Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Hệ thống quản lý và hỗ trợ điều hành tưới thời gian thực - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Sự cần thiết của đề tài Đến nay, cả nước đã xây dựng được hàng ngàn hệ thống công trình thủy lợi, gồm: 6.648 hồ chứa các loại, khoảng 10.000 trạm bơm điện lớn, 5.500 cống tưới tiêu lớn, 234.000 km kênh mương. Trong đó, có 904 hệ thống thủy lợi phục vụ tưới tiêu từ 200ha trở lên [1]. Các hệ thống công trình thủy lợi đã phục vụ tưới cho trên 7,3 triệu ha đất trồng lúa (vụ Đông Xuân 2,99 triệu ha, Hè Thu 2,05 triệu ha, Mùa 2,02 triệu ha) góp phần đưa sản xuất lương thực tăng nhanh và ổn định. Ngoài ra, các hệ thống thủy lợi còn tưới cho 1,5 triệu ha rau màu, cây công nghiệp; tạo nguồn nước cho 1,3 triệu ha đất gieo trồng; cung cấp khoảng 6 tỷ m3 nước phục vụ sinh hoạt và công nghiệp; ngăn mặn cho 0,87 triệu ha; cải tạo chua phèn 1,6 triệu ha và tiêu nước trên 1,72 triệu ha đất nông nghiệp [1].

Tuy nhiên, do hiện nay nhu cầu sử dụng nước của các ngành kinh tế, xã hội đang tăng nhanh, nhất là nước cho công nghiệp, sinh hoạt, nước cho nuôi trồng thuỷ sản, chăn nuôi trong khi tài nguyên nước ở Việt Nam có hạn và đang bị suy thoái nhanh cả về số lượng lẫn chất lượng. Biến đổi khí hậu toàn cầu và khu vực đã và sẽ làm trầm trọng thêm các khó khăn và mức độ ác liệt của các thiên tai. Biến đổi khí hậu làm nhiệt độ tăng cao và nước biển dâng, dẫn đến: suy giảm tài nguyên nước, dòng chảy năm giảm, dòng chảy kiệt suy giảm lớn hơn (giảm từ -2% đến -24%), bốc thoát hơi nước tăng cao khiến nhu cầu sử dụng nước cũng tăng theo. Theo kết quả nghiên cứu [2] thì từ những năm gần đây cho thấy, dòng chảy mùa kiệt trên các lưu vực Cửu Long, sông Hồng - Thái Bình và các lưu vực khác ở miền Trung giảm liên tục và có nơi giảm xuống tới mức thấp nhất lịch sử; nước mặn đã lấn sâu vào sông, ranh giới mặn 1o/oođã xâm nhập ngày càng sâu vào trong phía thượng lưu, làm càng tăng thêm khó khăn về nguồn nước phục vụ kinh tế xã hội.

Sản xuất nông nghiệp là một ngành tiêu thụ tài nguyên nước lớn nhất, tuy nhiên hệ số hiệu ích của hệ thống tưới trung bình chỉ đạt từ 0,5- 0,7; tổn thất nước trên hệ thống kênh chiếm tới từ 50% đến 30% tổng lượng nước yêu cầu. Phần lớn lượng nước lãng phí là do quản lý tưới, như tưới vượt mức tưới, tháo nước xuống 1 kênh tiêu, các khu vực đầu kênh thừa nước trong khi khu vực cuối kênh thiếu nước, gây ra chỗ thừa chỗ thiếu, úng, hạn đan xen trong khu tưới. Việc điều phối gặp khó khăn do ở trung tâm không nắm được chính xác tình hình thực tế và yêu cầu tưới của từng vị trí diện tích theo thời gian thực; việc điều hành hệ thống luôn bị động do thời tiết và biến động nguồn nước gây lãng phí nước lớn, chi phí vận hành cao, năng suất, thu hoạch không đồng đều, hiệu quả thường có xu hướng thấp. Vì vậy, vấn đề bức xúc của thực tế đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả nguồn nước nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất nông nghiệp và các ngành kinh tế khác.

Để giải quyết một phần của vấn đề này, trong thời gian qua, ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu xây dựng, phát triển phần mềm quản lý, điều hành hệ thống tưới nhằm giúp các công ty khai thác công trình thủy lợi có thể cấp nước đủ cho cây trồng cho quá trình sinh trưởng, đạt sản lượng cao, giảm chi phí vận hành, tránh lãng phí nước. Tuy nhiên, các phần mềm đã được nghiên cứu còn một số hạn chế làm ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng trong thực tế, nên người dùng rất ít khi sử dụng, việc điều hành hệ thống tưới chủ yếu vẫn theo quy trình cũ. Những tồn tại chính của việc ứng dụng công nghệ thông tin nói chung và phần mềm nói riêng trong quản lý điều hành hệ thống tưới hiện nay là: - Các phần mềm chỉ giải quyết được các vấn đề riêng lẻ, chưa tích hợp để giải quyết tổng hợp các vấn đề trong công tác quản lý điều hành hệ thống tưới. - Chưa ứng dụng các thiết bị tự động hóa và phần mềm để có thể điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực.

- Chưa chạy trên môi trường mạng và chưa được xây dựng dựa trên công nghệ GIS, nên không thuận tiện cho người dùng. - Giao diện, quy trình còn chưa phù hợp với trình độ tin học của đơn vị quản lý. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển một công cụ phục vụ quản lý, điều hành hệ thống tưới đáp ứng được các yêu cầu người sử dụng là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ để xây dựng được một công 2 cụ phục vụ quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ tưới, giảm chi phí quản lý vận hành hệ thống tưới.

Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Công tác quản lý, điều hành hệ thống tưới. b) Phạm vi nghiên cứu - Hệ thống tưới kênh hở với công trình đầu mối là trạm bơm. - Mạng lưới kênh là mạng hở, không phải mạng kín. - Hệ thống chỉ đề cập đến vấn đề điều hành tưới để cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, không đề cập đến việc cấp nước phục vụ các mục tiêu khác (công nghiệp, đô thị, sinh hoạt,.), không đề cập đến vấn đề điều hành tiêu nước khi mưa nhiều dẫn đến thừa nước.

c) Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề ra, tác giả đã thực hiện nội dung nghiên cứu như sau: - Cơ sở khoa học để đề xuất cấu trúc hệ thống quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực (hệ thống VNIMS): + Đề xuất sơ đồ cấu trúc và các thành phần của hệ thống VNIMS; + Đề xuất các nguyên lý hoạt động của các thành phần trong hệ thống VNIMS. - Xây dựng hệ thống VNIMS với nội dung nghiên cứu chính như sau: + Xây dựng cơ sở dữ liệu máy chủ. + Xây dựng phần mềm IMS: * Cơ sở lý thuyết để tính toán nhu cầu cấp nước của các cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ gieo trồng thực tế và theo thời kỳ sinh trưởng của cây trồng cho từng ô thửa của các cống lấy nước. * Cơ sở lý thuyết để tính toán lập kế hoạch tưới.

3 * Cơ sở lý thuyết để tích hợp phần mềm MIKE 11 vào hệ thống VNIMS để tự động tính toán xác định đường mực nước trên hệ thống kênh theo phương pháp dòng chảy không ổn định trên kênh hở. * Cơ sở lý thuyết để tính toán hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực, bao gồm các nội dung chính: o Giải pháp công nghệ để xây dựng chức năng xác định diện tích gieo trồng (diện tích đổ ải, diện tích làm đất, diện tích gieo cấy) từng ngày của các cống lấy nước trên nền bản đồ WebGIS trên các thiết bị di động (điện thoại smart phone, máy tính bảng,.) phục vụ cho việc tính toán nhu cầu tưới của các cống lấy nước; o Giải pháp công nghệ để xây dựng “Dịch vụ tự động tính toán”, bao gồm: tự động tính toán nhu cầu tưới của các cống lấy nước, yêu cầu cấp nước tại các điểm phân phối nước trên hệ thống, đường mực nước trên hệ thống kênh khi hệ thống VNIMS nhận được số liệu mới nhất ngoài hiện trường hoặc nhận được các điều chỉnh dữ liệu đầu vào của người dùng. + Các giải pháp công nghệ để giám sát, điều khiển các thiết bị kiểm soát lượng nước phân phối từ xa trên hệ thống tưới ngoài hiện trường, bao gồm: * Giải pháp công nghệ để kết nối giữa các trạm thiết bị ngoài hiện trường với cơ sở dữ liệu máy chủ. * Giải pháp công nghệ để kết nối giữa người dùng và các trạm thiết bị ngoài hiện trường giúp người dùng có thể ra lệnh điều khiển vận hành hệ thống tưới từ xa thông qua các máy tính PC, thiết bị di động có kết nối Internet.

- Áp dụng thử nghiệm hệ thống VNIMS cho hệ thống tưới Ấp Bắc – Nam Hồng để kiểm nghiệm hệ thống. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a)Ý nghĩa khoa học Luận án đã xây dựng được công thức tổng quát và các sơ đồ thuật toán để tính toán nhu cầu tưới theo tiến độ gieo trồng thực tế và theo thời kỳ sinh trưởng 4 của từng cây trồng của từng ô thửa cho các cống lấy nước phục vụ cho việc tính toán xác định nhu cầu dùng nước của các cống lấy nước chính xác hơn. Luận án đã xây dựng được cơ sở khoa học cho việc thiết lập bài toán và xây dựng được hệ thống VNIMS. Hệ thống bao gồm: các trạm thiết bị ngoài hiện trường (các trạm thiết bị kiểm soát từ xa lượng nước phân phối trên hệ thống kênh tưới; trạm đo khí tượng; đo mưa tự động; trạm giám sát điều khiển trạm bơm đầu mối); phần mềm IMS; trung tâm dữ liệu máy chủ.

Hệ thống đã giải quyết được các vấn đề tổng thể trong công tác quản lý, điều hành hệ thống tưới, bao gồm: Quản lý hệ thống công trình, diện tích tưới dựa trên công nghệ WebGIS, tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới, hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực, điều khiển vận hành hệ thống tưới từ xa. b) Ý nghĩa thực tiễn Người dùng có thể tương tác với hệ thống VNIMS trên giao diện WebGIS, giúp người dùng thuận tiện trong quá trình sử dụng. Hệ thống này sẽ làm thay đổi phương thức điều hành hệ thống tưới. Người dùng ở bất cứ nơi nào cũng có thể sử dụng điện thoại smartphone, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay (có kết nối Internet) truy cập vào hệ thống thông qua các trình duyệt web theo địa chỉ http://vnims.vn để quản lý và điều hành hệ thống tưới.

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng ngay vào thực tế cho các dự án có đầu tư hạng mục xây dựng hệ thống SCADA do Bộ NN&PTNT đang triển khai như: dự án WB7, dự án ADB6, dự án JAICA 2 nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư công trình. Những đóng góp mới của luận án - Đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đề xuất thiết lập được mô hình cấu trúc thành phần, nguyên lý làm việc của hệ thống tích hợp các phần mềm (VNIMS) để quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực một cách hiệu quả.