Dự BáO Sử DụNG NƯớC CHO ĐÔ THị Và CÔNG NGHIệP NGHIệP

6.2.1. Phân loại các phương pháp

Dự báo nhu cầu sử dụng nước đô thị là một nhiệm vụ quan trọng cho các cơ quan khai thác và quản lý, bao gồm ba hoạt động có liên quan đến nhau.

Hoạt động thứ nhất là quản lý nguồn cung cấp có liên quan với dự báo nhu cầu dùng nước để có thể xác định quy mô, sắp xếp và định thời gian cho các

đầu tư vào các nhà máy cung cấp nước mới. Hoạt động có liên quan thứ hai là quản lý nhu cầu dùng nước, nó xác định ảnh hưởng của việc lắp đặt đồng hồ

đo nước, phát hiện rò rỉ, kiểm soát rò rỉ, sự thay đổi giá cả, các biện pháp bảo tồn, và chế độ phân phối. Hoạt động thứ ba là quản lý nhu cầu – nguồn cấp, nó sử dụng các dự báo sử dụng nước để hợp nhất và phối hợp nguồn cung cấp với các chính sách quản lý nhu cầu.

Boland và các cộng sự (1981) phân các phương pháp dự báo thành 3 loại:

(a) các phương pháp hệ số đơn, chỉ có duy nhất một biến số; (b) các phương pháp đa hệ số, có nhiều hơn một biến số; và (c) các phương pháp thống kê hay các phương pháp cây sự kiện (contigency tree methods). Bảng 6.2.1 so sánh các phương pháp dự báo khác nhau. Các biến giải thích là các biến được sử

dụng để giải thích nhu cầu dùng nước, ví dụ như dân số, giá cả, thu nhập và lượng giáng thủy hàng năm.

PHƯƠNG PHáP Hệ Số ĐƠN: Những phương pháp này bao gồm các phương pháp: bình quân đầu người, bình quân kết nối, và hệ số đơn vị sử dụng. Thường thì chỉ có dữ liệu về toàn bộ lượng nước sản xuất cho một thành phố cùng với số dân của thành phố là có thể có được, bởi vậy phương pháp bình quân đầu người được sử dụng. Trong những trường hợp này, mối tương quan gần đúng được sử dụng để ước lượng sử dụng nước đô thị:

Q(t) = u(t)POP(t) (6.2.1) Q(t) là sử dụng nước trung bình ngày, POP(t) là dân số trong khoảng thời gian t, và u(t) là sử dụng nước trung bình ngày của mỗi người (gallons/người/ngày hoặc lít/người/ngày). Sử dụng phương trình (6.2.1), dân số POP(t) và lượng sử dụng nước trung bình mỗi người u(t) phải được ước lượng hoặc dự đoán trước.

Để tính được mức sử dụng nước lớn nhất ngày, lớn nhất giờ, tỉ lệ sử dụng bình quân nhận được từ phương trình (6.2.1) được với hệ số tỷ lệ lớn nhất - trung bình nằm trong khoảng 1,5 tới 3,0,

Phương pháp bình quân đầu người được sử dụng rất rộng rãi; tuy nhiên, nó có những thiếu sót nghiêm trọng như hầu hết các ứng dụng dự báo khác (Boland và các cộng sự, 1981) bởi vì nó bỏ qua rất nhiều các nhân tố ảnh hưởng tới sử dụng nước. Đó là loại nhà, diện tích nhà, khí hậu, các hoạt động thương mại, thu nhập, giá cả… Những tiêu chí chính của Các nguyên tắc và hướng dẫn của Hội đồng tài nguyên nước quốc gia Hoa Kỳ (1983) chỉ ra rằng các nhân tố ảnh hưởng này cần phải được tính đến, và phương pháp phân chia các nghành dùng nước chính hay là sự phân chia sử dụng nước bởi các khu vực sử dụng nước chủ yếu cũng nên được sử dụng trong dự báo. Cả hai tiêu chí trên đều chưa được thực hiện trong phương pháp bình quân đầu người. Để cải tiến phương pháp bình quân đầu người, hệ số sử dụng nước trung bình mỗi ngày u(t) có thể phát triển cho nhiều loại sử dụng nước khác nhau. Các hệ số cũng có thể phân chia theo khu vực địa lý hay theo mùa.

Như một biến thể của phương pháp bình quân đầu người, nước cung cấp cho thành phố hay cộng đồng có thể ước lượng bằng phương pháp bình quân kÕt nèi (per connection method):

1

( ) 1 ( ) ( )

n

i i

i

Q t C t W t

 

  (6.2.2)

trong đó Wi(t) là sử dụng nước bình quân đầu người hoặc bình quân kết nối nước của sử dụng nước loại i, Ci(t) là số kết nối tới hệ thống phân phối nước

của loại i,

i = 1, 2,..., n, và  là hiệu suất (0 1) ứng với lượng nước rò rỉ và tổn thất trong quá trình xử lý. Đối với một hệ thống được quản lý tốt thì  = 0,9.

Phương pháp trung bình kết nối (số kết nối hoặc khách hàng) thường có thuận lợi là dễ dàng có được các dữ liệu lịch sử về số lượng kết nối. Về cơ bản thì phương pháp này có những ưu điểm và nhược điểm như của phương pháp bình quân đầu người. Một phương pháp một biến số mô tả khác là phương pháp hệ số đơn vị sử dụng (unit use coefficient method). Ví dụ về đơn vị sử dụng là nước sử dụng của mỗi công nhân trong công nghiệp và trong dự báo nhu cầu dùng nước thương mại, bình quân nước sử dụng trên mỗi đơn vị đất canh tác của một vụ mùa trong dự báo nước nông nghiệp. Những phương pháp này khi sử dụng trong một dự báo không tổng hợp, dự báo mà các biến quan trọng không bị bỏ sót, có thể được cải tiến phù hợp với Các nguyên tắc và hướng dẫn của Hội đồng tài nguyên nước quốc gia Hoa Kỳ (US WRC, 1983).

Trong tất cả mọi trường hợp, các phương pháp một hệ số dựa vào sự dự đoán biến số chính và hệ số đơn vị sử dụng trong tương lai. Những phương pháp này cung cấp những kết quả dự báo hạn ngắn khá tin cậy nhưng sự thiếu tin cậy tăng lên trong các dự báo hạn dài.

PHƯƠNG PHáP ĐA Hệ Số: Những phương pháp này có thể phân loại thành mô hình yêu cầu (requirements models) và mô hình nhu cầu (demand models). Mô hình yêu cầu gồm có biến vật lý và biến tâm lý, những biến này tương quan với sử dụng nước nhưng không nhất thiết bao gồm cả giá

nước và hộ sử dụng hoặc thu nhập bình quân đầu người.Mô hình nhu cầu dựa trên những lý luận kinh tế và chỉ bao gồm những biến tương quan đáng kể với sử dụng nước và những biến được cho rằng có quan hệ nhân quả với sử dụng nước (Boland và các cộng sự, 1981). Ví dụ, mô hình nhu cầu gồm có giá và thu nhập cộng với các biến mô tả khác.

Bảng 6.2.1

So sánh các phương pháp dự báo (Boland và các cộng sự, 1983)

Các phương pháp một hệ số Các phương pháp đa hệ số

Các phương

pháp thống kê B×nh

qu©n

®Çu người

B×nh qu©n kÕt nèi

Hệ số đơn vị

sử dụng Mô hình yêu cầu Mô hình nhu cÇu

C©y sù kiện

Dễ dự báo, phù hợp với Các nguyên tắc

và hướng dẫn

Không Không

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Cã

Dễ đánh giá các biện pháp bảo vệ

nguồn nước

Không Không

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Cã

Phù hợp với các

nghiên cứu ban đầu Có Có Có Không, quá phức tạp

Không, quá

phức tạp

Không, quá phức

tạp Phù hợp với các

ứng dụng quy hoạch dự án

Không Không

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Khi sử dụng trong các dự báo không

tổng hợp

Cã

Lượng dữ liệu cần

dùng Rất ít Rất ít Vừa phải Vừa phải tới lớn Vừa phải tới lín

Phô thuéc vào ứng

Độ khó của việc thu

thập dữ liệu Thấp Thấp Từ thấp tới

vừa phải Vừa phải tới cao Vừa phải tới cao

Phô thuéc vào ứng

dông Nguồn: phỏng theo bảng III-2. trang III-35, trong Forecasting Assessment.

Một mô hình nhu cầu cho sử dụng nước hàng năm có thể có dạng sau:

0 1 2

3 4

a a a

a a

Sử dụng nước hàng năm = + (dân số) + (giá)

+ (thu nhập) + (giáng thủy năm) (6.2.3) Hoặc ở dạng phi tuyến tính:

1 2 3

4

0( ( (

(

b

b b

b

b

Sử dụng nước hàng năm = Dân số) giá) thu nhập)

giáng thủy năm) (6.2.4)

Số lượng và kiểu của biến mô tả sử dụng trong mô hình nhu cầu hoặc mô

hình yêu cầu biến đổi từ ứng dụng này đến ứng dụng khác. Các số liệu sẵn có,

độ chính xác yêu cầu, và điều kiện địa phương tất cả đều có ảnh hưởng tới số lượng và kiểu của các biến mô tả. Khi ứng dụng trong các dự báo không tổng hợp các phương pháp đa hệ số phù hợp với những yêu cầu của Các nguyên tắc và hướng dẫn của Hội đồng tài nguyên nước quốc gia Hoa Kỳ (1983). Một lần nữa, để dự báo sử dụng nước trong tương lai bằng phương pháp đa hệ số, giá

trị trong tương lai của các yếu tố ngẫu nhiên cần được dự báo bằng những phương pháp khác.

CáC PHƯƠNG PHáP CÂY Sự KIệN: Các phương pháp này đề cập

đến những yếu tố thay đổi trong dự báo sử dụng nước. Tiêu biểu là một nền tảng dự báo được chuẩn bị bởi một trong các phương pháp trên, và sau đó dự báo được sửa đổi để phản ánh tổ hợp của các yếu tố thay đổi. Một xác suất chung của mỗi tổ hợp các yếu tố thay đổi này được xác định cho liên kết với dự báo sử dụng nước.

Để chọn lựa một phương pháp dự báo cần phải xem xét với ứng dụng dự báo cụ thể. Hầu hết các phương pháp có thể được sử dụng cho dự báo sử dụng nước tổng hợp hàng năm. Tuy nhiên, nếu dự báo sẽ được sử dụng trong thiết kế của một hệ thống xử lý và phân phối nước, thì sự ước đoán chắc chắn về sử dụng nước lớn nhất ngày là cần thiết. Thiết kế của bể chứa nước cung cấp có thể yêu cầu các dự báo sử dụng nước mùa hoặc tháng cộng với dự báo sử dụng nước năm. Một số ứng dụng dự báo khác có thể biểu hiện sự ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau của phát triển kinh tế đối với sử dụng nước. Trong loại ứng dụng này, mô hình cần bao gồm cả các biến kinh tế cần thiết. Tóm lại, phương pháp dự báo cần sử dụng tốt nhất dữ liệu có được, từ đó cung cấp thông tin về yêu cầu sử dụng nước cho quá trình thiết kế sơ bộ.

6.2.2. Dạng chung của mô hình

Một mô hình về nhu cầu sử dụng nước thông thường có thể được biểu diễn nh­ sau:

1 2

(. .. ... )k

Q f x x x є (6.2.5)

trong đó f là hàm của các biến mô tả x1, x2... xk, và ε là sai số ngẫu nhiên (biến ngẫu nhiên) mô tả ảnh hưởng chung lên Q của tất cả những yếu tố thay đổi mà chưa được đề cập đến rõ ràng bởi các biến mô tả xi. Sai số ngẫu nhiên ε được cho là có kỳ vọng bằng 0, phương sai là một hằng số, và các sai số tương quan có kỳ vọng của εi . εj bằng 0,

Đối với các ứng dụng thực tế, mô hình nhu cầu dùng nước không có dạng giải tích như đã suy diễn mà thường có tính chất cộng, nhân, hoặc cả hai tính chất này. Mô hình nhu cầu điển hình thường có dạng tuyến tính, lôgarít, bán loga, lần lượt như sau:

0 1 1 ... k k є

Qa a x  a x  (6.2.6) hoặc

0 1 1

lnQb blnx ...bklnxk є (6.2.7) hoặc

0 1ln 1 ... kln k є

Qc c x  c x  (6.2.8) Những dạng mô hình nhu cầu này cho phép ước lượng dễ dàng các thông số của mô hình, a0,.. ak, b0,.. bk, và c0,.. ck, bằng cách sử dụng phân tích hồi quy với giả thiết các biến mô tả được xác định một cách độc lập từ các biến phụ thuộc. Nếu các biến mô tả bao gồm các thứ nguyên khác của nhu cầu dùng nước thì điều kiện về sự độc lập trên không được thỏa mãn. Ví dụ, nếu lượng nước đòi hỏi và giá nước đều được xác định trong cùng một tiến trình, thì đó là một lỗi xác định đồng thời. Trong phần 6.3, lý thuyết về phân tích hồi quy sử dụng phương pháp sai số bình phương nhỏ nhất để ước lượng thông số mô

hình dựa trên bộ số liệu đã cho sẽ được giới thiệu.

6.2.3. Các loại dữ liệu

Để xây dựng đề cương về mô hình nhu cầu dùng nước, cần nhiều loại dữ

liệu khác nhau của các biến mô tả. Trong thực tế, các loại dữ liệu có sẵn quyết

định các biến nào có thể sử dụng được trong mô hình dự báo. Bảng 6.2.2 liệt kê một số dữ liệu điển hình và các nguồn có thể có.