KỸ THUẬT và QUẢN lý hệ THỐNG NGUỒN nớc

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 Quốc gia Hà Nội

trường đại học khoa học tự nhiên

Larry W Mays

và Yeou – Koung Tung

Lời 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

Thay mÆt nhãm biªn dÞch NguyÔn TiÒn Giang

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

3.7 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

5.8 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

8.3 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

bài 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

13.4 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

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 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

thủy 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

Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước có thể được dùng cho các loại khoá học khác nhau ở cả bậc đại học và sau đại học Một loại khoá học là dành cho những sinh viên với kiến thức có hạn về thủy văn và thủy lực và không có kiến thức cơ bản về vận trù học Những khoá học như vậy được dựa trên nội dung của các chương 1, 2, 3, Mục 5.1 – 5.7, 6.1 – 6.3, 7.1 – 7.6, 8.1 – 8.3, và 9.1 – 9.5 Đối với khoá thứ hai, nội dung các chương 4, 5.8, 6.4 – 6.6, 7.7 – 7.8, 8.4 – 8.5, 9.5 – 9.8, chương 10, 11, 12, 13 có thể được dùng Có rất nhiều loại khoá học cho bậc đại học và sau đai học có thể được dạy dựa trên cuốn sách này

Chúng tôi xin trân thành cảm ơn Jan Hausman và Jody Lester trường đại học Texas và Judy Polingyumtewa và Sharyl Hayes trường đại học Arizona Sate đã giúp soạn thảo cuốn sách này Chúng tôi cũng biết ơn sự giúp đỡ từ các phản biện của bản thảo: Nathan Buras đại học Arizona; Paul Chan viện công nghệ New Jersey; Howard Chang đại học San Diego; Neil Grigg đại học Colorado; Ben Hobbs đại học Case Western Reverve; kevin Lansey đại học Arizona; Ben Chi Yen đại học Illinois; và nhiều các đồng nghiệp cũng như học viên tại trường đại học Texas, đại học Wyoming, và đại học Arizona State Cuốn sách này được hy vọng như một sự đóng góp cho một thực hành kỹ thuật và quản lý tốt hơn trong lĩnh vực hệ thống nguồn nước Do cuốn sách này nên rất nhiều cá hồi đã không bị bắt ở các con sông ồa hồ ở Wyoming và Arizona Chúng tôi dành cuốn sách này cho những thổ dân da đỏ, cho nhân loại và cho sự thịnh vượng của loài người

phÇn

1 C¸c nguyªn lý

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

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

toán rời rạc có các biến là biến rời rạc Dạng tiêu biểu của bài toán rời rạc là

các bài toán quy hoạch số nguyên trong đó các biến phải có các giá trị nguyên Một bài toán tập trung nhìn nhận các thông số và các biến là đồng nhất trên hệ thống trong khi bài toán phân bố phải xem xét các biến đổi chi

tiết các quá trình trạng thái (hành vi) của hệ thống từ vị trí này tới vị trí khác

Các phương pháp tối ưu hóa được lựa chọn sử dụng dựa trên: (1) loại hàm mục tiêu; (2) loại ràng buộc; (3) số lượng các biến quyết định Bảng 1.4.1 liệt kê một số bước tổng quát để giải các bài toán tối ưu Một số các bài toán có thể không yêu cầu người kỹ sư phải tiến hành các bước theo

đúng thứ tự đó, tuy nhiên tất cả các bước đều cần được xem xét trong quá trình giải Mục tiêu tổng quát của tối ưu hóa là xác định một tập hợp các giá trị của các biến quyết định thỏa mãn các ràng buộc và cho một phản ứng tối

ưu tới hàm mục tiêu

Bảng 1.4.1

Sáu bước sử dụng để giải các bài toán tối ưu (Edgar và Himmelblau, 1988)

1 Phân tích quá trình để định nghĩa các biến và các đặc trưng cụ thể của quá trình mà ta quan tâm, có nghĩa là liệt kê tất cả các biến

2 Xác định chỉ tiêu đánh giá cho tối ưu hóa và thiết lập hàm mục tiêu dựa theo các biến nêu trên và các hệ số Bước này cung cấp cho chúng ta mô hình hoạt động (đôi khi được gọi là mô hình kinh tế )

3 Thông qua các diễn giải toán học, phát triển một qui trình hay một mô hình công cụ chuẩn liên hệ giữa các biến vào-ra của quá trình và các hệ

số liên quan Đưa vào sử dụng các ràng buộc ở dạng phương trình và bất phương trình Sử dụng các nguyên lý vật lý nổi tiếng (cân bằng khối lượng, năng lượng), các quan hệ thực nghiệm, các khái niệm ẩn, và các hạn chế do yếu tố bên ngoài hệ thống Xác định các biến độc lập và biến phụ thuộc để có được số các mức độ tự do

4 Nếu việc thiết lập vấn đề có phạm vi quá rộng:

a Chia ra thành các phần nhỏ có thể giải quyết, hoặc:

b Đơn giản hóa hàm mục tiêu và mô hình

5 áp dụng kỹ thuật giải tối ưu phù hợp với các phát biểu toán học của bài toán

6 Kiểm tra kết quả, xác định độ nhạy của các kết quả đối với sự thay đổi giá trị các hệ số và giả thiết

1.4.4 Tối ưu đơn mục tiêu hay đa mục tiêu

Ngày càng có nhiều các bài toán phức tạp liên quan đến nguồn nước mà các nhà chuyên môn cần tìm lời giải Trong hầu hết các bài toán nguồn nước này, quá trình ra quyết định thường liên quan đến yêu cầu đạt được

đồng thời nhiều mục tiêu Nhiều trong số các mục tiêu này không tương xứng hoặc mâu thuẫn với nhau Trong các trường hợp này sự cải thiện một vài mục tiêu không thể đạt được nếu không hy sinh các mục tiêu khác Do

vậy khái niệm "tối ưu" trong bối cảnh đơn mục tiêu không còn phù hợp

Thay vào đó, mục tiêu của "tối ưu" trong khung công việc đơn mục tiêu

được thay thế bởi khái niệm "không giảm" trong phân tích đa mục tiêu

Cohon (1978) định nghĩa sự không giảm như sau: Một nghiệm khả thi của một bài toán quy hoạch đa mục tiêu là không giảm nếu không tồn tại các nghiệm khả thi khác mà chúng có thể cải thiện một mục tiêu mà không tạo

ra một sự suy giảm của ít nhất một mục tiêu khác Khái niệm "không giảm"

được thiết lập để tối đa hóa hai mục tiêu mâu thuẫn với nhau (z 1 và z 2) được trình bày trên hình 1.4.2 Theo định nghĩa của Cohon, hiển nhiên là tất cả các điểm trong miền nghiệm, không thuộc biên ABCD, phải là các nghiệm

suy giảm của các bài toán đa mục tiêu bởi vì đối với các nghiệm suy giảm

này tồn tại ít nhất một nghiệm khả thi khác mà với nó các hàm mục tiêu có thể được cải thiện đồng thời Mặt khác, đối với các điểm nghiệm nằm trên

đường cong ABCD, như điểm B, nó không thể dịch chuyển đến bất kỳ điểm nào trong miền nghiệm mà không làm suy giảm ít nhất một trong số các mục tiêu Một tập hợp các điểm không giảm này định ra một tập nghiệm

không giảm, và độ dốc của đường cong định nghĩa tỷ lệ thay thế biên (marginal rate of substitution), thể hiện sự đánh đổi (trade-off) giữa các

mục tiêu mâu thuẫn

Nghiệm của bài toán tối ưu đa mục tiêu không thể tìm được nếu như nhà

ra quyết định không cung cấp một đặc trưng hóa sự ưu tiên của anh ta giữa các mục tiêu liên quan Thông tin liên quan đến sự ưu tiên của nhà ra quyết

định thường được thể hiện bằng đồ thị dưới dạng một đường cong ưu tiên

(xem hình 1.4.2) Lợi ích của nhà ra quyết định là như nhau đối với các tập

nghiệm nằm trên đường cong ưu tiên Nghiệm thỏa hiệp tốt nhất (the best

compromised solution) cho một bài toán đa mục tiêu là một tập hợp duy nhất các phương án mang lại lợi ích tổng hợp tối đa Các phương án này là các phần tử thuộc cả tập nghiệm không suy giảm và đường cong ưu tiên Một phương án như vậy chỉ tồn tại tại một giao điểm của đường cong ưu tiên và tập nghiệm không suy giảm

Về mặt toán học, bài toán quy hoạch đa mục tiêu có thể diễn đạt bằng tối ưu hóa véc tơ:

Tối ưu hóa f(x) = {f 1 (x), f 2 (x) f K (x)} (1.4.6)

trong đó, f(x) là véc tơ K chiều các hàm mục tiêu và các ký hiệu còn lại đã

được định nghĩa ở các phương trình (1.4.4) và (1.4.5) Có rất nhiều phương

pháp được đưa ra để tìm lời giải cho một bài toán đa mục tiêu Về cơ bản, chúng có thể được phân ra làm hai nhóm (Cohon, 1978): các kỹ thuật tạo nghiệm và các kỹ thuật tổng hợp các kiến thức cho trước của sự ưu tiên Các

kỹ thuật giải các bài toán đa mục tiêu cũng có thể tìm thấy ở các tài liệu khác (Cohon, 1978; Chankhong và Haimes, 1985) Một kỹ thuật tối ưu để giải bài toán đơn mục tiêu là luôn cần thiết để giải một bài toán đa mục tiêu với bất kỳ một phương pháp giải nào

1.4.5 Bất định trong phân tích và thiết kế hệ thống nguồn nước

Phân tích rủi ro và độ tin cậy trong thiết kế hệ thống nguồn nước yêu cầu việc xác định tính bất định và các định nghĩa về rủi ro cũng như độ tin

cậy Tính bất định có thể định nghĩa một cách đơn giản là sự xảy ra của

các sự kiện nằm ngoài sự kiểm soát của chúng ta Tính bất định của một hệ

thống nguồn nước là một đặc tính không tất định và nằm ngoài các sự kiểm soát của chúng ta Trong thiết kế các hệ thống nguồn nước, các quyết định

được lựa chọn với sự song song tồn tại của nhiều loại bất định khác nhau Nhìn chung, các bất định trong dự án kỹ thuật tài nguyên nước có thể chia

ra làm một số nhóm cơ bản sau: thủy văn, thủy lực, công trình và kinh tế

Bất định thủy văn cho một bài toán thiết kế hệ thống nguồn nước có

thể tiếp tục được phân ra làm ba loại: bất định cố hữu, bất định thông số và bất định mô hình Nhìn chung, sự xảy ra của rất nhiều biến cố thủy văn như dòng chảy, mưa có thể được xem là các quá trình ngẫu nhiên do tính ngẫu nhiên cố hữu hay tự nhiên quan sát được Do thiếu các thông tin thủy văn hoàn hảo về các quá trình hay biến cố này, ví dụ như một chuỗi số liệu đo

đạc lịch sử dài vô tận, mà tồn tại các loại bất định thông tin về các quá trình này Các loại bất định này được gọi là bất định thông số và bất định mô hình Rất hiếm có trường hợp có đầy đủ thông tin để đánh giá chính xác các thông số và các đặc trưng thống kê của một mô hình xác suất

Hình 1.4.2

Minh họa sự đánh đổi (tradeoff) giữa các mục tiêu trong một bài toán tối ưu hai chiều

Bất định thủy lực được dùng để chỉ tính bất định có trong thiết kế các

công trình thủy lực và trong phân tích hoạt động của các công trình này Loại bất định này chủ yếu hình thành từ ba loại cơ bản: mô hình, việc xây dựng và nguyên liệu xây dựng, và các điều kiện dòng chảy khi vận hành Tính bất định mô hình hình thành từ việc sử dụng các mô hình thủy lực đã

được giản hóa hoặc lý tưởng hóa để mô tả các điều kiện dòng chảy Nó

đóng góp vào tính bất định trong việc xác định công suất thiết kế của các công trình thủy lực Ví dụ, dòng chảy qua hay trên các công trình thủy lực

là không ổn định và không đều và có thể được mô tả bằng hệ phương trình

St Venant viết dưới dạng một chiều Tuy nhiên, một số phương trình, như Manning, tuy không đáp ứng để cho việc mô tả dòng không ổn định và không đều nhưng vẫn thường xuyên được sử dụng trong thực hành Điều thực tế này tạo ra một tính bất định nữa có thể gọi là sai số mô hình Bất

định xây dựng và nguyên vật liệu hình thành một phần từ kích thước công trình, ví dụ như đường kính ống dẫn nước thải hay chiều rộng và chiều sâu cửa cống Biên độ sai số của nhà sản xuất hay biên độ sai số xây dựng có thể biến đổi lớn và tạo ra các loại bất định này Một yếu tố khác là sự lắp

đặt sai của một công trình thủy lực cũng như định vị tạo nên các sai số, ví

dụ như độ dốc Sự biến đổi vật liệu cũng có thể gây ra các thay đổi về kích

cỡ và phân bố của hệ số nhám bề mặt và tạo ra sai số của các yếu tố về độ nhám Các thay đổi của các hệ số ma sát và sự suy giảm kích thước công trình cho bồi lắng có thể được xem là loại bất định trong các điều kiện vận hành Đồng thời, các yếu tố khác như không vệ sinh công trình để chống tắc cũng có thể gây ra một loại bất định

Bất định công trình chỉ sự cố từ sự yếu kém của công trình Các sự cố

(hư hỏng) vật lý của các công trình thủy lực trong các hệ thống nguồn nước

có thể do nhiều vấn đề như sự bão hòa nước và mất độ ổn định của đất, xói mòn và hư hỏng kết cấu thủy lực đất, hoạt động của sóng, quá tải thủy lực, sập đổ công trình, và nhiều thứ khác Một ví dụ tiêu biểu là hư hỏng của một hệ thống đê xảy ra ngay tại đê hay tại vùng lân cận Sự cố công trình của hệ thống đê có thể do bão hòa nước và làm mất tính ổn định của đất Sóng lũ cũng có thể làm tăng độ bão hoà của đất gây ra do truợt lở bờ Đê cũng có thể bị hư hỏng do các sự cố về thủy lực đất và hoạt động của sóng Các phương pháp phân tích rất hiếm khi bao gồm phân tích xác suất xảy ra

sự cố của các công trình một cách tường minh Kết quả do đó có thể đánh giá quá cao sức bảo vệ của công trình thủy lực và đánh giá thấp các thiệt hại

có thể xảy ra

Bất định kinh tế có thể phát sinh từ các loại bất định trong các giá

thành xây dựng, các giá trị thiệt hại, lãi ròng dự kiến, chi phí cho vận hành

và bảo quản công trình, trượt giá, tuổi thọ công trình và các loại chi phí lợi nhuận vô hình khác Chi phí xây dựng, thiệt hại, vận hành và bảo quản đều gắn liền với các loại bất định do sự biến động của tốc độ tăng giá xây dựng, nhân công, vận chuyển, thiệt hại kinh tế, sự khác biệt giữa các vùng và rất nhiều yếu tố khác Vấn đề về các xu thế lạm phát cũng tạo ra các loại bất

định nên được xét tới khi đánh giá lợi ích kinh tế của các dự án của nguồn nước Cũng có rất nhiều các loại bất định kinh tế và xã hội có liên quan đến các chi phí phi thuận lợi Một ví dụ của loại này là sự cố của một nút giao thông xa lộ do lũ tạo nên các thiệt hại về giao thông

1.4.6 Những ứng dụng của tối ưu hóa vào các hệ thống nguồn nước

Tối ưu hóa có thể được áp dụng vào rất nhiều các loại ứng dụng cho các

dự án và bài toán kỹ thuật hệ thống nguồn nước, bao gồm:

1 Thiết lập các chính sách vận hành các hồ chứa

2 Thiết kế các dung tích hồ chứa và địa điểm xây dựng

7 Thiết kế các hệ thống cải tạo tầng ngậm nước

1.4.7 Xây dựng mô hình tối ưu

Việc xây dựng mô hình tối ưu có thể được chia ra làm 5 giai đoạn chính sau:

1 Thu thập số liệu và mô tả hệ thống

2 Định nghĩa và thiết lập bài toán

4 Kiểm định và đánh giá chất lượng mô hình

5 áp dụng mô hình và diễn giải kết quả

Các giai đoạn chính trên được mô tả trên hình 1.4.3 Việc thu thập số liệu có thể rất tốn thời gian nhưng lại là một bước cực kỳ quan trọng của quá trình xây dựng mô hình Số lượng và độ chính xác của số liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quy mô và nội dung của mô hình được thiết lập và khả năng đánh giá và kiểm định mô hình

Việc định nghĩa và thiết lập bài toán bao gồm các bước sau: xác định các biến quyết định; thiết lập các mục tiêu mô hình; và thiết lập các ràng buộc của mô hình Để tiến hành các bước này ta phải:

1 Xác định các phần tử quan trọng đối với bài toán

3 Xác định các mục đích sử dụng tiềm năng của mô hình

4 Đánh giá cấu trúc và độ phức tạp của mô hình

5 Xác định số các biến độc lập, số các phương trình cần thiết để

mô tả hệ thống, và số các thông số chưa biết

Giai đoạn xây dựng mô hình bao gồm: mô tả toán học, ước lượng thông

số, xây dựng đầu vào của mô hình và xây dựng phần mềm Giai đoạn xây dựng mô hình là một quá trình lặp Trong nhiều trường hợp, nó yêu cầu quay trở lại giai đoạn định nghĩa và thiết lập bài toán

Giai đoạn đánh giá và kiểm định là quá trình kiểm tra mô hình như một tổng thể Đầu tiên phải kiểm tra tất cả các phần tử của mô hình, và nên được tiến hành sớm ở quá trình xây dựng mô hình Trong rất nhiều trường hợp người làm mô hình phải xác định xem các quan hệ toán học có mô tả hệ thống thực tế một cách phù hợp không Một phân tích độ nhậy nên được tiến hành để kiểm tra đầu vào và tham số của mô hình Quá trình đánh giá

và kiểm định mô hình là một quá trình lặp và có thể yêu cầu quay lại giai

đoạn định nghĩa và thiết lập bài toán, rồi đến giai đoạn xây dựng mô hình như được thể hiện trên hình 1.4.3 Kiểm định chất lượng mô hình bao gồm kiểm định tính logic, các giả thiết của mô hình và các quá trình trạng thái (hành vi) của mô hình Một khía cạnh quan trọng của quá trình này là trong hầu hết các trường hợp số liệu được sử dụng trong quá trình thiết lập bài toán không nên được sử dụng ở bước kiểm định này Một điều khác cần ghi nhớ là không có một quy trình kiểm định đơn lẻ nào là phù hợp cho tất cả các mô hình

Hình 1.4.3

Xây dựng mô hình tối ưu

Tài liệu tham khảo

Buras N.: scientific Allocation of Water Resources, American Elsevier Publishing Company, New York, 1972

Chankong, V And Haimes, Y, Y: Multiobjective Decision Making: A Theory and Methology, Elsevier Science Publishing, New York,

Edgar, T.F and D.M.Himmelblau: Optimization of Chemical Processes, McGraw-Hill, New York, 1988

Grigg, N.S.: Urban Water Infrastructure: Planning, Management, and Operations, John Wiley & Sons, New York, 1986

Guyton, W.F., and Associates: “Geohydrology of Comal, San Marcos, and Hueco Springs” Report 234, Texas Department of Water Resources, Austin, Texas, June 1979

Lager, J.A.,R.P.Shubinski, and L.W.Russell: “Development of a simulation model for stormwater management,” J.Water Pollution Control Federation, Vol 43,pp.2424-2435, Dec, 1971 McWhorter, D.B and D.K.Sunada: Groundwater and Hydraulics, Water Resources Publications, Littletion, Colorado, 1977

Các sách liên quan đến chủ đề lựa chọn

Prentice-Grigg, N.S.: Water Resources Planning, McGraw-Hill, New York,

Major, D.C.: Multiobjective Water Resources Planning, Water Resources Monograph 4, Am Geophys Union, Washington, D.C., 1977

Major, D.C and R.L Lenton: Applied Water Resources Systems Planning, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1979

Viessman, W And C.Welty: Water Management: Technology and Institutions, Harper and Row, New York, 1985

 Nước ngầm

Bear,J.: Hydraulics of Groundwater, McGraw-Hill, New York, 1979 Bear,J.and A Verruijt:Modeling Groundwater Flow and Pollution, D.Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland, 1987

Bouwer, H.: Groundwater Hydrology, McGraw-Hill, New York, 1978 Freeze, R.A and J.A Cherry, Groundwater, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,N.J 1979

Kashef, A.A.I.: Groundwater Engineering, McGraw-Hill, New York,1986

Todd, D.K.: Groundwater Hydrology, John Wiley&Sons, New York,

1980,

Willis, R.and W.W-G.Yel: Groundwater Systems Planning and Management, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J 1987

 Thủy văn

Bedient, P.B.and W.C.Huber: Hydrology and Floodplain Analysis, Addison Wesley, Reading, Mass 1988

Bras, R.L.: Hydrology: An Introduction to Hydrologic Science, Addison Wesley, Reading, Mass 1990,

Engineers, McGraw-Hill, New York, 1982

Hydrology, Harper and Row, New York, 1989

 Tèi ­u ho¸ vµ ph©n tÝch hÖ thèng

Arora,J.S.: Introduction to Optimum Design, McGraw-Hill, New York,

Denardo,E.V.:Dynamic Programming: Models and Applications, Prentice-Hall, Englewood Cliffs.N.J 1982

Edgar, T.F and D.M.Himmelblau: Optimization of Chemical Processes, MrGraw-Hall, New York, 1988

Gill, P.E W Murray And W.H.Wright: Practical Optimization, Academic Press, London, 1981

Goicoechea,A D.R.Hansen and L.Duckstein: Multiobjective Decision Analysis with Engineering and Business Applications, John Wiley&Sons, New York, 1982

Hillier, F.S and G.J.Lieberman: Introduction to Operations Research, McGraw-Hill, New York, 1990,

McCormick.G.p.: Nonlinear Programming: Theory, Algorithms and Applications, John Wiley&Sons, New York, 1983

Improvement Algorithms, North-Holland, New York, 1984 Taha,H.A.: Operations Reseach: An Introduction, MacMillan, New York, 1987

 Phân tích độ tin cậy

Duckstein,L and E.J.Plate (eds.): Engineering Reliability and Risk in Water Resources, Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht, Netherlands, 1987

Harr,M.: Reliability-Based Design in Civil Engineering, McGraw-Hill, New York, 1987

Kapur, K.C and L.R.Lamberson: Reliability in Engineering Design, John Wiley and Sons, New York, 1977

Mays, L.W.(ed): Reliability Analysis of Water Distribution Systems, American Society of Civil Engineers, New York, 1989

Yen, B.C.(ed): Stochastic and Risk Analysis in Hydraulic Engineering, Water Resources Publications, Littleton, Colo 1986

Bài tập

1.3.1 Lựa chọn một hệ thống cấp nước mặt ở vùng bạn sống và mô tả chi

tiết hệ thống này Các đầu vào và đầu ra của hệ thống này là gì? Một

số những yêu cầu kỹ thuật chính đòi hỏi trong việc thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống này là gì? Đã sử dụng những loại phân tích nào trong các nghiên cứu thủy văn, thủy lực và kinh tế cho dự án

này?

1.3.2 Lựa chọn một hệ thống thoát nước đô thị gần nơi bạn sống và mô tả

chi tiết hệ thống này Mô tả các đầu vào và đầu ra của hệ thống này

Đã sử dụng những loại phân tích nào trong các nghiên cứu thủy văn, thủy lực và kinh tế cho dự án này? Sử dụng chỉ tiêu thiết kế gì?

1.3.3 Lựa chọn một hệ thống quản lý bãi ngập lũ và mô tả chi tiết hệ thống

này Mô tả các đầu vào và đầu ra của hệ thống Đã sử dụng những loại phân tích nào trong các nghiên cứu thủy văn, thủy lực và kinh tế cho dự án này? Sử dụng chỉ tiêu thiết gì?

1.3.4 Mô tả chi tiết hệ thống phân bố nước lấy nước cho nơi bạn cư trú

Những loại chỉ tiêu phân tích và thiết kế nào đã được sử dụng trong thiết kế hệ thống này?

1.3.5 Lựa chọn một hệ thống nước ngầm ở vùng bạn sống và mô tả chi tiết

hệ thống này Mô tả các đầu vào và đầu ra của hệ thống Trình bày một bài toán bất kỳ tồn tại trong hệ thống này

Phân tích kinh tế kỹ thuật là một quá trình đánh giá có thể được sử

dụng để so sánh các phương án công trình tài nguyên nước khác nhau và lựa chọn một phương án kinh tế nhất Quá trình này đòi hỏi phải xác định những phương án khả thi và sau đó áp dụng một kỹ thuật chiết khấu để chọn phương án tốt nhất Để thực hiện phân tích này, cần phải hiểu một số khái niệm cơ bản như tính tương đương về loại hình, tương đương về thời gian, và các hệ số chiết khấu

Một trong những bước đầu tiên trong phân tích kinh tế là tìm ra một đơn

vị giá trị chung chẳng hạn như là các đơn vị tiền tệ Thông qua sử dụng đơn

vị giá trị chung này, các phương án khác nhau có thể được đánh giá Sự

đánh giá về tiền tệ của các phương án nói chung diễn ra qua một số năm Mỗi giá trị tiền tệ phải được xác định bằng lượng và thời gian Giá trị thời gian của tiền có được từ sự sẵn sàng của con người để trả lãi cho việc sử dụng tiền Hệ quả là, tiền tại các thời điểm khác nhau không thể được kết hợp hay so sánh một cách trực tiếp, mà đầu tiên phải biến đổi tương đương thông qua sử dụng các hệ số chiết khấu Các hệ số chiết khấu chuyển một giá trị tiền tệ tại một thời điểm này thành một giá trị tương đương tại một thời điểm khác

Các ký hiệu được dùng để diễn tả hệ số chiết khấu: i là tỷ lệ lãi suất hàng năm; n là số năm; P là lượng tiền hiện tại; F là lượng tiền tương lai; và

A là lượng tiền hàng năm Xét một lượng tiền P được lãi cho n năm với tỷ lệ lãi suất là i % Tổng F tương lai tại thời điểm kết thúc n năm được xác định theo quy trình sau:

Do đó tổng lượng tiền tương lai là

F = P(1 + i) n (2.1.1)

Lượng tiền tại thời điểm

Lượng tiền tại thời

điểm cuối năm

Năm thứ hai (1+i)P + iP(1+i) = (1+i) 2

P Năm thứ ba (1+i) 2 P + iP(1+i) 2 = (1+i) 3 P

P

%, ,

1 (2.1.2)

Hệ số này xác định số đô la tích lũy sau n năm cho mỗi đô la được đầu

tư ban đầu với tỷ lệ lãi suất là i % Hệ số giá trị hiện tại chi trả một lần

(P/F, i%, n) đơn giản là nghịch đảo của hệ số lượng phức hợp chi trả đơn Bảng 2.1.1 tổng kết các hệ số chiết khấu khác nhau

Các hệ số chuỗi hàng năm đồng đều được sử dụng cho sự tương đương

giữa những lượng tiền hiện tại (P) và lượng tiền hàng năm (A) hay giữa lượng tương lai (F) và lượng hàng năm (A) Xét lượng tiền A phải được đầu tư hàng năm (ở cuối mỗi năm) để tích lũy lượng tiền F sau n năm Giá trị cuối cùng của A trong năm thứ n được rút ngay trên khoản tiền chi trả vì thế

nó không tích lũy lãi suất Giá trị tương lai F là

F = A + (1 + i)A + (1+i)2A + + (1+i)n-1A (2.1.3) Nhân phương trình (2.1.3) với (1+i), và trừ đi phương trình (2.1.3) ta

i F

A

1

Hệ số quỹ đầu tư là số đô la A phải đầu tư i% vào cuỗi của mỗi n năm

để tích lũy 1 đô la Hệ số lượng phức hợp chuỗi (F/A) là nghịch đảo của

hệ số quỹ đầu tư (bảng 2.1.1), là lượng đô la sẽ tích lũy nếu một đô la được

đầu tư vào cuối những năm n với i % Hệ số hoàn vốn đầu tư có thể được

xác định bằng cách nhân hệ số quỹ đầu tư (A/F) với hệ số lượng phức hợp chi trả đơn (Bảng 2.1.1)

F F

A n i P

Hệ số này là số đô la có thể rút ra tại cuối mỗi n năm nếu 1 đô la lúc đầu

được đầu tư Nghịch đảo của hệ số hoàn vốn đầu tư là hệ số chuỗi giá trị hiện tại (P/A), cho ta số đô la được đầu tư ban đầu để phát sinh 1 đô la tại

cuối mỗi năm

Hệ số chuỗi gradient đồng đều là số đô la đầu tư ban đầu để thu được

1 đô la sau một năm, 2 đô la sau hai năm, 3 đô la sau 3 năm và n đô la sau n năm

theo một chuỗi gradient đồng đều tới 100000 đô la sau 5 năm Lợi nhuận vẫn không đổi ở mức

100000 mỗi năm cho đến hết năm 30, sau đó chúng giảm xuống 0 đô la theo một gradient đồng đều

đến cuối năm 40, Giá trị hiện tại của lợi nhuận là bao nhiêu? Biết rằng tỷ lệ lãi suất là 6%

Hệ số lượng phức

F

i n P

n n