Sự tối ưu hóa thiết kế và cải tạo sơ đồ mạng lưới thoát nước

Theo dõi MTĐT trên

Tóm tắt: Hệ thống thoát nước đóng vai trò quan trọng trong nhu cầu phát triển đô thị hóa hiện nay. Việc lựa chọn tối ưu thông số kỹ thuật để thiết kết Mạng lưới thoát nước được trình bày trên cơ sở thiết lập mô hình dòng chảy.

Từ đó giải quyết bài toán tối ưu về sự tìm kiếm dòng chảy lớn nhất ứng với giá thành nhỏ nhất. Bài viết này được trình bày trên cơ sở giới hạn khả năng cho phép lưu lượng dòng chảy của các đường ống thoát nước thải, được xác định bởi phương trình hàm số tuyến tính theo giá thành đơn vị của dòng chảy.

Trên cơ sở đó, chúng tôi đệ trình phương pháp xây dựng thuật toán để lựa chọn thông số kỹ thuật của các đường ống trong xây lắp và sửa chữa, nâng cấp hệ thống thoát nước, cũng như áp dụng phương pháp này để xây dựng phần mềm mô phỏng tối ưu hóa hệ thống thoát nước trên ngôn ngữ lập trình C++. Phần mềm mô phỏng sẽ giúp chúng ta có được sự lựa chọn tốt nhất trong các phương án so sánh để phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế, nâng cấp cải tạo hệ thống thoát nước đô thị.

1. Giới thiệu

Hệ thống thoát nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải bề mặt, nước mưa đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo đời sống, an sinh xã hội của dân cư ở các thành phố lớn, các khu đô thi hiện đại. Trong việc nghiên cứu và phát triển sơ đồ hệ thống thoát nước nổi bật lên vấn đề lựa chọn các thông số kỹ thuật của đường ống, cấu trúc hệ thống để có thể đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước với chi phí giá thành thấp nhất, nhưng vẫn đảm bảo độ vững chắc, tin cậy, đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật.

Vấn đề này được xác định qua sự tối ưu hóa việc quy hoạch, thiết kế các tuyến ống nước thải, lựa chọn mối liên kết giữa các điểm thải nước thải mới đến mạng lưới thoát nước thải đã có, cải tạo nâng cấp mạng lưới thoát nước thải hiện hữu, mà ở đó có sự tăng lên về nhu cầu thoát nước thải (lưu lượng dòng chảy ở điểm thải của hệ thống tăng lên từ việc phát sinh khu vực xây dựng mới như nhà ở, nhà máy, xí nghiệp…) [7-9].

Trong bài viết này, chúng tôi trình bày một phương pháp giải quyết các vấn đề đó. Phương pháp này được xây dựng và phát triển dựa trên nguyên tắc tìm kiếm dòng chảy lớn nhất ứng với chi phí nhỏ nhất cho mạng lưới thoát nước thải sẽ được xây dựng [0, 4].  

Hiện nay có rất nhiều phương pháp giải quyết vấn đề lựa chọn các thông số kỹ thuật của đường ống, cấu trúc mạng lưới thoát nước. Ví như phương pháp truyền thống, các nhà thiết kế mạng lưới đưa ra 2-4 phương án và chọn phương án có chi phí giá thành rẻ nhất. Chi phí giá thành này gồm chi phí vật liệu, chi phí xây dựng và thiết bị. Trong bài viết của chúng tôi, phương pháp được đề cập đưa ra rất nhiều phương án (hàng trăm, hàng ngàn phương án, các phương án đó được xây dựng là các phương án dẫn dòng lưu lượng từ 1 điểm thải đi đến tập trung tại một điểm thải tổng, trạm xử lý nước thải). Qua đó tìm được phương án tối ưu nhất, có chi phí nhỏ nhất. Mặt khác, chi phí giá thành của chúng tôi tính toán không chỉ bao gồm chi phí đầu tư ban đầu (chi phí vật liệu, chi phí xây dựng, chi phí thiết bị) mà còn có thêm chi phí vận hành bảo dưỡng tính theo tuổi thọ của các đường ống từ 50-70 năm. Chi phí vận hành bảo dưỡng này lớn hơn rất nhiều lần so với chi phí đầu tư ban đầu. 

Nghiên cứu này là một phần kết quả trong đề tài luận án tiến sĩ mà tác giả đã thực hiện tại trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk, Liên bang Nga. 

2. Phân tích giải tích và phương pháp nghiên cứu

Bản chất của phương pháp nghiên cứu này là xây dựng một sơ đồ mạng lưới vận chuyển nước thải xuất phát từ điểm S (điểm xuất phát của dòng chảy) đến điểm t (điểm tập trung xử lý nước thải hay còn gọi là điểm thải tổng). Tất cả các cạnh của sơ đồ này được thể hiện giá trị giới hạn lưu lượng lớn nhất  (giới hạn cho phép tối đa khả năng cho dòng nước thải có thể chảy qua), giá trị giới hạn lưu lượng nhỏ nhất  (giới hạn cho phép tối thiểu khả năng cho dòng nước thải có thể chảy qua, cuốn chất lắng cặn) và giá trị tiền đơn vị của dòng chảy  – tập hợp điểm đầu của sơ đồ, j∈J, J  – tập hợp điểm cuối của sơ đồ, Xij – Lưu lượng thực tế chảy qua ống . Bài toán được công thức hóa dưới dạng sau: 

Bài toán yêu cầu tìm kiếm dòng chảy lớn nhất của mạng lưới ở trạng thái chảy tự do hay chảy có áp với chi phí nhỏ nhất trong việc thiết kế hoặc cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước. Phương pháp được bắt đầu từ sự lựa chọn tuyến đường đi ngắn nhất từ S đến t, tuyến đó tương ứng với tổng chi phí giá thành đơn vị dòng chảy là nhỏ nhất. Tiếp đó, đơn vị dòng chảy được tăng lên với sự tìm kiếm tất cả các tuyến từ S tới t. Khi tìm được tuyến từ sơ đồ, dòng chảy trên tuyến đó sẽ tăng lên đến giới hạn lớn nhất (giới hạn lưu lượng lớn nhất mà ống thoát nước có thể cho dòng nước thải chảy qua). Nếu không tìm thấy tuyến mới từ S tới t, thuật toán sẽ dừng lại và đưa ra dòng chảy lớn nhất. Lúc này, sơ đồ bị chia làm hai phần riêng biệt, không có sự liên kết nào với nhau. Chúng ta sẽ xem xét ở các ví dụ cụ thể mục phía sau.

Giới hạn lưu lượng lớn nhất có thể cho phép dòng nước thải chảy qua đường ống được xác định ở trạng thái làm việc tràn đầy (trạng thái ngập) của đường ống:

Nếu lưu lượng thực tế chảy qua ống nhỏ hơn giới hạn lưu lượng lớn nhất  thì khi đó đường ống đó được xem xét ở chế độ dòng tự chảy. Trong trường hợp ngược lại  sẽ xảy ra trạng thái làm việc có áp suất trong đường ống ở chế độ ống tự chảy, khi đó đường ống bị ngập (trường hợp này chúng ta không xem xét ở đây). Với những đường ống mới, giới hạn lưu lượng lớn nhất mà nước thải có thể chảy qua là không giới hạn.

Hình 2. Xác định dòng chảy lớn nhất với giới hạn lưu lượng lớn nhất và nhỏ nhất.

Lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua ở tuyến này được xác định từ tập hợp khả năng cho qua ở mỗi cạnh:

Tương ứng với cạnh 3-4. Lúc này, cạnh 3-4 được tính xem như đã bão hòa. Ở những cạnh còn lại, khả năng cho phép lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua sẽ giảm bớt đi, và được tính theo công thức:

Trong trường hợp giá trị giới hạn lưu lượng lớn nhất, bé nhất đều được cho trước thì đầu tiên, chúng ta xác định dòng chảy lớn nhất, sau đó là dòng chảy nhỏ nhất và so sánh giá trị của chúng. Nếu giá trị giới hạn dòng chảy nhỏ nhất lớn hơn giá trị giới hạn dòng chảy lớn nhất thì tuyến đường từ S tới t đó không thỏa mãn điều kiện, không đảm bảo dòng có thể chảy qua và chúng ta loại bỏ việc xem xét tuyến này. Điều này được thể hiện qua ví dụ ở Hình 2. Từ Hình 2, có thể nhận thấy rằng giá trị lưu lượng dòng chảy lớn nhất cho phép đi qua đoạn đướng ống S-1-2-3-4-t có giá trị bằng 4 và tương ứng với đoạn 3-4, còn giá trị lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất bằng 5, tương ứng với cạnh S-1. Do 4 bé hơn 5 nên tuyến này không đảm bảo dòng chảy có thể chảy qua.

Giả sử chúng ta chọn được tuyến có tổng giá thành nhỏ nhất như Hình 3, tuyến được cấu tạo bởi 5 cạnh.

3. Thí dụ tính toán

3.1 Thí dụ số 1

Chúng ta xem một ví dụ cụ thể hơn về việc thiết kế hệ thống thoát nước cho một khu vực dân cư mới như Hình 4. 

Hình 4. Sơ đồ thiết kế khả năng của hệ thống thoát nước.

Trong đó: Qi - lưu lượng nước thải từ điểm thải thứ i vào hệ thống, m3/s; đường và chỉ số màu đỏ - đường đồng mức 

Xác định giá thành đơn vị của dòng chảy: Giá thành đơn vị của dòng chảy được xác định dựa vào tiêu chuẩn về giá trong xây dựng dành cho hệ thống cấp thoát nước của Liên bang Nga (НЦС 81-02-14-2012) [0]. Ở đây, chúng ta xét các đường ống được cấu tạo từ nhựa tổng hợp, được xây lắp ở độ sâu trung bình 3m so với mặt đất và bằng phương pháp đào mở để xây lắp đường ống. Từ đó chúng ta xác định được giá thành đơn vị của dòng chảy theo Bảng 1.

Bảng 1. Giá thành đơn vị của dòng chảy dành cho các đường ống ở Hình 1

Từ Bảng 1 chúng ta thiết lập sơ đồ mạng lưới bổ sung của hệ thống thoát nước theo như Hình 5.

Trên Hình 5, ở trong ngoặc đơn ứng với mỗi cạnh chỉ ra giá trị đơn vị dòng chảy (chỉ số đầu tiên) và khả năng lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua (chỉ số thứ 2). Khả năng lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua dành cho đường ống mới là không giới hạn. Ở đây chúng ta xét nó bằng 100 m3/s (rất lớn so với đơn vị 0,03 m3/s).

Hình 5. Sơ đồ mạng lưới bổ sung của hệ thống thoát nước.

Với lưu lượng nước thải vào hệ thống thoát nước từ các điểm thải, chúng ta thiết lập mạng lưới vận chuyển như Hình 6.

Hình 6. Sơ đồ mạng lưới vận chuyển của hệ thống thoát nước.

Đường nét đứt thể hiện lưu lượng nước thải từ điểm thải vào hệ thống, giá trị trong ngoặc đơn biểu thị giá trị đơn vị dòng chảy (chỉ số đầu tiên), bằng 0, và lưu lượng nước thải từ điểm thải (chỉ số thứ 2).

Ở Hình 7, chúng ta có thể tổng quát quá trình xây dựng tất cả các tuyến từ S tới t. Mỗi tuyến đều xác định được tổng giá tiền đơn vị. Trên cơ sở đó, chúng ta sẽ ưu tiên lựa chọn các tuyến có tổng giá tiền đơn vị là nhỏ nhất. Chúng ta sẽ có quá trình như sau:

Đầu tiên, chúng ta xác định tuyến đường từ S đến t có tổng giá thành đơn vị dòng chảy là nhỏ nhất. Ta dễ thấy rằng, đó sẽ là các tuyến gần điểm tập hợp nước thải tổng (điểm t) nhất.

Tuyến đầu tiên là:

Hình 7.- Sự tìm kiếm tất cả các tuyến từ S đến t và sự xác định những tuyến có tống giá tiền đơn vị nhỏ nhất.

Ở tuyến này, lưu lượng dòng chảy lớn nhất có thể chảy qua là 0,04 và tổng giá trị đơn vị dòng chảy của tuyến là  4 782,12 (nghìn rúp/ 1m3/s). Từ đó ta tính được chi phí lắp đặt là: 0,04*4782,12=191,2892 nghìn rúp. Chỉ số ở phía dưới của tuyến là giá trị đơn vị dòng chảy và khả năng cho phép tối đa lưu lượng dòng chảy có thể chảy qua ở đoạn ống đó. Đoạn S-11 được tính là đã bão hòa và bị loại bỏ khỏi sơ đồ mạng lưới. Lúc này ta có sơ đồ mới. Từ sơ đồ mới đó ta tiếp tục tìm kiếm tuyến từ S tới t có tổng giá thành đơn vị dòng chảy là bé nhất. 

Quy trình làm tương tự tuyến đầu tiên, chúng ta sẽ lựa chọn được 11 tuyến như hình 7. Kết thức việc lựa chọn, xóa bỏ những đoạn ống được tính là bão hòa khỏi mạng lưới sơ đồ ban đầu. Lúc này, sơ đồ ban đầu (Hình 6) đã bị chia làm hai sơ đồ riêng biệt, không còn liên kết với nhau. Sự tính toán của chúng ta dừng lại. Phương án cuối cùng của sơ đồ mạng lưới thoát nước được trình bày ở Hình 8, tổng chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước là 2,1315 tỉ rúp.

Trong đó: l - chiều dài đường ống, m; Qi - lưu lượng nước thải từ điểm thải thứ i vào hệ thống, m3/s; d – đường kính của đường ống, mm; i - độ dốc thuỷ lực của đường ống

Phương án thiết kế mạng lưới thoát nước như Hình 8 là phương án thiết kế tối ưu nhất dựa vào giá thành đơn vị dòng chảy, được tính theo phương pháp dòng chảy lớn nhất với chi phí nhỏ nhất.

3.2 Thí dụ số 2

Chúng ta cùng xem xét một bài toán phức tạp hơn về việc nâng cấp mạng lưới thoát nước như Hình 9. Hệ thống thoát nước đã tồn tại của khu vực 1 và khu vực 2. Giữa 2 khu vực không có sự liên kết nào. Trong định hướng sự phát triển dự kiến dựng phát triển thêm khu vựa 3 giữa 2 khu vực đã cho.

Hình 9. Hệ thống thoát nước của khu vực 1 (bên trái), khu vực 2 (bên phải) và khu vực định hướng mở rông (ở giữa).

Theo Hình 9, mầu đỏ thể hiện giá trị lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua đường ống (m3/s), đường đồng mức và cao độ của các điểm thải. Phân tích hệ thống thoát nước của khu vực 1 và khu vực 2 chúng ta nhận thấy sẽ có những đoạn đường ống nước thải bị quá tải. Hình 10 thể hiện những đoạn đường ống đó bằng nhứng trị số được tô bằng màu vàng.

Từ đó yêu cầu cần phải tu sửa lại mạng lưới thoát nước của khu vực 1 và 2. Đối với khu vực 3, bài toán đưa ra yêu cầu cần phải thiết kế mạng lưới liên kết với mạng lưới thoát nước của khu vực 1 và khu vực 3 như thế nào. Như vậy sẽ xuất hiện bài toán tổng hợp về sự tối ưu trong sửa chữa mạng lưới thoát nước ở khu vực 1, 2 và lựa chọn mạng lưới, thống số kỹ thuật của các đường ống ở khu vực 3.

Hình 10. Sơ đồ mạng lưới thoát nước của khu vực 1 (bên trái), khu vực 2 (bên phải) và khu vực định hướng phát triển (ở giữa – khu vực 3).

Ở hình 10, mầu xanh da trời là lưu lượng thực tế chảy qua các đường ống (m3/s); màu vàng – những đường ống bị quá tải, bị ngập. Bây giờ chúng ta sẽ tìm kiếm các phương án xây dựng, lắp đặt những đường ống mới, sửa chữa hệ thống mạng lưới đã có (được trình bày như Hình 11). Trong số tất cả các phương án sửa chữa mạng lưới, chúng ta xem xét các phương án lắp đặt song song đường ống, thay thế đường ống cũ bằng đường ống mới. Ở Hình 11, những phương án lắp đặt dường ống song song được thể hiện bằng màu xanh nước biển, màu xanh da trời thể hiện những khả năng lắp đặt, liên kết giữa các điểm thải với nhau.

Hình 13. Sơ đồ mạng lưới bổ sung của hệ thống thoát nước.

Hình 14. Sơ đồ mạng lưới vận chuyển của hệ thống thoát nước.

Tương tự như thí dụ 1 (lựa chọn được 11 tuyến), ở thí dụ 2, bằng phương pháp lựa chọn dòng chảy lớn nhất với chi phí nhỏ nhất ta sẽ lựa chọn được 47 tuyến từ S tới t. Sơ đồ nạng lưới cuối cùng được lựa chọn như hình 15. Phương án được lựa chọn là chúng ta sẽ xây dựng 5 đoạn đường ống song song, 21 đoạn đường ống mới.

Hình 15. Sơ đồ mạng lưới tối ưu của hệ thống thoát nước sau khi sửa chữa và nâng cấp.

Chi phí xây dựng được tính là 7,44 tỉ rúp (Bảng 2).

Bảng 2. Giá thành đơn vị của dòng chảy dành cho các đường ống ở Hình 15

Trong một số trường hợp sự vận chuyển dòng chảy từ khu vực này sang khu vực khác có thể không chỉ trong chế độ làm việc có áp suất mà còn ở chế độ không áp, tự chảy. Để xem xét những phương án như vậy, ở mạng lưới vận tải bổ sung chúng ta liệt kê phương án bổ sung thêm dòng chảy 2 chiều của chất lỏng. Một chiều có hướng di chuyển ở chế độ tự chảy, một chiều có khả năng ở chế độ tự chảy có áp, cần thiết xây dựng trạm bơm và đường ống có áp. Vì thế giá thành đơn vị cũng khác nhau và ta có thêm phương án mới trong việc sửa chữa nâng cấp hệ thống thoát nước (được biểu thị trong sơ đồ dự trữ). 

Trong thực tế, chúng ta có thể gặp trường hợp dòng chảy từ khu vục này đến khu vực kia (hoặc từ ống này đến ống kia) chỉ chảy ở trạng thái có áp. Trong trường hợp này, chúng ta xem xét sơ  đồ mạng lưới vận chuyển với những cạnh có 2 hướng chuyển động của dòng (chiều thuận và chiều ngược (Hình 16). Một chiều là chế độ dòng tự chảy, chiều ngược lại được xem xét khi xây dựng thêm trạm bơm và đường ống có áp (Hình 17). Tương ứng vối mối trường hợp chúng ta xây dựng được giá trị đơn vị của dòng chảy. 

4. Kết luận

Ở bài viết này chúng tôi đề xuất xây dựng một phương pháp luận về việc tối ưu trong thiết kế sơ đồ mạng lưới thoát nước. Từ đó sẽ thiết lập thuật toán dành riêng cho việc nghiên cứu mô phỏng chương trình phần mềm dựa vào ngôn ngữ lập trình C++ để tối ưu hóa sự thiết kế, cải tạo sơ đồ mạng lưới thoát nước.

Chúng ta sẽ áp dụng chương trình phần mềm này ứng dụng vào thực tiễn. Cụ thể, chương trình phần mềm sẽ giúp cho các nhà thiết kế đường ống, các kỹ sư về lĩnh vực xây dựng, các nhà quản lý thành phố có thêm cơ sở để giải quyết bài toán về lựa chọn phương án tối ưu việc sửa chữa, nâng cấp hay thiết kế quy hoạch hệ thống thoát nước cho các đô thị, các thành phố hoặc các khu vực dân cư mới [5-12].

Bên cạnh đó, phương pháp được đề cập sẽ rất hữu ích trong việc nghiên cứu định hướng phát triển sơ đồ mạng lưới cấp thoát nước của đô thị và có thể được áp dụng vào các nhà máy nước trong việc lập chương trình đầu tư vào các dự án mới.

Tài liệu tham khảo

1. НЦС 81-02-14-2012 – Cети водоснабжения и канализации.
2. СНиП 2.04.03-85 – Канализация.Наружные сети и сооружения.
3. Форд Л.Р., Фалкерсон Д.Р. (1963г), Потоки в сетях. – М.: Мир. 216 с.
4. Ху Т. (1974г), Целочисленное программирование и потоки в сетях. – М.: Мир. 520 с.
5. Чупин В.Р., Майзель И.В., Чупин Р.В. (2013г), «Инвестиция в развитие систем водоснабжения и водоотведения», Известия Вузов: Инвестиции. Строительство. Недвижимость. №1, С.126-133.
6. Нгуен Т.А. Кандидатская диссертация (2016г), «Разработка методики оптимизации перспективных схем развития систем водоотведения», 211с.
7. Нгуен Т.А., Р.В. Чупин (2015г), «Оптимальная реконструкция систем водоотведения», Водоснабжение и санитарная техника. – 2015. – №2. – С. 58-66.
8. Нгуен Т.А., Р.В. Чупин, Н.Б. Беликова (2015г), «Оптимизация систем водоотведения с учетом их надежности и сейсмостойкости», Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2015. – №4. – С.110-116.
9. Нгуен Т.А., Р.В. Чупин (2015г), «Оптимальное управление потоками сточной жидкости», Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2015. –№9. – С.99-108.
10. Hoàng Văn Huệ, Trần Đức Hạ (2002г), Thoát nước. Tập 1: Mạng lưới thoát nước, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
11. QCVN 07-2:2016/BXD, Quy chuẩn hạ tầng quốc gia Các công trình hạ tầng kỹ thuật- công trình thoát nước
12. TCVN 7957:2008, Thoát nước- Mạng lưới và công trình bên ngoài- Tiêu chuẩn thiết kế.

Nguyễn Tuấn Anh(1), Chupin Roman Victorovich(2), Nguyễn Văn Sứng(3)

(1)  TS, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường thành phố Hồ Chí Minh.
(2) TS, Trường Đại học Nghiên cứu Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk - Liên bang Nga.
(3) ThS, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường thành phố Hồ Chí Minh.