Luận văn thạc sĩ kỹ thuật tài nguyên nước đề xuất mô hình ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ trên mạng lưới cấp nước khu vực quận tân bình tp hồ chí minh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật tài nguyên nước đề xuất mô hình ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ trên mạng lưới cấp nước, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Phúc Lộc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trưởng
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Đề Xuất Mô Hình Ước Lượng Hệ Số Dòng Chảy Rò Rỉ Trong Cấp Nước Quận Tân Bình
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN
• 2.1. Lý thuyết về thất thoát nước và các yếu tố ảnh hưởng
• 2.2. Các phương pháp giảm nước thất thoát vật lý
• 2.3. Công thức xác định lưu lượng nước rò rỉ trên MLCN
• 2.4. Lý thuyết logic mờ
• 2.5. Mô hình Hệ thống Suy luận Mờ ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ (HSM)
• 2.5.1. Thiết kế tập mờ và miền xác định của tập mờ
• 2.5.2. Thiết kế luật mờ
• 2.6. Phần mềm MATLAB và công cụ thiết kế mô hình
• 2.7. Phần mềm WaterGEMS
• 2.8. Đề xuất quy trình xác định hệ số rò rỉ trên MLCN
• 2.9. Phương pháp luận nghiên cứu
• 2.10. Mô hình nghiên cứu
• 2.11. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CHO MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC QUẬN TÂN BÌNH, TP. HỒ CHÍ MINH VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cơ sở lựa chọn khu vực nghiên cứu
• 3.2. Giới thiệu khu vực nghiên cứu
• 3.2.1. Giới thiệu tổng quan về công ty Tân Hòa
• 3.2.2. Nguồn nước sử dụng và phân vùng DMA quản lý
• 3.2.3. Giới thiệu khu vực nghiên cứu (DMA0203)
• 3.3. Thông số vận hành cơ bản của DMA0203
• 3.4. Quá trình khảo sát, thu thập dữ liệu và tổng hợp số liệu rò rỉ
• 3.4.1. Công tác chuẩn bị ở văn phòng
• 3.4.2. Công tác thực hiện ngoài hiện trường
• 3.4.3. Tổng hợp số liệu
• 3.5. Chuẩn bị các thông số cho mô hình thủy lực
• 3.6. Thiết lập mô hình MLCN DMA0203
• 3.6.1. Thiết lập mô hình trên WaterGEMS
• 3.6.2. Hiệu chỉnh mô hình DMA0203
• 3.6.3. Kiểm định mô hình MLCN DMA0203
• 3.7. Thiết lập mô hình HSM cho MLCN DMA0203 quận Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh
• 3.7.1. Thiết kế tập mờ và miền xác định của tập mờ
• 3.7.2. Thiết kế luật mờ
• 3.7.3. Xây dựng mô hình HSM cho DMA0203
• 3.8. Đề xuất hệ số dòng chảy rò rỉ và thảo luận
• 3.8.1. So sánh với kết quả nghiên cứu tại quận Gò Vấp
• 3.8.2. Đánh giá khả năng phát hiện điểm bể khi mô phỏng được dòng chảy rò rỉ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC KÍ HIỆU
• PHẦN GIỚI THIỆU

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghiên cứu về mô hình ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ trên mạng lưới cấp nước tại quận Tân Bình có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý và bảo trì hệ thống cấp nước. Thất thoát nước do rò rỉ nước không chỉ gây thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe cộng đồng. Đặc biệt, trong bối cảnh hệ thống cấp nước ngày càng trở nên phức tạp, việc xác định chính xác hệ số dòng chảy rò rỉ là rất cần thiết. Theo các nghiên cứu trước đây, lượng nước rò rỉ có mối liên hệ chặt chẽ với áp lực trong ống và cấu trúc của mạng lưới. Việc phát triển một mô hình thuyết phục giúp các nhà quản lý có cái nhìn rõ hơn về tình hình thất thoát nước và có biện pháp khắc phục kịp thời.

II. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào nền tảng lý thuyết về dòng chảy rò rỉ mà còn mang tính ứng dụng cao. Mô hình ước lượng mà nghiên cứu đề xuất có thể được áp dụng cho các mạng lưới cấp nước khác tại Việt Nam. Bằng cách sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại như logic mờ, nghiên cứu đã phát triển một công cụ hữu ích giúp các nhà quản lý xác định hệ số dòng chảy rò rỉ một cách chính xác. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm nguồn nước mà còn bảo vệ sức khỏe người dân bằng cách giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm từ nước rò rỉ. Như vậy, nghiên cứu không chỉ có giá trị khoa học mà còn có tác động thực tiễn mạnh mẽ đến chất lượng dịch vụ cấp nước.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong nghiên cứu này bao gồm phương pháp thu thập dữ liệu, phương pháp điều tra thực địa, và phương pháp chuyên gia. Việc thu thập dữ liệu từ các điểm rò rỉ trên mạng lưới cấp nước tại quận Tân Bình giúp xác định các thông số cần thiết cho mô hình. Đồng thời, việc khảo sát thực địa cũng giúp bổ sung thông tin và kiểm chứng kết quả nghiên cứu. Nhờ vào sự tham gia của các chuyên gia trong lĩnh vực quản lý nước, nghiên cứu đã có được những cái nhìn sâu sắc và chính xác về tình hình rò rỉ nước trong khu vực. Các phương pháp này không chỉ giúp xây dựng mô hình mà còn đảm bảo tính khả thi và ứng dụng thực tiễn của nó.

IV. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ số dòng chảy rò rỉ có sự biến thiên đáng kể tùy thuộc vào áp lực trong ống và các yếu tố môi trường. Các số liệu thu thập được từ mô hình Hệ thống suy luận mờ (HSM) đã xác định được khoảng giá trị của các yếu tố như áp lực dòng chảy và hệ số lưu lượng rò rỉ. Phân tích cho thấy rằng mối quan hệ giữa các yếu tố này là tuyến tính, điều này có thể giúp các nhà quản lý dự đoán được lượng nước rò rỉ trong tương lai. Đặc biệt, mô hình cũng đã được kiểm chứng trên mô hình thuỷ lực MLCN, từ đó khẳng định tính chính xác và độ tin cậy của nó trong việc ước lượng dòng chảy rò rỉ.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã đề xuất một mô hình ước lượng hiệu quả cho hệ số dòng chảy rò rỉ trên mạng lưới cấp nước tại quận Tân Bình. Kết quả của nghiên cứu không chỉ có giá trị trong việc giảm thiểu rò rỉ nước mà còn góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước. Để tiếp tục phát triển mô hình này, cần có thêm các nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng thực tế trong các khu vực khác. Đồng thời, các công ty cấp nước nên xem xét việc áp dụng các công nghệ mới để theo dõi và quản lý dòng chảy rò rỉ một cách hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thất thoát nước trên mạng lưới cấp nước là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến doanh thu của các công ty cấp nước và chất lượng nguồn nước cung cấp cho người dân. Theo báo cáo của ngành cấp nước Việt Nam, tỷ lệ thất thoát nước tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh lên đến khoảng 34%, tương đương thất thu hàng nghìn tỷ đồng mỗi năm. Thất thoát nước hữu hình (rò rỉ trên mạng lưới) không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc giảm thiểu thất thoát nước hữu hình luôn là mục tiêu quan trọng trong kế hoạch hoạt động của các công ty cấp nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu đề xuất mô hình ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ trên mạng lưới cấp nước khu vực quận Tân Bình, TP. Hồ Chí Minh, dựa trên dữ liệu thực tế thu thập từ mạng lưới DMA0203. Mục tiêu chính là xác định khoảng giá trị của các biến số lưu lượng rò rỉ (Q), áp lực dòng chảy (P), hệ số mũ rò rỉ (n) và hệ số dòng chảy rò rỉ (k), từ đó xây dựng mô hình ước lượng chính xác hai hệ số n và k bằng phương pháp hệ thống suy luận mờ (HSM). Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong mạng lưới cấp III với đường kính ống từ 50mm đến 300mm, tập trung vào các điểm rò rỉ ngầm và nổi trên ống dịch vụ trước khi vào nhà khách hàng.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học khi phát triển mô hình toán học dựa trên lý thuyết logic mờ kết hợp với mô hình thủy lực WaterGEMS, đồng thời có tính thực tiễn cao khi cung cấp công cụ hỗ trợ các công ty cấp nước trong việc ước lượng lưu lượng rò rỉ, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý và vận hành mạng lưới hiệu quả hơn, góp phần giảm thất thoát nước và nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết về thất thoát nước và các yếu tố ảnh hưởng: Nước không doanh thu (NRW) được phân thành ba loại: nước tiêu thụ hợp pháp không có hóa đơn, thất thoát thương mại và thất thoát vật lý (rò rỉ). Thất thoát vật lý chiếm tỷ trọng lớn nhất và là đối tượng nghiên cứu chính.

• Công thức xác định lưu lượng nước rò rỉ: Lưu lượng rò rỉ Q được mô tả theo công thức $Q = k \times P^n$, trong đó $P$ là áp lực tại điểm rò rỉ, $n$ là hệ số mũ rò rỉ, và $k$ là hệ số dòng chảy rò rỉ phụ thuộc vào đặc điểm điểm rò rỉ và môi trường xung quanh.

• Lý thuyết logic mờ (Fuzzy Logic): Được sử dụng để xử lý các biến số không chắc chắn và ngẫu nhiên như $n$ và $k$. Mô hình Hệ thống Suy luận Mờ (HSM) được xây dựng với hai biến đầu vào là áp lực $P$ và lưu lượng $Q$, hai biến đầu ra là hệ số $n$ và $k$. Các tập mờ được thiết kế với các hàm thuộc dạng Gaussian và Sigmoidal, phân loại các biến thành các mức thấp, trung bình, cao và rất cao.

• Mô hình thủy lực WaterGEMS: Phần mềm mô phỏng thủy lực mạng lưới cấp nước, được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình HSM, đồng thời xây dựng phương trình lưu lượng rò rỉ phù hợp với mạng lưới thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu khảo sát thực địa tại mạng lưới DMA0203, quận Tân Bình, bao gồm số liệu lưu lượng rò rỉ, áp lực dòng chảy, hồ sơ sửa chữa điểm rò rỉ, bản vẽ kỹ thuật mạng lưới và dữ liệu GIS.

• Phương pháp thu thập và xử lý: Thu thập số liệu thực tế, thống kê và phân tích để xác định miền giá trị của các biến $P$, $Q$, $n$, $k$. Sử dụng phương pháp hồi quy phi tuyến để ước lượng tham số mô hình.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình HSM trên nền tảng MATLAB với công cụ Fuzzy Logic Designer và SIMULINK để ước lượng hệ số $n$ và $k$ dựa trên dữ liệu đầu vào. Hiệu chỉnh mô hình thủy lực WaterGEMS bằng thuật toán Darwin Calibrator để kiểm định độ chính xác của mô hình.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2022, bao gồm các bước khảo sát thực địa, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khoảng giá trị các biến số rò rỉ: Qua khảo sát thực tế, áp lực dòng chảy $P$ tại các điểm rò rỉ dao động trong khoảng từ 20 đến 100 m, lưu lượng rò rỉ $Q$ có giá trị từ khoảng 0,01 đến 0,5 m³/h. Hệ số mũ rò rỉ $n$ được ước lượng trong khoảng từ 0,3 đến 1,2, còn hệ số dòng chảy rò rỉ $k$ dao động từ 0,01 đến 0,1 m³/h.

2. Mô hình HSM ước lượng hệ số $n$ và $k$: Mô hình suy luận mờ cho kết quả ước lượng hệ số $n$ và $k$ phù hợp với dữ liệu khảo sát thực tế, với hệ số xác định $R^2$ đạt trên 0,85, sai số trung bình bình phương RMSE dưới 0,05, cho thấy độ tin cậy cao của mô hình.

3. Kiểm chứng mô hình thủy lực WaterGEMS: Khi nhập các hệ số $n$ và $k$ ước lượng từ mô hình HSM vào mô hình thủy lực WaterGEMS, kết quả mô phỏng lưu lượng rò rỉ tương đồng với số liệu thực tế, sai số trung bình dưới 7%, chứng tỏ mô hình đề xuất có khả năng ứng dụng thực tiễn.

4. So sánh với nghiên cứu tại quận Gò Vấp: Kết quả mô hình tại quận Tân Bình có sự tương đồng về khoảng giá trị hệ số $n$ và $k$ với nghiên cứu tại quận Gò Vấp, tuy nhiên có sự khác biệt nhỏ do đặc điểm địa chất và cấu trúc mạng lưới khác nhau, cho thấy mô hình có thể điều chỉnh linh hoạt theo từng khu vực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân biến thiên của hệ số $n$ và $k$ được giải thích bởi đặc điểm vật liệu ống, tuổi thọ mạng lưới, điều kiện áp lực vận hành và môi trường đất xung quanh điểm rò rỉ. Việc sử dụng lý thuyết logic mờ giúp xử lý hiệu quả tính không chắc chắn và đa dạng của các điểm rò rỉ trên mạng lưới thực tế. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng công thức cố định hoặc mô hình toán học thuần túy, mô hình HSM cho phép ước lượng linh hoạt và chính xác hơn, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố tần suất các biến $P$, $Q$, $n$, $k$ và bảng so sánh kết quả mô hình với số liệu thực tế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của mô hình. Ngoài ra, biểu đồ 3D thể hiện mối quan hệ giữa áp lực, lưu lượng và hệ số dòng chảy rò rỉ cũng hỗ trợ trực quan trong việc đánh giá mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình HSM trong quản lý mạng lưới: Các công ty cấp nước nên triển khai mô hình HSM để ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ định kỳ, giúp xác định chính xác lưu lượng rò rỉ và ưu tiên xử lý các điểm rò rỉ có lưu lượng lớn, giảm thất thoát nước hiệu quả trong vòng 6-12 tháng.

2. Tăng cường thu thập dữ liệu thực tế: Đầu tư hệ thống cảm biến áp lực và lưu lượng tại các điểm trọng yếu trên mạng lưới để cập nhật dữ liệu liên tục, nâng cao độ chính xác của mô hình, thực hiện trong vòng 1 năm với sự phối hợp của phòng kỹ thuật và công nghệ.

3. Đào tạo nhân lực vận hành mô hình: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lý thuyết logic mờ và phần mềm WaterGEMS cho cán bộ kỹ thuật, đảm bảo vận hành và hiệu chỉnh mô hình đúng quy trình, nâng cao năng lực quản lý mạng lưới trong 3-6 tháng.

4. Phát triển phần mềm tích hợp: Xây dựng phần mềm tích hợp mô hình HSM với hệ thống GIS và SCADA hiện có để tự động hóa quá trình ước lượng và giám sát rò rỉ, giảm thiểu sai sót và tăng hiệu quả quản lý, dự kiến hoàn thành trong 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các công ty cấp nước đô thị: Giúp cải thiện công tác quản lý thất thoát nước, tối ưu hóa vận hành mạng lưới, giảm chi phí và nâng cao chất lượng dịch vụ.

2. Nhà quản lý và kỹ sư mạng lưới cấp nước: Cung cấp công cụ và phương pháp khoa học để ước lượng lưu lượng rò rỉ, hỗ trợ ra quyết định sửa chữa và bảo trì hiệu quả.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng lý thuyết logic mờ và mô hình thủy lực trong xử lý vấn đề rò rỉ nước.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và môi trường: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy định về quản lý thất thoát nước và phát triển bền vững nguồn nước đô thị.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình HSM là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
   Mô hình Hệ thống Suy luận Mờ (HSM) là phương pháp sử dụng lý thuyết logic mờ để xử lý các biến số không chắc chắn và ngẫu nhiên. Trong nghiên cứu, HSM giúp ước lượng chính xác hệ số mũ rò rỉ $n$ và hệ số dòng chảy rò rỉ $k$ dựa trên dữ liệu áp lực và lưu lượng thực tế, phù hợp với tính chất phức tạp của mạng lưới cấp nước.

2. Tại sao cần xác định hệ số $n$ và $k$ cho lưu lượng rò rỉ?
   Hệ số $n$ và $k$ quyết định mối quan hệ giữa áp lực và lưu lượng rò rỉ. Việc xác định chính xác hai hệ số này giúp mô hình hóa lưu lượng rò rỉ thực tế, từ đó hỗ trợ quản lý và giảm thất thoát nước hiệu quả hơn so với việc sử dụng giá trị mặc định hoặc ước lượng kinh nghiệm.

3. Phần mềm WaterGEMS đóng vai trò gì trong nghiên cứu?
   WaterGEMS là phần mềm mô phỏng thủy lực mạng lưới cấp nước, được sử dụng để xây dựng mô hình mạng lưới, hiệu chỉnh các tham số và kiểm chứng kết quả ước lượng hệ số rò rỉ từ mô hình HSM, đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế của mô hình.

4. Dữ liệu khảo sát được thu thập như thế nào?
   Dữ liệu được thu thập từ mạng lưới DMA0203 quận Tân Bình, bao gồm số liệu lưu lượng rò rỉ, áp lực dòng chảy tại các điểm rò rỉ, hồ sơ sửa chữa, bản vẽ kỹ thuật và dữ liệu GIS. Việc thu thập kết hợp khảo sát thực địa và hệ thống cảm biến tự động.

5. Mô hình này có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
   Mô hình có thể điều chỉnh và áp dụng cho các khu vực khác nhau, tuy nhiên cần thu thập dữ liệu thực tế tại từng khu vực để hiệu chỉnh các tập mờ và luật mờ phù hợp với đặc điểm mạng lưới và điều kiện vận hành riêng biệt.

Kết luận

• Đã xác định được khoảng giá trị thực tế của các biến số áp lực $P$, lưu lượng rò rỉ $Q$, hệ số mũ rò rỉ $n$ và hệ số dòng chảy rò rỉ $k$ trên mạng lưới cấp nước quận Tân Bình.
• Xây dựng thành công mô hình Hệ thống Suy luận Mờ (HSM) ước lượng hệ số $n$ và $k$ dựa trên dữ liệu thực tế, với độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tiễn.
• Kiểm chứng mô hình bằng phần mềm thủy lực WaterGEMS cho thấy mô hình phù hợp với số liệu thực tế, hỗ trợ hiệu quả trong việc ước lượng lưu lượng rò rỉ.
• Đề xuất quy trình và giải pháp ứng dụng mô hình trong quản lý mạng lưới cấp nước nhằm giảm thất thoát nước và nâng cao chất lượng dịch vụ.
• Khuyến nghị các bước tiếp theo bao gồm mở rộng thu thập dữ liệu, đào tạo nhân lực và phát triển phần mềm tích hợp để nâng cao hiệu quả quản lý rò rỉ nước trên diện rộng.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các đơn vị quản lý và nghiên cứu nên phối hợp triển khai áp dụng mô hình trong thực tế, đồng thời cập nhật và hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu mới nhằm nâng cao độ chính xác và tính ứng dụng. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững hệ thống cấp nước đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu liên quan Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan tới mục tiêu đã định hướng để từ đó xây dựng nội dung thực hiện để đạt được mục tiêu cụ thể. Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp luận Trình bày cơ sở lý thuyết của mô hình từ đó đề xuất phương pháp nghiên cứu và các bước thực hiện. Đồng thời giới thiệu các công cụ sử dụng cho các mô hình đề xuất. Chương 3: Ứng dụng mô hình cho mạng lưới cấp nước quận Tân Bình thành phố Hồ Chí Minh và thảo luận Trình bày kết quả xây dựng mô hình đã đề xuất trong Chương 2 cho số liệu của mạng lưới cấp nước thực tế, từ đó thảo luận về tính chính xác và độ tin cậy của mô hình.

Phần kết luận và kiến nghị Kết luận nội dung đã thực hiện, những đóng góp mới của luận án và kiến nghị hướng phát triển trong tương lai. 4 PHẦN NỘI DUNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DÒNG CHẢY RÒ RỈ Từ vấn đề nghiên cứu, luận văn 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 dòng chảy rò rỉ Dòng chảy rò rỉ là phần nước bị mất đi trên mạng lưới đường ống, phần nước này thường tồn tại dưới dạng bể ống hoặc rò rỉ trên: - Ống truyền tải và ống phân phối hay các mối nối, phụ tùng thiết bị. Nước rò rỉ loại này thường trào lên trên mặt đất với lượng lớn có thể làm tổn hại đến đường xá và ảnh hưởng tới giao thông trên đường.

Mặc dù làm gián đoạn việc cấp nước nhưng đa số các điểm bể loại này thường không nghiêm trọng vì với kích thước và đặc điểm bể dễ dàng nhận thấy, có thể được báo cáo nhanh chóng và sửa chữa kịp thời hoặc đóng khóa nước ngay khi được phát hiện. - Ống dịch vụ trước khi vào nhà khách hàng. Dạng rò rỉ này thường gây ra một lượng nước thất thoát lớn. Nguyên nhân dẫn đến điểm bể thì có nhiều (như các tác động cơ học, tuổi thọ ống, vật liệu ống, các công trình thi công bên ngoài tác động vào MLCN ngoài ý muốn,.) nhưng dạng điểm bể thì thường chỉ có ba dạng cơ bản như sau: - Rò rỉ nền là lượng nước bị rò rỉ không nhìn thấy được và không thể phát hiện được bằng các biện pháp thông thường.

Dòng chảy rò rỉ nền cũng khó đo đếm lưu lượng vậy nên sẽ không xem xét trong nội dung nghiên cứu này. - Rò rỉ ngầm là lượng nước rò rỉ thường không nhìn thấy được nhưng có thể phát hiện bằng các thiết bị nghe âm thanh trực tiếp. 5 - Rò rỉ nổi thường nhìn thấy và được khác hàng hoặc nhân viên công ty thông báo. Các dạng dòng chảy rò rỉ trên ống cấp nước Hệ số dòng chảy rò rỉ là hệ số đặc trưng của dòng chảy rò rỉ, trong nghiên cứu này sẽ xem xét dòng chảy qua điểm bể trên ống cấp nước dịch vụ trước khi vào nhà khách hàng thuộc dạng rò rỉ ngầm và rò rỉ nổi.

Tổng quan nghiên cứu xác định hệ số dòng chảy lưu lượng nước rò rỉ Tổng quan các nghiên cứu trong nước 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 [4]. 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 [5] 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% [6]. 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 [5] quy hoạch phân vùng tách mạng để nâng cao hiệu quả quản lí mạng lưới cấp nước [7].

Hay các đề xuất xác định vị trí rò rỉ bằng công nghệ phát hiện rò rỉ [8] và tự động hóa kết hợp các thiết bị cảm biến [9]. 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 ước lượng 6 chính xác lưu lượng nước rò rỉ không những phục vụ cho công tác vận hành MLCN mà còn là cơ sở để giảm thiểu tỉ lệ nước bị thất thoát trên đường ống cấp nước tốt hơn. Tổng quan các nghiên cứu nước ngoài Tổng hợp nội dung nghiên cứu về dòng chảy rò rỉ trên MLCN cho thấy có bốn hướng nghiên cứu chính đó là mô phỏng thuỷ lực; mô hình toán; mô hình thí nghiệm; thống kê dữ liệu và khảo sát thực tế (Bảng 1.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng dòng chảy rò rỉ đi qua điểm bể sẽ làm biến dạng điểm bể và hình dạng dòng chảy phụ thuộc vào áp lực nước trong ống, môi trường đất ngoài cũng như diện tích lỗ rò rỉ. Tổng quan các nghiên cứu về dòng chảy rò rỉ Hệ số Phương Hệ số Công dòng T pháp mũ thức Nội dung nghiên cứu chảy rò T nghiên rò rỉ sử rỉ cứu (n) dụng (Cd) Mô Khép van để quan sát sự thay đổi lưu lượng 0,18 0,00 phỏng 1 nước rò rỉ theo áp lực trên mạng lưới và xác đến đến - thuỷ lực định n, Cd theo dữ liệu thu được [10]. 3,33 3,68 MLCN Sử dụng phần mềm phân tích tích phần tử hữu 2x10-5 0,5 Mô hình hạn, nghiên cứu tập trung xem xét biến dạng đến (1); 2 đến toán số hình học của điểm bể ảnh hưởng tới hệ số dòng 1,8x10 - (2) 1,5 chảy rò rỉ [11]. 4 Mô hình Thí nghiệm xem xét dòng chảy đi qua điểm bể -0,262 0,382 3 thí trên những đoạn ống ngắn có vật liệu khác đến đến (2) nghiệm nhau [12].

1,841 0,945 Tạo điểm bể trên thành ống với các hình dạng khác nhau và đánh giá dòng chảy ra khỏi điểm Mô hình 0,77 bể. Thí nghiệm ghi nhận được áp lực nước, lưu 4 thí 0,5 đến (1) lượng dòng chảy và diện tích điểm bể. Từ đó nghiệm 0,806 tác giả sử dụng công thức lý thuyết để xác định hệ số dòng chảy Cd [13]. 7 Hệ số Phương Hệ số Công dòng T pháp mũ thức Nội dung nghiên cứu chảy rò T nghiên rò rỉ sử rỉ cứu (n) dụng (Cd) Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng dòng 0,65 Mô hình 5 chảy rò rỉ và tính toán lưu lượng bằng công 0,5 đến (1) toán số thức lý thuyết [14].

0,72 Thống kê Tác giả tổng hợp số liệu từ các nghiên cứu và số liệu xác định hệ số mũ rò rỉ tại một điểm bể trên 0,5 đến 6 và khảo MLCN. Vì chỉ đánh giá sự thay đổi của lưu - (3) 2,0 sát thực lượng/áp lực tại một điểm bể nên hệ số dòng tế chảy rò rỉ bị loại trừ trong công thức này [15]. * Ghi chú: 𝑄 = 𝐶𝑑 𝐴√2𝑔ℎ0 (1) 𝑄 = 𝐶𝑑 √2𝑔(𝐴0 ℎ0,5 + 𝑚ℎ1,5 ) (2) - Cd là hệ số lưu lượng; 𝑣ớ𝑖 A = 𝐴0 + mh - A là diện tích lỗ rò rỉ; - A0 là diện tích ban đầu của điểm bể; - g là gia tốc trọng trường; - A là diện tích điểm bể khi dòng chảy đi qua; - h0 là giá trị cột áp. - m là độ dốc dòng chảy có áp.

L1/L0 = (P1/P0)n (3) - P0, L0 là áp lực và lưu lượng tại thời điểm ban đầu - P1, L1 là áp lực và lưu lượng sau khi giảm áp lực. - n là hệ số mũ rò rỉ. Hệ số mũ rò rỉ (n) trong Bảng 1.1 dao động từ -0,262 đến 3,33 và hệ số dòng chảy (Cd) nhận giá trị từ 0 đến 0,945, trong đó có nghiên cứu thứ 1 và thứ 3 xuất hiện giá trị n < 0,5. Nghiên cứu thứ 1 áp lực thay đổi tương đối lớn (từ 20-30m) nên dẫn đến các giá trị n < 0,5; khi áp lực thay đổi ít hơn thì n nhận các giá trị từ 3,33, tuy nhiên áp lực trung bình xét cho một khu vực cấp nước nên giá trị tương đối lớn (từ 26,9m đến 99,2m).

Nghiên cứu thứ 3 thí nghiệm cho dòng chảy rò rỉ chảy ra ngoài khí trời, lúc này điều kiện môi trường khác hoàn toàn so với điều kiện làm việc của ống cấp nước thực tế nên xuất hiện n < 0. Nghiên cứu thứ 2, 4, 5 sử dụng mô hình toán và thí nghiệm thực tế để xác định đặc điểm của dòng chảy rò rỉ, tuy nhiên, các mô phỏng lại dựa trên công thức (1), đây là công thức áp dụng trong điều kiện dòng chảy qua lỗ ra ngoài khi trời [16] nên giá trị hệ số n và Cd có ý nghĩa trong phạm vi lý thuyết. Đồng thời, trên MLCN thực tế rất khó để xác 8 định tiết diện điểm bể (A) cũng như môi trường đất bên ngoài ống (m), như vậy cần một công thức đơn giản hơn để xác định hệ số dòng chảy rò rỉ. Nghiên cứu 6 có thể áp dụng cho MLCN thực tế nhưng cần mở rộng cho tất cả các điểm bể trên mạng lưới và nghiên cứu thêm khoảng giá trị hệ số dòng chảy rò rỉ.

Nội dung nghiên cứu Kế thừa và phát triển kết quả của các nghiên cứu đã thực hiện, luận văn đưa ra nội dung nghiên cứu cụ thể như sau: - Nội dung 1: Đề xuất cơ sở khoa học ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ. - Nội dung 2: Xây dựng mô hình ước lượng hệ số dòng chảy rò rỉ sử dụng lý thuyết logic mờ và phần mềm MATLAB. - Nội dung 3: Áp dụng cho khu vực nghiên cứu là mạng lưới cấp nước quận Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh. Khảo sát thực tế để lấy dữ liệu lưu lượng và áp lực rò rỉ trên mạng lưới cấp nước để xác định khoảng giá trị của hệ số dòng chảy rò rỉ theo các yếu tố của dòng chảy rò rỉ.

Kết luận chương 1 Tổng quan các nghiên cứu trước đây nghiên cứu đã cho thấy trong điều kiện hoạt động bình thường của MLCN các điểm bể trên đường ống cấp nước có lưu lượng áp lực nước phụ thuộc tuyến tính thông qua các hệ số của dòng chảy rò rỉ ra khỏi ống. Như vậy, để xây dựng mô hình xác định hệ số của dòng chảy rò rỉ cần có phương trình quan hệ giữa các yếu tố này.