ลุ่มน้ำเจ้าพระยาเป็นแหล่งทรัพยากรน้ำที่สำคัญที่สุดแห่งหนึ่งของประเทศไทย โดยรองรับการใช้น้ำในภาคการเกษตร อุตสาหกรรม และอุปโภคบริโภค อย่างไรก็ตาม การบริหารจัดการน้ำยังคงเป็นความท้าทาย เนื่องจากปัญหาภัยแล้งและน้ำท่วมที่เกิดขึ้นเป็นประจำ รวมถึงข้อจำกัดด้านปริมาณน้ำและความต้องการน้ำที่หลากหลายในแต่ละพื้นที่ โดยเฉพาะในลุ่มน้ำเจ้าพระยา ซึ่งมีเขื่อนภูมิพลเป็นหนึ่งในอ่างเก็บน้ำหลักที่มีบทบาทสำคัญต่อการจัดสรรทรัพยากรน้ำ ทำให้ ดร. วุฒิชาติ แสวงผล ผู้ช่วยคณบดีฝ่ายวิจัย คณะเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร มหาวิทยาลัยมหิดล (ICT Mahidol) และทีมวิจัย ได้ร่วมกันศึกษาและค้นหาแนวทางใหม่ในการเพิ่มประสิทธิภาพอ่างเก็บน้ำเพื่อตอบสนองความต้องการน้ำที่หลากหลาย โดยเริ่มต้นการศึกษาการบริหารจัดการน้ำที่ “เขื่อนภูมิพล” เป็นแห่งแรก
Constraint Programming for Reservoir Operation Optimization of Bhumibol Dam เป็นผลงานความร่วมมือระหว่าง คณะเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร มหาวิทยาลัยมหิดล (ICT Mahidol) โดยมี ดร. วุฒิชาติ แสวงผล ผู้ช่วยคณบดีฝ่ายวิจัย และ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. จิดาภา ไกรสังข์ ผู้ช่วยคณบดีฝ่ายพัฒนาหลักสูตร เป็นทีมผู้วิจัยร่วมกับ คณะวิศวกรรมศาสตร์ คณะสิ่งแวดล้อมและทรัพยากรศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และ มหาวิทยาลัยมหิดล วิทยาเขตกาญจนบุรี มหาวิทยาลัยมหิดล พร้อมด้วย คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กําแพงแสน และ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการเพิ่มประสิทธิภาพการบริหารจัดการน้ำของเขื่อนภูมิพล พร้อมลดปัญหาการขาดแคลนน้ำและควบคุมการปล่อยน้ำส่วนเกินอย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยการใช้โปรแกรมสมการเชิงข้อจำกัด (Constraint Programming (CP)) ซึ่งเป็นโปรแกรมที่ช่วยให้สามารถวางแผนในสถานการณ์ที่มีข้อจำกัดหลายด้านได้อย่างมีประสิทธิภาพ
“โจทย์ที่ได้มาคือ ในปลายฤดูฝน เราต้องการที่จะเพิ่มน้ำในเขื่อนช่วงฤดูแล้งขึ้น 15% จากเดิม สิ่งที่เราดูเบื้องต้นคือลุ่มน้ำเจ้าพระยาก่อน ในลุ่มแม่น้ำเจ้าพระยาจะมี 4 เขื่อนหลัก ได้แก่ เขื่อนภูมิพล เขื่อนสิริกิติ์ เขื่อนแควน้อยบำรุงแดน เขื่อนป่าสักชลสิทธิ์ แต่ว่าในงานวิจัยนี้ เราจะดูแค่เขื่อนภูมิพลเป็นหลัก เพราะเราอยากลองนำเทคโนโลยีโปรแกรมสมการเชิงข้อจำกัด (Constraint Programming (CP)) ไปทดสอบดูว่าผลการศึกษาจะออกมาตามที่คาดหวังไหม และทำให้เราทราบว่า ในแต่ละวันที่เราปล่อยน้ำออกไป เราควรจะปล่อยเท่าไหร่ดี เพื่อให้มันพอดีกับสิ่งที่เขาต้องการ ไม่ปล่อยเกินไปหรือน้อยไป”
ข้อมูลที่ใช้ในการศึกษาประกอบด้วยข้อมูลการไหลเข้าอ่างเก็บน้ำ (MCM) ปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำ ระดับน้ำ การไหลออกจากอ่างเก็บน้ำ และข้อมูลพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ ซึ่งรวบรวมจากการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (Electricity Generating Authority of Thailand (EGAT)) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2543 ถึง พ.ศ. 2561 นอกจากนี้ ยังใช้ข้อมูลการไหลปลายน้ำจากสถานี W.4A ที่รวบรวมโดยกรมชลประทาน (Royal Irrigation Department (RID)) รวมถึงข้อมูลความต้องการน้ำเป้าหมายรายวัน โดยทีมวิจัยได้นำโปรแกรมสมการเชิงข้อจำกัด (Constraint Programming (CP)) ที่ถูกสร้างขึ้นโดยใช้โปรแกรม MiniZinc ซึ่งเป็นภาษาที่สามารถกำหนดข้อจำกัดต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่น พร้อมทั้งใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ IPOPT (Interior Point Optimizer) ในการแก้สมการ ซึ่ง IPOPT เป็นเครื่องมือที่เข้ามาช่วยแก้ปัญหาการคำนวณที่ซับซ้อน โดยคำนึงถึงเป้าหมายและข้อจำกัดต่างๆ เพื่อหาคำตอบที่เหมาะสมสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินงานของอ่างเก็บน้ำเขื่อนภูมิพล
โดยแบบจำลองมีการกำหนดเงื่อนไขต่างๆ ของอ่างเก็บน้ำ ดังนี้
- ข้อจำกัดทางกายภาพของอ่างเก็บน้ำ ได้แก่ ความจุของอ่างเก็บน้ำ โดยปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำต้องอยู่ระหว่างค่าขั้นต่ำ (Minimum) และค่าขั้นสูง (Maximum) ของความจุอ่างเก็บน้ำ และ อัตราการปล่อยน้ำสูงสุด โดยปริมาณน้ำที่ปล่อยออกจากอ่างเก็บน้ำในแต่ละวันต้องไม่เกินความสามารถสูงสุดของระบบระบายน้ำ ทั้งนี้ เขื่อนภูมิพลสามารถจุได้ 13,462 ล้านลูกบาศก์เมตร
- ข้อจำกัดด้านการปล่อยน้ำเพื่อการใช้งาน ได้แก่ การตอบสนองความต้องการน้ำเป้าหมาย โดยปริมาณน้ำที่ปล่อยจากอ่างเก็บน้ำต้องเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการน้ำรายวันสำหรับการเกษตร การอุตสาหกรรม การอุปโภคบริโภค และการรักษาระดับน้ำขั้นต่ำ โดยปริมาณน้ำที่ปล่อยออกต้องไม่ต่ำกว่าระดับขั้นต่ำที่จำเป็นต่อการรักษาสภาพแวดล้อมและการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
- ข้อจำกัดด้านพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ ได้แก่ การรักษาแรงดันน้ำ (Hydraulic Head) โดยระดับน้ำในอ่างเก็บน้ำต้องเพียงพอที่จะสร้างแรงดันน้ำที่เหมาะสมสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
- ข้อจำกัดด้านน้ำที่ไหลเข้าสู่แม่น้ำ หรือระบบอ่างเก็บน้ำจากลำน้ำสาขา (Side Flow) โดย น้ำที่ไหลมาจาก Side Flow จะถูกนำมาพิจารณาในแบบจำลองเพื่อลดความจำเป็นในการปล่อยน้ำจากอ่างเก็บน้ำหลัก
โดยผลการศึกษาพบว่าแบบจำลองโปรแกรมสมการเชิงข้อจำกัด (Constraint Programming (CP)) สามารถช่วยเพิ่มปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำได้ โดยสามารถเก็บน้ำได้เพิ่มขึ้น 11.03% ถึง 15.21% ต่อปีเมื่อเทียบกับการดำเนินงานปัจจุบัน นอกจากนี้ การเพิ่มปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ โดยพบว่าการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำเพิ่มขึ้น 6.10% ถึง 13.79% อีกด้วย
ดร. วุฒิชาติ แสวงผล ยังได้พูดถึงการต่อยอดผลงานนี้ในอนาคต ดังนี้
“สิ่งที่เรากำลังต่อยอดคือการคำนวณระยะเวลาของน้ำของทั้ง 4 เขื่อน เนื่องจากว่าการปล่อยน้ำจากเขื่อน เช่น จากเขื่อนสิริกิติ์มายังลุ่มน้ำเจ้าพระยานั้นใช้เวลาถึง 10 วัน ในการไหลมาถึง เพราะฉะนั้น เราต้องพิจารณาส่วนนี้ด้วยในอนาคต เพราะความต้องการน้ำของวันนี้ มันต้องปล่อยมาเมื่อ 10 วันที่แล้ว น้ำถึงจะทันใช้ นอกจากนี้ เรายังอยากทำให้งานนี้ละเอียดยิ่งขึ้น โดยเราจะแบ่งส่วนของแม่น้ำเจ้าพระยาออกเป็น 4 ส่วน เพื่อดูว่าในแต่ละส่วน ส่วนงานไหนต้องส่งน้ำมา เพื่อให้การปล่อยน้ำมีประสิทธิภาพมากที่สุด นอกจากนี้ เรายังอยากขยายผลไปยังลุ่มแม่น้ำหรือเขื่อนอื่นๆ ในประเทศไทยด้วย เช่น ลุ่มน้ำมูล ซึ่งเป็นแม่น้ำสายหลักในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย โดยศึกษาที่เขื่อนลำตะคอง หรือ เขื่อนมูลบน จังหวัดนครราชสีมา เป็นต้น”
สามารถดาวน์โหลดผลงานวิจัยเรื่อง Constraint Programming for Reservoir Operation Optimization of Bhumibol Dam ได้ที่: https://doi.org/10.1007/s13201-024-02179-2
ติดตามผลงานของ ดร. วุฒิชาติ แสวงผล ได้ที่: https://wudhichart.github.io/my-profile/