Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
292
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HIỆN ĐẠI HOÁ
QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƯỚI
Ngô Đăng Hải
Đại học Thủy lợi, email: ngodanghai@tlu.edu.vn
1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, công tác quản lý khai thác
(QLKT), vận hành các hệ thống tưới (HTT) ở
Việt Nam hầu như hoàn toàn thực hiện theo
kế hoạch lập sẵn từ đầu vụ tưới hoặc theo
kinh nghiệm định kỳ các đợt tưới. Thông
thường, trong quá trình quản lý vận hành
(QLVH) ít khi hiệu chỉnh lại kế hoạch vận
hành cho phù hợp với nhu cầu dùng nước.
Tình trạng đó dẫn đến hiệu quả QLKTcác
HTT còn thấp (chỉ mới đạt 65 - 80% so với
thiết kế [1], [4], hệ số sử dụng nước nói
chung nhỏ hơn 0,8), chi phí QLVH lớn và
năng suất cây trồng không cao...
Trong thực tế, các yếu tố khí tượng thay
đổi hàng ngày nên nhu cầu nước của cây
trồng và các đối tượng dùng nước khác
thường khác nhiều so với kết quả tính toán
khi lập kế hoạch đầu mỗi vụ. Một điều thực
tế nữa là trong quá trình QLVH thường
không có đầy đủ các thông tin quan trắc, đo
đạc phản hồi về lớp nước mặt ruộng và độ
ẩm trong tầng đất nuôi cây nên việc vận hành
các HTT không hợp lý gây ra tình trạng bơm
nước, lấy nước không hiệu quả (lúc thiếu, lúc
thừa) và dẫn đến năng suất cây trồng bị giảm
sút... Vì vậy, việc lập kế hoạch QLVH theo
số liệu quan trắc thực tế (thời gian thực) là rất
cần thiết. Hơn nữa, cơ chế kinh tế thị trường
tiêu thụ nước ở nước ta đã, đang và sẽ phát
triển theo xu hướng “nước là hàng hoá” như
ở các nước phát triển. Do đó, đòi hỏi các
công ty QLKTCTTL không ngừng nâng cao
hiệu quả QLVH và phải luôn đáp ứng tốt
dịch vụ cung cấp nước một cách chính xác
(đúng, đủ), tin cậy, linh hoạt, công bằng theo
yêu cầu của cây trồng và những đối tượng
dùng nước khác. Muốn vậy, công tác QLKT,
vận hành các HTT cần phải đượ chiện đại
hóa [1], [2], [3], [4].
Khoảng 20 năm trở lại đây, trên thế giới
cũng như ở nước ta đã nghiên cứu và ứng
dụng nhiều mô hình hiện đại hóa QLVH
nhưng vẫn chưa có mô hình nào có thể được
ứng dụng thích hợp hoàn toàn trong điều kiện
Việt Nam (chi tiết được trình bày ở bài báo
“Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ
thống tưới và định hướng phát triển”).
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là đề
xuất và xây dựng, phát triển một mô hình
mới về hiện đại hóa QLVH các HTT nhằm
nâng cao hiệu quả toàn diện trong QLKT,
vận hành HTT và đáp ứng tốt dịch vụ cung
cấp nước cho các đối tượng dùng nước, góp
phần thực hiện Đề án 784 “Nâng cao hiệu
quả quản lý khai thác công trình thủy lợi hiện
có“ và Nghị quyết Hội nghị Trung ương 5
Khoá IX về “Đẩy mạnh công nghiệp hoá,
hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn…”.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng:
- Phương pháp mô hình hóa (bài toán quản
lý khai thác “tối ưu“ HTT).
- Phương pháp tiến hóa sai phân đa mục
tiêu (MODE) [5].
- Phương pháp dự báo thích nghi theo mô
hình ARIMA.
- Phương pháp lập trình mạng Internet.
- Phương pháp thí nghiệm, thực nghiệm...
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
293
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THẢO LUẬN
3.1. Lập kế hoạch quản lý khai thác “tối
ưu”đa mục tiêu
a) Các hàm mục tiêu:
* Hàm mục tiêu 1: Tổng lợi ích thực thu
(FL ) do hệ thống tưới mang lại là lớn nhất:
v
L s,v
v 1c 1
n nc
F S max



Trong đó:
nv, nc lần lượt là tổng số vùng đất canh tác
và tổng số loại cây trồng được tưới.
Sc,v, Yc,v lần lượt là diện tích canh tác(ha)
và năng suất (tấn/ha) của loại cây trồng thứ c
trên vùng đất thứ v.
KYc,v là hệ số năng suất tương đối của loại
cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v.
gc,v là giá bán một tấn sản phẩm của loại
cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (triệu/ha).
Cc,v là chi phí sản xuất cho 1 ha loại cây
trồng thứ c trên vùng đất thứ v (triệu/ha)...
* Hàm mục tiêu 2: Tổng diện tích gieo
trồng được tưới (FS) trên HTT là lớn nhất:
v
S s,v
v 1c 1
n nc
F S max



* Hàm mục tiêu 3: Tổng lượng nước tưới
phải là ít nhất:
cv
I s,v c,v
v 1c 1
nn
F S .M min



Trong đó: Mc,v - mức tưới toàn vụ cho loại
cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (m3/ha).
* Hàm mục tiêu 4: Lượng nước thiếu hụt
do khả năng cung cấp của hệ thống không
đáp ứng các yêu cầu tưới phải là ít nhất:
cc
ncc cc cc
D yci kni i
i1
F Q Q .t min
Với Qccyci và Qcckni là lưu lượng yêu cầu cần
cung cấp và lưu lượng có thể cung cấp (theo
khả năng cung cấp của nguồn nước và công
trình đầu mối) của hệ thống ở thời kỳ thứ i.
ncc là số thời kỳ mà khả năng cung cấp của
nguồn nước và công trình đầu mối nhỏ hơn
yêu cầu nước của hệ thống.
b) Các điều kiện ràng buộc chính:
Ràng buộc về diện tích canh tác:
c
c,v v
c1
nSS
với Sv là tổng diện tích canh tác
trên vùng đất thứ v (ha).
Ràng buộc về thời vụ gieo trồng: Toc,v
Tc,v Tcc,v. Trong đó: Toc,v, Tcc,v lần lượt là
ngày sớm nhất và muộn nhất cho phép gieo
trồng cây trồng c ở vùng đất thứ v. Tc,v là
ngày gieo trồng cây trồng cở vùng thứ v...
c) Các biến quyết định: Các biến quyết định
bao gồm: ncx nv biến quyết định về diện tích
canh tác Sc,v; ncx nv biến quyết định về ngày bắt
đầu gieo trồng Tc,v tương ứng ncx nv biến quyết
định về mức tưới toàn vụ Mc,v. Kết quả đầu ra
là các biến quyết định, các hàm mục tiêu và
quá trình lưu lượng yêu cầu (Qyc ~ t), kế hoạch
vận hành các công trình đầu mối...
Kết quả áp dụng mô hình lập kế hoạch
QLKT “tối ưu” và giải bài toán bằng phương
pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu [5] cho vụ
chiêm năm 2014 tại HTT Phù Sa xác định
được tổng lượng nước cần tưới trong vụ là:
23526750 m3 so với tổng lượng nước tưới
thực tế 29313169,7 m3 có thể tiết kiệm
được ((29313169,7 - 23526750)/29313169,7)
100 % = 19,74 % lượng nước tưới...
3.2. Xây dựng mô hình quản lý vận
hành theo số liệu quan trắc (thời gian thực)
Cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình
QLVH theo số liệu quan trắc là dựa trên
phương trình cân bằng nước mặt ruộng, trong
tầng đất ẩm nuôi cây và căn cứ vào các số liệu
quan trắc thực tế về lớp nước mặt ruộng (hci)
cũng như độ ẩm đất (βci). Trong trường hợp
quan trắc, GS&ĐK tự động từ xa, máy chủ
web (webserver) sẽ định kỳ gửi những “gói
tin” đến các modem/thiết bị truyền thông nhờ
giao thức Internet (TCP/IP) để yêu cầu chúng
gửi về các trị số quan trắc được, rồi hiển thị
lên giao diện GS&ĐK của website
http://www.hiendaihoaqlvh.com tại vị trí quan
trắc tương ứng ngoài đồng ruộng. Với vụ
chiêm năm 2014, theo số liệu quan trắc thực tế
được cập nhật định kỳ từ xa qua mạng Internet
và điện thoại di động đã xác định được lượng
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
294
nước tưới và so sánh với 7 đợt tưới (song
hành thực tế) cho thấy: lượng nước tưới theo
mô hình có thể tiết kiệm được là 25,98 %.
3.3. Hiện đại hóa QLVH các HTT thông
qua mạng Internet và hệ thống viễn thông
di động toàn cầu
Kết quả xây dựng bộ công cụ HĐH
(website http://www.hiendaihoaqlvh.com, cơ
sở dữ liệu trực tuyến, giao diện GS&ĐK,
phần mềm HĐH QLVH... cho phép các công
ty QLKTCTTL có thể dễ dàng theo dõi, tính
toán QLVH và điều khiển HTT của họ vào
bất cứ lúc nào và ở bất cứ nơi đâu có kết nối
Internet hoặc có sóng điện thoại di động
thông qua các giao diện của website
http://www.hiendaihoaqlvh.com.
3.4. Phát triển, ứng dụng công nghệ
truyền thông hiện đại và lựa chọn thiết bị
GS&ĐK đồng bộ hợp lý
Kết quả phát triển giao thức TCP
Websocketcho các giao diện webASP.NET
giao tiếp với modem F2X64 RTU (8 cổng
vào/ra (I/O) và 4 rơle đầu ra 24 VDC – 220
VAC...) thông qua một địa chỉ IP đã tạo ra
một bộ công cụ HĐH QLVH (đa cấp) miễn
phí hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu
GS&ĐK thời gian thực trên các HTTL. Các
công ty có thể tiết kiệm được trên 72% vốn
đầu tư xây dựng hệ thống SCADA và giảm
đáng kể các chi phí duy trì, QLVH, bảo
dưỡng hệ thống SCADA...
3.5. Kết quả tổng hợp, liên kết các hợp
phần của mô hình hiện đại hóa QLVH
Ngoài những kết quả chính trên đây, đề tài
còn xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý các công
trình với hệ thống tự động nhắc việc và bộ
công cụ đánh giá nhanh các chỉ số hiệu quả
để khép kín chu trình nâng cao hiệu quả
QLKT các HTT... Cấu trúc đầy đủ của mô
hình hiện đại hóa QLVH như trên hình 1.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
- Mô hình hiện đại hóa QLVH các HTT đã
được đề xuất, xây dựng có đầy đủ các chức
năng hỗ trợ và thực hiện cả 3 nhiệm vụ: quản
lý nước theo số liệu quan trắc thực tế (bao
gồm giám sát, điều khiển tự động từ xa và
thủ công), quản lý công trình và quản lý kinh
tế thông qua http://www.hiendaihoaqlvh.com
- Phương pháp lập kế hoạch QLKT “tối
ưu” theo mô hình quy hoạch phi tuyến đa
mục tiêu cho phép đạt được đồng thời 4 mục
tiêu sử dụng nguồn tài nguyên đất, nước, cây
trồng trên HTT hợp lý và hiệu quả nhất.
- Bộ công cụ HĐH QLVH cho phép
GS&ĐK HTT một cách hiệu quả nhất, sát
với thực tế và có tính khả thi cao.
- Các công ty QLKTCTTL nên ứng dụng
mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT
theo chu trình đầy đủ khép kín (hình 1)...
Hình 1: Mô hình hiện đại hóa QLVH HTT
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn,
2006. Nâng cấp, từng bước hiện đại hóa, đa
dạng hóa mục tiêu khai thác sử dụng các
công trình thủy lợi, Viện Khoa học thủy lợi,
Hà Nội.
[2] Ban Quản lý Trung ương các dự án thủy lợi,
2014. Sổ tay hiện đại hóa hệ thống kênh
tưới. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[3] Charles Burt, 2004. Irrigation
Modernization, The World Bank,
Washington DC, USA.
[4] FAO, 1997. Modernization of irrigation
schemes: Past experiences and future
options, Water Reports 12, FAO, Rome..