Luận án TS: Ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa cho phân bổ tài nguyên nước 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 HỒNG- THÁI 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 HỒNG- THÁI 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.

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. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Các tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Những đóng góp mới của luận án.

Cấu trúc luận án. xvii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN. Đặc điểm chung của lƣu vực.1 Các đặc trƣng về khí hậu .2 Các đặc điểm kinh tế xã hội .3 Tình hình quản lý tài nguyên nƣớc của Hệ thống Sông Hồng Thái Bình .1 Tại Trung Quốc .2 Tại Việt Nam. Công tác quy hoạch và quản lý .1 Công tác ra quyết định ở cấp quy hoạch .2 Công tác quy hoạch ở mức quản lý .3 Quy hoạch ràng buộc cho tƣới vụ Đông Xuân .4 Tình trạng khẩn cấp trong mùa lũ.

Tình hình ứng dụng tối ƣu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc trên thế giới .1 Mô hình hóa quản lý tài nguyên nƣớc cấp lƣu vực sông .2 Kinh tế học phân bổ tài nguyên nƣớc .4 Mô hình kinh tế thủy văn tổng hợp và các phát triển gần đây. Ứng dụng nghiên cứu tối ƣu hóa cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc tại lƣu vực sông Hồng .1 Quy hoạch tài nguyên nƣớc ở vùng lƣu vực sông Hồng Thái Bình .2 Nghiên cứu vận hành liên hồ chứa .3 Các thách thức trong việc xây dựng thủ tục vận hành liên hồ chứa. Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ƣu hóa và mục tiêu nghiên cứu của Luận án 18 1.1 Nhu cầu nghiên cứu ứng dụng tối ƣu hóa động trong phân bổ hiệu quả kinh tế trong QH&QLTNN tại Việt nam .2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án .1 Tình hình nghiên cứu về tối ƣu hóa trong QH&QLTNN ở Lƣu vực Sông Hồng - Thái bình .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 .2 Mô hình phân bổ tài nguyên .2 Hệ thống Mô hình hóa Phân bổ Tài nguyên nƣớc tại Lƣu vực sông (Aquarius) 29 2.1 Giới thiệu mô hình Aquarius .2 Hiệu chỉnh và Phát triển mô hình Aquarius .3 Bài toán tối ƣu hóa với ràng buộc hỗn hợp .1 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc đẳng thức .2 Bài toán tối đa hàm mục tiêu với ràng buộc bất đẳng thức .3 Trƣờng hợp tổng quát: các ràng buộc hỗn hợp .4 Một số nhận xét .4 Phƣơng pháp giải gần đúng và ứng dụng phần mềm Lingo .1 Phƣơng pháp giải gần đúng .2 Ứng dụng phần mềm Lingo.3 Phát triển thủ tục tối ƣu hóa ngẫu nhiên cho ứng dụng .44 CHƢƠNG 3 PHÂN BỔ HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN NƢỚC CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG LƢU VỰC SÔNG HỒNG. Một số cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc và cấu trúc chi phí .1 Cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc tƣới .1 Cầu tĩnh đối với nƣớc tƣới .2 Cầu động đối với nƣớc tƣới .2 Cấu trúc giá trị sử dụng nƣớc phát điện .3 Cấu trúc chi phí .1 Chi phí vận hành .2 Chi phí vốn .3 Mô hình tối ƣu hóa động cho Hệ thống Núi Cốc .1 Giới thiệu Hệ thống Núi Cốc.2 Phân tích và ƣớc lƣợng hàm cầu và hàm giá trị sử dụng nƣớc .1 Hàm cầu sử dụng nƣớc tƣới .2 Hàm cầu sử dụng nƣớc cho mục đích sinh hoạt .3 Hàm cầu nƣớc cho mục đích phát điện .4 Hàm cầu sử dụng nƣớc cho mục đích du lịch .3 Tính toán chi phí .4 Mô hình tối ƣu hóa động cho hồ chứa Núi Cốc .1 Xác định hàm mục tiêu .3 Sử dụng phần mềm Lingo 16 .5 Tóm tắt các kết quả mô hình tối ƣu hóa động tất định cho hồ chứa Núi Cốc .6 Tóm tắt kết quả của các mô hình tối ƣu hóa động ngẫu nhiên .4 Mô hình tối ƣu hóa động cho Hệ thống Sơn La – Hòa Bình.1 Giới thiệu hệ thống hồ chứa Sơn La – Hòa Bình .2 Mô hình phân bổ nƣớc Hệ thống Sơn La – Hòa Bình .3 Kết quả mô hình tối ƣu hóa động cho hệ thống Sơn La – Hòa Bình .102 CHƢƠNG 4 CẤU TRÚC ĐỘC QUYỀN TỰ NHIÊN TRONG PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƢỚC Ở LƢU VỰC SÔNG HỒNG .1 Giới thiệu về độc quyền.2 Khái niệm Độc quyền tự nhiên .1 Độc quyền trong công ty sản phẩm đơn .2 Điều chỉnh công ty sản phẩm đơn .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 .2 Các kết quả chạy mô hình tối ƣu hóa động cho hệ thống Núi Cốc .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 .1 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới đủ tất định giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên (mô hình chi phí hàm mũ) .2 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới trƣớc Đổi mới và dòng chảy đến ngẫu nhiên .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) .4 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới giảm và dòng chảy đến ngẫu nhiên không có sự can thiệp của chính phủ .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) .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) .7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu với mô hình cầu tƣới ngẫu nhiên ARIMA (mô hình với chi phí hàm mũ) .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) .9 Cấu trúc độc quyền tự nhiên yếu tính theo tháng (mô hình với chi phí hàm mũ) .10 Một số nhận xét .4 Kết luận chƣơng .132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

Kết quả đạt đƣợc của luận án. Tóm tắt các đóng góp chính của luận án. 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 .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 .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 .2 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích ròng .3 Các quỹ đạo tối ƣu hóa tùy thuộc các tình huống ngẫu nhiên.4 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích ròng .5 Tối ƣu hóa với cầu tƣới ngẫu nhiên và dòng chảy đến ngẫu nhiên .6 Hàm mật độ phân phối xác suất cho các mức tổng lợi ích ròng .7 Mô hình tối ƣu hóa động với cầu tƣới ngẫu nhiên do giá lúa ngẫu nhiên .8 Hàm phân phối xác suất của các mức tổng lợi ích ròng .9 Sơ đồ vận hành Liên hồ Sơn La – Hòa Bình .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 .11 Hàm mật độ phân phối xác suất của các tổng lợi ích đã chiết khấu .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 .13 Hàm mật độ phân phối xác suất trong trƣờng hợp có chiết khấu .14 Các quỹ đạo tối ƣu của các tổng lợi ích (chƣa chiết khấu) .15 Hàm mật độ phân phối xác suất của các mức tổng lợi ích .16 Tối ƣu hóa động với cầu tƣới tất định và dòng chảy đến ngẫu nhiên .17 Hàm mật độ phân phối xác suất .18 Hàm mật độ phân phối xác suất .19 Các quỹ đạo của tổng lợi ích tối ƣu (chƣa chiết khấu) .1 Các quan hệ giữa AC và Q (biểu đồ a) và giữa TB/Q và Q (biểu đồ b) .2 Hàm cầu đối với xả nƣớc từ hệ thống hồ chứa .3 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc cho tƣới và phát điện .4 Độc quyền tự nhiên của hồ chứa Núi Cốc khi không can thiệp tƣới .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).6 Cấu trúc độc quyền tự nhiên của Núi Cốc với các năm 5, 10, 13, 19 .7 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 2, 4, 9, 12, 15, và 19 .8 Cấu trúc độc quyền tự nhiên cho các năm 1, 5, 10, 13, 19,21.