Tài liệu áp dụng lý thuyết tối ưu hóa cho bài toán phân bổ hiệu quả tài nguyên nước ở lưu vực sông hồng – thái bình.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO VĂN KHIÊM ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU HÓA CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNGTHÁI BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO VĂN KHIÊM ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU HÓA CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNGTHÁI BÌNH Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc Mã số: 62-62-30-01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Nguyễn Quang Kim HÀ NỘI, NĂM 2017 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 dƣới bất kỳ hình thức nào. Các tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn và ghi rõ nguồn theo đúng quy định. Tác giả luận án Đào Văn Khiêm i LỜI CÁM ƠN Tác giả trân trọng cám ơn GS.TS. Nguyễn Quang Kim đã tận tình hƣớng dẫn tác giả nghiên cứu và hoàn thành Luận án Tiến sĩ. Tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc, Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu, thực hiện Luận án. 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. ii 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... xii 4. Các tiếp cận và phƣơng 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 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ...........................................................................................1 1.1. Đặc điểm chung của lƣu vực..............................................................................1 1.1.1 Các đặc trƣng về khí hậu ...............................................................................1 1.1.2 Các đặc điểm kinh tế xã hội ..........................................................................2 1.1.3 Tình hình quản lý tài nguyên nƣớc 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 tƣới vụ Đông Xuân ...............................................5 1.2.4 Tình trạng khẩn cấp trong mùa lũ ..................................................................5 1.3. Tình hình ứng dụng tối ƣu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc trên thế giới .........................................................................................................................6 1.3.1 Mô hình hóa quản lý tài nguyên nƣớc cấp lƣu vực sông ...............................6 1.3.2 Kinh tế học phân bổ tài nguyên nƣớc .............................................................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 ƣu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc tại lƣu vực sông Hồng ....................................................................................................14 iii 1.4.1 Quy hoạch tài nguyên nƣớc ở vùng lƣu 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 ƣu hóa và mục tiêu nghiên cứu của Luận án 18 1.5.1 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ƣu 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 ƣu hóa trong QH&QLTNN ở Lƣu vực Sông Hồng - Thái bình ......................................................................................20 1.5.2.2 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án .....................21 CHƢƠNG 2 THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC .......................................................................................................................................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 nƣớc tại Lƣu 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 ƣu 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 Trƣờng hợp tổng quát: các ràng buộc hỗn hợp ............................................37 2.3.4 Một số nhận xét ............................................................................................38 2.4 Phƣơng pháp giải gần đúng và ứng dụng phần mềm Lingo ...............................39 2.4.1 Phƣơng pháp giải gần đúng ..........................................................................39 2.4.2 Ứng dụng phần mềm Lingo..........................................................................41 2.4.3 Phát triển thủ tục tối ƣu hóa ngẫu nhiên cho ứng dụng ................................ 43 2.5. Kết luận...............................................................................................................44 CHƢƠNG 3 PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƢU VỰC SÔNG HỒNG ...........................................45 3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................45 iv 3.2. Một số cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc và cấu trúc chi phí .................................45 3.2.1 Cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc tƣới ...............................................................46 3.2.1.1 Cầu tĩnh đối với nƣớc tƣới ...................................................................46 3.2.1.2 Cầu động đối với nƣớc tƣới ..................................................................48 3.2.2 Cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc 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 ƣu hóa động cho Hệ thống Núi Cốc ...............................................63 3.3.1 Giới thiệu Hệ thống Núi Cốc........................................................................63 3.3.2 Phân tích và ƣớc lƣợng hàm cầu và hàm giá trị sử dụng nƣớc ...................64 3.3.2.1 Hàm cầu sử dụng nƣớc tƣới .................................................................64 3.3.2.2 Hàm cầu sử dụng nƣớc cho mục đích sinh hoạt ...................................65 3.3.2.3 Hàm cầu nƣớc cho mục đích phát điện ................................................66 3.3.2.4 Hàm cầu sử dụng nƣớc cho mục đích du lịch ......................................67 3.3.3 Tính toán chi phí ..........................................................................................67 3.3.4 Mô hình tối ƣu 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 ƣu hóa động tất định cho hồ chứa Núi Cốc ...............................................................................................................................71 3.3.6 Tóm tắt kết quả của các mô hình tối ƣu hóa động ngẫu nhiên ....................80 3.4 Mô hình tối ƣu 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 nƣớc Hệ thống Sơn La – Hòa Bình .................................89 3.4.3 Kết quả mô hình tối ƣu hóa động cho hệ thống Sơn La – Hòa Bình ..........90 3.5 Kết luận.............................................................................................................102 CHƢƠNG 4 CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNG ........................................................105 4.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................105 v 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 phƣơng pháp xác định cấu trúc độc quyền tự nhiên từ các kết quả lời giải tối ƣu của mô hình tối ƣu hóa động cho phân bổ hiệu quả nƣớc .....111 4.2 Các kết quả chạy mô hình tối ƣu hóa động cho hệ thống Núi Cốc ..................116 4.3 Tối ƣu 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 ƣu hóa động với cầu tƣới đủ tất định giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên (mô hình chi phí hàm mũ) .........................................................................122 4.3.2 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới trƣớc Đổi mới và dòng chảy đến ngẫu nhiên .............................................................................................................................123 4.3.3 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới tất định sau Đổi mới và dòng chảy đến ngẫu nhiên (mô hình với chi phí hàm mũ) ..................................................................124 4.3.4 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên không có sự can thiệp của chính phủ ..................................................................................125 4.3.5 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới ngẫu nhiên giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên trong điều kiện tƣới đủ (mô hình với chi phí bậc ba) ................................126 4.3.6 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới 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 tƣới ngẫu nhiên ARIMA (mô hình với chi phí hàm mũ) .............................................................................128 4.3.8 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới 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 chƣơng ...............................................................................................132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................134 1. Kết quả đạt đƣợc 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 vi DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................140 PHỤ LỤC ....................................................................................................................145 MỘT SỐ THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH THƢỜNG ĐƢỢC SỬ DỤNG ...........216 vii 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 ƣu của các kế hoạch tối ƣu ứng với các mẫu số liệu ngẫu nhiên về dòng chảy đến của hồ chứa Núi Cốc khi tƣới 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 ƣu 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 ƣu hóa với cầu tƣới 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 ƣu hóa động với cầu tƣới 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 ƣu (theo giá trị hiện tại, tức là chƣa đƣợc chiết khấu) với cầu tƣới 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 ƣu (đã đƣợc chiết khấu của tổng lợi ích với cầu tƣới tất định giảm dần và dòng chảy đến ngẫu nhiên ................................................................ 94 Hình 3.13 Hàm mật độ phân phối xác suất trong trƣờng hợp có chiết khấu .................95 Hình 3.14 Các quỹ đạo tối ƣu của các tổng lợi ích (chƣa chiết khấu) .........................95 Hình 3.15 Hàm mật độ phân phối xác suất của các mức tổng lợi ích ..........................96 Hình 3.16 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới 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 ƣu (chƣa 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 nƣớc từ hệ thống hồ chứa ............................................115 Hình 4.3 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc cho tƣới và phát điện ..117 Hình 4.4 Độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc khi không can thiệp tƣới ..........118 Hình 4.5 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của Núi Cốc khi cầu tƣới và dòng chảy đến cùng là các đại lƣợng ngẫu nhiên trong điều kiện tƣới 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 viii 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 phƣơng pháp ƣớc lƣợng cầu ..................................................................46 Bảng 3.2 Các kết quả ƣớc lƣợng ứng dụng thực tế ở Việt nam ....................................48 Bảng 3.3 Quan hệ giữa giá tƣới với mức tƣới tại các giai đoạn tƣới ............................50 Bảng 3.4 Số liệu tăng vốn FDI ở Việt nam ..................................................................55 Bảng 3.5 Tổng hợp đƣờng cầu nƣớc tƣới Hệ thống Núi Cốc Thái Nguyên ................64 Bảng 3.6 Các tổng lợi ích tối ƣu 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 nƣớc tƣới cho một khu tƣới (theo tháng, đơn vị tr. m3) ..................73 Bảng 3.9 Các tổng lợi ích tối ƣu 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 nƣớc tƣới cho một khu tƣới (theo tháng, đơn vị tr. m3) .................75 Bảng 3.12 Các tổng lợi ích tối ƣu 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 nƣớc tƣới cho một khu tƣới (theo tháng, đơn vị tr. m3) ...............77 Bảng 3.11 Tổng lợi ích và chi phí cho phát điện và tƣới ở hệ thống Sơn La – Hòa Bình 91 Bảng 3.12 Phân bổ nƣớc cho phát điện tại hồ chứa Sơn La .........................................92 Bảng 4.1 Kết quả tối ƣu theo tháng (tháng 8 năm thứ 25) cho một tình huống .........113 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A0 Trung tâm Điều độ Quốc gia ARP Kế hoạch Xả nƣớc Năm CCFSC Ủy ban Phòng chống lụt bão Trung ƣơng DCP/MARD Vụ Trồng trọt DWR/MARD Ban Giám đốc các Công ty khai thác các công trình thủy lợi ERAV Cục Điều tiết Điện lực EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam IWRM Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc GDCO Group of drought control LTĐKTUNN Lý thuyết Tối ƣu hóa Ngẫu nhiên MARD Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn MOF Bộ Tài chính MOIT Bộ Công Thƣơng MONRE Bộ Tài nguyên Môi trƣờng NCHMS Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn OOG Văn phòng Chính phủ QH&QKTNN Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nƣớc SLQP Bài toán Tuyến tính Toàn phƣơng Ngẫu nhiên LVSHTB Lƣu vực sông Hồng – Thái Bình WRP Kế hoạch Xả nƣớc x MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thời đại chúng ta, dân số gia tăng nhanh, tốc độ tăng trƣởng kinh tế lớn, cùng với những bất lợi trong biến đổi khí hậu khiến cho cầu sử dụng nƣớc trong tất cả các lĩnh vực, từ cầu sử dụng nƣớc sinh hoạt, cầu sử dụng nƣớc tƣới trong sản xuất nông nghiệp, cầu nƣớc công nghiệp, cầu sử dụng nƣớc cho các mục tiêu môi trƣờng, sinh thái đều tăng lên với tốc độ lớn. Bên cạnh những thay đổi về kỹ thuật tài nguyên nƣớc, những thay đổi về kinh tế xã hội có ảnh hƣởng ngày càng lớn lên các quyết định chính sách trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Vì vậy, các nghiên cứu quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc 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 nƣớc đƣợc thể hiện ở hai khía cạnh căn bản là: (i) Nhƣ tuyên bố Dublin (1992) đã chỉ ra, nƣớc có giá trị kinh tế và cần đƣợc coi nhƣ một hàng hóa kinh tế, do vậy, khung quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc 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 trƣờng để phân tích và đánh giá các hoạt động cung cấp và sử dụng tài nguyên nƣớc; và (ii) Cũng nhƣ tuyên bố Dublin đã nói, nƣớc là một tài nguyên thiên nhiên ngày càng trở nên khan hiếm và dễ bị tổn thƣơng, tức là khác với các tài nguyên và các hàng hóa thị trƣờng khác, ngành nƣớc là một ngành nổi tiếng vì có nhiều “thất bại thị trƣờng”, tức là có nhiều đặc tính khiến cho các giao dịch thị trƣờng nƣớc sẽ tao ra nhiều ngoại ứng xấu. Điều này hàm ý khung phân tích kinh tế cho ngành nƣớc phải đƣợc áp dụng dựa trên những nghiên cứu đặc biệt về phân tích „thất bại thị trƣờng‟ và các biện pháp để khắc phục những sự cố này. Vì vậy, quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc đồng thời phải đứng trƣớc 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 nƣớc, còn cần chú trọng tới công tác nghiên cứu và các biện pháp khắc phục các nhân tố “thất bại thị trƣờng”, và phát triển các thể chế thích hợp để quản lý nƣớc để cải thiện quy hoạch xi và quản lý tài nguyên nƣớc. Để đối phó với các thách thức nói trên, các chuyên gia quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc quốc tế đã đề xuất tiếp cận phát triển các công cụ mô hình hóa theo tiếp cận mô phỏng và tối ƣu hóa các bài toán quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc ở các lƣu 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 nƣớc ở Việt Nam, mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng mô hình tối ƣu hóa động ngẫu nhiên phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc 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 thƣớc đo giá trị kinh tế cho các sử dụng nƣớc dựa trên tiếp cận kinh tế thị trƣờng 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 nƣớc vào điều kiện Việt nam. Dựa trên các hàm mục tiêu xây dựng đƣợc, xây dựng và phát triển các mô hình tối ƣu hóa động ngẫu nhiên trên cơ sở Lý thuyết Tối ƣu hóa cho bài toán phân bổ hiệu quả tài nguyên nƣớc tại một số tiểu lƣu vực tại LVSHTB. Tổ chức thu thập số liệu và các thông tin cần thiết cho giai đoạn đƣợc chọn cho phân tích hiệu quả phân bổ nƣớc và chạy các mô hình tối ƣu hóa động tất định cũng nhƣ ngẫu nhiên để xác định lời giải tối ƣu và kiểm tra tính ổn định nghiệm để bảo đảm kết quả tìm đƣợc là chắc chắn trƣớc các nhiễu ngẫu nhiên khác nhau. Sau khi đã bảo đảm lời giải của các mô hình tối ƣu đạt đƣợc 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu xii Đối tƣợng chính của nghiên cứu là các hệ thống phân bổ nƣớc cho các sử dụng nƣớc. Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các hoạt động cung cấp nƣớc cho tƣới lúa và cung cấp nƣớc cho phát điện. Các hoạt động sử dụng nƣớc khác cũng đƣợc đƣa vào mô hình, tuy nhiên không đƣợc 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. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Về mặt hệ thống tài nguyên nƣớc, phạm vi ban đầu của luận án là một số lƣu vực con trong hệ thống LVSHTB, cụ thể là Lƣu vực sông Công (hệ thống Núi Cốc), Lƣu vực Lô Gâm, tuy nhiên trong quá trình thực hiện, luận án đã mở rộng sang phạm vi Lƣu vực Sông Đà (hệ thống Sơn La – Hòa Bình), các kết quả chạy mô hình tối ƣu cho một số các tiểu lƣu vực khác nhƣ hệ thống Lô Gâm đã đƣợc nghiên cứu nhƣng không đƣợc trình bày trong nghiên cứu này vì giới hạn quy mô của luận án. Tƣơng ứng với các chuỗi số liệu quan sát sẵn có về thủy văn, thủy lực và các điều kiện kinh tế kỹ thuật khác, khoảng thời gian nghiên cứu là từ năm 1980 – 2000 cho hệ thống Núi Cốc, từ năm 1980 – 2005 áp dụng cho phạm vi của hệ thống Sơn La – Hòa Bình để kiểm nghiệm hoạt động của hệ thống này trong điều kiện những thập kỷ gần đây, vì mục đích minh họa cho các thay đổi chính sách trong các thập kỷ nhƣ đã nói ở trên. 4. Các tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Để phục vụ mục tiêu nghiên cứu theo tiếp cận mô hình hóa Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nƣớc, tác giả đã sử dụng những phƣơng pháp khoa học sau: Khung mô hình hóa mô phỏng và tối ƣu trong Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nƣớc (tài liệu tham khảo là Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nƣớc của Loucks và Van Beek, Nhà xuất bản UNESCO); xiii Khung nghiên cứu, phân tích, và đánh giá giá trị trong phân bổ tài nguyên nƣớc (Tài liệu chính tham khảo là Hệ thống Mô hình hóa Phân bổ nƣớc ở Lƣu vực Sông của Diaz, Brown, và Sveinsoon (Mỹ). Phƣơng pháp xác suất, thống kê, kinh tế lƣợng: là những phƣơng pháp sử dụng khoa học xác suất thống kê để đo lƣờng các đại lƣợng cũng nhƣ các quan hệ kinh tế dựa trên các quan sát và lấy mẫu ngẫu nhiên. Phƣơng pháp mô hình hóa tối ƣu hóa: là khoa học nghiên cứu về hệ thống động đƣợc điều khiển một cách tối ƣu. Dựa vào phƣơng pháp này có thể thiết kế các mô hình tối ƣu hóa động ứng dụng để mô phỏng tối ƣu các hoạt động kinh tế ngành nƣớc. Phƣơng pháp kỹ thuật số để giải xấp xỉ các bài toán tối ƣu hóa động. Mặc dù luận án đã sử dụng một số mô hình lý thuyết để mô tả và tìm lời giải tối ƣu cho các hệ động học phân bổ tài nguyên nƣớc, nhƣng phƣơng pháp giải thực tế cho đại đa số các mô hình vẫn là phƣơng 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 phƣơng pháp này. Bên cạnh các phƣơng pháp lý thuyết kinh tế tài nguyên nƣớc, các phƣơng pháp toán học và kỹ thuật tính toán máy tính, luận án còn dựa nhiều vào các thông tin đƣợc thu thập trong thực tế cung cấp và sử dụng tài nguyên nƣớc. Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng là lấy mẫu ngẫu nhiên và điều tra phỏng vấn ngƣời sản xuất cũng nhƣ ngƣời tiêu dùng, ví dụ nhƣ phƣơng 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 ƣu hóa động ngẫu nhiên cho quy hoạch và quản lý nƣớc tại LVSHTB: (1) Xây dựng đƣợc mô hình tối ƣu hóa động ngẫu nhiên cho phân bổ hiệu quả tài nguyên nƣớc ở một số tiểu lƣu vực thuộc LVSHTB, góp phần thúc đẩy áp dụng các phƣơng pháp mô hình hóa tân tiến vào nghiên cứu tài nguyên nƣớc ở Việt nam; (2) Tích hợp một cách có hệ thống các cấu phần kinh nhƣ cấu trúc chi phí và hàm mục tiêu về lợi ích sử dụng nƣớc tại khu vực LVSHTB vào mô hình, góp phần phát triển nghiên cứu kinh tế một cách có hệ thống xiv dựa trên tiếp cận thị trƣờng có điều tiết trong điều kiện của LVSHTB; (3) Sử dụng các phần mềm hiện đại, ví dụ nhƣ Lingo (có bản quyền), là một phần mềm mới đƣợc 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 nƣớc ở Việt nam. Ứng dụng tiếp cận tối ƣu 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 nhƣ xây dựng mô hình cầu động cho tƣới, 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 nhƣ cầu động cho thủy điện, cầu nƣớc sinh hoạt, … cho nghiên cứu sau này. Phát triển công cụ tối ƣu hóa động ngẫu nhiên để đánh giá thuộc tính “độc quyền tự nhiên” trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc cấp lƣu vực sông. Đây là vấn đề lần đầu tiên đƣợc quan tâm nghiên cứu ở Việt nam và hầu nhƣ cũng chƣa đƣợc nghiên cứu trong phạm vi lĩnh vực quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc trên thế giới, mặc dù đã đƣợc các chuyên gia kinh tế học mới phát triển để nghiên cứu trong một số lĩnh vực độc quyền tự nhiên khác nhƣ hệ thống mạng lƣới điện thoại, các mạng internet, mạng lƣới phân phối điện năng, vân vân. Mặc dù, đây chỉ là một nghiên cứu bƣớc đầu, nhƣng 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 nƣớc. 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 hƣớng kinh tế thị trƣờng có điều tiết của Nhà nƣớc để đẩy mạnh tăng trƣởng kinh tế của nƣớc 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, chƣa đáp ứng yêu cầu của thời đại. Cụ thể, Luật Thủy lợi vừa đƣợc Quốc hội thông qua vào tháng 6 năm 2007 đã đánh dấu một bƣớc tiến quan trọng theo định hƣớng thị trƣờng 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 hƣớng thị trƣờng có điều xv tiết của Nhà nƣớc, phục vụ các nhiệm vụ kinh tế của ngành nƣớc, cụ thể là quy hoạch và quản lý nƣớc ở cấp lƣu vực sông. Ứng dụng tối ƣu hóa động ngẫu nhiên trong phân bổ hiệu quả tài nguyên nƣớc cũng có vai trò quan trọng trong việc đặt nền móng các nghiên cứu về tài nguyên môi trƣờng. 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 nƣớc nhƣ Hội thảo “Định giá tài nguyên nƣớc” do World Bank tổ chức, phản biện cho Đề tài “Kế toán Nƣớc” của Viện Chiến lƣợc, Chính sách Tài nguyên và Môi trƣờng (Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng) và nhiều seminar và hội thảo khác, và đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng đƣợc các chuyên gia đánh giá có chất lƣợng 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 trƣờng nói chung và tài nguyên nƣớc 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 nƣớc 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 chƣơng trình máy tính để chạy bài toán tối ƣu hóa động ngẫu nhiên, nhiều kỹ thuật khác cũng cần phải đƣợc xử lý nhƣ các mô hình mô phỏng dòng chảy đến bằng các phƣơng pháp kinh tế lƣợng phân tích số liệu chuỗi thời gian có tên gọi là Tự hồi quy Trung bình Trƣợt (ARIMA) để xây dựng các mô hình động về dòng chảy cũng nhƣ 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 ƣu 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 hƣớng tới việc phát triển các phƣơng pháp tiến tiến và hiện đại hơn nhƣ trí tuệ nhân tạo và các kỹ thuật tin học tiên tiến khác trong các nghiên cứu ngành nƣớc trong tƣơng 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: xvi (1) Thiết lập đƣợc bài toán phân bổ tối ƣu tài nguyên nƣớc cho 2 tiểu lƣu vực của Lƣu vực sông Hồng – Thái Bình và giải bài toán tối ƣu trong môi trƣờng Lingo. (2) Xây dựng phƣơng pháp xác định và ƣớc lƣợng cầu động của các yêu cầu sử dụng nƣớc tƣới và phát điện, làm số liệu đầu vào cho bài toán phân bổ nƣớc tối ƣu theo các dự báo về xu thế phát triển của nền kinh tế trong tƣơng lai. (3) Đƣa ra phƣơng pháp phân tích đặc tính cấu trúc của cơ chế độc quyền tự nhiên, xác định đƣợc 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 nƣớc của các đối tƣợng trực tiếp khai thác và quản lý tài nguyên nƣớc. 7. Cấu trúc luận án Chƣơng 1: TỔNG QUAN. Nội dung chƣơng này mô tả các đặc điểm điển hình của Lƣu vực Sông Hồng - Thái Bình cùng với môi trƣờng quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc trong phần lãnh thổ Việt nam trong thời gian gần đây. Chƣơng này cũng chỉ ra tính cấp thiết cho nghiên cứu và các kết quả chính mà nghiên cứu đạt đƣợc. Chƣơng 2: THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ TỐI ƢU TÀI NGUYÊN NƢỚC. Nội dung chƣơng này trình bày tóm tắt kiến thức cơ bản về Mô hình hóa Hệ thống trong Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nƣớc, Lý thuyết Kinh tế Tài nguyên Nƣớc, Lý thuyết Tối ƣu hóa tất định, và từ đó xác định tiếp cận tối ƣu hóa động cho bài toán phân bổ tài nguyên nƣớc ở LVSHTB. Chƣơng 3: PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƢU VỰC SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH. Chƣơng này trình bày các kết quả thiết kế và xây dựng mô hình tối ƣu hóa động tất định và ngẫu nhiên cho bài toán phân bổ hiệu quả kinh tế ở lƣu vực sông. Và trên cơ sở đó chạy các chƣơng trình tối ƣu hóa động tất định và ngẫu nhiên cho một số hệ thống nhƣ hệ thống Núi Cốc và hệ thống Sơn La – Hòa Bình. xvii Chƣơng 4: CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH. Chƣơng này trình bày thủ tục phân tích và đánh giá đặc tính độc quyền tự nhiên cho các hệ thống hồ chứa ở LVSHTB dựa vào các kết quả tối ƣu hóa động đã đƣợc chỉ ra. Các kết quả về đặc tính độc quyền tự nhiên này cho hai hệ thống đƣợc chọn cho nghiên cứu đƣợc chỉ ra và các hàm ý cho điều chỉnh của nhà nƣớc cũng đƣợc trình bày. 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 ƣu cho các trƣờng hợp khác nhau của nghiên cứu. xviii