Bài giảng Phân tích hệ thống tài nguyên nước - Chương 1: Những khái niệm chung - Ngô Lê An

Nội dung text: Bài giảng Phân tích hệ thống tài nguyên nước - Chương 1: Những khái niệm chung - Ngô Lê An

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI Khoa Thuỷ văn & Tài nguyên nước Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước nâng cao Ngô Lê An Bộ môn Thuỷ văn & Tài nguyên nước 1
2. Giới thiệu môn học ll Tài liệu tham khảo: • Sách và bài giảng của giảng viên • Sách có ở trong thư viện của trường 2
3. Giới thiệu môn học ll 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
4. Giới thiệu môn học ll Nhiệm vụ môn học: MônMôn QuyQuy hoạchhoạch vàvà QuảnQuản lýlý TàiTài nguyênnguyên nướcnước trìnhtrình bàybày nhữngnhững nguyênnguyên lýlý vàvà phươngphương pháppháp luậnluận trongtrong việcviệc lậplập quyquy hoạchhoạch sửsử dụngdụng hợphợp lýlý tàitài nguyênnguyên nước,nước, quảnquản lý/kiểmlý/kiểm soátsoát cócó hiệuhiệu quảquả tàitài nguyênnguyên nướcnước củacủa mộtmột vùngvùng lãnhlãnh thổ,thổ, mộtmột lưulưu vựcvực sông.sông. 4
5. Giới thiệu môn học ll 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 5 quyết định
6. Chương 1: Những khái niệm chung I. Những khái niệm liên quan đến hệ thống 6
7. Nội dung l Định nghĩa một hệ thống l Đặc trưng của một hệ thống l Phân loại hệ thống l Tiếp cận hệ thống l Khái niệm về phân tích hệ thống l Các giai đoạn trong phân tích hệ thống l Khái niệm hệ thống TNN và đặc điểm của nó l Các hệ thống con của hệ thống TNN l Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN l Kỹ thuật phân tích hệ thống TNN 7 l Thuận lợi và hạn chế của phân tích hệ thống
8. Hệ thống là gì? l 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 l Một tập hợp của các đối tượng mà chúng có mối tác động tương tác thường xuyên, phụ thuộc lẫn nhau. 8
9. Định nghĩa một hệ thống Trong nghiên cứu TNN, Dooge (1973) đã định nghĩa hệ thống như l 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, l 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
10. Lược đồ hóa của một hệ thống Thông số, b Đầu vào, I Hệ thống Đầu ra, Q Chính sách, a Hàm chuyển đổi Q(t) = W[a(t), b(t)]*I(t) Một hệ thống có thể được xác định bởi: l Đầu vào l Định luật vật lý thống trị l Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 10 l Đầu ra
11. Đặc trưng của một hệ thống Một hệ thống được đặc trưng bởi l Tất cả các hệ thống đều có cấu trúc và tổ chức l Mối quan hệ hàm hóa và cấu trúc tổn tại giữa các thành phần của hệ thống l 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
12. Ví dụ – Một Lưu vực sông 12
13. Phân loại hệ thống l 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 l 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
14. Phân loại hệ thống l Hệ thống tự nhiên và hệ thống nhân tạo – Lưu vực – hệ thống tự nhiên – Hồ chứa – hệ thống nhân tạo l 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
15. Phân loại hệ thống l 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) l Nếu I1 Q1 và I2 Q2 l Khi đó I1 + I2 Q1 + Q2 + Tính tỷ lệ có giá trị l Nếu I Q, khi đó a * I a * Q – Phi tuyến: y = mxa + nxb + c l Mối quan hệ đầu vào – đầu ra mà ở đó nguyên lý cộng 15 không có giá trị
16. Phân loại hệ thống l Hệ thống có thông số (hoặc biến) tập trung và phân bố l Hệ thống tất định và ngẫu nhiên l 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 16 giữa những khoảng thời gian, ví dụ bản ghi mưa.
17. Phân loại hệ thống Hệ thống liên tục, rời rạc và lượng tử hóa 17
18. Tiếp cận hệ thống là gì? l 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. l Sự khác biệt chính là những thành phần này được sắp xếp (tổ chức) cùng với nhau như thế nào. l Đó là một cách để nhìn vào một hệ thống như một tổng thể, tập trung vào mối quan hệ giữa những 18 phần tử
19. Tiếp cận hệ thống là gì? l 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. l 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. l 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 19 hành hệ thống theo một cách xác định.
20. Phân tích hệ thống l 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. l 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
21. Các giai đoạn của phân tích hệ thống ò Hình thành vấn đề ò Xây dựng mô hình toán học ò Lời giải của mô hình toán học ò Kiểm tra mô hình ò Thực thi dựa trên lời giải 21
22. 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
23. Những thành phần của hệ thống TNN 23
24. Những thành phần của hệ thống TNN l Hệ thống sông tự nhiên (Natural River System – NRS) trong đó diễn ra quá trình vật lý, hóa học và sinh học l 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 l 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 24
25. Thành phần của hệ thống TNN Điều kiện tự nhiên: Khí hậu, thủy văn, địa lý Điều kiện kinh tế - xã hội: Thể chế và chính sách, sự đầu tư Phát triển Lưu vực kinh tế - xã hội Nhu cầu nước M&I Yêu cầu sinh thái An ninh Bền vững Lương thực hệ sinh thái Khai thác nước Khu tưới Năng suất và lợi nhuận Chất lượng Phân bổ nước nước và đất Cánh đồng Sản lượng cây trồng và Cân bằng nước diện tích tại mặt ruộng và Dòng hồi quy quản lý tưới Đầu vào khác và dòng thải ô 25 nhiễm
26. Hệ thống con của của hệ thống TNN l Những hệ thống nước mặt – Lưu vực sông – Hồ chứa – Hệ thống tưới l Hệ thống nước ngầm l 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 26 vv
27. Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN Bài toán Đầu vào Thông số Đầu ra Bài toán trực tiếp - Đã biết Đã biết ? Dự báo/ Mô phỏng Bài toán ngược - Đã biết ? Đã biết Ước tính thông số / Thiết kế Dò tìm ? Đã biết Đã biết 27
28. Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN l 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) 28
29. Các dạng bài toán trong phân tích hệ thống TNN l 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) 29
30. 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
31. 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
32. 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