Đề tài dự thi khoa học kĩ thuật dành cho học sinh THPT Hệ thống cảnh báo lũ sớm

Lũ quét xảy ra ở hầu khắp các nước trên thế giới, đặc biệt ở các lưu vực sông nằm trong vùng nhiệt đới, chịu ảnh hưởng của khí hậu gió mùa và bão.Tại Việt Nam trong những năm gần đây, những cơn lũ quét lớn, đến bất ngờ và có sức tàn phá lớn xuất hiện thường xuyên ở nhiều nơi trên địa bàn cả nước, đặc biệt là ở vùng núi, gây thiệt hại nặng nề. Vì vậy, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Hệ thống cảnh báo lũ sớm” với mong muốn thiết lập được một hệ thống cảnh báo lũ sớm đơn giản mà hiệu quả giúp phòng tránh lũ quét, giảm bớt thiệt hại cho người dân.Đề tài được thực hiện xoay quanh một hệ thống cảnh báo lũ có thiết kế mang tính chất điện học và cơ học, kết hợp với các số liệu về địa lý thu thập được ở những nơi hay xảy ra lũ quét như lượng mưa, mực nước sông dâng lên hàng năm, đặc điểm địa hình,… qua đó xác định thời điểm lũ quét sắp xảy ra để thông báo cho người dân di tản kịp thời.Kết quả thu được từ đề tài:Thu được những số liệu hữu ích, không chỉ tạo nên hệ thống cảnh báo mà còn có thể giúp các địa phương xây dựng thêm cơ sở vật chất hợp lý nhằm phòng chống lũ.Xây dựng nên hệ thống cảnh báo ban đầu chính xác, mở ra cơ hội khả quan phát triển nên hệ thống mới có độ chính xác tốt hơn và được điều khiển tự động.

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP TỈNH (NĂM HỌC 2016 - 2017) Tên đề tài: HỆ THỐNG CẢNH BÁO LŨ SỚM Lĩnh vực: Vật lý – Thiên văn học Tác giả: Hoàng Khánh Ly, Nguyễn Văn Đức Người hướng dẫn: Giáp Văn Huy Đơn vị dự thi: Trường THPT Sơn Động số MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN 1: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI PHẦN 2: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ GIẢ THIẾT KHOA HỌC MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU GIẢ THIẾT KHOA HỌC PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CứU PHẦN 4: CƠ SỞ LÍ LUẬN KHÁI NIỆM, ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH CỦA LŨ QUÉT CÁC HỆ THỐNG ĐÃ VÀ ĐANG ĐƯỢC ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHẦN 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN PHẦN 6: BÀN LUẬN PHẦN 7: KẾT LUẬN PHầN 8: PHỤ LỤC PHẦN 1: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Lũ quét xảy hầu khắp nước giới, đặc biệt lưu vực sông nằm vùng nhiệt đới, chịu ảnh hưởng khí hậu gió mùa bão.Tại Việt Nam năm gần đây, lũ quét lớn, đến bất ngờ có sức tàn phá lớn xuất thường xuyên nhiều nơi địa bàn nước, đặc biệt vùng núi, gây thiệt hại nặng nề Vì vậy, nhóm chọn đề tài “Hệ thống cảnh báo lũ sớm” với mong muốn thiết lập hệ thống cảnh báo lũ sớm đơn giản mà hiệu giúp phòng tránh lũ quét, giảm bớt thiệt hại cho người dân Đề tài thực xoay quanh hệ thống cảnh báo lũ có thiết kế mang tính chất điện học học, kết hợp với số liệu địa lý thu thập nơi hay xảy lũ quét lượng mưa, mực nước sông dâng lên hàng năm, đặc điểm địa hình,… qua xác định thời điểm lũ quét xảy để thông báo cho người dân di tản kịp thời Kết thu từ đề tài: - Thu số liệu hữu ích, không tạo nên hệ thống cảnh báo mà giúp địa phương xây dựng thêm sở vật chất hợp lý nhằm phòng chống lũ Xây dựng nên hệ thống cảnh báo ban đầu xác, mở hội khả quan phát triển nên hệ thống có độ xác tốt điều khiển tự động TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Lũ quét từ lâu nạn thiên tai gây nên nỗi khổ đau cho người Việt Theo thống kê cho thấy: từ năm 2000 đến 2014 xảy 250 đợt lũ quét, làm chết 646 người, bị thương gần 351 người; 9.700 nhà bị đổ trôi; 100.000 nhà bị ngập; 75.000 lúa hoa màu bị ngập; hàng trăm đất canh tác bị vùi lấp; nhiều công trình bị hư hỏng nặng nề, tổng thiệt hại ước tính 3.300 tỷ đồng.Có thể điểm lại số trận lũ quét, sạt lở điển hình, gây thiệt hại lớn người tài sản trận lũ quét năm 2000 Nậm Cóong ( xã Nậm Cuối, huyện Sìn Hồ, tỉnh Lai Châu) làm 39 người chết, 18 người bị thương Trận lũ quét năm 2002 xảy huyện Hương Sơn, Hương Khê Vụ Quang, tỉnh Hà Tĩnh làm 53 người chết tích, 111 người bị thương Lũ quét gây sạt lở đất núi tỉnh Lào Cai năm 2004 làm 22 người chết tích, 16 người bị thương, có trường hợp gia đình thiệt mạng Lũ, lũ quét, sạt lở đất sau bão số số Lào Cai, Yên Bái năm 2008 làm 120 người chết tích… (Tránh chủ quan ứng phó lũ quét, sạt lở đất, báo baodientu.chinhphu.vn)4 Việt Nam có 3000 hồ thủy điện lớn nhỏ Đây thực số khổng lồ Tuy nhiên thực trạng cho thấy nhiều hồ hệ thống cảnh báo mực nước mà có cột đo có kẻ sơn phát quang bình thường Điều khiến cho tính mạng người dân đặt lên vai người trông coi hồ Vậy mà họ lơ công việc sao? Những việc thương tâm huyện Đầm Hà, tỉnh Quảng Ninh ngày 30/10/2014 hậu quả… Những số thương tâm khiến nhiều người băn khoăn, trăn trở tìm cách thức giải cho vấn đề nhằm bảo vệ tính mạng tài sản người dân, bảo vệ tài nguyên hệ sinh thái môi trường, đồng thời tiết kiệm hàng nghìn tỉ đồng cho ngân sách quốc gia.Đáng tiếc chưa có nhiều hệ thống cảnh báo lũ quét lắp đặt Việt Nam, đặc biệt nơi vùng núi xa xôi, hiểm trở Điều thúc – nhóm tác giả đề tài này, phải để tạo hệ thống cảnh báo lũ quét thật xác, hoạt động thật trơn tru mà nằm khả kiến thức học sinh trung học phổ thông, kết “Hệ thống cảnh báo lũ sớm” đời PHẦN 2: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ GIẢ THIẾT KHOA HỌC Mục đích nghiên cứu: Để tài trước hết hướng tới việc thu thập số liệu địa lý thông tin hệ thống cảnh báo có từ trước để qua có nhìn tổng thể thực trạng lũ quét Việt Nam Từ tạo hệ thống cảnh báo lũ quét riêng cho hoạt động nơi, điều kiện khắc nghiệt thời tiết, đồng thời tiếp thu ưu điểm khắc phục yếu điểm hệ thống trước đó, nhằm tạo sản phẩm tốt nhất, có tính hữu dụng cao, vào đời sống Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nhận biết xác đặc điểm vùng nơi hay xảy lũ quét, ưu – nhược điểm hệ thống có - Tạo hệ thống có tính tương tác cao, thân thiện với người sử dụng Hướng đến mục tiêu người dân sử dụng - Đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, xác điều kiện thời tiết, có giá thành rẻ, kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, vận chuyển hoàn toàn tự động Giả thiết khoa học: Khi bắt đầu trình nghiên cứu, đặt giả thuyết sau: Ta biết lũ quét hình thành xuất lượng nước lớn, lượng nước xuất mưa, bão lớn hay vỡ đập hồ chứa thủy điện Vậy coi lượng nước mưa mực nước sông hay đập thủy điện yếu tố then chốt cấu thành nên lũ quét, đặt mức cảnh báo hai yếu tố này, kết hợp với số yếu tố địa hình, thời điểm hay xảy lũ quét năm vùng, ta đưa báo động kịp thời đến người dân trước lũ quét bắt đầu đổ  Như vậy, từ giả thuyết đó, nhóm cho cho lắp đặt hệ thống cảm biến mực nước đo nước mưa mực nước dâng theo mức định cho truyền tín hiệu qua xử lí ( tích hợp sẵn số liệu địa lý vùng), ta biết xác cần phát tín hiệu báo động đến người dân PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu dự án hệ thống cảnh báo lũ quét sớm - Cấu tạo hệ thống bao gồm khối sau: + Khối 1: Cảm biến đặt bình đo lượng nước mưa + Khối 2: Thanh gắn cảm biến đặt lòng sông hồ thủy điện + Khối 3: Bộ ghi nhận liệu thu từ khối sử dụng bo mạch arduino phát sóng radio + Khối 4: Bộ nhận sóng radio khối xử lí liệu nhận sử dụng bo mạch arduino Phạm vi nghiên cứu: - Đặc điểm địa hình khí hậu Thị Trấn Thanh Sơn – Sơn Động – Bắc Giang - Các hệ thống cảnh báo lũ áp dụng Việt Nam - Giới hạn địa bàn: trình lắp đặt hệ thống thực trường THPT Sơn Động số 3 Phương pháp nghiên cứu: Để thực mục tiêu đề ra, nhóm sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu lý luận: tìm kiếm, đọc phân tích tổng hợp nguồn thông tin liên quan đến đề tài Internet Quá trình nhằm phát yếu tố cần có để tạo nên hệ thống, đồng thời giúp hệ thống hoàn thiện với điểm thông qua việc nhược điểm hệ thống cũ - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: từ kiến thức có từ phương pháp nghiên cứu lý luận, nhóm thiết kế lắp đặt hệ thống Ngoài ra, để có kiến thức chuyên sâu lập trình xử lí số liệu nhóm tham khảo, học hỏi trang web: http://arduino.vn/ PHẦN 4: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.Khái niệm đặc điểm lũ quét: a Khái niệm lũ quét: - Loại lũ có tốc độ mực nước lên nhanh khối lượng nước khổng lồ di chuyển nhanh từ địa hình cao xuống thấp - Dòng chảy xiết mang theo khối lượng chất rắn lớn (Lũ quét – thiệt hại biện pháp phòng tránh, tiểu luận địa chất môi trường, Đại học nông nghiệp Hà Nội)1 b Đặc điểm lũ quét: - Xuất bất ngờ, trì thời gian ngắn (từ 3-4 chưa đến ngày) - Lượng vật liệu rắn nước lũ từ 10%-60% Lưu lượng từ 500-2500 m3/s Tốc độ dòng nước lớn  Sức công phá lớn c Điều kiện hình thành nên lũ quét: + Do khối lượng nước khổng lồ mang đến mưa dông, bão hay bão nhiệt đới + Do lượng lớn băng tuyết núi tan chảy cách đột ngột + Do đập bị vỡ hay xả lũ đập cách vội vàng với khối lượng xả lớn + Lũ quét hình thành nơi có độ dốc 20% - 30%, độ che phủ thực vật thưa, độ ổn định lớp đất  Như ta xác định yêu tố cấu thành nên lũ quét là: lượng mưa, mực nước sông hay đập thủy điện đặc điểm địa hình Các hệ thống áp dụng Việt Nam: a GIS - Geography Information System: - Đặc điểm: đồ GIS liên kết với google maps lập vùng xác định yếu tố mức độ rừng bị phá, độ dốc, diện tích sườn núi => máy tính tính toán, dự đoán khu vực có nguy sạt lở đất, bị lũ quét cao, ước tính với lưu lượng mưa bao nhiêu, thời gian có nguy xảy lũ quét => địa phương di dời khu dân cư khỏi vùng nguy hiểm, dự báo sớm khả thiên tai xảy - Ưu điểm: + Liên kết với google maps nên dễ sử dụng + Độ xác cao - Nhược điểm: + Cần có mạng interet, không phù hợp với nơi vùng sâu + Khó khăn thông báo cho người dân nơi hẻo lánh b Công nghệ M2M (machine-to-machine): - Đặc điểm: bao gồm cảm biến tốc độ, lưu lượng nước đặt vị trí khác dòng sông, hệ thống máy chủ sử dụng điện mặt trời để thu thập thông tin từ cảm biến tính toán đưa cảnh báo tới người dân qua hệ thống phát Nếu linh hoạt hơn, quyền địa phương gửi thông điệp tình hình lũ lụt cách nhanh chóng tới nơi khác huyện chí xuống vùng hạ lưu để người dân đề phòng - Ưu điểm: + Thời gian xử lí nhanh + Tăng tính chủ động dùng pin mặt trời + Phù hợp với điều kiện vùng sâu - Nhược điểm: + Chi phí lắp đặt lớn + Chưa bao quát hết yếu tố tạo nên lũ quét + Tốn nhiều thời gian để thông báo cho người dân  Từ ưu điểm hạn chế phương pháp trên, định lựa chọn đề tài nghiên cứu hệ thống cảnh bão lũ với đặc điểm hệ thống trình bày đây: Cấu tạo nguyên lí hoạt động hệ thống: a Cấu tạo hệ thống: Khối 1: gồm hệ thống thiết bị đo mưa cảm biến đo mực nước để đo lượng nước mưa khoảng thời gian định Mực nước cảm biến ghi nhận truyền khối khối (3) truyền khối (4) – khối trung tâm xử lý số liệu Cấu tạo khối bao gồm cảm biến mưa Các cảm biến gắn với khối Cảm biến hoạt động nhờ dẫn điện nước (do nước mưa nước tinh khiết nên có khả dẫn điện), mực nước mưa làm ngập cảm biến nước đóng vai trò dây dẫn nối dây lại với truyền điện (tức tín hiệu) khối Khối (2): gồm cảm biến đo mực nước xây dựng dòng sông, suối đầu nguồn nơi cần theo dõi lũ Cấu tạo cảm biến: gồm cảm biến Ở cảm biến gắn miếng đồng Các cảm biến gắn với khối Cảm biến hoạt động tương tự khối (do nước lũ có nhiều tạp chất nên dẫn điện tốt), nước làm ngập cảm biến có tín hiệu tương ứng truyền khối Khối 3: khối thu nhận liệu khối (1) (2) truyền đến Cấu tạo bao gồm: adruino, phát sóng radio - Chương trình nạp cho bo mạch arduino khối sau: #include #define SERVO_PIN Servo gServo; unsigned long time1; unsigned long time2; int sensor1 = A0; int sensor2 = A1; int sensor3 = A2; int sensor4 = A3; int sensor5 = A4; int sensor6 = A5; int value1; int value2; int value3; int value4; int value5; int value6; int d; int i; int pin1 = 3; int pin2 = 4; int pin3 = 5; int pin4 = 6; int on = 7; int a=0; int b=0; int msg[6] ; //={i,j,k,x,y,z}; int lu1[6] = {1,0,0,0,0,0}; // lu cap int lu2[6] = {1,1,0,0,0,0}; // lu cap int lu3[6] = {1,1,1,0,0,0}; // lu cap int lu4[6] = {1,1,1,1,0,0}; // lu cap int mua1[6] = {0,0,0,0,1,0}; // bat dau mua int mua2[6] = {0,0,0,0,1,1}; // bao luong mua int mualu1[6] = {1,0,0,0,1,0}; // vua mua vua lu cap int mualu2[6] = {1,0,0,0,1,1}; // mua + lu nhung mua bao truoc int mualu3[6] = {1,1,0,0,1,0}; // mua + lu nhung lu len cap int mualu4[6] = {1,1,1,0,1,0}; // mua + lu nhung lu len cap int mualu5[6] = {1,1,1,1,1,0}; // mua + lu nhung lu len cap int mualu6[6] = {1,1,0,0,1,1}; // mua + lu nhung lu cap roi bao mua int mualu7[6] = {1,1,1,0,1,1}; // mua + lu nhung lu cap roi bao mua int mualu8[6] = {1,1,1,1,1,1}; // mua + lu nhung lu cap roi bao mua void setup() { gServo.attach(SERVO_PIN); delay(1000); analogWrite(on,255); delay(1000); gServo.write(90); } void loop() { N99: value1 = analogRead(sensor1); value2 = analogRead(sensor2); value3 = analogRead(sensor3); value4 = analogRead(sensor4); lcd.print("Nhiet Do = "); lcd.print(sensors.getTempCByIndex(0)); lcd.print(" oC"); delay(1000); analogWrite(on,255); // BAT RF } void loop() { N99: value1 = analogRead(sensor1); value2 = analogRead(sensor2); value3 = analogRead(sensor3); value4 = analogRead(sensor4); delay(50); if(value1 > 400) msg[0]=1; else msg[0]=0; if(value2 > 400) msg[1]=1; else msg[1]=0; if(value3 > 400) msg[2]=1; else msg[2]=0; if(value4 > 400) msg[3]=1; else msg[3]=0; N1: //lu1 for(d=0;d300000) { while(a==0) { lcd.clear(); delay(1000); // lcd.clear(); // delay(1000); lcd.print(" KHONG MUA, LU"); lcd.setCursor(0,3); delay(500); lcd.print("Nhiet Do = "); sensors.requestTemperatures(); delay(100); lcd.print(sensors.getTempCByIndex(0)); lcd.print("*C"); timet = millis(); goto N99; } } N8: // chong nhieu for(d=0;d