Nâng cấp tối ưu hệ thống thoát nước

Tác giả: tuấn anh - viktorovich - minh tú

29/01/2016 09:21

Lựa chọn tối ưu sơ đồ cấu trúc, thông số kỹ thuật của hệ thống thoát nước trong việc xây dựng mới hay sửa chữa là xác định sự nghiên cứu

ThS. Nguyễn Tuấn Anh

TS. Chupin Roman Viktorovich

Trường Đại học Nghiên cứu Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk (Liên bang Nga)

ThS. Lê Minh Tú

Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

Người phản biện:

TS. Trần Trung Hiếu

Tóm tắt: Lựa chọn tối ưu sơ đồ cấu trúc, thông số kỹ thuật của hệ thống thoát nước trong việc xây dựng mới hay sửa chữa là xác định sự nghiên cứu phát triển sơ đồ dài hạn của nó. Đề xuất việc giải quyết bài toán tối ưu đó trên cơ sở của sơ đồ xây dựng bổ sung. Sơ đồ xây dựng bổ sung được hình thành bằng cách tạo ra một vài phương án khác nhau của sự phát triển hệ thống thoát nước thải. Trên cơ sở của sơ đồ xây dựng bổ sung thiết lập sơ đồ của mạng lưới vận tải, từ đó sẽ giải quyết bài toán tìm kiếm dòng chảy lớn nhất với giá thành nhỏ nhất. Ở đây, những giới hạn khả năng cho phép lưu lượng chảy qua của các đường ống được xác định từ các trường hợp vận tốc cực tiểu không lắng cặn (giới hạn dưới) và không cho phép khả năng tự chảy ở các đường ống ở trạng thái ngập đường ống (giới hạn trên). Giá thành đơn vị của dòng chảy được xác định theo từng đoạn đường ống trên cơ sở quy định trước về giá trị sử dụng và vốn đầu tư. Kết quả của sự tối ưu là việc xác định sự sắp xếp và các thông số kỹ thuật của các đoạn đường ống mới thuộc mạng lưới, các phương án sửa chữa các đường ống (lắp đặt đường ống mới, đặt đường ống song song, tăng hoặc giảm đường kính đường ống nước…). Phương pháp tối ưu được đề xuất rất hữu ích trong việc định hướng sự phát triển sơ đồ của hệ thống thoát nước thành phố, các khu vực dân cư và cũng có thể áp dụng vào các công ty cấp thoát nước trong việc lập các dự án đầu tư xây dựng.

Từ khóa: Hệ thống thoát nước, phương pháp tối ưu, dòng chảy lớn nhất chi phí nhỏ nhất, đơn vị dòng chảy, hàm số giá thành, xấp xỉ tuyến tính.

Abstract: Choosing the optimal structures and parameters of new and upgraded wastewater disposal systems has been a determining factor in designing their prospective development schemes. This task is suggested to be fulfilled on the basis of preliminary designed redundant schemes that are formed by overlapping pre-engineered options of wastewater system development. On the basis of the redundant scheme a transportation network scheme is designed to determine the maximum flow at minimum costs. For this purpose the flow-through capacity limits of the existing sewers are assigned on the basis of self-cleansing velocities (lower limits) and impermissibility of gravity sewer operation under pressure (upper limits). The cost of the flow units is determined for every network section on the basis of the capital and operation cost data. From the optimization results the route and parameters of the new network sections, options of the existing sewers upgrade (open cut or trenchless relaying, parallel pipeline construction) are determined. The suggested method can be useful when designing prospective development schemes of wastewater systems, and can be used by wastewater services providers for developing investment programs.

Keywords: Wastewater disposal system, optimization method, maximum flow at minimum cost, flow unit, cost function, linear approximation.

1. Mở đầu

Trong việc nghiên cứu sự phát triển sơ đồ hệ thống cấp thoát nước thành phố và các khu vực dân cư, điều cần thiết nhất là sự đánh giá trạng thái kỹ thuật, tiềm năng và tính an toàn của mạng lưới, cũng như việc xem xét khả năng mở rộng phạm vi hoạt động của mạng lưới khi được kết nối với khu dân cư được xây dựng thêm hoặc sự liên kết giữa các mạng lưới ở các khu vực dân cư liền kề nhau. Những bài toán đó có sự liên hệ với sự thành lập các tuyến, thông số mới trong việc sửa chữa, mở rộng các đường ống có áp hoặc không áp, có các trạm bơm hoặc các công trình giảm áp. Trong thực tế, thiết kế các bài toán đó được giải quyết bằng cách xem xét hai hoặc nhiều phương án khác nhau. Với những thành phố lớn, khu vực dân cư rộng, những phương án đó sẽ rất nhiều và việc phân tích chúng khi không có sự hỗ trợ của các phần mềm về mô phỏng và tối ưu hóa là điều không thể.

Phương pháp được đề xuất ở bài viết này được hình thành trên cơ sở xây dựng sơ đồ thiết kế dự trữ với sự phân chia nối tiếp trên đó các tuyến tối ưu, cấu trúc và các thông số mới, thông số được sửa chữa của hệ thống thoát nước. Sơ đồ thiết kế dự trữ đề xuất ra những phương án khác nhau về việc lắp đặt các đường ống mới, các phương án có thể để sửa chữa các đường ống hay lắp đặt thêm các đường ống mới với lưu lượng dòng chảy của riêng mình. Sơ đồ thiết kế dự trữ được thành lập bởi người thiết kế hoặc chuyên gia, những người có sự hiểu biết nhất định để định hướng sự phát triển của thành phố nói chung và mạng lưới cấp thoát nước nói riêng.

2. Nội dung

Trên cơ sở của sơ đồ thiết kế dự trữ, sơ đồ mạng lưới vận tải được thiết lập. Trên sơ đồ mạng lưới vận tải thể hiện tổng hợp đặc tính của hộ dân cư tương ứng với các điểm thải nước vào hệ thống thoát nước, được tập trung đến bể chứa hoặc xử lý nước thải.

Với mỗi đoạn đường ống của mạng lưới vận tải sẽ được xác định giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất về khả năng cho phép lưu lượng dòng chảy qua đường ống. Dòng chảy ở mỗi đường ống không được nhỏ hơn dòng chảy nhỏ nhất (giá trị lưu lượng bé nhất để có thể cuốn chất cặn bã, không tạo lắng cặn ở đường ống) và lớn hơn dòng chảy lớn nhất (dòng chảy cực đại, xảy ra sự tràn đường ống). Với mỗi đường ống cũng được xác định giá thành đơn vị của dòng chảy (1m³/s). Tất cả giá thành xây dựng, sửa chữa đều được tính theo giá thành đơn vị của dòng chảy (1m³/s).

Với sự tính toán dựa trên sơ đồ thiết kế dự trữ và sơ đồ mạng lưới vận tải, phương án tối ưu được đề xuất dựa vào phương pháp Ford-Fulkerson [0; 0], trên cơ sở tìm dòng chảy cực đại của giá thành nhỏ nhất. Bản chất của phương pháp này được trình bày ở ví dụ dưới đây (mạng lưới nước thải với 5 đoạn đường ống (Hình 2.1).

Hình 2.1: Sơ đồ ban đầu của hệ thống thoát nước

Từ Hình 2.1 ta thấy, đường ống làm việc ở trạng thái tự chảy và độ ngập không vượt quá 0,8 h/đ £ 0,8. Tuy nhiên, theo sự phát triển của thành phố sẽ xuất hiện thêm những điểm thải mới từ những khu nhà mới, những khu công nghiệp mới hoặc sự mở rộng khu dân cư của thành phố. Những điểm thải mới đó được liên kết với hệ thống thoát nước sẵn có. Sự tính toán thủy động lực học theo phương pháp được đề cập ở lý thuyết động lực học [0; 0] dẫn ra rằng, chế độ làm việc ở các đoạn ống 4 - 5, 5 - 6 bị ngập, nước bị tràn lên trên ống (Hình 2.2).

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nước thải với lưu lượng nước thải mới từ điểm thải mới, Q’ - Lưu lượng dòng chảy từ điểm thải mới, m³/s

Sự xuất hiện những đường ống bị ngập này có thể xác định không cần sự tính toán thủy động lực học. Để thực hiện việc đó cần đưa ra lưu lượng tính toán của chất lỏng dành cho sự ngập đường ống và được tính theo công thức sau:

(1)

Trong đó: d - Đường kính ống nước, m; N - Hệ số nhám trong công thức Manning; i - Độ nghiêng thủy động lực học của ống.

Nếu như lưu lượng tính toán nhỏ hơn lưu lượng dành cho sự ngập đường ống q £ q_max, đoạn ống được xét như chế độ tự chảy. Trong trường hợp ngược lại, q > q_max, đoạn ống được xem như chế độ chảy có áp. Trong ví dụ được biểu thị ở Hình 2.2, ở các đoạn ống 4 - 5, 5 - 6 có q > q_max. Với hệ thống có sẵn q_max tương ứng với khả năng lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua của đường ống. Với đoạn ống nước thải mới, khả năng lưu lượng lớn nhất có thể là không giới hạn (lớn vô cùng).

Khả năng lưu lượng chảy qua bé nhất có thể của đoạn ống q_minđược xác định theo trường hợp của vận tốc không lắng cặn. Theo Tiêu chuẩn và quy tắc xây dựng của Liên bang Nga về “Hệ thống nước thải, các mạng lưới và công trình bên ngoài” (TCXDLBN 2.04.03-85) [0], vận tốc bé nhất có thể của đoạn ống (vận tốc tối thiểu có thể cuốn theo các chất lắng, cặn) được tính theo công thức:

(2)

Từ đó, lưu lượng chảy qua bé nhất có thể của đoạn ống được tính theo công thức:

- Dành cho nước thải sinh hoạt:

(3)

- Dành cho hệ thống thoát nước mưa V_min = 0,6 m/S.

(4)

Trong đó: ω - Tiết diện ướt của ống, m².

Từ sự phân tích vận tốc dòng chảy của các đường ống, chỉ ra rằng ở các đoạn ống 1 - 2, 2 - 3 vận tốc dòng chảy bé hơn vận tốc bé nhất, từ đó xuất hiện bài toán, sửa chữa hệ thống phù hợp với yêu cầu tiêu chuẩn:

- Ở 2 đoạn ống đầu tiên cần giảm đường kính bằng phương pháp thay mới hoặc đặt ống mới với đường kính bé hơn nằm trong đường ống cũ, nhằm mục đích tăng vận tốc dòng chảy;

- Ở 2 đoạn ống cuối cần thiết phải tăng đường kính ống bằng phương pháp đặt đường ống mới với đường kính lớn hơn ở vị trí đường ống cũ, hoặc đặt song song với đường ống cũ một đường ống mới, nhằm mục đích xóa bỏ tình trạng ngập đường ống.

Những phương án sửa chữa nói trên có thể được thể hiện ở dạng sơ đồ thiết kế dự trữ (Hình 2.3).

1 - Sự lắp đặt song song; 2 - Sự xây dựng đường ống bán kính nhỏ hơn trong đường ống có sẵn; 3 - đường ống cũ; 4 - Sự lắp đặt song song đường ống bằng phương pháp mở; 5 - Sự xây dựng “ống trong ống” (bằng cách tăng đường kính ống nước cũ hoặc đặt vào đó đường ống mới với đường kính lớn hơn)

Hình 2.3: Sơ đồ thiết kế dự trữ trong việc sửa chữa hệ thống thoát nước

Để xác định giá thành đơn vị của dòng chảy, chúng ta sử dụng Bảng giá tiêu chuẩn trong xây dựng của Liên bang Nga về “Mạng lưới cấp thoát nước” (NTSS 81-02-14-2012) [0], trong đó giá thành được tính theo sự phụ thuộc của vật liệu ống, đường kính ống, chiều sâu đặt ống nước. Trong ví dụ này, chúng ta xét trường hợp lắp đặt ống bằng nhựa tổng hợp, đơn vị dài 1km, phương pháp đặt ống mở, sâu 3m, giá thành được tính theo công thức:

(5)

Từ công thức (1), giá thành đơn vị của dòng chảy được tính theo sự phụ thuộc của lưu lượng dòng chảy thực tế và độ nghiêng thủy động lực học:

(6)

Nếu sự lắp đặt ống nước không đào rãnh dành cho đường ống có đường kính nhỏ vào đường ống cũ có đường kính lớn hơn, đươc tính theo công thức:

(7)

Nếu sự lắp đặt không đào rãnh dành cho đường ống có đường kính lớn vào đường ống cũ có đường kính bé hơn, đươc tính theo công thức:

(8)

Ta đã biết độ nghiêng thủy động lực học của đường ống, chiều dài đường ống, từ đó xác định được lưu lượng cực đại của đường ống và giá thành đơn vị của dòng chảy của mỗi đường ống nước thải theo Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Bảng tính giá thành đơn vị dòng chảy theo đoạn đường ống

Với kết quả nhận được từ sự tính toán giá trị giới hạn dòng chảy và giá thành đơn vị của dòng chảy, chúng ta xây dựng sơ đồ mạng lưới vận tải (Hình 2.4):

Hình 2.4: Sơ đồ tối ưu mạng lưới vận tải của các đường ống nước thải cần sửa chữa

Đường gạch nét - điểm xả của dòng chảy từ điểm thải. Hai số trong ngoặc trên đường đó tương ứng với giá thành đơn vị dòng chảy - bằng không và khả năng lưu lượng cho qua lớn nhất - bằng lưu lượng tính toán. Với những đường nét khác, giá trị được viết tương ứng là giá thành đơn vị dòng chảy và khả năng lưu lượng cho qua lớn nhất có thể của đường ống đó.

Sự tìm kiếm dòng chảy lớn nhất với giá thành nhỏ nhất được thực hiện trên việc phân tích tìm kiếm đường đi ngắn nhất (theo tổng giá thành đơn vị dòng chảy của đường đi), xuất phát từ điểm S đến điểm t. Dòng chảy lớn nhất được tìm kiếm theo từng đường đi. Nó được tính bằng giá trị nhỏ nhất từ tập hợp tất cả giá trị khả năng lưu lượng lớn nhất của tất cả đoạn đường ống trên tuyến được xem xét. Giá thành của dòng chảy trên tuyến được xem xét đó được xác định bằng tích của đơn vị dòng chảy với tổng giá thành đơn vị của dòng chảy ở tuyến đường ống được xem xét. Đường ống với dòng chảy có giá trị lớn nhất có thể cho qua đó được xem là đã bão hòa và bị loại bỏ khỏi sơ đồ mạng lưới bổ sung, tạo thành mạng lưới bổ sung mới. Tiếp theo, ta lại lặp lại quy trình như trên với tuyến mới từ sơ đồ mạng lưới bổ sung mới được thành lập. Sự tính dừng lại khi sơ đồ mạng lưới bổ sung được chia làm 2 sơ đồ nhỏ không có sự liên kết với nhau.

Từ Hình 2.4 ta có những bước thực hiện như sau:

Dòng chảy lớn nhất ở tuyến này là 0,13m³/s, giá thành được tình bằng: 0,13*(0 + 2642,01 + 0) = 343,47 nghìn rúp. Ở Hình 2.4 trong ngoặc thể hiện chỉ số giá thành lưu lượng và khả năng cho qua dự trữ còn lại. Lưu lượng ở đoạn ống S-5 được tính như bão hòa và bị xóa khỏi sơ đồ mạng lưới dự trữ.

Ta có sơ đồ mới:

Dòng chảy lớn nhất ở tuyến này là 0,15m³/s, giá thành được tình bằng: 0,15*(0 + 4403,35 + 2642,01 + 0) = 1056,847 nghìn rúp. Lưu lượng ở đoạn ống S-4 được tính như bão hòa và bị xóa khỏi sơ đồ mạng lưới dự trữ.

Tiếp theo, ta xét những tuyến mới từ S tới t như sau:

Xóa đoạn S-3.

Xóa đoạn S-2.

Xóa đoạn S-1.

Cuối cùng, sơ đồ được chia làm 2 sơ đồ nhỏ không liên hệ với nhau và sựtìm được dừng. Phương án cuối cùng được trình bày ở Hình 2.5.

Hình 2.5: Sơ đồ tối ưu của hệ thống thoát nước cần sửa chữa

Theo như Hình 2.5, phương án sửa chữa của chúng ta sẽ là: Ở 2 đoạn ống đầu tiên lắp đặt 2 đường ống với đường kính nhỏ hơn vào vị trí đường ống cũ, còn ở 2 đoạn đường ống cuối chúng ta mở rộng đường kính lớn hơn đường ỗng cũ. Chi phí lắp đặt là 1,941 triệu rúp. Ở Hình 2.6, màu xanh lá cây và màu tím thể hiện đường kính của đường ống mới. Sau khi sửa chữa trên tất cả các đoạn đường ống, hệ thống nước thải được nâng cấp và làm việc ở trạng thái tự chảy với vận tốc dòng chảy lớn hơn vận tốc cực tiểu (vận tốc nhỏ nhất để dòng chảy có thể cuốn theo chất lắng cặn).

Hình 2.6: Mặt cắt đường ống mạng lưới thoát nước sau khi sữa chữa tối ưu

Chúng ta cùng xem xét mô hình mạng lưới lớn hơn, phức tạp hơn với cùng một phương pháp để giải quyết bài toán tối ưu hóa sửa chữa nâng cấp hệ thống thoát nước (Hình 2.7).

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống thoát nước và điểm thải mới của khu dân cư mới, màu đỏ - khả năng lưu lượng chảy qua lớn nhất của đường ống, đường địa hình và độ cao các điểm thải

Hệ thống thoát nước được xây dựng từ 2 khu vực dân cư. Hai khi vực dân cư này không được liên kết với nhau. Theo định hướng phát triển, đề xuất xây dựng khu vực dân cư mới với 12 điểm thải. Phân tích hệ thống thoát nước, ta thấy rằng trên mạng lưới có những đoạn đường ống bị ngập (Hình 2.8).

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thoát nước, mầu xanh đậm - lưu lượng thực tế của ống, m³/s; màu vàng - đoạn đường ống bị ngập, m³/s

Như vậy, yêu cầu đặt ra là cần sửa chữa và lắp đặt hệ thống thoát nước hợp với tiêu chuẩn, tất cả các đoạn đường ống của hệ thống nước thải đều ở trạng thái làm việc tự chảy và vận tốc lớn hơn vận tốc cực tiểu. Với khu vực dân cư mới, cần thiết kế hệ thống và xác định hệ thống mới đó sẽ kết nối với hệ thống sẵn có như thế nào. Như vậy, xuất hiện bài toán tối ưu hóa việc sửa chữa mạng lưới có sẵn và chọn sự kết nối và thông số của các đoạn đường ống mới.

Từ những phương án lắp đặt đường ống mới và sửa chữa đường ống cũ, chúng ta xây dựng được sơ đồ mạng lưới dự trữ như Hình 2.9.

Hình 2.9: Sơ đồ bổ sung hệ thống nước thải cần nâng cấp sửa chữa

Dựa vào chất lượng phương án sửa chữa mạng lưới, chúng ta xem xét sự lắp đặt song song của những đường ống bổ sung. Theo Hình 2.9 các đường ống được thể hiện bằng màu xanh đậm, còn những đường ống mới được biểu thị bằng màu xanh da trời.

Với mỗi đường ống cũ hoặc mới chúng ta các định khả năng cho phép lớn nhất lưu lượng nước thải có thể chảy qua và giá thành đơn vị dòng chảy, từ đó xây dựng mạng lưới vận tải (Hình 2.10).

Hình 2.10: Sơ đồ mạng lưới vận tải của hệ thống thoát nước cần sửa chữa

Kết quả của việc tìm kiếm theo phương pháp dòng chảy lớn nhất giá thành nhỏ nhất (tương tự như ví dụ đầu tiên) trải qua việc xem xét 47 tuyến từ S tới t.

Phương án cuối cùng được thể hiện như Hình 2.11.

Hình 2.11: Sơ đồ tối ưu của hệ thống thoát nước cần sửa chữa nâng cấp

Ở đây, chúng ta cần xây dựng thêm 5 đường ống song song với đường ống cũ và 21 đường ống mới. Giá thánh là 7,44 triệu rúp (Bảng 2.2).

Bảng 2.2. Thông số các đoạn đường ống mới của hệ thống nước thải

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 vậy, 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.

3. Kết luận

Trong thực tiễn thiết kế và vận hành mạng lưới đường ống thoát nước thải được đề xuất bởi phương pháp với chương trình hỗ trợ TRACE-VK. Chương trình này được viết trên ngôn ngữ C++, cho phép tối ưu hóa trong việc xây mới hoặc sửa chữa hệ thống thoát nước. TRACE-VK đã được áp dụng ở các nhà máy cấp thoát nước của vùng Irkutsk (các thành phố Irkutsk, Shelekhov, Baikalsk, Angarask), Liên bang Nga. Phương pháp được đề cập trong bài viết có thể hữu ích trong việc nghiên cứu định hướng phát triển sơ đồ hệ thống cấp thoát nước của đô thị, khu tập trung dân cư, và cũng có thể được áp dụng vào các nhà máy nước trong việc soạn thảo chương trình đầu tư vàocác 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. (1963), Фалкерсон Д.Р, Потоки в сетях, - М.: Мир. 216 с.

[4]. Ху Т (1974), Целочисленное программирование и потоки в сетях, - М.: Мир., 520 с.

[5]. Чупин В.Р., Мелехов Е.С. (2010), Чупин Р.В. Напорное движение стоков в безнапорных коллекторах // Водоснабжение и санитарная техника, №7. С. 15-24.

[6]. Чупин Р.В (2014), Расчет систем водоотведения с замкнутыми контурами и разгрузочными коллекторами // Водоснабжение и санитарная техника, №1. С. 56-62