Ứng dụng các công nghệ giám sát online để vận hành hiệu quả nhà máy và hồ chứa thủy điện (ICOLD Bulletin CL 2026)- [Bài 6]

CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ CHỨA

 

1. TỔNG QUAN

1.1 Định nghĩa

Giám sát chất lượng nước hồ chứa liên quan đến việc xác định và phân tích liên tục các chất hóa học tổng, chất rắn lơ lửng, trầm tích và hệ sinh thái thủy sinh trong nước hồ chứa một cách định kỳ hoặc không định kỳ, theo các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu liên quan. Đồng thời, các trạm giám sát chất lượng nước được bố trí trong một phạm vi nhất định để thực hiện giám sát lâu dài và thống kê các chỉ số chất lượng nước, tích lũy dữ liệu phân tích cơ bản về chất lượng nước.

 

1.2 Mục tiêu và ý nghĩa

Chất lượng môi trường nước hồ chứa, một phần quan trọng của môi trường sinh thái khu vực, ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội và điều kiện sống của cư dân địa phương trong khu vực hồ chứa. Do đó, giám sát chất lượng nước hồ chứa rất quan trọng để duy trì một môi trường nước lành mạnh và đảm bảo an toàn nước cho cư dân địa phương trong khu vực hồ chứa. Cụ thể, giám sát chất lượng nước bao gồm:

 

1. Giám sát lâu dài nước hồ chứa: Nắm bắt chất lượng nước hiện tại và xu hướng thay đổi của nó.

2. Giám sát nước thải hoặc nước cống xả từ các nguồn xả nước thải hoặc nước cống liên quan đến hoạt động sản xuất và sinh hoạt trong khu vực hồ chứa: Nắm bắt lượng xả nước thải hoặc nước cống và nồng độ chất ô nhiễm cùng tổng lượng của nó, đánh giá sự tuân thủ các tiêu chuẩn xả liên quan và cung cấp cơ sở cho kiểm soát nguồn ô nhiễm.

3. Giám sát khẩn cấp các tai nạn ô nhiễm môi trường nước: Cung cấp cơ sở cho phân tích và phán đoán nguyên nhân và mối nguy hiểm của các tai nạn như vậy, và đề xuất các biện pháp đối phó.

4. Cung cấp dữ liệu liên quan cho các cơ quan quản lý hành chính để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định và kế hoạch liên quan đến bảo vệ môi trường nước, và cho các cơ quan quản lý vận hành hồ chứa để xây dựng quy tắc làm việc và kế hoạch.

5. Cung cấp dữ liệu cơ bản và phương tiện kỹ thuật cho đánh giá và dự báo chất lượng môi trường nước, cũng như cho phổ biến khoa học liên quan đến môi trường.

 

1.3 Lịch sử phát triển

Giám sát chất lượng nước bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19. Năm 1899, Hiệp hội Y tế Công cộng Hoa Kỳ (APHA) thành lập Ủy ban Phương pháp Phân tích Tiêu chuẩn về Chất lượng Nước để chịu trách nhiệm xây dựng các quy trình giám sát chất lượng nước thống nhất. Năm 1905, Ủy ban này công bố các tiêu chuẩn cho phương pháp phân tích chất lượng nước, theo đó, các mục giám sát bao gồm các chỉ số vật lý của chất lượng nước, nhu cầu oxy hóa học (COD), khoáng chất không kim loại, vi sinh vật và kiểm tra vi khuẩn. Các kỹ thuật phân tích bao gồm phương pháp cân, phương pháp thể tích và các phương pháp kiểm tra vi khuẩn thông thường.

Trong những năm 1960, các chỉ số giám sát chất lượng nước ở Hoa Kỳ tăng từ hơn 10 mục trong đầu thế kỷ 20 lên gần 70 mục, bao gồm việc xác định thuốc trừ sâu hữu cơ clo. Vào thời điểm đó, các phương pháp phân tích liên tục được cập nhật, và các thiết bị mới liên tục được giới thiệu vào phương pháp giám sát chất lượng nước, như phương pháp quang phổ tử ngoại và khả kiến; trong khi đó, nhiều phương pháp hóa học truyền thống được thay thế bằng phương pháp quang phổ, và các thiết bị giám sát cũng được nâng cấp không ngừng, như thiết bị sắc ký khí (GC) và hấp thụ nguyên tử.

Năm 1970, Nhật Bản ban hành Luật Phòng ngừa và Xử lý Ô nhiễm Nước, và xây dựng các tiêu chuẩn về các chỉ số chất lượng nước xả để giám sát ô nhiễm chất lượng nước xả. Cùng năm, Cộng đồng Châu Âu (nay là Liên minh Châu Âu) xây dựng kế hoạch hành động chung trong lĩnh vực môi trường (bao gồm môi trường nước), và các quốc gia thành viên bắt đầu hợp tác bảo vệ môi trường trong giám sát chất lượng nước ở sông và hồ. Vào tháng 6 năm 1994, Công ước Bảo vệ Sông Danube được ký kết và có hiệu lực, thúc đẩy bảo vệ môi trường nước và quản lý tài nguyên nước trong lưu vực sông Danube. Đầu thế kỷ 21, Liên minh Châu Âu công bố Chỉ thị Khung về Nước để tích hợp các chính sách bảo vệ môi trường nước ở các quốc gia thành viên EU, và các nguyên tắc cơ bản của chính sách bảo vệ môi trường nước bền vững được thiết lập.

Tại Trung Quốc, giám sát chất lượng nước bắt đầu từ những năm 1950. Năm 1956, một lượng lớn dữ liệu chất lượng nước tự nhiên của sông được thu thập để giám sát thành phần hóa học của nước tự nhiên, và cơ quan giám sát chất lượng nước quốc gia được thành lập. Năm 1984, Quy định về Giám sát Môi trường Nước được ban hành, trong đó cung cấp các chỉ số và kỹ thuật tiêu chuẩn cho giám sát chất lượng nước. Trong thế kỷ 21, giám sát chất lượng nước phát triển nhanh chóng ở Trung Quốc. Trong giai đoạn này, kế hoạch xây dựng hệ thống giám sát và kiểm soát môi trường trực tuyến, thời gian thực trên toàn quốc được soạn thảo, với mục đích điều phối mối quan hệ giữa lưu vực sông và khu vực địa phương, khu vực nước và đất, và sinh vật và môi trường sống, và thực hiện chuyển dần từ giám sát chất lượng nước sang giám sát sinh thái nước.

Kể từ đầu những năm 1970, công nghệ viễn thám đã được áp dụng dần dần trong nghiên cứu về nước nội địa, và phát triển từ nhận dạng diện tích nước đơn giản đến giám sát viễn thám, lập bản đồ và dự báo các tham số chất lượng nước. Với sự phát triển của công nghệ viễn thám, nghiên cứu về chữ ký quang phổ và thuật toán của các tham số chất lượng nước đã tiến triển ổn định. Vào đầu những năm 1980, giám sát chất lượng nước chủ yếu tập trung vào phân tích chất lượng nước của đại dương mở. Từ cuối những năm 1980 đến những năm 1990, phương pháp thực nghiệm và phương pháp bán thực nghiệm cho phân tích chất lượng nước được đề xuất và áp dụng rộng rãi. Trong thế kỷ 21, nhiều dữ liệu viễn thám và các dữ liệu siêu phổ trên không khác nhau, như dữ liệu AVIRIS, dữ liệu CASI, dữ liệu AISA và dữ liệu CIS, đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu về giám sát chất lượng nước viễn thám.

 

2. CÔNG NGHỆ CHÍNH

Đối tượng giám sát chất lượng nước hồ chứa chủ yếu bao gồm nước môi trường và nguồn ô nhiễm nước. Việc giám sát này dựa vào việc lấy mẫu thủ công tại trạm thủy văn của mặt cắt sông, nơi thực hiện lấy mẫu tuần tra định kỳ hoặc không định kỳ thông qua tàu chuyên dụng, và nồng độ của các chỉ số khác nhau trong nước được kiểm tra thông qua chất đánh dấu, giấy thử hoặc các thí nghiệm vật lý hoặc hóa học khác. Trong trường hợp có sự cố ô nhiễm nước trong hồ chứa, các phương pháp trên có thể được áp dụng để thực hiện giám sát và lấy mẫu thường xuyên hơn trong khu vực ô nhiễm của hồ chứa và kênh sông, và theo dõi các đặc điểm và xu hướng thay đổi của các chỉ số khác nhau trong quá trình ô nhiễm và xả.

 

2.1 Công nghệ giám sát chỉ số

1. Giám sát nhiệt độ nước: Các phương pháp xác định nhiệt độ nước bao gồm phương pháp nhiệt kế thủy ngân, phương pháp nhiệt kế nước + nhiệt kế đảo chiều và phương pháp nhiệt kế lưỡng cực.

2. Giám sát pH: pH, một chỉ số nồng độ ion hydro trong nước, quan trọng để đánh giá độ axit hoặc kiềm của chất lượng nước; các phương pháp thử nghiệm bao gồm phương pháp chất đánh dấu, phương pháp giấy thử và phương pháp điện cực thủy tinh.

3. Giám sát oxy hòa tan: Oxy phân tử hòa tan trong nước và không khí được gọi là oxy hòa tan. Lượng oxy hòa tan trong nước là một chỉ số được sử dụng để đánh giá khả năng tự làm sạch của nước. Các kỹ thuật đo lường liên quan bao gồm phương pháp iodimetric, phương pháp điện cực màng và phương pháp điện cực quenching huỳnh quang.

4. Giám sát độ dẫn điện: Việc xác định độ dẫn điện chất lượng nước chủ yếu được thực hiện bằng đồng hồ đo độ dẫn điện hoặc phương pháp điện cực độ dẫn điện.

5. Giám sát độ đục: Độ đục đề cập đến mức độ cản trở khi ánh sáng đi qua dung dịch. Việc xác định độ đục có thể được thực hiện bằng phương pháp so màu thị giác, phương pháp quang phổ và phương pháp điện cực độ đục ánh sáng tán xạ.

6. Giám sát amoniac nitơ: Amoniac nitơ trong nước ô nhiễm, được gọi là amoniac không ion, là yếu tố chính gây ngộ độc cho sinh vật thủy sinh và là chất ô nhiễm tiêu thụ oxy chính trong cơ thể nước, và có thể gây ra quá trình phú dưỡng của nước. Nó độc hại đối với cá và một số sinh vật thủy sinh. Các phương pháp giám sát bao gồm phương pháp chuẩn độ hóa học, phương pháp phản ứng màu hóa học-quang phổ và phương pháp điện cực chọn lọc.

(7) Giám sát Phospho Tổng

Phospho trong nước là một chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển của tảo. Khi nồng độ phospho quá mức, nước có thể trở nên ô nhiễm và có mùi lạ, đồng thời là nguyên nhân chính gây ra quá trình phú dưỡng ở hồ và hiện tượng tảo nở hoa ở vịnh. Các phương pháp giám sát phospho tổng bao gồm:

- Phương pháp phản ứng màu hóa học-quang phổ: Sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra màu sắc đặc trưng, sau đó đo cường độ màu bằng quang phổ kế để xác định nồng độ phospho.

- Phương pháp sắc ký ion: Tách phospho khỏi mẫu nước bằng cách sử dụng cột sắc ký ion, sau đó đo nồng độ bằng các kỹ thuật phù hợp.

- Phương pháp quang phổ phát xạ plasma-coupled cảm ứng (ICP-AES): Sử dụng plasma cảm ứng để ion hóa mẫu nước, sau đó đo cường độ phát xạ của ion phospho để xác định nồng độ.

 

(8) Giám sát Nitơ tổng

Nồng độ nitơ tổng (TN) trong nước là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng nước. Nitơ tổng bao gồm nitơ vô cơ như NO₃⁻, NO₂⁻ và NH₄⁺, cùng với nitơ hữu cơ như protein, axit amin và amin hữu cơ. Các phương pháp giám sát nitơ tổng chủ yếu bao gồm:

- Phương pháp tiêu hóa kiềm - quang phổ tử ngoại và khả kiến: Tiến hành tiêu hóa mẫu nước với chất oxy hóa mạnh, sau đó đo nồng độ nitơ tổng bằng quang phổ kế.

- Phương pháp sắc ký ion: Tách các dạng nitơ khác nhau trong mẫu nước bằng sắc ký ion, sau đó đo nồng độ từng dạng bằng các kỹ thuật phù hợp.

- Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử khí: Sử dụng quang phổ kế để đo nồng độ nitơ tổng trong mẫu nước.

(9) Giám sát Nhu Cầu Oxy Hóa Học (COD)

Nhu cầu oxy hóa học (COD) đề cập đến lượng chất khử cần được oxy hóa trong mẫu nước thông qua phương pháp hóa học. Đây là một tham số quan trọng để xác định nhanh chóng mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nghiên cứu ô nhiễm sông và nước thải công nghiệp, cũng như trong quá trình vận hành nhà máy xử lý nước thải. Phương pháp chuẩn độ permanganat thường được sử dụng để xác định COD trong các cơ thể nước tự nhiên và nước mặt.

 (10) Giám sát Chlorophyll

Phân tích chlorophyll, một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá quá trình phú dưỡng của chất lượng nước, chủ yếu liên quan đến phân tích chlorophyll a/b. Chlorophyll trong giám sát môi trường nước thường đề cập đến chlorophyll a. Các kỹ thuật giám sát liên quan bao gồm:

- Phương pháp chiết dung môi - quang phổ kế: Chiết xuất chlorophyll từ mẫu nước bằng dung môi thích hợp, sau đó đo nồng độ bằng quang phổ kế.

- Phân tích huỳnh quang: Sử dụng phương pháp huỳnh quang để xác định nồng độ chlorophyll trong mẫu nước.

Việc giám sát các chỉ số này giúp đánh giá chất lượng nước và quản lý hiệu quả các nguồn nước.

 

2.2 Công nghệ giám sát chất lượng nước tự động

(1) Trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu trạm cố định

Trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu trạm cố định là phương pháp chính để giám sát chất lượng nước mặt, kết hợp công nghệ cảm biến hiện đại, đo lường tự động, điều khiển tự động, ứng dụng máy tính và phần mềm phân tích chuyên dụng, cùng với mạng truyền thông, tạo thành một hệ thống giám sát tự động trực tuyến toàn diện.

 (2) Trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu tủ

Để khắc phục nhược điểm của trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu trạm cố định, như kích thước và trọng lượng lớn, chiếm diện tích rộng, khó vận chuyển và lắp đặt tại chỗ, cùng chi phí cao, trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu tủ đã được phát triển. Loại trạm này tích hợp đơn vị điều khiển cục bộ, đơn vị thu thập và phân phối nước, đơn vị tiền xử lý và đơn vị giám sát và phân tích chất lượng nước. Các chỉ số và tham số chất lượng nước được giám sát có thể được sắp xếp linh hoạt, giúp giảm áp lực vận hành và bảo trì, cũng như giảm chi phí hóa chất.

 (3) Trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu phao

Trạm giám sát chất lượng nước trực tuyến kiểu phao sử dụng phao nổi làm nền tảng, tích hợp cảm biến giám sát chất lượng nước trực tuyến, thiết bị phân tích chất lượng nước, đơn vị cung cấp năng lượng mặt trời, hệ thống điều khiển, hệ thống truyền tải mạng không dây, hệ thống phụ trợ và hệ thống an ninh. Trang bị các chức năng như thu thập dữ liệu tự động, lưu trữ dữ liệu, truyền tải dữ liệu, định vị GPS và cảnh báo tự động, loại trạm này có thể cung cấp dữ liệu và thông tin môi trường được trực quan hóa và thời gian thực về chất lượng nước sông.

Việc áp dụng các công nghệ giám sát chất lượng nước tự động này giúp nâng cao hiệu quả giám sát, giảm chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời cho việc quản lý và bảo vệ nguồn nước.

 

3. ỨNG DỤNG TRONG VẬN HÀNH TÍCH HỢP CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ HỒ CHỨA

Chất lượng nước tốt là điều kiện tiên quyết cho việc vận hành tích hợp an toàn của hồ chứa và cung cấp nước. Công nghệ giám sát chất lượng nước trực tuyến đã được áp dụng rộng rãi trong vận hành tích hợp hồ chứa và trở thành công cụ chính của các cơ quan quản lý và các bộ phận liên quan để thực hiện giám sát chất lượng nước trực tuyến. Dữ liệu giám sát chất lượng nước thu được từ các trạm giám sát chất lượng nước tự động trực tuyến được sử dụng để kịp thời nắm bắt chất lượng nước hiện tại, đưa ra cảnh báo sớm và dự báo về các sự cố ô nhiễm nước nghiêm trọng hoặc trên diện rộng, giải quyết các tranh chấp phát sinh từ các sự cố ô nhiễm nước và giám sát việc tuân thủ các tiêu chuẩn xả thải tại các cửa xả nước thải.

Tại châu Âu, dọc theo lưu vực sông Danube, hệ thống cảnh báo sớm khẩn cấp sông Danube, bao gồm hệ thống giám sát và cảnh báo chất lượng nước, đã được thiết lập. Các điểm giám sát bao phủ các hồ chứa dọc theo sông Danube và các nhánh của nó, cùng với các mặt cắt sông quan trọng, để giám sát chất lượng nước theo thời gian thực trên toàn bộ lưu vực. Do đó, trong trường hợp xảy ra các sự cố ô nhiễm môi trường khẩn cấp, thông tin về sự cố có thể được phân phối nhanh chóng, và các kế hoạch khẩn cấp có thể được lập kịp thời để ứng phó hiệu quả với bất kỳ sự cố ô nhiễm nào, bảo vệ an toàn chất lượng nước trong các hồ chứa và sông.

Tại châu Á, dọc theo lưu vực sông Karun và sông Safid ở Iran, một hệ thống giám sát chất lượng nước tương đối hoàn thiện đã được thiết lập để cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho việc vận hành an toàn của các hồ chứa bậc thang và cung cấp nước đô thị trong các lưu vực sông. Các thiết bị tự động được sử dụng để giám sát phân tầng nhiệt, oxy hòa tan, độ mặn và pH, chlorophyll a, và độ đục trong hồ chứa. Các thiết bị này được thiết kế để cho phép đo lường nhanh chóng và liên tục các tham số cần thiết ở các độ sâu khác nhau cùng lúc.

Việc áp dụng công nghệ giám sát chất lượng nước trực tuyến trong vận hành tích hợp của nhà máy thủy điện và hồ chứa giúp đảm bảo chất lượng nước, nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ môi trường nước một cách hiệu quả.

Hình 5-1: Minh họa

Hình 5-1 minh họa các thiết bị giám sát chất lượng nước tự động được triển khai dọc theo sông Karun và sông Safid ở Iran. Những thiết bị này bao gồm các cảm biến và hệ thống thu thập dữ liệu được thiết kế để đo lường các tham số chất lượng nước quan trọng như nhiệt độ, oxy hòa tan, độ mặn, pH, chlorophyll a và độ đục. Chúng cho phép đo lường nhanh chóng và liên tục các tham số cần thiết ở các độ sâu khác nhau cùng lúc, hỗ trợ hiệu quả cho việc giám sát chất lượng nước và quản lý tài nguyên nước trong khu vực.

Dọc theo lưu vực sông Dương Tử ở Trung Quốc, Hệ thống Giám sát Sinh thái và Môi trường của Dự án Tam Hiệp đã được thiết lập. Hệ thống này sử dụng nền tảng quản lý và phân tích dữ liệu lớn, được hỗ trợ bởi hệ thống thông tin địa lý (GIS), để quản lý hiệu quả các trạm giám sát và lượng dữ liệu khổng lồ mà chúng tạo ra. Hệ thống cho phép quản lý trực quan, phân tích vùng và phân tích theo thời gian và không gian của nhiều trạm giám sát, giúp hiểu rõ xu hướng chất lượng nước trong Hồ chứa Tam Hiệp. Cách tiếp cận này đảm bảo duy trì chất lượng nước tốt trong hồ chứa.

Biểu đồ xu hướng của các chỉ số môi trường chính của Hồ chứa Tam Hiệp trước và sau khi tích nước (năm 2003) được thể hiện trong Hình 5-2.

Hình 5-2: Biểu đồ xu hướng của các chỉ số môi trường chính của Hồ Tam Hiệp

Hình 5-2 minh họa biểu đồ xu hướng của các chỉ số môi trường chính của Hồ chứa Tam Hiệp trước và sau khi tích nước (năm 2003). Biểu đồ này thể hiện sự thay đổi của các chỉ số môi trường quan trọng, giúp đánh giá tác động của việc tích nước đến chất lượng nước và môi trường xung quanh hồ chứa.

 

4. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ TRIỂN VỌNG

Trong suốt lịch sử phát triển của giám sát chất lượng nước, các kỹ thuật và phương pháp giám sát liên quan đã tiến hóa từ phương pháp phân tích hóa học thủ công sang các công nghệ tự động hóa phân tích vật lý, hóa học và sinh học, và đang hướng tới độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu, dễ vận hành và thân thiện với môi trường. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông, công nghệ máy tính và công nghệ cảm biến giám sát, hệ thống giám sát chất lượng nước đang ngày càng tự động hóa, thông minh hóa, không người và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết.

Đã có những nỗ lực nhằm thực hiện cảnh báo sớm và dự báo ô nhiễm nước, cũng như thiết lập hệ thống giám sát chất lượng nước trực tuyến, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho các đơn vị có thẩm quyền trong việc vận hành hồ chứa và các cơ quan quản lý môi trường nước để kịp thời nắm bắt tình hình môi trường nước hiện tại và đưa ra các chính sách tương ứng.

Sau khi giám sát chất lượng nước từ xa phát triển từ chế độ định tính sang chế độ định lượng, nhiều loại tham số chất lượng nước, bao gồm chlorophyll a, chất rắn lơ lửng và chất màu vàng, có thể được giám sát thông qua viễn thám, và độ chính xác của việc đảo ngược cũng đã được cải thiện. Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có các mô hình và thuật toán đa năng với độ chính xác cao hơn.

[Còn nữa, đón đọc bài tiếp tiếp: Giám sát thiết bị cơ khí điện]