Trong vài thập niên qua, TP. Hồ Chí Minh với sự phát triển nhanh chóng về dân cư và các khu đô thị mới đã trở thành một siêu đô thị. Tuy nhiên cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được đặc biệt là mạng lưới tiêu thoát nước. Thêm vào đó việc san lấp mặt bằng cho xây dựng đã làm giảm các khu tích nước, ao hồ, kênh rạch vì thế triều trên sông lên cao và nhanh hơn trước và vấn đề ngập thành phố đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Để giải quyết bài toán ngập của thành phố, đề tài Nghiên cứu chống ngập cho TP. Hồ chí Minh đã đề xuất ra các giải pháp khả thi trong đó có giải pháp công nghệ cảnh báo, giám sát ngập và ô nhiễm nhằm để phục vụ công tác qui hoạch, quản lý vận hành trước mắt và tương lai cho TP. Hồ Chí Minh.
Trang 1GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CẢNH BÁO, GIÁM SÁT NGẬP VÀ Ô NHIỄM
CHO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PGS.TS Võ Khắc Trí
GS TS Lê Sâm
Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam TÓM TẮT
Trong vài thập niên qua, TP Hồ Chí Minh với sự phát triển nhanh chóng về dân cư và các khu đô thị mới đã trở thành một siêu đô thị Tuy nhiên cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được đặc biệt là mạng lưới tiêu thoát nước Thêm vào đó việc san lấp mặt bằng cho xây dựng đã làm giảm các khu tích nước, ao hồ, kênh rạch vì thế triều trên sông lên cao và nhanh hơn trước và vấn đề ngập thành phố đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn
Để giải quyết bài toán ngập của thành phố, đề tài Nghiên cứu chống ngập cho TP Hồ chí Minh [1] đã đề xuất ra các giải pháp khả thi trong đó có giải pháp công nghệ cảnh báo, giám sát ngập và ô nhiễm nhằm để phục vụ công tác qui hoạch, quản lý vận hành trước mắt và tương lai cho TP Hồ Chí Minh
TECHNOLOGY STRATEGY OF WARNING AND MONITORING FOR INNUNDATION AND POLLUTION IN HO CHI MINH CITY
Associate Prof Dr Vo Khac Tri – Southern Institute of Water Resources Research
Prof Dr Le Sam – Southern Institute of Water Resources Research
ABSTRACT
Within some decades, Ho Chi Minh City with the fast development of residents and new urban cities has become a megacity However, the infracstructures has not applied to this, especially in water drainage network Additionally, the area of water storages, ponds and canals have been decreased quickly by the construction so that tide and water level of rivers have increased more higher and quicker The inundation of HCM city has become more and more seriously problem
In order to solve the inundated problem of this city, the project: “Study on the strategies of flood in HCM City” [1] aims to feasibility resolutions including the technology strategy of the warning and monitoring network for inundation and pollution to serve the planning, operation and management the flood control system for Ho Chi Minh City in present and future
Trang 2GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CẢNH BÁO, GIÁM SÁT NGẬP VÀ Ô NHIỄM
CHO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
I.TỔNG QUAN
Năm 1862, thành phố Sài Gòn được quy hoạch cho khoảng 500 ngàn dân với diện tích chỉ khoảng 25km2, được bao bọc bởi Rạch Thị Nghè, sông Sài Gòn, Rạch Bến Nghé, kênh Bao Ngạn Ngay thời điểm này, vấn đề phức tạp trong giải quyết tiêu thoát nước cho vùng đất trũng thấp, ngập triều cũng được đề xuất và các nhà quy hoạch đã nghĩ đến việc đào hồ để giải quyết tiêu thoát nước cho vùng đất trũng Trước 1975, dân số Sài Gòn cũng đã tăng cao, nhưng cũng chỉ khoảng 2.5 triệu người tập trung ở khu vực nội thành cũ với diện tích khoảng 140 km2 , xung quanh vùng phụ cận của nội thành này vẫn còn vùng bưng biền với sông rạch, đầm hồ chằng chịt Từ sau năm 1975 đến nay, tình hình dân số tăng quá nhanh, nếu tính đến dân nhập
cư thì dân số hiện nay có thể hơn 8 triệu người Người đông, nhu cầu nhà ở tăng cao, mật độ xây dựng trở nên dày đặc, vùng trũng thấp, sông rạch , ao hồ bị san lấp quá nhiều Cùng với quá trình đô thị hoá, bê tông hoá, thành phố mất dần diện tích kênh rạch thoát nước, vùng đệm và
hồ điều tiết, hệ số mặt phủ thay đổi làm gia tăng hệ số chảy tràn khiến tình hình ngập ngày càng trở nên trầm trọng
Trong đó, ngập triều có thể nói là yếu tố thường xuyên ở các mức độ khác nhau, song ngập triều chỉ có thể xảy ra nghiêm trọng từ tháng 9 đến tháng 12 là những tháng có mức nước đỉnh triều dâng cao Đó cũng là những tháng có mưa lớn (trên 40 – 50 mm) gần như hàng năm Vì thế, mưa lớn dễ tổ hợp với triều cao (đặc biệt trong thời gian gần đây) Khả năng xảy ra lũ lớn hiếm hơn do các trận lũ vừa và nhỏ đều bị các công trình thượng lưu điều tiết, cắt trữ, vì vậy tổ hợp mưa, lũ và triều sẽ xảy ra với xác suất kém hơn Ngoài ra nguyên nhân ngập cũng do quá tải và sự xuống cấp của hệ thống cơ sở hạ tầng tiêu thoát hiện hữu
Để giải quyết vấn đề, công tác chống ngập cho Thành phố, nhiều công trình, dự án nghiên cứu, quy hoạch đã được triển khai thực hiện trong đó có Dự án Nhiêu Lộc Thị Nghè [2] Dự án Quy hoạch tổng thể thoát nước đến 2020, do JICA tài trợ đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2001 Đây là dự án lớn, nghiên cứu nhiều khía cạnh, chủ yếu là ngập và tiêu thoát nước ngập do mưa Hạn chế của nghiên cứu này là chưa xét đến trường hợp triều cao (chỉ mới lấy đến triều cao cửa Sài Gòn bằng 1,32 m, thấp hơn 20-25 cm so với các mực nước triều lớn hiện nay – với nguyên nhân được cho rằng lúc lập quy hoạch, việc san lấp mặt bằng chưa nhiều, mực nước sông thấp), lũ lớn ngoài sông, nước biển dâng do biến đổi khí hậu
Năm 2008, để giải quyết triệt để bài toán ngập xét đến đầy đủ các yếu tố mưa, triều, lũ ngoài sông, biến đổi khí hậu (nước biển dâng đến 70 cm), Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã cho lập “Quy hoạch Thủy lợi chống ngập úng khu vực Thành phố Hồ Chí Minh” , do
Tổ chống ngập Bộ và Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện [3], [4], [5] Nghiên cứu này đã đưa ra được giải pháp tiêu thoát, kiểm soát nước trong vùng nghiên cứu, theo đó dự án
đã phân chia Thành phố thành 3 vùng kiểm soát khác nhau:
- Vùng 1 (khu bờ hữu sông Sài Gòn - Nhà Bè - Bờ tả Vàm Cỏ Đông) dùng giải pháp đê bao, cống khép kín để kiểm soát (các công trình được vận hành sao cho có thể tạo điều kiện
Trang 3tiêu tốt nhất, tạo không gian trống trong hệ thống để tích mưa rồi tiêu gạn khi triều xuống) Thêm vào đó, một số khu trũng cần được duy trì để điều tiết dòng chảy
- Vùng 2: Khu Ngã ba sông Sài Gòn – Đồng Nai Vùng này đang có các dự án khác đang thực hiện, quy hoạch chỉ giải quyết đối với các vùng thấp đang phát triển theo quy hoạch nhà vườn xen kẽ với các vùng bưng trũng du lịch sinh thái, do đó cần tạo ra hệ thống kênh rạch thông thoáng Có thể sẽ áp dụng biện pháp công trình kiểm soát ngập trong tương lai
- Vùng 3: Khu tả ngạn sông Nhà Bè - Soài Rạp - Cần Giờ Hiện tại chưa có tác động lớn, giữ như hiện trạng và bảo vệ theo tiêu chuẩn khu dự trữ sinh quyển
Qui hoạch thủy lợi phục vụ cho việc chống ngập cho TP HCM đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo quyết định số 1547/QĐ-TTg ngày 28 tháng 10 năm 2008 [6] và đang bắt đầu thực hiện (Bảng 1) Cũng trong phê duyệt của Chính phủ, Quy trình vận hành sẽ phải được xây dựng, vì vậy việc đề xuất mạng lưới giám sát để phục vụ công tác quản lý vận hành sau này
là công việc hết sức cần thiết
Bảng 1: Thống kê các công trình chống ngập thành phố
hành
Bề rộng (m)
Cao trình đáy (m)
Trang 4II.MẠNG LƯỚI GIÁM SÁT HIỆN HỮU
Hiện nay hầu như chưa có mạng lưới giám sát và cảnh báo ngập ở TP.HCM, ngoại trừ các trạm đo mưa và trạm đo mực nước trong khu vực và vùng phụ cận của Đài Khí tượng Thủy văn Nam Bộ nhưng chưa được kết nối với nhau Công việc giám sát và đánh giá tình trạng ngập hiện nay của Chi cục Thủy lợi thành phố vẫn phải thực hiện thủ công với nhân viên đi đo đạc mức độ ngập và diện tích ngập để làm báo cáo thống kê tình hình ngập sau mỗi trận mưa lũ, ngập triều Tuy nhiên hiện nay cũng có mạng lưới giám sát chất lượng nước của Chi cục Môi trường thành phố được lấy mẫu phân tích định kỳ nhưng trạm còn thưa và thiếu nhiều thông số
kể cả mực nước, cũng chưa được kết nối trực tuyến mà vẫn phải thực hiện thủ công (Hình 1) Mức độ chính xác kém và không kịp thời cũng ảnh hưởng cho công tác phòng chống ngập và cảnh báo hiện nay của thành phố
Việc xây dựng hệ thống thông tin về cơ sở hạ tầng trên GIS vẫn chưa được thực hiện, nên những thông tin về đường thoát nước cũng như hệ thống kênh rạch hiện hữu thay đổi theo thời gian cũng không được cập nhật gây khó khăn cho công tác quản lý cũng như duy tu sửa chửa Vì thiếu những thông tin cơ bản nên việc tính toán năng lực thoát nước cũng như công tác
dự báo gặp rất nhiều khó khăn, các mô hình tính toán và mô phỏng không đúng với tình hình thực tế
Đánh giá chung là các trạm đo hiện hữu vẫn còn rất thưa thớt ngay cả trạm đo mưa, mực nước và chất lượng nước không thể sử dụng cho việc giám sát và cảnh báo ngập cũng như vận hành để tiêu thoát ngập Chính vì vậy cần thiết phải xây dựng một mạng lưới giám sát và cảnh báo có độ tin cậy cao hơn nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của thành phố phát triển về dịch vụ
và công nghiệp hiện đại trong tương lai
Trang 5Hình 1 Mạng lưới giám sát chất lượng nước thành phố Hồ Chí Minh
Trang 6III ĐỀ XUẤT MẠNG LƯỚI GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN (ONLINE) VÀ CẢNH BÁO NGẬP THÀNH PHỐ.
III.1.Mục tiêu của mạng lưới giám sát
Dựa vào Qui hoạch chống ngập của thành phố đã được phê duyệt để xây dựng một hệ thống mạng lưới giám sát trực tuyến nhằm dự báo ngập và vận hành công trình chống ngập cho toàn vùng trong đó kết hợp với các mạng lưới đo hiện hữu của thành phố và của quốc gia (mưa, mực nước và chất lượng nước)
III.2.Nhiệm vụ của hệ thống giám sát
• Thu thập thông tin để phân tích và đánh giá hiện trạng ngập úng và chất lượng nước trong vùng dự án để đề xuất các giải pháp vận hành hợp lý
• Dự báo ngập do mưa, triều và lũ
• Phát triển và xây dựng mạng điều khiển và giám sát cho hệ thống
III.3 Cấu trúc hệ thống giám sát
Hệ thống giám sát được kết hợp với 3 module chính (hình 2):
• Module thủy lực bao gồm đường ống thoát nước hiện hữu (mô hình MOUSE) đấu nối với mạng lưới thủy lực kênh rạch hở (mô hình MIKE 11)
• Module Hệ thông tin GIS (ATLAS)
• Module truyền, nhận và xử lý dữ liệu SCADA
Hình 2: Hệ thống giám sát tích hợp
Module thủy lực
- Module thủy lực dùng để mô phỏng các phương án vận hành cũng như dự báo chế độ dòng chảy, ngập trong vùng nghiên cứu, nhằm đề xuất ra các phương án vận hành hiệu quả nhất
MODULE THỦY LỰC VÀ DỰ BÁO
Tiếp nhận các thông tin từ module Hệ thông tin GIS và
dữ liệu online từ module SCADA
Xử lý thông tin và đề xuất các quyết định vận hành hệ thống,
Cung cấp thông tin cho module GIS để lập kế hoạch vận hành và module SCADA để cho quyết định vận hành công trình cống, bơm,
MODULE HỆ THÔNG TIN GIS (ATLAS)
Cung cấp các thông tin và cập nhật về công trình trong
hệ thống thoát nước,
Liên kết với mô hình SCADA tại vị trí các điểm kiểm
soát ngập và chất lượng nước,
Liên kết các mô hình thủy lực tính toán dự báo,
Xây dựng bản đồ ngập, vị trí ngập,…
MODULE HỆ THÔNG TIN GIS (ATLAS)
Cung cấp các thông tin và cập nhật về công trình trong
hệ thống thoát nước,
Liên kết với mô hình SCADA tại vị trí các điểm kiểm
soát ngập và chất lượng nước,
Liên kết các mô hình thủy lực tính toán dự báo,
Xây dựng bản đồ ngập, vị trí ngập,…
MODULE SCADA
Truyền các thông tin về mưa, mực nước và chất lượng nước cho module thủy lực và dự báo,
Cung cấp dữ liệu cho module hệ thông tin GIS
Tiếp nhận các thông tin về mức độ ngập
Trang 7Để sử dụng cho việc mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới kênh rạch TP HCM (hình 3), mô hình MIKE 11 sẽ được sử dụng như một công cụ chính cho việc tính toán và dự báo [7]
Mô hình MIKE11 là một trong bộ mô hình họ MIKE do Viện Nước và Môi trường Đan Mạch (DHI) lập cho mạng lưới kênh sông MIKE 11 là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để
mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác
Modul thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11
và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm: Dự báo lũ, Tải khuếch tán, Chất lượng nước và các modul vận chuyển bùn lắng không có cố kết Modul MIKE11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum) Các ứng dụng liên quan đến modul MIKE11 HD bao gồm:
- Dự báo lũ và vận hành hồ chứa
- Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ
- Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt
- Thiết kế các hệ thống kênh dẫn
- Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông
Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc modul tổng hợp với nhiều loại modul được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Ngoài các modul HD đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô-đun bổ sung đối với: thủy văn, tải khuếch tán, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính), và không có cố kết (không có tính dính)
Hình 3: Sơ đồ thủy lực hệ thống kênh rạch TP.HCM và vùng phụ cận
Mô hình MOUSE cũng của DHI tính toán về hệ thống cấp thoát nước ngầm sẽ được tính toán kết nối vào mạng kênh hở Kết quả tính toán của thủy lực kênh hở sẽ là biên của MOUSE
và output của MOUSE sẽ là dòng chảy bên của các nhánh kênh
Trang 8Module Hệ thông tin GIS
- Module hệ thông tin GIS giúp cho nhà quản lý biết rõ hơn số liệu công trình, cơ sở vật chất mình đang quản lý và có cái nhìn tổng thể về tình hình ngập sau mỗi trận mưa, lũ để đề ra những giải pháp đúng đắn và kịp thời
Hệ thông tin GIS là một Atlas chuyên đề, được lập ra nhằm phục vụ cho công tác quản
lý và khai thác các công trình thoát nước trong khu vực, là công cụ hỗ trợ trong việc tìm kiếm, hiển thị, in ấn, cập nhật các thông tin liên quan đến cơ sở hạ tầng thoát nước, các thông tin về mực nước, mưa, chất lượng nước, ngập,… một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác Ngoài
ra nó còn có thể liên kết với các module khác như module thủy lực, module SCADA để thể hiện các thông tin trực tuyến trên không gian để giúp cho nhà quản lý xác định được vị trí ngập và diện tích ngập một cách nhanh chóng Atlas này được xây dựng trên nền tảng phần mềm hệ thông tin địa lý (GIS) ArcView GIS 3.2 chạy trên nền Windows 9x/2000/NT/XP của hãng ERSI (Mỹ) Để xây dựng được hệ thông tin GIS cần phải thu thập các bản đồ, các số liệu hiện trạng công trình cũng như các bản vẽ thiết kế của hệ thống (hình 4)
Hình 4 Một chương trình mẫu của hệ thông tin GIS
Module SCADA
- Module SCADA trực tuyến sẽ giúp cho việc truyền dẫn thông tin chính xác và kịp thời giúp cho việc dự báo sớm cho việc vận hành tiêu nước và bơm
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) được hiểu là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Thuật ngữ SCADA đầu tiên được sử dụng trong việc thu thập dữ liệu từ các đồng hồ đo, trạng thái của bóng đèn, số vòng quay của các bộ đếm encoder, … Ngày nay, trong các quá trình sản xuất công nghiệp hiện đại, thường có nhu cầu kết nối một số lượng lớn các thiết bị vào trong hệ thống và với khoảng cách lớn Vấn đề truyền tin được sử dụng để
Xem thông tin về công trình
Tìm kiểm thông tin Xem lịch vận hành cống
Tạo lịch vận hành công trình Quản lý thu phí qua cống
Hình ảnh về công trình
Xem mực nước, lưu lượng
Trang 9ra lệnh và tiếp nhận những thông tin từ các vị trí ở xa Hệ thống SCADA bao gồm việc thu thập thông tin, chuyển thông tin về trung tâm để thực hiện các phân tích và điều khiển cần thiết cũng như hiển thị thông tin cho nhiều người dùng; sau đó các yêu cầu điều khiển sẽ được chuyển xuống trở lại quá trình xử lý
Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng thực hiện các nguyên tắc như: làm việc với dữ liệu thời gian thực, sử dụng một số lượng lớn thông tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng, nguyên tắc hệ thống và các modul mở, các thiết bị dữ trữ để làm việc ở trạng thái “dự trữ nóng”, … Trong những năm gần đây, các thiết bị lập trình (PLC) phát triển rất mạnh mẽ, có nhiều hãng sản xuất khác nhau cho phép chúng ta có thể kết nối được nhiều thiết bị và hệ thống SCADA hơn Bên cạnh đó, sự phát triển của các công nghệ truyền dẫn mạnh mẽ giúp năng cao khả năng truyền tin trong hệ thống SCADA
Ngày nay, các hệ thống SCADA không những được ứng dụng nhiều trong các quá trình sản xuất công nghiệp mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nông nghiệp và thủy lợi Trong các hệ thống thuỷ lợi, SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập thông tin
về hệ thống và từ đó đưa ra các quyết định điều khiển kịp thời và chính xác
Cấu hình của mỗi trạm đo (hình 5) bao gồm một máy tính có kết nối internet, một bộ điều khiển, một màn hình hiển thị HMI, các cảm biến đo và các thiết bị cung cấp nguồn Cảm biến
đo mực nước, chất lượng nước và bộ đo mưa có nhiệm vụ đo và truyền tín hiệu tương tự dưới dạng 4 - 20mA hay số về bộ điều khiển Tại đây, bộ điều khiển (CPU + module analog) sẽ tiến hành chuyển các tín hiệu tương tự nhận được này sang dạng tín hiệu số và tiến hành xử lý Sau
đó dữ liệu sẽ được hiển thị lên màn hình HMI và truyền về máy tính để lưu vào cơ sở dữ liệu cũng như truyền về trung tâm điều khiển Bên cạnh đó, khi giá trị mực nước và lượng mưa đo được vượt quá giá trị cảnh báo có thể xảy ra ngập úng thì bộ điều khiển sẽ tiến hành điều khiển
hệ thống bơm hoạt động Do đặc thù của các hệ thống thủy lợi mà tại mỗi trạm quan trắc chúng
ta có thể cài đặt cho bộ điều khiển đọc dữ liệu theo từng khoảng thời gian khác nhau như: 10 phút, 30 phút, 1 giờ, … Bên cạnh đó, chúng ta cũng có thể theo dõi các thông số theo thời gian thực khi cần thiết
Trang 10Hình 5: Cấu trúc một trạm đo tự động Các trạm đo này sẽ được kết nối với trung tâm điều khiển qua hệ thống internet để phục
vụ cho việc giám sát quá trình hoạt động của toàn bộ hệ thống Tại trung tâm điều khiển sẽ được trang bị một máy tính có kết nối internet để thu thập dữ liệu từ các trạm đo cũng như điều khiển hệ thống khi xảy ra ngập (hình 6)
Một phần mềm điều khiển tại máy chủ tại Trạm trung tâm sẽ dùng để kết nối thu thập
dữ liệu và điều khiển hệ thống được xây dựng với nhiều giao diện thân thiện dễ cho người sử dụng như minh hoạ trong hình 7
I/O Server
Sensor mực nước mực nướcSensor Sensormưa
Bộ điều khiển
Màn hình hiển thị
HMI
OPC server
Motor
