phần Các nguyên lý 14 CHƯƠNG Giới thiệu chung 1.1 giíi thiƯu Tht ng÷ hƯ thèng ngn n­íc V T Chow đưa để diễn tả chung lĩnh vực kỹ thuật thủy văn, thủy lực tài nguyên nước Hệ thống nguồn nước thuật ngữ sử dụng để loại dự án nước, bao gồm hệ thống trữ nước mặt, hệ thống nước ngầm, hƯ thèng cÊp tho¸t n­íc, c¸c hƯ thèng kiĨm so¸t lũ hệ thống thoát nước đô thị, Trong sách này, thuật ngữ hệ thống nguồn nước áp dụng cho hai khái niệm Cuốn sách viết dựa giả thiết kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước chia thành: (1) kỹ thuật quản lý cấp nước; (2) kỹ thuật quản lý nước dư Các dự án nước đa mục tiêu đại thiết kế cho quản lý cấp nước và/hoặc quản lý nước dư Nước tài nguyên tái tạo mà tác động người tuân theo chu trình thủy văn miêu tả hình 1.1.1 Về bản, chu trình thủy văn trình liên tục điểm bắt đầu điểm kết thúc, xem hệ thống Hệ thống tập hợp phần tử nối kết với nhau, tạo thành tổng thể Các thành phần hệ thống thủy văn giáng thủy, bốc hơi, dòng chảy mặt pha khác Chu trình thủy văn toàn cầu hệ thống chia thành ba hệ thống bản: hệ thống nước khí gồm trình giáng thủy, bốc hơi, ngăn giữ nước thực vật thoát nước thực vật; hệ thống nước mặt gồm dòng chảy tràn, dòng chảy mặt, dòng chảy xuất lộ nước ngầm sát mặt; hệ thống nước mặt gồm trình thấm sâu, bổ sung nước ngầm, dòng sát mặt dòng chảy ngầm Sự phân chia hệ thống hệ thống thủy văn toàn cầu thể hình 1.1.2 17 1.2 mô tả hệ thống nguồn nước Các hệ thống nguồn nước gồm có hệ thống cấp nước mặt, hệ thống cấp nước ngầm, hệ thống phân phối nước, hệ thống thoát nước đô thị, hệ thống quản lý bÃi ngập lũ hệ thống khác Mục trình bày số ví dụ loại hệ thống nguồn nước khác Hình 1.1.1 Chu trình tuần hoàn thuỷ văn cân nước trung bình năm, dùng đơn vị tương đối so sánh với giá trị lượng giáng thuỷ lục địa 100 đơn vị (Chow, Maidment, and Mays, 1988) Các hệ thống cấp nước mặt Một ví dụ hệ thống cấp nước mặt toàn diện dù ¸n n­íc bang California (SWP-State Water Project), gåm mét chuỗi các hồ chứa nối với sông, trạm bơm, kênh dẫn, đường ống nhà máy nước hình 1.2.1 miền bắc California, sông Feather chảy vào hồ Oroville, hå chøa chÝnh cđa dù ¸n N­íc tho¸t tõ hồ Oroville chảy qua sông Feather Sacremento tới Delta phần miền nam Delta, trạm bơm Harvey Banks lấy nước vào hồ Bethany nơi mà nước phân bổ cho cống dẫn nước vịnh phía nam (South Bay Aqueduct) cđa SWP vµ cho Governor Edmund B Brown California Aqueduct, chức vận chuyển nước SWP Cống dẫn nước California đặt dọc theo phía tây thung lũng San Joaquin chảy vào hồ San Luis khoảng 100 dặm phía hạ lưu Cống dẫn nước tiếp tục phía nam đầu nước nâng lên 969 fít (1 fít = 0,3m ) bốn trạm bơm (Dos Amigos, Buena Vista, Wheeler Ridge 18 Wind Gap) trước tới rặng núi Tehachapi Trạm bơm Edmonston nâng cột nước lên 1956 fit tới chuỗi đường ống xi-phông Sau qua Tehachapi, nước vào nhánh phía đông (East Branch) nhánh phía tây (West Branch) Nhánh phía đông dẫn nước tới hồ Silverwood nơi mà vào ống San Bernardino hạ xuống 1418 fit qua nhà máy nước Devil Canyon Sau đường ống dÉn n­íc tíi hå Perris ë tËn cïng phÝa nam SWP cách Delta 444 dặm Nhánh phía tây vận chuyển nước qua nhà máy nước Warne vào hồ Pyramid qua nhà máy nước/trạm bơm Castaic vào hồ Castaic, nơi kết thúc nhánh phía tây Cả kỹ thuật mô tối ưu hóa đà Ban tài nguyên nước California sử dụng để vận hành năm hồ chứa dự án theo chế độ điều tiết tháng (Coe Rankin, 1989) Hình 1.1.2 Sơ đồ khối biểu thị hệ thống thủy văn toàn cầu (Chow, Maidment Mays, 1988) 19 Hệ thống nước đô thị quy mô nhỏ nhiều, hệ thống nước đô thị ví dụ khác hệ thống nguồn nước Như hình 1.2.2, 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 sông suối, vận chuyển nước mưa - bÃo qua vùng đô thị Hệ thống nước đô thị chia thành hệ thống nh­ hƯ thèng cÊp n­íc, hƯ thèng n­íc th¶i, hƯ thống tiêu nước đô thị, hệ thống quản lý b·i ngËp lị HƯ thèng cÊp n­íc cã thĨ l¹i chia làm hệ thống bơm nước không qua xư lÝ, hƯ thèng vËn chun n­íc ch­a xư lÝ, tr÷ n­íc ch­a qua xư lÝ, hƯ thèng xư lÝ, hệ thống bơm nước đà xử lí hệ thống phân phối nước Nhiều hệ thống thu gom nước thải đô thị gồm thành phần dòng chảy nước đô thị thêm vào dòng chảy tràn kết hợp với cống nh­ h×nh 1.2.3 Mét hƯ thèng nh­ vËy gåm nước chảy tràn, nước vận chuyển, nước lưu trữ, nước tiếp nhận 20 Hình 1.2.1 Dự án nước bang California (Sabet Coe 1986a, 1986b) Hệ thống nước ngầm Nước ngầm đà đề cập phần chu trình thủy văn Các hệ thống nước ngầm (hình 1.2.4) cấu trúc địa chất, gọi tầng ngậm nước Các tầng ngậm nước có khả trữ nước vận chuyển nước đất Chúng có khả dẫn nước, trữ nước đặc tính chất lượng nước khác nhau, có ảnh hưởng tới việc bơm bổ cập nước Các hệ thống nước ngầm khai thác cung cấp nước cho sinh hoạt, công nghiệp nông nghiệp Những hệ thống đóng vai trò bể chứa nước, xử lí nước ngắn hạn dài hạn Một ví dụ hệ thống nước ngầm tầng ngậm nước Edwards (đới đứt gÃy Balcones) mô tả Hình 1.2.5, trải dài dọc theo vành đai hẹp tõ Austin, Texas qua San Antonio tíi Brackettville, Texas N­íc ngầm sử dụng rộng rÃi cho cấp nước sinh hoạt, công nghiệp nông nghiệp Đồng thời tầng ngậm nước nguồn cung cấp nước cho thành phố San Antonio, Texas Ngoài ra, tầng ngậm nước tạo nên số suối bắt nguồn từ mạch nước ngầm phun lên từ lòng đất, tạo thành cảnh quan du lịch đồng thời tạo thành dòng chảy cho sông suối phía hạ lưu Các suối nước lại cung cấp dòng chảy cho vịnh San Antonio mà hệ sinh thái phụ thuộc vào lượng nước cung cấp Một vấn đề nảy sinh tầng ngậm nước vấn đề khai thác mức phục hồi Hệ thống gồm tầng ngậm nước có áp không áp Phần có áp nằm dọc phía nam có trữ lượng lớn Còn phần không áp đới hồi quy, có lượng nước ngầm vừa phải Độ dày tầng ngậm nước thay đổi khoảng độ sâu từ 400 tới 1000 fít Do tầng ngậm nước có tính thấm cao nên thể tích nước lớn chuyển động nhanh vùng rộng lớn phản ứng mực nước lưu lượng bơm lớn, riêng rẽ có xu hướng bị phân tán bị cục hóa 21 Hình 1.2.2 Các thành phần hệ thống nước đô thị (Grigg, 1986) 1.3 Khái niệm hệ thống Nói chung, hệ thống gồm tập hợp phần tử có tương tác với nhau, hoạt động không lệ thuộc Một hệ thống đặc trưng bởi: (1) biên hệ thống quy tắc xác định liệu phần tử có xem phần hệ thống môi trường; (2) thể tương tác đầu vào đầu với môi trường; (3) thể mối quan hệ tương quan phần tử hệ thống, đầu vào đầu ra, gọi hồi tiếp (feedback) 22 Hình 1.2.4 Hệ thống nước ngầm (McWhorter Sunada, 1977) Tùy thuộc vào mức độ chi tiết dùng để mô hình hóa thành phần hệ thống, phương trình thủy văn thủy lực thích hợp sử dụng để diễn tả mối quan hệ dòng chảy thành phần hệ thống Ví dụ, phương trình liên tục sử dụng để diễn tả cân dòng chảy hệ thống nguồn nước Quan hệ chất lượng nước cho thành phần hệ thống phụ thuộc vào chất thành phần tác động chất lượng nước dòng chảy đến Một nhiệm vụ kỹ thuật tài nguyên nước làm biến đổi đầu vào hệ thống nguồn nước nhằm tối đa hoá đầu có lợi tối thiểu hoá đầu có hại Nước tự nhiên diễn tả dạng lượng hàm thời gian không gian; hay dạng chất lượng nước hàm thời gian không gian Thời gian t vị trí x biến độc lập diễn tả nước tự nhiên Các biến phụ thuộc diễn tả nước tự nhiên lượng V chất lượng Q S sử dụng để xác định trạng thái hệ thống, biểu diễn bằng: S = [V(x,t), Q(x,t)] 23 (1.3.1) Hình 1.2.5 Tầng ngậm nước Edwards (đới ®øt g·y Balcones), khu vùc San Antonio (Theo Guyton vµ ssociates, 1979) Phát triển nguồn nước giải toán chuyển đổi trạng thái hệ thống nước tự nhiên tới trạng thái mong muốn S*, hàm lượng mong muốn V* chất lượng mong muốn Q*, mà hai hàm thời gian mong muốn t* vị trí mong muốn x* 24 Do trạng thái mong muốn biểu thị S* = [V*(x*,t*), Q*(x*,t*)] (1.3.2) Việc ước lượng cđa S vµ S* lµ lÜnh vùc cđa kü tht hệ thống nguồn nước Điều đòi hỏi kết hợp kiến thức áp dụng thủy văn thủy lực Kỹ thuật hệ thống nguồn nước liên quan ®Õn sù chun ®ỉi S sang S* S* = WS + E (1.3.3) Đây phương trình chuyển đổi cđa hƯ thèng Ký hiƯu W lµ mét hµm chun đổi đầu vào S đầu S*, E biểu thị lÃng phí hay sản phẩm phụ không mong đợi Hàm chuyển đổi chia thành thành phần vật lý hay tạm gọi phần cứng, W1, khía cạnh điều hành hay gọi phần mềm, W2, tức W = (W1, W2) (1.3.4) Buras (1972) đà trình bày phân tích tương tự để diễn tả toán phát triển kỹ thuật tài nguyên nước Các kỹ thuật sử dụng để diễn tả chuyển đổi kỹ thuật mô phỏng, kỹ thuật tối ưu kết hợp hai kỹ thuật 1.4 Các toán kỹ thuật hệ thống nguồn nước Chúng ta thường gặp dạng toán sau kỹ thuật hệ thống nguồn nước: Xác định quy mô phát triển dự án Xác định kích thước tối ưu thành phần hệ thống Xác định quy trình vận hành tối ưu hệ thống Nếu gọi nghiệm ba toán X1, X2, X 3, lợi ích chúng là: B = f(X1, X2, X3) (1.4.1) Mục tiêu nhiều dự án hệ thống nguồn nước tối đa hoá lợi ích, đo toán phát triển nguồn nước viết là: Max B = f(X1, X2, X3) (1.4.2) Phương trình có ràng buộc ràng buộc công nghệ, kinh tế hay vèn, rµng bc vỊ thiÕt kÕ, vËn hµnh, nhu cầu ràng buộc khác 25 1.4.1 Phân tích hay thiết kế Các toán hệ thống nguồn nước giải hai vấn đề thiết kế phân tích Phân tích liên quan tới trình trạng thái (hành vi) hệ thống sẵn có hệ thống thử nghiệm thiết kế Trong nhiều trường hợp, xác định trình trạng thái hệ thống xác định trình vận hành hệ thống phản ứng hệ thống với biến đầu vào cho trước Vấn đề thiết kế xác định kích thước thành phần hệ thống Một ví dụ việc thiết kế hệ thống hồ chứa xác định kích cỡ vị trí hồ chứa cã hƯ thèng Ph©n tÝch mét hƯ thèng hå chứa trình xác định sách vận hµnh cho hƯ thèng hå chøa VËn hµnh hå chøa cần có để kiểm tra thiết kế Hay nói cách khác, thiết kế ước lượng sau phân tích để xem có hoạt động với yêu cầu không Nếu thỏa mÃn yêu cầu đặt thiết kế chấp nhận Các thiết kế thiết lập sau phân tích 1.4.2 Các phương thức truyền thống hay tối ưu hóa Các phương thức truyền thống dùng cho phân tích thiết kế thủ tục lặp thử sai Tính hữu hiệu phương thức truyền thống phụ thuộc vào trực giác, kinh nghiệm, kỹ năng, kiến thức người kỹ sư hệ thống thủy văn Do phương thức truyền thống có liên quan chặt chẽ với nhân tố người, nhân tố mà dẫn tới kết hiệu cho phân tích thiết kế hệ thống phức tạp Các phương thức truyền thống dựa việc sử dụng mô hình mô trình thử sai Quy trình sử dụng lặp lại mô hình mô để cố đạt tới nghiệm tối ưu hình 4.1.1 mô tả bước phân tích thiết kế truyền thống Ví dụ, để xác định kế hoạch bơm nước có chi phí nhỏ cho toán khai thác tầng ngậm nước đòi hỏi lựa chọn quy mô vị trí giếng bơm phạm vi tầng ngậm nước Sử dụng tập hợp quy mô vị trí bơm thử nghiệm, ta tiến hành chạy mô hình mô nước ngầm để xác định liệu mực nước bị hạ thấp xuống mực chuẩn hay không Nếu kế hoạch bơm (quy mô vị trí bơm) không thỏa mÃn điều kiện kế hoạch bơm lựa chọn mô Quá trình lặp tiếp tục, lần chi phí kế hoạch bơm tính toán Tối ưu hóa loại bỏ trình thử sai, hay nói cách khác loại bỏ việc thay đổi thiết kế mô lại với thay đổi thiết kế Thay vào đó, mô hình tối ưu tự động thay đổi tham sè thiÕt kÕ Mét quy tr×nh tèi ­u bao gåm biểu diễn toán học mô tả hệ thống phản ứng hệ thống đầu vào tham số thiết kế khác 26 Những biểu diễn toán học ràng buộc mô hình tối ưu Hơn nữa, ràng buộc sử dụng để định nghĩa giới hạn biến thiết kế việc thực đánh giá thông qua hàm mục tiêu Hàm mục tiêu nµy cã thĨ lµ cùc tiĨu hãa chi phÝ Mét ưu điểm phương pháp truyền thống kinh nghiệm trực quan người kỹ sư sử dụng việc tạo thay đổi nhận thức hệ thống để thay đổi hay tạo đặc trưng bổ sung Tuy nhiên, phương pháp truyền thống dẫn tới thiết kế sách vận hành chưa tối ưu hay chưa kinh tế Phương pháp truyền thống tiêu tốn nhiều thời gian Một qui trình tối ưu đòi hỏi người kỹ sư phải xác định rõ biến thiết kế, hàm mục tiêu hay đánh giá thực để tối ưu, ràng buộc hệ thống Trái với trình định phương thức truyền thống, qui trình tối ưu hóa tổ chức chặt chẽ với việc sử dụng hướng tiếp cận toán học để lựa chọn định 1.4.3 Tối ưu hóa Một toán tối ưu nguồn nước thiết lập khung công việc tổng quát dựa biến định (x) với hàm mục tiêu để Tối ưu hóa hàm f(x) (1.4.3) g(x) = (1.4.4) với ràng buộc điều kiện ràng buộc liên quan đến biên biến định: x