Nghiên cứu xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả trạm bơm tiêu nước ra sông đuống

Vì vậy cần thiết có một nghiên cứu để xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả qua đê của các trạm bơm tiêu nước ra sông Đuống – phạm vi Hà Nội.. Đã có một số các nghiên cứu về xác định

LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên Cáckết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất

kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Chữ ký

Trịnh Thị Hương

i

Để hoàn thành được luận văn này tác giả đã nhận được rất nhiều sự động viên,giúp đỡ của bạn bè, thầy cô và cơ quan nơi công tác.

Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn TuấnAnh đã hướng dẫn tận tình tác giả thực hiện nghiên cứu của mình

Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, người đãđem lại cho tác giả những kiến trúc bổ trợ vô cùng có ích trong những năm học vừaqua

Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã cố gắng và nỗ lực để hoàn thànhluận văn một cách tốt nhất nhưng do những hạn chế về kiến thức, thời gian, kinhnghiệm và tài liệu tham khảo nên luận văn còn nhiều thiếu sót Tác gỉa rất mong nhậnđược sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô và đồng nghiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục luận văn .2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về phương pháp xác định cao trình đáy cống xả và mực nước bể tháo nhỏ nhất 3

1.1.1 Nhiệm vụ của cống xả 3

1.1.2 Phân loại cống xả 3

1.1.3 Các điều kiện kỹ thuật khi thiết kế cống xả 4

1.1.4 Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả 4

1.1.5 Xác định các thông số thiết kế của bể tháo 5

1.1.6 Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất 8

1.2 Tổng quan việc ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vào bài toán thiết kế các công trình thủy lợi 10

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CAO TRÌNH ĐÁY CỐNG XẢ HỢP LÝ 12

2.1 Lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực 12

2.1.1 Mở đầu 12

2.1.2 Hệ thống và các đặc trưng của hệ thống 13

a Định nghĩa 13

b Các đặc trưng của hệ thống 13

c Phân loại hệ thống 14

d Các bài toán cơ bản về hệ thống và hệ thống chỉ tiêu đánh giá 16

e Hệ thống phương pháp luận trong phân tích hệ thống 17

2.2 Lý thuyết tối ưu hoá ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực 20

2.2.1 Phân loại tổng quát các mô hình tối ưu 20

a Bài toán quy hoạch tuyến tính 20

b Bài toán quy hoạch phi tuyến 21

c Bài toán cực trị phiếm hàm 21

2.2.2 Thiết lập mô hình tính toán trong phân tích hệ thống công trình thuỷ lợi 21

a Mô hình hoá hệ thống 21

b Hàm số mục tiêu 22

c Điều kiện ràng buộc 22

5 5

2.3 Xây dựng mô hình tính toán 232.4 Phương pháp giải bài toán 23

2.5 Hàm mục tiờu và điều kiện ràng buộc 24

2.5.1 Cỏc chỉ tiờu tối ưu 24

a Chỉ tiờu tối ưu về giỏ trị thu nhập dũng quy về thời điểm hiện tại NPVmax: 24

b Chỉ tiờu tối ưu về hệ số nội hoàn kinh tế: IRRmax 24

c Chỉ tiờu tối ưu về tổng chi phớ và vốn đầu tư quy về năm đầu Cmin 25

2.5.2 Lựa chọn chỉ tiờu tối ưu - hàm mục tiờu 25

2.5.3 Điều kiện ràng buộc 26

2.6 Xỏc định cỏc thành phần trong hàm mục tiờu 26

2.6.1 Xỏc định chi phớ xõy dựng CXD 26

2.6.2 Xỏc định chi phớ quản lý hàng năm bỡnh quõn 26

a Xỏc định chi phớ điện trong 1 năm 27

b Xỏc định chi phớ lương 28

c Xác định chi phí sửa chữa thờng xuyên: CSC 28

d Xỏc định chi phớ khỏc C khỏc 29

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG Mễ HèNH TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CAO TRèNH ĐÁY CỐNG XẢ QUA Đấ CHO TRẠM BƠM PHÙ ĐỔNG – GIA LÂM – HÀ NỘI 30

3.1 Mụ tả hệ thống tiờu và trạm bơm tiờu 30

3.1.1 Điều kiện tự nhiờn của hệ thống 30

a Vị trớ địa lý, diện tớch 30

b Đặc điểm địa hỡnh 30

c Đất đai thổ nhưỡng 30

d Điều kiện khớ tượng 30

e Điều kiện thủy văn, sụng ngũi 31

f Địa chất, địa chất thủy văn 32

g Nguồn năng lượng 35

h Nguồn vật liệu xõy dựng 35

i Tỡnh hỡnh giao thụng 36

3.1.2 Tỡnh hỡnh dõn sinh, kinh tế 36

a Xó Phự Đổng 36

b Xó Trung Mầu 37

c Xó Ninh Hiệp 38

3.1.3 Hiện trạng thủy lợi của khu vực 38

a Nhà quản lý 39

b Cỏc hạ tầng khỏc 40

c Cống xả qua đờ 40

d Hệ thống kờnh và cụng trỡnh trờn kờnh 40

Biện phỏp thủy lợi 41

3.2 Xỏc định cỏc thụng số thiết kế cơ bản của trạm bơm Phự Đổng 42

3.2.1 Xỏc định mực nước bể thỏo thiết kế và kiểm tra 42

7 7

3.2.2 Xác định các mực nước đặc trưng tại bể hút ZTK bh bh bh, Zmax , Zmin 463.2.3 Xác định các cột nước của trạm bơm 47

3.2.4 Chọn máy bơm 47

3.2.5 Kích thước cơ bản của trạm bơm 48

3.3 Thiết kế bể tháo và cống xả qua đê 49

3.3.1 Xác định kích thước bể tháo 49

3.3.2 Thiết kế cống xả .49

a Xác định các kích thước cơ bản của cống 49

b Tính toán thủy lực cống 50

c Xác định các phương án về cao trình đáy cống 51

3.4 Xác định chi phí xây dựng công trình 53

3.4.1 Chi phí xây dựng nhà trạm, kênh dẫn, kênh tháo 53

3.4.2 Chi phí xây dựng bể tháo và cống xả 53

3.5 Xác định chi phí quản lý hàng năm bình quân 55

3.5.1 Xác định chi phí điện năng của trạm bơm 55

a Xác định nhu cầu tiêu nước 55

b Xác định chi phí điện năng 57

3.5.2 Xác định chi phí lương 67

3.5.3 Xác định chi phí sửa chữa thường xuyên, chi phí khác 67

3.5.4 Chi phí quản lý bình quân hàng năm 67

3.6 Kết quả tính của các phương án 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1- Sơ đồ cống xả qua đê xây liền bể tháo 3

Hình 1.2 - Sơ đồ cống xả qua đê cách xa bể tháo .4

Hình 1.4 Sơ đồ cao trình đáy cống xả qua đê cao 9

Hình 1.5 Sơ đồ cao trình đáy cống xả qua đê thấp .10

Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý tiếp cận hệ thống .19

Hình 2.2 Sơ đồ trạm bơm tiêu 23

Hình 2.3.Sơ đồ lựa chọn phương pháp tối ưu 24

Hình 3.1 Đường tần suất mực nước sông Đuống 5 ngày max trạm Thượng Cát .44

Hình 3.2 Đường tần suất mực nước sông Đuống 1 ngày max trạm Thượng Cát .45

Hình 3.3 Đường đặc tính của máy bơm AFLX 1203 50 Hz 48

Hình 3.4: Kích thước cơ bản của bể tháo 49

Hình 3.5.Sơ đồ chọn phương án min

bt tối ưu .68

Hình 3.6 Biểu đồ quan hệ chi phí quản lý và cao trình đáy cống 69

Hình 3.7 Biểu đồ quan hệ chi phí xây dựng và cao trình đáy cống 69

Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí và cao trình đáy cống 69

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Xác định chiều cao dự trữ a .7

Bảng 1.2 Xác định hệ số K 7

Bảng 3.1 Số liệu mực nước sông Đuống, trạm Thượng Cát

Bảng 3.2 Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 32

Bảng 3.3 Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 3 33

Bảng 3.4 Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 4 34

Bảng 3.5 Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 5 35

Bảng 3.6 Bảng thống kê mực nước Z1 ngày max, Zbq 5 ngày max, Z1 ngày min 42

Bảng 3.7 Tính mực nước bể hút thiết kế 46

Bảng 3.8 Kích thước cống xả .51

Bảng 3.9: Tính toán thủy lực cống xả .51

Bảng 3.10 Các phương án về Zđc và minbt , Zđáy bt 52

Bảng 3.11: Chi phí xây dựng cống xả và bể xả 54

Bảng 3.12 Kết quả tính toán chi phí xây dựng 54

Bảng 3.13.Diện tích các vùng đặc trưng do trạm bơm quản lý 55

Bảng 3.14a: Điện năng tiêu thụ PA1÷PA5 59

Bảng 3.14b: Điện năng tiêu thụ PA6÷PA10 .60

Bảng 3.14c: Điện năng tiêu thụ PA11÷PA15 61

Bảng 3.14d: Điện năng tiêu thụ PA16÷PA20 .62

Bảng 3.15a Chi phí điện năng PA1÷PA5 63

Bảng 3.15b Chi phí điện năng PA6÷PA10 64

Bảng 3.15c Chi phí điện năng PA11÷PA15 65

Bảng 3.15d Chi phí điện năng PA16÷PA20 66

viii 13

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Chi phí xây dựng cống xả và bể xả của từng PA 75Phụ lục 2: Chi phí quản lý bình quân của từng phương án 116

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trạm bơm Phù Đổng nằm trên địa phận xã Phù Đổng thuộc huyện Gia Lâm,phụ trách tiêu úng cho các xã: Trung Màu, Ninh Hiệp và Phù Đổng Tổng diện tíchtiêu cho toàn lưu vực là 690ha (bao gồm đất nông nghiệp và dân cư) Trạm bơm PhùĐổng và các công trình nối tiếp được xây dựng năm 1974 Hiện nay, trạm bơm PhùĐổng và các công trình nối tiếp đã xuống cấp toàn bộ và đã được thành phố Hà Nộicho đầu tư xây dựng trạm bơm gồm 4 máy loại AFLX 1203 50Hz, một số công trìnhnối tiếp và nâng cấp cống xả qua đê, để đảm bảo tiêu nước cho khu vực

Trước đây, trạm bơm Phù Đổng và các trạm bơm tiêu tiêu nước ra sông mà bốtrí bể tháo liền với cống xả qua đê thì việc xác định Zđc còn theo ý kiến chủ quan củangười thiết kế Vì đến này chưa có quy chuẩn, tiêu chuẩn, hay hướng dẫn cụ thể nàonói về vấn đề Nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê cao thì khi bơm nước lên bểtháo cao, qua cống xả và chảy xuống qua dốc tiêu năng để nối tiếp với dòng chảy trongkênh tháo ngoài đê (khi mực nước ngoài sông thấp), điều này cho thấy lãng phí nănglượng bơm Nếu chọn cao trình đáy cống xả thấp thì dẫn đến cao trình đáy bể tháothấp tức chiều cao bể tháo lớn, cống xả phải đặt sâu, do đó sẽ làm tăng chi phí xâydựng Vì vậy, vấn đề được đặt ra là cần xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả qua

đê để đảm bảo hiệu quả kinh tế

Vì vậy cần thiết có một nghiên cứu để xác định cao trình hợp lý của đáy cống

xả qua đê của các trạm bơm tiêu nước ra sông Đuống – phạm vi Hà Nội

Đã có một số các nghiên cứu về xác định mực nước bể tháo và cao trình đáy cống xả qua đê như:

- Đề tài nghiên cứu của TS Bùi Văn Hức “Xác định mực nước sông thiết kế hợp lý

để xây dựng trạm bơm tưới tiêu nước” – vùng sông Hồng

- Luận văn thạc sĩ Đỗ Minh Thu “Nghiên cứu xác định cao trình đáy cống xả của trạm bơm tiêu” – áp dụng cho trạm bơm Đông Mỹ (vùng sông Hồng)

- Đề tài “Đánh bước đầu về phương pháp xác định mực nước thiết kế bể xả của các trạm bơm tiêu” Tạp chí số 43 – (12/2013) Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh, Lã Đức Dũng

2 2

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa để xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả qua đê của trạm bơm Phù Đổng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này học viên tập trung nghiên cứu các trạm bơm tiêu nước mưa

có bể tháo liền cống xả qua đê hoặc đoạn kênh tháo trong đê rất ngắn

Mực nước sông (nơi nhận nước tiêu) dao động lớn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích hệ thống;

- Phương pháp tối ưu hóa;

- Phương pháp mô hình toán;

- Ứng dụng lý thuyết thủy lực, máy bơm và trạm bơm, thủy văn công trình, kinh tế xây dựng…

5 Bố cục luận văn

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Ứng dụng mô hình tính toán xác định cao trình đáy cống xả qua đêcho trạm bơm Phù Đổng – Hà Nội

Phần kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về phương phỏp xỏc định cao trỡnh đỏy cống xả và mực nước bể thỏo nhỏ nhất

1.1.1 Nhiệm vụ của cống xả

Cống xả qua đờ là cụng trỡnh quan trọng của trạm bơm Ở trạm bơm tiờu, bểthỏo nối tiếp với cống xả đưa nước tiờu tới chỗ chứa nước tiờu (sụng) hoặc cụng trỡnh chuyển nước như dốc nước, bậc nước…dẫn đến chỗ chứa nước tiờu

Cống xả cú những nhiệm vụ sau:

- Bảo đảm dũng chảy tới chỗ nhận nước tiờu thuận dũng, tổn thất ớt;

- Khống chế mực nước, bảo đảm yờu cầu tiờu thoỏt nước;

- Muốn thực hiện cỏc nhiệm vụ trờn khi thiết kế cống xả cần phải đảm bảo cỏc yờu cầu:

+ Cống xả liền với bể thỏo

phía sông phía đồng

Hỡnh 1.1- Sơ đồ cống xả qua đờ xõy liền bể thỏo

4 4

+ Cống xả cách xa bể tháo

Z Z

Z

Z Z

Z

b t b

t

Hình 1.2 - Sơ đồ cống xả qua đê cách xa bể tháo

1.1.3 Các điều kiện kỹ thuật khi thiết kế cống xả

Kết cấu toàn bộ hay từng bộ phận riêng của cống xả phải bền vững và ổn định

Vì vậy với mỗi bộ phận phải tính toán tĩnh học theo các quy phạm kỹ thuật đã banhành

Hình dạng mặt trong của cống phải đảm bảo điều kiện thủy lực cho dòng chảyvào cống thuận lợi

Cần tính toán, thiết kế, kiểm tra bể tiêu năng sau cống, để tránh xói lở ở hạ lưu

và tăng ổn định cho cống

Chiều dài bể tiêu năng phải đảm bảo không gây xói lở Tất cả các kích thướccủa cống xả (chiều rộng, chiều dài, chiều sâu) phải được xác định trên cơ sở tính toánthủy lực, khi cần phải thí nghiệm mô hình Đồng thời phải thỏa mãn các yêu cầu lắpráp, sửa chữa thiết bị và quản lý được thuận lợi

1.1.4 Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả

Cao trình đáy cống xả hợp lý ràng buộc bởi điều kiện:

min

đc ≤ Zđc ≤ maxđc+ Cao trình đáy cống có phương án đặt cống xả cao maxđc

max TK

đc bt - - Hc (1.1): Khoảng cách từ trần cống lên TK để tạo điều kiện chảy có áp qua cống

Zminđc = max(Z1, Z2 )

Cao trình tường bể tháo Ztườngbểtháo= bt + a

a: Độ cao an toàn tuỳ thuộc vào lưu lượng

Hmax : Chiều cao bể tháo lớn nhất

ht : Chiều cao thềm

Căn cứ vào kết quả của Z1, Z2 trên ta chọn minđc

Để xác định được cao trình đáy cống xả hợp lý, chia Zđc thành nhiều phương án có

max

Zđc=[ đc , minđc ] Tùy thuộc vào các phương án ta tính được chi phí tổng = chi phí

xây dựng và chi phí quản lý, và so sánh các chi phí tổng giữa các phương án ta tìm ra được Zđc hợp lý

1.1.5 Xác định các thông số thiết kế của bể tháo

Nhiệm vụ tính toán thủy lực bể tháo là:

- Xác định độ sâu ngập của miệng ra ống đẩy dưới mực nước thấp nhất trong bể

- Bảo đảm dòng chảy ra khỏi ống đẩy ở trạng thái ngập lặng

- Xác định chiều dài giếng tiêu năng của bể tháo

- Xác định hình dạng kích thước thềm ra từ giếng tiêu năng

- Xác định chiều dài đoạn bảo vệ mái và đáy kênh tháo

Hình 1.3 Bể tháo thẳng dòng có thiết bị nắp ống đẩyTính đường kính miệng ra ống đẩy để giảm tốc độ nước khi ra khỏi ống đẩy, đường kính miệng ra ống đẩy lấy theo kinh nghiệm ở công thức (1.4)

V = ra 4.Q

.D2 (m/s) (1.5)Q: Lưu lượng tính toán của một máy bơm khi mực nước bể xả là nhỏ nhất

Độ ngập sâu nhỏ nhất của mép trên miệng ra ống đẩy để bảo đảm dòng chảy ra ngập lặng được xác định theo công thức (1.6)

V2

hngmin = (3÷4) ra ; với điều kiện hngmin 0,1 (m) (1.6)

2.gChiều sâu nhỏ nhất trong giếng tiêu năng của bể tháo công thức (1.7)

Hgi.max = ht + hk.max (m) (1.9)

hkmax – Chiều sâu lớn nhất trong kênh: hkmax = Zmax - Zđk (1.10)

Zmaxbt : mực nước bể xả lớn nhất.

Độ ngập sâu lớn nhất của mép trên miệng ra ống xả ở công thức (1.11):

hngmax = H gi.max – Do – p (1.11)Chiều cao dự trữ từ mực nước lớn nhất trong bể đến mép trên tường bể tháo, nếukhông có điều kiện gì đặc biệt thì lấy theo bảng (1.1)

Bảng 1.1.Xác định chiều cao dự trữ aL

ư 1 1÷ 10 30

, 0Chiều cao phía trong tường bể tháo là:

Hb = Hgimax + a (1.12)Chiều dài giếng tiêu năng tính theo công thức sau:

Lgi = K.hng.max (1.13)Với K là hệ số phụ thuộc vào dạng của thềm ra khỏi giếng tiêu năng, hình dạng tiếtdiện miệng ra ống đẩy, hình dạng và chiều cao của thềm, lấy theo bảng (1.2)

Trong đó :

b - khoảng cách từ mép ống đẩy đến trụ pin, lấy như sau:

+ Loại van tự đóng nhanh b = 0;

+ Loại van nắp cánh bướm b = 0,5 m;

+ Loại nắp ống đẩy có chốt bản lề phía trên b = 0,3 ÷0,4 m

d : Chiều dày trụ pin ở bể tháo lấy từ 0,6 ÷ 0,8 m;

n : Số lượng đường ống đẩy nối với bể tháo

Chiều dài đoạn thu hẹp là đoạn chuyển tiếp từ bể tháo vào kênh tháo, có dạnghình thang, có đáy nhỏ là chiều rộng đáy kênh tháo, đáy lớn là chiều rộng phía trong

bể tháo, chiều dài của bể tháo (chiều cao của hình thang) được xác định như sau

B -b

L = bt kt .cotg 1

th 2 2 (1.16)Với: α1: Góc thu hẹp từ bể tháo vào kênh tháo

1.1.6 Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất

bZ

b

Z

Z

Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất min

bt để tính toán cột nước bơm nhỏ nhất

và xác định cao trình đáy bể tháo theo công thức (1.17)

Zđáy bể tháo= Zmin - hngmin- Do – P (1.17)Cách xác định min

bt

+ Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê

Xác định cao trình đáy kênh

Trong đó:

min

bt = Zđc + Hcmin (1.21)

Z

Z

Zđc: Cao trỡnh đỏy cống xả

Hcmin: Cột nước trước cống nhỏ nhất ứng với lưu lượng nhỏ nhất Qmin

Khi thiết kế cỏc trạm bơm tiờu nước ra sụng mà bể thỏo bố trớ liền cống xả qua

đờ thỡ việc xỏc định cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ cũng như xỏc định mực nước bể thỏonhỏ nhất minbt cũn theo ý chủ quan của người thiết kế vỡ đến nay vẫn chưa cú một quyđịnh hay hướng dẫn cụ thể nào về vấn đề này

Ngoài ra , khi xỏc định cao trỡnh đỏy cống và mực nước bể xả nhỏ nhất cần chỳ

ý đến cao trỡnh miệng ống đẩy Nếu cao trỡnh mực nước bể xả thấp hơn miệng ốngđẩy, sẽ tiờu tốn năng lượng hơn Cao trỡnh tõm miệng ống đẩy

Zmiệng ống đẩy = Zđỏy bể thỏo + P + Do

minNếu chọn (Zđc ) cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ cao hay ( bt ) cao xem hỡnh(1.4) thỡ nhiều khi nước bơm lờn bể thỏo cao, qua cống xả và chảy tự do qua bậc nước hay dốc tiờu năng để nối tiếp với dũng chảy trong kờnh thỏo ngoài đờ (khi mực nướcngoài sụng thấp), điều này cho thấy việc lóng phớ năng lượng bơm

minNgược lại, nếu chọn (Zđc ) cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ hay ( bt ) thấp xemhỡnh (1.5) thỡ dẫn đến cao trỡnh đỏy bể thỏo thấp tức chiều cao bể thỏo lớn và cống xảphải đặt sõu, do đú sẽ làm tăng chi phớ xõy dựng bể xả và cống xả

phía sông phía đồng

dựng và quản lý là nhỏ nhất.

để cho tổng chi phí xây

1.2 Tổng quan việc ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vào bài toán thiết kế các công trình thủy lợi

Hiện nay, khi thiết kế các trạm bơm tiêu nước ra sông mà bố trí bể tháo liền vớicống xả qua đê thì việc xác định cao trình đáy cống xả qua đê cũng như việc xác địnhmực nước bể tháo nhỏ nhất minbt còn theo ý chủ quan của người thiết kế vì đến nayvẫn chưa có một quy định, tiêu chuẩn hay hướng dẫn cụ thể nào về vấn đề này Vì vậy,đáy cống xả qua đê có thể được thiết kế đặt ở cao trình chưa hợp lý, dẫn đến chi phíxây dựng và chi phí quản lý cao, gây lãng phí ngân sách nhà nước.Vì thế, trong nhữngnăm gần đây, lý thuyết phân tích hệ thống và lý thuyết tối ưu hoá đã được áp dụngnhiều trong các bài toán về quy hoạch, thiết kế, quản lý, vận hành tối ưu các hệ thốngnói chung và hệ thống thuỷ lợi nói riêng Trong đó, bài toán thiết kế tối ưu các côngtrình trong hệ thống tưới, tiêu, cấp, thoát nước đã được một số tác giả trong nướcnghiên cứu, điển hình như:

Đề tài “ Hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm cho các vùng trồng lúa đồng

bằng Bắc Bộ - Việt Nam” (1997) của TS Dương Thanh Lượng Tác giả đã áp dụng

phương pháp mô hình mô phỏng và phương pháp tối ưu hoá cho bài toán thiết kế hệthống tiêu bằng trạm bơm vùng trồng lúa với chỉ tiêu tối ưu là chỉ số NPV (Giá trị thunhập ròng quy về thời điểm hiện tại) Gía trị hệ số tiêu thiết kế nào tương ứng với giá

Đề tài “Xác định mức nước sông thiết kế hợp lý để xây dựng trạm bơm tưới

tiêu nước” (1993) của TS Bùi Văn Hức Tác giả thiết lập quan hệ hàm số giữa năng

lượng bơm nước với mức nước sông thiết kế thông qua đặc tính của các máy bơm vàhình thức công trình của từng trạm bơm tưới và tiêu nước

Đề tài “Đánh dấu bước đầu về phương pháp xác định mực nước thiết kế bể

xả của các trạm bơm tiêu” Tạp chí số 43 – (12/2013) Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh, La

Đức Dũng

Đề tài “Phân vùng tưới tối ưu hệ thống thuỷ nông Văn Giang” (2001) của

Th.S Phạm Thị Hoài Bằng phương pháp mô hình, mô phỏng và tối ưu hoá, tác giả đãđưa ra nhiều phương án khác nhau về biên giới bơm tưới giữa trạm bơm Văn Giang đãđược xây dựng và trạm bơm mới cần được xây dựng, ứng với từng phương án tínhđược: chi phí xây dựng ban đầu, chi phí quản lý hàng năm và hiệu ích đem lại củacông trình, từ đó tính được giá trị NPV, phương án về biên giới bơm tưới nào cho giátrị NPV max thì đó là phương án tối ưu nhất

Luận văn thạc sĩ Đỗ Minh Thu “Nghiên cứu xác định cao trình đáy cống xả của trạm bơm tiêu” – áp dụng cho trạm bơm Đông Mỹ (vùng sông Hồng) Bằng

phương pháp tối ưu hóa, tác giả đã xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất của trạm bơmnối tiếp với cống xả qua đê

Đề tài “Nghiên cứu xác định quy mô đường ống tối ưu cho hệ thống tưới

Trung tâm nghiên cứu và sản xuất giống ngô Sông Bôi – Hoà Bình” (2002) của

Th.S Đỗ Hồng Quân Bằng phương pháp tối ưu hoá, tác giả đã tìm ra phương ánđường kính ống tối ưu cho hệ thống tương ứng với chỉ tiêu tối ưu: IRRmax

Đề tài “Nghiên cứu xác định phương án bố trí và quy mô hợp lý của trạm

bơm tưới vùng cao” (2003) của Th.S Nguyễn Tuấn Anh Sử dụng phương pháp mô

hình, mô phỏng và tối ưu hoá, tác giả đã thiết lập được bài toán tìm phương án thiết kếtối ưu trạm bơm tưới vùng cao qua chỉ tiêu tối ưu là tổng chi phí quy về năm đầu nhỏnhất

Trong luận văn này, phương pháp tối ưu hoá sẽ được áp dụng để xây dựng bàitoán xác định cao trình đáy cống xả hợp lý và mực nước bể tháo nhỏ nhất cho các trạmbơm tiêu nước ra sông Đuống

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CAO TRÌNH ĐÁY CỐNG XẢ HỢP LÝ

2.1 Lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực

2.1.1 Mở đầu

Trong công cuộc đổi mới nền kinh tế của nước ta, việc hiện đại hóa các côngtrình tưới tiêu là một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu ích

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học hệ thống và kỹ thuật thông tin ở nước

ta, hiện nay đã tạo nên cơ sở vững vàng cho việc phát triển kỹ thuật tự động hóa thiết

kế và quản lý công trình thủy lợi, trong đó có trạm bơm

Công trình trạm bơm là công trình thủy lợi rất phổ biến Tuy nhiên nó là côngtrình sử dụng nhiều năng lượng Vì vậy, việc tối ưu hóa các thông số thiết kế và điềukiển vận hành sẽ có một ý nghĩa đáng kể nhằm giảm nhỏ năng lượng tiêu hao

Việc giảm nhỏ năng lượng tiêu hao trên không phải chỉ thực hiện ở khâu vận hànhquản lý, mà nó còn được tạo tiền đề có tính chất quyết định ngay từ bước quy hoạchthiết kế

Vì vậy, để vận hành và quản lý trạm bơm có hiệu ích tốt nhất thì ta phải vậndụng lý thuyết về phân tích hệ thống

Phương pháp phân tích hệ thống được áp dụng vào công trình thủy lợi từ năm

1950, đầu tiên là vấn đề quản lý và phân phối nguồn nước Đặc biệt từ thập kỷ 70 khi

có sự phát triển rộng rãi của máy vi tính, phương pháp phân tích hệ thống được sửdụng rộng rãi trong qui hoạch thiết kế và tự động hóa trong quản lý các hệ thống tướitiêu

Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đếnnay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ

Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng vàquản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nôngnghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng

Nhiều công trình trạm bơm được xây dựng và trong những năm tới nhiều dự án

về tiêu nước cho đô thị, tiêu nước cho nông nghiệp sẽ được thực thi Việc áp dụng

trong thiết kế và quản lý các hệ thống tiêu nước chính là các bài toán hay đặt ra cho người nghiên cứu khoa học.

Nói tóm lại, cần phải có quan điểm hệ thống trong phân tích và nghiên cứu các

hệ thống phức tạp Sự phân tích hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa các thànhphần cấu thành hệ thống

b Các đặc trưng của hệ thống

Cấu trúc hệ thống: Là sự sắp xếp của các phần tử trong hệ thống theo một trật

tự nào đó cùng với các tác động tương tác giữa chúng Mỗi thành phần tham gia vàocấu trúc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi là tham số cấu trúc Nhưvậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đã kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trúc màmối quan hệ qua lại giữa các thành phần của cấu trúc ấy

Thông tin vào của một hệ thống là tập hợp tất cả các tác động vào hệ thống đểnhận đực các thông tin ra của hệ thống

Thông tin ra của hệ thống là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiêncứu quan tâm khi có tác động tương ứng ở đầu vào

Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại lượng ào đó có thể coi làcác biến gọi là biến vào, biến ra Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộc vàothời gian gọi là các quá trình vào, ra hoặc là các hàm vào, ra của hệ thống.

Các biến vào của hệ thống bao gồm cả các biến điều kiển được và các biếnkhông điều kiển được Ví dụ, khi vận hành một trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi

là các biến vào không điều kiển được, lưu lượng bơm qua trạm bơm tiêu là biến là biếnvào điều kiển được Biến ra của hệ thống có thể là quá trình năng lượng tiêu hao chotrạm bơm tiêu là hàm của các biến vào, cũng có thể là sự biến đổi mực nước trong khutiêu

Biến trạng thái là một hàm của thời gian Biến trạng thái là hệ thống có nhớngười ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thái của nó Hệ thống có nhớ là hệthống mà trạng thái của nó ở một thời điểm nào đó không những phụ thuộc vào tácđộng từ bên ngoài ở chính thời điểm đó, mà còn phụ thuộc vào trạng thái của nó ởnhững thời điểm trước đó

Điều quan trọng nhất của người làm hệ thống là phải xác định được đâu là biếnvào, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thái Ngoài ra, cũng phải mô phỏng đượcquá trình trao đổi thông tin giữa các thành phần trong hệ thống, quan hệ giữa biến vào,biến ra và biến trạng thái

hướng phát triển của hệ thống trong tương lai Do đó người nghiên cứu định hướng được các tác động vào hệ thống để đạt được mục tiêu mong muốn.

Hệ thống không có điều kiển là hệ mà các thông tin vào không chứa các biếnđiều kiển được, ngược lại là hệ có điều kiển Nói chung biến điều kiển và biến trạngthái là các biến độc lập với nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng thái cũng

là biến điều kiển

Hệ thống điều kiển bán tự động là hệ thống mà khi xử lý thông tin và điều kiểnđược thực hiện bởi người điều kiển Sauk hi phân tích, so sánh người điều kiển trựctiếp đưa ra quyết định và điều hành hệ thống điều kiển

Hệ thống điều kiển tự động là một hệ thống mà quá trình điều kiển hoàn toànđược tự động hóa

Hệ tất định và hệ ngẫu nhiên: hệ tất định là hệ mà các biến vào, biến ra, cácràng buộc và mối quan hệ giữa các phần tử trong hệ thống là những hàm tất định Mộttrong những biến trên là hàm ngẫu nhiên ta gọi là hệ ngẫu nhiên

Hệ thống bất định và các yếu tố bất định của hệ thống: hệ thống bất định là hệthống chứa các yếu tố bất định, tức là các yếu tố cấu thành hệ thống không được xácđịnh hoặc không có đủ thông tin để xác định nó Các yếu tố bất định của hệ thống baogồm các thông tin vào ra, mục tiêu khai thác, cấu trúc hệ thống…

Hệ thống trong đó bao gồm các hệ thống con: một hệ thống có thể phân chiathành các hệ thống con Sự phân chia các hệ thống lớn thành các hệ thống con tùythuộc vào kích cỡ, đặc thù của hệ thống và các phương pháp phân tích được áp dụngvới hệ thống đó

Hệ thống công trình tiêu động lực phân thành các loại sau đây:

+ Hệ thống đơn: Bao gồm một công trình đầu mối trạm bơm tiêu và một mạng kênhhoặc đường ống dẫn nước

+ Hệ thống phức tạp: Bao gồm nhiều công trình đầu mối trạm bơm hoạt động trên một

Với các hệ thống tiêu bằng động lực thì các đại lượng tối ưu sẽ là:

+ Qui mô công trình tối ưu như kích thước kênh mương, ống dẫn, qui mô nhà trạm tốiưu

+ Năng lượng tiêu hao bé nhất, hiệu suất máy bơm cao nhất

Các đại lượng trên sẽ là mục tiêu của bài toán Các mục tiêu này sẽ đạt đượcnhư thế nào phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng

Một hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Để lập nên mô hình toán họcnhất thiết phải nhất thiết phải tìm được những yếu tố chủ yếu quyết định bản chất củahiện tượng và các yếu tố thứ yếu từ đó tiến hành việc đơn giản hóa hệ thống Để đơngiản hóa hệ thống có thể lược bỏ hoặc hợp nhất một số yếu tố thứ yếu nhưng nhất thiếtphải tìm được những yếu tố chủ yếu quyết định bản chất của hiện tượng

d Các bài toán cơ bản về hệ thống và hệ thống chỉ tiêu đánh giá

- Thực tế, khi nghiên cứu hệ thống, thường có ba bài toán cơ bản sau:

+ Thiết kế hệ thống theo hệ thống chỉ tiêu nào đó: chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế…

+ Điều khiển hệ thống để đạt được yêu cầu khai thác đã xác định

+ Phát triển hệ thống, là chiến lược phát triển hệ thống trong tương lai Bài toán pháttriển hệ thống là bài toán bắt buộc phải giải quyết việc hình thành hệ thống trongtương lai kéo dài trong nhiều năm

- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả và lượng hoá theo dạng khác nhau, cóthể khái quát một số dạng cơ bản như sau:

+ Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳng thứchoặc bất đẳng thức Các biểu thức đó được viết đối với hàm ra của hệ thống Y(t).Dạng tổng quát của loại hệ thống chỉ tiêu:

Fj(Y) ≤ bj với j=1, m (2.1)Trong đó F là hàm biểu diễn qua hàm ra của hệ thống với m là số chỉ tiêu trong hệthống chỉ tiêu đánh giá

+ Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn các hàm số mà nó cần đượcđưa về cực trị, có dạng (2.2):

Fj(Y) max(min) với j = 1, hoặc với j = 1,m (2.2)

Hệ thống chỉ tiêu đánh giá có dạng hỗn hợp, tức là một số chỉ tiêu đánh giáđược mô tả bằng hàm mục tiêu trên, số còn lại đươc mô tả như một ràng buộc của hệthống về mục tiêu, có dạng sau:

Fj(Y) max(min)Fj(Y) ≤ Sj với j= 1,m (2.3)

e Hệ thống phương pháp luận trong phân tích hệ thống

Phương pháp tối ưu là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mụctiêu bằng cách đưa chúng về các bài toán tối ưu

Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng các mô hình mô phỏng đểđánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều kiển nó Sự phân tích chất lượngcủa hệ thống được tiến hành bằng cách đưa ra tất cả các tình huống hoặc phương án cóthể và phân tích tất cả các phản ứng của hệ thống mà ta quan tâm tương ứng với cáctình huống đặt ra Theo sự phân tích đó người nghiên cứu lựa chọn nghiệm của bàitoán trong số các tình huống đã được đặt ra Như vậy, phương pháp mô phỏng chỉ tìmnghiệm trong tập hợp hữu hạn các tình huống, bởi vậy nghiệm của bài toán có thểkhông trùng với nghiệm tối ưu

Phương pháp tối ưu hoá: phương pháp này kết hợp với phương pháp mô phỏngđược sử dụng song song trong quá trình tìm lời giải tối ưu khi thiết kế và điều khiển hệthống Phương pháp tối ưu là phương pháp cho lời giải tối ưu, còn phương pháp môphỏng cho lời giải gần tối ưu Phương pháp tối ưu hoá là phương pháp xác định lờigiải của hệ thống theo mục tiêu khai thác hệ thống bằng cách lượng hoá chúng thànhcác hàm mục tiêu

Do hạn chế của phương pháp tối ưu như chỉ tìm được nghiệm tối ưu cục bộ dohạn chế của phương pháp toán học v.v nên có thể bỏ sót các phương án tốt hơn vì vậyngười ta sử dụng phương pháp mô phỏng phân tích lựa chọn bài toán

Hệ thống các quan điểm và nguyên lý tiếp cận hệ thống bao gồm:

+ Hệ thống các quan điểm: Khi nghiên cứu một hệ thống cần xem xét các qui luật của

hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa các thành phần cấu thành hệ thống và quan

hệ của hệ thống với môi trường tác động lên nó Quan điểm đó phải được lượng hóabằng các mô hình toán học mô tả các quá trình của hệ thống Động thái và xu thế pháttriển của hệ thống được xác định nhờ các mô phỏng, và qua đó có thể phát hiện các tác

động hợp lý lên hệ thống Sự phân tích hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa cácquá trình trong hệ thống sẽ phát hiện tính “trồi”, mà nó không nhận biết được nếu chỉphân tích các quá trình riêng rẽ của hệ thống.

+ Lý thuyết phân tích hệ thống thừa nhận tính bất định của hệ thống, bao gồm bất định

về mục tiêu, bất định về sự trao đổi thông tin trong hệ thống, sự hiểu biết không đầy đủcủa người nghiên cứu về hệ thống và bất động do sự tác động ngẫu nhiên từ bên ngoài.Với các hệ thống lớn, tồn tại nhiều mối quan hệ phức tạp liên quan đến nhiều lĩnh vựckhác nhau Bởi vậy, LTPTHT tôn trọng và thừa nhận tính liên ngành Khi nghiên cứucác hệ thống phức tạp như vậy, cần thiết có sự tham gia của nhiều ngành khoa học.Trong quá trình nhận nghiệm phải xem xét đến quyền lợi của những đối tượng khácnhau và quan hệ qua lại giữa chúng trong hệ thống Nếu các quyết định chỉ vì quyềnlợi cục bộ thì trong quá trình phát triển của hệ thống, các quy luật được thiết lập đốivới hệ thống sẽ bị phá vỡ

Thừa nhận tính bất định, LTPTHT chú trọng sự kết hợp giữa phương pháp hình thức

và phương pháp phi hình thức, kết hợp giữa phân tích toán học và kinh nghiệm và tôntrọng vai trò của tập thể trong nghiên cứu

+Nguyên lý tiếp cận hệ thống: Đối với những hệ thống phức tạp do có sự tồn tại cácyếu tố bất định trong hệ thống, người nghiên cứu không thể ngay một lúc phát hiệnnhững tính chất của hệ thống, cũng không thể dự báo ngay được xu thế phát triển của

hệ thống Do đó, các mục tiêu khai thác hệ thống cũng chỉ hình thành rõ nét sau khi

Thu thập các thôngtin liên quan đến hệ

thống

Xác định mụctiêu khai thác hệthống

Xác định hệ

thống chỉ tiêu

đánh giá

Thiết lập mô hình môphỏng hệ thống theo mụctiêu khai thác và hệ thốngchỉ tiêu đánh giá

Đánh giá

Bổ sung việc thuthập thông tin

và điều chỉnh mụctiêu khai thác hệthống

Không đạt Đạt mục

tiêu khai thác

Đạt

Hỡnh 2.1.Sơ đồ nguyờn lý tiếp cận hệ thốngQuỏ trỡnh tiếp cận hệ thống theo sơ đồ này là quỏ trỡnh tỡm lời giải của hệ thốngtrờn cơ sở liờn tiếp là rừ mục tiờu của khai thỏc hệ thống, và xem xột sự cần thiết bổsung thụng tin về hệ thống

Nguyờn lý tiếp cận từng bước trong phõn tớch hệ thống phức tạp được coi như