Nghiên cứu xây dựng công cụ sàng lọc đánh giá dữ liệu quan trắc tự động mực nước và lượng nước dưới đất khai thác tại tỉnh Bình Dương
Trong bối cảnh phát triển đô thị và công nghiệp hóa mạnh mẽ, việc quản lý, khai thác và bảo vệ nguồn nước dưới đất (NDĐ) tại Bình Dương trở thành thách thức lớn đối với các nhà quản lý và doanh nghiệp. Đáp ứng yêu cầu chuyển đổi số và quản lý tài nguyên bền vững, Luận văn của tác giả Nguyễn Tấn Tài đã xây dựng thành công công cụ sàng lọc, đánh giá dữ liệu quan trắc tự động mực nước và lưu lượng NDĐ khai thác. Công cụ không chỉ giúp tự động hóa quy trình xử lý dữ liệu, nâng cao độ chính xác, mà còn hỗ trợ cảnh báo sớm các nguy cơ khai thác vượt mức, góp phần bảo vệ tài nguyên NDĐ và phục vụ phát triển đô thị thông minh tại địa phương.
Tóm tắt kết quả đạt được
Tổng quan về nước dưới đất và quan trắc tự động
Nước dưới đất là nguồn tài nguyên thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong cấp nước sinh hoạt, sản xuất và phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, NDĐ cũng dễ bị tác động tiêu cực bởi hoạt động khai thác quá mức, ô nhiễm từ mặt đất và biến đổi khí hậu. Bình Dương là tỉnh có địa hình đa dạng, khí hậu nhiệt đới gió mùa, mạng lưới sông suối phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho hình thành các tầng chứa nước ngầm. Song song với phát triển kinh tế, áp lực lên tài nguyên NDĐ ngày càng lớn, đòi hỏi phải có hệ thống quan trắc, giám sát hiện đại và hiệu quả.
Hệ thống quan trắc NDĐ tự động tại Bình Dương hiện nay gồm 142 trạm (giếng), trong đó 94 trạm thuộc đối tượng nghiên cứu đã lắp đặt thiết bị đo mực nước và lưu lượng, truyền dữ liệu liên tục về trung tâm điều hành. Số liệu quan trắc tự động với tần suất cao (1 phút/lần) tạo ra khối lượng dữ liệu rất lớn, lên tới hàng trăm nghìn dữ liệu mỗi ngày, gây khó khăn cho công tác tổng hợp, xử lý và đánh giá nếu thực hiện thủ công.
Hiện trạng và thách thức trong xử lý dữ liệu quan trắc
Khối lượng dữ liệu quan trắc tự động lớn khiến công tác tổng hợp, xử lý, kiểm soát lưu lượng khai thác, đánh giá diễn biến mực nước và phát hiện các trường hợp vượt mức cho phép trở nên phức tạp, tốn nhiều thời gian và dễ xảy ra sai sót nếu thực hiện thủ công. Trước đây, các đơn vị quản lý phải xuất dữ liệu thô, so sánh từng giá trị min, max, trung bình của mực nước, tính toán lưu lượng từng ngày để đối chiếu với giấy phép khai thác NDĐ, gây áp lực lớn về nhân lực và thời gian.
Xây dựng trường dữ liệu và tiêu chí sàng lọc
Nghiên cứu đã xây dựng trường dữ liệu chuẩn hóa từ kết quả quan trắc định kỳ và tự động, đảm bảo tương thích với các phần mềm xử lý và trực quan hóa (ArcGIS Online). Các trường dữ liệu bao gồm: tên trạm, tọa độ, thời gian lấy mẫu, các chỉ tiêu chất lượng nước (Coliform, E.coli, Asen, Clo dư, độ đục, màu, mùi vị, pH), mực nước động lớn nhất, nhỏ nhất, tổng lưu lượng/tháng, lưu lượng ngày lớn nhất/nhỏ nhất, trung bình lưu lượng ngày.
Tiêu chí sàng lọc dữ liệu được thiết lập nhằm loại bỏ các giá trị bất thường, sai lệch do lỗi thiết bị, mất kết nối, hoặc không phản ánh đúng thực tế (dữ liệu bằng 0, giá trị cực đại ngoài dải đo, dữ liệu không dao động trong thời gian dài khi có khai thác, v.v.). Công cụ cho phép người dùng tùy chỉnh các ngưỡng loại bỏ, kết hợp kiểm tra thực tế tại trạm để xác minh tính hợp lệ của dữ liệu.
Xây dựng công cụ sàng lọc, xử lý và cảnh báo
Công cụ sàng lọc, đánh giá dữ liệu quan trắc NDĐ tự động được lập trình trên nền tảng VBA và Python Tkinter, tích hợp các chức năng: Nhập dữ liệu đầu vào từ file Excel xuất từ hệ thống quan trắc; tự động tổng hợp, chuẩn hóa, tính toán các chỉ tiêu mực nước, lưu lượng; sàng lọc, loại bỏ dữ liệu bất thường, sai lệch theo tiêu chí đã thiết lập; cảnh báo khi tổng lưu lượng khai thác/ngày vượt mức cho phép hoặc trên 80% ngưỡng giới hạn giấy phép; xuất kết quả xử lý ra file Excel, hỗ trợ trực quan hóa bằng biểu đồ, bản đồ số; hướng dẫn sử dụng chi tiết, giao diện thân thiện với người dùng.
Công cụ còn hỗ trợ cảnh báo bốn mức độ: tăng, giảm, xu hướng vượt, vượt ngưỡng, giúp các doanh nghiệp và nhà quản lý kịp thời điều chỉnh chế độ khai thác phù hợp, tránh nguy cơ cạn kiệt, suy giảm chất lượng NDĐ.
Kết quả quan trắc và trực quan hóa dữ liệu
Kết quả tổng hợp dữ liệu quan trắc định kỳ năm 2021 cho thấy hầu hết các điểm quan trắc đều đạt quy chuẩn chất lượng nước dưới đất (QCVN 09-MT:2015/BTNMT), ngoại trừ một số thời điểm có giá trị pH thấp hơn ngưỡng cho phép. Kết quả quan trắc tự động tháng 4/2022 cho thấy một số điểm có mực nước động lớn nhất vượt mức 30m theo quy định, tuy nhiên sau khi điều chỉnh lưu lượng khai thác, hầu hết các điểm đều đạt mức quy định.
Các bản đồ 2D, 3D phân bố mực nước trung bình 6 tháng đầu năm và tháng 10/2022 cho thấy mực nước NDĐ dao động từ -35m đến 65m so với mực nước biển, bình quân 24,5-27m. Vùng mực nước thấp nhất tập trung ở Thạnh Hội (Tân Uyên), vùng cao nhất ở các khu vực phía Đông Bắc tỉnh. Việc trực quan hóa dữ liệu trên nền tảng GIS giúp nhà quản lý, doanh nghiệp và người dân dễ dàng tiếp cận, theo dõi diễn biến NDĐ theo không gian, thời gian.
Đề xuất nâng cao công tác quản lý và phát triển công cụ
Để nâng cao hiệu quả quản lý và phát triển công cụ sàng lọc, xử lý dữ liệu quan trắc nước dưới đất tự động tại Bình Dương, nghiên cứu đề xuất một số giải pháp trọng tâm. Trước hết, cần hỗ trợ doanh nghiệp lắp đặt trạm quan trắc tự động và cung cấp công cụ xử lý dữ liệu để chủ động kiểm soát lưu lượng khai thác, đảm bảo không vượt quá ngưỡng cho phép. Đồng thời, nên tích hợp chức năng kiểm duyệt dữ liệu vào hệ thống quản lý quan trắc môi trường của tỉnh, giúp nâng cao tính minh bạch và kịp thời trong giám sát tài nguyên. Việc công bố công khai dữ liệu quan trắc, chất lượng nước và phân bố nguồn nước dưới đất qua các kênh truyền thông sẽ giúp cộng đồng nâng cao nhận thức, sử dụng nước hợp lý, đặc biệt ở các vùng có nguy cơ suy giảm hoặc ô nhiễm. Ngoài ra, cần mở rộng mạng lưới trạm quan trắc, bổ sung các chỉ tiêu chất lượng nước và đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu. Về phát triển công cụ, nên xây dựng phiên bản di động, tích hợp AI dự báo diễn biến mực nước, trực quan hóa dữ liệu và bổ sung các tính năng cảnh báo, xuất báo cáo tự động, nhằm phục vụ tốt hơn công tác quản lý và bảo vệ tài nguyên nước dưới đất bền vững.
Kết luận
Nghiên cứu xây dựng công cụ sàng lọc, đánh giá dữ liệu quan trắc tự động mực nước và lượng nước dưới đất khai thác tại tỉnh Bình Dương đã đáp ứng hiệu quả yêu cầu số hóa, tự động hóa và nâng cao năng lực quản lý tài nguyên NDĐ trong bối cảnh phát triển đô thị thông minh. Công cụ giúp giảm thiểu thời gian, nhân lực xử lý dữ liệu, tăng độ chính xác, hỗ trợ cảnh báo sớm các nguy cơ khai thác vượt mức, góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên quý giá này cho phát triển bền vững địa phương. Việc ứng dụng các phần mềm GIS, lập trình tự động và công nghệ mới mở ra hướng tiếp cận hiện đại, minh bạch, tạo nền tảng cho công tác quản lý, khai thác, sử dụng nước dưới đất hiệu quả hơn trong tương lai.
Tuy nhiên, để phát huy tối đa hiệu quả, cần tiếp tục nâng cấp, mở rộng chức năng công cụ, tăng cường đồng bộ hóa dữ liệu, tích hợp trí tuệ nhân tạo dự báo, mở rộng phạm vi ứng dụng và phổ biến thông tin đến cộng đồng. Đây là hướng đi tất yếu nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước, phát triển kinh tế-xã hội bền vững và thích ứng với các thách thức môi trường trong thời đại chuyển đổi số hiện nay.
Nguồn KQNC: " Nghiên cứu xây dựng công cụ sàng lọc đánh giá dữ liệu quan trắc tự động mực nước và lượng nước dưới đất khai thác tại tỉnh Bình Dương". Xem toàn văn tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ tỉnh Bình Dương
Mỹ Linh