Ứng dụng phần mềm watergems trong phân bố tối ưu hàm lượng clo trong mạng lưới cấp nước thuộc dma bình thọ, thành phố thủ đức

Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài thực hiện 3 nội dung sau: 1 Tổng quan về hiện trạng hệ thống cấp nước tại khu vực phường Bình Thọ, tp Thủ Đức; 2 mô phỏng thủy lực và nồng độ Clo dư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM NGỌC NHÃ THI

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM WATERGEMS TRONG PHÂN BỔ

TỐI ƯU HÀM LƯỢNG CLO TRONG MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS LÊ VĂN TRUNG

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS TS VÕ LÊ PHÚ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS PHẠM HỒNG NHẬT

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS TRẦN ĐĂNG AN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày

17 tháng 02 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS LÊ VĂN KHOA

2 Cán bộ phản biện 1: PGS TS PHẠM HỒNG NHẬT

3 Cán bộ phản biện 2: TS TRẦN ĐĂNG AN

4 Ủy viên hội đồng: TS LƯU ĐÌNH HIỆP

5 Thư ký hội đồng: TS LÂM VĂN GIANG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

VÀ TÀI NGUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM NGỌC NHÃ THI MSHV: 2070207

Ngày, tháng, năm sinh: 22/03/1995 Nơi sinh: Cần Thơ

Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường Mã số: 8850101

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: Ứng dụng phần mềm WaterGEMS trong xác định sự thay đổi hàm lượng Clo từ

nhà máy cấp nước đến khu vực DMA, phục vụ xây dựng giải pháp kiểm soát chất lượng nước

sinh hoạt cung cấp cho người dân, hướng tới xây dựng khu vực uống nước trực tiếp tại vòi

Nội dung:

(1) Tổng quan về hiện trạng hệ thống cấp nước tại khu vực phường Bình Thọ, tp Thủ Đức (2) Mô phỏng thủy lực và nồng độ Clo dư trên mạng lưới và so sánh với kết quả thực tế thu thập được tại khu vực DMA Bình Thọ

(3) Xác định hàm lượng Clo phù hợp tại đầu vào ở nhà máy nước Thủ Đức và đề xuất giải pháp đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt theo đúng tiêu chuẩn

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2021

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2023

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành được đề tài Luận văn Thạc sĩ, ngoài sự cố gắng hết mình của bản thân,

tôi còn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình, hỗ trợ, giúp đỡ và động viên từ Quý Thầy Cô của

Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TPHCM

trong suốt quá trình học tập

Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Thầy PGS.TS Lê Văn Trung và PGS.TS Võ Lê Phú đã tận tình, hướng dẫn tôi trong

suốt thời gian thực hiện Luận văn này Mặc dù khá bận rộn trong công việc nhưng các

thầy vẫn dành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn tôi Trong quá trình

thực hiện Luận văn, các thầy luôn định hướng, góp ý, chỉnh sửa những chỗ sai giúp tôi

có những tư duy rõ ràng, có được hướng đi đúng đắn trong quá trình nghiên cứu của

mình Cho đến hôm nay, Luận văn của tôi đã hoàn thành như mong đợi cũng chính là

nhờ sự đôn thốc, nhắc nhở, giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy

- Công ty Cổ phần Cấp nước Thủ Đức đã cung cấp dữ liệu cũng như tạo mọi điều kiện

thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận văn này

Tuy đã nỗ lực và cố gắng hết sức nhưng tôi biết rằng những sai sót và khuyết điểm của Luận

văn là không thể tránh khỏi Chính vì vậy những ý kiến đóng góp từ Thầy Cô và bạn bè sẽ

luôn là nguồn động lực giúp tôi hoàn thiện mình hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2023

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Duy trì chất lượng nước đảm bảo trong suốt quá trình phân phối là một thách thức lớn nhất đối với các đơn vị cấp nước và việc kiểm soát chất lượng nước thông qua mô hình hóa chất lượng nước trong mạng lưới phân phối cũng là lĩnh vực tương đối mới ở Việt Nam Các mô hình chất lượng nước hỗ trợ rất nhiều hoạt động và tác nghiệp trong công tác cấp nước như giúp người quản lý có thể hiểu rõ hơn sự ảnh hưởng của việc vận hành mạng lưới đối với chất lượng nước, hiệu chỉnh mạng lưới thủy lực, tối ưu hóa vị trí, kiểm soát liều lượng và tần suất châm Clo khử trùng đầu vào, xác định vị trí giám sát, theo dõi các vấn đề về chất lượng nước

trong quá khứ Xuất phát từ lý do trên, việc thực hiện đề tài “Ứng dụng phần mềm WaterGEMS

trong phân bổ tối ưu hàm lượng Clo trong mạng lưới cấp nước thuộc DMA Bình Thọ, Thành phố Thủ Đức” là cần thiết

Đề tài của Luận văn đã được học viên thực hiện với mục đích là xác định sự thay đổi hàm lượng Clo từ nhà máy cấp nước đến khu vực DMA, nhằm tạo giải pháp kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt cung cấp cho người dân và hướng tới xây dựng khu vực uống nước trực tiếp tại vòi Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài thực hiện 3 nội dung sau: (1) Tổng quan về hiện trạng hệ thống cấp nước tại khu vực phường Bình Thọ, tp Thủ Đức; (2) mô phỏng thủy lực và nồng độ Clo dư trên mạng lưới và so sánh với kết quả thực tế thu thập được tại khu vực DMA Bình Thọ và (3) xác định hàm lượng Clo phù hợp tại đầu vào ở nhà máy nước Thủ Đức và đề xuất giải pháp đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt theo đúng tiêu chuẩn Nhằm hoàn thành các nội dung đã nêu, đề tài phối hợp theo 4 hướng tiếp cận chính như sau: (1) tổng quan tài liệu; (2) khảo sát thực địa; (3) thống kê, xử lý số liệu; (4) hệ thống thông tin địa lý và (5) mô hình hóa

Kết quả nghiên cứu đã mô phỏng tốt những thay đổi về không gian và thời gian của Clo dư trong mạng lưới, đồng thời cũng cho thấy rằng không nên sử dụng một giá trị hệ số phản ứng với thành ống duy nhất cho tất cả các đường kính của mạng lưới vì Kw phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, tốc độ này có thể thay đổi, vì các đường ống có đường kính khác nhau cho cùng lưu lượng dòng chảy Giải pháp đề xuất tối ưu hàm lượng Clo châm đầu nguồn tại nhà máy nước Thủ Đức theo thời gian và xây dựng các trạm tăng áp và bơm Clo bổ sung trong khu vực DMA Bình Thọ sẽ đảm bảo các hộ dân có thể tiếp cận được với nguồn nước uống an toàn với

nồng độ Clo dư phù hợp với chuẩn của WHO (từ 0,2 – 0,5 mg/l) ở hầu hết các nút trong mạng lưới, nhưng giảm gần 50% lượng Clo cần châm ban đầu Việc áp dụng các giải pháp đề xuất

sẽ hỗ trợ công ty cấp nước ra quyết định đúng đắn và nhanh chóng trong các chiến lược vận hành và tối ưu hóa phương pháp khử trùng bằng Clo, đồng thời giúp tiết kiệm chi phí mua hóa chất khử trùng, thời gian và nhân lực trong việc phân tích nồng độ Clo dư

ABSTRACT

The maintenance of water quality throughout the distribution process is the biggest challenge for water utilities, and controlling water quality by water quality modelling in distribution networks, which is quite new in Vietnam, are a vital of concern Water quality models will support many tasks such as helping users better understand the impact of network operations

on water quality, calibrating the hydraulic network, optimizing the location, dose, and frequency of chlorination, locating monitoring, and tracking past water quality problems

Stemming from the above reasons, the implementation of the project "Application of

WaterGEMS software for allocation of chlorine content in the water supply network of DMA Binh Tho, Thu Duc City" is necessary

Students have implemented the topic of the thesis to determine the change of chlorine content from the water supply plant to the DMA area, to create a solution to control the quality of domestic water supplied to the people, and to build a drinking area directly at the faucet The thesis incorporates the following three contents to achieve the aforementioned goals: (i) an overview of the current status of the water supply system in the area of Binh Tho ward, Thu Duc city; (ii) a simulation of the hydraulics and residual chlorine concentration on the network and compare with the actual results obtained at the Binh Tho DMA area; and (iii) determine the suitable chlorine content at the input at the site Thu Duc water plant and propose solutions

to ensure the quality of domestic water according to standards In order to complete the content mentioned above, the project coordinated four main approaches as follows: (i) an overview of documents; (ii) a field survey; (iii) statistics, and data processing; (iv) geographic information systems; and (v) modelling

The study results simulated the spatial and temporal changes of residual chlorine in the network well and also showed that it is not advisable to use a wall reaction coefficient for all the diameters of the network because Kw depends on the flow velocity, this rate can be varied,

as pipes of different diameters give the same flow rate The proposed solution to optimize the chlorine content upstream at the Thu Duc water plant over time and build additional chlorine booster stations and pumps in the Binh Tho DMA area will ensure that households can access

safe drinking water with residual chlorine concentrations according to WHO standards (from 0.2 to 0.5 mg/l) at the majority of network nodes, reducing the amount of chlorine required by nearly 50% The application of the proposed solutions will support the water supply company

in making the right and quick decisions in operating strategies and optimizing the chlorination method In addition, it will help save on the cost of buying chemicals for disinfection and save time and manpower in analyzing residual chlorine concentration

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài Luận văn Thạc sĩ về “Ứng dụng phần mềm WaterGEMS trong phân

bổ tối ưu hàm lượng Clo trong mạng lưới cấp nước thuộc DMA Bình Thọ, Thành phố Thủ Đức” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Lê

Văn Trung và PGS.TS Võ Lê Phú Ngoại trừ các nội dung đã được trích dẫn, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2023

Học viên

Phạm Ngọc Nhã Thi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT v

LỜI CAM ĐOAN vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 3

2.1Mục tiêu chung: 3

2.2Mục tiêu cụ thể: 3

3 Nội dung nghiên cứu: 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 4

4.1Đối tượng nghiên cứu: 4

4.2Phạm vi nghiên cứu: 4

5 Phương pháp nghiên cứu: 4

5.1Phương pháp luận 4

5.2Phương pháp và kỹ thuật nghiên cứu: 5

5.2.1Phương pháp nghiên cứu: 5

5.2.2Công cụ hỗ trợ nghiên cứu: 7

6 Ý nghĩa đề tài 7

6.1Ý nghĩa khoa học 7

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 8

7 Bố cục luận văn 8

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KHOA HỌC 9

1.1 Tiêu chuẩn cấp nước phục vụ cho nhu cầu ăn uống 9

1.1.1 Tiêu chuẩn nước uống của WHO: 9

1.1.2 Tiêu chuẩn nước uống của Hoa Kỳ: 9

1.2.3 Tiêu chuẩn nước uống của Nhật Bản: 9

1.2.4 Tiêu chuẩn nước uống của EU: 10

1.2.5 Tiêu chuẩn nước uống của Việt Nam: 10

1.2 Những đặc tính lý, hóa của Clo 10

1.2.1 Tính chất vật lý của Clo: 10

1.2.2 Tính chất hóa học: 11

1.2.3 Khử trùng nước bằng Clo hoạt động như thế nào? 11

1.2.4 Liều lượng phù hợp của Clo? 12

1.2.5 Các yếu tố quyết định hiệu quả khử trùng bằng Clo: 13

1.3 Mô hình chất lượng nước 13

1.3.1 Quá trình vận chuyển trong đường ống: 13

1.3.2 Sự pha trộn tại các nút 14

1.3.3 Sự pha trộn tại các bể chứa: 14

1.3.4 Các phản ứng hóa học trong đường ống 15

1.4 Phần mềm mô phỏng thủy lực: 18

1.4.1 Tổng quan về phần mềm WaterGEMS 19

1.4.2 Tổng quan về phần mềm EPANET: 22

1.4.3 Tổng quan về phần mềm H2OMap Water 23

1.4.4 Ưu điểm khi lựa chọn WaterGEMS so với các phần mềm thủy lực khác 24

1.5 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 24

1.5.1 Cấu trúc cơ sở dữ liệu: 25

1.5.2 Ứng dụng và ưu điểm của GIS để quản lý mạng lưới cấp nước 27

1.6 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 28

1.6.1Tổng quan các nghiên cứu ngoài nước: 28

1.6.2Tổng quan các nghiên cứu trong nước: 32

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG CỦA HỆ THỐNG CẤP NƯỚC TẠI KHU VỰC PHƯỜNG BÌNH THỌ, THỦ ĐỨC 35

2.1 Hiện trạng mạng lưới cấp nước Tp Thủ Đức 35

2.2 Hiện trạng mạng lưới cấp nước DMA Bình Thọ 37

2.2 Chất lượng nước DMA Bình Thọ 40

2.3 Xây dựng Cơ sở dữ liệu cho khu vực DMA Bình Thọ 42

2.3.1 Dữ liệu GIS: 42

2.3.2Dữ liệu nền địa hình: 44

2.3.3Dữ liệu áp lực, lưu lượng tại logger, dữ liệu sản lượng tại đồng hồ khách hàng 45

2.3.4Dữ liệu Clo châm đầu nguồn và dữ liệu Clo dư tại tủ quan trắc, một số vị trí đo đạc 47 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN DMA BÌNH THỌ 52

3.1 Phương pháp thực hiện: 52

3.2 Chuẩn hóa và cập nhật cơ sở dữ liệu GIS cho DMA Bình Thọ 56

3.2.1 Kiểm tra, sửa lỗi trên các lớp dữ liệu GIS 56

3.2.2 Chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho WaterGEMS 57

3.3 Mô phỏng thủy lực (áp lực và lưu lượng) 58

3.3.1 Kết quả mô phỏng 59

3.3.2 Đánh giá sai số mô hình 61

3.3.3 Hiệu chỉnh mô hình 63

3.4 Mô phỏng chất lượng nước 66

3.4.1 Tính toán hệ số phản ứng khối và hệ số phản ứng thành ống: 66

3.4.2 Kết quả mô phỏng 70

3.4.3Đánh giá sai số mô phỏng chất lượng nước 72

3.4.4Hiệu chỉnh mô hình 74

CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG NƯỚC 77 4.1 Xây dựng kịch bản 77

4.1.1Kịch bản 1: Thay đổi lượng Clo châm đầu nguồn 77

4.1.2Kịch bản 2: Thay đổi đường kính ống 78

4.1.3Kịch bản 3: Thay đổi lưu lượng 78

4.2 Kết quả kịch bản 78

4.2.1 Kịch bản 1: 78

4.2.2Kịch bản 2: 81

4.2.3Kịch bản 3: 82

4.3 Đề xuất giải pháp quản lý đảm bảo chất lượng nước đạt chuẩn 83

4.3.1 Xây dựng các trạm bơm Clo bổ sung 83

4.3.2 Điều chỉnh hàm lượng Clo châm theo nhu cầu sử dụng nước 83

4.3.3 Xúc sả, làm sạch đường ống định kì, thường xuyên 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

1 Kết luận 86

2 Kiến nghị 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 91

Phụ lục 1: Giá trị áp lực thu thập tại các datalogger 91

Phụ lục 2: Giá trị lưu lượng thu thập tại các datalogger 92

Phụ lục 3: Hệ số sử dụng nước không điều hòa tương ứng với 2 đồng hồ tổng 93

Phụ lục 4: Hệ số áp lực gán tại nhà máy nước Thủ Đức 94

Phụ lục 5: Vị trí lấy mẫu và giá trị đo nồng độ Clo dư 95

5.1 Vị trí 126 Đặng Văn Bi 96

5.2 Vị trí 256 Đặng Văn Bi 97

5.3 Vị trí 250 Võ Văn Ngân 98

Phụ lục 6: Giá trị Clo dư tại mẫu nước lấy từ nhà máy nước phục vụ cho bottle test 99

Phụ lục 7: Giá trị Clo dư tại tủ quan trắc chất lượng nước 101

Phụ lục 8: Giá trị Clo dư sau trạm xử lý nhà máy nước Thủ Đức 102

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Axit clohydric trung tính có thể thâm nhập tốt hơn vào thành tế bào của vi sinh

vật gây bệnh 12

Hình 1.2 Các chức năng chính của WaterGEMS 20

Hình 1.3 Cấu trúc dữ liệu vector và raster 26

Hình 1.4 Biểu diễn đối tượng dạng điểm, đường, vùng theo cấu trúc vector 26

Hình 1.5 Cấu trúc dữ liệu dạng Raster 27

Hình 1.6 Tương quan giữa nhu cầu dùng nước với nồng độ Clo dư (Gad, 2005) 29

Hình 1.7 Nồng độ Clo dư trong 24h tại một số nút của mạng lưới phân phối–kịch bản 2 (Al-Zahrani, 2016) 30

Hình 1.8 Sự thay đổi nồng độ Clo dư lúc 0h trong mô hình (Hồ Đình Khả, 2005) 32

Hình 1.9 Nồng độ Clo dư tại nút J-13310 ở hai kịch bản Clo đầu nguồn 1 mg/l và 33

Hình 2.1 Địa bàn quản lý Công ty Cổ phần Cấp nước Thủ Đức 35

Hình 2.2 Vị trí khu vực nghiên cứu 38

Hình 2.3 Bình đồ ảnh khu vực DMA Bình Thọ 38

Hình 2.4 Bình đồ mạng lưới cấp nước khu vực DMA Bình Thọ (Hữu Nghị và Dân Chủ) 40

Hình 2.5 Nồng độ Clo dư tại tủ quan chất lượng nước Trường THCS Bình Thọ 41

Hình 2.6 Độ đục đo được tại trạm quan trắc chất lượng nước 41

Hình 2.7 Chỉ tiêu pH đo được tại trạm quan trắc chất lượng nước 42

Hình 2.8 Dữ liệu mạng lưới về không gian và thuộc tính của DMA Bình Thọ 43

Hình 2.9 Dữ liệu CAD dùng để so sánh và cập nhật bổ sung thông tin mạng lưới 44

Hình 2.10 Dữ liệu nền địa hình Tp Hồ Chí Minh và khu vực nghiên cứu 45

Hình 2.11 Dữ liệu áp lực và lưu lượng của Đồng hồ tổng DMA Dân Chủ 46

Hình 2.12 Dữ liệu về sản lượng tiêu thụ ở các đồng hồ khách hàng trong DMA 47

Hình 2.13 Nồng độ Clo dư đầu ra tại nhà máy nước Thủ Đức 48

Hình 2.14 Nồng độ Clo dư đầu ra tại tủ quan trắc chất lượng nước 48

Hình 2.15 Kết quả Nồng độ Clo dư tại hai vị trí bất lợi của DMA lúc 12h 50

Hình 2.16 Vị trí tủ quan trắc chất lượng nước và đo bổ sung bằng thiết bị cầm tay 50

Hình 3.1 Quy trình tích hợp GIS và WaterGEMS để mô phỏng thủy lực 52

Hình 3.2 Quy trình mô phỏng nồng độ Clo dư 54

Hình 3.3 Quy trình thực hiện Bottle test tính hệ số phản ứng khối 55

Hình 3.4 Đồng hồ khách hàng có cùng danh bạ nhưng khác vị trí 57

Hình 3.5 Đường ống bị hở hay không kết nối với nhau 57

Hình 3.6 Mô phỏng hướng dòng chảy khu vực DMA 59

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng lưu lượng và vận tốc lúc 0h 59

Hình 3.8 Giá trị áp lực (nút) và lưu lượng, vận tốc cụ thể trên từng đoạn ống 60

Hình 3.9 Giá trị áp lực lúc 19h tại DMA Dân Chủ và Hữu Nghị 60

Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện áp lực mô phỏng (dạng điểm) và thực tế (dạng đường) 63

Hình 3.11 Hệ số Fitness thể hiện tính phù hợp giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực tế 63

Hình 3.12 Kết quả trong lần hiệu chỉnh thứ hai tại vị trí 5/1 Đường 1 64

Hình 3.13 Nồng độ Clo dư đo được từ 8 mẫu nước lấy từ nhà máy nước Thủ Đức 66

Hình 3.14 Tính toán giá trị hệ số phản ứng khối theo phương trình hồi quy tuyến tính 67

Hình 3.15 Hệ số pattern nồng độ Clo dùng để gán vào các nút trong mô hình 69

Hình 3.16 Khai báo các thông số đầu vào cần thiết cho mô phỏng nồng độ Clo dư 70

Hình 3.17 Nồng độ Clo dư trên DMA Bình Thọ (lúc 11h) 71

Hình 3.18 Giá trị nồng độ Clo dư và lưu lượng trên đường ống 71

Hình 3.19 Biểu đồ nồng độ Clo dư mô phỏng tại tủ quan trắc (tại Trung học Bình Thọ) 72

Hình 4.1 Xây dựng các kịch bản cho mục tiêu tối ưu hàm lượng Clo châm đầu nguồn 77

Hình 4.2 Nồng độ Clo dư (lúc 2h và 18h) khi châm tối đa (Max = 1,17mg/l) 79

Hình 4.3 Nồng độ Clo dư (lúc 2h và 18h) khi châm tối thiểu (Min = 0,84 mg/l) 79

Hình 4.4 Nồng độ Clo dư (lúc 2h và 18h) khi châm trung bình (Mean = 0,9 mg/l) 80

Hình 4.5 Nồng độ Clo dư (lúc 2h và 18h) khi châm đầu nguồn (hàm lượng 0,62 mg/l) 80

Hình 4.6 Nồng độ Clo dư giảm tuyến tính theo hàm lượng Clo châm đầu nguồn 81

Hình 4.7 Nồng độ Clo dư khi thay đổi đường kính ống 82

Hình 4.8 So sánh nồng độ Clo dư khi thay đổi lưu lượng (châm đầu nguồn là 1,26 mg/l) 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Áp lực trung bình và trong giờ cao điểm dùng nước tp Thủ Đức 36

Bảng 2.2 Chu kì và số lượng kiểm tra mẫu nước trên địa bàn 37

Bảng 2.3 Tổng chiều dài mạng lưới đường ống cấp 2 DMA Bình Thọ 39

Bảng 2.4 Tổng chiều dài đường ống cấp 3 DMA Bình Thọ 39

Bảng 2.5 Giá trị thực đo tại các vị trí bất lợi trong 04 khung giờ 51

Bảng 3.1 Thông tin thuộc tính quan tâm khi chạy mô hình thủy lực 56

Bảng 3.2 Đối tượng và các lỗi cần kiểm tra 56

Bảng 3.3 Thông tin cần bổ sung trong bảng thuộc tính 58

Bảng 3.4 Kết quả sai số mô hình so với thực tế của DMA Bình Thọ 61

Bảng 3.5 Sai số mô phỏng lưu lượng nước so với thực tế 62

Bảng 3.6 Kết quả mô phỏng áp lực sau khi hiệu chỉnh mô hình 64

Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng lưu lượng sau khi hiệu chỉnh 65

Bảng 3.8 Giá trị Kvà Kw của mô hình 68

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng nồng độ Clo dư trên mạng lưới và giá trị thực tế 73

Bảng 3.10 Sai số giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực sau khi hiệu chỉnh mô hình 75

Bảng 4.1 So sánh nồng độ Clo dư tại các nút theo giờ cao điểm và thấp điểm của kịch bản 1 78

Biểu đồ 4.2 Sự tương quan giữa giá trị nồng độ Clo dư và nhu cầu dùng nước 84

Biểu đồ 4.3 Nồng độ Clo dư khi thay đổi hàm lượng Clo châm đầu nguồn vào 84

UAV :Phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle) WHO :Tổ Chức Y tế Thế giới (World Health Organization)

MNGE : tính sai số tuyệt đối trung bình chuẩn hóa

SCADA : hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory

Control And Data Acquisition) HAA : axit axetic halogen hóa

USEPA : Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (United States Environmental

Protection Agency)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Chất lượng nước được xem là mối quan tâm hàng đầu trên thế giới Khi ăn uống không đảm bảo vệ sinh rất dễ bị nhiễm một số bệnh như tiêu chảy, tả, kiết lị, thương hàn,…và lâu dài có thể ảnh hưởng đến sức khỏe nghiêm trọng Nên mục tiêu của hầu hết tất cả các mạng lưới cấp nước đều phải đảm bảo đủ lưu lượng, áp lực và chất lượng nước đạt chuẩn về an toàn vệ sinh Duy trì chất lượng nước đảm bảo trong suốt quá trình phân phối là một thách thức lớn nhất đối với các đơn vị cấp nước, khi mà nước qua xử lý cung cấp đến người sử dụng sẽ thay đổi trong quá trình vận chuyển, và biện pháp xử lý tối thiểu đối với nguồn nước ăn uống là khử trùng

Khử trùng là quá trình xử lý nước được thực hiện để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn,

vi rút, cũng như các mầm bệnh khác trong nước uống Trong tất cả phương pháp khử trùng nước hiện nay, phương pháp khử trùng bằng các chất oxi hóa mạnh, Clo là chất khử trùng được sử dụng phổ biến nhất trong nhiều hệ thống cấp nước để duy trì lượng Clo dư nhằm giảm thiểu sự tái nhiễm vi sinh bởi vì chi phí tương đối thấp, dễ sử dụng, dễ theo dõi và vô cùng hiệu quả trong việc tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh

Theo quy chuẩn về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt (QCVN 1:2018/BYT) của Bộ Y Tế ban hành năm 2018, liên quan đến lượng Clo dư tối thiểu trong mạng lưới phải đảm bảo không dưới 0,2 mg/l Tuy nhiên, theo kết quả kiểm tra chất lượng nước tại TP.HCM tháng 06/2020 của trung tâm Kiểm soát bệnh tật thành phố, trong 113 mẫu hóa lý và 113 mẫu vi sinh thì chỉ có 81,42% mẫu đạt chỉ tiêu hóa lý, 97,35% mẫu đạt chỉ tiêu

01-vi sinh, 80.53% mẫu đạt cả hai chỉ tiêu hóa lý và 01-vi sinh (HCDC, 2020) Các mẫu nước giám sát chủ yếu không đạt chỉ tiêu Clo dư ở các bồn chứa nước, vệ tinh nước tại khu chung cư, nhà trọ, khu vực dân cư chưa có mạng lưới cấp nước ở quận 8, quận 12, Tp Thủ Đức, huyện Bình Chánh, huyện Củ Chi,… Giải thích về lượng Clo không đạt chuẩn trong nước ăn uống

và sinh hoạt, Trung tâm Y tế dự phòng TP.HCM cho biết do áp lực nước hiện nay không đồng đều tại các khu vực, cụ thể thì nước tại các khu vực cuối hệ thống cấp nước có áp lực yếu, hàm lượng Clo dư thấp do thất thoát trên đường đi (Quang Khải và cộng sự, 2019) Một số

nơi thiếu Clo nhưng cũng có nhiều nơi lượng Clo trong nước lúc nào cũng xộc lên, đặc biệt những khu vực gần nguồn cấp nước gây ảnh hưởng rất nhiều đến sinh hoạt của người dân vì muốn nấu ăn phải hứng nước để vài giờ cho mùi Clo bay đi mới sử dụng được

Hiện nay, để đảm bảo phản ứng khử trùng xảy ra triệt để và còn được tiếp tục trong quá trình vận chuyển trên đường ống đến điểm dừng nước ở cuối mạng lưới đáp ứng nồng độ Clo dư tối thiểu là 0,2 mg/l, các nhà máy nước thường châm hàm lượng Clo ban đầu rất cao Điều này sẽ gây tiêu tốn lượng Clo thường gấp 3 - 5 lần lượng Clo dùng để khử trùng nước sau bể lọc, làm tăng giá thành xử lý; ngoài ra, phản ứng của Clo với các chất hòa tan trong nước tạo

ra hợp chất trihalomethane-chất gây ung thư (NGO, 2018) và đẩy nhanh quá trình hình thành các sản phẩm phụ khử trùng gây hại cho người sử dụng (Al-Zahrani, 2016) Thêm vào đó, SAWACO đang tiến hành triển khai thực hiện thí điểm uống nước trực tiếp tại vòi theo khu vực, qua đó xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình quản lý, vận hành, bảo trì bảo dưỡng

và dự trù kinh phí Làm cơ sở đến năm 2025 sẽ có khu vực uống nước trực tiếp tại vòi ở khu trung tâm thành phố, các khu dân cư, đô thị mới và hướng tới việc phục vụ cho người dân TP.HCM (Phương Thảo, 2021)

Kiểm soát chất lượng nước thông qua mô hình hóa chất lượng nước trong mạng lưới phân phối là một lĩnh vực tương đối mới ở Việt Nam Các mô hình chất lượng nước hỗ trợ rất nhiều công tác như giúp người dùng có thể hiểu rõ hơn sự ảnh hưởng của việc vận hành mạng lưới đối với chất lượng nước, hiệu chỉnh mạng lưới thủy lực, tối ưu hóa vị trí, liều lượng, tần suất châm Clo khử trùng, xác định vị trí giám sát, theo dõi các vấn đề về chất lượng nước trong quá khứ Ngày nay, có rất nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để phân tích mạng lưới cấp nước như EPANET, H20map, WaterCAD, WaterGEMS,…Trong đó, mô hình thủy lực WaterGEMS và EPANET là hai mô hình đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới vì những tính năng nhất định và cũng đã thu lại được những kết quả vô cùng to lớn Tại Việt Nam, WaterGEMS đang là mô hình đang được các công ty cấp nước trong nước nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vì nhiều tính năng vượt trội hơn hẳn so với EPANET với khả năng tương tác tiên tiến, xây dựng mô hình không gian địa lý, tích hợp các công cụ quản lý

Xuất phát từ những lý do trên, đề tài “Ứng dụng phần mềm WaterGEMS trong phân bổ tối

ưu hàm lượng Clo trong mạng lưới cấp nước thuộc DMA Bình Thọ, Thành phố Thủ Đức”

đã được thực hiện Kết quả của nghiên cứu này là giới thiệu một cách tiếp cận đáng tin cậy để tối ưu nồng độ Clo trong mạng lưới phân phối nước nhằm duy trì lượng Clo dư theo đúng quy chuẩn của Bộ Y Tế ban hành để kiểm soát mầm bệnh mà không cần sử dụng chất khử trùng

dư thừa để giảm thiểu chi phí và các khiếu nại của khách hàng về chất lượng nước

2 Mục tiêu đề tài

2.1 Mục tiêu chung:

Ứng dụng phần mềm WaterGEMS trong xác định sự thay đổi hàm lượng Clo từ nhà máy cấp nước đến khu vực DMA, nhằm tạo giải pháp kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt cung cấp cho người dân, hướng tới xây dựng khu vực uống nước trực tiếp tại vòi

2.2 Mục tiêu cụ thể:

Để đạt được mục tiêu tổng quát nêu trên, các mục tiêu cụ thể sau đây đã được giải quyết:

− Đánh giá hiện trạng hệ thống cấp nước tại khu vực phường Bình Thọ, tp Thủ Đức

− Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS đầu vào và ứng dụng phần mềm WaterGEMS mô phỏng thủy lực và nồng độ Clo dư thực tế tại khu vực DMA Bình Thọ

− Đề xuất giải pháp quản lý và tối ưu hóa hàm lượng Clo thích hợp tại nhà máy cấp nước, nhằm đảm bảo sức khỏe người sử dụng và tạo cơ sở tiền đề hướng tới xây dựng khu vực uống nước trực tiếp tại vòi

3 Nội dung nghiên cứu:

Để đạt được các mục tiêu cụ thể của đề tài, các nội dung sau đây đã được thực hiện:

Nội dung 1: Tổng quan về hiện trạng hệ thống cấp nước tại khu vực phường Bình Thọ, tp Thủ

Đức

Nội dung 2: Mô phỏng thủy lực và nồng độ Clo dư trên mạng lưới và so sánh với kết quả thực

tế thu thập được tại khu vực DMA Bình Thọ, bao gồm các nội dung sau:

− Thu thập, cập nhật dữ liệu mạng lưới cấp nước hiện hữu khu vực DMA Bình Thọ,

Tp Thủ Đức (dữ liệu không gian và thuộc tính),

− Thu thập số liệu về áp lực, lưu lượng ở một số vị trí trên mạng lưới và dữ liệu sản lượng tiêu thụ của đồng hồ khách hàng,

− Thu thập số liệu chất lượng nước về nồng độ Clo tại điểm đầu (nhà máy nước) và trạm quan trắc chất lượng nước trong khu vực nghiên cứu

Nội dung 3: Xác định hàm lượng Clo phù hợp tại đầu vào ở nhà máy nước Thủ Đức và đề

xuất giải pháp đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt theo đúng tiêu chuẩn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

4.1 Đối tượng nghiên cứu:

Sự thay đổi hàm lượng Clo trong mạng lưới phân phối nước DMA Bình Thọ; mạng lưới ống truyền tải (cấp 1, cấp 2) từ Nhà máy nước Thủ Đức đến DMA Bình Thọ và các vấn đề có liên quan

5 Phương pháp nghiên cứu:

5.1 Phương pháp luận

Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học Điều này có nghĩa rằng, các

nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tắc và phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết

Ứng dụng phần mềm WaterGEMS trong phân bổ tối ưu hàm lượng Clo trong mạng lưới cấp nước thuộc DMA Bình Thọ, tp Thủ Đức là nghiên cứu sự ảnh hưởng giữa nồng độ Clo dư và liều lượng Clo đầu vào cũng như một số thông số liên quan khác như lưu lượng, vận tốc, đường kính ống, … Từ sự ảnh hưởng này đề xuất giải pháp quản lý và tối ưu hóa hàm lượng Clo thích hợp châm ở nhà máy nước Thủ Đức đảm bảo đúng theo tiêu chuẩn Làm tiền đề cho mục tiêu thực hiện uống nước trực tiếp tại vòi trên khu vực DMA

5.2 Phương pháp và kỹ thuật nghiên cứu:

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, các phương pháp nghiên cứu và công cụ hỗ trợ sau đây đã được sử dụng trong đề tài:

5.2.1 Phương pháp nghiên cứu:

a) Phương pháp tổng quan tài liệu, số liệu:

Phương pháp này đã được sử dụng để đạt nội dung (1) thông qua việc thu thập các thông tin

và số liệu về mạng lưới cấp nước, chất lượng nước và tiêu chuẩn cấp nước Các nguồn thông tin và số liệu thu thập bao gồm:

− Số liệu tổng quan về DMA Bình Thọ, tp Thủ Đức: điều kiện kinh tế - xã hội, hiện trạng mạng lưới cấp nước, hiện trạng quản lý chất lượng nước của DMA Những thông tin,

số liệu này được tổng hợp, thu thập thông qua các số liệu hiện có, các báo cáo chuyên

đề của các cơ quan chức năng và từ các trang web khác có liên quan

− Các tài liệu nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước về ứng dụng phần mềm thủy lực trong mô phỏng nồng độ Clo dư Trên cơ sở đó, tiến hành đánh giá và chọn lọc, nhằm

kế thừa các kết quả nghiên cứu, để phát triển giải pháp phù hợp, hiệu quả đáp ứng được yêu cầu các mục tiêu đặt ra

− Ngoài ra, trong điều kiện thực tế của TP Thủ Đức, để triển khai ứng dụng phần mềm WaterGEMS cần phải thu thập thêm các dữ liệu sau đây:

• Dữ liệu CAD và GIS của mạng lưới phân phối DMA Bình Thọ, mạng lưới truyền tải từ nhà máy nước Thủ Đức đến DMA

• Dữ liệu áp lực, lưu lượng của datalogger, sản lượng tiêu thụ đồng hồ nước khách hàng

• Tiêu chuẩn nước sinh hoạt áp dụng tại SAWACO hiện nay, tiêu chuẩn cấp nước phục vụ nhu cầu ăn uống

• Dữ liệu nồng độ Clo dư tại trạm quan trắc chất lượng nước (DMA Bình Thọ) và nhà máy nước Thủ Đức

b) Phương pháp khảo sát và điều tra thực địa

Với một trạm quan trắc chất lượng nước hiện có trên DMA Bình Thọ thì không đủ để đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng chất lượng nước Do đó, phương pháp này được đề xuất

để đạt nội dung (2) và bổ sung cho nội dung (1) thông qua việc tiến hành khảo sát, điều tra để chọn thu thập thêm giá trị nồng độ Clo dư tại 3 vị trí thuộc khu vực cuối nguồn, bất lợi là 256 Đặng Văn Bi, 126 Đặng Văn Bi và 250 Võ Văn Ngân theo một số thời điểm nhất định trong ngày (cụ thể: 11h, 12h, 16h và 17h), sử dụng thiết bị chuyên dụng cầm tay Pocket Colorimeter

II để thực hiện nhằm đảm bảo độ chính xác cao ngoài hiện trường

c) Phương pháp thống kê, xử lý số liệu:

Phương pháp được thực hiện nhằm bổ sung cho nội dung (2) liên quan đến tính toán giá trị hệ

số áp lực, hệ số sử dụng nước không điều hòa từ giá trị áp lực và lưu lượng thực tế Các số liệu sau khi xử lý được biểu diễn dưới dạng bảng, biểu đồ, đồ thị

Để so sánh, đánh giá sai số của mô hình với kết quả đo đạc thực tế, phương pháp tính sai số tuyệt đối trung bình chuẩn hóa (MNGE) được áp dụng

Cmod: Giá trị mô hình mô phỏng

Cobs: Giá trị quan trắc thực tế

i: vị trí thứ i

5.2.2 Công cụ hỗ trợ nghiên cứu:

a) Công cụ GIS

Công cụ này được thực hiện để đạt nội dung (2) và kết quả sẽ là đầu vào cho nội dung (3) bằng cách thu thập, quản lý và phân tích dữ liệu không gian và thuộc tính, cũng như khả năng tạo ra các lớp bản đồ để giải quyết các vấn đề trong quản lý hệ thống cấp nước Công cụ này được dùng cập nhật, bổ sung, sửa lỗi thuộc tính và không gian của các đối tượng của mạng lưới cấp nước Ngoài ra, phần mềm ArcMap còn hỗ trợ công tác đưa các dữ liệu, thông tin ban đầu cần thiết vào phần mềm thủy lực như gán giá trị cao trình, sản lượng cho mỗi nút trong mạng

b) Mô hình hóa:

Công cụ này được sử dụng để thực hiện nội dung (3) thông qua phần mềm WaterGEMS mô phỏng mô hình thủy lực và chất lượng nước của mạng lưới phân phối của DMA Bình Thọ Đây được xem là một trong những phần mềm hỗ trợ cho việc thiết kế, quản lý, giám sát và ra quyết định hiệu quả tiên tiến và mạnh mẽ nhất hiện nay Trong nghiên cứu này, dữ liệu sau khi được xây dựng bằng GIS sẽ kết nối với WaterGEMS để thực hiện mô phỏng thủy lực trong môi trường sẵn có của phần mềm

6 Ý nghĩa đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu góp phần hệ thống hóa cơ sở khoa học về các yếu tố vật lý, hóa học và các biến đổi sinh học xảy ra trong quá trình hoạt động và vận hành của hệ thống phân phối nước ảnh hưởng đến chất lượng nước Trong đó, giải pháp mô phỏng chất lượng nước được đề xuất nhằm tối ưu hóa hàm lượng Clo phải châm tại nhà máy nước đến khu vực DMA, đã góp phần

để kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt khi cung cấp nước uống trực tiếp tại vòi Ngoài ra, các kết quả thực nghiệm sẽ góp phần tạo giải pháp hữu ích cho công tác phân bố tối ưu hàm lượng Clo nhằm đảm bảo cấp nước an toàn

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả thực nghiệm đã góp phần tạo giải pháp hữu ích cho công tác phân bố tối ưu hàm lượng Clo phải châm đầu nguồn và kiểm soát được nồng độ Clo dư trên toàn mạng lưới phân phối theo quy chuẩn của Bộ Y Tế Giải pháp đề xuất không chỉ hữu ích để giảm chi phí đầu

tư các thiết bị giám sát chất lượng nước, chi phí hóa chất khử trùng cho các đơn vị cấp nước,

mà còn đảm bảo sức khỏe người dân và đáp ứng mục tiêu cấp nước an toàn

Kết quả thử nghiệm cho mạng lưới phân phối nước DMA Bình Thọ đã minh chứng giải pháp

đề xuất rất hiệu quả trong kiểm soát nồng độ Clo dư đạt tiêu chuẩn dành cho nước uống tại vòi Giải pháp sẽ hỗ trợ người dân không cần tốn thêm chi phí mua thiết bị lọc nước, nên mang lại hiệu quả cao về kinh tế và đảm bảo cấp nước an toàn cho xã hội Ngoài ra, kết quả nghiên cứu có thể nhân rộng không chỉ cho Tp.HCM mà còn các áp dụng cho các Công ty cấp nước trong việc dự báo sự thay đổi nồng độ Clo dư trên mạng lưới, khi điều kiện thay đổi hay sự cố xảy ra, giúp người dùng có phương án giải quyết kịp thời

7 Bố cục luận văn

Luận văn gồm 4 Chương được trình bày với bố cục chi tiết như sau: Chương 1 sẽ trình bày cơ

sở khoa học của đề tài, bao gồm: giới thiệu phần mềm WaterGEMS, những đặc tính hóa, lý của Clo; mô hình chất lượng nước, tiêu chuẩn cấp nước phục vụ cho nhu cầu ăn uống (trên thế giới và tại Việt Nam) và các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu Chương 2 của luận văn sẽ khái quát về hiện trạng của hệ thống cấp nước thành phố Thủ Đức và khu vực DMA Bình Thọ, cụ thể: quản lý mạng lưới cấp nước; chất lượng nước Quá trình chuẩn bị, tính toán, xây dựng dữ liệu đầu vào, thực hiện mô phỏng thủy lực (áp lực và lưu lượng) và chất lượng nước của khu vực nghiên cứu được trình bày chi tiết trong chương

3 Chương 4 sẽ đề xuất các giải pháp quản lý đảm bảo chất lượng nước thông qua các kịch bản giả định mô phỏng sự thay đổi nồng độ Clo dư theo các thông số như hàm lượng Clo dư châm đầu nguồn, lưu lượng, đường kính, Một số kết luận và kiến nghị từ kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ trình bày trong phần Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KHOA HỌC

1.1 Tiêu chuẩn cấp nước phục vụ cho nhu cầu ăn uống

1.1.1 Tiêu chuẩn nước uống của WHO:

Tiêu chuẩn nước uống của WHO quy định rằng 2 - 3 mg/l Clo nên được thêm vào nước để đạt được nồng độ khử trùng và dư lượng đảm bảo yêu cầu Lượng Clo tối đa có thể sử dụng là 5 mg/l Để quá trình khử trùng hiệu quả hơn, lượng Clo dư sau trạm xử lý nên vượt quá 0,5 mg/l sau thời gian tiếp xúc ít nhất 30 phút ở giá trị pH từ 8 trở xuống Với liều lượng sử dụng thông thường, nồng độ Clo dư đầu ra tại vòi nước sử dụng của người dân nên nằm trong khoảng 0,2 mg/l - 0,5 mg/l Nồng cao hơn sẽ nằm ở những nơi đầu nguồn và mức thấp hơn sẽ ở khu vực cuối nguồn trong mạng lưới phân phối (Reed, 2011)

1.1.2 Tiêu chuẩn nước uống của Hoa Kỳ:

Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (USEPA) yêu cầu lượng Clo tối đa trong nước để ngăn chặn sự tái phát triển của vi sinh vật và giúp bảo vệ nước đã qua xử lý trong toàn bộ hệ thống phân phối là 4 mg/l đối với Clo, 4 mg/l đối với cloramin (NH2Cl) và 0,8 mg/l đối với Clo dioxide (ClO2) Mặc dù nồng độ Clo thường thấp hơn đáng kể khi ra đến vòi nước sử dụng của người dân, EPA tin rằng mức cao như thế sẽ không có nguy cơ ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, cho phép mức độ an toàn phù hợp Gần đây, Hoa Kỳ đã sử dụng khí Clo rộng rãi để xử

lý nước thải Tuy nhiên, việc sử dụng Clo hiện đang được kiểm soát lại vì các sản phẩm phụ khử trùng nguy hiểm, chẳng hạn như trihalomethanes (EPA, 2022)

1.2.3 Tiêu chuẩn nước uống của Nhật Bản:

Theo Tokyo Waterworks quản lý nồng độ Clo dư có vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp nguồn nước uống chất lượng Nó yêu cầu duy trì nồng độ thấp nhất cần thiết cho các mục tiêu khử trùng và đồng thời giảm nồng độ để cung cấp nước chất lượng với ít mùi Clo trong quản

lý nồng độ Clo dư Theo đó, Tokyo Waterworks đã đặt ra mức tiêu chuẩn với nồng độ Clo dư nằm trong khoảng 0,1 mg/l – 0,4 mg/l tại vòi nước sử dụng của người dân, đáp ứng được yêu cầu quốc gia về chất lượng nước sạch mà vẫn đảm bảo tránh mùi Clo khử trùng (Kitada & Saito, 2015)

1.2.4 Tiêu chuẩn nước uống của EU:

Tuy nhiên, hướng dẫn về nước uống của Châu Âu 2020/2184 không đề cập đến yêu cầu về nồng độ Clo dư (The European Parliament and the Council of the European Union, 2020)

1.2.5 Tiêu chuẩn nước uống của Việt Nam:

Hiện nay, Việt Nam yêu cầu lượng Clo dư trong nước được quy định tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT) với hàm lượng trong khoảng 0,2 mg/l – 1 mg/l Quy chuẩn này không áp dụng đối với nước uống trực tiếp tại vòi, nước đóng bình, đóng chai, nước khoáng thiên nhiên đóng bình, đóng chai, nước sản xuất ra từ các bình lọc nước, hệ thống lọc nước và các loại nước không dùng cho mục đích sinh hoạt (Bộ Y Tế, 2018)

Theo QCVN 6-1:2010/BYT về Quy chuẩn Quốc gia đối với nước khoáng tự nhiên và nước uống đóng chai thì nguồn nước tuân thủ chất lượng sẽ phải được kiểm soát chặt chẽ 21 chỉ tiêu hóa lý và 05 chỉ tiêu vi sinh bắt buộc Các chỉ tiêu hóa lý bao gồm: Arsen, Amoni, Chì, Xyanua, Thủy ngân, chất nhiễm xạ… Các chỉ tiêu vi sinh có thể kể đến như E.Coli, Coliform…Trong các chỉ tiêu hóa học của nước đóng chai liên quan đến an toàn thực phẩm thì giới hạn tối đa của hàm lượng Clo là 5 mg/l và không có yêu cầu về nồng độ clo dư (Bộ

Y Tế, 2010)

1.2 Những đặc tính lý, hóa của Clo

Các công ty cấp nước rất quan tâm trong việc dự báo sự thay đổi nồng độ Clo dư trên mạng lưới, vì nếu nồng độ Clo dư nằm ngoài khoảng cho phép về lâu dài sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Tuy nhiên, để có giải pháp phù hợp trong kiểm soát nồng độ Clo dư tối thiểu, đạt tiêu chuẩn đối với nước uống tại vòi, các đặc tính lý, hóa của Clo cần phải được phân tích cụ thể, nhằm đảm bảo quy trình vận hành mạng lưới cấp nước an toàn

1.2.1 Tính chất vật lý của Clo:

− Chất khí độc hại có mùi hắc, màu vàng lục và khối lượng riêng nặng hơn không khí

− Clo có khả năng tan vừa phải trong nước, tạo thành dung dịch nước Clo có màu vàng nhạt Ngoài ra, Clo còn có thể tan nhiều trong các dung môi hữu cơ

1.2.2 Tính chất hóa học:

Clo có tính chất hóa học như một phi kim hoạt động hóa học mạnh với khả năng tác dụng với nhiều kim loại và hidro Ngoài ra, Clo còn có thể phản ứng với nước tạo thành hỗn hợp hai axit clohydric (HCl) và axit hypocloro (HClO) dung dịch kiềm và Clo hóa với nhiều oxit kim loại hoặc các chất hữu cơ

1.2.3 Khử trùng nước bằng Clo hoạt động như thế nào?

Clo tiêu diệt mầm bệnh như vi khuẩn và vi rút bằng cách phá vỡ các liên kết hóa học trong phân tử của chúng Chất khử trùng được sử dụng cho mục đích này bao gồm các hợp chất Clo

có thể trao đổi nguyên tử với các hợp chất khác, chẳng hạn như các enzyme trong vi khuẩn và các tế bào khác Khi enzyme tiếp xúc với Clo, một hoặc nhiều nguyên tử hydro trong phân tử được thay thế bằng Clo Điều này làm cho toàn bộ phân tử thay đổi hình dạng hoặc phân rã Khi các enzyme không hoạt động bình thường, một tế bào hoặc vi khuẩn sẽ chết

− Khi cho Clo vào nước, axit clohydric tạo thành:

Cl2 + H2O → HOCl + H+ + Cl-

− Tùy thuộc vào giá trị pH, axit clohydric một phần hết tác dụng với ion hypoclorit:

Cl2 + 2H2O → HOCl + H3O + Cl- HOCl + H2O → H3O+ + OCl-

− Điều này phân tách thành nguyên tử Clo và Oxy:

OCl- → Cl- + O Axit clohydric (HOCl, trung hòa về điện) và các ion hypoclorit (OCl- , mang điện tích âm) sẽ tạo thành Clo tự do khi liên kết với nhau và quá trình khử trùng xảy ra Axit clohydric phản ứng mạnh hơn và là chất khử trùng mạnh hơn so với hypochlorit Axit clohydric được chia thành axit clohydric (HCl) và oxy nguyên tử (O) Nguyên tử oxy là một chất khử trùng mạnh

mẽ Các đặc tính khử trùng của Clo trong nước dựa trên khả năng oxy hóa của các nguyên tử oxy tự do và các phản ứng thay thế Clo

Hình 1.1 Axit clohydric trung tính có thể thâm nhập tốt hơn vào thành tế bào của

vi sinh vật gây bệnh (Lenntech, 2017)

Thành tế bào của vi sinh vật gây bệnh có bản chất là tích điện âm Do đó, nó có thể bị thâm nhập bởi axit clohydric trung tính, chứ không phải ion hypoclorit tích điện âm Axit chloric thâm nhập vào các lớp chất nhờn, thành tế bào và lớp bảo vệ của vi sinh vật và tiêu diệt mầm bệnh một cách hiệu quả Các vi sinh vật sẽ chết hoặc suy giảm khả năng sinh sản

Độ đục và pH của nước có ảnh hưởng đến hiệu quả của việc khử trùng của Clo Quá trình khử trùng bằng Clo sẽ diễn ra tối ưu khi độ đục < 5NTU (Reed, 2011) và độ pH từ 5,5 đến 7,5 Axit clohydric (HOCl) phản ứng nhanh hơn các ion hypoclorit (OCl-) đạt hiệu quả hơn từ 80-100% Mức độ axit clohydric sẽ giảm khi giá trị pH cao hơn Với giá trị pH bằng 6, mức axit clohydric là 80%, trong đó nồng độ của ion hypoclorit là 20% Khi giá trị pH là 8, điều này là ngược lại Khi giá trị pH là 7,5, nồng độ của axit clohydric và ion hypoclorit cao như nhau (Lenntech, 2017)

1.2.4 Liều lượng phù hợp của Clo?

Khi định lượng Clo chúng ta phải tính đến lượng Clo phản ứng với các hợp chất trong nước Liều lượng phải đủ cao để một lượng Clo đáng kể vẫn còn trong nước để khử trùng Lượng Clo cần thiết được xác định bởi lượng chất hữu cơ trong nước, độ pH, thời gian tiếp xúc và nhiệt độ Clo phản ứng với chất hữu cơ thành các sản phẩm phụ khử trùng, chẳng hạn như trihalomethanes và axit axetic halogen hóa

Clo có thể được thêm vào để khử trùng theo nhiều cách khác nhau Khi khử trùng bằng Clo thông thường, Clo chỉ được thêm vào nước và không cần xử lý trước Trước và sau quá trình khử Clo có nghĩa là thêm Clo vào nước trước và sau các bước xử lý khác nhau Khử trùng bằng Clo là bổ sung Clo vào nước đã qua xử lý tại một hoặc nhiều điểm trong mạng lưới phân phối để đảm bảo quá trình khử trùng hiệu quả

1.2.5 Các yếu tố quyết định hiệu quả khử trùng bằng Clo:

Nồng độ Clo, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, pH, số lượng và các loại vi sinh vật, nồng độ chất hữu cơ trong nước

1.3 Mô hình chất lượng nước

Mô hình chất lượng nước được xây dựng trong WaterGEMS là bước mở rộng tiếp theo của

mô hình thủy lực, nhằm hỗ trợ cho các phân tích liên quan đến chất lượng nước trong mạng lưới cấp nước Mô phỏng chất lượng nước thực hiện trong WaterGEMS sử dụng phương pháp Lagrange để theo dõi sự lan truyền của nước dọc theo đường ống và các đặc tính thủy lực tác động đến sự vận chuyển và phân hủy chất khử trùng theo thời gian Trong đó, mô phỏng quá trình vận chuyển, pha trộn và phân hủy theo đặc tính vật lý và hóa học trong thời gian lưu nước để xác định chất lượng nước biến thiên theo thời gian và không gian trong DMA Theo Rossman và cộng sự (Rossman et al., 2000), các công thức liên quan đến mô hình chất lượng nước được thiết lập như sau:

1.3.1 Quá trình vận chuyển trong đường ống:

Phần lớn các mô hình chất lượng nước sử dụng lan truyền một chiều để dự đoán những thay đổi nồng độ Nước sẽ di chuyển dọc theo chiều dài của một đường ống cùng vận tốc trung bình với chất lỏng trong cùng một thời gian phản ứng (phát triển hoặc phân rã) ở một tỷ lệ nhất định Sự phân tán theo chiều dọc thường không phải là một cơ chế lan truyền quan trọng trong hầu hết các điều kiện vận hành hệ thống (Rossman et al., 2000)

Quá trình vận chuyển trong đường ống được biểu thị bằng phương trình sau:

𝜕𝐶𝑖

𝜕𝑡 = −𝑢𝑖 𝜕𝐶𝑖

𝜕𝑥 + 𝑟(𝐶𝑖) (1.1)

Trong đó:

Ci: Nồng độ trong ống i (kg/m3)

ui: vận tốc dòng chảy trong ống i (m/s) r: tỷ lệ phản ứng (kg/m3/s)

1.3.2 Sự pha trộn tại các nút

Tại các điểm giao nhau (nút) sẽ tiếp nhận dòng chảy từ hai hay nhiều đường ống, sự pha trộn được thực hiện ngay tức thời và hoàn toàn Do đó, nồng độ của chất trong nước khi ra khỏi điểm giao nhau là tổng lưu lượng của nồng độ từ những đường ống đi vào

1.3.3 Sự pha trộn tại các bể chứa:

Những đường ống thường kết nối với bể chứa và hồ chứa ngược lại với các nút trên mạng Vì thế, một sự cân bằng khối lượng của nồng độ đi vào và ra bể hay hồ chứa có thể được thực hiện

𝑑𝐶𝑘

𝑑𝑡 = 𝑄𝑖

𝑉𝑘(𝐶𝑖,𝑛𝑝(𝑡) − 𝐶𝑘) + Ѳ(𝐶𝑘) (1.3)

Trong đó:

Ck: nồng độ trong bể hay hồ chứa k (kg/m3)

Qi: lưu lượng vào bể hay hồ chứa từ đường ống i (m3/h)

Vk: thể tích của bể hay hồ chứa k (m3) θ(Ck): tỷ lệ phản ứng (kg/m3/h)

Công thức trên chỉ áp dụng khi một bể chứa đầy Trong khoảng thời gian này, nước đi từ các đường ống thượng nguồn sẽ trộn với nước có trong bể chứa Nếu nồng độ khác nhau, sự pha trộn sẽ xảy ra, điều kiện có thể giảm và phương trình tính toán được đơn giản hóa

𝑑𝐶𝑘

𝑑𝑡 = Ѳ (𝐶𝑘) (1.4)

Đặc biệt, điều kiện pha loãng có thể giảm bởi vì nó không xảy ra Như vậy, nồng độ chất sẽ chỉ chịu ảnh hưởng của các phản ứng hóa học Hơn nữa, nồng độ từ bể chứa trở thành một điều kiện biên cho phương trình vận chuyển đối ứng với các đường ống được kết nối với nó

1.3.4 Các phản ứng hóa học trong đường ống

Các phương trình nêu trên được kết hợp tạo nên một hệ phương trình vi phân tuyến tính và được giải bằng các thuật toán mô phỏng chất lượng nước đặc trưng Khi nước rời khỏi trạm

xử lý và đi vào hệ thống phân phối, nó sẽ chịu nhiều ảnh hưởng bởi các quá trình lý hóa phức tạp, mà đa phần chúng chưa được hiểu một cách tường tận và thường được bỏ qua khi mô phỏng Ba quá trình hóa học chủ yếu thường được mô hình hóa bao gồm: phản ứng khối, phản ứng trên bề mặt (thành ống) và sự kết hợp cả hai phản ứng (khối và thành ống) nhằm áp dụng

mô hình phân hủy chất khử trùng ảnh hưởng đến chất lượng nước

❖ Hệ số phản ứng khối:

Phản ứng khối xảy ra trong dòng chảy và là một hàm của các nồng độ hợp thành, tốc độ phản ứng, số bậc phản ứng và nồng độ của các sản phẩm hình thành Biểu thức khái quát hóa cho phản ứng khối bậc n được triển khai ở công thức 1.5 (Rossman et al., 2000) dưới đây:

Ѳ(𝐶) = ±𝑘𝐶𝑛 (1.5)

Trong đó:

θ(C): số hạng phản ứng (kg/m3/h) k: hệ số tốc độ phản ứng [(m3/kg)n-1/h]

C: nồng độ (kg/m3) n: số bậc phản ứng

Hệ số phản ứng khối biểu thị sự thay đổi nồng độ theo thời gian cho ba bậc phản ứng thông dụng nhất hiện nay, để mô hình hóa các quá trình hóa học xảy ra trong hệ thống phân phối nước Trong đó, các phản ứng bậc 0, bậc nhất (n = 1), bậc hai (n = 2) được áp dụng để mô hình hóa, tương ứng với việc cho phép n bằng 0, 1 hoặc 2 nhằm tạo ra một sự phân tích hồi quy để xác định hệ số tốc độ phản ứng bằng thực nghiệm

Mô hình phản ứng được sử dụng phổ biến nhất là mô hình phân rã bậc một Áp dụng cho phân

rã Clo, phân rã radon và các quá trình phân rã khác Một sự phân rã bậc một tương đương với một sự phân rã theo cấp số nhân, được đại diện bởi phương trình sau:

𝐶𝑡 = 𝐶𝑜𝑒−𝑘𝑡 (1.6)

Trong đó:

Ct: nồng độ tại thời điểm t (kg/m3)

C0: nồng độ ban đầu (lúc 0h) k: hệ số phản ứng khối (1/h)

❖ Hệ số phản ứng thành ống

Khi lan truyền trong ống, các chất hòa tan có thể tiếp xúc với thành ống và tương tác với vật liệu tạo đường ống, đây thường là sản phẩm dễ ăn mòn Bề mặt thành ống là nơi xảy ra các phản ứng và mức độ di chuyển khối chất lỏng trong lòng thành ống cũng ảnh hưởng tới mức

độ phản ứng thành ống Trong mô hình, diện tích bề mặt một đơn vị thể tích là yếu tố được xác định đầu tiên Yếu tố còn lại được thể hiện bằng hệ số chuyển động khối, mà giá trị của

nó phụ thuộc vào sự khuếch tán phần tử của các loại phản ứng và phụ thuộc vào hệ số Reynolds

ở chỗ đó Hệ số truyền khối được dùng để xác định tốc độ mà chất khử trùng được vận chuyển

Ở đây dùng “hệ số Sherwood” không thứ nguyên, cùng với hệ số khuếch tán phần tử và đường kính ống

𝑘𝐹 = 𝑆𝐻𝑑

Trong đó:

SH: hệ số Sherwood d: độ khuếch tán của phần tử trong dòng chảy (m2/s) D: đường kính ống (m)

Đối với điều kiện dòng chảy chậm (Re < 1) thì số Sherwood lấy bằng 2 Đối với điều kiện dòng chảy rối (Re > 2300), hệ số Sherwood được tính theo công thức:

𝑆𝐻 = 0.023𝑅𝑒0.83(𝑣

𝑑)0.033 (1.9)

Trong đó:

Re: hệ số Reynolds v: hệ số nhớt động học của chất lỏng (m2/s)

Đối với dòng chảy tầng (1 < Re < 2300), có thể dùng số SH trung bình theo chiều dài ống Để

có dòng chảy tầng trong một ống 150mm, lưu lượng dòng chảy cần nhỏ hơn 0.3 l/s với vận tốc 0.017m/s Với những dòng chảy như vậy, tổn thất cột nước có thể coi là không đáng kể Khi đó:

L: chiều dài ống (m)

❖ Phản ứng khối và phản ứng thành ống:

Các chất khử trùng là các thành phần được mô hình hóa nhiều nhất trong hệ thống phân phối nước Các chất khử trùng chịu ảnh hưởng của các phản ứng hóa học, bắt đầu từ lúc rời khởi trạm xử lý và đi vào hệ thống phân phối nước Nhiều mô hình phân hủy chất khử trùng được triển khai để tính toán và mô hình phân hủy bậc nhất (trình bày ở trên) là đảm bảo đủ chính xác cho các ứng dụng mô hình hóa hệ thống phân phối nước và đã được minh chứng rõ ràng trong thực tế

cấp nước là một công cụ để mô phỏng các vấn đề có thể xảy ra đối với dòng chảy có áp trong các tuyến ống của mạng lưới hỗn hợp

Mô phỏng mạng lưới là mô phỏng sự vận động của các đại lượng trong mạng Xuất phát từ mạng lưới hiện có hoặc thiết kế mới với các dữ liệu đã có hoặc được cập nhật như: các số liệu cung cấp hoặc tiêu thụ trong ngày Mô phỏng mạng lưới là dựa trên các phương pháp diễn toán để mô tả sự vận động của các đại lượng trong mạng ở các điều kiện khác nhau với độ chính xác có thể chấp nhận được

Từ các dữ liệu của đường ống (cấu tạo và hoạt động), phần mềm tính toán được vận tốc, lưu lượng và áp lực Việc giải bài toàn có thể thực hiện cho một thời điểm hoặc trên một khoảng thời gian được chia thành các đoạn đặc biệt

Sử dụng phần mềm mô hình mô phỏng thủy lực giúp công tác cập nhật và tra cứu các thông tin về dòng chảy và áp suất nước một cách nhanh chóng Nhờ đó, các nhà quản lý có thể xác định được nguyên nhân xảy ra tình trạng áp lực yếu cũng như chất lượng nước kém tại một số

vị trí không gian xác định

1.4.1 Tổng quan về phần mềm WaterGEMS

Phần mềm thủy lực WaterGEMS là một giải pháp mô hình hóa thủy lực và chất lượng nước, với giao diện có các chức năng đơn giản và thân thiện với người dùng trong công tác phân tích, thiết kế, tối ưu hệ thống phân phối nước Ngoài ra, tích hợp WaterGEMS với GIS cho phép sử dụng chung một nguồn dữ liệu, dễ dàng chia sẻ dữ liệu dùng chung giữa nhiều người trong hệ thống phân phối nước Đặt biệt, ứng dụng WaterGEMS với GIS tạo khả năng linh hoạt trong xây dựng mô hình không gian, tối ưu hóa bài toán thủy lực và chất lượng nước, cũng như tạo các công cụ hiệu quả trong quản lý tài sản Các tiện ích xây dựng sẵn của WaterGEMS hỗ trợ từ việc phân tích họng cứu hỏa, cho tới sử dụng hiệu quả máy bơm, điện năng tiêu thụ và quản lý chi phí đầu tư Phần mềm WaterGEMS hỗ trợ cả bốn môi trường tích hợp như sau:

− Stand – alone: phiên bản độc lập, dễ dàng sử dụng và tiếp cận, hiệu suất sử dụng cao

− Tích hợp trên MicroStation: tạo cầu nối giữa hai môi trường thiết kế kỹ thuật và môi

trường dữ liệu không gian

a) Các chức năng chính của WaterGEMS:

Hình 1.2 Các chức năng chính của WaterGEMS

nước, từ dữ liệu hiện trạng đã có hay đang được quản lý bởi GIS với các thao tác đơn giản, nên không mất nhiều thời gian để xây dựng mô hình

− TRex: trong tính toán các bài toán về thủy lực, việc xác định giá trị cao trình cho từng

nút là rất quan trọng Chức năng Trex cho phép xác định tự động các cao trình với độ chính xác cao, khi sử dụng dữ liệu DEM theo dạng lưới tam giác không đều TIN (Triangular Irregular Network)

nước Darwin Calibrator với thuật toán di truyền sẽ hỗ trợ việc tính toán và khoanh vùng các điểm rò rỉ nhanh chóng, góp phần giải quyết các bài toán thất thoát nước, mang lại lợi ích cho công ty trong quá trình tổ chức thực thiện và vận hành

tác và khách hàng sử dụng những phần mềm khác nhau, nhưng chỉ cần sử dụng chung một bộ dữ liệu Chức năng góp phần giảm thời gian và sai số trong quá trình trao đổi

dữ liệu, cũng như giảm chi phí khi tận dụng được nguồn lực để phát triển mô hình

− LoadBuilder: cho phép tự động hóa nhập dữ liệu, đặc biệt các dữ liệu được quản lý

bởi GIS góp phần tiết kiệm chi phí và tránh sai sót trong quá trình nhập liệu

đặc tính về thủy lực Chức năng góp phần giảm thiểu thời gian tính toán và tăng hiệu suất trong việc tạo mô hình phù hợp cho các ứng dụng trong hệ thống cấp nước

cấp một giải pháp tự động quản lý và hiệu chỉnh mô hình một cách thông minh, giảm thiểu mọi quá trình thu thập dữ liệu thực địa, tránh hao tốn nhân lực và thời gian (Viet

An, 2012)

b) Tính năng nổi bật, tiêu biểu:

pháp, cải tạo mạng lưới cấp nước cân đối giữa điều kiện yêu cầu và chi phí đầu tư

− Phát hiện rò rỉ: công cụ Darwin Calibrator, ứng dụng thuật toán di truyền trong phát

hiện vị trí rò rỉ trên đường ống, giúp giảm thời gian, nhân lực tìm kiếm trên mạng lưới

phân tích ảnh hưởng áp suất, lưu lượng khi đóng van trên toàn mạng lưới, tạo giải pháp đánh giá giảm nhu cầu tiêu thụ trên DMA khi đóng van

ra sự cố Phân tích các chỉ số yêu cầu (vận tốc, áp lực) trong quá trình súc xả

mạng lưới thay đổi theo thời gian: Clo dư, pH, TDS, Age, Tracing, THMs…

mạng lưới, cân đối các ràng buộc về (Pressure, vận tốc, Flow) với chi phí đầu tư

và mô phỏng mạng lưới theo thời gian thực

lực trên khu vực có chênh cao lớn trên mạng lưới Thay đổi biên vùng áp lực, áp lực cài đặt qua van, để đạt được áp lực yêu cầu khi vùng áp lực không đạt áp suất, lưu lượng yêu cầu (Viet An, 2012)