác tài nguyên nước

(1) Hệ thống xử lý nước thải đô thị

Hệ thống thu gom nước

Xử lý nước thải công nghiệp Phân phối

Xử lý nước

Nước dùng công nghiệp, chăn nuôi, du

lịch

Xử lý nước thải sinh hoạt

Cấp nước sinh hoạt

Kênh dẫn Trực tiếp chẩy vào sông

Hệ thống loại này bao gồm công trình trữ nước, hệ thống công trình phân phối nước, làm sạch nước, thu gom nước

và xử lý nước sau khi sử dụng cùng với hệ thống tiêu thoát nước đô thị

1 Hệ thống chỉ tiêu đánh giá

Mục tiêu khai thác hệ thống được mô tả và lượng hoá bằng một hoặc hệ thống chỉ tiêu nào đó, mà nó phản ảnh được mục tiêu nghiên cứu hoặc khai thác hệ thống, được gọi hệ thống chỉ tiêu đánh giá

2 Phân loại hệ thống chỉ tiêu đánh giá

+ Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳng thức hoặc bất đẳng thức Các biểu thức đó được viết đối với hàm ra của hệ thống Y(t) Dạng tổng quát của loại hệ thống chỉ tiêu này được viết như sau:

Fj(Y) ≤ bj với j = 1,2, ,m (1-1)

Trong đó F: là hàm biểu diễn qua hàm ra của hệ thống Y(t) Biểu thức Trong đó m là số chỉ tiêu trong hệ thống chỉ tiêu đánh giá Các hàm Fj(Y) trong trường hợp này được coi là các dạng ràng buộc về mục tiêu

+ Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn các hàm số mà nó cần được làm cực trị, có dạng:

Các hàm Fj(Y) trong trường hợp này được gọi là hàm mục tiêu

+ Hệ thống chỉ tiêu đánh gía có dạng hỗn hợp, tức là một số chỉ tiêu đánh giá được mô tả bằng các hàm mục tiêu dạng tối ưu, số còn lại được mô tả như một ràng buộc của hệ thống về mục tiêu

Lý thuyết phân tích hệ thống là một môn khoa học được phát triển trên cơ sở vận trù học và lý thuyết

điều khiển bằng cách đưa vào hệ thống các quan điểm và phương pháp phân tích hiện đại, nhằm hoàn thiện khả năng lựa chọn lời giải tối ưu đối với các hệ thống phức tạp

Sự phát triển của lý thuyết phân tích hệ thống là ở chỗ nó bổ sung thêm hệ thống phương pháp luận và

phương pháp phân tích, bao gồm:

1 Hệ thống các quan điểm

2 Hệ thống các phương pháp phân tích

3 Hoàn thiện các phương pháp tối ưu hoá

4 Nguyên lý về tiếp cận hệ thống

Lý t huyÕt ph©n t Ýc h hÖ t hèng

HÖ thèng c¸c

ph ¬ng ph¸pph©n tÝch

HÖ thèng c¸cquan ®iÓm

HÖ thèng ph ¬ng ph¸p luËn

TiÕn bé cña ph ¬ngph¸p tÝnh vµ c«ng cô

tÝnh to¸nVËn trï häc ®iÒu khiÓnLý thuyÕt

Khèi c ¬ së

Khèi ph¸ t t r iÓn

Sơ đồ tổng quát mô tả sự hình thành lý thuyết phân tích hệ thống

Phương phỏp tối ưu húa

Phương phỏp mụ phỏng

Nguyờn lý tiếp cận hệ thống

Các thông số của hệ thống

Mô hình dòng chảy (Mô hình thuỷ văn,

Mô hình tối u

Phân t ích và quyết định

Khối Mô hình mô phỏng

Khối tối u hoá

Sơ đồ kết hợp phương phỏp mụ phỏng và phương phỏp tối ưu hoỏ

Sơ đồ tổng quỏt quỏ trỡnh tiếp cận hệ thống bằng mụ hỡnh mụ phỏng

Xác định mục tiêu khai thác hệ thống

Xác định hệ thống chỉ tiêu đánh giá

Thiết lập mô hì nh mô

phỏng hệ thống theo mục tiêu khai thác và hệ thống chỉ tiêu đánh giá

Đ ánh giá

Đ ạ t mục tiêu khai thác

Quyết định ph ơng á n khai t há c hệ t hố ng

Bổ sung việc thu thập thông tin và điều chỉnh mục tiêu khai thác

hệ thống

liên quan đến hệ thống

Đ ạ t không đạt

Khái niệm mô hình hóa

- Mô hình hóa hệ thống thông qua việc xây dựng các mô hình hoạt động của nó

- Mô hình hóa được sử dụng khi có thể biết rõ các yếu tố đầu vào, đầu ra và các phép biến đổi trong hệ thống

- Để mô tả thế giới thực phức tạp, người ta phải trừ tượng hóa các phần tử và các quan hệ trong hệ thống

- Mô hình của hệ thống có thể là một số công thức toán học, hoặc một vài sơ đồ mô tả thành phần và các hoạt động diễn ra trong hệ thống

Người ta thường biểu diễn 2 loại mô hình

1/ Mô hình vật lý: Mô hình mô tả hệ thống phải cho biết hệ thống là gì, có nhưng nhiệm vụ gì, các nhiệm vụ này được thực hiện như thế nào, ở đâu vào thời gian nào và những ai là người thực hiện

2/ Mô hình toán: mô tả bản chất của hệ thống và mục tiêu của hệ thống, mô hình toán sẽ trả lời câu hỏi, hệ thống là gì, làm những gì, mỗi chức năng cần những thông tin gì để hoạt động và cho những thông tin gì

+ Nghiên cứu sơ bộ hệ thống: Giai đoạn này tập trung vào việc thu thập các thông tin, tài liệu liên quan tới cấu trúc của hệ thống và các hoạt động của hệ thống

+ Phân tích hệ thống: Giai đoạn này tập trung phân tích chi tiết bản chất của hệ thống

+ Thiết kế hệ thống: Lựa chọn các giải pháp cài đăt nhằm thực hiện các kết quả phân tích

Tóm lại: Một phương pháp mô hình hóa thường có ba thành phân là: một tập hợp các khái niệm và mô hình, một quy trình thực hiện và các công cụ trợ giúp

Ví dụ: Mô hình vật lý đập tràn thủy điện ĐăkMi 4:

Các bước chính thực hiện theo các giai đoạn sau

Mô hình toán: đưa ra mô hình tối ưu hồ

chứa đa mục đích, mô hình thủy văn

( NAM)

Hình 1.1 Bản đồ vị trí các trạm đo mưa và các biên tính toán

Các bước chính thực hiện theo các giai đoạn sau

Hình Mô hình hóa hệ thống TNN bằng mô hình HEC-RESSIM

 10/25/19 Các biên hồ chứa và các nút kiểm tra để kiểm định và xác định thông số mô hình  29

Sơ đồ hóa mạng lưới sông bằng mô hình thủy lực MIKE 11

- Bộ dữ liệu khá đầy đủ về hiện trạng tài nguyên nước của thành phố Đà Nẵng, gồm: địa hình, mạng lưới sông, khí tượng, thủy văn, các đối tượng hồ chứa, nhu cầu nước cho các ngành …

 Dựa trên các số liệu được lấy từ các tài liệu Quy hoạch, các kết quả dự báo từ các dự án đã được phê duyệt đã xây dựng được giả định cho các kịch bản về:

Nguồn nước đến:

BĐKH;

Vận hành hồ chứa;

Thay đổi diện tích rừng;

Nhu cầu lấy nước ở thượng lưu;

Nhu cầu dùng nước:

Phát triển đô thị;

Lưu lượng đẩy mặn;

Thay đổi diện tích đất nông nghiệp.

Các hệ thống kịch bản mô phỏng

Mô hình mưa dòng chảy

Observed Data

Water Control Management Decisions

Mô phỏng

ra quyết dịnh

Mục đích của phần này là trình bày các kỹ thuật áp dụng trong phân tích hệ thống tài nguyên nước, công cụ PTHT bao gồm:

- Phương pháp tối ưu hóa;

- Phương pháp mô phỏng

- Nguyên lý tiếp cận hệ thống;

- Phân tích rủi ro và độ tin cậy

- Phương pháp chuyên gia :

Các phương pháp tối ưu

* Phương pháp chính xác

• Quy hoạch toán học (Mathematical Programming)

• Quy hoạch tuyến tính (Linear Programming)

• Quy hoạch phi tuyến, Quy hoạch động (Dynamic Programming)

1.3.2 Phương pháp mô phỏng

Mô phỏng (Simulation): Quá trình sao chép lại hành vi của một hệ thống đang tồn tại hoặc được đề

xuất

- Thiết kế một mô hình của hệ thống và tiến hành thực nghiệm với mô hình đó nhằm để hiểu rõ hơn

về chức năng của hệ thống hoặc để đánh giá những chiến lược quản lý khác nhau của hệ thống đó

- Bản chất của mô phỏng là xác định lại động thái của hệ thống ở các mặt quan trọng để trả lời câu hỏi hệ thống phản ứng như thế nào với những điều kiện có thể áp đặt vào nó hoặc có thể phát sinh trong tương lai

- Các mô hình mô phỏng trong lĩnh vực tàig nguyên nước là họ mô hình MIKE, họ mô hình HEC v.v…

1.3.1 Phương pháp tối ưu hóa

* Phương pháp chính xác

• Quy hoạch toán học (Mathematical Programming)

• Quy hoạch tuyến tính (Linear Programming)

• Quy hoạch phi tuyến, Quy hoạch động (Dynamic Programming)

1.3.4 Phân tích rủi ro và độ tin cậy

Phân tích độ nhạy (SA) là việc nghiên cứu như thế nào không chắc chắn trong đầu ra của một mô hình (số hay

cách khác) có thể được phân bổ cho các nguồn khác nhau của sự không chắc chắn trong mô hình đầu vào

[1] Một thực tế liên quan là [[phân tích không chắc chắn trong đó tập trung nhiều hơn vào định lượng không chắc chắn về sản lượng mô hình Lý tưởng nhất, không chắc chắn và phân tích nhạy cảm nên được chạy song song

Trong không chắc chắn điều khoản nói chung và phân tích độ nhạy điều tra sự vững mạnh của một nghiên cứu khi nghiên cứu bao gồm một số hình thức [mô hình thống kê Phân tích độ nhạy có thể hữu ích để lập mô hình máy tính cho một loạt các mục đích,[2] bao gồm:

1.3.4 Phân tích rủi ro và độ tin cậy

Hỗ trợ ra quyết định hoặc phát triển các khuyến nghị cho các nhà sản xuất quyết định (ví dụ như kiểm tra sự vững mạnh của kết quả);

Tăng cường thông tn liên lạc từ nhà mô hình cho các nhà sản xuất quyết định (ví dụ bằng cách đưa ra các khuyến nghị đáng tn cậy hơn, dễ hiểu, hấp dẫn, thuyết phục);

Tăng cường sự hiểu biết hoặc định lượng của hệ thống (ví dụ như sự hiểu biết mối quan hệ giữa các biến số đầu vào và đầu ra);

1.3.4 Phân tích rủi ro và độ tin cậy

Mô hình phát triển (ví dụ như tìm kiếm các lỗi trong mô hình)

Hãy để chúng tôi đưa ra một ví dụ: trong bất kỳ quá trình lập ngân sách luôn có những biến không chắc chắn Mức thuế suất trong tương lai, lãi suất, tỷ lệ lạm phát, số lượng nhân viên, chi phí hoạt động và các biến khác có thể không được biết đến với độ chính xác tuyệt vời Độ nhạy phân tích trả lời câu hỏi, "nếu các biến này đi chệch từ

kỳ vọng, những gì các hiệu ứng sẽ là (kinh doanh, hệ thống, mô hình, hoặc bất cứ điều gì đang được phân tích)?"

thông qua các cuộc hội thảo, cuộc họp, khảo sát điều tra với các chuyên gia nghiên cứu chuyên sâu, chuyên gia quản lý ở trung ương ở Hà Nội và chuyên gia quản lý ở địa phương (các sở, ban, ngành, công ty quản lý công trình thủy lợi, cộng đồng nông dân và dân cư địa phương,…) ở các tỉnh vùng ven biển đồng bằng sông lưu vực nghiên cứu.