BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN MINH BÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP MỞ RỘNG MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC HUYỆN CÙ LAO DUNG, KẾT HỢP ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA[.]
TỔNG QUAN
Tổng quan về khu vực nghiên cứu
1.1.1 Giới thiệu về vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Cù Lao Dung
Cù Lao Dung là huyện thuộc tỉnh Sóc Trăng, với huyện lỵ đặt tại thị trấn Cù Lao Dung, gồm ba hòn cù lao nhỏ hợp thành: Cù Lao Tròn, Cù Lao Dung và Cù Lao Cồn Cộc Trước năm 2002, khu vực này thuộc huyện Long Phú cùng tỉnh Sóc Trăng; ngày 11/01/2002, Chính phủ ban hành Nghị định số 04/2002/NĐ-CP để điều chỉnh địa giới hành chính, thành lập huyện Cù Lao Dung và các xã, thị trấn trực thuộc Sau đó, huyện Cù Lao Dung có 8 đơn vị hành chính gồm các xã An Thạnh 1, An Thạnh 2, An Thạnh 3, Đại Ân 1 và các địa phương khác.
An Thạnh Tây, An Thạnh Đông, An Thạnh Nam và thị trấn Cù Lao Dung
Huyện Cù Lao Dung nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, có nhiệt độ cao đều trong năm và hai mùa rõ rệt là mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 với lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 2.000mm, và mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau, nhiệt độ trung bình là 27,5°C Diện tích tự nhiên của huyện là 261,43 km², với dân số khoảng 63.233 người, nằm tiếp giáp phía Đông với tỉnh Trà Vinh, phía Tây giáp huyện Long Phú, phía Nam giáp Biển Đông và phía Bắc cũng giáp tỉnh Trà Vinh Vị trí địa lý cách biệt khiến việc giao thương và đi lại của người dân gặp nhiều khó khăn, đồng thời ảnh hưởng bởi triều cường, lụt bão gây ảnh hưởng đáng kể đến đời sống và sản xuất của người dân Thu nhập bình quân đầu người tại huyện gần 30 triệu đồng mỗi năm.
Huyện Cù Lao Dung đã đạt nhiều thành tựu mới về văn hóa - xã hội, với hệ thống trường lớp, cơ sở y tế và các thiết chế văn hóa được đầu tư nâng cấp và xây dựng Nhu cầu về học hành, chăm sóc sức khỏe, đi lại và giải trí của người dân ngày càng được nâng cao, trong khi các chính sách an sinh xã hội luôn được thực hiện đầy đủ và kịp thời An ninh chính trị, trật tự, an toàn xã hội được giữ vững ổn định, góp phần tạo môi trường phát triển bền vững Hệ thống chính trị được kiện toàn và phát huy hiệu quả, thúc đẩy sự phát triển toàn diện của địa phương.
Cù Lao Dung có tiềm năng phát triển kinh tế - xã hội mạnh mẽ, kết nối chặt chẽ với các huyện Long Phú, Kế Sách của Sóc Trăng và các huyện lân cận của Trà Vinh Tuyến quốc lộ 60, quốc lộ Nam sông Hậu thúc đẩy liên kết với các khu công nghiệp lớn như Trần Đề, Đại Ngãi, Cái Côn và khu công nghiệp Hưng Phú của Cần Thơ, mở ra các cơ hội mới cho phát triển kinh tế, bao gồm cung cấp nguyên liệu chế biến xuất khẩu và du lịch nghỉ dưỡng Điều kiện đất đai màu mỡ cùng diện tích mặt nước lớn tạo điều kiện thuận lợi cho nông nghiệp chất lượng cao và nuôi trồng thủy hải sản đa dạng (từ nước ngọt, lợ, mặn), phục vụ nhu cầu nguyên liệu cho các ngành công nghiệp trong và ngoài tỉnh Hệ sinh thái tự nhiên đa dạng, không khí trong lành, yên tĩnh cùng các điểm di tích lịch sử như Đền thờ Bác Hồ, Trường chính trị đầu tiên của tỉnh và các di tích chiến thắng là lợi thế để phát triển du lịch sinh thái, nghỉ dưỡng và du lịch về nguồn Hệ thống giao thông đường sông, biển thuận lợi qua các cửa sông lớn Trần Đề và Định An đảm bảo vận tải hiệu quả, chi phí thấp và an toàn cao, góp phần thúc đẩy sự phát triển toàn diện của huyện.
1.1.2 Hiện trạng quản lý, vận hành hệ thống tuyến ống truyền dẫn nước sạch huyện Cù Lao Dung a Tổng quan vềTrung tâm Nước sạch và VSMTNT tỉnh Sóc Trăng
Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng là đơn vị sự nghiệp công lập trực thuộc Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, được thành lập theo Quyết định số 239/QĐ-UBND ngày 19/11/2010 của Chủ tịch UBND tỉnh Sóc Trăng Trung tâm hoạt động tự chủ về tài chính, tự đảm bảo 100% chi phí hoạt động thường xuyên theo Nghị định số 43/2006/NĐ-CP ngày 25/4/2006 của Chính phủ quy định về quyền tự chủ, tự chịu trách nhiệm trong thực hiện nhiệm vụ, tổ chức bộ máy, biên chế và tài chính đối với đơn vị sự nghiệp công lập; hiện nay, các quy định này được điều chỉnh bởi Nghị định số 16/2015/NĐ-CP ngày 14/2/2015 của Chính phủ về cơ chế tự chủ của đơn vị sự nghiệp công lập.
Chức năng, nhiệm vụ của Trung tâm được ban hành theo Quyết định số 504/QĐTC-
Ngày 20/12/2010, Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn được thành lập theo Quyết định số 390/QĐ-SNN ngày 30/5/2016 và 927/QĐ-SNN ngày 31/10/2016 của Giám đốc Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Sóc Trăng, với chức năng chính là tham gia xây dựng quy hoạch, kế hoạch và chính sách về lĩnh vực Nước sạch và VSMTNT Trung tâm còn thực hiện các dự án được phê duyệt, cung cấp các dịch vụ phân tích chất lượng nước, khảo sát thiết kế, giám sát thi công, sửa chữa, cung cấp vật tư thiết bị ngành nước và VSMTNT Ngoài ra, trung tâm quản lý vận hành, khai thác các công trình cấp nước tập trung nông thôn trong toàn tỉnh, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước sạch nông thôn.
Về tổ chức bộ máy Trung tâm gồm: Ban Giám đốc; 07 phòng chức năng: Tổ chức –
Trung tâm có các lĩnh vực hoạt động chính như Hành chính, Kế toán – Tài vụ, Kế hoạch – Truyền thông, Quản lý cấp nước, Kinh doanh và Hợp tác quốc tế, Kỹ thuật, cùng với Kiểm nghiệm chất lượng nước Trung tâm quản lý 10 chi nhánh cấp nước tại các huyện, thị xã Đến cuối năm 2017, tổng số cán bộ viên chức và người lao động là 178 người, trong đó có 01 thạc sĩ, 65 đại học, 07 cao đẳng, và 105 người trình độ trung cấp cùng các trình độ khác.
Hiện nay, công tác quản lý, vận hành và khai thác các công trình CNTT tại tỉnh Sóc Trăng được thực hiện bởi hai đơn vị chính là Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn và Công ty TNHH MTV Cấp nước Sóc Trăng Trung tâm Nước sạch quản lý 142 công trình cấp nước tại các khu vực nông thôn, trong khi đó, Công ty Cấp nước chịu trách nhiệm quản lý các công trình cấp nước tại các phường, thị trấn tập trung đông dân cư để đảm bảo cung cấp nước sạch hiệu quả cho người dân địa phương.
Trong số 142 công trình do Trung tâm quản lý, có 80 công trình cấp nước có công suất từ 480 đến 960 m³/ngày đêm, chiếm phần lớn, trong khi còn lại 64 công trình có công suất nhỏ hơn 168 m³/ngày đêm Tất cả các công trình đều khai thác nguồn nước dưới đất và đảm bảo chất lượng nước cấp theo quy chuẩn QCVN 02:2009 của Bộ Y tế Tổng chiều dài tuyến ống cấp nước đạt hơn 1.648 km, góp phần cung cấp nước sạch cho cộng đồng Khoảng 51% người dân nông thôn, tương đương khoảng 663.000 người, sử dụng nước từ các công trình này Ngoài ra, đã có 82/92 xã, thị trấn có hệ thống cấp nước tập trung, đạt tỷ lệ 89%, nâng cao chất lượng sống của người dân địa phương.
Hình 1.1 trình bày sơ đồ tổ chức của Trung tâm Nước sạch và VSMTNT, thể hiện cơ cấu hoạt động và quản lý của trung tâm trong lĩnh vực cung cấp nước sạch và xử lý nước thải Hiện trạng mạng lưới cấp nước của Trung tâm Nước sạch và VSMTNT cũng như Chi nhánh nước sạch huyện Cù Lao Dung đang được đánh giá chi tiết để xác định các khu vực còn thiếu hoặc cần nâng cấp hệ thống, góp phần đảm bảo nguồn cấp nước ổn định, an toàn cho cộng đồng Việc cải thiện mạng lưới cấp nước ở các khu vực này không chỉ nâng cao chất lượng dịch vụ mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế và nâng cao đời sống người dân địa phương.
Mạng lưới cấp nước sạch tại các Cần Thơc mật Trung tâm Nước sạch và VSMTNT tỉnh Sóc Trăng quản lý bao gồm các loại ống nhựa có đường kính từ 60mm đến 250mm, đảm bảo cung cấp nước sạch ổn định cho cộng đồng Tổng chiều dài các đường ống lên đến 1.648 km, phân bố rộng khắp trên địa bàn 82 xã, phường, thị trấn của tỉnh Sóc Trăng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống người dân.
Tại huyện Cù Lao Dung, hiện có ba công trình cấp nước tập trung do Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng quản lý và vận hành, nhằm cung cấp nước sạch cho 2.676 hộ dân Các công trình này góp phần nâng cao điều kiện vệ sinh, cải thiện sức khỏe cộng đồng và thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương Đảm bảo nguồn nước sạch là ưu tiên hàng đầu trong các chương trình phát triển nông thôn của tỉnh Sóc Trăng.
+ 02 trạm cấp nước tại Thị trấn Cù Lao Dung phục vụ cấp nước cho 1.784 hộ thuộc: thị trấn CLD, xã An Thạnh Tây, xã An Thạnh 1, xã An Thạnh 2
Phòng kế toán - tài vụ
Phòng kiểm nghiệm chất lượng nước
Chi nhánh cấp nước các huyện
Phòng Quản lý cấp nước
3.200 m, với 85 hộ đang sử dụng, đoạn ống chính ngang xã
+ 01 trạm cấp nước ở xã An Thạnh 3 phục vụ cấp nước cho 726 hộ của xã
An Thạnh 3 và 1 phần xã An Thạnh
Hình 1.2 Sơ đồ hiện trạng cấp nước Chi nhánh nước sạch Cù Lao Dung
1.1.3 Những ưu điểm và hạn chế trong công tác quản lý, vận hành hệ thống tuyến ống truyền dẫn nước sạch huyện Cù Lao Dung tại Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Sóc Trăng
1.1.3.1 Đối với việc quản lý dữ liệu mạng cấp nước a Quản lý dữ liệu mạng cấp nước trên CAD
Dữ liệu mạng cấp nước chủ yếu được quản lý và lưu trữ dưới dạng bản vẽ trên AutoCAD, gây ra khó khăn trong việc liên kết và chuyển đổi dữ liệu Mặc dù độ chính xác về kích thước của đường ống cao, nhưng độ chính xác về vị trí của đường ống còn chưa tối ưu Nguyên nhân chính là do vấn đề liên quan đến vị trí chưa được xác định chính xác trong quá trình thiết kế và lưu trữ dữ liệu.
Trạm cấp nước Thị trấn Cù Lao Dung
Các ống được cập nhật dựa trên các mốc như làn đường và nhà dân, do đó khi có sự thay đổi mốc, độ chính xác của dữ liệu giảm đi đáng kể Dữ liệu không gian đường ống không được cập nhật thường xuyên, dẫn đến việc độ chính xác bị giảm theo thời gian Ngoài ra, dữ liệu mạng cấp nước hiện đang được quản lý trên file Excel, khiến việc cập nhật và xử lý thông tin gặp nhiều hạn chế.
Tổng quan về việc ứng dụng GIS và mô hình thủy lực trong quản lý và vận hành mạng lưới tuyến ống truyền dẫn nước sạch
1.2.1 Các khái niệm liên quan
Hệ thống mạng truyền dẫn nước sạch là hệ thống các tuyến ống dẫn chịu trách nhiệm chuyển nước từ các Trạm cấp nước vào mạng lưới phân phối Trong mạng truyền dẫn, có nhiều điểm đưa nước vào mạng phân phối để cung cấp nước sạch đến các hộ tiêu thụ Mạng truyền dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nguồn nước sạch vận chuyển an toàn và liên tục tới các khu vực dân cư.
Mạng phân phối nước sạch là hệ thống các đường ống chuyên dụng để dẫn nước từ các đường ống chính và ống nối tới các khách hàng sử dụng Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước sạch đảm bảo an toàn và liên tục cho cộng đồng Việc vận hành và duy trì mạng phân phối nước hiệu quả giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và đảm bảo sức khỏe cộng đồng.
* Khái niệm về GIS (Geographic Information Systems): Trong khoảng 40 năm vừa qua, nhiều tác giả (Dept of the Environment, 1987; Rhind, 1988 và Bolstad,
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống dựa trên máy tính, giúp hỗ trợ công tác thu thập, lưu trữ, phân tích, hiển thị và phân phối dữ liệu về thông tin không gian Các định nghĩa về GIS đều nhấn mạnh vai trò của công nghệ trong việc quản lý và xử lý dữ liệu địa lý một cách hiệu quả.
Mô hình thủy lực là một mô hình toán học mô phỏng quy luật và hoạt động của hệ thống thủy lực, giúp phân tích các hoạt động trong hệ thống Mô hình thủy lực mạng lưới cấp nước là công cụ chủ chốt để mô phỏng sự vận động của các đại lượng trong dòng chảy có áp, đặc biệt đối với các tuyến ống trong mạng Bằng cách dựa trên dữ liệu về cấu tạo và hoạt động của đường ống, mô hình thủy lực cung cấp cái nhìn chính xác về hoạt động của hệ thống cấp nước.
Các phần mềm tính toán có khả năng xác định chính xác vận tốc, lưu lượng và áp lực của dòng chảy, giúp phân tích hiệu quả các hệ thống thủy lực Việc giải bài toán có thể thực hiện cho một thời điểm cụ thể hoặc theo dõi biến đổi trên một khoảng thời gian, được chia thành các đoạn nhỏ để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.
EPANET và WaterGEMS là hai phần mềm thủy lực hàng đầu được sử dụng phổ biến trong mô phỏng mạng lưới cấp nước nhờ vào tính năng vượt trội EPANET nổi bật với khả năng phân tích chi tiết hệ thống cấp nước, giúp các kỹ sư xác định lưu lượng và áp lực trong mạng lưới Trong khi đó, WaterGEMS tích hợp các công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống cấp nước, phù hợp cho các dự án quy mô lớn và phức tạp Cả hai phần mềm đều hỗ trợ các nhà quản lý mạng lưới cấp nước đưa ra quyết định chính xác, nâng cao hiệu quả vận hành và cải thiện chất lượng nước.
EPANET là phần mềm mô phỏng mạng lưới cấp nước do US EPA phát triển, giúp tính toán thủy lực và chất lượng nước trong hệ thống cấp nước Chương trình mô phỏng các thành phần như đoạn ống, nút, máy bơm, van, bể chứa và đài nước, đồng thời xác định lưu lượng, áp suất, chiều cao nước và nồng độ các chất trong suốt quá trình mô phỏng theo nhiều thời đoạn Với khả năng phân tích chi tiết, EPANET hỗ trợ các kỹ sư và nhà quản lý tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống cấp nước, nâng cao hiệu quả và bền vững.
WaterGEMS của Bentley là phần mềm mạnh mẽ cho mô hình hóa thủy lực, mô phỏng chất lượng nước trong hệ thống phân phối nước, giúp tối ưu hóa hoạt động cung cấp nước Với khả năng tương tác tiên tiến, xây dựng mô hình không gian địa lý và tích hợp các công cụ quản lý, WaterGEMS hỗ trợ người dùng phân tích, thiết kế và tối ưu hệ thống cấp nước một cách dễ dàng Phần mềm này là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất vận hành và đảm bảo chất lượng nước trong mạng lưới phân phối.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về ứng dụng GIS và mô hình thủy lực trong quản lý và vận hành mạng lưới tuyến ống cấp nước
Sử dụng phần mềm mô hình mô phỏng thủy lực giúp cập nhật và tra cứu thông tin về dòng chảy và áp suất nước một cách nhanh chóng, hỗ trợ các nhà quản lý xác định nguyên nhân của tình trạng áp lực yếu và chất lượng nước kém tại các vị trí cụ thể Các ứng dụng của mô hình thủy lực gồm: - Phân tích dòng chảy và áp lực trong hệ thống cấp thoát nước - Đánh giá khả năng cung cấp nước và dự báo các sự cố trong hệ thống - Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống thủy lợi, thủy lực - Giúp đưa ra các giải pháp phòng ngừa và khắc phục hiệu quả những vấn đề về nước.
Công tác vận hành mạng lưới:
- Nghiên cứu hiệu chỉnh: Tình trạng tuyến ống, van và bơm, xác định các thiết bị chưa được cập nhật
Nghiên cứu tính chất của môi trường bao gồm việc thành lập các bản đồ thể hiện ảnh hưởng của cặn Clo, giúp xác định các khu vực bị tác động rõ ràng Đồng thời, nghiên cứu các vùng bị ảnh hưởng bởi bể chứa và các vùng nước giao nhau để đánh giá mức độ ô nhiễm và xác định các điểm trọng yếu cần chú trọng trong công tác quản lý môi trường Các kết quả này hỗ trợ quyết định về bảo vệ nguồn nước và phòng ngừa ô nhiễm hiệu quả.
Nghiên cứu chuẩn đoán bao gồm phân tích hoạt động mạng lưới, nghiên cứu di chuyển áp lực, theo dõi sự thay đổi mực nước của bể chứa, đánh giá áp lực yếu và phân tích vận tốc dòng chảy để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.
Công tác hoạch định và quản lý:
- Nghiên cứu bản vẽ tổng quát để dự đoán các nhu cầu trong tương lai: sản lượng mới, đường ống mới và thay thếđường ống cũ
- Nghiên cứu các trường hợp: thực hiện chia vùng, trường hợp có cháy và mô phỏng bể
- Đánh giá chi phí vận hành của trạm bơm, chi phí châm Clo
- Hoạch định kế hoạch súc rửa đường ống
1.2.2.1 Các mô hình thủy lực trên thế giới
Bảng 1.1 Các mô hình thủy lực trên thế giới
TT Chức năng Tên mô hình thủy lực
1 Mô phỏng chất lượng nước/thoát nước đô thị
BEMUS (Belgrade Model of Urban Sewers)
SWMM (Storm Water Manegement Model)
HYDROWORKS/ INFORWORKS MOUSE – Modelling of Urban Sewers
DORA/DOUBLE ORDER APPOXIMATION METHOD PRE – COMPETITIVE URBAN DRAINAGE FLOW MODELS
2 Mô hình hóa nguồn ISIS
3 Mô hình phân tích xử lý nước thải
STOAT WEST – WORDWIDE ENGINE FOR SIMULATION
4 Mô hình tương tác nước dưới đất
MICROFEM (V3.5) GMSC- GROUND WATER MODELING SYSTEM-4
5 Mô hình thủy lực mô phỏng mạng lưới cấp nước
EPANET (EPA) WaterCAD (Bentley); WaterGEMS (Bentley) H2OMap (MWH soft)
1.2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong nước đã có các nghiên cứu ban đầu về việc kết hợp GIS và phần mềm thủy lực để mô phỏng dữ liệu lịch sử, tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu chỉ tập trung vào mô phỏng dữ liệu trong các khoảng thời gian quá khứ và chưa kết hợp hệ thống giám sát theo thời gian thực Một số nghiên cứu đã được thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ này trong quản lý nguồn nước và cảnh báo thiên tai, nhưng vẫn còn hạn chế về khả năng theo dõi và cập nhật dữ liệu theo thời gian thực để nâng cao hiệu quả dự báo và xử lý sự cố.
Nghiên cứu của ThS Lưu Đình Hiệp và nhóm tại Đại học Bách Khoa TP.HCM tập trung vào ứng dụng công nghệ thông tin địa lý GIS để giám sát chất lượng nước hiệu quả Công trình này giúp giảm thất thoát nước trên hệ thống ống dẫn, nâng cao quản lý nguồn nước bền vững Ứng dụng GIS trong nghiên cứu này đã thể hiện khả năng phát hiện và xử lý nhanh các sự cố, góp phần cải thiện cung cấp nước sạch cho cộng đồng Dự án mang lại giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa quản lý tài nguyên nước tại TP.HCM.
Trong bài viết của Khoa tại Tạp chí Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 12 năm 2011, tác giả đề cập đến việc ứng dụng phần mềm WaterGEMS để kết nối với hệ thống SCADA nhằm chạy mô hình và giám sát chất lượng nước Ứng dụng này đã được triển khai tại phòng Kỹ thuật – Công nghệ của SAWACO, Công ty Cổ phần cấp nước Chợ lớn, mang lại hiệu quả trong quản lý và đảm bảo chất lượng nguồn nước.
Kinh nghiệm quản lý hệ thống cấp nước trong và ngoài nước
1.3.1 Kinh nghiệm quản lý hệ thống cấp nước ở Singapore
Singapore, thành phố có hơn 5 triệu dân và diện tích tự nhiên 710.2 km², hiện đảm bảo 100% dân cư có nước uống trực tiếp từ vòi nhờ quản lý của Cơ quan Dịch vụ Công cộng (PUB) Là một quốc đảo, Singapore đối mặt với nhiều thách thức về nguồn nước ngọt hạn chế, phần lớn nguồn nước thu từ mưa, với khoảng một nửa diện tích đất được sử dụng làm lưu vực thu nước mưa và nước mặt được chứa trong 14 hồ chứa lớn Trước đây, Singapore phụ thuộc chủ yếu vào nguồn nước mua từ Malaysia chiếm khoảng 50% nhu cầu, nhưng hiện nay, nguồn nước nhập khẩu này chỉ còn chiếm dưới một phần ba tổng nhu cầu của quốc gia.
* Thành tựu của Singapore đến từ các chính sách
- Tìm kiếm, phát triển thêm các nguồn cung cấp nước
Singapore đầu tư phát triển ba nguồn cấp nước quan trọng gồm nước thu từ thiên nhiên, nước tinh khiết lọc từ nước thải và nước ngọt lọc từ nước biển Trong đó, hơn hai phần ba diện tích đất của đảo quốc này được sử dụng để mở rộng và duy trì các nguồn cung cấp nước bền vững, đảm bảo an ninh nguồn nước cho tương lai.
Singapore đã trở thành khu vực thu nước thiên nhiên với 15 hồ chứa nước ngọt, hệ thống sông ngòi, và 7.000 km mương máng, cung cấp khoảng 50% lượng nước cho quốc gia Chính sách đầu tư vào phát triển công nghệ đã giúp Singapore biến điểm yếu về nguồn nước thành cơ hội, không chỉ giảm sự phụ thuộc vào nguồn nước tự nhiên mà còn xuất khẩu công nghệ xử lý nước thải thành nước tinh khiết và công nghệ lọc nước biển, tạo ra nguồn doanh thu hàng tỷ USD.
Tháng 5 năm 2010, Singapore đã khánh thành nhà máy lọc nước với công nghệ hiện đại và quy mô lớn nhất thế giới, có thể lọc được tất cả các loại nước thải, kể cả nước từ nhà vệ sinh, thành nước sạch tinh khiết Hằng ngày, 5 nhà máy loại này ở Singapore cung cấp khoảng 230.000 m3, chiếm 30% tổng lượng nước tiêu thụ của nước này và dự kiến sẽ lên đến 40% vào năm 2020 Việc xử lý nước biển thành nước ngọt đáp ứng khoảng 10% nhu cầu tiêu thụ nước của Singapore.
- Quản lý và sử dụng tiết kiệm nguồn nước.
Trong nhiều năm qua, Singapore đã liên tục triển khai các kế hoạch khuyến khích người dân tiết kiệm nguồn nước, áp dụng hình thức tính giá nước theo lũy tiến cùng các loại thuế, phí như thuế bảo vệ nguồn nước và phí sử dụng dựa trên mức tiêu thụ Hiện nay, Singapore chỉ áp dụng mức giá theo hai khung tiêu thụ là từ 1 đến 40 m3 với giá 1,17 đô Singapore, và trên 40 m3 với giá 1,4 đô Singapore mỗi mét khối, chưa kể thuế phí bổ sung Tỷ lệ tiêu thụ nước trung bình mỗi người dân Singapore trong những năm gần đây có xu hướng giảm nhờ ý thức tiết kiệm, với mức tiêu thụ trung bình từ 172 lít/ngày năm 1995 xuống còn 165 lít/ngày năm 2000 và tiếp tục giảm trong các năm sau.
153 lít/ngày và đích mới sẽ là 146 lít/ngày.
- Giảm tỷ lệ thất thoát thất thu nước
Singapore có 6 nhà máy nước và 4.560 km đường ống truyền dẫn và phân phối với D
= 100 –2200 mm Tổng công suất tiêu thụ nước ở Singapore vào năm 2005 là 1,4 triệu m3/ngđ Do nguồn nước khan hiếm, nên vấn đề bảo tồn nguồn nước và giảm lượng
Từ năm 1989 đến 1995, tỷ lệ thất thoát, thất thu nước đã giảm từ 10,6% xuống còn 6,2% nhờ áp dụng nhiều biện pháp kiểm soát rò rỉ trên đường ống Việc giảm thiểu thất thoát nước càng trở nên cấp thiết để đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên Các giải pháp nhằm kiểm soát rò rỉ không chỉ giúp giảm tổn thất mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước cho người dân Việc giám sát và sửa chữa định kỳ các tuyến đường ống là yếu tố then chốt trong chiến lược giảm thất thoát nước.
Sử dụng ống, phụ tùng chất lượng tốt (đồng, thép không rỉ, gang dẻo,…)
Thực hiện nhiều chương trình thay thế, phục hồi các đường ống chính
Chúng tôi tiến hành các chương trình phát hiện rò rỉ nhằm xác định chính xác mọi điểm rò rỉ trong toàn bộ mạng lưới Hệ thống mạng lưới được chia thành 90 vùng, mỗi vùng lại được phân chia thành 2-5 khu vực nhỏ hơn và được khóa riêng bằng các van riêng biệt nhằm tăng hiệu quả kiểm tra và đảm bảo an toàn.
Các đội phát hiện rò rỉ sử dụng đa dạng thiết bị để đảm bảo hiệu quả cao nhất trong quá trình kiểm tra Họ được trang bị 4 loại thiết bị chính gồm ống nghe để nghe các âm thanh nhỏ, máy dò biến đổi rò rỉ bằng điện để phát hiện những điểm rò rỉ qua sự biến đổi điện, dụng cụ truyền âm thanh từ đất giúp xác định chính xác vị trí rò rỉ, và máy phát hiện tiếng ồn rò rỉ để theo dõi và phân tích các âm thanh đặc trưng của rò rỉ Các thiết bị này kết hợp giúp nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện lỗi, tối ưu hóa quá trình kiểm tra và nhanh chóng khắc phục sự cố, góp phần duy trì hoạt động ổn định của hệ thống cấp nước và truyền dẫn khí.
Phản hồi nhanh các phát hiện của nhân dân về sự cố rò rỉ và sửa chữa kịp thời
+ Thực hiện chương trình giáo dục cộng đồng dưới nhiều hình thức: như đưa vào sách giáo khoa
* Các giải pháp về đồng hồ đo nước:
- Chính xác hóa các đồng hồ đo nước đang sử dụng.
- Thực hiện các chương trình quản lý và thay thế các đồng hồ
Sử dụng nước hợp lý cho nhu cầu quản lý, duy trì mạng lưới của cơ quan pháp lý.
Chính phủ đã ban hành quy định xử phạt nặng đối với các hành vi đấu nối trái phép, nhằm tăng cường an ninh mạng và bảo vệ hệ thống điện Người vi phạm có thể đối mặt với mức phạt tối đa lên đến 50.000 SGD hoặc bị kết án tù tới 3 năm, hoặc cả hai hình thức phạt này trong trường hợp tái phạm Quy định mới nhằm răn đe và hạn chế các hành vi vi phạm, đảm bảo tuân thủ đúng luật pháp về đấu nối điện trái phép.
Với các chính sách trên, hiện nay Singapore là quốc gia có tỷ lệ thất thoát nước rất thấp, khoảng 4,6%, thấp nhất Thế giới
+ Năm 2005 PUB lần đầu tiên phát hành trái phiếu, với tổng cộng 400 triệu đô
+ Thuế nước ở Singapore được đặt ở mức cho phép thu hồi vốn, bao gồm cả tiền vốn đầu tư.
- Những hộ tiêu dùng nước dưới 40m3/tháng phải áp dụng mức thuế 30%
- Những hộ tiêu dùng nước trên 40m3/tháng phải áp dụng mức thuế 45%
- Giá nước chưa tính thuế là:
+ 1,17 đô la/m3 cho hộ tiêu thụ dưới 40m3/tháng
+ 1,40 đô la/m3 cho hộ tiêu thụ trên 40m3/tháng.
1.3.2 Kinh nghiệm quản lý hệ thống cấp nước ở Phần Lan
- Quản lý tổng hợp tài nguyên nước.
Quản lý tổng hợp tài nguyên nước là một khái niệm phổ biến tại các nước phát triển và đang được áp dụng rộng rãi ở các nước đang phát triển Phần Lan là một ví dụ điển hình về việc áp dụng thành công mô hình này từ sớm, giúp đất nước đạt được những kết quả vượt mong đợi Nhờ quản lý tổng hợp, Phần Lan đã tận dụng sức mạnh của sự phối hợp giữa chính phủ, các nhà khoa học và ý thức của người dân trong việc bảo vệ tài nguyên nước.
Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) là quá trình phối hợp hiệu quả quản lý và phát triển các nguồn nước, đất đai và tài nguyên liên quan nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và phúc lợi xã hội Mục tiêu của IWRM là tối ưu hóa sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững, đảm bảo sự cân bằng giữa phát triển và bảo vệ hệ sinh thái quan trọng Quản lý này hướng đến việc đảm bảo tính bền vững của các hệ sinh thái trọng yếu, không gây hại đến môi trường tự nhiên.
Trước khi khái niệm Quản lý tổng hợp tài nguyên nước ra đời, Phần Lan đã áp dụng các mô hình quản lý nguồn nước từ những năm 1960, góp phần xây dựng nền tảng vững chắc cho công tác này Nhờ thành công đó, khi gia nhập Liên minh Châu Âu (EU), Phần Lan đã nhanh chóng áp dụng các tiêu chuẩn của EU vào thực tiễn, đặc biệt là thúc đẩy liên kết chặt chẽ giữa cộng đồng và các dự án phát triển nguồn nước Với công nghệ tiên tiến và kinh nghiệm đã có, chúng tôi tin rằng việc đưa Quản lý tổng hợp tài nguyên nước vào các tổ chức và quốc gia là hoàn toàn khả thi và mang lại hiệu quả bền vững.
Hình 1.3 Quản lý tổng hợp tài nguyên nước
Nghiên cứu xây dựng mô hình các hệ thống sông hồ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển quản lý tài nguyên nước một cách khoa học và bền vững Tại Phần Lan, có nhiều tổ chức hoạt động trong lĩnh vực này, bao gồm Tổ chức Nghiên cứu Tài nguyên Phần Lan, các trường đại học hàng đầu như Aalto và Helsinki, cùng với các doanh nghiệp tư nhân như EIA Ltd Đây là những đơn vị có vai trò then chốt trong việc thúc đẩy các giải pháp quản lý nước tiên tiến và bền vững.
- Quản lý sử dụng nguồn nước
Quản lý hiệu quả nguồn nước tại Phần Lan là chìa khóa thành công giúp ngành công nghiệp nước của đất nước đạt được thành tựu vượt trội Nhờ vào chiến lược quản lý đơn giản, tối ưu công nghệ và dựa trên logic rõ ràng, các chuyên gia Phần Lan đã xây dựng nên nét đặc trưng riêng biệt trong lĩnh vực này, không phụ thuộc vào ưu đãi tự nhiên hay sự phức tạp không cần thiết.
Sử dụng nước hiệu quả không chỉ giúp tiết kiệm nguồn nước mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tài nguyên khác Mặc dù Phần Lan có mật độ dân số thưa thớt nhất thế giới cùng khí hậu khắc nghiệt với mùa đông dài và lạnh, nhưng hệ thống cung cấp nước sạch đến từng hộ dân luôn đảm bảo với chi phí thấp Đây là ví dụ điển hình cho hiệu quả quản lý và tiết kiệm tài nguyên trong điều kiện khắc nghiệt, hướng tới phát triển bền vững.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHOA HỌC
Cơ sở khoa học về hệ thống thông tin địa lý (GIS)
2.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý (GIS)
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống chuyên biệt dùng để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ các mục đích cụ thể Sự đa dạng trong các lĩnh vực ứng dụng GIS dẫn đến nhiều nhận thức khác nhau về vai trò và chức năng của hệ thống Tuy nhiên, các nhận thức về GIS có thể được chia thành các nhóm chính dựa trên cách nó được hiểu và sử dụng trong các ngành khác nhau.
Nhận thức về bản đồ trong GIS cho thấy hệ thống này coi bản đồ là một tập hợp các lớp dữ liệu được xử lý và hiển thị dựa trên các hàm số học Mỗi bản đồ trong hệ thống GIS được xem như một lớp dữ liệu riêng biệt, giúp dễ dàng quản lý, xử lý và trình bày thông tin địa lý một cách chính xác và trực quan.
- Nhận thức liên quan đến cơ sở dữ liệu: xem GIS như là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian
Nhận thức về khả năng phân tích không gian đóng vai trò quan trọng trong GIS, giúp người dùng hiểu rõ về khả năng thực hiện các bài toán phân tích không gian phức tạp và mô hình hóa không gian một cách chính xác Việc nắm vững các kỹ năng này không những nâng cao hiệu quả công việc mà còn hỗ trợ đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu không gian một cách tối ưu Khả năng phân tích không gian trong GIS là yếu tố cốt lõi để khai thác tối đa giá trị của dữ liệu geospatial.
Nhận thức về vai trò của hỗ trợ trong quá trình ra quyết định là yếu tố quan trọng, nhằm nâng cao khả năng cung cấp thông tin chính xác và kịp thời cho các nhà ra quyết định Việc khai thác hiệu quả các công cụ truy vấn, thống kê và tổng hợp dữ liệu liên quan đến GIS sẽ giúp nâng cao chất lượng quyết định dựa trên phân tích dữ liệu chính xác và đầy đủ Hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên GIS giúp người dùng truy cập nhanh chóng các thông tin cần thiết, từ đó đưa ra các quyết định phù hợp và tối ưu hơn trong các lĩnh vực khác nhau.
Thông tin địa lý bao gồm tất cả dữ liệu mô tả thế giới thực và các hiện tượng xung quanh chúng ta, giúp hiểu rõ hơn về môi trường và không gian Để thể hiện thông tin địa lý một cách đầy đủ, chúng ta sử dụng ba thành phần chính: dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và dữ liệu thời gian Những thành phần này đảm bảo việc phân tích và quản lý dữ liệu địa lý được chính xác, hỗ trợ các hoạt động nghiên cứu, quy hoạch và ra quyết định một cách hiệu quả.
Nhập dữ liệu là quá trình mã hóa thông tin thành dạng có thể đọc và lưu trữ trên máy tính, đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu đầy đủ và chính xác Việc nhập liệu đúng đắn giúp đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, từ đó hỗ trợ quá trình xử lý, phân tích và ra quyết định chính xác hơn Do đó, nhập dữ liệu là một bước không thể thiếu trong quản trị dữ liệu và phát triển hệ thống thông tin.
Quản lý dữ liệu là yếu tố then chốt trong lĩnh vực GIS, với dữ liệu thuộc tính thường được quản lý dưới dạng mô hình quan hệ để dễ dàng truy cập và chỉnh sửa thông tin Trong khi đó, dữ liệu không gian được quản lý theo dạng mô hình vector và raster, có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai dạng này để phù hợp với nhu cầu phân tích và xử lý Việc quản lý dữ liệu hiệu quả không chỉ giúp truy cập nhanh các cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính mà còn nâng cao khả năng tích hợp và sử dụng dữ liệu trong các ứng dụng GIS đa dạng.
- Phân tích dữ liệu: GIS có khả năng phân tích kết hợp giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính cùng lúc
GIS giúp lưu trữ và hiển thị dữ liệu địa lý một cách linh hoạt và độc lập, cho phép thể hiện thông tin ở nhiều tỷ lệ khác nhau với độ chi tiết phù hợp Mức độ chi tiết của dữ liệu được giới hạn bởi khả năng lưu trữ phần cứng và phương pháp hiển thị của phần mềm, đảm bảo khả năng tùy biến phù hợp với yêu cầu của người dùng và ứng dụng.
2.1.3 Cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS
Một cơsở dữ liệu được phân thành các mức khác nhau Một cở sở dữ liệu đơn giản và một hệ phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu
Hình 2.1 Cấu trúc cơ sở dữ liệu
L ự a ch ọ n ph ầ n m ề m th ủ y l ự c
2.2.1 Một số phần mềm mô phỏng thủy lực đang được ứng dụng
Hiện nay, nhiều phần mềm tính toán thủy lực cho mạng lưới cấp nước như Epanet, WaterCAD, WaterGEMS, H2OMAP Water đang được sử dụng rộng rãi Trong số đó, Epanet là phần mềm mô phỏng thủy lực cho mạng lưới cấp nước phổ biến nhất.
WaterCAD của Bentley là phần mềm hàng đầu trong lĩnh vực mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trong hệ thống mạng lưới cấp nước Phần mềm này hỗ trợ các kỹ sư trong việc phân tích, thiết kế và tối ưu hóa mạng lưới cấp nước, giúp lựa chọn phương án phù hợp và hiệu quả Ngoài khả năng mô phỏng chảy độc lập, WaterCAD còn tích hợp trực tiếp trên giao diện của Microstation, mang lại trải nghiệm sử dụng thân thiện và linh hoạt.
H2OMAP Water là phần mềm tính toán thủy lực hàng đầu, tích hợp công cụ phân tích không gian và lập bản đồ chính xác để quản lý mạng lưới và cơ sở hạ tầng Phần mềm này giúp mô hình chất lượng nước, quản lý năng lượng (ứng dụng cho bơm biến tần), mô phỏng theo thời gian thực và giám sát trạng thái mạng cấp nước dựa trên dữ liệu từ hệ thống SCADA Ngoài ra, H2OMAP Water còn phân tích lưu lượng nước để hỗ trợ cứu hỏa và xử lý xả cặn, giúp người dùng mô hình các phản ứng phức tạp trong hệ thống phân phối nước, kết hợp giữa dòng chảy trong ống và các thành phần của hệ thống.
WaterGEMS của Bentley là phần mềm mô hình hóa thủy lực và mô phỏng chất lượng nước trong hệ thống phân phối, hỗ trợ xây dựng mô hình không gian địa lý và tích hợp các công cụ quản lý hệ thống Phần mềm này cung cấp môi trường làm việc dễ sử dụng, giúp phân tích, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống cấp nước một cách hiệu quả Ngoài ra, WaterGEMS có thể vận hành độc lập hoặc tích hợp với các phần mềm như MicroStation, AutoCAD và đặc biệt là ArcGIS, phù hợp với nhiều nhu cầu quản lý và phân tích mạng lưới cấp nước.
Xem xét chi tiết hai mô hình thủy lực EPANET và WaterGEMS như sau:
EPANET là phần mềm phát triển bởi US EPA nhằm thực hiện mô phỏng tính thủy lực và chất lượng nước trong mạng lưới đường ống dùng áp Phần mềm này dựa trên mô hình mạng lưới gồm các đoạn ống, điểm nối, bơm, van, đài nước và bể chứa, cùng với các điều kiện ban đầu, nhu cầu nước và quy luật vận hành của hệ thống xử lý và cấp nước EPANET giúp dự báo chính xác các biến đổi trong mạng lưới nhằm hỗ trợ quản lý, tối ưu hóa hệ thống cấp nước và đảm bảo chất lượng nước an toàn.
- Lưu lượng trong mỗi ống,
- Áp suất tại mỗi nút,
- Chất lượng nước trong toàn mạng lưới cho mô phỏng theo một khoảng thời gian
WaterGEMS là phần mềm mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trong hệ thống phân phối nước, hỗ trợ xây dựng mô hình không gian địa lý và tích hợp các công cụ quản lý hiện đại Phần mềm này cung cấp môi trường làm việc thân thiện, giúp người dùng dễ dàng phân tích, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống cấp nước Với khả năng tương tác tiên tiến, WaterGEMS giúp nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống cấp nước của bạn.
Bentley WaterGEMS là phần mềm hàng đầu hiện nay về mô hình thủy lực và tính toán mạng lưới cấp nước, được đánh giá cao về độ chính xác và hiệu quả Người dùng có thể sử dụng WaterGEMS để giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến thiết kế, phân tích, tối ưu hệ thống cấp nước Phần mềm này hỗ trợ mô phỏng chính xác các luồng chất lỏng trong mạng lưới, giúp đảm bảo cấp nước ổn định và an toàn Với khả năng phân tích chi tiết, WaterGEMS giúp các kỹ sư đưa ra các quyết định tối ưu, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống cấp nước.
- Phân tích thủy lực theo thời gian của hệ thống phân phối nước với các đối tượng như bơm, bể chứa, đường ống, ống nối, van,…
Thực hiện dự báo mô phỏng thời gian kéo dài giúp phân tích khả năng phản ứng của hệ thống thủy lực trước các nhu cầu cung cấp và tiêu thụ nước khác nhau, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác khả năng thích nghi của hệ thống trong các điều kiện thay đổi, đảm bảo cung cấp nước liên tục và ổn định Việc dự báo mô phỏng giúp xác định các điểm yếu tiềm năng và đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành thủy lực.
- Phân tích lưu lượng chữa cháy trong điều kiện khắc nghiệt của hệ thống
- Ứng dụng chức năng quản lý kịch bản, so sánh các tình huống khác nhau trong hệ thống thủy lực
- Hiệu chỉnh mô hình tự động với công cụ Darwin Calibrator thông qua thuật toán di truyền
Chạy hệ thống trên các phần mềm như MicroStation, AutoCAD và ArcGIS giúp ứng dụng hệ thống thông tin địa lý giải quyết hiệu quả các vấn đề thủy lực trong mạng lưới đường ống Việc tích hợp này tối ưu hóa quá trình phân tích, thiết kế và quản lý hệ thống cấp thoát nước, mang lại hiệu quả cao và chính xác Các phần mềm này hỗ trợ trực quan hóa dữ liệu địa lý, từ đó nâng cao khả năng đưa ra quyết định trong lĩnh vực thủy lợi.
Phần mềm WaterGEMS mới nhất hiện nay là V8i với các tính năng nổi bật sau:
WaterGEMS offers seamless interoperability by working directly with project files across multiple platforms such as ArcGIS, AutoCAD, MicroStation, and Stand-Alone, enabling continuous workflows It consolidates data from all four platforms into a single, centralized database, ensuring efficient data management Additionally, WaterGEMS integrates with MicroStation, AutoCAD, ArcGIS, and Google Earth, facilitating comprehensive and accurate water system modeling and analysis.
+ Hỗ trợ cho ProjectWise V8i: Quản lý các tập tin bằng cách sử dụng WaterGEMS ProjectWise
+ Tích hợp đầy đủ với tất cả các phiên bản hiện hành của MicroStation Trong đó,
MicroStation là giải pháp phần mềm tích hợp dễ sử dụng, giúp chia sẻ nhiệm vụ chung để nâng cao chất lượng dự án Với khả năng linh hoạt và mạnh mẽ, MicroStation cải thiện quá trình thiết kế, mô hình hóa, trực quan hóa, tài liệu hóa và quản lý các dự án bản đồ đa dạng về hình dạng và kích thước.
+ Tích hợp đầy đủ với tất cả các phiên bản hiện hành của AutoCAD (V8i đã hỗ trợ đến Autocad 2010)
+ Tích hợp đầy đủ với tất cả các phiên bản hiện hành của ESRI (V8i đã hỗ trợ đến ArcGIS 10)
Kết quả WaterGEMS và dữ liệu đầu vào có thể dễ dàng xuất sang Google Earth hoàn toàn miễn phí, giúp người dùng dễ dàng trình bày và phân tích mô hình cấp thoát nước Tính năng tạo tập tin Google Earth (KML, KMZ) cho phép hiển thị kết quả trực quan, phục vụ cho các dự án khảo sát và thuyết trình một cách hiệu quả.
- Ngôn ngữ lập trình: Microsoft.NET và cấu trúc thư viện ArcObjects
- Dung lượng file lưu trữ: 2 GB, kết nối CSDL SQL Server, Oracle, ESRI Geodatabase tùy biến theo dung lượng lưu trữ CSDL
Tích hợp GIS hoàn toàn với ArcGIS, cho phép lưu trữ thông tin trong các tập tin (*.mdb) và sử dụng như một phần của Geodatabase Hệ thống hỗ trợ kết nối CSDL ArcSDE Geodatabase qua cổng giao tiếp ArcSDE, đảm bảo tích hợp dữ liệu địa lý một cách hiệu quả và thuận tiện cho các dự án GIS.
WaterGEMS cung cấp giao diện người dùng tùy biến, giúp tối đa hóa tính dễ sử dụng của hệ thống Giao diện này cho phép tạo ra các hệ thống đa dạng về màu sắc, kích thước, truy vấn và tiêu chuẩn báo cáo, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng và hiệu quả quản lý mạng lưới cấp thoát nước.
Tính năng cho phép gọi ra các lớp nền, kịch bản hoặc người dùng, sau đó người dùng có thể tùy ý gắn vị trí hộp thoại bất kỳ trên màn hình để tăng tính linh hoạt trong thao tác Hộp thoại có thể được cập nhật liên tục hoặc xếp chồng lên nhau trên các tính năng khác nhau, giúp dễ dàng chuyển đổi giữa các nội dung Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ mở nhiều biểu đồ, bảng biểu và hồ sơ cùng lúc, tối ưu hóa hiệu suất làm việc và trải nghiệm người dùng.
- Tập tin dữ liệu nền: Sử dụng lớp nền để hiển thị giống như một hình ảnh nằm phía sau mạng lưới nhằm trực quan hóa thông tin
- Sử dụng bất kỳđịnh dạng dữ liệu sau đây:
+ Stand Alone: bmp, jpg, jpeg, JPE, JFIF, gif, tif, tiff, png, hoặc tập tin sid…
+ AutoCAD: Hỗ trợ tất cả dữ liệu nền từ Autocad
+ MicroStation: Hỗ trợ tất cả dữ liệu nền từ Microstation và Bentley Map
+ ArcGIS: Hỗ trợ tất cả các định dạng dữ liệu của ESRI
Các thành phần vật lý của mạng lưới cần khai báo khi chạy mô hình
Mối nối là các điểm trong mạng lưới ống dẫn, nơi các đường ống được kết nối với nhau để đảm bảo lưu thông nước Những điểm này quan trọng trong hệ thống vì nơi nước ra vào mạng lưới, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Các số liệu đầu vào cơ bản của mối nối gồm có kích thước, loại vật liệu và áp suất làm việc, giúp đảm bảo tính an toàn và bền vững của hệ thống ống dẫn Việc chọn đúng mối nối phù hợp giúp tăng tuổi thọ hệ thống và giảm thiểu các rủi ro rò rỉ hoặc hỏng hóc.
- Cao trình mối nối (chuẩn là mực nước biển trung bình)
- Lưu lượng nước tại nút (sản lượng nước đo được tại đồng hồ tổng)
- Chất lượng nước ban đầu tại hồ chứa
Các kết quả đầu ra được tính toán cho các mối nối trong thời gian mô phỏng:
- Cột nước (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng)
Các mối nối cũng có thể:
- Có lưu lượng yêu cầu thay đổi theo thời gian;
- Có các mẫu hình khác nhau của lưu lượng yêu cầu gắn cho chúng;
- Có các lưu lượng âm biểu thị nước đi vào mạng lưới;
- Chứa các vòi phun (hoặc bình phun) cho lưu lượng chảy ra phụ thuộc vào áp lực
Bể chứa là các nút biểu thị nguồn nước bên ngoài không xác định trên mạng lưới, có vai trò quan trọng trong mô hình hóa các vật thể như hồ, sông, tầng ngầm và mối liên hệ với các hệ thống khác Chúng đóng vai trò như các điểm cung cấp nguồn chất lượng nước, giúp đảm bảo quản lý và phân tích nguồn nước hiệu quả hơn.
Các thuộc tính đầu vào ban đầu của bể chứa bao gồm cột nước (tương đương với độ cao mặt nước nếu không có áp suất) và chất lượng nước ban đầu, phục vụ cho phân tích chất lượng nước Vì bể chứa là điểm biên của mạng lưới, cột nước và chất lượng nước bên trong không bị ảnh hưởng bởi các hoạt động bên trong mạng lưới và do đó không có các thuộc tính đầu ra theo tính toán Tuy nhiên, cột nước của bể có thể thay đổi theo thời gian khi được định hình theo mẫu hình thời gian cụ thể, giúp mô phỏng các biến động thực tế của hệ thống.
2.3.3 Ống nước (Pipe) Ống là đường nối có thể vận chuyển nước từ một điểm này tới một điểm khác trong mạng Hướng của dòng chảy là từ nơi có cột nước cao sang nơi có cột nước thấp
Các thông số thuỷ lực đầu vào chủ yếu cho các ống là:
- Hệ số nhám (để tính tổn thất thủy lực trong ống)
Các thông số đầu vào chất lượng nước cho ống gồm:
- Hệ số phản ứng khối
- Hệ số phản ứng thành
Kết quả tính toán cho các ống gồm:
- Hệ số phản ứng trung bình
- Chất lượng nước trung bình
Máy bơm đóng vai trò quan trọng trong việc truyền năng lượng cho chất lỏng, giúp nâng cao cột áp thủy lực hiệu quả Các thông số đầu vào cơ bản của máy bơm gồm có nút đầu và nút cuối, cùng với đường đặc tính, đều ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của máy bơm Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống bơm, đảm bảo dòng chảy ổn định và tiết kiệm năng lượng.
Máy bơm được mô tả như một thiết bị năng lượng không đổi, cung cấp một mức năng lượng nhất định cho dòng chảy, phù hợp với các kết hợp giữa lưu lượng và cột nước Các thông số đầu ra chính của máy bơm là lưu lượng và cột nước thu được Đường cong đặc tính bơm biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng và cột nước, trong đó trục hoành thể hiện lưu lượng và trục tung thể hiện cột nước (H~Q), giúp xác định hiệu suất và khả năng hoạt động của bơm trong các điều kiện khác nhau.
EPANET vẽ đường cong máy bơm dựa trên dữ liệu nhập vào, với nhiều trường hợp xây dựng khác nhau tùy theo loại dữ liệu cung cấp Khi chỉ nhập một điểm A (Q0, H1), EPANET tự động vẽ đường cong thể hiện mối quan hệ H~Q và kéo dài ra hai phía dựa trên điểm nhập, đồng thời bổ sung hai điểm bổ sung B (0; 133% H1) và C (2Q1; 0) để hoàn thiện đường cong qua ba điểm này.
B, C này Nếu nhập 3 điểm, EPANET có đủ cơ sở để vẽ đường cong theo lý thuyết theo hàm số dạng: H = a-b.Qc, trong đó a, b, c là các hằng số Nếu nhập nhiều điểm (số điểm lớn hơn hoặc bằng 4 thì đường H~Q được vẽ có dạng gãy khúc nối liền các điểm Khi số vòng quay của máy bơm thay đổi từ n1 thành n2 thì các mối quan hệ (được biết trong lý thuyết đồng dạng của máy bơm) là:
Khi thay đổi số vòng quay của máy bơm, ta có thể xác định nhiều đường quan hệ giữa cột áp (H) và lưu lượng (Q) Đường ban đầu tương ứng với số vòng quay chuẩn n1, còn các đường tiếp theo được suy ra dựa trên các công thức đồng dạng đã được áp dụng Điều này giúp tối ưu hóa hoạt động của máy bơm theo các điều kiện vận hành khác nhau.
Van là các thiết bị chủ chốt trong hệ thống phân phối, có khả năng kiểm soát áp suất và lưu lượng tại một điểm cố định trong mạng lưới Các thông số đầu vào chính của van bao gồm áp suất, lưu lượng và điều kiện vận hành, giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định của hệ thống Việc lựa chọn van phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình truyền tải và bảo vệ các thiết bị trong mạng lưới.
- Nút đầu và nút cuối
Các công th ứ c tính toán trong mô hình
2.4.1 Xác định lưu lượng trên đường ống
Lưu lượng trong các đoạn ống phản ánh tổng lưu lượng đầu ra của hệ thống, trong đó, đối với mạng cấp nước huyện Cù Lao Dung, lưu lượng được đo tại các vị trí đồng hồ tổng để đảm bảo chính xác Đối với các tuyến nhánh chưa lắp đồng hồ tổng, lưu lượng đoạn ống được ước tính dựa trên sản lượng doanh thu của các hộ dân nằm trong đoạn ống đó Việc đo và nội suy lưu lượng giúp đảm bảo quản lý nước hiệu quả và đúng quy trình.
Trong quy ước, tại đầu ra, lưu lượng mạng được ký hiệu bằng dấu cộng (+) để thể hiện dòng chảy bị lấy đi, còn dấu trừ (–) để biểu thị lưu lượng được cung cấp bổ sung vào hệ thống, chẳng hạn từ máy bơm hoặc đài nước.
2.4.2 Công thức tính năng lượng dòng chảy/cột áp
Năng lượng chất lỏng gồm ba dạng chính: động năng phụ thuộc vào chuyển động của chất lỏng, tiềm năng phụ thuộc vào vị trí của nó, và năng lượng do áp suất tạo ra (áp năng) Trong hệ thống thủy lực, nước có thể tích tụ cả ba dạng năng lượng này tùy thuộc vào trạng thái của chất lỏng Tổng năng lượng trên mỗi đơn vị trọng lượng chất lỏng được gọi là cột áp, giúp đánh giá khả năng truyền lực của hệ thống thủy lực Đơn vị của năng lượng là Joules (J), còn đơn vị của cột áp là mét (m), phản ánh chiều cao tương đương của cột nước.
Z – Chiều cao tại vị trí đang xét (m) γ –Trọng lượng thể tích của chất lỏng (kgm/s)
P – Áp suất (kgm/s) g – Gia tốc trọng trường (m/s2)
Như vậy, cột áp được xác định từ 3 thành phần:
Z : Chiều cao tại vị trí đang xét
: Năng lượng của áp lực
V g : Năng lượng động của dòng chảy
Trong hệ thống, mỗi điểm chỉ có một cột áp duy nhất gắn với nó, thể hiện áp lực tại điểm đó Đường thẳng biểu diễn tổng cột áp qua các điểm khác nhau trong hệ thống được gọi là đường mức năng hoặc đường năng lượng Đường mức năng phản ánh sự phân bố năng lượng và áp lực trong toàn hệ thống, giúp đánh giá hiệu quả và ổn định của hệ thống cấp thoát nước Việc hiểu và phân tích đường mức năng là yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống để đảm bảo cân bằng áp lực và tối ưu hóa hiệu suất.
Grade Line – EGL) Tổng vị năng và áp năng gọi là cột thế năng (Hydraulic Grade Line – HGL)
Các dạng tổn thất cột nước theo phương trình Becnuli: z + P
Trong bài viết này, chúng ta tập trung vào khái niệm "hw", đại diện cho năng lượng của mỗi đơn vị trọng lượng chất lỏng bị mất trong quá trình vượt qua sức cản của dòng chảy "hw" còn được gọi là tổng thất cột nước, phản ánh lượng năng lượng bị tổn thất do lực cản gây ra trong đoạn dòng chảy đang xem xét, giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất lưu thông của chất lỏng trong hệ thống.
Trong đó: hd : Tồn thất dọc đường hc: Tổn thất cục bộ
Tổn thất dọc đường là loại tổn thất gây ra bởi ma sát của lưu chất theo chiều dài của đường ống, và tỷ lệ thuận với độ dài của ống Chúng có thể được tính toán dễ dàng bằng cách sử dụng một trong ba công thức phù hợp Hiểu rõ về tổn thất dọc đường giúp tối ưu hoá hệ thống cấp thoát nước và tăng hiệu quả chuyển động của lưu chất trong các hệ thống công nghiệp Việc ước lượng chính xác tổn thất này là yếu tố quan trọng để thiết kế hệ thống ống dẫn kín đáo, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu rò rỉ.
Công thức Hazen-Williams thường được sử dụng phổ biến tại Mỹ để tính toán tổn thất thủy lực trong hệ thống ống nước, nhưng chỉ phù hợp cho dòng chảy nước và ban đầu chỉ áp dụng cho dòng chảy rối Trong khi đó, Công thức Darcy-Weisbach là phương pháp chính xác nhất về lý thuyết, phù hợp với mọi chế độ dòng chảy và loại chất lỏng Công thức Chezy-Manning thường được sử dụng rộng rãi hơn trong tính toán dòng chảy trong kênh hở Tất cả các công thức đều dựa trên phương trình tính tổn thất thủy lực giữa điểm đầu và điểm cuối của đoạn ống.
Trong đó: hd: Tổn thất cột nước; q : Lưu lượng;
Bảng 2.2 Các công thức tính tổn thất cột nước trong ống chảy đầy
Bảng 2.3 Các hệ số nhám cho ống
Tổn thất cục bộ, còn gọi là Local losses hoặc Minor head losses, phát sinh do sự rối loạn dòng chảy tại các chỗ uốn cong và nối ống, ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống dẫn chất lỏng Việc tính toán các tổn thất này rất quan trọng và phụ thuộc vào bố trí mạng lưới cũng như độ chính xác trong thiết kế Các tổn thất cục bộ có thể được xác định bằng cách gán hệ số tổn thất cục bộ cho ống, rồi nhân hệ số này với cột nước vận tốc trong ống, theo công thức h_c = K Điều này giúp dự đoán chính xác hơn lượng năng lượng mất mát trong hệ thống dẫn chất lỏng để thiết kế hiệu quả hơn.
K: Hệ số tổn thất cục bộ;
V: Vận tốc dòng chảy; g: gia tốc trọng trường
Bảng 2.4 Bảng tra Hệ số tổn thất cục bộ
Van cầu, mở hoàn toàn 10
Van nghiêng, mở hoàn toàn 5
Van đong đưa, mở hoàn toàn 2.5
Van cổng, mở hoàn toàn 0.2
Uốn cong, bán kính nhỏ 0.9
Uốn cong, bán kính trung bình 0.8
Uốn cong, bán kính trung bình lớn 0.6
Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh thẳng 0.6
Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh rẽ 1.8
2.4.4 Công thức tính tốc độ phản ứng trong đường ống
Phản ứng khối (Bulk Reactions):
EPANET và WaterGEMS mô phỏng các phản ứng xảy ra trong dòng khối với động học bậc thứ n, nơi mà tốc độ phản ứng tức thời R (tính bằng khối lượng/thể tích/thời gian) được giả định là phụ thuộc vào nồng độ theo công thức:
Kb: hệ số tốc độ phản ứng khối;
C: nồng độ chất phản ứng (khối lượng/thể tích); n: số bậc phản ứng;
Khả năng của Kb thể hiện qua đơn vị của nồng độ được nâng lên lũy thừa (1-n) chia cho thời gian, phản ánh mức độ tăng hoặc giảm của phản ứng Trong đó, Kb có giá trị dương biểu thị phản ứng tiến triển tăng lên, còn giá trị âm thể hiện phản ứng phân rã diễn ra trong quá trình tự nhiên Hiểu rõ cách tính và ý nghĩa của đơn vị này giúp phân tích chính xác động thái của các phản ứng hóa học liên quan đến nồng độ và thời gian.
Các hệ số phản ứng khối thường tăng khi nhiệt độ tăng, thể hiện mối liên hệ rõ ràng giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng Tiến hành các thí nghiệm với nhiều chai ở các nhiệt độ khác nhau giúp đánh giá chính xác hơn về cách hệ số tốc độ phản ứng thay đổi theo nhiệt độ Kết quả này cung cấp thông tin quan trọng để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ phản ứng hóa học, hỗ trợ tối ưu hóa các quá trình công nghiệp và nghiên cứu khoa học.
Phản ứng thành (Wall Reactions):
Tốc độ phản ứng chất lượng nước xảy ra tại hoặc gần thành ống phụ thuộc vào nồng độ trong lưu lượng khối, và có thể được mô tả bằng một biểu thức đặc trưng Việc xác định chính xác tốc độ phản ứng này là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả xử lý nước Các công thức toán học cung cấp cách đo lường và dự đoán phản ứng, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và đảm bảo chất lượng nước đầu ra Tối ưu hóa tốc độ phản ứng dựa trên nồng độ trong lưu lượng khối giúp nâng cao hiệu quả của các phương pháp xử lý và giảm thiểu tác động môi trường.
Kw : Hệ số tốc độ phản ứng thành;
V : Diện tích bề mặt trên thể tích đơn vị trong một ống (bằng đường kính ống chia cho 4)
Giá trị sau khi chuyển đổi khối lượng phản ứng trên đơn vị diện tích thành ống sang trên thể tích trên thể tích đơn vị giúp tối ưu hóa tính toán phản ứng trong mô hình nước EPANET giới hạn khả năng lựa chọn bậc phản ứng tối đa đến 0, điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của mô phỏng quá trình phản ứng hóa học trong hệ thống cấp nước Hiểu rõ cách chuyển đổi và giới hạn của EPANET là kiến thức quan trọng để phân tích hiệu quả các quá trình xử lý nước.
Trong việc xác định hệ số truyền nhiệt Kw, các đơn vị của Kw cần phản ánh đúng khối lượng, diện tích, thời gian hoặc chiều dài theo thứ tự đã định sẵn Tương tự, đối với Kb, người lập mô hình cần nhập giá trị Kw chính xác vào chương trình mô phỏng Hệ số Kw bậc nhất thường nằm trong khoảng từ 0 đến tối đa 5 ft/ngày, đảm bảo tính chính xác và phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật.
Kw đã được điều chỉnh để phù hợp với mọi giới hạn chuyển đổi khối lượng trong vận chuyển chất và sản phẩm giữa khối dòng và thành ống EPANET tự động thực hiện điều này dựa trên sự điều chỉnh độ khuyếch tán phân tử của chất được mô hình hóa và dựa vào số Reynolds của dòng chảy, đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán.