Nghiên cứu xây dựng và thực nghiệm giám sát từ xa một số trạm đo mực nước tự động theo các nguyên lý đo không tiếp xúc với nước trên lưu vực sông

0
29041

Số liệu khí tượng thuỷ văn (KTTV) trong đó có các khâu truyền thông tin, lưu trữ, cung cấp số liệu là cơ sở quan trọng đối với công tác dự báo, nghiên cứu khoa học, quy hoạch. Hiện nay, trước nhu cầu của phát triển kinh tế xã hội yêu cầu đối với số liệu KTTV ngày càng cao cả về chất lượng và số lượng. Đo đạc các yếu tố KTTV, là mắt xích đầu tiên và được tiến hành theo một quy trình rất chặt chẽ và thống nhất trong toàn ngành. Cải tiến, nâng cao số lượng và chất lượng thông tin từ quá trình đo đạc KTTV là nhu cầu cấp thiết của ngành trong nhiều năm vừa qua.

Những năm gần đây cùng với sự biến đổi của khí hậu toàn cầu, diễn biến bất thường của thời tiết và thiên tai nguy hiểm xuất hiện ở nước ta ngày càng dày hơn, khốc liệt hơn và biến động rất phức tạp. Thiên tai nghiêm trọng không theo quy luật xẩy ra ở nhiều vùng khắp cả nước. Các cơn bão và mưa lớn với diễn biến bất thường và phức tạp trong những năm qua, đặc biệt trong năm 2010-2015 đã làm thiệt hại nhiều tính mạng và tài sản.

Những năm gần đây, các chuyên gia của Viện KH KTTV&BĐKH đã có kinh nghiệm trong thiết kế xây dựng và đã thử nghiệm thành công một số thiết bị tự động, như: đo gió, đo mưa, trạm khí tượng đo các yếu tố cơ bản. Thực tế cho thấy, các trạm đo bằng công nghệ của Viện KH KTTV& BĐKH đã triển khai có độ tin cậy và tính ổn định khá cao, với chi phí chỉ bằng khoảng 70-80% so với thiết bị nhập ngoại cùng tính năng.

Việc nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm hệ thống quy nhỏ, bao gồm một số trạm đo mực nước và đo mưa tự động phục vụ cảnh báo lũ và hỗ trợ công tác thu thập số liệu điều tra cơ bản là một giải pháp cơ bản để có thể chủ động nâng cao năng lực tự động hóa của ngành KTTV. Công nghệ đo mực nước tự động (MNTĐ) theo các nguyên lý đo không tiếp xúc với nước là các công nghệ tiên tiến có tính kế thừa công nghệ truyền thống để đảm bảo chất lượng số liệu và độ bền thiết bị trong các môi trường nước phức tạp. Kết hợp đo tự động hai yếu tốmực nước và lượng mưa là nhu cầu thực tiễn và khách quan của mạng lưới quan trắc tại các trạm thủy văn nước ta.

Việc làm chủ công nghệ tiên tiến là cơ sở để duy trì trang thiết bị hoạt động liên tục và lâu dài, tự động hóa các yếu tố KTTV khác nhau, tiến tới thực hiện thành công chiến lược tự động hóa của ngành KTTV.

Vì vậy, cơ quan chủ trì Viện Khoa học khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu cùng phối hợp với chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Viết Hân để thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng và thực nghiệm giám sát từ xa một số trạm đo mực nước tự động theo các nguyên lý đo không tiếp xúc với nước trên lưu vực sông phục vụ cảnh báo lũ” là cần thiết, lần đầu được đề xuất và khả thi trong điều kiện công nghệ hiện nay của nước ta.

Sau khi thiết kế xây dựng hoàn chỉnh, toàn bộ thiết bị đo mực nước thực nghiệm theo các nguyên lý khác nhau không tiếp xúc với nước, gồm có: các Datalogger với mã hiệu VH-025A2, VH-025A3, VH-025RD, VH-025SA, VH-025LS đo mực nước dạng phao – encoder, radar, siêu âm, laser và VH-025BR đo mưa được kiểm định đạt chất lượng và sẵn sàng để triển khai thực nghiệm.

Thiết bị lắp đặt thử nghiệm dài ngày tại 6 trạm thủy văn (gồm các 6 Datalogger VH-025A2, VH-025A3 dạng phao – encoder, 6 khối giải mã VH-08E và 4 Datalogger VH-025BR, 4 sen-xơ SL3-1, 10 bộ bộ thu phát không dây RF, 2 bộ modem RF, các thiết bị phụ trợ Pin mặt trời, acquy,..), trung tâm điều hành từ xa (Modem GSM, Máy tính và Chương trình điều khiển) đã được đã được triển khai thực nghiệm từ tháng 11 năm 2015.

Trong quá trình nhiều ngày hoạt động, một số khiếm khuyết được phát hiện và đã được khắc phục hoàn thiện. Ngoài ra trong thời gian này, được sự giúp đỡ góp ý của các chuyên gia thuỷ văn và các quan trắc viên có kinh nghiệm, thiết bị đã được bổ sung một số tính năng, về cả phần cứng và mềm, cho phù hợp hơn với điều kiện sử dụng tại nước ta. Đến tháng 03 năm 2016, các loại thiết bị VH-025xx đã được hoàn thiện thêm tính năng mới. Do phải lắp đặt ngoài bờ sông, rất khó khăn trong việc bảo quản nên, các thiết bị đo mực nước theo các nguyên lý Radar, Siêu âm, Laser được đo thực nghiệm ngắn ngày hơn.

Việc xây dựng tính năng thiết bị tuân theo Quy phạm quan trắc Khí tượng Thuỷ văn theo Tiêu chuẩn 94 TCN 1-2003 và Thông tư 70 “Quy định kỹ thuật đối với hoạt động của các trạm KTTV” ban hành ngày 23/12/2015 của Bộ TN & MT. Các tài liệu bản vẽ thiết kế hệ thống thiết bị tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 1613-75 đến 1639–75 và Tiêu chuẩn Quốc tế IEC. Trước khi lắp đặt thực nghiệm, tất cả các thiết bị đo, gồm 09 thiết bị đo mực nước tự động và 4 thiết bị đo mưa tự động, đã được kiểm định tại Trung tâm Mạng lưới KTTV, với kết luận: đạt yêu cầu. Việc thực nghiệm được tiến hành nghiêm túc và có cơ sở khoa học, qua các bước: xây dựng thiết bị, kiểm định, lắp đặt thử nghiệm, kiểm tra tại hiện trường, hoàn thiện quá trình thử nghiệm, đánh giá và đưa ra kết luận. Tất cả thiết bị đo mực nước, đo mưa tự động được lắp đặt tại 6 Trạm thủy văn, tỉnh Thái Bình, thuộc Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Đồng bằng Bắc Bộ và được nhà chuyên môn quan trắc song song cùng với thiết bị nghiệp vụ của ngành KTTV, tình trạng hoạt động được theo dõi thể hiện tại “Nhật ký hoạt động” của thiết bị.

Qua việc phân tích số liệu từ thực nghiệm, với các nguyên lý đo mực nước khác nhau, giám sát lượng mưa và truyền tin, có thể đưa ra một số đánh giá như sau:
– Thiết bị đo lắp đặt trong giếng đo theo nguyên lý phao – encoder hoạt động ổn đinh và có sai số tuyệt đối trong khoảng 0.5-08cm, đáp ứng được yêu cầu của ngành KTTV theo quy phạm và Thông tư 70;

– Với thiết bị đo theo nguyên lý Laser, phân tích số liệu nhiều ngày thực nghiệm, sai số tuyệt đối trung bình là 0.7cm, 0.8cm đều nhỏ hơn 1.0 cm và trong khoảng cho phép của ngành KTTV;

– Với thiết bị đo theo nguyên lý Radar, số liệu thử nghiệm thể hiện sai số tuyệt đối trung bình là 0.8cm đều nhỏ hơn 1.0 cm và trong khoảng cho phép của ngành KTTV, trong đó có thời điểm lớn hơn 1.0cm, thường ảnh hưởng của sóng nước do tàu thủy đi lại;

– Với thiết bị đo theo nguyên lý Siêu âm, kết quả phân tích số liệu các ngày thực nghiệm, sai số tuyệt đối trung bình tương ứng là 0.9 – 1.2cm, có vài ngày sai số lớn hơn 1.0 cm và trong đó có nhiều thời điểm lớn hơn 1.0cm, thường do ảnh hưởng của sóng nước từ việc tàu thủy hoạt động và sai số của đầu đo siêu âm lớn hơn so với đầu đo Radar, Laser;

– Về yếu tố mưa, rõ nhất trong các ngày xảy ra mưa do ảnh hưởng của gió mùa và cơn bão số 1 (Marinae) tháng 07/2016, số liệu mưa của hai dạng quan trắc thủ công và tự động tương đương nhau, có thể khác nhau chút ít do vị trí đặt máy, miệng hứng thùng đo mưa khác nhau và có thể do thời điểm quan trắc tự động và thủ công lệch nhau ít nhiều;

– Về độ trễ số liệu về trung tâm thu nhận số liệu và cảnh báo, qua bộ số liệu nhiều ngày nhận được, độ trễ trung bình của luồng thông tin sẽ khác nhau chủ yếu phụ thuộc vào việc lựa chọn phương án truyền tin. Qua mạng điện thoại di động, với dạng truyền tin SMS, độ trễ trong khoảng 30 giây và xác suất rớt số liệu ít nhất và nhỏ hơn 0.5%, nhưng chi phí sẽ khá cao.Với dạng truyền tin TCP/IP GPRS, khi kết nối thành công độ trễ trong khoảng 30 đến 40 giây, xác suất rớt số liệu trong khoảng 5-7%.Với dạng truyền tin 3G email độ trễ trong khoảng 60 đến 90 giây, xác suất rớt số liệu trong khoảng 5%, do các vùng xa thành phố 3G bị kém hơn. Kết quả thử nghiệm cho thấy với giải pháp sử dụng 3G kết hợp với điều khiển luồng dữ liệu hợp lý, với kỳ truyền tin 10 phút/lần, chi phí cho duy trì thông tin có thể trong khoảng 20-30 ngàn đồng/tháng-trạm đo, chi phí này chỉ bằng 30% so với giải pháp duy trì truyền tin của thiết bị ngoại nhập. Các phương thức truyền tin khác như wifi, cáp internet, modem vệ tinh,.. không có tính khả thi với việc đo mực nước tại tuyến đo của các trạm thủy văn.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 13733/2016) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)