Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới (TT)

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 TƢỚI

Chuyên ngành: QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC
Mã số chuyên ngành: 62-62-30-01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016


Luận án được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1. GS. TS. Bùi Hiếu
Người hướng dẫn khoa học 2. PGS. TS. Lê Văn Ƣớc

Phản biện 1: PGS. TS. Hà Lƣơng Thuần
Phản biện 2: TS. Lê Văn Chín
Phản biện 3: TS. Đinh Thanh Mừng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại:
Trƣờng Đại học Thủy lợi
175 phố Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội

vào lúc
giờ
ngày
tháng 04 năm 2016

Có thể tìm hiểu Luận án tại:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
1.1. Tính cấp thiết trong thực tiễn
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 HTT 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. Vì vậy, việc quản lý khai thác (QLKT), vận hành hiệu quả các
HTT 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. Sự cạnh tranh về nước giữa các
đối tượng dùng nước 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”. Do đó, cùng với công tác không ngừng nâng cao
hiệu quả QLKT, nhiệm vụ của các công ty QLKT CTTL còn phải đáp ứng tốt
dịch vụ cung cấp nước đúng, đủ, kịp thời, tin cậy, linh hoạt và công bằng theo
các yêu cầu dùng nước. Muốn vậy, công tác QLVH các HTT cần phải được
hiện đại hóa [1], [6], [3], [7].

Trên thế giới, nhiều HTT đã được giám sát và điều khiển (GS&ĐK) tự động từ
xa nhờ các mô hình hiện đại hóa QLVH [1], [8]. Tuy vậy, vẫn chưa có mô hình
nào có thể ứng dụng thích hợp hoàn toàn cho QLVH HTT trong điều kiện VN.
Ở nước ta, mặc dù đã có khá nhiều mô hình hiện đại hóa GS&ĐK các HTT
được ứng dụng nhưng hầu hết các mô hình đó 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… Hơn nữa, tất cả các mô hình hiện đại hóa QLVH ở
VN 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…
Để góp phần thực hiện Nghị quyết IX về “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại
hoá nông nghiệp và nông thôn” và đề án: “Nâng cao hiệu quả quản lý khai thác
công trình thủy lợi hiện có“ của Bộ Nông nghiệp và PTNT, 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


1.2. Tính cấp thiết về lý luận
Hiện nay và trong tương lai, mục tiêu quản lý khai thác, 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]… Vì vậy, một số giả thiết khoa học và
các phương pháp luận tính toán QLKT, vận hành hiện nay do không xét đến các
hàm mục tiêu nên 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 dùng nước thường xuyên thay đổi... 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.
Lý thuyết phân tích hệ thống, lý thuyết tối ưu, lý thuyết quyết định 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 các HTT. Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng những lý thuyết kể
trên mới có thể giải quyết hoàn chỉnh bài toán QLVH các HTT...
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề xuất và xây dựng, phát triển một mô hình mới về hiện đại hóa QLVH các
HTT thích hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả toàn
diện trong QLKT, 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các HTT tự chảy hoặc tưới bằng động lực phục vụ
nông nghiệp, cấp nước cho dân sinh, công nghiệp và các ngành kinh tế khác...
Phạm vi nghiên cứu: vấn đề QLVH các HTT bằng kênh hở có công trình đầu
mối là trạm bơm, cống lấy nước; không xét nguồn nước hồi quy, nội đồng...
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Trước hết về ý nghĩa khoa học, Luận án đã 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
theo mô hình toán học quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu.
- Quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế (thời gian thực).
- Công nghệ quản lý vận hành HTT thông qua mạng Internet và UMTS…
2


Về ý nghĩa thực tiễn, sản phẩm của Luận án có thể trợ giúp đắc lực cho các
công ty QLKT CTTL, các phòng nông nghiệp,… 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 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; sử dụng
nước ít nhất; sự thiếu hụt nước so với nhu cầu dùng nước là nhỏ nhất.
Ý nghĩa thực dụng nữa là đã tạo ra một bộ công cụ thực hiện và trợ giúp hiện

đại hóa QLVH để từng bước tiến tới tự động hoá QLVH tự động từ xa góp
phần thực hiện nhiệm vụ công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước...
5. Những đóng góp mới của luận án
1. Đề xuất và xây dựng một mô hình mới về hiện đại hóa QLVH HTT 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, quản lý công trình và quản lý kinh tế của các công ty QLKT.
2. Đề xuất cơ sở khoa học và mô hình hóa bài toán lập kế hoạch QLKT “tối ưu”
liên kết với bài toán lập kế hoạch dùng nước, vận hành HTT theo mô hình toán
học quy hoạch phi tuyến, đa mục tiêu nhằm đạt được đồng thời 4 mục tiêu...
3. Xây dựng và phát triển một số công cụ QLVH theo hướng hiện đại hóa giúp
cho người quản lý thực hiện các công việc GS&ĐK theo số liệu quan trắc vào
bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu có mạng Internet hay mạng điện thoại di động.
4. Cải tiến, phát triển cơ sở khoa học cho mô hình công nghệ SCADA (IP
Modem - RTU) sử dụng mạng Internet và mạng viễn thông di động toàn cầu có
tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện VN và tổng vốn đầu tư không quá 28%
so với hầu hết các mô hình SCADA đang được ứng dụng.
5. Xây dựng nền tảng công nghệ cho việc phát triển các công cụ HĐH QLVH
thông qua việc tạo ra website giúp cho các
công ty QLKT có thể tự xây dựng trang web hiện đại hóa QLVH HTT của họ
tự động từ xa ngay cả khi HTT đó vẫn còn đang được QLVH bằng thủ công.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 147 trang thuyết minh, 1 trang liệt kê danh mục 10 công trình đã
công bố của tác giả, 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.
3

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
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]. Có thể sơ bộ phân loại
những mô hình QLVH đó thành 3 nhóm khác nhau:
Nhóm 1: Các mô hình lập kế hoạch tưới.
Nhóm 2: Các mô hình lập kế hoạch QLVH và giám sát, điều khiển bán tự động.
Nhóm 3: Các mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA).
Trong phần nghiên cứu tổng quan chỉ tập trung đi sâu nghiên cứu những mô
hình HĐH QLVH (nhóm 2 và 3).
1.1.1 Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch QLVH và
GS&ĐK bán tự động
Các công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch QLVH và GS&ĐK 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 CTTL và thiết lập một số hệ thống GS&ĐK
bán tự động tại chỗ các CTTL chủ chốt. Luận án đã phân tích, đánh giá tổng
quan những công trình nghiên cứu tiêu biểu sau đây:
1. Phân tích và điều khiển hệ thống tưới (INCA)
2. Vận hành hệ thống tưới (IMSOP)
3. Mô hình lập kế hoạch phân phối nước và vận hành (OPDM)
4. Quản lý vận hành kênh tưới (CanalMan)
5. Lập kế hoạch quản lý tưới (IMS)
6. Mô hình đánh giá nước và đất (SWAT)
7. Tính toán tưới cho hệ thống dùng nước mặt và hồ chứa (RUSTIC)
8. Quản lý vận hành hệ thống tưới (OMIS)
9. Quy hoạch cây trồng và vận hành hệ thống tưới (CPOIS).
Từ đó tổng hợp ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng của các mô hình QLVH

vào Việt Nam như ở bảng 1.2.
1.1.2 Các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự
động từ xa (SCADA)
Hiện nay, các công trình nghiên cứu về mô hình GS&ĐK tự động từ xa đều đi
sâu nghiên cứu xây dựng các thuật toán, phần mềm tính toán QLVH và ứng
dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại trong việc GS&ĐK tự động các CTTL từ
trung tâm điều hành. Những công trình nghiên cứu tiêu biểu tiêu biểu:
4


1. Quản lý dòng chảy và chất lượng nước (FQM)
2. Quản lý vận hành với sự trợ giúp của máy tính (EAO)
3. Hệ thống đo đạc và điều khiển từ xa (TC/TM)
4. Mô hình giám sát và điều khiển Klamath (Klamath SCADA)
5. Giám sát nước - cây trồng và hệ thống thông tin quản lý (CWMIS)
6. Mô hình kết nối đồng ruộng (FarmConnect Model)…
Từ nghiên cứu tổng quan đã tổng hợp ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng
của các mô hình SCADA vào Việt Nam như ở bảng 1.2.
1.2
Tổng quan tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Đến những năm cuối của thế kỷ 20 mới có một số công trình nghiên cứu về các
mô hình QLVH theo hướng hiện đại hoá.
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 CTTL” [3] đã đi sâu nghiên cứu
xây dựng 3 mô hình: SCADA/MAC, VKHTLMB SCADA, VKHTLMN
SCADA... Từ năm 2008 - 2012, Dự án VWRAP đã nghiên cứu xây dựng 4 mô
hình công nghệ SCADA khác là BCEOM1, BCEOM2, HASKONING, BRLI.
Trong Luận án đã phân tích, đánh giá tổng quan và tổng hợp ưu, nhược điểm
cũng như khả năng ứng dụng của các mô hình kể trên như trong bảng 1.2.

1.3
Định hƣớng nghiên cứu xây dựng, phát triển mô hình hiện đại hóa
quản lý vận hành hệ thống tƣới
Trên cơ sở phân tích, đánh giá tổng hợp các ưu, nhược điểm và những hướng có
thể phát huy, khắc phục nêu trong bảng 1.2 cho thấy: mô hình hiện đại hóa
QLVH cần được nghiên cứu phát triển theo hướng tiếp cận lý thuyết phân tích
hệ thống; hỗ trợ, thực hiện cả GS&ĐK thủ công, bán tự động, tự động từ xa
nhằm đáp ứng cả 3 nhiệm vụ chính trong công tác QLVH…
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
TT
1

Ưu điểm cơ bản

Nhược điểm, hạn chế cơ bản
Hầu hết các mô hình chưa đề
cập đến việc nâng cao hiệu
quả toàn diện của HTT. Chỉ
CPOIS, SCADA/MAC có
chức năng lập kế hoạch khai
thác với một số mục tiêu.

5

Hướng phát huy, khắc phục
Mô hình hiện đại hóa
QLVH cần xem xét giải
quyết bài toán quản lý khai
thác “tối ưu“ đa mục tiêu.

2

Nhiều mô hình
có chức năng
thực hiện kế
hoạch
QLVH
dựa trên những
số liệu quan trắc
về KTTV, lớp
nước mặt ruộng,
độ ẩm đất,…

3

4

5

6

7

Xu
hướng
QLVH
và
GS&ĐK

là
thông qua mạng
Internet và vệ
tinh
(SWAT,
CWMIS,
FarmConnect,…

Phần lớn các MH công nghệ
GS&ĐK và các hệ thống
SCADA hiện nay chỉ có chức
năng hỗ trợ QLVH vì phần
mềm SCADA độc lập với
phần mềm QLVH. Dẫn đến
QLVH khó đáp ứng được yêu
cầu GS&ĐK tức thời, nhanh
chóng và xử lý sự cố,…
Phần lớn các mô hình chỉ chú
trọng đến vấn đề quản lý nước
và GS&ĐK. Rất ít mô hình
(SIMIS, UNSTEADY) có
chức năng quản lý công trình
và quản lý kinh tế.
Ở VN chỉ mới ứng dụng công
nghệ SCADA thuộc thế hệ
thứ 2 và 3 không hỗ trợ
GS&ĐK qua mạng Internet

- Để dịch vụ cung cấp
nước đạt hiệu quả cao, cần

QLVH các HTT theo số
liệu quan trắc tức thời.
- N/C xây dựng phần mềm
HĐHQLVH lồng ghép
với những thuật toán điều
khiển trong công nghệ
SCADA.
Mô hình hiện đại hóa
QLVH cần hỗ trợ và thực
hiện cả 3 nhiệm vụ của
công ty QLKT CTTL:
quản lý nước, quản lý công
trình và quản lý kinh tế.
Cần ứng dụng công nghệ
SCADA trên nền tảng
Internet và UMTS bằng
cách phát triển công nghệ
lập trình mạng và các giao
thức truyền thông...

Vốn đầu tư lớn, trang thiết bị
thường phải nhập ngoại đắt
tiền hoặc phải mua theo hợp
đồng trọn gói…
Tính toán bốc thoát hơi nước
ETc và kế hoạch QLVH dựa
trên số liệu khí tượng, thủy
văn trung bình tháng trong
nhiều năm hay với 1 tần suất
nào đó nên kết quả thường sai

khác so với thực tế [36], [37].
Các mô hình trên thế giới đòi
hỏi kiến thức, kỹ năng CNTT
cao và phải thạo tiếng Anh,…

N/C các giải pháp khả thi
về phương thức truyền
thông, tích hợp SCADA
theo xu hướng IP RTU…
Cần nghiên cứu lựa chọn
và ứng dụng phương pháp
thích nghi tính toán dự báo
các yếu tố khí tượng, thủy
văn trong QLVH với độ
chính xác và tin cậy cao
hơn hiện nay...
Mô hình cùng phần mềm
phải đơn giản, hỗ trợ theo
tình huống (ngữ cảnh)...

Định hướng nghiên cứu: Mô hình hiện đại hóa QLVH sẽ bao gồm 6 chức năng:
1. Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên ”tối ưu”
2. Lập kế hoạch dùng nước
6


3. Lập kế hoạch vận hành hệ thống
4. Giám sát và điều khiển hệ thống tự động từ xa
5. Quản lý công trình
6. Đánh giá hiệu quả quản lý vận hành (Quản lý kinh tế).

CHƢƠNG 2

NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu xây dựng mô hình lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” hệ
thống tưới.
2. Nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu
quan trắc thực tế (thời gian thực).
3. Nghiên cứu hiện đại hóa quản lý vận hành và giám sát, điều khiển hệ thống
tưới thông qua mạng Internet và mạng viễn thông di động toàn cầu (Website
GS&ĐK, phần mềm HĐH QLVH, cơ sở dữ liệu trực tuyến,...).
4. Nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển.
Ngoài ra, 2 nội dung dưới đây cũng được đưa vào nghiên cứu kết hợp, lồng
ghép với 4 nội dung trên để khép kín chu trình nâng cao hiệu quả QLKT:
5. Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý và
vận hành các công trình trên hệ thống tưới.
6. Nghiên cứu cải tiến, phát triển bộ công cụ đánh giá hiệu quả quản lý khai
thác và hỗ trợ chu trình nâng cao hiệu quả của hệ thống tưới.
2.2
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tổng quát trong Luận án này là kết hợp lý luận với
thực tiễn: điều tra, thu thập, quan trắc số liệu và thiết lập mô hình, phần mềm
tính toán phân tích, mô phỏng trên máy vi tính cũng như trên mạng Internet và
UMTS, rồi thử nghiệm kiểm chứng mô hình từng phần thông qua các số liệu đo
đạc, quan trắc thực tế về quản lý vận hành các HTT [43].
2.2.1 Phương pháp mô hình hóa
2.2.1.1 Mô hình hóa bài toán quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới
Lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” HTT là bài toán thực tế phức tạp, đòi
hỏi phải thiết lập một mô hình và quy trình tối ưu để giải bài toán theo 7 bước:

* Bước 1: Phân tích xác định một cách định tính các mục tiêu cần đạt được
trong QLKT, vận hành các HTT.
* Bước 2: Xác định các điều kiện kỹ thuật, kinh tế, xã hội cần thoả mãn.
* Bước 3: Xác định sơ bộ các thông số (biến số) có thể biểu thị trạng thái HTT.
7


* Bước 4: Lập sơ đồ khối biểu thị cấu trúc và cơ chế hoạt động của HTT.
* Bước 5: Thiết lập những biểu thức toán học biểu thị các hàm mục tiêu thông
qua các biến vào, biến ra và biến điều khiển.
* Bước 6: Biểu thị các điều kiện ràng buộc bằng các biểu thức hoặc các bất
đẳng thức toán học, thuỷ lực, thuỷ nông,...
Bước 5 và 6 được thực hiện dựa trên cơ sở khoa học, lý thuyết toán học về bài
toán quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu [54].
* Bước 7: Đưa các hàm mục tiêu và những ràng buộc đã xác định (bước 5 và 6)
về dạng chính tắc để giải bài toán quy hoạch phi tuyến tối ưu đa mục tiêu:
min {F1(X, C, Y), F2(X, C, Y), ..., Fm(X, C, Y)} (2-1)
CS
Với gj(C)  0
(2-2)
Những năm gần đây, phương pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu (tiếng Anh
là: Multi-objective differential evolution, được viết tắt là: MODE) được
ứng dụng ngày càng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới với lý do là có cấu trúc

đơn giản, dễ sử dụng, rất thích hợp cho việc lập trình và tính toán song
song trên máy vi tính; cho phép tính toán tối ưu tất cả các hàm mục tiêu
một cách đồng thời…
2.2.1.2 Mô hình hóa bài toán quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan
trắc thực tế
Thực chất của bài toán quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc thực tế

hàng ngày là phải thường xuyên cung cấp nước đúng thời điểm, đúng khoảng
thời gian cây trồng cần nước và đủ lượng nước theo nhu cầu sinh trưởng, phát
triển (đúng như công thức tưới tăng sản).
- Hàm mục tiêu: Chênh lệch giữa tổng lượng nước do HTT cung cấp tại mặt
ruộng cho cây trồng và tổng nhu cầu nước thực tế của cây trồng phải là nhỏ
nhất: | Wcc – Wyc |  Min
(2-3)
Trong đó: Wcc là tổng lượng nước do HTT cung cấp tại mặt ruộng.
Wyc là tổng nhu cầu nước thực tế ở mặt ruộng của các loại cây trồng.
- Ràng buộc chính là về lớp nước mặt ruộng và độ ẩm đất thực tế hàng ngày:
phải luôn luôn nằm trong khoảng cho phép của công thức tưới tăng sản:
[hmin] ≤ hi ≤ [hmax] và [ min] ≤  i ≤ [ max].
- Các thông số điều khiển trực tiếp là: số máy bơm làm việc, lưu lượng máy
bơm, thời gian bơm nước của mỗi máy bơm; độ mở cửa cống lấy nước,...
8


Cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình quản lý vận hành HTT theo số liệu
quan trắc là dựa trên phương trình cân bằng nước và căn cứ vào các số liệu
quan trắc thực tế về lớp nước mặt ruộng (hci) cũng như độ ẩm đất (βci)...
2.2.2 Phương pháp dự báo thích nghi các yếu tố khí tượng, thuỷ văn
Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới đang sử dụng khá phổ biến một số
phương pháp dự báo KTTV dựa trên các mô hình thống kê hiện đại [60], [61]:
1. Các mô hình dự báo thích nghi
2. Các mô hình vật lý thống kê.
Trong Luận án sử dụng ”Các phương pháp thích nghi trong dự đoán ngắn hạn”
để dự báo các yếu tố khí tượng và thuỷ văn nguồn nước.
Mô hình ARIMA viết ở dạng ngắn gọn như sau: ao(L).yt = b(L).zt
hay
a(L).Ddyt = b(L).zt

Các bước thực hiện phương pháp dự báo thích nghi theo ARIMA(p, d, q):
* Kiểm định tính thuần nhất (tính dừng) của chuỗi số liệu: được thực hiện dựa
trên các đồ thị ACF(k) và PACF(k, k) theo những bước trễ thời gian (k).
* Xác định dạng mô hình thích hợp: Hai tham số p, q được xác định trên cơ sở
phân tích những trị số đầu tiên khác 0 của đồ thị ACF(k), PACF(k, k) và sử
dụng 3 tiêu chuẩn đánh giá: Akaike, BIC, HQ.
* Ước lượng các hệ số (tham số) trong mô hình: Các hệ số trong mô hình dự
báo là C, ai và bi được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu mở
rộng (lặp dưới dạng quét)…
* Kiểm chứng và dự báo theo mô hình ARIMA(p, d, q)…
2.2.3 Phương pháp lập trình
Để đáp ứng những yêu cầu trong tính toán nhanh chóng, kịp thời và ngay lập
tức trong QLVH và GS&ĐK, Luận án đã sử dụng phương pháp lập trình mạng
Internet là chính. Ngôn ngữ lập trình là MS Visual Studio 2012 [62], chủ yếu
nhất là Visual C# 2012 và Microsoft ASP.NET 4.5 [63] kết hợp với CSDL MS
SQL Server 2012 [64]. Trong đó, lập trình websockets được sử dụng nhiều...
2.2.4 Phương pháp thí nghiệm, thực nghiệm
Phương pháp thí nghiệm, thử nghiệm và thực nghiệm được sử dụng khi nghiên
cứu ứng dụng và phát triển công nghệ SCADA QLVH các HTT: Các giao thức
TCP/IP, Websockets giao tiếp giữa các thiết bị SCADA; Thiết bị truyền thông
IP modem F2X14, vi xử lý F2X64 RTU; Các phần mềm chạy trên môi trường
ASP.NET và máy chủ web.
9


CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa QLVH HTT

3.1.1 Mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu”
3.1.1.1 Mô hình hóa các hàm mục tiêu
* Hàm mục tiêu 1: Tổng lợi ích thực thu do hệ thống tưới mang lại là lớn nhất:
nv nc

F    S .{ Yr .Y .g  ( Cnn  z.M ) }  max
L

v 1

c 1

c,v

c, v

c, v

c,v

c, v

c,v

(31)

Trong đó: nv là tổng số vùng đất canh tác trên HTT.
nc là tổng số loại cây trồng được tưới trên HTT.
Sc,v là diện tích canh tác loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (ha).
Yc,v là năng suất của loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (tấn/ha).

gc,v là giá bán một tấn sản phẩm của loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v
(triệu đồng/tấn).
Cnnc,v là chi phí sản xuất nông nghiệp cho 1 ha loại cây trồng thứ c trên vùng
đất thứ v (triệu đồng/ha).
z là giá thành 1 m3 nước tại mặt ruộng.
Mc,v là tổng mức tưới (mức tưới toàn vụ) cho loại cây trồng thứ c trên vùng đất
thứ v (m3/ha).
Yrc,v là hệ số năng suất tương đối của loại cây trồng [65] thứ c trên vùng đất thứ
v. Yrc,v được xác định theo công thức: Yrc,v = Yc,v / Ymaxc,v
* Hàm mục tiêu 2: Tổng diện tích gieo trồng được tưới trên HTT là lớn nhất:

F

S



nv nc

 S
v 1

c 1

c,v

 max

(3  2)

* Hàm mục tiêu 3: Tổng lượng nước tưới phải là ít nhất:

F

I



nv nc

 S . M
v 1

c 1

c,v

c,v



min

(3  3)

* Hàm mục tiêu 4: Lượng nước thiếu hụt do khả năng cung cấp của hệ thống
không đáp ứng các yêu cầu tưới phải là ít nhất (hay mức giảm sản là ít nhất):
nt
FD   (Qyci  Qkni).t i  min (3  4)
i 1

Trong đó: Qyci và Qkni là lưu lượng yêu cầu cần cung cấp và lưu lượng có thể
cung cấp của hệ thống ở thời kỳ thứ i có Qkni < Qyci.
3.1.1.2 Các điều kiện ràng buộc
* Những điều kiện ràng buộc về diện tích canh tác:
10


- Tổng diện tích sẽ gieo trồng các loại cây trồng trên một vùng đất canh tác thứ
v nào đó trong một vụ không được lớn hơn diện tích đất canh tác Sv:
nc
(3-5)

c 1

S

c ,v

 S

v

- Diện tích sẽ gieo trồng loại cây trồng c trên vùng đất canh tác thứ v nào đó
trong một vụ phải nhỏ hơn diện tích lớn nhất cho phép [Smax]c,v và phải lớn hơn
diện tích tối thiểu cần canh tác [Smin]c,v để đáp ứng nhu cầu cần thiết về lương
thực, thực phẩm của người dân và thị trường tiêu thụ:
[Smin]c,v ≤ Sc,v ≤ [Smax]c,v
(3-6)
* Những ràng buộc về khả năng của công trình đầu mối và nguồn nước:

Ràng buộc về khả năng của các công trình đầu mối bao gồm tất cả những thông
số khống chế về máy bơm, cống lấy nước, kênh dẫn nước...
* Những điều kiện ràng buộc về nông nghiệp:
Ngày bắt đầu và kết thúc thời gian gieo trồng của một loại cây trồng trong một
mùa vụ nào đó phải nằm trong khoảng cho phép về thời vụ theo nông lịch và
điều kiện khí tượng, thuỷ văn:
T0_c,v  Tc,v  Tc_c,v
(3-7)
Trong đó: T0_c,v là ngày cho phép có thể bắt đầu gieo trồng loại cây trồng thứ c
trên vùng đất thứ v trong vụ đó.
Tc_c,v là ngày muộn nhất phải gieo trồng loại cây trồng thứ c trên vùng đất v...
Tc,v là ngày gieo trồng loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v...
* Những điều kiện ràng buộc về kinh tế và thị trường:
Những ràng buộc này luôn được kết hợp cùng với các ràng buộc (3-6) về diện
tích lớn nhất cho phép [Smax]c,v và diện tích tối thiểu cần canh tác [Smin]c,v.
* Những ràng buộc thực tế là các biến quyết định phải là những số không âm:
Sc,v  0
(3-8)
Mc,v  0
(3-9)
Tc,v  0
(3-10).
3.1.1.3 Các biến (tham số) quyết định
+ Diện tích trồng trọt mỗi loại cây trồng trên từng loại đất khác nhau ở các
vùng đất canh tác khác nhau: Sc,v. Tổng số biến quyết định Sc,v đó là nv x nc.
+ Thời gian (ngày bắt đầu) gieo trồng từng loại cây trồng vào đầu mỗi vụ trong
năm và thời gian cấp nước cho các đối tượng khác: T0_c,v. Tổng số biến quyết
định T0_c,v đó là nv x nc + nk với nk là tổng số các đối tượng khác...
11

Trong trường hợp HTT chỉ cung cấp nước tưới cho các loại cây trồng, tổng số
biến quyết định trực tiếp sẽ bằng: nv x nc + nv x nc = 2 x (nv x nc)...
3.1.1.4 Các kết quả đầu ra
Ngoài các kết quả đầu ra là những biến quyết định (mục 3.1.1.3) còn có cả 2
nhóm kết quả đầu ra quan trọng nữa là: Kế hoạch dùng nước của HTT, chế độ
tưới cho các loại loại cây trồng và Kế hoạch vận hành các công trình đầu mối...
3.1.1.5 Kết quả nghiên cứu phát triển và mở rộng thuật toán lập kế hoạch
quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới
* Bước 1: Khởi tạo một tập hợp các phương án (lời giải) ban đầu
Tạo ra một tập hợp có Ns phương án một cách ngẫu nhiên theo phân phối (xác
suất) đều trong phạm vi cho phép của các biến quyết định Sc,v và To_c,,v.
- Tính toán xác định các mức tưới toàn vụ Mc,v (các chế độ tưới), Qyc ~ t đầu
HTT và quá trình lưu lượng mà hệ thống có thể cung cấp: Qkn ~ t.
- Gán chỉ số thế hệ tính toán: g = 1. Ký hiệu các phương án ban đầu là Cs,g với s
= 1, 2, ..., 2 x (nv x nc), g = 1, 2, ..., Ng với Ng là số thế hệ tính toán cần thiết...
* Bước 2: Tính toán giá trị các hàm mục tiêu của các phương án ban đầu
Tính toán các hàm mục tiêu FLs,g, FSs,g, FIs,g, FDs,g theo các biểu thức 3-1, 3-2, 3-3,
3-4 với s = 1, 2, ..., 2 x (nv x nc).
* Bước 3: Tính toán tạo ra các phương án đột biến
- Ứng với một phương án thứ s nào đó ở thế hệ tính toán thứ g (ký hiệu là Cs,g),
lựa chọn một cách ngẫu nhiên 3 phương án cha Cr1,g, Cr2,g, Cr3,g khác nhau và
khác với phương án Cs,g.
- Tính toán xác định các phương án đột biến: Vs,g+1 = Cr1,g + F.(Cr2,g – Cr3,g)
Trong đó: F > 0 là hệ số tỉ lệ đột biến, có thể chọn F trong khoảng [0,5  1,0].
Với các biến quyết định Mc,v trong toán tử Vs,g+1 không tính trực tiếp từ 3
phương án cha Cr1,g, Cr2,g, Cr3,g mà trước hết phải tính toán xác định To_c,v rồi
mới tính ra Mc,v cho các toán tử Vs,g+1. (Đây là phần thuật toán được tác giả
Luận án phát triển và mở rộng…).
* Bước 4: Tính toán xác định các phương án trao đổi chéo và các hàm mục tiêu

- Với mỗi phương án Cs,g và phương án đột biến Vs,g+1 tương ứng được tạo ra ở
bước 3, tiến hành tính toán xác định các phương án trao đổi chéo Us,g+1:
Us,g+1 = ud,s,g+1 = vd,s,g+1 nếu rd ≤ Cr hoặc d = drnd
Us,g+1 = ud,s,g+1 = cd,s,g nếu rd > Cr và d  drnd.
cd,s,g, vd,s,g+1, ud,s,g+1 là biến số thứ d lần lượt của phương án Cs,g, phương án đột
biến Vs,g+1 và phương án trao đổi chéo Us,g+1.
12


- Tính toán xác định giá trị các hàm mục tiêu FLs,g, FSs,g, FIs,g, FDs,g theo các biểu
thức 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 cho từng phương án trao đổi chéo (s = 1, 2, ..., 2 x (nv x
nc). Cũng để tiện cho việc lập trình tính toán, ký hiệu Fu_1,s,g+1(Us,g+1) = FLs,g,
Fu_2,s,g+1(Us,g+1) = FSs,g, Fu_3,s,g+1(Us,g+1) = FIs,g, Fu_4,s,g+1(Us,g+1) = FDs,g.
* Bước 5: Tính toán chọn lọc các phương án cho thế hệ kế tiếp
- So sánh giá trị hàm mục tiêu của các phương án trao đổi chéo Fu_i,s,g+1(Us,g+1)
với các phương án cha tương ứng Fi,s,g(Cs,g), trong đó chỉ số i = 1, 2, 3, 4:
+ Nếu Fu_i,s,g+1(Us,g+1) trội hơn Fi,s,g(Cs,g) và các điều kiện ràng buộc không bị vi
phạm hoặc phương án Cs,g vi phạm một trong các điều kiện ràng buộc thì chọn
phương án Us,g+1 cho thế hệ kế tiếp: Cs,g+1 = Us,g+1.
+ Nếu không phải như trên hoặc phương án Us,g+1 vi phạm một trong các điều
kiện ràng buộc thì chọn phương án Cs,g cho thế hệ tiếp theo: Cs,g+1 = Cs,g.
* Bước 6: Kiểm tra điều kiện dừng tính toán
- Tăng chỉ số phương án s thêm 1 đơn vị: s = s + 1.
- Nếu s ≤ Ns thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu s > Ns thì tăng g = g + 1.
- Tăng chỉ số phương án s thêm 1 đơn vị: s = s + 1.
- Nếu s ≤ Ns thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu s > Ns thì tăng g = g + 1.
- Nếu g ≤ Ng thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu g > Ng thì chuyển sang bước 7.
* Bước 7: Tính toán xác định các phương án tối ưu Pareto
- Phân loại các phương án ở thế hệ thứ Ng theo phương pháp sắp xếp không
trội: sử dụng thuật toán sắp xếp nhanh các phương án tối ưu Pareto: FAFNDS...

Sơ đồ thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng như ở hình 3.2.

Hình 3.2: Thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng
13


- Nếu g ≤ Ng thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu g > Ng thì chuyển sang bước 7.
* Bước 7: Tính toán xác định các phương án tối ưu Pareto
- Phân loại các phương án ở thế hệ thứ Ng theo phương pháp sắp xếp không
trội: sử dụng thuật toán sắp xếp nhanh các phương án tối ưu Pareto: FAFNDS...
Sơ đồ thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng như ở h/ình 3.2.
3.1.1.6 Kết quả xây dựng phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu”
Chương trình phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ HTT được lập
trình chủ yếu bằng ngôn ngữ Microsoft Visual C# 2012 và Microsoft ASP.NET
4.5 kết hợp với hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ Microsoft SQL Server 2012.
Các mã (codes) chương trình đã viết cho bài toán tổng quát nên có thể sử dụng
cho mọi hệ thống tưới. Trong phụ lục 5 có in ra các mã lập trình đó.
3.1.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý vận hành hệ thống
tưới theo số liệu quan trắc (thời gian thực)
3.1.2.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ giám sát, cập nhật số liệu
quan trắc thực tế
Trang web là công cụ nền tảng cho việc cập
nhật các số liệu quan trắc. Máy chủ web (webserver) sẽ định kỳ gửi những “gói
tin“ đến các IP modem RTU nhờ giao thức Internet (TCP/IP) để yêu cầu chúng
gửi về các trị số quan trắc được tại các thiết bị cảm biến đặt trên HTT rồi hiển
thị lên website .
Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự
động từ xa
Bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ xa đã được xây dựng bao gồm:
website , máy chủ web, phần mềm hiện đại hóa

quản lý vận hành (HĐHQLVH), cơ sở dữ liệu trực tuyến, các thiết bị IP modem
RTU,... Cơ cấu, chức năng các thành phần và phương thức sử dụng những công
cụ đó được thể hiện như trên hình 3.8.
3.1.2.2

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
3.1.3.1 Trang web hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới
Về cơ bản, trang web không những là một
website động hướng cơ sở dữ liệu SQL Server mà còn có đầy đủ các chức năng
của một chương trình phần mềm chuyên dụng nhưng chạy trên môi trường
3.1.3

14


mạng Internet [66]. Ngôn ngữ lập trình website là Microsoft ASP.NET 4.5
(ngôn ngữ kịch bản trên máy chủ web) kết hợp với hệ quản trị cơ sở dữ liệu
Microsoft SQL Server 2012. Các trình đơn (menu) chính của website là: Trang
chủ; Cơ sở dữ liệu; Mô hình HĐH quản lý vận hành; Hiện đại hóa QLVH các
HTTL; Diễn đàn; Giảng dạy và Đào tạo; Quản trị; Liên hệ; và nhiều chuyên
mục khác hỗ trợ QLVH như chuyên mục Dự báo thời tiết, Liên kết...

Hình 3.8: Mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc
3.1.3.2 Cơ sở dữ liệu trực tuyến
Cơ sở dữ liệu hiện đại hóa quản lý vận hành HTT được xây dựng trên nền tảng
hệ quản trị cơ sở dữ liệu dùng chung Microsoft SQL Server 2012 để đáp ứng
yêu cầu tương tác, truy xuất dữ liệu từ tầng thứ nhất trong mô hình nhiều tầng
(N Tiers). Hai bảng chính của cơ sở dữ liệu hiendaihoaqlvh_com_db là OnMs

về vận hành công trình và MnMs về quản lý công trình, đánh giá hiệu quả...
15


Kết quả xây dựng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện
đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới
Giao diện giám sát và điều khiển được xây dựng trong trường hợp tổng quát
nên có thể ứng dụng cho mọi hệ thống tưới. Người quản lý có thể dễ dàng thay
đổi, bổ sung số chỉ số cần giám sát và số tham số cần điều khiển cũng như tên
thực của các chỉ số và tham số đó.
Phần mềm HĐHQLVH sẽ tính toán lập kế hoạch phân phối nước và các thông
số vận hành máy bơm hay cửa cống dựa vào những số liệu đang hiển thị trên
giao diện do các thiết bị giám sát, đo đạc gửi về. Những người quản lý sẽ có
được các thông báo về kế hoạch và các thông số vận hành, các cảnh báo, báo
động sự cố khi xảy ra. Khi đó, họ sẽ quyết định thực hiện các thao tác nhấn nút
cần thiết và máy chủ web sẽ ra lệnh cho các thiết bị điều khiển thực hiện...
3.1.3.3

Hình 3.11: Giao diện GS&ĐK trên trang web
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
Kết quả nghiên cứu sử dụng công nghệ “LINQ to SQL“ và phương thức truyền
thông tin qua mạng Internet cho phép những người quản lý có thể cập nhật các
dữ liệu về lớp nước mặt ruộng, độ ẩm đất và các yếu tố khí tượng, thủy văn từ
bất cứ nơi đâu và bất cứ lúc nào có máy tính hoặc điện thoại di động kết nối
3.1.3.4

16

Internet. Các số liệu được cập nhật đó sẽ ngay lập tức được lưu trữ trong cơ sở
dữ liệu MS SQL Server trên máy chủ web.
3.1.4

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

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
Kết quả nghiên cứu chuyên sâu là phát triển giao thức TCP Socket (công nghệ
giao thức kiểm soát truyền thông) cho các giao diện web (ASP.NET web
forms) giao tiếp với modem F2X64 (8 cổng I/O và 4 rơle đầu ra 24 VDC - 220
VAC,...). Chu trình và các bước phát triển ứng dụng công nghệ WebSockets
như đã trình bày ở mục 3.1.3.3. Các codes lập trình xây dựng phần mềm kết
nối, giao tiếp thiết bị như ở trang 92 trong Luận án toàn văn.
3.1.4.1

Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ thực hiện hiện đại hóa quản
lý vận hành miễn phí cho các công ty QLKT CTTL
Bộ công cụ triển khai, thực hiện hiện đại hóa quản lý vận hành miễn phí giúp
cho các công ty QLKT CTTL tạo ra một giao diện quản lý vận hành và giám
sát, điều khiển HTT của họ với nhiều chức năng tinh xảo như đã trình bày trong
các phần trên đây. Có thể thực hiện theo 3 bước độc lập sau đây từ thủ công cho
đến tự động giám sát và điều khiển tự động từ xa:
* Bước 1: Thiết lập hệ thống giám sát và điều khiển theo số liệu được đo đạc,
quan sát bằng thủ công (vẫn dùng các thước thủy trí đo đạc mực nước và đóng
ngắt các công tắc vận hành bằng tay).
* Bước 2: Thiết lập các trạm giám sát và điều khiển cục bộ tại các công trình

thủy lợi chủ chốt.
* Bước 3: Thiết lập hệ thống GS&ĐK tự động từ xa các công trình thủy lợi…
3.1.4.2

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
Kết quả nghiên cứu xây dựng được giao diện quản lý các công trình trực tuyến
(trên Internet) bao gồm bản đồ số hóa các công trình và cơ sở dữ liệu được hiển
thị thông qua các bảng truy xuất, cập nhật. Người quản lý HTT chỉ việc dịch
chuyển mũi tên con trỏ đến một vị trí công trình nào đó là có ngay các thông tin
về công trình đó. Công cụ theo dõi lịch duy tu, sửa chữa định kỳ các công trình
3.1.5

17


trên HTT và nhắc việc tự động qua website .
Hàng ngày, người quản lý sẽ được thông báo tự động về các công trình đã đến
thời hạn phải sửa chữa định kỳ (ngày tháng đến hạn, kinh phí cần cho công tác
sửa chữa định kỳ, đơn vị thực hiện,…).
Kết quả nghiên cứu cải tiến, phát triển bộ công cụ đánh giá hiệu quả
quản lý khai thác và hỗ trợ chu trình nâng cao hiệu quả của hệ
thống tưới
Trong Luận án đã cải tiến, đề xuất bổ sung thêm 3 chỉ số mới dùng cho việc
đánh giá hiệu quả cung cấp dịch vụ tưới nhất là khi HTT được hiện đại hóa
công tác QLVH:
1. Hệ số cung cấp đủ nước theo nhu cầu dùng nước (Kcđ).
2. Mức độ cung cấp nước đúng thời điểm cần nước (Tcl).
3. Hệ số cung cấp nước đồng đều (Kđđ).
Kết quả tổng hợp lựa chọn 26 chỉ số để đánh giá hiệu quả QLKT các HTT như

trong bảng 3.2.
Bộ công cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả QLKT và hỗ trợ nâng cao hiệu quả
quản lý khai thác các HTT bao gồm:
- Giao diện trang web tính toán
nhanh bộ chỉ số đánh giá hiệu quả và tương tác phân tích, xác định những giải
pháp khả thi.
- Phần mềm tính toán bộ chỉ số đánh giá hiệu quả của HTT và so sánh với các
chỉ tiêu phấn đấu có thể đạt được
- Cơ sở dữ liệu dùng chung…
3.1.6

Kết quả tổng hợp và liên kết các thành phần trong mô hình hiện đại
hóa quản lý vận hành hệ thống tưới
Từ những kết quả nghiên cứu được trình bày trong chương này có thể tổng hợp
và liên kết các thành phần của mô hình hiện đại hóa QLVH như trên hình 3.28.
Ba chức năng: Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên ”tối ưu”, Lập kế
hoạch dùng nước và Tính toán lập kế hoạch vận hành hệ thống được thực hiện
(bước 1, 2, 3 và 4) thông qua việc giải quyết bài toán quy hoạch phi tuyến tối
ưu 4 mục tiêu (FL, FS, FI, FD) theo thuật toán MODE mở rộng.
Bốn thành phần: 5, 6, 7 và 8 của mô hình HĐH QLVH sẽ thực hiện chức năng
GS&ĐK tự động từ xa. Trong đó, trang web
3.1.7

18


và hệ thống SCADA (IP Modem + RTU) là công cụ quan trọng nhất cho việc
giám sát và điều khiển HTT tự động từ xa.

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

Như trên, chức năng quản lý nước của các công ty QLKT CTTL sẽ được thực
hiện thông qua 8 thành phần đầu tiên của mô hình hiện đại hóa QLVH: bắt đầu
với bài toán quy hoạch phi tuyến tối ưu 4 mục tiêu (FL, FS, FI, FD) cho đến bước
điều khiển hệ thống tưới. Một trong các cơ sở khoa học và thực tiễn cho công
tác quản lý nước ở đây là mô hình quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc
(thời gian thực)... Thành phần thứ 9 của mô hình hiện đại hóa QLVH thực hiện
chức năng quản lý công trình. Chức năng quản lý kinh tế (Đánh giá hiệu quả
QLKT) được thực hiện nhờ thành phần cuối cùng của mô hình HĐH QLVH.
3.2 Kết quả ứng dụng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT
3.2.1 Địa điểm ứng dụng mô hình
HTT Phù Sa được chọn làm địa điểm chính cho việc nghiên cứu xây dựng và
ứng dụng mô hình HĐH QLVH vì có các đặc điểm địa hình, khí hậu, diện tích
canh tác, cây trồng, thể loại công trình đầu mối, quy trình QLVH, cơ sở hạ tầng
về truyền thông khá đại diện cho nhiều HTT vùng đồng bằng ven sông…
19


Kết quả lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” hệ thống tưới Phù
Sa (năm 2014)
3.2.2.1 Các số liệu đầu vào
- Tài liệu dự báo khí tượng và thủy văn theo mô hình ARIMA: Kết quả xác định
tham số p, d, q và các thông số cho các mô hình ARIMA(p, d, q) dự báo khí
tượng, thủy văn như trong bảng 3.7.
Mô hình phân phối các yếu tố KTTV như trong bảng 1 của phụ lục 3 để phục
vụ cho việc tính toán nhu cầu nước [78], chế độ tưới, kế hoạch dùng nước, kế
hoạch vận hành. Sai số dự báo các yếu tố không quá 5,528% trừ dự báo mưa...
- Tài liệu về lịch xả nước từ hệ thống liên hồ (Bảng 3.8).
- Tài liệu nông nghiệp (diện tích đất đai, cây trồng, thời vụ gieo trồng)…
3.2.2

3.2.2.2 Kết quả ứng dụng mô hình lập kế hoạch quản lý khai thác "tối ưu“
Kết quả tính toán giải bài toán lập kế hoạch QLKT “tối ưu” HTT Phù Sa theo
thuật toán MODE mở rộng cho phép xác định được các biến quyết định T0_c,v,
Sc,v và Mc,v của phương án “tối ưu” như ở bảng 3.10 và trên hình 3.34.
Bảng 3.10: Kết quả tính toán các biến quyết định “tối ưu” về thời vụ gieo trồng,
cơ cấu cây trồng và mức tưới toàn vụ cho vụ chiêm năm 2014 ở HTT Phù Sa
Các biến quyết định
Lúa
TT

Tên các loại cây trồng
Ngô
Lạc /
Khoai

Rau
màu

* Vùng cao, đất cát pha thịt:

1
2

Ngày bắt đầu thời vụ

3

Diện tích canh tác (ha)

4

Mức tưới toàn vụ (m3/ha)

16/02

29/01

9
26/01

6

Ngày bắt đầu thời vụ

7

Diện tích canh tác (ha)

8

Mức tưới toàn vụ (m3/ha)

08/02

85,0

169,4

3

2296,5

1543,0

2681,3

3

28/02

23/02

10

Ngày bắt đầu thời vụ

11

Diện tích canh tác (ha)

12

Mức tưới toàn vụ (m3/ha)

25/02

12
4

3446

420

126

210

4

5725,9

2261,1

1514,7

2733,8

4

* Vùng trũng, đất sét pha:

9

3

512,8

* Vùng canh tác chính, đất thịt pha:

5

Số
biến

14/01

27/01

6
2

646

72

2

5581,6

1509,4

2

Tổng cộng:

27

20

Kết quả lập kế hoạch QLKT “tối ưu” HTT khá chính xác, phù hợp với thực tế,
sai số về tổng lượng nước tưới so với kết quả kiểm định chỉ là 4,83 %; không
những tiết kiệm được 19,74 % lượng nước tưới so với tổng lượng nước Công ty
đã bơm tưới cho vụ chiêm 2014, tương đương tiết kiệm được 4.552.188,8 đồng
mà còn có thể đạt được năng suất cây trồng cao hơn 7,3%…
Kết quả ứng dụng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số
liệu quan trắc thực tế
Kết quả tính toán kiểm định: xác định được mức tưới toàn vụ là 4.490 m3/ha.
Tổng lượng nước cần cung cấp tại đầu mối HTT Phù Sa cho 5.605 ha vụ chiêm
là: (5.605 x 4.490)/0,75 = 33.555.266,67 m3. So sánh với lượng nước thực tế:
43.668.138 m3 mà Công ty Sông Tích đã bơm trong vụ chiêm 2011 có thể tiết
kiệm được: (43.668.138 - 33.555.266,67) / 43.668.138 = 23,16%.
Kết quả ứng dụng mô hình năm 2014:Trong số 7 đợt tưới, có 2 đợt tưới: thứ 3
và thứ 5 được phối hợp thực hiện theo mô hình quản lý vận hành thời gian thực
nên thời gian thiếu nước không đáng kể và hệ số năng suất tương đối gần như
không bị giảm (chỉ từ 3 ÷ 4%).
3.2.3

3.2.4

Kết quả ứng dụng công nghệ hiện đại hóa QLVH, GS&ĐK HTT
thông qua mạng Internet và hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Kết quả ứng dụng website hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống
tưới
Website là nền tảng cho hầu hết các công việc
triển khai và thực hiện từng bước hiện đại hóa QLVH các HTT. Kết quả ứng
dụng ngay từ khâu cung cấp, phổ biến các thông tin, tài liệu phục vụ công tác
hiện đại hóa tưới và công tác đào tạo,... cho đến việc cung cấp những công cụ
tự động, dịch vụ miễn phí để các công ty QLKT CTTL có thể tự xây dựng

nhanh chóng cho họ một trang web quản lý GS&ĐK tự động từ xa...
Trên cũng có luôn trang hướng dẫn triển khai,
thực hiện công tác hiện đại hóa quản lý vận hành các HTTL như ở hình 3.41.
3.2.4.1

Kết quả ứng dụng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện
đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới
Với giao diện GS&ĐK tự động từ xa như trên hình 3.42, các cán bộ, nhân viên
của Công ty Thủy lợi Sông Tích có thể dễ dàng theo dõi, giám sát, cập nhật các
dữ liệu về lớp nước mặt ruộng, độ ẩm đất và các yếu tố KTTV vào bất cứ lúc
nào và ở bất cứ nơi đâu có kết nối Internet hoặc có sóng điện thoại di động...
3.2.4.2

21


Phần mềm HĐHQLVH sẽ định kỳ kiểm tra, tính toán lập kế hoạch phân phối
nước và các thông số vận hành máy bơm hay cửa cống trên cơ sở sử dụng trực
tiếp các số liệu hiển thị trên trang web hoặc từ CSDL. Những thông số vận
hành đó sẽ được thông báo trên trang web tại các trạm, cụm quản lý của Công
ty hoặc trên các máy điện thoại di động để yêu cầu các nhân viên thực hiện...
Kết quả ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển hệ
thống tưới
Kết quả ứng dụng và phát triển cho thấy: hệ thống SCADA (IP Modem - RTU)
đơn giản, linh hoạt, hiệu quả cao với kinh phí đầu tư nhỏ. So sánh với tổng kinh
phí đầu tư cho hệ thống SCADA trước đây (phần các thiết bị điều khiển và
truyền thông) cho thấy: việc ứng dụng công nghệ SCADA (IP Modem - RTU)
đã được nghiên cứu phát triển có thể tiết kiệm được số tiền là: 80,13%.
Với hệ thống SCADA Yên Lập, nếu tính chi phí trực tiếp theo công nghệ
SCADA (IP Modem - RTU) đã đề xuất là 764,946,000 đồng chỉ bằng:

764.946.000 / 2.787.367.600 = 27,44% so với dự toán của VWRAP (Bảng 3.18,
3.19 và 3.20) và giảm đáng kể các chi phí duy trì, QLVH, bảo dưỡng.
3.2.5

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
Kết quả ứng dụng công nghệ LINQ to SQL xây dựng được giao diện quản lý
các công trình trực tuyến (trên Internet) cho HTT Phù Sa như trên hình 3.43
nhằm cung cấp các số liệu cho việc QLVH và tính toán các chỉ số hiệu quả….
3.2.6

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
Bộ công cụ hỗ trợ nâng cao hiệu quả QLKT đã được ứng dụng là cơ sở và tiền
đề để Công ty Thủy lợi Sông Tích định kỳ đánh giá các chỉ số hiệu quả và thực
hiện các công việc cần thiết: Phân tích, lập kế hoạch hành động (giai đoạn 3)
trong chu trình 6 giai đoạn của phương pháp nâng cao hiệu quả Benchmarking.
3.2.7

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
1. Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới được đề xuất, xây dựng
trong Luận án (ở hình 3.28) 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

22


công ty QLKT CTTL thông qua trang web:

trên nền tảng công nghệ điện toán đám mây (cả Internet và UMTS).
2. Mô hình hóa bài toán lập kế hoạch QLKT “tối ưu” HTT theo mô hình toán
học quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu (Biểu thức 3-1  3-10) cho phép tính toán
được các biến quyết định (thời vụ gieo trồng, cơ cấu cây trồng, diện tích đất
canh tác) cho việc sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên: nước - đất - cây trồng
và lập kế hoạch QLKT, vận hành HTT để đạt được đồng thời 4 mục tiêu:
- Lợi ích thực thu do HTT mang lại lớn nhất.
- Tổng lượng nước tưới là nhỏ nhất.
- Tổng diện tích canh tác được tưới là lớn nhất.
- Chênh lệch giữa lượng nước mà HTT có thể cung cấp so với nhu cầu nước
(tưới) là nhỏ nhất.
Đây là một trong các đóng góp mới của luận án trong việc đề xuất cơ sở khoa
học mô hình hóa bài toán và phát triển, ứng dụng phương pháp tiến hóa sai
phân đa mục tiêu (MODE) để giải bài toán lập kế hoạch QLKT “tối ưu” HTT.
Nhờ phương pháp lập kế hoạch QLKT “tối ưu” này, các nguồn tài nguyên đất,
nước và cây trồng trên HTT được sử dụng hợp lý và hiệu quả nhất, tiết kiệm
nước, cây trồng được cung cấp nước theo khả năng tối đa của các công trình
đầu mối, góp phần tăng năng suất và sản lượng cây trồng. Kết quả ứng dụng mô
hình cho thấy có thể tiết kiệm được 19,74% lượng nước tưới cho HTT Phù Sa
trong vụ chiêm năm 2014, tương ứng giảm chi phí QLVH khoảng 4.552.188,8
đồng, đồng thời có thể tăng năng suất và sản lượng cây trồng lên 7,3%.
3. Mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế trên
nền tảng công nghệ SCADA (IP Modem – RTU) hoàn toàn có thể đáp ứng tốt
yêu cầu cung cấp dịch vụ tưới: chính xác, tin cậy, linh hoạt và công bằng. Mô
hình này cho phép cập nhật thông tin tức thời hoặc định kỳ về các yếu tố khí
tượng, thủy văn, lớp nước mặt ruộng, độ ẩm trong tầng đất nuôi cây, mực nước
tại các vị trí cần thiết và những thông số làm việc của các công trình trên HTT.
Đồng thời, nó cho phép tính toán xác định yêu cầu nước của cây trồng, lập và
thực hiện kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành một cách kịp thời và điều khiển
HTT thông qua website sát thực với các điều

kiện thực tế... Nhờ đó nâng cao hiệu quả của các HTT và giảm các chi phí
QLVH. Kết quả kiểm chứng mô hình bằng số liệu thực tế năm 2011 và 2013
cho thấy có thể tiết kiệm được trên 23% lượng nước tưới. Kết quả ứng dụng mô
hình QLVH theo số liệu quan trắc tại HTT Phù Sa năm 2014 có thể tiết kiệm
được 25,98 % lượng nước tưới và nâng cao hệ số năng suất tương đối 8,25%.

23