8.1. Những nguyên lý cơ bản của Các hệ thống nước ngầm
8.1.3. Các dạng mô hình quản lý lượng nước ngầm
Các mô hình mô phỏng tầng ngậm nước đã được sử dụng để nghiên cứu những tác động của các chiến lược quản lý nước ngầm khác nhau. Sử dụng chủ yếu cho các kiểu “nghiên cứu thử” hoặc “cái gì sẽ xảy ra nếu” (what-if).
Nhà phân tích chỉ định những lượng cụ thể và mô hình sẽ dự báo các hệ quả
về kỹ thuật và có thể là cả các hệ quả kinh tế của lựa chọn này. Nhà phân tích
ước tính những hệ quả này và sử dụng các đánh giá và trực giác để chỉ định trường hợp tiếp theo.
Những phương pháp tối ưu đã được sử dụng trong quản lý nước ngầm từ hơn một thập kỷ qua. Hầu hết người sử dụng tập trung vào phối hợp giữa mô
phỏng và tối ưu, dẫn đến cái được gọi là mô hình quản lý-mô phỏng. Một cách phân loại các mô hình quản lý nước ngầm dựa trên kỹ thuật tối ưu hóa
được trình bày trong hình 8.1.4. Gorelick (1983) cũng nghiên cứu hai loại cơ
bản: (a) những mô hình quản lý thủy lực tập trung vào quản lý bơm nước và nước bổ sung; và (b) những mô hình đánh giá chính sách còn có thể được coi như là các nguyên lý kinh tế về sự phân phối nước. Những mô hình quản lý thủy lực đã được phát triển dựa trên ba phương pháp chính: Phương pháp nhúng, phương pháp điều tiết tối ưu, và phương pháp ma trận đơn vị tương ứng.
H×nh 8.1.2
Tầng ngậm nước có áp.
H×nh 8.1.3
Tầng ngậm nước không áp.
Phương pháp nhúng (embeding approach) tích hợp trực tiếp phương trình của mô hình mô phỏng (tương ứng với một hệ các phương trình khác nhau) vào bài toán tối ưu cần được giải quyết. Phương pháp này có ứng dụng hạn chế và nó thường được sử dụng trong quản lý thủy lực nước ngầm. Các bài toán tối
ưu nhanh chóng trở
nên quá lớn để giải bởi các thuật toán đã có khi nghiên cứu một tầng ngậm nước có quy mô rộng lớn, đặc biệt là các tầng ngậm nước không áp. Các tầng ngậm nước không áp đưa đến các bài toán quy hoạch phi tuyến. Các nghiên cứu trước đây dựa trên phương pháp này bao gồm Aguado và những người khác (1974); Aguado và những người khác (1977); Willis và Newman (1977);
Aguado và Remson (1980); Remson và Gorelick (1980); và Willis và Liu (1984).
Phương pháp điều tiết tối ưu dựa trên các khái niệm từ lý thuyết điều tiết tối ưu với phương pháp luận cơ bản trở thành hai kỹ thuật tối ưu kết hợp với nhau (cặp kỹ thuật tối ưu) với một mô phỏng nước ngầm để giải quyết hoàn toàn phương trình cơ bản của dòng chảy nước ngầm cho mỗi vòng lặp của quy trình tối ưu. Phương pháp luận này có thể được xem như là một biến thể của phương pháp nhúng với các phương trình chính được giải ẩn. Các biến trạng thái tương ứng với các chiều cao cột nước và các biến điều tiết tương ứng với công suất bơm hoàn toàn tương quan thông qua mô phỏng. Các phương trình mô phỏng được sử dụng để mô tả các biến trạng thái dưới dạng các biến
điều tiết do đó tạo ra một vấn đề tối ưu đơn giản hơn và giải rất nhiều lần.
Wanakule, Mays và Lasdon (1986) từng giới thiệu một mô hình quản lý nước ngầm nói chung, dự trên quy hoạch phi tuyến và một mô hình mô phỏng nước ngầm. Mô hình quản lý nước ngầm nói chung này có thể được sử dụng để giải quyết các bài toán quản lý thủy lực và các bài toán chính sách đánh giá (phân phối) nước ngầm.
Phương pháp ma trận tương ứng tạo ra một ma trận đơn vị tương ứng bằng cách giải mô hình mô phỏng một vài lần, mỗi lần với một đơn vị công suất bơm tại một điểm bơm đơn lẻ. Phương pháp chồng đặt được sử dụng để xác định tổng các hạ áp. Nó đưa đến một bài toán tối ưu nhỏ hơn, nhưng lại có hai hạn chế chính. Phương pháp này chỉ chính xác cho một tầng ngậm nước có
áp nhưng lại có độ chính xác khá tốt cho tầng ngậm nước không áp với hạ áp tương đối nhỏ so với bề dày của tầng ngậm nước. Một phương pháp hiệu chỉnh hạ áp có thể được sử dụng để tăng độ chính xác cho tầng ngậm nước không áp với độ hạ áp lớn hơn, nhưng độ chính xác chấp nhận được có thể không được
toán lại khi những yếu tố ngoại sinh thay đổi ví dụ như các điều kiện biên của tầng ngậm nước hoặc các vị trí giếng tiềm năng. Một vấn đề khác là xử lý các yếu tố này như là những biến quyết định, nhưng như thế sẽ có nhiều các biến và các ràng buộc được tích hợp trong bài toán tối ưu hóa hơn. Những tác phẩm về phương pháp này bao gồm các tác phẩm của Maddock (1972, 1974), Maddock và Haimes (1975), Morel-Seytoux và Daly (1975), Morel-Seytoux và những người khác (1980), Heidarj (1982), Illangasekare và Morel-Seytoux (1982), và Willis (1984).
Bảng 8.1.1
Dòng chảy qua các giếng.
Phương trình cơ bản Lưu lượng từ giếng Trạng thái ổn định
Có áp 2 dh
q rKb
dr
2 1
2 1
( )
2 ln( / )
h h
q Kb
r r
Phương trình Thiem
Không áp 2 dh
q rKh
dr
21
2 2
2 1
( )
ln rr h h qK
Trạng thái không ổn định
Có áp
2 2
1
h h S h
r r r T t
4 ( ) q sT
W u
trong đó W(u) = –0,5772 – ln(u) + u
2 3 4
2.2! 3.3! 4.4! ...
u u u
và
2
4 u r S
Tt
Phương trình Theis
Có áp 2
4 0.5772 ln
4 q Ts
r S Tt
Xấp xỉ Cooper-Jacob H×nh 8.1.4
Sự phân loại các mô hình tối ưu cho quản lý nước ngầm.
Các mô hình chính sách đánh giá và phân phối nước ngầm được sử dụng cho các mục đích phân phối nước ngầm bao hàm cả các mục tiêu quản lý kinh tế với giả thiết là các chính sách của các tổ chức, cơ quan là các ràng buộc bổ sung cho các ràng buộc về quản lý thủy lực. Những ứng dụng của các mô hình kiểu này từng được sử dụng trong một thời gian ngắn cho các bài toán của tầng ngậm nước xét về kinh tế nông nghiệp với các chính sách của các cơ quan tương ứng và ứng dụng vào các bài toán liên hệ giữa sử dụng nước mặt – nước ngầm. Hình 8.1.4 minh họa bốn kiểu phương pháp giải quyết các bài toán chính sách đánh giá và phân phối. Phương pháp ma trận tương ứng
được sử dụng cho các bài toán xét về thủy lực – phản hồi kinh tế (Gorelick, 1983). Các mô hình mô phỏng liên kết tối ưu sử dụng các kết quả của một mô
hình mô phỏng nước ngầm bên ngoài như là đầu vào cho một chuỗi các mô
hình tối ưu cho khu vực kinh tế nhỏ hơn (Gorelick, 1983). Những ví dụ của
mô hình tối ưu – mô phỏng liên kết gồm có: Young và Bredehoeft (1972).
Daubert và Young (1982), Bredehoeft và Young (1983). Các mô hình Hierarchical sử dụng sự phân chia thành các khu vực con và một phương pháp ma trận tương ứng (Haimes và Dreizen, 1977; Bisschop và những người khác, 1982).