Giáo trình Tối ưu hóa hệ thống và khả năng ứng dụng trong quản lý tài nguyên nước - Lê Hùng Nam

Nội dung text: Giáo trình Tối ưu hóa hệ thống và khả năng ứng dụng trong quản lý tài nguyên nước - Lê Hùng Nam

1. ĐƠN VỊ ANH HÙNG LAO ĐỘNG TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Lê Hùng Nam Phó Vụ trưởng - Vụ Quản lý Nguồn nước và Nước sạch nông thôn - Tổng cục Thủy lợi TÓM TẮT I. MỞ ĐẦU Hài hòa các mục tiêu sử dụng trong quy hoạch, Diễn biến bất thường của dòng chảy các lưu quản lý hệ thống nguồn nước trước diễn biến vực sông gần đây, đặc biệt là suy giảm nguồn bất thường của điều kiện tự nhiên, yêu cầu của nước mùa cạn dẫn đến nhu cầu bức thiết nghiên phát triển dưới tác động chi phối của yếu tố thị cứu khai thác nâng cao hiệu quả sử dụng hệ trường đang là vấn đề bức xúc hiện nay ở nước ta. thống công trình thủy lợi và nâng cao hiệu quả Qua rà soát, đánh giá kết quả ứng dụng phương sử dụng nước là một nội dung quan trọng (Tô pháp mô hình toán mô phỏng, phương pháp mô Trung Nghĩa và Lê Hùng Nam, 2007). hình toán tối ưu trong quản lý tài nguyên nước, hệ thống hồ chứa nước bài viết đã đề xuất sử Trên thế giới cũng như ở nước ta, hệ thống dụng tối ưu phi tuyến kết hợp phân tích tối ưu nguồn nước và công trình khai thác sử dụng Pareto trong nghiên cứu ứng dụng nhằm tìm lời nước đã được quan tâm đầu tư phát triển - đến giải cho bài toán quy hoạch và quản lý hệ thống nay công tác quản lý nguồn nước đã mang lại nguồn nước. Công nghệ GAMS được đánh giá các kết quả vô cùng to lớn phục vụ cho mục tiêu là một công cụ phù hợp phục vụ cho phân tích, phát triển đất nước trong suốt quá trình lịch sử. Cùng với quá trình phát triển của lịch sử, của tính toán tối ưu các hệ thống lưu vực sông và nhu cầu phục vụ các hoạt động phát triển kinh hồ chứa phức tạp ở Việt Nam. Để phát triển tế - xã hội thì hệ thống nguồn nước và công trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng phương pháp khai thác nguồn nước được xây dựng phục vụ đa luận và công cụ tối ưu hệ thống vào thực tiễn mục tiêu. Quá trình phát triển của các mục tiêu ở Việt Nam, ngoài ưu tiên đầu tư cho công tác phục vụ, nhu cầu sử dụng cùng với tác động của đào tạo, nghiên cứu triển khai ứng dụng thì, đặc nền kinh tế thị trường đã làm tăng mức độ phức biệt, cần tạo môi trường tốt cho hoạt động trao tạp trong hoạt động quản lý, vận hành hệ thống đổi thông tin giữa nhà nghiên cứu với đội ngũ nguồn nước. Tranh chấp trong chia sẻ nguồn cán bộ quản lý, vận hành hệ thống công trình nước giữa các mục tiêu sử dụng, giữa phát triển cũng như các bên hưởng lợi liên quan để hiểu rõ và bảo tồn nguồn nước ngày càng trở nên phức được tính ưu việt của tối ưu hóa hệ thống đồng tạp yêu cầu có hướng tiếp cận phù hợp trong thời phải đảm bảo chuyển tải được thông tin về phân bổ, chia sẻ nguồn nước phục vụ mục tiêu tính minh bạch, rõ ràng phương pháp luận tối phát triển. Mâu thuẫn trong chia sẻ nguồn nước, ưu, tính mềm dẻo đơn giản của công cụ và tính tranh chấp trong khai thác, sử dụng nguồn nước định lượng của hiệu quả ứng dụng phương pháp gần đây có thể kể đến như giữa phát triển công luận tối ưu và công cụ tối ưu hóa hệ thống đến trình thủy lợi phục vụ đa mục tiêu cấp nước người có thẩm quyền ra quyết định. cho đô thị, công nghiệp, tưới, phòng chống lũ 117
2. 55 NĂM VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI 1961 - 2016 với phát triển, khai thác hệ thống công trình hồ số liệu, thực tế triển khai ứng dụng trong thực chứa thủy điện ngày càng bộc lộ rõ và cần đầu tế. Với việc đánh giá một số ứng dụng tối tư nghiên cứu giải quyết. ưu hóa hệ thống ở trong nước và ngoài nước bài viết sẽ đưa ra các khuyến cáo trong phát Để điều hòa, phân bố nguồn nước giữa các mục triển, ứng dụng công nghệ tối ưu hóa hệ thống tiêu sử dụng trong nghiên cứu quy hoạch cũng trong quản lý, khai thác hợp lý tài nguyên ở như quản lý có thể vận dụng mô hình mô phỏng Việt Nam. hoặc mô hình tối ưu. Mô hình toán mô phỏng có khả năng cho biết Hệ thống sẽ phản hồi như III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN thế nào theo các kịch bản đề ra? Tuy vậy mô hình toán mô phỏng không thể trả lời câu hỏi 1. Phương pháp tối ưu Vậy hệ thống phản hồi như vậy đã tốt nhất hay Khởi đầu từ cuộc cách mạng công nghiệp nền chưa? mô hình toán tối ưu sẽ trả lời cho câu hỏi kinh tế thế giới phát triển nhanh chóng cả về này (Hillier và Liebeman, 2001, Mays và Tung, phạm vi độ lớn cũng như về tính phức tạp. Cùng 1992, Helweg và Labadie, 1977). Lĩnh vực tối với các lợi ích mà quá trình phát triển đem lại ưu hóa hệ thống được xem là một trong những chúng cũng đã dẫn đến tình trạng các đối tượng, lĩnh vực nghiên cứu thu hút tập trung các nhà ngành kinh tế, phát triển một cách tự phát lấn át nghiên cứu trong suốt lịch sử phát triển. Đến nay lẫn nhau về nhiều mặt đặc biệt là trong vấn đề tối ưu hóa hệ thống trong quản lý, phân bổ và sử chia sẻ các nguồn tài nguyên liên quan. Thông dụng các nguồn tài nguyên hạn hẹp, trong đó có thường cùng với tình hình phát triển của đối nguồn nước, vẫn được đặc biệt tập trung đầu tư. tượng cũng đồng thời với sự thất bại, biến mất Phát triển của tối ưu hóa hệ thống liên quan đến của một số đối tượng khác - một số đối tượng cơ sở toán học, khả năng về công nghệ phần vẫn cùng tồn tại với các nguy cơ đối đầu tiềm mềm, phần cứng, con người, đầu vào số liệu. ẩn. Một vấn đề liên quan là khi quá trình phát Sự phát triển của các yếu tố nêu trên thời gian triển đến mức trở nên phức tạp sẽ dẫn đến tình vừa qua đã bước đầu và sẽ tạo điều kiện cho khả trạng rất khó phân chia tài nguyên cho các đối năng triển khai áp dụng vào quản lý phân bổ tối tượng để cùng phát triển đồng thời một cách hiệu ưu tài nguyên nước phục vụ phát triển kinh tế xã quả. Từ việc cần thiết phải tìm một hướng giải hội ở nước ta. quyết đã dẫn đến yêu cầu cần có một phương pháp giải quyết bài toán vận hành hệ thống tối Nội dung bài viết sẽ phân tích, đánh giá quá ưu. Tài nguyên nước cũng như vậy, việc phân trình phát triển và ứng dụng của phương pháp chia nguồn nước giữa các mục tiêu, các ngành tối ưu hóa hệ thống trong quản lý phân bổ nguồn sử dụng nước, là một hệ thống động phức tạp và nước nói chung và khả năng triển khai ứng dụng sẽ càng phức tạp khi chịu tác động bởi yếu tố thị trong quản lý tài nguyên nước ở nước ta. trường. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối với bài toán cấp nước cho các mục tiêu sử dụng thì loại mô hình toán thông dụng phải kể Bài viết tiến hành đánh giá quá trình phát triển đến là mô hình mô phỏng cân bằng nước và mô phương pháp tối ưu hóa toán học, đặc biệt tập hình phân bổ tối ưu nguồn nước. Mục tiêu sử trung vào tối ưu phi tuyến trong quản lý, vận dụng ở đây có thể hiểu bao gồm cấp nước sinh hành hệ thống - sẽ đi vào các nội dung phương hoạt, công nghiệp, tưới, giao thông thủy, phát pháp tối ưu, công cụ ứng dụng, khả năng về điện, môi trường. Như đã nêu ở phần trên mô 118
3. ĐƠN VỊ ANH HÙNG LAO ĐỘNG hình tối ưu sẽ giúp tìm được lời giải hài hòa có số ứng dụng cụ thể của tối ưu động có thể kể tính “tối ưu hơn” so với mô hình toán mô phỏng. đến như nghiên cứu của Young trong vận hành hồ chứa (Young, 1967), nghiên cứu vận hành hệ Phương pháp tối ưu hệ thống được trình bày thống liên hồ chứa cho lưu vực sông Gunpowder trong nhiều tài liệu tra cứu. Ứng dụng mô hình River, Baltimore, Mỹ (Karamouz et. al, 1992). điều khiển tối ưu hệ thống tài nguyên nước được Tối ưu động, hay quy hoạch động theo một số biết đến qua các nghiên cứu từ những năm 60 tài liệu ở Việt Nam, là một trong những phương của thế kỷ XX tập trung và có thể phân theo pháp tối ưu được tập trung chú ý trong nhiều tài dạng mô hình tối ưu được sử dụng để mô phỏng liệu nghiên cứu. Tối ưu động cung cấp một kỹ hệ thống. Một số phương pháp tối ưu được tập thuật có tính hệ thống để xác định tối ưu cho tập trung phát triển và đưa vào ứng dụng phổ biến hợp các hành động cho một quá trình (các giai như tối ưu tuyến tính, tối ưu mạng, tối ưu động đoạn) với trạng thái khác nhau. Cùng với tối ưu (“quy hoạch động” theo một số tài liệu Việt tuyến tính thì tối ưu động cũng được giới thiệu Nam), tối ưu biến số nguyên/biến gián đoạn, tối rộng rãi trong các chương trình giảng dạy các ưu phi tuyến. Ngoài ra còn phải kể đến lý thuyết bậc đại học và trên đại học cùng với các ví dụ trò chơi, lý thuyết chuỗi Markov, lý thuyết xếp ứng dụng sinh động. Tuy vậy thực tế ứng dụng hàng, lý thuyết quản lý hàng hoá tồn kho Có cho thấy khi hệ thống nghiên cứu phức tạp việc thể mô tả bài toán tối ưu tổng quát như sau: ứng dụng hai loại tối ưu nêu trên, đặc biệt là tối Tìm cực trị hàm mục tiêu F (X) ưu động, sẽ bất lợi - khó mô tả hệ thống thực. Một nội dung đặc biệt quan trọng là tối ưu phi Thỏa mãn ràng buộc Cj(X)≥εj tuyến. Vì một giả thuyết cơ bản của tối ưu tuyến Hai phương pháp tối ưu được nhắc đến tính là tất cả các mô tả toán (hàm mục tiêu, ràng nhiều nhất là tối ưu tuyến tính và tối ưu động buộc) phải ở dạng tuyến tính. Tuy vậy hệ thống (Yakowits, 1982), các ứng dụng cụ thể của hai thực cần mô tả hầu hết phi tuyến do vậy thường phương pháp này đã được ghi chép và xuất bản không thể sử dụng giả thiết này. Hầu hết các bài nhiều trong thời gian qua. Phương pháp tối ưu toán thực mô tả hiện tượng tự nhiên đều ở một tuyến tính được chú ý ở giai đoạn khởi đầu. mức độ phi tuyến nào đó, do vậy hầu hết các bài Phát triển của tối ưu tuyến tính đã được xem là toán tối ưu cần mô tả đều ở dạng phi tuyến. một trong những tiến bộ quan trọng nhất của thế kỷ XX. Tối ưu tuyến tính đã có những bước tiến Hiện chưa có một phương pháp giải nào có thể áp bất thường từ những năm 50. Trong suốt quá dụng cho tất cả các bài toán tối ưu phi tuyến. Tuy trình phát triển, đặc biệt trong giai đoạn đầu, nhiên giải pháp cho bài toán phi tuyến được cải đến nay lý thuyết tối ưu tuyến tính đã góp phần tiến liên tục bởi phát triển và sử dụng một số giả phát triển kinh tế thế giới, phạm vi ứng dụng lý thiết cho một số bài toán tối ưu phi tuyến thường thuyết tối ưu tuyến tính trong các ngành kinh tế gặp. Phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến vẫn phát triển. hiện vẫn còn là một vấn đề còn rộng mở mà khả năng con người có thể khám phá hoàn toàn vẫn Lý thuyết tuyến tính cho phép mô tả bài toán tối còn rất xa vời. Nhiều tài liệu đã cung cấp hướng ưu với các ràng buộc và hàm mục tiêu có dạng giải quyết bài toán tối ưu phi tuyến quan trọng tuyến tính, trong khi tối ưu động yêu cầu các quá thường gặp trong thực tế nghiên cứu, ứng dụng. trình tối ưu thường có dạng đơn giản phải được phân đoạn thành các giai đoạn, tại các giai đoạn Nhìn chung các tài liệu các giới thiệu về vận biến tối ưu nhận các trạng thái riêng biệt. Một hành hệ thống đã cung cấp đầy đủ các thông tin 119
4. 55 NĂM VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI 1961 - 2016 về lý thuyết, phương pháp giải cùng như một thấy rõ được các đặc tính riêng biệt để có thể xác bộ các ứng dụng thực tiễn sinh động về tối ưu định hệ thống biến tối ưu. hệ thống đã được ứng dụng thành công trong nhiều ngành kinh tế khác nhau, đặc biệt là về tối Bước 2: Xác định tiêu chuẩn tối ưu, thiết lập ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến và tối ưu động. hàm mục tiêu từ biến tối ưu đã xác định và các Tuy vậy thông thường các ứng dụng trong trong hệ số tương ứng. quản lý nguồn nước chỉ được nhắc đến trong các Bước 3: Phát triển hệ thống các quan hệ toán tạp chí nghiên cứu, các sách chuyên môn về tài học mô phỏng, liên hệ giữa các biến tối ưu, số nguyên nước. liệu vào ra và các hệ số tương ứng, bao gồm các ràng buộc dưới dạng đẳng thức, bất đẳng thức - Ở Việt Nam tài liệu giảng dạy về vận hành tối ưu gọi chung là các ràng buộc - có thể sử dụng các hệ thống trong quy hoạch và quản lý tài nguyên quan hệ vật lý, hàm kinh nghiệm. nước có thể kể đến xuất bản của các tác giả Hà Văn Khối, Phó Đức Anh và Đặng Hữu Đạo. Các Bước 4: Trong trường hợp phạm vi của bài toán tài liệu này được dùng làm giáo trình giảng dạy quá lớn cần (i) Phân ra thành những phần nhỏ dễ sinh viên thạc sỹ ngành công trình, thuỷ nông mô phỏng hơn, (ii) Đơn giản hoá hàm mục tiêu cải tạo đất, thuỷ điện và thuỷ văn công trình tại hoặc cách mô phỏng. Trường Đại học Thuỷ lợi trình bày các nội dung về phân tích hệ thống nguồn nước nhằm mục Bước 5: Ứng dụng kỹ thuật giải tương thích. đích trang bị phương pháp tính toán quy hoạch Bước 6: Kiểm tra kết quả, phân tích độ nhạy của và quản lý nguồn nước. Hệ thống tài liệu này mô hình bằng cách thay đổi hệ số cũng như các sau khi giới thiệu về bài toán tối ưu tuyến tính, giả thiết. tối ưu động (quy hoạch tuyến tính và quy hoạch động theo cách gọi của tác giả) đã đi vào giới Một số bài toán không bắt buộc phải theo sát các thiệu cách ứng dụng trong quy hoạch hệ thống bước trên, tuy vậy nên xem xét, cân nhắc cụ thể nguồn nước như vận hành cấp nước, phòng lũ. từng bước khi tiến hành xây dựng mô hình. Mặc dù các tài liệu nêu trên được soạn thảo chủ yếu dành cho sinh viên các ngành đào tạo của Thực tế bài toán điều khiển tối ưu hệ thống là Trường Đại học Thuỷ lợi nhưng các ví dụ minh xác định giá trị của một tập hợp các biến tối ưu họa chưa hoàn toàn tập trung vào hệ thống tài để đạt cực trị giá trị hàm mục tiêu đồng thời phải nguyên nước. thoả mãn tất cả các ràng buộc liên quan. Rất nhiều các phương pháp đã được xây dựng nhằm Có thể nói nghiên cứu vận hành tối ưu hệ thống mục đích giải các bài toán điều khiển tối ưu. Với tài nguyên nước đã được phát triển mạnh mẽ và ứng dụng thực tiễn, phạm vi của bài toán tối ưu rất đa dạng. Đối với từng bài toán, việc chọn có thể lên đến hàng trăm, hàng nghìn, hàng trăm phương pháp thích hợp để giải phụ thuộc vào nghìn các biến tối ưu cùng các ràng buộc. Hệ dạng hàm mục tiêu, ràng buộc và số lượng các thống này đòi hỏi phải thực hiện một số lần tính biến tối ưu. Tuỳ thuộc vào đặc điểm của bài toán cực kỳ lớn - thông thường không thể giải toán tối ưu nghiên cứu của hai tác giả Edgar và được bằng tính tay, thủ công. Himmelblau (1988) đã đề xuất các bước xây dựng và giải bài toán tối ưu hệ thống như sau: Một vấn đề lớn cần được quan tâm giải quyết đó là với bài toán tối ưu đa mục tiêu. Với bài Bước 1: Phân tích bản chất bài toán để có thể toán tối ưu đơn mục tiêu nhiệm vụ chính là tìm 120
5. ĐƠN VỊ ANH HÙNG LAO ĐỘNG điểm cực trị của hàm mục tiêu - trong khi tối ưu xem xét đưa ra các quyết định quản lý, vận hành đa mục tiêu nếu cố gắng thay đổi giá trị của một hệ thống tài nguồn nước. mục tiêu, thông thường, sẽ tác động thay đổi, Một cách hiểu tối ưu Pareto như sau, giá trị x* thường theo hướng bất lợi, đến các giá trị mục được gọi là điểm tối ưu Pareto nếu không tồn tại tiêu khác. Ví dụ trong quản lý hồ chứa đa mục giá trị biến tối ưu x thỏa mãn các ràng buộc để tiêu sử dụng cấp nước, chống lũ khi gia tăng mục tiêu chống lũ có thể phải dành một dung tích có thể cải thiện một số hàm mục tiêu mà không phòng lũ lớn, đồng thời phải kéo dài thời gian tác động xấu đến ít nhất một hàm mục tiêu khác. ở cuối mùa lũ để mực nước hồ chứa phải giữ ở Thực tế phương pháp lựa chọn này thường mực nước thấp - để thỏa mãn mục tiêu gia tăng không dẫn đến một lời giải duy nhất mà thường độ an toàn phòng lũ sẽ, đồng thời, dẫn đến rủi ro hình thành một tập hợp các điểm tối ưu Pareto. cao tại đầu mùa khô tiếp theo hồ sẽ không tích Mặt cong trong không gian đa chiều tạo bởi các được đến mực nước dâng bình thường theo thiết điểm tối ưu Pareto được gọi là mặt cong Pareto. kế gây thiệt hại cho mục tiêu cấp nước của hồ Trên cơ sở mặt cong Pareto nhà hoạch định sẽ chứa trong mùa cạn tiếp theo sau. Việc gia tăng cân nhắc và quyết định phương án chọn. nhiệm vụ này (phòng lũ hoặc cấp nước) sẽ đồng thời làm giảm khả năng đáp ứng mục tiêu kia. 2. Công cụ giải bài toán tối ưu Cùng với các tài liệu tham khảo về phương pháp tối ưu hệ thống, một số công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống bằng máy tính cá nhân cũng đã được phát triển khá phong phú, đại diện có thể liệt kê như sau: - Phần mềm LINDO dùng để giải bài toán tối ưu tuyến tính, tối ưu tuyến tính biến nguyên, tối ưu hàm bậc hai. Hình 1. Đường cong Pareto - Ngôn ngữ máy tính LINGO dùng để thiết kế và hai mục tiêu cấp nước và chống lũ giải các dạng tối ưu tuyến tính, tối ưu tuyến tính biến nguyên, tối ưu phi tuyến. Giải quyết vấn đề giữa các mục tiêu đối kháng, để đạt được mục tiêu tổng thể (một mục tiêu) có - Hệ thống GAMS được thiết kế để giải các bài thể quy các giá trị các mục tiêu sử dụng về một toán lớn về tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, đơn vị tính, có thể quy ra đơn vị tiền tệ và giải tối ưu biến nguyên GAMS là một loại ngôn bài toán như một bài toán tối ưu đơn mục tiêu sử ngữ lập trình bậc cao được sử dụng để quản lý dụng. Khó khăn khi giải quyết theo hướng này số liệu, mô phỏng hệ thống cùng với một bộ các nằm ở chỗ việc quy các mục tiêu về một đơn vị thư viện toán giải tối ưu. tính thông thường không được thuyết phục. Để giải quyết vấn đề nêu trên gần đây một hướng Trước đây LINDO đã được sử dụng khá rộng. tiếp cận khác khá khả quan là xây dựng mặt Tuy nhiên gần đây công nghệ GAMS ngày càng cong tối ưu Pareto trong không gian đa chiều. được chú ý đưa vào nghiên cứu ứng dụng, đặc Mặt cong tối ưu Pareto được tạo bởi các “trạng biệt trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước thái tối ưu” hoặc có thể gọi là các “điểm tối ưu” nhờ tính mềm dẻo và khả năng ứng dụng bao của hệ thống phục vụ cho các nhà hoạch định quát sẵn có của công nghệ. 121
6. 55 NĂM VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI 1961 - 2016 Như đã trình bày ở trên lý thuyết tối ưu phi 3. Số liệu đầu vào tuyến đã được phát triển mạnh có khả năng giải Như mọi công việc phân tích đánh giá, nghiên được hầu hết các bài toán của thực tiễn đề ra. cứu ứng dụng mô hình toán hay mô hình toán Một số công cụ giải bài toán phi tuyến đã được tối ưu hóa hệ thống thì chất lượng nguồn số liệu phát triển khá hoàn chỉnh như LINGO, GAMS, đầu vào sẽ quyết định chất lượng, độ tin cậy của CALSIM, PERL. kết quả đầu ra từ tính toán mô hình. Gần giống Cụ thể phục vụ cho quản lý nguồn nước một mô hình toán mô phỏng hệ thống nguồn nước số công cụ, phần mềm đã được phát triển như thông thường thì yêu cầu số liệu đầu vào mô MIKE BASIN OPTIMISATION (Đan Mạch), hình chính gồm các loại số liệu khí tượng thủy RESSIM (Mỹ) phục vụ mô phỏng các hệ thống văn, số liệu về quy mô các hộ sử dụng nước, số nguồn nước nói chung. Hệ thống các công cụ liệu thông số vật lý hệ thống công trình khai thác mô hình toán thiết kế cho chung hệ thống nguồn sử dụng nước. nước, hoặc thiết kế riêng cho một hệ thống Số liệu nguồn nước, dòng chảy, mưa có thể coi nguồn nước cụ thể đã được đưa vào ứng dụng là đảm bảo cho hầu hết các hệ thống sông lớn thành công trong nhiều nghiên cứu tuy vậy khi ở Việt Nam - ngoài ra có thể bổ sung, phục hồi đưa vào ứng dụng các công cụ này thông thường nhờ các phương pháp tính, mô hình toán thông người sử dụng bắt buộc phải qua các bước rất thường. Thông số, đặc tính công trình khai thác khắt khe nhằm xử lý, đơn giản hóa hệ thống mô sử dụng nước chủ yếu là các thông số cơ bản phỏng để sao cho “vừa” với khả năng của công được lưu trữ trong các hồ sơ thiết kế công trình. cụ (thường đã được cố định). Thông tin, số liệu về nhu cầu và hoạt động sử Để giải quyết điểm tồn tại này thì các công cụ dụng nước của các hoạt động kinh tế, thông như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL được thường, sẽ là các đầu vào được quan tâm nhất triển khai ứng dụng khá rộng rãi trong quy đối với mô hình toán mô phỏng và đặc biệt đối hoạch và quản lý nguồn nước. Thực chất đây là với mô hình toán tối ưu hệ thống. Ở đây có thể kể hệ thống các ngôn ngữ máy tính có khả năng xây đến số liệu về nhu cầu sử dụng nước cho các mục dựng mô hình toán kết nối với bộ thư viện các đích sử dụng nước khác nhau, hiệu quả sử dụng công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống. Mặc dù nước cho các mục đích sử dụng nước. Thông phải tốn công sức phát triển bộ mã chương trình thường nhu cầu sử dụng nước được xác định dựa máy tính mô hình nhưng các công cụ này cho trên quy mô hoạt động sản xuất ứng với các điều phép người sử dụng mô tả chi tiết các đặc thù kiện tác động của yếu tố thời tiết có tác động và của hệ thống cần mô phỏng do vậy các ứng dụng với trình độ khoa học công nghệ của hoạt động của các công cụ như LINGO, GAMS, CALSIM, sử dụng nước thường được tính bằng khối PERL được phát triển rộng khắp trên toàn thế lượng nước trên một đơn vị quy mô hoạt động giới trong đó có các ứng dụng quy hoạch và sản xuất (m3/ha đất trông lúa vụ đông - xuân, quản lý nguồn nước. Theo đánh giá của hai tác l/người/ngày cho cấp nước sinh hoạt) hoặc có giả Mays và Tung thì GAMS là một trong những thể là quy mô hoạt động sản xuất được bảo vệ, công cụ phù hợp để giải bài toán vận hành phân duy trì như diện tích đất khu công nghiệp, đô thị bổ tối ưu nguồn nước (Mays và Tung, 1992). được bảo vệ tránh tác động của lũ. 122
7. ĐƠN VỊ ANH HÙNG LAO ĐỘNG Mô hình toán tối ưu có điểm khác cơ bản với mô 4. Ứng dụng thực tiễn hình toán mô phỏng là phải đạt được cực trị của Trên thế giới hàm tối ưu - tối đa lợi nhuận hoặc tối thiểu thiệt hại tính bằng đơn vị tiền tệ, đơn vị sản phẩm Ứng dụng phương pháp tối ưu trong quản lý tài nguyên nước được chú ý tập trung, đặc biệt là Để mô tả hệ thống nguồn nước sát với hệ thống các ứng dụng trong quy hoạch và quản lý hệ thực các ràng buộc bao hàm các yếu tố trên, thống hồ chứa. Để giải quyết vấn đề suy giảm thông thường, cần phải xác định được giá trị nguồn nước lưu vực sông Aral là lưu vực sông kinh tế của tài nguyên tiêu hao, bị sử dụng trên quốc tế chảy qua các quốc gia Trung Á thuộc đơn vị sản phẩm thu được qua hoạt động sản Liên bang Xô Viết cũ, mâu thuẫn trong chia xuất. Cụ thể ở đây có thể là giá trị/lợi nhuận sẻ, khai thác sử dụng, mẫu thuẫn giữa quốc gia thu được trên một m3 nước sử dụng tưới cho lúa thượng nguồn với quốc gia nằm ở hạ du Nghiên nước, cho cây trồng cạn, cho cấp nước sinh hoạt, cứu chia sẻ lợi ích trong hợp tác khai thác và bảo cho cấp nước công nghiệp Đây là một nội vệ nguồn nước sông Aral vùng Trung Á đã sử dung phức tạp trong tính toán tối ưu kinh tế hiện dụng bài toán mô phỏng tối ưu hệ thống hồ chứa nay trên thế giới và đặc biệt là ở Việt Nam. Tính đã đề xuất giải pháp quản lý, vận hành với mục toán giá trị kinh tế của nước cho các mục tiêu sử tiêu hài hòa các ràng buộc đồng thời đảm bảo lợi dụng nước thời gian vừa qua, có thể, đánh giá ích phát điện, tưới và bảo vệ môi trường. là chưa được quan tâm đúng mức. Một số đề tài nghiên cứu khoa học có đưa vào nội dung tính Có thể kể đến công cụ CALSIM (Close et. al, toán kinh tế của nước. Đặc biệt gần đây Nghiên 2003) do Cục Tài nguyên nước Bang Califonia cứu phương pháp tính giá trị kinh tế của nước phối hợp với Cục Cải tạo nguồn nước liên bang cho các hộ sử dụng nước khác nhau tại lưu vực Mỹ phát triển phục vụ công tác quy hoạch và sông Hồng (Đào Xuân Học và Đào Văn Khiêm, quản lý hệ thống nguồn nước Bang Califonia 2006) đã tính toán giá trị kinh tế của nước sử qua kết hợp ngôn ngữ lập trình, thư viện giải tối dụng cho các mục đích cấp nước sinh hoạt, công ưu tuyến tính và thành phần đồ họa. CALSIM đã nghiệp, tưới, nuôi trồng thủy sản ngoài ra còn được chọn thay thế Hệ thống mô hình quy hoạch ước tính thiệt hại kinh tế do ô nhiễm nước thải nguồn nước bang và vùng thung lũng trung tâm gây ra. Kết quả ứng dụng thử nghiệm được áp Califonia (DWRSIM) trước đây. Nghiên cứu dụng tính toán cho một số vùng đặc trưng trên về phân bổ dung tích chống lũ của hệ thống 8 lưu vực sông Hồng - Thái Bình - cụ thể như giá hồ chứa lưu vực sông Paranaiba - Grande (diện trị kinh tế của nước phục vụ tưới được tính toán tích lưu vực 375.000 km2) ở Brazin sử dụng cho các hệ thống thủy lợi sông Nhuệ, Núi Cốc phương pháp tối ưu kết hợp phân tích thống và Liễn Sơn; giá trị kinh tế của nước cho cấp kê (Marien et. al, 1994) đã đề xuất phương án nước sinh hoạt đô thị thành phố Hà Nội và cấp phân bổ dung tích chống lũ cho từng hồ chứa nước sinh hoạt nông thôn cho Nam Định, Hải theo thời gian đảm bảo mục tiêu chống lũ của Dương, Vĩnh Phúc - phương pháp và kết quả hệ thống liên hồ chứa. Trong nghiên cứu này của đề tài nghiên cứu cần được triển khai nhân thuần túy chỉ xem xét đến hiệu quả chống lũ mà rộng ở Việt Nam. chưa tính đến hiệu quả phát điện của hệ thống Ngoài giá trị kinh tế của nước, khi mô tả các ràng 8 hồ chứa. Nghiên cứu của Rinaldi và Soncini - buộc trong bài toán tối ưu một thông số quan Sessa về vận hành hệ thống đơn hồ chứa Como trọng khác có thể gọi là giá trị biên của nước ứng phục vụ chống lũ, phát điện lưu vực sông Adda với các quy mô của hoạt động sản xuất. miền Bắc nước Ý. Nghiên cứu đã phân tích số 123
8. 55 NĂM VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI 1961 - 2016 liệu vận hành trong quá khứ, đánh giá các thiệt Phương pháp nêu trên đã được vận dụng xây hại cũng như hiệu ích đến các mặt phát điện, dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông mức độ ngập lũ, cấp nước cho nông nghiệp để Hồng - từ tổ hợp 02 hồ Hòa Bình + Thác Bà, xây dựng mặt cong tối ưu Pareto trong không đến tổ hợp 03 hồ Hòa Bình + Thác Bà + Tuyên gian ba chiều (phát điện, thiệt hại ngập lũ, cấp Quang và gần đây là vận hành tổ hợp 04 hồ Sơn nước) làm cơ sở so sánh hài hòa giữa được với La + Hòa Bình + Thác Bà + Tuyên Quang; mất, giúp cho nhà hoạch định có thể chọn được các phương án vận hành hồ Como tốt hơn so Năm 2006, đề tài Nghiên cứu cơ sở khoa học và với quá khứ hài hòa các mục tiêu sử dụng, giữa thực tiễn điều hành cấp nước cho mùa cạn đồng chống lũ cho hạ du và phát triển kinh tế vùng bằng sông Hồng của các tác giả Lê Kim Truyền ven lòng hồ (Guariso et. al, 1986). và Hà Văn Khối đã tính toán điều phối hệ thống 04 hồ chứa trong mùa cạn cấp nước cho hạ du Ngo Le Long (2006) đã ứng dụng công cụ mô trên cơ sở phát triển mô hình toán mô phỏng hình toán MIKE 11 & AUTOCAL kết hợp mô điều tiết hồ chứa độc lập, bậc thang hồ chứa, phỏng thủy động lực học (MIKE 11), dò tìm giải cùng với ứng dụng mô hình toán mô phỏng pháp vận hành tối ưu (AUTOCAL) hài hòa mục tiêu phát điện và chống lũ trong điều hành hồ MIKE 11 trường hợp năm dòng chảy thiết kế Hòa Bình, Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cải 85% - đề tài đã xây dựng quy trình điều tiết liên thiện đáng kể lượng điện phát mà không ảnh hồ chứa trong mùa cạn phục vụ cấp nước các hưởng đến an toàn phòng lũ cho hạ du. Nghiên ngành kinh tế kết hợp phát điện; cứu cũng đề xuất khung điều hành theo thời Kết hợp ứng dụng mô hình toán tối ưu và mô hình gian thực bao gồm dự báo theo thời gian thực toán mô phỏng tại Viện Quy hoạch Thủy lợi (Tô dòng chảy vào hồ trong thời gian mùa lũ. Trung Nghĩa và Lê Hùng Nam, 2008) đã mô tả Tại Việt Nam vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng trong mùa cạn - từ kết quả tính toán tối ưu hệ thống sử Quá trình nghiên cứu trước đây của các cơ quan dụng công nghệ GAMS đã mô phỏng và giải bài như Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học toán tối ưu phi tuyến các ràng buộc và tối ưu hệ Thủy lợi, Viện Cơ học xây dựng các quy trình thống 03 hồ chứa lớn trên lưu vực sông Hồng - vận hành hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực sông Thái Bình - từ đó xây dựng quy trình điều tiết hệ Hồng-Thái Bình trong mùa lũ bằng cách sử dụng thống hồ chứa lớn trong mùa cạn hàng năm trên công cụ mô hình mô phỏng kết hợp với xử lý số lưu vực sông Hồng - Thái Bình. Kết quả nghiên liệu các kịch bản tổ hợp lũ tính toán thử dần các cứu đã đề xuất các phương án vận hành các hồ phương án nhằm đảm bảo các ràng buộc thông chứa lớn trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình tại số vật lý của hệ thống hồ, các ràng buộc về mực từng tuần (10 ngày) trong suốt mùa cạn tùy thuộc nước lũ trong các giai đoạn mùa lũ - đồng thời vào điều kiện đầu mùa khô của hệ thống và cập trên cơ sở kết quả tính toán đã định lượng tác nhật qua từng giai đoạn của mùa khô. Kết quả động đến làm tăng giảm sản lượng điện của các nghiên cứu cho thấy để đảm bảo nguồn nước cho hệ thống các nhà máy thủy điện trên hệ thống để vụ đông xuân hàng năm sẽ tác động không đáng đề xuất quy trình. Đây có thể coi là phương pháp kể đến sản lượng điện phát của hệ thống hồ chứa thông thường, truyền thống sử dụng công cụ (Kết luận này cũng tương đồng với kết quả tính mô hình toán thủy động lực học trong sông kết từ nghiên cứu của các tác giả Lê Kim Truyền và hợp phương pháp phân tích thống kê toán học. Hà Văn Khối năm 2006). 124
9. ĐƠN VỊ ANH HÙNG LAO ĐỘNG Trường hợp sơ đồ tính cho lưu vực sông Hồng- 2002), cho vùng Thượng du sông Thái Bình Thái Bình với 68 biên dòng chảy vào, 358 biên (Tô Trung Nghĩa et. al, 2006). Ngoài ra có thể nhập lưu khu giữa, 36 hồ chứa, 1152 nút lấy nước, kể đến một số nghiên cứu gần đây như Nghiên 93 nút yêu cầu dòng chảy môi trường, 12 nút cứu điều hành đơn hồ chứa phục vụ đa mục tiêu phân lưu. Thực tế khi giải tối ưu hệ thống phân tưới, phát điện, phòng lũ và cấp nước cho hạ du bổ nguồn nước lưu vực sông Hồng - Thái Bình bộ của hai tác giả Nguyễn Thế Hùng và Lê Hùng công cụ giải của GAMS đã sử dụng ma trận tối ưu (2011) đã đưa vào ứng dụng tối ưu động kết hợp với khoảng 160 000 phương trình ràng buộc và phân tích tối ưu Pareto - triển khai ứng dụng khoảng 140 000 biến tối ưu (xem Bảng 1). thử nghiệm cho hai hồ chứa A Vương và Định Bình. Các nghiên cứu do Bộ Tài nguyên và Môi Trước đó công nghệ GAMS cũng đã được ứng trường gần đây sử dụng phương pháp mô hình dụng đề xuất phương án phân bổ tối ưu nguồn toán mô phỏng xây dựng quy trình vận hành các nước phục vụ các mục tiêu sử dụng nước cho hệ thống liên hồ chứa. lưu vực sông Đồng Nai (Son, Huy và Ringler, Bảng 1. Tóm tắt kết quả, quy mô bài toán tối ưu phân bổ nguồn nước lưu vực sông Hồng-Thái Bình (Tô Trung Nghĩa và Lê Hùng Nam, 2008) GAMS Rev 146 x86/MS Windows 01/05/09 09:58:00 Page 5 G e n e r a l A l g e b r a i c M o d e l i n g S y s t e m Model Statistics SOLVE md6061 Using NLP From line 26499 MODEL STATISTICS BLOCKS OF EQUATIONS 56 SINGLE EQUATIONS 162,262 BLOCKS OF VARIABLES 34 SINGLE VARIABLES 142,988 NON ZERO ELEMENTS 414,363 NON LINEAR N-Z 52,632 DERIVATIVE POOL 1,158 CONSTANT POOL 559 CODE LENGTH 428,412 S O L V E S U M M A R Y MODEL md6061 OBJECTIVE obj TYPE NLP DIRECTION MAXIMIZE SOLVER CONOPT FROM LINE 26499 SOLVER STATUS 1 NORMAL COMPLETION MODEL STATUS 2 LOCALLY OPTIMAL OBJECTIVE VALUE 46514.4878 RESOURCE USAGE, LIMIT 1438.859 100000.000 ITERATION COUNT, LIMIT 6815 100000 EVALUATION ERRORS 0 0 125
10. 55 NĂM VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI 1961 - 2016 Đánh giá nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tối dụng. Sử dụng mô hình toán tối ưu kết hợp phân ưu hóa trong quy hoạch, quản lý nguồn nước tích tối ưu Pareto thích hợp để cung cấp các giải trên thế giới cho thấy tối ưu hóa hệ thống nguồn pháp phục vụ quá trình ra quyết định ở giai đoạn nước rất được chú ý, đặc biệt đối với tối ưu hóa quy hoạch cũng như giai đoạn quản lý nguồn hệ thống hồ chứa. Tuy vậy, ứng dụng thực tế của nước. Về công cụ mô hình hóa, kết quả nghiên phương pháp tối ưu vào các hệ thống công trình cứu cho thấy công nghệ GAMS có nhiều điểm của chính phủ hoặc công trình phục vụ mục đích nổi trội như mềm dẻo khi mô tả đặc thù các hệ công cộng còn ở phạm vi hẹp - lí do chính là đối thống thực, có thể giải quyết bài toán lớn, giải với các hệ thống này chưa được xác định rõ mục nhiều dạng bài toán tối trong đó có tối ưu phi tiêu vận hành khai thác, hay nói cách khác mục tuyến, tối ưu tuyến tính, tối ưu động. tiêu bị chi phối bởi nhiều yếu tố phức tạp - người có thẩm quyền ra quyết định cũng như cán bộ Trước yêu cầu của cơ chế thị trường cùng với được giao nhiệm vụ vận hành, thông thường vì diễn biến phức tạp của điều kiện tự nhiên, nguồn lí do an toàn, hành động theo thông lệ từ trước nước thời gian tới cần có hướng ưu tiên triển là sử dụng kinh nghiệm hoặc kết quả từ mô hình khai nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tối ưu mô phỏng. Trong khi đó với khu vực tư nhân khi trong công tác quy hoạch, quản lý tài nguyên nói mục tiêu kinh tế, lợi nhuận chịu tác động mạnh theo quy luật thị trường thì phương pháp tối ưu chung, tài nguyên nước nói riêng và đặc biệt chú được triển khai ứng dụng mạnh mẽ và đã đem ý đến quản lý vân hành hệ thống hồ chứa. Tuy lại lợi ích to lớn. nhiên, để có môi trường thuận lợi cho phương pháp tối ưu phát triển cần thiết (i) trước hết, phải có sự trao đổi sâu, thường xuyên giữa cán KẾT LUẬN bộ nghiên cứu với cán bộ quản lý, vận hành hệ Bài viết đã cung cấp một cách nhìn chung về thống và đảm bảo thông tin cụ thể minh chứng phương pháp tối ưu, công cụ tối ưu, yêu cầu về tính hiệu quả của phương pháp, công cụ được số liệu và ứng dụng phương pháp tối ưu trong chuyển đến các nhà hoạch định; (ii) phải phát quản lý nguồn nước trên thế giới và tại Việt triển các công cụ, mô hình mềm dẻo, mô tả sát Nam. Kinh nghiệm thế giới cho thấy tối ưu tuyến nhất với thực tế hệ thống. Ngoài ra, cần đầu tư tính, tối ưu động có ưu điểm về tính học thuật triển khai tập trung chương trình đào tạo, nghiên trong khi tối ưu phi tuyến gần hơn với ứng dụng cứu ứng dụng về lĩnh vực tối ưu hóa hệ thống giải quyết các vấn đề của thực tiễn hoạt động trong quản lý, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên tại kinh tế. Đặc biệt tối ưu phi tuyến có khả năng áp các trường đại học, viện nghiên cứu, có cơ chế dụng cho các hệ thống phức tạp mà tối ưu tuyến khuyến khích các thành phần kinh tế tham gia tính, tối ưu động hạn chế trong khả năng ứng vào lĩnh vực này. 126