Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định phục vụ quản lý tài nguyên nước mặt lưu vực sông sài gòn trong bối cảnh thiếu hụt nguồn nước và biến đổi khí hậu

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BÁO CÁO NGHIỆM THU NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH CHO LƯU VỰC SƠNG SÀI GỊN TRONG BỐI CẢNH THIẾU HỤT NGUỒN NƯỚC VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH CHO VIỆC ĐIỀU TIẾT HỒ DẦU TIẾNG PHỤC VỤ AN TỒN CẤP NƯỚC SƠNG SÀI GỊN Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN HỒNG QUÂN Đồng chủ nhiệm: TS LÊ VIỆT THẮNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 10/ 2015 ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý Hội đồng nghiệm thu ngày 10/11/2015) NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH CHO LƯU VỰC SƠNG SÀI GỊN TRONG BỐI CẢNH THIẾU HỤT NGUỒN NƯỚC VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH CHO VIỆC ĐIỀU TIẾT HỒ DẦU TIẾNG PHỤC VỤ AN TỒN CẤP NƯỚC SƠNG SÀI GỊN ĐỐNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI TS LÊ VIỆT THẮNG TS NGUYỄN HỒNG QUÂN CƠ QUAN QUẢN LÝ CƠ QUAN CHỦ TRÌ (Ký tên/đóng dấu xác nhận) (Ký tên/đóng dấu xác nhận) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12/ 2015 TĨM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Hồ Dầu Tiếng hồ chứa thủy lợi lớn Việt Nam xây dựng giai đoạn 1980 -1983 với tài trợ Ngân hàng giới Hồ xây dựng sông Sài Gịn, chi lưu vực lưu vực hệ thống sơng Đồng Nai Vai trò hồ bao gồm việc cung cấp nước cho mục đích khác (sinh hoạt, công nghiệp, tưới tiêu) phục vụ điều tiết lũ, đẩy mặn, pha lỗng nhiễm vùng hạ lưu Tuy nhiên, năm qua, trước thách thức thiếu hụt nguồn nước, vấn đề ô nhiễm môi trường vùng hạ lưu gia tăng làm công tác vận hành hồ đối mặt với nhiều khó khan, thách thức Do vậy, đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ định cho lưu vực sông Sài Gòn bối cảnh thiếu hụt nguồn nước biến đổi khí hậu cụ thể cho việc điều tiết hồ Dầu Tiếng phục vụ an toàn cấp nước sơng Sài Gịn” (HCM-DSS) hỗ trợ Sở Khoa học Cơng nghệ Tp Hồ Chí Minh thực Mục tiêu đề tài nhằm xây dựng hệ thống hỗ trợ định phục vụ công tác vận hành hồ chứa điều kiện khó khăn nguồn nước Hệ thống bao gồm hợp phần sau: (1) mơ hình tích hợp (mơ hình mưa – dịng chảy SWAT cho vùng thượn lưu, mơ hình vận hành hồ HEC-RESSIM, mơ hình thủy động lực, chất lượng nước vùng hạ lưu MIKE 11; (2) Hệ thống chia liệu GIS quan trắc theo thời gian thực phục vụ an toàn cấp nước; (3) hệ thống hỗ trợ định tính tốn phần mềm mDSS Đề tài trình bày quy trình tích hợp nguồn thơng tin kết mơ hình tính tốn vào khung hệ thống hỗ trợ định Kết xây dựng hệ thống hỗ trợ định minh họa cho việc xây dựng chọn lựa nhóm giải pháp khác cho nhóm kịch kết hợp sư thay đổi nguồn nước từ thượng lưu vấn đề xâm nhập mặn, ô nhiễm nguồn nước hạ lưu sơng Sài Gịn Kết cho thấy việc xem xét, định lượng tác động yếu tố khác góp phần quan trọng việc xây dựng kế hoạch điều tiết nước hồ Dầu Tiếng đa mục tiêu cách bền vững Bên cạnh đó, Nhóm nghiên cứu đề xuất quy trình cấp nước an tồn, áp dụng điển hình nhà máy nước Thủ Dầu Một sở triển khai thiết bị quan trắc tự động phát triển khuôn khổ đề tài Ngồi ra, nhóm nghiên cứu xây dựng thành công website hỗ trợ chia sở liệu khí tượng thủy văn mơi trường tảng CUA-HIS SUMMARY OF RESEARCH CONTENT The Dau Tieng reservoir, the biggest irrigation reservoir of Vietnam, started construction in 1980 and was completed in 1983, with support from the World Bank (WB) The reservoir is located upstream of the Sai Gon river, the second biggest river in the Dong Nai river basin (after the Dong Nai river) Its main role and benefits include a wide range of water supply, flood control, prevention saltwater intrusion as well as improving environmental water quality in areas downstream e.g Ho Chi Minh City However, in the past decades, water shortages and water quality problems have been occurring regularly, and have become more serious For these reasons, the project “Building a decision support system for the surface water resources management in Sai Gon river basin in the context of water shortages and climate change” (HCM-DSS) supported by the Ho Chi Minh Department of Science and Technology has been implemented The main objective of the project is to support the Dau Tieng – Phuoc Hoa Hydraulic Operation Company in operating the reservoir considering different users under shortage conditions The system includes (1) integrated models (up-stream hydrological SWAT model, reservoir operation HEC-RESSIM model, downstream hydraulic, water quality MIKE11 model); (2) Web-based data sharing and real – time monitoring for water supply safety; and (3) and the Decision Support System implemented in mDSS package Within the project, a procedure of integrating different information and model’s results to a decision support system was presented The results were illustrated by assessing alternatives for combined scenarios of changing water resources up-stream as well as salt intrusion and water pollution downstream It is proved that the inclusion of different factors will play very important roles in formulating operation plan for multi – purpose Dau Tieng reservoir toward sustainability development Results from the project also include a procedure of water supply safety for Thu Dau Mot plant based on automatic monitoring system In addition, a web-based data sharing based on CUA-HIS structure was also successfully implemented for sharing hydro-meterological and water quality data MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU SUMMARY OF RESEARCH CONTENT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH 11 PHẦN MỞ ĐẦU 16 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 18 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 18 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 31 1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 34 1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 35 1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG THỰC TIỄN 35 1.6 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 35 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 40 2.1 NỘI DUNG 1: TỔNG HỢP CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - XÃ HỘI VÀ MÔI TRƯỜNG TRÊN LƯU VỰC SƠNG SÀI GỊN 40 2.2 NỘI DUNG 2: XÂY DỰNG TRẠM QUAN TRẮC TỰ ĐỘNG TỨC THỜI PHỤC VỤ AN TOÀN CẤP NƯỚC 41 2.3 NỘI DUNG 3: XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN (THỦY VĂN, THỦY LỰC, CHẤT LƯỢNG NƯỚC, XÂM NHẬP MẶN) 41 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 Thu thập xây dựng sở liệu phục vụ cơng tác mơ hình hóa 41 Mơ hình tính tốn thủy văn thượng lưu hồ Dầu Tiếng 42 Mơ hình cân bằng, điều tiết nước hồ Dầu Tiếng 42 Mơ hình xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai 42 Mơ hình chất lượng nước hạ lưu hồ Dầu Tiếng (Dầu Tiếng đến cầu Bình Phước) 43 2.4 NỘI DUNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ, CHIA SẼ THÔNG TIN DỮ LIỆU VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH 43 2.4.1 2.4.2 Xây dựng hệ thống quản lý cở liệu 43 Xây dựng hệ thống hỗ trợ định 44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 TỔNG HỢP CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - XÃ HỘI VÀ MƠI TRƯỜNG TRÊN LƯU VỰC SƠNG SÀI GỊN 48 3.1.1 3.1.2 Điều kiện tự nhiên 48 Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội môi trường lưu vực sơng Sài Gịn 57 3.1.3 3.1.4 Định hướng phát triển kinh tế xã hội tỉnh lưu vực sơng Sài Gịn 59 Hệ thống cơng trình thủy lợi Dầu Tiếng 61 3.2 XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN 69 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Mô hình tính tốn thủy văn thượng lưu hồ Dầu Tiếng 69 Mơ hình cân bằng, điều tiết nước hồ Dầu Tiếng (mơ hình HEC-RESSIM) 75 Mơ hình thủy động lực, xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai 86 Kết mơ hình tốn thủy lực xâm nhập mặn 93 Xây dựng mơ hình chất lượng nước phục vụ an tồn cấp nước 107 3.3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH MDSS 121 3.3.1 Sơ lược hệ thống hỗ trợ định mDSS [1] 121 3.3.2 Cơ sở xây dựng kịch phương án vận hành 131 3.3.3 Xây dựng mơ hình nhận thức DPSIR 133 3.3.4 Xây dựng ma trận phân tích 135 3.3.5 Xây dựng ma trận đánh giá 144 3.3.6 Xây dựng trọng số (weighting) cho tiêu chí đánh giá 146 3.3.7 Phân tích tính bền vững kết theo mục tiêu môi trường, xã hội, kinh tế 147 3.3.8 Xác định lựa chọn phương án điều tiết nước hồ Dầu Tiếng với mục tiêu đảm bảo an toàn cấp nước 148 3.4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC TỰ ĐỘNG PHỤC VỤ AN TOÀN CẤP NƯỚC – NGHIÊN CỨU TẠI NHÀ MÁY NƯỚC THỦ DẦU MỘT 153 3.4.1 3.4.2 Thiết kế hệ thống quan trắc tự động 153 Nghiên cứu áp dụng Nhà máy nước Thủ Dầu Một 165 3.5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ, CHIA SẼ THÔNG TIN DỮ LIỆU 179 3.5.1 3.5.2 3.5.3 Tổng quan Observations Data Model (ODM) 180 Tổng quan Django framework 183 Kết xây dựng chương trình quản lý liệu 185 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 193 4.1 KẾT LUẬN 193 4.2 KIẾN NGHỊ 195 DANH MỤC ĐÀO TẠO 200 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 201 PHẦN PHỤ LỤC 202 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AR5 : Báo cáo lần thứ (Assessment Report 5) IPCC BĐKH : Biến đổi Khí hậu BOD5 : Nhu cầu oxy sinh hóa BVMT : Bảo vệ môi trường BVTV : Bảo vệ thực vật CCN : Cụm cơng nghiệp COD : Nhu cầu oxy hóa học GIS : Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) HTHTRQĐ : Hệ thống hỗ trợ định HTSĐN : Hệ thống sông Đồng Nai S SG : Sơng Sài Gịn : Ủy ban Liên phủ Biến đổi Khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change) KCN : Khu cơng nghiệp KTTV : Khí tượng thủy văn KT-XH : Kinh tế - Xã hội LVS : Lưu vực sơng : Gói phần mềm kỹ thuật chun môn để mô lưu lượng, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn vật thể khác NMN : Nhà máy nước NN&PTNT : Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn PTBV : Phát triển Bền vững IPCC MIKE TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH : Trách nhiêm hữu hạn TNMT : Tài nguyên môi trường Tp.HCM : Thành phố Hồ Chí Minh TSS : Tổng chất rắn lơ lửng WQI : Chỉ số chất lượng nước XLNT : Xử lý nước thải XTNĐ : Xoáy thuận nhiệt đới DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Vị trí điểm lấy mẫu nước mặt 54 Bảng 3-2: Các đơn vị hành lưu vực sơng Sài Gịn .58 Bảng 3-3: Nhiệm vụ hồ Dầu Tiếng năm 2012 66 Bảng 3-4: Diện tích tưới trực tiếp (ha) cho Tây Ninh Tp Hồ Chí Minh năm 2014 67 Bảng 3-5: Bảng mã loại hình thảm phủ SWAT 70 Bảng 3-6: Dòng chảy theo tần suất thiết kế 74 Bảng 3-7: Mạng lưới trạm khí tượng dùng tính tốn lưu vực 89 Bảng 3-8: Kịch nước biển dâng [40] 99 Bảng 3-9: Tần suất giá trị biên mực nước H hạ lưu (m) tương ứng trạm Vũng Tàu tháng từ năm 1980-2012 100 Bảng 3-10: Tần suất giá trị biên Q thượng lưu (m3/s) tương ứng trạm Hòa Phú tháng từ năm 2000-2012 100 Bảng 3-11: Khoảng cách ranh giới mặn so với số vị trí sơng Sài Gịn sông Đồng Nai theo kịch nước biển dâng năm 2020, 2025, 2030 [40] 101 Bảng 3-12: Độ mặn trạm Hòa Phú trường hợp hồ Dầu Tiếng xả liên tục .102 Bảng 3-13: Độ mặn trạm Hòa Phú trường hợp hồ Dầu Tiếng xả gián đoạn 103 Bảng 3-14: Số nhiễm mặn trạm Hòa Phú theo kịch – Trường hợp xả liên tục 104 Bảng 3-15: Thống kê số nhiễm mặn hại Hòa Phú theo kịch – Trường hợp xả gián đoạn 104 Bảng 3-16: Hệ số ô nhiễm nguồn phân tán 107 Bảng 3-17: Bảng so sánh kết quy chuẩn 114 Bảng 3-18: Giá trị giao động chất lượng nước biên tính tốn mơ hình 116 Bảng 3-19: Giá trị giao động DO, BOD5, NH4 theo mức lưu lượng biên mơ hình 117 Bảng 3-20 Bảng so sánh nồng độ kịch trạm bơm Hòa Phú 120 Bảng 3-21: Các tiêu chí chuỗi nhận thức DPSIR 134 Bảng 3-22: Bảng tra phương án vận hành thực tế hồ Dầu Tiếng 136 Bảng 3-23: Biện pháp tưới luân phiên, tiết kiệm 137 Bảng 3-24: Lưu lượng nước vụ Đông Xuân, Hè Thu 138 Bảng 3-25: Lưu lượng nước theo phương án 138 Bảng 3-26: Tỷ lệ khả đáp ứng cung cấp nước vùng hạ lưu tính theo kịch phương án .139 Bảng 3-27: Độ mặn thời gian nhiễm mặn 140 Bảng 3-28: Kết tính cho ma trận phân tích kịch 141 Bảng 3-29: Kết tính cho ma trận phân tích kịch 142 Bảng 3-30: Kết tính cho ma trận phân tích kịch 143 Bảng 3-31: Kết tính cho ma trận đánh giá kịch 145 Bảng 3-32: Thông số kĩ thuật chi tiết loại cảm biến .153 Bảng 3-33: Diễn biến amonium trạm bơm Hịa Phú sơng Sài Gịn [22] 166 Bảng 3-34: Diễn biến độ mặn trạm bơm Hịa Phú sơng Sài Gịn [22] 167 Bảng 3-35: Kết tính WQI thơng số tổng quát SG2 169 Bảng 3-36: Năng lực xử lý nhà máy nước Thủ Dầu Một .169 Bảng 3-37: Giá trị cho phép theo QCVN 08:2008/BTNMT .173 Bảng 3-38: Giới hạn thông số cài đặt KB1 173 Bảng 3-39: Sơ đồ hoạt động ứng với KB1 174 Bảng 3-40: Các giới hạn ô nhiễm cài đặt KB2 175 Bảng 3-41: Chất lượng nước thô sau tiếp nhận nước thải công nông nghiệp .177 Bảng 3-42: Phản ứng hệ thống theo thời gian 177 Bảng 3-43: Giới hạn ô nhiễm KB4 178 Bảng 3-44: Định nghĩa chức 32 bảng thuộc tính thiết kế cấu trúc ODM .181 10 Hình 3-101: Các bước để export liệu (primary data) 3.5.3.5 Module phân tích, khai phá, xử lý liệu Do liệu lưu trữ cấu trúc ODM nên việc truy xuất, xử lý dự liệu tiện lợi, từ tiến hành xâu dựng nhiều cơng cụ giúp ích hiển thị (visualize), phân tích, xử lý liệu, hỗ trợ trình tiền xử lý (pre-processing) liệu cho mơ hình tốn, để làm loại trừ bất thường ( outliers data) tập liệu Ngoài dùng công cụ module này, phát sai xót liệu, cần thiết quay lại chỉnh sửa module import/update liệu (mục a) Để tiến hành phân tích liệu, thực tương tự bước để download liệu tới bước thứ hai, tới người dùng co hai lựa chọn dùng cơng cụ phân tích chuỗi thời gian cơng cụ phân tích đa biến  Phân tích chuỗi thời gian (timeseries analysis) Nếu người dùng muốn tiến hành timeseries analysis click vào biểu tượng graph () để vào giao diện timeseries module Hình 3-102: (trái) Giao diện timeserises analyis module (trên hình đồ thị liệu độ ẩm (primary data, tức chưa áp dụng phép phân tích) trạm Tây Ninh , với điểm nghi ngờ outlier ); (phải) Kết sau áp dụng outliers filter 188 Tại module này, người dùng resample liệu tới bước thời gian khác nhau, tiến hành phân tích histogram, vẽ đồ thị boxplot Hình 3-103: Các đồ thị liệu độ ẩm trạm Tây Ninh công cụ timeserises analyis module: Theo bước thời gian năm (trái-trên), (2) theo bước thời gian tháng (phải-trên), biểu đồ histogram (trái-dưới), biều đồ boxplot (phải-dưới),  Phân tích đa biến ( multivariate analysis): Để tiến hành phân tích đa biến, tiến hành giống bước để download liệu tới bước thứ 4, bước thứ thay nhấn vào Download, nhấn Multivariate analysis để vào giao diện công cụ phân tích đa biến (lưu ý số lượng biến phải lớn 2) Hiện module cung cấp công cụ vẽ đồ thị đa biến theo thời gia phân tích ma trận tương quan giửa biến) 189 Hình 3-104: Giao diện module phân tích đa biến Hình 3-105: (trái) đồ thị biến trạm Tây Ninh theo thời gian; (phải) biểu đồ ma trận tương quan biến trạm Tây Ninh với bước thời gian tháng Dựa vào đồ thị thấy hầu hết tương quan biến có ý nghĩa thống kê, ngoại trừ Tmax-WS, Tmin-WS, RH-WS (chú giải: RF: mưa, RH: độ ẩm tương đối, SH: số nắng, Tmax: nhiệt độ max, Tmin: nhiệt độ min, WS: tốc độ gió; *: 0.01 < p-value