Tổng quan luận án

Công trình khoa học "Nghiên cứu xây dựng hệ thống quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực" do nghiên cứu sinh Nguyễn Quốc Hiệp thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam năm 2017, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Viết Chiến và PGS. Nguyễn Thế Quảng, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước (mã số: 62 58 02 12). Luận án được thực hiện theo định hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ kỹ thuật, kết hợp mô hình hóa tính toán thủy văn - thủy lực, giải pháp tự động hóa phần cứng hiện trường và phát triển hệ thống phần mềm nền tảng web.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng hạ tầng và công tác quản lý khai thác công trình thủy lợi tại Việt Nam. Tính đến thời điểm nghiên cứu, cả nước đã xây dựng được 6.648 hồ chứa, khoảng 10.000 trạm bơm điện lớn, 5.500 cống tưới tiêu lớn và 234.000 km kênh mương; trong đó có 904 hệ thống thủy lợi phục vụ tưới tiêu từ 200 ha trở lên. Các hệ thống này cung cấp nước tưới cho trên 7,3 triệu ha đất lúa (vụ Đông Xuân 2,99 triệu ha, Hè Thu 2,05 triệu ha, Mùa 2,02 triệu ha), 1,5 triệu ha rau màu và cây công nghiệp, cấp 6 tỷ m³ nước sinh hoạt và công nghiệp, ngăn mặn cho 0,87 triệu ha, cải tạo chua phèn 1,6 triệu ha và tiêu úng 1,72 triệu ha. Tuy nhiên, trước tình trạng biến đổi khí hậu, dòng chảy mùa kiệt trên các lưu vực sông suy giảm từ 2% đến 24%, ranh giới mặn 1‰ lấn sâu vào thượng lưu, nguồn nước ngày càng cạn kiệt. Sản xuất nông nghiệp tiêu thụ lượng nước lớn nhưng hệ số hiệu ích của hệ thống tưới chỉ đạt trung bình 0,5 đến 0,7; tỷ lệ tổn thất trên hệ thống kênh dao động từ 30% đến 50%. Tình trạng lãng phí nước diễn ra phổ biến do điều phối thiếu số liệu hiện trường, tưới vượt định mức, đầu kênh thừa nước cuối kênh thiếu nước, chi phí vận hành cao nhưng năng suất không đồng đều.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ rõ: các phần mềm quản lý, điều hành hệ thống tưới trước đây ở trong và ngoài nước khi ứng dụng tại Việt Nam bộc lộ nhiều điểm hạn chế. Đa số chỉ giải quyết các khía cạnh đơn lẻ; chưa tích hợp đồng bộ công tác quản lý tài sản công trình, tính toán nhu cầu dùng nước theo tiến độ gieo trồng thực tế với mô hình thủy lực kênh hở; chưa ứng dụng thiết bị tự động hóa để giám sát và ra lệnh điều khiển theo thời gian thực; các phần mềm chủ yếu vận hành trên máy tính đơn lẻ, thiếu sự hỗ trợ của công nghệ GIS và mạng Internet, gây khó khăn cho việc tương tác giữa trung tâm quản lý và cán bộ ngoài hiện trường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  • Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ để xây dựng một công 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 và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công tác quản lý, điều hành hệ thống tưới.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống tưới kênh hở với công trình đầu mối là trạm bơm; mạng lưới kênh là mạng hở; giới hạn bài toán cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, không xét cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, đô thị và không giải quyết bài toán tiêu úng khi mưa thừa nước. Địa bàn kiểm nghiệm thực tế là hệ thống tưới Ấp Bắc - Nam Hồng thuộc huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội.

Nội dung nghiên cứu chính gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở khoa học để đề xuất cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống tích hợp phần mềm quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực (đặt tên là hệ thống VNIMS).
  2. Xây dựng hệ thống VNIMS bao gồm: thiết lập cơ sở dữ liệu máy chủ; phát triển phần mềm IMS (tính toán nhu cầu tưới theo tiến độ gieo trồng, lập kế hoạch tưới cả vụ và luân phiên, tích hợp mô hình MIKE 11 tính toán đường mực nước kênh hở theo dòng chảy không ổn định, xây dựng công cụ xác định diện tích gieo trồng trên WebGIS qua thiết bị di động, tự động hóa tính toán điều hành thời gian thực); phát triển các giải pháp kết nối truyền thông hai chiều giữa máy chủ với thiết bị hiện trường và khối người dùng.
  3. Áp dụng thử nghiệm và kiểm nghiệm hệ thống VNIMS tại hệ thống tưới Ấp Bắc - Nam Hồng (Đông Anh, Hà Nội).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong luận án, tác giả tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu liên quan thành ba nhóm chính:

Nhóm thứ nhất gồm các phần mềm tính toán thủy lực và điều khiển hệ thống trên kênh hở:

  • Các nghiên cứu quốc tế: Công trình của O. Aldana, Ruiz và Georges (2007) tại Mexico và Pháp về phần mềm giám sát, duy trì mực nước trên 4 đoạn kênh phòng thí nghiệm; nghiên cứu của Yan Ding và Sam S.Y. Wang (2006, Đại học Mississippi, Hoa Kỳ) về phần mềm điều khiển tối ưu dòng kênh hở bằng giải thuật phân tích độ nhạy liên hợp; thuật toán logic mờ điều khiển tập trung kênh tưới dựa trên mô hình sóng động Saint-Venant ngược của P. Mujumdar và R. Gopakumar (2009, Ấn Độ); các phần mềm STEADY và UNSTEADY của Đại học Utah (1994); phần mềm SIMWAT của E.P. Querner (Hà Lan) và M. Manzanera (Argentina) kết hợp các mô hình FEMSATS, SIMGRO; phần mềm ICSS của David H. Manz (Đại học Calgary, Canada); phần mềm SIC của CEMAGREF (Pháp) và Viện Quản lý Nước Quốc tế (IWMI); phần mềm thương mại MIKE 11 của DHI Water & Environment mô phỏng dòng chảy một chiều không ổn định theo hệ phương trình Saint-Venant.
  • Các nghiên cứu tại Việt Nam: Mô hình KODO1 của GS.TS. Nguyễn Ân Niên (1974) giải hệ phương trình sai phân hỗn hợp phân lũ sông Đáy và hệ thống sông Hồng - Thái Bình; mô hình VRSAP của PGS.TS. Nguyễn Như Khuê (phát triển từ KRSAL năm 1978) mô phỏng dòng chảy lũ và triều trên sơ đồ sai phân ẩn Dronker; mô hình DUFLOW được TS. Đặng Ngọc Hạnh ứng dụng cho trạm bơm Triều Dương (Tiên Lữ, Hưng Yên) kết hợp GIS mô phỏng mưa dòng chảy và thủy lực kênh tiêu.

Nhóm thứ hai gồm các phần mềm tính toán nhu cầu tưới:

  • Quốc tế: Phần mềm IWREDSS của Đại học Hawaii tại Manoa (Hoa Kỳ) trên nền ArcGIS; phần mềm Tanjung Karang tại Malaysia viết bằng VBA trên nền ArcGIS; bộ đôi phần mềm CROPWAT và CLIMWAT của Martin Smith do FAO phát hành (1991, 1993); các mô hình ISAREG (cho cây trồng cạn) và IRRICEP (cho lúa nước) của Teixeira và Pereira (Bồ Đào Nha, 1992-1993) áp dụng tại hệ thống Sorraia.
  • Tại Việt Nam: Các đơn vị tư vấn thiết kế chủ yếu sử dụng CROPWAT để tính toán quy hoạch, thiết kế công trình, chưa có phần mềm nội địa chuyên biệt được áp dụng rộng rãi.

Nhóm thứ ba gồm các phần mềm quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới:

  • Các phần mềm trên máy đơn: Mô hình INCA của Viện Thủy lợi HR Wallingford (Anh); SIMIS của FAO (1993); phần mềm IMSOP của Hector M. Malano (Đại học Melbourne, Úc) viết trên Visual Basic 6.0. Tại Việt Nam, IMSOP từng được thử nghiệm tại La Khê, Đan Hoài, Củ Chi, Đông Anh, Nam Sông Mã, Đồng Cam; TS. Nguyễn Viết Chiến dùng IMSOP xác định hiệu quả sử dụng nước mưa trên ruộng lúa; TS. Trần Văn Đạt phát triển IMSOP theo mô hình tối ưu phi tuyến khi hạn chế nguồn nước. Tuy nhiên, IMSOP còn nhược điểm: dùng số liệu mưa tuần (bỏ qua các trận mưa nhỏ dưới 2 mm/tuần dù cây trồng vẫn hấp thụ), gán hệ số cây trồng $K_c$ đồng loạt mà không phân hóa theo thời điểm cấy thực tế, không lập được lịch tưới luân phiên theo thực tế, tính thủy lực theo dòng chảy đều và vận hành cục bộ trên máy đơn.
  • Các phần mềm trên mạng Internet: Hệ thống Confluent của hãng Rubicon (Úc) gắn liền với thiết bị điều khiển kênh chuyên dụng giá thành cao; phần mềm CWMIS của Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên Nước thuộc Đại học Utah (Hoa Kỳ) sử dụng ảnh viễn thám Landsat và MODIS dự báo nhu cầu tưới trước 8-16 ngày. Tại Việt Nam, hệ thống Waterdata của Trường Đại học Thủy lợi quản lý dữ liệu thuộc tính công trình trên Google Maps; hệ thống giám sát và hỗ trợ điều hành hồ chứa của Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thủy lợi quản lý gần 6.250 hồ chứa trên WebGIS, trong đó có 23 hồ giám sát tự động nhưng không phục vụ điều hành mạng lưới kênh tưới.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Tích hợp đồng bộ bài toán quản lý tài sản công trình và diện tích canh tác trên WebGIS mã nguồn mở; xây dựng thuật toán tính toán nhu cầu tưới bám sát tiến độ gieo cấy theo từng ngày; tích hợp tự động mô hình thủy lực dòng không ổn định MIKE 11 chạy ngầm trên máy chủ; liên kết hai chiều với các thiết bị đo đạc, giám sát và điều khiển tự động ngoài hiện trường qua mạng truyền thông không dây để tạo thành một hệ thống trực tuyến hỗ trợ ra quyết định và vận hành đóng mở công trình theo thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật tài nguyên nước, thủy lực công trình, viễn thông và công nghệ thông tin địa lý:

  1. Cơ sở lý thuyết xác định nhu cầu nước và lập kế hoạch tưới:
  • Đối với nhóm cây trồng lúa vụ chiêm xuân: Quy trình canh tác gồm đổ ải, ngâm đất bão hòa (1-3 ngày), làm đất và cấy lúa. Tổng lượng nước cần cấp ngày thứ $i$ xác định theo công thức: $$m_{tổng}[i] = m_{đổ_ải}[i] + m_{chờ}[i] + m_{tưới}[i] \quad (m^3)$$ Trong đó:
    • Lượng nước đổ ải $m_{đổ_ải}[i]$ tính theo diện tích đổ ải $S_{đổ_ải}[i]$, lượng nước bão hòa tầng đất $h_{bão_hòa}$, lớp nước mặt ruộng cần thiết để làm đất $a_{mặt_ruộng}$ (yêu cầu 20 mm nếu làm đất thủ công, 50 mm nếu làm bằng máy), lượng nước bốc hơi mặt thoáng $h_{mặt_thoáng}$, thời gian ngấm bão hòa $t_{bh}$ và lượng mưa hiệu quả $R_e[i]$. Giới hạn lượng mưa hiệu quả trên ruộng lúa áp dụng kết quả của TS. Nguyễn Viết Chiến: vụ chiêm xuân $R_{max} = 50$ mm, vụ mùa $R_{max} = 60$ mm; ngưỡng mưa tối thiểu $R_{min} = 2$ mm.
    • Lượng nước chờ $m_{chờ}[i]$ cấp bù cho diện tích đã đổ ải đang chờ làm đất hoặc đã làm đất chờ cấy sau thời gian bão hòa $t_{bh}$, bù đắp lượng ngấm ổn định $h_{ôđ}$ và bốc hơi mặt thoáng.
    • Lượng nước tưới dưỡng $m_{tưới}[i]$ tính toán riêng cho từng phần diện tích lúa $S_{lúa}$ gieo cấy cùng ngày, kết hợp lượng nước tiêu hao bốc thoát hơi qua lá $m_{Etc}[i]$ (phụ thuộc hệ số cây trồng $K_c$ theo ngày tuổi của từng trà lúa) và lớp nước mặt ruộng cần duy trì $a_{tưới}[i]$.
  • Đối với nhóm cây lúa vụ mùa: Đã có sẵn lớp nước tự nhiên trên ruộng nên bỏ qua giai đoạn đổ ải: $$m_{tổng}[i] = m_{làm_đất}[i] + m_{chờ}[i] + m_{tưới}[i] \quad (m^3)$$
  • Đối với nhóm cây trồng cạn: Nhu cầu tưới ẩm được tính toán để duy trì độ ẩm trong đất $\beta$ luôn nằm trong phạm vi giữa điểm héo $\beta_{min}$ và độ ẩm lớn nhất $\beta_{max}$.
  1. Cơ sở lý thuyết thủy lực kênh hở: Sử dụng hệ phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng một chiều dòng chảy không ổn định (hệ phương trình Saint-Venant):
  • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial Q}{\partial x} + \frac{\partial A}{\partial t} = q$$
  • Phương trình động lượng: $$\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x}\left(\alpha \frac{Q^2}{A}\right) + gA \frac{\partial h}{\partial x} + g \frac{Q |Q|}{C^2 A R} = 0$$ Trong đó $Q$ là lưu lượng, $A$ là diện tích mặt cắt ướt, $h$ là cao trình mực nước, $q$ là lưu lượng gia nhập bên, $R$ là bán kính thủy lực, $C$ là hệ số Chezy, $\alpha$ là hệ số phân bố động lượng, $g$ là gia tốc trọng trường. Hệ phương trình được giải bằng thuật toán sai phân hữu hạn ẩn trong module thủy động lực học (HD) của phần mềm MIKE 11.
  1. Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật:
  • Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế: Thu thập thông tin canh tác, quy trình vận hành tại Công ty TNHH MTV Khai thác CTTL Yên Lập (Quảng Ninh), Cầu Sơn - Cấm Sơn (Bắc Giang), Xí nghiệp Thủy lợi Đông Anh (Hà Nội); đo đạc thông số hình học kênh mương, công trình tại hệ thống Ấp Bắc - Nam Hồng.
  • Phương pháp mô phỏng: Mô phỏng mạng lưới kênh, trạm bơm và cống lấy nước Ấp Bắc - Nam Hồng; sử dụng thiết bị Sgate mẫu tại Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thủy lợi và hệ thống máy chủ để thử nghiệm kết nối điều khiển.
  • Phương pháp kế thừa: Kế thừa mã nguồn mở MapServer và OpenLayers; kế thừa tập lệnh điều khiển trên chip vi xử lý Sierra Wireless Q2687; kế thừa mô hình IMSOP về nguyên lý tính nước đổ ải; kế thừa phần mềm MIKE 11 làm động cơ tính toán thủy lực.
  • Phương pháp kiểm nghiệm: Chạy đối sánh kết quả tính toán thủy lực giữa hệ thống tích hợp VNIMS và MIKE 11 độc lập; kiểm tra độ khớp của tiến độ tưới, bốc thoát hơi tiềm năng $ET_0$ và các kịch bản đóng mở cửa cống.
  • Nền tảng công nghệ: Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL tích hợp module không gian PostGIS; công cụ lập trình web bản đồ OpenLayers, MapServer; giao thức truyền thông TCP/IP qua mạng di động GPRS.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các kết quả nghiên cứu có liên quan

Chương này trình bày chi tiết bức tranh tổng quan trong nước và quốc tế về các công cụ mô hình hóa, điều khiển kênh và hỗ trợ quản lý tưới. Tác giả phân tích rõ ưu điểm, hạn chế của từng phần mềm thuộc 3 nhóm:

  • Nhóm tính thủy lực và điều khiển: Các mô hình quốc tế như thuật toán của O. Aldana, Yan Ding, P. Mujumdar, STEADY, UNSTEADY, ICSS, SIC, SIMWAT và MIKE 11; các mô hình trong nước như KODO1, VRSAP, DUFLOW. Điểm chung của nhóm này là tập trung vào bài toán diễn biến mực nước, vận tốc dòng chảy hoặc duy trì mực nước kỹ thuật, nhưng không tính toán nhu cầu sử dụng nước nông nghiệp từ mặt ruộng.
  • Nhóm tính toán nhu cầu tưới: CROPWAT, CLIMWAT, IWREDSS, Tanjung Karang, ISAREG, IRRICEP. Nhóm này chỉ phục vụ tính toán tĩnh cho quy hoạch hoặc thiết kế kỹ thuật, không có chức năng điều hành mạng lưới kênh, không kết nối dữ liệu giám sát hiện trường.
  • Nhóm quản lý, điều hành hệ thống: Các phần mềm chạy máy đơn gồm INCA, SIMIS, IMSOP (với các nghiên cứu mở rộng của Nguyễn Viết Chiến, Trần Văn Đạt). Các phần mềm chạy trên Internet gồm Confluent (Rubicon), CWMIS (Utah), Waterdata và Hệ thống giám sát hồ chứa của Bộ Nông nghiệp & PTNT.

Từ việc phân tích 20 phần mềm và hệ thống cụ thể, tác giả chỉ ra các hạn chế chính ở Việt Nam: tính rời rạc; thiếu khả năng tương tác di động ngoài thực địa; thiếu giải pháp công nghệ thu thập dữ liệu tự động; tính toán nhu cầu tưới chưa phản ánh đúng quy luật phân kỳ sinh trưởng theo tiến độ gieo cấy thực tế; tính toán thủy lực kênh chưa xét đến dòng chảy không ổn định.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, mô hình nghiên cứu và cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở khoa học, công thức giải tích và quy trình logic cho toàn bộ hệ thống VNIMS:

  • Tiếp cận bài toán quản lý tưới theo 3 lớp chức năng: lập kế hoạch tưới đầu vụ (dựa trên cơ cấu cây trồng, thời vụ, tài liệu khí tượng trung bình nhiều năm); hỗ trợ điều hành thời gian thực (cập nhật tiến độ gieo cấy hàng ngày, số liệu mưa, mực nước, lưu lượng thực đo); quản lý tài sản công trình và diện tích tưới dạng cây phân cấp (kênh chính $\rightarrow$ kênh cấp 1 $\rightarrow$ kênh cấp 2... $\rightarrow$ cống $\rightarrow$ ô thửa) trên WebGIS.
  • Thiết lập hệ thống công thức giải tích xác định chi tiết lượng nước đổ ải $m_{đổ_ải}$, lượng nước ngâm bão hòa, lượng nước chờ $m_{chờ}$, lượng nước tưới dưỡng $m_{tưới}$ và bốc thoát hơi qua lá $m_{Etc}$ cho lúa vụ chiêm xuân, lúa vụ mùa và cây trồng cạn. Điểm then chốt là phân tách diện tích của một cống phụ trách thành nhiều dải diện tích theo ngày cấy thực tế, mỗi dải diện tích có đường biến thiên hệ số $K_c$ độc lập.
  • Thiết lập thuật toán tích hợp mô hình MIKE 11: xây dựng cơ chế tự động xuất tệp kịch bản biên từ cơ sở dữ liệu, kích hoạt engine tính toán thủy lực Saint-Venant của MIKE 11 chạy nền (batch mode), sau đó tự động đọc tệp kết quả trả về để ghi nhận đường mực nước trên toàn tuyến kênh.
  • Thiết lập giải pháp truyền thông công nghiệp cho thiết bị hiện trường: cấu trúc khung truyền dữ liệu nhị phân giữa máy chủ và các thiết bị RTU-TL3, Sgate qua mạng GPRS; giao thức bắt tay gồm bản tin yêu cầu (TX Req) và phản hồi xác nhận (ACK), kiểm tra toàn vẹn dữ liệu.
  • Kiến trúc phần mềm hệ thống: Lựa chọn nền tảng CSDL quan hệ đối tượng PostgreSQL/PostGIS, máy chủ web bản đồ MapServer, thư viện lập trình OpenLayers phía máy khách nhằm bảo đảm khả năng mở rộng và không phụ thuộc chi phí bản quyền.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả xây dựng hệ thống phần mềm, tích hợp phần cứng và thử nghiệm thực địa:

  • Xây dựng mô hình hệ thống VNIMS gồm 3 khối chức năng hoàn chỉnh:
Khối thành phần Thành phần chi tiết Chức năng kỹ thuật chính
Trung tâm dữ liệu máy chủ CSDL PostgreSQL/PostGIS, phần mềm IMS, dịch vụ máy chủ, module kết nối MIKE 11 Lưu trữ dữ liệu công trình, giải thửa; xử lý tính toán nhu cầu nước, thủy lực; kết nối thiết bị và người dùng
Thiết bị ngoài hiện trường Trạm Sgate (cửa van phẳng, tràn thành mỏng ghép), trạm bơm RTU-TL3, trạm khí tượng đo mưa Đo đạc tự động mực nước, độ mở van, lượng mưa; nhận lệnh đóng mở van, bật tắt máy bơm qua GPRS
Khối người dùng Giao diện WebGIS tại địa chỉ http://vnims.vn trên PC, smartphone, máy tính bảng Quản lý bản đồ công trình; cập nhật diện tích gieo cấy; theo dõi mực nước thời gian thực; phát lệnh điều khiển
  • Xây dựng cơ sở dữ liệu không gian gồm các bảng: bảng Công trình (trạm bơm, kênh, cống, xi phông, cầu máng); bảng giải thửa và giải thửa chi tiết; bảng cây trồng, loại đất trồng và tiến độ gieo trồng; bảng lưu trữ các lớp bản đồ chuyên đề.
  • Xây dựng phần mềm IMS: Bao gồm các module quản trị dữ liệu, module xác định diện tích canh tác hàng ngày trên thiết bị di động, module tính toán nhu cầu nước cho từng cống lấy nước theo các thuật toán từ Hình 3-4 đến Hình 3-15, module lập kế hoạch tưới luân phiên khi thiếu nước, module dịch vụ tự động kết nối mô hình thủy lực MIKE 11 (Hình 3-24).
  • Giải pháp trạm đo và điều khiển Sgate: Thiết bị Sgate vận hành bằng năng lượng mặt trời, lắp đặt tại đầu các kênh có kích thước đáy $\le 1,5$ m; trường hợp kênh $> 1,5$ m, tác giả đề xuất giải pháp ghép nhiều trạm Sgate cửa van phẳng hoặc cửa van tràn thành mỏng song song.
  • Kết quả áp dụng thử nghiệm tại hệ thống tưới Ấp Bắc - Nam Hồng (Đông Anh, Hà Nội):
    • Đặc điểm hệ thống kiểm nghiệm: Gồm trạm bơm đầu mối Ấp Bắc (bơm cấp nước từ sông Hồng), trạm bơm tiếp sức Nam Hồng, tuyến kênh chính Giữa, kênh Tây, cống Cầu Nhuế, cống Đ6 cũ...
    • Kiểm nghiệm tính toán nông học: Tính toán bốc hơi tiềm năng $ET_0$, nhu cầu tưới tại cống kênh Tây và cống Cầu Nhuế vụ xuân các năm 2013 và 2014; thử nghiệm chức năng cập nhật diện tích gieo cấy trên điện thoại di động thực địa vào các ngày 13/01/2015 (đổ ải), 14/01/2015 (làm đất), 15/01/2015 (gieo cấy).
    • Kiểm nghiệm tính toán thủy lực không ổn định: So sánh đường mặt nước do hệ thống VNIMS tự động tính toán (thông qua module kết nối MIKE 11) với kết quả mô phỏng trực tiếp từ phần mềm MIKE 11 độc lập. Tại kênh chính Giữa thời điểm 23:00 ngày 10/02/2014, đường mặt nước từ VNIMS (Hình 3-46) trùng khớp với kết quả MIKE 11 (Hình 3-45). Quá trình diễn biến mực nước tại đầu cống kênh Tây và đầu cống Cầu Nhuế trong suốt 72 giờ (từ 0:00 ngày 12/02/2014 đến 23:00 ngày 14/02/2014) giữa hai công cụ cho kết quả tương đồng hoàn toàn về pha dao động và biên độ mực nước.
    • Kiểm nghiệm giám sát và điều khiển: Hệ thống đã gửi nhận thành công các khung truyền lệnh đóng/mở cửa cống Sgate và nhận tín hiệu phản hồi xác nhận góc mở, mực nước thượng hạ lưu về trung tâm dữ liệu.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

  1. Đóng góp về mặt lý luận và khoa học:
  • Đã thiết lập được công thức tổng quát và chuỗi sơ đồ thuật toán tính toán nhu cầu nước cho các cống lấy nước mặt ruộng bám sát tiến độ gieo cấy thực tế và phân kỳ sinh trưởng của từng ô thửa. Khắc phục được nhược điểm của các phương pháp truyền thống vốn giả thiết cây trồng gieo cấy đồng loạt hoặc phân bổ tuần tự tuyến tính, giúp lượng nước tính toán sát với nhu cầu thực tế canh tác.
  • Thiết lập cơ sở khoa học và cấu trúc mô hình tích hợp của hệ thống VNIMS gồm ba khối (Trung tâm dữ liệu máy chủ, Khối thiết bị ngoài hiện trường, Khối người dùng), giải quyết đồng bộ và khép kín chu trình điều hành từ khâu thu thập số liệu hiện trường, tính toán nhu cầu, mô phỏng thủy lực đến phát lệnh điều khiển vận hành.
  1. Đóng góp về mặt công nghệ và thực tiễn:
  • Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp công nghệ cho phép người dùng sử dụng thiết bị di động (smartphone, tablet) tương tác trực tiếp trên nền bản đồ WebGIS ngoài hiện trường để khoanh vẽ, cập nhật tiến độ đổ ải, làm đất, gieo cấy từng ngày của từng cống.
  • Đã nghiên cứu xây dựng giải pháp dịch vụ máy chủ kết nối tự động giữa phần mềm quản lý IMS với phần mềm chuyên dụng MIKE 11, giải bài toán thủy lực dòng không ổn định trên mạng kênh hở khi có dữ liệu vận hành mới mà không đòi hỏi thao tác thủ công phức tạp của chuyên gia mô hình.
  • Xây dựng thành công hệ thống phần mềm IMS và dịch vụ truyền thông điều khiển từ xa, tích hợp với thiết bị đo khí tượng tự động RTU-TL3 và thiết bị kiểm soát nước Sgate chạy bằng năng lượng mặt trời. Kết quả này hỗ trợ ứng dụng trực tiếp cho các dự án hiện đại hóa thủy lợi có hạng mục SCADA do Bộ Nông nghiệp & PTNT triển khai như WB7, ADB6, JICA 2.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Kiến nghị các đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi chuyển dần phương thức quản lý hành chính thủ công sang ứng dụng các hệ thống trực tuyến hỗ trợ ra quyết định thời gian thực.
  • Đề xuất bố trí các trạm kiểm soát Sgate tại các cống phân phối nước quan trọng và đầu các kênh cấp 1, kênh cấp 2 để kiểm soát chính xác lưu lượng, giảm thất thoát nước cuối kênh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi nghiên cứu mới chỉ áp dụng cho hệ thống tưới kênh hở có công trình đầu mối là trạm bơm điện; chưa xét đến các hệ thống lấy nước trọng lực từ hồ chứa lớn hoặc đập dâng có biến động cột nước phức tạp.
  • Mạng lưới chuyển nước giới hạn ở mạng kênh hở, chưa tích hợp bài toán tính toán thủy lực cho mạng đường ống kín hoặc mạng kết hợp kênh - ống.
  • Hệ thống chỉ giải quyết bài toán cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp; chưa xét bài toán cấp nước đa mục tiêu kết hợp công nghiệp, đô thị, sinh hoạt và chưa tích hợp bài toán điều hành tiêu úng khi xảy ra mưa lớn gây ngập lụt.
  • Thử nghiệm thực địa chuyên sâu tập trung tại một hệ thống mẫu (Ấp Bắc - Nam Hồng), chưa đánh giá toàn diện trên các hệ thống tưới có quy mô liên tỉnh hoặc vùng địa hình miền núi, cồn bãi đồng bằng sông Cửu Long.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thuật toán và mô hình cho các hệ thống thủy lợi lấy nước từ hồ chứa, đập dâng và mạng lưới đường ống tưới áp lực.
  • Bổ sung module tính toán tối ưu hóa điều hành tiêu úng và các kịch bản phòng chống ngập lụt kết hợp tưới tiêu.
  • Hoàn thiện module cấp nước đa mục tiêu nhằm phân bổ nguồn nước linh hoạt giữa nông nghiệp, công nghiệp, thủy sản và sinh hoạt trong bối cảnh khan hiếm nguồn nước.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Đối với các Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi: Cung cấp phương pháp luận và công cụ phần mềm thực tế để lập kế hoạch tưới cả vụ, xây dựng biểu tưới luân phiên khoa học khi thiếu nước, hỗ trợ cán bộ kỹ thuật và công nhân quản trị tài sản kênh mương, tính toán chính xác diện tích tưới thực tế phục vụ công tác nghiệm thu cấp bù thủy lợi phí.
  • Đối với các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách (Bộ Nông nghiệp & PTNT, Tổng cục Thủy lợi): Tài liệu cung cấp cơ sở kỹ thuật để thẩm định, triển khai các dự án hiện đại hóa, tự động hóa hệ thống thủy nông (đặc biệt là các hợp phần SCADA trong các dự án vay vốn quốc tế như WB7, ADB6, JICA 2).
  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn, Tự động hóa công trình thủy lợi: Luận án cung cấp chi tiết thuật toán cân bằng nước mặt ruộng có xét đến tiến độ gieo cấy từng ngày, giải pháp tích hợp phần mềm mô hình MIKE 11 vào hệ thống thông tin địa lý WebGIS mã nguồn mở và giao thức truyền tin điều khiển hiện trường.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên môn cao nhất:

  • Mục thuật toán tính toán nhu cầu tưới cho lúa chiêm xuân, vụ mùa và cây trồng cạn (Chương 2).
  • Sơ đồ dịch vụ kết nối tự động giữa cơ sở dữ liệu máy chủ với phần mềm MIKE 11 (Chương 3).
  • Giải pháp bố trí ghép cụm thiết bị Sgate tại các cống lấy nước và đầu kênh tưới (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống VNIMS được cấu thành từ những khối chức năng nào và người dùng tương tác qua giao thức gì?
    Hệ thống VNIMS gồm ba khối chính: (1) Khối trung tâm dữ liệu máy chủ (chứa CSDL PostgreSQL/PostGIS, phần mềm IMS, các dịch vụ tự động kết nối MIKE 11 và thiết bị); (2) Khối thiết bị ngoài hiện trường (các trạm Sgate, trạm RTU-TL3 đo mưa/khí tượng và giám sát trạm bơm); (3) Khối người dùng. Người dùng tương tác trực tiếp với hệ thống qua trình duyệt web trên máy tính hoặc thiết bị di động (smartphone, tablet) tại địa chỉ http://vnims.vn trên nền bản đồ WebGIS.

  2. Điểm cải tiến căn bản trong thuật toán tính nhu cầu nước lúa vụ chiêm xuân của luận án so với mô hình IMSOP trước đây là gì?
    Mô hình IMSOP trước đây coi toàn bộ diện tích lúa được gieo cấy đồng loạt nên gán hệ số cây trồng $K_c$ giống nhau cho toàn bộ diện tích, dẫn đến kết quả tính nhu cầu tưới chênh lệch nhiều so với thực tế. Luận án đã phân chia diện tích của cống phụ trách thành từng dải diện tích đổ ải, làm đất và gieo cấy theo từng ngày riêng biệt. Nhờ đó, nhu cầu bốc thoát hơi qua lá $m_{Etc}$ được tính theo đúng ngày tuổi sinh trưởng và hệ số $K_c$ tương ứng của từng dải diện tích, đồng thời tích hợp lượng nước đổ ải $m_{đổ_ải}$ và nước chờ $m_{chờ}$ sát với tiến độ canh tác thực tế.

  3. Hệ thống VNIMS giải quyết bài toán thủy lực trên kênh bằng cách nào và dựa trên chế độ dòng chảy nào?
    Hệ thống VNIMS giải bài toán thủy lực theo chế độ dòng chảy không ổn định trên kênh hở dựa trên hệ phương trình Saint-Venant (gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng). Thay vì tự lập trình giải thuật số phức tạp, tác giả lựa chọn giải pháp công nghệ tích hợp module mô hình thủy động lực (HD) của phần mềm chuyên dụng MIKE 11 (DHI) chạy ngầm tự động trên máy chủ thông qua một dịch vụ phần mềm trung gian.

  4. Thiết bị kiểm soát hiện trường Sgate được cấp nguồn như thế nào và được bố trí ở đâu trên hệ thống kênh?
    Thiết bị Sgate hoạt động bằng nguồn điện năng lượng mặt trời độc lập và truyền nhận dữ liệu với máy chủ trung tâm qua mạng di động GPRS. Sgate được lắp đặt tại các cống phân phối nước và cống điều tiết trên kênh. Đối với kênh có bề rộng đáy $\le 1,5$ m, sử dụng một trạm Sgate đơn; đối với kênh có bề rộng đáy $> 1,5$ m, tác giả đề xuất giải pháp ghép nối nhiều trạm Sgate cửa van phẳng hoặc tràn thành mỏng song song.

  5. Công tác kiểm nghiệm thực tế của hệ thống VNIMS được thực hiện tại hệ thống thủy nông nào và cho kết quả ra sao?
    Hệ thống được kiểm nghiệm tại hệ thống tưới Ấp Bắc - Nam Hồng (huyện Đông Anh, Hà Nội). Kết quả tính toán bốc thoát hơi $ET_0$ và nhu cầu nước tại cống Cầu Nhuế, cống kênh Tây được đối chiếu cho vụ xuân các năm 2013, 2014; các chức năng khoanh vẽ cập nhật diện tích gieo cấy di động được thử nghiệm vào tháng 01/2015. Kết quả đường mặt nước và dao động mực nước theo thời gian tính bằng VNIMS khớp hoàn toàn với kết quả chạy độc lập bằng phần mềm MIKE 11 trên kênh chính Giữa và các cống phân phối.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Quốc Hiệp đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu xây dựng hệ thống tích hợp VNIMS phục vụ quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới kênh hở theo thời gian thực. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa cơ sở lý thuyết cân bằng nước mặt ruộng chi tiết theo ngày canh tác, mô hình thủy lực Saint-Venant của MIKE 11, thiết bị phần cứng tự động hóa tại hiện trường (Sgate, RTU-TL3) và nền tảng WebGIS mã nguồn mở, công trình đã giải quyết được tính liên tục và khép kín trong chu trình điều hành thủy lợi. Kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao qua kiểm nghiệm thực tế tại hệ thống Ấp Bắc - Nam Hồng, cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ có giá trị ứng dụng trực tiếp cho các dự án hiện đại hóa công trình thủy lợi tại Việt Nam.