lời nói đầu Hệ thống nguồn nước là thuật ngữ được Van te Chow sử dụng đầu tiên để mô tả các lĩnh vực kỹ thuật của thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nước.. Hệ thống nguồn nước cũng đồng t
Trang 1Đại học Quốc gia Hà Nội
trường đại học khoa học tự nhiên
Larry W Mays
và Yeou – Koung Tung
Kỹ thuật và quản lý
hệ thống nguồn nước
Người dịch: Nguyễn Tiền Giang
Nguyễn Thị Nga
Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Trang 2Lời người dịch
Nước là một tài nguyên tự tái tạo nhưng không phải vô hạn Trong những thập niên gần đấy, chúng ta có thể nhận thấy sự gia tăng về tần xuất cũng như cường độ của bão, lũ, hạn hán và các biến cố khí tượng thuỷ văn bất lợi khác, gây ảnh hượng trực tiếp đến đời sống của con người Đồng thời cũng có thể nhận thấy sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp, công cụ được dùng trên thế giới để giải quyết các bài toán trong lĩnh vực bảo vệ, khai thác, sử dụng, phát triển nguồn nước, phòng, chống tác hại do nước gây ra
Để cập nhật các phương pháp và công cụ giải quyết các bài toán quy hoạch và quản lý nguồn nước, phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Thuỷ văn, thuộc khoa KT-TV-HDH, trường ĐHKHTN, nhóm biên dịch đã lựa chọn và tiến
hành biên dịch cuốn “Hydrosystems Engineering and Management” của hai tác giả
Larry W Mays và Yeou – Koung Tung, được nhà xuất bản McGraw-Hill cho ra đời năm 1992 Nội dung của cuốn sách bao gồm một khối kiến thức rất rộng thuộc lĩnh vực tài nguyên nước, do đó có thể dùng cho rất nhiều môn học như Thủy văn đại cương, Tính toán thủy lợi, Kinh tế thủy lợi, Mô hình toán thủy văn, Địa chất thủy văn, v.v
Công việc biên dịch cuốn sách được phân chia như sau: TS Nguyễn Tiền Giang chủ biên và dịch các chương từ 1 đến 9, các chương từ 10 đến 13 do ThS Nguyễn Thị Nga, Khoa KT-TV-HDH, ĐH KHTN đảm nhận
Cuốn sách này được hoàn thành với sự giúp đỡ của NCS Nguyễn Đức Hạnh, CN
Đào Hải Linh trong việc biên soạn bản thảo và TS Trần Ngọc Anh, người hiệu đính Nhóm biên dịch xin chân thành cảm ơn những sự đóng góp quý báu này
Do thời gian và kiến thức có hạn nên bản dịch không tránh khỏi những sai sót Nhóm biên dịch mong nhận được những góp ý quý báu từ đọc giả để có thể hoàn thiện bản dịch trong những lần tái bản sau
Xin chân thành cảm ơn
Trang 3Thay mÆt nhãm biªn dÞch NguyÔn TiÒn Giang
Trang 4
mục lục
lời nói đầu 11
phần 1: các nguyên lý 15
Chương 1 giới thiệu 17
1.1 giới thiệu 17
1.2 mô tả hệ thống nguồn nước 17
1.3 khái niệm hệ thống 21
1.4 các bài toán trong kỹ thuật hệ thống nguồn nước 24
tài liệu tham khảo 32
bài tập 35
chương 2 kinh tế học trong hệ thống nguồn nước 37
2.1 phân tích kinh tế kỹ thuật 37
2.2 phân tích chi phí lợi nhuận 40
2.3 lý thuyết hành vi khách hàng 42
2.4 lý thuyết công ty 49
2.5 cân bằng cầu, cung và thị trường 61
tài liệu tham khảo 63
bài tập 63
chương 3 quy hoạch tuyến tính và những ứng dụng cho hệ thống nguồn nước 67
3.1 quy hoạch tuyến tính 67
3.2 các thuật giải cho quy hoạch tuyến tính 72
3.3 phương pháp đơn hình 78
3.4 phương pháp biến nhân tạo 85
3.5 giải thích thuật toán bảng đơn hình 88
3.6 các trường hợp ứng dụng phương pháp đơn hình 90
Trang 53.7 tính đối ngẫu của phương pháp đơn hình 92
3.8 dạng ma trận của một thuật toán bảng đơn hình 96
3.9 những phương pháp mới để giải các bài toán quy hoạch tuyến tính 99
tài liệu tham khảo 99
bài tập 100
phụ lục 3A 105
chương 4 ứng dụng quy hoạch phi tuyến và quy hoạch động trong hệ thống nguồn nước 113
4.1 quy hoạch động 113
4.2 quy hoạch động sai phân rời rạc 127
4.3 đại số ma trận cho quy hoạch phi tuyến 130
4.4 tối ưu hoá phi tuyến không có ràng buộc 136
4.5 tối ưu hoá ràng buộc: các điều kiện tối ưu 145
4.6 tối ưu hoá phi tuyến có ràng buộc: phương pháp grandient suy giảm tổng quát 148
4.7 tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc: phương pháp pê-nan-ti
159
4.8 tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc: phương pháp chiếu lagrange 162
4.9 các chương trình máy tính quy hoạch phi tuyến 163
tài liệu tham khảo 164
bài tập 167
chương 5 phân tính tính bất định và độ tin cậy của hệ thống nguồn nước 171
5.1 tổng quan về lý thuyết xác suất 171
5.2 những phân phối xác suất thường gặp 181
5.3 phân tích độ bất định 187
5.4 những tính toán độ tin cậy sử dụng phân tích tải trọng – sức tải 190
5.5 tính độ tin cậy sử dụng phân tích thời gian-tới-sự cố 198
5.6 phân tích độ tin cậy của các hệ thống đơn giản 204
5.7 tối ưu hoá độ tin cậy 206
Trang 65.8 mô hình ràng buộc cơ hội 207
tài liệu tham khảo 212
bài tập 214
phần 2: kỹ thuật và quản lý cấp nước 223
chương 6 sự báo nhu cầu dùng nước 225
6.1 sử dụng nước và dự báo 225
6.2 dự báo sử dụng nước cho đô thị và công nghiệp 228
6.3 các mô hình hồi quy dùng cho dụ báo sử dụng nước 232
6.4 các mô hình bậc thang để dự báo sử dụng nước 243
6.5 các mô hình kinh tế thống kê để dự báo nhu cầu sử dụng nước 259
6.6 IWR – MAIN, hệ thống dự báo sử dụng nước 264
tài liệu tham khảo 268
bài tập 269
chương 7 các hệ thống nước mặt 273
7.1 hệ thống hồ chứa nước mặt 273
7.2 phân tích lươngh trữ - dòng chảy bền vững cho cung cấp nước 274
7.3 phân tích lượng trữ - năng lượng bền vững 285
7.4 mô phỏng hồ chứa 288
7.5 kích thước tối ưu và điều tiết cho một hồ chứa đa mục tiêu đơn lẻ 294
7.6 tối ưu kích thước và điều tiết cho các hệ thống hồ chứa đa mục đích 302
7.7 kích thước và điều tiết hồ chứa với các yếu tố thủy văn bất định: các mô hình QHTT 305
7.8 điều tiết hồ chứa với các yếu tố thủy văn bất định: các mô hình QHĐ 319
tài liệu tham khảo 322
bài tập 323
chương 8 hệ thống nước ngầm 325
8.1 các nguyên lý cơ bản của hệ thống nước ngầm 325
8.2 mô phỏng hệ thống nước 332
Trang 78.3 các mô hình quản lý thủy lực: phương pháp nhúng 336
8.4 các mô hình phân phối và đánh giá chính sách: phương pháp ma trận phản hồi 345
8.5 mô hình quản lý nước ngầm: phương pháp điều tiết tối ưu 348
tài liệu tham khảo 350
bài tập 352
chương 9 các hệ thống phân phối nước 357
9.1 cấu trúc và mục đích của các hệ thống phân phối nước 357
9.2 các thành phần của hệ tống phân phối nước 358
9.3 bơm nước và thủy lực bơm 362
9.4 mô phỏng mạng lưới cấp nước 364
9.5 các mô hình tối ưu cho các thiết kế các hệ thống phân nhánh 371
9.6 các mô hình tối ưu cho các thiết kế các hệ thống vòng dây 374
9.7 mô hình thiết kế hệ thống phân phối nước 377
9.8 độ tin cậy của hệ thống phân phối nước 380
tài liệu tham khảo 385
bài tập 386
phần 3: kỹ thuật và quản lý nước dư thừa 389
chương 10 thủy văn và thủy lực trong quản lý nước dư thừa 391
10.1 phân tích thủy văn và thủy lực đồng bằng ngập lụt 391
10.2 xác định biểu đồ quá trình mưa lũ: phân tích mưa – dòng chảy 392
10.3 diễn toán thủy văn: các hồ chứa và sông 399
10.4 phân tích tần xuất thủy văn để xác định phần ngập lũ 402
10.5 các cao trình ngập lũ: xác định cao độ mặt nước 408
10.6 thủy lực dự báo lũ: diễn toán phân phối 411
10.7 các mô hình diễn toán sông của cục thời tiết quốc gia hoa kỳ 413
tài liệu tham khảo 415
Trang 8bài tập 417
chương 11 các hệ thống quản lý nước mưa đô thị 421
11.1 hệ thống quản lý nước mưa đô thị 421
11.2 thiết kế cống rãnh thoát nước mưa 422
11.3 phương pháp thiết kế dùng biểu đồ thủy văn 425
11.4 thiết kế chi phí tối thiểu của hệ thống cống thoát nước mưa 430
11.5 phân tích độ tin cậy của các cống thoát nước mưa bão lưu giữ nước mưa 439
11.6 thiết kế chi phí tối thiểu cho hệ thống cầm giữ nước mưa cục bộ 444
11.7 thiết kế chi phí tối thiểu cho hệ thống cầm giữ nước mưa cục bộ 449
tài liệu tham khảo 453
bài tập 454
chương 12 các hệ thống quản lý đồng bằng ngập lũ 457
12.1 các lựa chọn kiểm soát lũ 457
12.2 đánh giá thiệt hại do lũ 462
12.3 gói phần mềm phân tích thiệt hại do lũ lụt hec 466
12.4 mô hình tối ưu hoá để quy hoạch kiểm soát lũ 470
12.5 lựa chọn tối ưu các phương án kiểm soát lũ 473
12.6 thiết kế dựa trên rủi ro 475
12.7 thiết kế dựa trên rủi ro cho các công trình thoát nước đường quốc lộ 475
tài liệu tham khảo 482
bài tập 482
chương 13 hoạt động của các hệ thống nước mặt đối với kiểm soát lũ lụt 491
13.1 dự báo lũ thời gian thực 491
13.2 vận hành hệ thống hồ chứa – sông để kiểm soát lũ 499
13.3 các mô hình tối ưu hoá để phát triển các chính sách vận hành 502
Trang 913.4 c¸c m« h×nh tèi u ho¸ cho vËn hµnh thêi gian thùc cña c¸c
hå chøa 505 tµi liÖu tham kh¶o 510 bµi tËp 512
Trang 10lời nói đầu
Hệ thống nguồn nước là thuật ngữ được Van te Chow sử dụng đầu tiên để
mô tả các lĩnh vực kỹ thuật của thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nước Hệ thống nguồn nước cũng đồng thời được sử dụng để đề cập tới các dự án nước bao gồm các hệ thống trữ nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước, hệ thống kiểm soát lũ, và hệ thống tiêu nước Hệ thống nguồn nước sử dụng trong cuốn sách này bao hàm cả hai định nghĩa trên Hy vọng cuốn sách này sẽ cung cấp một khung công việc mang tính hệ thống phục vụ mô hình hoá hệ thống nguồn nước trong các lĩnh vực kỹ thuật và quản lý Cuốn sách bao gồm ba phần chính: Các nguyên lý, Kỹ thuật và quản lý cấp nước, và Kỹ thuật và quản lý nước dư thừa Phần các nguyên lý bao gồm các chương về kinh tế, tối ưu hoá, phân tích độ tin cậy và xác suất nhằm cung cấp nền tảng cho các chương về cấp nước và nước dư thừa Giả thiết ban đầu là các bài toán nguồn nước có thể được phân chia ra thành kỹ thuật và quản lý cấp nước và kỹ thuật và quản lý nước dư thừa Quản lý cấp nước bao gồm các chương về dự báo nhu cầu nước, hệ thống nước mặt, hệ thống nước ngầm, và hệ thống phân phối nước Nó cung cấp một cách giải quyết toàn diện các chủ đề liên quan
đến cung cung cấp nước Tương tự, quản lý nước dư thừa bao gồm các chương
về thủy văn và thủy lực, phân tích và thiết kế thoát nước đô thị, hệ thống kiẻm soát lũ, và quản lỹ bãi ngập lũ Những chủ đề này thường chưa được đề cập tới
ở những quyển sách trước đây về hệ thống tài nguyên nước
Đầu tiên và trước hết cuốn sách này dự định được biên soạn như một cuốn sách giáo khoa dành cho các học viên thuộc ngành kỹ thuật và quản lý tài nguyên nước Cuốn sách không phục vụ như một cuốn tổng quan mà là một cuốn giới thiệu về các phương pháp được sử dụng trong các bài toán về hệ thống nguồn nước dành cho các sinh viên các năm cuối bậc đại học và các học viên sau đại học Nội dung cuốn sách có thể được dùng để giảng dạy cho học viên chưa có kiến thức về vận trù học và chỉ cần có kiến thức bậc đại học về thuỷ văn và thuỷ lực Mục tiêu chính là kết hợp việc sử dụng các môn kinh tế học, vận trù học, xác suất thống kê và thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nước vào việc phân tích, thiết kế, vận hành, và quản lý các loại dự án nguồn nước Cuốn sách này đồng thời cũng đóng vai trò như một cuốn chuyên khảo tốt dành cho các kỹ sư, các nhà quy hoạch, phân tích và quản lý tài nguyên nước
Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước là một cuốn sách về mô hình hoá toán học các bài toán thiết kế, phân tích, vận hành, và quản lý trong các dự án
về nước Các phương pháp định lượng bao gồm: (a) mô phỏng các quá trình
Trang 11thủy văn và thủy lực; và (b) vận trù học, xác suất thống kê và kinh tế học Những phương pháp được trình bày trong cuốn sách này đã được trình bày riêng biệt trong các cuốn sách giáo khoa khác, nhưng chưa bao giờ được hệ thống hoá trong một cuốn sách Một số lượng lớn các bài tập ví dụ được trình bày nhằm giúp việc nắm bắt nội dung cuốn sách một cách dễ dàng Ngoài ra, một số lượng lớn các bài tập cuối chương được cung cấp dùng làm bài tập về nhà
Trọng tâm của cuốn sách được dành cho quản lý lượng nước chứ không bao gồm quản lý chất lượng nước Để bao gồm được cả hai loại quản lý chất
và lượng nước trong cùng một cuốn sách là một nỗ lược rất lớn Thông qua việc sử dụng một ví dụ giả thiết về bài toán sản xuất – xử lí chất thải các khái niệm về quy hoạch tuyến tính được giới thiệu ở chương 3 Ví dụ này cũng
được dùng ở mục 4.6 để minh hoạ phương pháp gradient suy giảm trong quy hoạch phi tuyến và tiếp tục được dùng ở mục 5.8 để giới thiệu các khái niệm
về quy hoạch rằng buộc cơ hội
Như thường lệ, mỗi cuốn sách đều phản ánh nhận thức cá nhân của các tác giả về lĩnh vực mà các tác gỉa đã trải nghiệm qua nhiều năm giảng dạy, nghiên cứu và thực hành Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước có mục tiêu là một hướng tiếp cận tích hợp, số, chặt chẽ và khả thi đối với lĩnh vực được đề cập Các vấn đề trong lĩnh vực này mang tính giải tích, đưa các khái niệm về vận trù học và phân tích độ tin cậy vào lĩnh vực kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước Việc sử dụng vận trù học và phân tích độ tin cậy trong kỹ thuật nguồn nước đã bị chậm hơn so với ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực kỹ thuật khác Có rất nhiều lý do cho sự chậm trễ này mà thảo luận về chúng nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này Chúng tôi viêt cuốn sách này để khuyến khích việc sử dụng các kỹ thuật vận trù học và các khái niệm về phân tích rủi
ro và độ tin cậy trong mô hình hoá hệ thống nguồn nước trong kỹ thuật và quản lý Các bộ phần mềm GAMS và GAMS-MINOS, tương ứng dùng cho quy hoạch tuyến tính và phi tuyến, được sử dụng như là công cụ chính để giải các bài toán tối ưu Hy vọng rằng qua nghiên cứu cuốn sách học viên sẽ trân trọng việc sử dụng các kỹ thuật tối ưu hoá và phân tích độ tin cậy trong việc giải quyết các bài toán hệ thống nguồn nước
Bản thảo của cuốn sách đã được viết đầu tiên khi tác giả chính đang làm việc tai đại học Texas, Austin Bản thảo này đã được sử dụng cho hai khoá sau
đại học, khóa thứ nhất về kỹ thuật và quản lý tài nguyên nước và khoá thứ hai
về phân tích hệ thống tài nguyên nước Các phiên bản gần đây của bản thảo
được sử dụng cho hai khoá học về phân tích hệ thống tài nguyên nước tại trường đại học Sate Arizona Những phiên bản đầu tiên được biên soạn dành riêng cho học viên bậc sau đại học Nhận thấy nhu cầu sử dụng cuốn sách cho sinh viên bậc đại học, các phiên bản sau có thêm các nội dung cơ bản về các chủ đề quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, phân tích xác suất, kinh tế vi mô, phân tích hồi quy, và kinh tế thống kê Đồng thời phiên bản cuối cùng cũng bao gồm cả các kiến thức cơ bản về thủy văn, thủy lực cho hệ thống nước ngầm, hệ thống nước mặt, hệ thống phân phối nước, hệ thống tiêu và chậm nước mưa bão, và hệ thống kiểm soát lũ phục vụ sinh viên đại học