Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng nước sạch là một trong những yếu tố thiết yếu ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của người dân. Tại thị trấn Chờ, huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh, hiện chưa có hệ thống cấp nước tập trung, người dân chủ yếu sử dụng nước giếng khoan, giếng khơi với chất lượng không đảm bảo. Dân số hiện tại khoảng 13.200 người, dự báo tăng trưởng bình quân 2,4% mỗi năm, với mục tiêu phát triển thành đô thị loại III vào năm 2030. Việc xây dựng mạng lưới cấp nước hợp lý nhằm đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, công nghiệp và dịch vụ là cấp thiết, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội và nâng cao chất lượng sống.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế mạng lưới cấp nước tối ưu cho thị trấn Chờ, đảm bảo cung cấp nước sạch với lưu lượng và áp suất phù hợp, đồng thời tối thiểu hóa chi phí đầu tư và vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tuyến ống chính của hệ thống cấp nước trong khu vực thị trấn, với dự báo quy hoạch đến năm 2030. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật hiệu quả, góp phần hoàn thiện hạ tầng kỹ thuật đô thị, nâng cao tiêu chuẩn sống và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phương pháp quy hoạch tuyến tính (QHTT): Xác định các biến quyết định và hàm mục tiêu tuyến tính nhằm tối ưu chi phí và hiệu quả vận hành mạng lưới cấp nước.
  • Phương pháp quy hoạch phi tuyến (QHPT): Giải quyết các bài toán tối ưu có hàm mục tiêu hoặc ràng buộc phi tuyến, phù hợp với tính chất phức tạp của hệ thống cấp nước.
  • Phương pháp quy hoạch động (QHĐ): Áp dụng nguyên lý Bellman để tối ưu hóa các giai đoạn thiết kế mạng lưới, đảm bảo chiến lược tối ưu toàn cục.
  • Phương pháp so sánh trực tiếp (thử nghiệm độc lập): Thử nghiệm các phương án thiết kế với các tham số khác nhau để lựa chọn phương án tối ưu dựa trên chi phí và hiệu quả kỹ thuật.

Các khái niệm chính bao gồm: đường kính ống tối ưu, lưu lượng thiết kế, áp suất mạng lưới, chi phí xây dựng và vận hành, cũng như các tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt và chữa cháy theo TCVN.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực địa, số liệu dân số, quy hoạch đô thị, và các báo cáo kỹ thuật của các cơ quan nhà nước. Phần mềm EPANET được sử dụng để mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trong mạng lưới cấp nước, cho phép tính toán lưu lượng, áp suất, vận tốc dòng chảy và tổn thất áp lực theo thời gian.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Khảo sát hiện trạng và nhu cầu sử dụng nước.
  • Xây dựng mô hình mạng lưới cấp nước trên phần mềm EPANET.
  • Áp dụng các phương pháp tối ưu hóa để lựa chọn đường kính ống, số lượng và công suất máy bơm.
  • So sánh các phương án thiết kế dựa trên chi phí xây dựng, chi phí quản lý và hiệu quả vận hành.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ khu vực thị trấn Chờ với dân số khoảng 13.200 người, phân tích lưu lượng nước sinh hoạt, công nghiệp, công cộng và dự phòng chữa cháy. Thời gian nghiên cứu tập trung vào quy hoạch đến năm 2030.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nhu cầu nước sinh hoạt và công nghiệp: Lưu lượng nước sinh hoạt trung bình tính toán khoảng 150 lít/người/ngày, tổng nhu cầu nước cho toàn thị trấn dự kiến đạt khoảng 2.000 m³/ngày vào năm 2030. Lưu lượng nước công nghiệp và công cộng chiếm khoảng 25% tổng nhu cầu, phản ánh sự phát triển kinh tế và dịch vụ tại địa phương.

  2. Thiết kế mạng lưới cấp nước: Qua mô phỏng trên EPANET, các phương án thiết kế với đường kính ống từ 100 mm đến 300 mm được thử nghiệm. Phương án tối ưu đạt chi phí xây dựng thấp nhất với tổng chi phí khoảng 6,7 tỷ đồng, giảm 15% so với phương án truyền thống. Áp suất tại các nút mạng đảm bảo từ 20 đến 50 m cột nước, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

  3. Công suất trạm bơm và số lượng máy bơm: Trạm bơm cấp II được thiết kế với công suất khoảng 15.000 m³/ngày, sử dụng 2 máy bơm công suất 75 kW mỗi máy, đảm bảo vận hành linh hoạt và dự phòng. Lưu lượng giờ cao điểm được tính toán chiếm khoảng 15% lưu lượng ngày lớn nhất.

  4. Lưu lượng nước cho chữa cháy: Được tính toán chiếm khoảng 10% lưu lượng sinh hoạt, đảm bảo áp suất và lưu lượng nước cần thiết tại các điểm chữa cháy trọng yếu trong đô thị.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa cho thấy việc lựa chọn đường kính ống dựa trên nguyên lý chi phí quản lý nhỏ nhất giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư và vận hành so với phương pháp chọn đường kính theo lưu lượng và vận tốc truyền thống. Việc sử dụng phần mềm EPANET cho phép mô phỏng chi tiết các thông số thủy lực và chất lượng nước theo thời gian, giúp đánh giá chính xác hiệu quả của từng phương án thiết kế.

So sánh với các nghiên cứu trong khu vực và quốc tế, phương pháp tối ưu hóa kết hợp mô phỏng thủy lực được đánh giá là phù hợp và hiệu quả trong thiết kế mạng lưới cấp nước đô thị quy mô vừa và nhỏ. Việc đảm bảo lưu lượng và áp suất phù hợp không chỉ nâng cao chất lượng cấp nước mà còn giảm thiểu tổn thất nước và chi phí vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng và áp suất tại các nút mạng theo các giờ trong ngày, bảng tổng hợp chi phí xây dựng và vận hành các phương án thiết kế, giúp minh bạch và dễ dàng so sánh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cấp nước tập trung: Triển khai xây dựng nhà máy nước công suất 15.000 m³/ngày, đặt tại khu vực phía Bắc huyện lỵ, sử dụng nguồn nước ngầm khai thác từ các giếng khoan mạch sâu. Chủ thể thực hiện: UBND huyện Yên Phong, thời gian hoàn thành dự kiến trong 3 năm.

  2. Thiết kế và thi công mạng lưới ống cấp nước: Áp dụng phương án thiết kế tối ưu với đường kính ống phù hợp, đảm bảo áp suất và lưu lượng theo tiêu chuẩn. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án hạ tầng kỹ thuật, thời gian thi công 2 năm.

  3. Lắp đặt trạm bơm cấp II với công suất phù hợp: Sử dụng 2 máy bơm công suất 75 kW, đảm bảo vận hành dự phòng và hiệu quả. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công, thời gian hoàn thành 1 năm.

  4. Xây dựng hệ thống thoát nước và xử lý nước thải đồng bộ: Kết hợp với hệ thống cấp nước để bảo vệ nguồn nước và môi trường, giảm thiểu ô nhiễm. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng tỉnh Bắc Ninh, thời gian triển khai 3-5 năm.

  5. Tăng cường công tác quản lý và vận hành: Đào tạo nhân lực vận hành, áp dụng công nghệ giám sát tự động để giảm thất thoát nước và nâng cao hiệu quả sử dụng. Chủ thể thực hiện: Công ty cấp nước địa phương, liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và quy hoạch: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch phát triển hạ tầng cấp nước, đảm bảo phù hợp với quy hoạch phát triển đô thị đến năm 2030.

  2. Các nhà thiết kế và kỹ sư cấp thoát nước: Áp dụng phương pháp tối ưu hóa và phần mềm EPANET trong thiết kế mạng lưới cấp nước, nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

  3. Các nhà đầu tư và chủ đầu tư dự án hạ tầng: Tham khảo các phương án thiết kế hợp lý để tối ưu chi phí đầu tư và vận hành, đảm bảo tính bền vững của hệ thống.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Nghiên cứu phương pháp luận, mô hình toán học và ứng dụng phần mềm trong thiết kế mạng lưới cấp nước đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần thiết kế mạng lưới cấp nước tối ưu cho thị trấn Chờ?
    Việc thiết kế tối ưu giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành, đảm bảo cung cấp nước sạch với lưu lượng và áp suất phù hợp, đáp ứng nhu cầu phát triển đô thị và bảo vệ môi trường.

  2. Phần mềm EPANET có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    EPANET mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trong mạng lưới cấp nước theo thời gian, giúp đánh giá chính xác lưu lượng, áp suất và tổn thất, từ đó lựa chọn phương án thiết kế hiệu quả.

  3. Làm thế nào để xác định đường kính ống tối ưu?
    Đường kính ống được xác định dựa trên nguyên lý chi phí quản lý nhỏ nhất, kết hợp chi phí đầu tư và chi phí năng lượng tiêu thụ, thông qua mô hình toán học và thử nghiệm trên phần mềm.

  4. Nhu cầu nước cho chữa cháy được tính toán như thế nào?
    Nhu cầu nước chữa cháy chiếm khoảng 10% lưu lượng sinh hoạt, đảm bảo áp suất và lưu lượng đủ tại các điểm trọng yếu, tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 2622 – 1995.

  5. Làm sao đảm bảo hệ thống cấp nước vận hành hiệu quả sau khi xây dựng?
    Cần có kế hoạch đào tạo nhân lực vận hành, áp dụng công nghệ giám sát tự động, bảo trì định kỳ và quản lý thất thoát nước để duy trì hiệu quả và tuổi thọ hệ thống.

Kết luận

  • Đề tài đã xây dựng được mô hình thiết kế hợp lý mạng lưới cấp nước cho thị trấn Chờ, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch đến năm 2030.
  • Phương pháp tối ưu hóa kết hợp mô phỏng thủy lực trên phần mềm EPANET giúp lựa chọn đường kính ống và công suất trạm bơm hiệu quả, giảm chi phí đầu tư và vận hành.
  • Nhu cầu nước sinh hoạt, công nghiệp và chữa cháy được tính toán chi tiết, đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và quy hoạch phát triển đô thị.
  • Đề xuất các giải pháp xây dựng hệ thống cấp nước tập trung, đồng bộ với hệ thống thoát nước và xử lý nước thải, góp phần nâng cao chất lượng sống và bảo vệ môi trường.
  • Khuyến nghị các cơ quan quản lý, nhà thiết kế và nhà đầu tư áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển hạ tầng cấp nước bền vững cho thị trấn Chờ.

Tiếp theo, cần triển khai các bước thiết kế kỹ thuật chi tiết, huy động nguồn vốn đầu tư và tổ chức thi công theo kế hoạch đã đề ra nhằm hiện thực hóa mục tiêu phát triển hệ thống cấp nước sạch cho thị trấn. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp chặt chẽ để đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.