NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CAO TRÌNH THIẾT KẾ ĐÁY KÊNH THÁO CỦA TRẠM BƠM TIÊU

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CAO TRÌNH THIẾT KẾ ĐÁY KÊNH THÁO CỦA TRẠM BƠM TIÊU La Đức Dũng1 Nguyễn Tuấn Anh2 Tóm tắt: Bài báo đề xuất cách xác định cao trình thiết kế đáy kênh tháo trạm bơm tiêu dựa nguyên tắc tiết kiệm lượng bơm Qua xem xét so sánh tổng điện tiêu thụ trạm bơm tương ứng với trường hợp cao trình đáy kênh tháo xác định ứng với mực nước bể tháo thiết kế tần suất 10%, 30%, 40%, 50% 60% hai trạm bơm tiêu thuộc hệ thống Bắc Nam Hà, báo kiến nghị để lựa chọn cao trình thiết kế đáy kênh tháo hợp lý nên xem xét số tần suất thiết kế mực nước bể tháo thay 10% Từ khóa: Mực nước, cao trình đáy kênh tháo, trạm bơm tiêu I ĐẶT VẤN ĐỀ1 Theo tài liệu hướng dẫn quy định hành, thiết kế trạm bơm tiêu, lưu lượng bơm mực nước bể tháo thiết kế thường xác định tương ứng với tần suất 10% Trong nhiều trường hợp, chọn mực nước bể tháo thiết kế với tần suất 10% dẫn đến mực nước thiết kế bể tháo cao, kéo theo đáy kênh tháo cao Trong trình vận hành, nhiều thời gian mực nước bể tháo cao đáng kể so với mực nước lũ ngồi sơng, tức xuất cột nước địa hình dư thừa [4] (đặc biệt trạm bơm tiêu sông Hồng, tương quan mưa gây úng ngập đồng lũ ngồi sơng thấp) Mặt khác với tiêu chuẩn thiết kế này, vùng hiệu suất cao máy bơm chọn tương ứng cột nước thiết kế (ứng với mực nước bể tháo thiết kế tần suất 10%) Nhưng trình vận hành trạm bơm, phần lớn thời gian máy bơm làm việc với mực nước bể tháo thấp mực nước thiết kế mực nước bể hút thay đổi không đáng kể nên máy bơm chủ yếu làm việc với cột nước thấp cột nước thiết kế, dẫn đến máy bơm thường làm việc vùng hiệu suất khơng cao Những tình trạng dẫn đến làm tăng lượng bơm Ngoài ra, mực nước bể tháo Bộ Tài nguyên Môi trường Trường Đại học Thủy lợi thường xuyên cao mực nước lũ ngồi sơng, dẫn đến tình trạng xói lở kênh xả bờ sơng Do việc nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mực nước bể tháo thiết kế cao trình đáy kênh tháo thiết kế trạm bơm tiêu nhằm tiết kiệm điện tiêu thụ, hạn chế xói lở, đảm bảo an tồn cho kênh tháo ven sơng sau kênh tháo cho trạm bơm tiêu cần thiết II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích hệ thống cho tốn thiết kế Hàm mục tiêu chọn tổng điện tiêu thụ nhỏ Trong báo này, tác giả đề xuất xem xét năm phương án mực nước bể tháo thiết kế cao trình đáy kênh tháo tương ứng tần suất 10%; 30%; 40%; 50% 60% Để đảm bảo máy bơm làm việc trường hợp kiểm tra, mực nước bể tháo lớn xác định theo quy định hành Trong nghiên cứu này, chọn tần suất kiểm tra 5% Các bước thực sau: Bước 1: Xác định giá trị mực nước sông mực nước bể tháo thiết kế tương ứng với 05 tần suất 10%; 30%; 40%; 50% 60% - Mực nước bể tháo thiết kế xác định sau: Zttk = Zstk+ htt (1) tk Trong đó: Zs = Mực nước sơng bình qn 07 ngày lớn nhất, vị trí trạm bơm, ứng với tần suất thiết kế 10%; 30%, 40%, 50% 60%; htt = Tổn thất thủy lực từ bể tháo sông, sơ chọn htt= 0,2 m KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 47 (12/2014) 15 - Mực nước bể tháo lớn xác định sau: 5% Ztmax= Z1ngaymax +htt (2) 5% = Mực nước sơng bình qn Z1ngaymax ngày lớn nhất, vị trí trạm bơm, ứng với tần suất thiết kế kiểm tra P=5% - Mực nước bể tháo nhỏ xác định sau: Zmin = Zđkt +hktmin (3) hktmin = Chiều sâu mực nước nhỏ kênh tháo Bước 2: Ứng với tần suất, cao trình thiết kế đáy kênh tháo xác định theo công thức sau: Zđkt = Zttk - htkkt (4) Zđkt = Cao trình thiết kế đáy kênh tháo htkkt = Chiều sâu nước kênh tháo tương ứng với lưu lượng thiết kế Các kích thước cao trình bờ kênh tháo xác định theo hướng dẫn hành Bước 3: Tính tốn tổng điện tiêu thụ trạm bơm năm khứ cho phương án thiết kế cao trình đáy kênh tháo Điện tiêu thụ năm trạm bơm tính tốn theo cơng thức sau: (5) Trong đó: E = Điện tiêu thụ trạm bơm năm xem xét (Kwh); Qi = Lưu lượng bơm trạm thời đoạn i (m3/s) Qi = ni Q1mi (6) ni = số máy bơm làm việc thời đoạn thứ i ni = (7) (Round phép toán lấy phần nguyên) Qti = Lưu lượng tiêu lưu vực tính từ mưa, xác định dựa tính tốn q trình mưa 16 dịng chảy trận mưa khứ Trong nghiên cứu này, dựa tài liệu mưa ngày tài liệu sử dụng đất khu vực, tiến hành tính tốn lưu lượng tiêu vùng trồng lúa, thổ cư, hoa màu, toàn khu vực theo phương pháp giới thiệu [1]; Q1mi = Lưu lượng máy bơm thời đoạn thứ i, xác định dựa đường đặc tính H~Q máy bơm cột nước Hi Hi = Cột nước bơm thời đoạn thứ i (m) Hi = Zbt-i – Zbh-i + ∑hms (8) Trong đó: Zbt-i = Mực nước bể tháo thời đoạn i Zbt-i = Zđkt + hi Zđkt + hi ≥ Zs-i + htt (9) Zbt-i = Zs-i + htt Zđkt + hi < Zs-i + htt (10) Trong đó: hi = chiều sâu nước kênh tháo thời đoạn i, xác định dựa kích thước mặt cắt kênh tháo lưu lượng bơm Qi; Zs-i = Mực nước sơng vị trí trạm bơm thời đoạn i; Zbh-i = Mực nước bể hút thời đoạn i; ∑hms = Tổng tổn thất cột nước đường ống hút đẩy máy bơm ∑hms = S.Q21mi (11) S = Sức cản đường ống hút đẩy máy bơm i = hiệu suất trạm bơm thời đoạn thứ i, xác định dựa đường đặc tính ~Q máy bơm hiệu suất động cơ, mạng điện Ti = Thời gian bơm thời đoạn thứ i (giờ) N = số máy bơm làm việc lớn trạm bơm Bước 4: Phân tích kết đề xuất phương án chọn III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Áp dụng bước tính tốn trình bày cho hai trạm bơm tiêu Cốc Thành Hữu Bị thuộc hệ thống tiêu Bắc Nam Hà Kết tính tốn cho trạm bơm theo tần suất thiết kế 10%; 30%; 40%; 50% 60% sau: Trạm bơm Cốc Thành KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 47 (12/2014) Bảng Các thông số thiết kế trạm bơm Cốc Thành TT Mực nước bể tháo thiết kế (m) Mực nước bể tháo kiểm tra (m) Cao trình đáy kênh tháo thiết kế (m) Chiều cao kênh tháo thiết kế (m) Điện tiêu thụ từ năm 1990 đến 2012 (106Kwh) PA1 (P=10%) 4,49 5,28 PA2 (P=30%) 3,63 5,28 PA3 (P=40%) 3,32 5,28 PA4 (P=50%) 3,07 5,28 PA5 (P=60%) 2,73 5,28 1,32 0,43 0,15 -0,10 -0,44 4,46 5,35 5,63 5,88 6,22 50,030 45,411 44,100 42,952 42,810 Từ kết tính tốn cho thấy, tổng điện tiêu thụ trạm bơm Cốc Thành từ năm 1990 đến năm 2012 giảm dần theo mực nước sông thiết kế ứng với tần suất thiết kế 10%, 30%, 40%, 50% 60% cột nước địa hình dư thừa giảm dần Tổng điện tiêu thụ ứng với trường hợp tần suất thiết kế 50% giảm 1,107.106 Kwh so với trường hợp tần suất thiết kế 40%; giảm 2,418.106 Kwh so với trường hợp tần suất thiết kế 30% giảm 7,038.106 Kwh so với trường hợp mực nước sông với tần suất thiết kế 10% So với phương án tần suất 50%, phương án tần suất 60% có tổng điện tiêu thụ giảm khơng đáng kể (0,142.106Kwh) cột nước địa hình dư thừa tiến gần đến khơng Tuy nhiên, phương án (60%) có cao trình đáy kênh tháo thấp 0,34m so với phương án tần suất 50% dẫn đến làm tăng chi phí xây dựng Do phương án tần suất 50% nên chọn Trạm bơm Hữu Bị Bảng Các thông số thiết kế trạm bơm Hữu Bị TT Mực nước bể tháo thiết kế (m) Mực nước bể tháo kiểm tra (m) Cao trình đáy kênh tháo thiết kế (m) Chiều cao kênh tháo thiết kế (m) Điện tiêu thụ từ năm 1990 đến 2012 (106Kwh) PA1 (P=10%) 6,19 7,21 3,56 4,15 PA2 (P=30%) 4,93 7,21 2,30 5,41 PA3 (P=40%) 4,52 7,21 1,89 5,82 PA4 (P=50%) 4,16 7,21 1,53 6,18 PA5 (P=60%) 24,008 21,556 20,456 19,821 19,711 Từ kết tính tốn cho thấy, tổng điện tiêu thụ trạm bơm Hữu Bị từ năm 1990 đến năm 2012 giảm dần theo tần suất thiết kế 10%, 30%, 40%, 50% 60% cột nước địa hình dư thừa giảm dần Tổng điện tiêu thụ ứng với tần suất thiết kế 50% giảm 2,711.106 Kwh so với trường hợp tần suất thiết kế 40%; giảm 3,810.106 Kwh so với trường hợp mực nước sông với với tần suất thiết kế 30%; giảm 6,263.106 Kwh so với trường hợp mực nước sông với với tần suất thiết kế 10% Cũng tương tự trạm bơm Cốc Thành, phương án tần suất 60% trạm bơm Hữu Bị có tổng điện 3,83 7,21 1,2 6,51 tiêu thụ giảm không đáng kể (0,11.106 Kwh) so với phương án tần suất 50% cao trình đáy kênh tháo thấp 0,33m Do vậy, phương án tần suất 50% hợp lý Kết điều tra khảo sát cho thấy, điện tiêu thụ tính theo lý thuyết xấp xỉ với điện tiêu thụ thực tế trạm bơm Mặt khác, kết tính tốn cho thấy, chiều sâu kênh tháo tăng dần tăng tần suất từ 10% đến 60% cao trình đáy kênh tháo hạ thấp dần Chiều sâu kênh tháo ứng với tần suất 50% hai trường hợp chấp nhận KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 47 (12/2014) 17 khơng q lớn Lưu ý rằng, kết tính tốn mực nước bể tháo nêu xác định dựa số liệu thủy văn 19 gần đây, khác so với số liệu mực nước thiết kế trạm bơm trước IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khi thiết kế trạm bơm tiêu, việc lựa chọn mực nước bể tháo thiết kế cao trình thiết kế đáy kênh tháo có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật, ảnh hưởng đến chi phí xây dựng quản lý vận hành Theo cách xác định mực nước bể tháo thiết kế cao trình đáy kênh tháo thường dẫn đến lãng phí lượng bơm tạo cột nước địa hình dư thừa máy bơm thường làm việc vùng hiệu suất thấp hiệu suất thiết kế Do cần thiết phải nghiên cứu cải tiến cách xác định mực nước bể tháo cao trình đáy kênh tháo Bài báo giới thiệu bước tính tốn để lựa chọn hợp lý cao trình đáy kênh tháo thiết kế ứng dụng cho hai trạm bơm lớn hệ thống Bắc Nam Hà Kết tính tốn cho thấy cao trình đáy kênh tháo hạ thấp, tổng điện tiêu thụ giảm cột nước địa hình dư thừa giảm Do thiết kế cần xem xét nhiều mức tần suất khác (30%, 40%, 50% ) thay chọn tần suất 10% Nghiên cứu đề cập đến khía cạnh tiết kiệm lượng bơm, chưa đề cập đến chi phí xây dựng kênh tháo bể tháo Ngoài ra, nghiên cứu khảo sát cho hai trạm bơm tiêu gần vùng ảnh hưởng triều Đối với trạm bơm tiêu vùng phía thượng lưu trạm bơm Liên Mạc, Đông Mỹ, Phù Đổng,…thì chênh lệch điện tiêu thụ phương án cao nhiều Do cần có thêm nghiên cứu tương tự cho trạm bơm vùng khác nhau, thuộc hệ thống sông khác xét đến chi phí xây dựng bể tháo kênh tháo, từ tổng hợp để kiến nghị sửa đổi tiêu chuẩn thiết kế trạm bơm tiêu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Thủy nông - Đại học Thủy lợi (1970), Giáo trình Thủy nơng, Tập 1, NXB Nơng thơn [2] Nguyễn Tuấn Anh Đỗ Minh Thu, 2012, Một phương pháp xác định cao trình đáy cống xả trạm bơm tiêu, Tạp chí KHKT Thủy lợi Mơi trường, số 38 (09/2012) [3] Nguyễn Ngọc Bích, Hồng Lâm Viện, Nguyễn Văn Tích, 2006, Giáo trình Máy bơm Trạm bơm, NXB từ điển Bách Khoa [4] La Đức Dũng, Nguyễn Tuấn Anh, 2013, Đánh giá bước đầu phương pháp xác định mực nước thiết kế bể xả trạm bơm tiêu, Tạp chí KHKT Thủy lợi Mơi trường, số 43 (12/2013) [5] Lê Chí Nguyện, 2008, Một số vấn đề sở nghiên cứu hệ thống tưới tiêu động lực, NXB nông nghiệp Abtract STUDY ON THE SELECTION OF DESIGN ELEVATION OF DISCHARGE CHANNEL BOTTOM OF DRAINAGE PUMPING STATION This paper presents a proposal for improving the selection of design elevation of discharge channel bottom of drainage pumping station By comparing the total electric energy of two drainage pumping stations of Bac Nam Ha irrigation-drainage system corresponding to design water levels of 10% 30%, 40%, 50% and 60% frequency at the discharge tank and channel of the pumping stations, the paper proposes that it is necessary to consider some design frequencies of water level of discharge tank of drainage pumping station in order to find out an optimal design option Keywords: water level, elevation of discharge channel bottom, drainage pumping station BBT nhận bài: 16/10/2014 Phản biện xong: 03/3/2015 18 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 47 (12/2014)