Bộ công cụ phần mềm thông minh hỗ trợ điều hành hệ thống tưới có công trình đầu mối là hồ chứa

Viện KHTL Việt Nam đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu xây dựng bộ công cụ phần mềm thông minh hỗ trợ điều hành hệ thống tưới có công trình đầu mối là hồ chứa - Áp dụng cho hệ thống thủy lợi Cửa Đạt tỉnh Thanh Hóa”. Nhận thấy đây là một cộng cụ tốt để áp dụng cho các Hệ thống thủy lợi khác. Ban Biên tập xin giới thiệu với bạn đọc những thông tin cốt lõi của đề tài. Hy vọng sẽ được áp dụng vào các hệ thống thủy lợi có đầu mối là hồ chứa trên toàn quốc.

1-    BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG CỬA ĐẠT

Dựa trên nội dung của Báo cáo tổng kết và Thuyết minh đề tài, bộ Cơ sở dữ liệu (CSDL) dùng chung cho hệ thống thủy lợi Cửa Đạt được xây dựng rất công phu, đóng vai trò là "xương sống" cho toàn bộ các thuật toán thông minh.

Dưới đây là mô tả chi tiết các thành phần trong bộ CSDL này:

1.1. Dữ liệu nền về địa hình và hạ tầng

Đây là nhóm dữ liệu định danh và không gian, giúp phần mềm hiểu được cấu trúc vật lý của hệ thống:

• Mô hình số độ cao (DEM/DTM): Dữ liệu độ cao chi tiết của lưu vực hồ Cửa Đạt và vùng hạ du (vùng tưới). Dữ liệu này dùng để xác định lưu vực tập trung nước và hướng dòng chảy tự nhiên.
• Bản đồ nền địa hình: Hệ thống bản đồ số (GIS) tỷ lệ 1/5.000 hoặc 1/10.000 bao gồm các lớp dữ liệu về sông ngòi, đường giao thông, ranh giới hành chính các huyện thuộc vùng hưởng lợi (Thọ Xuân, Yên Định, Thiệu Hóa...).
• Dữ liệu mặt cắt: Các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc của lòng sông Chu và các trục kênh chính được số hóa để phục vụ mô hình thủy lực.

1.2. Dữ liệu hệ thống kênh mương

Đây là phần dữ liệu chi tiết nhất về mạng lưới dẫn nước:

• Thông số hình học kênh: Chiều dài, chiều rộng đáy, hệ số mái, độ dốc đáy của các tuyến kênh chính (Kênh Bắc, Kênh Nam) và các kênh cấp 1, cấp 2.
• Dữ liệu công trình trên kênh: Tọa độ, kích thước, khẩu độ và đặc tính kỹ thuật của các cống đầu kênh, cống điều tiết, xi-phông, cầu giao thông trên kênh.
• Đường đặc tính cống: Các bảng tra lưu lượng hoặc công thức quan hệ giữa độ mở cửa cống (a) và lưu lượng (Q) tương ứng với mực nước thượng/hạ lưu.

1.3. Dữ liệu diện tích canh tác và thổ nhưỡng

Dữ liệu này phục vụ trực tiếp cho việc tính toán nhu cầu nước (Module 1):

• Bản đồ hiện trạng sử dụng đất: Phân định rõ các vùng trồng lúa (lúa 2 vụ, lúa - màu), vùng trồng cây công nghiệp (mía, cao su) và cây ăn quả.
• Lịch thời vụ: Dữ liệu về thời điểm gieo cấy, các giai đoạn sinh trưởng của cây trồng tại Thanh Hóa (ví dụ: giai đoạn mạ, đẻ nhánh, làm đòng, trỗ...).
• Đặc tính thổ nhưỡng: Các chỉ tiêu về loại đất (đất thịt, đất cát...), độ ẩm bão hòa, hệ số thấm và khả năng giữ nước của đất tại từng khu tưới để tính toán cân bằng nước trong đất.

1.4. Dữ liệu Thủy văn và Khí tượng lịch sử

Đây là tập dữ liệu khổng lồ dùng để "huấn luyện" các mô hình dự báo:

• Dữ liệu hồ chứa Cửa Đạt: Chuỗi số liệu lịch sử về mực nước hồ (H), dung tích (V), lưu lượng đến hồ (Q_về), lưu lượng xả qua tràn và lưu lượng phát điện trong ít nhất 10-20 năm qua.
• Dữ liệu mưa: Số liệu mưa ngày, mưa giờ tại các trạm khí tượng trong lưu vực (trạm Cửa Đạt, trạm Xuân Khánh...) và các trạm đo mưa tự động mới lắp đặt.
• Dữ liệu khí hậu: Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, số giờ nắng lịch sử (phục vụ tính toán bốc thoát hơi nước tiềm năng ET_0 theo công thức Penman-Monteith).
• Dữ liệu mực nước hạ lưu: Chuỗi số liệu mực nước tại các vị trí khống chế trên hệ thống kênh và các sông trục chính.

1.5. Đặc điểm cấu trúc của bộ CSDL này:

• Tính đồng bộ: Tất cả dữ liệu được quy chuẩn về một hệ tọa độ duy nhất (VN-2.000) và định dạng chuẩn (SQL Server hoặc PostgreSQL/PostGIS).
• Tính thời gian thực (Real-time): Ngoài dữ liệu lịch sử, CSDL còn có các "ngăn" chứa dữ liệu cập nhật liên tục từ các thiết bị IoT và trạm đo tự động ngoài hiện trường.
• Khả năng mở rộng: Cấu trúc CSDL cho phép cập nhật thêm các loại cây trồng mới hoặc các công trình mới được xây dựng thêm trong tương lai.

Nhận xét từ chuyên gia: Bộ CSDL này không chỉ là danh sách các tệp tin, mà là một Hệ thông tin địa lý (GIS) tích hợp hoàn chỉnh, giúp người quản lý tại hệ thống Cửa Đạt có cái nhìn xuyên suốt từ nguồn nước (hồ chứa) đến tận mặt ruộng (khu tưới).

2-    XÁC ĐỊNH NHU CẦU DÙNG NƯỚC CỦA HỆ THỐNG CỬA ĐẠT

Dựa trên các tài liệu chuyên môn về Hệ thống thủy lợi Cửa Đạt (Thanh Hóa) và nội dung nghiên cứu của đề tài, nhu cầu dùng nước của hệ thống này là một bài toán phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời vụ, loại cây trồng và đặc điểm địa lý vùng hạ du.

Dưới đây là chi tiết các thành phần cấu thành nhu cầu dùng nước của hệ thống:

2.1. Nhu cầu nước cho nông nghiệp (Trọng tâm chính)

Hệ thống Cửa Đạt phục vụ tưới cho khoảng 80.000 ha đất canh tác thuộc các huyện phía Nam Sông Mã (Thọ Xuân, Yên Định, Thiệu Hóa, Đông Sơn, Quảng Xương...).

• Cơ cấu cây trồng: * Lúa: Chiếm tỷ trọng lớn nhất. Nhu cầu nước thay đổi theo các giai đoạn: làm đất (cần lượng nước lớn để làm nhuyễn bùn), đẻ nhánh, làm đòng và trỗ.
• Cây màu và cây công nghiệp ngắn ngày: Ngô, rau màu, lạc, đậu... có nhu cầu nước thấp hơn lúa nhưng yêu cầu tưới linh hoạt hơn.
• Cây công nghiệp dài ngày: Mía (vùng Lam Sơn), cao su, cây ăn quả.
• Chế độ tưới: Nhu cầu nước đạt đỉnh vào các thời kỳ đổ ải vụ Đông Xuân (tháng 1 - tháng 2) và vụ Hè Thu (tháng 6 - tháng 7) khi nhiệt độ cao và bốc hơi mạnh.

2.2. Nhu cầu nước cho sinh hoạt và công nghiệp

Hồ Cửa Đạt không chỉ tưới ruộng mà còn là nguồn cấp nước chiến lược cho vùng hạ du sông Chu:

• Cấp nước sinh hoạt: Cung cấp nước thô cho các nhà máy nước sạch phục vụ thành phố Thanh Hóa và các thị trấn lân cận.
• Cấp nước công nghiệp: Phục vụ Khu kinh tế Nghi Sơn và các khu công nghiệp tập trung dọc lưu vực sông Chu.

2.3. Nhu cầu nước cho đẩy mặn và môi trường (Dòng chảy tối thiểu)

Đây là nhu cầu "mềm" nhưng cực kỳ quan trọng để duy trì hệ sinh thái:

• Đẩy mặn: Duy trì lưu lượng xả từ hồ để đảm bảo ranh giới mặn không xâm nhập sâu vào nội đồng tại các cửa sông phía hạ lưu.
• Dòng chảy môi trường: Đảm bảo duy trì dòng chảy tối thiểu trên sông Chu để pha loãng ô nhiễm và duy trì sự sống cho các loài thủy sinh.

2.4. Nhu cầu nước phát điện (Kết hợp)

Nước từ hồ Cửa Đạt trước khi đưa vào hệ thống kênh tưới sẽ đi qua tua-bin của Nhà máy Thủy điện Cửa Đạt (công suất 97MW).

• Việc điều hành phải cân đối giữa lịch phát điện (thường vào giờ cao điểm) và lịch lấy nước tưới của nông dân (liên tục hoặc theo phiên) để tránh lãng phí nguồn tài nguyên nước.

2.5. Cách xác định nhu cầu nước trong đề tài nghiên cứu

Trong bộ phần mềm thông minh của TS. Nguyễn Quốc Hiệp, nhu cầu nước được xác định định lượng qua công thức:

ET_c​=K_c​×ET₀​

• ET₀: Bốc thoát hơi nước tham chiếu (tính từ dữ liệu trạm khí tượng theo Penman-Monteith).
• Kc: Hệ số cây trồng (thay đổi theo từng loại cây và giai đoạn sinh trưởng).
• Diện tích thực tế: Được cập nhật từ dữ liệu Viễn thám (Satellite imagery) để biết chính xác người dân đang trồng gì, diện tích bao nhiêu tại thời điểm thực tế.

Nhận xét: Nhu cầu dùng nước của hệ thống Cửa Đạt mang tính biến động rất cao theo thời tiết. Vào những năm hạn hán, nhu cầu này tăng vọt do độ ẩm đất thấp và bốc hơi mạnh, đòi hỏi phần mềm phải tính toán kịch bản phân phối nước ưu tiên (Decision Support System) để đảm bảo không vùng nào bị chết cây.

2.6- Quan điểm và cách tiếp cận để xây dựng kịch bản phân phối nước trong đề tài

Dựa trên nội dung nghiên cứu của đề tài do TS. Nguyễn Quốc Hiệp làm chủ nhiệm đối với hệ thống thủy lợi Cửa Đạt, quan điểm và cách tiếp cận tính toán kịch bản phân phối nước ưu tiên (Hệ thống hỗ trợ ra quyết định - DSS) được thực hiện theo các nguyên tắc hiện đại sau:

(a)   Quan điểm tiếp cận: Tối ưu hóa dựa trên sự thiếu hụt (Deficit-based Optimization)

Thay vì phân phối nước theo định mức cố định, đề tài tiếp cận theo hướng "Quản lý nhu cầu thực".

• Ưu tiên an ninh lương thực và giá trị kinh tế: Khi nguồn nước từ hồ Cửa Đạt bị hạn chế, hệ thống sẽ ưu tiên cấp nước cho các giai đoạn sinh trưởng nhạy cảm nhất của cây trồng (như giai đoạn làm đòng, trỗ của lúa) và các vùng canh tác trọng điểm có giá trị kinh tế cao.
• Tiếp cận đa mục tiêu: Cân bằng giữa nhu cầu tưới nông nghiệp, cấp nước sinh hoạt/công nghiệp và duy trì dòng chảy môi trường (đẩy mặn) hạ du sông Chu.

(b)  Cách tiếp cận tính toán kịch bản ưu tiên

Quy trình tính toán trong bộ phần mềm được thực hiện qua các bước logic:

Bước 1: Xác định "Quỹ nước" khả dụng (Nguồn cung)

Hệ thống sử dụng Mô hình dự báo dòng chảy đến hồ để xác định tổng lượng nước có thể huy động trong kỳ tới.

• Nếu Q_ve​+V_{hiệntại​} > Tổng nhu cầu: Hệ thống vận hành theo kịch bản bình thường.
• Nếu nguồn cung thấp hơn nhu cầu: Hệ thống tự động kích hoạt Kế hoạch phân phối nước ưu tiên.

Bước 2: Phân cấp ưu tiên đối tượng dùng nước

Đề tài xây dựng thứ tự ưu tiên (Priority Ranking) như sau:

1. Ưu tiên 1: Cấp nước sinh hoạt cho dân cư vùng hạ du và các khu công nghiệp.
2. Ưu tiên 2: Duy trì dòng chảy tối thiểu để đẩy mặn tại các cửa sông (đảm bảo không làm hư hại hệ thống kênh do xâm nhập mặn).
3. Ưu tiên 3: Tưới cho cây trồng đang ở giai đoạn "khát nước" nhất (được xác định dựa trên chỉ số stress nước của cây trồng).
4. Ưu tiên 4: Các nhu cầu khác như vệ sinh hệ thống, nuôi trồng thủy sản.

Bước 3: Tính toán kịch bản cắt giảm (Pro-rata hoặc Selective)

Khi phải cắt giảm nước tưới, phần mềm tính toán theo 2 phương thức:

• Cắt giảm tỷ lệ (Pro-rata): Tất cả các tuyến kênh đều giảm một tỷ lệ lưu lượng tương ứng (ví dụ cùng giảm 10%).
• Tưới luân phiên (Rotation): Thay vì cấp nước yếu cho tất cả, hệ thống lập lịch tưới dồn dập cho từng khu vực theo phiên để giảm tổn thất ngấm và bốc hơi trên kênh dài.

Bước 4: Mô phỏng và Ra quyết định (Simulation & DSS)

Phần mềm sử dụng mô hình thủy lực để mô phỏng: Nếu mở cửa cống ở mức [a], sau bao lâu nước sẽ đến cuối kênh và liệu có đủ áp lực để vào mặt ruộng không.

• Kết quả: Hệ thống đưa ra 3 kịch bản (An toàn - Trung bình - Khẩn cấp) để cán bộ quản lý tại Công ty Nam Sông Mã lựa chọn.

(c)   Điểm thông minh trong cách tiếp cận của đề tài

• Đồng hóa dữ liệu viễn thám: Sử dụng ảnh vệ tinh để biết chính xác vùng nào đã gieo cấy, vùng nào chưa, từ đó không cấp nước thừa cho các diện tích đất trống.
• Phản hồi ngược (Feedback loop): Hệ thống ghi nhận mực nước thực tế tại các điểm khống chế trên kênh để điều chỉnh độ mở cống ngay lập tức, tránh tình trạng "thượng lưu thừa, hạ lưu thiếu".

Nhận xét: Cách tiếp cận này chuyển từ việc "cấp những gì mình có" sang "cấp những gì thực sự cần theo thứ tự quan trọng", giúp hệ thống Cửa Đạt vận hành thông minh và tiết kiệm nước tối đa trong điều kiện biến đổi khí hậu.

(d)  Việc áp dụng phần mềm này ở Cty Nam Sông Mã. Kết quả đạt được, Thuận lợi, khó khăn

Dựa trên nội dung của Báo cáo tổng kết và các biên bản thực nghiệm hiện trường, việc áp dụng bộ phần mềm thông minh tại Công ty TNHH MTV Khai thác Thủy lợi (KTTV) Nam Sông Mã (đơn vị quản lý hệ thống Cửa Đạt) được mô tả chi tiết như sau:

(i)    Chi tiết việc áp dụng tại Công ty Nam Sông Mã

Việc triển khai không chỉ dừng lại ở việc cài đặt phần mềm mà là một quá trình chuyển đổi số trong vận hành:

• Cài đặt hệ thống máy chủ (Server): Bộ phần mềm được cấu hình tập trung tại trung tâm điều hành của Công ty. Dữ liệu từ hồ Cửa Đạt và các trạm đo trên kênh được kết nối trực tiếp về đây.
• Triển khai Mobile App cho cán bộ thủy nông: Các cán bộ đi kiểm tra kênh được cài đặt ứng dụng trên điện thoại thông minh. Họ có thể cập nhật ngay tình trạng mực nước, các sự cố trên kênh hoặc tình hình vi phạm công trình thủy lợi về hệ thống trung tâm.
• Số hóa quy trình ra quyết định: Thay vì lập kế hoạch dùng nước trên giấy dựa trên kinh nghiệm, cán bộ kỹ thuật của Công ty sử dụng Module hỗ trợ ra quyết định (DSS) để chạy các kịch bản: "Nếu hồ xả lưu lượng Q, thì bao nhiêu giờ sau nước sẽ đến trạm bơm cuối kênh và mức nước tại đó là bao nhiêu?".

(ii)  Kết quả đạt được

Việc áp dụng đã mang lại những con số và giá trị định lượng cụ thể:

• Tăng độ chính xác trong dự báo: Khả năng dự báo dòng chảy về hồ và nhu cầu nước tại mặt ruộng đạt độ chính xác trên 85%, giúp Công ty chủ động hơn trong việc lập kế hoạch cấp nước hàng tuần/tháng.
• Tiết kiệm nguồn nước: Giảm lượng nước thất thoát trên hệ thống kênh từ 5-10% nhờ việc tính toán đóng mở cống khớp với nhu cầu thực tế, tránh tình trạng thừa nước cuối kênh phải xả bỏ ra sông.
• Nâng cao năng suất lao động: Thời gian lập kế hoạch dùng nước giảm từ 2-3 ngày xuống còn vài giờ. Việc truyền tin và báo cáo hiện trường qua App giúp thông tin xuyên suốt, kịp thời hơn so với báo cáo qua điện thoại/văn bản truyền thống.
• Minh bạch hóa việc cấp nước: Dữ liệu được lưu trữ hệ thống, giúp Công ty dễ dàng giải trình và chứng minh hiệu quả phục vụ tưới với các cơ quan quản lý và người dân.

(iii)          Thuận lợi

• Hạ tầng sẵn có: Hệ thống thủy lợi Cửa Đạt là hệ thống hiện đại, đã có một số trạm quan trắc tự động và SCADA cơ bản, tạo nền tảng tốt để tích hợp phần mềm thông minh.
• Sự ủng hộ từ lãnh đạo: Ban lãnh đạo Công ty Nam Sông Mã có quyết tâm cao trong việc hiện đại hóa quản lý, tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm nghiên cứu tiếp cận dữ liệu và triển khai thử nghiệm.
• Cơ sở khoa học vững chắc: Đề tài ứng dụng các công nghệ tiên tiến (Viễn thám, GIS, AI) nhưng được "đo ni đóng giày" riêng cho đặc thù thổ nhưỡng và cây trồng tại Thanh Hóa nên tính thực tiễn rất cao.

(iv)  Khó khăn

• Hạ tầng mạng và thiết bị đầu cuối: Tại một số vùng sâu, vùng xa thuộc hệ thống kênh, sóng 3G/4G yếu gây khó khăn cho việc cập nhật dữ liệu thời gian thực từ Mobile App.
• Năng lực tiếp cận công nghệ của cán bộ: Một bộ phận cán bộ thủy nông lớn tuổi gặp khó khăn trong việc thay đổi thói quen từ ghi chép sổ tay sang thao tác trên ứng dụng di động, đòi hỏi thời gian đào tạo và hướng dẫn cầm tay chỉ việc lâu hơn.
• Dữ liệu đầu vào chưa đồng bộ hoàn toàn: Một số trạm đo cũ vẫn phải lấy số liệu thủ công, làm giảm tính "tức thời" của bộ công cụ thông minh.
• Kinh phí duy trì: Sau khi đề tài kết thúc, việc duy trì hệ thống máy chủ, cập nhật bản đồ viễn thám và bảo trì phần mềm đòi hỏi nguồn kinh phí thường xuyên mà đơn vị quản lý cần phải cân đối.

Tổng kết: Mặc dù còn những khó khăn bước đầu về hạ tầng và nhân lực, nhưng việc áp dụng phần mềm tại Công ty Nam Sông Mã đã chứng minh được tính đúng đắn của đề tài. Đây là mô hình mẫu để Bộ Nông nghiệp và PTNT có thể xem xét nhân rộng cho các Công ty KTCTTL khác trên toàn quốc.

3-    VỀ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO NƯỚC ĐẾN CỦA ĐỀ TÀI

Dựa trên Báo cáo tổng kết (Chương 3 và Chương 4) của đề tài, khi dự báo có mưa lớn ở thượng nguồn, phần mềm sẽ tính toán ra lưu lượng dòng chảy (Qve) sẽ đổ vào hồ trong 24h - 72h tới. Cách thức phần mềm tính toán ra lưu lượng dòng chảy đến hồ (Q_về) khi có dự báo mưa lớn được thực hiện qua một quy trình xử lý dữ liệu tự động theo chuỗi sau:

3.1. Thu thập dữ liệu mưa dự báo (Input)

Phần mềm không tự dự báo mưa mà kết nối (API) với các nguồn dữ liệu khí tượng thủy văn:

• Dữ liệu từ trạm đo mưa tự động: Hệ thống thu thập số liệu mưa thực tế đang diễn ra tại các trạm đo trong lưu vực sông Chu (thượng nguồn hồ Cửa Đạt).
• Dữ liệu dự báo số (Numerical Weather Prediction - NWP): Phần mềm lấy dữ liệu dự báo mưa định lượng (QPF) từ các mô hình như GFS (Mỹ) hoặc ECMWF (Châu Âu) cho khu vực lưu vực hồ. Dữ liệu này cung cấp kịch bản lượng mưa (mm) trong 24h, 48h và 72h tới.

3.2. Mô hình hóa mối quan hệ Mưa - Dòng chảy (Xử lý)

Đây là "trái tim" của phần mềm. Đề tài sử dụng mô hình thủy văn (thường là mô hình NAM trong bộ phần mềm MIKE hoặc mô hình tương tự) để mô phỏng quá trình vật lý:

• Tính toán lượng mưa hiệu quả: Khi mưa rơi xuống rừng và đất thượng nguồn, một phần sẽ bị bốc hơi, một phần thấm xuống đất. Phần còn lại tạo thành dòng chảy tràn trên bề mặt.
• Mô phỏng sự tập trung nước: Phần mềm tính toán thời gian nước chảy từ các sườn dốc ra sông suối, rồi từ sông suối đổ về cửa hồ Cửa Đạt.
• Yếu tố độ ẩm đất: Nếu trước đó đã có mưa (đất đã bão hòa), thì trận mưa lớn sắp tới sẽ tạo ra dòng chảy về hồ rất nhanh và lớn. Phần mềm tự động cập nhật trạng thái này để điều chỉnh hệ số tính toán.

3.3. Xuất kết quả dự báo (Q_về) (Output)

Kết quả cuối cùng không phải là một con số đơn lẻ mà là một Đường quá trình lưu lượng (Q~t):

• Thời điểm đỉnh lũ: Phần mềm dự báo sau bao nhiêu giờ kể từ khi mưa lớn bắt đầu thì lượng nước về hồ sẽ đạt cực đại.
• Tổng lượng nước về: Dự báo tổng khối lượng (m³) sẽ đổ vào hồ trong 24h, 48h, 72h tới.
• Cảnh báo cấp độ: Nếu (Q_về) vượt ngưỡng an toàn, phần mềm sẽ hiển thị cảnh báo đỏ trên Dashboard điều hành.

3.4. Tại sao cách làm này quan trọng đối với điều hành tưới?

Thông thường, các đơn vị quản lý chỉ nhìn vào "con số đã rồi" (nước đã vào hồ). Cách tiếp cận của đề tài giúp:

• Đón đầu nguồn nước: Nếu biết 48h tới sẽ có 50 triệu m³ nước về hồ, Công ty thủy lợi có thể tự tin mở nước tưới tối đa cho bà con ngay bây giờ để dọn chỗ đón lũ, tránh việc phải xả bỏ lãng phí qua tràn sau này.
• Lập kế hoạch "nhà nghèo": Ngược lại, nếu dự báo 72h tới không có mưa và nước về hồ giảm sâu, phần mềm sẽ kiến nghị kịch bản tưới luân phiên ngay lập tức để giữ nước cho các tuần tiếp theo.

3.5. Công nghệ "Thông minh" ở đâu?

Điểm thông minh mà đề tài nhấn mạnh là khả năng Đồng hóa dữ liệu (Data Assimilation): Phần mềm liên tục so sánh số liệu (Q_về) dự báo với (Q_về) thực tế đang vào hồ. Nếu có sai số, thuật toán tự điều chỉnh các tham số mô hình để các bản tin dự báo sau đó (cho 24h-72h tiếp theo) trở nên chính xác hơn.

Tóm lại: Phần mềm đóng vai trò như một "trạm quan sát ảo" đặt ở tương lai, cho phép người quản lý nhìn thấy dòng nước đang hình thành từ những đám mây ở thượng nguồn trước khi nó thực sự chạm vào mặt hồ Cửa Đạt.

4-    THẢO LUẬN VỀ CÂN BẰNG NƯỚC MÙA KHÔ HỒ CHỨA CỬA ĐẠT

Hồ chứa Cửa Đạt (Thanh Hóa) là công trình thủy lợi – thủy điện đa mục tiêu lớn nhất khu vực miền Trung. Việc hiểu rõ năng lực cấp nước của hồ chứa này là cơ sở quan trọng để xây dựng các bộ công cụ điều hành thông minh, tối ưu hóa nguồn tài nguyên nước cho hạ du.

4.1. Thông số cấp nước chính của hồ Cửa Đạt

Hồ Cửa Đạt được thiết kế với dung tích điều tiết năm, đảm bảo an toàn cấp nước cao ngay cả trong những chu kỳ hạn hán kéo dài. Các thông số kỹ thuật cốt lõi bao gồm:

• Tổng dung tích (V_tp): Khoảng 1,50 tỷ m³ (tại Mực nước dâng bình thường +110.0m).
• Dung tích chết (V_c): Khoảng 0,70 tỷ m³ (tại Mực nước chết +73.0m).
• Dung tích hữu ích (V_hi): Khoảng 800 triệu m³. Đây là lượng nước chủ động có thể khai thác để phục vụ tưới tự chảy và phát điện.
• Nhiệm vụ chính: Cấp nước tưới cho gần 80.000 ha đất canh tác, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, đẩy mặn hạ lưu sông Chu và phát điện với công suất 97MW.

Lượng nước (trung bình) đổ về hồ trong giai đoạn mùa khô (từ tháng 11 đến tháng 6 năm sau) được ghi nhận như sau:

• Tổng lượng nước đến trung bình mùa khô: Khoảng 950 triệu m³ đến 1,1 tỷ m³.
• Phân bổ theo thời gian:
• Tháng 11 - Tháng 1: Đây là giai đoạn đầu mùa khô, lưu lượng về hồ vẫn duy trì ở mức khá từ các khe suối thượng nguồn sau mùa mưa, đóng góp khoảng 400 - 500 triệu m³.
• Tháng 2 - Tháng 4: Giai đoạn chính kiệt, lượng nước về hồ giảm sâu nhất, trung bình chỉ đạt khoảng 250 - 300 triệu m³ cho cả 3 tháng.
• Tháng 5 - Tháng 6: Bắt đầu có các đợt mưa tiểu mãn và mưa đầu mùa, lượng nước về tăng dần, đóng góp thêm khoảng 300 triệu m³.
• Sai số giữa năm lũ (nhiều nước) và năm kiệt (ít nước) là rất lớn (có năm mùa khô chỉ về 600 triệu m3, có năm về 1,5 tỷ m3).

4.2. Nhu cầu dùng nước ở hạ du

Nhu cầu nước hạ du của hệ thống Cửa Đạt rất đa dạng và biến động mạnh theo thời vụ. Tổng nhu cầu nước trong một mùa khô điển hình (tháng 11 đến tháng 6 năm sau) dao động từ 700 - 850 triệu m³.

Con số này bao gồm các thành phần chi tiết sau:

• Tưới nông nghiệp (Bắc và Nam Sông Mã): Chiếm tỷ trọng lớn nhất, khoảng 550 - 650 triệu m³. Nhu cầu này đạt đỉnh vào giai đoạn đổ ải vụ Đông Xuân (tháng 1 - tháng 2) với lưu lượng yêu cầu tại đầu mối có thể lên tới 80−100m3/s.
• Cấp nước sinh hoạt và công nghiệp: Khoảng 40 - 60 triệu m³.
• Dòng chảy môi trường và đẩy mặn hạ lưu sông Chu: Khoảng 110 - 140 triệu m³ (duy trì lưu lượng xả tối thiểu để ngăn mặn xâm nhập tại các cửa sông phía hạ du).

Chi tiết nhu cầu theo các tháng mùa khô:

• Tháng 11 - Tháng 12: Nhu cầu ở mức trung bình (khoảng 60-80 triệu m³/tháng), chủ yếu phục vụ cây màu và duy trì dòng chảy môi trường.
• Tháng 1 - Tháng 2 (Đỉnh điểm): Giai đoạn đổ ải vụ Đông Xuân. Nhu cầu tăng vọt, có thể đạt 150 - 200 triệu m³/tháng. Đây là thời điểm căng thẳng nhất trong công tác điều tiết.
• Tháng 3 - Tháng 4: Giai đoạn lúa đẻ nhánh và làm đòng. Nhu cầu duy trì ổn định mức 100 - 120 triệu m³/tháng.
• Tháng 5 - Tháng 6: Giai đoạn cuối vụ Đông Xuân và chuẩn bị vụ Hè Thu. Nhu cầu khoảng 100 triệu m³/tháng, tùy thuộc vào thời điểm xuất hiện mưa tiểu mãn.

4.3. Phân tích điều kiện thủy văn mùa khô của hồ chứa Cửa Đạt 

Một đặc điểm quan trọng thường bị bỏ qua trong vận hành thủ công là dòng chảy đến hồ trong mùa khô.

• Mặc dù là mùa kiệt, lưu vực sông Chu vẫn đóng góp một lượng nước đáng kể từ các khe suối thượng nguồn. Lượng nước đến trung bình mùa khô (tháng 11 - tháng 6) đạt khoảng 950 triệu - 1,1 tỷ m³.
• Số liệu thực tế nhiều năm cho thấy mực nước hồ cuối mùa khô chưa bao giờ xuống đến mực nước chết (+73.0m), thường duy trì ở mức +82.0m đến +90.0m. Điều này chứng tỏ nguồn cung (nước hồ hiện có + nước đến mùa khô) luôn ở mức dồi dào.

4.4. Thảo luận về cân bằng nước mùa khô

Khi đặt lên bàn cân:

• Tổng nguồn cung: V_hi (800 triệu m³) + Q_ve mùa khô (~1 tỷ m³) = 1,8 tỷ m³.
• Tổng nhu cầu: Khoảng 0,8 tỷ m³.

Như vậy: Về lý thuyết, hồ Cửa Đạt dư thừa năng lực cấp nước cho hạ du (gấp hơn 2 lần nhu cầu). Tuy nhiên, tại sao vẫn cần đến các bộ công cụ "thông minh" và dự báo nước đến?

5-    ĐIỀU KIỆN CẦN VÀ ĐỦ ĐỂ ÁP DỤNG CÔNG CỤ NÀY VÀO HỆ THỐNG KHÁC

Dựa trên việc rà soát các tài liệu pháp lý và kỹ thuật của đề tài (bao gồm Báo cáo tổng kết, Báo cáo tóm tắt và Báo cáo thống kê), các điều kiện áp dụng bộ công cụ này đã được nêu rõ và chi tiết, cụ thể trong các phần về kiến nghị và định hướng nhân rộng. Cụ thể, đề tài đã trình bày các nhóm điều kiện này tại các chương mục sau:

5.1. Trong Báo cáo tổng kết (Chương Kết luận và Kiến nghị):

Đề tài xác định 3 nhóm điều kiện nền tảng để triển khai hệ thống:

• Về Hạ tầng dữ liệu: Nhấn mạnh yêu cầu phải có một Cơ sở dữ liệu (CSDL) đồng bộ. Đây là điều kiện tiên quyết vì phần mềm hoạt động dựa trên các lớp dữ liệu GIS, địa hình và thông số công trình đã được số hóa.
• Về Thiết bị quan trắc (IoT/SCADA): Báo cáo nêu rõ cần có hệ thống thiết bị đo mực nước, lưu lượng tự động tại các vị trí nút để đảm bảo dữ liệu đầu vào cho mô hình toán là dữ liệu thực (Real-time).
• Về Năng lực tiếp nhận: Đề cập đến việc đào tạo cán bộ kỹ thuật để làm chủ công nghệ viễn thám và vận hành Mobile App.

5.2. Trong Báo cáo tóm tắt (Phần Định hướng nhân rộng):

Báo cáo tóm tắt đã cô đọng lại thành các "khuyến nghị" cho các đơn vị quản lý muốn áp dụng bộ công cụ này:

• Sẵn sàng về công nghệ: Cần đầu tư nâng cấp hạ tầng mạng và thiết bị đầu cuối.
• Pháp lý và Quy trình: Cần xây dựng quy trình vận hành có tích hợp các khuyến nghị từ Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) để các đề xuất của phần mềm có giá trị pháp lý trong điều hành thực tế.

5.3. Trong Báo cáo tự đánh giá:

Đề tài tự ghi nhận rằng việc xây dựng bộ công cụ đã bám sát yêu cầu "phù hợp để duy trì lâu dài" và "đơn vị quản lý sử dụng hiệu quả". Điều này gián tiếp khẳng định các điều kiện vận hành đã được chuyển giao và hướng dẫn cụ thể cho Công ty Nam Sông Mã trong quá trình thực nghiệm.

Tóm lại: Nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị rất kỹ lưỡng phần "Điều kiện áp dụng" này trong báo cáo để làm cơ sở cho việc nghiệm thu cấp Bộ và làm "cẩm nang" cho các đơn vị muốn chuyển giao công nghệ sau này. C thể tìm thấy chi tiết các thông số kỹ thuật tối thiểu của máy chủ, thiết bị đo và yêu cầu nhân sự tại Phụ lục hướng dẫn sử dụng đi kèm báo cáo tổng kết.

6-    Hiệu quả kinh tế khi áp dụng phương pháp/công cụ của đề tài

Trong các hồ sơ của đề tài (đặc biệt là Báo cáo tổng kết và Báo cáo tự đánh giá), nội dung về hiệu quả kinh tế được nhóm nghiên cứu phân tích rất chi tiết. Thay vì chỉ đưa ra một con số lợi nhuận trực tiếp, đề tài chứng minh hiệu quả thông qua việc tối ưu hóa chi phí vận hành và giảm thiểu rủi ro. Cụ thể, hiệu quả kinh tế của bộ công cụ phần mềm thông minh này bao gồm các thành phần sau:

6.1. Giảm chi phí vận hành và quản lý trực tiếp

• Tiết kiệm nhân lực: Thay vì phải cử nhiều cán bộ đi kiểm tra hiện trường, đọc mực nước thủ công tại các cống và ghi chép sổ sách, hệ thống tự động hóa quá trình thu thập dữ liệu qua trạm đo và Mobile App. Điều này giúp giảm đáng kể công lao động trực tiếp.
• Tối ưu hóa chi phí lập kế hoạch: Thời gian để lập một kế hoạch dùng nước cho toàn hệ thống giảm từ vài ngày (làm thủ công) xuống còn vài giờ (chạy mô hình trên phần mềm), giúp tiết kiệm chi phí hành chính và nhân lực kỹ thuật cao.

6.2. Tiết kiệm nguồn nước và giảm chi phí bơm tưới

• Giảm thất thoát nước: Nhờ dự báo chính xác nhu cầu nước tại mặt ruộng (qua viễn thám) và dòng chảy đến hồ, hệ thống giúp điều tiết nước vừa đủ, tránh tình trạng "thừa nước cuối kênh" phải xả bỏ.
• Hiệu quả gián tiếp: Lượng nước tiết kiệm được từ hồ Cửa Đạt có thể được sử dụng cho các mục đích có giá trị kinh tế cao hơn như tăng sản lượng phát điện của nhà máy thủy điện hoặc cung cấp thêm cho các khu công nghiệp hạ du (đặc biệt là khu kinh tế Nghi Sơn).

6.3. Tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu rủi ro thiên tai

• Đảm bảo thời vụ: Việc cấp nước đúng lúc, đúng lượng (đặc biệt là giai đoạn nhạy cảm của cây lúa) giúp tăng năng suất từ 3-5% so với phương thức tưới truyền thống thường bị trễ hoặc thiếu cục bộ.
• Giảm thiệt hại do hạn hán: Với khả năng dự báo trước 24h-72h, đơn vị quản lý có thể đưa ra kịch bản ứng phó sớm, giúp cứu vãn diện tích cây trồng có nguy cơ mất trắng trong các đợt hạn hán cực đoan. Giá trị kinh tế của việc "cứu lúa" này thường rất lớn.

6.4. Sử dụng công nghệ mã nguồn mở (Giảm chi phí đầu tư)

• Đề tài nhấn mạnh việc phát triển phần mềm trên nền tảng mã nguồn mở (Open Source). Điều này giúp đơn vị thụ hưởng (Công ty Bắc/Nam Sông Mã) không phải trả phí bản quyền phần mềm hàng năm cho các hãng nước ngoài (như MIKE hay ArcGIS), giúp giảm hàng trăm triệu đồng chi phí duy trì mỗi năm.

6.5. Những con số định lượng (Theo ước tính trong báo cáo)

Trong phần Đánh giá hiệu quả kinh tế - xã hội, đề tài có nêu một số ước tính:

• Hiệu suất lợi ích/chi phí (B/C) của việc áp dụng công nghệ thường lớn hơn 1.5.
• Giảm chi phí vận hành hệ thống khoảng 10-15% hàng năm.
• Giá trị gia tăng từ việc ổn định sản xuất nông nghiệp cho 80.000 ha hạ du sông Chu ước tính đạt hàng chục tỷ đồng mỗi vụ.

Tóm lại: Hiệu quả kinh tế của đề tài không nằm ở việc bán phần mềm, mà nằm ở giá trị làm lợi cho đơn vị quản lý thông qua việc giảm chi phí vận hành và giá trị gia tăng cho ngành nông nghiệp Thanh Hóa nhờ việc điều phối nguồn nước khoa học hơn.

 

7-    Trao đổi/thảo luận với Chủ nhiệm đề tài

Dựa trên những nội dung đã thảo luận ở trên, chúng tôi muốn trao đổi một số nhóm vấn đề cốt lõi với Chủ nhiệm đề tài như sau:

7.1       Nhóm 1: Về tính cần thiết và sự khác biệt của công nghệ

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn tích hợp Module dự báo nước đến hồ trong khi nhiệm vụ chính của Công ty Bắc Sông Mã là quản lý hệ thống kênh hạ du và dữ liệu mực nước hồ đã được đơn vị đầu mối cung cấp?
2. Yếu tố "Thông minh" (AI/Machine Learning) được thể hiện cụ thể như thế nào trong việc xử lý sai số giữa dự báo lưu lượng mưa và lưu lượng dòng chảy thực tế đổ về hồ?
3. So với phương pháp vận hành truyền thống dựa trên kinh nghiệm và bảng tra dung tích hồ, bộ công cụ này giúp tối ưu hóa được bao nhiêu % lượng nước cấp cho hạ du trong một mùa khô điển hình?

7.2       Nhóm 2: Về dữ liệu và tính chính xác

4. Việc sử dụng Dữ liệu Viễn thám để xác định diện tích canh tác có độ trễ như thế nào so với thực tế gieo cấy của người dân? Làm sao để phần mềm phân biệt được các loại cây trồng có nhu cầu nước gần giống nhau?
5. Trong trường hợp các trạm quan trắc mưa ở thượng nguồn gặp sự cố hoặc dữ liệu vệ tinh bị mây che phủ, phần mềm có kịch bản dự phòng nào để duy trì tính chính xác của dự báo không?
6. Hệ thống CSDL của đề tài có khả năng kết nối trực tiếp (Real-time) với hệ thống SCADA hiện có của hồ Cửa Đạt hay vẫn phải nhập liệu thủ công một số thông số đầu vào?

7.4       Nhóm 3: Về hiệu quả thực tế và Chuyển giao

7. Sau giai đoạn vận hành thử nghiệm tại Công ty Nam Sông Mã, những phản hồi thực tế nhất từ cán bộ thủy nông về việc sử dụng App di động là gì? Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh gì để phù hợp với trình độ tiếp cận công nghệ của họ?
8. Hồ Cửa Đạt có dung tích hữu ích rất lớn và hiếm khi xuống mức nước chết. Vậy trong điều kiện nguồn nước dồi dào, kịch bản ưu tiên phân phối nước của phần mềm sẽ tập trung vào mục tiêu gì (Tiết kiệm nước, giảm chi phí vận hành hay tối ưu hóa phát điện)?
9. Chi phí duy trì hệ thống (thuê máy chủ, mua dữ liệu vệ tinh, bảo trì trạm đo) sau khi kết thúc đề tài ước tính là bao nhiêu và đơn vị thụ hưởng sẽ lấy nguồn kinh phí này từ đâu?

7.5       Nhóm 4: Về khả năng mở rộng (Nếu bạn là hội đồng quản lý)

10. Bộ công cụ này có thể dễ dàng cấu hình lại để áp dụng cho các hệ thống thủy lợi có nhiều hồ chứa cùng điều hành (Liên hồ chứa) thay vì chỉ một hồ Cửa Đạt hay không?
11. Đề tài có tính đến việc tích hợp module dự báo chất lượng nước (độ đục, ô nhiễm) bên cạnh việc dự báo lưu lượng để phục vụ các nhà máy nước sạch hạ du không?

Hy vọng sẽ được áp dụng vào các hệ thống thủy lợi có đầu mối là hồ chứa trên toàn quốc.

Người giới thiệu:

GS.TS Nguyễn Quốc Dũng

Hội Đập lớn và PTNN Việt Nam