Nghiên cứu thiết lập mô hình thủy văn kinh tế phân bổ nước tối ưu lưu vực sông Ba

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THỊ THU NGA

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ
PHÂN BỔ NƢỚC TỐI ƢU LƢU VỰC SÔNG BA

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

NGUYỄN THỊ THU NGA

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN - KINH TẾ
PHÂN BỔ NƢỚC TỐI ƢU LƢU VỰC SÔNG BA

Chuyên ngành:
Mã số:

Thủy văn học
62 44 90 01

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

GS. TS. Hà Văn Khối

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 án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

i


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tác giả xin trân trọng gửi tới GS.TS. Hà Văn Khối,
ngƣời thầy đã luôn lắng nghe, thấu hiểu, ủng hộ vô điều kiện và đƣa ra những định
hƣớng đúng đắn vào những thời khắc quan trọng trong quá trình thực hiện luận án. Tác
giả xin gửi lời tri ân đến các nhà khoa học trong Hội đồng đánh giá luận án vì đã dành
thời gian và tâm huyết để đọc và sửa chữa luận án. Tác giả vô cùng biết ơn các thầy cô
giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp
quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án.
Tác giả cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp ở Khoa Thủy
văn và Tài nguyên nƣớc, đặc biệt là Bộ môn Thủy văn và Tài nguyên nƣớc. Sự động
viên, khích lệ, giúp đỡ và chia sẻ của họ là không thể đo đếm đƣợc. Xin cảm ơn các
bạn bè, đồng nghiệp và các em sinh viên luôn sát cánh bên tác giả.
Cuối cùng, từ tận đáy lòng, tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới những ngƣời thân trong

gia đình của mình. Nếu thiếu sự yêu thƣơng và ủng hộ của họ thì chắc chắn luận án
này đã không thể hoàn thành.
Tác giả

Nguyễn Thị Thu Nga

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỦY VĂN
- KINH TẾ TRONG QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC ...............5
1.1

Giải thích một số thuật ngữ ................................................................................5

1.2

Giới thiệu chung về mô hình thủy văn - kinh tế ................................................6

1.2.1

Nguồn gốc và quá trình phát triển mô hình ................................................6

1.2.2

Đặc điểm và mục tiêu mô hình thủy văn – kinh tế .....................................7

1.2.3

Sự cần thiết quản lý nƣớc theo cách tiếp cận kinh tế ..................................8

1.2.4

Giá trị kinh tế của nƣớc ...............................................................................8

1.2.5

Phân loại mô hình thủy văn - kinh tế ........................................................13

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế trên thế
giới và ở Việt Nam ....................................................................................................14
1.3.1

Các nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế trên thế giới .........15

1.3.2

Các nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế ở Việt Nam ..........18

1.4

Tổng quan về Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc ở Việt Nam ........................21

1.4.1

Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc và Quản lý tổng hợp lƣu vực sông ....21

1.4.2 Quá trình phát triển các chính sách liên quan đến quản lý tài nguyên nƣớc
ở Việt Nam ............................................................................................................22
1.4.3 Một số tồn tại trong quy hoạch tài nguyên nƣớc trên phạm vi lƣu vực sông
ở Việt Nam ............................................................................................................24
1.4.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc
lƣu vực sông Ba .....................................................................................................26
1.5 Những khoảng trống chƣa đƣợc nghiên cứu trong quy hoạch và quản lý tài
nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba ...................................................................................28
1.6

Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................29

CHƢƠNG 2
THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY VĂN – KINH TẾ PHÂN BỔ TÀI
NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG BA ....................................................................32
2.1

Hiện trạng khai thác và sử dụng tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba ................32

2.1.1

Đặc điểm tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba .............................................32

2.1.2

Nhu cầu sử dụng nƣớc trên lƣu vực sông Ba ............................................38

2.2

Quá trình phát triển quy hoạch liên quan đến tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba 40

2.2.1

Quy hoạch thủy lợi ....................................................................................40

iii


2.2.2

Quy hoạch thủy điện .................................................................................42

2.2.3

Quy hoạch tài nguyên nƣớc ......................................................................42

2.3

Hệ thống các hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn trên LVS Ba .............................43

2.3.1

Quá trình xây dựng và phát triển...............................................................43

2.3.2
động

Các vấn đề nảy sinh sau khi các hồ chứa lớn hoàn thành và đi vào hoạt
45

2.3.3

Tóm lƣợc về Quy trình vận hành liên hồ ..................................................46

2.4

Thiết lập bài toán quy hoạch phân bổ tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba ........46

2.4.1

Mục tiêu.....................................................................................................47

2.4.2

Hàm mục tiêu ............................................................................................47

2.4.3

Biến quyết định và biến trạng thái ............................................................49

2.4.4

Các ràng buộc ............................................................................................51

2.4.5

Bài toán tối ƣu phi tuyến và phƣơng pháp giải .........................................53

2.4.6

Lựa chọn công cụ tính toán .......................................................................56

2.5

Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................58

CHƢƠNG 3
MÔ PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN THỦY VĂN - KINH TẾ LƢU
VỰC SÔNG BA TRONG HỆ THỐNG GAMS ...........................................................60
3.1

Giới thiệu về hệ thống GAMS .........................................................................60

3.1.1

Cấu trúc của một mô hình xây dựng trong hệ thống GAMS ....................60

3.1.2

Mô tả bài toán tối ƣu phi tuyến tổng quát trong GAMS [65] ...................61

3.1.3

Giới thiệu về các solvers trong GAMS .....................................................64

3.2

Xây dựng cấu trúc mô hình thủy văn – kinh tế trong hệ thống GAMS ...........64

3.2.1

Xây dựng cấu trúc mô hình thủy văn ........................................................65

3.2.2

Xây dựng cấu trúc mô hình kinh tế ...........................................................67

3.2.3

Kết hợp mô hình thủy văn và mô hình kinh tế ..........................................67

3.3

Thiết lập tổ hợp các kịch bản tính toán ứng dụng mô hình thủy văn – kinh tế68

3.3.1

Kịch bản cơ sở ...........................................................................................68

3.3.2

Kịch bản điều chỉnh ..................................................................................70

3.4

Các dữ liệu đầu vào của mô hình thủy văn - kinh tế .......................................72

3.4.1

Phân vùng khai thác sử dụng nƣớc ...........................................................72

3.4.2

Sơ đồ hệ thống...........................................................................................75

3.4.3

Dòng chảy biên .........................................................................................78

3.4.4

Nhu cầu khai thác sử dụng nƣớc ...............................................................78

3.4.5

Các dữ liệu đầu vào tính kinh tế................................................................80

3.4.6

Các hồ chứa trong hệ thống ......................................................................83

iv


3.4.7

Yêu cầu về an ninh lƣơng thực .................................................................84

3.4.8

Yêu cầu dòng chảy tối thiểu ......................................................................85

3.5

Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................87

CHƢƠNG 4
ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CÁC KỊCH BẢN KHAI THÁC SỬ DỤNG
NƢỚC ĐẾN LỢI ÍCH KINH TẾ XÃ HỘI TRÊN LƢU VỰC SÔNG BA ..................88
4.1

Đánh giá kết quả tính toán kịch bản cơ sở .......................................................88

4.1.1

Đánh giá sự hợp lý kết quả mô phỏng thủy văn .......................................88

4.1.2

Nghiệm của bài toán tối ƣu .......................................................................90

4.1.3

Lựa chọn hàm mục tiêu rút gọn ................................................................93

4.2

Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy ................................................93

4.2.1

Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy đến hiệu quả kinh tế .......93

4.2.2 Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy đến phân bổ nƣớc theo
không gian .............................................................................................................97
4.2.3 Đánh giá ảnh hƣởng của biến thiên dòng chảy đến tỉ lệ phân bổ nƣớc cho
các đối tƣợng sử dụng nƣớc ..................................................................................98
4.3

Đánh giá ảnh hƣởng của các đầu vào kinh tế ................................................100

4.3.1

Xem xét thay đổi giá bán nông sản .........................................................100

4.3.2

Xem xét thay đổi chi phí sản xuất điện ...................................................100

4.3.3

Xem xét thay đổi năng suất cây trồng .....................................................102

4.4

Đánh giá ảnh hƣởng của một số yếu tố khác .................................................103

4.4.1

Xem xét thay đổi hiệu suất tƣới ..............................................................103

4.4.2

Xem xét thay đổi yêu cầu dùng nƣớc trong tƣơng lai .............................104

4.4.3

Xem xét thay đổi cơ cấu cây trồng ..........................................................104

4.5

Nghiên cứu phƣơng án phân bổ nƣớc hợp lý khi xảy ra hạn hán ..................106

4.6
Ba

Tổng hợp kết quả tính toán và đề xuất một số biện pháp quản lý lƣu vực sông
108

4.7

Kết luận chƣơng 4 ..........................................................................................110

KẾT LUẬN .................................................................................................................111
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................115
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................121

PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................134
PHỤ LỤC 3 .................................................................................................................136
PHỤ LỤC 4 .................................................................................................................143
PHỤ LỤC 5 .................................................................................................................146

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Phân loại sử dụng nƣớc [10] .............................................................................9
Hình 1.2 Các phƣơng pháp xác định giá trị của nƣớc [10] ...........................................10
Hình 1.3. Khuôn khổ chung QLTHTNN [9] .................................................................22
Hình 1.4 Các thành phần QLTHLVS [74] ....................................................................23
Hình 1.5 Sơ đồ tiếp cận của luận án ..............................................................................31
Hình 2.1 Bản đồ đẳng trị lƣợng mƣa trung bình nhiều năm lƣu vực sông Ba [44] ......34
Hình 2.2 Bản đồ vị trí một số công trình thủy lợi, thủy điện lớn trên HTS Ba [44] .....44
Hình 2.3 Sơ đồ tìm kiếm nghiệm bài toán tối ƣu [58]...................................................54
Hình 3.1 Sơ đồ ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế cho lƣu vực sông Ba .................69
Hình 3.2 Bản đồ phân vùng KTSDN cho LVS Ba (theo VQHTL [2]) .........................76
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống lƣu vực sông Ba .....................................................................77
Hình 4.1 Quá trình dòng chảy thực đo và tính toán tại trạm Củng Sơn năm 2009-2010
.......................................................................................................................................89
Hình 4.2 Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sông Hinh theo các kịch bản tính toán .........89
Hình 4.3 Lợi nhuận thuần từ các đối tƣợng sử dụng nƣớc theo KBCS ........................91
Hình 4.4. Tổng lợi nhuận thuần trên lƣu vực trong các kịch bản nhóm A ....................94
Hình 4.5. Quan hệ tƣơng quan giữa tổng lƣợng dòng chảy và tổng lợi nhuận thuần lƣu
vực sông Ba ...................................................................................................................95
Hình 4.6. Tỉ lệ đóng góp lợi nhuận thuần từ các đối tƣợng sử dụng nƣớc (%).............95
Hình 4.7 Tỉ lệ phân bổ nƣớc theo vùng trung bình nhiều năm .....................................97
Hình 4.8. Tỉ lệ phân bổ nƣớc cho các đối tƣợng trung bình nhiều năm ........................98

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Lƣợng mƣa tháng, năm bình quân nhiều năm tại các trạm ...........................36
Bảng 2.2. Giá trị các thông số thống kê và trị số lƣợng mƣa năm thiết kế ...................36
Bảng 2.3. Các đặc trƣng dòng chảy mặt của các sông trên lƣu vực ..............................38
Bảng 2.4 Một số thông số các hồ chứa trên hệ thống sông Ba .....................................43
Bảng 3.1 Các thành phần cơ bản của một mô hình trong GAMS .................................61
Bảng 3.2 Phân loại các dữ liệu đầu vào mô hình thủy văn - kinh tế lƣu vực sông Ba ..66
Bảng 3.3 Bảng tổng hợp các kịch bản tính toán ............................................................73
Bảng 3.4. Diện tích tƣới lớn nhất theo tiềm năng đất đai ở mỗi phân vùng (ha) ..........79
Bảng 3.5. Số lƣợng gia súc lớn nhất ở mỗi phân vùng (con) ........................................79
Bảng 3.6. Nhu cầu nƣớc cho các ngành năm 2009-2010 ..............................................80
Bảng 3.7 Bảng tổng hợp số lƣợng và các chi phí đầu vào tƣới .....................................81
Bảng 3.8. Năng suất cây trồng (kg/ha) ..........................................................................82
Bảng 3.9 Giá bán nông sản ............................................................................................82
Bảng 3.10. Chi phí sản xuất và giá bán điện .................................................................83
Bảng 3.11 Các đặc trƣng dung tích hồ chứa trong hệ thống lƣu vực sông Ba ..............84
Bảng 3.12. Diện tích tƣới cây lƣơng thực tối thiểu ở mỗi phân vùng (ha) ...................85
Bảng 3.13. Tổng hợp lƣu lƣợng xả tối thiểu xuống hạ lƣu của các hồ chứa .................86
Bảng 4.1 Quá trình lƣu lƣợng qua tuabin tại các hồ chứa theo KBCS1 .......................91
Bảng 4.2 Diện tích trồng trọt tối ƣu theo KBCS 1 ........................................................92
Bảng 4.3 Diện tích trồng trọt tối ƣu theo KBCS 2 ........................................................92
Bảng 4.4 Diện tích trồng trọt thực tế năm 2009-2010...................................................92
Bảng 4.5 Tổng hợp lợi nhuận thuần từ các đối tƣợng sử dụng nƣớc theo các kịch bản
nhóm A ..........................................................................................................................96
Bảng 4.6 Tổng hợp lƣợng nƣớc phân bổ cho các đối tƣợng sử dụng nƣớc trong nhiều
năm ................................................................................................................................99

Bảng 4.7. Tổng lợi ích thuần trƣớc và sau khi tăng giá bán nông sản 20% ................101
Bảng 4.8. Tổng lợi nhuận thuần sau khi tăng chi phí sản xuất điện ............................101
Bảng 4.9. Tổng lợi nhuận thuần sau khi tăng năng suất cây trồng..............................102
Bảng 4.10. Tổng lợi ích thuần sau khi tăng hiệu suất tƣới ..........................................103
Bảng 4.11. Tổng lợi ích thuần khi thay đổi nhu cầu dùng nƣớc cho sinh hoạt và công
nghiệp ..........................................................................................................................104
Bảng 4.12. Tổng lợi ích thuần khi thay đổi cơ cấu cây trồng .....................................106
Bảng 4.13. Tổng lợi nhuận thuần khi thay đổi công suất đảm bảo các nhà máy ........107

vii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
(Sắp xếp theo thứ tự A,B,C….)
Bộ CT
Bộ Công thƣơng
Bộ NN&PTNT
Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
Bộ TN&MT
Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng
BTQHPT
Bài toán quy hoạch phi tuyến (bài toán tối ƣu phi tuyến)
CTCP
Công ty cổ phần
CTTL
Công trình thủy lợi
CTTĐ
Công trình thủy điện
ĐHTL
Đại học Thủy lợi

GAMS
General Algebraic Modeling System
(Hệ thống Mô hình Số học Tổng quát)
GRG
General Reduced Gradient (Gradient rút gọn tổng quát)
GWP
Mạng lƣới Cộng tác vì nƣớc Toàn cầu
KBCS
Kịch bản cơ sở
KTSDN
Khai thác sử dụng nƣớc
Luật TNN
Luật Tài nguyên nƣớc
LVS
Lƣu vực sông
MHTVKT
Mô hình thủy văn - kinh tế
NCKH
Nghiên cứu khoa học
NLP
Nonlinear programming
(tối ƣu phi tuyến hoặc quy hoạch phi tuyến)
QHTĐ
Quy hoạch thủy điện
QHTL
Quy hoạch thủy lợi
QHTNN
Quy hoạch tài nguyên nƣớc
QL,KTCTTL
Quản lý, khai thác công trình thủy lợi

QLTHTNN
Quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc
QLTHLVS
Quản lý tổng hợp lƣu vực sông
QTVHLH
Quy trình vận hành liên hồ
TNN
Tài nguyên nƣớc
TTCP
Thủ tƣớng Chính phủ
TVKT
Thủy văn - kinh tế
UBND
Ủy ban nhân dân
VKHKTTV&BĐKH
Viện Khoa học Khí tƣợng thủy văn và Biến đổi khí hậu
VQHTL
Viện Quy hoạch thủy lợi

viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Do bản chất tự nhiên của dòng chảy sông ngòi, lƣu vực sông đƣợc coi là một đơn vị
trong quy hoạch và quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc. Điều này đã đƣợc thừa nhận và
nêu ở mục 18.9 Chƣơng trình Nghị sự 21[1] của Hội nghị về Môi trƣờng và Phát triển
của Liên Hiệp Quốc (UNCED). Các hoạt động đƣợc đề xuất liên quan đến lĩnh vực
phát triển và quản lý tài nguyên nƣớc của Chƣơng trình Nghị sự này bao gồm “phát
triển cơ sở dữ liệu tương tác, các mô hình dự báo, các mô hình quy hoạch kinh tế và

các phương pháp quản lý và quy hoạch nước” và “tối ưu hóa việc phân bổ nước
trong các ràng buộc về tự nhiên và kinh tế xã hội” (Mục 18.12) [1].
Ở Việt Nam, lĩnh vực quy hoạch khai thác sử dụng tài nguyên nƣớc trên lƣu vực sông
trƣớc đây thƣờng thuộc lĩnh vực quy hoạch thủy lợi, do nhu cầu nƣớc dành cho nông
nghiệp ở nƣớc ta vẫn chiếm tỉ trọng rất lớn so với các nhu cầu khác. Hiện nay quá
trình phát triển kinh tế và đô thị hóa làm cho các mâu thuẫn trong khai thác, sử dụng
nƣớc dần bộc lộ rõ hơn. Các mâu thuẫn giữa thƣợng lƣu và hạ lƣu, giữa thủy điện và
tƣới, giữa thủy điện và phòng lũ, giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trƣờng tồn tại ở
tất cả các lƣu vực sông lớn trên cả nƣớc. Do sự phát triển của các quy hoạch thủy lợi,
quy hoạch thủy điện, quy hoạch cấp nƣớc đô thị và một số quy hoạch ngành khác đã
dẫn đến có những sự chồng chéo, thiếu hiệu quả trong khai thác, sử dụng nƣớc.
Lƣu vực sông Ba là một trong những lƣu vực sông liên tỉnh lớn ở Việt Nam. Từ các
kết quả nghiên cứu quy hoạch thủy lợi trƣớc đây đã giúp các địa phƣơng trên lƣu vực
đầu tƣ xây dựng hàng loạt công trình thủy lợi, bao gồm: 147 hồ chứa nƣớc, 121 đập
dâng, 61 trạm bơm. Đặc biệt có hồ Ayun Hạ năng lực thiết kế 13.500ha và hệ thống
thủy nông Đồng Cam năng lực tƣới thiết kế 19.800ha [2]. Theo quy hoạch thủy điện,
tiềm năng thủy điện trên lƣu vực sông Ba là 737MW, tính đến 2010 đã có hệ thống 5
cụm hồ chứa lớn với tổng công suất 530MW đi vào hoạt động. Các công trình thủy lợi,
thủy điện đƣợc xây dựng dựa theo các quy hoạch phát triển nguồn nƣớc của các ngành
thủy lợi, thủy điện. Mặt khác, khi các công trình này đi vào vận hành sẽ làm thay đổi

1


tình trạng phân bổ nƣớc theo không gian và thời gian trên lƣu vực. Chính vì vậy, cần
thiết có sự xem xét lại vấn đề phân bổ nƣớc trên lƣu vực sông Ba trên cơ sở phối hợp
hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện hiện có nhằm khai thác, sử dụng nguồn nƣớc
một cách hiệu quả hơn.
Để thực thi công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc, các nhà hoạch định chính
sách luôn phải dựa trên cơ sở tài nguyên nƣớc có sẵn, nhu cầu phát triển kinh tế và bảo

vệ môi trƣờng. Kết quả tính toán từ các mô hình hệ thống sẽ là cơ sở có tính lƣợng
hóa, giúp dự báo tác động của các công trình hoặc chính sách quản lý dự kiến đối với
hệ thống lƣu vực sông. Trong các loại mô hình hệ thống lƣu vực sông, mô hình thủy
văn - kinh tế là công cụ biểu thị các khía cạnh thủy văn, kỹ thuật, môi trường và
kinh tế của hệ thống tài nguyên nước trong một khuôn khổ thống nhất. Điểm trọng
tâm của mô hình là coi nƣớc nhƣ một loại hàng hóa có giá trị kinh tế. Điều này có thể
hiểu đơn giản là cùng một đơn vị nƣớc nhƣng thời điểm sử dụng và vị trí sử dụng khác
nhau sẽ mang lại lợi ích khác nhau. Nếu nhƣ tài nguyên nƣớc của lƣu vực đủ đáp ứng
cho mọi nhu cầu về nƣớc thì sẽ không xảy ra mâu thuẫn gì. Nhƣng nếu tài nguyên
nƣớc của lƣu vực bị thiếu (hay khan hiếm) thì sẽ rất dễ xảy ra mâu thuẫn trong sử dụng
nƣớc.
Nhìn chung, các nghiên cứu trong lĩnh vực tài nguyên nƣớc từ trƣớc đến nay chỉ tập
trung vào phƣơng pháp ứng dụng mô hình thủy văn truyền thống, việc phân tích kinh
tế nếu có, chỉ dựa trên một số giới hạn các kịch bản khai thác sử dụng nƣớc, đƣợc xác
định trên cơ sở yêu cầu nƣớc tại từng địa phƣơng. Điều này vô hình chung làm khó
cho ngƣời quản lý khi muốn đƣa ra các chính sách phân bổ lại tài nguyên nƣớc theo
phƣơng thức mang lại nhiều lợi ích hơn cho toàn lƣu vực. Trong trƣờng hợp này, mô
hình thủy văn - kinh tế sẽ là một công cụ phù hợp để giúp cho ngƣời quản lý hiểu rõ về
hiệu quả khai thác sử dụng nƣớc trên lƣu vực. Mô hình sẽ hƣớng đến một mục tiêu có
lợi nhất về mặt kinh tế cho toàn lƣu vực, trên cơ sở xem xét đến các yếu tố về xã hội
và môi trƣờng.
Trong bối cảnh đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu áp dụng mô hình
thủy văn - kinh tế cho lưu vực sông Ba” với mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học
xây dựng và áp dụng một công cụ hỗ trợ cho những nhà hoạch định chính sách đƣa ra
2


những quyết định liên quan đến tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nƣớc trên lƣu
vực sông Ba theo hƣớng có lợi nhất về kinh tế, xã hội và môi trƣờng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

 Xây dựng mô hình thủy văn – kinh tế cho lƣu vực sông Ba nhằm phân bổ tài
nguyên nƣớc.
 Đánh giá các kịch bản và định hƣớng phƣơng thức phân bổ sử dụng nguồn
nƣớc hợp lý cho lƣu vực sông Ba.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu:
 Về không gian: Giới hạn nghiên cứu cho lƣu vực sông Ba.
 Về thời gian: Thời gian tính toán là một năm thủy văn, bƣớc thời gian 1 tháng.
Đối tƣợng nghiên cứu:
 Luận án chủ yếu xem xét tài nguyên nƣớc mặt.
 Các đối tƣợng sử dụng nƣớc: sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, thủy điện,
thủy sản và môi trƣờng. Trong đó, các yêu cầu về nƣớc dành cho sinh hoạt,
công nghiệp, thủy sản và môi trƣờng đƣợc coi là các điều kiện ràng buộc (cố
định).
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
o Cách tiếp cận hệ thống
o Cách tiếp cận liên ngành
Phương pháp nghiên cứu:
 Phƣơng pháp kế thừa: Luận án kế thừa một số kết quả nghiên cứu trƣớc đây của
các cơ quan, tổ chức có liên quan đến lƣu vực sông Ba. Trong đó, chủ yếu là kết
quả tính toán dòng chảy và nhu cầu sử dụng nƣớc cho các phân vùng sử dụng
nƣớc trên lƣu vực.
 Phƣơng pháp mô hình toán: Luận án xây dựng một mô hình thủy văn - kinh tế
cho lƣu vực sông Ba trong hệ thống GAMS.
 Phƣơng pháp thống kê xác suất: sử dụng để phân tích tần suất dòng chảy lƣu
vực sông Ba, phân tích tƣơng quan giữa các đại lƣợng thủy văn và kinh tế.

3

 Phƣơng pháp phân tích tổng hợp: đƣợc sử dụng để đánh giá hiệu ích kinh tế từ
các phƣơng án phân bổ nƣớc, phân tích hiệu quả từ các chính sách quản lý nƣớc
dự kiến.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
 Nghiên cứu cơ sở khoa học thiết lập mô hình thủy văn – kinh tế cho bài toán
phân bổ nƣớc tối ƣu trên lƣu vực sông Ba.
 Lƣợng hóa mối quan hệ tƣơng quan giữa các yếu tố thủy văn và kinh tế. Trên
cơ sở đó, phân tích đƣợc những điểm bất hợp lý trong lĩnh vực khai thác sử
dụng nƣớc trên lƣu vực sông Ba và đề xuất những phƣơng thức điều chỉnh cho
phù hợp.
Ý nghĩa thực tiễn
 Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể đƣợc sử dụng là một kênh tham khảo
tích cực cho những nhà quản lý trong quá trình ra quyết định liên quan đến quy
hoạch chiến lƣợc phát triển tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Ba.
 Cơ sở khoa học và chƣơng trình tính thủy văn - kinh tế cho lƣu vực sông Ba có
thể sử dụng để xây dựng các mô hình thủy văn - kinh tế cho những lƣu vực
sông khác có điều kiện tƣơng tự.
 Phƣơng pháp xây dựng và trình tự thiết lập mô hình thủy văn - kinh tế cho lƣu
vực sông Ba có thể dùng là tài liệu học tập cho sinh viên và học viên cao học.
6. Những đóng góp mới của luận án
 Nghiên cứu ứng dụng mô hình tối ƣu trong phân tích đánh giá, phân bổ nguồn
nƣớc trong lƣu vực sông và có bổ sung, điều chỉnh phù hợp cho LVS Ba.
 Lƣợng hóa đƣợc quan hệ tƣơng quan giữa thủy văn và kinh tế cho lƣu vực sông
Ba trong mối ràng buộc về tự nhiên, kết cấu hạ tầng, môi trƣờng và xã hội.
 Đánh giá hiệu ích kinh tế của một số chính sách dự kiến trong quy hoạch và
quản lý tài nguyên nƣớc, từ đó đề xuất các biện pháp tăng cƣờng hiệu quả trong
khai thác sử dụng nƣớc mặt trên lƣu vực sông Ba.

4


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH
THỦY VĂN - KINH TẾ TRONG QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI
NGUYÊN NƢỚC
1.1 Giải thích một số thuật ngữ
Mô hình thủy văn – kinh tế: là công cụ mô hình toán kết hợp mô hình thủy văn và mô
hình kinh tế, có khả năng biểu thị các khía cạnh thủy văn, kỹ thuật, môi trƣờng và kinh
tế của hệ thống tài nguyên nƣớc trong một khuôn khổ thống nhất [3].
Tài nguyên nƣớc: bao gồm nguồn nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất, nƣớc mƣa và nƣớc biển
thuộc lãnh thổ của nƣớc CHXHCN Việt Nam [4].
Nguồn nƣớc là các dạng tích tụ nƣớc tự nhiên hoặc nhân tạo có thể khai thác, sử dụng
bao gồm sông, suối, kênh, rạch, hồ, ao, đầm, phá, biển, các tầng chứa nƣớc dƣới đất;
mƣa, băng, tuyết và các dạng tích tụ khác [4].
Hệ thống tài nguyên nƣớc là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nƣớc, các công
trình khai thác tài nguyên nƣớc, các yêu cầu về nƣớc cùng với mối quan hệ tƣơng tác
giữa chúng cùng với sự tác động của môi trƣờng lên nó [5].
Lƣu vực sông: là vùng đất mà trong phạm vi đó nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất chảy tự nhiên
vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển [4].
Dòng chảy tối thiểu: là dòng chảy ở mức thấp nhất cần thiết để duy
trì dòng sông hoặc đoạn sông nhằm bảo đảm sự phát triển bình thƣờng của hệ sinh thái
thủy sinh và bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng nguồn
nƣớc của các đối tƣợng sử dụng nƣớc [4].
Hàng hóa kinh tế: Một hàng hóa đƣợc coi là một hàng hóa kinh tế (còn đƣợc gọi là
một hàng hóa khan hiếm) nếu số lƣợng “cầu” hàng hóa vƣợt số lƣợng “cung” tại mức
giá bằng zero [6].
Hàng hóa trung gian (hàng hóa của nhà sản xuất): sản phẩm hoặc dịch vụ để tạo ra
hàng hóa và dịch vụ khác (ngƣợc với hàng hóa tiêu dùng cuối cùng, đƣợc sử dụng trực

tiếp bởi khách hàng) [7].

5


1.2 Giới thiệu chung về mô hình thủy văn - kinh tế
1.2.1 Nguồn gốc và quá trình phát triển mô hình
Kinh tế và kỹ thuật là những lĩnh vực có tính tƣơng trợ lẫn nhau. Ví dụ nổi bật chính là
khái niệm về thặng dƣ tiêu dùng đƣợc một kỹ sƣ ngƣời Pháp Jules Dupuit đƣa ra năm
1844. Dupuit đã nhận ra rằng cần xem xét chi phí xây dựng, vận hành và lợi ích kinh
tế từ các công trình khai thác sử dụng nƣớc công cộng. Trong suốt thế kỷ 19 và 20, các
khái niệm kinh tế đã đƣợc các kỹ sƣ ngành nƣớc vận dụng, nhất là khi có sự ra đời và
phát triển lĩnh vực phân tích hệ thống. Các nguyên tắc kinh tế đƣợc sử dụng để hỗ trợ
các quá trình quy hoạch, thiết kế, hay quản lý các hệ thống tài nguyên nƣớc. Cùng với
sự phát triển của công nghệ máy tính, công cụ mô hình toán đƣợc ứng dụng trong lĩnh
vực tài nguyên nƣớc ngày càng rộng rãi. Thế nhƣng trong nhiều năm qua, các mô hình
tài nguyên nƣớc hoặc là thiên về mảng kỹ thuật (mô hình thủy văn) hoặc là thiên về
mảng kinh tế (mô hình kinh tế). Các mô hình thủy văn có khả năng mô tả một hệ thống
một cách rất chi tiết, tuy nhiên yếu tố kinh tế nếu có xem xét thƣờng dừng ở mức phân
tích lợi ích – chi phí theo kịch bản. Ngƣợc lại, các mô hình kinh tế lại tập trung vào
mục tiêu tối đa hóa lợi ích kinh tế mà bỏ qua hoặc lƣợc bỏ rất nhiều các thành phần
thủy văn. Ngoài ra còn nhiều khó khăn khác khi liên kết hai loại mô hình này với
nhau. Ví dụ, mô hình thủy văn thƣờng sử dụng phƣơng pháp mô phỏng còn mô hình
kinh tế hay áp dụng phƣơng pháp tối ƣu. Mô hình thủy văn có thể áp dụng cho một lƣu
vực sông lớn có cấu trúc phức tạp, trong khi mô hình kinh tế thƣờng chỉ áp dụng cho
phạm vi nghiên cứu là một hệ thống cấp nƣớc nhỏ hoặc hệ thống thủy lợi nội đồng.
Mô hình kinh tế thƣờng tính toán cho bƣớc thời gian dài hạn (theo năm hoặc theo
mùa) còn mô hình thủy văn có thể tính cho bƣớc thời gian ngắn (ngày, giờ) [8]. Mô
hình thủy văn - kinh tế ra đời với mục đích kết nối hai thành phần mô hình thủy văn và
mô hình kinh tế. Mục đích này cũng rất phù hợp với xu hƣớng tiếp cận tổng hợp hiện

nay trong lĩnh vực quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Ngoài các yếu tố thủy văn
và kinh tế, tùy theo mục đích nghiên cứu, các tác giả có thể đƣa thêm vào những thành
phần khác nhƣ nông nghiệp, sinh thái, thể chế … Chính vì vậy, mô hình thủy văn kinh tế (hydro-economic model) còn có nhiều tên gọi khác nhƣ mô hình kinh tế nƣớc
(hydroeconomic), kinh tế - thủy văn - nông nghiệp (economic – hydrologic -

6


agronomic), tổng hợp thủy văn - kinh tế - thể chế (integrated hydrologic – economic institutional), tổng hợp tối ƣu hóa lƣu vực sông (integrated river basin optimization),
phân bổ hiệu quả (efficient allocation), tổng hợp kinh tế - thủy văn (integrated
economic-hydrologic), kỹ thuật kinh tế (economic - engineering), tổng hợp thủy văn nông nghiệp - kinh tế (integrated hydrologic – agronomic - economic), cầu và cung
(demand and supply), tổng hợp thủy văn - kinh tế (integraged hydrologic - economic),
kinh tế tài nguyên nƣớc chính luận (holistic water resources - economic), tổng hợp
thủy động lực học - kinh tế (integrated hydrodynamic - economic), và tổng hợp sinh
thái - kinh tế (integrated ecological – economic) [3]. Trong các nội dung tiếp theo,
luận án sử dụng tên gọi duy nhất mô hình thủy văn - kinh tế cho tất cả các mô hình
cùng loại sẽ đƣợc đề cập.
1.2.2 Đặc điểm và mục tiêu mô hình thủy văn – kinh tế
Trong các mô hình hệ thống không theo quan điểm kinh tế, nhu cầu nƣớc thƣờng đƣợc
biểu thị là yêu cầu nƣớc cố định hoặc là các mục tiêu cấp nƣớc đã định. Dựa vào các
yêu cầu đó, thông thƣờng, các kỹ sƣ ngành nƣớc sẽ tính toán chi phí xây dựng, vận
hành và sửa chữa các công trình khai thác sử dụng nƣớc hoặc xử lý nƣớc thải. Quan
điểm nhu cầu nƣớc "tĩnh" kiểu này có thể dẫn đến thiết kế thiên lớn các cơ sở hạ tầng,
gây lãng phí và chậm thích ứng với điều kiện mới.
Khi các nguồn nƣớc đã bị khai thác quá mức, việc lựa chọn một nguồn nƣớc mới sẽ
trở nên rất khó khăn. Ví dụ muốn xây dựng một công trình thủy lợi mới sẽ khó lựa
chọn vị trí tốt, các loại chi phí phát sinh cao hơn so với các công trình trƣớc đó, đồng
thời mâu thuẫn giữa những đối tƣợng sử dụng nƣớc mới và cũ trong hệ thống sẽ bị bộc
lộ. Các nhà quản lý nƣớc sẽ chuyển từ quan điểm nhu cầu nƣớc “tĩnh” sang quan điểm
nhu cầu nƣớc có liên quan đến giá trị kinh tế nƣớc. Giá trị của nƣớc thay đổi theo thời

gian, không gian và mục đích sử dụng nƣớc.
Trong các mô hình thủy văn - kinh tế, việc phân bổ nƣớc đƣợc định hƣớng và đánh giá
bởi các giá trị kinh tế mà nó tạo ra. Các mô hình thủy văn - kinh tế biểu thị tất cả các
thành phần thủy văn và kỹ thuật theo không gian của hệ thống. Các đặc trƣng thủy văn
và kỹ thuật đƣợc bao gồm trong mạng nút – liên kết (node-link), ở đó các nhu cầu kinh

7


tế đƣợc mô tả tại các vị trí (node) và chi phí (hoặc lợi ích) đƣợc mô tả tại các liên kết
(link) [3].
1.2.3 Sự cần thiết quản lý nước theo cách tiếp cận kinh tế
Việc phân bổ nƣớc cho một đối tƣợng sử dụng nƣớc ở một địa điểm trong một khoảng
thời gian sẽ có ảnh hƣởng đến đối tƣợng sử dụng nƣớc khác và các tài nguyên khác ở
các địa điểm khác và trong các khoảng thời gian khác [3].
Khái niệm nƣớc đƣợc coi là hàng hóa có giá trị kinh tế xuất hiện trong các buổi họp
chuẩn bị cho Hội nghị thƣợng đỉnh Trái đất ở Rio de Janeiro năm 1992. Sau đó tiếp
tục đƣợc trao đổi và thảo luận trong Hội nghị Dublin về Nƣớc và Môi trƣờng (ICWE,
1992) và trở thành một trong bốn nguyên tắc Dublin. Trong đó, nguyên tắc thứ tƣ nêu
quan điểm nƣớc có giá trị kinh tế và cần đƣợc công nhận là một hàng hóa kinh tế.
Nƣớc là một loại hàng hóa đặc biệt vừa có tính chất hàng hóa tƣ nhân, vừa có tính chất
hàng hóa công. Nếu nhu cầu của con ngƣời vƣợt khả năng cung cấp của nguồn nƣớc,
tùy theo từng mức độ có thể gọi là các tình trạng áp lực về nƣớc, thiếu nƣớc, khan
hiếm nƣớc hay khủng hoảng về nƣớc. Trong đó, khan hiếm nƣớc có thể phân thành hai
loại khan hiếm tự nhiên và khan hiếm kinh tế. Khan hiếm nƣớc tự nhiên chủ yếu xảy
ra ở các khu vực có điều kiện khí hậu khô hạn hoặc bán khô hạn. Khan hiếm nƣớc
kinh tế xảy ra ở những khu vực tuy có nguồn nƣớc phong phú nhƣng lại không có đủ
nguồn lực đầu tƣ để khai thác sử dụng nƣớc. Khi nguồn nƣớc bị khan hiếm thì nên
đƣợc quản lý và phân bổ hiệu quả để mang lại tối đa giá trị cho xã hội.
1.2.4 Giá trị kinh tế của nước

Theo Mạng lƣới Cộng tác vì nƣớc Toàn cầu [9], giá trị của nƣớc bao gồm giá trị kinh
tế và giá trị nội tại. Trong đó, giá trị kinh tế của nƣớc bao gồm giá trị đối với ngƣời sử
dụng; lợi nhuận thực từ việc sử dụng nƣớc hồi quy; lợi nhuận thực từ việc sử dụng
nƣớc gián tiếp; và điều chỉnh cho các mục đích xã hội. Giá trị nội tại hay còn gọi là giá
trị không sử dụng bao gồm: thẩm mĩ, văn hóa, tôn giáo, địa mạo, tự nhiên… không
đƣợc xem xét trong phạm vi luận án.
Giá trị kinh tế tùy thuộc vào ngƣời sử dụng và cách sử dụng. Các loại sử dụng nƣớc có
thể đƣợc phân loại theo khả năng lấy nƣớc (có tiêu hao, không tiêu hao), theo vị trí lấy
8


nƣớc (trên dòng chảy (instream), ngoài dòng chảy (offstream)), hoặc theo vai trò kinh
tế của nƣớc (hàng hóa trung gian, sản phẩm cuối cùng) (Hình 1.1). Do sự phức tạp nhƣ
vậy nên cũng có rất nhiều phƣơng pháp xác định giá trị kinh tế nƣớc.
Phân loại sử dụng nƣớc

Theo khả năng
lấy nƣớc

Theo vị trí lấy
nƣớc

Theo vai trò
kinh tế

Sử dụng
nƣớc có tiêu
hao

Sử dụng

nƣớc không
tiêu hao

Sử dụng
nƣớc trên
dòng chảy

Sử dụng
nƣớc ngoài
dòng chảy

Sử dụng
nƣớc làm
hàng hóa
trung gian

Sử dụng
nƣớc làm
sản phẩm
cuối cùng

Nông nghiệp
Công nghiệp
Sinh hoạt
Pha loãng

Thủy điện
Giao thông
thủy

Giao thông
thủy
Pha loãng
Thủy điện

Nông nghiệp
Công nghiệp
Sinh hoạt

Nông nghiệp
Công nghiệp
Thủy điện

Sinh hoạt
Giao thông
thủy
Pha loãng

Hình 1.1 Phân loại sử dụng nƣớc [10]

Sơ đồ Hình 1.2 trình bày một số phƣơng pháp xác định giá trị của nƣớc đƣợc chia
thành ba nhóm nhƣ sau:
(1) Các phƣơng pháp suy luận giá trị của nƣớc từ thông tin liên quan đến thị trƣờng
nƣớc hoặc các lợi ích có liên quan đến nƣớc
(2) Các phƣơng pháp suy luận giá trị của nƣớc từ nhu cầu nƣớc, ở đó nƣớc đƣợc
coi là hàng hóa (sản xuất) trung gian
(3) Các phƣơng pháp suy luận giá trị của nƣớc từ nhu cầu khách hàng, ở đó nƣớc
đƣợc coi là hàng hóa (tiêu dùng) cuối cùng, đƣợc sử dụng trực tiếp bởi ngƣời sử
dụng.
9

Xác định giá trị của nƣớc

Khái niệm
dòng giá trị

Suy luận giá trị từ
thị trƣờng nƣớc

Xem nƣớc là hàng
hóa trung gian

Xem nƣớc là hàng
hóa cuối cùng

Nƣớc là hàng
hóa tƣ nhân

Từ việc cho thuê
hoặc bán quyền
sử dụng nƣớc
va/hoặc đất

Hàm cầu nhà
sản xuất

Nƣớc là lợi
ích công
cộng

Hàm cầu
ngƣời tiêu
dùng

Giá trị phần dƣ

Mô hình chi
phí du lịch

Giá cả hƣởng
thụ

Giá trị gia tăng

Định giá ngẫu
nhiên

Chi phí thay
thế

Chuyển giao
lợi ích

Hình 1.2 Các phƣơng pháp xác định giá trị của nƣớc [10]
Bất cứ phƣơng pháp nào thì chỉ có giá trị và đáng tin cậy trong điều kiện và cơ sở của
phƣơng pháp đó [10]. Dƣới đây xin trình bày các phƣơng pháp thƣờng dùng để xác
định giá trị sử dụng nƣớc cho một số ngành sử dụng nƣớc chủ yếu.
1.2.4.1 Giá trị sử dụng nƣớc cho trồng trọt
Nƣớc sử dụng cho trồng trọt đƣợc xếp vào loại hàng hóa trung gian. Bởi vậy, giá trị sử

dụng nƣớc nên đƣợc xác định từ quan điểm của nhà sản xuất [10]. Phƣơng pháp giá trị
phần dƣ thƣờng đƣợc sử dụng để xác định giá trị sử dụng nƣớc cho trồng trọt. Về mặt
lý thuyết, mô hình sản xuất mùa vụ thƣờng đƣợc các nhà kinh tế mô tả nhƣ một “hộp
đen” có các đầu vào là vốn, lao động, đất đai, phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,

10


tƣới và đầu ra là năng suất của mùa vụ. Hầu hết tất cả đầu vào và đầu ra của mô hình
tƣới này đều đƣợc trao đổi trên thị trƣờng cạnh tranh gần nhƣ hoàn hảo, ngoại trừ
lƣợng nƣớc tƣới. Do vậy, giá trị của nƣớc tƣới có thể đƣợc tính bằng cách lấy tổng giá
trị đầu ra của sản xuất nông nghiệp trừ đi các giá trị của các đầu vào khác. Giá trị phần
dƣ còn lại sẽ là giá trị của tƣới [11]. Phƣơng pháp này đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu
áp dụng trong [12], [13], [14], [15]. Hàm xác định lợi nhuận thuần từ trồng trọt cho cả
lƣu vực có dạng nhƣ sau:
nnn crop

VAirr 

   pr * ym    fn * fnc  fp * fpc  fk * fkc  nlab * lab  may  pi  oth* A

i, j

i 1

j 1

nnn crop

 prw *

  qtuoi * A

i, j

i 1

* t

j 1

(1-1)
Trong đó: VAirr là giá trị sử dụng nƣớc cho trồng trọt; pr là giá bán nông sản
(đồng/kg); ym là năng suất cây trồng (kg/ha); fn, fp, fk: khối lƣợng phân đạm, lân, kali
(kg/ha); fnc, fpc, fkc: giá phân đạm, lân, kali (đồng/kg); nlab, lab: số lƣợng và đơn giá
nhân công; may: chi phí máy móc; pi: chi phí thuốc trừ sâu; oth: chi khác; Ai,j: diện
tích tƣới nút thứ i, loại cây trồng j; prw: giá nƣớc (đồng/m3); qtuoi: lƣu lƣợng nƣớc
tƣới cho một đơn vị diện tích (m3/s/ha); crop: số loại cây trồng; nnn: số nút lấy nƣớc
tƣới.
1.2.4.2 Giá trị sử dụng nƣớc cho thủy điện
Giá trị sử dụng nƣớc cho mỗi công trình thủy điện trên lƣu vực sẽ rất khác nhau, phụ
thuộc vào nhiều yếu tố [16]:
- Vị trí nhà máy và khoảng cách đến nơi tiêu thụ (liên quan đến chi phí truyền tải, phân
phối điện)
- Điện đƣợc tiêu thụ trong nƣớc hay xuất khẩu
- Điện sản xuất để thay thế cho các nguồn năng lƣợng khác hay để tăng sản phẩm quốc
nội

11

Việc xác định giá trị sử dụng nƣớc cho thủy điện đƣợc dựa trên các thông tin thu thập
từ mỗi nhà máy với giả thiết chi phí/giá bán điện đƣợc tính trung bình cho mỗi kwh.
Khi đó, hàm xác định lợi nhuận thuần từ phát điện đƣợc tính theo công thức:
nrp 12

VPp 

 heso * Qtđ

i ,t

* H i ,t * t * ( pp  cp )

i 1 t 1

(1-2)

Trong đó VPp là giá trị sử dụng nƣớc cho thủy điện; heso: hệ số (phụ thuộc vào nhà
máy); Qtđi,t: lƣu lƣợng phát điện ở nhà máy i, thời đoạn t; Hi,t :cột nƣớc phát điện;
pp: giá bán điện (đồng/kwh); cp: chi phí sản xuất (đồng/kwh); nrp: số nhà máy thủy
điện. Một số nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp này trong tính toán giá trị nƣớc phát
điện trích trong [12], [16].
1.2.4.3 Giá trị sử dụng nƣớc trong công nghiệp
Trong hầu hết các ngành công nghiệp, nƣớc đóng góp tỉ lệ rất nhỏ vào giá trị sản
phẩm. Ringler et al.[13] xác định giá trị sử dụng nƣớc cho công nghiệp thông qua tích
phân hàm cầu nƣớc có dạng logarit.
𝑉𝐼𝑖𝑛 =

𝑛𝑐𝑛

𝑖=1

12 𝑒
𝑡=1

𝜇

𝜃

1
1−
𝜃

.

𝑄𝑐𝑛𝑖,𝑡 . ∆𝑡

1
𝜃

1−

− (𝑄𝑐𝑛. ∆𝑡)

1
𝜃

1−

− 𝑄𝑐𝑛𝑖,𝑡 . ∆𝑡 . 𝑝𝑐𝑛 (1-3)

Trong đó: VIcn là giá trị sử dụng nƣớc cho công nghiệp; Qcni,t: lƣu lƣợng nƣớc khai
thác cho nút công nghiệp thứ i tháng thứ t;Qcn: lƣu lƣợng nƣớc khai thác trung bình;

: hằng số; : độ co giãn giá; pcn: giá nƣớc trong công nghiệp; ncn: số nút công
nghiệp.
1.2.4.4 Giá trị sử dụng nƣớc cho sinh hoạt
Nƣớc dùng cho sinh hoạt đƣợc coi là sản phẩm cuối cùng chứ không phải hàng hóa
trung gian. Để xác định giá trị sử dụng nƣớc cho sinh hoạt, ngƣời ta thƣờng tích phân
hàm cầu sử dụng nƣớc có các dạng tuyến tính, logarit kép hoặc logarit tuyến tính [17].
Ringler et al.[13] tích phân hàm cầu dạng logarit kép để tính giá trị kinh tế nƣớc trong
sinh hoạt cho lƣu vực sông Đồng Nai nhƣ sau:
𝑉𝑀𝑚 =

𝑛𝑠 𝑕
𝑖=1

12 𝑒
𝑡=1

𝜓

𝜀 𝐼
1
1−
𝜀

𝛽

𝜀

. (𝑄𝑠𝑕𝑖,𝑡 . ∆𝑡)

1
𝜀

1−

12

− 𝑄𝑠𝑕

1
𝜀

1−

− 𝑄𝑠𝑕𝑖,𝑡 . ∆𝑡 . 𝑝𝑠𝑕 (1-4)


Trong đó: VMm là giá trị sử dụng nƣớc cho sinh hoạt; Qsh: nhu cầu nƣớc sinh hoạt;
Qsh: nhu cầu nƣớc sinh hoạt trung bình; = hằng số; I= thu nhập
(đồng/ngƣời/tháng); psh= giá nƣớc sinh hoạt (đồng/m3); = độ co giãn giá; = độ co
giãn thu nhập; t: chỉ số thời đoạn tính toán (tháng); pop: dân số (ngƣời); Để xác định
các tham số, nhóm tác giả đã phải thực hiện khảo sát cho 12 quận huyện Thành phố
Hồ Chí Minh, từ đó suy ra cho các khu vực khác trong lƣu vực sông Đồng Nai.
Việc xác định các tham số trong hàm tính toán giá trị kinh tế nƣớc trong sinh hoạt và
công nghiệp là rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thông tin. Hơn nữa, ở lƣu vực nghiên cứu,
nhu cầu sử dụng nƣớc hai đối tƣợng này cũng rất nhỏ so với các nhu cầu sử dụng nƣớc
khác. Vì vậy, trong luận án chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu xác định giá trị sử dụng

nƣớc cho nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi) và thủy điện.
1.2.5 Phân loại mô hình thủy văn - kinh tế
Hầu hết các mô hình thủy văn - kinh tế đều có các thành phần chung mô tả dòng chảy,
cơ sở hạ tầng, nhu cầu nƣớc, chi phí vận hành và quy tắc vận hành. Kể từ 1962, Maass
et al. [18] đã mô hình hóa hệ thống tài nguyên nƣớc dƣới dạng các nút và liên kết giữa
các nút. Cách mô tả này minh bạch và thuận tiện nên đƣợc áp dụng trong nhiều mô
hình, ví dụ nhƣ MIKE BASIN, HEC RESSIM, WEAP, AQUARIUS…
1.2.5.1 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ƣu
Mô hình mô phỏng thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá xem hệ thống sẽ có phản hồi thế
nào với các kịch bản đề ra. Ở phạm vi lƣu vực sông, các kịch bản thông thƣờng sẽ là tổ
hợp của các yếu tố đầu vào bao gồm các số liệu thủy văn (thực đo, tạo chuỗi ngẫu
nhiên, hoặc giả định), thông tin về cơ sở hạ tầng (công trình thủy lợi, công trình thủy
điện, công trình cấp nƣớc), yêu cầu về nƣớc (cho các hộ sử dụng nƣớc), yêu cầu bảo
vệ môi trƣờng và các quy tắc vận hành hệ thống. Càng nhiều kịch bản đƣợc đặt ra thì
sẽ càng hiểu rõ về phản hồi của hệ thống, dựa vào đó ngƣời quản lý có thể ra quyết
định cho phù hợp. Mô hình mô phỏng có ƣu điểm hơn so với mô hình tối ƣu khi chúng
có khả năng đánh giá hệ thống trong thời gian dài. Bởi vậy, các nhà khoa học thƣờng
sử dụng mô hình mô phỏng để đánh giá hệ thống tài nguyên nƣớc trong những điều
kiện có xét đến Biến đổi khí hậu toàn cầu hay sự thay đổi nhanh chóng của yêu cầu

13


nƣớc do sự gia tăng tốc độ đô thị hóa [8]. Tuy nhiên, mô hình mô phỏng không cho
biết đƣợc kịch bản lựa chọn đã là tốt nhất hay chƣa?
Trong trƣờng hợp muốn có câu trả lời cho câu hỏi "cái gì là tốt nhất?", các nhà khoa
học thƣờng áp dụng các mô hình tối ƣu. Các mô hình tối ƣu tài nguyên nƣớc dựa theo
hàm mục tiêu và các ràng buộc, trong đó cũng phải có thành phần mô phỏng, tuy nhiên
có mức độ thô sơ, để tính toán dòng chảy và cân bằng nƣớc. Lợi thế đặc biệt của các
mô hình tối ƣu hóa đối với các mô hình mô phỏng là khả năng kết hợp hệ thống giá trị

xã hội trong phân bổ tài nguyên nƣớc. Có hai cách tiếp cận tối ƣu hóa. Loại thứ nhất
có thể mô tả theo tối ƣu hóa thủy văn trong các hàm mục tiêu của mô hình để phân bổ
giữa các ngành từ quan điểm thủy văn. Loại thứ hai đề cập đến các mô hình tối ƣu hóa
kinh tế tối ƣu phân bổ giữa các ngành dựa trên phân bổ nƣớc tối ƣu. Các tiêu chuẩn
khác, ví dụ nhƣ công bằng xã hội và chất lƣợng môi trƣờng cũng có thể đƣợc sử dụng
[8].
1.2.5.2 Mô hình thành phần và mô hình tổng thể
Mô hình thành phần bao gồm nhiều môđun khác nhau, kết quả của môđun này sẽ là
đầu vào của môđun khác. Khi đó thì việc kết nối giữa các thành phần kinh tế và thủy
văn khác nhau thƣờng là mối liên kết lỏng lẻo. Ngƣợc lại, trong mô hình tổng thể, các
thành phần thủy văn và kinh tế đƣợc kết nối với nhau chặt chẽ thành một thể thống
nhất, tuy nhiên, thành phần thủy văn thƣờng đƣợc giản hóa rất nhiều do tính phức tạp
khi giải [8].
Ngoài hai cách phân loại chính nêu trên, ngƣời ta cũng có thể phân loại mô hình thủy
văn - kinh tế dựa theo một số yếu tố khác. Ví dụ nhƣ phạm vi nghiên cứu (lớn hoặc
nhỏ); thời gian nghiên cứu (ngắn hạn hoặc dài hạn); dữ liệu đầu vào (chuỗi thực đo
hoặc chuỗi ngẫu nhiên); phƣơng pháp tối ƣu hóa (tĩnh hoặc động); mục tiêu về xã hội
và môi trƣờng (có hoặc không); và phần mềm sử dụng.
1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế trên
thế giới và ở Việt Nam
Mô hình thủy văn - kinh tế có thể ứng dụng rộng rãi trong bảy lĩnh vực khác nhau mà
Harou et al. [3] đã phân loại nhƣ sau: (i) Phân bổ và sử dụng nƣớc liên ngành; (ii) Mở

14


rộng nâng cấp cơ sở hạ tầng cấp nƣớc; (iii) Kết hợp sử dụng nƣớc mặt và nƣớc ngầm;
(iv) Thể chế, thị trƣờng và giá nƣớc; (v) Giải quyết xung đột, quản lý xuyên biên giới
và phát triển bền vững; (vi) Quản lý nƣớc trong điều kiện biến đổi khí hậu và quản lý
hạn; (vii) Quản lý sử dụng đất: lũ lụt và chất lƣợng nƣớc. Trong đó, mô hình thủy văn

– kinh tế thƣờng đƣợc sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực phân bổ sử dụng nƣớc liên
ngành.
1.3.1 Các nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế trên thế giới
Tùy theo từng điều kiện lƣu vực sông cụ thể, mâu thuẫn sử dụng nƣớc giữa các ngành
có thể tồn tại ở các dạng khác nhau. Bởi vậy, các ứng dụng mô hình thủy văn - kinh tế
trong lĩnh vực phân bổ nƣớc liên ngành cũng rất đa dạng.
Diaz et al. (1992) [19] trong nghiên cứu về giá trị kinh tế cận biên của dòng chảy đã
tính toán tối ƣu hóa phân bổ nguồn nƣớc cho một hệ thống nguồn nƣớc giả thuyết ở
miền Tây nƣớc Mỹ. Mục đích của nghiên cứu là tìm hiểu khi một lƣợng nhỏ dòng
chảy tăng lên (do khai thác gỗ trên lƣu vực làm giảm lƣợng bốc thoát hơi từ rừng) và
đƣợc phân bổ tối ƣu thì sẽ có giá trị là bao nhiêu? Với các kết quả tính toán và phân
tích, các tác giả kết luận rằng giá trị kinh tế từ một đơn vị thể tích nƣớc đƣợc tăng
thêm nhỏ hơn nhiều giá trị kinh tế trung bình của nƣớc khi chƣa tăng. Có thể nói đây
là một trong những nghiên cứu đầu tiên mô tả mối tƣơng quan giữa các yếu tố thủy
văn và lợi ích kinh tế, tuy nhiên mức độ nghiên cứu mới chỉ dừng ở một mô hình lý
thuyết mà chƣa có ứng dụng cụ thể cho lƣu vực sông nào.
Rosegrant et al. (2000) [20] phát triển một khuôn khổ mô hình lƣu vực sông kiểu mẫu
bao gồm các thành phần thủy văn, nông nghiệp và kinh tế nhằm xem xét mối quan hệ
giữa nƣớc tƣới, độ mặn trong đất, sản xuất lƣơng thực, phúc lợi kinh tế, và hệ quả về
môi trƣờng. Mô hình đƣợc áp dụng cho lƣu vực sông Maipo ở Chile. Kết quả của mô
hình cho thấy lợi ích của việc trao đổi thƣơng mại quyền sử dụng nƣớc khi nguồn
nƣớc đƣợc phân bổ tới những đối tƣợng sử dụng nƣớc có giá trị cao. Lợi nhuận thuần
từ nông nghiệp có tƣới tăng đáng kể so với trƣờng hợp quyền sử dụng nƣớc đƣợc chia
đều. Tuy nhiên sản lƣợng nông nghiệp lại không bị giảm nhiều. Lợi nhuận thuần cho
các khu tƣới thậm chí cao hơn nếu những ngƣời nông dân có thể hƣởng lợi từ việc bán
quyền sử dụng nƣớc không dùng đến cho các khu đô thị và công nghiệp vào những
15