CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO NGUY CƠ HTPPN BỊ Ô NHIỄM Từ vấn đề nghiên cứu, luận án thu thập các dữ liệu nghiên cứu liên quan đã được công bố quốc tế và trong nước của những nhà xuất bản có uy tín như ASCE, ELSEVIER, AWWA, SCIENCE DIRECT. Khái niệm về nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm HTPPN không phải là một hệ thống kín (những vị trí vỡ, đứt gẫy, bể chứa, đài nước, trạm bơm…) nên chất ô nhiễm có khả năng xâm nhập vào hệ thống khi một số yếu tố nhất định xảy ra vào cùng một thời điểm. Các yếu tố này lần lượt được thử nghiệm để xác định khả năng xảy ra ô nhiễm xâm nhập vào môi trường nước bên trong ống bằng các mô hình thí nghiệm, mô phỏng trên phần mềm hay thu thập số liệu thực tế.1 Mô hình thí nghiệm và kết quả của nghiên cứu López-jiménez Tác giả López-jiménez [9] đã đưa ra giả thiết ống nằm trong môi trường nước và có điểm vỡ trên thành ống (Hình 1. Tác giả đã phân loại các dạng vỡ trên ống cấp nước bao gồm dạng nứt vòng, dạng nứt dọc ống, vết rạn trên thành ống, dạng lỗ lớn hoặc vết rỗ trên thành ống và lựa chọn dạng vỡ lỗ tròn có kích thước khác nhau 1,5mm; 4mm và 5 mm.
Bằng cách điều khiển van trên đường ống có điểm vỡ để thay đổi áp suất trong ống, đại lượng đo tại vị trí vỡ là áp suất, vận tốc, số Reynold và lưu lượng. Phần mềm ©Fluent Inc được ứng dụng để xây dựng mô hình xâm nhập chất ô nhiễm vào đường ống trên máy tính. Khi xảy ra áp suất âm trong đường ống, dòng chảy bên ngoài đi vào trong ống được coi là dòng chảy rối, lưới ô nhiễm được thiết lập. Bằng mô hình thí 6 nghiệm và phần mềm ©Fluent Inc, tác giả cho thấy dù kích thước điểm vỡ rất nhỏ (1,5mm) thì hiện tượng ô nhiễm đi vào trong ống vẫn xảy ra.2 Kết quả nghiên cứu của tác giả Collins Phát triển nghiên cứu của tác giả López-jiménez tác giả Collins [10] đã mô hình hóa sự xâm nhập của dòng chảy ô nhiễm vào ống đặt trong môi trường đất lỗ rỗng bằng phần mềm như Hình 1.
Kết quả cho thấy dòng chảy ô nhiễm đi vào ống khi áp suất trong ống nhỏ hơn -1m. Nghiên cứu thực nghiệm của tác giả Chiara M. Fontanazza và cộng sự [11] cũng khẳng định chất ô nhiễm đi vào đường ống trong khoảng thời gian 40s khi xuất hiện áp suất âm có độ lớn từ 0 đến -10m. Với mạng lưới đường ống thực tế thì giá trị này sẽ bị ảnh hưởng bởi tổn thất năng lượng tại các nút và theo chiều dài ống dẫn.
Tác giả Yang [12] mô phỏng bơm mất điện đột ngột trong 1s, thời gian đóng van một chiều ở mỗi bơm là 0,1s thì xuất hiện dòng chảy ngược, tương tự với trường hợp duy trì áp suất âm được duy trì trong 10s, 20s, 100s, 500s hoặc 1000s cũng cho thấy dòng chảy ô nhiễm xâm nhập qua lỗ rò rỉ trên thành ống. Nghiên cứu tương tự của tác giả Gullick [13] về ngắt bơm để quan sát biến động áp suất tại các trụ cứu hỏa trên hệ thống ống dẫn thực tế cũng đã cho thấy giá trị áp suất dao động luôn nhỏ hơn -10m trong vòng 3 phút. Nghiên cứu Besner [14] cũng chỉ ra tần suất xuất hiện áp lực nhỏ hơn -5m trên mạng lưới trong thời gian nhỏ hơn 3 phút. 7 Kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng đặc điểm về hình dạng và kích thước của điểm vỡ trên thành ống có ảnh hưởng lớn tới lưu lượng dòng chảy ô nhiễm.
Tuy nhiên, dù kích thước các điểm vỡ khác nhau thì khả năng nước trong ống bị ô nhiễm vẫn xảy ra khi xuất hiện áp suất âm và bên ngoài có nguồn ô nhiễm. Như vậy, nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm là khi cùng lúc xuất hiện ba yếu tố nguy cơ: ống vỡ, áp suất âm trên ống và nguồn ô nhiễm tồn tại bên ngoài điểm vỡ. Cần đánh giá được cả ba yếu tố nguy cơ này thì mới dự báo được khả năng chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN. Đánh giá ba yếu tố nguy cơ dẫn đến HTPPN bị ô nhiễm 1.1 Nguy cơ vỡ ống trên HTPPN Mỗi ngày, các công ty cấp nước đều ghi nhận các sự cố vỡ trên tuyến ống đặc biệt là các tuyến ống dịch vụ và vẫn tốn thêm chi phí để tìm rò rỉ trên các tuyến ống cấp I, II [20].
Theo báo cáo của một số công ty cấp nước ở Việt Nam tính đến năm 2014 thì tỉ lệ thất thoát nước lên đến hơn 50% tổng lượng nước đưa vào mạng lưới [15] trong đó những đô thị lớn có tỉ lệ rò rỉ nước tương đối cao như thành phố Hồ Chí Minh tính đến năm 2015 trên HTPPN là 34% gây thất thu trên 950 tỷ đồng 1 năm, hay công ty VIWACO (Hà Nội) lên đến 60% [15]. Vậy nên các nghiên cứu về giảm tỉ lệ này được quan tâm nhiều hơn. Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng như giảm áp suất làm việc của đường ống [16], quy hoạch phân vùng tách mạng để nâng cao hiệu quả quản lí mạng lưới cấp nước [17]. Hay các đề xuất xác định vị trí rò rỉ bằng công nghệ phát hiện rò rỉ [18] và tự động hóa kết hợp các thiết bị cảm biến [19].
Tuy nhiên thực hiện các giải pháp này các công ty cấp nước cần có thời gian, nguồn nhân lực và chi phí tương đối lớn. Vậy nên đánh giá khả năng vỡ ống không những phục vụ cho công tác dự báo HTPPN bị ô nhiễm mà còn là cơ sở để giảm thiểu tỉ lệ nước bị thất thoát trên đường ống cấp nước tốt hơn. Nguyên nhân vỡ ống có thể do tác động từ tự nhiên như động đất thiên tai, đây là những trường hợp rất khó để kiểm soát và đề phòng vậy nên chỉ có thể đưa ra giải pháp ứng phó và khắc phục hệ thống trong những trường hợp này. Ngoài ra, các hoạt động bên ngoài như thi công các công trình ở khu vực đặt ống; khả năng chịu tải của mặt đường 8 phía trên ống dẫn nước thấp hơn tải trọng xe chạy gây nên gẫy ống cũng rất khó để dự báo trước.
Mặc dù đã có những cải tiến để tăng khả năng chịu lực của vật liệu và các biện pháp bảo vệ khỏi tải trọng động nhưng vẫn không tránh khỏi những hư hỏng trong những trường hợp này. Các sự cố này có thể xem là trường hợp đặc biệt cần quan tâm trong quá trình quản lí và vận hành mạng lưới. Bỏ qua những sai sót trên sản phẩm cũng như quy trình thi công thì nguyên nhân dẫn đến vỡ đường ống chủ yếu là do ăn mòn [20] hoặc lực tác động từ môi trường trong và ngoài [21], một số đoạn ống thường xuyên xảy ra vỡ thì cần xem xét cả hai nguyên nhân này. Đôi khi chi phí để sửa chữa đoạn ống nhiều lần sẽ cao hơn so với việc lắp đặt ống mới [22].
Bên cạnh đó hoạt động sửa chữa cũng làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng phục vụ của hệ thống, chưa kể đến khả năng làm gián đoạn giao thông tại khu vực sửa chữa ống. Các nghiên cứu ở Việt Nam về dự báo khả năng xuất hiện điểm vỡ thường được thực hiện trên mô hình WaterGEMs của công ty Bentley, bằng cách đưa vào mô hình các số liệu ống vỡ trong quá khứ và giá trị áp suất đo được tại một số điểm trên HTPPN [23], kết quả mô hình là cơ sở để dò tìm điểm vỡ và có kế hoạch sửa chữa đường ống. Đây là phương pháp hữu ích giúp công tác phát hiện điểm vỡ chính xác hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực cho các đơn vị quản lí. Ngoài ra một số giải pháp về phân vùng tách mạng [17] cũng được đề cập tới để hỗ trợ cho công tác phát hiện rò rỉ nhanh hơn bằng cách giám sát áp suất và lưu lượng tiêu thụ trong từng vùng nhỏ qua hệ thống thông tin địa lý và mô hình thủy lực của HTPPN [24].
Tuy nhiên dựa vào kết quả của mô hình chỉ khoanh vùng khu vực rò rỉ chứ không thể dự báo khả năng vỡ cho tất cả các đoạn ống trên hệ thống, vậy nên cần có một hướng tiếp cận khác đề xác định khả năng vỡ của từng ống. Đã có nhiều nghiên cứu tìm hiểu nguyên nhân vỡ ống trên mạng lưới phân phối để từ đó dự báo khả năng vỡ ống, kết quả của nghiên cứu là cơ sở để đưa ra kế hoạch sửa chữa và bảo dưỡng mạng lưới phân phối nước. Theo thời gian các phương pháp cũng như nội dung nghiên cứu được mở rộng và xem xét vấn đề toàn diện hơn, các kết quả được mô phỏng cho gần với thực tế nhất. Có thể tóm lược nội dung nghiên cứu theo thời gian như 9 Hình 1.
Trong quá trình làm việc của đường ống hiện tượng ăn mòn xảy ra do tác động từ môi trường đất bên ngoài [25] cũng như môi trường nước trong ống [26]. Chiều sâu vết ăn mòn được xác định theo biến đại diện là thời gian ống làm việc [22]. Bên cạnh đó đặc điểm cơ học của vật liệu [27]; lỗi do nhà sản xuất; kỹ thuật thi công sai; vị trí đặt ống cũng có ảnh hưởng nhất định tới giá trị này [28]. Tuy nhiên, tuổi thọ ống dẫn không chỉ giảm do ăn mòn của môi trường mà bản thân vật liệu ống cũng thay đổi khả năng chịu lực dưới tác dụng của tải trọng phát sinh từ môi trường ống làm việc như thiên tai, Hiện tượng vỡ ống Lịch sử vỡ Ăn mòn Tải trọng Điều kiện vật lí D,L, khu vực đặt ống, Trong Ngoài Động Tĩnh Mat, A.
MH SM 1948 1979 MH HQTT, MH HQĐB 1982 MH HQ Bayesian 1990 MH HQLT, P, ANN 2016 MH SM: Mô Hình Số Mũ MH HQTT: Mô Hình Hồi Quy Tuyến Tính MH HQ Bayesian: Mô Hình Hồi Quy MH HQĐB : Mô Hình Hồi Quy Đa Biến Bayesian MH HQP : Mô Hình Hồi Quy Poisson MH ANN : Mô Hình Mạng Trí Tuệ Nhân MH HQLT: Mô Hình Hồi Quy Logistic Tạo – Artificial Neural Network Tổng Quát động đất hoặc các sự kiện ngẫu nhiên [29] và dao động của giá trị áp suất bên trong dẫn [30]. Ngoài ra các đại lượng đặc trưng để phân loại năng lực làm việc của ống còn có đường kính, chiều dài, vật liệu và khu vực đặt ống [31].3 Các yếu tố dẫn đến hiện tượng ống vỡ trên HTPPN Số lần vỡ ống trước đây được xem như một biến nhiễu ảnh hưởng tới khả năng ống vỡ.
