Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.39 MB, 214 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGÔ ĐĂNG HẢI
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HIỆN ĐẠI HĨA
QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƢỚI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGÔ ĐĂNG HẢI
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HIỆN ĐẠI HĨA
QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƢỚI
Chun ngành:
QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC
Mã số: 62-62-30-01
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS. TS. Bùi Hiếu
2. PGS. TS. Lê Văn Ƣớc
HÀ NỘI, NĂM 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả luận án xin cam đoan đây là cơng 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 dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo, trích dẫn các
nguồn tài liệu đã đƣợc ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Ngô Đăng Hải
i
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Bùi Hiếu và PGS.TS. Lê Văn Ƣớc đã
tận tình hƣớng dẫn tác giả nghiên cứu và hồn thành Luận án tiến sĩ này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Thủy lợi, Phòng Đào
tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nƣớc, Bộ môn Kỹ thuật tài
nguyên nƣớc đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ và động viên tác giả trong
quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án.
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.
ii
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 tƣợng 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
CHƢƠNG 1
1.1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................8
Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ..................................................8
1.1.1
Các cơng trình nghiên cứu về mơ hình lập kế hoạch quản lý vận hành và
giám sát, điều khiển bán tự động .............................................................................9
1.1.1.1
1.1.1.2
1.1.1.3
1.1.1.4
Khái quát chung ................................................................................................. 9
Ưu điểm ............................................................................................................ 13
Hạn chế ............................................................................................................. 13
Phạm vi áp dụng và khả năng ứng dụng vào Việt Nam ................................... 14
Nhận xét và đánh giá ..................................................................................................15
1.1.2
Các cơng trình nghiên cứu về mơ hình giám sát và điều khiển tự động từ
xa (SCADA) ..........................................................................................................16
1.1.2.1
1.1.2.2
1.1.2.3
1.1.2.4
Khái quát chung ............................................................................................... 16
Ưu điểm ............................................................................................................ 18
Hạn chế ............................................................................................................. 19
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 cơng trình nghiên cứu về mơ hình lập kế hoạch quản lý vận hành và
giám sát, điều khiển bán tự động……….. .............................................................21
1.2.1.1
1.2.1.2
1.2.1.3
Quản lý điều hành HTTN Đan Hoài (QLĐH Đan Hoài) ................................. 21
Hệ thống bán tự động quản lý điều hành HTTN Thạch Nham ......................... 22
Quản lý điều hành HTTN Bắc Hưng Hải (QLĐH Bắc Hưng Hải) .................. 23
iii
1.2.1.4 Nghiên cứu cải tiến mơ 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 sơng Hồng
(Mơ hình IMSOP cải tiến) ............................................................................................... 24
1.2.2
xa
Các cơng trình nghiên cứu về mơ hình giám sát và điều khiển tự động từ
.................................................................................................................24
1.2.2.1 Nghiên cứu áp dụng khoa học cơng nghệ tiên tiến từng bước hiện đại hố cơng
tác quản lý điều hành hệ thống thuỷ nông Phù Sa, Hà Tây (Mơ 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
Gị Cơng (Mơ hình VKHTLMN SCADA) ......................................................................... 27
1.2.2.4 Báo cáo thiết kế chi tiết SCADA n Lập (Mơ hình BCEOM1 SCADA) ......... 28
1.2.2.5 Báo cáo thiết kế chi tiết SCADA Cầu Sơn - Cấm Sơn và Kẻ Gỗ (Mơ hình
BCEOM2 SCADA) ........................................................................................................... 29
1.2.2.6 Hiện đại hóa hệ thống tưới Phú Ninh và Đá Bàn (Mơ hình HASKONING
SCADA) .......................................................................................................................... 30
1.2.2.7 Hệ thống SCADA cho kênh chính Dầu Tiếng và hệ thống tưới Củ Chi (Mơ hình
BRLI SCADA) .................................................................................................................. 30
* Nhận xét và đánh giá: .................................................................................................31
1.3 Định hƣớng nghiên cứu xây dựng, phát triển mơ hình hiện đại hóa quản lý
vận hành hệ thống tƣới ..............................................................................................32
Kết luận chƣơng 1 .........................................................................................................35
CHƢƠNG 2
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................37
2.1
Nội dung nghiên cứu.......................................................................................37
2.2
Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................45
2.2.1
Phƣơng pháp mơ hình hóa .......................................................................45
2.2.1.1
2.2.1.2
thực tế
Mơ hình hóa bài toán quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới...................... 45
Mơ hình hóa bài tốn quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc
.......................................................................................................................... 53
2.2.2
Phƣơng pháp dự báo thích nghi các yếu tố khí tƣợng, thuỷ văn .............57
2.2.3
Phƣơng pháp lập trình .............................................................................60
2.2.4
Phƣơng pháp thí nghiệm, thực nghiệm ...................................................60
Kết luận chƣơng 2 .........................................................................................................61
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................62
3.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ
thống tƣới...................................................................................................................62
3.1.1
tƣới
Mơ hình hóa bài tốn lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ƣu” hệ thống
.................................................................................................................62
3.1.1.1
3.1.1.2
3.1.1.3
3.1.1.4
Mơ hình hóa các hàm mục tiêu ......................................................................... 62
Các điều kiện ràng buộc ................................................................................... 66
Các biến (tham số) quyết định .......................................................................... 68
Các kết quả đầu ra ........................................................................................... 68
iv
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: .................................................................................................75
3.1.2
Kết quả nghiên cứu xây dựng mơ hình quản lý vận hành hệ thống tƣới
theo số liệu quan trắc (thời gian thực) ...................................................................75
3.1.2.1
thực tế
3.1.2.2
xa
3.1.2.3
trắc
Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ giám sát, cập nhật số liệu quan trắc
.......................................................................................................................... 75
Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ
.......................................................................................................................... 79
Kết quả xây dựng phần mềm quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan
.......................................................................................................................... 81
3.1.3
Kết quả nghiên cứu hiện đại hóa quản lý vận hành và giám sát, điều
khiển hệ thống tƣới thông qua mạng Internet và hệ thống viễn thơng di động tồn
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 tƣới ................................................................................................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 cơng 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 cơng trình trên hệ thống tƣới ..............................................................94
3.1.6
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 tƣới..........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 mơ hình hiện đại hóa
quản lý vận hành hệ thống tƣới ...........................................................................102
3.2
Kết quả ứng dụng mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới ....104
3.2.1
Địa điểm ứng dụng mơ hình ..................................................................104
3.2.2
Kết quả lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ƣu” hệ thống tƣới Phù Sa 108
3.2.2.1 Các số liệu đầu vào ........................................................................................ 108
3.2.2.2 Kết quả ứng dụng mơ hình lập kế hoạch quản lý khai thác "tối ưu“ tại HTT
Phù Sa ........................................................................................................................ 115
v
3.2.3
Kết quả ứng dụng mơ hình quản lý vận hành hệ thống tƣới theo số liệu
quan trắc thực tế ..................................................................................................125
3.2.3.1 Kết quả tính tốn kiểm định mơ 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 mơ 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 tƣới thơng 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
.................................................................................... 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
tƣới
Kết quả ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển hệ thống
...............................................................................................................132
3.2.6
Kết quả xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý các
cơng trình trên hệ thống tƣới 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 chƣơng 3 .......................................................................................................137
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................138
1. Kết luận....................................................................................................................138
2. Kiến nghị .................................................................................................................140
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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 mơ hình hiện đại hóa QLVH các HTT ...............148
Phụ lục 2: Các số liệu khí tƣợng, thủy văn; chế độ tƣới 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 tốn dự báo khí tƣợng, thủy văn theo mơ hình ARIMA .......175
Phụ lục 4: Các kết quả tính tốn chi tiết về lập kế hoạch khai thác “tối ƣu” HTT .....180
Phụ lục 5: Những sơ đồ thuật tốn và các chƣơng trình phần mềm chính ..................194
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Diễn biến lớp nƣớc mặt ruộng và độ ẩm đất đƣợc quan trắc từ vệ tinh ........17
Hình 1.2: FarmConnect giám sát và thơng báo độ ẩm đất từ vệ tinh ............................18
Hình 1.3: Cấu trúc tổng thể của mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT.............34
Hình 2.1: HTT với cấu trúc phân cấp, đa mục tiêu và nhiều ngƣời ra quyết định ........48
Hình 2.2: Mơ hình cấu trúc tổng qt bài tốn 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 mơ hình ARIMA(p, d, q)....................59
Hình 3.1: Tổng mức tƣới thay đổi khi dịch chuyển thời vụ gieo trồng.........................65
Hình 3.2: Thuật tốn tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng .......................................72
Hình 3.3: Giao diện khai báo số các biến quyết định của bài tốn ...............................73
Hình 3.4: Giao diện thiết lập bài toán “tối ƣu“ và nhập các số liệu đầu vào ................73
Hình 3.5: Giao diện tính tốn các biến quyết định T0_c,v, Sc,v, Mc,v và chế độ tƣới .......74
Hình 3.6: Giao diện tính tốn các phƣơng án tối ƣu Pareto ..........................................74
Hình 3.7: Sơ đồ thuật tốn cập nhập các số liệu quan trắc ............................................76
Hình 3.8: Mơ hình quản lý vận hành hệ thống tƣới theo số liệu quan trắc ...................77
Hình 3.9: Giao diện website dùng cho cập nhật các dữ liệu quan trắc bằng thủ cơng ..78
Hình 3.10: Sơ đồ thuật tốn tính tốn quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc ...80
Hình 3.11: Giao diện trang web ................................82
Hình 3.12: Giao diện và các trình đơn của trang “Mơ hình HĐH quản lý vận hành” ..83
Hình 3.13: Trang cập nhật các yếu tố khí tƣợng 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 cơng trình ...............................................85
Hình 3.16: Cập nhật, lƣu 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: Mơ hình quản lý vận hành hệ thống tƣới theo số liệu quan trắc .................88
Hình 3.21: Giao diện trang web “Giám sát và Điều khiển“ ..........................................90
Hình 3.22: Phƣơng thức cập nhật số liệu khí tƣợng, 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 thơng số quản lý các cơng trình ........95
Hình 3.27: Tính tốn bộ chỉ số hiệu quả và so sánh với các chỉ tiêu phấn đấu...........101
Hình 3.28: Mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới ..............................103
Hình 3.29: Bản đồ hệ thống tƣới Phù Sa .....................................................................105
Hình 3.30: Giao diện kết quả mơ hình hóa, thiết lập bài tốn lập kế hoạch ...............115
Hình 3.31: Tính tốn chế độ tƣới cho các loại cây trồng ............................................117
vii
Hình 3.32: Kết quả tính tốn các biến quyết định T0_c,v, Sc,v, Mc,v , chế độ tƣới.........118
Hình 3.33: Kết quả tính tốn xác định các phƣơng án tối ƣu Pareto ..........................119
Hình 3.34: Kết quả tính tốn xác định các biến quyết định “tối ƣu” ..........................121
Hình 3.35: Cảm biến đo mực nƣớc sơng Hồng trƣớc cống Phù Sa ............................126
Hình 3.36: Cảm biến đo mực nƣớc 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 nƣớc mặt ruộng và độ ẩm đất tại HTT Phù Sa
.....................................................................................................................................128
Hình 3.39: Website cung cấp, phổ biến các thông tin,
tài liệu phục vụ công tác hiện đại hóa tƣới trên tồn 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 hƣớng dẫn triển khai, thực hiện cơng tác hiện đại hóa QLVH .131
Hình 3.42: Giao diện QLVH và giám sát, điều khiển HTT trên Website hiện đại hóa
.................................................................................132
Hình 3.43: Giao diện quản lý cơng trình trực tuyến (Bản đồ số hóa và cơ sở dữ liệu)
.....................................................................................................................................135
Hình 3.44: Cơng cụ theo dõi lịch duy tu, sửa chữa định kỳ và nhắc việc tự động......135
Hình 3.45: Kết quả ứng dụng bộ cơng cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả .....................136
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại và những tính năng cơ bản của các mơ hình hiện đại hóa quản lý
vận hành HTT đƣợc áp dụng phổ biến trên thế giới......................................................10
Bảng 1.2: Tổng hợp những ƣu, nhƣợc điểm cơ bản của các mơ hình hiện đại hóa
QLVH và hƣớng phát huy, khắc phục ...........................................................................33
Bảng 3.1: 20 chỉ số hiệu quả đƣợc 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 khơng khí khu vực Phù Sa (oC) ....................................................106
Bảng 3.4: Độ ẩm khơng khí khu vực Phù Sa (%) .......................................................106
Bảng 3.5: Lƣợng bốc hơi đo bằng ống Piche (mm) ....................................................106
Bảng 3.6: Thống kê các yếu tố khí tƣợng và mực nƣớc theo năm ..............................109
Bảng 3.7: Kết quả xác định tham số p, q và các thơng số cho các mơ hình ...............110
Bảng 3.8: Lịch lấy nƣớc (xả nƣớc) phục vụ gieo cấy vụ Đông - Xuân 2013 – 2014 .113
Bảng 3.9: Các tài liệu về nơng nghiệp .........................................................................113
Bảng 3.10: Kết quả tính tốn các biến quyết định “tối ƣu” về thời vụ gieo trồng, .....120
Bảng 3.11: Các hàm mục tiêu theo phƣơng án tối ƣu Pareto ......................................121
Bảng 3.12: So sánh, đánh giá các kết quả tính tốn và số liệu QLVH ........................122
Bảng 3.13: Q trình lƣu lƣợng 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 trƣởng và công thức tƣới tăng sản ....................................125
Bảng 3.16: Các chỉ tiêu cơ lý của đất khu vực Phù Sa ................................................125
Bảng 3.17: Lƣợng nƣớc tƣới còn thiếu và ƣớc tính hệ số năng suất tƣơng 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 đƣợc nghiên cứu đề xuất ..........................................134
ix
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 Lƣơng thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc)
FQM
Flow and Quality Management (Quản lý dòng chảy và chất lƣợng
nƣớc)
GS&ĐK
Giám sát và Điều khiển
HĐH
Hiện đại hóa
HT
Hệ thống
HTC
Hệ thống con
HTT
Hệ thống tƣới
HTTL
Hệ thống thuỷ lợi
HTTN
Hệ thống thuỷ nông
HTTT
Hệ thống tƣới tiêu
HTX
Hợp tác xã
ICID
The International Commission on Irrigation and Drainage (Uỷ ban
tƣới 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 tƣới)
KHDN
Kế hoạch dùng nƣớc
KH&KT
Khoa học và kỹ thuật
KHTL
Khoa học thuỷ lợi
KTTV
Khí tƣợng thuỷ văn
MH
Mơ hình
MP
Mơ phỏng
x
MHPTĐK
Mơ hình phân tích điều khiển
MCDA
Multi-Criteria Decision Analysis (Phân tích quyết định đa chỉ tiêu)
NC
Nghiên cứu
NHDL
Ngân hàng dữ liệu
NN&PTNT
Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn
NQĐ
Ngƣời ra quyết định
Nxb
Nhà xuất bản
OPDM
Operation Planning Distribution Model (Mơ hình lập kế hoạch
phân phối và vận hành)
PDM
Planning Distribution Model (Mơ hình lập kế hoạch phân phối
nƣớc)
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 tƣới)
SIMIS
Scheme Irrigation Management Information System (Hệ thống
thông tin quản lý hệ thống tƣới)
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)
xi
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, nƣớc
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 tƣới (HTT) chỉ mới đạt 65 - 80%
so với thiết kế [3], [4],… Hệ số sử dụng nƣớc trên các hệ thống tƣới nói chung nhỏ
hơn 0,82. Mặt khác, tình trạng ngập úng cục bộ do cung cấp nƣớc và lấy nƣớc 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 lƣợng tiêu thụ và chi phí quản lý vận hành (QLVH) hàng năm rất lớn – lãng phí
nƣớc cũng chính là lãng phí tiền của. Vì vậy, dù ở nơi thừa nƣớc hay thiếu nƣớc thì
việc quản lý khai thác, vận hành hiệu quả các HTT, sử dụng nƣớc tiết kiệm, hợp lý để
đáp ứng các u cầu dùng nƣớc và tránh tình trạng lãng phí nƣớc có một ý nghĩa kinh
tế - kỹ thuật rất quan trọng [2], [3], [5].
Yêu cầu nƣớc cho nông nghiệp, dân sinh cũng nhƣ các ngành kinh tế khác thƣờng
xuyên thay đổi và ngày càng gia tăng. Trong khi đó, do ảnh hƣởng của biến đổi khí
hậu, nguồn nƣớc ngày một trở nên khan hiếm. Sự cạnh tranh về nƣớc giữa các đối
tƣợng dùng nƣớc bao gồm cả những hộ dùng nƣớc nông nghiệp sẽ trở nên căng thẳng
và phức tạp hơn nhiều. Hiện nay, cơ chế kinh tế thị trƣờng tiêu thụ nƣớc ở nƣớc ta
đang và sẽ phát triển theo xu hƣớng “nƣớc là hàng hoá” nhƣ ở các nƣớc phát triển. Do
đó, cùng với cơng tác khơng ngừng nâng cao hiệu quả quản lý khai thác và vận hành
HTT, nhiệm vụ của các công ty quản lý khai thác cơng trình thủy lợi (QLKT CTTL)
cịn phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nƣớc đúng, đủ, kịp thời, tin cậy, linh hoạt và
công bằng theo yêu cầu của các loại cây trồng và của những hộ dùng nƣớc khác. Muốn
vậy, công tác quản lý vận hành các hệ thống tƣới cần phải đƣợc hiện đại hóa [1], [6],
[3], [7].
1
Trên thế giới, từ vài chục năm trở lại đây công tác quản lý vận hành các HTT theo
hƣớng hiện đại hóa đã đƣợc nhiều nƣớc, nhiều tổ chức và nhiều nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu, ứng dụng. Ở những nƣớc phát triển và một số nƣớc đang phát triển,
nhiều HTT đã đƣợc trang bị hiện đại và đƣợc QLVH, giám sát điều khiển tự động từ
xa nhờ việc sử dụng các mơ 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 nƣớc [1], [8]. Tuy vậy, mỗi
mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành đó chỉ có những tính năng và ƣu, nhƣợc điểm
cũng nhƣ phạm vi ứng dụng riêng của nó. Mặt khác, phần lớn chúng đƣợc 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, phƣơng thức quản lý khác nhau,... nên chƣa có mơ hình nào
đƣợc coi là hồn chỉnh có thể ứng dụng thích hợp hồn tồn cho quản lý vận hành các
HTT trong điều kiện Việt Nam.
Ở nƣớc ta, từ hơn chục năm nay, một số chƣơng trình, đề tài nghiên cứu cùng các dự
án nâng cấp, hiện đại hóa QLVH các HTTL đã và đang đƣợc thực hiện với sự trợ giúp
kỹ thuật và tài chính từ các tổ chức quốc tế nhƣ 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 tƣới cho 6 hệ thống tƣới lớn [9]:
Yên Lập, Cầu Sơn - Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Đá Bàn, Dầu Tiếng. Hiện nay, trên
tồn quốc mặc dù đã có khá nhiều mơ hình hiện đại hóa giám sát và điều khiển
(GS&ĐK) các HTT nhƣng hầu hết các mơ hình đó chƣa hoàn toàn phù hợp với điều
kiện thực tế, chƣa đáp ứng đƣợc các yêu cầu cung cấp dịch vụ một cách chính xác, tin
cậy, linh hoạt, cơng bằng và khó có thể đƣợc áp dụng rộng rãi với lý do chính là vốn
đầu tƣ khá lớn, trang thiết bị phải nhập ngoại đắt tiền, GS&ĐK chỉ hỗ trợ và độc lập
với tính tốn quản lý vận hành HTT, khơng hỗ trợ GS&ĐK qua mạng Internet… Hơn
nữa, tất cả các mô hình hiện đại hóa QLVH ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới đều có
hạn chế là chỉ hỗ trợ, thực hiện một hoặc vài khâu độc lập nào đó trong cơng tác quản
lý HTT nên khó có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu nâng cao hiệu quả toàn diện của HTT và
cung cấp tốt dịch vụ tƣới 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
cơng trình thủy lợi hiện có“ (tháng 4/2014) có nhấn mạnh: “Bộ Nơng nghiệp và PTNT
2
xác định nhiệm vụ nâng cao hiệu quả hoạt động của các cơng 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”. Mơ hình quản lý vận hành hợp lý ln ln đóng vai trị
tiên quyết trong việc nâng cao hiệu quả QLVH các HTT. Để góp phần thực hiện Nghị
quyết về “Đẩy mạnh cơng nghiệp hố, hiện đại hố nơng nghiệp và nơng thơn…” (Hội
nghị Trung ƣơng 5 Khố IX), trong những năm tới việc đi sâu nghiên cứu xây dựng
mơ hình hiện đại hóa QLVH các HTT thích hợp với điều kiện thực tế của nƣớc ta là
một nhiệm vụ cấp bách.
1.2. Tính cấp thiết về lý luận
Hiện nay và trong tƣơng lai, mục tiêu khai thác, quản lý vận hành các HTT khơng cịn
đơn thuần chỉ là phân phối đủ nƣớc theo nhu cầu mà đồng thời còn phải đạt đƣợc cả
các mục tiêu khác về kinh tế, tài chính, xã hội, mơi trƣờng và tiết kiệm tài nguyên
nƣớc [1], [3], [8]…Các mục tiêu đó lại thƣờng cạnh tranh với nhau, thậm chí cịn mâu
thuẫn lẫn nhau và khơng thể so sánh với nhau vì khơng có cùng thứ nguyên [3], [10].
Vì vậy, một số giả thiết khoa học và các phƣơng pháp luận tính tốn 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 khơng cịn hồn tồn phù hợp với thực tế.
Các HTT có nhiệm vụ phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nƣớc cho nhiều đối tƣợng
khác nhau có nhu cầu nƣớc thƣờng xuyên thay đổi. Mặt khác, các yếu tố khí tƣợng,
thủy văn ln thay đổi và hiện trạng, năng lực của các CTTL cũng thay đổi. Do đó, địi
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 nhƣ
phƣơng pháp luận QLVH thời gian thực sao cho HTT đạt đƣợc hiệu quả cao nhất. Mặt
khác, còn phải nghiên cứu ứng dụng các phƣơng pháp tính tốn dự báo khí tƣợng, thuỷ
văn chính xác hơn để cơng tác quản lý điều hành sát với thực tế hơn [11], [12].
Lý thuyết phân tích hệ thống, lý thuyết tối ƣu, lý thuyết quyết định, lý thuyết điều
khiển và lý thuyết dự báo đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả trong nhiều ngành
kinh tế, khoa học kỹ thuật và xã hội nhƣng vẫn chƣa đƣợc ứng dụng sâu, rộng trong
lĩnh vực QLVH, GS&ĐK các HTT. Hệ thống tƣới thuộc loại hệ thống lớn phức tạp,
3
phân cấp và đa mục tiêu. Nếu không nghiên cứu ứng dụng tổng hợp những phƣơng
pháp luận của các lý thuyết kể trên sẽ khó có thể giải quyết hồn chỉnh, trọn vẹn bài
toán quản lý khai thác, điều khiển các HTT. Với sự phát triển nhƣ vũ bão của cơng
nghệ thơng tin, truyền thơng, tự động hóa thì việc cập nhật những tiến bộ trong các lý
thuyết nêu trên và nghiên cứu ứng dụng các mơ hình hiện đại hóa trong QLVH các
HTT là một địi hỏi cấp thiết cho cơng cuộc đẩy mạnh cơng nghiệp hố, hiện đại hố
đất nƣớc.
Tóm lại: Tính cấp thiết của đề tài luận án là xuất phát từ thực tế hiện nay đang địi hỏi
phải đi sâu nghiên cứu xây dựng mơ hình hiện đại hóa QLVH các HTT nhằm “nâng
cao hiệu quả quản lý khai thác cơng trình thủy lợi hiện có “để góp phần thực hiện cơng
cuộc “Đẩy mạnh cơng nghiệp hố, hiện đại hố nơng nghiệp và nơng thơn…”. Về mặt
lý luận địi hỏi mơ hình hiện đại hóa QLVH đó phải đƣợc xây dựng dựa trên các cơ sở
khoa học và phƣơng pháp luận trong quản lý vận hành HTT, lý thuyết tối ƣu, lý thuyết
quyết định, lý thuyết điều khiển với nền tảng là ứng dụng công nghệ thơng tin và
truyền thơng, tự động hóa…
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng mơ hình hiện đại hóa
quản lý vận hành hệ thống tƣới“ là đề xuất và xây dựng, phát triển một mơ hình mới
về hiện đại hóa quản lý vận hành các hệ thống tƣới 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 nƣớc chính xác, kịp thời, tin cậy, linh hoạt và công bằng
cho các đối tƣợng dùng nƣớc.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là các hệ thống tƣới tự chảy hoặc tƣới bằng
động lực thông thƣờng phục vụ nông nghiệp, cấp nƣớc 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 cơng trình đầu mối là cống lấy nƣớc hoặc trạm bơm hay cả
4
cống và trạm bơm. Nguồn cung cấp nƣớc cho hệ thống có thể là sơng, suối, hồ chứa.
Đề tài khơng đề cập đến các HTT bán tự chảy vùng chịu ảnh hƣởng của thuỷ triều và
nguồn nƣớc bị nhiễm mặn. Đề tài luận án không giải quyết mối quan hệ giữa tƣới với
tiêu nƣớc và vấn đề sử dụng các trạm bơm cục bộ (dã chiến) bơm nƣớc từ sông hay từ
các nguồn nƣớc nội đồng (nƣớc hồi quy, nƣớc ao hồ,...) cũng nhƣ việc trữ nƣớc, tiêu
thoát nƣớc trong hệ thống.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án: “Nghiên cứu xây dựng mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới”
có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất quan trọng đối với công tác nâng cao hiệu quả
quản lý khai thác cơng trình thủy lợi để góp phần thực hiện cơng cuộc “Đẩy mạnh
cơng nghiệp hố, hiện đại hố nơng nghiệp và nơng thơn…”.
Trƣớc hết về ý nghĩa khoa học, Luận án sẽ góp phần phát triển, bổ sung bƣớc đầu các
cơ sở khoa học và phƣơng pháp luận trong một số lĩnh vực chun sâu:
- Mơ hình hóa và giải bài tốn lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ƣu” các HTT.
- Quản lý vận hành hệ thống tƣới theo thời gian thực tế, tức thời.
- Công nghệ giám sát và điều khiển theo hƣớng 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 phịng nơng nghiệp và các hợp tác xã nơng nghiệp, hội
dùng nƣớc có đƣợc những thơng tin cần thiết, kịp thời để đƣa 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 nƣớc, kế hoạch QLVH,… nhằm nâng cao hiệu quả toàn
diện về kinh tế - kỹ thuật, xã hội, môi trƣờng,…của HTT:
- Sử dụng “tối ƣu” tài nguyên đất, nƣớc, cây trồng để đạt đƣợc lợi ích thực thu và diện
tích canh tác là lớn nhất; tiết kiệm, sử dụng nƣớc ít nhất; sự thiếu hụt nƣớc so với nhu
cầu dùng nƣớc là nhỏ nhất.
- Phân phối nƣớc kịp thời, chính xác và linh hoạt đáp ứng yêu cầu của các đối tƣợng
dùng nƣớc, nâng cao năng suất cây trồng, tiết kiệm nƣớc…
- Giảm thiểu các chi phí quản lý vận hành nhờ có những thơng tin giám sát tức thời và
các cơng cụ điều khiển chính xác từ xa theo thời gian thực.
- Tránh đƣợc những mâu thuẫn và tranh cãi, xung đột giữa các đối tƣợng dùng nƣớc
nhờ có sự phân phối nƣớc cơng bằng, tin cậy và chính xác.
- Có thể thƣờng xuyên cải tiến phƣơng thức quản lý khai thác, vận hành HTT trên cơ
sở phân tích các số liệu về quản lý nƣớc, quản lý công trình và quản lý kinh tế đƣợc
lƣu trữ, cập nhật trong ngân hàng dữ liệu...
5
Ý nghĩa thực tiễn cuối cùng của Luận án là đã tạo ra một công cụ thực hiện và trợ giúp
hiện đại hóa QLVH các HTT góp phần thực hiện đề án 784 của Bộ NN&PTNT:
“Nâng cao hiệu quả quản lý khai thác cơng trình thủy lợi hiện có“. Đó cũng chính là
cơng cụ và cơ sở quan trọng bƣớc đầu để từng bƣớc tiến tới tự động hoá QLVH và
giám sát, điều khiển từng khâu hoặc toàn bộ quá trình quản lý vận hành nhằm góp
phần thực hiện nhiệm vụ cơng nghiệp hố và hiện đại hố đất nƣớc...
5. Những đóng góp mới của luận án
Luận án đã:
1. Đề xuất và xây dựng một mơ hình mới về hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống
tƣới có đầy đủ các chức năng hỗ trợ và thực hiện cả 3 nhiệm vụ: quản lý nƣớc theo số
liệu quan trắc thực tế (bao gồm giám sát, điều khiển tự động từ xa và thủ cơng), quản
lý cơng trình và quản lý kinh tế của các công ty quản lý khai thác cơng trình thủy lợi.
2. Đề xuất cơ sở khoa học và xây dựng bộ cơng cụ hiện đại hóa (trang web GS&ĐK
, phần mềm HĐH QLVH và cơ sở dữ liệu trực
tuyến,...) để mơ hình hóa bài tốn lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ƣu” liên kết với
bài toán lập kế hoạch dùng nƣớc và kế hoạch vận hành HTT theo mơ hình quy hoạch
phi tuyến, đa mục tiêu đƣợc giải bằng phƣơng pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu
nhằm đạt đƣợc đồng thời 4 mục tiêu:
- Lợi ích thực thu do HTT mang lại là lớn nhất.
- Tổng lƣợng nƣớc tƣới là ít nhất.
- Tổng diện tích đất canh tác đƣợc tƣới là lớn nhất.
- Chênh lệch giữa lƣợng nƣớc mà HTT có thể cung cấp so với yêu cầu nƣớc 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 tƣới theo hƣớng
hiện đại hóa: giao diện website giám sát, điều khiển và quản lý vận hành, phần mềm
hiện đại hóa tính tốn QLVH+GS&ĐK, CSDL trực tuyến (online),… giúp cho ngƣời
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.
6
4. Cải tiến, phát triển cơ sở khoa học cho mơ hình cơng nghệ giám sát và điều khiển
SCADA (IP Modems - RTUs) sử dụng mạng Internet và mạng viễn thơng di động tồn
cầu có tính khả thi cao với loại thiết bị vi điều khiển F2X64 RTU đƣợc tích hợp chức
năng IP modem không dây (modem giao thức Internet) phù hợp với điều kiện Việt
Nam và tổng vốn đầu tƣ không quá 28% so với hầu hết các mô hình SCADA đang
đƣợc ứng dụng ở nƣớc 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
(theo mơ hình điện tốn đám mây), đồng thời cung cấp các thông tin, kiến thức và tài
liệu đào tạo về hiện đại hóa tƣới nói chung và hiện đại hóa QLVH các HTT nói riêng.
Đặc biệt, trang web này cịn cung cấp miễn phí bộ cơng 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 tƣới của họ ngay cả khi HTT đó vẫn cịn đang đƣợc
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 cơng 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 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chƣơng 2: Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận.
7
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Cho đến cuối thập niên 70 của thế kỷ trƣớc, việc tính tốn quản lý vận hành (QLVH)
các hệ thống tƣới (HTT) vẫn còn dựa trên những giả thiết đơn giản hóa, xem xét các
bài tốn QLVH một cách độc lập riêng rẽ, khơng 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 nƣớc (KHDN) đã đƣợc lập sẵn trƣớc ứng với một mức bảo đảm
tƣới hay tần suất mƣa, tần suất lƣu lƣợng dịng chảy nào đó; rồi hiệu chỉnh lại kế
hoạch và các thơng số vận hành trong q trình thực hiện KHDN [13], [14], [2].
Trong vòng hơn 30 năm qua đã có nhiều mơ hình cùng các phần mềm quản lý vận
hành HTT đƣợc xây dựng và phát triển [15], [8], [2]. Bảng 1 (PL1) trong phụ lục 1 có
thống kê những mơ hình QLVH tiêu biểu. Có thể sơ bộ phân loại những mơ hình
QLVH đó thành 3 nhóm khác nhau dựa trên các tính năng cơ bản của chúng:
Nhóm 1: Các mơ hình lập kế hoạch tưới. Đây là nhóm các mơ hình chỉ có chức năng
tính tốn lập kế hoạch phân phối nƣớc tƣới nhằm trợ giúp cho QLVH thủ cơng.
Nhóm 2: Các mơ hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự
động. Đó là những mơ hình khơng những có chức năng lập kế hoạch tƣới nhƣ nhóm 1
mà cịn cho phép tính tốn xác định thơng số vận hành các cơng trình thủy lợi (CTTL)
và giám sát, điều khiển bán tự động tại chỗ một số CTTL.
Nhóm 3: Các mơ hình giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA). Nhóm mơ hình
này thƣờng có đầy đủ các chức năng lập kế hoạch tƣới, 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 mơ hình QLVH theo hƣớng hiện đại hóa
tƣới (hay có thể viết gọn hơn là: các mơ hình hiện đại hóa QLVH). Khái niệm hiện đại
hóa tƣới ở đây đƣợc hiểu theo định nghĩa mà các nhà khoa học và các chuyên gia trên
thế giới đã thống nhất nhƣ sau [1], [2]:
8
“Hiện đại hố tƣới là một q 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 tƣới với mục tiêu là nâng cao
hiệu quả sử dụng các nguồn lực (lao động, nguồn nƣớc, kinh tế, môi trƣờng) và dịch
vụ cung cấp nƣớc cho các đối tƣợng dùng nƣớc“.
Các mơ hình - phần mềm hiện đại hóa QLVH điển hình đƣợc thống kê, phân loại dựa
trên những tính năng cơ bản của chúng nhƣ trong bảng 1.1.
Sau đây là những kết quả nghiên cứu tổng quan về các cơng trình nghiên cứu có liên
quan đến việc xây dựng và phát triển các mơ hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT
tiêu biểu đã đƣợc liệt kê trong bảng 1.1.
1.1.1 Các cơng trình nghiên cứu về mơ hình lập kế hoạch quản lý vận hành và
giám sát, điều khiển bán tự động
1.1.1.1 Khái qt chung
Các cơng trình nghiên cứu về mơ 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 tƣới,
tính tốn xác định thơng số vận hành các cơng trình thủy lợi và thiết lập một số hệ
thống giám sát, điều khiển bán tự động tại chỗ các CTTL chủ chốt. Những mơ hình
nhƣ thế thƣờng đƣợc ứng dụng ở những HTT có quy mơ lớn hoặc chƣa có điều kiện
HĐH tồn bộ hệ thống. Trong mục này sẽ trình bày tổng quan về đặc tính, chức năng
của một số mơ hình tiêu biểu đã đƣợc cơng bố thơng qua các cơng 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 cơng trình nghiên cứu này, Cơng ty HR Wallingford (Vƣơng 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 tƣới, kế hoạch vận hành cơng trình đầu mối và và các
cơng trình phân phối, điều tiết nƣớc trên kênh.
- Tính yêu cầu nƣớc của các kênh cấp 3 ứng với những cơ cấu cây trồng khác nhau.
- Có thể theo dõi lớp nƣớc mặt ruộng, độ ẩm đất và mực nƣớc tại các cơng trình đầu
mối, cơng trình phân phối nƣớc.
- Giám sát và điều khiển bán tự động công trình đầu mối.
- Đánh giá hiệu quả của hệ thống tƣới.
9
Bảng 1.1: Phân loại và những tính năng cơ bản của các mơ hình hiện đại hóa quản lý
vận hành HTT đƣợc áp dụng phổ biến trên thế giới
Các tính năng (có liên quan) của các mơ hình
T.T
Mơ hình
(1)
(2)
Lập kế hoạch sử dụng hiệu quả
các nguồn tài nguyên
Tài
nguyên
đất
Tài
nguyên
nƣớc
Tài
nguyên
cây
trồng
(3)
(4)
(5)
Lập kế
hoạch
tƣới
(phân
phối
nƣớc)
Lập kế
hoạch
QLVH
và
GSĐK
bán tự
động
Giám
sát và
điều
khiển
tự
động
từ xa
Quản
lý
cơng
trình
Quản
lý kinh
tế
Ghi
chú
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
1. Các mơ hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động
1
INCA
2
IMSOP
3
OPDM
4
CanalMan
5
IMS
6
SWAT
7
RUSTIC
()
8
OMIS
()
9
CPOIS
()
()
()
2. Các mơ hình giám sát và điều khiển tự động từ xa
1
FQM
2
EAO
3
TC/TM System
4
Klamath SCADA
5
CWMIS
()
6
FarmConnect
* Ghi chú: () là ký hiệu biểu thị mơ hình khơng có đầy đủ tính năng đƣợc nêu ở tiêu
đề cột đó.
10
2. Vận hành hệ thống tưới (IMSOP - Irrigation Main System Operation)
Cơng trình nghiên cứu này đã xây dựng và phát triển mơ hình IMSOP (từ năm 1987)
nhằm mơ phỏng việc vận hành các hệ thống kênh phân phối nƣớc tƣới và hỗ trợ cho
công tác QLVH các HTT [8]. Cấu trúc của mơ hình bao gồm 3 thành phần (modules):
- Module bốc thốt hơi nƣớc (ETM): tính tốn bốc thoát hơi nƣớc tiềm năng (ETo) và
bốc thoát hơi nƣớc của cây trồng (ETc) dựa trên các số liệu khí tƣợng.
- Module u cầu tƣới (IRM): tính tốn u cầu tƣới của từng kênh cấp 3 theo từng
tuần dựa vào cƣờng độ bốc thoát hơi nƣớc, lƣợng mƣa hiệu quả, tổn thất nƣớc do thấm
trên kênh và ở mặt ruộng.
- Module vận hành hệ thống (SOM): tính dồn yêu cầu tƣới của các kênh cấp 3 tại
những cửa lấy nƣớc và tính tốn lƣu lƣợng u cầu tại các mặt cắt cần thiết trên hệ
thống kênh. Từ đó tính tốn xác định độ mở các cửa cống lấy nƣớc... Đồng thời, một
chƣơng trình con cho phép lập kế hoạch lấy nƣớc từ hồ chứa và tính tốn mực nƣớc
trong hồ chứa.
3. Mơ hình lập kế hoạch phân phối nước và vận hành (OPDM – Operation Planning
Distribution Model)
Mơ hình OPDM do Bộ môn Kỹ thuật sinh học và tƣới tiêu, Trƣờng Đại học Utah, Hoa
Kỳ thiết lập và phát triển từ năm 1996. Mơ hình này có chức năng tính tốn vận hành,
phân tích và mơ phỏng các HTT cho phép tính tốn xác định độ mở cửa lấy nƣớc của
các loại cống có hình dạng khác nhau.
OPDM có thể ƣớc tính mức giảm năng suất cây trồng do mức độ thiếu hụt nƣớc trong
vùng rễ cây, do nƣớc và đất bị nhiễm mặn, do ngập úng,… Điều này cho phép tính
tốn, đánh giá về hiệu quả quản lý vận hành HTT.
4. Quản lý vận hành kênh tưới (CanalMan – Canal Management)
Trong cơng trình nghiên cứu này, Bộ mơn Kỹ thuật sinh học và tƣới tiêu (Trƣờng Đại
học Utah, Hoa Kỳ) đã thiết lập và phát triển mơ hình CanalMan. Mơ hình này cho
phép mơ phỏng thủy lực dịng chảy khơng ổn định trong hệ thống kênh hở phân nhánh.
Các chức năng chính của nó bao gồm [16]:
- Lập kế hoạch tƣới và kế hoạch vận hành các cơng trình thủy lợi bằng thủ cơng.
- Tính tốn các thơng số vận hành tự động hóa các cơng trình tại chỗ.
- Thiết lập sơ đồ và tính tốn, quản lý các cơng trình tự động điều tiết…
11
Về thực chất, mơ hình CanalMan chính là phiên bản cải tiến, phát triển từ các mơ hình
STEADY [17], UNSTEADY, PDM [18], [19] và OPDM.
5. Lập kế hoạch quản lý tưới (IMS - Irrigation Management Scheduling)
Với cơng trình nghiên cứu này, Bộ môn quản lý nƣớc, trƣờng Đại học Cranfield của
Anh quốc đã xây dựng và phát triển mơ hình lập kế hoạch tƣới hàng ngày (IMS). Mơ
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 tƣới trong lần tƣới sắp tới và phƣơng thức
hiệu chỉnh kế hoạch tƣới khi có mƣa.
- IMS chỉ đƣợc thiết lập cho việc quản lý HTT canh tác trồng cây trồng cạn...
6. Mơ hình đánh giá nước và đất (SWAT - Soil and Water Assessment Tool)
SWAT là một trong số 20 mơ hình (trên tổng số 123 mơ hình và phần mềm đƣợc giới
thiệu tại Hội nghị Quốc tế về ứng dụng máy tính trong nơng nghiệp tổ chức vào tháng
10 năm 1998 ở Hoa Kỳ) có chú trọng nhiều đến QLVH các HTT kênh hở.
Cấu trúc của mơ hình bao gồm các module thành phần về thuỷ văn, khí tƣợng, cây
trồng, tƣới và chuyển nƣớc, chất lƣợng nƣớc (phù sa, nhiệt độ nƣớc), nƣớc ngầm [20].
7. Tính tốn tưới cho hệ thống dùng nước mặt và nước hồ chứa (RUSTIC – The
Runoff, Storage Irrigation Calculator)
Mô hình RUSTIC đƣợc phát triển hồn chỉnh vào năm 1994. Nó là cơng cụ hỗ trợ khá
hiệu quả cho cả thiết kế và lập kế hoạch quản lý các HTT. Ban đầu, RUSTIC đƣợc xây
dựng chỉ với mục đích tính toán tƣới cho các HTT nhỏ ở Australia nhƣng chỉ vài năm
sau nó đã đƣợc bổ sung thêm các chức năng khác nhƣ:
- Tính tốn 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 mơ hình
OMIS. Các q trình tính tốn: cân bằng nƣớc mặt ruộng, lập kế hoạch canh tác, yêu
cầu nƣớc và kế hoạch phân phối nƣớc tƣới đều đƣợc mơ hình hóa theo hƣớng tiếp cận
hệ thống và hƣớng tới tự động điều khiển các cơng trình từ xa [8]. OMIS cho phép lập
kế hoạch đầu vụ tƣới với một hàm mục tiêu: tổng lợi ích thực thu là lớn nhất.
12
