(HNM) - Bảo vệ môi trường lưu vực sông là vấn đề đang được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tại Hà Nội, một trong số các con sông có tình trạng ô nhiễm đáng báo động đó là sông Nhuệ - Đáy. Viện Khoa học tài nguyên nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường) đã đề xuất giải pháp ứng dụng trí tuệ nhân tạo phục vụ dự báo và kiểm soát chất lượng nước mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy.
Buổi nghiệm thu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo phục vụ dự báo và kiểm soát chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội”.
Lưu vực sông Nhuệ và sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng, là lưu vực sông có tốc độ đô thị hóa nhanh, có vị trí quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của vùng Đồng bằng Bắc Bộ nói chung và thành phố Hà Nội nói riêng. Đây cũng là nơi dân cư tập trung đông đúc, nhiều khu công nghiệp, nhà máy, làng nghề, cơ sở kinh doanh, dịch vụ... đòi hỏi nhu cầu sử dụng nước lớn đồng thời cũng thải ra môi trường một lượng nước tương tự.
Lưu vực sông Nhuệ - Đáy được biết đến như một điểm nóng về chất lượng nước trong những năm gần đây. Chất lượng nước kém đã ảnh hưởng lớn tới sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, đời sống sinh hoạt và sức khỏe của người dân địa phương. Do đó kiểm soát ô nhiễm trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc địa bàn thành phố đóng vai trò quan trọng không chỉ với Hà Nội mà còn đối với toàn lưu vực.
Trong bối cảnh đó, Viện Khoa học tài nguyên nước đề xuất nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp thành phố “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo phục vụ dự báo và kiểm soát chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội”, mã số 01C-09/01-2020-3. Theo Chủ nhiệm đề tài Thái Quỳnh Như, đề tài được tiến hành nhằm 2 mục tiêu: Đánh giá được hiện trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố và dự báo mức độ ô nhiễm nước mặt trên lưu vực sông; bằng công cụ có ứng dụng trí tuệ nhân tạo, đề xuất được giải pháp ngăn ngừa ô nhiễm và kiểm soát chất lượng nước mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội.
Khu vực nghiên cứu của đề tài gồm cả 2 sông Nhuệ và Đáy, trong đó có hệ thống phân chậm lũ Vân Cốc thuộc huyện Phúc Thọ (Hà Nội), cống Liên Mạc ở quận Bắc Từ Liêm (Hà Nội), sau đoạn hợp lưu của sông Nhuệ và sông Đáy thuộc địa phận thành phố Phủ Lý (Hà Nam).
Trong vòng 25 tháng (từ tháng 10-2020 đến tháng 10-2022), Chủ nhiệm đề tài và các cộng sự đã tiến hành nhiều nội dung nghiên cứu: Mô phỏng diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội và khu vực lân cận bằng mô hình thủy lực ID; xây dựng ngân hàng dữ liệu chất lượng nước từ kết quả mô phỏng của mô hình số trị, làm đầu vào của mô hình trí tuệ nhân tạo... từ đó đã xây dựng được bộ công cụ có ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo mô phỏng chất lượng nước, qua đó đề xuất các giải pháp ngăn ngừa ô nhiễm và kiểm soát chất lượng nước mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy.
Giáo sư, Tiến sĩ Trần Đức Hạ, Viện trưởng Viện Nghiên cứu cấp thoát nước và môi trường (Hội Cấp thoát nước Việt Nam), Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu cấp thành phố của đề tài đánh giá, đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo trong việc dự báo và kiểm soát chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Việc sử dụng công nghệ này sẽ mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực mô hình hóa chất lượng nước ở Việt Nam.
Sản phẩm của đề tài giúp người ra quyết định có đủ thông tin và cơ sở khoa học tin cậy trong việc lựa chọn các giải pháp kiểm soát ô nhiễm hiệu quả trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy. Đề tài sau khi hoàn thành sẽ góp phần quan trọng vào việc dự báo, kiểm soát chất lượng nước, góp phần bảo vệ, cải tạo môi trường nước trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy, bảo đảm cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.
Theo Giáo sư, Tiến sĩ Trần Đức Hạ, Chi cục bảo vệ môi trường các địa phương; các công ty, nhà máy khai thác nguồn nước sông phục vụ cấp nước sinh hoạt và sản xuất; các công ty sản xuất có hoạt động khai thác, xả thải vào nguồn nước sông; các công ty xử lý nước ô nhiễm... có thể sử dụng công cụ dự báo và kiểm soát ô nhiễm này. Qua đó kiểm soát chất lượng nước, góp phần bảo vệ, cải tạo môi trường nước trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy thuộc địa bàn Hà Nội.
Công cụ dự báo và kiểm soát chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy được thực hiện xây dựng bởi bộ gói Tkinter trong ngôn ngữ lập trình Python. Mục đích của việc xây dựng giao diện chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy nhằm giúp các nhà quản lý có một công cụ đánh giá dự báo chất lượng nước hiệu quả, giao diện thân thiện và có khả năng phân tích kết quả để họ dễ dàng ra quyết định hơn. So với cách tiếp cận truyền thống hiện nay, việc phát triển công cụ này có ba tiến bộ. Thứ nhất, giao diện của hệ thống thân thiện với người dùng hơn do người dùng không phải xây dựng các kịch bản từ bên ngoài và nhập thông tin số liệu vào các mô hình chất lượng nước. Các thao tác này được hỗ trợ và thực hiện trên công cụ. Do đó, các nhà quản lý không cần có chuyên môn, hiểu biết sâu về một mô hình cụ thể vẫn có thể thực hiện được việc xây dựng kịch bản và đánh giá ưu nhược điểm của các kịch bản. Thứ hai, do công cụ dựa trên công nghệ AI, các tính toán, mô phỏng không cần sử dụng các phần mềm chất lượng nước thương mại, do đó tiết kiệm kinh phí khi chuyển giao. Thứ ba, công cụ này mềm dẻo hơn khi đánh giá, dự báo tác động lên chất lượng nước của các kịch bản kiểm soát nguồn thải do ứng dụng công nghệ AI. So với hầu hết các hệ thống hỗ trợ ra quyết định đang sử dụng hiện nay, các đánh giá, dự báo thường dựa trên các kịch bản được xây dựng sẵn, trong nhiều trường hợp không đáp ứng được yêu cầu của người ra quyết định khi họ muốn thử nhiều kịch bản khác nhau. Công cụ dự báo và kiểm soát chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy được thực hiện xây dựng bởi bộ gói Tkinter trong ngôn ngữ lập trình Python. Mục đích của việc xây dựng giao diện chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy là mô phỏng chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy dựa trên bộ mô hình trí tuệ nhân tạo. Kết quả được biểu diễn và phân tích trên tại 6 điểm mô phỏng trên sông Nhuệ và sông Đáy.
Giao diện mô phỏng và dự báo kết quả chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy được xây dựng đáp ứng hiển thị kết quả mô phỏng một cách trực quan và nhanh chóng, từ đó giúp các nhà quản lý thực hiện những đánh giá và ra quyết định những vấn đề liên quan. Các thành phần trong bộ công cụ 1. Các thư viện hỗ trợ chạy chương trình: Bao gồm các thư viện hỗ trợ trong Python: Tkinter, pandas, numby, sklearn, matplot, joblib 2. Dữ liệu mô hình Dữ liệu đầu vào chô mô hình: Dữ liệu đầu vào mặc định ban đầu của các nguồn thải (Data_Input.csv) Dữ liệu bộ mô hình AI đã được thiết lập (*.sav) 3. File giao diện công cụ thực hiện dự báo chất lượng nước (Nhue_Day_Water_Quality.exe) Thao tác người dùng trên giao diện Các bước thao tác trong chương trình bao gồm: Khởi động giao diện, lựa chọn lưu vực tính toán, lựa chọn thông số chất lượng nước, lựa chọn kịch bản xả thải. - Cài đặt chương trình Chương trình được đóng gói dưới dạng file setup.exe. Người dùng cài đặt file vào máy tính bằng cách copy toàn bộ folder GUI_NHUE_DAY bao gồm các thư viện và dữ liệu được cung cấp. - Khởi động giao diện Khởi động chương trình bằng cách chạy file Nhue_Day_Water_Quality.exe trên máy tính. Cửa sổ giao diện hiện ra như sau:
- Lựa chọn thời gian, thông số và kịch bản: Lựa chọn đầu vào cho mô hình: thông số lưu lượng và chất lượng nước DO, BOD, NH4+, Nitrate tại các điểm.
- Mặc định các điểm đầu vào là các thông số tại thời điểm Hiện trạng (2022)
- Các thông số chất lượng nước được giới hạn trong phạm vi tiêu chuẩn A2 đến gấp đôi hiện trạng.
- Thi hành mô phỏng dự báo Nhấn nút Chạy mô phỏng để thực thi kết quả tính toán mô phỏng bằng biểu đồ được hiển thị. Nồng độ ô nhiễm tại các điểm mô phỏng theo 4 thông số DO, BOD5, NH4+, và Nitrate. Lưu file đồ thị dưới dạng ảnh với biểu tượng trên ảnh hiển thị. Kết quả trích xuất được lưu trong file “Chất lượng nước Nhuệ Đáy.xlsx” .
- Xóa kết quả để thực hiện mô phỏng mới Nhấn nút Hủy để thực xóa kết quả tính toán mô phỏng. Sau đó, thực hiện lựa chọn mới để mô phỏng các kịch bản khác.