CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.Tình hình chung việc xác định mực nước bể tháo các trạm bơm tiêu trong cả nước. Trong gần 20 năm trở lại đây, khi việc sử dụng các máy bơm và trạm bơm để tiêu nước được phát triển ở đồng bằng Bắc Bộ, nhiều vấn đề thuộc về các khâu thiết kế công trình, chọn sử dụng máy bơm đã được giải quyết. Tuy nhiên cũng còn một số vấn đề khá cơ bản chưa được giải quyết thích đáng. Một trong những vấn đề trên là xác định cột nước địa hình thiết kế, trong đó yếu tố cần đề cập trước tiên là mức nước bể tháo thiết kế.
Bài báo “Một phương pháp xác định cao trình đáy cống xả của trạm bơm tiêu” tại tạp chí số 38- (3/2012) của tác giả Nguyễn Tuấn Anh, Đỗ Minh Thu “. Nội dung bài báo này giới thiệu một phương pháp xác định cao trình đáy cống xả của trạm bơm tiêu dựa trên lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa. Trong phương pháp này, hàm mục tiêu được chọn là tổng chi phí xây dựng và quản lý quy về năm đầu nhỏ nhất. Phương pháp đã được áp dụng cho một trạm bơm cụ thể trong thực tế và cho kết quả đáng tin cậy.
Phương pháp tính toán này nên được áp dụng trong công tác thiết kế các trạm bơm tiêu nước mưa ra sông, đặc biệt là các trạm bơm mà ở đó lũ ngoài sông không trùng tần suất xuất hiện với mưa trong đồng. Tác giả La Đức Dũng và Nguyễn Tuấn Anh tạp chí số 43-tháng 12/2013 có bài viết “Đánh giá bước đầu về phương pháp xác định mực nước thiết kế bể xả của các trạm bơm tiêu”. Nội dung Bài báo giới thiệu kết quả đánh giá bước đầu về phương pháp xác định mực nước thiết kế bể xả của các trạm bơm tiêu hiện nay dựa trên liệt tài liệu quan trắc thực tế của trạm bơm Nhân Hòa, Hà Nam. Qua so sánh mực nước bể tháo và mực nước sông trong thời gian từ năm 2004 đến năm 2011, bài báo đã đánh giá sơ bộ được mức độ Luận văn thạc sỹ Nguyễn Hồng Sơn – 21Q21 -4– lãng phí cột nước bơm dẫn đến điện năng bơm tăng thêm của trạm bơm do đáy kênh tháo được thiết kế thiên cao.
Tạp chí số 47-tháng 12/2014, hai tác giả La Đức Dũng và Nguyễn Tuấn Anh cũng có bài viết: “Đề xuất cách xác định cao trình thiết kế đáy kênh tháo của các trạm bơm tiêu” dựa trên nguyên tắc tiết kiệm năng lượng bơm. Qua xem xét so sánh tổng điện năng tiêu thụ của trạm bơm tương ứng với các trường hợp cao trình đáy kênh tháo được xác định ứng với mực nước bể tháo thiết kế tần suất 10%, 30%, 40%, 50% và 60% của hai trạm bơm tiêu thuộc hệ thống Bắc Nam Hà, bài báo kiến nghị để lựa chọn cao trình thiết kế đáy kênh tháo hợp lý nên xem xét một số tần suất thiết kế của mực nước bể tháo thay vì 10% như hiện nay. Điển hình nhất tại hội nghị khoa học năm 1984 - Đại học Thủy lợi GS.TS Hoàng Lâm Viện đã có bài báo nói về “Vấn đề kinh tế xác định mực nước trạm bơm tiêu vùng Đồng bằng Bắc Bộ”. Vấn đề xác định mực nước bể tháo thiết kế chưa phù hợp, liên quan đến vấn đề thiết kế trạm bơm, chọn sử dụng máy bơm và vấn đề quy hoạch của trạm bơm phù hợp cho tiêu nước vùng đồng bằng Bắc Bộ.
Hiện nay mực nước bể tháo thiết kế được lấy bằng mực nước bình quân ngắn ngày (1,3,5,7 ngày) cao nhất ứng với tần suất thiết kế tiêu 10% hoặc 20%. Điều này thừa nhận rằng mưa lũ trong đồng và mực nước ngoài sông trùng tần suất. Phương pháp này không suất phát từ một cơ sở đúng đắn và cho kết quả không phù hợp với yêu cầu về kỹ thuật và nhất là về kinh tế. Tiến hành phân tích nghiến cứu sự tương quan giữa mưa trong đồng và mực nước lũ ngoài sông.
Tài liệu được dùng để phân tích là tài liệu mực nước từ tháng 6 đến tháng 10 của các trạm đo mực nước trên các triền sông Luận văn thạc sỹ Nguyễn Hồng Sơn – 21Q21 -5– Hồng, Lô, Thái Bình và tài liệu mưa của các trạm đo mưa thuộc phạm vi miền đồng bằng: Hà Nội,Việt Trì, Sơn Tây. Bằng phương pháp phân tích tương quan, các tác giả đã đưa ra những kết quả sau: + Sự tương quan giữa mưa trong đồng và mực nước ngoài sông của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình là không xảy ra. Sự gặp gỡ mực nước bình quân ngắn ngày (1,3,5,7 ngày) lớn nhất ứng với tần suất p=10% ở ngoài sông với các trận mưa bình quân ngắn ngày (1,3,5 ngày) lớn nhất ứng với tần suất 10% trong đồng hầu như không xuất hiện. + Sự gặp gỡ giữa các trận mưa lớn nhất trong các năm thống kê và mực nước bình quân tháng lớn nhất ứng với tần suất 25% là 26% -:- 42% và ứng với tần suất 50% là 41%-:- 58% tổng số các trận mưa xảy ra.
Sự gặp gỡ giữa các trận mưa lớn trong các năm thống kê và mực nước bình quân vụ ứng với tần suất 25% là 32% -:- 58% và ứng với tần suất 50% là 47% -:- 78% các trận mưa lớn trong năm. Để giải quyết vấn đề đó các tác giả tiến hành nghiên cứu đặc tính của nguồn nhận nước tiêu ở vùng đồng bằng sông Hồng và sông Thái Bình. Đặc tính nguồn nhận nước tiêu ảnh hưởng đến tính năng công tác của máy bơm Nguồn nhận nước tiêu gồm: nguồn nhận nước tiêu là ao hồ, sông nội địa và nguồn nhận nước tiêu là sông thiên nhiên. Thực tế ở vùng đồng bằng Bắc Bộ nguồn nhận nước tiêu là ao hồ và sông nội địa (sông Bắc Hưng Hải, sông sông Nhuệ…) có tính chất hạn chế và chịu ảnh hưởng của mực nước các sông thiên nhiên.
Vì vậy số lượng trạm bơm tiêu đề ra nguồn nhận nước tiêu trên không nhiều và thường nhỏ. Nguồn nhận nước tiêu chủ yếu là hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình. Để phân tích đặc tính các sông có ảnh hưởng đến tính năng công tác Luận văn thạc sỹ Nguyễn Hồng Sơn – 21Q21 -6– của máy bơm và trạm bơm, các tác giả dùng phương pháp phân tích xác suất cho từng trạm đo mực nước ở các sông. Số lần xuất hiện của 1 cấp Xác suất xuất hiện P% = Tổng số lần xuất hiện các cấp mực nước Với mỗi con sông, tùy theo nó dài hay ngắn mà chọn từ 2 -:- 6 trạm đo để tính toán.
Tài liệu mực nước từ tháng 6 đến tháng 10 của 33 trạm được chọn để tính toán được thu thập tại Cục kỹ thuật điều tra cơ bản thuộc Tổng cục khí tượng thủy văn. Các tài liệu đều đã được chỉnh biên và có liệt kê từ 17 năm trở lên (có 2 trạm 13 năm: Thắng Cương- sông Cầu, Cầu Sơn -Sông Thương) Những kết quả tính toán đã cho thấy: a/ Chênh lệch mực nước giữa biên cao thấp z của phạm vi mực nước thường xuất hiện ở các vùng giáp trung du khoảng 490 cm, ở các vùng giữa vào khoảng từ 100 -:- 400 cm và các vùng dọc theo bờ biển từ 25 -:- 100 cm. b/ Nếu lấy sông Hồng và sông Thái Bình làm trục chính (sông Đáy làm trục phụ) thì càng về hạ lưu, đường qua hệ mực nước z = f (P%) càng ổn định, xác suất xuất hiện lớn nhất ở vùng giáp trung du khoảng Pmax = 4,4 - 5,8 % và ở ven biển Pmax = 36,5 - 39,2 % (ứng với lũy tích xác suất P=50%). c/ Căn cứ vào đường lũy tích xác suất mực nước của sông, 80% mực nước xuất hiện từ các mực nước z = (0,6-1,7) Ztb - Với sông Hồng và sông Ninh Cơ từ mực nước z = ( 0,8 - 1,5) Ztb ; - Với sông Đáy và sông Thái Bình từ mực nước z = ( 0,7 - 1,7) Ztb ; - Với sông Cầu, sông Thương từ mực nước z = ( 0,6 - 1,7) Ztb ; Luận văn thạc sỹ Nguyễn Hồng Sơn – 21Q21 -7– - Với sông Đào Nam Định, sông Luộc từ mực nước z = ( 0,7 - 1,6) Ztb ; Sông Trà Lý từ mực nước z = (0,6 – 1,6) Ztb Những kết luận trên đã cho thấy rằng: +/ Nếu sử dụng mực nước bình quân ngắn ngày lớn nhất ứng với tần suất 10% làm mực nước bể tháo thiết kế như trước đây thì phần lớn thời gian trạm bơm tiêu sẽ làm việc với các mực nước bể tháo cao hơn nhiều so với mực nước nguồn nhận nước tiêu.
Điều này gây ra một tổn hao năng lượng đáng kể. +/ Để có thể bao trùm được phạm vi thường xuất hiện của mực nước nguồn nhận nước tiêu, các máy bơm được dùng đã tiêu nước cho các vùng ở đồng bằng sông Hồng, sông Thái Bình cần phải có phạm vi sử dụng với hiệu suất lớn ứng với sự thay đổi cột nước từ 2 -:- 4 m, lớn nhất là 5 m. Quan hệ giữa năng lượng tiêu hao với các mực nước bể tháo khác nhau. Phương pháp xác định là so sánh tổng năng lượng tiêu nước hàng năm của trạm bơm có mực nước bể tháo thiết kế lấy bằng mực nước có xác suất xuất hiện lớn nhất làm mực nước bể tháo thiết kế EPmax%.
Tính toán được thực hiện với năm có mực nước xuất hiện trung bình trong những năm thống kê, tức là nếu biểu thị t1 là thời gian cần tiêu nước trong năm ứng với mực nước bể tháo Zt1 và T là tổng thời gian cần tiêu trong năm. Ứng dụng quan hệ trên để tính toán cho các trạm bơm Vĩnh Trị, Nhâm Tràng và Vân Đình trên sông Đáy, trạm bơm Cốc Thành, sông Chanh trên sông Đào Nam Định, trạm bơm Hữu Bị, Như Trác và trạm bơm Hà Nội trên Luận văn thạc sỹ Nguyễn Hồng Sơn – 21Q21 -8– sông Hồng, trạm bơm Kim Bôi, Hiền Lương trên sông Cầu, trạm bơm Cống Sao trên sông Luộc. Kết quả tính toán cho thấy rằng nếu mực nước thiết kế Ztk xác định cao hơn mực nước trung bình thường xuất hiện ZPmax 20% thì năng lượng tổn hao thêm 5 -:- 15 %, nếu cao hơn 40% thì năng lượng tổn hao thêm 13 -:- 38 % và nếu cao hơn 60% thì năng lượng tổn hao thêm 23 -:- 64 %. Sự tăng giảm của vốn đầu tư xây dựng khi mực nước bể tháo thiết kế thay đổi Mực nước bể tháo càng thấp thì bể tháo càng đặt sâu, công trình càng đặt sâu, do đó vốn xây dựng càng tăng lên.