Tài liệu Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý vùng đồng bằng sông cửu long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TIẾN THÁI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: Quy hoạch và Quản lý tài nguyên nước Mã số chuyên ngành: 62-62-30-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS. Lê Chí Nguyện Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh Phản biện 1: TS. Lê Viết Sơn, Viện Quy hoạch Thủy lợi Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Quang Trung, Viện Khoa học Thủy lợi Phản biện 3: GS.TS. Dương Thanh Lượng, Trường Đại học Thủy lợi Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có diện tích tự nhiên khoảng 3,9 triệu ha, đất đai ở đây có tiềm năng to lớn về độ phì nhiêu tự nhiên, lại có những thuận lợi cơ bản về khí hậu như sự giầu có về nhiệt lượng, độ ẩm và ánh sáng là những nguồn năng lượng tiềm tàng của thiên nhiên mà chúng ta có thể khai thác. Vùng đất này rất xứng đáng được ưu tiên đầu tư để phát triển sản xuất nông nghiệp. Ngày nay ĐBSCL, chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam. Sản lượng nông nghiệp chiếm 50% cả nước, riêng lương thực xuất khẩu 90%. Các thành quả phát triển kinh tế xã hội ở ĐBSCL trong những thập niên vừa qua đều có vai trò to lớn của hệ thống thủy lợi trong đó có hệ thống trạm bơm tưới. Hệ thống trạm bơm tưới có vai trò quan trọng trong việc cải tạo môi trường nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực cải tạo đất. Thực tiễn cho thấy hiệu quả các các trạm bơm tưới ở ĐBSCL những năm qua là rất to lớn, đóng vai trò quyết định trong việc khai thác tài nguyên nước để phát triển nông nghiệp, làm ngọt hóa hàng trăm ngàn ha, đã biến những vùng đất phèn mặn thiếu nguồn nước ngọt hoang hóa thành những cánh đồng hai vụ, bộ mặt nông thôn đang được đổi thay từng ngày. Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống trạm bơm ở ĐBSCL còn nhỏ lẻ, manh mún, chưa có quy hoạch cụ thể. Hơn nữa, với một vùng đồng bằng rộng lớn như ĐBSCL có các vùng sinh thái khác nhau (ngọt, ngọt hóa, mặn lợ, mặn), với cơ cấu mùa vụ khác nhau, tập quán canh tác của người dân ĐBSCL cùng với điều kiện địa hình và nguồn nước khác nhau thì việc xác định mô hình bơm tưới hợp lý là một vấn đề cần được xác định trên cơ sở khoa học, đảm bảo các yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật và phù hợp với tình hình thực tế của ĐBSCL. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý vùng ĐBSCL” 1 là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Định nghĩa về mô hình bơm tưới hợp lý: là tổ hợp các thông số tối ưu về quy mô diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, cột nước bơm, loại máy bơm, số máy bơm trong một trạm, hiệu suất bơm, công suất bơm và loại hình nhà máy bơm. 2. Mục đích nghiên cứu Thiết lập được bài toán mô hình bơm tưới hợp lý, nhằm xác định được các thông số tối ưu của mô hình về quy mô diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, số máy bơm trong một trạm, loại máy bơm, cột nước bơm, hiệu suất bơm và loại hình nhà máy bơm. Nhằm ứng dụng trong công tác quy hoạch và thiết kế hệ thống trạm bơm đảm bảo cung cấp nước tưới cho phát triển nông nghiệp, nông thôn vùng ĐBSCL. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mô hình bơm tưới hợp lý bao gồm các thông số về quy mô diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, số máy bơm trong một trạm, loại máy bơm, cột nước bơm, hiệu suất bơm và loại hình nhà máy bơm - Phạm vị nghiên cứu: Vùng ĐBSCL, không xét đến biến đổi khí hậu mực nước biển dâng, sử dụng các loại máy bơm trong nước sản xuất. 4. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên, tình hình sử dụng máy bơm và xây dựng trạm bơm tưới tiêu vùng ĐBSCL. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu; Thiết lập và lựa chọn phương pháp xây dựng mô hình bơm tưới phù hợp dựa trên cơ sở khoa học và thực tiễn; Lựa chọn hàm mục tiêu của bài toán tối ưu dựa trên chỉ tiêu đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án; Đề xuất phương pháp và kỹ thuật xử lý miền xác định, điều kiện ràng buộc của hàm mục tiêu và tài liệu đầu vào của mô hình; Áp dụng mô hình và phương pháp giải cho các vùng của ĐBSCL và một trạm bơm cụ thể. 5. Phương pháp nghiên cứu 2 Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu; Phương pháp mô hình hóa; Phương pháp phân tích hệ thống và tối ưu hóa; Phương pháp phân tích, tổng hợp. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học Đóng góp cho khoa học chuyên ngành về phương pháp luận giải bài toán xác định mô hình bơm tưới hợp lý nói chung và ĐBSCL nói riêng. b) Ý nghĩa thực tiễn - Cung cấp cơ sở để quy hoạch, thiết kế các trạm bơm điện vùng ĐBSCL. - Cung cấp phần mềm tính toán để giải quyết bài toán tìm các thông số tối ưu trong công tác tư vấn thiết kế và quy hoạch các trạm bơm tưới. 7. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng được phương pháp luận thiết lập bài toán xác định mô hình bơm tưới hợp lý trên cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống và thuật toán tối ưu. - Đề xuất được mô hình bơm hợp lý dựa trên chỉ tiêu chi phí động nhỏ nhất cho các vùng đặc trưng của ĐBSCL - Xây dựng được phần mềm tính toán “Chương trình xác định mô hình bơm hợp lý” phục vụ cho công tác quy hoạch, thiết kế hệ thống trạm bơm tưới. 8. Bố cục của luận án Gồm phần mở đầu, 03 chương chính và kết luận. Ngoài ra còn có phần: các tài liệu khoa học tác giả luận án đã công bố; tài liệu tham khảo; phụ lục. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về bài toán quy hoạch, thiết kế tối ưu 1.1.1. Ngoài nước Vài thâp niên trở lại đây, trên thế giới, có rất nhiều ứng dụng lý thuyết tối ưu rộng rãi và hiệu quả trong khoa học kỹ thuật, kinh tế và đời sống. Trong đó có 3 lĩnh vực thiết kế quy hoạch và quản lý hệ thống tưới, cấp nước sạch. Cụ thể là: Quy hoạch tuyến tính được ứng dụng giải quyết các vấn đề như: Phân tích phương án quy hoạch hệ thống tưới cho một lưu vực ở Ấn Độ; Tính toán mức độ cải thiện về năng suất cây trồng và quy trình tưới nhằm khống chế vấn đề xâm nhập mặn; Xác đinh cơ cấu cây trồng tối ưu và quy trình cấp nước tối ưu từ hệ thống kênh tưới kết hợp với các giếng bơm nước ngầm trong năm; Xác định hệ thống kinh nghiệm quản lý tốt nhất nhằm giảm mức độ xâm nhập mặn tại Grand Valley (Colorado); Lựa chọn cơ cấu cây trồng và quản lý các phương án sử dụng nguồn nước tưới; Tối đa lợi nhuận ròng (NPV) từ cây trồng trong nông nghiệp khi cơ cấu cây trồng, diện tích trồng trọt và lượng nước tưới điều tiết từ một hồ chứa đã xác định; Lựa chọn loại máy bơm, công suất bơm và số máy bơm vận hành đáp ứng yêu cầu nước cho nuôi trồng thủy sản; Tối ưu hóa lập kế hoạch chạy máy bơm cho hệ thống cấp nước sạch được ứng dụng ở Toronto phía Bắc nước Mỹ Trong khi đó quy hoạch phi tuyến được áp dụng để lập kế hoạch và điều khiển tối ưu cho hệ thống đa máy bơm, xuất phát từ quan điểm hiệu quả năng lượng với mục tiêu chi phí năng lượng là nhỏ nhất. Còn quy hoạch động được sử dụng: Xác định sản lượng thu hoạch tối đa từ cây bông được tưới và cây lúa không được tưới, tương ứng với các mức độ cấp nước từ hồ chứa trong hệ thống; Tính toán nhu cầu nước tưới và yêu cầu về lượng lao động hiệu quả. Ngoài ra thuật toán di truyền đã được ứng dụng để thiết kế tối ưu hệ thống công trình trạm bơm ở vùng nước ngầm ven biển. 1.1.2. Trong nước Trong lĩnh vực Thủy lợi, điển hình là hệ thống thủy nông, những năm gần đây nhiều đề tài đã ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa để giải quyết những vấn đề xảy ra trong thực tế nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, điển hình như một số đề tài: Xây dựng quy mô trạm bơm và loại hình máy bơm cho các vùng của đồng bằng sông Hồng và ĐBSCL, tác giả Hoàng Lâm Viện; Xác 4 định quy mô và loại hình máy bơm thích hợp cho tưới vùng ĐBSCL với chỉ tiêu tối ưu là chỉ tiêu tĩnh, tác giả Lê Chí Nguyện; Thiết lập quan hệ hàm số giữa năng lượng bơm nước với mực nước sông thiết kế thông qua đặc tính của các máy bơm và hình thức công trình của từng trạm bơm tưới và tiêu nước, tác giả Bùi Văn Hức; Xác định hệ số tiêu thiết kế tối ưu cho hệ thống tiêu trạm bơm Nhâm Tràng, Hà Nam, tác giả Dương Thanh Lượng; Phân vùng tối ưu hệ thống thủy nông Văn Giang, tác giả Phạm Thị Hoài; Phân khu tưới hợp lý cho các hệ thống tưới cây trồng cạn bằng động lực trên vùng đất dốc, tác giả Nguyễn Tuấn Anh; Đề xuất một số kiểu trạm bơm lắp ghép dùng cho ĐBSCL, tác giả Nguyễn Tiến Thái. 1.2. Tổng quan về tình hình sử dụng máy bơm và xây dựng trạm bơm ở ĐBSCL 1.2.1. Về xây dựng trạm bơm Sau giải phóng miền Nam các trạm bơm có quy mô lớn được xây dựng theo kinh nghiệm đã làm ở miền Bắc. Tuy nhiên, khi đi vào vận hành nhận thấy các trạm bơm này không mang lại hiệu quả theo mục tiêu đề ra và đến năm 1990 đã bị phá bỏ. Do sản xuất nông nghiệp ở ĐBSCL không thể thiếu máy bơm và trạm bơm. Xuất phát từ thực tế ấy, từ năm 2000 đến nay, các trạm bơm vừa, nhỏ và các máy bơm lưu động không ngừng được xây dựng, phát triển. Tuy nhiên các trạm bơm được xây dựng vẫn còn nhỏ, lẻ, phân tán, chủ yếu là tự phát, theo kinh tế hộ cá thể và tổ hợp tác xã. 1.2.2. Về loại máy bơm ĐBSCL chủ yếu sử dụng 2 hình thức là bơm điện (1 pha và 3 pha) và bơm dầu. Trong đó bơm dầu đang được sử dụng phổ biến. Diện tích canh tác được tưới, tiêu bằng bơm dầu hiện chiếm từ 60% đến 75%. Nguyên nhân do máy bơm dầu cơ động, thích hợp cho khu bơm nhỏ lẻ, ngoài nhiệm vụ bơm nước còn có nhiệm vụ chạy ghe, xay sát. 1.2.3. Hình thức kết cấu nhà trạm Kết cấu nhà trạm của các trạm bơm ở ĐBSCL có 2 loại kiên cố và bán kiên cố. 5 Trong đó bán kiên cố chiếm chủ yếu. 1.2.4. Quản lý vận hành Hiện nay ở ĐBSCL chủ yếu là hình thức quản lý vận hành bởi các hợp tác xã nông nghiệp, tổ hợp tác dùng nước, tổ liên kết sản xuất, hộ gia đình. Các hình thức này chủ yếu do người dân tự lập ra, hoạt động theo nguyên tắc “ tự thu, tự chi theo quy định của nhà nước và thỏa thuận giữa các đối tượng”. Trong các mô hình này, mô hình hộ gia đình đang chiếm tỷ trọng lớn ở ĐBSCL. Ngoài ra mô hình quản lý khai thác như Công ty trách nhiệm hữu hạn Nhà nước một thành viên, trạm thủy nông các huyện chỉ được áp dụng một vài hệ thống trạm bơm lớn. 1.3. Tổng quan về điều kiện tự nhiên vùng ĐBSCL 1.3.1. Quá trình hình thành ĐBSCL ĐBSCL được hình thành và phát triển đầy đủ cách đây khoảng 2500 năm. Trong đó vùng đất mũi Cà Mau là vùng trẻ nhất được hình thành cách đây 1000 năm. 1.3.2. Địa hình ĐBSCL có địa hình bằng phẳng, phần lớn có cao độ trung bình từ 0.7-1.2 m. Với đặc điểm này có thể sử dụng các loại nhà máy bơm có cột nước không cao, quy mô về lưu lượng cũng như diện tích phụ trách của trạm bơm nằm trong phạm vi từ nhỏ đến lớn. Ngoài ra rất thuận lợi cho công tác khảo sát, thiết kế bố trí mặt bằng, thi công các công trình trong hệ thống trạm bơm. 1.3.3. Mạng lưới sông rạch ĐBSCL có hệ thống sông ngòi, kênh rạch khá phong phú như: Hệ thống sông thiên nhiên bao gồm sông có nguồn (sông Tiền, sông Hậu và hệ thống sông Vàm Cỏ) và sông rạch nội địa (Mỹ Thạnh, Gành Hào, Bạch Ngưu, Bảy Háp, Cửa Lớn, Đầm Cùng, Cái Tàu, Trẹm, Ông Đốc, Cái Lớn, Cái Bé). Còn hệ thống kênh đào được đan dày cả 3 cấp, nên mọi tác động vào bất kỳ vị trí nào trong hệ thống kênh đều có thể lan truyền ảnh hưởng đến các vùng lân cận. Như vậy nguồn nước ngọt ĐBSCL rất dồi dào, hệ thống sông kênh hình thành các 6 bờ bao phân chia cánh đồng của vùng thành các khu tưới độc lập nhau. Sự phân chia kiểu tự nhiên này sẽ ảnh hưởng lớn đến các thông số hình dạng khu tưới, lưu lượng và diện tích trạm bơm phụ trách cần tìm trong mô hình bơm tưới hợp lý. 1.3.4. Địa chất Địa chất ĐBSCL phổ biến là bùn sét và bùn sét pha, mới được thành tạo. Đất hầu như chưa được nén chặt, độ lỗ rỗng lớn, tính nén lún cao và sức kháng cắt nhỏ. Các yếu tố này không thuận lợi cho việc xây dựng công trình. Vì vậy loại nhà máy bơm có kết cấu nhẹ sẽ phù hợp với vùng ĐBSCL, đi kèm với loại nhà máy này là các loaị máy bơm có công suất vừa và nhỏ. 1.3.5. Đất đai - Thổ nhưỡng ĐBSCL có đất phù sa chiếm 30,4% diện tích tự nhiên (DTTN), đất mặn chiếm 19,1% DTTN, đất phèn chiếm 41,1%DTTN, các loại đất khác chiếm 9,4% DTTN. Trong các loại đất này ngoại trừ đất lầy và than bùn, đất đỏ vàng và đất xói mòn chủ yếu sử dụng trồng rừng, còn lại đều có thể trồng lúa và các loại cây trồng khác với từng mức độ thích nghi khác nhau. Thực tế cho thấy, cùng một loại cây trồng, trồng trên các loại đất khác nhau, hệ số tưới sẽ khác nhau. Nó ảnh hưởng đến lưu lượng trạm bơm phụ trách, đây là thông số cần tìm trong mô hình bơm tưới. 1.3.6. Đặc điểm mưa Vùng phía Tây ĐBSCL có lượng mưa năm lớn nhất (2.000-2.400 mm), vùng phía Đông có lượng mưa trung bình (1.600-1.800 mm), còn vùng trung tâm đồng bằng có lượng mưa nhỏ nhất (1.200-1.600 mm). Lượng mưa năm tập trung vào các tháng mùa mưa. Như vậy lượng nước cần tưới cho các loại cây trồng chủ yếu là về mùa khô và hệ số tưới của vùng trung tâm đồng bằng dọc hai bên sông Tiền sông Hậu là lớn nhất, ngược lại vùng phía Tây có hệ số tưới nhỏ nhất. 1.3.7. Đặc điểm thủy triều ĐBSCL chịu tác tác động của triều biển Đông và biển Tây. Độ lớn của triều 7 vùng ven biển Đông đạt khoảng 3.0-4.0m (lớn nhất Việt Nam), trong khi đó độ lớn triều vùng ven biển Tây đạt khoảng 0.8-1.2m. Mực nước triều cao nhất năm thường xuất hiện vào các tháng X, XI, còn các tháng VI và VII, mực nước triều thấp nhất năm. Như vậy các vùng của ĐBSCL bị ảnh hưởng triều, thời gian lấy nước tưới trong một ngày giảm dẫn đến hệ số tưới tăng so với các vùng không bị ảnh hưởng thủy triều. 1.4. Một số kết luận rút ra từ phần tổng quan 1. Về đối tượng nghiên cứu: Lê Chí Nguyện (2009) đã sử dụng lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa để xác định quy mô trạm bơm tưới phù hợp cho ĐBSCL. Nhưng chỉ tiêu tối ưu về kinh tế được sử dụng là chỉ tiêu tĩnh, chỉ tiêu này không phản ánh đúng về hiệu quả kinh tế, chỉ có chỉ tiêu tối ưu động mới thể hiện đúng bản chất vấn đề này. 2. Về phương pháp giải và thuật toán: Các tác giả thường sử dụng quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, ít tác giả áp dụng quy hoạch phi tuyến trong mô hình nghiên cứu bởi tính phức tạp khi xử lý bài toán quy hoạch phi tuyến. 3. Về sử dụng máy bơm ở ĐBSCL, phân tán với số lượng lớn, các loại máy bơm nhỏ tự chế, hiệu suất thấp do các hộ gia đình quản lý, chưa đáp ứng được nhu cầu tưới cho vùng ĐBSCL rộng lớn. 4. Về xây dựng trạm bơm ở ĐBSCL, vẫn còn mang tính tự phát, nhỏ lẻ, manh mún, chưa có sự can thiệp, điều phối, chỉ đạo của Nhà nước. 5. Về quản lý vận hành, mô hình chủ yếu là hình thức quản lý vận hành bởi các hợp tác xã nông nghiệp, tổ hợp tác dùng nước, tổ liên kết sản xuất, hộ gia đình. Đối với những mô hình này các cá nhân đều thiếu kiến thức chuyên môn trong quản lý vận hành. 6. Về đặc điểm tự nhiên vùng ĐBSCL: Có địa hình bằng phẳng, hệ thống sông rạch chằng chịt đan xen nhau hình thành các bờ bao chia ĐBSCL thành các khu tưới độc lập có quy mô diện tích dưới 500ha, địa chất của vùng lại mềm yếu. Hơn nữa ĐBSCL chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều biển Đông và biên 8 Tây, đặc biệt là về mùa cạn, dòng chảy thượng nguồn sông Mekong về nhỏ, xuất hiện dòng chảy ngược từ biển vào sông, xâm nhập mặn, thời gian lấy nước của các trạm bơm tưới trong một ngày giảm. Do vậy, cần phải nghiên cứu lựa chọn các thông số tối ưu trong mô hình bơm tưới phù hợp với đặc điểm tự nhiên của vùng ĐBSCL. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ 2.1. Lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý 2.1.1. Hệ thống các quan điểm Lý thuyết phân tích hệ thống coi trọng tính tổng thể, đây chính là quan điểm hệ thống, thể hiện tính biện chứng trong nghiên cứu hệ thống. Quan điểm đó phải được lượng hóa bằng các mô hình toán học mô tả các quá trình của hệ thống. Lý thuyết phân tích hệ thống thừa nhận tính bất định của hệ thống, tôn trọng và thừa nhận tính liên ngành. Kết hợp giữa phương pháp hình thức và phương pháp phi hình thức, kết hợp giữa phân tích toán học và kinh nghiệm. 2.1.2. Nguyên lý tiếp cận hệ thống Nguyên lý cơ bản khi tiếp cận lý thuyết phân tích hệ thống, đó là tiếp cận từng bước và liên tiếp làm rõ mục tiêu của bài toán. Mô hình mô phỏng đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình tiếp cận hệ thống. 2.1.3. Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống Phân tích hệ thống, đặc biệt là hệ thống nguồn nước sử dụng hai công cụ chính là phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô phỏng. Phương pháp mô phỏng không giải bài toán tối ưu mà chỉ tìm các giá trị khả dĩ chấp nhận được với hàm mục tiêu. Vì phương pháp tối ưu có những hạn chế về phương pháp nhận nghiệm, cho nên có thể có sự giản hóa trong mô phỏng đối với các quá trình của hệ thống, trong khi đó các mô phỏng đó được mô tả chi tiết hơn khi sử 9 dụng phương pháp mô phỏng. Do vậy trong luận án sử dụng cả hai phương pháp này để giải bài toán mô hình bơm tưới hợp lý. 2.1.4. Hệ thống chỉ tiêu đánh giá Khi thiết kế hệ thống phải tuân theo hệ thống chỉ tiêu về kinh tế hoặc kỹ thuật. Đối với hệ thống thủy lợi nói chung đặc biệt là hệ thống trạm bơm người ta thường dùng chỉ tiêu kinh tế để đánh giá. Hệ thống chỉ tiêu đánh giá có thể được mô tả bằng các đẳng thức hay bất đẳng thức, hoặc có thể được đưa về cực trị (max(min)), hoặc có thể có dạng hỗn hợp (cả hai trường hợp trên). 2.2. Mô hình mô phỏng 2.2.1. Khái niệm về mô phỏng Mô phỏng hệ thống là phương thức mô tả hệ thống thực bằng một hệ thống không thực do người nghiên cứu tạo ra. Có nhiều cách mô phỏng, bao gồm: Mô hình vật lý, mô hình toán học,…. Khi nghiên cứu các hệ thống kỹ thuật và hệ thống nguồn nước, người ta sử dụng mô phỏng toán học. 2.2.2. Những đặc trưng cần phản ánh khi xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông số của mô hình bơm tưới Điều kiện địa hình, chế độ thủy văn, mạng lưới sông kênh sẽ được nghiên cứu trong mô hình mô phỏng cột nước bơm tưới. Ảnh hưởng của địa hình, địa chất, mạng lưới sông suối, tập quán của ngưới dân ĐBSCL đến loại máy bơm, số máy bơm, loại nhà máy bơm và quy mô diện tích trạm bơm phụ trách. Mạng lưới sông kênh liên quan đến hình dạng khu tưới, trong đó hình thức bố trí hệ thống kênh mương phụ thuộc vào hình dạng và địa hình khu tưới. Mối tương quan giữa giá thành xây dựng trạm với loại máy bơm và số máy bơm đặt trong trạm; giữa giá thành xây dựng kênh mương với lưu lương hoặc diện tích trạm bơm phụ trách. 2.2.3. Thiết lập mô hình mô phỏng mô hình bơm tưới Việc thiết lập mô hình mô phỏng được tiến hành theo những bước sau: (1) Thu thâp thông tin, xác định mục tiêu; (2) Xác lập cấu trúc hệ thống; (3) Thiết lập 10 các biểu thức toán học, các biểu thức logic; (4) Kiểm tra sự hợp lý của mô phỏng. 2.3. Bài toán tối ưu về mô hình bơm tưới 2.3.1. Bài toán tìm cực tiểu và cực đại Mục tiêu tìm kiếm bài toán tối ưu trong thực tế thường là: tối thiểu (minimum) nguồn lực hay chi phí, hoặc tối đa (maximum) lợi nhuận hay lợi ích có thể. 2.3.2. Một số khái niệm - Biến (hay biến chính): là các biến số mà bài toán tối ưu phải tìm nhằm đạt được mục tiêu đặt ra và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc kèm theo. - Ràng buộc (hay điều kiện ràng buộc): Trong bài toán tối ưu, biến chính không thể nhận giá trị bất kỳ mà chúng bị giới hạn và buộc phải thỏa mãn các điều kiện hay yêu cầu nào đó, người ta gọi chung là điều kiện ràng buộc. - Hàm mục tiêu: Nhiệm vụ của bài toán tối ưu là so sánh, lựa chọn phương án tốt nhất trong các phương án có thể. Muốn vậy phải có một tiêu chí hay chỉ tiêu để so sánh. Thông thường tiêu chí này được thể hiện dưới dạng hàm số của các biến chính và được định nghĩa là hàm mục tiêu. 2.3.3. Đặt bài toán Bài toán tối ưu ở đây được lập với hai trường hợp: - Trường hợp 1: chưa biết diện tích và lưu lượng của trạm bơm. Yêu cầu tìm các thông số tối ưu về hình dạng khu tưới (f), diện tích trạm bơm phụ trách (ω), lưu lượng trạm bơm (Qtb), loại máy (p), cột nước bơm (h), hiệu suất bơm (ηb), công suất bơm (N), số tổ máy bơm trong một trạm (n), loại nhà máy. - Trường hợp 2: diện tích và lưu lượng của trạm bơm đã biết. yêu cầu tìm các thông số tối ưu (p, ηb, N, n, loại nhà máy bơm). 2.3.4. Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu Bài toán đã lựa chọn trong luận án, hàm mục tiêu và ràng buộc đa số là hàm phi tuyến của các biến thông số trong mô hình bơm tưới. Do vậy dạng bài toán tối 11 ưu ở đây là quy hoạch phi tuyến. Trong quy hoạch phi tuyến được chia thành hai loại chính, tối ưu phi tuyến không ràng buộc và tối ưu phi tuyến ràng buộc. Về tổng quát có hai phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến đó là phương pháp không đạo hàm và phương pháp dùng đạo hàm. Phương pháp đạo hàm chỉ phù hợp với những bài toán có thể hàm hóa được. Ngoài ra cần chứng minh sự tồn tại nghiệm và các đạo hàm tương ứng. Trong các bài toán kỹ thuật những điều kiện này rất khó thỏa mãn. Bởi vậy trong luận án này sử dụng phương pháp không đạo hàm, phương pháp quét tìm các thông số tối ưu. Phương pháp này áp dụng cho cả bài toán ràng buộc và không ràng buộc. 2.3.4.1.Phương pháp quét khi có một biến điều khiển Trong phương pháp quét đối với hàm mục tiêu một chiều có phương pháp quét như quét với bước không đổi, quét với bước thay đổi và quét với bước thay đổi trở lại. Đối với phương pháp quét với bước không đổi có ưu điểm dễ dàng lập thuật toán,với bước quét nhỏ thì cho khả năng tìm được cực trị toàn cục. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính toán cần thiết là rất lớn. Còn phương pháp quét với bước biến đổi cần khối lượng tính toán hàm mục tiêu ít hơn, nhưng đối với các hàm mục tiêu đa cực trị, có xác suất bỏ qua cực trị toàn cục. Trong khi đó phương pháp quét với bước quét trở lại thay đổi chỉ có thể đảm bảo tìm được cực trị trong trường hợp hàm mục tiêu có một cực trị. Căn cứ vào những ưu nhược điểm của các phương pháp, chọn phương pháp quét với bước không đổi để tìm thông số tối ưu đối với bài toán mô hình bơm tưới (trường hợp 2) có một thông số điều khiển. 2.3.4.2.Phương pháp quét khi có nhiều biến điều khiển Về bản chất, khi có nhiều thông số điều khiển thì việc quét hàm mục tiêu cũng được thực hiện như đối với trường hợp có một thông số điều khiển với sự thay đổi bước của các thông số còn lại trong miền xác định. Tuy nhiên cũng giống như phương pháp quét có một biến điều khiển, trong luận án này chọn phương pháp quét có bước không đổi để tìm các thông số tối ưu trong bài toán mô hình bơm tưới (trường hợp 1) có 04 thông số điều khiển. Mặc dù phương pháp này 12 có khối lượng tính toán nhiều, nhưng cho kết quả chính xác hơn phương pháp quét với bước thay đổi. 2.4. Thiết lập các bước nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý Các bước này được thiết lập dựa trên nguyên lý tiếp cận từng bước, liên tiếp làm rõ mục tiêu của bài toán. Trình tự theo sơ đồ hình 2.5 Hình 2. 5. Sơ đồ các bước xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý 2.5. Lựa chọn hàm mục tiêu 2.5.1. Các chỉ tiêu tối ưu để xây dựng hàm mục tiêu Chỉ tiêu tối ưu để xây dựng hàm mục tiêu cho hệ thống tưới động lực cần bao gồm các vấn đề kinh tế, khả năng phát triển của hệ thống và độ tin cậy của sự làm việc của các phần tử trong đó, đồng thời chỉ tiêu tối ưu cũng phản ánh được tính chất xác suất của quá trình. Do đó các chỉ tiêu tối ưu để xây dựng hàm mục tiêu bao gồm chỉ tiêu tối ưu tĩnh (chi phí tĩnh, lợi nhuận) và chỉ tiêu tối ưu động (chi phí, giá trị thuần hiện tại NPV). 13 2.5.2. Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu làm hàm mục tiêu Ngày nay khi đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án người ta thường dùng các chỉ tiêu tối ưu động, ít dùng các chỉ tiêu tối ưu tĩnh, vì chỉ tiêu tĩnh không xét đến yếu tố thời gian nên không phản ánh đúng thực tế hiệu quả đầu tư của một dự án. Đối với các chỉ tối ưu động, thì chỉ tiêu NPV thường áp dụng cho những bài toán xác định phương án tối ưu khi chi phí và hiệu ích thay đổi theo các phương án khác nhau. Bài toán nghiên cứu trong luận án này giả thiết lợi ích của phương án là không đổi, chỉ có sự khác nhau về chi phí xây dựng và quản lý vận hành. Do vậy, chỉ tiêu tối ưu về chi phí động được lựa chọn để làm hàm mục tiêu. (2.14) Trong đó: Kj =   m j - Tổng chi phí xây dựng đơn vị toàn hệ thống ứng với phương án đầu tưmj M[Bj] - Bình quân gia quyền (kỳ vọng toán học) của chi phí hàng năm đơn vị cho hệ thống ứng với phương án đầu tư j R - Tỷ lệ chiết khấu (%), quy đổi giá trị đồng tiền ở tương lai về hiện tại 2.5.3. Điều kiện ràng buộc của hàm mục tiêu Số tổ máy bơm lắp đặt trong trạm; Hiệu suất bơm; Cột nước bơm; Loại máy bơm; Loại nhà máy bơm; Chi phí xây dựng trạm bơm; Chi phí xây dựng kênh mương. Các giá trị này sẽ được xác định cụ thể cho vùng ĐBSCL ở chương 3 2.5.4. Các biến số của hàm mục tiêu - Nhóm biến số không điều khiển được: Mưa, bốc hơi, độ ẩm, tốc độ gió, mực nước ngoài sông, địa hình; Hệ số sử dụng kênh mương (ht); Hệ số tưới thiết kế (qtk); Thời gian hoạt động của dự án (T); Hệ số chiết khấu (R); .... Các biến số này coi như đã biết trước, vì vậy coi chúng là các tham số trong tối ưu hóa mô hình bơm tưới. - Nhóm biến số điều khiển được: Vì diện tích trạm bơm phụ trách (ω), lưu lượng trạm bơm (Qtb), hiệu suất bơm (ηb), công suất bơm (N) và loại nhà máy 14 bơm phụ thuộc vào loại máy bơm (p), cột nước bơm (Hb) và số máy bơm (n). Do vậy, trường hợp 1, C*p là hàm của bốn biến (C*p = C*p(f, n, h, p)). Còn trường hợp 2, khi đã biết lưu lượng và cột nước trạm bơm thì hiệu suất bơm (ηb), công suất bơm (N), số máy bơm (n) và loại nhà máy lại phụ thuộc vào loại máy bơm (p) cho nên C*p là hàm của 01 biến (C*p = C*p(p)). 2.6. Cách xác định các thành phần trong hàm mục tiêu 2.6.1. Tổng chi phí xây dựng đơn vị K = (KĐM + KKM)/ω (2.19) Trong đó: K: Tổng chi phí xây dựng đơn vị của toàn hệ thống KĐM: Chi phí xây dựng công trình đầu mối trạm bơm. Trong luận án này sử dụng phương pháp tính trực tiếp để mô phỏng chi phí xây dựng công trình đầu mối trạm bơm theo các phương án số tổ máy bơm khác nhau tương ứng với các phương án loại máy bơm khác nhau. KKM: Chi phí xây dựng hệ thống kênh mương. Trong luận án này tác giả sử dụng phương pháp hồi quy tương quan để mô phỏng toán học mối quan hệ giữa chi phí xây dựng kênh mương với lưu lượng trạm bơm tương ứng với các hình dạng khu tưới xác định. 2.6.2. Chi phí quản lý hàng năm bình quân đơn vị M[B] = (M[Le] + Bcl + Bcsctx + Bcdn)/ω (2.22) Trong đó: - M[B]: Bình quân gia quyền của chi phí quản lý hàng năm đơn vị cho hệ thống - M[Le]: Bình quân gia quyền của chi phí năng lượng hàng năm   n  L e j  a  Wi , j . p wi (2.25) i 1 Trong công thức thức (2.25): a - Đơn giá năng lượng bơm (đ/KWh); Wi,j - Điện năng tiêu thụ trong năm thứ i với phương án loại máy và số máy bơm đặt trong 15 trạm bơm j (KWh); Pwi - Xác suất xuất hiện Wi,j. - Bcl: Bình quân chi phí tiền lương của công nhân vận hành và cán bộ quản lý hệ thống hàng năm: Bcl =Scn .Kl.Ltt.St (2.26) Trong công thức (2.26): Scn: Số công nhân làm việc trong trạm; Kl: Hệ số lương cơ bản; Ltt: Mức lương tối thiểu; St: Số tháng trong một năm - Bcsctx: Bình quân chi phí sửa chữa thường xuyên hệ thống hàng năm Bcsctx = Ksctx% (K + Bctb) (2.27) Trong công thức (2.27): Ksctx - Hệ số phụ thuộc vào vùng nghiên cứu; K - Tổng chi phí xây dựng; Bctb - Chi phí thiết bị - Bcdn: Bình quân chi phí quản lý doanh nghiệp trong quá trình hoạt động của hệ thống hàng năm: Bcdn = Kdn%M[B] (2.28) Trong công thức (2.28): Kdn - Hệ số phụ thuộc vào vùng nghiên cứu 2.7. Thuật toán và các bước giải bài toán tối ưu mô hình bơm tưới Sơ đồ thuật toán giải cho trường hợp 1 hình 2.8, trường hợp 2 hình 2.9. 2.8. Lập chương trình tính toán Chương trình được lập bằng ngôn ngữ C# (đọc là Csharp) trong bộ công cụ .NET. Đây là ngôn ngữ lập trình có tính ưu việt cao. 2.9. Kết luận chương 2 Từ những luận cứ lý thuyết trong phân tích hệ thống và toán tối ưu, đã phân tích đánh giá lựa chọn được phương pháp xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý dựa trên những quan điểm, nguyên lý và phương pháp để tìm lời giải tối ưu hoặc hợp lý. Trên cơ sở nguyên lý tiếp cận từng bước, các bước xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý được thiết lập. Trong đó có ứng dụng mô hình mô phỏng đánh giá phản ứng của hệ thống theo các phương án có thể để xác định phương án có thể chấp nhận được. Lập hàm mục tiêu ứng trường hợp áp dụng trong công tác quy hoạch các trạm bơm tưới và trường hợp phục vụ công tác thiết kế trạm bơm tưới. Phân tích mối quan hệ biện chứng giữa các biến thông số trong 16 hàm mục tiêu, để đưa hàm mục tiêu về dạng rút gọn có dạng phi tuyến. Phương pháp quét với bước không đổi được sử dụng để giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu phi tuyến, với chỉ tiêu tối ưu là chi phí động cho một đơn vị diện tích, nhằm tìm các thông số tối ưu trong các phương án được chấp nhận. Hình 2. 8. Sơ đồ khối của thuật toán quét hàm mục tiêu C*p = C*p(f,n,h,p) 17 Hình 2.9. Sơ đồ khối của thuật toán quét hàm mục tiêu C*p = C*p(p) CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ VÙNG ĐBSCL 3.1. Mô phỏng các thông số của mô hình bơm tưới - Cột nước bơm tưới: Dựa vào kết quả mô phỏng bản đồ cột nước địa hình ĐBSCL đã được đăng trên tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và môi trường số 31, 12-2010, trang 107 – 109. Tác giả đã xác định được cột nước bơm tưới vùng ĐBSCL nằm trong khoảng (Hb = 2-4,5m). - Loại máy bơm và loại hình nhà máy bơm: Do ĐBSCL có địa chất mềm yếu, 18