Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) giải pháp hỗ trợ công tác quản lý, khai thác tài nguyên nước và phát triển kinh tế xã hội lưu vực sông

Hệ thống hỗ trợ ra quyết định phục vụ công tác quy hoạch, quản lý và khai thác tài nguyên nước (DSS) là một khái niệm tương đối mới tại Việt Nam, mặc dù khái niệm này đã được giới thiệu và ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới. Bài viết giới thiệu kết quả xây dựng mô hình DSS cho một số lưu vực sông tại Việt Nam, đặc biệt cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, để phục vụ tốt công tác quy hoạch, quản lý tài nguyên nước lưu vực sông, việc xây dựng một bộ công cụ mô phỏng và hỗ trợ quản lý là vô cùng cần thiết. Với sự phát triển của công nghệ máy tính, các phần mềm GIS, việc mô hình hoá và phân tích hệ thống phát triển nhanh chóng. Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Decision Support System- DSS) đã thay thế hệ thống quản lý thông tin (Management Information System-MIS) cũ trước đây. Trên thế giới, DSS đã được áp dụng nhiều trong quy hoạch, quản lý khai thác tài nguyên nước lưu vực sông.

Vậy, thế nào là một DSS? và DSS bao gồm những thành phần gì?

Theo Lucks, D.P and J.R Costa (eds.) (1990) [6] định nghĩa DSS là một hệ thống gồm các chương trình cơ sở dữ liệu, các mô hình xấp xỉ toán học tối ưu hoặc mô hình mô phỏng cùng với các thuật toán tương ứng được thiết lập liên quan đến một vấn đề cụ thể, một địa điểm hoặc một vùng cụ thể nhằm trợ giúp cho việc tham khảo, quy hoạch, quản lý, vận hành, thiết kế cũng như việc ra quyết định xử lý các tranh chấp trong sử dụng tài nguyên nước.

II. NGHIÊN CỨU VỀ DSS TẠI VIỆT NAM

Ở Việt Nam, DSS vẫn là một khái niệm mới và chỉ được ứng dụng vào một số nghiên cứu cụ thể.

Trong dự án quản lý tổng hợp tài nguyên nước (TNN) Việt Nam do bộ Giáo dục và nghiên cứu của CHLB Đức (BMBF) tài trợ thực hiện 2006-2010, việc xây dựng một DSS là một trong những mục tiêu nhằm hỗ trợ việc quản lý tổng hợp TNN ở Việt Nam. Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam là cơ quan thực hiện dự án hợp tác nghiên cứu theo nghị định thư với Đại học Cologne (CHLB Đức) về “ Xây dựng bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quản lý lưu vực sông - áp dụng cho lưu vực sông Thạch Hãn (Quảng Trị). Tuy nhiên, dự án mới chỉ quan tâm nghiên cứu phần TNN mặt về số lượng.

Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Môi trường, trong khuôn khổ hợp tác với Ủy ban Mê Kông Việt Nam và Ủy Hội Mê Kông Quốc tế đã được chuyển giao bộ phần mềm DSF xây dựng cho lưu vực sông Mê Kông do công ty HalCrow (Anh) xây dựng. Viện đã áp dụng thành công trong một số nghiên cứu cho đồng bằng sông Cửu long như tính toán ngập lụt, đánh giá tác động xuyên biên giới do sự phát triển sử dụng nguồn nước các nước thượng lưu sông Mê Kông. Trên ý tưởng DSF của Mê Kông, TS Hoàng Minh Tuyển đã xây dựng thành công DSF cho lưu vực sông Cả trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng khung hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả”thực hiện năm 2004 - 2006, trong đó tổ hợp 15

kịch bản quy hoạch TNN sông Cả được tính toán lưu trữ. Tuy nhiên đề tài chỉ mới dừng ở mức xây dựng DSF-khung hỗ trợ ra quyết định, chưa phải DSS. Để hoàn chỉnh, cần phải xây dựng thêm một số mô đun về nước ngầm, chất lượng nước, phân tích, kết xuất thông tin mềm dẻo ở các dạng khác nhau, đưa sản phẩm lên dạng WEB-based.

Về phương diện giải quyết tranh chấp sử dụng nước, NCS Huỳnh Thị Lan Hương, Viện Khoa học kỹ thuật Thủy văn và Môi trường đang thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ kỹ thuật giải quyết tranh chấp về tài nguyên nước lưu vực sông Ba”. Sản phẩm của đề tài chỉ là một hợp phần của một DSS.

Trong khuôn khổ Chương trình "Xây dựng các mô hình ứng dụng và chuyển giao khoa học và công nghệ phục vụ phát triển KT-XH giai đoạn từ nay đến năm 2010", Bộ Khoa học và Công nghệ đã quyết định đầu tư dự án: "Ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông Vu Gia - Thu

Bồn", giao cho Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao khoa học và công nghệ Quảng Nam chủ trì thực hiện từ tháng 8/2005 đến tháng 4/2008. Mục tiêu của dự án là ứng dụng công nghệ thông tin xây dựng cơ sở dữ liệu và quản lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, Quảng Nam - Đà Nẵng, phục vụ phát triển nông nghiệp - nông thôn, do Trường Đại học Mỏ - Địa chất chuyển giao công nghệ. Tuy nhiên, sản phẩm chính của dự án mới chỉ là cơ sở dữ liệu nhằm phục vụ quản lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

Ngoài ra, cũng còn rất nhiều các nghiên cứu độc lập phục vụ các mục đích khác nhau, nhìn chung, các nghiên cứu này đã thu được nhiều kết quả có giá trị về mặt khoa học và thực tiễn, đã góp phần không nhỏ vào việc xây dựng bộ công cụ hỗ trợ phục cụ công tác quản lý tổng hợp tài nguyên nước. Song do hạn chế về mục tiêu, nội dung nên cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào xây dựng được một hệ thống hỗ trợ ra quyết định hoàn chỉnh cho một lưu vực sông, có xét đến các vấn đề về thủy văn, thủy lực, chất lượng nước, nước ngầm và chạy trên nền WEB nhằm tạo thuận lợi cho người sử dụng.

Với hiện trạng như vậy, Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam chủ trì, PGS. TS. Nguyễn Tùng Phong chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu và xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) phục vụ công tác quản lý và khai thác các tài nguyên nước ở Việt Nam” (2010-2013). Hiện tại, nhóm thực hiện đang hoàn thiện các sản phẩm cuối cùng của đề tài. Bài báo giới thiệu một số khái niệm cơ bản về DSS cũng như các sản phẩm của đề tài thông qua việc xây dựng mô hình DSS phục vụ công tác quản lý và khai thác các tài nguyên nước ở Việt Nam.

III. MÔ HÌNH DSS ĐỀ XUẤT TRONG ĐỀ TÀI

Mục tiêu của mô hình DSS trong đề tài nhằm hỗ trợ các cấp quản lý ở trung ương, tỉnh, huyện trong việc ra các quyết định về quy hoạch phát triển cơ sở hạ tầng, sử dụng đất hay phát triển các vùng nông nghiệp, công nghiệp,

thông qua việc cung cấp bộ số liệu thông tin về cân bằng nước, lũ lụt, phân bổ nước ngầm hay tình hình xâm nhập mặn có kết hợp với công nghệ GIS… trên vùng lưu vực sông nghiên cứu. Bên cạnh đó, bộ mô hình DSS còn cung cấp công cụ cho việc lưu trữ các dữ liệu, số liệu về lưu vực sông một cách thuận tiện, khoa học.

Thiết kế của bộ mô hình DSS trong đề tài được tham khảo từ mô hình DSS lưu vực sông Colorado của Mỹ. Mô hình này đã được ứng dụng cho quản lý tài nguyên nước vùng lưu vực sông Colorado và nhận được nhiều phản hồi tích cực. Bên cạnh đó, mô hình DSS trong đề tài cũng được đề xuất sau khi so sánh, phân tích ưu, nhược điểm các mô hình DSS trong nước. Mô hình DSS được thiết kế dựa trên nền tảng internet (web-based), được quản lý bởi cơ chế phân quyền sử dụng, mang lại sự tiện dụng cho người sử dụng và có thể cập nhật liên tục các số liệu cũng như các kịch bản cần thiết. Mô hình DSS trong đề tài được đề xuất với 04 module chính với các đặc điểm như sau:

Module Ngân hàng cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin cơ bản về lưu vực sông, cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình toán, các kịch bản quản lý tài nguyên nước lưu vực sông. Các báo cáo, kết quả tính toán mô phỏng mô hình toán cũng được lưu trữ trong module này;

Module Bản đồ ứng dụng công nghệ GIS, ảnh vệ tinh, trong đó tích hợp các loại bản đồ về hành chính, bản đồ chuyên đề về hệ thống lưu vực sông như hệ thống sông, hồ chứa, sử dụng đất, phân loại đất, mật độ dân số. Đặc

biệt, module này được tích hợp thêm các bản  đồ ngập lụt, xâm nhập mặn và phân bố nước ngầm của lưu vực sông nghiên cứu. Module này phải được tích hợp chức năng chồng, chập các lớp bản đồ khác nhau nhằm phục vụ việc phân tích, đánh giá các ảnh hưởng của lũ lụt, hạn hán… tới các vấn đề về phát triển KTXH của lưu vực sông.

Modun mô hình toán mô phỏng và liên kết mô phỏng các quá trình thủy văn, thủy lực, chất lượng tài nguyên nước trên lưu vực sông nghiên cứu; Module có chức năng truy cập thông tin theo từng thời gian cụ thể về cân bằng nước theo từng tiểu lưu vực, cũng như cung cấp các kết quả chi tiết về tính toán thủy lực cho lưu vực sông nghiên cứu. Module này lưu trữ các thông tinh tính toán của bộ mô hình MIKE NAM, MIKE BASIN và MIKE 11 được sử dụng tính toán mô phỏng trong đề tài.

Giao diện điều khiển chung của DSS được xây dựng trên nền WEB, liên kết tới tất cả các module thành phần của DSS, được điều khiển và hoạt động với hệ thống phân quyền sử dụng với quyền truy cập cụ thể cho từng thành viên sử dụng.

IV. KẾT QUẢ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DSS

Hệ thống DSS phục vụ công tác quản lý và khai thác các tài nguyên nước ở Việt Nam đã được xây dựng và đang trong quá trình hoàn thiện (Hình 1). Hệ thống này có các đặc điểm chính như sau:

Giao diện DSS được thiết kế và hoạt động trên nền Web. DSS cung cấp các module về CSDL, module về bản đồ GIS, module về mô hình toán và hệ thống các kịch bản. Ngoài ra, còn có các module thành phần cung cấp các thông tin cơ bản về DSS cũng như các bài báo chuyên đề về lĩnh vực này.

DSS được phân cấp và quản lý theo quyền sử dụng của mỗi thành viên theo các cấp Quản trị, Thành viên và Khách.

Ngoài ra, người quản trị DSS còn có thể hạn chế quyền truy cập số lượng lưu vực sông cho từng người sử dụng (user). Điều này có nghĩa rằng, người dùng DSS có thể được trao quyền truy cập số liệu của tất cả các lưu vực sông hoặc số lượng xác định lưu vực sông lưu trữ trong DSS.

DSS được thiết kế theo hướng “mở”. Người sử dụng có thể làm việc với các lưu vực sông khác nhau thay vì chỉ một lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn đã được cập nhật số liệu và thông tin trong đề tài.

Module Cơ sở dữ liệu:

Module CSDL là nơi lưu trữ, cung cấp dữ liệu vùng lưu vực sông nghiên cứu cho người sử dụng. Các loại dữ liệu lưu trữ bao gồm:

Hình 2. Modun CSDL trong DSS

- Số liệu về khí tượng thủy văn

- Số liệu nước ngầm

- Số liệu các công trình thủy lợi

- Số liệu chất lượng nước

- Số liệu về kinh tế xã hội

- Số liệu thủy lực mạng sông

- Các văn bản pháp quy

- Các số liệu khác theo yêu cầu người sử dụng

Hình 3. Modun CSDL của DSS khi được kết nối

Theo cơ chế phân quyền sử dụng cấp cho mỗi thành viên, người sử dụng, khi chưa được cho phép, chỉ có thể biết được số lượng và loại dữ liệu lưu trữ trong CSDL mà không thể truy cập xem hay sao lưu file dữ liệu về máy tính. Việc xác định quyền truy cập vào hệ thống CSDL sẽ do người quản trị DSS quản lý.

Module Bản đồ:

Một hợp phần nổi bật của DSS là module bản đồ. Modun này được thiết kế và xây dựng ứng dụng công nghệ GIS và kết nối với ảnh vệ tinh, bao gồm các giao diện về lớp bản đồ, các nút chức năng và cửa sổ làm việc chính của bản đồ. Module này được được xây dựng với 02 chức năng cụ thể:

Hình 4. Modun Bản đồ của DSS

Chức năng 1: Quản lý dữ liệu qua giao diện bản đồ. Với chức năng này, các lớp bản đồ có chức năng như các lớp dữ liệu. Người sử dụng có thể truy cập thông tin bằng cách kích hoạt chức năng Info và nhấp trực tiếp vào đối tượng cần lấy thông tin trên bản đồ (Hình 5) – VD: thông tin về hồ chứa, công trình thủy lợi, dân số, sử dụng đất, xâm nhập mặn và đặc biệt là thông tin về độ sâu ngập lụt tại từng vị trí trong LVS (từ kết quả tính toán thủy lực bằng mô hình MIKE11). Cách quản lý này, giúp cho người sử dụng có thể quản lý dữ liệu một cách tổng quan và trực quan về các công trình cũng như cơ cấu KTXH thuộc lưu vực sông.

Chức năng 2: Chồng, chập, tổ hợp các lớp bản đồ lên nhau nhằm giúp người sử dụng xem xét các tác động tương hỗ có thể xảy ra. Ví dụ, người sử dụng có thể chập 02 bản đồ về lũ và dân số nhằm xác định ảnh hưởng của lũ, độ sâu ngập tới các vùng dân cư (Hình 6). Điều này sẽ giúp cho các cấp ra quyết định có một cái nhìn tổng thể về lưu vực sông, quy hoạch các khu dân cư tránh những vùng thường bị lũ hoặc ngập lũ sâu. Hiện tại, đối với lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, nhóm thực hiện đề tài đã tải lên các loại bản đồ chuyên đề về sử dụng đất, phân loại đất, mật độ dân cư, bản đồ phân bố mặn, bản đồ ngập lụt các năm 1999, 2009, bản đồ quy hoạch sử dụng đất, bản đồ trữ lượng nước ngầm, bên cạnh các bản đồ về công trình thủy lợi, hệ thống sông ngòi, hồ chứa, các trạm khí tượng thủy văn. Người sử dụng DSS có thể luân chuyển tổ hợp chồng, chập các bản đồ trên phục vụ nhu cầu sử dụng khác nhau.

Bên cạnh đó, một số thông tin bản đồ của lưu vực sông Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị cũng đã được cập nhật vào DSS cùng với các thông tin bản đồ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ở trên.

Ngoài ra, phần bản đồ còn có chức năng mở, người sử dụng có thể tải lên thêm hoặc bỏ bớt các bản đồ của lưu vực sông cần nghiên cứu.

Hiện tại, đối với lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, nhóm thực hiên đề tài đã tải lên các loại bản đồ chuyên đề về sử dụng đất, phân loại đất, mật độ dân cư, bản đồ phân bố mặn, bản đồ ngập lụt các năm 1999, 2009, bản đồ quy hoạch sử dụng đất, bản đồ trữ lượng nước ngầm, bên cạnh các bản đồ về công trình thủy lợi, hệ thống sông ngòi, hồ chứa, các trạm khí tượng thủy văn. Người sử dụng DSS có thể luân chuyển tổ hợp chồng, chập các bản đồ trên phục vụ nhu cầu sử dụng khác nhau. Bên cạnh đó, một số thông tin bản đồ của lưu vực sông Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị cũng đã được cập nhật vào DSS cùng với các thông tin bản đồ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ở trên. Ngoài ra, phần bản đồ còn có chức năng mở, người sử dụng có thể tải lên thêm hoặc bỏ bớt các bản đồ của lưu vực sông cần nghiên cứu.

Module tính toán mô phỏng/ Kịch bản:

Hình 7. Modun Kịch bản của DSS

Module tính toán mô phỏng là hợp phần lưu trữ và thể hiện các kết quả tính toán về thủy văn, thủy lực, cân bằng nước thông qua các mô hình toán. Module cung cấp thông tin về các kết quả tính toán cân bằng nước, mưa-dòng chảy, thủy lực thông qua bộ mô hình MIKE BASIN, MIKE NAM, MIKE 11 được sử dụng trong đề tài. Kết quả tính toán của mô hình được cập nhật vào DSS thông qua các kịch bản quản lý tài nguyên nước (Hình 7). Hiện tại, DSS đã cập nhật 05 kịch bản bao gồm: kịch bản nền (tính toán thủy văn, thủy lực lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn năm 2009); kịch bản nguồn nước; kịch bản sử dụng nước; kịch bản công trình thủy lợi và kịch bản quản lý.

Một ưu điểm của module tính toán mô phỏng trong DSS là người sử dụng có thể trực tiếp truy xuất thông tin về cân bằng nước (lượng nước thiếu, đủ) theo từng thời điểm, cho từng vùng bất kỳ hoặc cả lưu vực sông nghiên cứu. Đề tài đã tính toán cân bằng nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn cho chuỗi số liệu 2020-2039 và 2040-2059.

Ngoài ra, Module kịch bản còn có chức năng mở, người sử dụng có thể tải lên/upload thêm các kịch bản khác cũng như xóa bỏ các kịch bản hiện tại cho vùng lưu vực sông cần nghiên cứu.

KẾT LUẬN

Bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước (DSS) giới thiệu trong bài viết là kết quả nghiên cứu bước đầu của nhóm thực hiện đề tài. Có thể nói, đây là một trong những sản phẩm DSS về quản lý tài

nguyên nước đầu tiên được xây dựng tại Việt Nam, có ứng dụng công nghệ GIS và hoạt động trên nền WEB-based với chế độ phân quyền sử dụng độc lập.

Sản phẩm DSS này có thể được sử dụng trợ giúp các cấp ra quyết định trong các vấn đề quy hoạch về sử dụng nguồn nước cũng như phát triển các vấn đề liên quan khác như quy hoạch về phát triển các khu dân cư, sử dụng đất hay phân bổ cơ cấu cây trồng hợp lý trong nông nghiệp …

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. De Azevedo, G., T. Gates D. Fontane J. Labadie, and R. Porto, Integration of Water Quantity and Quality in Strategic River Basin Planning, Journal of. Water Resources. Planning and Management, 126(2), 85-97, 2000.

[2]. DHI Water & Environment, MIKE BASIN: A Versatile Decision Support Tool for Integrated Water Resources Management and Planning, Hørshelm, Denmark, retrieved from http://www.dhisoftware.com/mikebasin/ index.htm , January 23, 2006.

[3]. Hahn, B. and G. Engelen, Concepts of Decision Supporting Systems , in: German Federal Institute of Hydrology,. Decision Support Systems (DSS) for river basin management. Koblenz,Germany, 9-44, 2000.

[4]. Huỳnh Thị Lan Hương, ‘Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ kỹ thuật giải quyết tranh chấp về tài nguyên nước lưu vực sông Ba’, Báo cáo tổng kết đề tài, 2010.

[5]. Chu Thái Hoành, Hệ thống thông tin dữ liệu và các mô hình toán dùng cho cân bằng quản lý nước tại ĐBSCL, 1994.

[6]. Lucks, D.P, Stedinger, J.R, Water Resources Systems Planning and Analysis, Prentice-Hiall,1981. (ISBN: 0 139 45923 5).

[7]. The World Bank : Water Resource Planning, A World Bank Policy Paper. The World Bank. Washington, D.C, 1993.

[8]. Trung tâm Nghiên cứu, ứng dụng và chuyển giao KH&CN Quảng Nam, ‘Ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn’, 2009.

[9]. Tuyen, Hoang Minh, “Nghiên cứu xây dựng khung hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả”, Báo cáo tổng kết đề tài, 2006.

[10]. Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam “Xây dựng bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quản lý lưu vực sông - áp dụng cho lưu vực sông Thạch Hãn (Quảng Trị)”, Báo cáo tổng kết đề tài, 2011.

Tác giả: PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong, ThS. Tô Việt Thắng, ThS. Dương Quốc Huy
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi