KHẢ NĂNG GIÁM sát từ XA mực nước SÔNG hồ BẰNG THIẾT bị đo NGUYÊN lý PHAO và CÔNG NGHỆ KHÔNG dây TRONG QUAN TRẮC NGHIỆP vụ, dự báo THỦY văn và CẢNH báo lũ lụt

Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI KHẢ NĂNG GIÁM SÁT TỪ XA MỰC NƯỚC SÔNG HỒ BẰNG THIẾT BỊ ĐO NGUYÊN LÝ PHAO VÀ CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY TRONG QUAN TRẮC NGHIỆP VỤ, DỰ BÁO THỦY VĂN VÀ CẢNH BÁO LŨ LỤT Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Minh Tuấn, Lê Hà Hoàng Minh Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường Nhu cầu tự động đo giám sát từ xa mực nước sông hồ công tác quan trắc thuỷ văn, đặc biệt cho dự báo, cảnh báo lũ lụt ngày cấp bách bối cảnh diễn biến phức tạp biển đổi khí hậ .Việc đáp ứng số liệu mực nước thời gian thực giếng đo trạm thuỷ văn hay hồ chứa có tượng thời tiết nguy hiểm cần thiết cho công tác dự báo. Báo cáo trình bày số kết ban đầu việc giám sát từ xa mực nước sông hồ thời gian thực theo nguyên lý phao với công nghệ không dây, bao gồm việc xây dựng, triển khai thiết bị đo tự động công trình giếng, truyền tin không dây trạm thuỷ văn, từ số liệu dùng cho quan trắc nghiệp vụ tự động truyền tin qua mạng di động trung tâm giám sát từ xa. Trong nội dung đề tài cấp sở, chuyên gia Viện Khoa học Khí tượng Thủy Văn Môi trường triển khai thử nghiệm Trạm thủy văn Triều Dương, tỉnh Thái Bình năm 2012 cho kết khả quan. 1. Mở đầu Hiện hệ thống sông ngòi gồm 2600 sông, hồ lớn nhỏ Việt Nam hình thành hệ thống quan trắc thủy văn hoàn thiện, gồm có 230 Trạm thủy văn, quản lý Đài KTTV khu vực, đó: Đài Đông Bắc: 26 trạm; Đài Tây Bắc: 12 trạm; Đài Việt Bắc: 31 trạm; Đài Bắc Trung Bộ: 34 trạm; Đài Trung Trung Bộ: 28 trạm; Đài Nam Trung Bộ: 12 trạm; Đài Tây Nguyên: 15 trạm; Đài ĐB Bắc Bộ: 27 trạm; Đài Nam Bộ: 49 trạm. Tại trạm thuỷ văn nước ta, thiết bị đo mực nước thông dụng máy sử dụng giản đồ tự ghi mực nước, điển hình máy tự ghi mực nước theo nguyên lý phao, như: Vanđai (Liên Xô), SW-40 (Trung Quốc), Stevens A-04, A-71 (Hoa Kỳ). Các thiết bị dạng hoạt động ổn định, cung cấp số liệu xác nâng cấp tự động hoá. Trong ngành KTTV nước ta, thực tiễn cho thấy, thiết bị đo mực nước theo tự động nhập ngoại theo nguyên lý quang học, radar, siêu âm, áp lực, nhiều nguyên nhân khác nhau, hoạt động chưa ổn định, độ bền chưa cao chi phí nhập lớn. Vì lý trên, đề tài tập trung theo hướng lựa chọn tự động hoá thiết bị đo mực nước theo nguyên lý phao học, thành công đề tài sở quan trọng để tự động hoá nhiều thiết bị đo mực nước ngành KTTV nước ta với chi phí hợp lý. Thực tiễn cho thấy việc khai thác thiết bị tự động đại nhập ngoại chưa đạt hiệu mong muốn, chí số trạm ngừng hoạt động sau thời gian ngắn. Theo nhận xét nhiều nhà chuyên môn, nguyên nhân hạn chế do: đặc thù khí hậu nhiệt đới hạ tầng hạn chế nước ta; cán ta chưa có điều kiện làm chủ công nghệ sản phẩm nhập ngoại. 2. Mô tả tóm tắt công nghệ Sau trình nghiên cứu tích cực, với hỗ trợ nhiều chuyên gia ngành, kiếm thức kinh nghiệm nhiều năm công tác, Bộ hiển thị 308 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Datalogger VH-024L chuyên gia Viện KH KTTV&MT thiết kế thành công. Thiết bị xây dựng, tích hợp sở ứng dụng sản phẩm điện tử hãng tiếng: Maxim, Atmel, Philips, Cypress, Dalas, National, Thiết bị thử nghiệm hoạt động môi trường khắc nghiệt phòng thí nghiệm cho kết khả quan. Nhờ áp dụng công nghệ vi xử lý tiên tiến, thiết bị hoạt động linh hoạt, tiêu tốn lượng mở rộng tính năng. 2.1 Sơ đồ khối chức Datalogger VH-024L GMS Radio Pin MT Pin MT (2) DL (4) MD (3) DL (1) TB đo Thiết bị đặt giếng PC Thiết bị đặt trạm TT điều khiển HN Hình 1: Sơ đồ khối chức Datalogger VH-024L Hệ thống thiết bị triển khai địa điểm khác kết nối với công nghệ không dây. Thiết bị đo – senxơ (1) giếng đo cảm nhận thay đổi mực nước, truyền tín hiệu tới Datalogger số (2), giá trị mực nước hiển thị lưu trữ, đồng thời truyền vô tuyến RF tới Datalogger số (3) đặt nhà trạm. Tại đây, Datalogger số (3) thu nhận, hiển thị lưu trữ giá trị mực nước, đồng thời truyền tin qua mạng điện thoại di động Trung tâm điều khiển Hà Nội thông qua Modem GSM (4). Việc kết nối không dây làm cho trình triển khai thực tế thuận lợi, dễ kiểm soát thiết bị, tránh đứt cáp thông tin phải thi công vượt đê từ giếng đo vào nhà trạm thuỷ văn,… Trạm đo mực nước tự động thiết kế theo hai khối (2 Dataloggers, VH024LE VH-024LA) độc lập, liên lạc kết nối với công nghệ không dây, tạo tiện lợi cho người sử dụng, tính kỹ thuật dự kiến phù hợp đặc thù nhiều vùng khí hậu nước ta. Các thiết bị VH-024LE, VH-12E Hình 2, lắp đặt giếng đo mực nước, thiết kế để thiết bị phải hoạt động môi trường thuận lợi, nóng, độ ẩm ẩm cao xa vị trí làm việc trạm. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 309 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Hình 2: Thiết bị lắp đặt giếng đo trạm Triều Dương Bộ cảm biến mực nước VH-12E thiết bị cảm biến điện phức tạp, chuyên gia Viện KH KTTV&MT thiết kế, sau nhờ kỹ thuật viên khí tay nghề cao Việt Nam triển khai. Bộ phận Puly hợp kim nhôm có trọng lượng riêng thấp nhằm tránh quán tính lớn mực nước thay đổi, đặc biệt ý đến tính đồng trục cao thiết bị. Phần giải mã thay đổi mực nước công nghệ quang điện Encoder với số xung lớn 1200 để đảm bảo tính xác phép đo. Chệnh lệch mực nước L thể qua công thức sau: L = (C/1200) x N Trong đó, C chu vi Puly, N số xung thay đổi. Số xung thay đổi N Datalogger VH-024LE phát hiện, tính toán hiển thị kết hình tinh thể lỏng LCD cho quan trắc viên. Hình sau cho ta biết hình dạng tín hiệu từ mã hoá Encoder. Nhờ nhận biết số lần thay đổi biên độ xung độ lệch góc tín hiệu, VH-024LE xác định độ thay đổi chiều biến thiên mực nước. Để đảm bảo tính xác cao, vi xử lý dùng cho VH-024LE cần thiết phải có tốc độ cao để không bỏ sót tín hiệu mực nước thay đổi nhanh. Hình 3: Hình dạng tín hiệu từ cảm biến đo mực nước VH-12E Thiết bị VH-024LA, hình 4, để phòng làm việc, có hình LCD đủ lớn để hiển thị nhiều loại số liệu, quan trắc viên giám sát hoạt động thiết bị phòng làm việc, thuận lợi cho họ có thời tiết xấu. Nhờ hoạt động môi trường phòng làm việc khắc nghiệt so với trời, thiết bị làm việc ổn định tuổi thọ thiết bị cao hơn. 310 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Hình 4: Thiết bị lắp đặt nhà trạm Triều Dương Nguồn nuôi cho Datalogger sử dụng điện lưới AC220V, pin mặt trời, acquy 12V. Bình thường nguồn điện lưới pin mặt trời nạp đầy acquy hai nguồn bị mất, thiết bị hoạt động nhiều ngày nhờ lượng dự trữ từ acquy. 2.2 Thu nhận xử lý số liệu Giao chuẩn RS232 với máy tính cá nhân dùng cho việc cài đặt thông số cho thiết bị, đồng thời dùng để thu nhận liệu với dung lượng đến hàng trăm ngày lưu trữ thiết bị. Cổng Modem dùng để giao tiếp cung cấp số liệu với trung tâm từ xa. Trung tâm điều khiển thu nhận số liệu với chương trình SysVh024L đặt Viện KH KTTV&MT, Hà Nội, thử nghiệm việc điều khiển trạm VH-024L Triều Dương theo nhiều kỳ truyền số liệu khác nhau, giá trị 10, 20, 30, 60, 120,180 phút cho kết dự kiến. Hình 5. Chương trình điều khiển trực tiếp Số liệu dạng số thu trạm thuỷ văn hay trung tâm từ xa lưu trữ từ xây dựng thành biểu đồ biến trình theo thời gian: ngày, ngày hay tuần, tháng. Hình biểu đồ mực nước sông Luộc ngày 09/11/2012 Trạm thuỷ văn Triều Dương. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 311 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Bieu muc nuoc theo thoi gian ( Ngay 9/11/2012) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Muc Nuoc (mm) 900 800 Series1 700 Series2 600 500 400 300 200 100 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Hình 6. Biểu đồ mực nước theo thời gian 3. Kết luận kiến nghị 3.1. Kết luận Sau qua trình thử nghiệm tháng, đưa số nhận xét sau: - Đạt tiêu kỹ thuật tiêu chuẩn ngành KTTV 94-TCN 1-2003 độ xác phép đo mực nước; - Phù hợp thuận lợi cho trình quan trắc nghiệp vụ; - Hoạt động liên tục ổn định trình thử nghiệm; - Đảm bảo độ tin cao việc cung cấp số liệu trung tâm điều hành từ xa; - Đảm bảo tính thống số liệu hiển thị trạm, số liệu lưu trữ Datalogger, số liệu trung tâm điều hành vào thời điểm; - Đảm bảo kịp thời số liệu thời gian thực cho trung tâm điều khiển từ xa. 3.2. Kiến nghị Các tác giả báo cáo hy vọng, quan tâm cấp lãnh đạo, hoàn thiện công việc cần thiết, đảm bảo hệ thống trạm đo mực nước tự động không dây dạng VH-024L hoạt động ổn định lâu dài phục vụ hiệu nghiệp vụ ngành KTTV. Để sản phẩm sớm ứng dụng ngành diện rộng hơn, xin kiến Cơ quan quản lý Bộ TNMT cho phép tiếp tục hoàn thiện, thử nghiệm thời gian 12 tháng định hướng triển khai ứng dụng. 312 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. D.A. Smidchev. Tóm tắt giảng máy khí tượng để đào nhân viên khí tượng hạng III hạng IV (Biên dịch Nguyễn Quang Việt, Nguyễn Lê Tâm). Hà Nội: Tổng cục KTTV, 1998. – 570 tr 2. Đỗ Xuân Tiến. Kỹ thuật Vi xử lý lập trình Assembly. Hà Nội: KH KT, 2003. – 350 tr 3. Hardware of Vaisala Milos 500. Helsinki: Vaisala, 1992. – 322 p. 4. Ngô Diên Tập. Lập trình hợp ngữ Assembly. Hà Nội: KH KT, 2001. – 360 tr. 5. Ngô Diên Tập. Vi xử lý đo lường điều khiển. Hà Nội: KH KT, 1999. – 340 tr. 6. Nguyễn Quốc Phô. Cảm biến. Hà Nội: KH KT, 2005. – 327 tr. 7. Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng. Cấu trúc lập trình họ vi điều khiển 8051. Hà Nội: KH KT, 2004. – 285 tr. 8. Quy phạm Quan trắc thuỷ văn 94TCN 6-2001, Hà Nội: Tổng cục KTTV, 2001.-201 tr. 9. Tống Văn On, Hoàng Đức Hải. Họ vi điều khiển 8051. Tp Hồ Chí Minh: LĐXH, 2004. – 412 tr. THE ABILITY TO REMOTELY MONITOR THE WATER LEVEL OF RIVERS AND RESERVOIRS BY FLOATING TECHNICS BY WIRELESS TECHNICS BY WIRELESS TECHNOLOGY FOR OPERATIONAL MONITORING AND FORECASTING HYDROLOGY AND FLOOD WARNING Nguyen Van Ha, Nguyen Minh Tuan, Le Ha Hoang Minh Viet Nam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment The need of Remotely automatical measuring and monitoring water levels of rivers and reservoirs in hydrological monitoring, forecasting, flood warning increasingly urgent in the flood season, especially in the context of climate change. The online data of water levels in wells of hydrological stations in dangerous weather conditions is very important for hydrological warning and forecasting. This report presents some initial results of remotely monitoring water levels by floating technics by wireless technology, including the design of two dataloggers, construction of automatic measuring system, transmission of data by wireless technology. The experts of the IMHEN has developed and tested the system in the hydrological station Trieu Duong, Thai Binh province in 2012. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 313 . tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 308 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường KHẢ NĂNG GIÁM SÁT TỪ XA MỰC NƯỚC SÔNG HỒ BẰNG THIẾT BỊ ĐO NGUYÊN LÝ PHAO VÀ. trường Nhu cầu tự động đo và giám sát từ xa mực nước sông hồ trong công tác quan trắc thuỷ văn, đặc biệt cho dự báo, cảnh báo lũ lụt ngày càng cấp bách trong bối cảnh diễn biến phức tạp của. LÝ PHAO VÀ CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY TRONG QUAN TRẮC NGHIỆP VỤ, DỰ BÁO THỦY VĂN VÀ CẢNH BÁO LŨ LỤT Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Minh Tuấn, Lê Hà Hoàng Minh Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường