CHƯƠNG 1: MỞ ðẦU 1.1 ðặt vấn ñề Hiện nay bất kì hệ thống cấp nước nào cũng ñều bị thất thoát một lượng nước nhất ñịnh. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn ñến thất thoát nước trong ñó chủ yếu là do nguyên nhân kỹ thuật như: rò rỉ trên mạng lưới tuyến ống cấp nước, thi công không ñúng kỹ thuật, vỡ ống do ñào ñường, ăn cắp nước sạch … Trên thực tế cho thấy thất thoát nước phần lớn là do rò rỉ trên ñường ống vì ñường ống cấp nước ñược chôn ngầm dưới nền ñất nên công tác tìm kiếm rò rỉ rất khó khăn. ðây là bài toán vô cùng khó khăn ñối với tất cả các ñơn vị cấp nước và là một ñề tài nóng bỏng trên toàn thế giới cũng như tại Việt Nam. Các công ty cấp nước ñã và ñang thực hiện một số công tác giảm thất thoát nước như: kế hoạch phân vùng tách mạng ñể quản lý rò rỉ, thay thế các tuyến ống cũ mục, lắp ñặt các ñồng hồ ñiện từ, sử dụng van ñiều áp ñể ñiều tiết áp lực mạng lưới, sử dụng các thiết bị dò tìm rò rỉ, gắn datalogger…, kết hợp với công nghệ thông tin như phần mềm SCADA quản lý từ xa áp lực, lưu lượng, chất lượng nước trên mạng lưới, phần mềm GIS quản lý tài sản, cập nhật hiện trạng dữ liệu mạng lưới, phần mềm quản lý khách hàng, phần mềm thủy lực ñể tính toán mạng lưới và truyền thông nâng cao nhận thức cộng ñồng.
Tuy nhiên, công tác nâng cấp cải tạo mạng lưới cấp nước gặp nhiều khó khăn do dân số ñông, ñường xá chật hẹp, nguồn lực tài chính hữu hạn… Trước tình hình thất thoát nước của các ñơn vị cấp nước trong cả nước rất cao từ 30-40%, ñặc biệt là tại các thành phố lớn gây tổn thất nặng nề cho nền kinh tế ñất nước. Năm 2010 Thủ tướng chính phủ ñã ban hành quyết ñịnh số 2147/Qð- TTg Phê duyệt Chương trình quốc gia chống thất thoát, thất thu nước sạch ñến năm 2025 với mục tiêu huy ñộng và tập trung các nguồn lực cho hoạt ñộng chống thất thoát, thất thu nước sạch, giảm tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân từ 30% năm 2009 xuống dưới 15% vào năm 2025, mục tiêu cụ thể cho từng giai ñoạn như sau: 2 - ðến năm 2015: tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân là 25%. - ðến năm 2020: tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân là 18%. - ðến năm 2025: tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân là 15%.
Nói riêng về TP.HCM, hiện tại dân số khoảng 9 triệu người, dự kiến ñến năm 2025 dân số sẽ là 10 triệu người thường trú và 2,5 triệu người vãng lai cho toàn bộ 24 quận, huyện. Hệ thống cấp nước TP.HCM ñược hình thành từ thời Pháp thuộc, trải qua thời gian dài sử dụng, không ñồng bộ về vật liệu và chủng loại cũng như mạng lưới cấp nước trải ra trên một diện tích rộng. Mạng lưới truyền dẫn khoảng 4,500 km ñường ống có DN ≥ 100mm, cung cấp 1.8 triệu m3 nước sạch cho cả thành phố, và tỉ lệ thất thoát nước khoảng 38.42%, lượng nước sạch tương ứng thất thoát 691,560 m3/ngày. Với giá nước bình quân 8000 ñồng/m3, thì số tiền thất thoát là 5.53 tỉ ñồng/ngày, hơn 2,018 tỉ ñồng/năm, gây lãng phí tài nguyên nước [1].1: Tỉ lệ thất thoát nước (%) của các công ty cấp nước thuộc Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn Giảm thất thoát nước từ mạng lưới cấp nước sẽ giúp giảm chi phí quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước, từ ñó có thể giảm giá bán nước sạch cung cấp cho người dân.Ngoài ra, việc giảm thất thoát nước còn góp phần cải thiện chất lượng nước, nâng cao áp lực của mạng lưới cấp nước.
Do ñó, vấn ñề ñặt ra là phải có một 3 giải pháp ñể hạn chế lượng nước thất thoát một cách hiệu quả, tiết kiệm thời gian và chi phí. Giải pháp này không những góp phần ñem lại nguồn lại kinh tế cho cả doanh nghiệp lẫn người dân, mà còn làm giảm gánh nặng gia tăng công suất cấp nước ñầu vào, giải quyết các vấn ñề về chất lượng nước, nâng cao áp lực của mạng lưới cấp nước, giải quyết nhu cầu dùng nước của người dân. Hiện nay chính quyền thành phố cũng như Tổng công ty cấp nước Sài Gòn rất quan tâm và chú trọng ñến công tác giảm thiểu ñược lượng nước thất thoát thất thu và ñặt ra mục tiêu hằng năm giảm thiểu lượng nước thất thoát từ 1-2% ñến năm 2025 tỷ lệ thất thoát nước của thành phố giảm còn 25%. Theo ñó, Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn ñã tích cực ứng dụng nhiều công nghệ mới cũng như tham gia các chương trình hợp tác, nghiên cứu quốc tế.
ðến nay, tỷ lệ nước thất thoát thất thu của thành phố Hồ Chí Minh cũng ñã có những chuyển biến tích cực và ñạt ñược mục tiêu ñề ra. Diễn biến tỷ lệ nước thất thoát từ năm 2009 ñến nay 45 41 40 40 Tỷ lệ thất thoát nước (%) 35 30 40.04 2009 2010 2011 2012 2013 06 tháng 2015 2025 2014 kết quả KH/lộ trình Hình 1.2: Diễn biến tỷ lệ nước thất thoát từ năm 2009 ñến nay 1.2 Tính cấp thiết của ñề tài Thất thoát nước là một dự báo ñe dọa tính mạng và ñáng báo ñộng của tương lai. Vấn ñề rò rỉ là một trong những nguyên nhân quan trọng nhất của thất thoát nước trong hệ thống cấp nước. Do ñó, nó ñã và ñang là vấn ñề quan tâm của nhiều 4 nhà nghiên cứu ñể tìm kiếm các phương pháp hiệu quả nhất ñể giải quyết vấn ñề này bằng nhiều kỹ thuật khác nhau.
[2] Rò rỉ trong hệ thống phân phối nước ñã trở thành một vấn ñề quan trọng và cấp bách liên quan rất nhiều ñến chi phí hằng năm. Sự khó khăn của vấn ñề tiếp tục xấu ñi, ñặc biệt là khi các vị trí rò rỉ nằm ẩn trong lòng ñất. ðề tài“Nghiên cứu dò tìm vị trí rò rỉ trên mạng lưới cấp nước bằng mô hình thí nghiệm kết hợp với mô hình thủy lực” nhằm mục ñích phát hiện vị trí rò rỉ trong mô hình thí nghiệm hệ thống cấp nước trong thời gian thực bằng việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật trong công cụ dò tìm vị trí rò rỉ (Darwin Calibrator) của phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGems. Từ ñó giúp tìm ra phương pháp tối ưu giúp phát hiện rò rỉ trong mạng lưới cấp nước quy mô lớn với ñộ chính xác cao và chi phí thấp.3 Mục ñích nghiên cứu: - Thiết lập mô hình thí nghiệm ñể dò tìm rò rỉ trong mạng lưới cấp nước - Dùng phần mềm WaterGems ñể mô phỏng thủy lực mô hình thí nghiệm.
Sau ñó thực hiện cân chỉnh ñể ñạt ñược kết quả tương ñồng giữa mô hình thí nghiệm và mô hình mô phỏng. - Chủ ñộng tạo các kịch bản rò rỉ với nhiều vị trí khác nhau trong mạng lưới. - Chạy mô hình thủy lực WaterGems ñã cân chỉnh với các vị trí rò rỉ giả ñịnh ñể tổng kết ñược các thông số tính toán tối ưu trong mô hình thủy lực.4 Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp kế thừa: xem xét và ñánh giá các kết quả nghiên cứu trước ñây. - Phương pháp xây dựng mô hình: xây dựng 1 mô hình thí nghiệm với ñầy ñủ các dữ liệu ñầu vào và các thiết bị ño áp, lưu lượng… - Phương pháp ứng dụng mô hình toán: sử dụng phần mềm WaterGems ñể mô phỏng và tính toán thủy lực mạng lưới.
5 - Phương pháp so sánh: so sánh kết quả vận hành mạng lưới thí nghiệm và chạy phần mềm ñể dò tìm và phát hiện ra vị trí rò rỉ trên mạng lưới.5 Nội dung thực hiện - Xây dựng phương pháp phát hiện rò rỉ bằng mô hình thủy lực dựa trên các bài báo nghiên cứu trong và ngoài nước. - Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết phục vụ cho mục ñích nghiên cứu dò tìm rò rỉ trên mạng lưới. - Thiết lập mạng lưới thí nghiệm với các dữ liệu ban ñầu ( nguồn nước, bơm, mạng lưới ống, van, thiết bị ño lưu lượng, thiết bị ño áp…) - Mô phỏng lại mạng lưới thí nghiệm bằng phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGems, tiến hành cân chỉnh và sử dụng công cụ Darwin Calibrator ñể dò tìm các vị trí rò rỉ giả ñịnh ñược chủ ñộng tạo ra trên mạng lưới. - ðánh giá kết quả ñể tìm ra bộ thông số kỹ thuật tối ưu cho việc dò tìm rò rỉ trên mạng lưới.
- Từ kết quả ñạt ñược có thể ñưa ra một số kết luận, kiến nghị ñối với việc ứng dụng phần mềm thủy lực trong việc dự báo khu vực khả năng xảy ra rò rỉ cao bên ngoài thực tế.6 Phạm vi nghiên cứu: Khu vực nghiên cứu nằm trong khuôn viên của khu vực phòng thí nghiệm bộ môn Tài nguyên nước của trường ðại học Bách Khoa TPHCM với diện tích khoảng 150m2. Mô hình thí nghiệm là 1 mạng lưới cấp nước ñiển hình ñược thiết kế và lắp ñặt trong khuôn viên phòng thí nghiệm của bộ môn Tài nguyên nước. Mạng lưới cấp nước ñược lắp ñặt bằng các ống cấp nước HDPE với các ñường kính từ 15mm ñến 30mm, bơm cấp nước với lưu lượng 17l/s và cột áp 11m. Nước dùng cho thí nghiệm là dòng nước tuần hoàn, sau khi qua ống sẽ ñược dẫn về bể nước ngầm bằng các kênh dẫn.3: Hiện trạng khu vực nghiên cứu 1.7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của ñề tài: Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu này nhằm mục ñích phát hiện rò rỉ và vị trí của nó trong mạng lưới phân phối nước trong thời gian thực với ñộ chính xác cao và chi phí thấp.
Nghiên cứu sử dụng trên nền tảng cơ sở lý luận và thực nghiệm từ những nghiên cứu trong và ngoài nước, ñồng thời phát triển thêm ñể xây dựng mô hình rò rỉ trên nền tảng thuật toán giải thuật di truyền của phần mềm WaterGems. Ngoài ra, trong thí nghiệm này, tác giả cố gắng nghiên cứu những thay ñổi trong hành vi thủy lực của mạng do sự thay ñổi về vị trí rò rỉ, giúp ích cho việc chứng thực các phương pháp ñược ñề xuất trong các nghiên cứu rộng lớn sau này. 7 Ý nghĩa thực tiễn: Qua nghiên cứu này, tác giả muốn ñề xuất một phương pháp ñể khoanh vùng các khu vực rò rỉ, từ ñó nhanh chóng tìm ra vị trí rò rỉ, nhằm hạn chế việc tiêu tốn, thời gian, công sức và chi phí cho việc dò tìm vị trí rò rỉ trong một mạng lưới lớn. Việc nhanh chóng tìm ra vị trí rò rỉ trên mạng lưới sẽ hạn chế ñáng kể lượng nước thất thoát, ñem lại hiệu quả kinh tế trong công tác vận hành mạng lưới cấp nước.