Giải pháp giám sát xâm nhập mặn thông minh phục vụ quản lý tài nguyên nước

Hệ thống giám sát xâm nhập mặn thông minh do các nhà khoa học Viện Cơ học và Tin học ứng dụng (nay là Viện Công nghệ thông tin) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phát triển đang mở ra cách tiếp cận mới, cho phép theo dõi, cảnh báo sớm và thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu tại các vùng ven biển.

Những năm gần đây, xâm nhập mặn không còn là hiện tượng bất thường mà đã trở thành thách thức thường trực đối với nhiều vùng ven biển Việt Nam. Nước mặn xâm nhập sâu vào nội đồng làm suy giảm năng suất lúa, cây ăn quả, nuôi trồng thủy sản, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt và sinh kế của hàng triệu người dân. Đặc biệt tại đồng bằng sông Cửu Long nơi giữ vai trò then chốt về an ninh lương thực và phát triển kinh tế - xã hội, xâm nhập mặn đang diễn biến ngày càng phức tạp dưới tác động tổng hợp của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và khai thác tài nguyên nước quá mức.

Trong bối cảnh đó, việc theo dõi, giám sát và cảnh báo sớm xâm nhập mặn trở thành yêu cầu cấp thiết để người dân và các cơ quan quản lý có thể chủ động ứng phó, điều chỉnh sản xuất và bảo vệ môi trường sinh thái. Thay vì phụ thuộc vào các số liệu đo đạc rời rạc, chậm cập nhật, xu hướng hiện nay là ứng dụng công nghệ số để thu thập dữ liệu liên tục, chính xác và theo thời gian thực. Trước những thách thức đó, Th.S. Nguyễn Thị Nhật Quỳnh và nhóm nghiên cứu Viện Cơ học và Tin học ứng dụng, Viện Công nghệ thông tin đã thực hiện dự án “Hệ thống giám sát xâm nhập mặn ứng dụng công nghệ IoT” (mã số: UDSXTN.04/22-23). Dự án được triển khai nhằm hướng tới xây dựng giải pháp thông minh, dễ sử dụng, giúp biến dữ liệu xâm nhập mặn thành công cụ hỗ trợ ra quyết định kịp thời cho sản xuất và đời sống.

Trên thế giới, công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) đã sớm được ứng dụng trong giám sát xâm nhập mặn và các thông số môi trường, cho phép thu thập, truyền và lưu trữ dữ liệu độ mặn theo thời gian thực thông qua các hệ thống cảm biến và mạng truyền thông không dây. Kế thừa các kết quả nghiên cứu đó và xuất phát từ những yêu cầu đặc thù trong nước, hệ thống được phát triển dựa trên nền tảng các nghiên cứu đo độ dẫn điện chính xác cao đã được thực hiện tại Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh. Từ thiết bị đo độ dẫn điện cầm tay có độ chính xác cao từng được Quỹ Newton đánh giá tích cực về khả năng thương mại hóa, nhóm nghiên cứu đã mở rộng và tích hợp thành hệ thống giám sát hoàn chỉnh. Hệ thống này kết nối các thiết bị đo với hạ tầng IoT, cơ sở dữ liệu đám mây và ứng dụng di động, hướng tới giải pháp đồng bộ, dễ triển khai và phù hợp với điều kiện thực tế tại các vùng chịu ảnh hưởng nặng của xâm nhập mặn ở Việt Nam.

Thiết bị giám sát xâm nhập mặn thông minh ứng dụng công nghệ IoT

Hệ thống giám sát xâm nhập mặn của dự án là tổ hợp thiết bị đo tự động tích hợp công nghệ IoT, được triển khai tại các vị trí nhạy cảm với xâm nhập mặn như cửa sông, kênh rạch, vùng sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Thiết bị có nhiệm vụ đo đạc liên tục tình trạng mặn - ngọt của nước, sau đó truyền dữ liệu trực tuyến về máy chủ và hiển thị trên ứng dụng điện thoại thông minh. Nhờ đó, người dùng có thể theo dõi diễn biến xâm nhập mặn theo thời gian thực mà không cần trực tiếp đến hiện trường.
 

Thiết bị đo mặn tích hợp đầu đo đa chỉ tiêu, có thể đo đồng thời độ mặn, độ dẫn điện và nhiệt độ nước, phản ánh trực tiếp mức độ xâm nhập mặn và biến động môi trường. Thiết bị tự động lấy mẫu theo chu kỳ định sẵn, xử lý dữ liệu tại chỗ và truyền về hệ thống trung tâm qua các kết nối 4G, WiFi hoặc LoRa - công nghệ truyền dữ liệu không dây tầm xa. Dữ liệu sau đó được lưu trữ trên điện toán đám mây và hiển thị trực quan trên ứng dụng IoTVision dưới dạng biểu đồ, bảng số liệu và bản đồ vị trí, giúp người dùng dễ dàng theo dõi, so sánh và đánh giá xu hướng xâm nhập mặn theo thời gian.

Một điểm nổi bật khác của thiết bị là khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện thực địa. Toàn bộ hệ thống được đặt trên khung phao nổi, sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp pin lưu trữ, cho phép vận hành liên tục trong thời gian dài mà không phụ thuộc vào lưới điện. Cảm biến và vỏ thiết bị được chế tạo từ vật liệu bền, chịu ăn mòn, phù hợp với môi trường nước mặn và nước lợ. Thiết bị còn được tích hợp chức năng định vị GPS, lưu trữ dữ liệu tại chỗ và gửi cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng cho phép.
 

Ngoài ra, hệ thống giám sát xâm nhập mặn ứng dụng IoT còn hướng tới vai trò là công cụ hỗ trợ ra quyết định. Dữ liệu thu thập được sẽ giúp người dân, doanh nghiệp và cơ quan quản lý chủ động điều chỉnh kế hoạch sản xuất, lựa chọn thời điểm lấy nước, canh tác hoặc nuôi trồng phù hợp, qua đó giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do xâm nhập mặn gây ra. Với thiết kế mở và khả năng mở rộng, hệ thống có thể triển khai đồng thời nhiều trạm đo, hình thành mạng lưới giám sát phục vụ quản lý tài nguyên nước và thích ứng với biến đổi khí hậu dài hạn.

Từ nghiên cứu tới ứng dụng thực tiễn

Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công hệ thống giám sát và cảnh báo xâm nhập mặn thông minh, kết hợp thiết bị đo đa chỉ tiêu và phần mềm IoTVision, biến dữ liệu đo đạc thành thông tin trực quan, dễ sử dụng. Hệ thống cho phép theo dõi độ mặn, độ dẫn điện và nhiệt độ nước theo thời gian thực, hiển thị dưới dạng số liệu, biểu đồ và bản đồ GPS, đồng thời cảnh báo tự động khi các ngưỡng xâm nhập mặn bất thường.

Trao đổi về quá trình thử nghiệm, Th.S. Nguyễn Thị Nhật Quỳnh cho biết: Nhóm đã thử nghiệm 20 thiết bị, bao gồm cả vận hành thực địa và trong môi trường kiểm soát. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu đồng bộ và chính xác, đáp ứng tốt yêu cầu giám sát dài hạn ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời, phù hợp triển khai lâu dài tại cửa sông, ven biển và những khu vực khó tiếp cận nguồn điện lưới.
 

Hội đồng nghiệm thu đánh giá cao các kết quả của nhóm nghiên cứu, đặc biệt là việc phát triển thành công hệ thống giám sát xâm nhập mặn ứng dụng công nghệ IoT. Hệ thống thể hiện tính đồng bộ từ phần cứng đến phần mềm, đã được thử nghiệm và vận hành ổn định trong điều kiện thực địa, cho thấy tính khả thi, độ tin cậy và khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn. Kết quả nghiên cứu đáp ứng tốt nhu cầu giám sát, hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước và sản xuất, góp phần khẳng định năng lực nghiên cứu, làm chủ công nghệ và khả năng chuyển hóa kết quả khoa học vào đời sống của đội ngũ cán bộ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong lĩnh vực công nghệ môi trường và chuyển đổi số.

Từ những kết quả đạt được, nhóm nghiên cứu định hướng mở rộng hệ thống theo mô hình mạng lưới giám sát, tăng số lượng trạm đo, tích hợp dữ liệu với các hệ thống quan trắc hiện có và từng bước phát triển các chức năng phân tích, cảnh báo sớm và dự báo xâm nhập mặn. Đây được xem là hướng đi quan trọng nhằm đưa nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra thực tiễn, góp phần nâng cao năng lực ứng phó với biến đổi khí hậu và xây dựng nền tảng dữ liệu môi trường phục vụ phát triển bền vững ở các khu vực chịu ảnh hưởng của xâm nhập mặn.