Đại học Quốc gia Hà Nội trường đại học khoa học tự nhiên Larry W Mays Yeou Koung Tung Kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước Người dịch: Nguyễn Tiền Giang Nguyễn Thị Nga Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội Lời người dịch Nước tài nguyên tự tái tạo vô hạn Trong thập niên gần đấy, nhận thấy gia tăng tần xuất cường độ bÃo, lũ, hạn hán biến cố khí tượng thuỷ văn bất lợi khác, gây ảnh hượng trực tiếp đến đời sống ng­êi §ång thêi cịng cã thĨ nhËn thÊy sù phát triển nhanh chóng phương pháp, công cụ dùng giới để giải toán lĩnh vực bảo vệ, khai thác, sử dụng, phát triển nguồn nước, phòng, chống tác hại nước gây Để cập nhật phương pháp công cụ giải toán quy hoạch 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 đà lựa chọn tiến hành biên dịch Hydrosystems Engineering and Management hai tác giả Larry W Mays Yeou Koung Tung, nhà xuất McGraw-Hill cho đời năm 1992 Nội dung cđa cn s¸ch bao gåm mét khèi kiÕn thøc rộng thuộc lĩnh vực tài nguyên nước, cã thĨ dïng cho rÊt nhiỊu m«n häc nh­ Thđy 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 sách phân chia sau: TS Nguyễn Tiền Giang chủ biên dịch chương từ đến 9, chương từ 10 đến 13 ThS Nguyễn Thị Nga, Khoa KT-TV-HDH, ĐH KHTN đảm nhận Cuốn sách hoàn thành với giúp đỡ NCS Nguyễn Đức Hạnh, CN Đào Hải Linh việc biên soạn thảo TS Trần Ngọc Anh, người hiệu đính Nhóm biên dịch xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu Do thời gian kiến thức có hạn nên dịch không tránh khỏi sai sót Nhóm biên dịch mong nhận góp ý quý báu từ đọc giả để hoàn thiện dịch lần tái sau Xin chân thành cảm ơn Thay mặt nhóm biên dịch Nguyễn Tiền Giang mục lục lời nói đầu 11 phÇn 1: nguyên lý 15 Ch­¬ng giíi thiƯu 17 1.1 giíi thiƯu 17 1.2 mô tả hệ thèng nguån n­íc 17 1.3 kh¸i niƯm hƯ thèng 21 1.4 toán kỹ thuật hệ thống nguồn nước 24 tài liệu tham khảo 32 bµi tËp 35 ch­¬ng kinh tÕ häc hƯ thèng ngn n­íc 37 2.1 ph©n tÝch kinh tÕ kü thuËt 37 2.2 ph©n tÝch chi phÝ lỵi nhn 40 2.3 lý thuyết hành vi khách hàng 42 2.4 lý thuyÕt c«ng ty 49 2.5 cân cầu, cung thị trường 61 tµi liƯu tham kh¶o 63 bµi tËp 63 chương quy hoạch tuyến tính ứng dụng cho hƯ thèng ngn n­íc .67 3.1 quy ho¹ch tuyÕn tÝnh 67 3.2 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 gi¶i thÝch thuËt toán bảng đơn hình 88 3.6 trường hợp ứng dụng phương pháp đơn hình 90 3.7 tính đối ngẫu phương pháp đơn hình 92 3.8 dạng ma trận thuật toán bảng đơn hình 96 3.9 phương pháp để giải toán quy hoạch tuyến tính .99 tài liệu tham khảo 99 bµi tËp 100 phô lôc 3A 105 chương ứng dụng quy hoạch phi tuyến quy hoạch động hệ thống nguồn nước 113 4.1 quy hoạch động 113 4.2 quy hoạch động sai phân rời rạc 127 4.3 đại sè ma trËn cho quy ho¹ch phi tuyÕn 130 4.4 tèi ­u ho¸ phi tuyÕn ràng buộc 136 4.5 tối ưu hoá ràng buộc: điều kiện tối ưu 145 4.6 tèi ­u ho¸ phi tuyến có ràng buộc: phương pháp grandient suy giảm tổng qu¸t 148 4.7 tèi ­u hãa phi tuyÕn cã rµng buéc: phương pháp pê-nan-ti 159 4.8 tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc: phương ph¸p chiÕu lagrange 162 4.9 chương trình máy tính quy hoạch phi tuyến 163 tài liệu tham khảo 164 bµi tËp 167 chương phân tính tính bất định độ tin cậy hệ thống nguồn nước 171 5.1 tỉng quan vỊ lý thut x¸c st 171 5.2 phân phối xác suất thường gặp 181 5.3 phân tích độ bất định 187 5.4 tính toán độ tin cậy sử dụng phân tích tải trọng søc t¶i 190 5.5 tÝnh ®é tin cËy sư dơng ph©n tÝch thêi gian-tíi-sù cè 198 5.6 phân tích độ tin cậy hệ thống đơn giản 204 5.7 tối ưu hoá ®é tin cËy 206 5.8 mô hình ràng buộc hội 207 tµi liƯu tham kh¶o 212 bµi tËp 214 phần 2: kỹ thuật quản lý cấp n­íc 223 ch­¬ng báo nhu cầu dùng nước 225 6.1 sử dụng nước dự báo 225 6.2 dự báo sử dụng nước cho đô thị công nghiệp 228 6.3 mô hình håi quy dïng cho dơ b¸o sư dơng n­íc 232 6.4 mô hình bậc thang để dự báo sử dụng nước 243 6.5 mô hình kinh tế thống kê để dự báo nhu cầu sư dơng n­íc 259 6.6 IWR – MAIN, hƯ thèng dù b¸o sư dơng n­íc 264 tài liệu tham khảo 268 bµi tËp 269 chương hệ thèng n­íc mỈt 273 7.1 hƯ thèng hå chøa n­íc mỈt 273 7.2 ph©n tÝch lươngh trữ - dòng chảy bền vững cho cung cấp n­íc 274 7.3 phân tích lượng trữ - lượng bền vững 285 7.4 m« pháng hå chøa 288 7.5 kÝch th­íc tèi ưu điều tiết cho hồ chứa đa mục tiêu đơn lẻ 294 7.6 tèi ­u kích thước điều tiết cho hệ thống hồ chøa ®a mơc ®Ých 302 7.7 kÝch th­íc điều tiết hồ chứa với yếu tố thủy văn bất định: mô hình QHTT 305 7.8 ®iỊu tiÕt hå chứa với yếu tố thủy văn bất định: mô hình QHĐ 319 tài liệu tham khảo 322 bµi tËp 323 ch­¬ng hƯ thèng n­íc ngÇm 325 8.1 nguyên lý cđa hƯ thèng n­íc ngÇm 325 8.2 m« pháng hƯ thèng n­íc 332 8.3 mô hình quản lý thủy lực: phương pháp nhúng 336 8.4 mô hình phân phối đánh giá sách: phương pháp ma trận phản hồi 345 8.5 mô hình quản lý nước ngầm: phương pháp điều tiết tối ưu 348 tài liệu tham khảo 350 bµi tËp 352 chương hƯ thèng ph©n phèi n­íc 357 9.1 cấu trúc mục đích hệ thống phân phối nước 357 9.2 thành phần hệ tống phân phối nước 358 9.3 bơm nước thủy lực bơm 362 9.4 m« pháng m¹ng l­íi cÊp n­íc 364 9.5 mô hình tối ưu cho thiết kế hệ thống phân nhánh 371 9.6 mô hình tối ưu cho thiết kế hệ thống vòng dây 374 9.7 mô hình thiết kế hệ thống phân phối nước 377 9.8 độ tin cËy cđa hƯ thèng ph©n phèi n­íc 380 tài liệu tham khảo 385 bµi tËp 386 phÇn 3: kü thuËt quản lý nước dư thừa 389 chương 10 thủy văn thủy lực qu¶n lý n­íc d­ thõa 391 10.1 phân tích thủy văn thủy lực đồng ngập lụt 391 10.2 xác định biểu đồ trình mưa lũ: phân tích mưa dòng ch¶y 392 10.3 diễn toán thủy văn: hồ chứa sông 399 10.4 phân tích tần xuất thủy văn để xác định phần ngập lũ 402 10.5 cao trình ngập lũ: xác định cao độ mặt nước 408 10.6 thủy lực dự báo lũ: diễn toán phân phối 411 10.7 mô hình diễn toán sông cục thời tiết quốc gia hoa kỳ 413 tài liệu tham khảo 415 bµi tËp 417 ch­¬ng 11 hệ thống quản lý nước mưa đô thị 421 11.1 hƯ thèng qu¶n lý n­íc m­a đô thị 421 11.2 thiÕt kÕ cèng r·nh tho¸t n­íc m­a 422 11.3 phương pháp thiết kế dùng biểu đồ thủy văn 425 11.4 thiết kế chi phÝ tèi thiĨu cđa hƯ thèng cèng tho¸t n­íc m­a .430 11.5 phân tích độ tin cậy cống thoát nước mưa bÃo lưu giữ n­íc m­a 439 11.6 thiÕt kÕ chi phÝ tối thiểu cho hệ thống cầm giữ nước mưa cục bé 444 11.7 thiÕt kÕ chi phÝ tối thiểu cho hệ thống cầm giữ nước mưa cục bé 449 tài liệu tham khảo 453 bµi tËp 454 ch­¬ng 12 hệ thống quản lý đồng ngập lũ 457 12.1 c¸c lùa chän kiĨm so¸t lị 457 12.2 đánh giá thiệt hại lũ 462 12.3 gói phần mềm phân tích thiƯt h¹i lị lơt hec 466 12.4 mô hình tối ưu hoá để quy hoạch kiểm so¸t lị 470 12.5 lùa chän tèi ưu phương án kiểm soát lũ 473 12.6 thiÕt kÕ dùa trªn rđi ro 475 12.7 thiÕt kế dựa rủi ro cho công trình thoát n­íc ®­êng qc lé 475 tài liệu tham khảo 482 bµi tËp 482 ch­¬ng 13 hoạt động hệ thống nước mặt kiĨm so¸t lị lơt 491 13.1 dù b¸o lò thêi gian thùc 491 13.2 vËn hµnh hƯ thèng hå chøa sông để kiểm soát lũ 499 13.3 mô hình tối ưu hoá để phát triển sách vận hành 502 13.4 mô hình tối ưu hoá cho vận hành thời gian thực cđa c¸c hå chøa 505 tµi liƯu tham kh¶o 510 bµi tËp 512 lời nói đầu Hệ thống nguồn nước thuật ngữ Van te Chow sử dụng để mô tả lĩnh vực kỹ thuật thuỷ văn, thủy lực tài nguyên nước Hệ thống nguồn nước đồng thời sử dụng để đề cập tới dự án nước bao gồm hệ thống trữ nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước, hệ thống kiểm soát lũ, hệ thống tiêu nước Hệ thống nguồn nước sử dụng sách bao hàm hai định nghĩa Hy vọng sách cung cấp khung công việc mang tính hệ thống phục vụ mô hình hoá hệ thống nguồn nước lĩnh vực kỹ thuật quản lý Cuốn sách bao gồm ba phần chính: Các nguyên lý, Kỹ thuật quản lý cấp nước, Kỹ thuật quản lý nước dư thừa Phần nguyên lý bao gồm chương kinh tế, tối ưu hoá, phân tích độ tin cậy xác suất nhằm cung cấp tảng cho chương cấp nước nước dư thừa Giả thiết ban đầu toán nguồn nước phân chia thành kỹ thuật quản lý cấp nước kỹ thuật quản lý nước dư thừa Quản lý cấp nước bao gồm chương dự báo nhu cầu nước, hệ thống nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước Nó cung cấp cách giải toàn diện chủ đề liên quan đến cung cung cấp nước Tương tự, quản lý nước dư thừa bao gồm chương thủy văn thủy lực, phân tích thiết kế thoát nước đô thị, hệ thống kiẻm soát lũ, quản lỹ bÃi ngập lũ Những chủ đề thường chưa đề cập tới sách trước hệ thống tài nguyên nước Đầu tiên trước hết sách dự định biên soạn sách giáo khoa dành cho học viên thuộc ngành kỹ thuật quản lý tài nguyên nước Cuốn sách không phơc vơ nh­ mét cn tỉng quan mµ lµ mét giới thiệu phương pháp sử dụng toán hệ thống nguồn nước dành cho sinh viên năm cuối bậc đại học học viên sau đại học Nội dung sách dùng để giảng dạy cho học viên chưa có kiến thức vận trù học cần có kiến thức bậc đại học thuỷ văn thuỷ lực Mục tiêu kết hợp việc sử dụng môn kinh tế học, vận trù học, xác suất thống kê thuỷ văn, thủy lực tài nguyên nước vào việc phân tích, thiết kế, vận hành, quản lý loại dự án nguồn nước Cuốn sách đồng thời đóng vai trò chuyên khảo tốt dành cho kỹ sư, nhà quy hoạch, phân tích quản lý tài nguyên nước Kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước sách mô hình hoá toán học toán thiết kế, phân tích, vận hành, quản lý dự án nước Các phương pháp định lượng bao gồm: (a) mô trình thủy văn thủy lực; (b) vận trù học, xác suất thống kê kinh tế học Những phương pháp trình bày sách đà trình bày riêng biệt sách giáo khoa khác, chưa hệ thống hoá sách Một số lượng lớn tập ví dụ trình bày nhằm giúp việc nắm bắt nội dung sách cách dễ dàng Ngoài ra, số lượng lớn tập cuối chương cung cấp dùng làm tập nhà Trọng tâm sách dành cho quản lý lượng nước không bao gồm quản lý chất lượng nước Để bao gồm hai loại quản lý chất lượng nước sách nỗ lược lớn Thông qua việc sử dụng ví dụ giả thiết toán sản xuất xử lí chất thải khái niệm quy hoạch tuyến tính giới thiệu chương Ví dụ dùng mục 4.6 để minh hoạ phương pháp gradient suy giảm quy hoạch phi tuyến tiếp tục dùng mục 5.8 để giới thiệu khái niệm quy hoạch buộc hội Như thường lệ, sách phản ánh nhận thức cá nhân tác giả lĩnh vực mà tác gỉa đà trải nghiệm qua nhiều năm giảng dạy, nghiên cứu thực hành Kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước có mục tiêu hướng tiếp cận tích hợp, số, chặt chẽ khả thi lĩnh vực đề cập Các vấn đề lĩnh vực mang tính giải tích, đưa khái niệm vận trù học phân tích độ tin cậy vào lĩnh vực kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước Việc sử dụng vận trù học phân tích độ tin cậy kỹ thuật nguồn nước đà bị chậm so víi øng dơng cđa chóng c¸c lÜnh vùc kü tht kh¸c Cã rÊt nhiỊu lý cho sù chậm trễ mà thảo luận chúng nằm phạm vi sách Chúng viêt sách để khuyến khích việc sử dụng kỹ thuật vận trù học khái niệm phân tích rủi ro độ tin cậy mô hình hoá hệ thống nguồn nước kỹ thuật quản lý Các phần mềm GAMS GAMS-MINOS, tương ứng dùng cho quy hoạch tuyến tính phi tuyến, sử dụng công cụ để giải toán tối ưu Hy vọng qua nghiên cứu sách học viên trân trọng việc sử dụng kỹ thuật tối ưu hoá phân tích độ tin cậy việc giải toán hệ thống nguồn nước Bản thảo sách đà viết tác giả làm việc tai đại học Texas, Austin Bản thảo đà sử dụng cho hai khoá sau đại học, khóa thứ kỹ thuật quản lý tài nguyên nước khoá thứ hai phân tích hệ thống tài nguyên nước Các phiên gần thảo sử dụng cho hai khoá học phân tích hệ thống tài nguyên nước trường đại học Sate Arizona Những phiên biên soạn dành riêng cho học viên bậc sau đại học Nhận thấy nhu cầu sử dụng sách cho sinh viên bậc đại học, phiên sau có thêm nội dung chủ đề quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, phân tích xác suất, kinh tế vi mô, phân tích hồi quy, kinh tế thống kê Đồng thời phiên cuối bao gồm kiến thức thủy văn, thủy lực cho hệ thống nước ngầm, hệ thống nước mặt, hệ thống phân phối nước, hệ thống tiêu chậm nước mưa bÃo, hệ thống kiểm soát lũ phục vụ sinh viên đại học Kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước dùng cho loại khoá học khác bậc đại học sau đại học Một loại khoá học dành cho sinh viên với kiến thức có hạn thủy văn thủy lực kiến thức vận trù học Những khoá học dựa nội dung chương 1, 2, 3, Môc 5.1 – 5.7, 6.1 – 6.3, 7.1 7.6, 8.1 8.3, 9.1 9.5 Đối với khoá thứ hai, nội dung 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 dùng Có nhiều loại khoá học cho bậc đại học sau đai học dạy dựa sách Chúng xin trân thành cảm ơn Jan Hausman Jody Lester trường đại học Texas Judy Polingyumtewa Sharyl Hayes trường đại học Arizona Sate đà giúp soạn thảo sách Chúng biết ơn giúp đỡ từ phản biện 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; nhiều đồng nghiệp học viên trường đại học Texas, đại học Wyoming, đại học Arizona State Cuốn sách hy väng nh­ mét sù ®ãng gãp cho mét thùc hành kỹ thuật quản lý tốt lĩnh vực hệ thống nguồn nước Do sách nên nhiều cá hồi đà không bị bắt sông ồa hồ Wyoming Arizona Chúng dành sách cho thổ dân da đỏ, cho nhân loại cho thịnh vượng loài ng­êi  ... thành kỹ thuật quản lý cấp nước kỹ thuật quản lý nước dư thừa Quản lý cấp nước bao gồm chương dự báo nhu cầu nước, hệ thống nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước Nó cung cấp cách giải... tốt dành cho kỹ sư, nhà quy hoạch, phân tích quản lý tài nguyên nước Kỹ thuật quản lý hệ thống nguồn nước sách mô hình hoá toán học toán thiết kế, phân tích, vận hành, quản lý dự án nước Các phương... việc mang tính hệ thống phục vụ mô hình ho¸ hƯ thèng ngn n­íc c¸c lÜnh vùc kü thuật quản lý Cuốn sách bao gồm ba phần chính: Các nguyên lý, Kỹ thuật quản lý cấp nước, Kỹ thuật quản lý nước dư thừa