25/06/2018
Nguyễn Hữu Thắng, Hà Thanh Liêm, Vũ Văn Phương
Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường
Nguyễn Mạnh Khải
Khoa Môi trường, Trường ĐH Tự nhiên
Floydng, Justin.stockley
Tập đoàn Xylem
TÓM TẮT
Lưu vực sông (LVS) Nhuệ - Đáy là một trong những LVS lớn của nước ta, có vị trí địa lý đặc biệt; đa dạng và phong phú về các hệ sinh thái và tài nguyên; đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong nền kinh tế của cả nước nói chung, của vùng đồng bằng sông Hồng nói riêng. LVS Nhuệ - Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với tổng diện tích tự nhiên 7.388 km2 (riêng LVS Đáy là 6.965 km2), nằm 200 - 21020’ vĩ độ Bắc, và 1050 - 105030’ kinh độ Đông. LVS Nhuệ - Đáy bao gồm các tỉnh/TP: Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, một phần của TP. Hà Nội và 5 huyện của tỉnh Hòa Bình. Hiện nay, số liệu đầy đủ lưu lượng nước sông Nhuệ - Đáy phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và công tác quản lý còn khá hạn chế. Cả LVS Nhuệ - Đáy mới chỉ có 3 - 4 trạm thủy văn tuy nhiên số liệu về thủy văn, lưu lượng nước rất ít. Để cung cấp đầy đủ số liệu về lưu lượng nước, độ sâu, hình thái thủy văn, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng, thử nghiệm hệ thống đo lưu lượng nước tự động River Surveyor M9 hãng Sontek tại một số điểm trên LVS Nhuệ - Đáy
Từ khóa: Lưu lượng, mực nước, hình thái thủy văn, LVS Nhuệ - Đáy, Sontek, River Surveyor M9.
1. Đặt vấn đề
Từ năm 2006 đến nay, Cục BVMT trước đây nay là Tổng cục Môi trường đã xây dựng và phê duyệt hơn 13 chương trình tổng thể quan trắc môi trường nước tại các LVS chính tại Việt Nam: Cầu, Nhuệ - Đáy, Hồng, Thái Bình - Đà, Mã - Chu, Vu Gia - Thu Bồn, Cả - La… Trong thành phần quan trắc môi trường của các chương trình tại các LVS này đều chưa có thành phần thủy văn như mực nước, lưu lượng nước. Nguyên nhân số liệu thủy văn còn hạn chế do thiếu trang thiết bị, nhân lực quan trắc thông số thủy văn này. Đây là thành phần khá quan trọng và cần thiết để phục vụ công tác đánh giá và quản lý môi trường nước tại các LVS Việt Nam. Từ đó đến nay, Tổng cục Môi trường trong công tác quan trắc môi trường tại các LVS lớn Việt Nam chủ yếu thực hiện quan trắc môi trường nước tại các LVS chỉ tập trung về chất lượng nước, nồng độ ô nhiễm, chưa gắn kết được thông số về số lượng nước. Ngày 29/12/2017, Bộ TN&MT đã ban hành Thông tư số 76/2017/TT-BTNMT quy định về đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải, sức chịu tải của nguồn nước sông, hồ. Để tính toán được sức chịu tải, tổng thải lượng ô nhiễm tại các LVS làm cơ sở cho cấp phép xả thải, phân bổ hạng ngạch ô nhiễm công tác quan trắc lưu lượng và mực nước tại các sông, hồ là rất cần thiết.
Năm 2017, Trung tâm Quan trắc môi trường (Tổng cục Môi trường) đã triển khai đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống đo lưu lượng nước tự động nhằm đánh giá diễn biến lưu lượng nước và mực nước tại LVS Nhuệ - Đáy, đồng thời, đề xuất triển khai áp dụng hệ thống cho các LVS khác tại Việt Nam”.
Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng hệ thống đo lưu lượng nước tự động RiverSurveyor M9 tại một số điểm trên LVS Nhuệ - Đáy nhằm cung cấp số liệu liệu về lưu lượng nước, phục vụ đánh giá tổng hợp chất lượng tổng hợp nước trên LVS Nhuệ - Đáy, đồng thời làm cơ sở để triển khai ứng dụng trên các hệ thống sông khác của Việt Nam
2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống đo lưu lượng nước tự động River Surveyor M9 (Thiết bị M9) là hệ thống sử dụng SmartPulseHD® độc quyền của SonTek, sử dụng công nghệ sóng âm đa tần số được hợp nhất với hệ thống điều khiển có khả năng đo liên tục lưu lượng nước và mực nước với các độ sâu mực nước khác nhau. Hệ thống sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định lưu tốc dòng nước. Hiệu ứng Doppler (hoặc sự dịch chuyển Doppler) là sự thay đổi tần số hoặc bước sóng của sóng cho một người quan sát di chuyển so với nguồn sóng. Nó được đặt tên theo nhà vật lý người Áo là Christian Doppler, người mô tả hiện tượng này vào năm 1842.
Hình 1. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là khi phát nguồn của sóng di chuyển tới người quan sát, mỗi đỉnh sóng tiếp nối được phát ra từ một vị trí gần người quan sát hơn so với sóng trước đó. Do đó, mỗi sóng mất ít thời gian hơn để tiếp cận người quan sát so với sóng trước đó. Do đó, thời gian giữa sự xuất hiện của các đỉnh sóng kế tiếp tại các quan sát viên được giảm, làm tăng tần số. Trong khi họ đang đi di chuyển, khoảng cách giữa các mặt trận sóng tiếp theo sẽ giảm đi, do đó, những con sóng "bó sát nhau". Ngược lại, nếu nguồn sóng đang di chuyển ra khỏi người quan sát, mỗi sóng phát ra từ vị trí xa hơn so với sóng trước đó, do đó thời gian đến giữa các sóng liên tiếp tăng lên, làm giảm tần số. Khoảng cách giữa mặt trận sóng tiếp nối sau đó tăng lên, do đó sóng "lan rộng". Đối với các sóng truyền trong môi trường, chẳng hạn như sóng âm, vận tốc của người quan sát và nguồn là tương đối so với môi trường truyền sóng. Do đó, tổng Doppler có thể phát sinh từ chuyển động của nguồn, chuyển động của người quan sát hoặc chuyển động của môi trường. Mỗi hiệu ứng này được phân tích riêng. Đối với các sóng không đòi hỏi môi trường, chẳng hạn như ánh sáng hoặc lực hấp dẫn trong thuyết tương đối tổng quát, chỉ cần sự cân bằng tương đối giữa vận tốc và người quan sát.
(Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect)
Hình 2. Hiệu ứng Doppler cho từng ngồn phát sóng
Hình 3. Hệ thống đo lưu lượng nước tự động sử dụng hiệu ứng Doppler
Thiết bị M9 sử dụng sóng siêu âm để đo lưu lượng dòng chảy, tín hiệu siêu âm được phát ra theo chu kỳ gọi là “Ping” được truyền vào trong nước, năng lượng này được phát tán lơ lửng trong nước, một phần của nó sẽ quay lại thiết bị M9. Trong thiết bị M9 có sensor đo sự thay đổi cường độ âm phản hồi (vọng lại), do quãng thời gian phản hồi của sóng siêu âm tỷ lệ với quãng đường lan truyền trong nước nên ta có thể xác định được vận tốc của từng lớp nước theo thời điểm phản hồi tương ứng.
Hình 4. Giao diện phần mềm River Surveyor Live hệ thống đo lưu lượng nước tự động
2.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp phân tích hệ thống
+ Sử dụng phương pháp này sẽ giúp đánh giá các thông tin một cách toàn diện trên về cơ sở khoa học và phương pháp, công nghệ quan trắc lưu lượng và mực nước bằng thiết bị tự động.
+ Tổng hợp, đánh giá kết quả đo thử nghiệm, so sánh qua đó đề xuất hệ thống đo lưu lượng và mực nước tự động phù hợp điều kiện Việt Nam.
- Phương pháp chuyên gia
Thông qua việc sử dụng ý kiến góp ý của các chuyên gia chuyên sâu trong từng lĩnh vực quan trắc, thủy văn, môi trường và các nhà quản lý qua đó đưa ra các phân tích đánh giá phù hợp, hiệu quả cho hệ thống .
- Phương pháp kế thừa
Đề tài sử dụng có tính kế thừa các tài liệu, tư liệu, các kết quả nghiên cứu của các công trình trong và ngoài nước để khái quát hóa và bổ sung thêm thông tin hiện trạng công nghệ, phương pháp quan trắc lưu lượng và mực nước tự động.
Tham khảo, áp dụng các văn bản pháp quy, các tiêu chuẩn và kỹ thuật, các bài báo, các công bố khoa học trong và ngoài nước về lưu lượng và mực nước tự động.
3. Kết quả nghiên cứu
Sau khi nghiên cứu tính năng Hệ thống, Trung tâm đã xây dựng Quy trình thao tác chuẩn cho Hệ thống (SOP) và Trung tâm tiến hành đo đạc thực tế tại 19 vị trí đã được lựa chọn trên LVS Nhuệ - Đáy. Đây là những vị trí thuận tiện và an toàn cho công tác quan trắc, có thuyền và điểm quan trắc đại diện cho LVS: 1 điểm sông Nhuệ (Cầu Hồng Phú), 14 điểm sông Đáy (Cầu Quế - CNC Thi Sơn, trạm bơm Thanh Nộn, cầu Đọ Xá, cầu phao Kiện Khê, Thanh Tân, Nhà máy Xi măng Việt Trung, Trung Hiếu Hạ, Độc Bộ, Yên Trị, Đò Mười, Gián Khẩu, Cầu Non Nước, Khánh Phú, Cửa Đáy), 3 điểm sông Đào (Đền Độc Bộ, trạm bơm Cốc Thành, trạm bơm Kênh Gia) và 1 điểm sông Sắt (Yên Trị trên sông Sắt).
Hình 5. Bản đồ vị trí đo lưu lượng trên LVS Nhuệ - Đáy
Hình 7. Kết quả quan trắc lưu lượng, độ sâu tự động tại trạm bơm Thanh Nộn - sông Đáy
Hình 8. Kết quả quan trắc lưu lượng, độ sâu tự động tại Kiện Khê, sông Nhuệ - Đáy
Hình 9. Kết quả quan trắc lưu lượng, độ sâu tự động tại Trung Hiếu Hạ, sông Nhuệ - Đáy
4. Kết luận
Qua kết quả đo thử nghiệm Hệ thống đo lưu lượng nước tự động River Surveyor M9 tại một số điểm trên LVS Nhuệ - Đáy cho thấy, hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và phù hợp công tác đi hiện trường. Hệ thống có khả năng đo liên tục, tự động mực nước, tốc độ dòng nước và lưu lượng nước. Đồng thời, hệ thống có thể đo và xác định hình thái lòng sông tại mỗi vị trí đo. Qua kết quả, chúng ta xác định các vị trí có lưu lượng thấp, lưu lượng cao ở mỗi độ sâu mực nước khác nhau.
Hệ thống nhỏ gọn và dễ sử dụng khi đo trên thuyền, dùng dây căng hoặc trên cầu. Hệ thống hoàn toàn tự động và có thể hiển thị kết quả ngay trên màn hình.
Bên cạnh những ưu điểm thiết bị, để cho kết quả chính xác, khi vận hành hệ thống cần loại bỏ một số yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị: Không sử dụng thuyền bằng kim loại, thiết bị và thuyền cần hiệu chuẩn kỹ trước khi đo nhằm loại bỏ các yếu tố tác động môi trường xung quanh đến thiết bị đo, tại mỗi vị trí đo cần thực hiện đo tối thiểu 2 lần đo…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Thị Hường, Nguyễn Thanh Sơn, 2010. “Ứng dụng mô hình NAM khảo sát hiện trạng tài nguyên nước LVS Nhuệ - Đáy”. Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên.
2. Nguyễn Thanh Sơn, Đặng Quý Phượng (2003). Giáo trình " Đo đạc và chỉnh lí số liệu thuỷ văn" NXB ĐH Quốc gia Hà Nội.
3. Nguyễn Quang Đoàn (2013). “Các Thiết bị đo lường”. Thư viện Học liệu mở Việt Nam (VOER).
4. S. Satomurai, Study of the flow patterns in peripheral arteries by ultrasonics, J. Acoust. Soc. Japan, vol. 15, pp. 151-158, 1959.
5. Y. Takeda, Velocity profile measurement by ultrasound Doppler shift method, Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 7, pp. 313-318, 1986.
6. I.A. Hein, J.T. Chen, W.K. Jenkins, and W.D. O’Brien, Jr., A real-time ultrasound time-domain correlation blood flowmeter: Part I Theory and Design, IEEE Trans. Ultrason. Ferro. Freq. Contr., vol. 40, pp. 768-775, 1993.
7. Y. Takeda, Ultrasonic Velocity Profiler - from present to future, Proc. 5th Intl. Symp. on Ultrasonic Doppler Method for Fluid, Mechanics and Fluid Eng. Zurich, Switzerland, 2006.
8. D. Augenstein and J. Regan, The basis for a 1% power increase: LEFM3 technology, Proc. 8th Int. Conf. Nucl. Eng., ICONE-8575, Baltimore, 2000.
|
RESEARCH AND APPLICATION OF AUTOMATICALLY WATER FLOWSYSTEMS IN NHUỆ - ĐÁY RIVER BASIN Nguyễn Hữu Thắng, Hà Thanh Liêm, Vũ Văn Phương Centre for Environmental Monitoring (CEM), Vietnam Environment Administration Nguyễn Mạnh Khải Faculty of Environmental Science, Vietnam National University of Science Floydng, Justin.stockley Xylem group ABSTRACT Nhuệ - Đáy river basin is the one of the big river basin in Việt Nam with a special location; diversified and rich in ecology and natural resources. Nhuệ - Đáy river basin has especially important in the economy of the country and Red river delta. Nhuệ - Đáy river basin is on the right of Red river with a total area of 7,388 km2 (Đáy basin is 6,965 km2), located 20°-21°20'N, and 105°-105°30'E. Nhuệ - Đáy river basin includes provinces and cities: Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, part of Hà Nội and 5 districts of Hòa Bình province. At the moment, full data of Nhuệ - Đáy river flow for scientific research and management is quite limited. In the Nhuệ - Đáy river basin there are only 3 - 4 hydrological stations, however hydrological data, water flow data is very simple. To provide full data on water flow, depth, morphology, the research team has applied and tested the automatic water flow meter - River Surveyor M9 Sontek system at some points at the Nhuệ - Đáy river basin. Key words: Flow, water level, river morphology, Nhuệ - Đáy river basin, Sontek, River Surveyor M9. |
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề II/2018)
