Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi đóng vai trò then chốt trong phát triển nông nghiệp và đảm bảo an ninh nguồn nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng nhu cầu sử dụng nước. Tại Việt Nam, hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ, với dung tích hồ chứa khoảng 360 triệu m³ và diện tích tưới hơn 21.000 ha, là một trong những công trình trọng điểm phục vụ sản xuất nông nghiệp tại tỉnh Hà Tĩnh. Tuy nhiên, hiện trạng quản lý vận hành hệ thống này còn nhiều hạn chế, dẫn đến tình trạng phân phối nước không đồng đều, lãng phí nguồn nước và giảm năng suất cây trồng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, đánh giá hiện trạng thủy lợi và nhu cầu sử dụng nước của hệ thống Kẻ Gỗ, từ đó đề xuất phương án ứng dụng hệ thống SCADA (Giám sát và điều khiển từ xa) nhằm nâng cao hiệu quả quản lý vận hành. Nghiên cứu tập trung vào phạm vi hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2018, bao gồm các số liệu khí tượng, thủy văn, cơ cấu cây trồng và hoạt động vận hành thực tế.

Việc ứng dụng SCADA trong quản lý vận hành hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ không chỉ giúp giám sát, điều khiển tự động các công trình thủy lợi mà còn tối ưu hóa phân phối nước, giảm thất thoát và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hiện đại hóa công tác quản lý thủy lợi, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình quản lý vận hành hệ thống thủy lợi hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Mô hình SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực, điều khiển các thiết bị thủy lợi như cổng lấy nước, máy bơm, và phân phối nước chính xác theo nhu cầu.

  • Mô hình cân bằng nước và tính toán nhu cầu tưới: Áp dụng công thức FAO Penman-Monteith để xác định lượng bốc hơi tiềm năng (ETo) và nhu cầu nước của cây trồng, từ đó xây dựng kế hoạch tưới hợp lý.

  • Lý thuyết quản lý đa mục tiêu: Tối ưu hóa sử dụng tài nguyên nước, cây trồng và đất đai nhằm đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trường.

Các khái niệm chính bao gồm: nhu cầu nước cây trồng, chế độ tưới, hệ số tưới, cân bằng nước mặt ruộng, và các chỉ số đánh giá hiệu quả quản lý vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, liên ngành kết hợp với các công cụ hiện đại:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, tốc độ gió), thủy văn (lưu lượng nước, mực nước hồ), cơ cấu cây trồng, lịch thời vụ, và dữ liệu vận hành thực tế của hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ từ năm 2010 đến 2018.

  • Phương pháp chọn mẫu: Sử dụng số liệu khí tượng mưa vụ chiêm trong 34 năm (1980-2013) để xây dựng mô hình phân phối mưa và tính toán nhu cầu nước.

  • Phân tích số liệu: Áp dụng công thức Penman-Monteith để tính lượng bốc hơi tiềm năng, cân bằng nước mặt ruộng để xác định chế độ tưới cho các loại cây trồng chính như lúa và khoai lang.

  • Phương pháp đánh giá: So sánh hiệu quả quản lý vận hành trước và sau khi ứng dụng hệ thống SCADA dựa trên các chỉ số về phân phối nước, tiết kiệm nước và năng suất cây trồng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 2 năm, từ năm 2016 đến 2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích, xây dựng mô hình SCADA và đề xuất phương án vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng quản lý vận hành còn nhiều hạn chế: Hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ hiện tại vận hành thủ công, không có khả năng điều chỉnh linh hoạt theo biến động nhu cầu nước. Kết quả là khoảng 30% diện tích cuối kênh thường thiếu nước, trong khi đầu kênh thừa nước, gây lãng phí và giảm hiệu quả sử dụng.

  2. Nhu cầu nước tưới lớn và phân bố không đồng đều: Tổng nhu cầu nước tưới hàng năm của hệ thống khoảng 366 triệu m³, trong đó vụ Đông Xuân chiếm 43%, vụ Hè Thu 32%, và vụ Mùa 25%. Lượng bốc hơi trung bình năm lên tới 783,7 mm, với lượng mưa trung bình 2655,9 mm, phân bố không đều theo mùa.

  3. Ứng dụng SCADA nâng cao hiệu quả quản lý: Mô hình SCADA/MAC được đề xuất tích hợp đồng bộ phần mềm quản lý vận hành và giám sát điều khiển từ xa qua mạng Internet, giúp giảm thời gian phản hồi xuống còn vài phút so với hàng giờ trước đây. Thử nghiệm tại hệ thống Phước Thiện cho thấy tiết kiệm nước khoảng 15-20% và tăng năng suất cây trồng từ 10-12%.

  4. Phân bố và vận hành hệ thống SCADA hợp lý: Phương án bố trí SCADA tập trung tại các trạm làm việc chính, kết hợp với các cảm biến đo mực nước, độ ẩm đất và điều khiển cổng lấy nước tự động, giúp duy trì mực nước ổn định trong kênh chính và kênh nhánh, giảm thiểu thất thoát nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện trạng quản lý vận hành kém hiệu quả là do hệ thống vận hành thủ công, thiếu công nghệ giám sát và điều khiển tự động. So với các nghiên cứu quốc tế về mô hình SCADA như Klamath SCADA (Hoa Kỳ) hay FQM (Australia), hệ thống hiện tại chưa tận dụng được các ưu điểm về tự động hóa và tối ưu hóa phân phối nước.

Việc ứng dụng SCADA/MAC với chi phí đầu tư hợp lý, sử dụng thiết bị trong nước và phần mềm đồng bộ đã khắc phục được nhược điểm về chi phí và khả năng tích hợp. Dữ liệu thu thập được qua SCADA giúp xây dựng kế hoạch tưới chính xác hơn, giảm thất thoát nước và tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Biểu đồ phân phối lưu lượng nước trước và sau khi ứng dụng SCADA cho thấy sự cân bằng hơn trong phân phối nước giữa các khu vực đầu và cuối kênh, đồng thời bảng số liệu so sánh năng suất cây trồng cũng minh chứng cho hiệu quả cải thiện rõ rệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống SCADA đồng bộ trên toàn bộ hệ thống Kẻ Gỗ: Lắp đặt cảm biến mực nước, độ ẩm đất và thiết bị điều khiển tự động tại các trạm làm việc chính và kênh nhánh nhằm giám sát và điều khiển liên tục, nâng cao độ chính xác phân phối nước. Thời gian thực hiện: 2 năm. Chủ thể: Công ty Thủy lợi Kẻ Gỗ phối hợp với các đơn vị công nghệ.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành hệ thống SCADA, phân tích dữ liệu và lập kế hoạch tưới tiêu khoa học nhằm nâng cao trình độ chuyên môn và kỹ năng ứng dụng công nghệ. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Trường Đại học Thủy lợi và Công ty Thủy lợi Kẻ Gỗ.

  3. Xây dựng phần mềm quản lý vận hành tích hợp: Phát triển phần mềm quản lý vận hành thủy lợi tích hợp SCADA và mô hình cân bằng nước, hỗ trợ ra quyết định điều chỉnh vận hành theo thời gian thực. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi và đối tác công nghệ.

  4. Tăng cường đầu tư nâng cấp hạ tầng kênh mương: Hoàn thiện hệ thống kênh cấp II và cấp III còn thiếu, cải tạo các công trình tiêu thoát nước để giảm thất thoát và tăng khả năng điều tiết nước. Thời gian: 3 năm. Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hà Tĩnh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý thủy lợi: Nắm bắt các giải pháp công nghệ hiện đại trong quản lý vận hành, từ đó áp dụng vào thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả phân phối nước và bảo trì công trình.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp tính toán nhu cầu nước, mô hình SCADA và ứng dụng công nghệ trong quản lý thủy lợi, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  3. Các đơn vị tư vấn và thiết kế công trình thủy lợi: Áp dụng các mô hình và giải pháp SCADA được đề xuất để thiết kế hệ thống quản lý vận hành hiện đại, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả khai thác.

  4. Người nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Hiểu rõ về quy trình vận hành hệ thống thủy lợi hiện đại, từ đó phối hợp tốt hơn với đơn vị quản lý để sử dụng nước hợp lý, tăng năng suất cây trồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống SCADA là gì và có vai trò như thế nào trong quản lý thủy lợi?
    SCADA là hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, giúp thu thập dữ liệu thời gian thực và điều khiển các thiết bị thủy lợi tự động. Ví dụ, SCADA có thể tự động điều chỉnh cổng lấy nước theo nhu cầu thực tế, giảm thất thoát nước và tăng hiệu quả phân phối.

  2. Tại sao hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ cần ứng dụng SCADA?
    Hiện tại, hệ thống vận hành thủ công gây ra tình trạng phân phối nước không đồng đều, lãng phí nguồn nước. SCADA giúp giám sát liên tục, điều chỉnh kịp thời, nâng cao hiệu quả sử dụng nước và năng suất cây trồng.

  3. Chi phí đầu tư hệ thống SCADA có cao không?
    Chi phí đầu tư ban đầu có thể khá lớn nhưng với mô hình SCADA/MAC sử dụng thiết bị trong nước và phần mềm đồng bộ, chi phí được giảm đáng kể, đồng thời tiết kiệm nước và tăng năng suất sẽ bù đắp chi phí trong dài hạn.

  4. Làm thế nào để cán bộ vận hành có thể sử dụng hiệu quả hệ thống SCADA?
    Cần tổ chức đào tạo chuyên sâu về vận hành SCADA, phân tích dữ liệu và lập kế hoạch tưới tiêu khoa học. Ví dụ, cán bộ có thể theo dõi dữ liệu mực nước qua mạng Internet và điều chỉnh cổng lấy nước từ xa.

  5. Hệ thống SCADA có thể áp dụng cho các hệ thống thủy lợi khác không?
    Có thể áp dụng cho các hệ thống có quy mô tương tự hoặc lớn hơn, đặc biệt ở những vùng có mạng Internet và viễn thông ổn định. Việc tùy chỉnh phần mềm và thiết bị phù hợp với điều kiện địa phương là cần thiết.

Kết luận

  • Hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ hiện còn nhiều hạn chế trong quản lý vận hành, gây lãng phí nước và giảm năng suất cây trồng.
  • Nhu cầu nước tưới hàng năm khoảng 366 triệu m³, phân bố không đồng đều theo mùa và khu vực.
  • Ứng dụng hệ thống SCADA/MAC giúp giám sát, điều khiển tự động, nâng cao hiệu quả phân phối nước và tiết kiệm khoảng 15-20% nước tưới.
  • Đề xuất phương án bố trí, phân bố và vận hành SCADA đồng bộ, kết hợp đào tạo cán bộ và nâng cấp hạ tầng kênh mương.
  • Khuyến nghị triển khai trong vòng 2-3 năm, đồng thời phát triển phần mềm quản lý tích hợp và mở rộng ứng dụng cho các hệ thống thủy lợi khác.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý thủy lợi cần phối hợp triển khai thử nghiệm hệ thống SCADA, đồng thời xây dựng kế hoạch đào tạo và nâng cấp hạ tầng để hiện đại hóa công tác quản lý vận hành, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững và thích ứng với biến đổi khí hậu.