Kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông minh Wi-Plat trong xác định rò rỉ trên mạng lưới cấp nước tại Hải Dương

1. Đặt vấn đề

Nước sạch là một sản phẩm thiết yếu đối với cộng đồng. Đảm bảo cấp nước đầy đủ, liên tục, với lưu lượng, áp lực cần thiết, chất lượng đáp ứng quy chuẩn quốc gia tới khách hàng, đồng thời đảm bảo sản xuất kinh doanh hiệu quả, bền vững là mục tiêu hướng tới của mỗi doanh nghiệp cấp nước. Trong đó, giảm thất thoát, thất thu nước trong hệ thống cấp nước là một nội dung rất quan trọng. Với nhiều cố gắng, tỷ lệ nước không doanh thu ở các đô thị Việt Nam hiện nay trung bình là 17% [1]. Với tổng công suất cấp nước mỗi ngày là 11,2 triệu m3, chỉ tính theo đơn giá nước sinh hoạt, mỗi ngày ngành Nước đã tổn thất ~19 tỷ đồng, mỗi năm tổn thất 300 triệu USD. Chỉ cần giảm được tỷ lệ nước không doanh thu 2%, đã cho phép tiết kiệm ít nhất 35 triệu USD mỗi năm.

Sức ép của nhu cầu cải tiến, đổi mới công nghệ, giảm tỷ lệ nước thất thoát và nâng cao chất lượng dịch vụ, mở rộng phạm vi phục vụ, trong khi mạng lưới cấp nước ở nhiều nơi còn chắp vá, cũ nát, được lắp đặt bằng nhiều loại vật liệu ống và phụ tùng có kích cỡ, chất lượng vật liệu, chất lượng thi công khác nhau, công tác quản lý hoạt động xây dựng và bảo vệ đường ống, công trình cấp nước còn yếu kém, trình độ dân trí ở nhiều nơi còn hạn chế, là những thách thức mà các doanh nghiệp cấp nước hiện đang phải vượt qua. Hầu hết các doanh nghiệp cấp nước đều rất quan tâm đầu tư cho hoạt động chống thất thoát nước, áp dụng nhiều giải pháp đồng bộ, liên tục. Việc áp dụng các công nghệ mới, thông minh, cho phép phát hiện kịp thời, chính xác điểm rò rỉ với nguồn lực phù hợp để có thể can thiệp, khắc phục sớm, với chi phí hợp lý, là một trong những giải pháp mà nhiều doanh nghiệp cấp nước mong muốn tìm kiếm, áp dụng. Đây cũng là nội dung được Chính phủ Việt Nam, Bộ Xây dựng đặc biệt quan tâm, chỉ đạo sát sao, với các chính sách và chương trình hoạt động cụ thể như Chương trình Quốc gia bảo đảm cấp nước an toàn giai đoạn 2016 - 2025, được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 1566/QĐ-TTg ngày 9/8/2016 [2]; Chương trình Quốc gia chống thất thoát thất thu nước sạch đến năm 2025 (Quyết định số 2147/QĐ-TTg ngày 24/11/2010) [3]; Chỉ thị số 34/CT-TTg ngày 28/08/2020 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường công tác quản lý hoạt động sản xuất, kinh doanh nước sạch, bảo đảm cấp nước an toàn, liên tục [4]. 

Hội Cấp thoát nước Việt Nam, với sứ mệnh tìm kiếm và chuyển giao các công nghệ mới, hiệu quả tới các hội viên của mình, làm cầu nối giữa các đối tác hoạt động trong lĩnh vực cấp thoát nước, đã triển khai Dự án Chống thất thoát trong hệ thống cấp nước bằng giải pháp thông minh. Dự án do Viện Nguồn lực quốc tế (WRI) - Sáng kiến hợp tác vì phát triển xanh và các mục tiêu toàn cầu đến năm 2030 (P4G) tài trợ. Dự án nhằm phát triển được một nền tảng trực tuyến về chống thất thoát trong hệ thống cấp nước, giải quyết vấn đề thất thoát trong hệ thống cấp nước một cách hiệu quả, bền vững, sử dụng các công nghệ mới về internet vạn vật, với trí tuệ nhân tạo và điện toán đám mây. Công nghệ thông minh cũng có thể được tích hợp với các thiết bị kiểm soát lưu lượng, áp lực theo thời gian thực để nâng cao độ chính xác, với giá thành hợp lý. Các đối tác chính của Dự án là Hội Cấp thoát nước Việt Nam (VWSA, chủ trì Dự án), Công ty CP Kinh doanh nước sạch Hải Dương, Công ty CP Tư vấn và Đầu tư Đô thị Việt (VUCICO), Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE),Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Công ty K-Water và Công ty Wi-Plat (Hàn Quốc, đơn vị chuyển giao công nghệ).

Công ty CP Kinh doanh nước sạch Hải Dương có tổng công suất cấp nước 200.000 m3/ngày, với 13 nhà máy sản xuất nước và 05 trạm bơm tăng áp, phạm vi cấp nước trải rộng trên địa bàn toàn tỉnh, cấp nước cho tất cả các đô thị và gần 100 xã nông thôn (trong đó 33 xã bán qua đồng hồ tổng). Với rất nhiều nỗ lực trong một thời gian dài, Cấp nước Hải Dương đang duy trì tỷ lệ nước thất thoát toàn Công ty là 11%, phấn đấu sau 2025 đạt dưới 10% [5].

Địa điểm được lựa chọn để tiến hành nghiên cứu thử nghiệm là 2 khu dân cư thuộc thành phố Hải Dương, với 100% số hộ được cấp nước từ hệ thống cấp nước tập trung. 2 khu vực được quản lý bởi 2 đồng hồ khối (District Metered Area - DMA) số 03 và số 16, cùng đường kính 150 mm. Đồng hồ tổng của mỗi DMA cung cấp thông tin về nhu cầu dùng nước của khu vực. DMA03 có tổng chiều dài tuyến ống 11,94 km, trong đó có 1,68 km ống HDPE D160 mạng phân phối và 10,26 km ống thép tráng kẽm đường kính 20-50 mm mạng dịch vụ. Số hộ tiêu thụ trong khu vực là 1.867 hộ, trong đó có 41 cơ quan và 1.826 hộ gia đình. Tỷ lệ thất thoát hiện tại của khu vực là 12,3%. DMA16 có tổng chiều dài ống 23,8 km, gồm 19,98 km ống HDPE đường kính 32-160 mm và 3,82 km ống thép tráng kẽm đường kính 50-100 mm. Trong khu vực có 2.687 hộ tiêu thụ, gồm 28 cơ quan và 2.659 hộ gia đình. Tỷ lệ thất thoát hiện tại là 10,2%.

Hình 1. Khu vực nghiên cứu thử nghiệm của Dự án

2.Phương pháp nghiên cứu

“Nước không doanh thu” bao gồm thất thoát nước cơ học (rò rỉ trên mạng lưới truyền dẫn, phân phối, dịch vụ), và thất thoát nước thương mại (sai số đồng hồ, đấu nối trộm, cấp nước nhưng không thu được tiền) [6]. Sơ đồ các loại hình nước không doanh thu trong hệ thống cấp nước được thể hiện trên Hình 2.

Hình 2. Các nguyên nhân dẫn đến thất thoát nước
 

Để kiểm soát được nước không doanh thu, cần nghiên cứu đầy đủ các loại hình thất thoát và có biện pháp kiểm soát phù hợp. Nghiên cứu này tập trung vào kiểm soát thất thoát nước do rò rỉ trên các tuyến ống cấp nước (Hình 3).

Hình 3. Mục tiêu kiểm soát nước không doanh thu trong hệ thống cấp nước
 

Các thiết bị được trang bị phục vụ cho nghiên cứu bao gồm: Thiết bị âm học để thu nhận âm thanh từ dòng chảy trên đường ống Sonic M1 kèm theo thanh kim loại nối dài để truyền âm thanh từ đường ống nằm dưới sâu tới thiết bị Sonic (03 bộ); Điện thoại thông minh với hệ điều hành Android; Giá đỡ; Cáp kết nối; Cáp sạc; Phần mềm NELOW của hãng Wi-Plat.

Sau khi lắp đặt, kích hoạt nút nguồn trên thiết bị Sonic M1, thiết bị sẽ tự động bật bluetooth, đồng thời kích hoạt phần mềm NELOW trên điện thoại thông minh. Tiến hành dò tìm bằng cách đặt thanh cắm lên thành tuyến ống hay bề mặt các phụ kiện như van, đồng hồ, … có nước chảy qua, chọn chế độ đọc dữ liệu. Mỗi điểm dò tìm cách nhau từ 10-20 m, và việc này được lặp lại trên toàn tuyến ống. Xung động âm thu nhận từ dòng nước chảy được số hóa và thông qua nền tảng điện toán đám mây truyền về trung tâm, nơi có phần mềm NELOW. Phần mềm thông minh sẽ phân tích dữ liệu âm thanh (độ lớn, biên độ dao động, tần số), phân tích các điểm có nghi ngờ rò rỉ (ký hiệu là các vòng tròn màu đỏ trên bản đồ số mạng lưới cấp nước). Kích thước vòng tròn phụ thuộc vào vật liệu ống, lưu lượng dòng chảy hay mức độ rò rỉ nghi ngờ, khoảng cách từ điểm đo tới điểm rò rỉ. Phần mềm có thể nhận biết và chỉ ra điểm có nguy cơ cao khi dịch chuyển thiết bị dò tìm âm thanh đến gần hay xa hơn điểm rò rỉ, giúp đào tìm được điểm rò rỉ chính xác hơn. 

Dữ liệu hiện trạng của khu vực cấp nước, bản đồ số hóa về mạng lưới cấp nước, với dữ liệu chi tiết về các tuyến ống, lịch sử nước thất thoát của khu vực được thu thập, dùng làm dữ liệu nền. Số liệu thất thoát của DMA03 tháng 10/2022 và 11/2022 tương ứng là 11,6 và 11,5%, của DMA16 là 10,5 và 11,2%. 

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Trong thời gian tháng 12/2021, nhóm nghiên cứu đã triển khai dò tìm ở 2 khu vực DMA03 và 16 tổng cộng 500 lượt.

Hình 4. Phần mềm phân tích dữ liệu và chỉ vị trí rò rỉ trên bản đồ


Hình 5. Kết quả dò tìm từ một điểm rò rỉ điển hình

Bảng 1. Các kết quả kiểm soát rò rỉ thu được
 

Đối với DMA03, sau 1 tháng, tỷ lệ thất thoát đã giảm xuống còn 10,1%, hay giảm 13% so với ban đầu. Đối với DMA16, tỷ lệ thất thoát còn 8,8%, giảm 19% so với ban đầu. Với khu vực có tỷ lệ thất thoát vốn đã thấp, các tuyến ống còn tương đối mới, kết quả thử nghiệm cho thấy giảm được gần 2% lượng nước thất thoát chỉ trong 1 tháng thử nghiệm là kết quả rất khả quan.

Phương pháp xác định rò rỉ bằng công nghệ thông minh cho phép phát hiện rò rỉ với độ chính xác, tốc độ đo nhanh (mỗi giờ có thể đo được khu vực với 200 - 250 đồng hồ khách hàng), đồng thời cho phép tiến hành đo được vào ban ngày, mà không bị nhiễu bởi các tiếng ồn do phương tiện giao thông đi lại trên đường như thiết bị khuếch đại âm truyền thống, giúp giảm thiểu nhiều các ca lao động đêm của công nhân. Thay vì phải huy động nhân lực đi rà soát tất cả các tuyến ống để xác định rò rỉ ban đêm với tai nghe và dụng cụ khuếch đại âm, việc sử dụng công nghệ thông minh và lựa chọn chiến lược kiểm soát rò rỉ thích hợp (sàng lọc - xác định rò rỉ - khắc phục) có hiệu quả cao hơn và giảm chi phí nguồn lực hơn. Ngoài ra, kết hợp với thiết bị khuếch đại âm truyền thống, đồng thời tích hợp thiết bị Sonic M1 với các phương tiện kiểm soát mạng lưới hiện đại như đồng hồ lưu lượng và áp suất, truyền dữ liệu theo thời gian thực về qua hệ thống Scada, cho phép xác định được chính xác, nhanh chóng điểm rò rỉ trên mạng lưới với chi phí vận hành thấp nhất. Đặc biệt, với những ưu điểm kể trên, thiết bị có thể phát huy hiệu quả rất tốt với khu vực có tỷ lệ thất thoát còn cao.

Để xác định được chính xác độ giảm tỷ lệ thất thoát, cần so sánh dữ liệu tương quan của áp lực tối đa và dòng chảy tối thiểu ban đêm trước và sau khi can thiệp. Do phần lớn lưu lượng ban đêm trong mạng dịch vụ là nước thất thoát (thường chiếm tới 60-70%), nhờ đó tránh được những dao động lớn của lưu lượng ban ngày. 

So với bản đồ khu vực dựa trên nền tảng Google map, bản đồ tuyến ống trên nền GIS sẽ cho phép định vị chính xác hơn nữa điểm rò rỉ. Số hóa bản đồ mạng lưới cấp nước sẽ phát huy tác dụng trong hoạt động này.

Các điểm rò rỉ được tìm thấy không cần thiết bị hỗ trợ (điểm rò rỉ lộ thiên) vẫn hiện hữu (Bảng 1), cho thấy vai trò hợp tác của khách hàng, người dân địa phương rất quan trọng đối với công ty cấp nước. 

Nhóm nghiên cứu cũng đã tính toán sơ bộ lợi ích - chi phí khi áp dụng công nghệ thông minh Wi-Plat để phát hiện rò rỉ. Kết quả tính toán cho thấy với khu vực gồm 10 DMA, bộ 3 thiết bị Sonic và phần mềm NELOW có thể thu hồi vốn trong vòng 3 năm, và sinh lời từ năm thứ 4 trở đi.

4.Kết luận và kiến nghị

Các kết quả thử nghiệm của Dự án cho thấy công nghệ thông minh chống thất thoát nước Wi-Plat sử dụng thiết bị nghe và truyền tín hiệu âm thanh, dựa trên nền tảng bản đồ số, công nghệ điện toán đám mây, phần mềm phân tích dữ liệu thông minh, cho phép xác định chính xác điểm rò rỉ theo thời gian thực, đo được cả ban ngày, với các thiết bị dễ sử dụng, không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Lượng nước thất thoát trong 1 tháng thử nghiệm tại 2 khu vực tương ứng còn 10,1% (DMA03) và 8,8% (DMA16), giảm 13% và 19% so với trước dự án; tỷ lệ thất thoát chung giảm 2% tại 2 khu vực vốn có tỷ lệ thất thoát rất thấp, khó tìm điểm rò rỉ tại Thành phố Hải Dương. 

Bên cạnh thất thoát cơ học từ rò rỉ nước trên mạng lưới, cần thiết phải có chiến lược tổng thể để quản lý nước không doanh thu, với các giải pháp cụ thể ưu tiên trước mắt và dài hạn tại doanh nghiệp cấp nước. Việc phát hiện và khắc phục rò rỉ cũng phải được thực hiện thường xuyên, liên tục, do hiện tượng rò rỉ nước trên mạng lưới luôn xảy ra hằng ngày, hằng giờ. 

Việc ứng dụng công nghệ thông minh trong chống thất thoát nước rất có tiềm năng và nhiều cơ hội ở Việt Nam, khi tỷ lệ thất thoát nói chung còn cao, và đang thu hút sự quan tâm của nhiều doanh nghiệp cấp nước.

Tài liệu tham khảo

[1] Hội Cấp thoát nước Việt Nam (2022). Báo cáo tại Hội nghị Ban chấp hành Hội CTNVN. Tháng 3/2022.

[2] Chương trình Quốc gia bảo đảm cấp nước an toàn giai đoạn 2016 - 2025, được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 1566/QĐ-TTg ngày 9/8/2016.

[3] Chương trình Quốc gia chống thất thoát thất thu nước sạch đến năm 2025 (tại Quyết định số 2147/QĐ-TTg ngày 24/11/2010).

[4] Chỉ thị số 34/CT-TTg ngày 28/08/2020 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường công tác quản lý hoạt động sản xuất, kinh doanh nước sạch, bảo đảm cấp nước an toàn, liên tục.

[5] Công ty CP Kinh doanh Nước sạch Hải Dương (2017). Chiến lược phát triển Công ty giai đoạn 2017-2022, định hướng đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050.

[6] Nguyễn Việt Anh, Vũ Hồng Dương, Trần Văn Dương, Nguyễn Văn Hợp (2016). Quản lý vận hành và bảo dưỡng các công trình của hệ thống cấp nước. Nhà xuất bản Xây dựng.

Tác giả: Võ Duy Quý, Nguyễn Việt Anh, Phạm Minh Cường, Lê Thu Thủy, Sanghoon Cha