Lập mô hình thủy lực mô phỏng hệ thống cấp nước thành phố Hồ Chí Minh
Bắt đầu từ thập niên 1960, cùng với kỷ nguyên phát triển của máy tính số cũng như sự thiết lập của ngôn ngữ lập trình FORTRAN, các nhà nghiên cứu tại các trường đại học bắt đầu phát triển những mô hình số hóa mạng lưới đường ống và những mô hình số đối với mạng lưới cấp nước đã được tạo ra lần đầu tiên.
Từ đó đến nay, cùng với việc phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin, việc mô hình hóa hệ thống cấp nước bằng các phần mềm thủy lực để phục vụ công tác thiết kế và quản lý cấp nước ngày càng trở nên hữu ích và quan trọng, người sử dụng có thể quan sát diễn biến hành vi của hệ thống cấp nước hoàn toàn trên máy tính cá nhân với một mô hình thủy lực đã được thiết lập.
LẬP MÔ HÌNH
Hệ thống cấp nước thành phố Hồ Chí Minh đã được lắp đặt từ nhiều năm, trải qua nhiều thời kỳ quản lý với nhiều chủng loại vật tư đường ống khác nhau. Với hệ thống bơm đã hoạt động nhiều năm (hệ thống bơm của nhà máy nước Thủ Đức đã hoạt động 50 năm), do ma sát trong quá trình vận hành dẫn đến công suất của các máy bơm không còn được nguyên vẹn như đường đặc tính bơm ban đầu, vì vậy dữ liệu các máy bơm được xây dựng trong mô hình bằng cách cập nhật trực tiếp từ các số liệu hoạt động sản xuất thực tế tại các nhà máy bơm.
Do tỉ lệ thất thoát nước trên hệ thống cấp nước thành phố Hồ Chí Minh rất cao (khoảng 40%) và phân bố không đều theo thời gian và không gian. Lượng nước thất thoát tăng mạnh vào ban đêm và giảm vào các giờ cao điểm dùng nước đồng thời tỉ lệ thất thoát nước cao ở các vùng có áp lực cao, các vùng có hệ thống mạng lưới đường ống cũ, mục và giảm ở các vùng có áp lực thấp. Vì vậy, dữ liệu về sử dụng nước trên mạng được xây dựng trong mô hình bằng cách cập nhật trực tiếp từ các giá trị ghi nhận được từ các đồng hồ tổng lắp đặt trên mạng. Giá trị các hệ số không điều hòa giờ dùng nước (pattern) được quy đổi trực tiếp theo sự dùng nước trong 24 giờ từ giá trị đo đạc của một số đồng hồ tổng đại diện.
Các giá trị về độ nhám của đường ống ban đầu được ước tính trong mô hình dựa trên cơ sở vật liệu ống. Do trạng thái của đường ống bị thay đổi theo thời gian, và các tuyến ống trên mạng lưới cấp nước thành phố Hồ Chí Minh có độ tuổi (thời gian lắp đặt) không đồng bộ, nên các giá trị này có thể sẽ được thay đổi ở bước cân chỉnh mô hình.
Các giá trị tham chiếu sử dụng để so sánh trong công tác cân chỉnh mô hình thủy lực là các giá trị về áp lực và lưu lượng trên các tuyến ống truyền dẫn chính được ghi nhận trên hệ thống các Data logger của Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn.
Sau khi chạy mô phỏng mô hình với các dữ liệu ban đầu đã thiết lập, thực hiện bước cân chỉnh thủ công để sơ bộ làm hợp lý các tham số về lưu lượng và áp lực theo không gian trên các tuyến ống truyền dẫn chính từ các nhà máy nước.
Hình 1: Sơ đồ khối cân chỉnh thủ công mô hình và đường năng lượng dọc tuyến ống D2000 đường Xa lộ Hà Nội
Trên biểu đồ so sánh giữa đường thủy năng mô phỏng và đường thủy năng đo đạc dọc tuyến ống truyền dẫn D2000 trên đường Xa lộ Hà Nội dẫn nước từ nhà máy nước Thủ Đức về vị trí cầu Điện Biên Phủ, đường thủy năng trong mô hình dự báo cao hơn các giá trị ghi nhận được từ hiện trường, như vậy mô hình mô phỏng đã không dự báo đủ về tổn thất áp lực dọc tuyến ống này. Do đó bước cân chỉnh thủ công sẽ thực hiện cân chỉnh mô hình theo hướng tăng tổn thất áp lực dọc tuyến ống D2000 Xa lộ Hà Nội, điều này đạt được bằng cách tăng độ nhám đường ống của tuyến ống này.
Sau khi cân chỉnh đường thủy năng cho các tuyến ống truyền dẫn chính từ nhà máy nước, tiếp tục thực hiện bước cân chỉnh tự động mô hình theo thời gian bởi thuật toán di truyền bằng cách sử dụng công cụ Darwin Calibrator trong phần mềm WaterGEMS cho một số nút bên trong mạng lưới.
Hình 2: Sơ đồ khối và biểu đồ sai số ứng với giá trị hàm số thích nghi nhỏ nhất
Giá trị hàm số thích nghi nhỏ nhất tính toán được là F = 4,79 ứng với hệ số nhóm tham số các giá trị hệ số nhám C là 1,15 và hệ số nhóm tham số giá trị lưu lượng tại các nút là 1,1.
PHÂN TÍCH
Từ các giá trị đường thủy năng trên các tuyến ống truyền dẫn chính có thể thấy mức độ tổn thất cột áp trên các tuyến ống này là rất lớn, đặc biệt là tuyến ống truyền dẫn chính tải nước từ nhà máy nước Thủ Đức về trung tâm thành phố, trên quãng đường dài 12km từ nhà máy nước Thủ Đức về đến vị trí cầu Điện Biên Phủ, năng lượng nước giảm từ 72m còn 28m (tổn thất 3,7m/km).
Sự mất cân đối về áp lực giữa đầu nguồn và cuối nguồn dẫn đến thực trạng gia tăng bể ống, rò rỉ, thất thoát nước tại các vị trí áp lực cao ở đầu nguồn, trong khi áp lực nước rất yếu tại các vị trí ở cuối nguồn.
Ngoài ra, áp lực thay đổi rất nhanh giữa giờ cao điểm và thấp điểm trên mạng. Tại giờ cao điểm, áp lực đầu nguồn lớn và áp lực cuối nguồn thấp. Tại giờ thấp điểm, áp lực đầu nguồn không đổi và áp lực cuối nguồn gia tăng (do lưu lượng dòng chảy trong ống giảm nên tổn thất thủy lực trong đường ống giảm), điều này gây ra lượng nước thất thoát gia tăng rất cao vào các giờ dùng nước thấp điểm.
KẾT LUẬN
Từ sự bất cập về mạng lưới cấp nước thành phố Hồ Chí Minh đã được phân tích ở trên, đòi hỏi cần có một nghiên cứu tổng thể về phương án tái cấu trúc mạng lưới cấp nước nhằm nắn chỉnh hệ thống cấp nước hiện tại sao cho hợp lý hơn, hài hòa hơn trong việc tải nước sạch từ các nhà máy nước để cung cấp cho thành phố, phù hợp với tình hình cấp nước hiện hữu cũng như các giai đoạn trong tương lai, đảm bảo các tiêu chí: phân bố áp lực đồng đều trên mạng lưới theo thời gian và không gian; cung cấp đủ lưu lượng đến tất cả các vị trí trên mạng lưới ở tất cả các thời điểm trong ngày; phù hợp nhất với mạng lưới cấp nước hiện hữu; đáp ứng các tiêu chí về cấp nước an toàn; giảm thất thoát nước; phương án kinh tế nhất và dễ thực hiện nhất.
