Tài liệu Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới

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 HÓA 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 HÓA QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƢỚI Chuyên 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 công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và những kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và 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 hoàn 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 công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động .............................................................................9 1.1.1.1 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 công trình nghiên cứu về mô 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 công trình nghiên cứu về mô hình lập kế hoạch quản lý vận hành và giám sát, điều khiển bán tự động……….. .............................................................21 1.2.1.1 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 mô hình IMSOP để điều hành phân phối nước hợp lý, nâng cao hiệu quả sử dụng nước của hệ thống tưới bằng bơm ở đồng bằng sông Hồng (Mô hình IMSOP cải tiến) ............................................................................................... 24 1.2.2 xa Các công trình nghiên cứu về mô hình giám sát và điều khiển tự động từ .................................................................................................................24 1.2.2.1 Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến từng bước hiện đại hoá công tác quản lý điều hành hệ thống thuỷ nông Phù Sa, Hà Tây (Mô hình SCADA/MAC)..... 24 1.2.2.2 Nghiên cứu áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến trong quản lý vận hành hệ thống thuỷ nông Ấp Bắc - Nam Hồng (Mô hình VKHTLMB SCADA) ............................ 26 1.2.2.3 Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quản lý điều hành hệ thống thuỷ lợi Gò Công (Mô hình VKHTLMN SCADA) ......................................................................... 27 1.2.2.4 Báo cáo thiết kế chi tiết SCADA Yên Lập (Mô hình BCEOM1 SCADA) ......... 28 1.2.2.5 Báo cáo thiết kế chi tiết SCADA Cầu Sơn - Cấm Sơn và Kẻ Gỗ (Mô hình BCEOM2 SCADA) ........................................................................................................... 29 1.2.2.6 Hiện đại hóa hệ thống tưới Phú Ninh và Đá Bàn (Mô hình HASKONING SCADA) .......................................................................................................................... 30 1.2.2.7 Hệ thống SCADA cho kênh chính Dầu Tiếng và hệ thống tưới Củ Chi (Mô hình BRLI SCADA) .................................................................................................................. 30 * Nhận xét và đánh giá: .................................................................................................31 1.3 Định hƣớng nghiên cứu xây dựng, phát triển mô 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 mô hình hóa .......................................................................45 2.2.1.1 2.2.1.2 thực tế Mô hình hóa bài toán quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới...................... 45 Mô hình hóa bài toán 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 mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới...................................................................................................................62 3.1.1 tƣới Mô hình hóa bài toán 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 Mô 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 mô 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 thông di động toàn cầu .................................................................................................................82 3.1.3.1 Trang web hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới ................................. 82 3.1.3.2 Cơ sở dữ liệu trực tuyến ................................................................................... 84 3.1.3.3 Kết quả xây dựng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới ....................................................................................... 86 3.1.3.4 Kết quả nghiên cứu từng bước hiện đại hóa giám sát, điều khiển cho các HTT đang được quản lý vận hành bằng thủ công và giai đoạn quá độ tiến tới tự động hóa .. 89 3.1.4 Kết quả nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển hệ thống 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 công ty QLKT CTTL ............................................................................ 93 3.1.5 Kết quả nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý các công trình trên hệ thống 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 mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới ...........................................................................102 3.2 Kết quả ứng dụng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới ....104 3.2.1 Địa điểm ứng dụng mô 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 mô hình lập kế hoạch quản lý khai thác "tối ưu“ tại HTT Phù Sa ........................................................................................................................ 115 v 3.2.3 Kết quả ứng dụng mô hình quản lý vận hành hệ thống tƣới theo số liệu quan trắc thực tế ..................................................................................................125 3.2.3.1 Kết quả tính toán kiểm định mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới bằng các số liệu quan trắc năm 2011............................................................................................ 125 3.2.3.2 Kết quả ứng dụng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế ..................................................................................................................... 126 3.2.4 Kết quả ứng dụng công nghệ hiện đại hóa quản lý vận hành, GS&ĐK hệ thống tƣới thông qua mạng Internet và hệ thống viễn thông di động toàn cầu ...129 3.2.4.1 Kết quả ứng dụng website hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới http://www.hiendaihoaqlvh.com .................................................................................... 129 3.2.4.2 Kết quả ứng dụng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới ..................................................................................... 131 3.2.5 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 công 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 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .....................................................................................................142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................143 PHỤ LỤC ....................................................................................................................148 Phụ lục 1: Thông tin chi tiết về các mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT ...............148 Phụ lục 2: Các số liệu khí 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 toán dự báo khí tƣợng, thủy văn theo mô hình ARIMA .......175 Phụ lục 4: Các kết quả tính toán chi tiết về lập kế hoạch khai thác “tối ƣu” HTT .....180 Phụ lục 5: Những sơ đồ thuật toán 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 thông báo độ ẩm đất từ vệ tinh ............................18 Hình 1.3: Cấu trúc tổng thể của mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT.............34 Hình 2.1: HTT với cấu trúc phân cấp, đa mục tiêu và nhiều ngƣời ra quyết định ........48 Hình 2.2: Mô hình cấu trúc tổng quát bài toán quản lý khai thác HTT ........................49 Hình 2.3: Cấu trúc HTT và mối quan hệ hữu cơ giữa các thành phần ..........................50 Hình 2.4: Sơ đồ khối xây dựng và dự báo theo mô hình ARIMA(p, d, q)....................59 Hình 3.1: Tổng mức tƣới thay đổi khi dịch chuyển thời vụ gieo trồng.........................65 Hình 3.2: Thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng .......................................72 Hình 3.3: Giao diện khai báo số các biến quyết định của bài toán ...............................73 Hình 3.4: Giao diện thiết lập bài toán “tối ƣu“ và nhập các số liệu đầu vào ................73 Hình 3.5: Giao diện tính toán các biến quyết định T0_c,v, Sc,v, Mc,v và chế độ tƣới .......74 Hình 3.6: Giao diện tính toán các phƣơng án tối ƣu Pareto ..........................................74 Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán cập nhập các số liệu quan trắc ............................................76 Hình 3.8: Mô hình quản lý vận hành hệ thống tƣới theo số liệu quan trắc ...................77 Hình 3.9: Giao diện website dùng cho cập nhật các dữ liệu quan trắc bằng thủ công ..78 Hình 3.10: Sơ đồ thuật toán tính toán quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc ...80 Hình 3.11: Giao diện trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com................................82 Hình 3.12: Giao diện và các trình đơn của trang “Mô hình HĐH quản lý vận hành” ..83 Hình 3.13: Trang cập nhật các yếu tố khí 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 công 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: Mô 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 thông số quản lý các công trình ........95 Hình 3.27: Tính toán bộ chỉ số hiệu quả và so sánh với các chỉ tiêu phấn đấu...........101 Hình 3.28: Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới ..............................103 Hình 3.29: Bản đồ hệ thống tƣới Phù Sa .....................................................................105 Hình 3.30: Giao diện kết quả mô hình hóa, thiết lập bài toán lập kế hoạch ...............115 Hình 3.31: Tính toán chế độ tƣới cho các loại cây trồng ............................................117 vii Hình 3.32: Kết quả tính toán các biến quyết định T0_c,v, Sc,v, Mc,v , chế độ tƣới.........118 Hình 3.33: Kết quả tính toán xác định các phƣơng án tối ƣu Pareto ..........................119 Hình 3.34: Kết quả tính toán xác định các biến quyết định “tối ƣu” ..........................121 Hình 3.35: Cảm biến đo mực nƣớc sông 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 http://www.hiendaihoaqlvh.com cung cấp, phổ biến các thông tin, tài liệu phục vụ công tác hiện đại hóa tƣới trên toàn quốc ..........................................130 Hình 3.40: Công cụ hỗ trợ triển khai và thực hiện công tác hiện đại hóa ...................130 Hình 3.41: Giao diện hƣớng dẫn triển khai, thực hiện công tác hiện đại hóa QLVH .131 Hình 3.42: Giao diện QLVH và giám sát, điều khiển HTT trên Website hiện đại hóa http://www.hiendaihoaqlvh.com .................................................................................132 Hình 3.43: Giao diện quản lý công trình trực tuyến (Bản đồ số hóa và cơ sở dữ liệu) .....................................................................................................................................135 Hình 3.44: Công cụ theo dõi lịch duy tu, sửa chữa định kỳ và nhắc việc tự động......135 Hình 3.45: Kết quả ứng dụng bộ công cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả .....................136 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Phân loại và những tính năng cơ bản của các mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT đƣợc áp dụng phổ biến trên thế giới......................................................10 Bảng 1.2: Tổng hợp những ƣu, nhƣợc điểm cơ bản của các mô 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 không khí khu vực Phù Sa (oC) ....................................................106 Bảng 3.4: Độ ẩm không 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 thông số cho các mô 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 nông nghiệp .........................................................................113 Bảng 3.10: Kết quả tính toán 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 toán và số liệu QLVH ........................122 Bảng 3.13: Quá 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 Mô hình MP Mô phỏng x MHPTĐK Mô 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 (Mô hình lập kế hoạch phân phối và vận hành) PDM Planning Distribution Model (Mô 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 yêu 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 công tác không ngừng nâng cao hiệu quả quản lý khai thác và vận hành HTT, nhiệm vụ của các công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi (QLKT CTTL) còn phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp 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 mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành nhằm nâng cao hiệu ích khai thác các HTT và hiệu quả của dịch vụ cung cấp nƣớc [1], [8]. Tuy vậy, mỗi mô 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 mô hình nào đƣợc coi là hoàn chỉnh có thể ứng dụng thích hợp hoàn toàn cho quản lý vận hành các HTT trong điều kiện Việt Nam. Ở 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 toàn quốc mặc dù đã có khá nhiều mô hình hiện đại hóa giám sát và điều khiển (GS&ĐK) các HTT nhƣng hầu hết các mô 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, công 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 toán quản lý vận hành HTT, không hỗ trợ GS&ĐK qua mạng Internet… Hơn nữa, tất cả các mô hình hiện đại hóa QLVH ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới đều có hạn chế là chỉ hỗ trợ, thực hiện một hoặc vài khâu độc lập nào đó trong công tác quản lý HTT nên khó có thể đáp ứng 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 công trình thủy lợi hiện có“ (tháng 4/2014) có nhấn mạnh: “Bộ Nông nghiệp và PTNT 2 xác định nhiệm vụ nâng cao hiệu quả hoạt động của các công trình thủy lợi hiện có phục vụ tốt sản xuất nông nghiệp, dân sinh, kinh tế - xã hội là nhiệm vụ trọng tâm và quan trọng nhất hiện nay”. Mô hình quản lý vận hành hợp lý luôn luôn đóng vai trò tiên quyết trong việc nâng cao hiệu quả QLVH các HTT. Để góp phần thực hiện Nghị quyết về “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…” (Hội nghị Trung ƣơng 5 Khoá IX), trong những năm tới việc đi sâu nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT thích hợp với điều kiện thực tế của 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 không còn 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, môi trƣờng và tiết kiệm tài nguyên nƣớc [1], [3], [8]…Các mục tiêu đó lại thƣờng cạnh tranh với nhau, thậm chí còn mâu thuẫn lẫn nhau và không thể so sánh với nhau vì không có cùng thứ nguyên [3], [10]. Vì vậy, một số giả thiết khoa học và các phƣơng pháp luận tính toán quản lý khai thác, vận hành hiện nay do không xét đến bất cứ một hàm mục tiêu nào hoặc chỉ xét một hàm mục tiêu duy nhất là không còn hoàn toàn phù hợp với thực tế. Các HTT có nhiệm vụ phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nƣớc cho nhiều đối tƣợng khác nhau có nhu cầu nƣớc thƣờng xuyên thay đổi. Mặt khác, các yếu tố khí tƣợng, thủy văn luôn thay đổi và hiện trạng, năng lực của các CTTL cũng thay đổi. Do đó, đòi hỏi phải vận hành HTT một cách linh hoạt, kịp thời để đáp ứng, phù hợp với những sự thay đổi nêu trên. Về mặt lý thuyết cần phải đề xuất các cơ sở khoa học cũng 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 toán dự báo khí tƣợng, thuỷ văn chính xác hơn để công tác quản lý điều hành sát với thực tế hơn [11], [12]. Lý thuyết phân tích hệ thống, lý thuyết tối 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 hoàn chỉnh, trọn vẹn bài toán quản lý khai thác, điều khiển các HTT. Với sự phát triển nhƣ vũ bão của công nghệ thông tin, truyền thông, tự động hóa thì việc cập nhật những tiến bộ trong các lý thuyết nêu trên và nghiên cứu ứng dụng các mô hình hiện đại hóa trong QLVH các HTT là một đòi hỏi cấp thiết cho công cuộc đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc. Tóm lại: Tính cấp thiết của đề tài luận án là xuất phát từ thực tế hiện nay đang đòi hỏi phải đi sâu nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT nhằm “nâng cao hiệu quả quản lý khai thác công trình thủy lợi hiện có “để góp phần thực hiện công cuộc “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…”. Về mặt lý luận đòi hỏi mô hình hiện đại hóa QLVH đó phải 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 thông tin và truyền thông, tự động hóa… 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới“ là đề xuất và xây dựng, phát triển một mô 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 công 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 sông, suối, hồ chứa. Đề tài không 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 mô 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 công trình thủy lợi để góp phần thực hiện công cuộc “Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…”. 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 chuyên sâu: - Mô hình hóa và giải bài toán 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 phòng nông nghiệp và các hợp tác xã nông nghiệp, hội dùng nƣớc có đƣợc những thông 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 thông tin giám sát tức thời và các công 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 công 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 công trình thủy lợi hiện có“. Đó cũng chính là công 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 công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nƣớc... 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã: 1. Đề xuất và xây dựng một mô hình mới về hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống 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 công), quản lý công trình và quản lý kinh tế của các công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi. 2. Đề xuất cơ sở khoa học và xây dựng bộ công cụ hiện đại hóa (trang web GS&ĐK http://www.hiendaihoaqlvh.com, phần mềm HĐH QLVH và cơ sở dữ liệu trực tuyến,...) để mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ƣu” liên kết với bài toán lập kế hoạch dùng nƣớc và kế hoạch vận hành HTT theo mô 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 toán 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 mô hình công nghệ giám sát và điều khiển SCADA (IP Modems - RTUs) sử dụng mạng Internet và mạng viễn thông di động toàn cầu có tính khả thi cao với loại thiết bị vi điều khiển F2X64 RTU 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 http://www.hiendaihoaqlvh.com (theo mô hình điện toán đám mây), đồng thời cung cấp các thông tin, kiến thức và tài liệu đào tạo về hiện đại hóa tƣới nói chung và hiện đại hóa QLVH các HTT nói riêng. Đặc biệt, trang web này còn cung cấp miễn phí bộ công cụ trực tuyến giúp cho các công ty quản lý khai thác CTTL có thể tự xây dựng trang web hiện đại hóa QLVH, GS&ĐK tự động từ xa hệ thống tƣới của họ ngay cả khi HTT đó vẫn còn 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 công trình đã công bố của tác giả về kết quả nghiên cứu của đề tài luận án, 5 trang liệt kê 82 tài liệu tham khảo) và 54 trang phụ lục. Nội dung bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và 3 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