Giải pháp công nghệ cảnh báo, giám sát ngập và ô nhiễm cho thành phố Hồ Chí Minh

Trong vài thập niên qua, thành phố Hô 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 sông lên cao và nhanh hơn và vấn dề ngập thành phố đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn.

Để giải quyết bài toán ngập của thành phố, nhóm tác giả đã đề xuất ra các giải pháp khả thi trong đó có giải pháp công nghệ cảnh báo, giám sát ngập và ô nhiễm nước nhằm để phục vụ công tác quy hoạch quản lý vận hành trước mắt và tương lai cho thành phố Hồ Chí Minh.

Năm 1862, thành phố Sài Gòn được quy hoạch cho khoảng 500 ngàn dân với diện tích chỉ khoảng 25 km2, 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. 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 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 tiêu 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 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

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. 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.

 VỊ TRÍ MẠNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC THÀNH PHỐ  HỒ CHÍ MINH

Mạng lưới giám sát chất lượng nước thành phố Hồ Chí Minh

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.

Đề xuất mạng lưới giám sát trực tuyến (Online) và cảnh báo ngập thành phố

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).

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.

Cấu trúc hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát được kết hợp với 3 module chính:

Hệ thống giám sát tích hợp

- 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.

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.

Để sử dụng cho việc mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới kênh rạch TP. HCM, mô hình MIKE 11 sẽ được sử dụng như một công cụ chính cho việc tính toán và dự báo. 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.

SƠ ĐỒ THỦY LỰC

Sơ đồ thủy lực hệ thống kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh và vùng phụ cận

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).

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.

Module 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.  

Một chương trình mẫu của hệ thông tin GIS

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.

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 ra 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 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.

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 .

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.

Cấu hình một hệ thống giám sát và kiểm soát ngập

Giao diện của Module SCADA

Mạng lưới giám sát ngập và chất lượng nước thành phố Hồ Chí Minh

Mạng lưới giám sát ngập thành phố được xây dựng trên cơ sở các trạm giám sát hiện hữu của quốc gia và của thành phố bao gồm 5 trạm vùng phụ cận, 20 trạm ngoại thành và 20 trạm trong nội thành. Trong đó bao gồm việc giám sát vận hành của 12 cống trong hệ thống chống ngập thành phố.

 VỊ TRÍ CÁC ĐIỂM ĐO CỦA HỆ THỐNG THEO DÕI NGẬP

 Mạng lưới trạm SCADA giám sát ngập và chất lượng nước dự kiến cho TP.HCM

Danh sách và vị trí các trạm đo trong mạng lưới SCADA giám sát ngập

Ghi chú: H (mực nước); Sal: mặn; pH: chua; DO (nhu cầu Oxy); Mưa: đo mưa.

Kết luận & Kiến nghị

Kết luận:

Trong tương lai, khi đô thị phát triển thì hệ thống giám sát này cũng có thể phát triển theo mà không bị hạn chế về số lượng, không gian và thời gian. Chính vì vậy việc ứng dụng các công nghệ hiện đại trong quản lý và vận hành hệ thống trong một đô thị lớn là một việc làm bức thiết. Việc làm này giúp cho các nhà quản lý đưa ra những dự báo, kế hoạch vận hành chính xác nhằm giảm nhẹ những thiệt hại do thiên tai gây ra.

Kiến nghị:

- Việc xây dựng hệ thống quan trắc tự động mực nước, khí tượng và chất lượng nước tại những điểm đặc trưng trong vùng nghiên cứu là một việc làm rất cần thiết trong công tác vận hành nhằm xử lý những tình huống xảy ra một cách nhanh chóng và hiệu quả.

- Sau khi hệ thống quan trắc mực nước và chất lượng nước đã hoạt động tốt. Các đơn vị quản lý cần thường xuyên cập nhật số liệu kịp thời và sử dụng mô hình thủy lực nhằm tính toán, để đưa ra các giải pháp vận hành thích hợp nhất trong công tác phòng chống ngập.

- Trung tâm phòng chống ngập Thành phố và Công ty thoát nước đô thị sẽ là các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống trong vùng dự án, do đó hệ thống điều hành cần được kết nối với hai đơn vị quản lý này để theo dõi diễn biến khí tượng thủy văn để đề ra phương án vận hành cho phù hợp với tình hình thực tế.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Lê Sâm, 2008, đề tài cấp Nhà nước, “Nghiên cứu các giải pháp chống ngập cho TP. Hồ Chí Minh”.

[2]. CDM Camp dresser & Mc.Kee International (1999), “Nghiên cứu khả thi và thiết kế sơ bộ - Dự án thoát nước Thành phố Hồ Chí Minh lưu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè”. Báo cáo chính.

[3]. Đỗ Tiến Lanh, 2008, đề tài cấp Nhà nước, “Quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý tài nguyên nước hệ thống sông Đồng Nai”. Mã số: KC08 18/06-10.

[4]. Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (2008). Dự án Quy hoạch chống ngập Thành Phố Hồ Chí Minh.

[5]. Phạm Đức Nghĩa, Tăng Đức Thắng, Lê Sâm (2008). Đánh giá tác động môi trường hệ thống công trình chống ngập Thành phố Hồ Chí Minh.

[6]. Quyết định phê duyệt chống ngập úng khu vực TP. Hồ Chí Minh của Thủ tướng Chính phủ số 1547/QĐ-TTg ngày 28 tháng 10 năm 2008.

[8]. DHI - Water & Envinronment (August, 2004). “MIKE11 – a modelling system for Rivers and Chanels – Reference Manual” - Denmark Hydraulics Institute.

[9]. Võ Khắc Trí “Ứng dụng công nghệ thông tin để hiện đại hoá công tác quản lý vận hành các hệ thống thủy lợi ở ĐBSCL và miền Đông Nam Bộ”, Nhà xuất bản Nông nghiệp, 2003.

[10]. Võ Khắc Trí “Nghiên cứu về quản lý và vận hành các hệ thống thủy lợi lớn nhằm phát triển bền vững nguồn nước ở ĐBSCL, Việt Nam”, Tuyển tập Hội thảo quốc tế về Phát triển bền vững lưu vực sông Mê Kông, TP. Hồ Chí Minh, 06 - 07/10/2005.

Tác giả: PGS.TS. Võ Khắc Trí, GS.TS. Lê Sâm
Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tuyển tập KHCN 50 năm XD&PT