Luận án tối ưu vận hành trữ nước tưới giảm hạn hán - Nghiên cứu tại hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào, sông Cả

Tính cấp thiết của luận án Trước đây, nước được coi như là một nguồn tài nguyên vô tận. Qua quá trình phát triển của nhân loại, với sự bùng nổ về dân số, sự phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội và đời sống sản xuất, tình trạng thiếu hụt nước giờ đây đã trở thành một mối lo ngại hàng đầu của con người. Điều này đòi hỏi ở các nhà quản lý, các nhà hoạch định chiến lược phát triển phải có được sự thay đổi hợp lý nhằm sử dụng hiệu quả tài nguyên nước. Trong sản xuất nông nghiệp, sử dụng hiệu quả tài nguyên nước đã trở thành một chiến lược quan trọng, đặc biệt tại các vùng khô hạn và bán khô hạn.Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu phát triển các kỹ thuật phân phối tài nguyên nước nhằm sử dụng nước một cách có hiệu quả.

Nhiều kỹ thuật đã được sử dụng như các kỹ thuật tưới tiết kiệm nước, các kỹ thuật thu trữ nước… Biến đổi khí hậu cũng là một nhân tố gây ảnh hưởng lớn đến khả năng phân phối nước của một lưu vực.Biến đổi khí hậu đã gây ra một thực trạng là vào mùa khô, khí hậu trở nên khắc nghiệt hơn, nắng nóng hơn và thời gian kéo dài hơn. Trong khi đó, vào mùa mưa thì lại xảy ra lũ lụt thường xuyên hơn, hiện tượng thừa nước diễn ra ở hầu hết tất cả các lưu vực. Việc thiếu nước vào mùa kiệt và thừa nước vào mùa mưa đang là một thách thức lớn cho nhân loại nói chung và cho ngành nông nghiệp nói riêng. Nhiều giải pháp khắc phục các hiện tượng trên đã được các nhà khoa học đưa ra và được áp dụng tương đối thành công.Trong đó, giải pháp tích trữ nước mùa mưa để sử dụng cho mùa khô là hiệu quả hơn cả.

Hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng nước hiệu quả cho nông nghiệp tại hạ lưu các con sông chủ yếu tập trung vào việc cải thiện kỹ thuật tưới, thay đổi giống và cơ cấu cây trồng hoặc chỉ là những mô hình thu trữ nước nhỏ, phục vụ cho các cây trồng có khả năng chịu hạn cao mà chưa tập trung vào vấn đề nghiên cứu thu trữ nước mùa mưa và cung cấp một cách tối ưu nhất cho mùa khô. 2 Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng thu trữ nước của hệ thống và xây dựng một quy trình vận hành một cách hiệu quả nhất nhằm thu trữ đủ lượng nước mưa để cấp bù cho lượng thiếu hụt phục vụ sản xuất nông nghiệp, giảm chi phí bơm tiêu là cần thiếtvà đề tài: “Nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán tới sản xuất nông nghiệp vùng hạ du sông Cả- Nghiên cứu điển hình tại hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục tiêu của luận án  Xác định đươc nhu cầu và khả năng cấp nước của hệ thống tưới trong mùa kiệt và đề xuất giải pháp thu trữ nước hợp lý phục vụ sản xuất nông nghiệp.  Ứng dụng bài toán tối ưu xây dựng kế hoạch vận hành theo thời gian thực cho giải pháp được đề xuất bảo đảm cung cấp đủ nước tưới trong mùa kiệt, tiết kiệm chi phí trong vận hành hệ thống.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu giải pháp thu trữ nước, và xây dựng thuật toán vận hành tối ưu điều tiết nước theo thời gian thực cho vùng 9 xã thuộc kênh Lê Xuân Đào, hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An là một trong những vùng bị hạn hán nặng nhất trong hệ thống. Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận Cách tiếp cận:  Tiếp cận từ thực tiễn: Nông nghiệp vẫn đóng vai trò chính trong phát triển kinh tế của vùng nghiên cứu, trong khi đó những tháng mùa kiệt mực nước sông Cả xuống thấp, Cống Nam Đàn không lấy được nước làm cho tình hình hạn hán xẩy ra nghiêm trọng ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và đời sống của nhân dân. Vì vậy cách tiếp cận từ thực tiễn để xác định nguyên nhân, mức độ, thời gian để đề xuất giải pháp chống hạn. 3  Tiếp cận hệ thống: Trên lưu vực sông Cả nói chung và vùng nghiên cứu nói riêng là một thể thống nhất, các điều kiện tự nhiên như thời tiết, khí hậu, chế độ dòng chảy, các công trình khai thác sử dụng nước trên lưu vực đều có mối quan hệ và những tác động tương tác lẫn nhau, vì vậy để có thể đề xuất được giải pháp hiệu quả, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cần có một cách tiếp cận hệ thống  Tiếp cận từ dưới lên: Những công trình thủy lợi phục vụ sản xuất nông nghiệp, hiệu quả của công trình được xác định từ đồng ruộng như diện tích được tưới tiêu, các dịch vụ thủy nông cơ sở, năng suất cây trồng mang lại.

Vì vậy cần có cách tiếp cận từ dưới lên để xác định nhu cầu của dịch vụ tưới tiêu cũng như nguyên vọng người dân và chủ trương của địa phương để tạo sự đồng thuận cũng như tính phù hợp của giải pháp được đề xuất. Phương pháp nghiên cứu: 1. Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu: Xác định được hiện trạng hệ thống, tình hình tưới tiêu, hạn hán và quản lý vận hành của hệ thống, thu thập các dữ liệu đầu vào để thực hiện các nội dung nghiên cứu. Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc các tài liệu, phương pháp luận và các kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án liên quan đến nội dung đề tài trong và ngoài nước.

Phương pháp (xác suất) thống kê: Xử lý các tài liệu về khí tượng, thủy văn, tính toán tần suất, phân tích các tài liệu kinh tế, xã hội. Phương pháp mô hình toán: Sử dụng chương trình phần mềm máy tính để tính toán nhu cầu nước cho các cây trồng, cân bằng nước, xác định lượng nước thiếu hụt so với yêu cầu sử dụng và mô hình tính toán thủy lực để xác định chế độ dòng chảy trong hệ thống tưới. Phương pháp tối ưu hóa trong quản lý vận hành hệ thống: Xây dựng hàm vận hành tối ưu cho hệ thống 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được phương pháp luận và các thuật toán tối ưu để vận hành hệ thống tưới trong mùa kiệt bằng biện pháp thu trữ nước.Trong nghiên cứu về vận hành hệ thống, thuật toán tìm kiếm giải pháp tối ưu đã được lập bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.

Thuật toán này lấy thuật toán di truyền sắp xếp các nghiệm không trội NSGA II (Deb 2000) làm cơ sở, bài toán được chuyển về tìm tham số của một dạng hàm vận hành đã được đề xuất với mục tiêu tối ưu hóa 2 chỉ tiêu về tổng lượng tiêu và lượng nước thiếu hụt mà luôn mâu thuẫn nhau trong thực tế. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất được giải pháp và kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống kênh phục vụ tưới cho mùa khô vùng 9 xã phía Đông nam của huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An. Giải pháp này có thể ứng dụng cho các vùng khác có điều kiện tự nhiên tương tự. Những đóng góp mới của luận án 1.

Đã xây dựng được bài toán tối ưu hỗ trợ ra quyết định vận hành trữ nước tưới để giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán tới sản xuất nông nghiệp. Đề xuất được giải pháp và kế hoạch vận hành tối ưu cho hệ thống thủy lợi Lê Xuân Đào trong mùa kiệt. Các kết quả của luận án có thể tham khảo và áp dụng được cho các hệ thống tương tự. Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 3 chương chính như sau: Chương 1.Tổng quan Chương 2.Phương pháp luận và công cụ nghiên cứu Chương 3.Kết quả nghiên cứu 5 CHƯƠNG I.1 Hạn hán và những tác động của hạn hán đối với nông nghiệp 1.1 Hạn hán và nguyên nhân Hạn hán là một hiện tượng phổ biến tại hầu hết các vùng địa lý trên trái đất, là dạng thiên tai phức tạp và có ảnh hưởng đến nhiều người nhất.

Theo Trung tâm quản lý hạn Châu Âu (European Drought Centre), hạn là hiện tượng khí hậu xảy ra khi lượng nước sẵn có trong tự nhiên thấp dưới mức trung bình trong một thời gian dài. Hạn hán tác động tới tất cả các thành phần của chu trình thủy văn, từ hiện tượng làm giảm lượng mưa dẫn đến giảm độ ẩm trong đất, giảm lượng nước bổ cập và trữ lượng nước dưới đất, và hệ quả là giảm lưu lượng hoặc làm khô cạn sông suối. Hạn hán không chỉ ảnh hưởng về các mặt kinh tế, xã hội mà còn tác động rất lớn đến môi trường. Khi hạn hán xảy ra, nông nghiệp là ngành chịu ảnh hưởng trước tiên do đặc trưng của ngành sản xuất này phụ thuộc rất lớn vào nguồn nước.

Các nhà nghiên cứu của Trung tâm Giảm nhẹ hạn hán Quốc gia thuộc trường đại học Lebrasca-Licoln – Mỹ đã phân hạn hán thành 4 loại: hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp, và hạn kinh tế xã hội [32]. Trong các loại hạn này, hạn khí tượng là hiện tượng tự nhiên có nguyên nhân trực tiếp từ khí hậu và biến đổi theo vùng. Trong khi đó, hạn nông nghiệp, thủy văn, và kinh tế xã hội tập trung nhiều hơn vào các khía cạnh xã hội, chúng thể hiện mối tương tác giữa các tính chất tự nhiên của hạn thủy văn và các hoạt động của con người. Hạn hán là hiện tượng hết sức phức tạp mà sự hình thành là do cả hai nguyên nhân: tự nhiên và con người.

Các yếu tố tự nhiên gây hạn như sự dao động của các dạng hoàn lưu khí quyển ở phạm vi rộng và các vùng xoáy nghịch, hoặc các hệ thống áp cao, sự BĐKH, sự thay đổi nhiệt độ mặt nước biển như El Nino và các nguyên nhân do con người như nhu cầu nước ngày càng gia tăng, phá rừng, ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới nguồn nước, quản lý đất và nước kém bền vững, gây hiệu ứng nhà kính. Quá trình phát sinh và diễn biến hạn hán được trình bày theo hình 1.1, hình này mô tả sơ đồ quá trình phát sinh và diễn biến hạn hán. Theo đó hạn khí tượng 6 xảy ra trước tiên do không mưa hoặc ít mưa trong thời gian đủ dài, đồng thời những yếu tố khí tượng đi kèm với sự thiếu hụt mưa gây bốc thoát hơi nước gia tăng. Sự thiếu hụt mưa và gia tăng bốc hơi sẽ dẫn đến sự suy giảm/suy kiệt độ ẩm đất – hạn đất và hạn nông nghiệp ở vùng không được tưới sẽ xảy ra.