Tổng quan nghiên cứu

Huyện Cù Lao Dung, tỉnh Sóc Trăng, với diện tích tự nhiên khoảng 261,43 km² và dân số gần 64.500 người, đang đối mặt với nhu cầu cấp bách về nước sạch sinh hoạt cho người dân nông thôn. Tỷ lệ hộ nghèo tại đây đạt khoảng 14,66%, mật độ dân số trung bình 258 người/km², thấp hơn mật độ toàn tỉnh (395 người/km²). Hiện tại, hệ thống cấp nước tập trung do Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng quản lý vận hành, phục vụ khoảng 2.676 hộ dân, tương đương tỷ lệ sử dụng nước sạch khoảng 51%. Tuy nhiên, mạng lưới cấp nước hiện tại còn nhiều hạn chế như hồ sơ thiết kế, bản vẽ tuyến ống bị thất lạc, dữ liệu quản lý rời rạc, gây khó khăn trong công tác quản lý và mở rộng mạng lưới.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất giải pháp mở rộng mạng lưới cấp nước huyện Cù Lao Dung, đồng thời ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) kết hợp mô hình thủy lực để quản lý hiệu quả mạng lưới đường ống truyền dẫn nước sạch. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mạng lưới cấp nước do Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng quản lý trên địa bàn huyện Cù Lao Dung, với thời gian nghiên cứu giai đoạn 2016-2019. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tỷ lệ người dân nông thôn được sử dụng nước sạch đạt chuẩn quốc gia, góp phần thực hiện tiêu chí 17.1 về môi trường trong xây dựng nông thôn mới, đồng thời nâng cao năng lực quản lý và vận hành hệ thống cấp nước, đảm bảo nguồn nước sạch bền vững cho người dân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: hệ thống thông tin địa lý (GIS) và mô hình thủy lực trong quản lý mạng lưới cấp nước.

  • Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Được định nghĩa là hệ thống dựa trên máy tính hỗ trợ thu thập, lưu trữ, quản lý, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian. GIS cho phép quản lý dữ liệu không gian và thuộc tính, hỗ trợ phân tích không gian và mô hình hóa, từ đó giúp ra quyết định hiệu quả trong quy hoạch và quản lý mạng lưới cấp nước.

  • Mô hình thủy lực: Là mô hình toán học mô phỏng quy luật vận hành của hệ thống thủy lực, tính toán lưu lượng, áp lực, vận tốc dòng chảy và tổn thất áp lực trên mạng lưới đường ống. Các phần mềm mô phỏng thủy lực phổ biến như EPANET và WaterGEMS được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa mạng lưới cấp nước.

Các khái niệm chính bao gồm: mạng truyền dẫn nước sạch, mạng phân phối nước sạch, các thành phần hệ thống thủy lực (đường ống, bơm, van, bể chứa), và các công thức tính toán thủy lực như Hazen-Williams, Darcy-Weisbach.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực tế từ Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng, bao gồm bản vẽ tuyến ống, hồ sơ thiết kế, số liệu vận hành, khảo sát hiện trạng mạng lưới cấp nước tại huyện Cù Lao Dung.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng GIS để số hóa, chuẩn hóa và xây dựng cơ sở dữ liệu mạng lưới cấp nước. Áp dụng phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGEMS để mô phỏng lưu lượng, áp lực, vận tốc và tổn thất trên mạng lưới hiện tại và các phương án mở rộng.

  • Chọn mẫu: Mạng lưới cấp nước tại 3 trạm cấp nước chính của huyện Cù Lao Dung với tổng chiều dài tuyến ống khoảng 16,485 km, phục vụ 2.676 hộ dân, được chọn làm mẫu nghiên cứu điển hình.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2019, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình GIS, mô phỏng thủy lực, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

  • Phương pháp tổng hợp: Kết hợp phân tích định lượng từ mô hình thủy lực với đánh giá định tính về hiện trạng quản lý, vận hành mạng lưới, so sánh với kinh nghiệm quốc tế và trong nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng mạng lưới cấp nước: Mạng lưới cấp nước huyện Cù Lao Dung gồm 3 trạm cấp nước với tổng chiều dài tuyến ống khoảng 16,485 km, phục vụ 2.676 hộ dân. Tỷ lệ người dân sử dụng nước sạch đạt khoảng 51%. Tuy nhiên, dữ liệu quản lý mạng lưới còn phân tán, chủ yếu lưu trữ trên bản vẽ AutoCAD và Excel, thiếu cập nhật thường xuyên, gây khó khăn trong quản lý.

  2. Mô phỏng thủy lực trên phần mềm WaterGEMS: Kết quả mô phỏng cho thấy áp lực nước tại nhiều vị trí trong mạng lưới hiện tại chưa đồng đều, có những điểm áp lực yếu vào các thời điểm 7h và 12h, ảnh hưởng đến chất lượng cấp nước. Lưu lượng và vận tốc dòng chảy cũng chưa tối ưu, gây tổn thất áp lực cục bộ và tăng chi phí vận hành.

  3. So sánh phần mềm mô phỏng: WaterGEMS được đánh giá vượt trội hơn EPANET về khả năng tích hợp GIS, mô phỏng đa kịch bản, hiệu chỉnh mô hình tự động và giao diện người dùng thân thiện. WaterGEMS hỗ trợ mô phỏng lưu lượng chữa cháy, phân tích kịch bản và kết nối dữ liệu SCADA, phù hợp với yêu cầu quản lý mạng lưới cấp nước huyện Cù Lao Dung.

  4. Đề xuất giải pháp mở rộng mạng lưới: Hai phương án mở rộng mạng lưới được mô phỏng trên WaterGEMS cho thấy khả năng cải thiện áp lực và lưu lượng nước, đáp ứng nhu cầu tăng trưởng sử dụng nước trong tương lai. Phương án 2 với mở rộng tuyến ống chính và bổ sung trạm bơm phụ trợ cho hiệu quả thủy lực tốt hơn, giảm tổn thất áp lực khoảng 15% so với hiện trạng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân áp lực yếu và tổn thất áp lực trong mạng lưới hiện tại chủ yếu do thiết kế tuyến ống chưa đồng bộ, đường kính ống không phù hợp và thiếu các trạm bơm tăng áp. Việc quản lý dữ liệu rời rạc, không cập nhật thường xuyên làm giảm hiệu quả vận hành và khó khăn trong việc phát hiện sự cố.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc ứng dụng GIS kết hợp mô hình thủy lực như WaterGEMS đã được chứng minh là giải pháp hiệu quả trong quản lý mạng lưới cấp nước, giúp tối ưu hóa thiết kế, vận hành và giảm thất thoát nước. Kinh nghiệm từ Singapore và Phần Lan cho thấy việc tích hợp công nghệ thông tin trong quản lý nước góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước và giảm chi phí vận hành.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ áp lực theo thời gian, bản đồ phân bố áp lực và lưu lượng trên mạng lưới, bảng so sánh tổn thất áp lực giữa các phương án, giúp trực quan hóa hiệu quả các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống quản lý dữ liệu mạng lưới cấp nước tích hợp GIS: Triển khai phần mềm quản lý dữ liệu mạng lưới cấp nước dựa trên GIS để số hóa, chuẩn hóa và cập nhật thường xuyên dữ liệu tuyến ống, trạm bơm, van và các thiết bị liên quan. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng. Thời gian: 1-2 năm.

  2. Ứng dụng mô hình thủy lực WaterGEMS trong quản lý và vận hành: Sử dụng WaterGEMS để mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa mạng lưới cấp nước hiện tại và các phương án mở rộng, giúp kiểm soát áp lực, lưu lượng và phát hiện rò rỉ hiệu quả. Chủ thể thực hiện: Trung tâm kỹ thuật và quản lý cấp nước. Thời gian: 6-12 tháng.

  3. Mở rộng mạng lưới cấp nước theo phương án tối ưu: Triển khai phương án mở rộng mạng lưới với bổ sung tuyến ống chính và trạm bơm tăng áp nhằm nâng cao áp lực và lưu lượng nước, đáp ứng nhu cầu sử dụng tăng trong tương lai. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Trung tâm Nước sạch. Thời gian: 3-5 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cán bộ quản lý: Tổ chức các khóa đào tạo về GIS, mô hình thủy lực và quản lý mạng lưới cấp nước cho cán bộ kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Thủy lợi phối hợp Trung tâm Nước sạch. Thời gian: liên tục hàng năm.

  5. Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo rò rỉ: Kết nối mô hình thủy lực với hệ thống SCADA để giám sát áp lực, lưu lượng theo thời gian thực, phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố rò rỉ, giảm thất thoát nước. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Nước sạch và các đơn vị liên quan. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các đơn vị quản lý cấp nước nông thôn: Như Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn các tỉnh, để áp dụng mô hình quản lý tích hợp GIS và mô hình thủy lực, nâng cao hiệu quả vận hành và mở rộng mạng lưới.

  2. Các nhà quy hoạch và thiết kế hạ tầng cấp nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để tham khảo phương pháp mô phỏng thủy lực và ứng dụng GIS trong thiết kế mạng lưới cấp nước phù hợp với điều kiện địa phương.

  3. Các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và môi trường: Tham khảo giải pháp quản lý tổng hợp tài nguyên nước, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước sạch, góp phần thực hiện các tiêu chí nông thôn mới.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật cơ sở hạ tầng, cấp thoát nước: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng công nghệ GIS và mô hình thủy lực trong quản lý mạng lưới cấp nước, đồng thời cung cấp kinh nghiệm thực tiễn tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần ứng dụng GIS trong quản lý mạng lưới cấp nước?
    GIS giúp số hóa, lưu trữ và quản lý dữ liệu không gian mạng lưới cấp nước một cách chính xác và đồng bộ, hỗ trợ phân tích không gian, cập nhật nhanh dữ liệu và ra quyết định hiệu quả trong quy hoạch và vận hành.

  2. Mô hình thủy lực WaterGEMS có ưu điểm gì so với EPANET?
    WaterGEMS tích hợp GIS tốt hơn, hỗ trợ mô phỏng đa kịch bản, hiệu chỉnh mô hình tự động, mô phỏng lưu lượng chữa cháy và kết nối SCADA, giúp quản lý mạng lưới phức tạp hiệu quả hơn.

  3. Làm thế nào để giảm thất thoát nước trong mạng lưới cấp nước?
    Áp dụng công nghệ giám sát áp lực, phát hiện rò rỉ qua mô hình thủy lực, cải tạo đường ống cũ, sử dụng vật liệu chất lượng cao, phân vùng mạng lưới và nâng cao ý thức tiết kiệm nước của người dân.

  4. Phương án mở rộng mạng lưới cấp nước nào phù hợp cho huyện Cù Lao Dung?
    Phương án mở rộng tuyến ống chính kết hợp bổ sung trạm bơm tăng áp được mô phỏng trên WaterGEMS cho hiệu quả thủy lực tốt nhất, đáp ứng nhu cầu tăng trưởng sử dụng nước trong tương lai.

  5. Làm sao để nâng cao năng lực quản lý mạng lưới cấp nước?
    Tổ chức đào tạo chuyên sâu về GIS, mô hình thủy lực, vận hành mạng lưới; áp dụng phần mềm quản lý hiện đại; xây dựng quy trình vận hành chuẩn và hệ thống giám sát tự động.

Kết luận

  • Đề tài đã đánh giá hiện trạng mạng lưới cấp nước huyện Cù Lao Dung với tỷ lệ sử dụng nước sạch khoảng 51%, đồng thời xác định các hạn chế trong quản lý và vận hành.
  • Ứng dụng GIS kết hợp mô hình thủy lực WaterGEMS giúp mô phỏng chính xác lưu lượng, áp lực và tổn thất trên mạng lưới, từ đó đề xuất các phương án mở rộng hiệu quả.
  • Hai phương án mở rộng mạng lưới được mô phỏng, trong đó phương án bổ sung trạm bơm tăng áp và mở rộng tuyến ống chính cho kết quả thủy lực tốt hơn, giảm tổn thất áp lực khoảng 15%.
  • Giải pháp quản lý tích hợp GIS và mô hình thủy lực được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thất thoát nước và đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch ngày càng tăng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống quản lý dữ liệu GIS, áp dụng mô hình thủy lực trong vận hành thực tế, đào tạo cán bộ và thực hiện mở rộng mạng lưới theo phương án tối ưu.

Kêu gọi hành động: Các đơn vị quản lý cấp nước và cơ quan liên quan cần phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ GIS và mô hình thủy lực để nâng cao hiệu quả quản lý, đảm bảo cung cấp nước sạch bền vững cho người dân huyện Cù Lao Dung và các vùng lân cận.