Tìm hiểu chi tiết về mô hình & ứng dụng GIS trong Quản lý mạng cấp nước

Ngày nay, công nghệ thông tin đã trở thành một phần quan trọng trong việc quản lý và vận hành các hệ thống hạ tầng, đặc biệt là trong lĩnh vực cấp nước. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) được coi là một công cụ mạnh mẽ trong quản lý mạng cấp nước. GIS cho phép thu thập, xử lý, phân tích và hiển thị dữ liệu địa lý, giúp doanh nghiệp cấp nước có cái nhìn toàn diện hơn về mạng lưới cấp nước từ đó sẽ đưa ra cách vận hành và quản lý hiệu quả nhất. Trong bài viết này hãy cùng eKMap đi tìm hiểu mề mô hình và cách ứng dụng GIS trong quản lý mạng cấp nước

Mục lục nội dung:

Các mô hình GIS trong quản lý mạng lưới cấp nước

Phát triển mô hình thủy lực

Shamsi vào năm 1998 và 1999 cung cấp một phân loại để xác định các cách khác nhau mà GIS có thể được liên kết với các mô hình thủy lực (Heaney và cộng sự, 1999). Ba phương pháp phát triển các ứng dụng mô hình hóa dựa trên GIS được Shamsi xác định là:

1. Phương pháp trao đổi

2. Phương pháp giao diện

3. Phương pháp tích hợp

Phương pháp trao đổi sử dụng cách tiếp cận quy trình hàng loạt để trao đổi dữ liệu giữa GIS và mô hình thủy lực. Trong phương pháp này, không có mối liên hệ trực tiếp nào giữa GIS và mô hình. Cả GIS và mô hình đều được chạy riêng biệt và độc lập. Cơ sở dữ liệu GIS được phân tích để trích xuất các tham số đầu vào của mô hình, sau đó sao chép thủ công vào tệp đầu vào của mô hình. Tương tự, dữ liệu đầu ra của mô hình được sao chép thủ công vào GIS để tạo một lớp mới cho mục đích lập bản đồ trình bày. Ước tính nhu cầu nút từ các lớp sử dụng đất và xác định độ cao nút từ các mô hình độ cao kỹ thuật số (DEM) là những ví dụ về phương pháp trao đổi.

Phương pháp giao diện cung cấp một liên kết trực tiếp để truyền thông tin giữa GIS và mô hình. Phương thức giao diện bao gồm ít nhất hai thành phần sau: Bộ xử lý trước, phân tích và xuất dữ liệu GIS sang các tệp :file đầu vào của mô hình; và bộ xử lý sau, nhập kết quả đầu ra của mô hình và hiển thị nó dưới dạng lớp GIS. Phương thức giao diện về cơ bản tự động hóa phương thức trao đổi dữ liệu. Việc tự động hóa được thực hiện bằng cách thêm các menu hoặc nút mô hình-: cụ thể vào phần mềm GIS. Trong phương pháp này, không có sẵn các tùy chọn để chỉnh sửa dữ liệu và khởi chạy mô hình từ bên trong GIS.

Phương pháp giao diện cung cấp một liên kết trực tiếp để chuyển thông tin giữa GIS và mô hình. Phương pháp giao diện bao gồm ít nhất hai thành phần sau: (i) một bộ tiền xử lý, phân tích và xuất dữ liệu GIS thành các tệp đầu vào của mô hình; và một bộ hậu xử lý, nhập đầu ra của mô hình và hiển thị nó dưới dạng một lớp GIS. Phương pháp giao diện cơ bản tự động hóa phương pháp trao đổi dữ liệu. Việc tự động hóa được thực hiện bằng cách thêm các menu hoặc nút cụ thể cho mô hình vào phần mềm GIS. Trong phương pháp này, các tùy chọn để chỉnh sửa dữ liệu và khởi động mô hình từ bên trong GIS không có sẵn.

Cấu trúc mạng

Các lớp GIS và CAD của hệ thống phân phối nước thường có mức độ chi tiết không cần thiết để phân tích hệ thống thủy lực. Điều này có thể bao gồm vòi chữa cháy, kết nối dịch vụ, van, phụ kiện và nút góc. Mặc dù việc phát triển các mô hình sao chép chính xác của hệ thống thực hiện có thể thực hiện được nhờ các máy tính cực kỳ mạnh mẽ, nhưng chi phí mua, phát triển và chạy các mô hình rất lớn. Cố gắng bao gồm tất cả các thành phần mạng có thể là một công việc to lớn mà không có tác động đáng kể đến kết quả mô hình (Haestad và cộng sự vào năm 2003). Do đó, các nhà lập mô hình sử dụng quy trình đơn giản hóa mạng lưới hoặc “khuôn hóa”.

Cần đơn giản hóa mạng để tăng tốc độ xử lý mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình. Khung xương thủ công là một quá trình phức tạp. Do đó, các nhà lập mô hình đã sử dụng các quy tắc chung, chẳng hạn như loại trừ tất cả các ống nhỏ hơn một kích thước nhất định. Cách tiếp cận này đòi hỏi nỗ lực đáng kể trong việc xác định vị trí và loại bỏ các đường ống thích hợp.

Ước tính nhu cầu Van

Nhu cầu nút là tham số đầu vào quan trọng của mô hình thủy lực biểu thị mức tiêu thụ nước theo đơn vị thể tích SI theo thời gian. Các nhu cầu được nhóm theo loại khách hàng. Ước tính thủ công nhu cầu nút từ hồ sơ thanh toán của khách hàng là một quá trình phức tạp. Do đó, các nhà lập mô hình thường sử dụng các phương pháp gần đúng như phân bổ đồng đều việc sử dụng nước sinh hoạt trên tất cả các nút, sau đó thêm mục đích sử dụng thương mại và công nghiệp gần nhất tại các nút khác nhau. Cách tiếp cận này đòi hỏi nỗ lực đáng kể trong việc tinh chỉnh nhu cầu nút trong giai đoạn hiệu chỉnh mô hình của dự án.

GIS cho phép thực hiện các phương pháp ước tính nhu cầu chính xác hơn. Một phương pháp như vậy sử dụng GIS để mã hóa địa lý (hoặc định vị địa lý) tất cả người dùng nước riêng lẻ (được xác định bởi địa chỉ đặt mỗi đồng hồ đo) và chỉ định mức tiêu thụ nước được đo cho từng vị trí đồng hồ cho nút gần nhất trong mô hình. Quá trình mã hóa địa lý liên kết địa chỉ đường phố với một vị trí địa lý và tìm tọa độ của một vị trí điểm dựa trên địa chỉ đường phố của nó. Phương pháp này giả định rằng một tệp bảng tính hoặc tệp văn bản được phân tách chứa địa chỉ đồng hồ và việc sử dụng nước theo đồng hồ đo trong khoảng thời gian xác định (ví dụ: Hàng quý hoặc hàng tháng) có thể được tạo từ cơ sở dữ liệu thanh toán của tiện ích. Nếu thông tin này có sẵn, quy trình sau có thể được sử dụng để chỉ định nhu cầu cho các nút.

1. Tạo một lớp GIS đại diện cho tất cả các nút trong mô hình.

2. Lấy lớp đường tâm đường của khu vực dịch vụ với các dải địa chỉ. Dữ liệu như vậy cũng có thể được mua từ các nhà cung cấp dữ liệu GIS thương mại.

3. Thu thập và xử lý trước cơ sở dữ liệu về vị trí đồng hồ đo và mức tiêu thụ của khách hàng.

4. Xử lý dữ liệu địa chỉ công tơ mét và phạm vi địa chỉ đường phố trong GIS để mã hóa địa lý các vị trí công tơ thành một lớp điểm được đăng ký cho lớp nút mô hình.

5. Chỉ định và tổng hợp nhu cầu đồng hồ riêng lẻ cho các nút gần nhất.

6. Phân tích nhu cầu đồng hồ đo được chỉ định để xác định các nhu cầu chưa được tính toán – nước và đồng hồ đo chưa được mã hóa địa lý thành công. Phân phối thống nhất các nhu cầu còn lại này trên các nút.

7. Tải dữ liệu nhu cầu nút vào mô hình thủy lực. qua các nút, sản phẩm trung gian của các vị trí điểm có nhu cầu liên quan cũng có thể được sử dụng để trực quan hóa sự phân bổ không gian của các điểm nhu cầu riêng lẻ trong toàn hệ thống. Cơ sở dữ liệu về nhu cầu được đo lường cũng có thể được tạo để bao gồm các lớp khách hàng như được xác định trong hệ thống thanh toán. Dữ liệu này có thể được sử dụng để chỉ định các mô hình nhu cầu khác nhau cho các loại nhu cầu dân cư, thương mại và công nghiệp để sử dụng trong các mô phỏng thời gian dài.

Phần mềm mô hình thủy lực WaterGEMS của Haestad Methods có mô-đun Loadbuilder cho phép người lập mô hình tự động tính toán và gán nhu cầu cho các mối nối bằng ba phương pháp sau:

1. Phương pháp dữ liệu đồng hồ khách hàng, nếu có sẵn dữ liệu thanh toán của khách hàng được mã hóa địa lý

2. Phương pháp dữ liệu sử dụng nước, nếu không có dữ liệu đồng hồ tính tiền

3. Phương pháp số liệu sử dụng đất dân số I phục vụ dự báo nhu cầu trong tương lai.

Ước tính độ cao nút

Độ cao nút cũng là một tham số đầu vào quan trọng cho mô hình thủy lực. Ước tính thủ công độ cao của nút từ bản đồ địa hình (đường viền) là một quá trình phức tạp. GIS cho phép tính toán tự động độ cao của nút bằng quy trình sau:

1. Tạo một lớp GIS (ví dụ: shapefile) cho các nút trong mô hình

2. Có được lớp OEM bao phủ khu vực dịch vụ phân phối nước

3. Tham chiếu địa lý (đăng ký địa lý) các lớp nút và OEM (tức là gán cả hai lớp cho cùng một hệ thống chiếu bản đồ).

4. Chồng lớp nút lên trên lớp DEM để gán độ cao DEM cho các nút

5.Ttải dữ liệu độ cao nút vào mô hình.

Dấu vết cách ly chính của nước

Cấu trúc liên kết được định nghĩa là mối quan hệ không gian giữa các tính năng. Mối quan hệ không gian giữa các đối tượng kết nối hoặc liền kề, chẳng hạn như các đường ống nối với vòi nước, phải được xác định rõ ràng để làm cho bản đồ trở nên “thông minh”.

Khi đường ống nước chính bị hỏng, cần cách ly nó với phần còn lại của mạng lưới phân phối nước để sửa chữa chỗ vỡ hoặc thay thế đường ống. Dấu vết cách ly đường ống nước chính được định nghĩa là xác định các van của hệ thống phân phối nước phải đóng để sửa chữa hoặc thay thế đường ống. Lớp mạng của hệ thống phân phối nước biết liên kết nào được kết nối với nút nào (tức là có cấu trúc liên kết) có thể được sử dụng để đi qua các mạng lưới để giải quyết vấn đề cách ly đường ống nước chính. Ngoài việc xác định van, GIS còn cho phép phân tích trước các tình huống tắt nguồn nước, chẳng hạn như:

Tinh chỉnh tìm kiếm van dựa trên các van không hoạt động
Xác định đường ống không có nước
Xác định các đường ống của khách hàng không có nước.
Xác định các khách hàng sử dụng nước để phục vụ cho sản xuất và dịch vụ quan trọng ( bệnh viện, doanh nghiệp sản xuất,…) không thể bị gián đoạn
Xác định mức độ gián đoạn dịch vụ để tránh việc ngắt nước ngoài ý muốn
Thu thập dữ liệu lịch sử rò rỉ hữu ích trong mô hình thay thế đường ống.

Dấu hiệu khu vực áp suất

GIS cũng cho phép xác định các vùng áp lực khác nhau trong mạng lưới phân phối nước. Điều này được thực hiện bằng cách chọn một đường ống hoặc nút là một phần của vùng áp suất lớn hơn. GIS theo dõi mạng lưới nước theo mọi hướng có thể cho đến khi tìm thấy nguồn nước hoặc tài sản (ví dụ: van điều chỉnh áp suất) cách ly dòng nước. Sau khi quá trình theo dõi hoàn tất, người dùng có thể chỉ định thuộc tính vùng áp suất cho đường ống hoặc nút đã chọn.

(Nguồn: chijoumal.org)

Tầm quan trọng của việc ứng dụng GIS trong quản lý mạng cấp nước

Việc ứng dụng GIS trong quản lý mạng cấp nước mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho các nhà quản lý và cộng đồng. Một trong những điều đầu tiên cần nhấn mạnh là khả năng tạo ra cái nhìn tổng quát về mạng lưới cấp nước hiện tại thông qua bản đồ trực quan. Những bản đồ này không chỉ giúp hiển thị vị trí của các tuyến ống, van, trạm bơm mà còn cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng và hiệu suất hoạt động của chúng.

Bên cạnh đó, GIS cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình quản lý tài nguyên nước. Khi nắm rõ được vị trí và tình trạng của các nguồn nước, nhà quản lý có thể đưa ra các giải pháp hợp lý hơn trong việc phân phối nước, giảm thiểu thất thoát và nâng cao chất lượng dịch vụ.

Phân tích và trực quan hóa dữ liệu

Sử dụng GIS, các nhà quản lý có thể thu thập và phân tích dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau. Dữ liệu này bao gồm thông tin về lưu lượng nước, chất lượng nước, và tình trạng của cơ sở hạ tầng. Thông qua các công cụ phân tích mạnh mẽ, GIS cho phép kết nối các dữ liệu này với các yếu tố môi trường như thời tiết, địa hình, và dân số, từ đó đưa ra những dự đoán đáng tin cậy về nhu cầu nước trong tương lai.

Hơn nữa, GIS còn hỗ trợ trong việc tạo ra các bản đồ nhiệt độ cho thấy mức độ sử dụng nước theo từng khu vực. Điều này giúp các nhà quản lý nhận diện được những vùng có nguy cơ thiếu nước hoặc bị lãng phí, từ đó có biện pháp can thiệp kịp thời. Việc trực quan hóa dữ liệu không chỉ giúp cho các doanh nghiệp quản lý dễ dàng hơn trong việc ra quyết định mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp với cộng đồng và các bên liên quan.

Giám sát và bảo trì hệ thống

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của GIS là giám sát hệ thống cấp nước. Bằng cách sử dụng cảm biến và công nghệ IoT, các nhà quản lý có thể theo dõi tình trạng của các thiết bị trong thời gian thực. Ví dụ, nếu một trạm bơm gặp sự cố hoặc một đoạn ống bị rò rỉ, hệ thống GIS có thể gửi cảnh báo ngay lập tức, giúp cho việc khắc phục sự cố trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn.

Ngoài ra, GIS cũng hỗ trợ trong việc lập kế hoạch bảo trì định kỳ. Thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm hoặc cảm tính, các nhà quản lý có thể sử dụng dữ liệu lịch sử để xác định thời điểm nào là phù hợp nhất cho việc bảo trì. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo rằng mạng lưới vẫn hoạt động hiệu quả.

>>Xem thêm: Quản lý vận hành hệ thống cấp nước hiệu quả: Giảm thất thoát

Các ứng dụng GIS trong quản lý mạng cấp nước

GIS có thể được ứng dụng vào nhiều khía cạnh khác nhau trong quản lý mạng cấp nước. Mỗi ứng dụng đều mang lại lợi ích riêng biệt và góp phần nâng cao hiệu quả công việc.

Ứng Dụng Quản Lý Bản Đồ Số Mạng Lưới Cấp Nước Sạch

Một trong những ứng dụng chính của eKMap trong quản lý mạng cấp nước là quản lý bản đồ số. Bản đồ số cung cấp hình ảnh trực quan về mạng lưới cấp nước, cho phép các nhà quản lý dễ dàng theo dõi vị trí, loại và tình trạng của các thiết bị như đường ống, van, bồn chứa và trạm bơm. Các tính năng trong ứng dụng giúp tích hợp thông tin như lịch sử bảo trì, tình trạng hoạt động và các tài liệu liên quan đến các phần của mạng lưới. Việc quản lý bản đồ số không chỉ giảm thời gian tìm kiếm thông tin mà còn cải thiện khả năng ra quyết định nhanh chóng và chính xác hơn.

Ứng Dụng Quản Lý Sự Cố Trên Mạng Lưới Cấp Nước Sạch

Khi xảy ra sự cố như rò rỉ nước hoặc hỏng hóc thiết bị, việc phản ứng kịp thời là rất quan trọng để hạn chế thiệt hại. Ứng dụng GIS giúp theo dõi và quản lý các sự cố trên mạng lưới cấp nước. Nhờ vào việc tích hợp dữ liệu từ các cảm biến và phản hồi của người dân, GIS có thể nhanh chóng xác định vị trí và mức độ nghiêm trọng của sự cố. Các nhà quản lý có thể sử dụng GIS để phối hợp nhanh chóng các đội ngũ thi công và vật tư, giảm thời gian ngừng hoạt động và cải thiện hiệu suất phục vụ.

Ứng Dụng Giám Sát Vận Hành Mạng Lưới Cấp Nước Thời Gian Thực

Công nghệ GIS cũng cho phép giám sát vận hành mạng lưới cấp nước theo thời gian thực. Các cảm biến được lắp đặt trên mạng lưới cấp nước cung cấp dữ liệu về áp lực, lưu lượng, và chất lượng nước. Tất cả thông tin này được đồng bộ hóa với hệ thống GIS, cho phép các nhà quản lý theo dõi hiệu suất hoạt động, nhận diện vấn đề kịp thời và đưa ra các biện pháp điều chỉnh cần thiết. Việc giám sát trong thời gian thực không chỉ cải thiện khả năng phản ứng mà còn giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nước, giảm thiểu lãng phí và nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp.

Ứng Dụng Quản Lý Súc Xả Tuyến Ống

Quá trình súc xả tuyến ống là một phần quan trọng trong việc bảo trì hệ thống cấp nước. Ứng dụng GIS có thể hỗ trợ quản lý quá trình này bằng cách theo dõi lịch sử súc xả các tuyến ống, ghi nhận các thông số như thời gian, lưu lượng nước và lượng cặn thu được. Dữ liệu này không chỉ giúp hoạch định các hoạt động bảo trì hiệu quả mà còn cung cấp thông tin quý giá để đánh giá tình trạng của các tuyến ống. Nhờ vậy, các nhà quản lý có thể có cái nhìn tổng quát về hệ thống và đưa ra quyết định chính xác hơn.

Ứng Dụng Bản Đồ 3D, BIM, AR Mạng Lưới Cấp Nước

Công nghệ hiện đại như mô hình thông tin xây dựng (BIM) và thực tế tăng cường (AR) đang mở ra nhiều cơ hội cho việc quản lý mạng lưới cấp nước. GIS có thể kết hợp với BIM để tạo ra mô hình 3D của mạng lưới cấp nước, cho phép các kỹ sư xem và phân tích cấu trúc dưới lòng đất mà không cần phải đào lên. Các mô hình 3D này giúp cải thiện quy trình thiết kế, thi công và bảo trì. Thực tế tăng cường (AR) cũng cung cấp trải nghiệm tương tác, cho phép nhân viên ghi nhận thông tin về mạng lưới trực tiếp trên địa điểm thông qua thiết bị di động, từ đó nâng cao khả năng thực hiện các nhiệm vụ bảo trì và sửa chữa.

Tìm hiểu ngay Bộ giải pháp phục vụ chuyển đổi số chuyên biệt cho doanh nghiệp Nước sạch

Kết luận

GIS đóng vai trò rất quan trọng trong ngành cấp nước giúp các doanh nghiệp cấp nước quản lý mạng lưới cấp nước hiệu quả như quản lý chất lượng nước, quản lý áp suất, quản lý rò rỉ, quản lý đồng hồ khách hàng,… Vậy còn điều gì tuyệt vời hơn nữa hãy liên hệ ngay cho eKGIS ngay hôm nay để được tư vấn và ứng dụng kịp thời.

Tham khảo thêm một số tài liệu khác:

Giải pháp chuyển đổi số chuyên biệt cho doanh nghiệp Nước sạch

Bạn đã biết gì về Phần mềm quản lý mạng lưới cấp nước ArcGIS?

Giải pháp ứng dụng Web GIS và Mobile GIS trong công tác quản lý mạng lưới cấp nước

Giám sát nguy cơ, rủi ro về chất lượng nguồn nước bằng công nghệ viễn thám (RS) kết hợp trí tuệ nhân tạo (GeoAI)

Giải pháp ứng dụng GIS hỗ trợ công tác sửa chữa, bảo dưỡng mạng lưới cấp nước giúp giảm thất thoát nước

Giải pháp ứng dụng GIS hỗ trợ phát hiện rò rỉ nước chủ động giúp giảm thất thoát nước

Lập bản đồ mạng cấp nước độ chính xác cao hỗ trợ xây dựng hệ thống cấp nước thông minh