Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình WaterGEMS Vào Cải Tạo Tối Ưu Mạng Lưới Cấp Nước Tại Thành Phố Hồ Chí Minh

TP. Hồ Chí Minh với diện tích lớn và dân số đông, hệ thống cấp nước hình thành từ thời Pháp thuộc, không đồng bộ và trải dài. Mạng lưới dài khoảng 4500 km, ống trên 20 năm tuổi chiếm 38%, cung cấp 1,8 triệu m3 nước sạch. Tỷ lệ thất thoát nước cao (khoảng 38%) đòi hỏi các giải pháp cấp thiết. Dự án giảm thất thoát nước của thành phố được ước tính 100 triệu USD cho 6 vùng. Vùng 1 (119 DMA) đã hoàn thiện và cung cấp dữ liệu cho việc xây dựng và tối ưu mô hình.

Nghiên cứu hướng đến việc ứng dụng WaterGEMS để tối ưu mạng lưới ống truyền dẫn (đường kính > 300mm) tại khu vực trung tâm thành phố (quận 3, 5 và 10). Mục tiêu là giảm chi phí vận hành và xây dựng, tăng độ tin cậy hệ thống và giảm thất thoát nước. Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng thủy lực, phân tích mạng lưới cấp nước và thuật toán tối ưu hóa tích hợp trong phần mềm WaterGEMS. Nghiên cứu này sẽ là cơ sở để đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống cấp nước một cách hiệu quả.

Tỷ lệ thất thoát nước cao (khoảng 38%) gây lãng phí tài nguyên và tăng chi phí vận hành. Nguyên nhân chính bao gồm rò rỉ đường ống, sai số đồng hồ đo và thất thoát do sử dụng trái phép. Việc giảm thất thoát nước không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo nguồn cung cấp nước ổn định cho người dân. Cần có các giải pháp đồng bộ từ việc đánh giá hệ thống cấp nước, cải tạo đường ống, kiểm soát lưu lượng nước và nâng cao ý thức người dân.

Việc nâng cấp và mở rộng mạng lưới cấp nước gặp nhiều khó khăn do thiếu vốn đầu tư, quy hoạch đô thị chưa đồng bộ và các vấn đề về giải phóng mặt bằng. Cần có quy hoạch chi tiết và dài hạn, ưu tiên các dự án cải tạo hệ thống cấp nước tại các khu vực có tỷ lệ thất thoát nước cao hoặc có nhu cầu sử dụng nước tăng đột biến. Việc áp dụng các công nghệ mới như WaterGEMS giúp tối ưu thiết kế và giảm chi phí đầu tư.

Áp lực nước không ổn định, đặc biệt là vào giờ cao điểm gây ảnh hưởng lớn đến sinh hoạt của người dân. Hiện tượng này thường xảy ra ở các khu vực cuối nguồn hoặc các khu nhà cao tầng. Việc sử dụng WaterGEMS để mô phỏng thủy lực giúp xác định các điểm yếu trong mạng lưới cấp nước và đề xuất các giải pháp cải thiện áp lực nước, như lắp đặt trạm bơm tăng áp hoặc thay thế các đoạn ống có đường kính nhỏ.

Mô phỏng thủy lực là bước quan trọng để hiểu rõ hoạt động của mạng lưới cấp nước. WaterGEMS cho phép xây dựng mô hình chi tiết, nhập dữ liệu về đường ống, van, bơm và nhu cầu sử dụng nước. Kết quả mô phỏng cho thấy áp lực nước, lưu lượng nước và vận tốc dòng chảy tại các điểm khác nhau trong mạng lưới. Phân tích kết quả giúp xác định các vấn đề như áp lực nước thấp, lưu lượng không đủ hoặc đường ống quá tải.

Thuật toán di truyền là một phương pháp tối ưu hóa mạnh mẽ, mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên. WaterGEMS tích hợp thuật toán di truyền để tìm ra cấu hình mạng lưới cấp nước có chi phí thấp nhất mà vẫn đáp ứng các yêu cầu về áp lực nước và lưu lượng. Thuật toán này tự động thử nghiệm nhiều cấu hình khác nhau và chọn ra cấu hình tốt nhất dựa trên hàm mục tiêu (ví dụ: giảm chi phí xây dựng).

Sau khi xây dựng mô hình WaterGEMS, các thông số vận hành của mạng lưới cấp nước hiện hữu (áp lực, vận tốc, lưu lượng) được mô phỏng. Kết quả cho thấy một số khu vực có áp lực nước thấp hơn tiêu chuẩn, đặc biệt vào giờ cao điểm. Các đoạn ống có vận tốc dòng chảy quá cao có thể gây ra hiện tượng xói mòn và giảm tuổi thọ đường ống. Những kết quả này giúp xác định các khu vực cần ưu tiên cải tạo và nâng cấp.

WaterGEMS cho phép so sánh chi phí và hiệu quả của nhiều phương án cải tạo mạng lưới cấp nước khác nhau. Các phương án có thể bao gồm thay thế đường ống, lắp đặt trạm bơm tăng áp hoặc thay đổi đường kính ống. Việc so sánh các phương án dựa trên các tiêu chí như chi phí đầu tư, chi phí vận hành, mức độ cải thiện áp lực nước và giảm thất thoát nước. Phương án tối ưu là phương án có chi phí thấp nhất mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

Các công ty cấp nước tại các đô thị khác nên xem xét ứng dụng WaterGEMS để quản lý và tối ưu hóa hệ thống cấp nước. Việc đào tạo nhân viên về sử dụng WaterGEMS và xây dựng cơ sở dữ liệu mạng lưới cấp nước chính xác là rất quan trọng. Chính quyền địa phương cần hỗ trợ các công ty cấp nước trong việc đầu tư vào công nghệ và nâng cao năng lực quản lý.

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc ứng dụng WaterGEMS để quản lý chất lượng nước trong mạng lưới cấp nước. Điều này bao gồm mô phỏng sự lan truyền của chất ô nhiễm, đánh giá rủi ro và đề xuất các biện pháp phòng ngừa. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp nâng cao độ tin cậy hệ thống bằng cách dự đoán và phòng ngừa các sự cố như vỡ đường ống hoặc mất điện.

Các trạm bơm tiêu thụ một lượng lớn năng lượng. WaterGEMS có thể được sử dụng để tối ưu lịch trình vận hành trạm bơm bằng cách xác định thời điểm nhu cầu sử dụng nước thấp và giảm công suất bơm. Điều này giúp giảm chi phí điện và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Cần thu thập dữ liệu về nhu cầu sử dụng nước theo thời gian và xây dựng mô hình WaterGEMS chính xác để đạt được kết quả tối ưu.

Việc kiểm soát rò rỉ là một phần quan trọng của việc giảm chi phí vận hành. WaterGEMS có thể được sử dụng để xác định các khu vực có nguy cơ rò rỉ cao bằng cách phân tích dữ liệu áp lực nước và lưu lượng nước. Sau khi xác định được vị trí rò rỉ, có thể tiến hành sửa chữa hoặc thay thế đường ống để giảm thất thoát nước và chi phí.