Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu công nghệ, thiết bị kiểm soát chất lượng nguồn cấp nước mặt (01/10/2024)

Ở Việt Nam, 80% lượng nước cấp cho đô thị là từ nguồn nước mặt. Nguồn cấp nước mặt có nguy cơ cao bị ô nhiễm gây ra bởi các tác động của tự nhiên và con người. Hiện nay, quản lý rửi ro ô nhiễm của các nguồn cấp nước được thực hiện chủ yếu thông qua việc định kỳ lấy mẫu nước tại cửa thu của trạm cấp nước. Hạn chế của cách làm này là sự cố ô nhiễm chỉ được phát hiện khi ô nhiễm đã phát triển ra một phạm vi rộng và khó khăn để xác định nguồn gây ô nhiễm. Phần lớn các sự cố môi trường xảy ra trong thời gian gần đây là do một số chủ cơ sở sản xuất, kinh doanh đổ thải trộm hoặc do công trình xử lý, lưu trữ chất thải của các cơ sở gặp sự cố dẫn đến một lượng lớn chất thải chưa qua xử lý bị đưa vào môi trường nước. Để khắc phục được hạn chế trên, việc đánh giá an toàn nguồn cấp nước và nghiên cứu công nghệ, thiết bị kiểm soát nguồn cấp nước an toàn là hết sức cần thiết.

Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự tồn tại của con người và giám sát liên tục chất lượng nước là cần thiết để bảo vệ chất lượng nước. Máy bay không người lái (UAV) đã được ứng dụng thành công trong việc giám chất chất lượng các hồ cấp nước trên thế giới, công nghệ kiểm soát chất lượng nước của nguồn cấp nước mặt sử dụng UAV có gắn các thiết bị đo sẽ khắc phục được những hạn chế của các công nghệ quan trắc hiện nay. Năm 2022, Trường Đại học Thủy lợi đã thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu công nghệ, thiết bị kiểm soát chất lượng nguồn cấp nước mặt” nhằm đánh giá công nghệ, thiết bị kiểm soát chất lượng nguồn nước mặt tiến tới làm chủ công nghệ và thiết bị kiểm soát ô nhiễm nguồn cấp nước mặt trên cơ sở ứng dụng UAV. Từ tính cấp thiết của việc kiểm soát chất lượng nước, việc cảnh báo sớm được chất lượng nước, truy vết được nguồn ô nhiễm. Đề tài đã đề xuất nghiên cứu công nghệ, thiết bị kiểm soát chất lượng nguồn nước mặt sử dụng công nghệ máy bay không người lái. Đề tài đã thực hiện những nội dung nghiên cứu sau: Đánh giá tổng quan các công nghệ kiểm soát chất lượng nguồn cấp nước mặt và tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, phát triển, áp dụng công nghệ thiết bị kiểm soát chất lượng nước; Nghiên cứu lựa chọn công nghệ, thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm soát chất lượng của nguồn cấp nước mặt; Nghiên cứu xây dựng bộ công cụ điều khiển thiết bị kiểm soát chất lượng của nguồn cấp nước mặt và ứng dụng công nghệ để kiểm soát chất lượng nước tại hồ Cao Vân, thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh.

Thiết bị UAV (Ảnh minh họa).

Kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy, việc quan trắc chất lượng nước của nguồn cấp nước mặt ở Việt Nam đang được thực hiện với tần suất thưa và số điểm quan trắc ít nhằm phục vụ cho việc đánh giá diễn biến chất lượng nước thời đoạn dài trên một quy mô không gian rộng. Với cách quan trắc như vậy, các thay đổi đột ngột về chất lượng nước nguồn dưới tác động của tự nhiên hoặc con người sẽ khó được phát hiện và không có kế hoạch ứng phó kịp thời để giảm thiểu tác động tiêu cực tới hệ thống cấp nước sinh hoạt sử dụng nước từ nguồn đó. Ở Việt Nam chất lượng nước của nguồn nước mặt chủ yếu được giám sát bằng phương pháp truyền thống dựa vào phân tích mẫu. TIinh đến thời điểm nghiên cứu, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã đầu tư lắp đặt và đưa vào vận hành 23 trạm quan trắc môi trường nước mặt tự động liên tục đặt tại 09 địa phương, số liệu từ các trạm này được truyền trực tuyến và lưu trữ tại cơ sở dữ liệu của Tổng cục Môi trường. Ở địa phương, đã có 22 tỉnh đầu tư, lắp đặt và đưa vào vận hành 76 trạm quan trắc môi trường tự động liên tục. Nhưng do số lượng trạm được bố trí cho mỗi nguồn nước còn ít nên không đủ đánh giá diễn biến theo không gian chất lượng nước của nguồn nước đó và vì vậy không có khả năng phát hiện kịp thời tác nhân gây thay đổi chất lượng nước của nguồn. Với sự phát triển công nghệ bay hiện nay, UAV là công cụ kiểm soát nguồn nước mới hiệu quả và linh hoạt. UAV có thể tích hợp được các cảm biến đo các thông số chất lượng nước khác nhau tùy theo yêu cầu và có thể lấy mẫu dùng cho phân tích trong phòng thí nghiệm như phương pháp truyền thống. Chi phí bảo trì UAV thấp hơn so với việc bảo trì các trạm đo tự động do các cảm biến sử dụng trên UAV chỉ tiếp xúc với đối tượng cần đo trong khoảng thời gian ngắn và được bảo quản ngay khi UAV kết thúc nhiệm vụ đo. Giám sát chất lượng nước là một nhiệm vụ quan trọng và cấp thiết góp phần đảm bảo an ninh nguồn nước, sử dụng UAV là một giải pháp tiềm năng khắc phục những nhược điểm của phương pháp giám sát truyền thống. Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm đó là khả năng giám sát, lấy mẫu ở những vị trí mà con người không thể tiếp cận, giám sát chất lượng nước theo không gian, UAV có nhược điểm cố hữu đó là năng lượng yêu cầu để bay.

Kiểm soát chất lượng nước sử dụng UAV bao gồm việc điều khiển UAV bay theo quỹ đạo qua các điểm cần giám sát, các điểm lấy mẫu; thực hiện đo và truyền dữ liệu về trung tâm; thực hiện quan sát bề mặt vùng nước từ đó ra quyết định lấy mẫu. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ, thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm soát chất lượng của nguồn cấp nước mặt. Giúp doanh nghiệp, nhà quản lý có thể lựa chọn được giải pháp công nghệ phù hợp với đối tượng mình quản lý. Đề tài đã nghiên cứu xây dựng thành công bộ công cụ điều khiển thiết bị kiểm soát chất lượng của nguồn cấp nước mặt. Các công cụ được đề xuất đó là: nền tảng bay UAV, phần mềm điều khiển bay và giám sát bay, các mạch điều khiển cơ cấu chấp hành, mạch thu thập dữ liệu, cảm biến và phần mềm. Nhóm nghiên cứu đã xây dựng quy trình hoạt động của UAV giám sát chất lượng nước bao gồm các bước:

- Bước 1: Kiểm tra động cơ UAV, hệ thống PIN, kiểm tra kết nối bộ điều khiển, kiểm tra truyền dữ liệu lên server và phần mềm giám sát, kiểm tra camera, hoạt động của các cơ cấu chấp hành, chỉnh định cảm biến.

- Bước 2: Lập quỹ đạo bay bao gồm các điểm đo, lấy mẫu.

- Bước 3: Khởi động và cất cánh UAV, chờ UAV ổn định độ cao bay.

- Bước 4: Điều khiển UAV bay đến các điểm đo, lấy mẫu, sau đó hạ độ cao UAV cách mặt hồ là 4,5m, giữ cố định vị trí phao.

- Bước 5: Điều khiển thả phao cảm biến, khi cảm biến chạm nước, ra lệnh dừng lại.

- Bước 6: Thực hiện đo và truyền dữ liệu lên server trong 30s.

- Bước 7: Dừng đo.

- Bước 8: Khi có lệnh yêu cầu lấy mẫu, bơm lấy mẫu được ra lệnh hoạt động.

- Bước 9: Kiểm tra dữ liệu qua phần mềm trên web.

- Bước 10: Tiếp tục nâng độ cao và bay tới các điểm đo, lấy mẫu tiếp theo.

Quy trình hoạt động của UAV giám sát chất lượng nước được ứng dụng để kiểm soát chất lượng nước tại hồ Cao Vân, thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh. Với diện tích lưu vực hồ là 46,5 km², cao trình mực nước dâng bình thường +35m, dung tích hữu ích 12,34 triệu m³. Hệ thống UAV được triển khai bao gồm hệ thống bay, hệ thống cảm biến, phần mềm giám sát, phần mềm lập bản đồ chất lượng nước. UAV mang được tải trọng 5kg bao gồm hệ thống đo, bình mẫu chưa, các cơ cấu chấp thành. Thông số đầu vào gồm vận tốc bay trung bình 18km/h, khối lượng hàng mang theo là 5kg, tổng quãng đường di chuyển là 2km, số lượng point là 08 vị trí, thời gian lấy mẫu 0.0139 giời, độ cao bay 15m. Quá trình triển khai sử dụng UAV giám sát chất lượng nước được thực hiện, các đánh giá dựa trên các yếu tố như: bay tự động, bay thủ công, giám sát thông số chất lượng nước, lấy mẫu, phần mềm giám sát. Vận hành UAV ở các điều kiện về môi trường khác nhau với sức gió khác nhau, từ đó đánh giá được hiệu quả của hệ thống bay. Kết quả ban đầu cho thấy UAV đã thực hiện hiệu quả việc giám sát chất lượng nước và kết quả là bản đồ chất lượng nước được thiết lập. Bản đồ sau khi thiết lập sẽ hiển thị vị trí các điểm đo chất lượng nước, kèm theo các thông số đã thu nhận được.

Đóng góp nổi bật của để tài đó là: (1) Phát triển tích hợp mạch điều khiển Phantom 3S với UAV nông nghiệp nhằm mang lại cho UAV giám sát chất lượng nước khả năng mang tải lớn và đồng thời có được nền tảng bay phổ biến của Phantom như: khả năng bay tự động, thủ công, giám sát bay trên phần mềm. (2) Đề tài cũng đề xuất tích hợp nền tảng bay và hệ thống IoT cho phép truyền dữ liệu lên server, lưu trữ và truy cập dữ liệu hiệu quả, giúp người quản lý có thể theo dõi diễn biến chất lượng nước kịp thời và có thể truy cập từ xa thông qua internet. (3) Áp dụng công nghệ truyền thông LoRa để điều khiển các cơ cấu chấp hành trên UAV từ trạm mặt đất, phạm vi điều khiển lên tới 3km. Đề tài đã đưa ra dự thảo hướng dẫn áp dụng công nghệ, giúp doanh nghiệp, nhà quản lý có thể lựa chọn công nghệ kiểm soát chất lượng nước phù hợp với đối tượng quản lý từ việc lựa chọn thiết bị bay đến các thiết bị chấp hành để lấy mẫu và đo, phần mềm giám sát. Phần mềm quản lý WQM UAV được thiết kế để tích hợp các công cụ phần mềm trên cùng một nền tảng để quản lý các thông số chất lượng nước, điều khiển cơ cấu chấp hành lấy mẫu, đo và thiết lập bản đồ chất lượng nước.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Thông tin, Thống kê khoa học và công nghệ Hải Phòng hoặc Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia./.