Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 1 pps

Hệ thống nguồn nước cũng là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ các loại dự án về nước, bao gồm các hệ thống trữ nước mặt, các hệ thống nước ngầm, các hệ thống cấp thoát nước, các hệ thống

phÇn

1 C¸c nguyªn lý

CHƯƠNG

1 Giới thiệu chung

1.1 giới thiệu

Thuật ngữ hệ thống nguồn nước được V T Chow đưa ra đầu tiên để diễn tả chung các lĩnh vực kỹ thuật của thủy văn, thủy lực và tài nguyên nước Hệ thống nguồn nước cũng là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ các loại dự án về nước, bao gồm các hệ thống trữ nước mặt, các hệ thống nước ngầm, các hệ thống cấp thoát nước, các hệ thống kiểm soát lũ và các hệ thống thoát nước đô thị, Trong cuốn sách này, thuật ngữ hệ thống nguồn nước áp dụng cho cả hai khái niệm trên Cuốn sách được viết dựa trên giả thiết là kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước có thể được chia thành: (1)

kỹ thuật và quản lý cấp nước; (2) kỹ thuật và quản lý nước dư Các dự án nước đa mục tiêu hiện đại được thiết kế cho quản lý cấp nước và/hoặc quản

lý nước dư

Nước là một tài nguyên có thể tái tạo mà khi không có tác động của con

người sẽ tuân theo chu trình thủy văn được miêu tả trên hình 1.1.1 Về cơ

bản, chu trình thủy văn là một quá trình liên tục không có điểm bắt đầu và

giáng thủy, bốc hơi, ngăn giữ nước do thực vật và thoát hơi nước thực vật;

hệ thống nước mặt gồm dòng chảy tràn, dòng chảy mặt, dòng chảy xuất lộ nước ngầm và sát mặt; hệ thống nước dưới mặt gồm các quá trình thấm

sâu, bổ sung nước ngầm, dòng sát mặt và dòng chảy ngầm Sự phân chia các hệ thống con trong hệ thống thủy văn toàn cầu được thể hiện trong hình 1.1.2

1.2 mô tả hệ thống nguồn nước

Các hệ thống nguồn nước gồm có các hệ thống cấp nước mặt, các hệ thống cấp nước ngầm, các hệ thống phân phối nước, các hệ thống thoát nước đô thị, các hệ thống quản lý bãi ngập lũ và các hệ thống khác Mục này sẽ trình bày một số ví dụ về các loại hệ thống nguồn nước khác nhau

Hình 1.1.1

Chu trình tuần hoàn thuỷ văn và cân bằng nước trung bình năm, dùng đơn vị tương đối khi so sánh với giá trị của lượng giáng thuỷ trên lục địa là 100 đơn vị (Chow, Maidment, and Mays, 1988)

Các hệ thống cấp nước mặt Một ví dụ về hệ thống cấp nước mặt khá toàn

diện là dự án nước bang California (SWP-State Water Project), gồm một chuỗi các các hồ chứa nối với nhau bởi các con sông, các trạm bơm, các kênh dẫn, các đường ống và các nhà máy nước như trên hình 1.2.1 ở miền bắc California, sông Feather chảy vào hồ Oroville, hồ chứa chính của dự án Nước thoát ra từ hồ Oroville chảy qua các sông Feather và Sacremento tới Delta ở phần miền nam của Delta, trạm bơm Harvey Banks lấy nước vào

hồ Bethany là nơi mà nước được phân bổ cho cống dẫn nước vịnh phía nam (South Bay Aqueduct) của SWP và cho Governor Edmund B Brown California Aqueduct, chức năng vận chuyển nước chính của SWP Cống dẫn nước California được đặt dọc theo phía tây của thung lũng San Joaquin

và chảy vào hồ San Luis khoảng 100 dặm về phía hạ lưu Cống dẫn nước này tiếp tục đi về phía nam và đầu nước được nâng lên 969 fít (1 fít = 0,3m ) bởi bốn trạm bơm (Dos Amigos, Buena Vista, Wheeler Ridge và

Wind Gap) trước khi tới rặng núi Tehachapi Trạm bơm Edmonston nâng cột nước lên 1956 fit tới một chuỗi các đường ống và xi-phông Sau khi qua Tehachapi, nước đi vào nhánh phía đông (East Branch) hoặc nhánh phía tây (West Branch) Nhánh phía đông dẫn nước tới hồ Silverwood là nơi mà nó

đi vào ống San Bernardino và hạ xuống 1418 fit qua nhà máy nước Devil Canyon Sau đó một đường ống dẫn nước tới hồ Perris ở tận cùng phía nam của SWP cách Delta 444 dặm Nhánh phía tây vận chuyển nước qua nhà máy nước Warne vào trong hồ Pyramid và qua nhà máy nước/trạm bơm Castaic vào trong hồ Castaic, tại nơi kết thúc của nhánh phía tây Cả kỹ thuật mô phỏng và tối ưu hóa đã được Ban tài nguyên nước California sử dụng để vận hành cả năm hồ chứa chính của dự án theo chế độ điều tiết tháng (Coe và Rankin, 1989)

Hình 1.1.2

Sơ đồ khối biểu thị hệ thống thủy văn toàn cầu (Chow, Maidment và Mays, 1988)

Hệ thống nước đô thị ở một quy mô nhỏ hơn nhiều, hệ thống nước đô

thị là một ví dụ khác về hệ thống nguồn nước Như ở trên hình 1.2.2, các hệ thống nước đô thị bao gồm nhiều mặt quan hệ với chu trình thủy văn thông qua cung cấp nước, xả nước thải, thoát nước mưa ra các sông suối, và vận chuyển nước mưa - bão qua các vùng đô thị Hệ thống nước đô thị có thể

được chia ra thành các hệ thống cơ bản như hệ thống cấp nước, hệ thống nước thải, hệ thống tiêu nước đô thị, và hệ thống quản lý bãi ngập lũ

Hệ thống cấp nước có thể lại được chia ra làm hệ thống bơm nước

không qua xử lí, hệ thống vận chuyển nước chưa xử lí, trữ nước chưa qua xử

lí, hệ thống xử lí, hệ thống bơm nước đã xử lí và hệ thống phân phối nước Nhiều hệ thống thu gom nước thải đô thị gồm cả thành phần dòng chảy nước đô thị thêm vào dòng chảy tràn kết hợp với cống như trong hình 1.2.3 Một hệ thống như vậy gồm nước chảy tràn, nước vận chuyển, nước lưu trữ,

và nước tiếp nhận

Một ví dụ về hệ thống nước ngầm là tầng ngậm nước Edwards (đới đứt gãy Balcones) được mô tả như trên Hình 1.2.5, trải dài dọc theo vành đai hẹp từ Austin, Texas qua San Antonio tới Brackettville, Texas Nước ngầm

ở đây được sử dụng rộng rãi cho cấp nước sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp Đồng thời tầng ngậm nước cũng là nguồn cung cấp nước cho thành phố San Antonio, Texas Ngoài ra, tầng ngậm nước tạo nên một số các con suối bắt nguồn từ các mạch nước ngầm phun lên từ lòng đất, tạo thành các cảnh quan du lịch và đồng thời tạo thành dòng chảy cơ bản cho các sông suối ở phía hạ lưu Các suối nước lại cung cấp dòng chảy cho vịnh San Antonio mà ở đó hệ sinh thái phụ thuộc vào lượng nước ngọt được cung cấp Một vấn đề nảy sinh đối với tầng ngậm nước này là vấn đề khai thác quá mức có thể phục hồi Hệ thống này gồm cả tầng ngậm nước có áp và không áp Phần có áp nằm dọc phía nam và có trữ lượng lớn nhất Còn phần không áp là đới hồi quy, có lượng nước ngầm vừa phải Độ dày tầng ngậm nước thay đổi trong khoảng độ sâu từ 400 tới 1000 fít Do tầng ngậm nước

có tính thấm cao nên những thể tích nước lớn có thể chuyển động nhanh trên những vùng rộng lớn và phản ứng của mực nước đối với mỗi lưu lượng bơm lớn, riêng rẽ có xu hướng bị phân tán hơn là bị cục bộ hóa

một biên hệ thống là một quy tắc xác định liệu một phần tử có được xem là

một phần của hệ thống hay là của môi trường; (2) thể hiện các tương tác

đầu vào và đầu ra với môi trường; và (3) các thể hiện về các mối quan hệ

tương quan giữa các phần tử hệ thống, các đầu vào và đầu ra, gọi là hồi tiếp

(feedback)

Hình 1.2.4

Hệ thống nước ngầm (McWhorter và Sunada, 1977)

Tùy thuộc vào mức độ chi tiết dùng để mô hình hóa các thành phần hệ thống, các phương trình thủy văn và thủy lực thích hợp sẽ được sử dụng để diễn tả các mối quan hệ dòng chảy giữa các thành phần hệ thống Ví dụ, một phương trình liên tục luôn được sử dụng để diễn tả cân bằng dòng chảy trong một hệ thống nguồn nước Quan hệ của chất lượng nước cho một thành phần hệ thống sẽ phụ thuộc vào bản chất của thành phần đó và tác

động của nó đối với chất lượng nước của dòng chảy đến Một trong những nhiệm vụ chính của kỹ thuật tài nguyên nước là làm biến đổi các đầu vào của một hệ thống nguồn nước nhằm tối đa hoá các đầu ra có lợi và tối thiểu hoá các đầu ra có hại

Nước tự nhiên có thể được diễn tả dưới dạng lượng bằng một hàm của thời gian và không gian; hay dưới dạng chất lượng nước cũng bằng một

hàm của thời gian và không gian Thời gian t và vị trí x là các biến độc lập diễn tả nước tự nhiên Các biến phụ thuộc diễn tả nước tự nhiên là lượng V

và chất lượng Q S được sử dụng để xác định trạng thái của hệ thống, có thể

được biểu diễn bằng:

S = [V(x,t), Q(x,t)] (1.3.1)

Phát triển nguồn nước giải quyết bài toán chuyển đổi trạng thái của hệ

thống nước tự nhiên tới một trạng thái mong muốn S *, là một hàm của lượng

mong muốn V * và chất lượng mong muốn Q *, mà cả hai đều là hàm của thời

gian mong muốn t * và vị trí mong muốn x *

Do đó trạng thái mong muốn có thể được biểu thị bằng

Đây là phương trình chuyển đổi của hệ thống Ký hiệu W là một hàm

chuyển đổi giữa đầu vào S và đầu ra S * , E biểu thị một sự lãng phí hay sản

phẩm phụ không mong đợi

Hàm chuyển đổi cũng có thể được chia thành các thành phần vật lý hay

tạm gọi là phần cứng, W 1 , và các khía cạnh điều hành hay gọi là phần mềm,

1 Xác định quy mô phát triển của dự án

2 Xác định kích thước tối ưu của các thành phần hệ thống

3 Xác định quy trình vận hành tối ưu của hệ thống

Nếu gọi các nghiệm của ba bài toán trên là X 1 , X 2 , X 3 , lợi ích của chúng

là:

B = f(X 1 , X 2 , X 3 ) (1.4.1) Mục tiêu của rất nhiều các dự án hệ thống nguồn nước là tối đa hoá lợi ích, đo đó bài toán phát triển nguồn nước có thể được viết là:

Max B = f(X 1 , X 2 , X 3 ) (1.4.2) Phương trình trên có các ràng buộc như ràng buộc về công nghệ, kinh tế hay vốn, ràng buộc về thiết kế, vận hành, nhu cầu và các ràng buộc khác

1.4.1 Phân tích hay thiết kế

Các bài toán hệ thống nguồn nước giải quyết cả hai vấn đề là thiết kế và phân tích Phân tích liên quan tới quá trình trạng thái (hành vi) của một hệ thống sẵn có hoặc một hệ thống thử nghiệm đang được thiết kế Trong rất nhiều trường hợp, xác định quá trình trạng thái của hệ thống chính là xác

định quá trình vận hành của một hệ thống hoặc phản ứng của một hệ thống với các biến đầu vào cho trước Vấn đề thiết kế là xác định kích thước của các thành phần của hệ thống Một ví dụ là việc thiết kế một hệ thống hồ chứa chính là xác định kích cỡ và vị trí của các hồ chứa có trong hệ thống Phân tích một hệ thống hồ chứa là quá trình xác định các chính sách vận hành cho hệ thống hồ chứa Vận hành hồ chứa cần có để kiểm tra thiết kế Hay nói cách khác, một thiết kế được ước lượng và sau đó được phân tích

để xem nó có hoạt động đúng với các yêu cầu không Nếu nó thỏa mãn các yêu cầu đặt ra thì thiết kế được chấp nhận Các thiết kế mới có thể được thiết lập và sau đó được phân tích

1.4.2 Các phương thức truyền thống hay tối ưu hóa

Các phương thức truyền thống dùng cho phân tích và thiết kế về cơ bản

là các thủ tục lặp thử sai Tính hữu hiệu của các phương thức truyền thống phụ thuộc vào trực giác, kinh nghiệm, kỹ năng, và kiến thức của người kỹ sư về hệ thống thủy văn Do đó các phương thức truyền thống có liên quan chặt chẽ với nhân tố con người, một nhân tố mà có thể dẫn tới những kết quả không có hiệu quả cho phân tích và thiết kế các hệ thống phức tạp Các phương thức truyền thống về cơ bản dựa trên việc sử dụng các mô hình mô phỏng trong một quá trình thử sai Quy trình có thể là sử dụng lặp lại một mô hình mô phỏng để cố đạt tới nghiệm tối ưu hình 4.1.1 mô tả các bước phân tích và thiết kế truyền thống Ví dụ, để xác định một kế hoạch bơm nước có chi phí nhỏ nhất cho một bài toán khai thác tầng ngậm nước sẽ đòi hỏi lựa chọn các quy mô và vị trí các giếng bơm trong phạm vi tầng ngậm nước này Sử dụng một tập hợp các quy mô và vị trí bơm thử nghiệm, ta tiến hành chạy một mô hình mô phỏng nước ngầm để xác định liệu mực nước bị hạ thấp xuống dưới mực chuẩn nào đó hay không Nếu kế hoạch bơm (quy mô và vị trí bơm) không thỏa mãn điều kiện trên thì một kế hoạch bơm mới

được lựa chọn và mô phỏng Quá trình lặp này được tiếp tục, và trong mỗi lần chi phí của kế hoạch bơm được tính toán

Tối ưu hóa loại bỏ quá trình thử sai, hay nói cách khác là loại bỏ việc thay đổi một thiết kế và mô phỏng lại với mỗi thay đổi thiết kế mới Thay vào đó, mô hình tối ưu sẽ tự động thay đổi các tham số thiết kế Một quy trình tối ưu bao gồm những biểu diễn toán học mô tả hệ thống và phản ứng của hệ thống này đối với các đầu vào và các tham số thiết kế khác nhau

Những biểu diễn toán học này là các ràng buộc trong mô hình tối ưu Hơn nữa, các ràng buộc được sử dụng để định nghĩa các giới hạn của các biến thiết kế và việc thực hiện được đánh giá thông qua một hàm mục tiêu Hàm mục tiêu này có thể là cực tiểu hóa chi phí

Một ưu điểm của phương pháp truyền thống là kinh nghiệm và trực quan của người kỹ sư được sử dụng trong việc tạo ra các thay đổi nhận thức của

hệ thống hoặc để thay đổi hay tạo ra các đặc trưng bổ sung Tuy nhiên, phương pháp truyền thống có thể dẫn tới những thiết kế và chính sách vận hành chưa tối ưu hay chưa kinh tế Phương pháp truyền thống cũng có thể tiêu tốn rất nhiều thời gian Một qui trình tối ưu đòi hỏi người kỹ sư phải xác định rõ các biến thiết kế, hàm mục tiêu hay đánh giá về sự thực hiện để

được tối ưu, và các ràng buộc hệ thống Trái với quá trình ra quyết định trong phương thức truyền thống, qui trình tối ưu hóa được tổ chức chặt chẽ hơn với việc sử dụng hướng tiếp cận toán học để lựa chọn các quyết định

1.4.3 Tối ưu hóa

Một bài toán tối ưu nguồn nước có thể được thiết lập trong một khung

công việc tổng quát dựa trên các biến quyết định (x) với một hàm mục tiêu

ở đây x là véc tơ gồm n biến quyết định (x 1 , x 2 , , x n ), g(x) là một véc tơ

gồm m phương trình ràng buộc, x và x tương ứng là các biên dưới và biên

trên của biến quyết định

Mỗi bài toán tối ưu gồm hai phần chính: hàm mục tiêu và một tập hợp

các ràng buộc (hay hàm ràng buộc) Hàm mục tiêu mô tả chỉ tiêu đánh giá

hoạt động của một hệ thống Các ràng buộc mô tả một hệ thống hay một

quá trình đang được thiết kế hoặc phân tích Chúng có thể có một trong hai

dạng: phương trình ràng buộc hay bất phương trình ràng buộc Một nghiệm khả thi của bài toán tối ưu là một tập hợp các giá trị của các biến quyết

định thỏa mãn đồng thời tất cả các điều kiện ràng buộc Miền nghiệm là

miền chứa các nghiệm khả thi được định nghĩa bởi các ràng buộc Một

nghiệm tối ưu là một tập hợp các giá trị của các biến quyết định thỏa mãn

các ràng buộc và cho giá trị tối ưu của hàm mục tiêu

Hình 1.4.1

Quá trình phân tích và thiết kế thông dụng

Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm mục tiêu và các ràng buộc, một bài toán tối ưu có thể được phân loại thành: (a) tuyến tính – phi tuyến; (b) tất

định – ngẫu nhiên; (c) tĩnh - động; (d) liên tục – rời rạc; (e) thông số tập

trung – thông số phân phối Bài toán quy hoạch tuyến tính (Linear

Programming - LP) là bài toán có hàm mục tiêu và tất cả các ràng buộc là

tuyến tính Các bài toán quy hoạch phi tuyến được mô tả bởi các phương

trình phi tuyến, có nghĩa là một phần hoặc tất cả các ràng buộc và/hoặc hàm

mục tiêu là phi tuyến Các bài toán tất định bao gồm các hệ số và thông số

có các giá trị không đổi Ngược lại, bài toán ngẫu nhiên (hay xác suất)

chứa các thông số bất định được xem như các biến ngẫu nhiên Các bài toán

tĩnh không xem xét một cách tường minh về mặt thời gian thay đổi trong khi các bài toán động có xem xét đến mặt này Các bài toán tĩnh được gọi

là các bài toán quy hoạch toán học (mathematical programming) và các bài toán động được gọi là các bài toán điều khiển tối ưu (optimal control problem) Các bài toán điều khiển tối ưu này có liên quan đến các phương

trình vi phân Các bài toán liên tục có các biến là liên tục trong khi các bài