Luận án Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc được thực hiện với mục đích xây dựng phương pháp giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc; ứng dụng phương... Đề tài Hoàn thiện công tác quản trị nhân sự tại Công ty TNHH Mộc Khải Tuyên được nghiên cứu nhằm giúp công ty TNHH Mộc Khải Tuyên làm rõ được thực trạng công tác quản trị nhân sự trong công ty như thế nào từ đó đề ra các giải pháp giúp công ty hoàn thiện công tác quản trị nhân sự tốt hơn trong thời gian tới.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ DOAN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ THƠNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM TƯỚI CHO VÙNG ĐẤT DỐC KHU VỰC TRUNG DU, MIỀN NÚI PHÍA BẮC Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9580212 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh Phản biện 1: GS TS Trần Viết Ổn, Hội Thủy lợi Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, Viện Quy hoạch Thủy lợi Phản biện 3: PGS.TS Trần Chí Trung, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Việt Nam có diện tích đất đồi núi lớn canh tác trồng cạn gồm ăn quả, công nghiệp, lương thực… Theo số liệu điều tra Tổng cục thống kê, diện tích gieo trồng trồng cạn năm 2020 số khu vực sau: Trung du, miền núi phía Bắc (TDMNPB): 1.241.400 ha; Tây Nguyên: 1.640.600 ha; Việc tưới nước cho trồng cạn vùng đồi núi, việc tận dụng nước mưa, lại chủ yếu tưới động lực (chiếm khoảng 90%), hình thức bơm động lực kể đến là: bơm giếng sâu, bơm tia, bơm nước va, bơm thủy luân, bơm cánh quạt ly tâm, lấy nước ngầm, nước từ hồ sông suối… Trong phổ biến hình thức dùng trạm bơm lấy nước từ sông, suối, hồ chứa cho dải đất, vùng đồi canh tác ven bờ sông, suối sườn dốc Trong công tác thiết kế, quy hoạch, vận hành hệ thống tưới nói chung, trạm bơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt tốn cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu cho chi phí đầu tư xây dựng ban đầu chi phí lượng bơm nhỏ Với cơng trình cấp nước cho khu tưới có dạng cần xác định phương án bố trí thơng số thiết kế cho trạm bơm tổ hợp phương án thiết kế khác cho đảm bảo yêu cầu tưới với chi phí đầu tư xây dựng, chi phí quản lý vận hành nhỏ Do đó, vấn đề cấp thiết cần cấp nước tưới cho loại trồng cạn có giá trị kinh tế cao vùng đất dốc khu vực TDMNPB, vùng đất chưa khai thác hiệu quả, nhiều tiềm phát triển kinh tế nước ta Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí thông số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc” đề tài có ý nghĩa lớn khoa học, học thuật, có tính thực tiễn cao, giúp quan quản lý định hướng lựa chọn sơ đồ bố trí, loại máy bơm phù hợp, có hiệu kinh tế cao dự án đầu tư xây dựng phục vụ tưới cho trồng cạn vùng đất dốc nước ta Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng phương pháp giải tốn lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc; - Ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu cơng trình cấp nước động lực cho trồng cạn vùng TDMNPB Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới bao gồm sơ đồ bố trí trạm bơm; thơng số quy mơ diện tích phụ trách; lưu lượng thiết kế trạm bơm; cột nước bơm thiết kế; số máy bơm trạm; loại máy bơm loại hình nhà máy bơm - Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB, nghiên cứu điển hình cho tỉnh Hịa Bình; vùng tưới trồng tập trung, địa hình liên tục dạng bát úp, mặt đất dốc có độ dốc i ≤ 30% vùng tưới dạng hình chữ nhật có tỷ lệ cạnh dài cạnh ngắn ≤ 1,5; diện tích khu tưới ≤ 150 Trong luận án tập trung nghiên cứu trạm bơm đầu mối đường ống dẫn tới bể xả Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan điều kiện tự nhiên, quy mô, trạng sản xuất trồng cạn mơ hình hệ thống tưới cho trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB Tổng quan nghiên cứu liên quan nước; phân tích sở lý thuyết, đề xuất sở khoa học, phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc; áp dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí, thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc ứng dụng phần mềm phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu cho số vùng điển hình thiết lập thơng số để lựa chọn phương án tối ưu cơng trình cấp nước động lực cho trồng vùng đất dốc Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê: tổng hợp, phân tích tài liệu có nhằm tổng kết, kế thừa kết nghiên cứu ngồi nước vấn đề có liên quan đến nội dung nghiên cứu luận án; phương pháp phân tích hệ thống: ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống, phân tích yếu tố liên quan đến kết tốn, từ có sở thiết lập mơ hình tốn: phương pháp mơ phương pháp tối ưu hóa Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 6.1 Ý nghĩa khoa học Phát triển phương pháp luận giải toán lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Dựa kết nghiên cứu luận án này, người thiết kế xác định phương án thiết kế khác nhanh chóng tìm phương án tối ưu quy hoạch, thiết kế trạm bơm tưới cho vùng đất dốc Cấu trúc luận án Gồm phần mở đầu, chương kết luận Ngồi cịn có phần: cơng trình tác giả cơng bố; tài liệu tham khảo, phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm đất dốc Đất dốc đất có bề mặt nghiêng, thường gồ ghề khơng phẳng hay nhấp nhơ, lượn sóng Trong sản xuất nơng lâm nghiệp người ta phân chia đất đai theo cấp độ dốc Thực tế cho thấy vùng trồng tập trung, có giá trị kinh tế cao chủ yếu vùng trung du, vùng đồi có đất dốc nhẹ, dốc vừa phân theo cấp độ dốc sau: Vùng có đất dốc từ cấp I dốc nhẹ có độ dốc 7o tương đương với độ dốc i< 12,5%; Vùng đất dốc cấp II có độ dốc vừa với độ dốc 8o ÷ 15o tương đương 14% ≤ i ≤ 27% Vì vậy, luận án tác giả nghiên cứu trồng cạn tập trung vùng TDMNPB vùng đất dốc có độ dốc nhẹ dốc vừa có độ dốc i ≤ 27%, để thuận tiện trình nghiên cứu, tác giả chọn độ dốc i khoảng từ 10% ÷ 30% 1.2 Sơ lược điều kiện tự nhiên vùng TDMNPB Vùng TDMNPB bao gồm 14 tỉnh: Hà Giang, Cao Bằng, Lào Cai, Bắc Kạn, Lạng Sơn, Tuyên Quang, Yên Bái, Thái Nguyên, Phú Thọ, Bắc Giang, Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Hịa Bình 21 huyện, thị xã phía Tây hai tỉnh Thanh Hóa Nghệ An; vùng TDMNPB có địa hình phức tạp, khí hậu nhiệt đới gió mùa, ; mơ hình hệ thống tưới cho trồng cạn phổ biến tưới tự chảy tưới động lực: tưới tự chảy, tưới động lực: dùng máy bơm, hệ thống cơng trình trạm bơm Trong luận án chủ yếu nghiên cứu vùng trồng có giá trị kinh tế cao, có diện tích tương đối lớn thực tế cho thấy chủ yếu sử dụng tưới động lực hình thức tưới hồ → trạm bơm → hệ thống đường ống → vòi phun cầm tay 1.3 Đánh giá hiệu sử dụng nước tưới cho trồng cạn Hiệu sử dụng nước tưới cho trồng cạn vùng TDMNPB chưa cao, ngun nhân sau đây: cơng trình phục vụ cấp nước tưới cho trồng chưa đầu tư đồng bộ, nhiều cơng trình bị xuống cấp, khó đáp ứng yêu cầu cấp nước cho trồng cạn ngày phát triển trồng chủ lực; công nghệ tưới tiên tiến tiết kiệm nước gặp nhiều hạn chế vốn đầu tư nhiều, thiết bị phải thay hàng năm 1.4 Các nghiên cứu ngồi nước có liên quan đến luận án 1.4.1 Các nghiên cứu nước ngồi Trong cơng tác thiết kế, vận hành hệ thống tưới, cấp nước nói chung trạm bơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt toán cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu cho chi phí đầu tư ban đầu chi phí lượng bơm nhỏ Trên giới có nhiều nghiên cứu tốn này, điển hình như: Chase Ormsbee (1989) đề xuất phương pháp tiếp cận quy hoạch phi tuyến; Coulbeck Orr năm 1985; Duan cộng năm 1990; nghiên cứu phương pháp sử dụng để tối ưu hóa hoạt động hệ thống bơm cấp nước nhằm giảm thiểu chi phí vận hành Mahdi Moradi-Jalal (2003) nghiên cứu toán thiết kế vận hành tối ưu trạm bơm tưới qua việc tích hợp quy trình vận hành tối ưu vào sơ đồ thiết kế 1.4.2 Các nghiên cứu nước Tại Việt Nam, có số nghiên cứu giải pháp cấp nước tưới sườn dốc số nghiên cứu toán thiết kế hệ thống tưới tiêu hợp lý điển hình như: tác giả Dương Thanh Lượng xây dựng toán để xác định hệ số tiêu thiết kế tối ưu cho hệ thống tiêu vùng Đồng Bắc Bộ; tác giả Phạm Thị Hoài phân vùng tối ưu hệ thống thủy nông Văn Giang; tác giả Nguyễn Tuấn Anh dựa lý thuyết phân tích hệ thống, phương pháp mơ hình mơ tối ưu hóa để xây dựng toán xác định phương án quy mô trạm bơm tưới áp dụng cho trạm bơm IAKO tỉnh Gia Lai Tuy nhiên, kết bước đầu, tốn đơn giản hóa nhiều yếu tố đầu vào, chưa xét đến biến đổi khí hậu Kết luận chương Việc cấp nước tưới cho trồng cạn vùng TDMNPB ngày trọng Việc tưới nước cho trồng cạn thiếu chủ động, mơ hình tưới động lực chi phí lớn; tốn quy hoạch, quản lý nguồn nước tương đối đa dạng phong phú Khi phân tích lựa chọn phương án quy hoạch thường ứng dụng hai phương pháp đặc trưng lý thuyết phân tích hệ thống là: phương pháp tối ưu hóa phương pháp mơ nhiên ứng dụng phương pháp phân tích hệ thống để nghiên cứu xác định giải pháp cấp nước cho vùng đất dốc vùng TDMNPB nhiều hạn chế; với đặc điểm tự nhiên vùng TDMNPB, vùng đồi vùng đất dốc i ≤ 30% vùng đất có tiềm lớn, phù hợp phát triển diện rộng, vùng tập trung nhiều loại trồng có giá trị kinh tế cao CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Xây dựng tốn Do đặc điểm địa hình vùng trung du miền núi khu tưới thường mang đặc điểm sau: vùng đất canh tác thường có độ dốc lớn, ruộng bậc thang, diện tích khu tưới nhỏ phân tán xen kẽ đồi núi Do vậy, trạm bơm tưới vùng đất dốc thường cách bố trí sau: bố trí trạm bơm cấp; bố trí trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo; bố trí nhiều trạm bơm riêng biệt; bố trí trạm bơm nhiều cấp Trong cơng tác thiết kế trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc, yêu cầu người thiết kế phải lựa chọn sơ đồ bố trí, xác định thơng số thiết kế trạm bơm hợp lý để tiết kiệm chi phí xây dựng vận hành hệ thống tưới Các số liệu đầu vào gồm: tài liệu địa hình khu tưới, tài liệu khí tượng, thủy văn, nguồn nước, thổ nhưỡng, trồng, Yêu cầu đặt cần xác định phương án thiết kế hợp lý về: sơ đồ bố trí hệ thống trạm bơm tưới, thơng số thiết kế như: lưu lượng Q, cột nước H, số máy bơm, loại máy bơm trạm bơm cho hiệu kinh tế, kỹ thuật 2.2 Lựa chọn phương pháp giải toán Để giải tốn nêu cần phân tích lựa chọn phương pháp giải phù hợp Trong lĩnh thực thủy lợi, người ta thường sử dụng hai phương pháp đặc trưng lý thuyết phân tích hệ thống phương pháp mơ phương pháp tối ưu hóa 2.2.1 Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng nghiên cứu lựa chọn sơ đồ bố trí thông số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới Do yêu cầu thực tế sản xuất ngày phát triển, nhà khoa học phải xem xét phương pháp tốn học nhằm tìm kiếm lời giải tối ưu thiết kế điều khiển hệ thống phức tạp đời mơn khoa học Lý thuyết phân tích hệ thống Mục đích phân tích hệ thống xác định lời giải tối ưu hợp lý thiết kế điều khiển hệ thống Phân tích hệ thống bao gồm hệ thống quan điểm, nguyên lý kỹ thuật phân tích hệ thống 2.2.2 Hệ thống quan điểm nguyên lý tiếp cận hệ thống 2.2.2.1 Hệ thống quan điểm Lý thuyết phân tích hệ thống coi trọng tính tổng thể, quan điểm hệ thống thể tính biện chứng nghiên cứu hệ thống Quan điểm phải lượng hóa mơ hình tốn học mơ tả q trình hệ thống Lý thuyết phân tích hệ thống thừa nhận tính bất định hệ thống, tơn trọng thừa nhận tính liên ngành Kết hợp phương pháp hình thức phương pháp phi hình thức, kết hợp phân tích tốn học kinh nghiệm 2.2.2.2 Ngun lý tiếp cận hệ thống Nguyên lý tiếp cận hệ thống tiếp cận bước làm rõ mục tiêu tốn Mơ hình mơ đóng vai trị đặc biệt quan trọng q trình tiếp cận hệ thống 2.2.3 Phương pháp mô phương pháp tối ưu hóa phân tích hệ thống Phân tích hệ thống, đặc biệt hệ thống nguồn nước sử dụng hai cơng cụ phương pháp tối ưu hóa phương pháp mơ Phương pháp mơ khơng giải tốn tối ưu mà tìm giá trị chấp nhận với hàm mục tiêu Vì phương pháp tối ưu có hạn chế phương pháp nhận nghiệm, có giản hóa mơ q trình hệ thống, mơ mơ tả chi tiết sử dụng phương pháp mơ Vì luận án tác giả sử dụng hai phương pháp để giải tốn lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới 2.2.3.1 Mơ hình mơ hệ thống Mơ hệ thống phương thức mô tả hệ thống thực hệ thống không thực người nghiên cứu tạo Có nhiều cách mơ phỏng, bao gồm: Mơ hình vật lý, mơ hình tốn,… Khi nghiên cứu hệ thống kỹ thuật hệ thống nguồn nước, người ta sử dụng mơ tốn học 2.2.3.2 Tối ưu hóa giải pháp cấp nước tưới Trong quy hoạch quản lý nguồn nước thường dùng phương pháp tối ưu hóa sau đây: phương pháp quy hoạch tuyến tính; phương pháp quy hoạch động; phương pháp giải toán tối ưu phi tuyến a) Phương pháp quy hoạch tuyến tính Q trình xây dựng giải tốn quy hoạch tuyến tính thơng thường bao gồm bước b) Phương pháp quy hoạch động * Phương pháp quy hoạch động dựa nguyên lý Bellman (1954), phát biểu tóm tắt sau: chiến lược tối ưu bao gồm chiến lược tối ưu (chiến lược cịn hiểu lộ trình hay phương án) c) Phương pháp quy hoạch phi tuyến Bài toán luận án, hàm mục tiêu, ràng buộc đa số hàm phi tuyến biến thơng số sơ đồ bố trí thơng số thiết kế trạm bơm tưới.Vì tốn tối ưu toán dạng phi tuyến Những tốn dạng phi tuyến khơng có ràng buộc có ràng buộc Về tổng quát có hai loại phương pháp giải toán tối ưu phi tuyến: phương pháp không dùng đạo hàm phương pháp dùng đạo hàm Các toán dạng cổ điển giải cách tìm đạo hàm phù hợp với dạng tốn hàm hóa Ngồi cần chứng minh tồn nghiệm đạo hàm tương ứng Trong toán kỹ thuật điều kiện khó thỏa mãn, luận án sử dụng phương pháp không đạo hàm, phương pháp qt tìm thơng số tối ưu Phương pháp áp dụng cho toán ràng buộc khơng ràng buộc Phương pháp qt có biến điều khiển Trong phương pháp quét hàm mục tiêu chiều, xét hàm mục tiêu cách liên tiếp khoảng cho trước thông số điều khiển, gọi bước quét: quét với bước quét không đổi quét với bước quét trở lại thay đổi Đối với phương pháp quét với bước không đổi có ưu điểm dễ dàng lập thuật tốn,với bước qt nhỏ cho khả tìm cực trị tồn cục Tuy nhiên nhược điểm phương pháp khối lượng tính tốn cần thiết lớn Cịn phương pháp quét với bước biến đổi cần khối lượng tính tốn hàm mục tiêu hơn, hàm mục tiêu đa cực trị, có xác suất bỏ qua cực trị toàn cục Trong T Ct = Cmin K j + ∑ t j t =1 (1 + i ) Và NPVj >0 Trong đó: Kj - Là chi phí xây dựng ban đầu tương ứng với phương án j; Ct - Chi phí quản lý vận hành năm thứ t tương ứng phương án j; i - Lãi suất tính tốn; t Biến chạy: t = ÷ T;T - Thời gian hoạt động dự án, T = 30 năm; 2.3.3.3 Điều kiện ràng buộc Các phương án khác sơ đồ bố trí phải thỏa mãn ràng buộc sau: phương án phải đảm bảo cung cấp đủ nước tưới cho diện tích ω cho trước; phương án phải đảm bảo tổng lượng nước tưới cho khu vực xác định trước; phương án đảm bảo giá trị ròng NPVj >0; phương án đề phải có tính khả thi 2.3.3.4 Tính tốn thành phần hàm mục tiêu a) Chi phí xây dựng hệ thống: Kj Chi phí xây dựng hệ thống chi phí xây dựng trạm bơm K j = K trj (2-49) Ktrj xác định dựa sở thiết kế định hình thống kê loại máy bơm trạm bơm khác b) Chi phí quản lý hàng năm Cnamj =Cdienj + Cluongj + Cbaotrij + Ckhacj (2-53) Cdienj tổng chi phí lượng điện trạm bơm hệ thống ứng với phương án j: Cbaotri tính theo cơng thức đây: 11 Cbaotri = k K j (2-55) Vì phạm vi nghiên cứu luận án nghiên cứu khu tưới nhỏ có diện tích ≤ 150ha, sơ đồ bố trí khác thực tế cần công nhân vận hành phù hợp Vì coi Cluong Ckhac không đổi phương án + Chi phí lượng Cdien Cơng suất làm việc tổ máy bơm tính theo cơng thức sau: N= (2-56) 9,81.Q.H η Trong N cơng suất tiêu thụ tổ máy bơm, KW; Q lưu lượng bơm tổ máy, m3/s; H cột nước bơm, m; η hiệu suất tổ máy bơm, %; Năng lượng tiêu thụ trạm bơm tính theo cơng thức: m E=∑ i =1 9,81.Qi H i n.t (2-58) η Do vậy, chi phí lượng hàng năm phương án j xác định theo công thức: Cdienj = a.E j (2-59) Trong đó: E lượng tiêu thụ trạm bơm, KWh; Qi lưu lượng tưới thời đoạn thứ i; Hi cột nước thời đoạn thứ i; m số thời đoạn tưới năm thứ t; t thời gian làm việc thực trạm bơm, h; a đơn giá điện bơm, đ/Kwh; Ej điện tiêu thụ phương án j, kWh 2.3.4 Giải toán tối ưu 2.3.4.1 Trình tự tính tốn phương án xác định phương án tối ưu 12 Hàm mục tiêu Cj phương án phụ thuộc vào nhiều biến sau: sơ đồ bố trí, Zbt1, Zbt2, Zbt3 phương án, số máy bơm, loại máy bơm, Trình tự giải tốn tìm phương án tối ưu (hợp lý) thể sơ đồ khối hình 2.22 Hình 2.22 Sơ đồ khối tổng quát trình tự giải toán tối ưu 13 + Chuẩn bị thông tin đầu vào: mực nước bể hút TB, diện tích, trồng, số liệu MB, Kxl1m, Ktb1m, + Trình tự tính tốn: Đối với phương án tuyến cơng trình có biến chạy sau: sơ đồ bố trí, Zbt cấp bơm: Bước 1- Tổ hợp sơ đồ bố trí, mực nước bể tháo (Zbt) trạm thay đổi, xác định số phương án Bước 2- Xét phương án, phương án: chọn máy bơm cho trạm bơm, tính chi phí xây dựng, chi phí hàng năm Bước 3- Tìm giá trị Cmin số Npa giá trị Cj, từ xác định PA tối ưu 2.3.4.2 Lập chương trình tính tốn Chương trình tính tốn có tên “Chương trình phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc” (PVBTU) viết ngôn ngữ lập trình Visual Basic, chương trình gồm modul sau: 1-Modul đọc số liệu; 2-Modul tính thơng số thiết kế; 3-Modul chọn máy bơm; 4-Modul tính chi phí xây dựng; 5-Modul tính chi phí điện chi phí hàng năm; 6-Modul tính giá trị hàm mục tiêu xác định phương án tối ưu Ưu điểm phần mềm là: trực quan, cung cấp công cụ thuận lợi cho việc tạo giao diện Kết luận chương Từ luận lý thuyết phân tích hệ thống tốn tối ưu, tác giả phân tích đánh giá xác định phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc dựa quan điểm, nguyên lý phương pháp để tìm lời giải tối ưu Dựa nguyên lý tiếp cận bước, bước lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc thiết lập Trong có ứng dụng mơ hình mơ đánh giá phản ứng hệ thống theo phương án để xác định PA chấp nhận Lập hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc, lựa chọn tiêu tối ưu cách xác định thành phần hàm mục tiêu Phương pháp quét với bước quét không đổi sử dụng để giải tốn tối ưu Chương trình 14 tính tốn xác định phương án tối ưu trạm bơm tưới vùng đất dốc: chương trình tính tốn viết ngơn ngữ lập trình Visual Basic từ lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lựa chọn khu vực điển hình để áp dụng phương pháp xây dựng Trong luận án tác giả chọn tỉnh Hịa Bình đại diện cho vùng TDMNPB để nghiên cứu tỉnh Hịa Bình có điều kiện tự nhiên mang đầy đủ nét đặc trưng vùng TDMNPB như: địa hình chia cắt thành ba tiểu vùng; đặc điểm khí hậu; thổ nhưỡng; nguồn nước mặt dồi có khả cung cấp nước tưới cho trồng Đặc biệt tỉnh Hịa Bình có diện tích canh tác sườn dốc lớn để trồng ăn như: cam, bưởi, Bên cạnh đó, tác giả có nguồn tài liệu tỉnh Hịa Bình tương đối đầy đủ đáng tin cậy để phục vụ tính tốn như: tài liệu địa hình, nguồn nước, khí tượng thủy văn, 3.2 Sơ lược điều kiện tự nhiên xã hội tỉnh Hịa Bình Hịa Bình tỉnh miền núi nằm vị trí cửa ngõ vùng Tây Bắc Việt Nam Hịa Bình có khí hậu cận nhiệt đới ẩm, mùa đông phi nhiệt đới khô lạnh, mưa; mùa hè nóng, mưa nhiều Điểm bật địa hình tỉnh Hịa Bình núi cao, chia cắt phức tạp, độ dốc lớn Những năm gần toàn tỉnh tập trung khai thác nguồn tài nguyên đất đồi để nâng cao hiệu sử dụng đất, tập trung phát triển chủ lực tỉnh; diện tích sản lượng trồng địa bàn tồn tỉnh khơng ngừng tăng lên có giá trị kinh tế cao Bên cạnh tỉnh có nguồn tài ngun nước mặt tồn tỉnh ưu vô to lớn việc cấp nước tưới cho sản xuất nơng nghiệp Tồn tỉnh có hệ thống hồ chứa, bai dâng, kênh mương phủ rộng khắp địa phương 3.3 Hiện trạng cấp nước tưới cho trồng cạn tỉnh Hịa Bình Tồn tỉnh có hệ thống hồ chứa, bai dâng, kênh mương phủ rộng khắp địa phương bao gồm 1.700 cơng trình phục vụ tưới tưới 11.250 màu 2.000 lâu năm Mơ hình tưới cho trồng cạn tỉnh Hịa Bình 15 mang đầy đủ hình thức tưới đặc trưng vùng TDMNPB gồm: tưới tự chảy tưới động lực 3.3.1 Tưới tự chảy Do đặc điểm địa hình nguồn nước mặt dồi tưới tự chảy địa bàn tỉnh phổ biến nhỏ lẻ, không chủ động 3.3.2 Tưới động lực Với nguồn nước mặt dồi dào, việc sử dụng máy bơm gia đình, đặc biệt sử dụng máy bơm trạm bơm để cung cấp nước tưới cho trồng đã, áp dụng ngày trọng Có nhiều hình thức tưới động lực khác địa bàn tỉnh Hịa Bình, phổ biến hình thức tưới: Hồ → bơm → hệ thống đường ống → vòi phun cầm tay 3.4 Lựa chọn vùng tưới điển hình tỉnh Hịa Bình Khu trồng cam huyện Cao Phong vùng trồng cam có diện tích lớn tồn tỉnh Hịa Bình Huyện Cao Phong có đầy đủ điều kiện thuận lợi để phát triển ngành nông nghiệp nói chung, phát triển trồng cạn nói riêng: có nguồn nước mặt dồi để cấp nước tưới phục vụ cho trồng; có địa hình chia thành ba tiểu vùng đặc trưng tồn tỉnh Hịa Bình vùng TDMNBP; có đặc điểm khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng mang đầy đủ nét đặc trưng tỉnh Hịa Bình nói riêng vùng TDMNPB nói chung 3.5 Xác định quy mơ trạm bơm, chi phí thiết bị chi phí xây dựng theo loại máy bơm Xác định cột nước bơm tưới; xác định lưu lượng thiết kế, lưu lượng yêu cầu tưới hàng năm; loại máy bơm sử dụng để tìm phương án tối ưu: máy bơm nước máy bơm nước ngoài; vào nhu cầu nước trồng giai đoạn thiết kế giai đoạn vận hành khai thác trạm bơm tưới 30 năm tương lai, văn hành, đơn giá xây dựng tính tốn chi phí xây dựng trạm bơm 3.6 Xác định quan hệ đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống hệ số sức cản đơn vị 16 Căn văn hành xác định quan hệ đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống hệ số sức cản đơn vị 3.7 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định phương án tối ưu 3.7.1 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định phương án tối ưu cho vùng điển hình huyện Cao Phong 3.7.1.1 Vùng tưới đại diện Vùng tưới thuộc thị trấn Cao Phong, Zh = 214 m Vùng tưới có: độ dốc i = 20%; có diện tích 150 ha; cột nước địa hình cao vùng tưới 49 m Kết phương án có tổng chi phí nhỏ (Cmin) = 1.102,3 (triệu đồng); NPV = 20.720,3 (triệu đồng) phương án tối ưu: bố trí trạm bơm bơm lên hai bể tháo; sử dụng máy bơm khác bơm lên bể tháo có cao trình khác nhau; mực nước bể hút 214 m; mực nước bể tháo 248 m, mực nước bể tháo 263 m Cột nước địa hình máy Hđh1 = 34 m, máy Hđh2 = 49 m; lưu lượng thiết kế máy bơm Qtk1 = 182 m3/h, máy Qtk2 = 28 m3/h; máy bơm NBG125-80-160/176, máy LT50-54 3.7.1.2 Vùng tưới đại diện Vùng tưới thuộc thị trấn Cao Phong phần diện tích thuộc xã Thu Phong, Zh = 215 m; có diện tích 80 ha; cột nước địa hình cao 40 m; độ dốc 19% Kết phương án có tổng chi phí nhỏ (Cmin) = 734,3 (triệu đồng); NPV = 11.041,2 (triệu đồng) phương án tối ưu: bố trí trạm bơm bơm lên hai bể tháo; sử dụng máy bơm khác bơm lên bể tháo có cao trình khác nhau; mực nước bể hút 215 m; mực nước bể tháo 237,5 m; bể tháo 255 m Cột nước địa hình máy Hđh1 = 22,5 m máy Hđh2 = 40 m; lưu lượng thiết kế máy bơm Qtk1 = 77 m3/h máy Qtk2 = 35 m3/h; máy bơm LT100-27 máy LT45-45 3.7.1.3 Vùng tưới đại diện Vùng tưới thuộc xã Hợp Phong: Zh = 205 m; có diện tích 70 ha; cột nước địa hình cao 35 m; độ dốc i = 21% Kết phương án có tổng chi phí nhỏ (Cmin) = 616,1 (triệu đồng); NPV = 9.661,1 (triệu đồng) phương án tối 17 ưu: bố trí trạm bơm bơm lên hai bể tháo; sử dụng máy bơm khác bơm lên bể tháo có cao trình khác nhau; mực nước bể hút 205 m; mực nước bể tháo 219 m, bể tháo 240 m Cột nước địa hình máy Hđh1 = 14 m, máy Hđh2 = 35 m; lưu lượng thiết kế máy bơm Qtk1 = 56 m3/h, máy bơm Qtk2 = 42 m3/h; máy bơm LT78-15, máy LT45-45 3.7.2 Kiểm tra chương trình tính tốn Kết tính từ chương trình PVBTU so sánh với kết tính từ Excel sau: Bảng 3.15 Bảng kết thiết kế phương án tối ưu chạy phần mềm PVBTU tính tốn Excel tính cho vùng tưới huyện Cao Phong STT Diện tích Hmax (ha) Độ dốc i Kết chạy phần mềm PVBTU Kết tính tốn Excel Sơ đồ bố trí Chi phí xây dựng TB (triệu đồng) C năm (triệu đồng) C tổng (triệu đồng) Sơ đồ bố trí Chi phí xây dựng TB (triệu đồng) C năm (triệu đồng) C tổng (triệu đồng) Sai số (%) 150 49 20% TB bơm lên BT 519,7 582,6 1.102,3 TB bơm lên BT 536,2 593,8 1.130 2,5% 80 40 19% TB bơm lên BT 392,2 342,1 734,3 TB bơm lên BT 401,8 354,1 755,9 3% 70 35 21% TB bơm lên BT 375,4 240,7 616,1 TB bơm lên BT 383,5 252,3 635,8 3,2% *Nhận xét: với vùng tưới điển hình cho thấy: Kết chạy phần mềm lựa chọn phương án tối ưu so với kết tính tốn excel sai số nhỏ 5% sơ đồ bố trí khơng thay đổi, việc sử dụng phần mềm PVBTU để tìm phương án thiết kế tối ưu trạm bơm tưới đáng tin cậy hết giảm khối lượng công việc lớn cho người thiết kế 18 3.7.3 Thiết lập thông số để phân vùng tưới hợp lý cho vùng đất dốc Qua nghiên cứu khảo sát khu canh tác tỉnh Hòa Bình cho thấy, trồng cạn canh tác chủ yếu vùng đất dốc phổ biến 10% ÷ 30% với vùng đồi liên tục có cột nước địa hình phổ biến 25 ÷ 65 m, diện tích phổ biến 50÷150 Để thuận tiện q trình tính tốn, tác giả nghiên cứu với vùng đồi liên tục có cột nước địa hình 25, 35, 45, 55, 65m với diện tích 50, 60 , 150 có độ dốc 10%, 20% 30% Với 55 phương án tương ứng với độ dốc 10%, 20%, 30% tính tốn với 165 vùng tưới giả định Với vùng tưới lại có nhiều phương án thiết kế khác với sơ đồ bố trí khác nhau, từ chọn phương án có tổng chi phí xây dựng chi phí hàng năm nhỏ phương án thiết kế tối ưu Từ bảng kết chạy phương án tối ưu vùng tưới có số liệu 165 vùng tưới đề xuất, tác giả sử dụng phần mềm excel để xây dựng mối quan hệ chi phí xây dựng trạm bơm diện tích vùng tưới ứng với cột nước địa hình vùng tưới khác với độ dốc khác 3.7.4 Xây dựng bảng tra thông số thiết kế trạm bơm Từ bảng kết tính tốn, tác giả xây dựng bảng tra thơng số thiết kế trạm bơm ứng với vùng đất dốc có độ dốc 10%, 20% 30% Vì bảng tra kết gồm nhiều bảng thành phần nên khn khổ phần tóm tắt luận án, tác giả đưa sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới vùng tưới có cột nước địa hình đại diện 45 m với diện tích từ 80 ÷ 120 cột nước địa hình 55 m với diện tích 50, 60 ứng với độ dốc 20% phần bảng tra 3.17 đây: 19 Bảng tra sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới với vùng tưới có diện tích 80 ÷120 với cột nước địa hình 45m diện tích 50, 60 có cột nước địa hình 55m ứng với độ dốc 20% Độ dốc 20% Hmax (m) DT (ha) 80 90 45 100 110 120 50 Sơ đồ bố trí TB bơm lên bể tháo TB bơm lên bể tháo TB bơm lên bể tháo TB bơm lên bể tháo trạm bơm bơm lên bể tháo Hai trạm nối tiếp Hđh1 Hđh2 15 45 Hđh1/Hmax Hđh2/Hmax 0,33 1,00 47,6 15 15 33 24 15,28 45 45 45 45 39,72 0,33 0,33 0,73 0,53 0,28 Hai trạm nối tiếp 15,28 39,72 0,28 Qtr2 (m3/h) 64,4 1,00 58,8 67,2 70 70 127,4 26,6 1,00 1,00 1,00 114,8 53,2 70 44,33 84 49,93 0,72 55 60 Qtr1 (m3/h) 0,72 Loại máy bơm (MB) MB1: LT7815; MB2: LT45-45 MB1: LT7815; MB2: LT45-45 MB1: LT7815; MB2: LT10569 MB1: NBG125-80160/170; MB2: LT45-45 MB1: LT10027; MB2: LT45-45 Trạm MB: LT78-15; Trạm MB: LT45-45 Trạm MB: LT78-15; Trạm MB: LT45-45 (Trích dẫn phần bảng tra 3.17) *Cách sử dụng bảng tra: Trong công tác tư vấn thiết kế, để thiết kế hệ thống tưới cho trồng cạn vùng đất dốc, người thiết kế phải tính tốn, so sánh nhiều phương án để chọn phương án hợp lý Có thể ứng dụng kết nghiên cứu cụ thể bảng tra để xác định nhanh chóng phương án thiết kế: Kết luận chương Tác giả vận dụng luận khoa học trình bày chương để ứng dụng lựa chọn sơ đồ bố trí thông số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng 20 đất dốc cho cam tỉnh Hòa Bình Từ kết nghiên cứu tác giả có số nhận xét sau: Đã giới hạn thông số đầu vào phù hợp với điều kiện thực tế tỉnh Hịa Bình vùng TDMNPB Kết nghiên cứu xác định phương án tối ưu cho ba vùng điển hình cho thấy nghiên cứu có ý nghĩa mặt kinh tế Tác giả thiết lập phương án tối ưu ứng với 165 vùng tưới, từ tác giả xây dựng bảng tra với vùng tưới có cột nước địa hình, diện tích, độ dốc khác giúp người thiết kế ứng dụng kết nghiên cứu để xác định nhanh chóng phương án thiết kế để thiết kế hệ thống tưới cho trồng cạn vùng đất dốc KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Cây trồng cạn ngày phát triển, diện tích gieo trồng tăng lên hàng năm vùng đất dốc khu vực TDMNPB, đặc biệt trồng có giá trị kinh tế cao ngày trọng Thực tế cho thấy, việc xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu trạm bơm tưới phù hợp với điều kiện nguồn nước, địa hình, loại trồng, phục vụ tưới cho trồng vùng đất dốc vừa đảm bảo kỹ thuật mà chi phí đầu tư xây dựng chi phí quản lý vận hành nhỏ nghiên cứu có ý nghĩa lớn mặt khoa học học thuật Luận án dựa sở khoa học nghiên cứu lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc Dưới kết luận kiến nghị rút từ nghiên cứu trình bày chi tiết luận án Những kết đạt 1) Đã điều tra, thu thập, phân tích, đánh giá liệu vùng TDMNPB vùng tiềm phát triển trồng có giá trị kinh tế cao Đã tổng hợp, phân tích, nhận xét số nghiên cứu liên quan đến giải pháp cấp nước tưới cho vùng TDMNPB từ đưa phân tích, đánh giá, nhận xét trạng giải pháp cấp nước tưới cho trồng cạn vùng đất dốc Kết cho thấy, thường sử dụng phương pháp tưới hồ → bơm → hệ thống đường ống → vòi phun cầm tay 2) Đã thiết lập toán xây dựng phương pháp giải sử dụng phương pháp 21 mơ tối ưu hóa Hàm mục tiêu lựa chọn tổng chi phí xây dựng tổng chi phí quản lý vận hành vịng đời dự án quy năm đầu có giá trị nhỏ nhất; bước giải gồm: bước xem xét sơ đồ bố trí trạm bơm với sơ đồ bố trí lại xét nhiều phương án khác cao trình mực nước bể tháo, diện tích phụ trách, tổ hợp sơ đồ bố trí quy mơ trạm bơm khác có nhiều phương án thiết kế khác nhau; bước với phương án thiết kế, tính tốn thơng số thiết kế trạm bơm, từ chọn số máy bơm loại máy bơm; bước chi phí xây dựng trạm bơm xác định dựa thiết kế định hình trạm bơm đơn giá hành địa phương Từ tài liệu về: nhu cầu dùng nước, diện tích khu tưới, địa hình vùng tưới, xác định chi phí điện chi phí hàng năm Cuối xác định loại chi phí phương án; bước so sánh kinh tế phương án tiêu tối ưu xác định phương án hợp lý 3) Đã xây dựng phần mềm tính tốn “Chương trình phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc” ngôn ngữ VB 6.0, gồm modul: modul đọc số liệu, modul tính thơng số thiết kế, modul chọn máy bơm, modul tính chi phí xây dựng, modul tính chi phí điện chi phí hàng năm, modul tính giá trị hàm mục tiêu xác định phương án tối ưu phục vụ cho công tác thiết kế vận hành hệ thống cấp nước tưới cho vùng đồi núi, từ chương trình tác giả phân tích cách nhanh chóng nhiều phương án tốn tối ưu hóa từ tìm lời giải tốt diện tích phục vụ máy bơm, trạm bơm với nhiều phương án bố trí hệ thống bơm khác 4) Đã ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng cạn huyện Cao Phong từ chứng minh khả ứng dụng phương pháp nghiên cứu, phần mềm phân vùng bơm tối ưu mơ hình tính toán quy hoạch, thiết kế trạm bơm tưới: xác định sơ đồ bố trí; thơng số thiết kế trạm bơm tưới 5) Đã thiết lập bảng tra lựa chọn sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho vùng đất dốc đại diện cho vùng TDMNPB thuộc tỉnh 22 Hịa Bình 6) Ứng dụng kết nghiên cứu để xác định nhanh chóng phương án thiết kế cơng trình cấp nước hợp lý cho trồng cạn vùng TDMNPB nói riêng cho vùng đất dốc nói chung Những đóng góp luận án - Xây dựng phương pháp giải chương trình máy tính để xác định sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng cạn vùng đất dốc có xét đến biến đổi khí hậu - Thiết lập bảng tra sơ đồ bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới (cột nước, lưu lượng, số máy, loại máy) cho 165 vùng tưới giả định đại diện cho vùng tưới khu vực tỉnh Hịa Bình giúp người thiết kế nhanh chóng lựa chọn phương án thiết kế trạm bơm tưới hợp lý cho vùng đất dốc Tồn hướng phát triển Nghiên cứu cịn hạn chế luận án nghiên cứu cho vùng tưới có địa hình liên tục mà chưa nghiên cứu vùng tưới có địa hình chia cắt vùng đất dốc Nghiên cứu xét đến hình dạng vùng tưới hình chữ nhật có tỷ lệ cạnh dài cạnh ngắn ≤ 1,5 mặt đất dốc Các nghiên cứu nghiên cứu với vùng tưới có hình dạng khác để tìm quy luật tổng qt Trong nghiên cứu này, chương trình máy tính với phần mềm PVBTU sử dụng để giải toán, phần mềm PVBTU coi sản phẩm cơng nghệ có khả chuyển giao tốt Các nghiên cứu cần hoàn thiện phần mềm để sử dụng thuận tiện Kiến nghị Qua trình nghiên cứu, tác giả đưa kiến nghị cần nghiên cứu cho trồng cạn khác như: dứa, cà phê, chè, 23 Trong nghiên cứu giá điện tính thời điểm tính tốn, tác giả kiến nghị nghiên cứu có xét đến thay đổi giá điện Nghiên cứu nghiên cứu với mơ hình khí hậu tương ứng với kịch biến đổi khí hậu RCP4.5 Bộ Tài nguyên Môi Trường công bố mà chưa nghiên cứu với mơ hình khí hậu tương ứng với kịch biến đổi khí hậu RCP8.5, tác giả kiến nghị nghiên cứu với mơ hình khí hậu tương ứng với kịch biến đổi khí hậu RCP8.5 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Vũ Thị Doan, Ngô Lê An, Nguyễn Tuấn Anh “Ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước tưới cam tỉnh Hịa Bình,” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi môi trường, 76, trang 65-73, 2021 Vũ Thị Doan, Nguyễn Tuấn Anh “Một phương pháp xác định thông số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho trồng vùng đồi núi,” Tạp chí Tài nguyên nước, 04, trang 75-79, 2022 Vũ Thị Doan, Nguyễn Tuấn Anh “Xác định hình thức bố trí thơng số thiết kế tối ưu trạm bơm tưới cho ba vùng điển hình huyện Cao Phong, tỉnh Hịa Bình,” Hội nghị Khoa học thường niên Đại học Thủy lợi, Hà Nội, 2022, trang 465-467 Vũ Thị Doan, Nguyễn Tuấn Anh “Ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến điện tiêu thụ trạm bơm tưới cho trồng cạn: nghiên cứu điển hình cho trạm bơm tưới huyện Cao Phong, tỉnh Hịa Bình,” Tạp chí Tài ngun nước, 03, trang 60-66, 2023