Bài giảng Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước nâng cao - Chương 1: Những khái niệm chung - Ngô Lê An (Phần 1)

Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước nâng cao  
Ngô Lê An 
Bộ môn Thuỷ văn & Tài nguyên nước 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI 
Khoa Thuỷ văn & Tài nguyên nước 
1 
Giới thiệu môn học 
Tài liệu tham khảo: 
Sách và bài giảng của giảng viên 
Sách có ở trong thư viện của trường 
2 
Giới thiệu môn học 
Đánh giá học viên 
Điểm quá trình chiếm 30% (Điểm danh + Bài tập) 
Điểm thi: 70% 
Thi dạng đề mở sách trong 90 phút 
3 
Giới thiệu môn học 
Nhiệm vụ môn học: 
	Môn Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước trình bày những nguyên lý và phương pháp luận trong việc lập quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên nước, quản lý/kiểm soát có hiệu quả tài nguyên nước của một vùng lãnh thổ, một lưu vực sông. 
4 
Giới thiệu môn học 
Nội dung môn học: 
	 (1) Những nội dung cơ bản về Quy hoạch và quản lý tài nguyên nguyên nước 
	(2) Mô hình phô phỏng và ứng dụng trong Quy hoạch và Quản lý tài nguyên nước 
	(3) Tối ưu hóa trong Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước 
	(4) Lý thuyết quyết định và Hệ thống hỗ trợ ra quyết định 
5 
Chương 1: Những khái niệm chungI. Những khái niệm liên quan đến hệ thống 
6 
Nội dung 
Định nghĩa một hệ thống 
Đặc trưng của một hệ thống 
Phân loại hệ thống 
Tiếp cận hệ thống 
Khái niệm về phân tích hệ thống 
Các giai đoạn trong phân tích hệ thống 
Khái niệm hệ thống TNN và đặc điểm của nó 
Các hệ thống con của hệ thống TNN 
Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN 
Kỹ thuật phân tích hệ thống TNN 
Thuận lợi và hạn chế của phân tích hệ thống 
7 
Hệ thống là gì? 
Hệ thống là tập hợp các phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó, có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thành một tập hợp đầy đủ. 
Ví dụ: Một trường đại học với các khoa khác nhau. Một bộ máy (chính phủ) trung ương với các bộ máy địa phương. Một lưu vực sông với tất cả các nhánh của nó, v.v 
Một tập hợp của các đối tượng mà chúng có mối tác động tương tác thường xuyên, phụ thuộc lẫn nhau. 
8 
Định nghĩa một hệ thống 
 Trong nghiên cứu TNN, Dooge (1973) đã định nghĩa hệ thống như 
Là: bất cứ cấu trúc, thiết bị, kế hoạch hoặc thủ tục , 
Thực hay trừu tượng, 
Có quan hệ với nhau trong một thời gian tham chiếu xác định , 
Bao gồm: Một đầu vào, nguyên nhân, hoặc tác nhân kích thích , 
của vật chất, năng lượng hoặc thông tin 
Và 
Một đầu ra, hậu quả, hoặc phản ứng 
của thông tin, năng lượng, hoăc vật chất 
- Dooge (1973) 
9 
Lược đồ hóa của một hệ thống 
Hệ thống 
Đầu vào, I 
Đầu ra, Q 
Thông số, b 
Chính sách, a 
Hàm chuyển đổi 
Q ( t ) = W [ a ( t ), b ( t )]* I ( t ) 
Một hệ thống có thể được xác định bởi: 
Đầu vào 
Định luật vật lý thống trị 
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 
Đầu ra 
10 
Đặc trưng của một hệ thống 
Một hệ thống được đặc trưng bởi 
Tất cả các hệ thống đều có cấu trúc và tổ chức 
Mối quan hệ hàm hóa và cấu trúc tổn tại giữa các thành phần của hệ thống 
Mối quan hệ đầu vào – đầu ra và tính chất của chúng là những đặc tính quan trọng của hệ thống 
Ví dụ: Một lưu vực sông 
11 
Ví dụ – Một Lưu vực sông 
12 
Phân loại hệ thống 
Hệ thống đơn giản và hệ thống phức tạp 
Hệ thống đơn giản: Có mối quan hệ trực tiếp giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống 
Hệ thống phức tạp: Một sự kết hợp của của một vài hệ thống con mà mỗi trong số chúng là môt hệ thống đơn giản. Mỗi hệ thống con có một mối quan hệ riêng biệt giữa đầu vào và đầu ra. Ví dụ: Một lưu vực sông với nhiều nhánh sông 
Hệ thống thực và hệ thống trừu tượng 
Một hồ chứa là một hệ thống thực 
Chính sách phân bổ nước – hệ thống trừu tượng 
13 
Phân loại hệ thống 
Hệ thống tự nhiên và hệ thống nhân tạo 
Lưu vực – hệ thống tự nhiên 
Hồ chứa – hệ thống nhân tạo 
Hệ thống tĩnh và động hay hệ thống thay đổi theo thời gian và bất biến theo thời gian 
Hệ thống bất biến theo thời gian: mối quan hệ đầu vào – đầu ra không phụ thuộc vào thời gian ứng dụng đầu vào (đầu ra là giống nhau cho cùng đầu vào tại tất cả thời gian) 
14 
Phân loại hệ thống 
Hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến 
Tuyến tính – đầu ra tỷ lệ hằng số với đầu vào: 
	 y = mx 
+ Một hệ thống do sự kết hợp của các đầu vào (phép cộng có giá trị) 
Nếu I 1 Q 1 	và	 I 2 Q 2 
Khi đó I 1 + I 2 Q 1 + Q 2 
+ Tính tỷ lệ có giá trị 
Nếu I Q, khi đó a * I a * Q 
Phi tuyến: y = mx a + nx b + c 
Mối quan hệ đầu vào – đầu ra mà ở đó nguyên lý cộng không có giá trị 
15 
Phân loại hệ thống 
Hệ thống có thông số (hoặc biến) tập trung và phân bố 
Hệ thống tất định và ngẫu nhiên 
Hệ thống liên tục, rời rạc và lượng tử hóa 
Liên tục: những thay đổi trong hệ thống diễn ra một cách liên tục 
Rời rạc: trạng thái của hệ thống thay đổi tại những khoảng thời gian rời rạc 
Lượng tử hóa: thay đổi chỉ tại những khoảng thời gian rời rạc nào đó và giữ một giá trị không đổi giữa những khoảng thời gian, ví dụ bản ghi mưa. 
16 
Phân loại hệ thống 
Hệ thống liên tục, rời rạc và lượng tử hóa 
17 
Tiếp cận hệ thống là gì? 
Tiếp cận khoa học để nghiên cứu: Tháo gỡ và tìm ra một vật được tạo nên từ các bộ phận gì (phân chia khoa học chuyên ngành để nghiên cứu). 
Một cái gì đó không làm bằng một vật chất cụ thể, nhưng lại được tổng hợp từ các bộ phận khác mà thành. 
Ví dụ: một ngôi nhà là từ tập hợp nhiều loại vật liệu xây dựng mà thành. 
Sự khác biệt chính là những thành phần này được sắp xếp (tổ chức) cùng với nhau như thế nào. 
Đó là một cách để nhìn vào một hệ thống như một tổng thể, tập trung vào mối quan hệ giữa những phần tử 
18 
Tiếp cận hệ thống là gì? 
Mối quan hệ đầu vào – đầu ra của một hệ thống được kiểm soát bởi tính chất, những thông số của hệ thống và định luật vật lý chi phối hệ thống đó. 
Trong nhiều hệ thống trong thực tế, tính chất và những định luật chủ yếu là rất phức tạp và việc mô hình hóa hệ thống trong những trường hợp đó sử dụng những giả thiết đơn giản hóa và những hàm chuyển đổi mà chuyển đổi đầu vào thành đầu ra tương ứng, lờ đi các cơ chế của quá trình vật lý có liên quan trong sự chuyển đổi. 
Điều này yêu cầu khái niệm hóa của hệ thống và cấu hình của của nó để có khả năng xây dựng một mô hình toán học trong đó mối quan hệ đầu vào – đầu ra được thiết lập thông qua vận hành hệ thống theo một cách xác định. 
19 
Phân tích hệ thống 
Phân tích hệ thống có thể được định nghĩa như một nghiên cứu phân tích để giúp người ra quyết định nhận dạng và lựa chọn chuỗi những hành động được yêu thích từ một vài phương án thay thế khả thi. 
Phân tích hệ thống là kỹ thuật giải quyết vấn đề mà trong đó những nỗ lực được thực hiện để xây dựng một bản sao của hệ thống thực hoặc những tình huống thực, với mục tiêu thực nghiệm với bản sao đó để đạt được cái nhìn bên trong của thế giới thực. 
20 
Các giai đoạn của phân tích hệ thống 
Hình thành vấn đề 
Xây dựng mô hình toán học 
Lời giải của mô hình toán học 
Kiểm tra mô hình 
Thực thi dựa trên lời giải 
21 
Hệ thống Tài nguyên nước 
" Hệ thống tài nguyên nước là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng cùng với sự tác động của môi trường lên nó". 
Theo định nghĩa trên đây, hệ thống tài nguyên nước bao gồm: 
- Nguồn nước được đánh giá bởi các đặc trưng sau: Lượng và phân bố của nó theo không gian và thời gian; Chất lượng nước; Động thái của nước và chất lượng nước. 
- Hệ thống các công trình thủy lợi : bao gồm các công trình đầu mối các công trình chuyển nước v.v, được cấu trúc tuỳ thuộc vào mục đích khai thác tài nguyên nước. 
- Các yêu cầu về nước : bao gồm các hộ dùng nước, các yêu cầu phòng chống lũ lụt, các yêu cầu về bảo vệ hoặc cải tạo môi trường cùng các yêu cầu dùng nước khác. 
 Tác động của môi trường là những tác động về hoạt động dân sinh kinh tế, hoạt động của con người (không kể các tác động về khai thác tài nguyên nước theo quy hoạch). Những tác động đó bao gồm ảnh hưởng của các biện pháp canh tác làm thay đổi mặt đệm và lòng dẫn, sự tác động không có ý thức vào hệ thống các công trình thủy lợi v..v. 
22 
Những thành phần của hệ thống TNN 
23 
Hệ thống sông tự nhiên (Natural River System – NRS) trong đó diễn ra quá trình vật lý, hóa học và sinh học 
Hệ thống kinh tế xã hội (Socio-Economic Subsystem - SES), bao gồm những hoạt động của con người liên quan đến sử dụng hệ thống sông tự nhiên 
Hệ thống hành chính và thể chế (Administrative and Institutional Subsystem - AIS) của quản lý hành chính, luật pháp và sự điều tiết, ở đó sự quyết định và quá trình quy hoạch và quản lý được thực thi 
Những thành phần của hệ thống TNN 
24 
Khu tưới 
Lưu vực 
Cánh đồng 
Khai thác nước 
Sản lượng cây trồng và diện tích 
Đầu vào khác 
Năng suất và lợi nhuận 
An ninh 
Lương thực 
Dòng hồi quy và dòng thải ô nhiễm 
Điều kiện tự nhiên: Khí hậu, thủy văn, địa lý 
Điều kiện kinh tế - xã hội: Thể chế và chính sách, sự đầu tư 
Chất lượng nước và đất 
 Cân bằng nước tại mặt ruộng và quản lý tưới 
Bền vững 
hệ sinh thái 
Nhu cầu nước M&I 
Yêu cầu sinh thái 
Phát triển 
kinh tế - xã hội 
Phân bổ nước 
Thành phần của hệ thống TNN 
25 
Hệ thống con của của hệ thống TNN 
Những hệ thống nước mặt 
Lưu vực sông 
Hồ chứa 
Hệ thống tưới 
Hệ thống nước ngầm 
Hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải đô thị 
Hệ thống phân phối nước (kênh, mạng lưới đường ống) 
Hệ thống xử lý nước thải 
Hệ thống thu gom nước 
Hệ thống xử lý nước dùng 
vv 
26 
Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN 
Bài toán 
Đầu vào 
Thông số 
Đầu ra 
Bài toán trực tiếp - Dự báo/ Mô phỏng 
Đã biết 
Đã biết 
? 
Bài toán ngược - 
Ước tính thông số / Thiết kế 
Đã biết 
? 
Đã biết 
Dò tìm 
? 
Đã biết 
Đã biết 
27 
Bài toán trực tiếp: 
Thủy văn nước mặt: Biết mưa hiệu quả (đầu vào) và đường đơn vị (hệ thống), ước tính dòng chảy từ một lưu vực (đầu ra) 
Bài toán hồ chứa (hệ thống): Biết dòng chảy đến hồ và lượng trữ (đầu vào), chính sách vận hành, xác định lượng nước phân bổ cho tưới (đầu ra) 
Thủy văn nước ngầm: Xác định phản ứng (đầu ra) của tầng ngậm nước (hệ thống), với mưa và thực tế tưới đã biết (đầu vào) 
Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN 
28 
Bài toán ngược: 
Thủy văn nước mặt: Xác định đường đơn vị cho một lưu vực (hệ thống), biết mưa (đầu vào) và dòng chảy (đầu ra) 
Bài toán hồ chứa: Xác định chính sách xả của hồ chứa (vận hành hệ thống) cho một mục tiêu xác định (đầu ra) ứng với dòng chảy đến xác định (đầu vào) 
Thủy văn nước ngầm: Xác định thông số của tầng ngậm nước (hệ thống) biết phản ứng của nó (đầu ra) ứng với mưa và thực tế tưới đã biết (đầu vào) 
Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN 
29 
Kỹ thuật phân tích hệ thống TNN 
Phân tích hệ thống được tiến hành thông qua kỹ thuật: 
Tối ưu 
	Thủ tục lựa chọn những biến ra quyết định để tối đa/ tối thiểu hàm mục tiêu dưới những rằng buộc của hệ thống 
+ Tối ưu tuyến tính 
+ Tối ưu phi tuyến 
+ Tối ưu động lực 
Mô phỏng 
	Quá trình bắt chước những hành vi của hệ thống đang tồn tại hoặc được đề xuất 
30 
Thuận lợi của phân tích hệ thống TNN 
Tự do xem xét, nghiên cứu một tập hợp lớn của những điều kiện và những hệ thống thay thế khác nhau 
Cấu hình và tỷ lệ của những thành phần trong hệ thống có thể được thay đổi hoặc phát sinh cho những mục đích tối ưu 
Yêu cầu thời gian tương đối ngắn để đạt được kết quả khi so sánh với tiến hành đo đạc số liệu tương ứng. 
31 
Những hạn chế của phân tích hệ thống TNN 
Hệ thống TNN là một hệ thống phức tạp, tồn tại một số lượng các tham số và các mối quan hệ giữa chúng. Hệ thống TNN bị tác động mạnh mẽ bởi yếu tố môi trường. 
Hệ thống nguồn nước là một hệ bất định, có nhiều yếu tố bất định bởi vậy rất khó phân tích các thuộc tính của nó trong quá trình tiếp cận 
Hệ thống thủy lợi là một hệ thống có cấu trúc yếu, bởi vì 
+ Các mối quan hệ trong hệ thống rất khó thể hiện bằng các phương trình toán học 
+ Khó kiểm soát được các tác động của môi trường, đặc biệt tác động của con người 
32