Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kinh tế với đề tài "Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý cho hệ thống cung cấp nước sạch dựa trên hệ thống thông tin địa lý - thử nghiệm tại Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội" do nghiên cứu sinh Chu Thị Hồng Hải thực hiện tại Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Kinh tế Quốc dân Hà Nội năm 2016, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Văn Vỵ và TS. Trần Thị Thu Hà. Luận án thuộc lĩnh vực Hệ thống thông tin quản lý ứng dụng trong ngành cấp nước đô thị.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, tác giả chỉ ra rằng cung cấp nước sạch là bộ phận hạ tầng kỹ thuật đô thị quan trọng nhưng đòi hỏi kinh phí đầu tư, duy tu và nâng cấp rất lớn. Tại Việt Nam, quá trình đô thị hóa nhanh và gia tăng dân số tạo áp lực nặng nề lên hạ tầng cấp nước. Dù mạng lưới cấp nước đô thị đã hình thành từ thời Pháp thuộc, sau hơn 40 năm thống nhất, năng lực cung cấp vẫn ở mức thấp: năm 2014, tỷ lệ bao phủ dịch vụ cấp nước đô thị mới đạt 80% (nông thôn đạt 42%), mức tiêu dùng bình quân đầu người chỉ đạt 116 lít/người/ngày (bằng khoảng 20% mức của các nước phát triển). Trong khi đó, tỷ lệ thất thoát nước sạch toàn ngành năm 2014 lên tới 25,25% và suy giảm rất chậm (bình quân chỉ giảm 1%/năm trong giai đoạn 2007-2014). Tình trạng vỡ ống trung bình ở mức 1,76 lần/km/năm. Các nguồn nước ngầm tại nhiều đô thị lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Hòn Gai, Cà Mau đối mặt với nguy cơ cạn kiệt, ô nhiễm và xâm nhập mặn.

Văn bản xác định ba nguyên nhân cốt lõi thuộc về công tác quản lý:

  1. Phương pháp quản lý mạng đường ống chưa tốt, thiếu khả năng phát hiện kịp thời sự cố rò rỉ dẫn đến thất thoát nước cao.
  2. Chưa có phương pháp duy tu, bảo trì, thay thế hiệu quả cho mạng đường ống cũ và chưa tối ưu hóa việc thiết kế mở rộng mạng lưới mới.
  3. Thiếu công cụ và giải pháp cảnh báo sớm nguy cơ ô nhiễm nguồn nước lưu thông trong mạng lưới.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Các giải pháp quản lý kỹ thuật tại các công ty cung cấp nước sạch Việt Nam phần lớn vẫn thực hiện thủ công, dùng bản đồ giấy, thiếu tích hợp dữ liệu không gian. Các phần mềm GIS nhập ngoại (như gói phần mềm của hãng Esri) gặp rào cản về ngôn ngữ, giá thành cao, cấu trúc dữ liệu không tương thích với chuẩn Việt Nam và thiếu khả năng tùy biến thuật toán. Ngược lại, các phần mềm tự phát triển trong nước còn đơn giản, thiếu thiết kế tổng thể và chưa giải quyết được các bài toán tối ưu hóa phức tạp.

Mục tiêu tổng quát của luận án là xây dựng giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống cung cấp nước sạch (HTCCNS) với sự trợ giúp của Hệ thống thông tin địa lý (GIS). Các mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Nghiên cứu một cách có hệ thống nhu cầu cấp thiết tiến hành đổi mới quản lý các công ty cung cấp nước sạch (CTCCNS) Việt Nam trong bối cảnh nguồn nước ngọt đang bị ô nhiễm và ngày càng cạn kiệt.
  2. Nghiên cứu GIS và việc triển khai hệ thống GIS cho ngành cấp nước và một số ngành khác.
  3. Nghiên cứu quá trình ứng dụng GIS để hỗ trợ công tác quản lý kinh doanh cũng như quản lý kỹ thuật trong HTCCNS Việt Nam.
  4. Đưa ra các bài toán cấp bách cần giải quyết, các vấn đề có thể giải quyết nhờ GIS, mô hình chung phát triển GIS, khung cơ sở dữ liệu (CSDL) GIS cho ngành cấp nước nhằm nâng cao hiệu quả quản lý HTCCNS.
  5. Xây dựng và thử nghiệm một số mô đun chức năng của hệ thống như: Thiết kế, thay thế mở rộng mạng lưới tối ưu và quản lý chất lượng nước với các dữ liệu của Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội.

Câu hỏi quản lý của luận án: Các công ty cung cấp nước sạch Việt Nam cần phải ứng dụng công nghệ GIS như thế nào để giải quyết một cách triệt để và đạt hiệu quả cao các hoạt động quản lý của mình: tiêu biểu là các hoạt động quản lý tài sản mạng lưới, hoạt động thiết kế thay thế - mở rộng mạng lưới và cảnh báo ô nhiễm?

Bốn câu hỏi nghiên cứu cụ thể:

  1. Ứng dụng GIS vào hoạt động quản lý tại các công ty cung cấp nước sạch Việt Nam có thể giải quyết được những vấn đề gì?
  2. Phương pháp luận chung để giải quyết những bài toán quản lý trong HTCCNS Việt Nam dựa trên GIS cần được tiến hành như thế nào?
  3. Khung CSDL GIS cho hoạt động quản lý HTCCNS Việt Nam với các bài toán đề xuất gồm những thành phần dữ liệu nào và cấu trúc ra sao?
  4. Mô hình hóa bài toán thiết kế thay thế - mở rộng mạng lưới và bài toán kiểm soát cảnh báo ô nhiễm trong HTCCNS như thế nào và cách thức giải quyết chúng trên nền tảng của GIS ra sao?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Một số HTCCNS tiêu biểu tại Việt Nam. Theo quan điểm điều khiển học, đối tượng bao gồm thành phần quản lý (các hoạt động quản lý kỹ thuật) và thành phần bị quản lý (mạng đường ống và môi trường tác động).
  • Phạm vi không gian: Khảo sát thực trạng tại 68 đơn vị cấp nước trên toàn quốc; dữ liệu thử nghiệm chuyên sâu được thu thập tại Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu điều tra sơ cấp và thứ cấp thu thập trong giai đoạn từ năm 2007 đến tháng 12/2015.
  • Phạm vi nội dung: Tập trung vào quản lý kỹ thuật mạng lưới cấp nước, xây dựng khung CSDL GIS, mô hình hóa toán học bài toán vạch tuyến tối ưu và cảnh báo ô nhiễm nước.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các hướng nghiên cứu quốc tế và trong nước liên quan đến quản lý cấp nước và ứng dụng công nghệ thông tin:

Về bài toán bảo trì, thay thế và mở rộng mạng lưới đường ống cấp nước:

  • Shamir và Howard (1979) đề xuất mô hình ra quyết định lựa chọn sửa chữa hoặc thay thế ống dựa trên so sánh tỷ lệ vỡ ống và chi phí sửa chữa với chi phí thay mới.
  • Walski và Pelliccia (1982), Walski (1986) đưa ra tiêu chuẩn thay thế dựa trên tỷ lệ vỡ định mức, chỉ số Hazen-Williams C tính toán áp lực ma sát và khung ra quyết định phục hồi mạng ống.
  • O'Day (1982) nhấn mạnh việc bảo dưỡng và thay thế phải dựa trên hồ sơ cập nhật về điều kiện vật chất thực tế của hệ thống. Sullivan đề xuất lập kế hoạch ưu tiên theo hồ sơ áp lực và cấu trúc đường bộ đô thị.
  • Woodburn và cộng sự (1987) kết hợp tối ưu hóa phi tuyến hàm mục tiêu với mô phỏng thủy lực thành ống. Kim (1992) bổ sung điều kiện kiểm tra độ tin cậy thủy lực; Kim và Mays sử dụng biến số nguyên biểu diễn quyết định thay thế hay phục hồi từng đoạn ống.
  • Halhal phát triển thuật toán di truyền cấu trúc trộn giải quyết bài toán đa mục tiêu kết hợp chi phí vốn và lợi ích kinh tế. Baek (2008) sử dụng công cụ ReHS tính toán tối ưu phục hồi hệ thống phân phối.
  • Geem và cộng sự (2001, 2002) áp dụng thuật toán Harmony Search trong thiết kế và phục hồi mạng lưới cấp nước lớn.
  • Antikainen (2013) sử dụng dữ liệu không gian dạng Raster trong GIS và thuật toán A* để tìm đường đi tối ưu cho tuyến ống. Jun, Koo và Koh (2013) nghiên cứu mở rộng mạng cấp nước Seoul dựa trên GIS, sử dụng giải thuật Dijkstra tìm đường đi ngắn nhất kết hợp bản đồ giao thông để phân vùng mạng lưới.

Về ứng dụng GIS trong quản lý vận hành và kiểm soát thất thoát:

  • Hội nghị Hiệp hội Nước quốc tế (1991) ghi nhận báo cáo của Đức, Pháp, Đan Mạch, Italy về việc dùng GIS kiểm soát rò rỉ nước.
  • Walski và cộng sự (2003) xuất bản tài liệu tổng hợp về mô hình quản lý và cung cấp nước.
  • Khadri và Pande (2014), Zhao-Shun Wang và cộng sự (2008) kết hợp GIS, công nghệ viễn thám và kiến trúc Client-Server/Browser-Server trong quản lý mạng lưới.
  • Alaeddinne Eljamassi và cộng sự ứng dụng GIS phân tích dữ liệu phân phối nước tại dải Rafah; Ramachandran đề xuất tích hợp GIS với mạng lưới cảm biến đo đạc tự động.

Về quản lý chất lượng nước nguồn và chất lượng nước trong mạng lưu thông:

  • Quản lý nước mặt và nước ngầm: Jim Foster và cộng sự (2002) xây dựng cây logic dự đoán phân bố không gian ô nhiễm nước mặt; Adrian J. (2002), Asadi và cộng sự (2007) lập bản đồ chất lượng nước ngầm; Kaplan và cộng sự (2005) lập bản đồ phân bố khu vực có nguy cơ ung thư dựa trên chất lượng nước nguồn.
  • Quản lý chất lượng nước trong đường ống: Mohan và cộng sự (2004) lập mô hình suy giảm chất lượng nước dọc mạng lưới truyền dẫn; Peter Zeilhofer và cộng sự nghiên cứu nguy cơ dịch bệnh đường ruột liên quan đến hạ tầng nước; Hossein và cộng sự (2011), Jalal Ghorbani lập bản đồ tương quan giữa mật độ vi khuẩn với độ đục, độ pH, hàm lượng clo dư và nhiệt độ.
  • Về CSDL GIS chuyên ngành nước: Jun và cộng sự (1994, 2013) nghiên cứu cấu trúc thuộc tính đối tượng mạng cấp nước.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu điểm lại gồm:

  • Ứng dụng giải pháp đóng gói của nước ngoài: Nguyễn Việt Hùng giới thiệu mô hình dữ liệu Dan-Vand và GIS của Esri thông qua phần mềm của hãng Vidagis. Hồ Văn Thư và Lưu Đình Hiệp kết hợp GIS và phần mềm thủy lực WaterGems giám sát nồng độ clo dư.
  • Các nghiên cứu nội địa: Trương Chí Quang và cộng sự (2013) phát triển WebGIS quản lý dữ liệu cấp nước Cần Thơ; Kim Tuyến và Tuyết Trinh (2010) xây dựng CSDL GIS quản lý chất lượng nước mặt Cần Thơ; Nguyễn Văn Phú xây dựng CSDL GIS quản lý tài sản cấp nước tại Phường 1, TP. Đà Lạt; Chu Thị Hồng Hải (2014) đề xuất khung CSDL GIS nền tảng phục vụ ngành cấp nước. Thực tế triển khai tại Công ty Cấp nước Đà Nẵng giúp giảm tỷ lệ thất thoát từ 31% (năm 2010) xuống 16,88% (năm 2014).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu tối ưu hóa nước ngoài trước đây chủ yếu giải quyết bài toán trên từng đoạn ống đơn lẻ hoặc dùng thuật toán Dijkstra (vốn chỉ tìm đường đi ngắn nhất giữa hai điểm), chưa đáp ứng bài toán thiết kế cho toàn bộ một cụm mạng lưới hoàn chỉnh. Các mô hình đó cũng chưa tính đến các ràng buộc môi trường và hạ tầng đặc thù tại Việt Nam (ô nhiễm bãi rác, đường giao thông phân cách). Về mặt CSDL, các nghiên cứu trong nước còn rời rạc, chưa có một khung CSDL GIS chuẩn hóa đầy đủ các lớp chuyên đề và dữ liệu nền không gian, đồng thời thiếu các công cụ tự động hóa giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế bảo trì - mở rộng và bài toán cảnh báo ô nhiễm nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích:

  • Luận án xây dựng khung nghiên cứu dựa trên lý thuyết khoa học thiết kế trong nghiên cứu Hệ thống thông tin (Design Science Research) do Hevner và cộng sự đề xuất năm 2004. Khung phân tích kết hợp ba thành phần: Môi trường nghiên cứu (con người, tổ chức cấp nước, hạ tầng công nghệ); Nền tảng tri thức và phương pháp luận (lý thuyết điều khiển học, mô hình hóa toán học, công nghệ GIS); Vấn đề nghiên cứu trung tâm (các bài toán kỹ thuật cấp bách cần giải quyết để tạo ra các tạo phẩm hệ thống thông tin mới).
  • Khái niệm hệ thống cấp nước đô thị được tiếp cận theo định nghĩa kỹ thuật hạ tầng (gồm công trình thu, trạm bơm cấp 1, trạm xử lý, bể chứa, trạm bơm cấp 2, đài nước, mạng truyền dẫn và mạng phân phối). Khái niệm cấp nước an toàn vận dụng theo quy định tại Thông tư 08/2012/TT-BXD.
  • Khung kỹ thuật GIS: Khai thác mô hình dữ liệu không gian dạng Raster và Vector; cấu trúc quản lý Geodatabase và Shapefile; công nghệ quản lý dữ liệu không gian Spatial Database Engine (SDE) kết hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp tiếp cận hệ thống: Xác định cấu trúc tổng thể của HTCCNS và tương tác giữa mạng lưới kỹ thuật với các yếu tố môi trường đô thị.
  • Phương pháp phân tích định tính và định lượng: Điều tra, khảo sát thực tế tại các công ty cấp nước; phỏng vấn chuyên gia; phân tích thống kê số liệu thứ cấp từ 68 đơn vị cấp nước trên toàn quốc thuộc Dự án Phát triển Cấp nước Đô thị Việt Nam (Bộ Xây dựng và Ngân hàng Thế giới), số liệu trên website Ban Quản lý Dự án Phát triển Hạ tầng kỹ thuật - Bộ Xây dựng, và dữ liệu báo cáo 5 năm (2010-2015) của ba đơn vị lớn: Cấp nước Hà Nội, Cấp nước Sài Gòn, Cấp nước Hải Phòng.
  • Phương pháp chuẩn hóa dữ liệu không gian và thuộc tính: Sử dụng phần mềm MapInfo số hóa bản đồ, cập nhật tọa độ mạng lưới thực tế và quy đổi tất cả các lớp bản đồ về hệ quy chiếu thống nhất là lưới chiếu UTM Zone 48 - Northern Hemisphere.
  • Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng các sơ đồ tiến trình, mô hình toán học tối ưu hóa đa ràng buộc cho bài toán vạch tuyến đường ống và cây tiêu chí logic phân cấp nguy cơ ô nhiễm nguồn nước.
  • Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống thông tin: Thiết kế kiến trúc phần cứng, phần mềm, mô hình dữ liệu logic và vật lý cho hệ thống GIS chuyên ngành.

Nguồn tư liệu và dữ liệu:

  • Dữ liệu sơ cấp: Kết quả khảo sát bảng hỏi và phỏng vấn trực tiếp cán bộ kỹ thuật, quản lý mạng lưới tại các CTCCNS.
  • Dữ liệu thứ cấp: Báo cáo kỹ thuật của Hiệp hội Cấp thoát nước Việt Nam (VWSA giai đoạn 2007-2014); Sổ tay cấp nước an toàn; Niên giám thống kê; Quyết định 1929/QĐ-TTg phê duyệt định hướng phát triển cấp nước đô thị và khu công nghiệp Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn 2050; các quy chuẩn chất lượng nước QCVN 01:2009/BYT và QCVN 02:2009/BYT; dữ liệu địa lý và hồ sơ kỹ thuật mạng lưới đường ống khu vực QC_06 do Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Quản lý hệ thống cung cấp nước sạch dựa trên Hệ thống thông tin địa lý

Chương này tổng kết lịch sử phát triển ngành cấp nước từ thời cổ đại đến hiện đại; trình bày các thành phần kỹ thuật của HTCCNS đô thị, khái niệm cấp nước an toàn và vai trò của các bên liên quan (dân cư, doanh nghiệp, Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Y tế).

Chương 1 tập trung phân tích thực trạng hoạt động sản xuất kinh doanh của ngành cấp nước đô thị Việt Nam giai đoạn 2007-2015 qua 16 chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế. Số liệu toàn ngành được tổng hợp trong bảng sau:

STT Tiêu chí đánh giá hoạt động Giá trị ghi nhận trong văn bản Ghi chú / Năm dữ liệu
1 Tỷ lệ bao phủ dịch vụ cấp nước 69% (2007) lên 80% (2014) Tăng 10% trong 7 năm; 20% dân số đô thị chưa có nước máy
2 Mức tiêu dùng nước bình quân 116 - 120 lít/người/ngày Năm 2014 (bằng khoảng 20% mức nước phát triển)
3 Tỷ lệ huy động công suất thiết kế Trung bình toàn ngành ~90% Đô thị loại IV trở lên hoạt động hết công suất
4 Tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch 25,25% (2014), 25% (2015) Sài Gòn 33%, Hà Nội >23%, Ninh Bình 40,63%
5 Cơ cấu nguồn nước khai thác Nước mặt: ~76%; Nước ngầm: ~24% Nguồn ngầm có dấu hiệu cạn kiệt, ô nhiễm, nhiễm mặn
6 Số lần vỡ ống trung bình 2,67 lần/km/năm (2007) xuống 1,76 (2014) Giảm chậm, thiếu tính bền vững
7 Chất lượng nước giếng quan trắc >54% mẫu nhiễm vi sinh, amoniac, sắt, mangan Kiểm tra 320 giếng năm 2014; TP.HCM 30% mẫu không đạt
8 Tỷ lệ nước dùng cho bản thân nhà máy Dao động từ 0,44% đến 14,64% Phù hợp chuẩn quy định TCXDVN 33-2006 (6% - 10%)
9 Tiêu thụ điện năng sản xuất nước 0,36 kWh/m³ Mức trung bình toàn ngành
10 Đơn giá chi phí vận hành bình quân 3.002 đ/m³ Chiếm khoảng 73% giá nước bình quân
11 Giá nước bình quân thực tế 4.080 đ/m³ Bằng 77,8% doanh thu trung bình (năm 2011)
12 Tỷ trọng chi phí điện năng 21,53% tổng chi phí vận hành Chi phí cao trong cơ cấu giá thành
13 Tỷ trọng chi phí nhân công 42,56% tổng chi phí vận hành Cho thấy mức độ vận hành thủ công còn lớn
14 Tỷ trọng chi phí hóa chất 4,89% tổng chi phí vận hành Nước mặt phổ biến từ 5% đến 10%
15 Số nhân viên trên 1.000 đấu nối 10 công ty có tỷ lệ < 4; đa số > 4 Ảnh hưởng đến hiệu quả quản lý tài sản
16 Tốc độ gia tăng công suất và dân số Công suất tăng ~10%/năm; ống tăng 8%/năm Tốc độ tăng dân số đô thị xấp xỉ 30%

Văn bản đối chiếu thực trạng trên với các mục tiêu của Chính phủ theo Quyết định 1929/QĐ-TTg (đến năm 2020: tỷ lệ bao phủ đạt 90% với đô thị loại IV trở lên, thất thoát dưới 18%; đến 2025-2050: bao phủ 100%, thất thoát dưới 15%). Tác giả xác định 7 nhóm nghiệp vụ quản lý chính của một CTCCNS và chỉ ra 4 bài toán cấp bách cần giải quyết bằng công nghệ GIS: Quản lý tài sản mạng lưới; Thiết kế thay thế và mở rộng mạng ống tối ưu; Quản lý rò rỉ và sự cố; Quản lý và cảnh báo ô nhiễm chất lượng nước. Cuối chương, tác giả phân tích các yếu tố công nghệ GIS, cấu trúc dữ liệu không gian và các vấn đề chi phí, dữ liệu khi áp dụng tại Việt Nam.

Chương 2: Thực trạng quản lý kỹ thuật và ứng dụng GIS tại các công ty cung cấp nước sạch Việt Nam

Chương 2 mô tả chi tiết các hoạt động kỹ thuật định kỳ: bảo dưỡng mạng truyền dẫn, mạng phân phối, mạng ống dịch vụ; quy trình xử lý điểm rò rỉ và quy trình xử lý ô nhiễm mạng cấp nước.

Nội dung đánh giá rủi ro kỹ thuật: Tác giả xây dựng ma trận phân tích rủi ro trong HTCCNS Việt Nam, xác định danh mục các rủi ro có cấp độ nguy hại trên 11 (thuộc nhóm nguy cơ cao cần kiểm soát, bao gồm sụt giảm áp lực, xâm nhập chất bẩn từ ngoài vào qua điểm rò rỉ, vỡ ống do tải trọng giao thông và chất lượng vật liệu xuống cấp).

Kết quả điều tra thực trạng ứng dụng GIS: Khảo sát các CTCCNS Việt Nam cho thấy mức độ ứng dụng GIS còn ở giai đoạn ban đầu. Một số ít đơn vị đã áp dụng thành công (như Công ty Cấp nước Đà Nẵng dùng GIS giúp giảm tỷ lệ thất thoát nước từ 31% năm 2010 xuống 16,88% năm 2014; Cần Thơ, Khánh Hòa, Bình Thuận chủ động tự viết phần mềm để quản lý tài sản và rò rỉ). Tuy nhiên, phần lớn các công ty còn lại chưa ứng dụng GIS do các rào cản chính:

  • Chi phí đầu tư phần mềm ngoại và hạ tầng dữ liệu quá cao.
  • Thiếu hụt nhân lực am hiểu đồng thời về công nghệ thông tin, GIS và kỹ thuật cấp nước.
  • Dữ liệu bản đồ giấy chưa được số hóa, thiếu các lớp thông tin không gian chuẩn xác.
  • Nhận thức của ban lãnh đạo một số đơn vị về hiệu quả dài hạn của GIS còn hạn chế.

Từ đó, chương 2 đưa ra các khuyến nghị về nội dung kỹ thuật cần ưu tiên số hóa bằng GIS và các biện pháp vượt qua rào cản triển khai.

Chương 3: Mô hình phát triển GIS và xây dựng khung CSDL GIS cho quản lý HTCCNS ở Việt Nam

Chương này đề xuất giải pháp có tính hệ thống gồm hai phần chính:

Mô hình phát triển hệ thống GIS: Luận án đề xuất quy trình triển khai tổng quát gồm 6 bước:

  1. Khảo sát hiện trạng hệ thống và nhu cầu quản lý.
  2. Mô tả nội dung bài toán quản lý kỹ thuật cần giải quyết.
  3. Xây dựng CSDL GIS tương ứng (dữ liệu nền và dữ liệu chuyên đề).
  4. Phân tích thiết kế và cài đặt ứng dụng.
  5. Thiết lập các thông số và ràng buộc cụ thể cho bài toán.
  6. Thực thi ứng dụng và kết xuất kết quả trợ giúp ra quyết định.

Thiết kế kiến trúc hệ thống và khung CSDL GIS:

  • Kiến trúc phần cứng: Thiết kế theo mô hình Client-Server kết hợp mạng LAN nội bộ, kết nối mạng diện rộng WAN/Internet và thiết bị di động hỗ trợ số hóa ngoài thực địa (PDA).
  • Kiến trúc phần mềm: Sử dụng hệ quản trị CSDL quan hệ (DBMS), phần mềm quản lý dữ liệu không gian Spatial Database Engine (SDE) và các công cụ phân tích không gian.
  • Thiết kế khung CSDL GIS: Luận án phân định chi tiết hai nhóm dữ liệu thống nhất trên phép chiếu bản đồ UTM Zone 48 - Northern Hemisphere:
    1. Nhóm dữ liệu chuyên đề: Gồm các lớp hạ tầng cấp nước (mạng ống truyền dẫn, mạng phân phối, đường ống dịch vụ, van đóng mở, đồng hồ đo lưu lượng, trạm bơm cấp 1, trạm bơm cấp 2, đài nước, bể chứa, nhà máy xử lý); lớp hạ tầng thoát nước; lớp khách hàng tiêu thụ nước.
    2. Nhóm dữ liệu nền: Gồm lớp ranh giới hành chính (phường/xã, quận/huyện); lớp mạng lưới giao thông (tim đường, mép đường, vỉa hè); lớp địa hình và hiện trạng sử dụng đất (cao độ, vị trí bãi rác, khu công nghiệp, nghĩa trang, bệnh viện, nguồn nước mặt).

Cấu trúc logic và từ điển thuộc tính của các lớp đối tượng được chuẩn hóa chi tiết nhằm tạo nền tảng chạy các mô hình tính toán tối ưu.

Chương 4: Ứng dụng GIS cho bài toán thiết kế bảo trì - mở rộng mạng lưới tối ưu và cảnh báo ô nhiễm nước trong hệ thống cung cấp nước sạch

Chương 4 hiện thực hóa các đề xuất bằng việc mô hình hóa toán học và cài đặt thử nghiệm hai bài toán kỹ thuật trọng tâm:

  1. Bài toán thiết kế thay thế và mở rộng mạng lưới cấp nước tối ưu:
  • Mô hình hóa toán học: Hàm mục tiêu là cực tiểu hóa tổng chi phí đầu tư xây dựng mới, thay thế đường ống và chi phí vận hành. Các ràng buộc kỹ thuật gồm: bảo đảm lưu lượng và áp lực nước tại mọi nút tiêu thụ; vận tốc dòng chảy nằm trong giới hạn cho phép; tuyến ống phải đi theo mạng lưới đường giao thông hiện hữu; giữ khoảng cách an toàn với các công trình ngầm và nguồn ô nhiễm. Chi phí đường ống được tính toán dựa trên bảng khái toán giá 1m ống theo từng loại đường kính và vật liệu.
  • Thuật toán và công cụ: Xây dựng bộ công cụ phần mềm tích hợp phân tích không gian GIS. Khác với thuật toán Dijkstra truyền thống chỉ tối ưu từng đoạn ống, công cụ của luận án giải bài toán vạch tuyến cho cả cụm mạng lưới.
  • Kết quả thử nghiệm: Cài đặt thử nghiệm trên dữ liệu mạng lưới cấp nước khu vực QC_06 thuộc Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội. Công cụ đã tự động: thiết lập ranh giới mạng theo lớp giao thông; nhận diện các tuyến ống vi phạm tiêu chí khoảng cách an toàn với bãi rác; vạch ra phương án tuyến ống tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật và xuất bảng khái toán kinh phí.
  1. Bài toán ứng dụng GIS cảnh báo ô nhiễm nước trong HTCCNS:
  • Xây dựng giải pháp: Thiết lập cây tiêu chí cảnh báo nguy cơ ô nhiễm dựa trên các nguồn thải xung quanh tuyến ống. Nguồn gây ô nhiễm được trích xuất từ lớp "Địa hình và Sử dụng đất" (bãi rác chôn lấp, khu công nghiệp, khu dân cư xả thải) và lớp "Hạ tầng thoát nước".
  • Cài đặt công cụ: Xây dựng công cụ phần mềm "Quản lý nguồn gây ô nhiễm".
  • Kết quả thử nghiệm: Thử nghiệm tại địa bàn Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội. Hệ thống tự động phân tích vùng đệm ảnh hưởng không gian (buffer analysis), xác định các đoạn ống cấp nước nằm trong vùng nguy hiểm có nguy cơ bị chất bẩn xâm nhập khi xảy ra sụt giảm áp lực hoặc vỡ đường ống, hiển thị cảnh báo trực quan trên bản đồ để cán bộ quản lý kịp thời có biện pháp phòng ngừa.

Kết quả và những đóng góp mới

Về mặt lý luận và phương pháp:

  • Luận án vận dụng lý thuyết khoa học thiết kế trong nghiên cứu Hệ thống thông tin của Hevner (2004) để giải quyết các vấn đề kỹ thuật hạ tầng cấp nước đô thị tại Việt Nam.
  • Đề xuất mô hình tổng quát gồm 6 bước phát triển GIS chuyên ngành nước, lấy việc xây dựng và chuẩn hóa CSDL GIS làm trung tâm.
  • Xây dựng hoàn chỉnh khung CSDL GIS tích hợp đa lớp (dữ liệu chuyên đề hạ tầng cấp thoát nước và dữ liệu nền hành chính, giao thông, sử dụng đất), chuẩn hóa trên lưới chiếu UTM Zone 48N.
  • Đóng góp mô hình toán học và giải thuật vạch tuyến mạng lưới cấp nước tối ưu đa ràng buộc (kết hợp yếu tố giao thông và khoảng cách an toàn môi trường) áp dụng cho cụm mạng lưới, khắc phục hạn chế của các thuật toán tìm đường đi đơn lẻ trước đây.
  • Xây dựng phương pháp đánh giá rủi ro chất lượng nước dựa trên cây tiêu chí logic và phân tích không gian vùng đệm GIS.

Về mặt thực tiễn:

  • Khảo sát, phân tích toàn diện thực trạng kinh tế - kỹ thuật của 68 đơn vị cấp nước trên toàn quốc giai đoạn 2007-2015, cung cấp bộ số liệu thực chứng chi tiết về tỷ lệ thất thoát nước, chi phí vận hành, tỷ lệ vỡ ống và hiện trạng ứng dụng công nghệ thông tin.
  • Xác định rõ danh mục các rủi ro kỹ thuật có cấp độ nguy hại trên 11 và đề xuất 4 bài toán cấp bách cần giải quyết.
  • Xây dựng thành công hai bộ công cụ phần mềm tự động hóa trên nền GIS và thử nghiệm hiệu quả với dữ liệu thực tế tại Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội (mạng lưới QC_06 và công cụ "Quản lý nguồn gây ô nhiễm").
  • Đề xuất lộ trình và giải pháp kỹ thuật giúp các CTCCNS Việt Nam chủ động xây dựng GIS nội địa hóa, giảm phụ thuộc vào các gói phần mềm nhập ngoại đắt đỏ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Các CTCCNS cần ưu tiên công tác số hóa, chuẩn hóa dữ liệu bản đồ mạng lưới đường ống theo quy chuẩn quốc gia trước khi mua sắm các phần mềm ứng dụng.
  • Triển khai GIS theo từng phân hệ chức năng cụ thể, bắt đầu từ quản lý tài sản, sau đó tích hợp các mô đun tối ưu hóa thiết kế và cảnh báo ô nhiễm.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Xây dựng, Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường) cần ban hành bộ chuẩn dữ liệu không gian thống nhất cho hạ tầng ngầm đô thị nhằm tạo điều kiện chia sẻ dữ liệu liên ngành giữa cấp nước, thoát nước và giao thông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế:

  • Phạm vi thử nghiệm thực tế của các công cụ phần mềm mới dừng lại ở một công ty (Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội) và trên một khu vực mạng lưới đại diện (cụm mạng QC_06), chưa được kiểm nghiệm đồng thời trên nhiều vùng địa hình khác nhau.
  • Hệ thống chưa được tích hợp kết nối trực tiếp theo thời gian thực với hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu (SCADA) và mạng lưới cảm biến đo đạc chất lượng nước tự động do chi phí đầu tư thiết bị quan trắc tại Việt Nam còn quá đắt.
  • Luận án mới giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật (thiết kế tối ưu và cảnh báo ô nhiễm); hai bài toán còn lại trong nhóm cấp bách (quản lý rò rỉ chủ động và quản lý tài sản đa tiêu chí) mới dừng ở mức mô hình hóa quy trình và thiết kế cấu trúc CSDL.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thử nghiệm mô hình phát triển GIS và khung CSDL tại các đô thị có điều kiện thủy văn, địa hình phức tạp hơn (vùng đồi núi, ven biển nhiễm mặn).
  • Nghiên cứu cơ chế tích hợp công nghệ viễn thám và thiết bị cảm biến không dây nhằm cập nhật tự động các thông số áp lực, lưu lượng và nồng độ clo dư theo thời gian thực vào CSDL GIS.
  • Hoàn thiện thuật toán và lập trình các mô đun tự động hóa phát hiện rò rỉ ngầm và thuật toán điều tiết áp lực mạng lưới.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên các ngành Hệ thống thông tin quản lý, Tin học kinh tế, Kỹ thuật hạ tầng đô thị, Quản lý môi trường đô thị: Bản mẫu tham khảo về phương pháp luận khoa học thiết kế (Hevner 2004), quy trình số hóa bản đồ không gian và kỹ thuật mô hình hóa bài toán tối ưu hạ tầng.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Nguồn tài liệu học thuật tổng hợp về các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật thực tế của 68 đơn vị cấp nước Việt Nam trong chuỗi thời gian 2007-2015; các phương pháp giải bài toán vạch tuyến đường ống trong lịch sử nghiên cứu quốc tế.
  • Lãnh đạo và cán bộ kỹ thuật tại các Công ty Cung cấp nước sạch (CTCCNS): Khung CSDL GIS và quy trình 6 bước triển khai là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật trực tiếp để xây dựng hệ thống GIS nội bộ, giúp tối ưu hóa chi phí thay thế mạng ống và kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm.
  • Cơ quan hoạch định chính sách (Bộ Xây dựng, Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường): Cung cấp luận cứ thực tiễn để xây dựng quy chuẩn CSDL hạ tầng cấp nước đô thị và triển khai Chương trình quốc gia chống thất thoát, thất thu nước sạch đến năm 2025.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tỷ lệ thất thoát nước sạch và thực trạng bao phủ dịch vụ cấp nước tại Việt Nam thời điểm nghiên cứu được ghi nhận như thế nào? Theo số liệu toàn ngành giai đoạn 2007-2014 được luận án tổng hợp, tỷ lệ bao phủ dịch vụ cấp nước đô thị năm 2014 đạt 80% (tăng 10% trong 7 năm, còn 20% dân số đô thị chưa có nước máy), mức tiêu dùng bình quân đạt 116 lít/người/ngày. Tỷ lệ thất thoát nước sạch toàn ngành năm 2014 là 25,25% (năm 2015 là 25%), trong đó một số đơn vị có tỷ lệ rất cao như Cấp nước Sài Gòn (33%), Cấp nước Hà Nội (>23%), Ninh Bình (40,63%). Tốc độ giảm thất thoát bình quân chỉ đạt gần 1%/năm.

  2. Tại sao việc ứng dụng các bộ phần mềm GIS đóng gói của nước ngoài gặp khó khăn tại Việt Nam? Văn bản nêu rõ các nguyên nhân: Rào cản ngôn ngữ tiếng Anh; nhiều đối tượng và thuộc tính trong phần mềm ngoại không có trong thực tế HTCCNS Việt Nam dẫn đến thiếu dữ liệu đầu vào; một số đối tượng đặc thù tại Việt Nam khó định dạng và thiết lập ràng buộc trong phần mềm ngoại; khác biệt về quy chuẩn kỹ thuật; chi phí bản quyền và triển khai rất cao; khi gặp sự cố vận hành không nhận được sự hỗ trợ kỹ thuật kịp thời.

  3. Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên nền tảng nào? Khung lý thuyết của luận án dựa trên lý thuyết khoa học thiết kế trong nghiên cứu Hệ thống thông tin của Hevner (2004). Khung này kết hợp ba trụ cột: Môi trường nghiên cứu (con người, tổ chức cấp nước, hạ tầng công nghệ); Nền tảng tri thức và phương pháp luận; Các vấn đề cần nghiên cứu giải quyết nhằm tạo ra các tạo phẩm hệ thống thông tin (quy trình 6 bước, khung CSDL GIS, bộ công cụ phần mềm tối ưu và cảnh báo ô nhiễm).

  4. Khung CSDL GIS do luận án đề xuất bao gồm những nhóm dữ liệu nào? Khung CSDL GIS được quy chuẩn trên phép chiếu UTM Zone 48N, gồm hai nhóm dữ liệu: Nhóm dữ liệu chuyên đề (Hạ tầng cấp nước gồm ống truyền dẫn, mạng phân phối, van, đồng hồ, trạm bơm, đài nước, bể chứa; Hạ tầng thoát nước; Khách hàng tiêu thụ nước) và Nhóm dữ liệu nền (Ranh giới hành chính; Mạng lưới giao thông gồm tim đường, lộ giới, vỉa hè; Địa hình và Sử dụng đất gồm cao độ, vị trí bãi rác, khu công nghiệp, nghĩa trang).

  5. Kết quả thử nghiệm hai bài toán kỹ thuật tại Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội đạt được những gì? Luận án đã cài đặt thử nghiệm thành công hai công cụ phần mềm: (1) Công cụ thiết kế tối ưu đã tự động phân vùng mạng lưới theo đường giao thông, loại bỏ các tuyến ống vi phạm tiêu chí khoảng cách an toàn với bãi rác và vạch tuyến mạng ống QC_06 tối ưu về kinh phí theo bảng giá khái toán 1m ống; (2) Công cụ "Quản lý nguồn gây ô nhiễm" đã phân tích vùng đệm ảnh hưởng, phát hiện và hiển thị trực quan các đoạn ống cấp nước có nguy cơ ô nhiễm cao từ các nguồn thải lân cận.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Chu Thị Hồng Hải đã giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống cung cấp nước sạch đô thị tại Việt Nam thông qua việc ứng dụng công nghệ GIS. Tác giả đã hệ thống hóa bức tranh thực trạng kỹ thuật - kinh tế của 68 đơn vị cấp nước, vận dụng khung lý thuyết khoa học thiết kế của Hevner (2004) để đề xuất quy trình 6 bước phát triển GIS và thiết kế khung CSDL GIS chuyên ngành chuẩn hóa trên hệ tọa độ UTM Zone 48N. Luận án đã xây dựng mô hình toán học và cài đặt thử nghiệm thành công hai bộ công cụ phần mềm tự động hóa cho bài toán thiết kế mạng lưới tối ưu và cảnh báo nguy cơ ô nhiễm nguồn nước trên dữ liệu thực tế của Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội. Công trình cung cấp hệ thống giải pháp kỹ thuật và cơ sở khoa học có giá trị ứng dụng thực tiễn cho các công ty cấp nước và cơ quan quản lý đô thị.