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 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 HỒNGTHÁI BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 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 HỒNGTHÁI BÌNH Chuyên ngành: QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Mã số: 62-62-30-01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. 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 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 i LỜI CÁM ƠN Tác giả trân trọng cám ơn GS.TS. Nguyễn Quang Kim đã tận tình hướng dẫn tác giả nghiên cứu và hoàn thành Luận án Tiến sĩ. Tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nước 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 LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... xii 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 1.3.3 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 ở Việt nam và tại Lưu vực sông Hồng..........................................................................14 1.4.1 Một số nghiên cứu kinh tế tài nguyên nước ở Việt nam từ các chuyên gia quốc tế kết hợp với các nhà nghiên cứu Việt nam ..............................................14 1.4.2 Quy hoạch tài nguyên nước ở vùng lưu vực sông Hồng Thái Bình .............15 1.4.3 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa ..............................................................16 iii 1.4.4 Các thách thức trong việc xây dựng thủ tục vận hành liên hồ chứa.............18 1.5. Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ưu hóa và mục tiêu nghiên cứu .................19 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 ......................................................................19 1.5.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án .............................................21 1.5.2.1 Tình hình nghiên cứu về tối ưu hóa trong QH&QLTNN ở Lưu vực Sông Hồng - Thái bình ...............................................................................................21 1.5.2.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án .....................22 Chương 2: THIẾT LẬP BÀI TOÁN PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC .......................................................................................................................................26 2.1. Mở đầu ................................................................................................................26 2.1.1 Giới thiệu ......................................................................................................26 2.1.2 Cơ sở lý thuyết về phân bổ hiệu quả tài nguyên nước .................................28 2.2. Khái niệm phân bổ hiệu quả kinh tế và mô hình Aquarius ................................ 30 2.2.1 Giới thiệu mô hình Aquarius ........................................................................30 2.2.2 Nhận xét ........................................................................................................34 2.3. Tiếp cận mô hình tối ưu hóa động ......................................................................35 2.3.1 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc đẳng thức ................................ 35 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 2.3.5 Một số khía cạnh của phương pháp giải xấp xỉ ............................................39 2.3.5.1 Phương pháp giải gần đúng ...................................................................39 2.3.5.2 Phần mềm Lingo....................................................................................41 2.3.6 Một số cấu phần mới của mô hình tối ưu hóa tất định phát triển bởi luận án ...............................................................................................................................43 2.3.6.1 Bổ sung một số cấu trúc giá trị của sử dụng nước ................................ 43 2.3.6.2 Phát triển các hàm chi phí của hệ thống tài nguyên nước .....................53 2.3.7 Nhận xét .......................................................................................................57 2.4. Áp dụng tiếp cận tối ưu ngẫu nhiên....................................................................58 2.4.1 Giới thiệu ......................................................................................................58 2.4.2 Cơ sở lý thuyết cho phân tích đầu vào ngẫu nhiên của mô hình tài nguyên nước .......................................................................................................................59 iv 2.4.2.1 Biến đổi các chuỗi thời gian không dừng thành các chuỗi thời gian dừng ...........................................................................................................................59 2.4.2.2 Mô hình ARMA (Tự hồi quy trung bình trượt) .................................61 2.4.2.3 Ước lượng mô hình ARMA ..................................................................64 2.4.3 Ứng dụng mô hình ARMA cho bài toán tối ưu ngẫu nhiên .........................64 2.5. Tiếp cận Độc quyền Tự nhiên ............................................................................68 2.5.1 Giới thiệu ......................................................................................................68 2.5.2 Ứng dụng tiếp cận độc quyền tự nhiên cho phân bổ hiệu quả tài nguyên nước .......................................................................................................................69 2.5.2.1 Ước lượng ..............................................................................................69 2.5.2.2 Phân tích ................................................................................................ 70 2.6. Kết luận...............................................................................................................71 Chương 3: PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƯỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƯU VỰC SÔNG HỒNG ..........................................................72 3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................72 3.2 Phân tích số liệu đầu vào của mô hình .............................................................72 3.2.1 Sử dụng số liệu cho các mô hình tối ưu .......................................................72 3.2.2 Số liệu cho hệ thống hồ chứa Núi Cốc .........................................................74 3.3 Mô hình tối ưu hóa động cho Hệ thống Núi Cốc ...............................................94 3.3.1 Giới thiệu Hệ thống Núi Cốc........................................................................94 3.3.2 Phân tích và ước lượng hàm cầu và hàm giá trị sử dụng nước ...................95 3.3.2.1 Hàm cầu sử dụng nước tưới .................................................................95 3.3.2.2 Hàm cầu sử dụng nước cho mục đích sinh hoạt ...................................96 3.3.2.3 Hàm cầu nước cho mục đích phát điện ................................................97 3.3.2.4 Hàm cầu sử dụng nước cho mục đích du lịch ......................................98 3.3.3 Tính toán chi phí ..........................................................................................98 3.3.4 Mô hình tối ưu hóa động cho hồ chứa Núi Cốc ........................................101 3.3.4.1 Xác định hàm mục tiêu ........................................................................101 3.3.4.2 Các ràng buộc .....................................................................................102 3.3.4.3 Sử dụng phần mềm Lingo 16 ..............................................................102 3.3.5 Tóm tắt các kết quả mô hình tối ưu hóa động tất định cho hồ chứa Núi Cốc .............................................................................................................................102 v 3.3.6 Tóm tắt kết quả của các mô hình tối ưu hóa động ngẫu nhiên ..................110 3.4 Mô hình tối ưu hóa động cho Hệ thống Sơn La – Hòa Bình............................117 3.4.1 Giới thiệu hệ thống hồ chứa Sơn La – Hòa Bình .......................................117 3.4.2 Mô hình phân bổ nước Hệ thống Sơn La – Hòa Bình ...............................120 3.4.3 Kết quả mô hình tối ưu hóa động cho hệ thống Sơn La – Hòa Bình ........121 3.5 Kết luận..............................................................................................................133 Chương 4: CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở LƯU VỰC SÔNG HỒNG ..........................................................................135 4.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................135 4.2 Các kết quả chạy mô hình tối ưu hóa động cho hệ thống Núi Cốc ..................140 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 ...............................................................145 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) .........................................................................146 4.3.2 Tối ưu hóa động với cầu tưới trước Đổi mới và dòng chảy đến ngẫu nhiên .............................................................................................................................147 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 ..................................................................................148 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) ................................149 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) ...........150 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) .............................................................................151 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) ..................................................152 4.3.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu tính theo tháng (mô hình với chi phí hàm mũ) .......................................................................................................................153 4.3.10 Một số nhận xét .......................................................................................154 4.4 Kết luận chương ................................................................................................156 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................158 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................160 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................163 PHỤ LỤC ....................................................................................................................168 vi MỘT SỐ THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG ...........238 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mô phỏng các biến liên quan đến hồ chứa .....................................................31 Hình 2.2 Biểu đồ về dòng chảy đến của Hồ chứa Núi Cốc ...........................................65 Hình 2.3 Kết quả phân tích kiểm định IID của chuỗi phần dư ......................................66 Hình 3.1 Đồ thị dòng chảy đến của hồ chứa Núi Cốc (1980-2000) ..............................75 Hình 3.2 Phân phối tần suất dòng chảy đến của hồ chứa Núi Cốc giai đoạn 1980-2000 .......................................................................................................................................75 Hình 3.3 Chuỗi số liệu dòng chảy đến hồ chứa Núi Cốc sau khi lấy lô ga ...................76 Hình 3.4 Phân phối chuẩn của chuỗi số liệu dòng chảy đến sau khi lấy lô ga ..............76 Hình 3.5 Chuỗi dừng nhận được sau khi biến đổi .........................................................77 Hình 3.6 Các biểu đồ ACF (trái) và PACF (phải) của số liệu gốc ................................ 77 Hình 3.7 Kết quả ước lượng mô hình 𝑨𝑹𝑰𝑴𝑨 .............................................................78 Hình 3.8 Đồ thị của phần dư..........................................................................................79 Hình 3.9 Biểu đồ tần suất của phần dư .........................................................................79 Hình 3.10 Kết quả kiểm định tính ồn trắng của phần dư ..............................................79 Hình 3.11 Một mô phỏng của chuỗi lô ga của dòng chảy đến của hồ chứa Núi Cốc ..80 Hình 3.12 Chuỗi số liệu mô phỏng dòng chảy đến của hồ chứa Núi Cốc ....................81 Hình 3.13 Dòng chảy đến hồ chứa Sơn La trong giai đoạn 1/1980 đến 12/2004 ........82 Hình 3.14 Dòng chảy đến Sơn La sau khi biến đổi (lấy lô ga, xử lý Box-Cox, lấy sai phân, loại bỏ trung bình) ...............................................................................................83 Hình 3.15 Biểu đồ ACF và PACF cho chuỗi số liệu nước đến hồ chứa Sơn La ..........83 Hình 3.16 Kết quả ước lượng 𝐴𝑅𝑀𝐴𝑝, 𝑞 với 𝑝 ≤ 26, 𝑞 ≤ 26 sao cho AICC nhỏ nhất .......................................................................................................................................84 Hình 3.17 Biểu đồ tần suất của phần dư ........................................................................84 Hình 3.18 Kết quả kiểm định tính ồn trắng ...................................................................85 Hình 3.19 Một kết quả mô phỏng của mô hình ước lượng ...........................................85 Hình 3.20 Kết quả mô phỏng được khôi phục bằng cách lấy hàm e mũ.......................86 Hình 3.21 Số liệu dòng chảy đến của Sơn La, Hòa Bình, SL+D1+…+D5 trước xử lý 87 Hình 3.22 Số liệu dòng chảy đến của Sơn La, Hòa Bình, SL+D1+…+D5 sau xử lý ...87 Hình 3.23 Biểu đồ ACF và PACF cùng các tương quan chéo của ba chuỗi thời gian của các dòng chảy sau khi đã biến đổi ..........................................................................87 Hình 3.24 Biểu đồ ACF và PACF của phần dư của mô hình được ước lượng ở trên...93 Hình 3.25 Đồ thị của một trong những kết quả mô phỏng mô hình .............................94 Hình 3.26 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 ..........................................112 Hình 3.27 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích ròng .........................112 Hình 3.28 Các quỹ đạo tối ưu hóa tùy thuộc các tình huống ngẫu nhiên....................113 Hình 3.29 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích ròng ........................113 Hình 3.30 Tối ưu hóa với cầu tưới ngẫu nhiên và dòng chảy đến ngẫu nhiên ............114 viii Hình 3.31 Hàm mật độ phân phối xác suất cho các mức tổng lợi ích ròng ...............114 Hình 3.32 Mô hình tối ưu hóa động với cầu tưới ngẫu nhiên do giá lúa ngẫu nhiên .115 Hình 3.33 Hàm phân phối xác suất của các mức tổng lợi ích ròng ............................115 Hình 3.34 Sơ đồ vận hành Liên hồ Sơn La – Hòa Bình ..............................................119 Hình 3.35 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 ...........................................124 định giảm dần và dòng chảy đến ngẫu nhiên ..............................................................125 Hình 3.36 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích đã chiết khấu ...........125 Hình 3.38 Hàm mật độ phân phối xác suất trong trường hợp có chiết khấu ...............125 Hình 3.39 Các quỹ đạo tối ưu của các tổng lợi ích (chưa chiết khấu) .......................126 Hình 3.41 Tối ưu hóa động với cầu tưới tất định và dòng chảy đến ngẫu nhiên ........127 Hình 3.42 Hàm mật độ phân phối xác suất ................................................................127 Hình 3.43 Hàm mật độ phân phối xác suất .................................................................128 Hình 3.44 Các quỹ đạo của tổng lợi ích tối ưu (chưa chiết khấu) ..............................128 Hình 3.45 Hàm mật độ phân phối xác suất của tình huống chưa chiết khấu ..............129 Hình 3.46 Hàm mật độ phân phối xác suất của tình huống chưa chiết khấu .............129 Hình 4.1 Các quan hệ giữa AC và Q (biểu đồ a) và giữa TB/Q và Q (biểu đồ b) ......139 Hình 4.2 Hàm cầu đối với xả nước từ hệ thống hồ chứa .............................................139 Hình 4.3 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc cho tưới và phát điện ..141 Hình 4.4 Độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc khi không can thiệp tưới ...........142 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) .............................143 Hình 4.6 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của Núi Cốc với các năm 5, 10, 13, 19 ..........144 Hình 4.7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 2, 4, 9, 12, 15, và 19 ..................146 Hình 4.8 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 1, 5, 10, 13, 19, 21.....................147 Hình 4.9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 7, 9, 13, 17, 19 .......................148 Hình 4.10 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 5, 9, 13, 16, 20, 24...................149 Hình 4.11 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 5, 9, 11, 18, 25.....................150 Hình 4.12 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 7, 9, 15, 19, 25....................151 Hình 4.13 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 7, 9, 11, 17, 23.....................152 Hình 4.14 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 3, 5, 9, 12, 19, 23.....................153 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 .................................................................................154 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các phương pháp ước lượng cầu ...................................................................44 Bảng 2.2 Các kết quả ước lượng ứng dụng thực tế ở Việt nam ....................................46 Bảng 2.3 Số liệu tăng vốn FDI ở Việt nam ..................................................................50 Bảng 3.1 Tổng hợp đường cầu nước tưới Hệ thống Núi Cốc Thái Nguyên ................96 Bảng 3.2 Các tổng lợi ích tối ưu cho các sử dụng khác nhau (đơn vị tỷ VNĐ) ..........103 Bảng 3.3 Tổng chi phí và lợi ích ròng (đơn vị tỷ VNĐ) ............................................103 Bảng 3.4 Phân bổ nước tưới cho một khu tưới (theo tháng, đơn vị tr. m3) ................104 Bảng 3.5 Các tổng lợi ích tối ưu cho các sử dụng khác nhau (đơn vị tỷ VNĐ) .........104 Bảng 3.6 Tổng chi phí và lợi ích ròng (đơn vị tỷ VNĐ) ............................................105 Bảng 3.7 Phân bổ nước tưới cho một khu tưới (theo tháng, đơn vị tr. m3) .................106 Bảng 3.8 Các tổng lợi ích tối ưu cho các sử dụng khác nhau (đơn vị tỷ VNĐ) .........107 Bảng 3.9 Tổng chi phí và lợi ích ròng (đơn vị tỷ VNĐ) ............................................107 Bảng 3.10 Phân bổ nước tưới cho một khu tưới (theo tháng, đơn vị tr. m3) .............108 Bảng 3.11 Tổng lợi ích và chi phí cho phát điện và tưới ở Sơn La – Hòa Bình ........122 Bảng 3.12 Phân bổ nước cho phát điện tại hồ chứa Sơn La .......................................123 Bảng 4.1 Kết quả tối ưu theo tháng (tháng 8 năm thứ 25) cho một tình huống .........137 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A0 Trung tâm Điều độ Quốc gia ARP Kế hoạch Xả nước Năm CCFSC Ủy ban Phòng chống lụt bão Trung ương 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 nước GDCO Group of drought control LTĐKTUNN Lý thuyết Tối ưu hóa Ngẫu nhiên MARD Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn MOF Bộ Tài chính MOIT Bộ Công Thương MONRE Bộ Tài nguyên Môi trường NCHMS Trung tâm Khí tượng Thủy văn OOG Văn phòng Chính phủ QH&QKTNN Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên Nước SLQP Bài toán Tuyến tính Toàn phương Ngẫu nhiên LVSHTB Lưu vực sông Hồng – Thái Bình WRP Kế hoạch Xả nước xi MỞ ĐẦU 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. 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: • Phân tích và thiết lập khung nghiên cứu để phát triển thước đo giá trị kinh tế cho các sử dụng nước dựa trên tiếp cận kinh tế thị trường có điều tiết, cụ thể là xây dựng hàm mục tiêu xuất phát từ các hàm giá trị của các sử dụng nước khác nhau như nước tưới, nước phát điện, nước sinh hoạt, … và các hàm chi phí của các hệ thống cung cấp nước trong điều kiện LVSHTB. • Xây dựng các ràng buộc kỹ thuật của bài toán quy hoạch và quản lý nước và các ràng buộc kinh tế xã hội và chính sách, và từ đó thiết lập và giải các mô hình tối ưu hóa động 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 bởi phần mềm Lingo. • Tiến hành mô phỏng các chuỗi thời gian đầu vào của các liệt số liệu thủy văn (dòng chảy đến, lượng mưa, lượng bốc hơi) và các liệt số liệu kinh tế như các chỉ số giá cả. Mô phỏng được thực hiện theo tiếp cận sử dụng mô hình ARIMA hoặc SARIMA để mô hình hóa chuỗi thời gian dừng (stationary series) sau khi đã được biến đổi một cách thích hợp. • Thực hiện chạy lặp các chương trình tối ưu hóa động với các mô phỏng của các đầu vào ngẫu nhiên để phân tích tính ổn định của lời giải tối ưu ứng với các lần hiện thực hóa các biến đầu vào kỹ thuật và kinh tế đã được mô phỏng ở trên. xiii • Ứng dụng kết quả giải bài toán tối ưu để phân tích: Sau khi đạt được lời giải tối ưu hóa động của bài toán phân bổ hiệu quả tài nguyên nước và kiểm tra tính ổn định nghiệm của lời giải, tiến hành sử dụng các lời giải từ việc mô phỏng các đầu vào để tìm kiếm các mối quan hệ chi phí trung bình và lợi ích ứng với các mức sản lượng khác nhau để từ đó phân tích các đặc tính mạnh yếu của mô hình độc quyền tự nhiên của quy hoạch và quản lý nước. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu 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. Phạm vi nghiên cứu Về mặt hệ thống tài nguyên nước, phạm vi ban đầu của luận án là một số lưu vực con trong hệ thống LVSHTB, cụ thể là Lưu vực sông Công (hệ thống Núi Cốc), Lưu vực Lô Gâm, tuy nhiên trong quá trình thực hiện, luận án đã mở rộng sang phạm vi Lưu vực Sông Đà (hệ thống Sơn La – Hòa Bình), các kết quả chạy mô hình tối ưu cho một số các tiểu lưu vực khác như hệ thống Lô Gâm đã được nghiên cứu nhưng không được trình bày trong nghiên cứu này vì giới hạn quy mô của luận án. Khoảng thời gian nghiên cứu bao gồm giai đoạn từ năm 1978 – 2000 cho hệ thống Núi Cốc, và các điều kiện tương tự nói trên nhưng 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 như đã nói ở trên. xiv 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); - 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, phương pháp TCM (tức là phương pháp sử dụng thông tin khách du lịch). xv Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: (i) 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 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. (ii) 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. (iii) 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 xvi 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. Ý nghĩa thực tiễn (i) 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 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. (ii) 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. (iii) 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 xvii 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. Những đóng góp mới của luận án Các đóng góp chính của luận án bao gồm: • Thiết lập được bài toán phân bổ tối ưu tài nguyên nước cho hai tiểu lưu vực thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình, giải bài toán tối ưu đó trong môi trường Lingo. • 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. • Đề xuất 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. 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 xviii