MỘT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH ĐÁY CỐNG XẢ CỦA TRẠM BƠM TIÊU Nguyễn Tuấn Anh1 Đỗ Minh Thu2 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp xác định cao trình đáy cống xả trạm bơm tiêu dựa lý thuyết phân tích hệ thống tối ưu hóa Trong phương pháp này, hàm mục tiêu chọn tổng chi phí xây dựng quản lý quy năm đầu nhỏ Phương pháp áp dụng cho trạm bơm cụ thể thực tế cho kết đáng tin cậy Phương pháp tính tốn nên áp dụng cơng tác thiết kế trạm bơm tiêu nước mưa sơng, đặc biệt trạm bơm mà lũ ngồi sơng khơng trùng tần suất xuất với mưa đồng Từ khóa: trạm bơm tiêu, bể tháo, cống xả, tối ưu ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thực tế, trạm bơm tiêu nước sơng bố trí sát đê thường có bể tháo liền với cống xả qua đê, ví dụ như: trạm bơm tiêu Đơng Mỹ, Thanh Trì, Hà Nội; trạm bơm tiêu Thạc Quả, Đông Anh, Hà Nội; trạm bơm tiêu Phù Đổng, Gia Lâm, Hà Nội,… Hiện nay, thiết kế trạm bơm tiêu nước sơng mà bể tháo bố trí liền cống xả qua đê việc xác định cao trình đáy cống xả qua đê cịn theo ý chủ quan người thiết kế đến chưa có quy định hay hướng dẫn cụ thể vấn đề Như biết, mực nước nhỏ bể tháo (Z bt min), cao trình đáy bể tháo (Zđb) chiều cao bể tháo (Hbt) phụ thuộc vào cao trình đáy cống xả cửa vào (Zđc) theo công thức sau: Zbt = Zđc + Hc-min + htt (1) Zđb = Zbt - hngmin – Do - P (2) max Hbt = Zbt + a - Zđb (3) Trong đó: Hc-min chiều sâu nước cống nhỏ ứng với lưu lượng bơm nhỏ nhất; htt tổn thất thủy lực cửa vào cống, bỏ qua; hngmin độ sâu ngập nhỏ mép miệng ống đẩy mực nước thấp bể tháo; D o đường kính miệng ống đẩy; P khoảng cách từ mép miệng ống đẩy đến đáy bể tháo; Zbt max mực nước lớn bể tháo; a chiều cao an toàn BIỂU ĐỒ TĂNG NHIỆT Cống xả qua đê Zđb Hcmin Hc Bể tháo Ống đẩy Hình Sơ họa bể tháo xây liền cống xả qua đê 12 Khi thiết kế, chọn cao trình đáy cống Đại học Thủy lợi Cao đẳng Thủy lợi Bắc Bộ 50 xả qua đê cao trình vận hành, nhiều mưa đồng mực nước lũ ngồi sơng khơng tần suất xuất nên mực nước bể tháo cao nhiều KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/2012) mực nước ngồi sơng (xem hình 1), điều cho thấy việc lãng phí lượng bơm Ngược lại, chọn cao trình đáy cống xả qua đê thấp dẫn đến cao trình đáy bể tháo thấp, chiều cao bể tháo lớn cống xả phải đặt sâu, làm tăng chi phí xây dựng cơng trình Vấn đề đặt thiết kế cơng trình tháo (bể tháo cống xả) trạm bơm tiêu cần xác định giá trị cao trình đáy cống xả tối ưu đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật Bài báo giới thiệu phương pháp xác định cao trình đáy cống xả trạm bơm tiêu nước sơng qua ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống tối ưu hóa vào tốn thiết kế Phương pháp ứng dụng cho trạm bơm cụ thể thực tế CÔNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Áp dụng lý thuyết phân tích hệ thống tối ưu hoá vào toán thiết kế cơng trình, sử dụng phương pháp so sánh trực tiếp, bước tìm phương án cao trình đáy cống xả tối ưu sau: Bước 1: Giả thiết nhiều phương án khác cao trình đáy cống xả thỏa mãn điều kiện ràng buộc Bước 2: Với phương án cao trình đáy cống xả, tiến hành tính tốn xác định giá trị hàm mục tiêu Bước 3: So sánh phương án hàm mục tiêu lựa chọn phương án tối ưu Hàm mục tiêu: Hàm mục tiêu đề xuất toán là: Tổng chi phí đầu tư xây dựng quản lý hàng năm quy năm đầu nhỏ nhất, tức là: Ctổng = Kj + CQL-j → Min (4) j = 1 n Trong đó: Kj : Chi phí đầu tư xây dựng cơng trình tương ứng với phương án j Ngoài hạng mục bể tháo cống xả qua đê, hạng mục lại trạm bơm khơng thay đổi theo phương án, tính Kj chi phí đầu tư xây dựng bể tháo cống xả qua đê Chi phí xác định qua dự tốn cơng trình CQL-j : Tổng chi phí quản lý quy năm đầu t T Cj CQL-j = (5) t t 1 (1 i ) Cj : Chi phí quản lý trạm bơm bình quân hàng năm tương ứng phương án j Chi phí bao gồm: chi phí điện, chi phí bảo dưỡng, sửa chữa trạm bơm, chi phí lương cơng nhân chi phí khác Ngồi chi phí điện, chi phí khác coi khơng đổi theo phương án j i: Lãi suất tính tốn T: Thời gian hoạt động dự án (năm) n: Số phương án đưa để so sánh Điều kiện ràng buộc: Cao trình đáy cống xả phải thỏa mãn điều kiện kỹ thuật sau: - Đảm bảo đỉnh cống phải thấp mặt đê 0,5 m (hạn chế tác động học): Z đc ≤ Z matde - 0,5 - tn - Hc (6) - Đảm bảo chiều cao bể tháo không lớn: Z đc ≥ Ztườngbểtháo - H max bt Ztườngbểtháo = Z max bt (7) +a (8) Trong đó: Zmatde : Cao trình mặt đê; tn: Chiều dày nắp cống; Hc: Chiều cao cống xả, xác định qua tính tốn kích thước cống; Ztườngbểtháo : Cao trình đỉnh tường bể tháo; H max bt : Chiều cao bể tháo lớn theo điều kiện cấu tạo Theo kinh nghiệm, chọn H max bt = 10÷12 m Áp dụng phương pháp cho trạm bơm cụ thể: Phương pháp giới thiệu áp dụng để xác định cao trình đáy cống xả trạm bơm tiêu Đơng Mỹ, Thanh Trì, Hà Nội Các số liệu đầu vào: - Diện tích tiêu 1995 ha; - Lưu lượng thiết kế trạm bơm, Qtk = 35 m /s; lưu lượng nhỏ nhất, Qmin = 11,67 m3/s; - Mực nước bể tháo thiết kế, ZTK bt = + 11,48 m (P=10%); - Mực nước bể tháo lớn nhất, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/2012) Z max bt = + 12,11 51 m (P=5%); - Cột nước thiết kế trạm bơm, HTK = 10,26 m; - Để tính tốn nhu cầu tiêu nước chi phí điện tiêu thụ hàng năm trạm bơm, sử dụng tài liệu mưa ngày trạm Láng tài liệu mực nước sông Hồng trạm Hà Nội (dẫn truyền vị trí trạm bơm) 20 năm từ 1987 đến 2006 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Dựa số liệu đầu vào tính tốn ràng buộc cao trình đáy cống (Zđc): 4,2 ≤ Z đc ≤ 8,5 Tác giả đề xuất 20 phương án (P.A) bảng Zđc Bảng Các phương án Z đc P.A Zđc (m) P.A Zđc (m) 8,5 11 6,2 8,3 12 6,0 8,0 13 5,8 14 5,6 7,8 7,6 15 5,3 7,4 16 5,1 7,1 17 4,9 6,9 18 4,7 6,7 19 4,4 10 6,5 20 4,2 Ứng với phương án tiến hành tính tốn chi phí xây dựng, chi phí quản lý hàng năm tổng chi phí xây dựng quản lý quy năm đầu (giá trị hàm mục tiêu) Quan hệ chi phí cao trình đáy cống thể hình C (10 đ) 18 16 14 12 K 10 C QL C tong 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 Z đc (m) Các đường quan hệ cho thấy, Zđc tăng chi phí xây dựng giảm chi phí quản lý tăng, tức Zđc nghịch biến với chi phí xây dựng đồng biến với chi phí quản lý Khi Zđc tăng từ 4,2 m đến 7,8 m chi phí tổng giảm (Zđc nghịch biến với Ctổng ) Khi Zđc > 7,8 m chi phí tổng đồng biến với Zđc Khi Zđc = 7,8 m cho chi phí tổng Ctổng nhỏ nhất, giá trị Zđc tối ưu cần tìm Kết cho thấy, đáy cống xả đặt thấp so với cách tính giúp giảm chi phí điện từ chi phí quản lý hàng năm giảm Kết tính toán phù hợp với điều kiện thực tế, điều khẳng định phù hợp mơ hình KẾT LUẬN Khi thiết kế cơng trình trạm bơm tiêu, xác định hợp lý cao trình đáy cống xả trạm bơm tiết kiệm chi phí xây dựng quản lý cơng trình Bài báo giới thiệu phương pháp xác định cao trình đáy cống xả trạm bơm tiêu dựa lý thuyết phân tích hệ thống tối ưu hóa Phương pháp áp dụng cho trạm bơm cụ thể thực tế Kết cho thấy, chọn cao trình đáy cống xả cao dẫn tới việc lãng phí lượng bơm làm tăng cột nước địa hình Nếu chọn cao trình đáy cống xả thấp dẫn đến cao trình đáy bể tháo thấp tức chiều cao bể tháo lớn cống xả phải đặt sâu, làm tăng chi phí xây dựng Phương án cao trình đáy cống xả tối ưu phương án cho tổng chi phí xây dựng quản lý quy năm đầu nhỏ Phương pháp tính tốn nên áp dụng cơng tác thiết kế trạm bơm tiêu nước mưa sông, đặc biệt trạm bơm mà lũ ngồi sông không trùng tần suất xuất với mưa đồng Hình Quan hệ chi phí xây dựng (K), tổng chi phí quản lý quy năm đầu (CQL) chi phí tổng (Ctổng) với cao trình đáy cống (Zđc) 52 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/2012) TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tuấn Anh Lê Chí Nguyện, 2003 Xác định phương án bố trí quy mơ hợp lý trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc, Tạp chí Thủy lợi Mơi trường, Vol.3, 11/2003 Phó Đức Anh, Đặng Hữu Đạo, 2007 Phân tích tối ưu hố hệ thống, NXB Nơng nghiệp Nguyễn Ngọc Bích, Hồng Lâm Viện, Nguyễn Văn Tích, 2006 Giáo trình Máy bơm Trạm bơm, NXB từ điển Bách Khoa Hà Văn Khối, 2001 Giáo trình Quy hoạch quản lý nguồn nước, ĐHTL Lê Chí Nguyện, 2008 Một số vấn đề sở nghiên cứu hệ thống tưới tiêu động lực,NXB nông nghiệp Ronald E Featherstone and Karim K El-Jumaily, 1983 Optimal Diameter Selection for Pipe Networks, Journal of Hydraulic Engineering Vol 109, No 2, February 1983, pp 221-234 Roberto Canales-Ruiz, 1980 Optimal Design of Gravity Flow Water Conduits, Journal of the Hydraulics, Vol 106, No 9, September 1980, pp 1489-1502 Abstract: A METHOD OF DETERMINING ELEVATION OF THE BOTTOM OF DRAINAGE PUMPING STATION OUTLET Nguyen Tuan Anh, Do Minh Thu This paper presents a method of determining elevation of the bottom of drainage pumping station outlet that is based on the theory of systems analysis and optimization In the method, the objective function is the lowest total cost, Ctot → Min As a validation, the method was applied for a drainage pumping station in Hanoi, Vietnam This method should be used in the design of drainage pumping stations where the occurrence frequencies of flood in river and storm in the drainage basin are different Người phản biện: GS TS Lê Chí Nguyện BBT nhận bài: 7/6/2012 Phản biện xong: 10/9/2012 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 38 (9/2012) 53