Nghiên cứu xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả trạm bơm tiêu nước ra sông đuống nghiên cứu điển hình cho trạm bơm phù đổng hà nội

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 Các kết 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

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp Luận văn Thạc sỹ chuyên ngành Quy hoạch và quản lý tài

nguyên nước với đề tài “Nghiên cứu xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả trạm

bơm tiêu nước ra sông Đuống: Nghiên cứu điển hình cho trạm bơm Phù Đổng – Hà Nội” đã được hoàn thành

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 Tuấn Anh 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 đã đem lại cho tác giả những kiến trúc bổ trợ vô cùng có ích trong những năm học vừa qua

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

Xin trân trọng cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng 04 năm 2017

Tác gi ả luận văn

Tr ịnh Thị Hương

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

CH ƯƠNG 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

CH ƯƠNG 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

2.3 Xây dựng mô hình tính toán 23

2.4 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 thường xuyên: CSC 28

d Xỏc định chi phớ khỏc C khỏc 29

CH ƯƠNG 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

3.2.2 Xỏc định cỏc mực nước đặc trưng tại bể hỳt TK bh Z ,Zmaxbh ,Zminbh 46

Xỏc định cỏc 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

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 Z 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 Zđcvà Zminbt , 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

Bảng 3.16 Bảng tổng hợp kết quả chi phí tổng của 20 phương án 67

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Chi phí xây dựng cống xả và bể xả của từng PA 75

Phụ 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 tích tiêu cho toàn lưu vực là 690ha (bao gồm đất nông nghiệp và dân cư) Trạm bơm Phù Đổng và các công trình nối tiếp được xây dựng năm 1974 Hiện nay, trạm bơm Phù Đổng và các công trình nối tiếp đã xuống cấp toàn bộ và đã được thành phố Hà Nội cho đầu tư xây dựng trạm bơm gồm 4 máy loại AFLX 1203 50Hz, một số công trình nối 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 bố trí bể tháo liền với cống xả qua đê thì việc xác định Zđc còn theo ý kiến chủ quan của người thiết kế Vì đến này chưa có quy chuẩn, tiêu chuẩn, hay hướng dẫn cụ thể nào nói về vấn đề Nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê cao thì khi bơm nước lên bể tháo cao, qua cống xả và chảy xuống qua dốc tiêu năng để nối tiếp với dòng chảy trong kênh tháo ngoài đê (khi mực nước ngoài sông thấp), điều này cho thấy lãng phí năng lượng bơm Nếu chọn cao trình đáy cống xả thấp thì dẫn đến cao trình đáy bể tháo thấp tức chiều cao bể tháo lớn, cống xả phải đặt sâu, do đó sẽ làm tăng chi phí xây dựng 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 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 đê cho 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, bể thỏo 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 đồng

phía sông

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

+ Cống xả cỏch xa bể thỏo

phía sông phía đồng

Hỡnh 1.2 - Sơ đồ cống xả qua đờ cỏch xa bể thỏo

1.1.3 Cỏc điều kiện kỹ thuật khi thiết kế cống xả

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

Vỡ vậy với mỗi bộ phận phải tớnh toỏn tĩnh học theo cỏc quy phạm kỹ thuật đó ban hành

Hỡnh dạng mặt trong của cống phải đảm bảo điều kiện thủy lực cho dũng chảy vào cống thuận lợi

Cần tớnh toỏn, thiết kế, kiểm tra bể tiờu năng sau cống, để trỏnh xúi lở ở hạ lưu

và tăng ổn định cho cống

Chiều dài bể tiờu năng phải đảm bảo khụng gõy xúi lở Tất cả cỏc kớch thước của cống xả (chiều rộng, chiều dài, chiều sõu) phải được xỏc định trờn cơ sở tớnh toỏn thủy lực, khi cần phải thớ nghiệm mụ hỡnh Đồng thời phải thỏa món cỏc yờu cầu lắp rỏp, sửa chữa thiết bị và quản lý được thuận lợi

1.1.4 Phương phỏp xỏc định cao trỡnh đỏy cống xả

Cao trỡnh đỏy cống xả hợp lý ràng buộc bởi điều kiện:

Z1ngàymin 90%: Mực nước bình quân 1 ngày min ứng với tần suất thiết kế 90%

* Xác định Z 2

Z2 = Ztườngbểtháo - Hmax + ht (1.3)Trong đó:

Cao trình tường bể tháo Ztườngbểtháo=

max bt

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

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

Zđc=[Zmaxđc ,Zminđc ] 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

- Xác định các kích thước bể tháo hợp lý

Hình 1.3 Bể tháo thẳng dòng có thiết bị nắp ống đẩy Tính 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)

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)

hkmin – Chiều sâu nhỏ nhất trong kênh tháo trường hợp có kênh tháo ngay sau bể tháo

Độ sâu lớn nhất của giếng tiêu năng tính theo công thức (1.9):

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

hkmax – Chiều sâu lớn nhất trong kênh: hkmax = max

bt

Z - Zđk (1.10) max

bt

Z : 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, nếu không có điều kiện gì đặc biệt thì lấy theo bảng (1.1)

Bảng 1.1.Xác định chiều cao dự trữ a Lưu lượng của trạm Q (m3

Với K là hệ số phụ thuộc vào dạng của thềm ra khỏi giếng tiêu năng, hình dạng tiết

diện miệng ra ống đẩy, hình dạng và chiều cao của thềm, lấy theo bảng (1.2)

2 2,5

6,5 5,8

-

-

-

4 1,6

1 0,85 0,85 Các kết quả tra hệ số K ở trên và tính toán xác định chiều dài giếng tiêu năng ứng với miệng ra hình tròn, khi miệng ra hình chữ nhật thì rút bớt 20%

Chiều dài đoạn kênh tháo cần bảo vệ mái và đáy

Lbv= (4÷5) hkmax (m) (1.14) Chiều rộng phía trong bể tháo với đường kính ống đẩy bằng nhau là:

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 dạng hình 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

Z để tính toán cột nước bơm nhỏ nhất

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

Zđáy bể tháo= min

bt

Z - hngmin - Do – P (1.17) Cách xác định min

bt

Z

+ Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê

Xác định cao trình đáy kênh

Z Mực nước bể tháo thiết kế: TK

+ Trường hợp bể tháo xây liền cống xả qua đê

Trường hợp bể tháo xây liền cống xả thì:

Zminbt = Zđc + Hcmin (1.21)

Trong đú:

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 thỏo nhỏ nhất min

bt

Z cũn theo ý chủ quan của người thiết kế vỡ đến nay vẫn chưa cú một quy định 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 ống đẩy, sẽ tiờu tốn năng lượng hơn Cao trỡnh tõm miệng ống đẩy

Zmiệng ống đẩy = Zđỏy bể thỏo + P + DoNếu chọn (Zđc ) cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ cao hay ( min

bt

Z ) 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 nước ngoài sụng thấp), điều này cho thấy việc lóng phớ năng lượng bơm

Ngược lại, nếu chọn (Zđc ) cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ hay ( min

bt

Z ) thấp xem hỡnh (1.5) thỡ dẫn đến cao trỡnh đỏy bể thỏo thấp tức chiều cao bể thỏo lớn và cống xả

phải đặt sõu, do đú sẽ làm tăng chi phớ xõy dựng bể xả và cống xả

phía đồng

phía sông

Hỡnh 1.4 Sơ đồ cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ cao

Z còn theo ý chủ quan của người thiết kế vì đến nay vẫn 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 phí xây dựng và chi phí quản lý cao, gây lãng phí ngân sách nhà nước.Vì thế, trong những năm gần đây, lý thuyết phân tích hệ thống và lý thuyết tối ưu hoá đã được áp dụng nhiều trong các bài toán về quy hoạch, thiết kế, quản lý, vận hành tối ưu các hệ thống nói chung và hệ thống thuỷ lợi nói riêng Trong đó, bài toán thiết kế tối ưu các công trình trong hệ thống tưới, tiêu, cấp, thoát nước đã được một số tác giả trong nước nghiên 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 hệ thống tiêu bằng trạm bơm vùng trồng lúa với chỉ tiêu tối ưu là chỉ số NPV (Giá trị thu nhập ròng quy về thời điểm hiện tại) Gía trị hệ số tiêu thiết kế nào tương ứng với giá trị NPV max thì đó là giá trị hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm

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 và hình 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 đã đưa ra nhiều phương án khác nhau về biên giới bơm tưới giữa trạm bơm Văn Giang đã được xây dựng và trạm bơm mới cần được xây dựng, ứng với từng phương án tính được: chi phí xây dựng ban đầu, chi phí quản lý hàng năm và hiệu ích đem lại của công trình, từ đó tính được giá trị NPV, phương án về biên giới bơm tưới nào cho giá trị 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 bơm nối 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 án đường 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 kế tối ưu trạm bơm tưới vùng cao qua chỉ tiêu tối ưu là tổng chi phí quy về năm đầu nhỏ nhất

Trong luận văn này, phương pháp tối ưu hoá sẽ được áp dụng để xây dựng bài toán xác định cao trình đáy cống xả hợp lý và mực nước bể tháo nhỏ nhất cho các trạm bơm 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 công trình 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 công trình sử dụng nhiều năng lượng Vì vậy, việc tối ưu hóa các thông số thiết kế và điều kiển 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 hành quản lý, mà nó còn được tạo tiền đề có tính chất quyết định ngay từ bước quy hoạch thiết kế

Vì vậy, để vận hành và quản lý trạm bơm có hiệu ích tốt nhất thì ta phải vận dụng 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 sử dụng rộng rãi trong qui hoạch thiết kế và tự động hóa trong quản lý các hệ thống tưới tiêu

Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến nay 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 và quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông nghiệp 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 phương pháp hệ thống cho phép tối ưu trong việc quy hoạch sử dụng nguồn nước

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

→ khu tưới; có mối tác động tương hỗ lẫn nhau thành một tập hợp đầy đủ làm nhiệm

vụ tưới Tương tự ta có hệ thống công trình trạm bơm tiêu

Lấy ví dụ đơn giản, khi thiết kế hệ thống tiêu úng tự chảy, khả năng tiêu tự chảy của hệ thống phụ thuộc vào khả năng gặp gỡ của vô số các tổ hợp giữa mưa và mực nước ngoài sông Nếu ta chọn mô hình trạng thái mà mưa trong đồng và mực nước ngoài sông có cùng tần suất thiết kế, khi đó tần suất thiết kế đảm bảo tiêu sẽ nhỏ hơn nhiều so với tiêu chuẩn thiết kế Thông số công tác của trạm bơm tiêu có thể thiên lớn, trong quản lý sau này xảy ra tình trạng là thời gian sử dụng công suất của trạm bơm rất nhỏ, gây lãng phí Vì vậy nếu xem xét mối quan hệ tương tác giữa mưa đồng và mực nước sông, thì các thông số công tác của trạm bơm sẽ khác hẳn và hợp lý hơn

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 thành phần 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 vào cấu trúc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi là tham số cấu trúc Như vậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đã kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trúc mà mối 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 để nhận đực các thông tin ra của hệ thống

Thông tin ra của hệ thống là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiên cứu 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 là các biến gọi là biến vào, biến ra Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộc vào thời 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 biến không 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 biến vào điều kiển được Biến ra của hệ thống có thể là quá trình năng lượng tiêu hao cho trạm bơm tiêu là hàm của các biến vào, cũng có thể là sự biến đổi mực nước trong khu tiêu

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

Điều quan trọng nhất của người làm hệ thống là phải xác định được đâu là biến vào, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thái Ngoài ra, cũng phải mô phỏng được quá 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 biến điều kiển được, ngược lại là hệ có điều kiển Nói chung biến điều kiển và biến trạng thái 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 kiển được thực hiện bởi người điều kiển Sauk hi phân tích, so sánh người điều kiển trực tiếp 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 toàn được tự động hóa

Hệ tất định và hệ ngẫu nhiên: hệ tất định là hệ mà các biến vào, biến ra, các ràng buộc và mối quan hệ giữa các phần tử trong hệ thống là những hàm tất định Một trong 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 hệ thống chứa các yếu tố bất định, tức là các yếu tố cấu thành hệ thống không được xác định hoặc không có đủ thông tin để xác định nó Các yếu tố bất định của hệ thống bao gồm 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 chia thành các hệ thống con Sự phân chia các hệ thống lớn thành các hệ thống con tùy thuộc vào kích cỡ, đặc thù của hệ thống và các phương pháp phân tích được áp dụng với 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 kênh hoặc 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 tối

ưu

+ 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 được như 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 học nhất thiết phải nhất thiết phải tìm được những yếu tố chủ yếu quyết định bản chất của hiện tượng và các yếu tố thứ yếu từ đó tiến hành việc đơn giản hóa hệ thống Để đơn giản hóa hệ thống có thể lược bỏ hoặc hợp nhất một số yếu tố thứ yếu nhưng nhất thiết phải 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 phát triển hệ thống là bài toán bắt buộc phải giải quyết việc hình thành hệ thống trong tương lai kéo dài trong nhiều năm

- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả và lượng hoá theo dạng khác nhau, có thể 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 thức hoặc 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 hệ thống chỉ tiêu đánh giá

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

Fj(Y) → max(min) với j = 1, hoặc với j = 1,m (2.2) Các hàm Fj(Y) trong trường hợp này được gọi là hàm mục tiêu

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

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 mục tiêu bằng cách đưa chúng về các bài toán tối ưu

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

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

Do hạn chế của phương pháp tối ưu như chỉ tìm được nghiệm tối ưu cục bộ do hạn chế của phương pháp toán học v.v nên có thể bỏ sót các phương án tốt hơn vì vậy người 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 hóa

bằng các mô hình toán học mô tả các quá trình của hệ thống Động thái và xu thế phát triển 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 các quá trình trong hệ thống sẽ phát hiện tính “trồi”, mà nó không nhận biết được nếu chỉ phân 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 đủ

của 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 vực khác nhau Bởi vậy, LTPTHT tôn trọng và thừa nhận tính liên ngành Khi nghiên cứu các 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 khác nhau và quan hệ qua lại giữa chúng trong hệ thống Nếu các quyết định chỉ vì quyền

lợi cục bộ thì trong quá trình phát triển của hệ thống, các quy luật được thiết lập đối

với 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 tôn

trọng 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 các yếu tố bất định trong hệ thống, người nghiên cứu không thể ngay một lúc phát hiện những 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 thử phản ứng của hệ thống bằng các kỹ thuật phân tích hợp lý được mô tả hình (2.1):

ĐạtKhông đạt

Thu thập các thông tinliên quan đến hệ thống

Xác định mục tiêukhai thác hệ thống

Xác định hệ thốngchỉ tiêu đánh giá

Thiết lập mô hình mô phỏng

hệ thống theo mục tiêukhai thác và hệ thốngchỉ tiêu đánh giá

Đánh giá

Đạt mục tiêukhai thác

Bổ sung việcthu thập thông tin

và điều chỉnh mục tiêu

khai thác hệ thống

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

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

là một nguyờn tắc đối với người nghiờn cứu hệ thống

2.2 Lý thuyết tối ưu hoá ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu

bằng động lực

2.2.1 Phân loại tổng quát các mô hình tối ưu

Hiện nay tồn tại khá nhiều phương pháp tối ưu hoá có phạm vi ứng dụng khác nhau Trong bài toán kỹ thuật người ta cố gắng đưa các bài toán tối ưu về dạng chuẩn tắc đã có và có thể giải được

Bài toán tối ưu tổng quát có thể mô tả như sau:

a Bài toán quy hoạch tuyến tính

Bài toán (2.4) và (2.5) gọi là tuyến tính, nếu hàm mục tiêu và các ràng buộc đều là hàm tuyến tính đối với các biến số của véc tơ X=( x1, x2, , xn), tức là:

F (X)= ∑

=

n i

i

i x c

1

n i

jx b

a <

và xi> 0 với i= 1, 2, …,n;

Trong đó: aj là các hệ số của phương trình ràng buộc; ci là hệ số của phương trình hàm mục tiêu

b Bài toán quy hoạch phi tuyến

Bài toán phi tuyến chia ra làm hai loại: qui hoạch lồi và qui hoạch lõm Bài toán qui hoạch phi tuyến lồi là bài toán mà hàm mục tiêu là hàm lồi, còn các ràng buộc tạo thành một tập hợp lồi Bài toán tối ưu có ràng buộc được gọi là tối ưu có điều kiện, hay còn gọi là bài toán cực trị vướng

c Bài toán cực trị phiếm hàm

Bài toán tối ưu mà hàm mục tiêu có dạng dưới đây được gọi là bài toán cực trị phiếm hàm: ( )= ∫1 ( , , )

x

x o

dx x Z Z F Z

Có nhiều loại mô hình nhưng mô hình toán học cho phép nghiên cứu phân tích

hệ thống dễ dàng hơn và kinh tế hơn.Mô hình toán học bao gồm một số biến đặc trưng định lượng cho các yếu tố chính tham gia vào các quá trình được xét và một hay nhiều phương trình ràng buộc các biến đó với nhau, nhằm mô tả những mối lien hệ và tương tác giữa các yếu tố nói trên Mô hình toán có thể biểu đạt dưới dạng chung:

Hàm số mục tiêu có thể max(min) F=f(X,Y)

Điều kiện ràng buộc g(X,Y)=0

x0 ≤ x ≤ xm

Trong đó: X= (x1,……., xn), x0, xm là giới hạn trên, dưới của X

Y= (y1,……., ym)

Có nhiều loại mô hình toán khác nhau Để phân tích hệ thống tưới tiêu thường

dùng các mô hình tuyến tính, mô hình phi tuyến và mô hình động

Các bước lập mô hình toán

+ Trên cơ sở điều tra nghiên cứu tiến hành phân tích tổng hợp hệ thống

+ Xây dựng sơ đồ khái quát hệ thống

+ Phân tích xác định các biến lượng, các hằng số và các tham số có quan hệ

+ Lập hàm số mục tiêu

+ Thành lập các công thức số học của điều kiện ràng buộc

+ Giải bài toán và hiệu chỉnh mô hình

b Hàm số mục tiêu

Để phân tích một hệ thống phải xác định rõ ràng mục tiêu cần đạt được Các hệ thống công trình thuỷ lợi có thể có một mục tiêu hoặc nhiều mục tiêu Mục tiêu có thể được biểu thị bằng các đại lượng kinh tế

Khi qui hoạch và thiết kế hệ thống công trình tưới tiêu nói chung, việc tìm ra phương án tối ưu dựa vào mô hình toán mà hàm số mục tiêu là hiệu quả thu được lớn nhất: maxZ(x)=B(x)-K(x)-C(x)

Ở đây:

X= (x1,……., xn) biến lượng biểu thị các phương án (dung tích hồ chứa, qui mô trạm bơm, qui mô cống…)

B: Lượng tăng sản bình quân năm (đồng)

K: Đầu tư chiết tính hàng năm của công trình đầu mối, kênh mương và các công trình trên kênh

Nếu hiệu quả kinh tế được xác định thì hàm số mục tiêu là phí tổn chiết tính hàng năm minZ(x) là bé nhất

Để luận chứng phương án điều hành tối ưu các trạm bơm tưới tiêu, người ta có thể dùng hàm mục tiêu là chi phí bơm nước nhỏ nhất Ví dụ có n trạm bơm tiêu cho m khu vực, hàm mục tiêu sẽ là:

minZ(x) = ∑∑

= =

n i

ij ij m j

X c

1 1

(2.14)

Cij: Chi phí cho đơn vị lượng nước tưới hoặc tiêu đ/m3

Xij: Lượng nước tưới hoặc tiêu của trạm bơm i bơm cho khu vực j (m3

)

c Điều kiện ràng buộc

Điều kiện ràng buộc thường biểu thị dưới dạng hàm số, phương trình phản ánh qui luật hoạt động của hệ thống, là sự quan hệ tương hỗ giữa các yếu tố tính năng của công trình

Đối với cỏc cụng trỡnh thuỷ lợi núi chung và cỏc trạm bơm núi riờng điều kiện ràng buộc là cỏc phương trỡnh biểu thị:

+ Trạng thỏi hoặc tớnh năng của hệ thống như: cỏc phương trỡnh cõn bằng của hệ thống trạm bơm hay cỏc quan hệ biểu thị tớnh năng thuỷ lực của cụng trỡnh như tớnh năng kờnh, tớnh năng cống, tớnh năng trạm bơm

+ Cỏc giỏ trị giới hạn của cỏc yếu tố như lưu lượng giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất, ỏp lực, mực nước, cụng suất…

2.3 Xõy dựng mụ hỡnh tớnh toỏn

Bài toỏn được đặt ra như sau:

Cỏc thụng số thiết của trạm bơm được xỏc định trước:

+ Lưu lượng yờu cầu: QTK, Qmax, Qmin

+ Cỏc số liệu về mỏy bơm: số mỏy, loại mỏy, đường đặc tớnh mỏy bơm

+ Số liệu về mực nước bể hỳt, bể thỏo: TK

+ Cỏc tài liệu khỏc cú liờn quan

Yờu cầu đặt ra là: Xỏc định mực nước bể thỏo nhỏ nhất min

bt

Z và cao trỡnh đỏy cống Zđc hợp lý để tớnh toỏn thiết kế cống xả qua đờ nối tiếp với trạm bơm tiờu nước

ra song thoả món mục tiờu cho trước

Sơ đồ tớnh toỏn trạm bơm tiờu xem hỡnh (2.2) sau đõy:

phía đồng

phía sông

Hỡnh 2.2 Sơ đồ trạm bơm tiờu

2.4 Phương phỏp giải bài toỏn

Áp dụng lý thuyết tối ưu hoỏ vào bài toỏn xỏc định cao trỡnh đỏy cống xả qua đờ hợp cho cỏc trạm bơm tiờu nước ra sụng và sử dụng phương phỏp so sỏnh trực tiếp, cỏc bước giải bao gồm:

- Với lưu lượng cho trước, đưa ra nhiều phương án khác về cao trình đáy cống xả qua

đê và cao trình mực nước bể tháo nhỏ nhất (cao trình đáy bể tháo phụ thuộc vào cao trình mực nước bể tháo nhỏ nhất)

- Với mỗi phương án thiết kế, xác định được các chỉ tiêu kinh tế (hàm mục tiêu) So sánh kinh tế giữa các phương án bằng hàm mục tiêu sẽ lựa chọn ra được một phương

án tối ưu về kinh tế Các bước tính toán thể hiện trong sơ đồ hình (2.3)

Hình 2.3.Sơ đồ lựa chọn phương pháp tối ưu

2.5 Hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc

2.5.1 Các chỉ tiêu tối ưu

Trong các bài toán tìm phương án thiết kế tối ưu, các chỉ tiêu tối ưu sau được sử dụng

a Chỉ tiêu tối ưu về giá trị thu nhập dòng quy về thời điểm hiện tại NPV max :

−+

i

C B C

NPVj NPV

1 max

)1(max

×

− +

×

− +

i i

i C

B C

) 1 (

1 ) 1 ( ) (

=+

∑

T T

t

t

i i

i i

Vi

)1(

1)1()1(

11Phương án chấp nhận khi NPV > 0

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

IRRmax = max{ }IRR j

Đề xuất các phương án về cao trình đáy cống xả hoặc min

btZ

Tính toán xác định các chỉ tiêu kinh tế (hàm mục tiêu) cho từng phương án

So sánh các phương án qua sử dụng hàm mục tiêu để tìm phương án tối ưu

IRRj = i1 + (2 1)

2 1

1

i i NPV NPV

NPV

−

Phương án chấp nhận được khi: IRR > [i]

c Chỉ tiêu tối ưu về tổng chi phí và vốn đầu tư quy về năm đầu C min

×

−+

T

i i

i

1

11

×

−+

×

T

bqj XDJ

i i

i C

C

1

11

(2.17’’)

Trong đó:

NPVj: Giá trị thu nhập dòng quy về thời điểm hiện tại tương ứng với phương án j

CXDj: Vốn đầu tư xây dựng ban đầu tương ứng với phương án j

Bt: Thu nhập năm thứ t tương ứng phương án j

Ct: Chi phí năm thứ t tương ứng phương án j

i: Lãi suất tính toán

t: Biến chạy: t = 1÷T

T: Tuổi thọ công trình (năm)

Bbq: Thu nhập tính bình quân nhiều năm

Cbqj: Chi phí quản lý bình quân hàng năm tương ứng phương án j

IRRj: Hệ số nội hoàn kinh tế tương ứng với phương án j

i1: Lãi suất cho NPV1 > 0

i2: Lãi suất cho NPV2 < 0 [i]: Lãi suất cho phép

Cj: Tổng vốn đầu tư và chi phí hàng năm quy về năm đầu tương ứng với phương án j

2.5.2 Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu - hàm mục tiêu

Trong 3 chỉ tiêu tối ưu trên, chỉ tiêu tối ưu về NPV và IRR thường được áp dụng cho những bài toán xác định phương án tối ưu khi chi phí và hiệu ích là thay đổi theo các phương án khác nhau

Trong luận văn này, xét bài toán xác định phương án tối ưu khi hiệu ích do công trình đem lại là không thay đổi theo các phương án khác nhau vì các phương án

cao trình đáy cống khác nhau đều phải đảm bảo dẫn lưu lượng Q và tổng lượng W như nhau, nghĩa là: Bj= const, cho nên phương án có NPVmax cũng chính là phương án

có Cmin Vì vậy để cho việc tính toán nhanh hơn, ở đây chọn chỉ tiêu tối ưu là chi phí nhỏ nhất Cmin

Do vậy mục tiêu của bài toán này là:

×

− +

×

XDj

i i

i C

C

) 1 (

1 1

(2.18)

2.5.3 Điều kiện ràng buộc

+ Về lưu lượng: Đảm bảo đủ lưu lượng theo yêu cầu

Q (j) = Q (j = 1 ÷ n) + Về tổng lượng nước: Đảm bảo đủ tổng lượng nước theo yêu cầu

W (j) = W (j = 1 ÷ n) + Về cao trình đáy cống xả hợp lý min

Cbểtháo - Chi phí xây dựng bể tháo;

Ccốngxả - Chi phí xây dựng cống xả;

Cnhà trạm - Chi phí xây dựng nhà trạm, bể hút, kênh dẫn, kênh tháo;

Cthiếtbị - Chi phí thiết bị;

Trong các loại chi phí trên coi chi phí xây dựng nhà trạm và chi phí thiết bị là không thay đổi theo các phương án Chi phí xây dựng cống xả và chi phí xây dựng bể tháo được xác định trên cơ sở bản vẽ thiết kế, lập dự toán tính khối lượng xây dựng theo các phương án khác nhau

2.6.2 Xác định chi phí quản lý hàng năm bình quân

Đối với từng phương án, chi phí quản lý hàng năm bình quân được xác định như sau:

Cquản lý = Cđiện + Clương + Csc + Ckhác (2.20)

Trong đó:

Cquản lý: Chi phí quản lý hàng năm bình quân (đ);

Cđiện : Chi phí điện trong 1 năm của trạm bơm tính bình quân nhiều năm (đ);

Clương : Chi phí lương công nhân vận hành 1 năm của trạm bơm (đ);

Csc : Chi phí sửa chữa duy tu bảo dưỡng trong 1 năm;

Ckhác : Chi phí khác trong 1 năm (đ) ;

a Xác định chi phí điện trong 1 năm

TB

i b i n

γ : trọng lượng riêng của nước γ = 9,81 (KN/m3)

Qi: Lưu lượng bơm của trạm trong thời kỳ thứ i;

Ti: Thời gian bơm thời kỳ thứ i;

S: Sức cản đường ống máy bơm

ηB: Hiệu suất của trạm bơm

ηTB =ηmb *ηtr * ηđc * ηmạng (2.22)+ ηmb: Hiệu suất của máy bơm tra theo đường đặc tính (Q∼η)

+ ηtr: Hiệu suất truyền động từ động cơ sang máy bơm ηtr = 1,0 + ηđc: Hiệu suất của động cơ, sơ bộ lấy ηđc = 0,85

+ ηmạng: Hiệu suất của mạng điện tính từ động cơ đến đồng hồ công tơ điện, sơ bộ lấy

ηmạng = 0,9

b Xỏc định chi phớ lương

Chi phớ tiền lương là khoản tiền chi trả cho cụng sức lực lượng lao động tham gia vào quỏ trỡnh sản xuất của doanh nghiệp (gồm cả lao động ngắn hạn, hợp đồng dài hạn) bao gồm: quỹ lương cơ bản, bảo hiểm xó hội, bảo hiểm lao động, khen thưởng và cỏc khoản phụ cấp khỏc

Chi phớ tiền lương được tớnh toỏn dựa vào chế độ tiền lương hiện hành do nhà nước quy định và số cỏn bộ nhõn viờn của doanh nghiệp

Cỏch xỏc định chi phớ tiền lương như sau:

Trong đú:

- CNbq: Số cụng nhõn viờn bỡnh quõn làm việc trong năm của doanh nghiệp (người)

- TLbq: Mức lương bỡnh quõn của mỗi cụng nhõn viờn trong 1 năm của doanh nghiệp (đ/ng/năm)

- CNbq: Phụ thuộc vào những yếu tố cơ bản sau:

+ Tỡnh hỡnh tự nhiờn (địa hỡnh, thổ nhưỡng, khớ hậu) khu vực do hệ thống phụ trỏch + Đặc điểm sản xuất và yờu cầu dựng nước trong khu vực

+ Dạng loại, quy mụ và nhiệm vụ của hệ thống

+Số lượng và thành phần, chủng loại của cỏc cụng trỡnh trong hệ thống

+ Mức độ tập trung hay phõn bố cỏc cụng trỡnh trong hệ thống

+ Mức độ trang bị kỹ thuật của hệ thống (tự động, cơ khớ, thụng tin)

+Tỡnh hỡnh quản lý, tổ chức sản xuất, bố trớ cỏn bộ và điều hành nhõn lực của đơn vị

c Xác định chi phí sửa chữa thường xuyên: C SC

Chi phớ sửa chữa thường xuyờn là số tiền mà doanh nghiệp phải bỏ ra hàng năm

để thực hiện tu bổ kờnh mương sửa chữa nhỏ cụng trỡnh, bảo dưỡng mỏy múc thiết bị, nhằm bảo đảm cho cụng trỡnh hoạt động bỡnh thường; CSC phụ thuộc vào loại hỡnh cụng trỡnh, mức độ phõn tỏn

Ở đõy xỏc định CSC theo phương phỏp kinh nghiệm:

CSC = Ssc * CXD (2.24) Trong đú:

CXD: Vốn đầu tư xõy dựng cụng trỡnh;

Ssc: Hệ số sửa chữa thường xuyờn, được tớnh bằng %

So với vốn đầu tư xây dựng ban đầu, thì S được lấy như sau:

+ Công trình: lấy bằng (1÷2)% (so với vốn đầu tư công trình)

+ Thiết bị: lấy bằng (3÷5)% với thiết bị nội (0,5÷1)% đối với thiết bị ngoại

×

− +

n n

i i

i

) 1 (

1 1

i i i i i

i

)1(

*

11

)1(

*

1)1(

+

−

=+

−+

=β

C quản lý = Cđiện + Clương + Csc + Ckhác

Trong đó:

β: Hệ số quy đổi tổng chi phí quản lý các năm về năm đầu;

i: lãi suất tính toán;

n: Tuổi thọ của công trình (năm);

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH ĐÁY CỐNG XẢ QUA ĐÊ CHO TRẠM BƠM PHÙ ĐỔNG – GIA LÂM – HÀ NỘI 3.1 Mô tả hệ thống tiêu và trạm bơm tiêu

3.1.1 Điều kiện tự nhiên của hệ thống

a Vị trí địa lý, diện tích

Hệ thống tiêu trạm bơm Phù Đổng nằm trên địa phận xã Phù Đổng thuộc huyện Gia Lâm, phụ trách tiêu úng cho lưu vực bao gồm các xã: Trung Màu, Ninh Hiệp và Phù Đổng Lưu vực được giới hạn như sau:

Phía Nam và phía Đông giáp sông Đuống

Phía Tây giáp xã Ninh Hiệp và xã Dương Hà

Phía Bắc giáp xã Phù Chẩn, thị xã Từ Sơn, tỉnh Bắc Ninh

Tổng diện tích lưu vực tiêu là: 690 ha, toàn bộ diện tích tiêu đã được quy hoạch thành đất đô thị đến năm 2030

b Đặc điểm địa hình

Cao độ trong lưu vực dao động từ +4,50 đến +6,50; cao độ phổ biến trong lưu vực từ +5,0 đến +5,50 Khu dân cư có cao độ lớn hơn +6,0; Diện tích canh tác nông nghiệp hiện tại có cao độ thấp thường nhỏ hơn +6,0

Hướng dốc địa hình từ Tây sang Đông, từ Bắc xuống Nam

c Đất đai thổ nhưỡng

Các xã trong khu vực tiêu của trạm bơm đều nằm trên nền phù sa của sông Đuống Đây là loại đất trồng trọt tốt với đặc tính ít chua đến trung tính, độ PH từ 6÷7, hàm lượng chất dinh dưỡng khá phong phú, thành phần cơ giới thích hợp với nhiều loại cây

trồng

d Điều kiện khí tượng

Vùng dự án hệ thống tiêu Phù Đổng là một vùng nhỏ trong hệ thống khí tượng thủy văn của toàn vùng đồng bằng Bắc bộ nói chung và Hà Nội nói riêng

* Nhiệt độ

- Bình quân 230C Mùa hè cao nhất là 39.80C Mùa đông thấp nhất là 60C Trung bình

là 180C

* Độ ẩm

- Độ ẩm không khí trung bình nhiều năm là 84%, cao nhất vào tháng 8 khoảng 88 – 90%, thấp nhất vào tháng 1 là 80%

* Mưa và phân bố mưa

Tổng lượng mưa bình quân năm 1.680mm, tập trung vào các tháng 6 – 9 chiếm

80 – 90% lượng mưa cả năm

Lượng mưa năm cao nhất: 2.625 mm

Số ngày mưa trung bình năm là 126 ngày

e Điều kiện thủy văn, sông ngòi

Sông Đuống chảy qua khu vực là nơi nhận nước tiêu của vùng

Sông Đuống là một con sông dài 68 km, nối sông Hồng với sông Thái Bình Điểm đầu từ ngã ba Dâu (xã Xuân Canh, huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội tại địa giới giữa 2 đơn vị hành chính là huyện Đông Anh và quận Long Biên của thành phố

Hà Nội) Điểm cuối là ngã ba Mỹ Lộc (xã Trung Kênh, huyện Lương Tài, tỉnh Bắc Ninh)

Về tổng thể sông Đuống chảy theo hướng Tây-Đông Từ năm 1958, cửa sông được mở rộng để trở thành một phân lưu quan trọng giảm sức uy hiếp của lũ sông Hồng đối với Hà Nội

So với lượng lũ của sông Hồng tại Sơn Tây thì sông Đuống tiêu được 20-30 % Tại Thượng Cát, lưu lượng nước trung bình nhiều năm 880 m³/s Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất 9.000 m³/s (ngày 22 tháng 8 năm 1971) Đoạn chảy qua Bắc Ninh dài 42 km Mực nước cao nhất tại bến Hồ vào tháng 8 năm 1945 là 9,64 m, cao hơn so với mặt ruộng là 3~4 m Sông Đuống có hàm lượng phù sa cao, vào mùa mưa trung bình cứ 1

m³ nước có 2,8 kg phù sa

Theo số liệu quản lý vận hành hệ thống tiêu Phù Đổng, mực nước lũ của sông Đuống tại vị trí trạm bơm vào khoảng 5 ~ 11,5m

f Địa chất, địa chất thủy văn

Dựa vào kết quả khoan khảo sát ngoài hiện trường và kết quả phân tích các mẫu đất trong phòng thì khu vực khảo sát có thể chia ra các lớp đất sau:

• Lớp 1: Bùn hữu cơ màu đen

• Lơp 2: Sét pha xám ghi, xám vàng Trạng thái chảy

• Lớp 3: Cát hạt nhỏ xám, xám đen, xám vàng Kết cấu chặt vừa

• Lớp 4: Sét xám vàng, xám xanh loang lổ Trạng thái dẻo cứng

• Lớp 5: Cát hạt nhỏ - vừa xám xanh, xám vàng Kết cấu chặt vừa

Dưới đây là đặc điểm địa chất công trình của từng lớp đất:

+ Lớp 1(Ký hiệu lớp 1 trên hình trụ hố khoan):

Là lớp bùn đáy mương, lớp có bề dày khoảng 0,5-0,6 m

+ Lớp 2( ký hiệu lớp 2 trên hình trụ hố khoan):

Nằm ngay bên dưới lớp bùn Thành phần chủ yếu là sét pha, đôi chỗ gặp sét kẹp cát màu xám ghi, xám vàng; trạng thái chảy đôi chỗ dẻo chảy Bề dày thay đổi từ 2,8

m (tại HK4) đến 5,5m( tại HK2) Đây là lớp đất có sức chịu tải kém và biến dạng lớn

Kết quả phân tích các mẫu đất thể hiện cụ thể trong bảng sau:

Bảng 3.1 Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 2