Tổng quan nghiên cứu

Tại Việt Nam, tỷ lệ dân cư nông thôn được sử dụng nước sạch từ các hệ thống cấp nước tập trung hoàn chỉnh chỉ chiếm khoảng 2% đến 10% theo khảo sát kỹ thuật, trong khi tỷ lệ thất thoát nước bình quân toàn quốc vẫn ở mức cao từ 28% đến 30%. Tại tỉnh Bắc Ninh, trạm cấp nước tập trung liên xã Tri Phương – Hoàn Sơn thuộc huyện Tiên Du được đầu tư xây dựng với công suất thiết kế 6.000 m3/ngày đêm nhằm phục vụ cho hơn 17.000 nhân khẩu. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, công suất khai thác mới chỉ đạt xấp xỉ 70%, đi kèm với tỷ lệ thất thoát nước kỹ thuật vượt ngưỡng 20% do hệ thống quản lý còn thủ công và chưa tối ưu hóa mạng lưới phân phối.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng kỹ thuật công trình, phân tích chất lượng nguồn nước mặt sông Đuống, tính toán dự báo nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt đến năm 2020 và tầm nhìn 2030 cho 6 xã gồm Tri Phương, Hoàn Sơn, Khắc Niệm, Liên Bão, Phật Tích và Minh Đạo. Trên cơ sở đó, đề tài xây dựng giải pháp nâng công suất nhà máy lên 10.000 m3/ngày đêm trong giai đoạn 1 và đạt 20.000 m3/ngày đêm trong giai đoạn 2, kết hợp mô phỏng thủy lực 77.243 m đường ống truyền tải và dịch vụ.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc chuẩn hóa quy trình vận hành, nâng tiêu chuẩn dùng nước từ 85 lít/người/ngày lên 100 đến 130 lít/người/ngày, kéo giảm tỷ lệ thất thoát nước xuống dưới 15%. Nghiên cứu đồng thời tạo tiền đề loại bỏ hàng nghìn giếng khoan tự phát đang làm suy giảm tầng chứa nước ngầm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng trước nguy cơ ô nhiễm asen tại vùng đồng bằng Bắc Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thủy lực mạng lưới cấp nước áp lực kết hợp khung quản trị chống thất thoát nước theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Nước Quốc tế. Nền tảng thủy lực sử dụng phương trình liên tục tại các điểm nút và phương trình bảo toàn năng lượng trong các vòng kín mạng lưới cấp nước, vận dụng công thức Hazen-Williams và Darcy-Weisbach để xác định chính xác tổn thất áp lực dọc đường và tổn thất cục bộ trên các tuyến ống nhựa HDPE.

Mô hình nghiên cứu tích hợp hệ thống thông tin địa lý GIS với hệ thống giám sát thu thập dữ liệu tự động SCADA và phần mềm mô phỏng WaterGEMS/EPANET, tạo thành hệ thống quản lý mạng lưới thông minh. Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: cột áp tự do tối thiểu tại các điểm cấp nước bất lợi, hệ số dùng nước không điều hòa ngày cực đại với giá trị 1,2 và hệ số không điều hòa giờ với giá trị 1,7, phân vùng cấp nước độc lập DMA, cùng tỷ lệ nước không doanh thu NRW. Khung lý thuyết bám sát các văn bản quy chuẩn như Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước mạng lưới đường ống TCXDVN 33:2006 và Quy chuẩn xây dựng Việt Nam QCXDVN 01:2008/BXD.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ cuộc điều tra khảo sát thực địa tại 4.471 hộ dân trên địa bàn 2 xã trọng điểm Tri Phương và Hoàn Sơn, kết hợp chuỗi dữ liệu phân tích chất lượng nước sông Đuống giai đoạn 2012-2013 với 22 chỉ tiêu hóa lý tại 4 thời điểm mùa khô và mùa lũ. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo địa bàn từng thôn xóm được áp dụng để đảm bảo tính đại diện cho các nhóm thu nhập từ 9,5 triệu đồng đến 36 triệu đồng/người/năm và tỷ lệ hộ nghèo từ 3,2% đến 9,5%.

Phương pháp mô hình hóa toán học bằng phần mềm chuyên dụng EPANET và WaterGEMS được lựa chọn làm công cụ tính toán chính nhờ khả năng giải quyết các mạng lưới phức tạp gồm 17.848 m ống truyền tải chính từ D90 đến D450 và 59.395 m ống phân phối từ D32 đến D75. Lý do lựa chọn mô hình số là nhằm xác định chính xác biểu đồ biến thiên áp lực và lưu lượng 24 giờ trong ngày. Phương pháp phân tích hệ thống và lấy ý kiến chuyên gia đầu ngành từ Trung tâm Quốc gia Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn giúp chuẩn hóa các kịch bản. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ từ tháng 9 năm 2014 đến tháng 2 năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, trạm xử lý nước tập trung Tri Phương – Hoàn Sơn hiện chỉ vận hành ở mức 70% công suất thiết kế 6.000 m3/ngày đêm, trong khi tỷ lệ thất thoát nước sạch trên mạng lưới thực tế vượt quá 20%, gây lãng phí trung bình hơn 850 m3 nước sạch mỗi ngày đêm.

Thứ hai, kết quả phân tích chất lượng nước sông Đuống khẳng định nguồn nước mặt có lưu lượng dồi dào từ 1.000 m3/s trong mùa cạn đến trên 9.000 m3/s trong mùa lũ. Hàm lượng oxy hòa tan DO duy trì ở mức cao từ 6,88 đến 9,54 mg/l, độ pH ổn định từ 7,61 đến 8,15, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn nguồn nước thô sau quy trình keo tụ lắng lamen và lọc tự rửa. Trái lại, nguồn nước ngầm tầng nông đang sụt giảm trữ lượng nhanh và xuất hiện hàm lượng asen vượt ngưỡng cho phép, liên quan trực tiếp đến 761 ca bệnh phụ khoa cùng nhiều ca bệnh da liễu được ghi nhận tại trạm y tế địa phương năm 2011.

Thứ ba, dự báo nhu cầu dùng nước cho 6 xã với quy mô 30.324 người vào năm 2020 cho thấy nhu cầu trung bình ngày đạt 4.374 m3/ngày và lưu lượng ngày lớn nhất đạt 5.449 m3/ngày. Đến năm 2030, khi 100% dân số được phục vụ với định mức 130 lít/người/ngày, tổng công suất cần thiết kế mở rộng phải đạt 20.000 m3/ngày đêm.

Thứ tư, mô phỏng thủy lực trên toàn bộ 77.243 m mạng lưới cho thấy khi bổ sung trạm bơm tăng áp biến tần công suất 317 đến 527 m3/h kết hợp đài nước, tổn thất áp lực tại các điểm cuối nguồn giảm mạnh từ 35% xuống dưới 12%, duy trì cột áp ổn định trên 10 m nước.

Thảo luận kết quả

Tình trạng nhà máy vận hành dưới công suất bắt nguồn từ hai nguyên nhân chính: người dân vẫn giữ thói quen sử dụng giếng khoan tầng nông do ngại chi trả tiền nước, và mạng lưới cấp nước thiếu thiết bị phát hiện rò rỉ ngầm. So sánh với mức thất thoát bình quân 28% đến 29% của 76 công ty cấp nước trên cả nước theo báo cáo của Bộ Xây dựng năm 2014, mức thất thoát trên 20% tại Tiên Du cho thấy hệ thống cần được tái cấu trúc công nghệ quản lý ngay lập tức.

Các dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ thủy lực áp lực nút, bảng cân bằng vật chất trạm xử lý và bản đồ phân vùng lưu lượng DMA. Việc ứng dụng hệ thống SCADA tích hợp WaterGEMS cho phép khoanh vùng rò rỉ tự động trong vòng 15 phút, giúp giảm tỷ lệ thất thoát nước xuống dưới 15%, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí điện năng và hóa chất xử lý hàng năm cho nhà máy.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, mở rộng và nâng cấp trạm xử lý nước sạch cụm Tri Phương – Hoàn Sơn lên công suất 10.000 m3/ngày đêm trong giai đoạn 1 trước năm 2020 và đạt 20.000 m3/ngày đêm trong giai đoạn 2 trước năm 2030. Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Bắc Ninh phối hợp với Ủy ban nhân dân huyện Tiên Du làm chủ thể đầu tư, hướng tới cấp nước đạt chuẩn 24/24 giờ cho toàn bộ 6 xã trong khu vực với tiêu chuẩn tiêu thụ 100 đến 130 lít/người/ngày.

Hai là, hiện đại hóa công nghệ giám sát mạng lưới bằng cách lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống quản trị SCADA kết hợp biến tần điều khiển trạm bơm cấp 2 công suất 417 đến 833 m3/h. Đơn vị quản lý vận hành cần triển khai đồng bộ các van giảm áp thông minh và đồng hồ đo lưu lượng điện từ tại 100% các phân vùng cấp nước DMA trong giai đoạn 2015-2017 nhằm kiểm soát chặt chẽ tổn thất áp lực và đưa tỷ lệ thất thu kỹ thuật xuống dưới 15%.

Ba là, tiến hành cải tạo, hoàn thiện 59.395 m tuyến ống dịch vụ bằng vật liệu nhựa HDPE có đường kính D32 đến D75 và 17.848 m ống truyền tải D90 đến D450. Đội ngũ kỹ thuật thực hiện kiểm định định kỳ 6 tháng một lần đối với toàn bộ cụm đồng hồ đo nước của các hộ tiêu thụ, thay thế ngay các đoạn ống xuống cấp để ngăn chặn hiện tượng rò rỉ cơ học.

Bốn là, hoàn thiện cơ chế biểu giá bán nước sạch theo hướng tính đúng, tính đủ chi phí bảo dưỡng định kỳ và trích lập quỹ tái đầu tư. Ủy ban nhân dân tỉnh Bắc Ninh ban hành chính sách hỗ trợ tín dụng ưu đãi theo Quyết định 62/QĐ-TTg, kết hợp tuyên truyền vận động người dân đóng giếng khoan ô nhiễm để nâng tỷ lệ hộ gia đình sử dụng nước sạch tập trung từ 70% lên trên 95% trước năm 2020.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất: Cán bộ quản lý tại các Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Xây dựng và Trung tâm Nước sạch các tỉnh. Luận văn cung cấp phương pháp luận và số liệu thực tế để hoạch định chiến lược phát triển cấp nước nông thôn tập trung liên xã gắn với quy hoạch vùng.

Nhóm thứ hai: Kỹ sư tư vấn thiết kế và quy hoạch cấp thoát nước. Nhóm này có thể ứng dụng trực tiếp quy trình mô phỏng thủy lực trên EPANET/WaterGEMS và công thức xác định hệ số không điều hòa để tính toán tối ưu mạng lưới đường ống cấp nước có quy mô từ 6.000 đến 20.000 m3/ngày đêm.

Nhóm thứ ba: Ban giám đốc và kỹ sư vận hành tại các công ty, trung tâm khai thác công trình cấp nước sinh hoạt nông thôn. Tài liệu mang đến cẩm nang thực hành về quy trình xử lý nước mặt sông Đuống, công nghệ lắng lamen, lọc tự rửa và giải pháp quản lý thất thoát nước bằng công nghệ SCADA.

Nhóm thứ tư: Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật cơ sở hạ tầng, Kỹ thuật tài nguyên nước, Công trình thủy lợi. Luận văn đóng vai trò là tài liệu tham khảo khoa học mẫu mực về phương pháp điều tra hiện trạng, xử lý số liệu dân sinh và ứng dụng mô hình số trong giải quyết bài toán hạ tầng kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Vì sao hệ thống cấp nước cụm Tri Phương – Hoàn Sơn lựa chọn khai thác nguồn nước mặt sông Đuống thay vì nguồn nước ngầm tại chỗ? Trả lời: Nguồn nước ngầm tầng nông tại huyện Tiên Du có trữ lượng hạn chế, mực nước hạ thấp sau nhiều năm khai thác và có dấu hiệu nhiễm asen. Trong khi đó, sông Đuống có lưu lượng dồi dào từ 1.000 đến 9.000 m3/s, chỉ số DO đạt 6,88 đến 9,54 mg/l, đảm bảo nguồn nước thô ổn định lâu dài cho công suất 20.000 m3/ngày đêm.

Câu hỏi 2: Mô hình thủy lực EPANET và WaterGEMS đem lại lợi ích cụ thể gì cho việc thiết kế mạng lưới đường ống? Trả lời: Mô hình toán học giúp tính toán chính xác tổn thất áp lực và lưu lượng trên 77.243 m ống HDPE. Nhờ đó, kỹ sư phát hiện sớm các điểm thiếu áp, tối ưu hóa đường kính ống từ D32 đến D450 và lựa chọn trạm bơm biến tần 317 đến 527 m3/h, giảm tổn thất cột áp cuối mạng xuống dưới 12%.

Câu hỏi 3: Công nghệ SCADA hỗ trợ giảm tỷ lệ thất thoát nước sạch trên mạng lưới cấp nước bằng phương thức nào? Trả lời: SCADA kết nối các cảm biến áp lực và đồng hồ lưu lượng điện từ tại các vùng DMA, truyền dữ liệu theo thời gian thực về trung tâm điều hành. Khi có rò rỉ hoặc bục vỡ ống, hệ thống định vị điểm cố trong vòng 15 phút, giúp giảm tỷ lệ thất thoát từ trên 20% xuống dưới 15%.

Câu hỏi 4: Nhu cầu dùng nước của khu vực nghiên cứu được dự báo tăng trưởng ra sao trong giai đoạn 2020 đến 2030? Trả lời: Cùng với quá trình công nghiệp hóa và dịch vụ chiếm trên 70% cơ cấu kinh tế, định mức dùng nước sinh hoạt tăng từ 85 lít lên 100 lít/người/ngày năm 2020 và 130 lít/người/ngày năm 2030. Tổng công suất khai thác tương ứng cần nâng từ 6.000 m3/ngày lên 10.000 m3/ngày và đạt 20.000 m3/ngày.

Câu hỏi 5: Giải pháp của luận văn có khả năng nhân rộng cho các hệ thống cấp nước nông thôn khác tại Việt Nam không? Trả lời: Mô hình hoàn toàn có thể nhân rộng vì giải pháp kết hợp giữa công trình thu nước mặt, cụm xử lý lắng lamen - lọc tự rửa và quản trị mạng lưới bằng SCADA là giải pháp công nghệ tiêu chuẩn, bám sát các mục tiêu trong Quyết định 366/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.

Kết luận

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống cấp nước công suất 6.000 m3/ngày đêm cụm xã Tri Phương – Hoàn Sơn, chỉ rõ việc khai thác mới đạt 70% công suất và mức thất thoát nước sạch vượt quá 20%.
  • Phân tích và chứng minh tính ưu việt của nguồn nước mặt sông Đuống với lưu lượng từ 1.000 đến 9.000 m3/s để thay thế triệt để các nguồn nước ngầm ô nhiễm tại địa phương.
  • Thiết lập thành công mô hình thủy lực EPANET trên mạng lưới 77.243 m đường ống HDPE, tối ưu hóa áp lực cấp nước liên tục cho 6 xã thuộc huyện Tiên Du và thành phố Bắc Ninh.
  • Hoàn thiện phương án nâng công suất trạm lên 10.000 m3/ngày đêm giai đoạn đến năm 2020 và 20.000 m3/ngày đêm giai đoạn đến năm 2030, phục vụ 100% dân số với định mức 130 lít/người/ngày.
  • Đề xuất tích hợp công nghệ SCADA và phân vùng DMA, đảm bảo mục tiêu kéo giảm tỷ lệ thất thoát nước kỹ thuật xuống dưới ngưỡng 15%.

Đóng góp chính của luận văn là xây dựng giải pháp đồng bộ kết hợp giữa quy hoạch mở rộng công suất công trình nguồn với tự động hóa giám sát mạng lưới đường ống cấp nước tập trung nông thôn. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2015-2020 là hoàn thiện lắp đặt thiết bị đo đếm tự động SCADA và số hóa toàn bộ bản đồ mạng lưới cấp nước trên nền GIS. Các cơ quan quản lý và đơn vị cấp nước có thể liên hệ trực tiếp Trường Đại học Thủy lợi để tiếp cận toàn văn công trình nghiên cứu và áp dụng vào thực tế các dự án phát triển hạ tầng nước sạch.