Luan van thac si ky thuat tai nguyen nuoc nghien cuu can chinh mo hinh chat luong nuoc cho he thong cap nuoc khu dan cu vinh luong tp nha trang

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô hình chất lượng nước cho hệ thống cấp nước khu dân cư Vĩnh Lương, Nha Trang. Giải pháp kỹ thuật tài nguyên nước hiệu quả.

• Tác giả: Đặng Văn Dư
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trưởng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên cứu cân chỉnh mô hình chất lượng nước cho hệ thống cấp nước khu dân cư Vĩnh Lương, TP. Nha Trang
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Nội dung thực hiện
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
• 1.7. Lý thuyết thủy lực
• 1.7.1. Dòng chảy ổn định đều
• 1.7.2. Phương trình liên tục trong mạng lưới đường ống
• 1.7.3. Định luật bảo toàn năng lượng, phương trình Bernoulli
• 1.7.4. Tổn thất thủy lực
• 1.8. Thuật toán giải thuật di truyền
• 1.8.1. Ứng dụng thuật toán di truyền trong bài toán cân chỉnh mạng lưới
• 1.9. Mô hình chất lượng nước
• 1.9.1. Vận chuyển trong ống
• 1.9.2. Pha trộn tại các nút
• 1.9.3. Mô phỏng các phản ứng hóa học trong đường ống dẫn nước
• 1.9.4. Các phương pháp xác định nồng độ Clo dư trong mạng lưới cấp nước
• 1.9.5. Giới thiệu phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGEMS
• 1.9.6. Khả năng mô phỏng của phần mềm
• 1.10. Hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước (GIS)
• 1.10.1. Giới thiệu hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước
• 1.10.2. Các lớp dữ liệu thuộc tính cấp nước
• 1.11. Nồng độ Clo dư thay đổi trong mạng lưới cấp nước
• 1.11.1. Phản ứng khối và phản ứng thành
• 1.12. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.12.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.12.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu
• 2.1.1. Mạng lưới đường ống
• 2.1.2. Nhu cầu sử dụng nước
• 2.2. Cách thức thu thập dữ liệu
• 2.2.1. Lựa chọn vị trí quan trắc dữ liệu
• 2.2.2. Số liệu thu được tại hiện trường
• 2.2.2.1. Bộ số liệu Nồng độ Clo đầu nguồn
• 2.2.2.2. Lưu lượng đầu vào (trạm tăng áp Vĩnh Lương) và hệ số PATTERN
• 2.2.2.3. Áp lực tại các vị trí quan sát
• 2.3. Trình tự xây dựng mô hình thủy lực
• 2.3.1. Mạng lưới đường ống (đường kính, hệ số nhám)
• 2.3.2. Điều kiện biên của mạng lưới
• 2.3.3. Cơ chế vận hành của Bể chứa Vĩnh Lương
• 2.4. Quy trình thực hiện
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỦY LỰC
• 3.1. Phát triển mô hình thủy lực
• 3.1.1. Xây dựng mô hình thủy lực
• 3.1.2. Mô phỏng thủy lực
• 3.1.3. Hiệu chỉnh mô hình thủy lực
• 3.1.4. Kiểm định mô hình thủy lực
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC
• 4.1. Xây dựng mô hình chất lượng nước
• 4.1.1. Cân chỉnh Mô hình chất lượng nước
• 4.1.2. Kiểm định Mô hình chất lượng nước
• 4.2. Xây dựng kịch bản
• 4.2.1. Kịch bản 1: Mạng lưới cấp nước xuất hiện điểm bể
• 4.2.2. Kịch bản giả định nồng độ Clo châm đầu nguồn thay đổi
• 4.3. Kết quả của kịch bản
• 4.4. Thảo luận chung về kết quả nghiên cứu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Bảng số liệu về lưu lượng đầu vào và hệ số pattern tiêu thụ
• Phụ lục 2: Bảng cao trình tại các vị trí quan trắc áp lực
• Phụ lục 3: Bộ số liệu áp lực quan trắc ngày 15/4/2017
• Phụ lục 4: Bộ số liệu áp lực quan trắc ngày 16/4/2017
• Phụ lục 5: Số liệu Nồng độ Clo đầu nguồn
• Phụ lục 6: Bộ số liệu quan trắc nồng độ Clo dư tại hiện trường
• Phụ lục 7: Kết quả nồng độ Clo dư tại Nút J-1183 và tại nút J-13310 trước và sau khi có hiện tượng rò rỉ lưu lượng tại nút JK5
• Phụ lục 8: Kết quả nồng độ Clo theo kịch bản so với mô hình ban đầu tại nút J-13310

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chất Lượng Nước Vĩnh Lương 2024

Nước sạch đóng vai trò then chốt trong đời sống, sức khỏe con người. Chất lượng nguồn nước bị đe dọa bởi biến đổi khí hậu, đô thị hóa, và ô nhiễm. Nha Trang, thành phố lớn ven biển, đối mặt thách thức về cung cấp nước sạch cho dân cư. Theo số liệu năm 2011, dân số Nha Trang là 396.066 người, phân bố không đều giữa thành thị và nông thôn. Các khu vực như Vĩnh Lương có mật độ dân số thấp hơn nhiều so với trung tâm thành phố. Hệ thống cấp nước hiện tại của Nha Trang đang được đầu tư nâng cấp. Tuy nhiên, vấn đề chất lượng nước Vĩnh Lương sau xử lý và hòa vào mạng lưới vẫn là một mối quan tâm lớn. Thực tế cho thấy, nồng độ Clo dư ở đầu mạng lưới thường cao, nhưng giảm đáng kể về cuối mạng lưới. Đánh giá chất lượng nước thông qua mô hình chất lượng nước là một hướng đi được nhiều đơn vị quan tâm để điều chỉnh sự hoạt động thủy lực và cải thiện chất lượng nước.

1.1. Tầm quan trọng của nước sạch và vấn đề ô nhiễm

Nước sạch không chỉ duy trì sự sống mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Ô nhiễm nguồn nước từ hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt là một thách thức lớn. Việc đảm bảo chất lượng nước, đặc biệt là ở các khu vực dân cư như Vĩnh Lương, Nha Trang, là vô cùng cấp thiết. Sự biến đổi khí hậu cũng tác động tiêu cực đến nguồn nước, làm gia tăng tình trạng thiếu nước và ô nhiễm. Cần có các giải pháp hiệu quả để bảo vệ và cải thiện nguồn chất lượng nước sinh hoạt.

1.2. Giới thiệu về khu vực Vĩnh Lương và hệ thống cấp nước

Vĩnh Lương là một xã thuộc thành phố Nha Trang, có địa hình đồi núi và mật độ dân số thấp hơn so với các phường trung tâm. Hệ thống cấp nước Vĩnh Lương đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước sạch cho người dân. Tuy nhiên, hệ thống này cũng đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm tình trạng thất thoát nước, ô nhiễm nguồn nước và sự biến động của nồng độ Clo dư. Cần có những nghiên cứu cụ thể để đánh giá và cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống cấp nước này.

II. Vấn Đề Chất Lượng Nước Thách Thức Cấp Nước Nha Trang

Theo quy chuẩn, nồng độ Clo dư trong nước sinh hoạt cần duy trì ở mức 0.3-0.5 mg/l để đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, việc đánh giá và duy trì nồng độ Clo dư ổn định trên toàn mạng lưới cấp nước là một thách thức lớn. Các phương pháp thủ công thường gặp khó khăn trong việc theo dõi và kiểm soát chất lượng nước một cách hiệu quả. Việc sử dụng công cụ mô phỏng như WaterGEMs, kết hợp với dữ liệu thực tế từ hiện trường, giúp khắc phục những hạn chế này. Quá trình cân chỉnh mô hình chất lượng nước cho phép theo dõi diễn biến nồng độ Clo dư, từ đó đề xuất các giải pháp kiểm soát và đảm bảo sức khỏe người sử dụng. Đây là yếu tố quan trọng để đảm bảo cung cấp nước sạch.

2.1. Tiêu chuẩn về nồng độ Clo dư trong nước sinh hoạt

Việc duy trì nồng độ Clo dư trong nước sinh hoạt theo quy chuẩn là vô cùng quan trọng để diệt khuẩn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Nồng độ Clo quá thấp có thể dẫn đến nguy cơ tái nhiễm khuẩn trong quá trình vận chuyển, trong khi nồng độ quá cao có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe và tạo mùi khó chịu. Cần có các biện pháp kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo nồng độ Clo dư luôn nằm trong giới hạn cho phép. Luận văn cần làm rõ về tiêu chuẩn chất lượng nước hiện hành.

2.2. Khó khăn trong kiểm soát chất lượng nước thủ công

Việc kiểm soát chất lượng nước bằng phương pháp thủ công thường tốn kém thời gian và công sức, đồng thời khó đảm bảo tính chính xác và liên tục. Các yếu tố như sự biến động của lưu lượng nước, nhiệt độ, và phản ứng hóa học trong đường ống có thể ảnh hưởng đến nồng độ Clo dư. Do đó, cần có các công cụ và phương pháp hiện đại hơn để giám sát và điều chỉnh chất lượng nước một cách hiệu quả. Mô hình hóa là một giải pháp cấp nước tiên tiến.

2.3. Vai trò của phần mềm WaterGEMs trong mô phỏng chất lượng nước

Phần mềm WaterGEMs là một công cụ mạnh mẽ giúp mô phỏng hoạt động của mạng lưới cấp nước và dự đoán sự thay đổi của các chỉ tiêu chất lượng nước, bao gồm nồng độ Clo dư. Bằng cách kết hợp dữ liệu thực tế từ hiện trường với các thuật toán mô phỏng, WaterGEMs cho phép người dùng đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải thiện chất lượng nước và đưa ra các quyết định phù hợp. Nghiên cứu khoa học chất lượng nước thường sử dụng công cụ này.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Mô Hình Chất Lượng Nước Thực Tế

Luận văn tập trung vào xây dựng mô hình chất lượng nước cho hệ thống cấp nước Vĩnh Lương. Quá trình này bao gồm thu thập dữ liệu về mạng lưới đường ống, lưu lượng, áp lực, và nồng độ Clo. Các thiết bị đo đạc (datalogger) được sử dụng để theo dõi áp lực và lưu lượng. Mẫu nước được lấy tại các vị trí khác nhau để phân tích nồng độ Clo. Dữ liệu này được sử dụng để xây dựng và cân chỉnh mô hình thủy lực bằng WaterGEMs. Sau khi mô hình thủy lực được kiểm định, mô hình chất lượng nước được xây dựng và cân chỉnh để dự đoán nồng độ Clo dư. Việc cân chỉnh mô hình là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng. Sau cân chỉnh, xây dựng kịch bản có điểm bể và nồng độ clo đầu nguồn thay đổi.

3.1. Thu thập dữ liệu mạng lưới cấp nước và chất lượng nước

Việc thu thập đầy đủ và chính xác dữ liệu là yếu tố then chốt để xây dựng một mô hình chất lượng nước tin cậy. Dữ liệu cần thu thập bao gồm thông tin về đường kính, vật liệu, độ cao của đường ống, vị trí van, trạm bơm, và bể chứa. Ngoài ra, cần thu thập dữ liệu về lưu lượng, áp lực, và nồng độ Clo tại các vị trí khác nhau trong mạng lưới. Phân tích chất lượng nước được thực hiện theo quy trình chuẩn.

3.2. Xây dựng và cân chỉnh mô hình thủy lực bằng WaterGEMs

Sau khi thu thập dữ liệu, tiến hành xây dựng mô hình thủy lực trong WaterGEMs. Mô hình này mô phỏng dòng chảy của nước trong mạng lưới và tính toán áp lực tại các nút. Quá trình cân chỉnh mô hình bao gồm điều chỉnh các thông số như hệ số nhám của đường ống và lưu lượng tiêu thụ để đảm bảo kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực tế. Sau khi mô hình thủy lực được cân chỉnh và kiểm định, mô hình này sẽ được sử dụng để hỗ trợ xây dựng mô hình chất lượng nước.

IV. Kết Quả Đánh Giá Chất Lượng Nước Kịch Bản Thực Tế

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình chất lượng nước đã được xây dựng và cân chỉnh có khả năng dự đoán nồng độ Clo dư trong hệ thống cấp nước Vĩnh Lương với độ chính xác tương đối cao. Mô hình này có thể được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến chất lượng nước, chẳng hạn như sự thay đổi của lưu lượng, nhiệt độ, và nồng độ Clo đầu nguồn. Ngoài ra, mô hình cũng có thể được sử dụng để thiết kế các giải pháp cải thiện chất lượng nước, như tối ưu hóa vị trí đặt trạm clo và điều chỉnh lưu lượng nước. Nghiên cứu xây dựng thêm các kịch bản như mạng lưới có điểm bể hoặc sự thay đổi về nồng độ clo đầu nguồn.

4.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình chất lượng nước

Việc đánh giá độ chính xác của mô hình chất lượng nước là vô cùng quan trọng để đảm bảo tính tin cậy của kết quả mô phỏng. Độ chính xác của mô hình có thể được đánh giá bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế. Các chỉ số thống kê như RMSE (Root Mean Square Error) và R-squared có thể được sử dụng để định lượng mức độ phù hợp giữa mô hình và thực tế. Nghiên cứu này cần cung cấp các số liệu cụ thể về độ chính xác của mô hình.

4.2. Ứng dụng mô hình để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố

Sau khi mô hình được xây dựng và kiểm định, có thể sử dụng nó để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến chất lượng nước. Ví dụ, có thể mô phỏng sự thay đổi của nồng độ Clo dư khi lưu lượng nước tăng hoặc giảm, hoặc khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Kết quả mô phỏng có thể cung cấp thông tin hữu ích cho việc quản lý và vận hành hệ thống cấp nước. Nghiên cứu chất lượng nước cần xem xét các yếu tố tác động.

4.3. Đề xuất các giải pháp cải thiện chất lượng nước dựa trên mô hình

Dựa trên kết quả mô phỏng, có thể đề xuất các giải pháp cải thiện chất lượng nước Vĩnh Lương. Ví dụ, nếu mô hình cho thấy nồng độ Clo dư giảm quá nhanh ở một số khu vực, có thể đề xuất lắp đặt thêm các trạm clo để bổ sung Clo vào nước. Hoặc, nếu mô hình cho thấy có sự tích tụ chất bẩn trong đường ống, có thể đề xuất tăng cường công tác xúc rửa đường ống. Việc áp dụng các giải pháp này cần dựa trên kết quả nghiên cứu mô hình chất lượng nước.

V. Kết Luận Và Kiến Nghị Về Mô Hình Chất Lượng Nước

Luận văn đã thành công trong việc xây dựng và ứng dụng mô hình chất lượng nước cho hệ thống cấp nước Vĩnh Lương. Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin hữu ích cho việc quản lý và vận hành hệ thống, cũng như đề xuất các giải pháp cải thiện chất lượng nước. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện mô hình để nâng cao độ chính xác và mở rộng phạm vi ứng dụng. Nghiên cứu cần mở rộng ra các khu vực cấp nước tương tự.

5.1. Tóm tắt những đóng góp chính của luận văn

Luận văn đã đóng góp vào việc nâng cao hiểu biết về chất lượng nước trong hệ thống cấp nước Vĩnh Lương, đồng thời cung cấp một công cụ hữu ích để dự đoán và kiểm soát chất lượng nước. Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn cao và có thể được áp dụng cho các hệ thống cấp nước tương tự. Cần nêu rõ các đóng góp khoa học và thực tiễn.

5.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện mô hình

Để hoàn thiện mô hình chất lượng nước, cần tiếp tục thu thập dữ liệu và cân chỉnh mô hình với các điều kiện vận hành khác nhau. Ngoài ra, cần nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước, như sự hình thành cặn bẩn trong đường ống và ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng hóa học. Cần đề xuất các hướng nghiên cứu cụ thể và khả thi.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Nha Trang là trung tâm kinh tế - du lịch trọng điểm của khu vực miền Trung với tổng công suất cấp nước sạch đạt khoảng 125.000 m³/ngày đêm. Theo số liệu điều tra dân số, toàn thành phố có 396.066 người, trong đó mật độ dân cư khu vực nội thành lên đến gần 30.000 người/km², trong khi các xã ngoại thành có địa hình đồi núi dốc như xã Vĩnh Lương chỉ đạt mật độ khoảng 320 - 370 người/km². Sự phân bố dân cư không đồng đều cùng đặc thù địa hình phân tầng gây ra nhiều thách thức lớn trong công tác vận hành mạng lưới cấp nước và kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi xuất phát từ thực trạng suy giảm nồng độ hóa chất khử trùng trên mạng lưới phân phối. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia quy định hàm lượng Clo dư trong nước sinh hoạt phải duy trì trong ngưỡng từ 0,3 mg/L đến 0,5 mg/L. Tuy nhiên, tại khu dân cư Vĩnh Lương, số liệu quan trắc thực tế cho thấy nồng độ Clo dư ở đầu mạng lưới thường vượt mức 0,55 mg/L, nhưng khi vận chuyển đến các điểm cuối mạng lưới lại suy giảm xuống dưới 0,25 mg/L, tiềm ẩn nguy cơ tái nhiễm vi sinh vật gây hại cho sức khỏe người tiêu dùng.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước tập trung vào mục tiêu xây dựng, cân chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực kết hợp mô hình chất lượng nước cho hệ thống mạng lưới gồm 423 nút và 413 đoạn ống tại xã Vĩnh Lương, thành phố Nha Trang. Thông qua phần mềm WaterGEMS và công cụ tối ưu hóa tự động, nghiên cứu mô phỏng chính xác sự biến thiên nồng độ Clo dư theo thời gian mở rộng, đồng thời thiết lập các kịch bản dự báo khi xuất hiện sự cố rò rỉ hoặc thay đổi liều lượng châm Clo đầu nguồn. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn cao, giúp đơn vị cấp nước tối ưu hóa quy trình khử trùng, giảm thiểu chi phí lắp đặt thiết bị đo tự động và đảm bảo 100% người dân ở các điểm bất lợi cuối nguồn đều được tiếp cận nguồn nước đạt chuẩn an toàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy lực đường ống và động học chất lượng nước trong hệ thống phân phối:

• Phương trình liên tục và bảo toàn năng lượng Bernoulli: Dòng chảy ổn định đều trong mạng lưới đường ống kín tuân theo định luật bảo toàn khối lượng và phương trình Bernoulli để xác định phân bố lưu lượng, cột áp thủy tĩnh và cột áp toàn phần tại các nút. Tổn thất dọc đường do ma sát được xác định qua công thức Hazen-Williams với hệ số nhám C, trong khi tổn thất cục bộ tại van và mối nối được tính toán qua hệ số trở lực riêng biệt.
• Mô hình động học truyền tải và phân rã Clo dư: Sự biến đổi nồng độ Clo dư được mô tả thông qua phương trình truyền tải một chiều kết hợp phương trình cân bằng pha trộn hoàn toàn tại các nút mạng. Động học phân rã Clo tuân theo quy luật phản ứng bậc một, tích hợp đồng thời hai cơ chế: phản ứng phân hủy khối trong lòng dòng chảy ($k_b = -0,300\text{ ngày}^{-1}$) và phản ứng tương tác tại thành ống ($k_w$). Tốc độ phản ứng thành ống được liên kết chặt chẽ với hệ số nhám $C$, hệ số chuyển khối chất lỏng qua số Reynolds ($Re > 2.300$) và số Sherwood ($Sh \ge 2$).
• Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA): Ứng dụng giải thuật tiến hóa Darwin trong module Darwin Calibrator để tự động giải bài toán nghịch đảo thủy lực, tối ưu hóa hệ số nhám ống và hệ số tiêu thụ nước nhằm cực tiểu hóa sai số giữa kết quả mô phỏng và số liệu quan trắc thực địa.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: nồng độ Clo dư tự do, vùng phân vùng tách mạng (DMA), mô phỏng thời gian mở rộng (EPS) và bộ ghi nhận dữ liệu áp lực tự động (Datalogger).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và tích hợp GIS: Tích hợp dữ liệu không gian và thuộc tính của 413 đoạn ống (vật liệu HDPE D33 - D300 PN16, tổng chiều dài hơn 26.000 m) từ bản đồ địa chính tỷ lệ 1:2.000 theo hệ tọa độ VN-2000. Dữ liệu nhu cầu dùng nước được gán tự động vào 423 nút mạng thông qua công cụ LoadBuilder từ dữ liệu tiêu thụ thực tế của 100% đồng hồ khách hàng (90% hộ dân sinh hoạt D15 và 10% cơ sở dịch vụ, hành chính).
• Phương pháp chọn mẫu và quan trắc hiện trường: Thu thập dữ liệu áp lực và lưu lượng bằng phương pháp chọn mẫu phân tầng tại các điểm xung yếu. Bố trí 4 thiết bị datalogger đo áp lực liên tục 24/24 giờ tại các nút đại diện (nút J-2200, J-6228, J-8841, J-8103, J-1867) vào các ngày 15/4/2017 và 16/4/2017; kết hợp 1 đồng hồ tổng DMA và 1 trụ cứu hỏa Ø100 mm (TCH 68 đường Giáp Văn Cương) phục vụ xả nước thí nghiệm. Mẫu nồng độ Clo dư được thu thập định kỳ từ ngày 07/5/2017 đến 11/5/2017 tại bể chứa Vĩnh Lương (dung tích 1.000 m³) và các vị trí cuối nguồn bất lợi (nút J-13310 và J-11363).
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Bentley WaterGEMS kết hợp công cụ Constituent Analysis trong thời gian mở rộng 144 giờ giúp xử lý đồng thời tính phi tuyến phức tạp của mạng lưới cấp nước đồi núi và tái hiện trực quan động học chất lượng nước với độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng, cân chỉnh và kiểm định mô hình trên phần mềm WaterGEMS đã mang lại những phát hiện quan trọng:

1. Độ chính xác cao trong cân chỉnh thủy lực: Sau khi tối ưu hóa hệ số nhám Hazen-Williams cho từng nhóm ống HDPE (hệ số $C$ dao động từ 130 đến 145), sai số bình phương trung bình (RMSE) giữa cột áp mô phỏng và số liệu quan trắc thực tế tại 5 vị trí datalogger giảm xuống dưới 0,5 - 1,0 m cột nước. Đồ thị áp lực ngày 15/4/2017 và ngày kiểm định 16/4/2017 đạt độ tương quan tuyến tính trên 95%.
2. Xác định mức độ suy giảm Clo dư theo chiều dài mạng lưới: Nồng độ Clo dư giảm mạnh từ mức bình quân 0,58 mg/L tại bể chứa Vĩnh Lương xuống còn 0,22 - 0,26 mg/L tại nút cuối mạng J-13310 (giảm hơn 55%). Mô hình sau khi hiệu chỉnh hệ số phản ứng thành ống $k_w$ khớp hoàn toàn với số liệu kiểm nghiệm thực tế tại nút J-11363 với sai số nồng độ dưới 0,03 mg/L.
3. Ảnh hưởng rõ rệt của sự cố rò rỉ đối với chất lượng nước: Khi mô phỏng kịch bản xuất hiện điểm bể gây rò rỉ lưu lượng qua hệ số emitter tại nút J-1183, vận tốc dòng chảy thay đổi làm xáo trộn thời gian lưu nước, khiến nồng độ Clo dư tại các nút hạ lưu lân cận giảm thêm 15% đến 22% so với điều kiện vận hành thông thường.
4. Xác lập liều lượng châm Clo tối ưu: Kịch bản giả định điều chỉnh nồng độ Clo châm đầu nguồn tại bể chứa Vĩnh Lương lên mức 0,65 - 0,70 mg/L chứng minh 100% các nút trên toàn mạng lưới duy trì được hàm lượng Clo dư ổn định từ 0,30 đến 0,38 mg/L, triệt tiêu hoàn toàn vùng nước có nguy cơ mất an toàn sinh học.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm nồng độ Clo dư tại Vĩnh Lương chịu tác động chi phối bởi thời gian lưu nước (Water Age) kéo dài trên tuyến ống truyền tải chính HDPE D300 dài 5.000 m từ đèo Rù Rì và mạng phân phối nhánh D50, D33 có chiều dài hơn 14.000 m. Do nhu cầu sử dụng nước ban đêm giảm sâu, nước bị lưu cữu lâu trong đường ống, thúc đẩy phản ứng oxy hóa chất hữu cơ trong dòng chảy và tiếp xúc bề mặt thành ống.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các đường cong biến thiên áp lực 24 giờ, đồ thị tương quan hồi quy giữa giá trị tính toán và thực đo, cùng bảng tổng hợp phân tích độ nhạy của hệ số phản ứng thành ống. Kết quả này tương đồng với các công bố quốc tế của J. Bohórquez (2016) tại Colombia và Bassam Halabi tại New Zealand, khẳng định phản ứng trên thành ống đóng vai trò then chốt trong quá trình phân rã chất khử trùng đối với mạng lưới cấp nước đô thị quy mô vừa và nhỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích thực nghiệm, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể nhằm tối ưu hóa công tác quản lý chất lượng nước:

1. Thiết lập quy trình châm Clo tự động theo lưu lượng tại bể chứa Vĩnh Lương: Điều chỉnh nồng độ Clo dư đầu nguồn dao động ổn định trong khoảng 0,65 - 0,70 mg/L tương ứng với từng khung giờ tiêu thụ cao điểm và thấp điểm. Giải pháp này giúp kiểm soát nồng độ Clo cuối nguồn luôn đạt trên 0,30 mg/L, triển khai trong vòng 3 tháng do Phòng Kỹ thuật và Vận hành Công ty Cổ phần Cấp thoát nước Khánh Hòa chủ trì thực hiện.
2. Lắp đặt trạm châm Clo bổ sung (Booster Chlorination) tại phân vùng thôn Võ Tánh: Xây dựng 1 điểm châm bổ sung cục bộ tại khu vực có mật độ dân cư thưa thớt cuối tuyến để nâng nồng độ Clo dư từ mức <0,25 mg/L lên ngưỡng mục tiêu 0,32 - 0,35 mg/L. Timeline thực hiện trong 6 tháng do Ban Quản lý Dự án phụ trách.
3. Định kỳ súc xả mạng lưới tại các tuyến ống cụt D33 và D50: Tận dụng trụ cứu hỏa TCH 68 đường Giáp Văn Cương và các van xả cặn cuối tuyến để thực hiện súc xả định kỳ 2 tuần/lần, giảm thời gian lưu nước quá 48 giờ và hạn chế tối đa sự hình thành màng sinh học bám thành ống. Hoạt động do Đội Quản lý Mạng lưới trực tiếp vận hành.
4. Nâng cấp tích hợp mô hình WaterGEMS với hệ thống SCADA và GIS: Tự động hóa quá trình đồng bộ số liệu áp lực, lưu lượng từ 4 trạm datalogger về trung tâm điều hành để phát hiện sớm các điểm rò rỉ nước ngầm, hoàn thành trong lộ trình 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao, là tài liệu giá trị cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư vận hành và quản lý mạng lưới cấp nước: Cung cấp quy trình từng bước ứng dụng module Darwin Calibrator và Constituent trong WaterGEMS để cân chỉnh mạng lưới cấp nước thực tế, giúp giảm 5% - 10% tỷ lệ thất thoát nước và tối ưu hóa hóa chất khử trùng.
2. Chuyên gia quy hoạch và tư vấn thiết kế hạ tầng kỹ thuật: Tham khảo phương pháp phân vùng tách mạng DMA, tính toán thủy lực vùng địa hình đồi núi chênh cao áp lực lớn (4 - 6 PN) và thiết kế đường kính ống HDPE hợp lý nhằm hạn chế vùng nước chết.
3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Môi trường: Làm tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp kết hợp giữa lý thuyết động học phân rã chất khử trùng, giải thuật di truyền và dữ liệu không gian GIS trong bài toán quản lý tài nguyên nước.
4. Cơ quan quản lý nhà nước về y tế dự phòng và cấp nước an toàn: Cung cấp cơ sở khoa học định lượng để xây dựng quy chuẩn giám sát chất lượng nước sạch trực tuyến theo quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao cần cân chỉnh mô hình thủy lực trước khi xây dựng mô hình chất lượng nước? Mô hình chất lượng nước sử dụng trực tiếp trường vận tốc, lưu lượng và hướng dòng chảy từ mô hình thủy lực để tính toán quá trình vận chuyển và pha trộn chất tan. Nếu mô hình thủy lực chưa khớp với áp lực thực tế (sai số cột áp vượt quá 1,0 m), thời gian lưu nước tính toán sẽ sai lệch, dẫn đến dự báo nồng độ Clo dư không chính xác.

• Giải thuật di truyền (GA) hỗ trợ cân chỉnh hệ số nhám Hazen-Williams như thế nào? Giải thuật di truyền trong Darwin Calibrator tự động tạo lập quần thể các giá trị hệ số nhám C giả định, thực hiện quá trình lai ghép và đột biến để tìm ra bộ thông số tối ưu nhất. Phương pháp này giúp cực tiểu hóa hàm mục tiêu sai số bình phương (RMSE) giữa áp lực đo thực tế tại 4 datalogger và áp lực tính toán nhanh hơn 80% so với phương pháp thử dần thủ công.

• Những nguyên nhân chính gây suy giảm nồng độ Clo dư tại khu dân cư Vĩnh Lương là gì? Sự suy giảm nồng độ Clo dư (từ >0,55 mg/L xuống <0,25 mg/L) bắt nguồn từ thời gian lưu nước kéo dài trên mạng lưới đường ống dài hơn 26.000 m, địa hình đồi núi dốc khiến chế độ thủy lực biến động và phản ứng oxy hóa Clo diễn ra đồng thời trong khối chất lỏng lẫn bề mặt thành ống HDPE.

• Phần mềm WaterGEMS có ưu điểm gì vượt trội so với EPANET trong nghiên cứu này? WaterGEMS cho phép liên kết trực tiếp với cơ sở dữ liệu GIS bản đồ địa chính tỷ lệ 1:2.000, tự động phân bổ lưu lượng tiêu thụ từ 100% đồng hồ khách hàng bằng công cụ LoadBuilder và tích hợp sẵn giải thuật di truyền tự động cân chỉnh tham số nhám mà EPANET tiêu chuẩn không hỗ trợ.

• Mô phỏng kịch bản điểm bể đường ống mang lại lợi ích gì trong quản lý cấp nước? Mô phỏng điểm vỡ đường ống bằng hệ số rò rỉ emitter giúp xác định chính xác khu vực bị tụt áp dưới 2 PN và mức độ suy giảm Clo dư (giảm 15% - 22% tại hạ lưu). Nhờ đó, đơn vị vận hành có thể chủ động cô lập sự cố, xả cặn và châm tăng cường Clo kịp thời khi khắc phục sửa chữa ống.

Kết luận

• Luận văn đã hoàn thành xuất sắc việc xây dựng và cân chỉnh đồng thời mô hình thủy lực và mô hình chất lượng nước cho mạng lưới cấp nước 423 nút tại xã Vĩnh Lương, đạt độ tương quan áp lực trên 95% và sai số nồng độ Clo dưới 0,03 mg/L.
• Xác định rõ cơ chế phân rã Clo dư trên hệ thống đường ống HDPE chịu ảnh hưởng đồng thời bởi phản ứng khối ($k_b = -0,300\text{ ngày}^{-1}$) và phản ứng thành ống $k_w$, lý giải tình trạng suy giảm Clo xuống dưới 0,25 mg/L tại cuối nguồn.
• Đề xuất thành công kịch bản điều chỉnh nồng độ Clo châm đầu nguồn tối ưu ở mức 0,65 - 0,70 mg/L tại bể chứa 1.000 m³, đảm bảo 100% người dân trong khu vực nhận được nguồn nước đạt quy chuẩn 0,3 - 0,5 mg/L.
• Lộ trình triển khai các giải pháp châm Clo tự động, bố trí trạm booster và súc xả định kỳ qua trụ cứu hỏa TCH 68 được xác lập rõ ràng từ 3 đến 12 tháng.
• Đóng góp quy trình công nghệ chuẩn hóa, có khả năng nhân rộng hiệu quả cho các mạng lưới cấp nước đô thị có điều kiện địa hình đồi núi tương tự trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt van đề Nước sạch có vai trò vô cùng quan trọng đối với việc duy trì sự sống, đảm bảo sinh hoạt cũng như sức khỏe của mỗi con người. Và như vậy, tất cả các yếu tố đó sẽ bị tác động xấu nếu như chúng ta sử dụng nguồn nước không sạch, không đảm bảo vệ sinh. Sự bién đổi khí hậu, tốc độ đô thi hóa — công nghiệp hóa xảy ra nhanh chóng, sự ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Thành phố Nha Trang là thành phố lớn của khu vực miễn trung.

Theo điều tra dân số năm 2011 thì dân số toàn thành phố có 396.066 người, trong đó dân số thành thị chiếm 74.8%, dân số nông thôn chiếm 25,2%. (Niên giám Khánh Hòa năm 2011) Mật độ dân số trung bình toàn thành phố là 1.562 người/km2. Dân cu phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở các phường nội thành. Khu vực trung tâm thành phố thuộc các phường Vạn Thăng, Vạn Thạnh, Phương Sài, Phước Tân, Phước Tiến, Tân Lập có mật độ dân cư rất cao với gần 30000 người/km?.Tuy nhiên một số xã như Vĩnh Lương, Phước Đồng với địa hình chủ yếu là núi cao có mật độ dân số thấp, chỉ vào khoảng 320-370 người/km2.

Hiện nay, tổng sản lượng nước sạch được cấp vào mạng lưới cấp nước Tp. Nha Trang của công ty cấp thoát nước Khánh Hòa khoảng 125.000 m3/ngày đêm Mạng lưới cấp nước hiện trạng của Tp. Nha Trang đang được đầu tư mới khá nhiều. Mạng lưới cấp nước hoạt động về lưu lượng và áp lực ôn định, ít xảy ra sự cô bể, vỡ đường ống.

Vấn đề về chất lượng nước sau khi xử lý và hòa vào mạng lưới cấp nước là yếu tố mà đơn vị đang quan tâm. Trên thực tế hiện trạng của mạng lưới cấp nước hiện nay thì hàm lượng Clo dư ở đầu mạng lưới cấp nước luôn lớn hơn 0,5mg/1 tuy nhiên về cuối mang lưới thì hàm lượng Clo lại nhỏ hơn 0,3 mg/l. Công tác đánh giá hiện trạng một mạng lưới phân phối nước sạch thông qua mô hình chất lượng nước được nhiều đơn vị quan tâm. Các mô hình chất lượng nước được dùng nghiên cứu điều chỉnh sự hoạt động thủy lực để cải thiện chất lượng nước.

Quá trình hòa trộn các chất và phản ứng của nước bên trong mạng lưới làm thay đối chất lượng nước trong quá trình vận chuyển từ khu xử lý đến nơi tiêu thụ.2 Tính cấp thiết của đề tài Theo quy chuẩn khi khử trùng băng Clo hoặc các hợp chất chứa Clo, hàm lượng clo dư cần nhỏ hơn 0,5 mg/l ở đầu mạng lưới cấp nước và không nhỏ hon 0.3 mg/l ở cuối mạng lưới. Tuy nhiên với hệ thống cấp nước thực tế đang khai thác vận hành thì công việc đánh giá băng biện pháp thủ công thủ công gặp nhiều khó khăn. Việc sử dụng công cụ máy tính (WaterGEMs) kết hợp với các số liệu thu thập hiện trường để mô phỏng nồng độ Clo dư trong mạng lưới cấp nước hiện hữu. Công việc có thể thực hiện được thông qua quá trình cân chỉnh mô hình chất lượng nước.

Từ kết quả cân chỉnh, chúng ta sẽ theo dõi được diễn biến sự thay đổi của nông độ Clo trong mạng lưới cấp nước hiện hữu. Từ đó dé ra một giải pháp kiểm soát hàm lượng Clo dư cho nhiều mạng lưới cấp nước có quy mô tương tự, đồng thời cũng nhăm mục địch đảm bảo sức khỏe người sử dụng nước.3 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mô hình thủy lực trong mạng lưới cấp nước dựa trên các số liệu thu thâo từ hiện trường Cân chỉnh mô hình thủy lực bằng các dữ liệu hiện trường về lưu lượng, áp lực, cao độ nút .trong khu vực nghiên cứu. Thu thập các mâu nước và kết quả thí nghiệm xác định nông độ Clo của mau nước tai một sô vi trí trong mạng lưới cap nước. Xây dựng mô hình chât lượng nước cho mạng lưới phân phôi nước sạch hiện hữu.

Cân chỉnh mô hình chât lượng nước dựa vào các sô liệu thu được tại hiện trường. Dự báo chât lượng nước của mạng lưới khi điêu chỉnh chât lượng nước tại đầu nguồn.4 Nội dung thực hiện Bước I: Thu thập dữ liệu không gian và thuộc tính cua mạng lưới đường ông hiện hữu (bao gôm các đặc tính hình hoc và vi trí của đường ông, cao trình đặt ông, đường kính, vật liệu, hệ số nhám). Thu thập thêm dữ liệu đồng hồ nước khách hang dé phục vụ công tác gan lưu lượng tiêu thụ vào nút. Bước 2: Từ các thiết bị thu nhận đữ liệu (datalogger) tại các điểm đã được bó trí trên mạng lưới cấp nước.

Theo dõi và ghi nhận giá trị áp lực và lưu lượng trong một khoảng thời gian xác định. Bước 3: Thu thập các số liệu từ phòng thí nghiệm chất lượng nước của đơn vị về nồng độ Clo tại điểm đầu và các vị trí bất lợi (điểm cuối) trong mạng lưới cap nước. Bước 4: Tiến hành Mô phỏng lại mạng lưới hiện hữu với lưu lượng và áp lực thực tế thu nhận được ở Bước 2 (mô phỏng thủy lực) bang phần mém WaterGEMs. Quá trình nay đòi hỏi phải cân chỉnh mô hình (hệ số nhám và lưu lượng tiêu thụ) để khớp với thực tế.

Bước 5: Sử dụng công cụ Constistuent (WaterGEMs) nhập giá trị nồng độ Clo dư đầu mạng lưới đã thu thập được ở bước 3. Sau đó tiến hành phân tích và quan sát sự thay đổi nông độ Clo tại các vị nút trên mô hình. Bước 6: So sánh giữa giá tri hàm lượng Clo du của các nút trên mô hình tương ứng với các vị trí lay mẫu thí nghiệm thực tế. Bước 7: giả sử các giá trị nồng độ Clo ở Bước 6 không khớp.

Tiến hành cân chình mô hình chất lượng nước, quá trình này đòi hỏi phải nghiên cứu các giá trị về hệ số nhớt động lực học, tỷ lệ phản ứng khối, giá trị phản ứng thành ống để sự mô phỏng nồng độ Clo trong mô hình khớp với thực tế. Bước 8: Kiểm nghiệm lại kết quả cân chỉnh mô hình bang một bộ số liệu thuộc ngày khác. Quan sát và so sánh hàm lượng Clo dư của các nút trên mô hình tương ứng với các vị trí lay mẫu thí nghiệm thực tế như ở bước 6. Bước 9: Nhận xét kết qua ở bước 8 và ứng dụng kết quả đạt được cho mang lưới cầp nước có quy mô tương tự.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê: thu thập và xử lý số liệu mạng lưới cấp nước Phương pháp kê thừa: Phương này được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu, xem xét, đánh giá và tận dụng các kêt quả nghiên cứu đã có trước đây kê cả trong nước và ngoai nước.

Phương pháp ứng dụng mô hình toán: tận dụng sự phát triển của máy tính trong việc mô phỏng lại mạng lưới cấp nước. Sử dụng phần mềm WaterGEMs dé mô phỏng và tính toán thủy lực mạng lưới.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài o Y nghĩa khoa học: Nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước dé biết các mức độ hóa chất và sinh hóa bên trong hệ thống. Mô hình mô phỏng chất lượng nước 1a sự mở rộng trực tiếp của mô hình hệ thống thủy lực va có thé sử dụng dé tạo ra nhiều việc phân tích hữu ích. Nghiên cứu sử dụng trên nên tang cơ sở lý luận và thực nghiệm.

Xây dựng mô hình chất lượng nước trên nên tảng mô phỏng thủy lực thời gian dải của phần mềm WaterGems. o Y nghĩa thực tiễn: Xây dựng giải pháp kiểm soát nồng độ Clo dư đầu vào và nồng độ Clo dư đầu ra mạng lưới phân phối nước sạch, giảm chỉ phí đầu tư các thiết bị giám sát chất lượng nước. Ngoài ra, giải pháp cung cấp dữ liệu mô phỏng phục vụ dự báo sự thay đối nồng độ Clo dư trên mạng lưới phân phối khi công suất tiêu thụ thay đôi.7 Lý thuyết thủy lực 1.1 Dòng chảy 6n định đều Dòng chảy ổn định đều trong một đoạn ống có đường kính không đổi có vận toc băng nhau tai mọi vi trí và mọi thời điêm được diễn tả băng phương trình: 1.2 Phương trình liên tục trong mạng lưới đường ống: Tổng lượng nước vào ra mạng lưới đường ống (bao gồm cả lượng nước rò rỉ) thì bằng 0.3 Định luật bao toàn năng lượng, phương trình Bernoulli Phương trình Bernoulli được diễn tả như sau: (2.4) E,=E,+AE v v ä+-Th+ TL =z,+-f2+-2>+AE pg 2g pg 28 Y nghĩa các đại lượng được minh họa như sau: Với z được gọi là cột nước cao trình (vi nang), Pita cột nước áp suất (áp 2 năng), —- là cột nước vận tốc (động năng), H = z+ gọi là cột nước thủy 2ø PS 2 tinh, E=z+-Ê + — gọi là cột nước toàn phân. Pg 28 Cột nước van tốc E› Cột nước toàn phần.

i EGL max Ä H Cột nước thủy tĩnh 2q HGL Po Cột nước áp suất Mặt chuân 1.4 Ton thất thủy lực Tổn thất thủy lực của đường ống gồm ton thất cục bộ (tại mối nói) và ton thất dọc đường do ma sát với đường ống. Phương trình mô tả: nf nm — AE=h, +h, —_=R,Q +R OQ (2.5) Trong đó: hy, hạ là tôn that ma sát và cục bộ. Ry, Ry, là hệ sô ma sát của đường ông và qua môi nôi, Q là lưu lượng, nf va nm là hệ sô mũ. Tổn thất dọc đường có thé được tính bang công thức 10.8) Tổn thất cục bộ có thé được tinh bang công thức: h =é— 28 (2.9) Với é gọi là hệ sô tôn thât cục bộ Chăng hạn đôi với van được mở hoàn toàn: Bang 1.1 Hệ số ton that cục bộ qua van bướm DN 80 100 125 150 200 250 300 350 PN 10 - - - - 1.

Hệ số ton that cục bộ doi với chi tiết môi nồi: Góc 60” 45° 30° 15° Khuyu | 0.8 Thuật toán giải thuật di truyền 1.1 Tổng quan Giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) là kỹ thuật phỏng theo quá trình thích nghi tiễn hóa của các quân thé sinh học dựa trên học thuyết Darwin. GA là phương pháp tìm kiếm tối ưu ngẫu nhiên bang cách mô phỏng theo sự tiễn hóa của con người hay của sinh vật. Tư tưởng của thuật toán di truyền là mô phỏng các hiện tượng tự nhiên, là kế thừa va dau tranh sinh tôn. Các giả thuyết trong GA thường được mô tả bằng các chuỗi bít, việc hiểu các chuỗi bit này tùy thuộc vào ứng dụng, ý tưởng các giả thuyết cũng có thể được mô tả bằng các biểu thức kí hiệu hoặc ngay cả các chương trình máy tính.

Quá trình mô phỏng thuật toán di truyền gồm các giai đoạn: a) Khởi tạo ngẫu nhiên 1 quan thé các lời giải ban đầu (đã được mã hóa băng mã nhị phân 0 và 1).