Chủ nhiệm đề tài: ThS. Thái Quỳnh Như

Sự cần thiết:
Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên khoảng 7.665 km2, dân số 6.56 triệu người và mật độ dân số trung bình khoảng 1.566 người/km2. Đây là lưu vực sông có tốc độ đô thị hoá 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, đem lại nhiều lợi ích to lớn cho nền kinh tế quốc dân. Ngoài ra, lưu vực còn là nơi dân cư tập trung đông đúc có nhiều khu công nghiệp, nhà máy, làng nghề, cơ sở kinh doanh, dịch vụ cũng như sản xuất nông nghiệp và chăn nuôi tập trung, đòi hỏi nhu cầu sử dụng nước lớn đồng thời cũng thải ra môi trường một lượng nước rất lớn.

Nước là nguồn tài nguyên hữu hạn, đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống và đối với sức khỏe con người trong đó chất lượng nước luôn là vấn đề cấp thiết được quan tâm hơn cả. Thành phố Hà Nội là thủ đô, là trung tâm kinh tế, văn hóa, xã hội của cả nước Việt Nam. Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy hiện nay và trong tương lai đóng vai trò quan trọng không chỉ trong phát triển kinh tế của các tỉnh thành phố ven sông mà còn cả trong sự phát triển của vùng đồng bằng sông Hồng. Lưu vực sông Nhuệ - Đáy được biết đến như một điểm nóng về chất lượng nước trong những năm gần đây. Theo Tổng cục Môi trường-Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong tổng số 15/185 điểm quan trắc bị ô nhiễm nặng nhất trên 5 lưu vực sông khu vực phía Bắc vào năm 2020 thì có đến 13 điểm thuộc lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Có tới 62% số điểm quan trắc cho kết quả của chỉ số chất lượng nước WQI<50 ở mức xấu đến rất xấu. Chất lượng nước kém đã ảnh hưởng rất lớn tới cuộc sống, kinh tế, môi trường và xã hội. Do đó việc kiểm soát ô nhiễm trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc địa bàn thành phố Hà Nội đóng vai trò quan trọng không chỉ với Hà Nội mà còn đối với toàn lưu vực.

Việc tính toán mô phỏng lan truyền hàm lượng chất ô nhiễm đóng vai trò quan trọng trong công tác đánh giá và kiểm soát chất lượng nước. Với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như mô hình hóa chất lượng nước, ngày càng nhiều các mô hình mô phỏng chất lượng nước ra đời và phát triển. Một số một hình toán thông dụng đã được phát triển bao gồm QUAL, WASP, QUASAR, MIKE DHI, các mô hình này thuộc nhóm mô hình số trị, là mô hình hóa quá trình lan truyền nước trên hệ thống sông, kênh mương. Ưu điểm của nhóm mô hình này là có thể cung cấp thông tin đánh giá chất lượng nước chi tiết theo không gian và thời gian. Tuy nhiên, việc thiết lập mô hình tương đối phức tạp và mất nhiều thời gian, yêu cầu người sử dụng mô hình cần có kiến thức chuyên môn hiệu chỉnh, kiểm định và đánh giá kết quả mô hình.

Thời gian gần đây, với sự gia tăng đáng kể số liệu quan trắc, các mô hình trí tuệ nhân tạo phục vụ mô phỏng dự báo chất lượng nước đã và đang được ứng dụng rộng rãi do khả năng tính toán nhanh với độ tin cậy và hiệu quả cao. Bên cạnh đó, các quá trình thủy văn nhìn chung là các quá trình phi tuyến tính trong tự nhiên, thay đổi theo không gian và thời gian như dòng chảy, chất lượng nước. Do đó, việc mô tả các quá trình và yếu tố trên cần được phân tích phi tuyến tính. Khi các dữ liệu đủ lớn, cùng với thuật toán và hệ số của mô hình trí tuệ nhân tạo (AI) được thiết lập một cách phù hợp, mô hình có khả năng mô phỏng các yếu tố với hiệu suất và độ chính xác cao, có thể thay thế cho mô hình thuỷ lực số trị.

Thực tế cho thấy AI có ưu điểm vượt bậc và phù hợp trong việc quản lý, đánh giá và mô phỏng, dự báo chất lượng nước hiệu quả tại một số quốc gia trên thế giới. Tuy vậy, cách tiếp cận sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo mô phỏng chất lượng nước vẫn là một trong những hướng nghiên cứu tương đối mới trên thế giới hiện nay. Ở Việt Nam, cho đến thời điểm hiện tại vẫn chưa có nhiều nghiên cứu đánh giá mô phỏng chất lượng nước ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo. Một trong những lý do mô hình trí tuệ nhân tạo chưa được sử dụng rộng rãi là do thiếu dữ liệu để huấn luyện các mô hình trí tuệ nhân tạo, do đó giảm độ tin cậy của các tính toán từ mô hình số trị. Vì vậy, nghiên cứu sẽ kết hợp cả mô hình thủy lực và mô hình trí tuệ nhân tạo nhằm tăng độ tin cậy cho mô hình trí tuệ nhân tạo trong đó mô hình thủy lực được sử dụng để tạo lập cơ sở dữ liệu theo các kịch bản khác nhau cùng với dữ liệu đo đạc có sẵn làm đầu vào cho mô hình trí tuệ nhân tạo.

Bảo vệ môi trường lưu vực sông là một vấn đề đã và đang được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong nửa cuối của thế kỷ 20 và phát triển rất mạnh trong vài thập kỷ gần đây, nhằm đối phó với những thách thức về sự khan hiếm nước, sự gia tăng tình trạng ô nhiễm, suy thoái các nguồn tài nguyên và môi trường của các lưu vực sông trong đó có Việt Nam. Đồng thời tập trung phân tích các nội dung liên quan đến các nguồn gây ô nhiễm, đặc trưng nước thải của các nguồn thải, hiện trạng và diễn biến môi trường nước, công tác quản lý, bảo vệ môi trường trên các lưu vực sông. Qua đó, nhận diện các thách thức đối với việc bảo vệ môi trường nước trên các lưu vực sông và đề xuất các giải pháp kiểm soát, khắc phục được ô nhiễm nguồn nước.

Ở Việt Nam, bảo vệ môi trường các lưu vực sông đã nhận được sự quan tâm của các cấp ban ngành từ trung ương đến địa phương, thông qua các văn bản chỉ đạo đến những hành động thiết thực. Cụ thể là việc thành lập các ủy ban bảo vệ lưu vực sông, một trong số các con sông đã và đang được quan tâm do tình trạng ô nhiễm đáng báo động đó là sông Nhuệ-Đáy. Ngày 29 tháng 4 năm 2008 Thủ tướng chính phủ ra Quyết định số 57/2008/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Đề án tổng thể bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ Đáy đến năm 2020”, trong đề án này các quan điểm chỉ đạo để giải quyết vấn đề ô nhiễm đã được đưa ra, đồng thời có những định hướng, mục tiêu cụ thể cùng các giải pháp tổ chức thực hiện. Đến ngày 31 tháng 8 năm 2009 trong Quyết định số 1404/QĐ-TTg Thủ tướng Chính phủ tiếp tục quyết định thành lập Ủy ban Bảo vệ môi trường cho lưu vực sông Nhuệ Đáy. Để triển khai kế hoạch này, ngày 11 tháng 7 năm 2016, Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội đã ban hành Kế hoạch số 133/KH-UBND nhằm “xác định các nhiệm vụ, dự án, làm cơ sở cho các sở, ngành liên quan và UBND các quận, huyện, thị xã, trên lưu vực sông triển khai nhằm thực hiện Quyết định số 1435/QĐ-TTg” trong đó có nhiệm vụ “Tăng cường năng lực quan trắc nhằm kiểm soát ô nhiễm, dự báo diễn biến chất lượng môi trường, xác định kịp thời các vấn đề môi trường, xác định kịp thời các vấn đề môi trường cấp bách của lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy trên địa bàn Thành phố”.

Do đó, việc thực hiện đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) phục vụ dự báo và kiểm soát chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội” là hết sức cần thiết và cấp bách nhằm cụ thể hóa các văn bản chỉ đạo liên quan đến công tác bảo vệ môi trường lưu vực sông cũng như tiếp cận sử dụng các công nghệ tiên tiến trong dự báo và kiểm soát chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ Đáy. Ngoài ra, nghiên cứu còn đóng vai trò hết sức quan trọng giúp cho các nhà quản lý ra quyết định trong việc kiểm soát ô nhiễm và giúp người dân biết trước tình hình ô nhiễm và chuẩn bị kế hoạch ứng phó kịp thời, đảm bảo đáp ứng nguồn nước không chỉ cho sinh hoạt, sản xuất mà còn duy trì hệ sinh thái thủy sinh.

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 Hà Nội và dự báo mức độ ô nhiễm nước mặt trên lưu vực sông.
- Đề xuất được giải pháp ngăn ngừa ô nhiễm và kiểm soát chất lượng nước mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội bằng công cụ có ứng dụng trí tuệ nhân tạo.

Nội dung nghiên cứu:
- Mô phỏng diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ-Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội và khu vực lân cận bằng mô hình thủy lực 1D;
- 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;
- Thiết lập được mô hình trí tuệ nhân tạo phù hợp cho đánh giá chất lượng nước trên sông Nhuệ - Đáy.
- Xây dựng bộ công cụ có ứng dụng phương pháp 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.

Kết quả của đề tài:
- Tổng quan về các phương pháp dự báo và kiểm soát chất lượng nước đã được thực hiện trong và ngoài nước, từ đó xây dựng được các bài học kinh nghiệm, tạo cơ sở tiền đề cho việc nghiên cứu dự báo và kiểm soát chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội.
- Thu thập, phân tích xử lý thông tin số liệu cập nhật nhật về điều kiện tự nhiên (khí tượng thủy văn, địa hình, sử dụng đất), điều kiện kinh tế xã hội, diễn biến chất lượng nước và kiểm kê tối đa nhất có thể hiện trạng nguồn nước thải (nồng độ và lưu lượng nước thải tại các cơ sở sản xuất, kinh doanh) trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy thuộc địa bàn thành phố Hà Nội.
- Đánh giá hiện trạng, nguyên nhân ô nhiễm trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong những năm gần đây.
- Thiết lập, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình số trị mô phỏng diễn biến chất ô nhiễm trên hệ thống sông Nhuệ - Đáy thuộc địa bàn thành phố Hà Nội, phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu xây dựng mô hình trí tuệ nhân tạo. Đề tài kết hợp sử dụng mô hình số trị MIKE 11 với mô hình trí tuệ nhân tạo mạng hồi quy Multilayer Perceptron (ANN–MLP) để mô phỏng nồng độ BOD5, DO, NH4+, Nitrate trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong đó kết quả mô phỏng theo các kịch bản khác nhau của mô hình số trị được sử dụng làm dữ liệu để xây dựng mô hình trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu được từ quá trình huấn luyện ở tất cả các trạm đạt chỉ số R2 từ 0.98 đến ~1 cho thấy khả năng dự báo của mô hình AI gần sát với kết quả từ mô hình MIKE 11. Với kết quả được cho là tin cậy, mô hình AI cho phép mô phỏng chất lượng nước mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy thay thế cho mô hình MIKE 11 đồng thời là cơ sở để xây dựng một mô hình dự báo chất lượng nước mặt cho lưu vực sông cho các kịch bản trong tương lai. Đây là công cụ thực hiện dự báo với tốc độ nhanh chóng, thuận lợi cho thành phố Hà Nội trong việc quản lý cũng như đưa ra các chính sách phù hợp. Kết quả mô phỏng cho thấy: chất lượng nước lưu vực sông vẫn chưa được cải thiện rõ rệt, xuất hiện tình trạng gia tăng ô nhiễm cục bộ; chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua đoạn Phúc La – Hà Đông đến hạ nguồn sông thường xuyên ở mức kém, tại một số thời điểm còn xảy ra tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng và ít chuyển biến giữa các mùa trong năm; chất lượng nước sông Đáy nhìn chung ở mức trung bình, ô nhiễm cục bộ tại khu vực cầu Mai Lĩnh. Nước sông Nhuệ chủ yếu chỉ đáp ứng được cho mục giao thông thủy và các mục đích tương đương khác. Trên sông Đáy tại một số vị trí được sử dụng thêm cho mục đích tưới tiêu. Do đó, cần có các giải pháp khắc phục tình trạng ô nhiễm nguồn nước lưu vực sông.
- Qua việc phân tích một số kịch bản kiểm soát ô nhiễm trên lưu vực sông Nhuệ.
- Đáy từ kết quả trích xuất từ bộ công cụ cho kết quả trực quan, thể hiện các xu hướng biến đổi phù hợp với tác động từ nguồn thải. Ngoài ra, việc thao tác trên bộ công cụ còn có thể thực hiện với các lựa chọn thay đổi tại từng nguồn thải để đánh giá tác động của từng nguồn thải đến lưu vực sông. Với ưu điểm thao tác dễ dàng và nhanh chóng, thân thiện với người dùng, bộ công cụ này phù hợp cho việc đánh giá tác động của các nguồn thải trên lưu vực sông phục vụ kiểm soát ô nhiễm lưu vực.