Chủ đề 8 ỨNG DỤNG GIS TRONG CÔNG TÁC QUẢN LÝ MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC VÀ KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC Thành viên 1 DƯƠNG BAO KHOA 2 NGUYỄN MINH CHÁNH 3 BÙI QUANG HUY LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, công nghệ thông tin đang phát triển mạnh mẽ và thâm nhập sâu vào hầu hết các ngành khoa học, các hoạt động thực tiễn và quản lý, đặc biệt là sự ra đời và phát triển của GIS Đây là một ngành công nghệ mới, hiện đại được ứng dụng trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực ở khắp nơi trên thế giới nhằm hiện đại hoá công tác quản lý.
Trang 1Chủ đề 8
ỨNG DỤNG GIS TRONG CÔNG TÁC QUẢN
LÝ MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC VÀ KIỂM SOÁT
CHẤT LƯỢNG NƯỚC
Thành viên
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, công nghệ thông tin đang phát triển mạnh mẽ và thâm nhập sâu vào hầu hết các ngành khoa học, các hoạt động thực tiễn và quản lý, đặc biệt là sự ra đời và phát triển của GIS Đây là một ngành công nghệ mới, hiện đại được ứng dụng trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực ở khắp nơi trên thế giới nhằm hiện đại hoá công tác quản lý, xử lý, phân tích, quy hoạch và tăng cường năng lực công tác cho người quản lý cho phép chúng ta lưu trữ, thể hiện và thực hiện hàng loạt các phép phân tích phức tạp một cách nhanh chóng, chính xác Các công ty cấp thoát nước có một lượng lớn tài sản luôn cần phải theo dõi và quản lý, bảo dưỡng và vận hành liên tục Trong công tác này thì bản đồ hiện trạng mạng lưới cấp nước là tài liệu chuyên ngành rất quan trọng và cần thiết Trong thời gian vừa qua, hệ thống bản đồ mạng lưới cấp nước được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp thủ công trên giấy hoặc theo ghi chép của từng người do đó gặp rất nhiều khó khăn trong công tác quản lý cũng như vận hành bảo dưỡng thường xuyên Mặc khác, trong công tác quản lý cấp nước, các thông tin thường phải được cập nhật thường xuyên và với khối lượng lớn Hơn nữa, việc tổng hợp số liệu để theo dõi, quản lý thường mất thời gian do phải tổng hợp từ nhiều nguồn Đặc biệt, yếu tố không gian của số liệu rất quan trọng vì đa
số đây là các công trình ngầm và có lịch sử sử dụng trên chục năm, hơn thế nữa nó còn chứa nhiều thông tin GIS, với khả năng mạnh về phân tích, quản lý dữ liệu không gian, rất phù hợp trong công tác này Do đó việc ứng dụng GIS quản lý cấp nước là hết sức cần thiết
Nôi dung bài báo cáo gồm 3 phần:
Chương 1 : GIS
Chương 2 : Ứng dụng GIS về mạng lưới cấp nước
Chương 3 : Ứng dụng GIS trong công tác kiểm soát chất lượng nước
Table of Contents
1.GIS
Trang 31.1Định nghĩa
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems).
Bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người
Nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý
1.2Các thành phần
Phần cứng: bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi
Phần mềm: là bộ não của hệ thống, phần mềm GIS rất đa dạng và có thể chia làm 3 nhóm (nhóm phần mềm quản đồ họa, nhóm phần mềm quản trị bản đồ và nhóm phần mềm quản trị, phân tích không gian)
Dữ liệu: bao gồmdữ liệukhông gian (dữ liệu bản đồ) và dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian) Dữ liệu không gian miêu tả vị trí địa lý của đối tượng trên
bề mặt Trái đất Dữ liệu thuộc tính miêu tả các thông tin liên quan đến đối tượng, các thông tin này có thể được định lượng hay định tính
Phương pháp: một phần quan trọng để đảm bảo sự hoạt động liên tục và có hiệu quả của hệ thống phục vụ cho mục đích của người sử dụng
Con người: Trong GIS, thành phần con người là thành phần quan trọng nhất bởi con người tham gia vào mọi hoạt động của hệ thống GIS (từ việc xây dựng cơ sở
dữ liệu, việc tìm kiếm, phân tích dữ liệu…) Có 2 nhóm người quan trọng là người sử dụng và người quản lý GIS
1.3 Chức năng
Thu thập dữ liệu: là công việc khó khăn và nặng nề nhất trong quá
trình xây dựng một ứng dụng GIS Các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau như dữ liệu đo đạc từ thực địa, dữ liệu từ các loại bản đồ, dữ liệu thống kê…
Thao tác dữ liệu: vì các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn có
định dạng khác nhau và có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng và thao tác theo một số cách để tương thích với hệ thống Ví dụ: các thông tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (lớp dân cư trên bản đồ địa chính được
Trang 4thể hiện chi tiết hơn trong bản đồ địa hình) Trước khi các thông tin này được tích hợp với nhau thì chúng phải được chuyển về cùng một
tỷ lệ (cùng mức độ chi tiết hoặc mức độ chính xác) Đây có thể chỉ là
sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích
Quản lý dữ liệu: là một chức năng quan trọng của tất cả các hệ
thông tin địa lý Hệ thống thông tin địa lý phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu đồng thời quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật tự rõ ràng Một yếu tố quan trọng của GIS là khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu (sự liên kết giữa dữ liệu không gian
và thuộc tính của đối tượng) Các dữ liệu thông tin mô tả cho một đối tượng bất kỳ có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chúng Sự liên kết đó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành GIS
Hỏi đáp và phân tích dữ liệu: Khi đã xây dựng được một hệ thống
cơ sở dữ liệu GIS thì người dùng có thể hỏi các câu hỏi đơn giản như:
o Thông tin về thửa đất: Ai là chủ sở hữu của mảnh đất? Thửa đất rộng bao nhiêu
m2?
o Tìm đường đi ngắn nhất giữa hai vị trí A và B?
o Thống kê số lượng cây trồng trên tuyến phố?
o Hay xác định được mật độ diện tích trồng cây xanh trong khu vực đô thị?
GIS cung cấp khả năng hỏi đáp, tìm kiếm, truy vấn đơn giản “chỉ nhấn và nhấn”
và các công cụ phân tích dữ liệu không gian mạnh mẽ để cung cấp thông tin một cách nhanh chóng, kịp thời, chính xác, hỗ trợ ra quyết định cho những nhà quản
lý và quy hoạch
Hiển thị dữ liệu: GIS cho phép hiển thị dữ liệu tốt nhất dưới dạng
bản đồ hoặc biểu đồ Ngoài ra còn có thể xuất dữ liệu thuộc tính ra các bảng excel, tạo các bản báo cáo thống kê, hay tạo mô hình 3D,
và nhiều dữ liệu khác
1.4 Chức năng của GIS với quản lý môi trường:
Công nghệ GIS đã cung cấp các phương tiện để quản lý và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường ngày càng hữu hiệu hơn Xu hướng hiện nay trong quản lý môi trường là sử dụng tối đa khả năng cho phép của GIS Sự phát triển của phần cứng làm
Trang 5cho máy tính có nhiều khả năng hơn, mạnh hơn và các ứng dụng GIS cũng trở nên thân thiện hơn với người sử dụng bởi các khả năng hiển thị dữ liệu ba chiều, các công
cụ phân tích không gian và giao diện tuỳ biến Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý môi trường Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc GIS cũng được sử dụng để đánh giá các sự cố môi trường Các cơ quan chính phủ và địa phương phải đối phó nhanh chóng với thiên tai, các rủi ro trong công nghiệp và các sự
cố môi trường
Trang 62.ỨNG DỤNG GIS VỀ MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC.
2.1.Mạng lưới cấp nước.
2.1.1Tổng quan
2.1.1.1Giới thiệu
Mạng lưới cấp nước là tập hợp các loại đường ống với các cỡ kích thước khác nhau, làm nhiệm vụ vận chuyển và phân phối nước đến các điểm dùng nước trong phạm vi thiết kế
Mạng lưới cấp nước phải đảm bảo các yêu cầu:
- Cung cấp đủ lưu lượng tới mọi đối tượng dùng nước dưới
áp lực yêu cầu và chất lượng tốt
- Cung cấp nước thường xuyên, liên tục, chắc chắn tới mọi đối tượng dùng nước trong phạm vi thiết kế
- Chi phí xây dựng và quản lý mạng lưới rẻ nhất
2.1.1.2.Hiện trạng
Các nhà máy nước: Tính đến năm 2008, toàn quốc có khoảng gần 300 nhà máy nước với tổng công suất 5 triệu m3/ngày đêm Nhưng chỉ có một số nhà máy được xây mới, cải tạo, còn lại các nhà máy cũ vẫn dùng công nghệ lạc hậu, chưa có điều kiện quản lý tự động hoá
Mạng lưới đường ống: Tổng chiều dài đường ống làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối nước trên toàn bộ hệ thống cấp nước trong cả nước vào khoảng 15.000 km Trong số đó có tới trên 30% đã được lắp đặt trên 30 năm chưa được sửa chữa thay thế nên nhiều đường ống xuống cấp và hư hỏng gây thất thoát nước
Trang thiết bị kỹ thuật chuyên dùng trên mạng lưới còn thiếu và lạc hậu.Các thiết bị điều khiển từ xa chưa được tăng cường, nên việc quản lý mạng lưới hầu hết mang tính chất thủ công Chưa có nhiều giải pháp hữu hiệu trong quản lý và vận hành tự động hoá các trang thiết bị kỹ thuật chuyên dùng trên mạng lưới
2.1.2.Quản lý mạng lưới cấp nước.
2.1.2.1.Giới thiệu
Hệ thống quản lý mạng lưới cấp nước là một hệ thống trợ giúp cho con người để quản lý trong lĩnh vực cấp nước sinh hoạt, được tự động hóa nhằm làm giảm tối
Trang 7đa sức lao động băng chân tay, và các thao tác thủ công nhưng vẫn thực hiện được đầy đủ các chức năng nghiệp vụ trong hệ thống cấp nước
Hệ thống phải đảm bảo duy trì hệ thống hoạt động từ việc lắp đặt hệ thống bơm dẫn, tích trữ, xây lắp mạng lưới dẫn nước, các điểm xử lý, và đưa nước sạch vào
hộ dân, quản lý hệ thống hóa đơn, đồng hồ, duy tu, bảo dưỡng hệ thống, quản lý tài sản,…
2.1.2.2.Hiện trạng
Hiện nay việc quản lý các số liệu của mạng lưới cấp nước toàn
TP vẫn còn thực hiện theo cách thủ công
Toàn bộ hệ thống mạng lưới cấp nước TP hiện tại đang được chứa trong hơn 730 bản vẽ bằng giấy, khổ từ A0 đến A1, các tỉ
lệ bản vẽ là 1/2000, 1/1000, 1/500 Các bản vẽ này đã được thực hiện từ những năm 1960 - 1970, tức là trước cả khi hệ thống cấp nước sông Ðồng Nai được xây dựng Do vậy mà hiện nay các bản vẽ này đang trong tình trạng cũ nát, rách rưới, vá víu nhiều chỗ, thậm chí có bản còn bị mất hẳn một phần nội dung
2.2.Giải pháp – kết hợp GIS – SCADA – WATERGEMS
2.2.1 GIS
Cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý GIS quản lý các đối tượng thuộc mạng lưới cấp nước Mô hình cơ sở dữ liệu được thiết kế theo mô hình Geodatabase, có dữ liệu GIS nền địa lý tham chiếu và các lớp dữ liệu GIS chuyên ngành mạng lưới cấp nước, dữ liệu GIS chuyên ngành được phân tách thành 10 lớp sau: (1) Thủy đài, (2) Đồng hồ Khách hàng với nhu cầu dùng nước, (3) Đồng hồ tổng (tại các đầu vào của DMA/DMZ), (4) Trụ cứu hỏa, (5) Máy bơm, (6) Trạm bơm, (7) Điểm đấu nối (Tê, Co, Thập, Khuỷu), (8) Van, (9) Đường ống, (10) DataLogger của hệ thống SCADA Cơ sở dữ liệu được tổ chức lưu trữ trên máy chủ (server) và quản trị bằng hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server hoặc Oracle Đây cũng chính cơ sở dữ liệu được sử dụng trong phần mềm quản lý tài sản mạng lưới cấp nước và đồng thời là giá trị đầu vào để cân chỉnh mô hình (Calibration) trên máy tính gần đúng với hiện trạng thực tế của mạng lưới cấp nước Việc này có ý nghĩa rất lớn trong việc giả lập các kịch bản sẽ xảy ra của mạng lưới cấp nước
2.2.2 SCADA
Hệ thống SCADA giám sát mạng lưới là các thiết bị Datalogger GSM/GPRS giám sát từ xa và phần mềm trên nền Web Các Datalogger được lắp đặt tại đầu ra của các nhà máy cấp nước và tại các ví trí đầu vào của mỗi DMA hoặc DMZ trên các tuyến ống chính, thu thập các thông số: áp lực, lưu lượng và chất lượng nước (pH,
Trang 8Clor dư, Độ đục), truyền số liệu về máy chủ (Server) thông qua môi trường không dây GSM dùng dịch vụ GPRS/3G do các nhà mạng viễn thông trong nước (Vietel, Mobifone, Vinaphone) cung cấp theo phương thức FTP (File Transfer Protocol) Đây là giá trị đầu vào cho phần mềm WaterGEMS để tính toán khoanh vùng rò rỉ, thông qua công cụ ScadaConnect tự động kết nối dữ liệu với phần mềm SCADA
2.2.3 WATERGEMS
Phần mềm Bentley WaterGEMS được phát triển bởi hãng Bentley
Bentley WaterGEMS là phần mềm ứng dụng mô hình hóa thủy lực, mô phỏng chất lượng nước trong hệ thống phân phối nước với khả năng tương tác tiên tiến, xây dựng mô hình không gian địa lý và tích hợp các công cụ quản lý Bentley WaterGEMS cung cấp một môi trường làm việc dễ dàng cho phép người dùng có thể phân tích, thiết kế, tối ưu hóa hệ thống cấp nước Bentley WaterGEMS có thể vận hành trên các phần mềm như: MicroStation, AutoCAD, chế độ độc lập Stand Alone và đặc biệt là ArcGIS
Người dùng có thể sử dụng Bentley WaterGEMS để giải quyết những vấn đề sau:
• Phân tích thủy lực theo thời gian của hệ thống phân phối nước với các đối tượng như Bơm, Bể chứa, Đường ống, Ống nối, Van,…
• Thực hiện dự báo mô phỏng thời gian kéo dài để phân tích khả năng phản ứng của
hệ thống thủy lực với những nhu cầu cung cấp và tiêu thụ nước khác nhau
• Phân tích lưu lượng chữa cháy trong điều kiện khắc nghiệt của hệ thống − Ứng dụng chức năng quản lý kịch bản, so sánh các tình huống khác nhau trong hệ thống thủy lực
• Hiệu chỉnh mô hình tự động với công cụ Darwin Calibrator thông qua thuật toán
di truyền 13
• Đặc biệt, chạy trên ứng dụng của các phần mềm khác như MicroStation, AutCAD
và ArcGIS cho phép ứng dụng hệ thống thông tin địa lý giải quyết các vấn đề thủy lực mạng lưới đường ống
WATERGEMS có các tính năng sau:
• Cải tạo mạng lưới
Trang 9Thuật toán Darwin Designer hỗ trợ người kỹ sư quyết định giải pháp, cải tạo mạng lưới cân đổi giữa ràng buộc yêu cầu và chi phí đầu tư
• Phát hiện rò rỉ
Với công cụ Darwin Calibrator, ứng dụng thuật toán di truyền sẽ giúp phát hiện vị trí rò rỉ trên đường ống, giúp giảm thời gian, nhân lực tìm kiếm trên mạng lưới
• Vận hành van
Tối ưu hóa cô lập vùng sự cố bằng van, phân tích ảnh hưởng áp suất, lưu lượng khi đóng van trên toàn mạng lưới, đánh giá giảm nhu cầu tiêu thụ trên mạng lưới khi đóng van Giải pháp DMA cho mạng
• Quản lý súc xả đường ống
Xác định các đường ống cần súc xả theo định kỳ hoặc xảy ra sự cố Phân tích các chỉ số yêu cầu (vận tốc, áp lực) trong quá trình súc xả
• Phân tích chất lượng nước
Phân tích chất lượng nước theo từng chỉ tiêu trên toàn mạng lưới thay đổi theo thời gian: Clo dư, pH, TDS, Age, Tracing, THMs…
• Phát triển mạng lưới
Phân tích quy mô mạng lưới cần mở rộng, ảnh hưởng trên toàn mạng lưới, cân đối các ràng buộc về (áp suất, vận tốc, lưu lượng) với chi phí đầu tư
• Mô phỏng theo thời gian thực (Real time)
Lấy dữ liệu tự động từSCADA server, và mô phỏng mạng lưới theo thời gian thực
• Phân vùng áp lực và quản lý vùng áp lực
Thiết lập vùng áp lực đảm bảo áp lực trên khu vực có chênh cao lớn trên mạng lưới
Thay đổi biên vùng áp lực, áp lực cài đặt qua van, để đạt được áp lực yêu cầu khi vùng áp lực không đạt áp suất, lưu lượng yêu cầu
Trang 102.3 Kết luận:
Với việc kết hợp công nghệ GIS, công nghệ SCADA và công nghệ phần mềm WaterGEMS sẽ tạo ra công cụ quản lý mạng lưới cấp nước đồng bộ trên một nền cơ sở
dữ liệu GIS thống nhất nhằm tăng hiệu quả trong công tác quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước Ngoài ra, giải pháp này cũng đã thực hiện các công việc chuẩn hóa, tổ chức, tham chiếu địa lý các đối tượng thuộc mạng lưới cấp nước và lưu trữ vào cấu trúc cơ sở
dữ liệu GIS là Geodatabase Đây là nguồn dữ liệu phục vụ cho việc phân tích và thống kế không gian và thuộc tính, liên kết và sử dụng được trong các hệ thống khác như hóa đơn khách hàng sử dụng nước hàng tháng, quản lý tài sản mạng lưới cấp nước
Hệ thống kết hợp giữa bài toán phân tích dựa trên mô hình hóa của phần mềm WaterGEMS và số liệu thực tế truyền về từ hệ thống SCADA trên mạng lưới cấp nước giúp cho việc đánh giá, giám sát các khu vực có nguy cơ rò rỉ cao, phát hiện và khoanh vùng rò rỉ, phục vụ cho công tác phòng và chống thất thoát nước hiệu quả hơn
