Nghiên cứu nền tảng cho việc đầu tư xây dựng hoàn thiện mạng lưới quan trắc tài nguyên nước nhằm hỗ trợ quản lý tổng hợp lưu vực sông Hồng - Thái Bình

1. Tóm tắt

Lưu vực sông Hồng - Thái Bình đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường tại khu vực miền Bắc Việt Nam. Ngày 25/11/2024, Bộ Tài nguyên và Môi trường lần đầu tiên công bố Kịch bản nguồn nước cho lưu vực này, trong đó trình bày chi tiết về hiện trạng tài nguyên nước, dự báo xu hướng mưa, dòng chảy và nhu cầu khai thác, sử dụng nước của các ngành trong giai đoạn công bố.

Tuy nhiên, tình trạng khai thác và sử dụng tài nguyên nước chưa hợp lý, kết hợp với tác động của biến đổi khí hậu, đã đặt ra những thách thức lớn trong việc đảm bảo an ninh nguồn nước và an toàn cấp nước cho lưu vực sông. Việc hoàn thiện hệ thống quan trắc tự động, kết hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI), sẽ giúp thu thập dữ liệu thời gian thực về mực nước, lưu lượng, chất lượng nước và các yếu tố môi trường liên quan. Đồng thời, sử dụng AI để nâng cao năng lực phân tích dữ liệu, phát hiện xu hướng, dự báo diễn biến và hỗ trợ ra quyết định kịp thời, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước.

Bài viết này đề xuất các nội dung và giải pháp nhằm hoàn thiện hệ thống quan trắc giám sát tích hợp AI, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý nhà nước về tài nguyên nước trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình.

2. Hiện trạng lưu vực sông Hồng - Thái Bình và tính cần thiết của hệ thống quan trắc

Lưu vực sông Hồng - Thái Bình có diện tích khoảng 169.000 km², trong đó phần thuộc lãnh thổ Việt Nam khoảng 86.000 km², chiếm 26% diện tích cả nước. Dòng chảy trung bình năm đạt khoảng 120 tỷ m³ nước, cung cấp nước cho hơn 25 triệu dân, phục vụ các ngành nông nghiệp, công nghiệp và thủy điện.

Tuy nhiên, hiện trạng sử dụng nước trên lưu vực đang đối mặt với nhiều vấn đề:

• Lưu lượng nước thay đổi theo mùa, mùa khô xảy ra tình trạng thiếu nước cục bộ.
• Ô nhiễm nguồn nước gia tăng do nước thải từ khu công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt.
• Biến đổi khí hậu làm thay đổi quy luật dòng chảy, gia tăng nguy cơ hạn hán và lũ lụt.

Do đó, cần thiết phải xây dựng hệ thống quan trắc tự động để cung cấp dữ liệu kịp thời, hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai.

3. Nội dung hệ thống quan trắc

Hệ thống quan trắc bao gồm các thành phần chính sau:

a) Mạng lưới trạm quan trắc tự động:

Để hoàn thiện và phát triển mạng lưới quan trắc tự động, cần thực hiện hai nội dung chính. Trước tiên, tiến hành khảo sát và đánh giá hiện trạng hệ thống quan trắc hiện có. Công việc này bao gồm rà soát, đánh giá các trạm quan trắc khí tượng thủy văn, tài nguyên nước cũng như hệ thống giám sát khai thác nước hiện tại. Xác định các trạm có khả năng nâng cấp, mở rộng, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có để tích hợp vào hệ thống quan trắc tự động. Bên cạnh đó, việc đánh giá mức độ bao phủ của mạng lưới hiện tại giúp xác định các khu vực cần bổ sung trạm quan trắc mới nhằm đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả.

Sau khi có được đánh giá tổng thể, bước tiếp theo là thiết kế, bổ sung và đầu tư mở rộng mạng lưới trạm quan trắc tự động. Trong quá trình này, cần lựa chọn vị trí lắp đặt các trạm quan trắc mới dựa trên đặc điểm thủy văn, địa hình và mức độ quan trọng của nguồn nước. Các trạm quan trắc mới sẽ được tích hợp công nghệ IoT và cảm biến thông minh để đo đạc các thông số quan trọng như mực nước, lưu lượng, chất lượng nước (pH, độ đục, nồng độ kim loại nặng, vi sinh vật,...). Hệ thống cần đảm bảo khả năng truyền dữ liệu theo thời gian thực về trung tâm điều hành thông qua các phương thức viễn thông như 4G/5G, vệ tinh hoặc mạng LoRaWAN. Ngoài ra, việc xây dựng hạ tầng cung cấp điện, bao gồm sử dụng năng lượng mặt trời và pin dự phòng, cũng là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và liên tục.

Việc triển khai đồng bộ hai nội dung này sẽ giúp xây dựng một hệ thống quan trắc tự động hiệu quả, góp phần nâng cao năng lực giám sát và quản lý tài nguyên nước trên lưu vực sông

b) Trung tâm xử lý dữ liệu:

Trung tâm Xử lý Dữ liệu Quan trắc Tài nguyên nước đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, lưu trữ, phân tích và khai thác dữ liệu nhằm hỗ trợ công tác quản lý và bảo vệ tài nguyên nước. Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu cấp bách trong việc giám sát tài nguyên nước một cách hiệu quả, trung tâm này cần được xây dựng tiến thẳng tới hiện đại, ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để nâng cao năng lực dự báo và hỗ trợ ra quyết định quản lý với 3 nhóm tính năng cơ bản gồm:

- Tiếp nhận, lưu trữ và phân tích dữ liệu quan trắc

Trung tâm đóng vai trò là đầu mối tiếp nhận dữ liệu từ mạng lưới trạm quan trắc tự động trên lưu vực sông, hồ chứa và các nguồn nước quan trọng của sông Hồng – Thái bình. Hệ thống này liên tục cập nhật dữ liệu theo thời gian thực, bao gồm các thông số như mực nước, lưu lượng, chất lượng nước (pH, độ đục, nhiệt độ, nồng độ kim loại nặng, ô nhiễm vi sinh,...), cũng như các yếu tố khí tượng thủy văn như lượng mưa, nhiệt độ không khí và độ ẩm.

Tất cả dữ liệu tiếp nhận từ mạng quan trắc được lưu trữ trong hệ thống máy chủ với công nghệ điện toán đám mây, đảm bảo an toàn và khả năng truy xuất nhanh chóng khi cần thiết. Trung tâm được trang bị các công cụ phân tích dữ liệu lớn (Big Data) để xử lý và tổng hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, tạo thành cơ sở dữ liệu toàn diện phục vụ công tác giám sát và quản lý tài nguyên nước.

- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo xu hướng biến đổi nguồn nước

Một trong những tính năng quan trọng của trung tâm là ứng dụng AI trong việc phân tích dữ liệu và dự báo xu hướng biến đổi của nguồn nước. Bằng cách sử dụng các thuật toán học máy (Machine Learning), công nghệ AI được trang bị để nhận diện các mô hình và xu hướng thay đổi của dòng chảy, mực nước và chất lượng nước theo thời gian. Dữ liệu nền về lưu vực sông được kết hợp với dữ liệu quan trắc về khí hậu, hoạt động khai thác nước và tác động từ con người giúp hệ thống đưa ra các kịch bản dự báo về hạn hán, lũ lụt, xâm nhập mặn hoặc suy giảm chất lượng nước.

Công nghệ AI được phát triển còn giúp phát hiện các hoạt động bất thường, chẳng hạn như việc thải chất ô nhiễm hay các sự cố ô nhiễm đột ngột hoặc suy giảm lưu lượng nước bất thường, từ đó gửi cảnh báo sớm đến các cơ quan quản lý và cộng đồng để có biện pháp ứng phó kịp thời. Hoàn thiện hệ thống này có các tính năng nhằm nâng cao khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu và bảo đảm an ninh nguồn nước trên lưu vực sông một cách bền vững.

- Cung cấp thông tin hỗ trợ ra quyết định quản lý

Dữ liệu quan trắc và kết quả phân tích từ trung tâm được hiện thị trong hệ thống quản trị tài nguyên nước theo lưu vực sông và các thông tin quan trọng được hiển thị trực tiếp trên hệ thống di động. Bằng cách này nhằm cung cấp đầy đủ thông tin để các nhà quản lý thực hiện việc ra quyết định liên quan đến quy hoạch, khai thác và bảo vệ tài nguyên nước. Đồng thời thông tin còn được cung cấp dưới dạng báo cáo trực quan, bảng biểu, bản đồ số hoặc mô hình dự báo, giúp cơ quan quản lý có cái nhìn tổng thể về hiện trạng tài nguyên nước.

Trung tâm cũng cung cấp dữ liệu theo yêu cầu cho các ngành liên quan như nông nghiệp, công nghiệp, cấp nước đô thị và phòng chống thiên tai. Việc chia sẻ thông tin minh bạch và kịp thời giúp các bên liên quan tăng cường năng lực để phối hợp chặt chẽ trong việc điều tiết nguồn nước, đảm bảo sử dụng hợp lý và giảm thiểu rủi ro do thiên tai gây ra.

Nhìn chung, Trung tâm Xử lý Dữ liệu Quan trắc Tài nguyên nước không chỉ đóng vai trò là một kho dữ liệu mà còn được trang bị các công cụ quan trọng giúp nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ tài nguyên nước. Việc ứng dụng công nghệ hiện đại, đặc biệt là AI, sẽ giúp hệ thống này ngày càng hoàn thiện, góp phần đảm bảo an ninh nguồn nước và phát triển bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu và áp lực gia tăng từ nhu cầu sử dụng nước

c) Hệ thống cảnh báo sớm:

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng tác động mạnh mẽ đến tài nguyên nước lưu vực sông Hồng – Thái Bình, việc xây dựng một hệ thống cảnh báo sớm đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do hạn hán, lũ lụt và các hiện tượng cực đoan khác. Hệ thống cảnh báo sớm tài nguyên nước được thiết kế nhằm cung cấp thông tin kịp thời và chính xác đến cơ quan quản lý cũng như người dân, giúp nâng cao khả năng ứng phó và giảm thiểu rủi ro.

- Cảnh báo nguy cơ hạn hán, lũ lụt dựa trên dữ liệu quan trắc và dự báo khí tượng

Hệ thống cảnh báo sớm hoạt động dựa trên việc thu thập, phân tích dữ liệu từ mạng lưới quan trắc tự động và các mô hình dự báo khí tượng thủy văn. Các trạm quan trắc trên lưu vực sông, hồ chứa và khu vực có nguy cơ cao liên tục cập nhật các thông tin đo đạc các thông số quan trọng như mực nước, lưu lượng dòng chảy, lượng mưa, độ ẩm đất và nhiệt độ không khí. Dữ liệu này được truyền về trung tâm xử lý, nơi các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ phân tích dữ liệu lớn (Big Data) được sử dụng để nhận diện xu hướng và đưa ra cảnh báo sớm.

Đối với hạn hán, hệ thống sẽ theo dõi mức giảm sút của nguồn nước theo thời gian, kết hợp với các mô hình dự báo thời tiết để xác định khả năng xảy ra thiếu nước trong tương lai. Khi các chỉ số cho thấy nguy cơ cao, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo đến cơ quan chức năng và đề xuất các biện pháp ứng phó như điều tiết nước từ hồ chứa, tăng cường tiết kiệm nước và triển khai hỗ trợ cho các khu vực bị ảnh hưởng.

Đối với lũ lụt, hệ thống sử dụng dữ liệu từ các trạm đo mực nước trên sông, hồ và kênh rạch, kết hợp với thông tin dự báo mưa lớn từ các mô hình khí tượng. Khi phát hiện lưu lượng nước gia tăng đột ngột hoặc khả năng xảy ra mưa lớn kéo dài, hệ thống sẽ tính toán mức độ nguy hiểm và đưa ra cảnh báo sớm. Các mô hình số thủy văn sẽ giúp dự báo phạm vi ngập lụt, tốc độ dòng chảy và thời gian nước dâng, giúp cơ quan quản lý có phương án ứng phó hiệu quả, như xả lũ theo kế hoạch hoặc di dời dân cư khỏi vùng nguy hiểm.

- Thông báo đến các cơ quan quản lý và người dân thông qua ứng dụng di động, website

Một trong những yếu tố quan trọng của hệ thống cảnh báo sớm tài nguyên nước là khả năng truyền tải thông tin nhanh chóng và dễ tiếp cận đến các bên liên quan. Hệ thống được tích hợp với các nền tảng công nghệ như ứng dụng di động, website và tin nhắn SMS để đảm bảo cảnh báo được gửi đến đúng đối tượng một cách kịp thời.

Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai sẽ nhận được thông báo chi tiết về tình hình hạn hán hoặc lũ lụt, bao gồm dữ liệu trực quan như bản đồ cảnh báo, đồ thị dự báo mực nước và đề xuất biện pháp ứng phó. Điều này giúp họ chủ động triển khai các kế hoạch điều tiết nước, kiểm soát hoạt động khai thác và cảnh báo đến các khu vực có nguy cơ cao.

Đối với người dân, hệ thống cung cấp thông tin dễ hiểu và hữu ích thông qua ứng dụng di động và website. Khi có cảnh báo hạn hán hoặc lũ lụt, người dân sẽ nhận được thông báo ngay trên điện thoại, bao gồm hướng dẫn chi tiết về cách chuẩn bị và ứng phó. Ví dụ, nếu dự báo lũ lụt xảy ra trong vòng 24 giờ, hệ thống sẽ gửi cảnh báo kèm theo khuyến nghị sơ tán, các tuyến đường an toàn và địa điểm trú ẩn tạm thời. Nếu nguy cơ hạn hán kéo dài, người dân sẽ được khuyến cáo về biện pháp tiết kiệm nước và lịch cấp nước ưu tiên.

Ngoài ra, hệ thống cũng có chức năng tương tác, cho phép người dân cập nhật tình hình thực tế, như mức nước tại khu vực của họ hoặc tình trạng ngập lụt, từ đó giúp cơ quan quản lý có thêm dữ liệu thực tế để điều chỉnh phương án ứng phó.

4. Mô hình hệ thống quan trắc và hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp LVS

Mô hình Quan trắc tích hợp AI phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Hồng-Thái Bình

Hệ thống quan trắc trong mô hình đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và cập nhật thông tin về chất lượng cũng như lưu lượng nước trên lưu vực sông. Cảm biến quan trắc tự động được lắp đặt tại các vị trí trọng yếu giúp thu thập dữ liệu thời gian thực về lưu lượng, chất lượng nước, và các chỉ số môi trường khác. Dữ liệu này được truyền về trung tâm AI xử lý dữ liệu để phân tích và hỗ trợ ra quyết định quản lý.

5. Kết luận

Việc triển khai hệ thống quan trắc tự động trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình là cần thiết để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước. Dữ liệu quan trắc được thu thập kịp thời giúp các cơ quan chức năng có cơ sở khoa học để ra quyết định, đồng thời hỗ trợ công tác dự báo và cảnh báo sớm.

Hệ thống cảnh báo sớm tài nguyên nước được phát triển đồng thời với hoàn thiện xây dựng mạng quan trắc giám sát là cần thiết, đồng bộ. Đây là công cụ quan trọng giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai, nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ nguồn nước. Nhờ vào công nghệ quan trắc hiện đại, trí tuệ nhân tạo và các nền tảng truyền thông số, hệ thống không chỉ cung cấp thông tin kịp thời mà còn hỗ trợ ra quyết định chính xác, giúp chính quyền và người dân chủ động ứng phó với những biến động bất thường của tài nguyên nước. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang ngày càng ảnh hưởng nghiêm trọng trên lưu vực sông Hồng – Thái Bình thì việc triển khai phát triển hệ thống này là bước đi cần thiết để đảm bảo an toàn nguồn nước và phát triển bền vững.

Nhờ vào hệ thống quan trắc và xử lý dữ liệu, cảnh báo sớm này, công tác bảo vệ an ninh nguồn nước, an toàn cấp nước và đặc biệt là môi trường nước sẽ giúp các nhà quản lý lưu vực sông Hông – Thái bình cũng như các địa phương quản lý để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước hiệu quả.

Nguyễn Chí Nghĩa, Đỗ Trường Sinh và Hoàng Văn Hoan