Hy väng r»ng qua nghiªn cøu cuèn s¸ch häc viªn sÏ tr©n träng viÖc sö dông c¸c kü thuËt tèi u ho¸ vµ ph©n tÝch ®é tin cËy trong viÖc gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån níc.[r]
Trang 1Đại học Quốc gia Hà Nội
trường đại học khoa học tự nhiên
Larry W Mays
và Yeou – Koung Tung
Kỹ thuật và quản lý
hệ thống nguồn nước
Người dịch: Nguyễn Tiền Giang
Nguyễn Thị Nga
Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Trang 2Lời người dịch
Nước là một tài nguyên tự tái tạo nhưng không phải vô hạn Trong những thập niên gần đấy, chúng ta có thể nhận thấy sự gia tăng về tần xuất cũng như cường độ của bão, lũ, hạn hán và các biến cố khí tượng thuỷ văn bất lợi khác, gây ảnh hượng trực tiếp đến đời sống của con người Đồng thời cũng có thể nhận thấy sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp, công cụ được dùng trên thế giới để giải quyết các bài toán trong lĩnh vực bảo vệ, khai thác, sử dụng, phát triển nguồn nước, phòng, chống tác hại do nước gây ra
Để cập nhật các phương pháp và công cụ giải quyết các bài toán quy hoạch và quản lý nguồn nước, phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Thuỷ văn, thuộc khoa KT-TV-HDH, trường ĐHKHTN, nhóm biên dịch đã lựa chọn và tiến
hành biên dịch cuốn “Hydrosystems Engineering and Management” của hai tác giả
Larry W Mays và Yeou – Koung Tung, được nhà xuất bản McGraw-Hill cho ra đời năm 1992 Nội dung của cuốn sách bao gồm một khối kiến thức rất rộng thuộc lĩnh vực tài nguyên nước, do đó có thể dùng cho rất nhiều môn học như Thủy văn đại cương, Tính toán thủy lợi, Kinh tế thủy lợi, Mô hình toán thủy văn, Địa chất thủy văn, v.v
Công việc biên dịch cuốn sách được phân chia như sau: TS Nguyễn Tiền Giang chủ biên và dịch các chương từ 1 đến 9, các chương từ 10 đến 13 do ThS Nguyễn Thị Nga, Khoa KT-TV-HDH, ĐH KHTN đảm nhận
Cuốn sách này được hoàn thành với sự giúp đỡ của NCS Nguyễn Đức Hạnh, CN
Đào Hải Linh trong việc biên soạn bản thảo và TS Trần Ngọc Anh, người hiệu đính Nhóm biên dịch xin chân thành cảm ơn những sự đóng góp quý báu này
Do thời gian và kiến thức có hạn nên bản dịch không tránh khỏi những sai sót Nhóm biên dịch mong nhận được những góp ý quý báu từ đọc giả để có thể hoàn thiện bản dịch trong những lần tái bản sau
Xin chân thành cảm ơn
Trang 3Thay mÆt nhãm biªn dÞch NguyÔn TiÒn Giang
Trang 4
mục lục
lời nói đầu 11
phần 1: các nguyên lý 15
Chương 1 giới thiệu 17
1.1 giới thiệu 17
1.2 mô tả hệ thống nguồn nước 17
1.3 khái niệm hệ thống 21
1.4 các bài toán trong kỹ thuật hệ thống nguồn nước 24
tài liệu tham khảo 32
bài tập 35
chương 2 kinh tế học trong hệ thống nguồn nước 37
2.1 phân tích kinh tế kỹ thuật 37
2.2 phân tích chi phí lợi nhuận 40
2.3 lý thuyết hành vi khách hàng 42
2.4 lý thuyết công ty 49
2.5 cân bằng cầu, cung và thị trường 61
tài liệu tham khảo 63
bài tập 63
chương 3 quy hoạch tuyến tính và những ứng dụng cho hệ thống nguồn nước 67
3.1 quy hoạch tuyến tính 67
3.2 các thuật giải cho quy hoạch tuyến tính 72
3.3 phương pháp đơn hình 78
3.4 phương pháp biến nhân tạo 85
3.5 giải thích thuật toán bảng đơn hình 88
3.6 các trường hợp ứng dụng phương pháp đơn hình 90
Trang 53.7 tính đối ngẫu của phương pháp đơn hình 92
3.8 dạng ma trận của một thuật toán bảng đơn hình 96
3.9 những phương pháp mới để giải các bài toán quy hoạch tuyến tính 99
tài liệu tham khảo 99
bài tập 100
phụ lục 3A 105
chương 4 ứng dụng quy hoạch phi tuyến và quy hoạch động trong hệ thống nguồn nước 113
4.1 quy hoạch động 113
4.2 quy hoạch động sai phân rời rạc 127
4.3 đại số ma trận cho quy hoạch phi tuyến 130
4.4 tối ưu hoá phi tuyến không có ràng buộc 136
4.5 tối ưu hoá ràng buộc: các điều kiện tối ưu 145
4.6 tối ưu hoá phi tuyến có ràng buộc: phương pháp grandient suy giảm tổng quát 148
4.7 tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc: phương pháp pê-nan-ti
159
4.8 tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc: phương pháp chiếu lagrange 162
4.9 các chương trình máy tính quy hoạch phi tuyến 163
tài liệu tham khảo 164
bài tập 167
chương 5 phân tính tính bất định và độ tin cậy của hệ thống nguồn nước 171
5.1 tổng quan về lý thuyết xác suất 171
5.2 những phân phối xác suất thường gặp 181
5.3 phân tích độ bất định 187
5.4 những tính toán độ tin cậy sử dụng phân tích tải trọng – sức tải 190
5.5 tính độ tin cậy sử dụng phân tích thời gian-tới-sự cố 198
5.6 phân tích độ tin cậy của các hệ thống đơn giản 204
5.7 tối ưu hoá độ tin cậy 206
Trang 6thủy 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
Trang 7Kỹ 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