Áp dụng lý thuyết tối ưu hóa cho bài toán phân bổ hiệu quả tài nguyên nước ở lưu vực sông hồng thái bình

Tính chuyên nghiệp trong phân tích kinh tế tài nguyên nước được thể hiện ở hai khía cạnh căn bản là: i Như tuyên bố Dublin 1992 đã chỉ ra, nước có giá trị kinh tế và cần được coi như một

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO VĂN KHIÊM

ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SÔNG HỒNG-

THÁI BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO VĂN KHIÊM

ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SÔNG HỒNG-

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn theo đúng quy định

Tác giả luận án

Đào Văn Khiêm

Tác giả cũng chân thành cảm ơn đồng nghiệp GS.TS Nguyễn Khắc Minh, NCS Bùi Thu Hòa đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả trong việc hoàn thành Luận án

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU xi

1 Tính cấp thiết của đề tài xi

2 Mục tiêu nghiên cứu xii

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xii

4 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu xiii

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xiv

6 Những đóng góp mới của luận án xvi

7 Cấu trúc luận án xvii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặc điểm chung của lưu vực 1

1.1.1 Các đặc trưng về khí hậu 1

1.1.2 Các đặc điểm kinh tế xã hội 2

1.1.3 Tình hình quản lý tài nguyên nước của Hệ thống Sông Hồng Thái Bình 2

1.1.3.1 Tại Trung Quốc 2

1.1.3.2 Tại Việt Nam 3

1.2 Công tác quy hoạch và quản lý 4

1.2.1 Công tác ra quyết định ở cấp quy hoạch 4

1.2.2 Công tác quy hoạch ở mức quản lý 4

1.2.3 Quy hoạch ràng buộc cho tưới vụ Đông Xuân 5

1.2.4 Tình trạng khẩn cấp trong mùa lũ 5

1.3 Tình hình ứng dụng tối ưu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nước trên thế giới 6

1.3.1 Mô hình hóa quản lý tài nguyên nước cấp lưu vực sông 6

1.3.2 Kinh tế học phân bổ tài nguyên nước 8

1.3.4 Mô hình kinh tế thủy văn tổng hợp và các phát triển gần đây 12

1.4 Ứng dụng nghiên cứu tối ưu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tại lưu vực sông Hồng 14

iv

1.4.1 Quy hoạch tài nguyên nước ở vùng lưu vực sông Hồng Thái Bình 14

1.4.2 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa 15

1.4.3 Các thách thức trong việc xây dựng thủ tục vận hành liên hồ chứa 17

1.5 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa và mục tiêu nghiên cứu của Luận án 18 1.5.1 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa động trong phân bổ hiệu quả kinh tế trong QH&QLTNN tại Việt nam 18

1.5.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án 20

1.5.2.1 Tình hình nghiên cứu về tối ưu hóa trong QH&QLTNN ở Lưu vực Sông Hồng - Thái bình 20

1.5.2.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 21

CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC 25

2.1 Mở đầu 25

2.1.1 Đặt vấn đề 25

2.1.2 Mô hình phân bổ tài nguyên 27

2.2 Hệ thống Mô hình hóa Phân bổ Tài nguyên nước tại Lưu vực sông (Aquarius) 29 2.2.1 Giới thiệu mô hình Aquarius 29

2.2.2 Hiệu chỉnh và Phát triển mô hình Aquarius 33

2.2.3 Tóm tắt 35

2.3 Bài toán tối ưu hóa với ràng buộc hỗn hợp 36

2.3.1 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc đẳng thức 36

2.3.2 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc bất đẳng thức 37

2.3.3 Trường hợp tổng quát: các ràng buộc hỗn hợp 37

2.3.4 Một số nhận xét 38

2.4 Phương pháp giải gần đúng và ứng dụng phần mềm Lingo 39

2.4.1 Phương pháp giải gần đúng 39

2.4.2 Ứng dụng phần mềm Lingo 41

2.4.3 Phát triển thủ tục tối ưu hóa ngẫu nhiên cho ứng dụng 43

2.5 Kết luận 44

CHƯƠNG 3 PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƯU VỰC SÔNG HỒNG 45

3.1 Đặt vấn đề 45

v

3.2 Một số cấu trúc giá trị sử dụng nước và cấu trúc chi phí 45

3.2.1 Cấu trúc giá trị sử dụng nước tưới 46

3.2.1.1 Cầu tĩnh đối với nước tưới 46

3.2.1.2 Cầu động đối với nước tưới 48

3.2.2 Cấu trúc giá trị sử dụng nước phát điện 57

3.2.3 Cấu trúc chi phí 58

3.2.3.1 Chi phí vận hành 58

3.2.3.2 Chi phí vốn 60

3.2.3.3 Nhận xét 62

3.3 Mô hình tối ưu hóa động cho Hệ thống Núi Cốc 63

3.3.1 Giới thiệu Hệ thống Núi Cốc 63

3.3.2 Phân tích và ước lượng hàm cầu và hàm giá trị sử dụng nước 64

3.3.2.1 Hàm cầu sử dụng nước tưới 64

3.3.2.2 Hàm cầu sử dụng nước cho mục đích sinh hoạt 65

3.3.2.3 Hàm cầu nước cho mục đích phát điện 66

3.3.2.4 Hàm cầu sử dụng nước cho mục đích du lịch 67

3.3.3 Tính toán chi phí 67

3.3.4 Mô hình tối ưu hóa động cho hồ chứa Núi Cốc 70

3.3.4.1 Xác định hàm mục tiêu 70

3.3.4.2 Các ràng buộc 71

3.3.4.3 Sử dụng phần mềm Lingo 16 71

3.3.5 Tóm tắt các kết quả mô hình tối ưu hóa động tất định cho hồ chứa Núi Cốc 71

3.3.6 Tóm tắt kết quả của các mô hình tối ưu hóa động ngẫu nhiên 80

3.4 Mô hình tối ưu hóa động cho Hệ thống Sơn La – Hòa Bình 86

3.4.1 Giới thiệu hệ thống hồ chứa Sơn La – Hòa Bình 86

3.4.2 Mô hình phân bổ nước Hệ thống Sơn La – Hòa Bình 89

3.4.3 Kết quả mô hình tối ưu hóa động cho hệ thống Sơn La – Hòa Bình 90

3.5 Kết luận 102

CHƯƠNG 4 CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SÔNG HỒNG 105

4.1 Đặt vấn đề 105

vi

4.1.1 Giới thiệu về độc quyền 105

4.1.2 Khái niệm Độc quyền tự nhiên 106

4.1.2.1 Độc quyền trong công ty sản phẩm đơn 107

4.1.2.2 Điều chỉnh công ty sản phẩm đơn 108

4.1.2.3 Tóm tắt 110

4.1.3 Xây dựng phương pháp xác định cấu trúc độc quyền tự nhiên từ các kết quả lời giải tối ưu của mô hình tối ưu hóa động cho phân bổ hiệu quả nước 111

4.2 Các kết quả chạy mô hình tối ưu hóa động cho hệ thống Núi Cốc 116

4.3 Tối ưu hóa động ngẫu nhiên phục vụ nghiên cứu về cấu trúc độc quyền tự nhiên của hệ thống hồ chứa Sơn La – Hòa Bình 121

4.3.1 Tối ưu hóa động với cầu tưới đủ tất định giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên (mô hình chi phí hàm mũ) 122

4.3.2 Tối ưu hóa động với cầu tưới trước Đổi mới và dòng chảy đến ngẫu nhiên 123

4.3.3 Tối ưu hóa động với cầu tưới tất định sau Đổi mới và dòng chảy đến ngẫu nhiên (mô hình với chi phí hàm mũ) 124

4.3.4 Tối ưu hóa động với cầu tưới giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên không có sự can thiệp của chính phủ 125

4.3.5 Tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên trong điều kiện tưới đủ (mô hình với chi phí bậc ba) 126

4.3.6 Tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên trong điều kiện cạnh tranh hoàn hảo (mô hình với chi phí bậc ba) 127

4.3.7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu với mô hình cầu tưới ngẫu nhiên ARIMA (mô hình với chi phí hàm mũ) 128

4.3.8 Tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên giảm, dòng chảy đến ngẫu nhiên, và cầu điện tăng (mô hình với chi phí hàm mũ) 129

4.3.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu tính theo tháng (mô hình với chi phí hàm mũ) 130

4.3.10 Một số nhận xét 131

4.4 Kết luận chương 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

1 Kết quả đạt được của luận án 134

2 Tóm tắt các đóng góp chính của luận án 136

3 Kiến nghị và đề xuất từ các kết quả nghiên cứu của luận án 136

vii

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

PHỤ LỤC 145

MỘT SỐ THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG 216

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mô phỏng các biến liên quan đến hồ chứa 30

Hình 3.1 Các quỹ đạo tối ưu của các kế hoạch tối ưu ứng với các mẫu số liệu ngẫu nhiên về dòng chảy đến của hồ chứa Núi Cốc khi tưới đủ 81

Hình 3.2 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích ròng 82

Hình 3.3 Các quỹ đạo tối ưu hóa tùy thuộc các tình huống ngẫu nhiên 82

Hình 3.4 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích ròng 83

Hình 3.5 Tối ưu hóa với cầu tưới ngẫu nhiên và dòng chảy đến ngẫu nhiên 83

Hình 3.6 Hàm mật độ phân phối xác suất cho các mức tổng lợi ích ròng 84

Hình 3.7 Mô hình tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên do giá lúa ngẫu nhiên 84

Hình 3.8 Hàm phân phối xác suất của các mức tổng lợi ích ròng 85

Hình 3.9 Sơ đồ vận hành Liên hồ Sơn La – Hòa Bình 88

Hình 3.10 Các quỹ đạo tối ưu (theo giá trị hiện tại, tức là chưa được chiết khấu) với cầu tưới tất định giảm dần và dòng chảy đến ngẫu nhiên 93

Hình 3.11 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích đã chiết khấu 94

Hình 3.12 Các quỹ đạo tối ưu (đã được chiết khấu của tổng lợi ích với cầu tưới tất định giảm dần và dòng chảy đến ngẫu nhiên 94

Hình 3.13 Hàm mật độ phân phối xác suất trong trường hợp có chiết khấu 95

Hình 3.14 Các quỹ đạo tối ưu của các tổng lợi ích (chưa chiết khấu) 95

Hình 3.15 Hàm mật độ phân phối xác suất của các mức tổng lợi ích 96

Hình 3.16 Tối ưu hóa động với cầu tưới tất định và dòng chảy đến ngẫu nhiên 96

Hình 3.17 Hàm mật độ phân phối xác suất 97

Hình 3.18 Hàm mật độ phân phối xác suất 97

Hình 3.19 Các quỹ đạo của tổng lợi ích tối ưu (chưa chiết khấu) 98

Hình 4.1 Các quan hệ giữa AC và Q (biểu đồ a) và giữa TB/Q và Q (biểu đồ b) 114

Hình 4.2 Hàm cầu đối với xả nước từ hệ thống hồ chứa 115

Hình 4.3 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc cho tưới và phát điện 117

Hình 4.4 Độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc khi không can thiệp tưới 118

Hình 4.5 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của Núi Cốc khi cầu tưới và dòng chảy đến cùng là các đại lượng ngẫu nhiên trong điều kiện tưới đủ (3, 9, 15, 19) 119

Hình 4.6 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của Núi Cốc với các năm 5, 10, 13, 19 120

Hình 4.7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 2, 4, 9, 12, 15, và 19 122

Hình 4.8 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 1, 5, 10, 13, 19,21 123

Hình 4.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 7, 9, 13, 17, 19 124

Hình 4.10 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 5, 9, 13, 16, 20, 24 125

Hình 4.11 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 5, 9, 11, 18, 25 126

Hình 4.12 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 7, 9, 15, 19, 25 127

Hình 4.13 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 7, 9, 11, 17, 23 128

Hình 4.14 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 5, 9, 12, 19, 23 129

ix

Hình 4.15 Cấu trúc độc quyền tự nhiên theo tháng: tháng 3 năm 7; tháng 5 năm 20;

tháng 3 năm 3; và tháng 2 năm 1 130

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các phương pháp ước lượng cầu 46

Bảng 3.2 Các kết quả ước lượng ứng dụng thực tế ở Việt nam 48

Bảng 3.3 Quan hệ giữa giá tưới với mức tưới tại các giai đoạn tưới 50

Bảng 3.4 Số liệu tăng vốn FDI ở Việt nam 55

Bảng 3.5 Tổng hợp đường cầu nước tưới Hệ thống Núi Cốc Thái Nguyên 64

Bảng 3.6 Các tổng lợi ích tối ưu cho các sử dụng khác nhau (đơn vị tỷ VNĐ) 71

Bảng 3.7 Tổng chi phí và lợi ích ròng (đơn vị tỷ VNĐ) 72

Bảng 3.8 Phân bổ nước tưới cho một khu tưới (theo tháng, đơn vị tr m3) 73

Bảng 3.9 Các tổng lợi ích tối ưu cho các sử dụng khác nhau (đơn vị tỷ VNĐ) 74

Bảng 3.10 Tổng chi phí và lợi ích ròng (đơn vị tỷ VNĐ) 74

Bảng 3.11 Phân bổ nước tưới cho một khu tưới (theo tháng, đơn vị tr m3 ) 75

Bảng 3.12 Các tổng lợi ích tối ưu cho các sử dụng khác nhau (đơn vị tỷ VNĐ) 76

Bảng 3.13 Tổng chi phí và lợi ích ròng (đơn vị tỷ VNĐ) 76

Bảng 3.14 Phân bổ nước tưới cho một khu tưới (theo tháng, đơn vị tr m3) 77

Bảng 3.11 Tổng lợi ích và chi phí cho phát điện và tưới ở hệ thống Sơn La – Hòa Bình 91 Bảng 3.12 Phân bổ nước cho phát điện tại hồ chứa Sơn La 92

Bảng 4.1 Kết quả tối ưu theo tháng (tháng 8 năm thứ 25) cho một tình huống 113

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A0 Trung tâm Điều độ Quốc gia

DCP/MARD Vụ Trồng trọt

DWR/MARD Ban Giám đốc các Công ty khai thác các công trình thủy lợi

LTĐKTUNN Lý thuyết Tối ưu hóa Ngẫu nhiên

QH&QKTNN Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nước

xi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời đại chúng ta, dân số gia tăng nhanh, tốc độ tăng trưởng kinh tế lớn, cùng với những bất lợi trong biến đổi khí hậu khiến cho cầu sử dụng nước trong tất cả các lĩnh vực, từ cầu sử dụng nước sinh hoạt, cầu sử dụng nước tưới trong sản xuất nông nghiệp, cầu nước công nghiệp, cầu sử dụng nước cho các mục tiêu môi trường, sinh thái đều tăng lên với tốc độ lớn Bên cạnh những thay đổi về kỹ thuật tài nguyên nước, những thay đổi về kinh tế xã hội có ảnh hưởng ngày càng lớn lên các quyết định chính sách trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước Vì vậy, các nghiên cứu quy hoạch

và quản lý tài nguyên nước cần thiết có những tiếp cận phân tích kinh tế chuyên nghiệp để cung cấp thông tin đầy đủ cho các quyết định quản lý nền kinh tế

Tính chuyên nghiệp trong phân tích kinh tế tài nguyên nước được thể hiện ở hai khía cạnh căn bản là: (i) Như tuyên bố Dublin (1992) đã chỉ ra, nước có giá trị kinh tế và cần được coi như một hàng hóa kinh tế, do vậy, khung quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tại mọi quốc gia trên thế giới cần thiết phải bao gồm cả khung phân tích kinh tế dựa trên tiếp cận kinh tế thị trường để phân tích và đánh giá các hoạt động cung cấp và sử dụng tài nguyên nước; và (ii) Cũng như tuyên bố Dublin đã nói, nước

là một tài nguyên thiên nhiên ngày càng trở nên khan hiếm và dễ bị tổn thương, tức là khác với các tài nguyên và các hàng hóa thị trường khác, ngành nước là một ngành nổi tiếng vì có nhiều “thất bại thị trường”, tức là có nhiều đặc tính khiến cho các giao dịch thị trường nước sẽ tao ra nhiều ngoại ứng xấu Điều này hàm ý khung phân tích kinh tế cho ngành nước phải được áp dụng dựa trên những nghiên cứu đặc biệt về phân tích

„thất bại thị trường‟ và các biện pháp để khắc phục những sự cố này

Vì vậy, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước đồng thời phải đứng trước những thách thức lớn: bên cạnh việc gia tăng nghiên cứu và ứng dụng các tiến bộ khoa học tự nhiên

để gia tăng khả năng phân tích, đánh giá và dự báo các quy luật biến đổi về nước, còn cần chú trọng tới công tác nghiên cứu và các biện pháp khắc phục các nhân tố “thất bại thị trường”, và phát triển các thể chế thích hợp để quản lý nước để cải thiện quy hoạch

xii

và quản lý tài nguyên nước Để đối phó với các thách thức nói trên, các chuyên gia quy hoạch và quản lý tài nguyên nước quốc tế đã đề xuất tiếp cận phát triển các công

cụ mô hình hóa theo tiếp cận mô phỏng và tối ưu hóa các bài toán quy hoạch và quản

lý tài nguyên nước ở các lưu vực sông khác nhau

2 Mục tiêu nghiên cứu

Do vậy, để góp phần giải quyết các thách thức trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước ở Việt Nam, mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng mô hình tối ưu hóa động ngẫu nhiên phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tính đến một cách có hệ thống các cấu phần phân tích và đánh giá kinh tế

Để đáp ứng mục tiêu của nghiên cứu nói trên, các mục tiêu cụ thể của luận án là: Nghiên cứu và áp dụng khung phát triển thước đo giá trị kinh tế cho các sử dụng nước dựa trên tiếp cận kinh tế thị trường có điều tiết, tức là xây dựng hàm mục tiêu xuất phát từ các hàm giá trị và các hàm chi phí của các sử dụng nước vào điều kiện Việt nam

Dựa trên các hàm mục tiêu xây dựng được, xây dựng và phát triển các mô hình tối ưu hóa động ngẫu nhiên trên cơ sở Lý thuyết Tối ưu hóa cho bài toán phân bổ hiệu quả tài nguyên nước tại một số tiểu lưu vực tại LVSHTB

Tổ chức thu thập số liệu và các thông tin cần thiết cho giai đoạn được chọn cho phân tích hiệu quả phân bổ nước và chạy các mô hình tối ưu hóa động tất định cũng như ngẫu nhiên để xác định lời giải tối ưu và kiểm tra tính ổn định nghiệm để bảo đảm kết quả tìm được là chắc chắn trước các nhiễu ngẫu nhiên khác nhau

Sau khi đã bảo đảm lời giải của các mô hình tối ưu đạt được yêu cầu về tính ổn định,

áp dụng mô hình trên để nghiên cứu một số đặc điểm về cấu trúc kinh tế của các hệ thống Núi Cốc và Sơn La – Hòa Bình và rút ra những kết luận và hàm ý chính sách cho điều chỉnh quy hoạch và quản lý cho các hệ thống này

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

xiii

Đối tượng chính của nghiên cứu là các hệ thống phân bổ nước cho các sử dụng nước Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các hoạt động cung cấp nước cho tưới lúa và cung cấp nước cho phát điện Các hoạt động sử dụng nước khác cũng được đưa vào mô hình, tuy nhiên không được đề cập chi tiết vì những hạn chế về quy mô của luận án

Các nghiên cứu của luận án thực tế sử dụng các số liệu và thông tin cho giai đoạn nghiên cứu 21 năm cho hệ thống Núi Cốc và 25 năm cho hệ thống Sơn La – Hòa Bình Đây là điều kiện dài hạn nhằm phục vụ phát triển các mô hình động học

4 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Để phục vụ mục tiêu nghiên cứu theo tiếp cận mô hình hóa Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước, tác giả đã sử dụng những phương pháp khoa học sau:

Khung mô hình hóa mô phỏng và tối ưu trong Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nước (tài liệu tham khảo là Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nước của Loucks và Van Beek, Nhà xuất bản UNESCO);

xiv

Khung nghiên cứu, phân tích, và đánh giá giá trị trong phân bổ tài nguyên nước (Tài liệu chính tham khảo là Hệ thống Mô hình hóa Phân bổ nước ở Lưu vực Sông của Diaz, Brown, và Sveinsoon (Mỹ)

Phương pháp xác suất, thống kê, kinh tế lượng: là những phương pháp sử dụng khoa học xác suất thống kê để đo lường các đại lượng cũng như các quan hệ kinh tế dựa trên các quan sát và lấy mẫu ngẫu nhiên

Phương pháp mô hình hóa tối ưu hóa: là khoa học nghiên cứu về hệ thống động được điều khiển một cách tối ưu Dựa vào phương pháp này có thể thiết kế các mô hình tối

ưu hóa động ứng dụng để mô phỏng tối ưu các hoạt động kinh tế ngành nước

Phương pháp kỹ thuật số để giải xấp xỉ các bài toán tối ưu hóa động Mặc dù luận án

đã sử dụng một số mô hình lý thuyết để mô tả và tìm lời giải tối ưu cho các hệ động học phân bổ tài nguyên nước, nhưng phương pháp giải thực tế cho đại đa số các mô hình vẫn là phương pháp xấp xỉ với sự giúp đỡ của máy tính Các kết quả tính toán của các mô hình trong luận án sử dụng nhiều các phương pháp này

Bên cạnh các phương pháp lý thuyết kinh tế tài nguyên nước, các phương pháp toán học và kỹ thuật tính toán máy tính, luận án còn dựa nhiều vào các thông tin được thu thập trong thực tế cung cấp và sử dụng tài nguyên nước Các phương pháp được sử dụng là lấy mẫu ngẫu nhiên và điều tra phỏng vấn người sản xuất cũng như người tiêu dùng, ví dụ như phương pháp CVM

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học:

Phát triển một cách có kế thừa công cụ toán học tối ưu hóa động ngẫu nhiên cho quy hoạch và quản lý nước tại LVSHTB: (1) Xây dựng được mô hình tối ưu hóa động ngẫu nhiên cho phân bổ hiệu quả tài nguyên nước ở một số tiểu lưu vực thuộc LVSHTB, góp phần thúc đẩy áp dụng các phương pháp mô hình hóa tân tiến vào nghiên cứu tài nguyên nước ở Việt nam; (2) Tích hợp một cách có hệ thống các cấu phần kinh như cấu trúc chi phí và hàm mục tiêu về lợi ích sử dụng nước tại khu vực LVSHTB vào mô hình, góp phần phát triển nghiên cứu kinh tế một cách có hệ thống

xv

dựa trên tiếp cận thị trường có điều tiết trong điều kiện của LVSHTB; (3) Sử dụng các phần mềm hiện đại, ví dụ như Lingo (có bản quyền), là một phần mềm mới được phát triển sau phần mềm truyền thống GAMS, góp phần thúc đẩy sử dụng các công cụ kỹ thuật kỹ thuật số vào thực hành quy hoạch và quản lý nước ở Việt nam

Ứng dụng tiếp cận tối ưu hóa động ngẫu nhiên là bài toán phức tạp Để nghiên cứu bài toán động, luận án còn phải giải quyết một số mô hình con, ví dụ như xây dựng mô hình cầu động cho tưới, cho dòng chảy đến của hồ chứa, … Việc xây dựng các mô hình con này cũng góp phần phát triển mô hình hóa một số hệ thống động học, là nghiên cứu cơ bản để có thể phát triển các mô hình động học cho nhiều mô hình con khác như cầu động cho thủy điện, cầu nước sinh hoạt, … cho nghiên cứu sau này Phát triển công cụ tối ưu hóa động ngẫu nhiên để đánh giá thuộc tính “độc quyền tự nhiên” trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cấp lưu vực sông Đây là vấn đề lần đầu tiên được quan tâm nghiên cứu ở Việt nam và hầu như cũng chưa được nghiên cứu trong phạm vi lĩnh vực quy hoạch và quản lý tài nguyên nước trên thế giới, mặc

dù đã được các chuyên gia kinh tế học mới phát triển để nghiên cứu trong một số lĩnh vực độc quyền tự nhiên khác như hệ thống mạng lưới điện thoại, các mạng internet, mạng lưới phân phối điện năng, vân vân Mặc dù, đây chỉ là một nghiên cứu bước đầu, nhưng chắc chắn sẽ đặt cơ sở nền tảng cho phát triển nhiều nghiên cứu kinh tế hiện đại

để nâng cao quản lý rất có hiệu quả các dịch vụ sử dụng nước

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Trong hoàn cảnh hiện nay, Đảng và Chính phủ đang tiến hành công cuộc thúc đẩy phát triển kinh tế theo định hướng kinh tế thị trường có điều tiết của Nhà nước để đẩy mạnh tăng trưởng kinh tế của nước nhà, tuy nhiên, kinh nghiệm, hiểu biết, và trình độ quản

lý kinh tế hiện đại của các chuyên gia kinh tế Việt nam còn rất hạn chế, chưa đáp ứng yêu cầu của thời đại Cụ thể, Luật Thủy lợi vừa được Quốc hội thông qua vào tháng 6 năm 2007 đã đánh dấu một bước tiến quan trọng theo định hướng thị trường nói trên Các nỗ lực nghiên cứu của luận án là nhằm góp phần cải thiện kiến thức hiểu biết và các biện pháp thực hành quản lý các hệ thống kinh tế định hướng thị trường có điều

xvi

tiết của Nhà nước, phục vụ các nhiệm vụ kinh tế của ngành nước, cụ thể là quy hoạch

và quản lý nước ở cấp lưu vực sông

Ứng dụng tối ưu hóa động ngẫu nhiên trong phân bổ hiệu quả tài nguyên nước cũng có vai trò quan trọng trong việc đặt nền móng các nghiên cứu về tài nguyên môi trường Trong quá trình làm luận án, tác giả đã tham gia các hội thảo, phân tích và đánh giá các dự án quản lý kinh tế nước như Hội thảo “Định giá tài nguyên nước” do World Bank tổ chức, phản biện cho Đề tài “Kế toán Nước” của Viện Chiến lược, Chính sách Tài nguyên và Môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường) và nhiều seminar và hội thảo khác, và đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng được các chuyên gia đánh giá có chất lượng tốt Do vậy, có thể hy vọng rằng kinh tế nghiên cứu của luận án sẽ tạo cơ sở cho nhiều đóng góp vào thực tế quy hoạch và quản lý tài nguyên và môi trường nói chung và tài nguyên nước nói riêng

Hai ý nghĩa thực tiễn trên gắn với những chủ đề phát triển khung lý thuyết thích hợp cho nghiên cứu phân bổ hiệu quả tài nguyên nước tại LVSHTB Bên cạnh đó, còn một khó khăn thực hành nữa mà luận án cần bỏ nỗ lực để khắc phục là khả năng tổ chức thực hiện và vận hành các bài toán lớn bằng cách áp dụng các kỹ thuật hiện đại: Bên cạnh việc vận hành các phần mềm chương trình máy tính để chạy bài toán tối ưu hóa động ngẫu nhiên, nhiều kỹ thuật khác cũng cần phải được xử lý như các mô hình mô phỏng dòng chảy đến bằng các phương pháp kinh tế lượng phân tích số liệu chuỗi thời gian có tên gọi là Tự hồi quy Trung bình Trượt (ARIMA) để xây dựng các mô hình động về dòng chảy cũng như biến động giá cả

Ngoài ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng các công cụ hiện đại phục vụ trực tiếp cho

mô hình tối ưu hóa động, việc sử dụng các kỹ thuật hiện đại kết hợp với sử dụng các

mô hình tính toán kỹ thuật số tiến tiến còn tạo điều kiện để hướng tới việc phát triển các phương pháp tiến tiến và hiện đại hơn như trí tuệ nhân tạo và các kỹ thuật tin học tiên tiến khác trong các nghiên cứu ngành nước trong tương lai gần, để theo kịp nhịp

độ phát triển của khu vực

6 Những đóng góp mới của luận án

Các đóng góp chính của luận án bao gồm:

xvii

(1) Thiết lập được bài toán phân bổ tối ưu tài nguyên nước cho 2 tiểu lưu vực của Lưu vực sông Hồng – Thái Bình và giải bài toán tối ưu trong môi trường Lingo (2) Xây dựng phương pháp xác định và ước lượng cầu động của các yêu cầu sử dụng nước tưới và phát điện, làm số liệu đầu vào cho bài toán phân bổ nước tối ưu theo các dự báo về xu thế phát triển của nền kinh tế trong tương lai

(3) Đưa ra phương pháp phân tích đặc tính cấu trúc của cơ chế độc quyền tự nhiên, xác định được tính mạnh yếu của độc quyền tự nhiên, làm cơ sở cho việc hoạch định chính sách hợp lý trong quá trình quản lý các hoạt động dịch vụ về nước của các đối tượng trực tiếp khai thác và quản lý tài nguyên nước

7 Cấu trúc luận án

Chương 1: TỔNG QUAN

Nội dung chương này mô tả các đặc điểm điển hình của Lưu vực Sông Hồng - Thái Bình cùng với môi trường quy hoạch và quản lý tài nguyên nước trong phần lãnh thổ Việt nam trong thời gian gần đây Chương này cũng chỉ ra tính cấp thiết cho nghiên cứu và các kết quả chính mà nghiên cứu đạt được

Chương 2: THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ TỐI ƯU TÀI NGUYÊN NƯỚC

Nội dung chương này trình bày tóm tắt kiến thức cơ bản về Mô hình hóa Hệ thống trong Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nước, Lý thuyết Kinh tế Tài nguyên Nước,

Lý thuyết Tối ưu hóa tất định, và từ đó xác định tiếp cận tối ưu hóa động cho bài toán phân bổ tài nguyên nước ở LVSHTB

Chương 3: PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƯU VỰC SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH

Chương này trình bày các kết quả thiết kế và xây dựng mô hình tối ưu hóa động tất định và ngẫu nhiên cho bài toán phân bổ hiệu quả kinh tế ở lưu vực sông Và trên cơ

sở đó chạy các chương trình tối ưu hóa động tất định và ngẫu nhiên cho một số hệ thống như hệ thống Núi Cốc và hệ thống Sơn La – Hòa Bình

Kết luận và các kiến nghị: phần này tổng kết các kết quả nghiên cứu và các đề xuất kiến nghị cho việc làm quyết định của các nhà quản lý hệ thống

Phụ lục: Các kết quả nghiệm tối ưu cho các trường hợp khác nhau của nghiên cứu

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Dựa trên các báo cáo và các tài liệu khác của Viện Quy hoạch Thủy lợi Hà Nội, có thể

mô tả một cách tổng quan một số đặc điểm của chung của Lưu vực Sông Hồng – Thái Bình và tình hình tóm tắt về quy hoạch và quản lý tài nguyên nước ở đây như sau

1.1 Đặc điểm chung của lưu vực

Lưu vực sông Hồng - Thái Bình là một lưu vực sông quốc tế bao phủ 169.000 km2 trải qua 3 quốc gia Việt Nam, Trung Quốc và Lào Lưu vực sông Hồng – Thái Bình có khí hậu gió mùa cùng với các mùa mưa và khô rõ rệt

1.1.1 Các đặc trưng về khí hậu

Khí hậu của vùng châu thổ sông Hồng - Thái Bình được đặc trưng bởi độ ẩm và nhiệt

độ cao điển hình của khí hậu nhiệt đới với việc phân chia mùa rõ ràng Tại các vĩ độ cao hơn của vùng phân thủy khí hậu có nhiều điểm tương tự như vùng cận nhiệt đới Các mùa khí hậu ở vùng châu thổ sông Hồng bị ảnh hưởng mạnh bởi gió mùa

Lượng mưa hàng năm thay đổi mạnh từ (700†2.100) mm/năm ở Trung Quốc, (1.200†4.800) mm/năm ở Việt Nam Lượng mưa cao nhất là ở vùng phân thủy sông

Đà, sau đó là sông Thao và sông Lô Tổng số ngày mưa ở Việt Nam thay đổi trong khoảng (125†160) ngày Lượng mưa cũng thay đổi mạnh giữa các vùng lãnh thổ ở Việt Nam

Dòng chảy trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình được tạo thành bởi lượng mưa năm trung bình tại Sơn Tây khoảng 118 tỷ m3 tương đương với lưu lượng là 3.743 m3/s Nếu sông Thái Bình, sông Đáy và vùng châu thổ được đưa vào xem xét, tổng lượng dòng chảy có thể đạt tới 135 tỷ m3, bao gồm 82,54 tỷ m3

(khoảng 61.1%) của tổng lượng dòng chảy ở Việt Nam và 52,46 tỷ m3 (khoảng 38,9%) được hình thành ở Trung Quốc Vì vùng lãnh thổ hay bị gián đoạn và lượng mưa không được phân phối đều, dòng chảy thay đổi từ tiểu lưu vực này tới tiểu lưu vực khác

Trong số 3 sông nhánh lớn thượng nguồn của sông Hồng, sông Đà có lưu lượng cao nhất khoảng 42% Sông Thao có cùng diện tích lưu vực như sông Đà nhưng lưu lượng

2

thấp nhất, chỉ vào khoảng 19% Sông Lô có diện tích thấp nhất nhưng lưu lượng chỉ đứng sau sông Đà chiếm 25,4% (so với lưu lượng tại Sơn Tây)

1.1.2 Các đặc điểm kinh tế xã hội

Vùng châu thổ sông Hồng ở Việt Nam trải rộng qua 24 tỉnh thành và tổng dân số đạt tới 29 triệu người (năm 2009), chiếm 95% dân số của miền Bắc

Nền kinh tế ở vùng châu thổ đang phát triển mạnh, vùng này có thể chia nhỏ thành 2 vùng kinh tế: vùng đồng bằng sông Hồng và vùng trung du bao gồm các vùng núi ở phía Bắc Các thành phố lớn bao gồm Hà Nội, là trung tâm quốc gia về kinh tế, chính trị và văn hóa, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hưng Yên, Hải Phòng

GDP của vùng châu thổ và vùng trung du đại diện cho gần 20% GDP quốc dân, GDP đầu người của vùng trung du năm 2010 ở phía Bắc là 9.765 nghìn đồng (43% của GDP trung bình đầu người của quốc gia) trong khi GDP đầu người của vùng châu thổ là vào khoảng 23.736 nghìn đồng (104% của GDP trung bình đầu người quốc gia)

1.1.3 Tình hình quản lý tài nguyên nước của Hệ thống Sông Hồng Thái Bình

1.1.3.1 Tại Trung Quốc

Một phần quan trọng của vùng phân thủy của hệ thống sông thuộc về Trung Quốc và thông tin về những vùng này là khan hiếm Điều này gây ra những khó khăn để Việt Nam có thể dự báo dòng chảy đến hiện thời và tương lai từ những vùng lãnh thổ này

và hậu quả là khó dự báo hiệu quả cho quản lý tài nguyên nước Thông tin hiện tại về phần lưu vực ở Trung Quốc cho thấy Trung Quốc tăng cường khai thác lưu vực để sản xuất thủy điện: Có bằng chứng cho thấy khoảng 62 thủy điện từ nhỏ đến trung bình nằm ở thượng nguồn sông Đà, sông Lô và sông Thao đang vận hành hoặc sẽ được quy hoạch

Các hồ chứa này ở Trung Quốc chủ yếu được xây dựng từ năm 2007, tổng công suất của các hồ chứa là hơn 4 tỷ m3 Chúng chủ yếu có kích thước trung bình và nằm ở thượng nguồn lưu vực sông Đà, trong khi một số nằm ở sông Thao và sông Lô Tuy nhiên, thông tin về những nhà máy này (vị trí, công suất trữ nước, cách sử dụng

Vào mùa khô (tháng 12 đến tháng 5), các hồ chứa ở Trung Quốc, chủ yếu quan tâm đến sản xuất thủy điện, xả lượng nước cố định để sản xuất điện mà không ảnh hưởng tiêu cực đến chính sách xả nước ở phần vùng lưu thủy Việt Nam nhằm cung cấp nước tưới Tuy nhiên, khi mùa khô kết thúc vào tháng 4, các hồ chứa Trung Quốc bắt đầu chững nước, làm giảm dòng chảy vào Việt Nam gây ra ảnh hưởng đến khả năng sẵn có nước vào cuối mùa khô

1.1.3.2 Tại Việt Nam

Hệ thống Hồng Thái Bình ở phía Việt Nam có 4 hồ chứa đa mục tiêu lớn: Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang và Sơn La đang vận hành để đáp ứng các nhu cầu của Việt Nam về sản xuất thủy điện, cung cấp tưới và kiểm soát lũ Công suất cắt lũ là 8,45 tỷ

m3, công suất sử dụng là 19,86 tỷ m3 và công suất thủy điện được lắp đặt là 6.246 MW

Hồ Thác Bà hoàn thành năm 1971, thiết kế ban đầu là để cung cấp nước và sản xuất thủy điện (440MW) không có kiểm soát lũ Vào năm 1977, trách nhiệm kiểm soát lũ cho vùng đồng bằng đã được bổ sung Vì Hòa Bình và Sơn La đang vận hành cho nên kiểm soát lũ trở nên không đáng kể

Hồ Hòa Bình xây dựng trên Sông Đà và vận hành vào năm 1991 cho các mục đích kiểm soát lũ, sản xuất thủy điện và cung cấp nước cho hạ du Vai trò của hồ trong kiểm soát lũ ở vùng Châu thổ rất quan trọng Công suất chống lũ đạt tới 4,9 tỷ m3, công suất lắp đặt 1.920 MW, công suất cung cấp nước hữu ích là 9,5 tỷ m3

/s

4

Hồ chứa Sơn La được xây dựng trên Sông Đà bắt đầu vận hành vào năm 2010 với các trách nhiệm chính là để cắt lũ dọc hồ chứa Hòa Bình với công suất 7 tỷ m3 (có khả năng chia 3 tỷ m3 cho Hòa Bình và 4 tỷ m3 cho Sơn La), công suất cung cấp nước là 6,504 tỷ m3

m3), Bản Chác (1.616x106

m3), Huổi Quảng (115x106m3); (ii) Lưu vực Sông Lô-Gâm: Na Lê (103x106m3, 90MW), (iii) Cầu-Thương-Lục Nam Núi Cốc (168x106m3), Cấm Sơn (227x106m3)

1.2 Công tác quy hoạch và quản lý

1.2.1 Công tác ra quyết định ở cấp quy hoạch

Làm quyết định ở cấp quy hoạch cho các hồ chứa nói chung được thực hiện bởi Chính phủ Theo Luật Xây dựng Việt Nam, tất cả các hoạt động đầu tư cho các kế hoạch xây dựng phải được tuân thủ theo quyết định và được chấp thuận ở các cấp đặc biệt

Các hoạt động quy hoạch có thể được thay đổi và liên quan tới các ngành khác nhau Trong việc xây dựng các hệ thống tưới và các công trình điều tiết và quản lý nước, có quy hoạch tài nguyên nước, quy hoạch năng lượng (cụ thể đối với tưới là: quy hoạch tưới, kiểm soát lũ, tần suất lũ, cung cấp nước, hệ thống đê điều; đối với điện có: quy hoạch và phát triển điện quốc gia của các nhà máy năng lượng nhỏ và trung)

Quy hoạch tài nguyên nước được thực hiện bởi bộ Tài nguyên môi trường, là nơi thiết lập và đệ trình hoặc chấp thuận sau khi tư vấn các bộ, ban, ngành khác có liên quan; Quy hoạch năng lượng do Bộ Công Thương thực hiện, là nơi thiết lập và đệ trình hoặc chấp thuận sau khi tham khảo các bộ ban ngành có liên quan;

Các công việc xây dựng lớn và chủ yếu cần được đệ trình lên Quốc hội và phải được phê duyệt bởi Quốc hội trước khi xây dựng

1.2.2 Công tác quy hoạch ở mức quản lý

5

Các hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và các nhà máy thủy điện được phân loại là cơ sở hạ tầng đa mục tiêu và chiến lược Do vậy, vận hành hệ thống các hồ không được quản lý bởi các công ty mà chịu sự quản lý trực tiếp của Bộ Công Thương (MOIT) và Bộ Nông nghiệp & PTNT (MARD), là các Bộ sử dụng tiếp cận điều tiết tổng hợp cho các trụ cột sản xuất năng lượng, phòng lũ và cung cấp nước

Về việc làm quyết định thường ngày để vận hành hoạt động Liên hồ chứa, vai trò này thuộc về Trung tâm Điều độ Quốc gia (A0), là một đơn vị thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) và dưới sự giám sát của MOIT và EVN A0 trong điều kiện không khẩn cấp cung cấp kiểm soát ngày các cơ sở hạ tầng chiến lược bằng cách tuyên bố lịch xả nước theo giờ của họ Điều chỉnh ngày cần được thực hiện phù hợp với Quy hoạch Điều tiết Tháng được Cục Điều tiết Điện lực (ERAV) và EVN công bố Kế hoạch Điều tiết Tháng (MRP) sẽ cập nhật Kế hoạch Xả nước Năm (ARP) Điều này sau đó được xác định hàng năm vào cuối Tháng Mười hai bởi ERAV

1.2.3 Quy hoạch ràng buộc cho tưới vụ Đông Xuân

Đầu tháng 12 Vụ Trồng trọt (DCP/MARD), và Sở NN&PTNT các tỉnh (DARD) thu thập và đệ trình cho DWR/MARD các kế hoạch mùa vụ lịch tưới cho mùa vụ tưới sắp tới ở các huyện (tháng 1 đến tháng 5) Trong khi Trung tâm Khí tượng Thủy văn (NCHMS) thuộc MONRE thu thập các kịch bản khí tượng thủy văn và thủy triều cho cùng giai đoạn này

Cầu nước trong hệ thống được ước lượng bằng cách sử dụng các phương pháp thông thường Đối với các diện tích canh tác phương pháp được sử dụng là phương pháp đáp ứng yêu cầu nước mùa vụ Những sử dụng nước sinh hoạt và công nghiệp được tính bởi lượng được sử dụng nhân với quy mô của hộ sử dụng nước

6

của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, nếu mùa lũ có khả năng kết thúc sớm, được Ban Chỉ đạo Phòng chống lụt bão Trung ương cho phép, được phép tích dần sao cho đến ngày 30 tháng 9 đạt cao trình mực nước dâng bình thường

1.3 Tình hình ứng dụng tối ưu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nước trên thế giới

Phân bổ hiệu quả tài nguyên nước trong các lưu vực sông ngày càng trở nên một vấn

đề tối quan trọng Mục này sẽ trình bày một số đánh giá tổng quan của các nhà nghiên cứu thế giới về các mô hình kết hợp kinh tế thủy văn để đề cập tới những vấn đề của quy hoạch và quản lý tài nguyên nước liên quan tới phân bổ hiệu quả tài nguyên nước

1.3.1 Mô hình hóa quản lý tài nguyên nước cấp lưu vực sông

Nghiên cứu này xuất phát từ một khung của bài toán quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cấp lưu vực sông Bài toán này đã được nghiên cứu khá rộng rãi trong thời gian gần đây ở khắp nơi trên thế giới Một số nghiên cứu điển hình được trích dẫn trong tiểu mục này và ba tiểu mục tiếp theo là: cuốn sách “Water Resources Systems Planning and Management” của Daniel P Loucks và Eelco van Beek (UNESCO, 2015), và một nghiên cứu tổng quan “Modeling Water Resoucres Management at the

Basin Level: Review And Future Directions” của các chuyên gia Daene C McKinney, Ximing Cai, Mark W Rosegrant, Claudia Ringler, và Christopher A Scott (IWMI,

 Hàm mục tiêu là một công cụ hữu ích để phản ánh nhiều quy tắc, nguyên tắc, và ràng buộc trong quản lý tài nguyên nước trong khung mô hình hóa Trong nhiều trường hợp, một vài mục tiêu (hiệu quả kinh tế, phúc lợi xã hội, bền vững môi trường, vân vân) phải được xử lý với một cách đồng thời;

7

 Một hệ thống lưu vực sông được tạo thành bởi ba cấu phần: (1) các cấu phần nguồn như các con sông, các kênh dẫn, các hồ chứa, và các tầng ngậm nước; (2) các cấu phần cầu (các ruộng được tưới, các nhà máy công nghiệp, và các thành phố) và sử dụng trên dòng chảy (thủy năng, giải trí, môi trường); và (3) các cấu phần trung gian như các nhà máy và các trang thiết bị tái sử dụng và tái chế nước;

 Trên cơ sở tổng quan này, những vấn đề quản lý của các hệ thống lưu vực sông nói chung giả định cung cấp nước bắt đầu từ những con sông, các hồ chứa, và các tầng ngậm nước Các dòng chảy đến tới những thực thể này có thể được tính toán qua các mô hình dòng chảy thoát-mưa Các tác động của dao động thời tiết và thủy văn đối với cung cấp nước có thể được đưa vào các mô hình quản lý nước qua mô

tả các kịch bản thời tiết và thủy văn;

 Nước có thể được sử dụng cho các mục đích trên dòng chảy, bao gồm nhà máy thủy năng, giải trí, hòa tan chất thải, cũng như các mục đích ngoài dòng chảy được phân phối cho các sử dụng nước nông nghiệp và các sử dụng nước thành thị và công nghiệp (M&I) Mục tiêu của việc mô hình hóa là tối đa các lợi ích kinh tế xã hội của khu vực lưu vực sông, là nơi không chỉ bao gồm các đóng góp tích cực từ các giá trị kinh tế và sử dụng nước M&I, lợi nhuận từ tưới, và các lợi ích từ các sử dụng nước trên dòng chảy, mà còn đòi hỏi tính tới thiệt hại môi trường do xả chất thải M&I, tiêu nước tưới, và các tác động tiêu cực tiềm năng lên các sử dụng trên dòng chảy;

 Đặc biệt quan trọng cho các phân tích cấp lưu vực là các mô hình có hai kiểu căn

bản là: các mô hình mô phỏng hành vi tài nguyên nước phù hợp với tập các quy tắc

đã được xác định trước (thực tế và giả tưởng) để điều hành phân bổ nước và vận

hành cơ sở hạ tầng, và các mô hình tối ưu và lựa chọn phân bổ và cơ sở hạ tầng

dựa vào một hàm mục tiêu (kinh tế hoặc khác) và kết hợp với các ràng buộc;

 Trong khi đánh giá hoạt động hệ thống có thể tốt nhất được đề cập với các mô hình mô phỏng, các mô hình tối ưu là hữu ích hơn nếu cải thiện hoạt động hệ thống là mục tiêu chính Các mô hình cũng có thể bao gồm đồng thời cả các khả năng mô phỏng lẫn tối ưu hóa;

8

 Trong các mô hình tối ưu hóa, đặc biệt ở cấp lưu vực, các tương tác thủy văn, thủy lực giữa các nguồn nước chính và các sử dụng của chúng có thể được mô tả ít chi tiết hơn so với chúng có thể để nắm bắt động học tài nguyên rộng lớn hơn Khi đã biết khối lượng đáng kể và độ phức tạp của số liệu và các phân tích được yêu cầu

để hỗ trợ các quyết định chính sách ở cấp lưu vực, các kiểu mô hình được nghiên cứu được chỉ ra ở trên rõ ràng thể hiện tiếp cận khoa học tốt nhất cho nhận biết, kiểm định và ứng dụng thành công các chiến lược phân bổ tài nguyên nước một cách hiệu quả và hợp lý

1.3.2 Kinh tế học phân bổ tài nguyên nước

Về vấn đề nghiên cứu kinh tế trong mô hình hóa quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cấp lưu vực, Rosegrant và Meinzen-Dick (1996) đã chỉ ra rằng:

Chỉ bằng cách nghiên cứu tất cả các cấu phần tương tác hưởng lợi từ và gây hại cho nguồn tài nguyên, sử dụng tối ưu từ quan điểm xã hội mới có thể được thiết lập Bởi vậy, cùng với sự khan hiếm ngày càng gia tăng của nước và sự cạnh tranh gia tăng đối với nước qua các ngành, các vấn đề kinh tế trong phân bổ nước đang ngày càng gia tăng tầm quan trọng trong quản lý lưu vực sông

Tổng hợp kinh tế học vào các mô hình lưu vực sông yêu cầu kết hợp các hàm sản xuất

sử dụng nước như các đầu vào, và các hàm cầu đối với nước để ước lượng giá trị của nước theo các ngành Ước lượng giá trị của các kiểu cầu khác đối với nước bên trong lưu vực sông, kể cả các cầu môi trường, chất lượng nước, cầu giải trí, và thủy năng cũng là đáng mong muốn Tuy nhiên, do một số hạn chế về quy mô của luận án, các

mô hình được xem xét chủ yếu tập trung vào một số tiểu lưu vực như Hệ thống Núi Cốc và Hệ thống Sơn La – Hòa Bình với các sử dụng chính bao gồm nước tưới và nước cho phát điện Các mục tiêu khác thể hiện trong các ràng buộc của mô hình Mục tiếp theo sẽ nghiên cứu tổng quan các phương pháp khác nhau cho đo lường giá trị của nước trong các sử dụng nông nghiệp và phi nông nghiệp

Đánh giá giá trị Nước cho Sử dụng Nông nghiệp

Hàm sản xuất sản lượng mùa vụ và sử dụng nước

9

Dinar và Letey (1996) trong nghiên cứu của mình đã nêu lên bộ phận căn bản của mô hình hóa cho ước lượng hàm cầu sử dụng nước trong nông nghiệp là hàm sản xuất, là hàm số liên hệ sản lượng mùa vụ với sử dụng nước và các đầu vào khác Các tác giả cũng chỉ ra có bốn kiểu hàm sản xuất thường được sử dụng là: Các mô hình bốc thoát hơi nước của mùa vụ (Hanks và Hill, 1980), các mô hình mô phỏng (Dinar và Letey, 1996; Cardon và Letey, 1992; …), các mô hình ước lượng (Dinar và Letey, 1996; Moore, Gollehon, và Negri, 1993; …) và các mô hình lai ghép, kết hợp ba kiểu trên (Howitt, 1995; Rosegrant và Shetty, 1994; …)

Một tiếp cận khác để xây dựng hàm sản xuất cho sản xuất nông nghiệp là tiếp cận quy hoạch tối ưu được tóm tắt trong cuốn “Economics of Water Resources” của Griffin (2006) Theo các chuyên gia trong tiếp cận này, ước lượng cầu sản xuất nông nghiệp đối với nước và giá trị nhận được của khối lượng nước đó trong sản xuất cũng đòi hỏi một quy tắc quyết định để xác định lựa chọn chung của những người nông dân về mẫu hình mùa vụ, mức sử dụng nước, và các công nghệ tưới, dựa trên các điều kiện chi phí đầu vào và giá đầu ra Do vậy, để được sử dụng bên trong một mô hình lưu vực sông

để đánh giá các quyết định phân bổ nước của nông dân, các hàm sản xuất cho các mùa

vụ được trồng bên trong lưu vực nói chung được thể hiện bên trong một khung tối ưu hóa Tối ưu trong hoàn cảnh của mô hình hóa lưu vực sông đã được thảo luận tương đối chi tiết trong Chương 3 Các nhà kinh tế tài nguyên nước có công lớn trong ước lượng hàm sản xuất theo tiếp cận quy hoạch toán học này là Bowen và Young (1985), Young (2005), Buller (1991), Balasubramamiam, Somasundarum, và Pundarikanthan (1996)

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn đề cập tới các tiếp cận quy hoạch động để phát triển các hàm sản xuất để ứng dụng vào các mô hình kinh tế động trong quy hoạch và quản

lý nước Các nghiên cứu tiêu biểu là Bryant, Mjelde, và Lacewell (1993); Dudley (1988); Knapp và Wichelns (1990); Srivavasta và Patel (1992) và nhiều nhà nghiên cứu khác Ở Việt nam các hảm sản xuất tưới và phát điện đã được nghiên cứu trong Đề tài nghiên cứu cấp Bộ về Tính giá trị của nước (Đào Văn Khiêm, 2009)

Đánh giá giá trị của hàm cầu phi nông nghiệp đối với nước

10

Những phức tạp quan trọng trong đánh giá giá trị của nước phi nông nghiệp bao gồm: (1) thiếu vắng các thị trường nước chính thức, mà giá trị của nước cũng như của các hàng hóa khác chỉ có thể được xác định rõ ràng trên các thị trường; (2) tính „không cạnh tranh‟ và „không loại trừ‟ trong tiêu dùng nước; và (3) tính lưu động về mặt vật lý của nước làm cho tính toán xấp xỉ giá nước một cách chính xác trở nên khó khăn Có hai tiếp cận tổng quát đã được sử dụng trong việc suy luận ra giá trị của các sử dụng nước phi nông nghiệp: các kỹ thuật đánh giá giá trị dựa vào thị trường, và các kỹ thuật đánh giá giá trị dựa vào phi thị trường

Các kỹ thuật đánh giá giá trị dựa vào thị trường

Hàm cầu là một cấu phần cơ bản để xác định các giá trị kinh tế khác nhau Cụ thể: hàm tổng giá trị (thô) của sử dụng nước là tích phân của hàm cầu sử dụng nước; thặng dư người tiêu dùng, là cách biệt giữa ý muốn thanh toán của người tiêu dùng với mức giá thực tế phải trả, cũng được tính toán dựa trên hàm cầu sử dụng nước này; tổng thặng

dư nhà sản xuất, tức là lợi nhuận của họ cũng được rút ra một cách tương tự Các công trình nghiên cứu về hàm cầu sử dụng nước phi nông nghiệp thể hiện nhiều nỗ lực của các nhà nghiên cứu kinh tế tài nguyên nước Một số công trình điển hình như:

- Các ước lượng hàm cầu hộ gia đình đối với nước đã được tóm tắt bởi Gibbons (1986) và Schneider và Whitlach (1991) Những nghiên cứu gần đây hơn ước lượng các hàm cầu đối với nước bao gồm những nghiên cứu của Lyman (1992); Hewitt và Hanemann (1995); và Dandy, Nguyen, và Davies (1997)

- Các ước lượng hàm cầu sử dụng nước công nghiệp điển hình gồm có Rees, 1969; Turnovsky 1969; DeRoy 1974; Babin, Willis, và Allen (1982)

- Các ước lượng hàm cầu sử dụng nước cho thủy điện: Các nghiên cứu điển hình bao gồm Young (1996); và một số nghiên cứu được trích dẫn từ mô hình Aquarius

sẽ được đề cập một cách chi tiết trong nội dung Chương 3

Các kỹ thuật phi thị trường

11

Trong quy hoạch và quản lý nước, các hoạt động hiếm khi được diễn ra thông qua cơ chế thị trường Vì vậy, các kỹ thuật ước lượng giá trị sử dụng nước phi thị trường là biện pháp để đáp ứng tính toán trong những trường hợp đó Các tiếp cận phi thị trường cho đánh giá giá trị của nước bao gồm các phương pháp đánh giá giá trị suy luận hoặc

ưa thích được bộc lộ và các phương pháp đánh giá giá trị ngẫu nhiên (CVM)

Các phương pháp ưa thích được bộc lộ liên quan tới việc gán các mức giá tiềm ẩn cho (1) việc tiếp cận tài nguyên, theo nghĩa chi tiêu mà các cá nhân phải bỏ ra để sử dụng tài nguyên hoặc cho (2) các thuộc tính của tài nguyên, như chất lượng nước Các phương pháp chính thuộc loại trên trong các nghiên cứu quy hoạch và quản lý nước là như sau:

 Phương pháp CVM suy ra phản ứng trực tiếp của những người sử dụng từ những câu hỏi điều tra đã được biên soạn trước về lượng tiền mà họ muốn thanh toán cho các dịch vụ nước hoặc cho những thay đổi giả tưởng được chỉ ra Một khối lượng lớn các tài liệu nghiên cứu đã được phát triển trong 20 năm qua cho đánh giá giá trị các hàng hóa công cộng với các kỹ thuật phi thị trường Carson et al (1997) trích dẫn hầu hết 2000 nghiên cứu có sử dụng CVM đã được thực hiện

 Trong số các kỹ thuật ưa thích được bộc lộ, kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp chi phí du lịch (TCM) Kỹ thuật này một cách điển hình được áp dụng để đánh giá giá trị của chất lượng nước và các lợi ích dựa vào giải trí nhưng

nó cũng có thể được sử dụng để ước lượng giá trị của nước sinh hoạt cho những người tiêu dùng Giá trị thường được ước lượng bằng cách hồi quy mức độ sử dụng của một nguồn đặc biệt, ví dụ như được đo lường bởi một số lượng các chuyến thăm viếng tới khu chỗ giải trí, các giếng nước, các trạm bơm, hoặc những khu vực ngoài trời khác, tương ứng với chi phí đi lại được yêu cầu cho sử dụng các nguồn nước Phương pháp TCM ban đầu được đề xuất bởi Harold Hotelling (1947) và được nâng cấp bởi Clawson và Knetsch (1966)

 Phương pháp định giá hưởng lạc cũng ước lượng các lợi ích dựa trên các lựa chọn được bộc lộ về các hàng hóa có liên quan (Cropper và Oates 1992) Phương pháp

12

hưởng lạc dựa trên ý tưởng là giá của hàng hóa thị trường có thể được phân tách thành các thuộc tính của nó, và giá tiềm ẩn tồn tại cho mỗi một trong những thuộc tính đó Từ một mẫu của các hàng hóa thị trường tương tự một cách gần gũi với nhau, giá cả tiềm ẩn có thể được ước lượng với các kỹ thuật kinh tế lượng, là phương pháp có thể ước lượng mối quan hệ giữa giá trị của các đặc tính khác nhau của hàng hóa đó Tiếp cận này thường được sử dụng cho đánh giá giá trị chất lượng hoặc giá trị thẩm mỹ của tài nguyên nước Nước tưới cũng được đánh giá giá trị bằng tiếp cận này, thông qua ước lượng tác động của khả năng sẵn có của nước lên giá trị của đất đai canh tác (Young 2005)

Các hàm lợi ích cho nước trong bối cảnh Lưu vực Sông

Các hàm lợi ích cho nước liên quan một cách chặt chẽ với khái niệm hàm cầu được giới thiệu ở trên Một hàm lợi ích đối với nước là tích phân của hàm cầu đã nói ở trên,

là hàm biểu diễn giá trị như một hàm số của khối lượng Nó cho phép trực tiếp đo lường thay đổi trong lợi ích gắn liền với những gia tăng hoặc suy giảm trong cung cấp nước Sử dụng các hàm lợi ích tương đối tổng hợp có thể là đặc biệt hữu ích trong mô hình hóa lưu vực sông khi số liệu và tài nguyên không cho phép ước lượng các hàm sản xuất tách rời và các hàm cầu hộ gia đình riêng biệt

Booker và Colby (1995) cung cấp một tập hoàn chỉnh của các hàm cầu kinh tế cho các

sử dụng cạnh tranh cho lưu vực sông Colorado Các hàm lợi ích cận biên, là những hàm đo lường giá trị kinh tế như một hàm của cung cấp nước, đã được phát triển cho các sử dụng trên dòng chảy và ngoài dòng chảy Mô hình Aquarius của của nhóm nghiên cứu Rocky Mountain Station của Dịch vụ Rừng của Mỹ cũng đã sử dụng tiếp cận này để xây dựng hàm lợi ích tổng hợp ở cấp lưu vực sông, và các chi tiết của mô hình này sẽ được đề cập một cách chi tiết ở các phần sau

1.3.4 Mô hình kinh tế thủy văn tổng hợp và các phát triển gần đây

Trong nghiên cứu của mình về mô hình hóa mô hình quản lý tài nguyên nước cấp lưu vực sông, McKinney, Ximing Cai và các đồng tác giả chỉ ra:

13

- Bất kể tầm quan trọng to lớn của các biến kinh tế trong phân bổ và quản lý tài nguyên nước, các nghiên cứu tài nguyên nước nói chung vẫn bị thống trị bởi các nghiên cứu thủy văn, thủy lực, tức là quy hoạch tài nguyên nước theo quan điểm

kỹ thuật

- Mặt khác, các nghiên cứu phân tích kinh tế hoặc chính sách thường chỉ tập trung vào tối đa lợi nhuận của các sử dụng nước cho các mục đích tưới, công nghiệp, và sinh hoạt, dựa trên điều kiện khối lượng cung cấp nước tại điểm lấy nước hoặc điểm phân phối

- Tuy nhiên, quản lý tài nguyên nước yêu cầu một tiếp cận liên ngành, tổng hợp các khoa học tự nhiên lẫn xã hội Các nghiên cứu kinh tế và thủy văn, thủy lực kết hợp tại mức lưu vực sông tốt nhất phải được thiết lập để phân tích và đánh giá những vấn đề quản lý và chính sách (Young 2005)

Braat và Lierop (1987) cũng đã đưa ra các thảo luận để mô hình hóa kinh tế, thủy văn, thủy lực cũng áp dụng trong thực hành: Các mối quan hệ được mô hình hóa cần giải thích cho chuyển nhượng hiệu quả thông tin từ một cấu phần này sang một cấu phần khác Một số lớn rào cản phải được vượt qua để đạt tới mục tiêu tổng hợp Các mô hình thủy văn, thủy lực thường sử dụng các kỹ thuật mô phỏng, trong khi, thông thường, các mô hình kinh tế sử dụng tối ưu hóa, thường gây ra những khó khăn trong giao dịch thông tin giữa hai cấu phần

McKinney, Ximing Cai và các đồng tác giả cũng chỉ ra hai tiếp cận để phát triển các

mô hình kinh tế, thủy văn, thủy lực tổng hợp: tiếp cận mô hình hóa cục bộ và tiếp cận

hệ thống

- Trong tiếp cận cục bộ có một sự kết nối lỏng lẻo giữa các cấu phần kinh tế và thủy văn, thủy lực, tức là chỉ số liệu đầu ra thường được chuyển nhượng giữa các cấu phần Các mô hình khác nhau do vậy có thể là rất phức tạp, nhưng phân tích thường là khó khăn hơn do kết nối lỏng lẻo giữa các cấu phần Các công trình nghiên cứu chính theo tiếp cận này bao gồm Howe và Orr (1974); Hartman và

14

Seastone (1970); Gardner và Fullerton (1968); Cummings và McFarland (1974); Noel và Howitt (1982); và gần đây hơn, Lefkoff và Gorelick (1990a); Lee và Howitt (1996)

- Trong tiếp cận hệ thống, có một đơn vị đơn nhất với cả các cấu phần kết nối chặt chẽ với một mô hình phù hợp, và một khung phân tích tổng hợp được cung cấp Tuy nhiên, cấu phần thủy học thường được đơn giản hóa một cách đáng kể do những phức tạp giải mô hình Tiếp cận này yêu cầu sử dụng một kỹ thuật đơn (mô phỏng, quy hoạch động, …) và một mẫu số đơn cho các khối lượng khả biến Trong tiếp cận mô hình hóa hệ thống, chuyển nhượng thông tin được tổ chức một cách nội sinh Các công trình nghiên cứu sử dụng tiếp cận hệ thống bao gồm một

số nghiên cứu điển hình của Booker (1996); Henderson và Lord (1995), Harding, Sangoyomi, và Payton (1995); Hardy (1995); Faisal, Young, và Warner (1997)

1.4 Ứng dụng nghiên cứu tối ưu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tại lưu vực sông Hồng

1.4.1 Quy hoạch tài nguyên nước ở vùng lưu vực sông Hồng Thái Bình

Từ 2005 tới 2007, một nghiên cứu hoàn chỉnh khởi đầu của Bộ Nông nghiệp & PTNT nhằm quy hoạch tổng thể tài nguyên nước tại sông Hồng - Thái Bình do Viện Quy hoạch Thủy lợi (IWRP) thực hiện Mục tiêu của nghiên cứu này là cung cấp một phân tích chi tiết về sử dụng nước ở lưu vực trong trường hợp hạn hán, ô nhiễm nguồn nước, nhiễm mặn và lũ lụt Thêm nữa, quy hoạch cũng bao gồm phân tích và ước lượng cầu nước tưới, cung cấp nước (ví dụ nước sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản, ….)

Mô hình toán mô phỏng lũ đã được xây dựng để thể hiện trạng thái kiểm soát lũ Nghiên cứu này đã phân tích các kịch bản lũ khác nhau của phát triển kinh tế và nâng cao hệ thống thủy lợi trên lưu vực với một số điểm nổi bật như sau:

- Xây dựng mô hình thủy lực bằng phần mềm MIKE 11 cho sông Hồng Thái Bình với chu kỳ lũ 300 hoặc 500 năm và trong tình trạng ngập lụt 1 tháng

- Xây dựng mô hình MIKE BASIN để tính cân bằng nước cho toàn bộ vùng châu thổ Hồng Thái Bình với các kịch bản phát triển kinh tế xã hội cho giai đoạn 1960-

2005

1.4.2 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa

Vận hành hồ chứa và liên hồ chứa là một vấn đề then chốt xuất hiện thường xuyên trên diễn đàn của các nhà quản lý và là chính sách ở mỗi quốc gia Nhiều nghiên cứu và nguồn lực đã được đầu tư để giải quyết vấn đề này thậm chí mặc dù nhiều phát hiện và kết quả đáng kể chỉ được giới hạn vào một số nghiên cứu được trình bày và phân tích

ở đây Một tiếp cận đầy đủ và tổng hợp trong vận hành liên hồ chứa vẫn còn bị thiếu

để bảo đảm một giải pháp đột phá tiên phong để tối ưu phân phối và quản lý tài nguyên nước tại châu thổ sông Hồng Thái Bình

Nhiều nhà nghiên cứu và quản lý đã nỗ lực trong việc xây dựng quá trình vận hành ở Việt Nam, nói riêng ở vùng châu thổ sông Hồng Thái Bình

Hà Văn Khối và Lê Bảo Trung (2003) đã tiến hành bước đầu nâng cao trong nghiên cứu của các ông về việc áp dụng phương pháp quy hoạch động 2 chiều cho vận hành 3

hồ chứa Hòa Bình, Sơn La và Lai Châu trên sông Đà Tuy nhiên, thành công này mới chỉ ở giai đoạn ban đầu và cần nhiều đầu tư thêm nữa

Hoàng Thanh Tùng (Đại học Thủy Lợi 2010) đã kiểm định thành công phần mềm Cristall – Ball (phần mềm quy hoạch tích cực ngẫu nhiên) để ước lượng vận hành tối

ưu cho các hồ chứa thủy điện phụ thuộc nhau và nghiên cứu khả năng áp dụng phần mềm cho bài toán liên hồ chứa

16

Năm 2005-2006, Trường Đại học Thủy Lợi (GS.TS Lê Kim Truyền làm Chủ nhiệm)

đã thực hiện đề tài khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn điều hành cấp nước mùa kiệt cho đồng bằng sông Hồng” Tuy nhiên nghiên cứu này chỉ mới dừng lại ở mức nghiên cứu tổng quan cho vận hành các công trình cung cấp nước trong mùa khô và không tiến hành xây dựng quá trình vận hành tỉ mỉ các hồ chứa lớn

Năm 2005, Viện Quy hoạch Thủy lợi đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ GAMS phục vụ quy hoạch, quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi vùng thượng du sông Thái Bình” Là một trong số những nghiên cứu đầu tiên khởi đầu cho việc tối ưu hóa cung cấp nước trong mùa khô ở vùng châu thổ sông Hồng sử dụng hệ thống hỗ trợ quyết định tiên tiến Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào giải quyết phân phối nước tối ưu ở vùng đồng bằng mà không mạo hiểm vào quá trình vận hành các hồ chứa lớn ở thượng du

Năm 2007, Viện Quy hoạch Thủy lợi đã nghiên cứu “Quy trình vận hành Liên hồ chứa trên sông Đà và sông Lô phục vụ đa mục tiêu, đảm bảo an toàn và phát triển kinh tế xã hội đồng bằng sông Hồng Thái Bình Kết quả quá trình điều tiết cung cấp nước trong mùa khô đã được xây dựng và khuyến cáo cho các cơ quan chức năng đã được phê chuẩn Nhưng vẫn còn những vấn đề lớn trong quá trình vận hành của các hồ chứa lớn vùng thượng nguồn Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang về việc liệu nó có giải quyết được mâu thuẫn giữa phát điện và cung cấp nước hay không Có một vài đặc điểm của nghiên cứu này cần được xem xét như là sự đổi mới khiêm tốn

Hà Ngọc Hiến (Viện Cơ học) đã thực hiện nghiên cứu có tiêu đề “Mô hình vận hành tối ưu chống lũ theo thời gian thực cho hệ thống hồ chứa trên sông Đà và sông Lô” 2008-2009 Nghiên cứu đã tập trung vào xử lý tối ưu hóa tự động sử dụng mô hình động học thủy văn thời gian thực trong mùa lũ Bởi vậy, nhiều ràng buộc trong cung cấp và quản lý nước không được xem xét, ví dụ như cung cấp nước đa ngành trong mùa khô, …

Dự án được tài trợ bởi MONRE có tiêu đề “Nghiên cứu tổng quan các tác động của hệ thống hồ chứa trên Sông Đà và Sông Lô trong mùa khô và đề xuất giải pháp để bảo

17

đảm tài nguyên nước cho vùng đồng bằng” do Tiến sĩ Nguyễn Lan Châu làm chủ nhiệm được triển khai trong giai đoạn 2008-2010 Dựa trên kết quả của dự án này và một số nghiên cứu khác, MONRE đã xây dựng quy trình vận hành bốn hồ chứa trong mùa khô, và đã được ban hành tại Quyết định số 1287/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ

Độc lập với các nghiên cứu này, EVN đã tổ chức nghiên cứu của riêng mình về quá trình vận hành của bốn hồ chứa lớn nhất lưu vực Sông Hồng Các quyết định điều tiết được xây dựng cho vận hành hồ chứa trong mùa lũ và mùa khô liên quan tới cầu điện

và yêu cầu cung cấp nước

Viện Quy hoạch Thủy lợi đã thực hiện đề tài độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu xây dựng quy trình vận hành hệ thống Liên hồ Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang trong mùa kiệt” do TS Bùi Nam Sách làm chủ nhiệm trong các năm 2011-

2013

1.4.3 Các thách thức trong việc xây dựng thủ tục vận hành liên hồ chứa

Tồn tại một số thách thức mà đa số các nghiên cứu này đã đối mặt trong việc đưa ra giải pháp cuối cùng cho quản lý liên hồ chứa:

- Nói chung các quá trình vận hành đã được khuyến cáo hoặc sắp được khuyến cáo tất cả đều được dựa trên các nghiên cứu tách biệt về các mùa lũ và mùa khô Do vậy, trữ và xả nước toàn cục trong các mùa khác nhau không được liên kết với nhau một cách tổng thể Thêm vào đó sự tham gia giữa các bên trong thương lượng phân phối nước vẫn còn thô sơ và không được nghiên cứu tốt trong thời gian xây dựng quá trình vận hành

- Nghiên cứu chỉ tập trung vào lưu lượng dòng chảy mùa khô và xây dựng quá trình vận hành của các hồ chứa trong mùa khô xét tới an ninh cung cấp nước cho vùng đồng bằng đã được xem xét trong những năm gần đây Do vậy, nghiên cứu được thực hiện đã mang lại các kết cục tích cực dựa trên các bằng chứng khoa học Tuy nhiên, cơ sở khoa học tốt hơn cùng với thực hành quản lý vẫn còn là cần thiết

18

Mối đe dọa khan hiếm nước ngày càng tăng do biến đổi khí hậu hoặc thay đổi lòng sông đã đặt ra một áp lực khủng khiếp lên cung cấp nước ở lưu vực và yêu cầu cần được đề cập trong bất kỳ nghiên cứu nào trong tương lai

1.5 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa và mục tiêu nghiên cứu của Luận

án

1.5.1 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa động trong phân bổ hiệu quả kinh

tế trong QH&QLTNN tại Việt nam

Trong các tài liệu lý thuyết về quy hoạch và quản lý tài nguyên nước trên thế giới, các tiếp cận nghiên cứu chính là tiếp cận mô phỏng và tài ưu tối ưu hóa (Ví dụ như trong tài liệu “Water Resources Systems Planning and Management” của Daniel P Loucks and Eelco van Beek, Nhà xuất bản UNESCO, 2005) Tuy cả hai tiếp cận này đều đóng góp lớn cho công tác quy hoạch hiện đại, nhưng mức độ ứng dụng của chúng tại các khu vực khác nhau là rất khác nhau

Việt Nam trong một khoảng thời gian dài đã trải qua một quá trình phát triển kinh tế ở một mức độ thấp Các hoạt động sử dụng nước chủ yếu của các hệ thống hồ chứa trong khoảng thời gian này là chỉ tập trung vào tưới tiêu và phòng chống lũ lụt Gần đây, tuy các hoạt động nói trên vẫn đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế, nhưng các mẫu hình sử dụng nước truyền thống sẽ bị ảnh hưởng lớn bởi các dự án kinh tế “khổng lồ” khác có liên quan tới sử dụng nước, ví dụ như dự án phát triển giao thông thủy ở Lưu vực sông Hồng, hoặc dự án phát triển du lịch tâm linh, và nhiều dự án khác có khả năng sẽ được tiến hành trong tương lai gần

Thay đổi trên không phải là điều đáng ngạc nhiên, nhất là trong những quốc gia đang đẩy nhanh quá trình tăng trưởng kinh tế của mình sau nhiều năm tháng chịu nhiều cản trở phát triển kinh tế Điều đáng ngạc nhiên chính là ở chỗ các hoạt động thúc đẩy nghiên cứu và phát triển các công cụ phân tích, đánh giá và dự báo các tác động qua lại của hoạt động kinh tế và các hậu quả có thể của chúng, chưa thực sự là thỏa đáng Khi nền kinh tế bắt đầu bước vào giai đoạn phát triển sản xuất lớn, như hoàn cảnh ngày nay của nước ta, bên cạnh những cơ hội cũng còn phải xem xét đến những thách thức và những hệ lụy của phát triển quá nhanh

19

Việc đưa các quy luật kinh tế vào quy hoạch và quản lý tài nguyên nước trước hết được thể hiện bởi một khung nghiên cứu liên quan tới các hành vi tối ưu hóa, bởi vì hành vi đặc trưng của con người kinh tế hoặc các thành viên kinh tế là tối đa lợi ích Vì vậy, khi đã xem xét bài toán quy hoạch và quản lý nước trong một khung phân tích kinh tế, các công cụ tối ưu hóa không chỉ được sử dụng để lựa chọn ra phương án tốt nhất theo một tiêu chuẩn nào đó, mà đó là công cụ tốt nhất để mô phỏng hành vi của các tác nhân kinh tế Từ đó, các nhà quy hoạch và quản lý nước có khả năng mô phỏng các tính toán, suy luận, lựa chọn, quyết định của các thành phần kinh tế trong hệ thống tài nguyên nước để có thể quy hoạch và quản lý một cách có hiệu quả và có hiệu lực

Để phát triển một khung phân tích kinh tế như vậy, cần nghiên cứu một số cấu phần kinh tế như sau:

(1) Cấu phần thứ nhất là các hàm giá trị trong hàm mục tiêu của mô hình tối ưu Hàm giá trị được nghiên cứu và phát triển dựa trên các quan hệ cầu của những người tiêu dùng Nhưng một số hàm cầu sử dụng nước nổi tiếng là khó ước lượng như cầu tưới và cầu nước sinh hoạt Do vậy, so với nhiều ngành kinh tế khác, các kỹ thuật ước lượng, phân tích và dự báo cầu sử dụng nước cần nghiên cứu một cách cẩn thận và thực sự khoa học

(2) Cấu phần thứ hai liên quan tới hàm mục tiêu của mô hình là cấu phần chi phí Cấu phần chi phí của hệ thống cung cấp nước thường có đặc tính của kiểu chi phí liên quan tới một hệ thống có chi phí cơ sở hạ tầng rất lớn, trong khi chi phí cho vận hành và bảo dưỡng lại là tương đối nhỏ Điều này dẫn tới đặc tính hiệu quả theo quy mô của hệ thống, là điều dẫn tới „độc quyền tự nhiên‟, là một trong những nguyên nhân dẫn tới „thất bại thị trường‟

(3) Một vấn đề nữa là khối lượng tính toán lớn trong các bài toán quy hoạch và quản

lý nước hiện nay Trong thời đại sản xuất lớn, công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các tính toán được yêu cầu thực hiện thường vượt quá khả năng thủ công của con người Do vậy, phát triển các hệ thống tính toán với sự giúp đỡ của các chương trình máy tính là một yêu cầu không thể thiếu Sử dụng phần mềm máy tính sẵn có không phải là một khó khăn, nhưng sử dụng chúng để thực hiện công việc theo kiểu “sản xuất lớn” thì lại là một thách thức

20

Việc nghiên cứu đã tập trung nỗ lực vào một số kiến thức khoa học căn bản là (i) Kiến thức cơ bản về mô hình hóa trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước (Daniel Loucks và Van Beek, 2005); (ii) Các kiến thức căn bản về lý thuyết tối ưu hóa ngẫu nhiên (Robert Strengel, 1994); và Kỹ thuật sử dụng các phần mềm máy tính Lingo 16 (về tối ưu hóa); Stata 13 và R language (về thống kê kinh tế lượng); Excel, EasyFit (thống kê)

1.5.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

1.5.2.1 Tình hình nghiên cứu về tối ưu hóa trong QH&QLTNN ở Lưu vực Sông Hồng

- Thái bình

Viện Quy hoạch Thủy lợi đã bắt đầu ứng dụng tối ưu hóa với việc sử dụng phần mềm nổi tiếng GAMS về tối ưu hóa từ những năm đầu của thế kỷ 21 Tuy nhiên, các ứng dụng sử dụng phần mềm này chưa áp dụng các ước lượng và phân tích cầu sử dụng nước vào việc xây dựng hàm mục tiêu của bài toán, do vậy chưa phản ánh được các tác động của các quan hệ về ý muốn thanh toán của những người tiêu dùng nước Một số nghiên cứu của chuyên gia nước ngoài về tối ưu ngành nước ở Việt nam là: (i) Công trình “Các chính sách phân bổ nước cho Lưu vực Sông Đồng Nai”, năm

2004 của Claudia Ringler và Nguyễn Vũ Huy Đây là nghiên cứu sử dụng tiếp cận phân bổ hiệu quả tài nguyên nước cho các mục tiêu kinh tế xã hội, tuy nhiên, mô hình dựa trên khung tối ưu tĩnh, chưa thực sự áp dụng các cấu phần động học trong nghiên cứu

(ii) Dự án “Quản lý Tổng hợp và Bền vững Tài nguyên Nước ở Lưu vực Sông Hồng - Thái bình” được tài trợ bởi Chính phủ Italy cùng với Trường Đại học Kỹ thuật Milan và Viện Quy hoạch Thủy lợi thực hiện (2014) Dự án sử dụng nhiều kỹ thuật tối ưu hiện đại, nhưng không đề cập các thước đo kinh tế xã hội, ví dụ như các hàm giá trị dựa trên phân tích cầu sử dụng nước cho các mục tiêu một cách trực tiếp

Một số nghiên cứu khác có liên quan tới tối ưu hóa động trong lĩnh vực tài nguyên nước: