NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HIỆN ĐẠI HÓA QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƢỚI

Ở những nước phát triển và một số nước đang phát triển, nhiều HTT đã được trang bị hiện đại và được QLVH, giám sát điều khiển tự động từ xa nhờ việc sử dụng các mô hình hiện đại hóa quản

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGÔ ĐĂNG HẢI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HIỆN ĐẠI HÓA

QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƯỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016

Footer Page 1 of 148

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGÔ ĐĂNG HẢI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HIỆN ĐẠI HÓA

Trang 3

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả luận án xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và những kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo, trích dẫn các nguồn tài liệu đã được ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Ngô Đăng Hải

Trang 4

Tác giả luận án cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã hỗ trợ, động viên, chia sẻ khó khăn trong suốt thời gian nghiên cứu, làm luận án

Trang 5

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

5 Những đóng góp mới của luận án 6

6 Cấu trúc của luận án 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 8

1.1.1 Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động 9

1.1.1.1 Khái quát chung 9

1.1.1.2 Ưu điểm 13

1.1.1.3 Hạn chế 13

1.1.1.4 Phạm vi áp dụng và khả năng ứng dụng vào Việt Nam 14

 Nhận xét và đánh giá 15

1.1.2 Các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA) 16

1.1.2.1 Khái quát chung 16

1.1.2.2 Ưu điểm 18

1.1.2.3 Hạn chế 19

1.1.2.4 Phạm vi áp dụng và khả năng ứng dụng vào Việt Nam 19

 Nhận xét và đánh giá 20

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 21

1.2.1 Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động……… 21

1.2.1.1 Quản lý điều hành HTTN Đan Hoài (QLĐH Đan Hoài) 21

1.2.1.2 Hệ thống bán tự động quản lý điều hành HTTN Thạch Nham 22

1.2.1.3 Quản lý điều hành HTTN Bắc Hưng Hải (QLĐH Bắc Hưng Hải) 23

Trang 6

iv

1.2.1.4 Nghiên cứu cải tiến mô hình IMSOP để điều hành phân phối nước hợp lý, nâng cao hiệu quả sử dụng nước của hệ thống tưới bằng bơm ở đồng bằng sông Hồng

(Mô hình IMSOP cải tiến) 24

1.2.2 Các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa 24

1.2.2.1 Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến từng bước hiện đại hoá công tác quản lý điều hành hệ thống thuỷ nông Phù Sa, Hà Tây (Mô hình SCADA/MAC) 24

1.2.2.2 Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến trong quản lý vận hành hệ thống thuỷ nông Ấp Bắc - Nam Hồng (Mô hình VKHTLMB SCADA) 26

1.2.2.3 Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quản lý điều hành hệ thống thuỷ lợi Gò Công (Mô hình VKHTLMN SCADA) 27

1.2.2.4 Báo cáo thiết kế chi tiết SCADA Yên Lập (Mô hình BCEOM1 SCADA) 28

1.2.2.5 Báo cáo thiết kế chi tiết SCADA Cầu Sơn - Cấm Sơn và Kẻ Gỗ (Mô hình BCEOM2 SCADA) 29

1.2.2.6 Hiện đại hóa hệ thống tưới Phú Ninh và Đá Bàn (Mô hình HASKONING SCADA) 30

1.2.2.7 Hệ thống SCADA cho kênh chính Dầu Tiếng và hệ thống tưới Củ Chi (Mô hình BRLI SCADA) 30

* Nhận xét và đánh giá: 31

1.3 Định hướng nghiên cứu xây dựng, phát triển mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 32

Kết luận chương 1 35

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Nội dung nghiên cứu 37

2.2 Phương pháp nghiên cứu 45

2.2.1 Phương pháp mô hình hóa 45

2.2.1.1 Mô hình hóa bài toán quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới 45

2.2.1.2 Mô hình hóa bài toán quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế 53

2.2.2 Phương pháp dự báo thích nghi các yếu tố khí tượng, thuỷ văn 57

2.2.3 Phương pháp lập trình 60

2.2.4 Phương pháp thí nghiệm, thực nghiệm 60

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 62

3.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 62

3.1.1 Mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” hệ thống tưới 62

3.1.1.1 Mô hình hóa các hàm mục tiêu 62

3.1.1.2 Các điều kiện ràng buộc 66

3.1.1.3 Các biến (tham số) quyết định 68

3.1.1.4 Các kết quả đầu ra 68

Trang 7

v

3.1.1.5 Kết quả nghiên cứu phát triển thuật toán lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới 69 3.1.1.6 Kết quả xây dựng phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới 73

* Nhận xét và đánh giá: 753.1.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc (thời gian thực) 75

3.1.2.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ giám sát, cập nhật số liệu quan trắc thực tế 75 3.1.2.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ

xa 79 3.1.2.3 Kết quả xây dựng phần mềm quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc 81

3.1.3 Kết quả nghiên cứu hiện đại hóa quản lý vận hành và giám sát, điều khiển hệ thống tưới thông qua mạng Internet và hệ thống viễn thông di động toàn cầu 82

3.1.3.1 Trang web hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 82 3.1.3.2 Cơ sở dữ liệu trực tuyến 84 3.1.3.3 Kết quả xây dựng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 86 3.1.3.4 Kết quả nghiên cứu từng bước hiện đại hóa giám sát, điều khiển cho các HTT đang được quản lý vận hành bằng thủ công và giai đoạn quá độ tiến tới tự động hóa 89

3.1.4 Kết quả nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển hệ thống tưới 91

3.1.4.1 Kết quả phát triển, ứng dụng công nghệ giám sát và điều khiển HTT theo hướng truyền thông hiện đại và lựa chọn thiết bị GS&ĐK đi kèm hợp lý 91 3.1.4.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng công cụ thực hiện hiện đại hóa quản lý vận hành miễn phí cho các công ty QLKT CTTL 93

3.1.5 Kết quả nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý các công trình trên hệ thống tưới 943.1.6 Kết quả nghiên cứu cải tiến, phát triển bộ công cụ đánh giá hiệu quả quản lý khai thác và hỗ trợ quy trình nâng cao hiệu quả của hệ thống tưới 96

3.1.6.1 Cải tiến, phát triển bộ chỉ số đánh giá hiệu quả quản lý khai thác HTT 96 3.1.6.2 Xây dựng bộ công cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả và hỗ trợ nâng cao hiệu quả quản lý khai thác các HTT 100

3.1.7 Kết quả tổng hợp và liên kết các thành phần trong mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 1023.2 Kết quả ứng dụng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 1043.2.1 Địa điểm ứng dụng mô hình 1043.2.2 Kết quả lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” hệ thống tưới Phù Sa 108

3.2.2.1 Các số liệu đầu vào 108 3.2.2.2 Kết quả ứng dụng mô hình lập kế hoạch quản lý khai thác "tối ưu“ tại HTT Phù Sa 115

Trang 8

vi

3.2.3 Kết quả ứng dụng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu

quan trắc thực tế 125

3.2.3.1 Kết quả tính toán kiểm định mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới bằng các số liệu quan trắc năm 2011 125

3.2.3.2 Kết quả ứng dụng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế 126

3.2.4 Kết quả ứng dụng công nghệ hiện đại hóa quản lý vận hành, GS&ĐK hệ thống tưới thông qua mạng Internet và hệ thống viễn thông di động toàn cầu 129

3.2.4.1 Kết quả ứng dụng website hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới http://www.hiendaihoaqlvh.com 129

3.2.4.2 Kết quả ứng dụng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 131

3.2.5 Kết quả ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển hệ thống tưới 132

3.2.6 Kết quả xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý các công trình trên hệ thống tưới Phù Sa 135

3.2.7 Kết quả ứng dụng bộ công cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả và hỗ trợ nâng cao hiệu quả quản lý khai thác HTT Phù Sa 136

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138

1 Kết luận 138

2 Kiến nghị 140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 142

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

PHỤ LỤC 148

Phụ lục 1: Thông tin chi tiết về các mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT 148

Phụ lục 2: Các số liệu khí tượng, thủy văn; chế độ tưới và tài liệu liên quan đến quản lý khai thác của Công ty TNHH MTV Thủy lợi Sông Tích 156

Phụ lục 3: Kết quả tính toán dự báo khí tượng, thủy văn theo mô hình ARIMA 175

Phụ lục 4: Các kết quả tính toán chi tiết về lập kế hoạch khai thác “tối ưu” HTT 180

Phụ lục 5: Những sơ đồ thuật toán và các chương trình phần mềm chính 194

Trang 9

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Diễn biến lớp nước mặt ruộng và độ ẩm đất được quan trắc từ vệ tinh 17

Hình 1.2: FarmConnect giám sát và thông báo độ ẩm đất từ vệ tinh 18

Hình 1.3: Cấu trúc tổng thể của mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT 34

Hình 2.1: HTT với cấu trúc phân cấp, đa mục tiêu và nhiều người ra quyết định 48

Hình 2.2: Mô hình cấu trúc tổng quát bài toán quản lý khai thác HTT 49

Hình 2.3: Cấu trúc HTT và mối quan hệ hữu cơ giữa các thành phần 50

Hình 2.4: Sơ đồ khối xây dựng và dự báo theo mô hình ARIMA(p, d, q) 59

Hình 3.1: Tổng mức tưới thay đổi khi dịch chuyển thời vụ gieo trồng 65

Hình 3.2: Thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng 72

Hình 3.3: Giao diện khai báo số các biến quyết định của bài toán 73

Hình 3.4: Giao diện thiết lập bài toán “tối ưu“ và nhập các số liệu đầu vào 73

Hình 3.5: Giao diện tính toán các biến quyết định T0_c,v, Sc,v, Mc,v và chế độ tưới 74

Hình 3.6: Giao diện tính toán các phương án tối ưu Pareto 74

Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán cập nhập các số liệu quan trắc 76

Hình 3.8: Mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc 77

Hình 3.9: Giao diện website dùng cho cập nhật các dữ liệu quan trắc bằng thủ công 78

Hình 3.10: Sơ đồ thuật toán tính toán quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc 80

Hình 3.11: Giao diện trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com 82

Hình 3.12: Giao diện và các trình đơn của trang “Mô hình HĐH quản lý vận hành” 83

Hình 3.13: Trang cập nhật các yếu tố khí tượng từ chuyên mục Dự báo thời tiết 84

Hình 3.14: Cấu trúc cơ sở dữ liệu hiện đại hóa quản lý vận hành HTT 84

Hình 3.15: Cơ sở dữ liệu OnMs về vận hành công trình 85

Hình 3.16: Cập nhật, lưu trữ và truy xuất các dữ liệu trên trang chủ 85

Hình 3.17: Giao diện khai báo số chỉ số cần giám sát và số tham số cần điều khiển 86

Hình 3.18: Giao diện nhập tên các chỉ số cần giám sát và tham số cần điều khiển 87

Hình 3.19: Sơ đồ thuật giải phần mềm HĐHQLVH 88

Hình 3.20: Mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc 88

Hình 3.21: Giao diện trang web “Giám sát và Điều khiển“ 90

Hình 3.22: Phương thức cập nhật số liệu khí tượng, thủy văn qua mạng Internet 90

Hình 3.23: Các chức năng vi xử lý của modem IP F2164 3G RTU 91

Hình 3.24: Cấu trúc mạng GS&ĐK sử dụng modem F2X64 và F2X14 91

Hình 3.25: Thiết lập hệ thống giám sát và điều khiển 93

Hình 3.26: Cấu trúc của cơ sở dữ liệu và những thông số quản lý các công trình 95

Hình 3.27: Tính toán bộ chỉ số hiệu quả và so sánh với các chỉ tiêu phấn đấu 101

Hình 3.28: Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới 103

Hình 3.29: Bản đồ hệ thống tưới Phù Sa 105

Hình 3.30: Giao diện kết quả mô hình hóa, thiết lập bài toán lập kế hoạch 115

Hình 3.31: Tính toán chế độ tưới cho các loại cây trồng 117

Trang 10

viii

Hình 3.32: Kết quả tính toán các biến quyết định T0_c,v, Sc,v, Mc,v , chế độ tưới 118

Hình 3.33: Kết quả tính toán xác định các phương án tối ưu Pareto 119

Hình 3.34: Kết quả tính toán xác định các biến quyết định “tối ưu” 121

Hình 3.35: Cảm biến đo mực nước sông Hồng trước cống Phù Sa 126

Hình 3.36: Cảm biến đo mực nước bể xả trạm bơm Phù Sa 127

Hình 3.37: Thiết bị điều khiển IP Modem - RTU F2164 tại trạm bơm Phù Sa 127

Hình 3.38: Đồ thị cập nhật quá trình lớp nước mặt ruộng và độ ẩm đất tại HTT Phù Sa 128

Hình 3.39: Website http://www.hiendaihoaqlvh.com cung cấp, phổ biến các thông tin, tài liệu phục vụ công tác hiện đại hóa tưới trên toàn quốc 130

Hình 3.40: Công cụ hỗ trợ triển khai và thực hiện công tác hiện đại hóa 130

Hình 3.41: Giao diện hướng dẫn triển khai, thực hiện công tác hiện đại hóa QLVH 131 Hình 3.42: Giao diện QLVH và giám sát, điều khiển HTT trên Website hiện đại hóa http://www.hiendaihoaqlvh.com 132

Hình 3.43: Giao diện quản lý công trình trực tuyến (Bản đồ số hóa và cơ sở dữ liệu) 135

Hình 3.44: Công cụ theo dõi lịch duy tu, sửa chữa định kỳ và nhắc việc tự động 135

Hình 3.45: Kết quả ứng dụng bộ công cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả 136

Trang 11

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân loại và những tính năng cơ bản của các mô hình hiện đại hóa quản lý

vận hành HTT được áp dụng phổ biến trên thế giới 10

Bảng 1.2: Tổng hợp những ưu, nhược điểm cơ bản của các mô hình hiện đại hóa QLVH và hướng phát huy, khắc phục 33

Bảng 3.1: 20 chỉ số hiệu quả được lựa chọn và sửa đổi từ các chỉ số của “BenchMarking in Irrigation and Drainage Sector“ 97

Bảng 3.2: Bộ chỉ số (mở rộng) đánh giá hiệu quả quản lý khai thác HTT 99

Bảng 3.3: Nhiệt độ không khí khu vực Phù Sa (oC) 106

Bảng 3.4: Độ ẩm không khí khu vực Phù Sa (%) 106

Bảng 3.5: Lượng bốc hơi đo bằng ống Piche (mm) 106

Bảng 3.6: Thống kê các yếu tố khí tượng và mực nước theo năm 109

Bảng 3.7: Kết quả xác định tham số p, q và các thông số cho các mô hình 110

Bảng 3.8: Lịch lấy nước (xả nước) phục vụ gieo cấy vụ Đông - Xuân 2013 – 2014 113 Bảng 3.9: Các tài liệu về nông nghiệp 113

Bảng 3.10: Kết quả tính toán các biến quyết định “tối ưu” về thời vụ gieo trồng, 120

Bảng 3.11: Các hàm mục tiêu theo phương án tối ưu Pareto 121

Bảng 3.12: So sánh, đánh giá các kết quả tính toán và số liệu QLVH 122

Bảng 3.13: Quá trình lưu lượng yêu cầu cho vụ chiêm 2014 tại đầu HTT Phù Sa 123

Bảng 3.14: Kế hoạch vận hành HTT Phù Sa trong vụ chiêm 2014 124

Bảng 3.15: Thời gian sinh trưởng và công thức tưới tăng sản 125

Bảng 3.16: Các chỉ tiêu cơ lý của đất khu vực Phù Sa 125

Bảng 3.17: Lượng nước tưới còn thiếu và ước tính hệ số năng suất tương đối 129

Bảng 3.18: Chi phí xây dựng hệ thống SCADA Yên Lập theo dự toán của VWRAP (Bản gốc tiếng Anh) 133

Bảng 3.19: Chi phí xây dựng hệ thống SCADA Yên Lập theo dự toán của VWRAP (Dịch từ bản gốc sang tiếng Việt) 134

Bảng 3.20: Chi phí trực tiếp xây dựng hệ thống SCADA Yên Lập theo công nghệ mới SCADA (IP Modem - RTU) đã được nghiên cứu đề xuất 134

Trang 12

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADB The Asian Development Bank (Ngân hàng phát triển châu Á) CSDL Cơ sở dữ liệu

CSDLQH Cơ sở dữ liệu quan hệ

ĐHTL Đại học Thuỷ lợi

EAO Exploitation Assistée Par Ordinateur (Quản lý khai thác với sự trợ

giúp của máy tính) FAO The Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ

chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc) FQM Flow and Quality Management (Quản lý dòng chảy và chất lượng

nước) GS&ĐK Giám sát và Điều khiển

ICID The International Commission on Irrigation and Drainage (Uỷ ban

tưới tiêu Quốc tế) IIASA The International Institute for Applied Systems Analysis (Viện

phân tích hệ thống ứng dụng Quốc tế) INCA Irrigation Network Control and Analysis (Điều khiển và phân tích

hệ thống tưới) KHDN Kế hoạch dùng nước

KH&KT Khoa học và kỹ thuật

KHTL Khoa học thuỷ lợi

KTTV Khí tượng thuỷ văn

Trang 13

xi

MHPTĐK Mô hình phân tích điều khiển

MCDA Multi-Criteria Decision Analysis (Phân tích quyết định đa chỉ tiêu)

nước) QL&ĐH Quản lý và điều hành

QLKT Quản lý khai thác

QLVH Quản lý vận hành

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (Giám sát điều khiển

và thu thập dữ liệu) SIC Simulation of Irrigation Canals (Mô phỏng các kênh tưới)

SIMIS Scheme Irrigation Management Information System (Hệ thống

thông tin quản lý hệ thống tưới) UNESCO The United Nations Educational, Scientific and Cultural

Organization (Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hoá của Liên hợp quốc)

WB The World Bank (Ngân hàng Thế giới)

Trang 14

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

1.1 Tính cấp thiết trong thực tiễn

Theo số liệu thống kê, đánh giá của Liên hợp quốc và Ngân hàng Thế giới cho thấy:

Chỉ khoảng 45 - 65% lượng nước tưới đến được với cây trồng Ở nhiều quốc gia, nước

từ nơi cung cấp đến nơi sử dụng hao phí từ 40% đến 50% [1], [2]

Ở Việt Nam, hiệu quả quản lý khai thác các hệ thống tưới (HTT) chỉ mới đạt 65 - 80%

so với thiết kế [3], [4],… Hệ số sử dụng nước trên các hệ thống tưới nói chung nhỏ

hơn 0,82 Mặt khác, tình trạng ngập úng cục bộ do cung cấp nước và lấy nước quá thừa ở nhiều hệ thống làm cho năng suất cây trồng giảm sút đáng kể Hầu hết các HTT ở vùng đồng bằng và nhiều HTT ở các vùng đồi núi là những hệ thống động lực Năng lượng tiêu thụ và chi phí quản lý vận hành (QLVH) hàng năm rất lớn – lãng phí nước cũng chính là lãng phí tiền của Vì vậy, dù ở nơi thừa nước hay thiếu nước thì việc quản lý khai thác, vận hành hiệu quả các HTT, sử dụng nước tiết kiệm, hợp lý để đáp ứng các yêu cầu dùng nước và tránh tình trạng lãng phí nước có một ý nghĩa kinh

tế - kỹ thuật rất quan trọng [2], [3], [5]

Yêu cầu nước cho nông nghiệp, dân sinh cũng như các ngành kinh tế khác thường xuyên thay đổi và ngày càng gia tăng Trong khi đó, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nguồn nước ngày một trở nên khan hiếm Sự cạnh tranh về nước giữa các đối tượng dùng nước bao gồm cả những hộ dùng nước nông nghiệp sẽ trở nên căng thẳng

và phức tạp hơn nhiều Hiện nay, cơ chế kinh tế thị trường tiêu thụ nước ở nước ta đang và sẽ phát triển theo xu hướng “nước là hàng hoá” như ở các nước phát triển Do

đó, cùng với công tác không ngừng nâng cao hiệu quả quản lý khai thác và vận hành HTT, nhiệm vụ của các công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi (QLKT CTTL) còn phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước đúng, đủ, kịp thời, tin cậy, linh hoạt và công bằng theo yêu cầu của các loại cây trồng và của những hộ dùng nước khác Muốn

vậy, công tác quản lý vận hành các hệ thống tưới cần phải được hiện đại hóa [1], [6], [3], [7]

Trang 15

2

Trên thế giới, từ vài chục năm trở lại đây công tác quản lý vận hành các HTT theo hướng hiện đại hóa đã được nhiều nước, nhiều tổ chức và nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, ứng dụng Ở những nước phát triển và một số nước đang phát triển, nhiều HTT đã được trang bị hiện đại và được QLVH, giám sát điều khiển tự động từ

xa nhờ việc sử dụng các mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành nhằm nâng cao hiệu

ích khai thác các HTT và hiệu quả của dịch vụ cung cấp nước [1], [8] Tuy vậy, mỗi

mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành đó chỉ có những tính năng và ưu, nhược điểm cũng như phạm vi ứng dụng riêng của nó Mặt khác, phần lớn chúng được xây dựng chỉ để áp dụng cho một HTT cụ thể có những điều kiện riêng biệt về tự nhiên, xã hội, canh tác nông nghiệp, phương thức quản lý khác nhau, nên chưa có mô hình nào được coi là hoàn chỉnh có thể ứng dụng thích hợp hoàn toàn cho quản lý vận hành các HTT trong điều kiện Việt Nam

Ở nước ta, từ hơn chục năm nay, một số chương trình, đề tài nghiên cứu cùng các dự

án nâng cấp, hiện đại hóa QLVH các HTTL đã và đang được thực hiện với sự trợ giúp

kỹ thuật và tài chính từ các tổ chức quốc tế như Ngân hàng phát triển châu Á (ADB), Ngân hàng Thế giới (WB), Đáng chú ý là Dự án hỗ trợ thủy lợi Việt Nam (VWRAP)

do WB tài trợ, đã thực hiện nâng cấp và hiện đại hóa tưới cho 6 hệ thống tưới lớn [9]:

Yên Lập, Cầu Sơn - Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Đá Bàn, Dầu Tiếng Hiện nay, trên toàn quốc mặc dù đã có khá nhiều mô hình hiện đại hóa giám sát và điều khiển (GS&ĐK) các HTT nhưng hầu hết các mô hình đó chưa hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế, chưa đáp ứng được các yêu cầu cung cấp dịch vụ một cách chính xác, tin cậy, linh hoạt, công bằng và khó có thể được áp dụng rộng rãi với lý do chính là vốn đầu tư khá lớn, trang thiết bị phải nhập ngoại đắt tiền, GS&ĐK chỉ hỗ trợ và độc lập với tính toán quản lý vận hành HTT, không hỗ trợ GS&ĐK qua mạng Internet… Hơn nữa, tất cả các mô hình hiện đại hóa QLVH ở Việt Nam cũng như trên thế giới đều có hạn chế là chỉ hỗ trợ, thực hiện một hoặc vài khâu độc lập nào đó trong công tác quản

lý HTT nên khó có thể đáp ứng được yêu cầu nâng cao hiệu quả toàn diện của HTT và cung cấp tốt dịch vụ tưới theo yêu cầu…

Nâng cao hiệu quả quản lý vận hành các HTT là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của ngành thủy lợi Việt Nam Đề án: “Nâng cao hiệu quả quản lý khai thác công trình thủy lợi hiện có“ (tháng 4/2014) có nhấn mạnh: “Bộ Nông nghiệp và PTNT

Trang 16

3

xác định nhiệm vụ nâng cao hiệu quả hoạt động của các công trình thủy lợi hiện có phục vụ tốt sản xuất nông nghiệp, dân sinh, kinh tế - xã hội là nhiệm vụ trọng tâm và quan trọng nhất hiện nay” Mô hình quản lý vận hành hợp lý luôn luôn đóng vai trò tiên quyết trong việc nâng cao hiệu quả QLVH các HTT Để góp phần thực hiện Nghị quyết về “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…” (Hội nghị Trung ương 5 Khoá IX), trong những năm tới việc đi sâu nghiên cứu xây dựng

mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT thích hợp với điều kiện thực tế của nước ta là một nhiệm vụ cấp bách

1.2 Tính cấp thiết về lý luận

Hiện nay và trong tương lai, mục tiêu khai thác, quản lý vận hành các HTT không còn đơn thuần chỉ là phân phối đủ nước theo nhu cầu mà đồng thời còn phải đạt được cả các mục tiêu khác về kinh tế, tài chính, xã hội, môi trường và tiết kiệm tài nguyên

nước [1], [3], [8]…Các mục tiêu đó lại thường cạnh tranh với nhau, thậm chí còn mâu thuẫn lẫn nhau và không thể so sánh với nhau vì không có cùng thứ nguyên [3], [10]

Vì vậy, một số giả thiết khoa học và các phương pháp luận tính toán quản lý khai thác, vận hành hiện nay do không xét đến bất cứ một hàm mục tiêu nào hoặc chỉ xét một hàm mục tiêu duy nhất là không còn hoàn toàn phù hợp với thực tế

Các HTT có nhiệm vụ phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước cho nhiều đối tượng khác nhau có nhu cầu nước thường xuyên thay đổi Mặt khác, các yếu tố khí tượng, thủy văn luôn thay đổi và hiện trạng, năng lực của các CTTL cũng thay đổi Do đó, đòi hỏi phải vận hành HTT một cách linh hoạt, kịp thời để đáp ứng, phù hợp với những sự thay đổi nêu trên Về mặt lý thuyết cần phải đề xuất các cơ sở khoa học cũng như phương pháp luận QLVH thời gian thực sao cho HTT đạt được hiệu quả cao nhất Mặt khác, còn phải nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tính toán dự báo khí tượng, thuỷ

văn chính xác hơn để công tác quản lý điều hành sát với thực tế hơn [11], [12]

Lý thuyết phân tích hệ thống, lý thuyết tối ưu, lý thuyết quyết định, lý thuyết điều khiển và lý thuyết dự báo đã được nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả trong nhiều ngành kinh tế, khoa học kỹ thuật và xã hội nhưng vẫn chưa được ứng dụng sâu, rộng trong lĩnh vực QLVH, GS&ĐK các HTT Hệ thống tưới thuộc loại hệ thống lớn phức tạp,

Trang 17

4

phân cấp và đa mục tiêu Nếu không nghiên cứu ứng dụng tổng hợp những phương pháp luận của các lý thuyết kể trên sẽ khó có thể giải quyết hoàn chỉnh, trọn vẹn bài toán quản lý khai thác, điều khiển các HTT Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin, truyền thông, tự động hóa thì việc cập nhật những tiến bộ trong các lý thuyết nêu trên và nghiên cứu ứng dụng các mô hình hiện đại hóa trong QLVH các HTT là một đòi hỏi cấp thiết cho công cuộc đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Tóm lại: Tính cấp thiết của đề tài luận án là xuất phát từ thực tế hiện nay đang đòi hỏi

phải đi sâu nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT nhằm “nâng cao hiệu quả quản lý khai thác công trình thủy lợi hiện có “để góp phần thực hiện công cuộc “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…” Về mặt

lý luận đòi hỏi mô hình hiện đại hóa QLVH đó phải được xây dựng dựa trên các cơ sở khoa học và phương pháp luận trong quản lý vận hành HTT, lý thuyết tối ưu, lý thuyết quyết định, lý thuyết điều khiển với nền tảng là ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông, tự động hóa…

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa

quản lý vận hành hệ thống tưới“ là đề xuất và xây dựng, phát triển một mô hình mới

về hiện đại hóa quản lý vận hành các hệ thống tưới thích hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả toàn diện trong quản lý khai thác, vận hành HTT và đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước chính xác, kịp thời, tin cậy, linh hoạt và công bằng cho các đối tượng dùng nước

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là các hệ thống tưới tự chảy hoặc tưới bằng

động lực thông thường phục vụ nông nghiệp, cấp nước cho dân sinh, công nghiệp và các ngành kinh tế khác

Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án chủ yếu giải quyết bài toán về quản lý vận hành

các HTT bằng kênh hở có công trình đầu mối là cống lấy nước hoặc trạm bơm hay cả

Trang 18

5

cống và trạm bơm Nguồn cung cấp nước cho hệ thống có thể là sông, suối, hồ chứa

Đề tài không đề cập đến các HTT bán tự chảy vùng chịu ảnh hưởng của thuỷ triều và nguồn nước bị nhiễm mặn Đề tài luận án không giải quyết mối quan hệ giữa tưới với tiêu nước và vấn đề sử dụng các trạm bơm cục bộ (dã chiến) bơm nước từ sông hay từ các nguồn nước nội đồng (nước hồi quy, nước ao hồ, ) cũng như việc trữ nước, tiêu thoát nước trong hệ thống

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án: “Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới”

có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất quan trọng đối với công tác nâng cao hiệu quả quản lý khai thác công trình thủy lợi để góp phần thực hiện công cuộc “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…”

Trước hết về ý nghĩa khoa học, Luận án sẽ góp phần phát triển, bổ sung bước đầu các

cơ sở khoa học và phương pháp luận trong một số lĩnh vực chuyên sâu:

- Mô hình hóa và giải bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” các HTT

- Quản lý vận hành hệ thống tưới theo thời gian thực tế, tức thời

- Công nghệ giám sát và điều khiển theo hướng hiện đại hóa…

Về ý nghĩa thực tiễn, sản phẩm của Luận án có thể trợ giúp đắc lực cho các công ty quản lý khai thác CTTL, các phòng nông nghiệp và các hợp tác xã nông nghiệp, hội dùng nước có được những thông tin cần thiết, kịp thời để đưa ra những quyết định đúng đắn nhất về thời vụ gieo trồng, cơ cấu cây trồng và diện tích canh tác, kế hoạch

và thực hiện kế hoạch dùng nước, kế hoạch QLVH,… nhằm nâng cao hiệu quả toàn diện về kinh tế - kỹ thuật, xã hội, môi trường,…của HTT:

- Sử dụng “tối ưu” tài nguyên đất, nước, cây trồng để đạt được lợi ích thực thu và diện tích canh tác là lớn nhất; tiết kiệm, sử dụng nước ít nhất; sự thiếu hụt nước so với nhu cầu dùng nước là nhỏ nhất

- Phân phối nước kịp thời, chính xác và linh hoạt đáp ứng yêu cầu của các đối tượng dùng nước, nâng cao năng suất cây trồng, tiết kiệm nước…

- Giảm thiểu các chi phí quản lý vận hành nhờ có những thông tin giám sát tức thời và các công cụ điều khiển chính xác từ xa theo thời gian thực

- Tránh được những mâu thuẫn và tranh cãi, xung đột giữa các đối tượng dùng nước nhờ có sự phân phối nước công bằng, tin cậy và chính xác

- Có thể thường xuyên cải tiến phương thức quản lý khai thác, vận hành HTT trên cơ

sở phân tích các số liệu về quản lý nước, quản lý công trình và quản lý kinh tế được lưu trữ, cập nhật trong ngân hàng dữ liệu

Trang 19

5 Những đóng góp mới của luận án

Luận án đã:

1 Đề xuất và xây dựng một mô hình mới về hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới có đầy đủ các chức năng hỗ trợ và thực hiện cả 3 nhiệm vụ: quản lý nước theo số liệu quan trắc thực tế (bao gồm giám sát, điều khiển tự động từ xa và thủ công), quản

lý công trình và quản lý kinh tế của các công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi

2 Đề xuất cơ sở khoa học và xây dựng bộ công cụ hiện đại hóa (trang web GS&ĐK http://www.hiendaihoaqlvh.com, phần mềm HĐH QLVH và cơ sở dữ liệu trực tuyến, ) để mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” liên kết với bài toán lập kế hoạch dùng nước và kế hoạch vận hành HTT theo mô hình quy hoạch phi tuyến, đa mục tiêu được giải bằng phương pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu nhằm đạt được đồng thời 4 mục tiêu:

- Lợi ích thực thu do HTT mang lại là lớn nhất

- Tổng lượng nước tưới là ít nhất

- Tổng diện tích đất canh tác được tưới là lớn nhất

- Chênh lệch giữa lượng nước mà HTT có thể cung cấp so với yêu cầu nước là nhỏ nhất (hay năng suất cây trồng giảm sút là ít nhất)

3 Xây dựng và phát triển một số công cụ quản lý vận hành hệ thống tưới theo hướng hiện đại hóa: giao diện website giám sát, điều khiển và quản lý vận hành, phần mềm hiện đại hóa tính toán QLVH+GS&ĐK, CSDL trực tuyến (online),… giúp cho người quản lý thực hiện các công việc giám sát và điều khiển HTT của họ theo số liệu quan trắc thực tế vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu có mạng Internet hoặc mạng điện thoại di động

Trang 20

7

4 Cải tiến, phát triển cơ sở khoa học cho mô hình công nghệ giám sát và điều khiển SCADA (IP Modems - RTUs) sử dụng mạng Internet và mạng viễn thông di động toàn cầu có tính khả thi cao với loại thiết bị vi điều khiển F2X64 RTU được tích hợp chức năng IP modem không dây (modem giao thức Internet) phù hợp với điều kiện Việt Nam và tổng vốn đầu tư không quá 28% so với hầu hết các mô hình SCADA đang được ứng dụng ở nước ta

5 Xây dựng cơ sở nền tảng công nghệ cho việc phát triển các công cụ QLVH, GS&ĐK các HTT thông qua việc tạo ra trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com (theo mô hình điện toán đám mây), đồng thời cung cấp các thông tin, kiến thức và tài liệu đào tạo về hiện đại hóa tưới nói chung và hiện đại hóa QLVH các HTT nói riêng Đặc biệt, trang web này còn cung cấp miễn phí bộ công cụ trực tuyến giúp cho các công ty quản lý khai thác CTTL có thể tự xây dựng trang web hiện đại hóa QLVH, GS&ĐK tự động từ xa hệ thống tưới của họ ngay cả khi HTT đó vẫn còn đang được quản lý vận hành bằng thủ công…

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 147 trang thuyết minh (trong đó có 52 hình vẽ và đồ thị, 22 bảng biểu minh họa, 1 trang liệt kê danh mục 10 công trình đã công bố của tác giả về kết quả nghiên cứu của đề tài luận án, 5 trang liệt kê 82 tài liệu tham khảo) và 54 trang phụ lục

Nội dung bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Trang 21

8

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới

Cho đến cuối thập niên 70 của thế kỷ trước, việc tính toán quản lý vận hành (QLVH) các hệ thống tưới (HTT) vẫn còn dựa trên những giả thiết đơn giản hóa, xem xét các bài toán QLVH một cách độc lập riêng rẽ, không chú ý đến tính hệ thống vốn có của các HTT Công tác vận hành và quản lý các HTT chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và những kế hoạch dùng nước (KHDN) đã được lập sẵn trước ứng với một mức bảo đảm tưới hay tần suất mưa, tần suất lưu lượng dòng chảy nào đó; rồi hiệu chỉnh lại kế

hoạch và các thông số vận hành trong quá trình thực hiện KHDN [13], [14], [2]

Trong vòng hơn 30 năm qua đã có nhiều mô hình cùng các phần mềm quản lý vận

hành HTT được xây dựng và phát triển [15], [8], [2] Bảng 1 (PL1) trong phụ lục 1 có

thống kê những mô hình QLVH tiêu biểu Có thể sơ bộ phân loại những mô hình QLVH đó thành 3 nhóm khác nhau dựa trên các tính năng cơ bản của chúng:

Nhóm 1: Các mô hình lập kế hoạch tưới Đây là nhóm các mô hình chỉ có chức năng

tính toán lập kế hoạch phân phối nước tưới nhằm trợ giúp cho QLVH thủ công

Nhóm 2: Các mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động Đó là những mô hình không những có chức năng lập kế hoạch tưới như nhóm 1

mà còn cho phép tính toán xác định thông số vận hành các công trình thủy lợi (CTTL)

và giám sát, điều khiển bán tự động tại chỗ một số CTTL

Nhóm 3: Các mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA) Nhóm mô hình

này thường có đầy đủ các chức năng lập kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành các CTTL, đồng thời cho phép theo dõi, thu thập số liệu và vận hành các CTTL tự động từ trung tâm giám sát và điều khiển (GS&ĐK)

Trong phần nghiên cứu tổng quan này chỉ tập trung đi sâu nghiên cứu những mô hình QLVH thuộc nhóm 2 và nhóm 3 Đó là các mô hình QLVH theo hướng hiện đại hóa

tưới (hay có thể viết gọn hơn là: các mô hình hiện đại hóa QLVH) Khái niệm hiện đại

hóa tưới ở đây được hiểu theo định nghĩa mà các nhà khoa học và các chuyên gia trên

thế giới đã thống nhất như sau [1], [2]:

Trang 22

9

“Hiện đại hoá tưới là một quá trình nâng cấp cả về kỹ thuật và quản lý (chứ không phải chỉ là sự cải tiến/cải tạo đơn thuần) các hệ thống tưới với mục tiêu là nâng cao

hiệu quả sử dụng các nguồn lực (lao động, nguồn nước, kinh tế, môi trường) và dịch

vụ cung cấp nước cho các đối tượng dùng nước“

Các mô hình - phần mềm hiện đại hóa QLVH điển hình được thống kê, phân loại dựa trên những tính năng cơ bản của chúng như trong bảng 1.1

Sau đây là những kết quả nghiên cứu tổng quan về các công trình nghiên cứu có liên quan đến việc xây dựng và phát triển các mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT tiêu biểu đã được liệt kê trong bảng 1.1

1.1.1 Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và

giám sát, điều khiển bán tự động

1.1.1.1 Khái quát chung

Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động nói chung đều xây dựng thuật toán, phần mềm lập kế hoạch tưới, tính toán xác định thông số vận hành các công trình thủy lợi và thiết lập một số hệ thống giám sát, điều khiển bán tự động tại chỗ các CTTL chủ chốt Những mô hình như thế thường được ứng dụng ở những HTT có quy mô lớn hoặc chưa có điều kiện HĐH toàn bộ hệ thống Trong mục này sẽ trình bày tổng quan về đặc tính, chức năng của một số mô hình tiêu biểu đã được công bố thông qua các công trình nghiên cứu của các tổ chức và các nhà khoa học trên thế giới

1 Phân tích và điều khiển hệ thống tưới (INCA - Irrigation Network Control and Analysis)

Trong công trình nghiên cứu này, Công ty HR Wallingford (Vương quốc Anh) đã xây

dựng và phát triển mô hình INCA (từ năm 1980) Các chức năng chính của INCA [8]

bao gồm:

- Lập và hiệu chỉnh kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành công trình đầu mối và và các công trình phân phối, điều tiết nước trên kênh

- Tính yêu cầu nước của các kênh cấp 3 ứng với những cơ cấu cây trồng khác nhau

- Có thể theo dõi lớp nước mặt ruộng, độ ẩm đất và mực nước tại các công trình đầu mối, công trình phân phối nước

- Giám sát và điều khiển bán tự động công trình đầu mối

- Đánh giá hiệu quả của hệ thống tưới

Trang 23

10

Bảng 1.1: Phân loại và những tính năng cơ bản của các mô hình hiện đại hóa quản lý

vận hành HTT được áp dụng phổ biến trên thế giới

* Ghi chú: () là ký hiệu biểu thị mô hình không có đầy đủ tính năng được nêu ở tiêu

đề cột đó

Các tính năng (có liên quan) của các mô hình

Ghi chú

Lập kế hoạch sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên

Lập kế hoạch tưới (phân phối nước)

Lập kế hoạch QLVH

và GSĐK bán tự động

Giám sát và điều khiển

tự động

từ xa

Quản

lý công trình

Quản

lý kinh

tế Tài

nguyên đất

Tài nguyên nước

Tài nguyên cây trồng

Trang 24

11

2 Vận hành hệ thống tưới (IMSOP - Irrigation Main System Operation)

Công trình nghiên cứu này đã xây dựng và phát triển mô hình IMSOP (từ năm 1987) nhằm mô phỏng việc vận hành các hệ thống kênh phân phối nước tưới và hỗ trợ cho

công tác QLVH các HTT [8] Cấu trúc của mô hình bao gồm 3 thành phần (modules):

- Module bốc thoát hơi nước (ETM): tính toán bốc thoát hơi nước tiềm năng (ETo) và bốc thoát hơi nước của cây trồng (ETc) dựa trên các số liệu khí tượng

- Module yêu cầu tưới (IRM): tính toán yêu cầu tưới của từng kênh cấp 3 theo từng tuần dựa vào cường độ bốc thoát hơi nước, lượng mưa hiệu quả, tổn thất nước do thấm trên kênh và ở mặt ruộng

- Module vận hành hệ thống (SOM): tính dồn yêu cầu tưới của các kênh cấp 3 tại những cửa lấy nước và tính toán lưu lượng yêu cầu tại các mặt cắt cần thiết trên hệ thống kênh Từ đó tính toán xác định độ mở các cửa cống lấy nước Đồng thời, một chương trình con cho phép lập kế hoạch lấy nước từ hồ chứa và tính toán mực nước trong hồ chứa

3 Mô hình lập kế hoạch phân phối nước và vận hành (OPDM – Operation Planning Distribution Model)

Mô hình OPDM do Bộ môn Kỹ thuật sinh học và tưới tiêu, Trường Đại học Utah, Hoa

Kỳ thiết lập và phát triển từ năm 1996 Mô hình này có chức năng tính toán vận hành, phân tích và mô phỏng các HTT cho phép tính toán xác định độ mở cửa lấy nước của các loại cống có hình dạng khác nhau

OPDM có thể ước tính mức giảm năng suất cây trồng do mức độ thiếu hụt nước trong vùng rễ cây, do nước và đất bị nhiễm mặn, do ngập úng,… Điều này cho phép tính toán, đánh giá về hiệu quả quản lý vận hành HTT

4 Quản lý vận hành kênh tưới (CanalMan – Canal Management)

Trong công trình nghiên cứu này, Bộ môn Kỹ thuật sinh học và tưới tiêu (Trường Đại học Utah, Hoa Kỳ) đã thiết lập và phát triển mô hình CanalMan Mô hình này cho phép mô phỏng thủy lực dòng chảy không ổn định trong hệ thống kênh hở phân nhánh

Các chức năng chính của nó bao gồm [16]:

- Lập kế hoạch tưới và kế hoạch vận hành các công trình thủy lợi bằng thủ công

- Tính toán các thông số vận hành tự động hóa các công trình tại chỗ

- Thiết lập sơ đồ và tính toán, quản lý các công trình tự động điều tiết…

Trang 25

12

Về thực chất, mô hình CanalMan chính là phiên bản cải tiến, phát triển từ các mô hình

STEADY [17], UNSTEADY, PDM [18], [19] và OPDM

5 Lập kế hoạch quản lý tưới (IMS - Irrigation Management Scheduling)

Với công trình nghiên cứu này, Bộ môn quản lý nước, trường Đại học Cranfield của Anh quốc đã xây dựng và phát triển mô hình lập kế hoạch tưới hàng ngày (IMS) Mô hình này có các chức năng chuyên biệt:

- Quan trắc các số liệu về thời tiết hàng ngày

- Cho phép xác định thời gian bắt đầu phải tưới trong lần tưới sắp tới và phương thức hiệu chỉnh kế hoạch tưới khi có mưa

- IMS chỉ được thiết lập cho việc quản lý HTT canh tác trồng cây trồng cạn

6 Mô hình đánh giá nước và đất (SWAT - Soil and Water Assessment Tool)

SWAT là một trong số 20 mô hình (trên tổng số 123 mô hình và phần mềm được giới thiệu tại Hội nghị Quốc tế về ứng dụng máy tính trong nông nghiệp tổ chức vào tháng

10 năm 1998 ở Hoa Kỳ) có chú trọng nhiều đến QLVH các HTT kênh hở

Cấu trúc của mô hình bao gồm các module thành phần về thuỷ văn, khí tượng, cây

trồng, tưới và chuyển nước, chất lượng nước (phù sa, nhiệt độ nước), nước ngầm [20]

7 Tính toán tưới cho hệ thống dùng nước mặt và nước hồ chứa (RUSTIC – The Runoff, Storage Irrigation Calculator)

Mô hình RUSTIC được phát triển hoàn chỉnh vào năm 1994 Nó là công cụ hỗ trợ khá hiệu quả cho cả thiết kế và lập kế hoạch quản lý các HTT Ban đầu, RUSTIC được xây dựng chỉ với mục đích tính toán tưới cho các HTT nhỏ ở Australia nhưng chỉ vài năm sau nó đã được bổ sung thêm các chức năng khác như:

- Tính toán lựa chọn thời vụ, cơ cấu cây trồng hợp lý

- Đánh giá hiệu quả quản lý vận hành các HTT

8 Quản lý vận hành hệ thống tưới (OMIS - Operational Management of Irrigation Systems)

Từ năm 1992-1993 Viện Thủy lực Delft đã nghiên cứu xây dựng và phát triển mô hình OMIS Các quá trình tính toán: cân bằng nước mặt ruộng, lập kế hoạch canh tác, yêu cầu nước và kế hoạch phân phối nước tưới đều được mô hình hóa theo hướng tiếp cận

hệ thống và hướng tới tự động điều khiển các công trình từ xa [8] OMIS cho phép lập

kế hoạch đầu vụ tưới với một hàm mục tiêu: tổng lợi ích thực thu là lớn nhất

Trang 26

CPOIS cho phép cập nhật, giám sát hàng ngày các yếu tố khí tượng, thủy văn nguồn nước và lưu lượng, mực nước tại các công trình phân phối nước

1.1.1.2 Ưu điểm

- Hầu hết các mô hình QLVH và GS&ĐK đều có chức năng lập và hiệu chỉnh kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành hệ thống dựa trên những số liệu quan trắc thực tế hàng ngày về khí tượng, lớp nước mặt ruộng, độ ẩm trong tầng đất nuôi cây và mực nước tại các công trình, vị trí cần thiết Chỉ có một vài mô hình là không đo đạc giám sát lớp nước mặt ruộng và độ ẩm đất hàng ngày như IMSOP, CanalMan, RUSTIC

- Chức năng giám sát và điều khiển bán tự động chủ yếu được thực hiện tại chỗ đối với công trình đầu mối, công trình điều tiết nước chủ chốt và các công trình điều tiết, đo nước tự động theo nguyên lý thủy lực Do đó, các mô hình QLVH và GS&ĐK thường không đòi hỏi kinh phí đầu tư lớn, tập trung và dễ áp dụng

- Các mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động trên thế giới đều có xu hướng tự nhiên được nâng cấp, phát triển theo hướng tiếp cận hệ thống và hướng tới tự động giám sát, điều khiển các công trình từ xa như mô hình OMIS, SWAT

1.1.1.3 Hạn chế

- Bốc thoát hơi nước tiềm năng (ETo) và bốc thoát hơi nước của cây trồng (ETc) được tính toán từ các số liệu khí tượng trung bình nhiều năm hoặc ứng với một tần suất nhất định Từ đó, kết quả lập kế hoạch tưới và kế hoạch vận hành hệ thống thường khác khá nhiều so với thực tế QLVH

- Hầu hết các mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động trên thế giới chỉ có tính năng tính toán xác định độ mở cửa cống lấy nước Chỉ có rất ít mô hình có tính năng tính toán xác định điểm công tác của máy bơm và hỗ trợ điều khiển tự động trạm bơm tại chỗ như mô hình RUSTIC Nói chung, chi phí quản

lý vận hành các trạm bơm trên thế giới cũng như ở nước ta thường là khá lớn Vì vậy,

Trang 27

mô hình INCA, OPDM, RUSTIC.

- Trên thế giới, đã có một số mô hình giải quyết bài toán QLVH đa mục tiêu khi lập kế hoạch đầu vụ tưới, chẳng hạn như mô hình CPOIS xem xét 2 mục tiêu: tổng lợi ích thực thu và tổng diện tích cây trồng được tưới phải là lớn nhất Tuy vậy, số các mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động có đưa vào một hàm mục tiêu vẫn chưa nhiều Hơn nữa, hàm mục tiêu duy nhất đó chủ yếu sao cho HTT đạt được tổng lợi ích thực thu là lớn nhất Thực tế ở Việt Nam cho thấy: ngoài mục tiêu kinh tế, công tác quản lý vận hành các HTT còn phải đạt được các mục tiêu quan trọng khác về hiệu quả sử dụng và tiết kiệm tài nguyên nước, tài nguyên đất,

1.1.1.4 Phạm vi áp dụng và khả năng ứng dụng vào Việt Nam

- Các mô hình QLVH và GS&ĐK bán tự động thích hợp cho việc tính toán vận hành các HTT có quy mô vừa và lớn Nó được ứng dụng rộng rãi cho nhiều HTT ở Sri Lanka, Thái Lan, Bangladesh, Philippines, Jamaica, Trung Quốc, Thổ Nhĩ Kỳ, Ấn Độ, Zimbabwe, Ai Cập, Hoa Kỳ,…

- Một số mô hình không thích hợp với điều kiện quản lý ở nước ta như OPDM vì nó đòi hỏi phải có các số liệu thí nghiệm về mức giảm sản và hàm số nước thực vật hoặc

mô hình CanalMan, SWAT không cho phép tính toán nhu cầu nước của cây trồng hay IMS chỉ có thể áp dụng cho các HTT canh tác cây trồng cạn

- Có thể cải tiến, phát triển các mô hình theo hướng hiện đại hóa GS&ĐK để ứng dụng vào Việt Nam nhưng đòi hỏi phải có các chuyên gia tin học lành nghề và cần phải tổ chức các lớp đào tạo, tập huấn chuyên sâu cho các cán bộ kỹ thuật và nhà quản lý Chẳng hạn như mô hình IMSOP đã được ứng dụng ở hệ thống thủy nông La Khê, Việt Nam nhưng các chức năng còn hạn chế và cần phải đầu tư nhiều kinh phí để nâng cấp thành mô hình GS&ĐK tự động từ xa

Trang 28

15

 Nhận xét và đánh giá

Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan và qua việc phân tích ưu, nhược điểm, phạm vi

áp dụng và khả năng ứng dụng của các mô hình lập kế hoạch QLVH và giám sát, điều khiển bán tự động trên đây cho thấy:

- Để ứng dụng được các mô hình lập và hiệu chỉnh kế hoạch vận hành HTT dựa trên những số liệu quan trắc thực tế hàng ngày vào Việt Nam sẽ đòi hỏi đầu tư nguồn kinh phí lớn Do đó, cần phải đi sâu nghiên cứu tìm ra các giải pháp hợp lý, khả thi nhất về phương thức và loại thiết bị truyền thông tin cho hệ thống đo đạc giám sát hàng ngày

- Kết quả lập kế hoạch tưới và kế hoạch vận hành HTT dựa vào bốc thoát hơi nước của cây trồng (ETc) được tính toán từ các số liệu khí tượng trung bình nhiều năm hoặc ứng với một tần suất nhất định thường khác khá nhiều so với thực tế QLVH Vì vậy, yêu cầu nghiên cứu sử dụng một phương pháp khác đáng tin cậy hơn để tính toán dự báo

số liệu khí tượng là rất cần thiết cho công tác quản lý vận hành các HTT

- Các mô hình lập kế hoạch QLVH và giám sát, điều khiển bán tự động trên thế giới đều có xu hướng tự nhiên được nâng cấp, phát triển theo hướng tiếp cận hệ thống và hướng tới tự động giám sát, điều khiển các công trình từ xa (như mô hình OMIS) Những nhận xét và đánh giá nêu trên cùng với kết quả phân tích ưu nhược điểm chung

đã gợi ý một số định hướng quan trọng cho việc nghiên cứu phát triển mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành các HTT ở Việt Nam như sau:

- Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành cần có chức năng quan trắc giám sát sự thay đổi của các yếu tố khí tượng, lớp nước mặt ruộng, độ ẩm trong tầng đất nuôi cây và mực nước tại các công trình, vị trí cần thiết Hệ thống giám sát cần phải đơn giản, tiện lợi, tin cậy và giá thành thấp Sử dụng các công trình điều tiết, đo nước tự động theo nguyên lý thủy lực sẽ là một trong những yếu tố góp phần đạt được các yêu cầu đó

- Cần nghiên cứu lựa chọn một phương pháp tính toán dự báo các yếu tố khí tượng với

độ chính xác và tin cậy cao hơn hiện nay

- Cần thiết phải nghiên cứu bài toán quy hoạch đa mục tiêu: không chỉ một mục tiêu kinh tế mà cả các mục tiêu về hiệu quả sử dụng tài nguyên nước - đất – cây trồng

- Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành cần được định hướng phát triển theo hướng tiếp cận hệ thống và từng bước tiến tới giám sát, điều khiển tự động từ xa

Trang 29

16

1.1.2 Các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa

(SCADA)

1.1.2.1 Khái quát chung

Hiện nay, các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa đều đi sâu nghiên cứu xây dựng các thuật toán, phần mềm tính toán quản lý vận hành

và ứng dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại trong việc giám sát, điều khiển tự động các CTTL từ trung tâm điều hành Dưới đây sẽ trình bày tổng quan về đặc tính, chức năng của một số mô hình SCADA tiêu biểu đã được công bố thông qua các công trình nghiên cứu trên thế giới

1 Quản lý dòng chảy và chất lượng nước (FQM - Flow and Quality Management)

Từ những năm 1980, với các kết quả nghiên cứu về quản lý dòng chảy và chất lượng nước, Công ty Rubicon Systems của Australia đã xây dựng và phát triển mô hình

FQM Mô hình đó gồm 3 module chính [21]:

- Lập kế hoạch tưới (Irrigation Planning Module)

- Mô phỏng (Simulation) hệ thống tưới

- Giám sát (Surveillance) và điều khiển tự động các công trình thủy lợi từ xa

Module lập kế hoạch tưới có chức năng hàng ngày cập nhật yêu cầu dùng nước do các

hộ dùng nước đặt hàng thông qua mạng điện thoại chuyên dùng có lắp đặt hệ thống IVR kết nối với cơ sở dữ liệu lưu trữ trong máy chủ ở trung tâm điều khiển Trên cơ sở

đó, module này sẽ lập kế hoạch vận hành HTT Vì vậy, hoạt động của hệ thống

SCADA đạt hiệu quả cao, thường xuyên đáp ứng được các yêu cầu dùng nước…

2 Quản lý vận hành với sự trợ giúp của máy tính (EAO - Exploitation Assistée par Ordinateur)

Với công trình nghiên cứu này, Hiệp hội quản lý kênh Provence của Pháp đã xây dựng

và phát triển mô hình EAO Mô hình này được áp dụng khá thành công và hiệu quả trong việc quản lý điều hành HTTL Provence cung cấp nước cho cả một vùng rộng lớn thuộc miền Bắc nước Pháp

EAO cho phép giám sát và điều khiển các công trình thủy lợi tự động từ một trung tâm GS&ĐK (CGTC - Centre Général de Télécontrôle) và từ một số trạm lẻ Việc vận hành các công trình phân phối, điều tiết nước trên hệ thống tưới được thực hiện theo nguyên tắc điều khiển “tối ưu” những thông số làm việc

Trang 30

17

3 Hệ thống đo đạc và điều khiển từ xa (TC/TM - Tele-Control/Tele-Metering System)

Trong công trình nghiên cứu này, Trường Đại học Quốc gia Seoul đã thiết lập mô hình TC/TM để trợ giúp cho việc quản lý điều hành tự động hệ thống tưới Maeho ở Hàn Quốc Mô hình được đưa vào sử dụng từ cuối năm 1997 với 3 hệ thống thành phần:

- Hệ thống thu thập thông tin, truyền thông theo phương thức điện thoại qua modem (thiết bị định tuyến trên mạng Internet) và quản lý thông tin

- Hệ thống trợ giúp cho việc lập kế hoạch tưới

- Hệ thống trợ giúp ra quyết định QLVH (sử dụng kỹ thuật cuốn trình đơn - menu)

4 Mô hình giám sát và điều khiển Klamath (Klamath SCADA)

Mô hình Klamath SCADA do Trung tâm đào tạo và nghiên cứu tưới thuộc Trường Đại học Bách khoa California (Hoa Kỳ) xây dựng và phát triển từ năm 2001 Thiết bị điều khiển bao gồm cả các RTU và PLC Phần mềm SCADA được viết bằng ngôn ngữ lập trình LookOut Thiết bị truyền thông được sử dụng là các bộ thu phát vô tuyến trải phổ

SM (sử dụng pin năng lượng mặt trời) [1]

Klamath SCADA có chức năng tính toán bốc thoát hơi nước của cây trồng và lập kế hoạch tưới nên các thông số điều khiển công trình khá sát với yêu cầu thực tế

5 Giám sát nước - cây trồng và hệ thống thông tin quản lý (CWMIS - Crop-Water Monitoring and Information System)

Với các kết quả nghiên cứu về hệ thống giám sát nước và cây trồng, Trung tâm nghiên cứu tài nguyên nước thuộc Trường Đại học Utah (Hoa Kỳ) đã xây dựng và phát triển một mô hình mới là CWMIS Nó cho phép theo dõi diễn biến lớp nước mặt ruộng và

độ ẩm trong đất thông qua vệ tinh

Hình 1.1: Diễn biến lớp nước mặt ruộng và độ ẩm đất được quan trắc từ vệ tinh Footer Page 30 of 148

Trang 31

18

Cán bộ quản lý hệ thống tưới và người nông dân có thể tính được thời gian cũng như

lượng nước cần tưới trong vòng 16 ngày tiếp theo [22], [23]

CWMIS được thực hiện hoàn toàn trên mạng Internet và sử dụng công nghệ Google Maps nên nó rất thuận tiện và dễ dàng cho người sử dụng Có thể sử dụng mô hình thông qua điện thoại di động

6 Mô hình kết nối đồng ruộng (FarmConnect Model)

Mô hình FarmConnect mới được Công ty Rubicon xây dựng và phát triển gần đây Các module phần cứng và phần mềm của FarmConnect được thiết kế, xây dựng đồng

bộ (tích hợp) và thực hiện thông qua mạng Internet Mô hình này cho phép giám sát tình trạng cây trồng và quản lý hệ thống tưới tự động từ xa nhờ những cảm biến độ ẩm,

mực nước và thiết bị điều khiển tự động các cửa lấy nước [24], [25]

Hình 1.2: FarmConnect giám sát và thông báo độ ẩm đất từ vệ tinh

1.1.2.2 Ưu điểm

- Hầu hết các mô hình SCADA đều có chức năng giám sát những số liệu quan trắc định kỳ (từ vài giây, 10 phút, 15 phút hoặc lâu hơn) về các yếu tố khí tượng, lớp nước mặt ruộng, độ ẩm trong tầng đất nuôi cây và mực nước tại các công trình, vị trí cần thiết Do đó, kết quả lập và hiệu chỉnh kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành hệ thống khá chính xác, đáp ứng tốt các dịch vụ cung cấp nước, hiệu quả QLVH cao

- Phần mềm SCADA thường được thiết kế và xây dựng đồng bộ với phần mềm quản

lý vận hành HTT nên các mô hình khá linh hoạt, xử lý thông tin nhanh chóng, đáp ứng được yêu cầu GS&ĐK tức thời

Trang 32

19

- Các mô hình SCADA trên thế giới chủ yếu sử dụng công nghệ truyền thông vô tuyến

và có xu thế rất rõ rệt trong việc khai thác triệt để tính ưu việt về truyền thông của mạng Internet cũng như mạng thông tin di động toàn cầu (3G/4G)

1.1.2.3 Hạn chế

- Phần mềm tính toán SCADA hầu như hoàn toàn độc lập với phần mềm quản QLVH nên khó có thể đáp ứng kịp thời QLVH khi nhu cầu dùng nước và khả năng cung cấp của nguồn nước thay đổi

- Hiện nay, hầu hết các mô hình công nghệ SCADA chỉ chủ yếu thực hiện các chức năng “tự nhiên“ của chúng là giám sát và điều khiển HTT theo một mục tiêu duy nhất sao cho cung cấp đủ nước mà chưa chú trọng đến mục tiêu hiệu quả tổng thể của HTT

- Kinh phí đầu tư và duy trì, bảo dưỡng các hệ thống SCADA lớn

- Những trang thiết bị truyền thông, GS&ĐK trong các mô hình SCADA ở nước ngoài đều là nhập ngoại, đắt tiền từ các hãng nổi tiếng như Allen Bradley, National Intruments, Siemens, Motorola, Hơn nữa, nhiều trang thiết bị đó phải đi kèm với dịch vụ kỹ thuật trọn gói như mô hình CWMIS, FarmConnect và các phần mềm đắt tiền dùng cho lập trình SCADA, Internet từ những hãng nổi tiếng như Wonderware (InTouch), National Intruments (LookOut), Interlution,

1.1.2.4 Phạm vi áp dụng và khả năng ứng dụng vào Việt Nam

- Các mô hình SCADA chủ yếu được áp dụng nhiều ở các quốc gia phát triển như Hoa

Kỳ, Pháp, Úc,

- Nhiều mô hình SCADA không có chức năng tính toán nhu cầu nước của các loại cây trồng trên đồng ruộng như FQM, EAO, TC/TM, nên không có triển vọng ứng dụng trong điều kiện Việt Nam Một số mô hình khác như CWMIS, FarmConnect cũng ít có khả năng áp dụng được vì đòi hỏi phải giám sát qua vệ tinh và hầu hết các thiết bị GS&ĐK đều phải mua của Rubicon và nhập ngoại

- Về mặt kỹ thuật có thể cải tiến và ứng dụng mô hình FQM cho các HTT nhỏ và vừa

ở nước ta nhưng chi phí đầu tư sẽ lớn Dự án “Nâng cao năng lực vận hành và duy tu bảo dưỡng các hệ thống thủy lợi“ – TA No.1968-VIE (TA-1) do Ngân hàng phát triển châu Á tài trợ trước đây đã bước đầu nghiên cứu ứng dụng mô hình FQM ở HTTL Bắc Nghệ An và HTTL Sông Chu nhưng thấy khó khả thi và phải dừng lại

Trang 33

20

- Có thể áp dụng TC/TM cho các HTT nhỏ ở nước ta khi chưa có đủ điều kiện đầu tư xây dựng hệ thống SCADA hoàn chỉnh nhưng cần phải đảm bảo các trang thiết bị điều khiển, đo đạc tự động, truyền thông,… có thể được sử dụng triệt để khi có điều kiện hoàn chỉnh hệ thống SCADA

 Nhận xét và đánh giá

Với những kết quả nghiên cứu tổng quan và phân tích ưu, nhược điểm trên đây của các

mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa, có thể rút ra các nhận xét, đánh giá sau đây:

- Trên thế giới, mỗi một mô hình SCADA được xây dựng thường chỉ là để áp dụng cho một HTT cụ thể có những điều kiện riêng biệt Chưa có mô hình SCADA thích hợp nào có thể ứng dụng trực tiếp trong điều kiện Việt Nam

- Ở nước ta, quá trình và tốc độ ứng dụng các công nghệ mới, hiện đại nói chung và ứng dụng công nghệ SCADA nói riêng thường rất chậm Vì vậy, muốn phát huy những tính năng ưu việt của công nghệ SCADA trong quản lý vận hành các HTT cần phải định hướng nghiên cứu sao cho với những HTT được quan trắc, vận hành thủ công; rồi cả những HTT được quan trắc, vận hành bán tự động vẫn có thể được hỗ trợ

và giám sát, điều khiển nhờ các chức năng có thể của hệ thống SCADA

- Phần mềm SCADA cần được nghiên cứu thiết kế và xây dựng đồng bộ với phần mềm quản lý vận hành HTT mới có thể đáp ứng được những yêu cầu lưu trữ, truy cập,

xử lý thông tin nhanh chóng và GS&ĐK tức thời dựa trên các số liệu quan trắc

- Hiện nay, các mô hình công nghệ SCADA chỉ chủ yếu thực hiện các chức năng “tự nhiên“ của chúng là giám sát và điều khiển HTT sao cho cung cấp đủ nước mà chưa chú trọng đến mục tiêu hiệu quả toàn diện của HTT Do đó, ở nước ta cần nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa theo định hướng công nghệ SCADA tin cậy, linh hoạt

- Cần nghiên cứu phát triển các mô hình SCADA theo xu hướng khai thác triệt để tính

ưu việt về truyền thông của mạng Internet cũng như mạng thông tin di động toàn cầu

Từ các nhận xét, đánh giá trên đây cho thấy: việc nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT ở Việt Nam cần theo định hướng công nghệ SCADA tin cậy, khả thi, tiện lợi, nội địa hóa và giá thành thấp

Trang 34

21

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Trước năm 1990, ở nước ta hầu như chưa có công trình khoa học nào đi sâu nghiên cứu về các mô hình quản lý vận hành HTT theo hướng tiếp cận hiện đại hoá

Đến những năm cuối của thế kỷ 20 mới có một số mô hình QLVH theo hướng hiện đại hoá được xây dựng, phát triển và áp dụng vào thực tế QLVH các HTT, chẳng hạn như các mô hình quản lý điều hành: HTTN Đan Hoài, HTTN Thạch Nham, HTTN Bắc Hưng Hải, HTTN Sông Chu, và mô hình IMSOP được cải tiến, áp dụng thực tế ở HTTN La Khê Thực chất đó là các mô hình lập kế hoạch vận hành và hỗ trợ tự động giám sát, điều khiển tại chỗ

Từ năm 2001 đến năm 2004, ba đề tài NCKH về hiện đại hóa QLVH thuộc Chương trình KHCN trọng điểm cấp Bộ: “Nâng cấp, từng bước hiện đại hóa, đa dạng hóa mục tiêu khai thác sử dụng các công trình thủy lợi” [3] đã đi sâu nghiên cứu xây

dựng 3 mô hình công nghệ SCADA: SCADA/MAC, VKHTLMB SCADA, VKHTLMN SCADA Ba mô hình SCADA đó được triển khai áp dụng lần đầu tại HTTN Phù Sa, HTTN Ấp Bắc – Đông Anh, HTTN Gò Công (Tiền Giang)

Từ năm 2008 đến năm 2012, Dự án Hỗ trợ thủy lợi Việt Nam (VWRAP) đã nghiên cứu thiết kế, xây dựng 4 mô hình công nghệ SCADA khác là BCEOM1 SCADA (được ứng dụng ở HTT Yên Lập, BCEOM2 SCADA (được ứng dụng ở HTT Cầu Sơn

- Cấm Sơn và HTT Kè Gỗ), HASKONING SCADA (được ứng dụng ở HTT Phú Ninh, Đá Bàn), BRLI SCADA (được ứng dụng ở HTTL Dầu Tiếng)

Dưới đây sẽ trình bày khái quát về các công trình nghiên cứu cũng như ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng của các mô hình QLVH kể trên

1.2.1 Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và

giám sát, điều khiển bán tự động………

1.2.1.1 Quản lý điều hành HTTN Đan Hoài (QLĐH Đan Hoài)

Cuối năm 1995, đề tài nghiên cứu về quản lý điều hành này được hoàn thành và đưa vào áp dụng tại HTTN Đan Hoài (tác giả của luận án này đã tham gia thiết lập, xây dựng mô hình QLĐH với vai trò là chủ nhiệm hạng mục “Điều hành hệ thống tưới“)

Mô hình QLĐH Đan Hoài có các chức năng chính là lập kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành hệ thống và hỗ trợ giám sát, vận hành tự động trạm bơm Đan Hoài, cống lấy nước đầu mối Bá Giang

Trang 35

22

a) Ưu điểm:

- Mô hình cho phép tính toán nhu cầu nước mặt ruộng của các loại cây trồng

- Trạng thái lớp nước mặt ruộng và động thái ẩm trong đất được tính toán, mô phỏng liên tục theo năm nông lịch nên có thể đáp ứng được yêu cầu thực tế trong công tác quan trắc, theo dõi và vận hành các công trình

- Các kết quả được phân tích từ mô hình đã bước đầu cho phép người quản lý ra các quyết định nhanh chóng và điều hành HTT hiệu quả hơn

b) Hạn chế:

Mô hình QLĐH Đan Hoài tuy đã mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác

hệ thống với 7 hàm mục tiêu nhưng lại chưa đưa vào các hàm mục tiêu cụ thể khi lập

kế hoạch vận hành hệ thống

c) Phạm vi và khả năng ứng dụng:

- Mô hình đã được áp dụng ở HTTN Đan Hoài và HTTN Nha trinh - Lâm Cấm

- Có thể áp dụng khá phù hợp cho các HTT nhỏ và vừa ở Việt Nam khi chưa có điều kiện xây dựng hệ thống GS&ĐK tự động từ xa

1.2.1.2 Hệ thống bán tự động quản lý điều hành HTTN Thạch Nham

Trong công trình nghiên cứu này, mô hình quản lý điều hành bán tự động HTTN Thạch Nham được xây dựng và đưa ra ứng dụng trong năm 1998 Đó là sản phẩm nghiên cứu phối hợp của một số giảng viên, cán bộ Trường Đại học Thuỷ lợi, Trung tâm dự báo khí tượng thuỷ văn Quốc gia, Viện Khí tượng thuỷ văn và Công ty Quản lý khai thác CTTL tỉnh Quảng Ngãi

Mô hình có các chức năng trợ giúp cho việc điều hành trên cơ sở giải quyết 3 bài toán

cơ bản được đặt ra trong công tác quản lý nước ở HTTN Thạch Nham [26], [27]:

- Lập kế hoạch sử dụng nước

- Quản lý vận hành hệ thống trong mùa mưa lũ

- Điều hành hệ thống phục vụ cấp nước trong mùa kiệt

a) Ưu điểm:

- Về cơ bản, mô hình được xây dựng trên quan điểm của lý thuyết phân tích hệ thống

- Các số liệu khí tượng, thủy văn đầu vào mô hình được tính toán từ mô hình ARIMA nên khá phù hợp với thực tế

Trang 36

23

-.Cho phép tính toán nhu cầu nước của nhiều loại cây trồng

- Mô hình đã bước đầu cho phép người quản lý ra các quyết định điều hành HTT đạt

hiệu quả cao hơn [28]

- Số liệu khí tượng, thủy văn tính theo trung bình tháng nên không phù hợp với việc lập kế hoạch quản lý vận hành HTT

- Mô hình phải sử dụng kết hợp với 2 mô hình khác của nước ngoài là STATISTICA, HEC-RAS nên phần mềm đi kèm có các giao diện và phông chữ bằng tiếng Anh chưa được Việt hoá nên không thuận tiện và khó sử dụng đối với cán bộ, nhân viên của các công ty quản lý khai thác CTTL

c) Phạm vi và khả năng áp dụng:

- Mô hình chỉ mới được áp dụng ở HTTN Thạch Nham

- Ít có khả năng áp dụng rộng rãi vì mô hình này được xây dựng chỉ nhằm giải quyết bài toán QLVH cụ thể ở Thạch Nham

1.2.1.3 Quản lý điều hành HTTN Bắc Hưng Hải (QLĐH Bắc Hưng Hải)

Từ cuối năm 1998, một số chuyên gia thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trường Đại học Thuỷ lợi và Viện Nghiên cứu Khoa học Thuỷ lợi đã nghiên cứu thiết lập một mô hình mới phục vụ cho việc điều hành HTTN Bắc Hưng Hải Mô hình đã đi sâu tiếp cận lý thuyết phân tích hệ thống và mô phỏng các trạng thái dòng chảy trên hệ thống khá thích hợp Chức năng chính của mô hình là lập kế hoạch vận hành và hỗ trợ giám sát, vận hành tự động các cống lấy nước

a) Ưu điểm:

- Các số liệu quan trắc mực nước tại thượng, hạ lưu các công trình chủ chốt được cập nhật hàng ngày có thể đáp ứng được các yêu cầu chính của công tác vận hành hệ thống

Trang 37

c) Phạm vi và khả năng áp dụng:

- Mô hình mới chỉ được áp dụng ở HTTN Bắc Hưng Hải

- Không có khả năng áp dụng rộng rãi vì hiện nay rất ít các HTT sử dụng mạng điện thoại công cộng phục vụ cho công tác GS&ĐK bán tự động

1.2.1.4 Nghiên cứu cải tiến mô hình IMSOP để điều hành phân phối nước hợp lý,

nâng cao hiệu quả sử dụng nước của hệ thống tưới bằng bơm ở đồng bằng sông Hồng (Mô hình IMSOP cải tiến)

Mô hình IMSOP cải tiến thực chất là mô hình IMSOP của nước ngoài được nghiên cứu cải tiến để áp dụng vào HTTN La Khê Nói chung, các ưu nhược điểm của mô hình này như đã được trình bày chi tiết trong phần 1.1 Ở đây chỉ nhấn mạnh một số

ưu điểm chính và khả năng ứng dụng của nó khi đã được cải tiến [29]

- Mô hình cho phép tính toán, mô phỏng các HTT lớn với nhiều loại cây trồng và các đối tượng sử dụng nước khác nhau

- Các số liệu khí tượng, thủy văn được cập nhật hàng ngày; kết quả tính toán nhu cầu nước của các loại cây trồng tương đối chính xác có thể đáp ứng về cơ bản các yêu cầu trong tính toán quản lý vận hành HTT

- Mô hình đã được áp dụng ở HTTN La Khê và bước đầu triển khai ở HT Đan Hoài

- IIMSOP có thể tiếp tục được cải tiến, phát triển thành mô hình GS&ĐK tự động từ

xa sử dụng công nghệ Internet trong điều kiện Việt Nam…

1.2.2 Các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa

1.2.2.1 Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến từng bước hiện đại hoá

công tác quản lý điều hành hệ thống thuỷ nông Phù Sa, Hà Tây (Mô hình SCADA/MAC)

Sản phẩm của đề tài NCKH trọng điểm cấp Bộ: “Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến từng bước hiện đại hoá công tác quản lý điều hành hệ thống thuỷ nông Phù Sa, Hà Tây” là mô hình SCADA/MAC được hoàn thiện và áp dụng lần đầu tiên

Trang 38

25

tại HTTN Phù Sa vào năm 2002 Mô hình và phần mềm SCADA/MAC đã được Bộ Khoa học và Công nghệ, Uỷ ban Nhân dân Thành phố Hà Nội và Uỷ ban Nhân dân Thành phố Hồ Chí Minh cấp giấy Chứng nhận Công nghệ và tặng Huy chương vàng

“Hội chợ Công nghệ và Thiết bị Việt Nam - TechMart 2003” theo Quyết định số 1969 /QĐ-BKHCN ngày 14/10/2003 Tác giả của luận án này là chủ nhiệm đề tài nói trên

và cũng chính là tác giả của mô hình SCADA/MAC

Mô hình SCADA/MAC gồm có 5 thành phần chính [30]:

- Thành phần thứ nhất: “Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên (Đất – Nước – Cây trồng)“ cho phép thiết lập mô hình hóa và giải bài toán quy hoạch đa mục tiêu sử dụng

”tối ưu” tài nguyên: đất, nước, cây trồng trên HTT

- Thành phần thứ hai: “Lập kế hoạch quản lý tưới“ là công cụ tính toán nhu cầu nước của các loại cây trồng và lập kế hoạch dùng nước

- Thành phần thứ ba: ”Lập kế hoạch quản lý vận hành HTT” có chức năng tính toán các thông số vận hành các công trình thủy lợi và GS&ĐK tự động tại chỗ

- Thành phần thứ 4: ”Giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA)” cho phép thiết lập hệ thống SCADA quan trắc, theo dõi lớp nước mặt ruộng, độ ẩm trong tầng đất nuôi cây, các yếu tố khí tượng chính, mực nước tại những vị trí cần thiết; trạng thái đóng, mở và độ mở cửa cống; trạng thái bật, tắt các máy bơm, cùng với chức năng điều khiển các cửa cống và máy bơm,

- Thành phần thứ 5: ”Đánh giá hiệu quả quản lý vận hành HTT” bằng phần mềm trực tuyến OIBS chạy trên mạng Internet, cho phép tính toán ra 4 nhóm chỉ số về: vận hành, kinh tế, tài chính và môi trường

a) Ưu điểm:

- Mô hình SCADA/MAC được xây dựng, phát triển dựa trên các mô hình và hệ thống giám sát, điều khiển: FQM, Goulburn Murray SCADA của Australia; Klamath SCADA của Hoa Kỳ, Mekoroth SCADA của Israel,… Vì vậy, về cơ bản SCADA/MAC có các ưu điểm như của mô hình FQM và Clamath SCADA đã được nêu trong phần 1.1.2 Ngoài ra, nó còn có những ưu điểm khác được liệt kê dưới đây

- Mô hình sử dụng ngôn ngữ lập trình Microsoft Visual Basic và hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server để lập trình SCADA nên giá thành rẻ và hoàn toàn chủ động phát triển

Trang 39

26

- Phần lớn thiết bị giám sát và điều khiển (cảm biến và PLC) có thể mua của các hãng nổi tiếng như Omron (Nhật Bản), Istec (Hàn Quốc) với chất lượng tin cậy và giá cả hợp lý (chỉ bằng khoảng 1/3 ÷ 1/4 so với mua của các hãng châu Âu, châu Mỹ)

- Giao diện phần mềm SCADA có thể được hiển thị, giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet nhờ phần mềm PCAnywhere Do đó, các cán bộ lãnh đạo công ty và phòng kỹ thuật có thể sử dụng những thông tin GS&ĐK tức thời, phục vụ kịp thời cho việc ra quyết định khi cần thiết

Năm 2010 hệ thống SCADA/MAC được ứng dụng thử nghiệm ở HTTN Phước Thiện (Ninh Thuận), khi đó sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến qua các modem trải phổ (SM)

b) Nhược điểm: Kinh phí đầu tư và duy trì hệ thống GS&ĐK khá lớn, nhất là khi sử

dụng hệ thống truyền thông của hãng Motorola bao gồm CPM-M MOSCAD, MOSCAD RTUs, GM 300, GM 332, các thiết bị chống sét và phí thuê bao tần số

c) Phạm vi và khả năng ứng dụng:

Có thể áp dụng tốt cho các HTT tương tự như HTT Phù Sa và có tính ưu việt khi cần xây dựng lắp đặt hệ thống GS&ĐK ở các vùng không có mạng điện thoại công cộng

và Internet

1.2.2.2 Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến trong quản lý vận hành hệ

thống thuỷ nông Ấp Bắc - Nam Hồng (Mô hình VKHTLMB SCADA)

Công trình nghiên cứu này do Viện khoa học thủy lợi miền Bắc (trước đây) thực hiện Sản phẩm là mô hình VKHTLMB SCADA được nghiên cứu xây dựng và phát triển chủ yếu dựa trên các mô hình - hệ thống SCADA của các nước châu Âu và được ứng dụng lần đầu tại HTTN Ấp Bắc - Nam Hồng (Đông Anh, Hà Nội)

Mô hình VKHTLMB SCADA gồm có 3 thành phần chính [3]:

- Trung tâm GS&ĐK

- Hệ thống truyền thông tin hữu tuyến thông qua các máy điện thoại quay số của Việt Nam Các giao diện GS&ĐK chỉ được hiển thị tại trung tâm GS&ĐK Gần đây, mô hình GS&ĐK này được cải tiến và chuyển dần sang dùng hệ thống truyền thông vô tuyến

- Các thiết bị đầu cuối (RTU, PLC và cảm biến) Một số thiết bị vi xử lý được cải tiến

và do Viện khoa học thủy lợi miền Bắc (trước đây) tự chế tạo

Trang 40

- Phần mềm SCADA độc lập với phần mềm QLVH HTT nên mô hình này kém linh

hoạt, xử lý thông tin chậm chạp không đáp ứng được yêu cầu GS&ĐK tức thời

- Các thông tin giám sát về mực nước, độ mở cống, trạng thái làm việc của máy bơm

và lệnh điều khiển được truyền qua mạng điện thoại nên mất thời gian quay số, tốc độ truyền chậm, chu kỳ quét thường không được liên tục do hiện tượng trễ tín hiệu và phải quay số lại, Các tín hiệu truyền qua mạng điện thoại có chất lượng không ổn định

và dễ bị ảnh hưởng của các nhiễu do thời tiết và các yếu tố bất thường

- Cán bộ lãnh đạo công ty không được cung cấp, cập nhật các thông tin GS&ĐK một cách tức thời, các cơ sở dữ liệu được lưu trữ thường thưa/gián đoạn, khó phục vụ kịp thời cho người quản lý ra quyết định khi khẩn cấp

- Không chủ động được các trang thiết bị truyền thông tin

- Thường các thiết bị GS&ĐK có chất lượng và tuổi thọ không cao

1.2.2.3 Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quản lý điều hành hệ thống thuỷ lợi

Gò Công (Mô hình VKHTLMN SCADA)

Mô hình VKHTLMN SCADA được nghiên cứu và phát triển chủ yếu dựa trên các mô hình - hệ thống SCADA của các nước châu Á và châu Âu

Mô hình này được ứng dụng lần đầu tại HTTL Gò Công (Tiền Giang)

Mô hình VKHTLMN SCADA gồm có 5 thành phần chính [3]:

- Trung tâm GS&ĐK

- Mạng diện rộng (WAN)

Định dạng
Số trang	214
Dung lượng	10,14 MB