báo cáo bài tập lớn tin ứng dụng

Bài tập lớn môn tin ứng dụng của sinh viên năm thứ 4 ngành môi trường nước các trường Đại học Xây dựng, Đại học Kiến trúc, Đại học Thủy lợi. Nội dung của bài tập lớn là tìm hiểu về các ứng dụng của GIS trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Bài tập lớn là một phần quan trọng trong môn học tin ứng dụng

LỜI MỞ ĐẦU

Có thể nói, lĩnh vực khoa học công nghệ thông tin (CNTT) đã phát triển với tốc độ chóng mặt kể từ khi ra đời và góp phần vô cùng to lớn vào cuộc sống xã hội loài người Ta có thể điểm qua lịch sử phát triển của lĩnh vực và 1 số thành tựu nổi bật khoa học công nghệ thông tin như sau:

 Sự ra đời và phát triển của CNTT:

Một số thành tựu nổi bật của CNTT:

- 1834 phát minh công cụ phân tích Babbage

- 1874 phát minh máy đánh chữ Remington

- 1884 máy tính cộng Burroughs

- 1896 thành lập TMC (tiền thân IBM sau này)

- 1937 Máy Turing - máy tính lý thuyết

- 1945 máy tính ENIAC , Báo cáo EDVACcủa Von Neumann

- 1948 máy giải mã Colossus

- 1951 UNIVAC và máy tính phục vụ doanh nghiệp LEO phát triển

- 1994 phát minh World Wide Web

- 1994 Windows 95, Lycos, Yahoo!, WebCrawler, và các công cụ tìm kiếm Alta Vista thành lập

- 1997 Deep Blue của IBM, RS/6000 32-node siêu máy tính, đánh bại vô địch

cờ vua thế giới Gary Kasparov

- 2003 Intel tích hợp công nghệ không dây Centrino vào bộ vi xử lý của nó

- Năm 2007, Apple thông báo và giới thiệu iPhone

- 2008 Toshiba công bố để ngăn chặn sản xuất HD-DVD kết thúc cuộc chiến định dạng HD với hệ thống Blu-ray của Sony

Rõ ràng,những thành tựu của CNTT là vô cùng to lớn Chính vì vậy việc tìm hiểu, nắm bắt thậm chí là nghiên cứu chuyên sâu sẽ giúp ích cho mỗi người chúng ta trong học tập cũng như làm việc Là một sinh viên đại học – những người có cơ hội được tiếp cận với những kiến thức mới nhất, tiên tiến nhất của

xã hội, chúng ta cần năng động sáng tạo tiếp thu những thành tựu khoa học của nhân loại đặc biệt là CNTT.

Trong số những thành tựu CNTT hiện nay, công nghệ GIS đã và đang thể hiện tầm ảnh hưởng của mình với việc ứng dụng rộng rãi trong khắp các lĩnh vực của đời sống như: quản lý tài nguyên thiên nhiên, quản lý đất đai, quản lý

cơ sở kỹ thuật hạ tầng, trong du lịch, trong cảnh báo thiên tai …

Đặc biệt, là một sinh viên ngành cấp thoát nước – em đặc biệt quan tâm tới việc ứng dụng công nghệ GIS trong việc quản lý mạng lưới cấp nước đang được áp dụng một cách có hiệu quả ở các công ty cấp nước đô thị.

Do đó việc tìm hiểu về ứng dụng công nghệ GIS trong các lĩnh vực không chỉ giúp em có thêm hiểu biết về tầm ảnh hưởng nó mang lại mà còn giúp ích không nhỏ trong việc trau dồi kiến thức chuyên môn khi còn ở trên ghế nhà trường cũng như sau này khi đi làm.

PHẦN I:

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GIS

1 Giới thiệu sơ lược về GIS

Hệ thống thông tin địa lý GIS (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Geographic

Information Systems) là một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính để

lập bản đồ, lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tượng thực trên trái đất, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược.Thuật ngữ này được biết đến từ những năm 60 của thế kỉ 20 và Giáo sư Roger Tomlinson được cả thế giới công nhận là cha đẻ của GIS

Một tập hợp có tổ chức của phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và con người được thiết kế để thu nhận, lưu trữ, cập nhật, thao tác phân tích làm mô hình và hiểnthị tất cả các dạng thông tin địa lý có quan hệ không gian nhằm giải quyết các vấn

đề về quản lý và quy hoạch

GIS sẽ làm thay đổi đáng kể tốc độ mà thông tin địa lý được sản xuất, cập nhật và phân phối GIS cũng làm thay đổi phương pháp phân tích dữ liệu địa lý, hai ưu điểm quan trọng của GIS so với bản đồ giấy là:

- Dễ dàng cập nhật thông tin không gian

- Tổng hợp hiệu quả nhiều tập hợp dữ liệu thành một cơ sở dữ liệu kết hợp

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý Điều này đơn giản nhưng vô cùng quan trọng và là một công cụ đa năng đã được chứng minh là rất có giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường phân phối của các chuyến

xe, đến lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy hoạch, hay mô phỏng sự lưu thông khí quyển toàn cầu

Tham khảo địa lý các thông tin địa lý hoặc chứa những tham khảo địa lý hiện (chẳng hạn như kinh độ, vĩ độ hoặc toạ độ lưới quốc gia), hoặc chứa những tham khảo địa lý ẩn (như địa chỉ, mã bưu điện, tên vùng điều tra dân số, bộ định danh các khu vực rừng hoặc tên đường) Mã hoá địa lý là quá trình tự động thường đượcdùng để tạo ra các tham khảo địa lý hiện (vị trí bội) từ các tham khảo địa lý ẩn (là những mô tả, như địa chỉ) Các tham khảo địa lý cho phép định vị đối tượng (như

khu vực rừng hay địa điểm thương mại) và sự kiện (như động đất) trên bề mặt quả đất phục vụ mục đích phân tích.

Hệ thống thông tin địa lý làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu địa lý khác nhau

về cơ bản - mô hình vector và mô hình raster Trong mô hình vector, thông tin về điểm, đường và vùng được mã hoá và lưu dưới dạng tập hợp các toạ độ x,y Vị trí của đối tượng điểm, như lỗ khoan, có thể được biểu diễn bởi một toạ độ đơn x,y Đối tượng dạng đường, như đường giao thông, sông suối, có thể được lưu dưới dạng tập hợp các toạ độ điểm Đối tượng dạng vùng, như khu vực buôn bán hay vùng lưu vực sông, được lưu như một vòng khép kín của các điểm toạ độ

Mô hình vector rất hữu ích đối với việc mô tả các đối tượng riêng biệt, nhưng kém hiệu quả hơn trong miêu tả các đối tượng có sự chuyển đổi liên tục như kiểu đất hoặc chi phí ước tính cho các bệnh viện Mô hình raster ddược phát triển cho mô phỏng các đối tượng liên tục như vậy Một ảnh raster là một tập hợp các ô lưới Cả

mô hình vector và raster đều được dùng để lưu dữ liệu địa lý với nhưng ưu điểm, nhược điểm riêng, Các hệ GIS hiện đại có khả năng quản lý cả hai mô hình này

2 Nội dung cơ sở dữ liệu nền GIS

2.1.

Cơ sở dữ liệu nền GIS

Cơ sở dữ liệu nền GIS là cơ sở dữ liệu mà những lĩnh vực trong công tác quản lý tài nguyên môi trường cần đến nó và sử dụng chúng Cơ sở dữ liệu nền GIS là phần giao của từng cơ sở dữ liệu trong công tác quản lý tài nguyên môi trường Cơ

sở dữ liệu nền GIS bao gồm 2 phần

- Cơ sở dữ liệu không gian (bản đồ nền)

- Cơ sở dữ liệu thuộc tính chung

2.2 Bản đồ nền

Bản đồ nền là bản đồ chỉ bao gồm yếu tố nền cơ sở địa lý Nó là cơ sở để xác định

vị trí địa lý của các đối tượng trong dữ liệu chuyên nghành Nền cơ sở địa lý của

bản đồ là tập hợp những yếu tố thuỷ văn, giao thông, dân cư, biên giới quốc gia,

địa giới hành chính, địa danh và địa hình để làm cơ sở thể hiện cách nội dung khác trên bản đồ

Bản đồ nền được phân thành 2 nhóm: bản đồ địa lý chung và địa lý chuyên đề.Bản đồ địa lý chung là bản đồ thể hiện mọi đối tượng, hiện tượng địa lý của bề mặttrái đất, bao gồm đầy đủ các đối tượng và hiện tượng kinh tế, văn hóa, xã hội như thủy văn, địa hình, thực vật, đất đai, dân cư, giao thông, công nghiệp, nông nghiệp,lâm nghiệp văn hóa, hành chính-chính trị Tùy thuộc tỷ lệ bản đồ mà mức độ nội

dung bản đồ địa lý chung có thể chi tiết hoặc ít chi tiết hơn, nhưng về nguyên tắc thì bản đồ địa lý chung đều thể hiện mọi đối tượng, hiện tượng với cùng mức độ chi tiết, nghĩa là không chú trọng yếu tố này hay xem nhẹ yếu tố kia khi xét bản đồ

3 Ứng dụng của GIS trong các ngành

Vì GIS được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian, nó córất nhiều ứng dụng trong việc phát triển đô thị và môi trường tự nhiên như là: quy hoạch đô thị, quản lý nhân lực, nông nghiệp, điều hành hệ thống công ích, lộ trình, nhân khẩu, bản đồ, giám sát vùng biển, cứu hoả và bệnh tật Trong phần lớn lĩnh vực này, GIS đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ quyết định cho việc lập kế hoạch hoạt động

3.1

Ứng dụng GIS trong Môi trường

Theo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhiều ứng dụng đã phát triển trong những tổ chức quan tâm đến môi trường Với mức đơn giản nhất thì người dùng sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như vị trí và thuộc tính của cây rừng Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sư lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, hoặc sự phản ứng của một lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn Nếu những dữ liệu thu thập gắn liền với đối tượng vùng và ứng dụng sử dụng các chức năng phân tích phức tạp thì mô hình dữ liệu dạng ảnh

(raster) có khuynh hướng chiếm ưu thế.

3.2 Ứng dụng GIS trong Khí tượng thuỷ văn

Trong lĩnh vực này GIS được dùng như là một hệ thống đáp ứng nhanh, phục vụ chống thiên tai như lũ quét ở vùng hạ lưu, xác định tâm bão, dự đoán các luồng chảy, xác định mức độ ngập lụt, từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời

vì những ứng dụng này mang tính phân tích phức tạp nên mô hình dữ liệu không gian dạng ảnh (raster) chiếm ưu thế

3.3

Ứng dụng GIS trong Nông nghiệp, quản lý đất đai

Những ứng dụng đặc trưng: Giám sát thu hoạch, hệ thống quản lý đất đai, dự báo

về hàng hoá, nghiên cứu về đất trồng, kế hoạch tưới tiêu, kiểm tra nguồn nước

3.4 Ứng dụng GIS trong Dịch vụ tài chính

GIS được sử dụng trong lĩnh vực dịch vụ tài chính tương tự như là một ứng dụng đơn lẻ Nó đã từng được áp dụng cho việc xác định vị trí những chi nhánh mới của Ngân hàng Hiện nay việc sử dụng GIS đang tăng lên trong lĩnh vực này, nó là mộtcông cụ đánh giá rủi ro và mục đích bảo hiểm, xác định với độ chính xác cao hơn những khu vực có độ rủi ro lớn nhất hay thấp nhất Lĩnh vực này đòi hỏi những dữ liệu cơ sở khác nhau như là hình thức vi phạm luật pháp, địa chất học, thời tiết và giá trị tài sản

3.6 Ứng dụng GIS cho Chính quyền địa phương

Chính quyền địa phương là một trong những lĩnh vực ứng dụng rộng lớn nhất của GIS, bởi vì đây là một tổ chức sử dụng dữ liệu không gian nhiều nhất Tất cả các

cơ quan của chính quyền địa phương có thể có lợi từ GIS GIS có thể được sử dụngtrong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, thay thế cho việc hồ sơ giấy tờ hiện hành Nhà cầm quyền địa phương cũng có thể sử dụng GIS trong việc bảo dưỡng nhà cửa

và đường giao thông GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý các tình huống khẩn cấp

3.7 Ứng dụng GIS trong thị trường Bán lẻ

Phần lớn siêu thị vùng ngoại ô được xác định vị trí với sự trợ giúp của GIS GIS thường lưu trữ những dữ liệu về kinh tế-xã hội của khách hàng trong một vùng nào

đó Một vùng thích hợp cho việc xây dựng môt siêu thị có thể được tính toán bởi thời gian đi đến siêu thị, và mô hình hoá ảnh hưởng của những siêu thị cạnh tranh GIS cũng được dùng cho việc quản lý tài sản và tìm đường phân phối hàng ngắn nhất

3.8 Ứng dụng GIS trong Giao thông

GIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận tải Việc lập kế hoạch và duy trì cở sở hạ tầng giao thông rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, nhưng giờ đây

có sự quan tâm đến một lĩnh vực mới là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải,

và hải đồ điện tử Loại hình đặc trưng này đòi hỏi sự hỗ trợ của GIS

3.9 Ứng dụng GIS cho Các dịch vụ điện, nước, gas, điện thoại

Những công ty trong lĩnh vực này là những người dùng GIS linh hoạt nhất, GIS được dùng để xây dựng những cơ sở dữ liệu là cái thường là nhân tố của chiến lược công nghệ thông tin của các công ty trong lĩnh vự này Dữ liệu vecto thường được dùng trong các lĩnh vực này những ứng dụng lớn nhất trong lĩnh vực này là Automated Mapping và Facility Management (AM-FM) AM-FM được dùng để quản lý các đặc điểm và vị trí của các cáp, valve Những ứng dụng này đòi hỏi những bản đồ số với độ chính xác cao

Một tổ chức dù có nhiệm vụ là lập kế hoạch và bảo dưỡng mạng lưới vận chuyền hay là cung cấp các dịch vụ về nhân lực, hỗ trợ cho các chương trình an toàn công cộng và hỗ trợ trong các trường hợp khẩn cấp, hoặc bảo vệ môi trường, thì công nghệ GIS luôn đóng vai trò cốt yếu bằng cách giúp cho việc quản lý và sử dụng thông tin địa lý một cách hiệu quả nhằm đáp ứng các yêu cầu hoạt động và mục đích chương trình của tổ chức đó

PHẦN II : ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG

NGÀNH CẤP THOÁT NƯỚC

A Mô tả khái quát về việc ứng dụng công nghệ GIS trong ngành cấp thoát nước

1.Đặt vấn đề

Ngày nay, công nghệ thông tin đang phát triển mạnh mẽ và thâm nhập sâu vào hầu hết các ngành khoa học, các hoạt động thực tiễn và quản lý, đặc biệt là sự ra đời vàphát triển của GIS Đây là một ngành công nghệ mới, hiện đại được ứng dụng trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực ở khắp nơi trên thế giới nhằm hiện đại hoá công tác quản lý, xử lý, phân tích, quy hoạch và tăng cường năng lực công tác cho ngườiquản lý cho phép chúng ta lưu trữ, thể hiện và thực hiện hàng loạt các phép phân tích phức tạp một cách nhanh chóng, chính xác Các công ty cấp thoát nước có mộtlượng lớn tài sản luôn cần phải theo dõi và quản lý, bảo dưỡng và vận hành liên tục Trong công tác này thì bản đồ hiện trạng mạng lưới cấp nước là tài liệu chuyênngành rất quan trọng và cần thiết Trong thời gian vừa qua, hệ thống bản đồ mạng lưới cấp nước được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp thủ công trên giấy hoặc theo ghi chép của từng người do đó gặp rất nhiều khó khăn trong công tác quản lý cũng như vận hành bảo dưỡng thường xuyên Mặc khác, trong công tác quản lý cấpnước, các thông tin thường phải được cập nhật thường xuyên và với khối lượng lớn Hơn nữa, việc tổng hợp số liệu để theo dõi, quản lý thường mất thời gian do phải tổng hợp từ nhiều nguồn Đặc biệt, yếu tố không gian của số liệu rất quan trọng vì đa số đây là các công trình ngầm và có lịch sử sử dụng trên chục năm, hơnthế nữa nó còn chứa nhiều thông tin GIS, với khả năng mạnh về phân tích, quản lý

dữ liệu không gian, rất phù hợp trong công tác này Do đó việc ứng dụng GIS quản

lý cấp nước là hết sức cần thiết

2 Mục tiêu Xây dựng một hệ thống thông tin địa lý phục vụ công tác quản lý cấp nước

• Cập nhật hiện trạng hệ thống mạng lưới cấp thoát nước Trong đó có lưu trữ các

dữ liệu thuộc tính về đường ống cấp nước, nhà máy nước, chi nhánh cấp nước, các thiết bị liên quan đến mạng lưới cấp nước, cống thoát nước, cửa xả, hố ga, các thiết

bị liên quan đến hệ thống thoát nước

• Hiển thị bản đồ mạng lưới cấp thoát

• Tạo các bản đồ chuyên đề và kết quả thống kê về mạng lưới cấp thoát nước và cóthể tổng hợp thông tin một cách nhanh chóng, chính xác, kịp thời

• Quản lý hồ sơ dữ liệu liên quan đến hệ thống cấp thoát nước, cho phép lưu trữ, cập nhật và tìm kiếm, truy xuất số liệu một cách dễ dàng

• Giúp cho công tác báo cáo, quản lý, vận hành bảo dưỡng, thiết kế quy hoạch cấp nước một cách tiện lợi và nhanh chóng

3 Nội dung thực hiện

• Thu thập bản đồ hành chính, bản đồ địa chính (bản đồ thửa) nhằm tạo bản đồ nền

• Thu thập các số liệu về hệ thống cấp thoát nước

• Thiết kế sơ đồ tổng quan, chi tiết cho hệ thống quản lý mạng lưới cấp thoát nước

• Thiết kế cấu trúc dữ liệu cho các lớp bản đồ

• Nhập số liệu về hiện trạng hệ thống cấp thoát nước Khi cần thiết phải vẽ thêm đối tượng cho bản đồ nền và kiểm tra lại bằng máy GPS

• Thiết kế và thiết lập các công cụ đê truy xuất các dữ liệu, thông tin liên quan đến

hệ thống

4 Phương tiện nghiên cứu

• Máy ảnh ghi lại hình ảnh dùng để đưa vào thông tin thuộc tính của hệ thống

• Máy vi tính

• Nguồn số liệu về bản đồ hiện trạng

• Nguồn số liệu về hiện trạng mạng lưới cấp thoát nước, nhà máy nước, chi nhánh cấp nước, nhà máy xử lý nước thải, khách hàng sử dụng nước

• Phần mềm MapInfo

5 Phương pháp nghiên cứu

• Sử dụng phương pháp phân tích hệ thống nhằm lập sơ đồ hệ thống thể hiện các tiến trình, cơ sở dữ liệu và dòng dữ liệu cho hệ thống

• Thiết kế cơ sở dữ liệu cho hệ thống Sử dụng phương pháp xây dựng hệ thống cơ

sở dữ liệu liên kết nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống

• Thu thập bản đồ hành chính, chuyển bản đồ địa chính (bản đồ thửa) từ định dạng

dữ liệu AutoCad sang định dạng dữ liệu Mapinfo để tạo bản đồ nền

• Thu thập và nhập các số liệu về hệ thống cấp nước vào hệ thống quản lý:

o Điều tra, phỏng vấn, tổ chức thảo luận nhóm các cán bộ quản lý của từng chi nhánh cấp nước, xí nghiệp thoát nước và của Công ty về công tác quản lý cấp thoátnước

o Thu thập các bản đồ về hiện trạng hệ thống cấp thoát nước thông qua các hồ sơ quyết toán công trình Cụ thể như hệ thống đường ống, hệ thống van, hệ thống trụ cứu hỏa, cửa xả, …

o Thu thập thông tin trực tiếp ngoài hiện trường, chụp ảnh tư liệu vị trí các van, cácnhà máy nước, cửa xả, …

o Thu thập số liệu về các chỉ tiêu chất lượng nước thô, nước phát ra mạng, công suất thiết kế của các nhà máy nước

o Điều tra thu thập số liệu của hơn các hộ khách hàng sử dụng nước: vị trí nhà trên bản đồ, thông tin cá nhân, thông tin về đồng hồ nước, hợp đồng sử dụng nước, giá nước…

o Điều tra hệ thống thoát nước của các hẻm như chủng loại và hướng thoát

o Đo đạc áp lực nước, lượng Cl2 dư, độ đục tại nhà hộ sử dụng nước

• Thiết kế các công cụ làm việc cần thiết cho hệ thống Truy xuất các dữ liệu, thông tin liên quan

B Một số ví dụ ứng dụng tiêu biểu

1 Hệ thống WDMS của công ty VidaGIS

Với sự nhận thức rõ về nhu cầu của các công ty Cấp thóat nước tại Việt nam qua nhiều cuộc khảo sát được tiến hành cùng với Chi hội Cấp thóat nước miền Trung Tây nguyên hay được tiến hành một cách độc lập bởi công ty VidaGIS tại Việt

nam, Đan mạch, Thái lan, Malaysia, hệ thống WDMS đã được ra đời phục vụ mục đích tăng cường năng lực quản lý của các công ty Cấp (thoát) nước Hệ thống WDMS được xây dựng bởi những chuyên gia cấp nước của Công ty WaterTech, chuyên gia GIS của VidaGIS, chuyên gia bản đồ của Nhà Xuất bản Bản đồ thuộc

Bộ tài nguyên Môi trường Việt nam, hệ thống WDMS của VidaGIS thực sự đem lại cho khách hàng Việt Nam những ứng dụng hiệu quả và tiên tiến nhất, giúp cho các nhà nhà quản lý, những người chuyên trách về kỹ thuật đều có khả năng tham gia vào hệ thống để tạo lập, sửa đổi hay sử dụng thông tin cho công việc của mình Toàn bộ hệ thống WDMS được thực hiện trên một nền CSDL GIS thống nhất, như vậy toàn bộ thông tin về: đường ống, khách hàng, đồng hồ, rò rỉ, hóa đơn… được tạo ra và quản lý trên nền một CSDL GIS thống nhất, đảm bảo cho việc quản lý thông tin một cách khoa học, không bị trùng lắp, lợi dụng tối đa khả năng quản lý

và phân tích thông tin không gian của GIS cho mục đích của công ty cấp nước

1.1 Các thành phần của WDMS

CSDL tích hợp thông tin của hệ thống cấp nước và bản đồ nền

CSDL tích hợp bao gồm CSDL GIS nền, các dữ liệu không gian và thuộc tính của

• Công nghệ GIS, SDE của ESRI

• Công nghệ quản lý CSDL quan hệ của Oracle, MS SQL Server

• Công nghệ lưu trữ, quản lý, versioning của ESRI

Hệ thống Quản lý rò rỉ (Leak management)

Chống rò rỉ là một vấn đề lớn trong cấp nước Giải pháp mà WDMS cho phép báo cáo, quản lý, theo dõi, tính toán và dự báo được các điểm, các khu vực rò rỉ, lên kế hoạch sửa chữa các điểm rò rỉ Sau khi xác định được vị trí rò rỉ và cập nhật vào CSDL, Hệ thống cho phép tìm kiếm chính xác vị trí rò rỉ theo các điều kiện khác nhau: theo vùng, theo thời gian, theo mức độ nghiêm trọng v.v và hiển thị chúng cùng các thông tin liên quan khác Hệ thống cho phép người quản lý cùng một lúc

có nhiều thông tin để kịp thời đưa ra các biện pháp sử lý đúng đắn, tiết kiệm và hiệu quả

Hệ thống đăng ký đường ống (Pipe registration)

Hệ thống đăng ký đường ống là một hệ thống GIS quản lý, lưu trữ và phân tích một khối lượng thông tin đồ sộ về mạng lưới cấp nước như loại ống, kích thước, chất liệu, ngày lắp đặt, giá cả, người lắp đặt v.v đồng thời cập nhật liên tục thông tin về lưu lượng dòng chảy, áp suất dòng chảy Các thông tin xử lý cùng với các thông tin liên quan khác có trong CSDL như địa hình, đường giao thông, mật độ dân cư v.v Hệ thống cho phép người quản lý tìm kiếm các điểm cuối của đường ống, tính toán đường ống dịch vụ, nội suy các mạng lưới độc lập, kiểm tra tính chính xác của thông tin khi nhập vào v.v Ngoài ra còn cho phép kiểm tra tình trạng của đường ống theo các điều kiện khác nhau: theo vùng, theo chủng loại, theo thời gian lắp đặt, theo tần suất dò rỉ v.v để từ đó lập kế hoạch duy tu, bảo dưỡng, thay thế một cách hợp lý, kịp thời

Hệ thống quản lý khách hàng (Customer management)

Hệ thống quản lý khách hàng quản lý các thông tin liên quan tới khách hàng như: thông tin cá nhân, khối lượng nước tiêu thụ hàng tháng, điểm cung cấp nước, CSDL về đồng hồ nước v.v Hệ thống này được nối với hệ thống tính hoá đơn cho khách hàng (billing system) Hệ thống có nhiệm vụ in ra hoá đơn hàng tháng cho khách hàng Việc in ra hoá đơn cho khách hàng được thực hiện theo từng vùngphục vụ (supply zone) hoặc theo tuyến phố nơi đường ống đi qua Hệ thống phục

vụ khách hàng (Customer service management) Một số công ty cấp nước có Trung tâm phục vụ khách hàng nhằm cung cấp thông tin, trả lời khách hàng, ghi nhận những thông tin về sự cố, phàn nàn về dịch vụ… Với sự giúp đỡ của hệ thống WDMS, trung tâm có thể có thông tin một cách nhanh chóng bằng các công cụ tìm

kiếm, hỏi đáp không gian, route track để trả lời khách hàng một cách chính xác nhanh chóng Ngoài ra với những công cụ cập nhật chi tiết trên CSDL GIS, tất cả thông tin về rò rỉ, khiếu nại… sẽ được cập nhật online trên hệ thống, cho phép các phòng ban liên quan cũng có được thông tin phục vụ tác nghiệp.

Hệ thống quản lý công việc (Job/work order management)

Hệ thống này sẽ chạy song song với hệ thống phần mềm GIS ở trên, có nhiệm vụ dây chuyền hóa công việc của các phòng ban trong công ty từ khi có một khách hàng yêu cầu lắp đặt đồng hồ nước, thảo bản vẽ thiết kế sơ bộ, in ra bản hướng dẫnthi công và cuối cùng là lưu hồ sơ hoàn công vào trong hệ thống Hệ thống này sẽ làm giảm thiểu tối đa sự trùng lắp dữ liệu giữa các phòng ban, quản lý thông tin được xuyên suốt và an toàn hơn

Thông tin khách hàng trực tuyến (Online Customer Information)

Với hệ thống này các hộ tiêu thụ nước có thể truy cập vào mạng internet để xem các thông tin như: lượng nước tiêu thụ hàng tháng, số tiền phải trả là bao nhiêu, bảng giá nước, các hỏi đáp, kiến nghị, đề nghị… Đồng thời có thể gửi yêu cầu đến nhà cung cấp nước, trả tiền nước trực tuyến…thông qua dịch vụ online payment

1.2 Phân tích đánh giá

WGIS cung cấp công cụ phân tích thống kê trên tập hợp thông tin về hệ thống cấp nước, nhằm tìm ra quy luật hoạt động của hệ thống cung cấp nước, ví dụ như diễn biến của lượng nước tiêu thụ theo các tháng trong 1 năm, tần xuất dò rỉ theo chủng loại ống nước, theo khu vực, theo thời gian sử dụng, mức độ rò rỉ, độ bền của đường ống, van v.v để từ đó giúp công ty cấp nước đưa ra các dự báo và điều chỉnh các hoạt động của mình cho phù hợp với thực tế Với sự trợ giúp của GIS trong việc kết hợp các mô hình tính toán ở trên, có thể quy hoạch cho các khu vực phân bố đồng hồ đo nước trong thành phố, mở rộng diện tích cấp nước, xây dựng các chiến lược về cấu trúc của hệ thống cấp nước trong tương lai và triển khai tiếp các dự án đã được phê duyệt trong cùng một hệ thống

2 Tích hợp công nghệ thông tin địa lý và mô hình toán thủy lực – HYDGIS để quản lý một mạng lưới cấp nước thành phố lớn

2.1 Mô hình HYDIS

2.1.1 Mô hình GIS: gồm các lớp đối tượng sau:

Hình 1 Mô hình thực thể mạng lưới cấp nước

Lớp đối tượng điểm (ĐTĐ): Nút, van, bơm, bể, nguồn, và đồng hồ nước Lớp đối tượng đường (nhánh) có tính chất sau:

- Đoạn thẳng nối liền hai đối tượng điểm ở hai đầu

- Nhánh phải được định chiều từ ĐTĐ đầu đến ĐTĐ cuối Nếu dòng chảy cùng chiều với nhánh thì lưu lượng Q > 0 và ngược lại, Q < 0

Mối quan hệ giữa đối tượng điểm và nhánh

Nếu đối tượng điểm bị xóa, thì các nhánh gắn với nó cũng bị xóa theo Tuy nhiên, nếu nhánh bị xóa thì không làm ảnh hưởng đến sự tồn tại của ĐTĐ ở

hai đầu - Khi di chuyển ĐTĐ thì nhánh và chiều dài của nhánh gắn với nó cũng thay đổi theo

Lớp đối tượng đường giao thông: dùng để hiển thị đường giao thông của bản

đồ nền

Đối tượng vùng (đa giác): để biểu thị nhà hoặc khu vực đặc thù trong bản đồnền

Đặc tính của chương trình GIS:

- Được tạo lập từ phần mềm Arcview 3.2a, lập trình nhờ ngôn ngữ Avenue [1], hoạt động trên nền WINDOWS

- Giao diện gồm nhiều cửa sổ với thanh công cụ, thanh chức năng và menu được trình bày bằng tiếng Việt (Hình 2) - Dữ liệu được chứa trong tập tin

- Cho phép nhập, hiệu chỉnh dữ liệu

- Cho phép tìm kiếm chuỗi ký tự trong TTQL và TTKT, truy vấn sự hiện hữu của các đối tượng trong một lớp cụ thể trong bản đồ số dựa theo điều kiện

- Cho phép lập, hiển thị và in ấn bảng và biểu đồ gắn với các đối tượng trongbản đồ số

- Cho phép cấp hoặc thay đổi mật mã đăng nhập cho cán bộ quản lý và người sử dụng

2.2 Mô hình toán thủy lực

2.2.1.Đặc điểm của chương trình thủy lực:

- Được tạo lập từ phần mềm Visual Basic 6.0 trên nền hệ điều hành

WINDOWS - Giao diện gồm cửa sổ chính chứa bản đồ mạng lưới, thanh công cụ, thanh chức năng và menu được trình bày bằng tiếng Việt (Hình 3)

- Dữ liệu được chứa trong tập tin CSDL ACCESS có phần mở rộng là MDB 2.2.2.Chức năng của chương trình thủy lực:

- Cho phép tạo mạng lưới đường ống

- Cho phép nhập, lưu trữ, cập nhật dữ liệu bao gồm:

+ Dữ liệu liên quan đến các đối tượng

+ Điều kiện biên ở nguồn (Z ~ t, Q ~ t);

+ Tham số rò rỉ nước C [Emitter]

+ Đường điều hành bơm ~ t, trạng thái đóng mở van theo t; đặc tính bơm Hb

~ Q, ç ~ Q và của bể chứa W ~ Z

+ Thông số của các loại van

- Tính thủy lực và khai thác kết quả

Hình 3.Giao diện chương trình thủy lực2.2.3.Phương pháp tính toán thuỷ lực:

- Tính lặp theo nguyên tắc sau:

+ Trong mỗi vòng lặp, phương pháp “gradient” được dùng để tìm cột áp suấttại các nút;

+ Dựa vào cột áp suất ở các nút, lưu lượng chảy trong các nhánh được tính toán + Tính sai số tổng lưu lượng nhập và xuất tại các nút và so sánh với sai

số cho phép + Trong quá trình lặp, chương trình kiểm tra điều kiện ràng buộc ở bể, bơm và van

+ Việc tính toán ở một thời điểm sẽ kết thúc khi dòng chảy thoả mãn phươngtrình năng lượng và phương trình liên tục ở tất cả các nhánh, nút và các đối tượng điểm - Giải pháp tổng hợp nút – mạch vòng dùng để giải hệ phương trình liên tục và phương trình năng lượng tại một thời điểm cụ thể được tóm tắt như sau:

- Giả sử mạng lưới đường ống có ND nút và NF bể và nguồn Đặt N =

ND+NF Mối quan hệ giữa lưu lượng và tổn thất cột nước trong đường ống nối hai đối tượng điểm i và j như sau

Hi – Hj = hij = | r Qijn + m Qij2|.Sign(Qij) (1)

Hi là cột nước đo áp ở nút i, hij là tổn thất cột nước giữa hai nút i và j ;

r là hệ số trở kháng (resistance coefficient),

Qij là lưu lượng qua nhánh nối hai nút i và j; n số mũ dòng chảy (flow

exponent); và m là hệ số tổn thất cục bộ Giá trị r, n và m tuỳ thuộc vào côngthức tính tổn thất dọc đường được dùng

2.2.4.Các công thức sử dụng:

- Công thức tính tổn thất trong ống: h = r.Qn (14)

Q là lưu lượng (m3 /s);

h là tổn thất dọc đường (m); r là hệ số trở kháng; và n là số mũ dòng chảy; khi h là tổn thất cục bộ r = 0,0826.K.d-4 ; d đường kính ống (m);

K là hệ số tổn thất cục bộ

- Mô phỏng cấp nước bằng vòi ( rò rỉ): Cơ chế ṛ rỉ biểu thị qua công thức sau: Q = C.pa (15) C là hệ số lưu lượng, tuỳ theo loại vòi phun hoặc dạng của chỗ rò rỉ Thường C bằng 0,5 và a bằng 2 Phương pháp tạo nguồn và nhánh giả như sau (Hình 5): Giả sử vòi đặt tại nút i, có cao trình mặt đất là

Zi, hồ giả có cao trình mực nước bằng cao trình mặt đất => Hj = Zi

- Mô phỏng van: Có nhiều loại van: Van mở hoàn toàn, van đóng hoàn toàn, van một chiều (CV), van giảm áp (PRV), van chịu áp (PSV), van kiểm soát

áp lực (PBV), van kiểm soát dòng chảy (FCV), van tiết lưu (TCV) & khóa nước, van mục đích tổng quát (GPV) Hoạt động và công thức tính toán các loại van

- Tính toán và kiểm tra mực nước trong bể: Dựa vào phương trình liên tục, thời đoạn œt, lưu lượng, mực nước trong bể ở thời điểm t, đường quan hệ W

~ Z, ta có thể tính toán được mực nước t t Zi +œ ở thời điểm t + œt Kiểm trađiều kiện Zmin ≤ t t Zi +œ ≤ Zmax Nếu điều kiện thoả mãn thì xem như việc kiểm tra điều kiện hoạt động đạt yêu cầu Ngược lại, nếu Zt+œt

4vượt ngoài phạm vi cho phép thì thời đoạn œt phải được điều chỉnh lại sao cho mực nước trong bể thoả mãn điều kiện trên Bên cạnh đó việc kiểm tra trạng thái của các van (đóng hoặc mở) gắn liền với bể là cần thiết

2.3 Liên kết giữa mô hình GIS & thủy lực

Chương trình GIS đảm nhận việc tạo lập bản đồ địa lý gồm bản đồ nền khu vực, bản đồ chuyên ngành trong lãnh vực cấp nước; quản lý và khai thác các

dữ liệu có liên quan đến các đối tượng trong bản đồ số

Chương trình Thuỷ Lực đảm nhận nhiệm vụ tính toán thuỷ lực để tìm ra sự phân bố áp suất và lưu lượng trong mạng lưới Nó cũng cho phép người sử dụng tạo lập mạng lưới đường ống; nhập liệu, cập nhật và khai thác kết quả dưới dạng bảng và biểu đồ

Mô đun cập nhật dữ liệu có các đặc điểm sau:

Việc tạo lập mới đối tượng điểm và nhánh phải được thực hiện từ GIS trước,tiến trình ngược lại không thực hiện được Nhờ mô đun cập nhật, dữ liệu từ GIS được chuyển cho CSDL ACCESS Nhờ dữ liệu này, chương trình Thuỷ lực có thể tiến hành tính toán và chuyển kết quả (dữ liệu thuộc tính) về cho

cơ sở dữ liệu GIS để hiển thị trên bản đồ số

Người sử dụng có thể dùng chương trình thuỷ lực một cách độc lập để xây dựng mạng lưới đường ống và tính toán thuỷ lực nếu như không quan tâm tới bản đồ nền

2.4 Áp dụng thử nghiệm

Kiểm tra chương trình thủy lực:

Mạng đường ống được chỉ ra trong Hình 6, gồm có 9 nút, nút ảo 13 sau bơm số 11 do chương trình tự động gán; nguồn 1 có giá trị cột áp 10 m H2O,nguồn 5 có giá trị cột áp 0 m H2O; bể 12 hình trụ có đường kính 10m, mực nước tối thiểu 0,5 m, mực nước tối đa 1,0 m, mực nước ban đầu 1,0 m; và 20nhánh với 2 nhánh ảo số 19 và 20 Nhánh 12 và nhánh 18 nối bơm có chiều dài 50 m, các nhánh ống còn lại có chiều dài là 1000 m Đường kính các ống

200 mm, hệ số nhám 0,01 Tốc độ tương đối = 1 Mẫu đường đặc tính bơm cho trong Bảng 1 Dùng phương pháp ba điểm (=1) để tính ho, rb, nb : Thế vào phương trình (2), Q = 0 => h = -ho => ho = 25 m

Q = Qmax = 0,1 m3 /s => h = 0 => 25 = rb.(0.1)nb (17a)

Qtk = 0,04 m3 /s => h = - 22 m => -22 = - 25 + rb.(0.04)nb => 3 = rb.(0.04)nb(17b)

Giải hai phương trình (17a) và (17b), ta được nb = 2,3139 và rb = 5151,145 Tóm lại phương trình cột áp qua bơm khi hoạt động với vận tốc thiết kế là:

h = -25 + (5151,145).Q2,3139 (18)

Kết quả chạy chương trình chỉ ra rằng nút càng gần thượng lưu bơm thì áp suất chân không càng lớn Cột nước đo áp thấp nhất là -7,79292 m ở tại trước bơm, nút số 11 Cột nước đo áp tại sau bơm, nút 13 là 2,70791 m Do

đó cột nước bơm là Hb = 10,5 m Lưu lượng qua bơm là Qb = 0,079017 m3 /s Để kiểm tra chương trình tính toán bơm, từ giá trị lưu lượng này ta thế vào phương trình (18), ta được h = - 10,51 m, nghĩa là Hb = 10,51 m Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán của chương trình (Hb =10,5 m) Ta nhận thấy chương trình cho kết quả lưu lượng và cột nước đo áphoàn toàn phù hợp với các phương trình liên tục và năng lượng

Các thông tin quản lý cấp nước:

Thông tin quản lý được tổ chức theo lớp đối tượng và được gắn vào đối tượng trong bản đồ số Để tham khảo thông tin này đối với đối tượng, ví dụ, đồng hồ nước X, người sử dụng chương trình chỉ cần: chọn lớp đồng hồ nước, và nhấp chuột vào đối tượng đó Mỗi lớp đối tượng có hai loại thông tin: TTKT được dùng cho chương trình thủy lực; TTQL chủ yếu được dùng cho nhà quản lý và người tiêu thụ để theo dõi tình trạng sử dụng nước Tóm tắt TTQL của một số lớp đối tượng như sau:

- Đồng hồ nước: thông tin về khách hàng, đặc điểm của đồng hồ nước, giá biểu và định mức, áp lực, lượng tiêu thụ, khiếu nại và điều chỉnh

- Đường ống: Cấp đường ống, vật liệu làm ống, mục đích sử dụng, ngày lắp đặt, loại đường phố & cấu trúc bề mặt đường, thông tin về sự cố và sửa chữa

- Bơm, bể, van: các đặc tính, chi phí quản lý & điều hành, thông tin về sự cố

và sửa chữa

2.5.Vấn đề chất lượng nước thành phố

Nguyên nhân làm giảm chất lượng nước:

- Mức độ xử lý nguồn nước mặt và nước ngầm chưa được thích đáng Nguyên nhân này ít xảy ra vì dễ phát hiện và được kiểm soát thông qua việc thử nghiệm mẫu định kỳ

- Do đường ống nước bằng kim loại, vượt quá thời hạn sữ dụng, tạo rỉ sét Hiện tượng này mang tính chất cục bộ và chỉ ảnh hưởng đối với các hộ dùngnước ở hạ lưu của phần đoạn ống bị rỉ sét, có mật độ ảnh hưởng khá thường xuyên

- Do ảnh hưởng của tải trọng động trên bề mặt đất, hiện tượng lún, nhánh ống và mối nối kém chất lượng sẽ bị chuyển dịch và xuất hiện khe hở rò rỉ nước Khi áp lực nước mạnh, nước sẽ rò rỉ làm cho đất chung quanh bị ẩm, mềm ra và tích tụ lại thành lượng nước bẩn quanh điểm rò rỉ Khi đến giờ cao điểm, áp suất chân không trong ống xuất hiện do việc các hộ dân sử dụng bơm gắn trực tiếp vào mạng lưới, như được chỉ ra trong ví dụ trên Khi

đó nước bẩn theo lỗ rò rỉ thấm ngược vào trong đường ống và làm cho chất lượng nước tại khu vực hạ lưu điểm rò rỉ bị giảm sút đáng kể Hiện tượng này mang tính chất cục bộ, thường xảy ra ở khu vực có áp lực nước yếu, và

có nhiều hộ sử dụng bơm gắn trực tiếp vào mạng đường ống để lấy nước Giải pháp xử lý:

- Thử mẫu nước xác định thành phần hóa học của nước để phán đoán

nguyên nhân

- Nhờ vào sự phân bố dòng chảy và áp suất trong mạng, và địa điểm xảy ra nước bị giảm chất lượng, nhà quản lý có thể phán đoán được nguyên nhân

và vị trí gây ra tình trạng kém chất lượng hoặc các điểm rò rỉ

- Tăng cường áp lực nước và lưu lượng nước cho mạng đường ống cấp nước, đặt biệt là vào giờ cao điểm bằng cách gia tăng nguồn và/hoặc xây các

bể điều áp

- Hạn chế sử dụng bơm nối trực tiếp vào mạng đường ống để tránh áp suất chân không