Tổng quan nghiên cứu

Khu đô thị Long Hưng, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai, với diện tích 227,7 ha và dân số khoảng 24.000 người, đang phát triển nhanh chóng với nhu cầu cấp nước sinh hoạt ngày càng tăng. Theo quy chuẩn cấp nước sinh hoạt, tiêu chuẩn sử dụng là 180 lít/người/ngày, tương đương tổng nhu cầu nước khoảng 4.320 m³/ngày cho khu vực này. Tuy nhiên, việc quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước hiện tại gặp nhiều khó khăn do dữ liệu mạng lưới được lưu trữ rời rạc, không đồng bộ, chủ yếu dựa trên bản vẽ giấy, Excel hoặc AutoCAD, dẫn đến thiếu chính xác và khó khăn trong việc cập nhật, sửa chữa, bảo trì. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phần mềm GIS (Geographic Information System) và WaterGEMS để xây dựng cơ sở dữ liệu mạng lưới cấp nước, phục vụ quản lý tài sản và vận hành hiệu quả tại khu đô thị Long Hưng. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình quản lý thông tin mạng lưới cấp nước, tính toán áp lực nước, đồng thời liên kết quản lý tài sản với điều phối thủy lực nhằm nâng cao hiệu quả vận hành. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ mạng lưới cấp nước khu đô thị Long Hưng, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn từ năm 2018 đến 2021. Việc ứng dụng GIS và WaterGEMS không chỉ giúp đồng bộ hóa dữ liệu, mà còn hỗ trợ phân tích thủy lực, dự báo sự cố, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước và giảm thiểu tổn thất nước, góp phần phát triển bền vững hạ tầng cấp nước đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: hệ thống thông tin địa lý (GIS) và mô hình thủy lực mạng lưới cấp nước với phần mềm WaterGEMS. GIS được định nghĩa là hệ thống lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu không gian và thuộc tính liên quan đến vị trí địa lý, giúp quản lý thông tin mạng lưới cấp nước một cách trực quan và hiệu quả. Các thành phần cơ bản của GIS gồm con người, dữ liệu không gian và thuộc tính, phần mềm, phần cứng và phương pháp. WaterGEMS là phần mềm mô hình thủy lực chuyên dụng, cho phép mô phỏng lưu lượng, áp lực, chất lượng nước trong mạng lưới cấp nước, đồng thời tích hợp với GIS để quản lý tài sản và vận hành mạng lưới. Các khái niệm thủy lực quan trọng được áp dụng gồm lưu lượng nước, vận tốc dòng chảy, năng lượng dòng chảy, tổn thất năng lượng dọc đường và cục bộ, được tính toán theo các công thức Darcy-Weisbach, Hazen-Williams và Manning. Thuật toán Darwin Designer và Darwin Calibrator trong WaterGEMS hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế mạng lưới và phát hiện rò rỉ nước. Mô hình hóa mạng lưới cấp nước dựa trên cấu trúc topology (cung-nút) và geometric network, giúp mô phỏng chính xác các yếu tố thủy lực và quản lý tài sản như ống nhựa HDPE, van cổng, van xả khí, trụ cứu hỏa, tê gang, đai lấy nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế, thu thập và xử lý dữ liệu hiện trạng mạng lưới cấp nước khu đô thị Long Hưng, phân tích tổng hợp và mô hình hóa thủy lực bằng phần mềm WaterGEMS tích hợp GIS. Cỡ mẫu dữ liệu bao gồm toàn bộ các đối tượng tài sản trong mạng lưới như đường ống, van, đồng hồ nước, với số lượng hàng trăm điểm dữ liệu được thu thập và kiểm tra thực địa. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp toàn bộ (census) nhằm đảm bảo tính đầy đủ và chính xác của cơ sở dữ liệu. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2018 đến 2021, gồm các bước: thu thập dữ liệu hiện trạng, xử lý và nhập liệu vào hệ thống GIS, xây dựng mô hình thủy lực trên WaterGEMS, phân tích áp lực và lưu lượng, hiệu chỉnh mô hình bằng thuật toán Darwin Calibrator, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp quản lý vận hành. Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ GIS để trực quan hóa và truy xuất thông tin, kết hợp mô phỏng thủy lực để đánh giá hiệu quả vận hành mạng lưới. Việc tích hợp hai phần mềm giúp đồng bộ hóa dữ liệu không gian và thuộc tính, hỗ trợ quản lý tài sản, phát hiện sự cố và lập kế hoạch cải tạo mạng lưới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng cơ sở dữ liệu mạng lưới cấp nước hoàn chỉnh: Cơ sở dữ liệu GIS được thiết kế bao gồm đầy đủ thông tin về đường ống, van, đồng hồ khách hàng với hơn 500 điểm dữ liệu được số hóa và cập nhật. Dữ liệu thuộc tính chi tiết như đường kính ống, vật liệu, áp lực làm việc, vị trí địa lý chính xác giúp quản lý tài sản hiệu quả hơn 30% so với phương pháp truyền thống.

  2. Mô phỏng thủy lực mạng lưới bằng WaterGEMS: Kết quả mô phỏng cho thấy áp lực nước trung bình trong mạng lưới dao động từ 15 đến 45 m cột nước, đảm bảo tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt 10-15 lít/người/ngày. Tỷ lệ vận tốc dòng chảy trong ống nằm trong khoảng 0,5-2 m/s, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật, giảm thiểu tổn thất ma sát và rò rỉ.

  3. Phát hiện và dự báo sự cố: Thuật toán Darwin Calibrator giúp xác định các điểm rò rỉ tiềm năng trên mạng lưới, giảm thời gian tìm kiếm sự cố xuống khoảng 40%, đồng thời hỗ trợ lập kế hoạch bảo trì và thay thế vật tư dựa trên tuổi thọ và mức độ khấu hao.

  4. Tối ưu hóa vận hành mạng lưới: Việc sử dụng mô hình thủy lực kết hợp GIS cho phép điều phối van và bơm hiệu quả, giảm thiểu áp lực thấp và mất nước không kiểm soát, nâng cao độ tin cậy cấp nước cho khu đô thị Long Hưng. So sánh với dữ liệu trước khi áp dụng mô hình, tỷ lệ sự cố áp lực thấp giảm 25%, thời gian khắc phục sự cố giảm 30%.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tích hợp GIS và WaterGEMS mang lại hiệu quả rõ rệt trong quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước đô thị. Cơ sở dữ liệu đồng bộ giúp giảm thiểu sai sót do dữ liệu rời rạc, tăng khả năng truy xuất và cập nhật thông tin nhanh chóng. Mô hình thủy lực chính xác hỗ trợ đánh giá áp lực và lưu lượng, từ đó phát hiện các điểm yếu trong mạng lưới, giúp chủ động trong công tác bảo trì và cải tạo. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với các ứng dụng thành công tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP.HCM và các nước phát triển, nơi GIS và WaterGEMS được sử dụng để nâng cao hiệu quả quản lý tài sản và vận hành mạng lưới cấp nước. Việc giảm thiểu tổn thất nước và cải thiện chất lượng dịch vụ cấp nước góp phần nâng cao sự hài lòng của người dân và phát triển bền vững hạ tầng đô thị. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ áp lực theo tuyến ống, bản đồ phân bố rò rỉ và bảng thống kê tuổi thọ tài sản, giúp trực quan hóa và hỗ trợ ra quyết định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống GIS và WaterGEMS đồng bộ trên toàn thành phố Biên Hòa: Mở rộng mô hình quản lý mạng lưới cấp nước từ khu đô thị Long Hưng sang các khu vực khác nhằm đồng bộ hóa dữ liệu, nâng cao hiệu quả quản lý tài sản và vận hành. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do Sở Xây dựng và Công ty Cấp nước Đồng Nai chủ trì.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ quản lý vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về GIS và WaterGEMS cho kỹ thuật viên và quản lý nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống mới. Mục tiêu nâng cao tỷ lệ nhân sự thành thạo phần mềm lên 80% trong vòng 1 năm.

  3. Xây dựng kế hoạch bảo trì và thay thế tài sản dựa trên dữ liệu GIS: Sử dụng thông tin về tuổi thọ, mức độ khấu hao và tình trạng vận hành để lập kế hoạch bảo trì định kỳ và thay thế vật tư, giảm thiểu sự cố và tổn thất nước. Thời gian thực hiện liên tục, cập nhật hàng năm, do phòng kỹ thuật Công ty Cấp nước thực hiện.

  4. Ứng dụng công nghệ giám sát thời gian thực: Kết nối hệ thống SCADA với mô hình WaterGEMS để giám sát áp lực, lưu lượng và phát hiện sự cố nhanh chóng, nâng cao khả năng phản ứng và xử lý kịp thời. Đề xuất triển khai trong 1-2 năm tới, phối hợp giữa Công ty Cấp nước và đơn vị công nghệ thông tin.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty cấp nước đô thị: Nghiên cứu cung cấp phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình thủy lực giúp nâng cao hiệu quả quản lý tài sản và vận hành mạng lưới, giảm tổn thất nước và chi phí vận hành.

  2. Cơ quan quản lý đô thị và quy hoạch: Tham khảo để tích hợp công nghệ GIS trong quy hoạch hạ tầng cấp nước, hỗ trợ ra quyết định chính xác và kịp thời trong phát triển đô thị bền vững.

  3. Các trường đại học và viện nghiên cứu: Là tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật cấp thoát nước, mô hình thủy lực và ứng dụng GIS trong quản lý hạ tầng.

  4. Nhà thầu và đơn vị thi công hạ tầng cấp nước: Hướng dẫn thực tiễn về thu thập, xử lý dữ liệu và ứng dụng phần mềm chuyên dụng trong thiết kế, thi công và vận hành mạng lưới cấp nước hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. GIS là gì và tại sao cần ứng dụng trong quản lý mạng lưới cấp nước?
    GIS là hệ thống thông tin địa lý giúp lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu không gian và thuộc tính. Ứng dụng GIS giúp quản lý tài sản mạng lưới cấp nước chính xác, đồng bộ, hỗ trợ tra cứu nhanh và lập kế hoạch bảo trì hiệu quả.

  2. WaterGEMS có vai trò gì trong vận hành mạng lưới cấp nước?
    WaterGEMS là phần mềm mô hình thủy lực giúp mô phỏng lưu lượng, áp lực và chất lượng nước, hỗ trợ thiết kế, tối ưu hóa và phát hiện sự cố trong mạng lưới cấp nước, nâng cao hiệu quả vận hành.

  3. Làm thế nào để phát hiện rò rỉ nước trong mạng lưới?
    Sử dụng thuật toán Darwin Calibrator trong WaterGEMS, dựa trên dữ liệu áp lực và lưu lượng thực tế, giúp xác định vị trí rò rỉ tiềm năng, giảm thời gian và chi phí tìm kiếm sự cố.

  4. Phần mềm GIS và WaterGEMS có thể tích hợp như thế nào?
    WaterGEMS có thể tích hợp trực tiếp với ArcGIS, cho phép đồng bộ dữ liệu không gian và thuộc tính, hỗ trợ quản lý tài sản và mô phỏng thủy lực trong cùng một môi trường làm việc.

  5. Lợi ích khi áp dụng mô hình quản lý mạng lưới cấp nước bằng GIS và WaterGEMS?
    Giúp nâng cao độ chính xác dữ liệu, giảm tổn thất nước, tăng hiệu quả vận hành, hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng và chính xác trong bảo trì, sửa chữa và mở rộng mạng lưới.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công cơ sở dữ liệu mạng lưới cấp nước khu đô thị Long Hưng trên nền tảng GIS, bao gồm hơn 500 điểm dữ liệu tài sản.
  • Mô hình thủy lực WaterGEMS mô phỏng chính xác áp lực và lưu lượng, đảm bảo tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt và hỗ trợ phát hiện sự cố.
  • Ứng dụng thuật toán Darwin Calibrator giúp giảm 40% thời gian tìm kiếm rò rỉ, nâng cao hiệu quả bảo trì mạng lưới.
  • Giải pháp tích hợp GIS và WaterGEMS góp phần tối ưu hóa vận hành, giảm sự cố áp lực thấp 25% và tăng độ tin cậy cấp nước.
  • Đề xuất mở rộng áp dụng mô hình trên toàn thành phố Biên Hòa, đồng thời đào tạo nhân lực và ứng dụng giám sát thời gian thực để nâng cao hiệu quả quản lý mạng lưới cấp nước.

Hành động tiếp theo là triển khai mở rộng mô hình, đồng bộ dữ liệu và đào tạo cán bộ vận hành nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước đô thị. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện để phát huy tối đa hiệu quả nghiên cứu.