(Luận văn thạc sĩ file word) Nghiên cứu xây dựng phần mềm trợ giúp vận hành hệ thống tưới trên nền tảng Internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRỢ GIÚP
VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƯỚI TRÊN NỀN TẢNG
INTERNET

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUYỄN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRỢ GIÚP
VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƯỚI TRÊN NỀN TẢNG
INTERNET

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC
MÃ SỐ

: 60-58-02-12

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. PHẠM NGỌC HẢI
2. PGS.TS. NGHIÊM TIẾN LAM

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN
Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, đến nay luận văn thạc sĩ với đề tài:
“Nghiên cứu xây dựng phần mềm trợ giúp vận hành hệ thống tưới trên nền tảng
internet” đã được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của các
thầy, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Trường Đại học Thuỷ lợi cùng
tồn thể các thầy cơ giáo trong khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Phạm Ngọc Hải và
thầy giáo PGS.TS Nghiêm Tiến Lam là những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tơi
trong suốt q trình làm luận văn để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và
Biến đổi Khí hậuđã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơicó điều kiện học tập, nghiên
cứu chun sâu, nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ nhằm hồn thành tốt hơn
nữa nhiệm vụ trong lĩnh vực đang công tác.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn
động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.
Đây là lần đầu tiên nghiên cứu khoa học, với thời gian và kiến thức có hạn,

chắc chắn khơng tránh khỏi những khiếm khuyết, tơi rất mong nhận được nhiều ý
kiến góp ý của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp để luận văn
được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng
Tác giả

Nguyễn Thị Vân

năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Thị Vân, tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu
của riêng tơi. Những nội dung và kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào, nếu vi phạm tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm.

Tác giả

Nguyễn Thị Vân


5

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Nước ta là một nước có nền kinh tế phụ thuộc chủ yếu vào nông nghiệp. Từ
năm 1955 đến nay, công tác thủy lợi phát triển ngày càng mạnh mẽ nhất là sau giải
phóng miền Nam năm 1975. Tính đến nay, cả nước đã có trên 110 hệ thống thủy

nơng vừa và lớn, hàng nghìn hệ thống thủy lợi nhỏ, bao gồm trên 650 hồ đập lớn có
dung tích từ 1 triệu m³ trở lên, trên 2000 trạm bơm lớn và vừa, gần 5000 cống tưới
tiêu lớn và được xây dựng trên các sơng suối và đê biển.
Nhìn chung các hệ thống thủy lợi chưa được xây dựng đồng bộ và hoàn chỉnh
từ đầu mối đến mặt ruộng. Hơn nữa, các thiết bị phục vụ cho quản lý khai thác
không được trang bị đầy đủ do đó gây khó khăn cho quản lý sử dụng. Chính vì vậy
đã làm giảm hiệu quả của các cơng trình thủy lợi.
Việc quản lý khai thác các hệ thống thủy lợi nói chung chú ý về mặt chất
lượng, tính khoa học mà nặng về quy trình, thủ tục một cách lý thuyết thể hiện ở
các điểm:
• Chưa lập và thực hiện kế hoạch dùng nước và phân phối nước một cách khoa học
và hợp lý.
• Chưa theo dõi đánh giá hiệu quả các hoạt động tưới, tiêu, cấp và thốt nước
thường xun qua các năm khai thác.
• Các cơng trình điều tiết nước trên hệ thống kênh khơng được trang bị hồn
chỉnh và các thiết bị điều khiển hiện đại, khơng lập và thực hiện quy trình quản lý
để phân phối nước theo kế hoạch.
• Việc đóng mở cống lấy nước, phân phối nước còn tùy tiện do đó gây lãng phí
nước trong quản lý sử dụng, nhiều cống bỏ ngỏ vì hư hỏng khơng được sửa chữa.
• Chưa vận dụng, khai thác hệ thống dữ liệu thơng tin có liên quan để sử dụng
chúng một cách hiệu quả trong quản lý khai thác hệ thống Thủy lợi.
Những vấn đề trên cho thấy việc quản lý các cơng trình thủy lợi cịn yếu kém,
thách thức mới đặt ra là phải có biện pháp quản lý phù hợp nhằm mang lại hiệu quả
cao.


Để trợ giúp cho công tác quản lý vận hành các cơng trình thủy lợi nhằm nâng
cao hiệu quả quản lý và khai thác của các cơng trình, đề tài luận văn Thạc sĩ
“Nghiên cứu xây dựng phần mềm trợ giúp vận hành hệ thống tưới trên nền
tảng internet” được thực hiện với nhiệm vụ ứng dụng các tiến bộ của công nghệ

thông tin để xây dựng một bộ công cụ trực tuyến trợ giúp cho công tác quản lý vận
hành các hệ thống tưới thông qua mạng internet. Với việc sử dụng công nghệ lưu
trữ và xử lý dữ liệu trực tuyến, các đơn vị quản lý vận hành hệ thống có thể truy cập
qua internet để cập nhật số liệu, tính tốn nhu cầu nước tưới và đưa ra các phương
án điều tiết cấp nước trực tuyến mà khơng cần mua và cài đặt phần mềm. Ngồi ra,
hệ thống phần mềm trực tuyến với giao diện hoàn toàn bằng Tiếng Việt cũng sẽ tạo
điều kiện thuận tiện cho người sử dụng. Do đó, việc thực hiện đề tài nghiên cứu có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích của Đề tài
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu cơ sở phương pháp luận và xây dựng
một hệ thống phần mềm trực tuyến trợ giúp công tác quản lý vận hành các hệ thống
tưới dựa trên nền tảng internet và áp dụng thí điểm cho hệ thống tưới Phú Ninh tỉnh
Quảng Nam. Phần mềm trực tuyến sẽ trợ giúp cho việc tính tốn nhu cầu nước cho
cây trồng, nhu cầu nước hệ thống, điều tiết cấp nước nhằm nâng cao hiệu quả quản
lý và vận hành hệ thống tưới.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra thu thập, xử lý, phân tích số liệu thực tế
- Phương pháp sử dụng mơ hình tốn
-Phương pháp thực nghiệm, thực tế đểkiểm tra tính ưu việt của cơng cụ
- Phương pháp chuyên gia để phân tích, đánh giá kiểm định kết quả
• Cách tiếp cận
- Tiếp cận giữa lý thuyết và tài liệu thực tế
- Phát triển nguồn nước bền vững
- Tiếp cận đáp ứng yêu cầu và thân thiện với người sử dụng


4. Kết quả dự kiến đạt được
- Bộ công cụ phần mềm trợ giúp quản lý vận hành dựa trên nền tảng internet.
- Kết quả thử nghiệm cho hệ thống Phú Ninh. Xác định được nhu cầu nước của

cây trồng và của hệ thống, dịng chảy đến cơng trình và chế độ điều tiết cấp
nước hợp lý.
5. Nội dung luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, Luận văn được cấu trúc với 4
chương nội dung chính gồm:
Chương 1: Tổng quan các phần mềm đang được ứng dụng
Chương 2: Cơ sở khoa học của việc nghiên cứu xây dựng phần mềm trợ giúp
vận hành hệ thống tưới trên nền tảng internet
Chương 3: Giới thiệu cấu trúc và cơ sở dữ liệu phần mềm
Chương 4: Kết quả áp dụng cho hệ thống thủy lợi Phú Ninh – Quảng Nam


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHẦN MỀM ĐANG ĐƯỢC ỨNG DỤNG
1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.1.1 Các cơng nghệ thường được sử dụng
Các hệ thống trợ giúp quản lý vận hành cấp nước tưới đã được phát triển và
ứng dụng ở rất nhiều nước trên thế giới, trong đó điển hình là các hệ thống của Úc,
Mỹ, Canada. Trong vịng 20 năm qua, nhiều cơng nghệ đã được ứng dụng trong các
hệ thống trợ giúp quản lý vận hành tưới, một số công nghệ hiện đại, mang lại hiệu
quả cao có thể kể đến như các cơng nghệ SCADA, WebGis….
1.1.2 Công nghệ SCADA
SCADA là chữ viết tắt của Supervising Control and Data Acquisition, có
nghĩ là điều khiển giám sát và thu thập số liệu. Đây là một công nghệ cho
phép thu thập thông tin dữ liệu từ những cảm biến từ xa liên tục, là công nghệ rất
phù hợp để nâng cao hiệu quả khai thác cơng trình thuỷ lợi. Những thiết bị này
được kết nối với những liên kết tín hiệu hoặc đường truyền với băng truyền từ
thấp đến cao truyền đến các trung tâm dữ liệu giúp cho các chuyên gia giám sát
và điều khiển hệ thống. Công nghệ SCADA là một hệ thống mạng mở và mạng
đóng, có thể phản hồi trực tiếp trong hệ thống. Công nghệ này được áp dụng cho
vùng tưới Orange Cove của Mỹ tự động điều hành quản lý tưới thông qua hệ

thống thông tin là một hệ thố ng được hiện đại hóa trong cơng tác quản lý các
trạm bơm tưới và hệ thống cung cấp nước bằng công nghệ giám sát, đo đạc và
quyết định điều hành tự động. Hệ thống này đã giúp cho vùng hưởng lợi giảm
được năng lượng điện dùng, chí phí sử dụng điện trong vận hành, mang lại
hiệu quả cho việc tưới, đáp ứng nhu cầu các chỉ số sử dụng nước.
1.1.3 Công nghệ WebGis
WebGIS là một hệ thống phức tạp cung cấp truy cập trên mạng với những
chức năng như là lưu trữ hình ảnh, hợp nhất dữ liệu, thao tác dữ liệu, phân tích và
hiển thị dữ liệu khơng gian. Cơng nghệ này được dùng để quản lý hồ đập và hệ
thống tưới Kwater của Hàn Quốc, được phát triển để giám sát an toàn hồ đập và kỹ
thuật dự báo nhu cầu nước trong thời gian ngắn. Phát triển kỹ thuật vận hành tối
ưu đập


và dự báo chất lượng nước. Quản lý thông tin sơng ngịi và cơ sở hạ tầng thủy lợi
với GIS.
1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Trước sự phát triển của cơng nghệ thơng tin, ngành thủy lợi cũng có các
trung tâm tin học có các ứng dụng rất hữu ích vào thực tế. Các trung tâm này
thường trực thuộc các trường, viện nghiên cứu. Đồng thời, dưới sự tài trợ của
nước ngồi, cũng có một vài hệ thống thơng tin đang tồn tại và hoạt động trên địa
bàn cả nước. Trong đó phải kể đến một số sản phẩm khoa học công nghệ nổi bật
như sau.
1.2.1 Công nghệ SCADA
Công nghệ SCADA đã được áp dụng khá phổ biến trong công tác quản lý
hệ thống tưới ở cả miền Bắc và miền Nam. Ở Miền Bắc, Trường Đại học Thủy lợi
và Trung tâm Công nghệ phần mềm Thủy lợi thuộc Viện KHTL Việt Nam đã có
những ứng dụng rất đáng trân trọng. Ở phía Nam, có Phịng Hợp tác và Quốc Tế,
Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam cũng ứng dụng công nghệ này để áp dụng cho
việc quản lý thông tin thủy lợi cho nhiều hệthống.

Hệ thống SCADA gồm 2 phần chính: Phần mềm giám sát hệ thống thuỷ
nơng và các thiết bị phần cứng.
• Phần mềm giám sát hệ thống thủy nông
Phầm mềm giám sát hệ thống thủy nơng được xây dựng với mục đích cung
cấp thơng tin kịp thời về tình trạng phân phối nước trên hệ thống thuỷ nông để giúp
cán bộ quản lý điều hành phân phối nước hợp lý nhằm cung cấp nước đủ và đồng
đều trên các khu vực của hệ thống và phát hiện những vị trí lấy nhiều hoặc thừa
nước. Như vậy, phần mềm giám sát Hệ thống thuỷ nông là một cơng cụ tiện ích đối
với các cơng ty Khai thác cơng trình thuỷ lợi để từng bước hiện đại hoá và nâng cao
hiệu quả khai thác các hệ thống thuỷ nơng, giảm chi phí vận hành.
Khi sử dụng, phần mềm được cài đặt tại trụ sở công ty Khai thác cơng
trình thuỷ lợi và tuỳ điều kiện cơ sở vật chất sẵn có, phần mềm sẽ tự động kết nối
và nhận số liệu từ ngoài hiện trường về Trung tâm (nếu có hệ thống thiết bị đầu đo


tự động) hoặc phải nhập bằng bàn phím các số liệu báo về từ hiện trường (nếu
chưa có thiết bị mà phải đo đạc bằng thủ công- bằng cọc thuỷ chí). Nếu hệ thống
giám sát bằng các thiết bị tự động thì người quản lý có thể điều khiển giám sát hệ
thống thủy nơng tại bất cứ máy tính nào được cài đặt phần mềm và có khả năng
kết nối qua đường điện thoại.
Giao diện của phần mềm được xây dựng trên nền tảng đối tượng bản đồ
(MapObjects) của hãng ESRI. Như vậy, phần mềm làm việc với một đối tượng
bản đồ địa lý (đã được số hoá) với đầy đủ các tính năng quản lý về mặt địa lý. Nó
vừa giúp cho người sử dụng dễ dàng điều hành hệ thống quan trắc, đồng thời có
thể hình dung cụ thể về hệ thống thuỷ nông đang điều hành. Trong báo cáo này xin
giới thiệu chi tiết về phần mềm trong điều kiện sử dụng đồng bộ với hệ thống thiết
bị đo nước tự đơng, từ xa.
• Tính năng của phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông:
- Thu thập dữ liệu tức thời: Phần mềm cho phép người sử dụng có thể quan sát số
liệu ở các trạm, ở bất kỳ thời điểm nào bằng cách quay số cưỡng bức tới trạm. Ví

dụ tại một thời điểm nào đó cán bộ quản lý muốn biết mực nước, độ mở cống và
lưu lượng tại các điểm trên hệ thống, có thể chuyển chế độ đo đạc và ghi vào
tệp dữ liệu theo chu kỳ (hàng giờ hay hàng vài giờ..) sang chế độ giám sát tức
thời.
- Thu thập theo chu kỳ: Sau khi đã định chu kỳ thu thập dữ liệu cho phần mềm,
máy tính sẽ tự động quay số xuống các trạm, thu thập số liệu quan trắc và ghi
vào cơ sở dữ liệu. Tuỳ theo mức độ chính xác mà người quản lý muốn, có thể cài
đặt quan trắc số liệu theo từng giờ hay mỗi ngày 4 lần như chế độ quan trắc khí
tượng thuỷ văn hoặc có thể theo phút. Tính tốn lưu lượng, lượng nước (m 3)
theo ngày, theo đợt tưới hoặc cả vụ qua cơng trình đo nước từ các số liệu đo.
- Hiển thị dữ liệu: Các số liệu thu thập, lưu lượng, lượng nước qua cơng trình
đo nước được hiển thị dưới dạng bảng, dạng đồ thị theo thời gian và theo yêu cầu
của người sử dụng.
- Điều khiển từ xa: ở chế độ quay số cưỡng bức, phần mềm cho phép vận


hành đóng mở cửa cống (nếu cống vận hành bằng động cơ) hoặc tắt mở máy bơm.
- Điều khiển giám sát tại nhiều nơi: Người sử dụng có thể cài đặt phần mềm tại
nhà, tại máy tính xách tay và kết nối tới các trạm đo qua đường điện thoại.
Như vậy, có thể điều khiển giám sát hệ thống thủy nông của họ tại bất cứ nơi nào
trên thế giới miễn là ở đó có điều kiện kết nối với mạng điện thoại công cộng.
- Quản lý thời gian lưu giữ số liệu của các RTU tại các trạm: Đối với mỗi
trạm đo người sử dụng có thể thay đổi thời gian cập nhật số liệu của RTU tại các
trạm tuỳ theo yêu cầu cụ thể.
- Tính mở của hệ thống: Phần mềm cho phép người sử dụng có thể thêm, bớt
hay thay đổi thông tin của các trạm đo trên phần mềm để phù hợp với điều kiện
thực tế.
• Các thiết bị phần cứng
Hệ thống SCADA áp dụng trong công tác điều hành tưới tiêu bao gồm các
thiết bị chính sau:

- Thiết bị ngồi hiện trường (tại các điểm đo):
 Thiết bị thu thập số liệu (RTU);
 Thiết bị đo mực nước;
 Thiết bị đo độ mở cống; Động cơ đóng mở cống ;
 Thiết bị đo mưa;
 Modem điện thoại (hoặc modem vô tuyến trong trường hợp thu phát bằng
vô tuyến);
 Thuê bao đường điện thoại hoặc thiết bị thu phát vô tuyến;
 Thiết bị chống sét.
- Thiết bị tại Trung tâm điều hành:
 Máy tính; Thuê bao đường điện thoại hoặc thiết bị thu phát vô tuyến;
 Modem điện thoại (hoặc modem vô tuyến trong trường hợp thu phát bằng
vô tuyến);
 Chống sét đường điện thoại hoặc vô
tuyến. Nguyên lý hoạt động của các thiết
bị


Các tín hiệu của các thiết bị đo mực nước, độ mở cống, đo mưa được đưa
đến hộp kỹ thuật, trong đó có thiết bị RTU (Remote Terminal Unit) đặt tại hiện
trường. Mục đích hộp kỹ thuật là chuyển đổi, chuẩn hóa các tín hiệu điện từ các
thiết bị đo ra các thông tin đo đạc mực nước, độ mở cống, lượng mưa dưới dạng số
để cán bộ quản lý sử dụng cho mục đích quản lý điều hành cơng trình. Thiết bị
RTU cịn có chức năng lưu trữ số liệu, hiển thị số liệu tại chỗ, có thể giao tiếp và
truyền thơng tin với các máy tính ở khoảng cách không giới hạn qua đường điện
thọai công cộng hoặc thiết bị truyền vô tuyến thông qua phần mềm giám sát hệ
thống thuỷ nơng đã trình bày ở trên.
• Ưu nhược điểm của công nghệ SCADA
 Ưu điểm:
Công nghệ này là có khả năng đưa ra được giao diện thân thiện người dùng,

có khả năng kết nối với các cảm biến tự động đo các thông tin về nước (mực nước,
chất lượng nước). Việc ứng dụng công nghệ SCADA mang hiệu quả cao trong việc
kiểm soát mực nước, lượng nước cấp qua đầu các kênh là rất cần thiết.
 Nhược điểm:
Công nghệ này chỉ điều khiển và giám sát một cách tập trung.
Công nghệ này chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ mang tính chất ứng dụng
thí điểm. Cơng nghệ này không được ứng dụng rộng rãi là do:
 Các thiết bị chủ yếu là nhập ngoại, nên giá thành cho một trạm đo tương đối
đắt
 Các thiết bị khi bị hỏng là phải thay thế hồn tồn khơng thể sửa được. Đây
sẽ là gánh nặng rất lớn cho các cơng ty KTCTTL trong q trình sử dụng hệ
thống, hiện tại khó có cơng ty nào có thể giải quyết được;
 Các hệ thống được đầu tư trước đây như hệ thống Bắc Hưng Hải, Bắc Nghệ An,
Sông Chu, đã không chú ý đến vấn đề chống sét lan truyền qua đường điện thoại,
đường điện và tín hiệu từ đầu đo mà chỉ quan tâm đến chống sét trực tiếp. Vì
vậy các hệ thống chỉ hoạt động trong thời gian ngắn là hỏng không hoạt động được.
Việc này đã làm cho lãnh đạo Bộ, ngân hàng ADB cho rằng việc đầu tư công


nghệ SCADA trên các hệ thống thuỷ nông là không hiệu quả.
 Nhà nước chưa có chính sách khuyến khích rõ ràng để các công ty KTCTTL
nâng cao hiệu quả công tác quản lý điều hành tưới, tiêu;
 Các công ty KTCTTL và các hộ dùng nước chưa có khái niệm cấp nước theo
m3. Hiện tại các công ty KTCTTL và các hộ dùng nước ký hợp đồng cấp nước theo
ha, các hộ dùng nước yêu cầu tưới là công ty KTCTTL phải đáp ứng.
1.2.2 Công nghệ WebGIS
Hiện nay công nghệ này được áp dụng thí điểm vào một số hồ chứa ở Việt
Nam.

Khi

người

dùng

sử

dụng

trình

duyệt

Web

vào địa

chỉ

trên màn hình sẽ xuất hiện bản đồ Việt Nam. Người
dùng chọn tỉnh cần xem thông tin ở bảng danh sách các tỉnh bên trái màn hình,
phần mềm sẽ hiển thị danh sách tồn bộ các hồ chứa trong tỉnh. Người dùng chọn
hồ nào cần xem thông tin, phầm mềm sẽ dịch chuyển bản đồ đến hồ đó. Người
dùng chỉ cần kích chuột vào hồ cần xem thông tin là phần mềm sẽ hiển thị:
- Thông tin tức thời và lưu trữ: Mực nước hồ, dung tích hồ, độ mở cửa tràn, lưu
lượng đang xả qua tràn, độ mở cửa cống lấy nước, lưu lượng đang chảy qua cống,
lượng mưa tại các trạm đo mưa trên lưu vực, đầu mối và hạ du hồ, mực nước tại
các trạm quan trắc dọc theo triền sơng phía hạ du.
- Hình ảnh từ các camera lắp đặt tại đầu mối
- Các bản vẽ thiết kế cơng trình

- Dự báo diễn biến dòng chảy đến hồ, mực nước hồ trong giờ tiếp theo
- Dự báo ngập lụt phía hạ du ứng với phương án xả tràn hiện tại
Công nghệ WebGIS giúp các cơ quan phịng chống lụt bão, cơng ty Quản lý
Khai thác cơng trình Thủy lợi có thể giám sát được hình ảnh các cơng trình, mực
nước hồ, độ mở cửa tràn, lưu lượng đang xả qua tràn mọi lúc mọi nơi thông qua
mạng internet. Trong trường hợp khẩn cấp lãnh đạo có quyền có thể điều khiển vận
hành cửa tràn xả lũ từ xa.
So sánh với công nghệ SCADA cho thấy cơng nghệ WebGIS có ưu điểm
nhiều hơn khắc phục được các nhược điểm của công nghệ SCADA. Công nghệ này


cải tiến hơn bởi tính năng cập nhật các thơng tin tự động, có khả năng trích xuất
thơng tin, đồng thời có khả năng dự báo đơn giản. Cơng nghệ WebGIS này cũng
đang được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam.
1.2.3 Công nghệ Siemes
Công nghệ Siemes sử dụng hệ điều khiển phân tán DCS. DCS là viết tắt của
Distributed Control System, hệ thống điều khiển phân tán. DCS là một hệ thống
điều khiển thường cho một hệ thống sản xuất, một quá trình hoặc bất cứ một hệ
thống động học nào, trong đó các bộ điều khiển khơng tập trung tại một nơi (như bộ
não) mà được phân tán trên toàn hệ thống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi
một hoặc nhiều bộ điều khiển. Toàn bộ hệ thống các bộ điều khiển được nối mạng
với nhau để có thể truyền thơng và giám sát.
Cấu trúc của hệ thống DCS bao gồm các thiết bị giao diện dữ liệu trường, hệ
thống truyền thông, các máy chủ trung tâm và tập hợp các phần mềm. Toàn bộ hệ
thống điều khiển được kết nối với nhau thành một mạng truyền thông công
nghiệp. Hệ thống điều khiển phân tán dựa trên các phần cứng và phần mềm điều
khiển - thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyền thông tin tốc độ cao, các
module được phân tán và tổ chức theo 01 cấu trúc nhất định với một chức năng
và nhiệm vụ riêng. Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao này cho
phép ghép nối dễ dàng với các bộ PLC, Controller, các máy tính điều khiển giám

sát khác. Các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống thay vì xử lý tập
trung trên một máy tính đơn lẻ. Khả năng xử lý tín hiệu tương tự và chạy các trình
tự phức tạp là thế mạnh của hệ thống.
Công nghệ Siemens đã được áp dụng thí điểm vào hệ thống thơng tin hồ
Bình Định, tỉnh Bình Định đểquản lý và xây dựng bộcơ sởdữliệu cho đập. Tại hồ
Bình Định sử dụng hệ thống DCS trong công nghệ ghép nối hệ thống mạng
Profibus, đây là một trong những mạng truyền thông công nghiệp tốc độ cao, tốc
độ truyền nhận chỉ đứng sau Internet tính đến thời điểm hệ tại. Tại trung tâm quản
lý hồ Định Bình được đặt một máy tính chủ và bàn điều khiển trung tâm. Việc
điều hành và giám sát hệ thống được phân ra nhiều cấp khác nhau:


- Điều khiển giám sát hệ thống tại chỗ;
- Điều khiển giám sát hệ thống tại trung tâm;
- Điều khiển giám sát hệ thống qua mạng internet.
Tại máy tính trung tâm được cài đặt phần mềm Wincc là một phần mềm
chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface)
cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA.
Ưu điểm của công nghệ Siemens là công nghệ điều khiển phân tán khắc phục
được nhược điểm của công nghệ SCADA.
1.2.4 Hệ thống thông tin WISDOM
Hệ thống thông tin WISDOM (Water Information System for the
Sustainable Development of the Mekong Delta), được bắt đầu triển khai xây dựng
từ năm 2007, dưới sự hợp tác rất nhiều nhà khoa học và các đơn vị khoa học
trong nước và nước ngồi. Hệ thống thơng tin được xây dựng dựa trên nền tảng về
sự trao đổi giữa người sử dụng và hệ thống, bằng việc đặt câu hỏi, điều tra, đồng
thời có thể cập nhật, tải cơ sở dữ liệu về để phục vụ cho nhiều mục đích, nghiên
cứu khoa học, tài liệu ảnh viễn thám, tài liệu sử dụng đất, phân bố dân cư,… đây là
hệ thống thơng tin có khả năng trao đổi cả về dữ liệu tĩnh và động. Trong quá trình
xây dựng hệ thống thơng tin, nhóm thực hiện đã sử dụng rất nhiều cảm biến để đo

đạc các tham số về lũ như mực nước, phù sa, pH, độ dẫn điện, để có được chuỗi
số liệu hiện trạng rất tốt.
Nhược điểm của cơng nghệ này là hệ thống vẫn chưa có sự kết nối đo
trực tuyến. Bên cạnh đó ư u điểm của hệ thống thông tin này là mã nguồn mở và
thông tin được xây dựng dựa trên các tầng cấu trúc khác nhau, có tính liên kết chặt
chẽ và logic.
Sử dụng MapExplorer có thể hiện thị các thơng tin về địa lý, các bản đồ,
các chuỗi số liệu từ các trạm đo, đồng thời có thể trích xuất cơ sở dữ liệu cho các
bước phân tích tiếp theo. Các bản đồ có thể thêm hoặc bớt các lớp thuộc tính tùy
theo người sử dụng. Điều đặc biệt đối với hệ thống này là sử dụng Dataset
Explorer làm trung tâm để tìm tất cả các loại tài liệu hiện có trên hệ thống thông
tin.


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Các hệ thống thông tin trong nước đã được áp dụng bên cạnh đó mỗi hệ
thống thơng tin có những ưu, nhược điểm khác nhau.
- Cơng nghệ SCADA: có giao diện thân thiện với người sử dụng nhưng chỉ áp dụng
mang tính tập trung, các bộ phận của cơng nghệ chủ yếu nhập từ nước ngồi giá
thành cao, hỏng phải thay mới nên công nghệ này chưa được áp dụng nhiều.
- Công nghệ WebGIS: đã khắc phục được nhược điểm của công nghệ SCADA.
Công nghệ này đã cập nhật các thơng tin tự động, có khả năng trích xuất thơng
tin, đồng thời có khả năng dự báo đơn giản.
- Công nghệ Siemens: công nghệ này cũng khắc phục được nhược điểm của
công nghệ SCADA.
- Hệ thống WISDOW: hệ thống này vẫn chưa có sự kết nối đo trực tuyến như các
công nghệ SCADA và WebGIS đã trao đổi ở trên. Bên cạnh đó ư u điểm của hệ
thống thông tin này là mã nguồn mở và thông tin được xây dựng dựa trên các tầng
cấu trúc khác nhau, có tính liên kết chặt chẽ và logic.
Nhìn chung các hệ thống này cũng có những ưu điểm tốt nhưng nó chưa

khắc phục được nhược điểm về giao diện và tính cập nhận. Vì vậy, luận văn này sẽ
đưa ra một cơ sở phần mềm khắc phục được những nhược điểm trên.
Khi áp dụng công nghệ thông tin vào quản lý mang lại hiệu quả cao trong
nhiều phần như:
- Xây dựng các biểu mẫu, các quy cách bản đồ, hình ảnh, các bộ thơng số của
các cơng trình trên hệ thống cơng trình, để các cấp, các ngành trong cả nước,
thống kê đầy đủ các cơ sở dữ liệu, thông tin vận hành lên hệ thống thông tin.
- Điều tra, đánh giá nhu cầu về sử dụng tài liệu, thông tin trong công tác chỉ đạo
điều hành ở các cấp từ trung ương đến địa phương.
- Xác định hệ thống hạ tầng kỹ thuật, bao gồm phần cứng (thiết bị, máy chủ, liên
kết truyền thông,…) và các phần mềm (các phần mềm xây dựng, các công cụ
để lưu trữ, phân tích, đánh giá, dự báo, tạo dựng các cơ sở dữ liệu, thông tin
phục vụ cho công tác chỉ đạo, điều hành và tạo thông tin cho người sử dụng.


- Xác định được các phương thức vận hành, quản lý, khai thác, đào tạo sử dụng hệ
thống thông tin đảm bảo đồng bộ, bao quát, đầy đủ, an toàn, an ninh, để thơng
suốt chỉ đạo, điều hành tồn hệ thống thủy lợi của cả nước.
- Xây dựng mạng

lưới trạm đo đạc tự động, đo đạc số liệu liên quan

đến q trình hoạt động của các cơng trình trên hệ thống cơng trình được lựa
chọn.


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM
TRỢ GIÚP VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƯỚI TRỀN NỀN TẢNG
INTERNET

2.1 Tổng quan cơ sở khoa học về việc xây dựng phần mềm
Để phân phối nước một cách hợp lý trên hệ thống tưới và làm cơ sở cho
chương trình phần mềm phân phối nước thì cần phải dựa vào các cơ sở hạ tầng của
hệ thống tưới, yêu cầu nước của hệ thống cũng như điều kiện tự nhiên và kinh tế xã
hội cụ thể của hệ thống. Chính vì vậy để xây dựng phần mềm quản lý vận hành hệ
thống tưới trên nền tảng internet cần dựa vào các cơ sở khoa học sau:
- Cơ sở hạ tầng hệ thống tưới
- Yêu cầu nước của khu vực
- Điều kiện khí tượng thủy văn của khu vực đặc biệt là nguồn nước
- Cơ cấu tổ chức và quản lý
- Các thể chế, chính sách
2.2 Cơ sở hạ tầng hệ thống tưới
2.2.1 Các cơng trình đầu mối
Vị trí cấp nước, chức năng, nhiệm vụ và khả năng cấp nước của cơng trình,
của hệ thống kênh mương và của các cơng trình trên hệ thống đóng vai trị quan
trọng trong việc lập kế hoạch để sử dụng và phân phối nước một cách hợp lý. Chính
vì vậy mà cần phải nghiên cứu một số vấn đề sau:
- Cơng trình đầu mối: Cơng trình đó có thể là trạm bơm, cống lấy nước hoặc hồ
chứa. Các cơng trình này phải biết được quá trình lưu lượng đầu nguồn, khả
năng nguồn nước và các yếu tố này chịu ảnh hưởng trực tiếp từ điều kiện khí tượng
thủy văn.
- Hệ thống cống chia nước gồm các cống lấy nước ở đầu các kênh chính để lấy
nước từ cơng trình đầu mối vào hệ thống theo yêu cầu cấp nước. Các cống này có
nhiệm vụ khống chế lưu lượng và mực nước vào các kênh theo yêu cầu của diện
tích mà kênh phụ trách. Lưu lượng và mực nước này không những phụ thuộc vào
yêu cầu nước mà còn phụ thuộc vào khả năng cấp nước của hệ thống. Chính vì vậy


vị trí cống, quy mơ kích thước cống của các cơng trình này nói lên chức năng nhiệm
vụ của chúng trong việc phân phối nguồn nước một cách hợp lý bằng việc sử dụng

các tài liệu đầu vào có thể cập nhật trực tiếp trên internet.
- Các hệ thống công trình điều tiết: nhằm điều tiết lưu lượng, mực nước yêu cầu tại
các khu vực mà hệ thống tưới phụ trách gồm các hệ thống sau:
• Hệ thống kênh mương: đảm bảo khả năng chuyển nước, lưu lượng, mặt cắt
đó là nền tảng để xây dựng chương trình đảm bảo cấp nước một cách hợp lý;
• Hệ thống cống điều tiết: thường bố trí trên kênh chính, sau cửa lấy nước của kênh
nhánh để điều tiết mực nước khi cần thiết và khống chế nguồn nước lấy vào diện
tích mà kênh nhánh đó phụ trách;
• Bên cạnh các cống điều tiết và hệ thống kênh mương cịn có các cơng trình điều tiết
khác như: cầu máng, xi phơng, tràn bên, bậc nước và dốc nước. Các cơng trình này
cũng ảnh hưởng đến lưu lượng và mực nước yêu cầu tại cá khu vực tưới mà hệ
thống phụ trách
2.2.2 Quản lý vận hành
Quản lý hệ thống cơng trình thủy lợi là công tác quan trọng bậc nhất trong
vấn đề quản lý thủy lợi, nó là khâu cuối cùng nhằm sử dụng nước có lợi nhất, có tác
dụng trực tiếp và quyết định việc nâng cao hiệu quả dùng nước.
Để có thể quản lý nguồn nước một cách hiệu quả cần phải dựa vào các yếu tố
sau:
- Kế hoạch tưới của hệ thống: đầu mỗi vụ, căn cứ vào số liệu diện tích gieo trồng,
lịch thời vụ, tình hình nguồn nước và dự báo của trung tâm khí tượng thủy văn
của tỉnh mà đề ra phương án vận hành cơng trình và điều tiết nước trong hệ
thống.
- Kế hoạch tu bổ, sửa chữa thường xun các cơng trình để tránh tình trạng
cơng trình bị hư hỏng, làm giảm khả năng cấp nước của hệ thống
- Căn cứ vào công suất hoạt động của các hệ thống cấp nước như máy bơm,
cống lấy nước tự chảy…


Dựa vào điều kiện của hệ thống mà các công ty thủy nông đưa ra kế hoạch
khai thác và sử dụng nguồn nước một cách hợp lý. Ngày nay, nhờ công nghệ phát

triển giúp quản lý hiệu quả và theo hướng tự động hóa điều tiết nước. Việc tự động
hóa bao gồm:
- Tự động điều tiết nước bằng phương pháp thủy lợi thường xây dựng các
cống lấy nước đóng mở tự động, cống lấy nước tự chảy…
- Tự động điều tiết bằng điện và điện tử. Áp dụng tiến bộ khoa học bằng cách sử
dụng máy tính để quản lý trực tiếp, việc sử dụng phương pháp cơ bản này trong
quản lý tự động hóa các hệ thống thủy lợi ngày càng phát triển.
Trong luận văn này, tôi sẽ đi nghiên cứu việc tự động hóa bằng điện tử và
xây dựng phần mềm giúp quản lý vận hành trên nền tảng internet để quản lý, vận
hành một cách trực tiếp.
Việc áp dụng máy tính trong quản lý nhằm phát huy tối đa khả năng phát
triển và ứng dụng trong quản lý dùng nước theo quan điểm hệ thống, thực hiện dẫn
nước hợp lý, trữ nước, dùng nước và phân phối nhằm nâng cao giá trị sử dụng
nước. Thiết lập và hoàn thiện kho dữ liệu, lưu trữ tài liệu làm cơ sở cho việc quản
lý hệ thống, cung cấp những căn cứ cho việc quyết định. Có thể phân khu vực để
thiết lập hệ thống dự báo như dự báo tình hình khí tượng, thủy văn (nguồn
nước, lượng mưa), đo đạc động thái nước ngầm, động thái mặn của nước trong
đất, tài liệu thí nghiệm tưới và phân tích tình hình dùng nước. Dần dần thiết lập
hệ thống tự động hóa bộ phận quản lý tưới, căn cứ vào đặc điểm và năng lực đầu
tư cho khu tưới, ưu tiên những điểm thực nghiệm quan trọng và kỹ thuật phức
tạp, tiến tới phát triển một số hệ thống tự động đo nước đơn giản, hay hệ thống
khống chế tự động hóa quản lý cửa cống.
Dưới đây là sơ đồ về hệ thống quản lý kết hợp giữa máy tính và người quản
lý (hình 2.1):


17

Hình 2.1: Cấu tạo hệ thống quản lý kết hợp giữa máy tính và người vận hành
Trung tâm khống chế (1)

Bộ phận vận hành hệ thống (3)

Hệ thống
thừa1 hành phân khu 1
Hệ thống thừa hành
phân khu

Mạng lưới tập hợp TL

Trạm

Trạm

Hệ thống thừa hành phân khu 1
Hệ thống nối thông tin
(2)

Mạng lưới tập hợp TL

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm

Trạm


22

Hệ thống quản lý do ba bộ phận tạo thành:
- Trung tâm khống chế: có nhiệm vụ phê chuẩn và quy định quy trình vận hành, phân
tích và chỉnh lý số liệu thường ngày cũng như một khoảng thời gian dài và lập
phương án vận hành;
- Bộ phận thông tin: có nhiệm vụ duy trì liên hệ các đơn vị thực hành trong hệ thống
với trung tâm khống chế, lợi dụng mạng lưới thơng tin đã có của khu tưới điện đài để
hoàn thành;
- Bộ phận thừa hành: nhiệm vụ của bộ phận này là theo lệnh của trung tâm khống chế,
đo đạc và thao tác vận hành các công trình khống chế (các loại cống, thiết bị và
cơng trình đo nước) đồng thời phản ánh kết quả vận hành đến trung tâm khống chế.
Công việc này do nhân viên kỹ thuật của khu tưới, nhân viên quản lý nước thực hiện.
Trong luận này, chúng tơi sử dụng máy tính kết hợp với mạng internet để quản
lý trực tiếp hệ thống tưới. Việc kết hợp này sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong quản lý
vận hành.
2.3 Điều kiện khí tượng, thủy văn, dịng chảy đến
2.3.1 Đặc điểm khí tượng
Đặc điểm các yếu tố khí tượng được biểu thị qua mưa, gió, bốc hơi, nhiệt độ
khơng khí, số giờ chiếu nắng, độ ẩm…
Đặc điểm các yếu tố thủy văn biểu thị qua mực nước, lưu lượng nước, tốc độ
dòng chảy và hướng chảy, lưu lượng bùn cát và lượng ngậm cát, nhiệt độ nước.
Các yếu tố này được thu thập tại các trạm đo khí tượng, thủy văn. Các tài liệu
này được dùng để tính tốn chế độ dịng chảy đến của hồ, chế độ tưới, lượng nước
tưới…

2.3.2 Dòng chảy đến
Dòng chảy đến gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm.
Dịng chảy mặt hình thành trên bề mặt lưu vực sinh ra do mưa hoặc tuyết tan và
tập trung về tuyến cửa ra. Dòng chảy mặt gồm mưa, dòng chảy từ các sông suối, áo hồ.


Dòng chảy ngầm do nước dưới đất cung cấp gồm lượng thấm hút qua mạch nước
ngầm, dòng chảy ngấm sâu xuống tầng đất bão hòa nước. Dòng chảy mặt chỉ hình
thành trong thời gian có mưa, cịn dịng chảy ngầm hình thành cả trong thời kỳ có mưa
và suốt thời kỳ khơng có mưa.
Dịng chảy đến hồ gồm có: lưu lượng nước, mực nước hồ, lượng bốc hơi trên bề
mặt lưu vực.
Dịng chảy đến sơng gồm mực nước, lưu lượng, độ mặn, chất lượng.
Dòng chảy mặt trên ruộng gồm dòng chảy đến mặt ruộng, lượng nước bốc hơi
cây trồng gồm thấm, bốc hơi.
2.4 Yêu cầu nước của khu tưới
Để phân phối và định được lưu lượng nước yêu cầu của các loại cây trồng trên
hệ thống, tại mặt ruộng và tại các kênh cần phải tính tốn các đại lượng sau:
- Tính tốn u cầu nước của cây trồng
- Tính tốn u cầu nước mặt ruộng
- Tính tốn u cầu nước ở các đầu kênh
Dựa vào các cơng thức tính với tài liệu thu thập trực tiếp trên internet gồm mưa,
bốc hơi, bức xạ ánh sáng, số giờ chiếu nắng, từ đó tính được chế độ tưới của cây trồng
để lập kế hoạch sử dụng nước.
2.4.1 Yêu cầu nước của cây trồng
Chế độ tưới cho các loại cây trồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp như: các
yếu tố khí hậu, thổ nhưỡng đất đai, loại cây trồng, thời gian sinh trưởng của cây trồng,
quy mô của hệ thống tưới...Các yếu tố này lại luôn luôn thay đổi theo khơng gian và
thời gian rất khó ổn định.
Để tính tốn yêu cầu nước của cây trồng dựa vào phương trình cân bằng nước

mặt ruộng để tính tốn:
(Wy - Wo) + (Vy - Vo) = (P + N + G + A) - (E + S + R)

(2-1)

(Lượng nước tăng, giảm) = (Lượng nước đến) – (Lượng nước đi)


Trong đó:
Wy – lượng nước trong tầng canh tác đầu thời đoạn tính tốn;
Wo – lượng nước trong tầng canh tác ở cuối thời đoạn tính tốn;
Vy – lượng nước hay lớp nước mặt ruộng ở đầu thời đoạn tính toán;
Vo – lượng nước hay lớp nước mặt ruộng ở cuối thời đoạn tính
tốn; P – lượng mưa rơi trên mặt ruộng sử dụng được;
N – lượng nước mặt ở ngoài chảy đến thửa ruộng;
G – lượng nước trong tầng đất cung cấp cho cây trồng sử dụng;
A – lượng nước do hơi nước trong tầng đất ngưng tụ (có thể bỏ qua);
E – lượng bốc hơi mặt ruộng (lượng nước cần của cây trồng) chiếm tỷ trọng lớn
nhất, nó bao gồm bốc hơi mặt lá, bốc hơi mặt thoáng hay bốc hơi khoảng trống;
S – lượng nước mặt thoáng ra khỏi mặt ruộng;
R – lượng nước ngấm xuống tầng sâu của đất, xuống dịng ngầm thốt đi.
Gọi m là nhu cầu tưới nước mỗi lần ta có:
m = (E + Vy + Wy+ S + R) - (P + N + G + A + Wo + Vo)

(2-2)

Để tính toán nhu cầu nước của cây trồng cần xác định các đại lượng sau:
• Lượng bốc hơi mặt ruộng
Lượng bốc hơi mặt ruộng thực tế đối với cây trồng được xác định theo cơng thức
tổng qt:

ETc = KcETo

(2.3)

Trong đó
ETc – lượng bốc hơi mặt ruộng thực tế theo thời gian tính tốn (mm)
ETo – lượng bốc hơi cây trồng tham khảo, tính theo các cơng thức kinh nghiệm
(mm)
Kc – hệ số cây trồng, phụ thuộc vào loại cây trồng và giai đoạn sinh trưởng, xác
định qua thực nghiệm.


Do đó, để xác định lượng bốc hơi mặt ruộng ET c ta chỉ cần đi xác định lượng bốc
hơi cây trồng tham khảo ET o. Lượng bốc hơi cây trồng tham khảo ET o được tổ chức
FAO khuyến nghị áp dụng phương pháp Penman.
Để tính lượng bốc hơi mặt nước tự do tính tốn theo cơng thức của PenmanMonteith: ETo = C[ WRn + (1- W )f(V)(ea – ed )], (mm/ngày) (2-4)
Trong đó:
ET0: lượng bốc hơi mặt nước tự do tính tốn theo cơng thức của PenmanMonteith
C: Hệ số hiệu chỉnh về sự bù trừ đối với tốc độ gió cũng như sự thay đổi
của bức xạ mặt trời.
W: Hệ số có quan hệ với nhiệt độ và cao độ khu tưới.
Rn: Lượng bức xạ thực tế được xác định từ số giờ chiếu sáng, nhiệt độ và độ
ẩm.
f(u): Hàm quan hệ với tốc độ gió :
(ea-ed): chênh lệch giữa áp suất hơi bão hoà ở nhiệt độ trung bình của khơng khí
và áp suất hơi thực tế đo được.
• Tính tốn lượng mưa hiệu quả
Để tính tốn lượng mưa hiệu quả có 2 phương tính tốn như sau:
 Tính mưa hiệu quả theo phương pháp tỷ lệ cố định :
Peff = C x Pmưa.

(mm)

(2-5)

Trong đó:
Peff: lượng mưa hiệu quả trong thời đoạn tính tốn (mm)
Pmưa: lượng mưa thực tế trong thời đoạn tính tốn theo mơ hình MTTK (mm)
C: % lượng mưa sử dụng được trong thời đoạn tính tốn
 Tính mưa hiệu quả phụ thuộc theo cường độ mưa
(FAO/AGLW): Peff = 0.6*Pmưa - 10 khi Pmưa < 70
mm

(2-6)

Peff = 0.8*Pmưa - 24 khi Pmưa > 70 mm

(2-7)