Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Bắc Ninh bước vào giai đoạn công nghiệp hóa với tốc độ tăng trưởng GDP ấn tượng đạt 12,87% vào năm 2009. Tuy nhiên, hạ tầng cấp nước đô thị thời điểm năm 2010 chỉ đáp ứng được khoảng 66,6% dân số toàn thành phố, tương đương 102.167 người được tiếp cận nguồn nước sạch tập trung. Hơn 51.000 người dân, đặc biệt tại các khu vực ngoại thành mở rộng như xã Nam Sơn, phường Vân Dương, hoàn toàn chưa có hệ thống cấp nước máy và phải phụ thuộc vào nước ngầm mạch nông.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự mất cân đối nghiêm trọng giữa nguồn cung và nhu cầu phát triển. Quy mô không gian đô thị mở rộng từ 10 lên 19 đơn vị hành chính theo Nghị quyết số 60/2006/NQ-HĐND, kéo theo nhu cầu dùng nước tăng vọt. Dự báo nhu cầu cấp nước sinh hoạt và công nghiệp sẽ chạm mốc 30.000 m3/ngày đêm vào năm 2015 và đạt 40.000 m3/ngày đêm vào năm 2020. Trong khi đó, Nhà máy nước Bắc Ninh tại dốc Pháo Thủ chỉ vận hành với công suất thiết kế 20.000 m3/ngày đêm từ nguồn nước ngầm đang có dấu hiệu suy thoái tầng chứa. Do đó, thành phố phải đối mặt với nguy cơ thiếu hụt 10.000 m3/ngày đêm vào năm 2015 và 20.000 m3/ngày đêm vào năm 2020.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá thực trạng khai thác nguồn nước và mạng lưới truyền dẫn; tính toán dự báo nhu cầu dùng nước cho từng phân khu đến năm 2020; ứng dụng mô hình thủy lực hiện đại để mô phỏng mạng lưới; từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật, công nghệ và quản lý vận hành nhằm cải tạo, nâng công suất toàn diện hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ diện tích tự nhiên 82,61 km2 của thành phố Bắc Ninh cùng các vùng phụ cận trong mốc thời gian từ 2010 đến 2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi định hình kế hoạch nâng tỷ lệ bao phủ cấp nước sạch từ 66,6% lên 87,99% vào năm 2015 và đạt 97,71% vào năm 2020, đồng thời kéo giảm tỷ lệ thất thoát nước vật lý xuống dưới mức 10%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy lực mạng lưới đường ống chịu áp, ứng dụng các phương trình bảo toàn lưu lượng tại nút của Kirchhoff và phương trình tổn thất áp lực Hazen-Williams nhằm xác định quan hệ thủy lực giữa lưu lượng, vận tốc dòng chảy và tổn thất cột áp. Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết động học các quá trình oxy hóa - lắng lọc trong công nghệ xử lý nước cấp, bao gồm quá trình làm thoáng nhân tạo để chuyển hóa sắt hóa trị hai Fe(II) sang sắt hóa trị ba Fe(III), lý thuyết lắng trọng lực trong bể lắng đứng kết hợp phản ứng xoáy, và động học lọc nhanh qua lớp vật liệu cát thạch anh.

Mô hình nghiên cứu tích hợp chuỗi tính toán liên hoàn từ dự báo nhu cầu theo tiêu chuẩn dùng nước, quy hoạch phân vùng cấp nước, đến mô phỏng cân bằng thủy lực mạng lưới phân phối. Các khái niệm học thuật trọng tâm được chuẩn hóa bao gồm:

  • Hệ số dùng nước không điều hòa ngày cực đại (Kngày max = 1,20), phản ánh mức độ dao động tiêu thụ nước sinh hoạt của cư dân đô thị theo mùa và ngày cao điểm.
  • Áp lực tự do tối thiểu tại các nút mạng lưới (Hmin >= 10 m cột nước), đảm bảo khả năng đưa nước tự chảy lên các tầng nhà dân sinh theo tiêu chuẩn xây dựng.
  • Phân vùng tách mạng DMA (District Metered Area), phương pháp phân chia mạng lưới đường ống thành các khu vực độc lập để kiểm soát áp lực và lưu lượng nhằm giảm thiểu thất thoát nước.
  • Nhu cầu dùng nước tiêu chuẩn theo TCXDVN 33:2006, quy định định mức 130-150 lít/người/ngày cho khu vực nội thị và 90-100 lít/người/ngày cho ngoại thị.

Hệ thống lý thuyết và quy chuẩn bám sát các định hướng phát triển quốc gia theo Quyết định số 1929/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa tầng với độ tin cậy cao, kết hợp tài liệu địa chất thủy văn từ 65 lỗ khoan thăm dò có tổng chiều sâu 2.827 m của Đoàn Địa chất 58, hồ sơ quan trắc mực nước động và lưu lượng thực tế tại 16 giếng khoan khai thác (G1A đến G15) của Công ty TNHH MTV Cấp thoát nước Bắc Ninh trong năm 2010, cùng dữ liệu tổng điều tra dân số và niên giám thống kê giai đoạn 2004-2009.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao phủ toàn bộ 19 đơn vị hành chính (13 phường nội thị và 6 xã ngoại thị) với quy mô 153.390 dân. Phương pháp chọn mẫu toàn phần được áp dụng cho dữ liệu dân sinh kinh tế nhằm đảm bảo tính đồng nhất của dự báo nhu cầu dùng nước trên toàn địa bàn. Đối với chất lượng nước, nghiên cứu lấy mẫu phân tích tại trạm xử lý nguồn ngầm và mẫu nước mặt sông Cầu tại thôn Đầu Hàn theo tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn phần mềm mô phỏng thủy lực EPANET của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ thay vì các chương trình truyền thống như LOOP hay phần mềm thương mại Pipe Flow Expert. Lý do lựa chọn EPANET là khả năng mô phỏng động học thủy lực theo thời gian thực (Extended Period Simulation), không bị giới hạn số lượng nút và đoạn ống (vượt trội so với giới hạn 500 ống của LOOP), tích hợp tính toán lan truyền chất lượng nước (sự suy giảm dư lượng Clo) và xuất dữ liệu trực quan phục vụ công tác thiết kế nâng cấp. Tiến trình nghiên cứu được triển khai liên tục qua các giai đoạn khảo sát, mô hình hóa và kiểm chứng số liệu từ năm 2010 đến 2011, thiết lập tầm nhìn quy hoạch đến năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích hiện trạng và dữ liệu tính toán của luận văn chỉ ra bốn phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, tồn tại sự mất cân đối nghiêm trọng về tỷ lệ cấp nước giữa khu vực trung tâm và vùng ven. Trong khi 4 phường trung tâm cũ gồm Đáp Cầu, Thị Cầu, Tiền An, Ninh Xá đạt tỷ lệ bao phủ cấp nước 100%, thì các khu vực mới sáp nhập có tỷ lệ tiếp cận nước sạch rất thấp: phường Hạp Lĩnh đạt 43%, phường Vạn An đạt 40%, xã Kim Chân đạt 25%, xã Khắc Niệm chỉ có 9%, riêng xã Nam Sơn và phường Vân Dương tỷ lệ cấp nước là 0%.

Thứ hai, nguồn nước ngầm đang bị khai thác quá mức và suy giảm nghiêm trọng. Quan trắc tại 16 giếng khoan khai thác cho thấy mực nước động trong tháng 8/2010 đã hạ thấp từ 1,0 m đến hơn 2,0 m so với cùng kỳ năm 2009. Mẫu nước thô phân tích ngày 08/11/2010 có hàm lượng Sắt tổng số lên tới 30,0 mg/l và hàm lượng Amoni đạt 10,30 mg/l, vượt xa giới hạn tiêu chuẩn nước thô thông thường, gây áp lực rất lớn lên dây chuyền xử lý hiện hữu.

Thứ ba, công suất nhà máy hiện tại không đáp ứng được tốc độ gia tăng nhu cầu nước. Tổng công suất khai thác thực tế của hệ thống giếng vào mùa khô chỉ đạt 22.752 m3/ngày và nhà máy xử lý dốc Pháo Thủ đạt ngưỡng tối đa 20.000 m3/ngày. Trong khi đó, nhu cầu tính toán cho thấy năm 2015 thành phố cần 30.000 m3/ngày (thiếu hụt 33,3%) và năm 2020 cần tới 40.000 m3/ngày (thiếu hụt 50% công suất).

Thứ tư, công tác chống thất thoát nước bước đầu có chuyển biến nhưng chưa bền vững. Tỷ lệ thất thoát nước đã giảm từ 22,11% năm 2005 xuống 18,79% vào 8 tháng đầu năm 2010 nhờ lắp đặt đồng hồ tổng và bước đầu phân vùng tách mạng. Tuy nhiên, toàn mạng lưới có 203.720 m ống dịch vụ với nhiều tuyến ống uPVC, gang cũ xuống cấp, tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ ngầm lớn.

Thảo luận kết quả

Sự chênh lệch về tỷ lệ phủ mạng lưới bắt nguồn từ việc đầu tư cơ sở hạ tầng giai đoạn 1998-2004 chỉ tập trung vào lõi đô thị cũ. Khi 9 xã mới được sáp nhập vào địa giới thành phố, mạng lưới cấp 2 và cấp 3 chưa được bố trí vốn mở rộng kịp thời, dẫn đến tình trạng người dân ngoại thành phải sử dụng nước ngầm tầng nông chưa qua xử lý bị nhiễm tạp chất. Hiện tượng sụt giảm mực nước ngầm từ 1-2 m phản ánh quy luật thủy địa chất khi tổng lưu lượng khai thác vượt quá trữ lượng bổ cập tự nhiên từ sông Cầu vào mùa khô.

So với mục tiêu quốc gia tại Quyết định số 1929/QĐ-TTg (yêu cầu tỷ lệ cấp nước đô thị loại II đạt trên 90% và tỷ lệ thất thoát dưới 15%), thành phố Bắc Ninh năm 2010 còn khoảng cách khá xa. Điều này khẳng định việc tiếp tục khai thác bổ sung nguồn nước ngầm là không khả thi về mặt kỹ thuật và môi trường, bắt buộc phải chuyển hướng sang khai thác nước mặt sông Cầu với lưu lượng bình quân dồi dào 51,1 m3/s.

Trong thực tế thiết kế, các dữ liệu về suy giảm mực nước tĩnh - động tại 16 giếng khoan có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột kép so sánh diễn biến thủy văn hai mùa mưa - khô. Đồng thời, kết quả mô phỏng EPANET có thể được trình bày bằng bảng phân phối lưu lượng nút và bản đồ phân bố áp lực thủy lực với các dải màu trực quan, chỉ rõ những tuyến ống có vận tốc dòng chảy quá thấp (v < 0,5 m/s gây lắng cặn) hoặc áp lực nút không đạt chuẩn để đưa ra phương án cải tạo chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và tính toán thủy lực, luận văn đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý đồng bộ:

  • Xây dựng mới nhà máy nước mặt sông Cầu và chuyển đổi cơ cấu nguồn nước: Đầu tư xây dựng công trình thu và trạm xử lý nước mặt sông Cầu với công suất giai đoạn 1 đạt 20.000 m3/ngày đêm (vào năm 2015) và nâng lên 40.000 m3/ngày đêm (vào năm 2020). Áp dụng dây chuyền công nghệ keo tụ, lắng lamen, lọc nhanh trọng lực và khử trùng bằng Clo nhằm đảm bảo nước sau xử lý đạt chuẩn QCVN 01:2009/BYT. Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh Bắc Ninh và Công ty TNHH MTV Cấp thoát nước Bắc Ninh. Thời gian thực hiện: 2011-2015.
  • Cải tạo và mở rộng mạng lưới đường ống truyền tải, phân phối: Lắp đặt mới các tuyến ống truyền tải chính bằng gang cầu đường kính DN300 - DN500 và mạng lưới phân phối bằng ống nhựa HDPE chất lượng cao vươn tới 100% các xã ngoại thành. Mục tiêu nâng tỷ lệ cấp nước sạch toàn thành phố đạt 87,99% vào năm 2015 và 97,71% vào năm 2020. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án Phát triển Đô thị và Công ty Cấp thoát nước. Thời gian thực hiện: 2012-2018.
  • Hiện đại hóa hệ thống quản lý và kéo giảm tỷ lệ thất thoát nước: Thiết lập đồng bộ các phân vùng tách mạng DMA, gắn đồng hồ đo lưu lượng điện từ và cảm biến áp lực truyền dữ liệu từ xa (Scada). Kết hợp sử dụng thiết bị dò tìm rò rỉ sóng âm để phát hiện vỡ ống ngầm, hướng tới mục tiêu giảm tỷ lệ thất thoát nước từ 18,79% xuống dưới 15% vào năm 2015 và đạt mức 10% vào năm 2020. Chủ thể thực hiện: Phòng Kỹ thuật và Quản lý Mạng lưới cấp nước. Thời gian thực hiện: 2011-2020.
  • Tối ưu hóa vận hành trạm bơm bằng công nghệ biến tần và kiểm soát thủy lực: Lắp đặt thiết bị biến tần cho 100% các máy bơm chìm giếng khoan và bơm cấp 2, kết nối mô hình EPANET với vận hành thực tế nhằm điều tiết áp lực tự do tại các nút luôn duy trì trên 10 m cột nước, giúp tiết kiệm từ 12% đến 15% điện năng tiêu thụ hàng năm. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy nước. Thời gian thực hiện: 2012-2015.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và Sở Xây dựng: Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học về dự báo nhu cầu dùng nước (40.000 m3/ngày) và phương án quy hoạch nguồn nước mặt để thẩm định các đồ án quy hoạch tổng thể cấp nước đô thị Bắc Ninh đến năm 2020, tầm nhìn 2030.
  • Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh nước sạch: Tiếp cận quy trình kiểm soát thất thoát nước theo mô hình DMA, giải pháp lắp đặt biến tần cho trạm bơm và phương pháp vận hành khai thác hỗn hợp nước mặt - nước ngầm nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế hạ tầng kỹ thuật: Tham khảo phương pháp ứng dụng phần mềm EPANET trong tính toán thủy lực mạng lưới đường ống phức tạp, lựa chọn đường kính kinh tế và tiêu chuẩn vật liệu ống gang cầu, HDPE phù hợp với điều kiện địa hình đô thị đồng bằng.
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Cấp thoát nước: Sử dụng tài liệu như một nghiên cứu điển hình về phương pháp kết hợp số liệu khảo sát thực địa với mô hình hóa toán học thủy lực trong bài toán nâng cấp công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống cấp nước Bắc Ninh bắt buộc phải chuyển đổi từ khai thác nước ngầm sang nước mặt sông Cầu? Nguồn nước ngầm tại khu vực khảo sát đã bị suy thoái mạnh, mực nước động tại 16 giếng hạ từ 1-2 m sau một năm và chứa hàm lượng sắt cao đến 30 mg/l, amoni 10,3 mg/l. Trong khi đó, sông Cầu có lưu lượng trung bình năm đạt 51,1 m3/s, đảm bảo khả năng cấp nước thô ổn định trên 40.000 m3/ngày và đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT.

Phần mềm EPANET mang lại ưu thế gì so với chương trình LOOP trong việc tính toán mạng lưới cấp nước? EPANET cho phép mô phỏng mạng lưới không giới hạn quy mô nút và ống, tính toán chế độ thủy lực biến đổi theo từng giờ trong ngày kết hợp phân tích chất lượng nước như độ suy giảm Clo. Ngược lại, phần mềm LOOP chỉ tính toán tĩnh tại một thời điểm và giới hạn tối đa 500 đoạn ống cùng 400 nút, không đáp ứng được mạng lưới mở rộng.

Nguyên nhân nào dẫn đến tỷ lệ cấp nước sạch tại các xã ngoại thành Bắc Ninh rất thấp trong năm 2010? Do quá trình đô thị hóa nhanh và việc mở rộng địa giới hành chính thêm 9 xã theo Nghị quyết 60/2006/NQ-HĐND, hạ tầng đường ống truyền tải chưa kịp phủ tới khu vực ngoại vi. Nguồn vốn đầu tư trước năm 2004 chủ yếu tập trung vào khu vực nội thị, khiến các xã như Nam Sơn, Vân Dương hoàn toàn chưa có mạng lưới cấp nước cấp 2 và cấp 3.

Mô hình phân vùng tách mạng DMA giúp giảm thất thoát nước như thế nào? Phương pháp DMA chia mạng lưới phân phối thành các ô khu vực độc lập, trang bị đồng hồ đo lưu lượng đầu vào và cảm biến áp lực tự động. Khi lưu lượng ban đêm tăng đột biến, hệ thống sẽ khoanh vùng chính xác vị trí rò rỉ để đội kỹ thuật sử dụng máy dò sóng âm xử lý kịp thời, giúp hạ tỷ lệ thất thoát từ 22,11% xuống 18,79%.

Làm thế nào để đảm bảo áp lực nước đồng đều tại các điểm cuối mạng lưới cấp nước? Thông qua mô phỏng thủy lực EPANET, các tuyến ống truyền tải được nâng cấp lên đường kính DN300 - DN500 bằng vật liệu gang cầu có độ nhám thấp. Kết hợp với việc điều khiển biến tần tại trạm bơm cấp 2, hệ thống luôn duy trì áp lực tự do tại tất cả các nút tiêu thụ đạt tối thiểu 10 m cột nước trong mọi khung giờ cao điểm.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện bức tranh hiện trạng hệ thống cấp nước thành phố Bắc Ninh năm 2010 với công suất 20.000 m3/ngày và tỷ lệ dân số được cấp nước đạt 66,6%.
  • Hoàn thành dự báo nhu cầu dùng nước khoa học cho 19 phường, xã với công suất yêu cầu đạt 30.000 m3/ngày vào năm 2015 và 40.000 m3/ngày vào năm 2020 cho 174.164 người.
  • Ứng dụng thành công phần mềm EPANET để giải bài toán thủy lực mạng lưới vòng phức tạp, xác định chính xác các điểm nghẽn áp lực và thông số đường kính ống kỹ thuật.
  • Đề xuất giải pháp mang tính bước ngoặt là xây dựng nhà máy nước mặt sông Cầu công suất 20.000 - 40.000 m3/ngày thay thế nguồn nước ngầm đang suy giảm.
  • Thiết lập đồng bộ các giải pháp quản lý vận hành thông qua phân vùng DMA và lắp đặt biến tần, định hướng hạ tỷ lệ thất thoát nước vật lý xuống dưới 10%.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc, trực tiếp phục vụ công tác quy hoạch, cải tạo hạ tầng cấp nước đô thị Bắc Ninh. Tiến trình thực hiện cần được phân kỳ rõ ràng: giai đoạn 2011-2015 hoàn thành xây dựng nhà máy nước mặt sông Cầu và tuyến truyền tải chính; giai đoạn 2015-2020 hoàn thiện phủ kín mạng lưới phân phối đến 100% các xã ngoại thành.

Các cơ quan quản lý đô thị, doanh nghiệp cấp nước và các kỹ sư hạ tầng có thể ứng dụng ngay phương pháp luận cùng kết quả mô phỏng từ luận văn này vào công tác quản lý và triển khai các dự án nâng cấp hệ thống cấp nước thực tế tại địa phương.