Luận án tiến sĩ Kỹ thuật tài nguyên nước: Đề xuất mô hình dự báo hệ thống phân phối nước bị ô nhiễm

Đề tài thực hiện với các nội dung chính: 1 đánh giá khả năng xuất hiện điểm vỡ trên hệ thống phân phối nước; 2 xác định khoảng dao động của áp suất nước va âm do đóng van trên ống dẫn nư

Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nước sạch là một trong những nhu cầu cơ bản nhất của cuộc sống con người Tuy nhiên, vấn đề cung cấp nước đến người dân không đảm bảo chất lượng vẫn đang diễn ra và chưa có biện pháp kiểm soát hiệu quả Từ năm 1974 - 2001, các dịch bệnh do nguồn nước uống đã xảy ra từ Bắc Mỹ đến Tây Âu, mặc dù những nước này có nền kinh tế giàu có và công nghệ xử lý hiện đại [1] Nổi bật như sự cố ô nhiễm nước uống ở Chicago

- Mỹ năm 1933 làm cho 1409 người mắc bệnh lị trong đó 98 đã tử vong; tại Walkerton, Canada năm 2000 có 2300 người bị viêm dạ dày, 7 người tử vong do uống phải nước bị ô nhiễm, tiêu tốn 64,5 triệu đô la của chính phủ, người dân phải sử dụng nước đóng chai trong 6 tháng sau đó vì mất niềm tin vào chất lượng nước cấp [1] Qua đây cho thấy luôn tồn tại nguy cơ ô nhiễm trong hệ thống phân phối nước (HTPPN) và nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người tiêu thụ

Với mục tiêu xác định mức độ ảnh hưởng của nguồn nước uống tới sức khỏe cộng đồng, những nghiên cứu dịch tễ học về các bệnh có liên quan đến nước cung cấp từ HTPPN đã được thực hiện Tác giả Payment [2] đã đưa ra bằng chứng về bệnh tiêu hóa lây lan qua đường nước uống bằng cách kiểm tra sức khỏe của những người uống nước máy (nhóm 1) so với nhóm 2 là người dùng nước xử lý bằng thẩm thấu ngược Nghiên cứu đã xác định được nhóm 1 có số người viêm dạ dầy và ruột nhiều hơn Ngoài ra các bệnh như đau mắt hột, sốt rét, viêm gan siêu vi A, sốt thương hàn cũng có khả năng truyền nhiễm qua đường nước uống [3] Điều đáng quan tâm ở đây là các loại bệnh này thường lây lan nhanh và trên diện rộng, nếu không kịp thời để ngăn chặn dễ dẫn đến tử vong và bùng phát thành dịch bệnh [4] Những người dân ở mọi độ tuổi đều có thể bị nhiễm bệnh, đặc biệt là những trẻ nhỏ do sức đề kháng kém, thì khả năng mắc bệnh cao hơn nhiều so với người lớn Vì vậy, vấn đề cấp thiết đặt ra là phải ngăn chặn mầm bệnh từ nguồn nước cung cấp cho người tiêu thụ

2 Thực trạng cho thấy nước sạch bị ô nhiễm có thể xuất hiện tại bất kỳ vị trí nào trên hệ thống phân phối và không được dự báo trước, tuy nhiên nguyên nhân gây ô nhiễm thì có thể phân thành hai loại chính, một là tác động bên ngoài vào hệ thống, hai là bản thân bên trong đường ống sinh ra Trên các hệ thống với nhiều điểm kết nối, chuyển hướng và các trạm bơm cục bộ, ở những vị trí này rất dễ xảy ra sự cố làm cho nguồn nước không sạch ở bên ngoài có thể xâm nhập hệ thống [5] Nước từ hệ thống thoát nước hoặc nước ngầm bị ô nhiễm có thể được hấp thụ vào hệ thống ống dẫn nước sạch Áp suất thấp trong ống kết hợp với lưu lượng dòng chảy nhỏ cũng tạo điều kiện cho vi sinh vật gây bệnh vào hệ thống [6] Chưa nói đến sự cố các đường ống bị vỡ trong quá trình xây dựng, đây là lợi thế cho rất nhiều vi khuẩn vào hệ thống [7] Ngoài ra nếu đường ống phân phối không được sửa chữa và bảo dưỡng định kì, hàm lượng Clo dư trong nước sẽ thực hiện phản ứng oxy hóa khử tạo ra một lượng cặn nhất định gây lắng đọng trong hệ thống đường ống làm cho nước bị ô nhiễm [8]

Từ các luận điểm trên cho thấy nước trong HTPPN có nguy cơ bị ô nhiễm, dù nguồn ô nhiễm từ bên trong hay do bên ngoài tác động vào thì đều có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng Hơn thế nữa, nó còn tác động đáng kể đến nền kinh tế quốc gia do chi phí để chữa trị các loại bệnh gây ra do nước bị ô nhiễm là khá cao bao gồm cả chi phí điều trị y tế, thuốc men, vận chuyển, nghiên cứu điều trị và vắc-xin, mất nguồn nhân lực Vì vậy, dự báo nguy cơ ô nhiễm trên HTPPN là vấn đề cấp thiết cần phải đưa ra trong quá trình thiết kế và quản lý hoạt động của hệ thống.

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ sở lý luận, thực nghiệm và kế thừa kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó phát triển cho vấn đề nghiên cứu Việc tính toán phân tích ba yếu tố nguy cơ và ước lượng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này tới sự kiện ô nhiễm nước trong đường ống, từ đó xây dựng mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm Đây chính là cơ sở và ý nghĩa khoa học của luận án Bên cạnh đó, quá trình áp dụng mô hình đề xuất cho các HTPPN thực tế đạt được kết quả tốt cũng đã đóng góp và làm phong phú thêm kiến thức chuyên ngành trong lĩnh vực này

Tính thực tiễn của nghiên cứu Đề xuất các mô hình toán nhằm dự báo giúp các nhà quản lý trong công tác đánh giá khả năng ống bị vỡ từ đó giảm thiểu tỉ lệ rò rỉ nước trên mạng lưới đường ống, xem xét quy trình vận hành đóng van để hạn chế khả năng xảy ra áp suất âm, giải quyết các giao cắt giữa ống cấp nước và thoát nước hiệu quả hơn, đồng thời đưa ra giải pháp bảo vệ môi trường nước trong ống không bị ô nhiễm

Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở cho các Công ty cấp nước tham khảo đưa ra chiến lược cấp nước an toàn cũng như lập kế hoạch nâng cao chất lượng nước cung cấp, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững phục vụ cộng đồng tốt hơn, tạo niềm tin cho các đối tượng sử dụng nước

Xác định ô nhiễm nước trên HTPPN là vấn đề nhạy cảm và ảnh hưởng trực tiếp tới uy tín của công ty cấp nước nên rất khó để thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm Việc vận dụng hướng tiếp cận và phương pháp luận mà luận án đề xuất sẽ giải quyết được khó khăn này Không những thế mô hình đề xuất còn ứng dụng được cho các HTPPN thực tiễn và đạt kết quả dự báo tốt.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện với hai mục tiêu sau:

- Xác định được cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình đánh giá khả năng xảy ra ba yếu tố nguy cơ và dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

- Đề xuất mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm và quy trình thực hiện.

Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc các tư tiệu, tài liệu, cũng như kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án Cụ thể luận án đã kế thừa các lý thuyết mô hình hồi quy logistic và cây quyết định, cũng như các lý thuyết về tính toán nước va, logic mờ Bên cạnh đó là các phương trình toán về độ nhạy trung bình của hàm thuộc, phương trình xác định biên của dòng thấm rò rỉ từ cống và mương thoát nước

- Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu: Thu thập, hệ thống hoá, xử lý, phân tích tài liệu từ đó thiết lập tập số liệu đầu vào cho mô hình luận án đề xuất

- Phương pháp điều tra thực địa: Sử dụng phương pháp này điều tra hiện trạng hệ thống cấp thoát nước trong các khu vực nghiên cứu thực tế, nhằm bổ sung tài liệu, điều chỉnh thông tin và kiểm chứng kết quả nghiên cứu

- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình cây quyết định để dự báo nguy cơ ống vỡ trên HTPPN, mô hình HAMMER để xác định giá trị áp suất âm trên từng ống cấp

5 nước, mô hình hệ thống suy luận mờ để ước lượng khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước và khả năng ống cấp nước bị ô nhiễm

- Phương pháp chuyên gia: Sử dụng để tăng thêm nguồn thông tin, độ tin cậy trong các kết quả nghiên cứu của luận án, giúp cho việc lựa chọn các phương án giải quyết các vấn đề đặt ra chính xác hơn Các chuyên gia được tham khảo ý kiến bao gồm các nhà khoa học có kinh nghiệm trong các lĩnh vực liên quan đến mạng lưới cấp thoát nước, cán bộ quản lý tại các công ty cấp thoát nước.

Cấu trúc luận án

Trên cơ sở các mục tiêu đề ra, đảm bảo tính logic trong trình bày vấn đề nghiên cứu, luận án được cấu trúc như sau:

Giới thiệu lý do lựa chọn đề tài và định hướng mục tiêu và phạm vi cần nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan tới mục tiêu đã định hướng để từ đó xây dựng nội dung thực hiện để đạt được mục tiêu cụ thể

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp luận

Trình bày cơ sở lý thuyết của các mô hình dự báo ống vỡ, mô hình mô phỏng áp suất âm và nguồn ô nhiễm có khả năng ảnh hưởng tới ống cấp nước từ đó đề xuất phương pháp nghiên cứu và các bước thực hiện Đồng thời giới thiệu các công cụ sử dụng cho các mô hình đề xuất

Chương 3: Ứng dụng mô hình dự báo nguy cơ ô nhiễm cho HTPPN thực tế và thảo luận

Trình bày kết quả xây dựng mô hình đã đề xuất trong Chương 2 cho số liệu của ba HTPPN thực tế, từ đó thảo luận về tính chính xác và độ tin cậy của mô hình

Kết luận và kiến nghị: Kết luận nội dung đã thực hiện, những đóng góp mới của luận án và kiến nghị hướng phát triển trong tương lai

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO NGUY CƠ

Nguy cơ vỡ ống trên HTPPN

Mỗi ngày, các công ty cấp nước đều ghi nhận các sự cố vỡ trên tuyến ống đặc biệt là các tuyến ống dịch vụ và vẫn tốn thêm chi phí để tìm rò rỉ trên các tuyến ống cấp I, II [20] Theo báo cáo của một số công ty cấp nước ở Việt Nam tính đến năm 2014 thì tỉ lệ thất thoát nước lên đến hơn 50% tổng lượng nước đưa vào mạng lưới [15] trong đó những đô thị lớn có tỉ lệ rò rỉ nước tương đối cao như thành phố Hồ Chí Minh tính đến năm

2015 trên HTPPN là 34% gây thất thu trên 950 tỷ đồng 1 năm, hay công ty VIWACO (Hà Nội) lên đến 60% [15] Vậy nên các nghiên cứu về giảm tỉ lệ này được quan tâm nhiều hơn Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng như giảm áp suất làm việc của đường ống [16], quy hoạch phân vùng tách mạng để nâng cao hiệu quả quản lí mạng lưới cấp nước [17] Hay các đề xuất xác định vị trí rò rỉ bằng công nghệ phát hiện rò rỉ [18] và tự động hóa kết hợp các thiết bị cảm biến [19] Tuy nhiên thực hiện các giải pháp này các công ty cấp nước cần có thời gian, nguồn nhân lực và chi phí tương đối lớn Vậy nên đánh giá khả năng vỡ ống không những phục vụ cho công tác dự báo HTPPN bị ô nhiễm mà còn là cơ sở để giảm thiểu tỉ lệ nước bị thất thoát trên đường ống cấp nước tốt hơn

Nguyên nhân vỡ ống có thể do tác động từ tự nhiên như động đất thiên tai, đây là những trường hợp rất khó để kiểm soát và đề phòng vậy nên chỉ có thể đưa ra giải pháp ứng phó và khắc phục hệ thống trong những trường hợp này Ngoài ra, các hoạt động bên ngoài như thi công các công trình ở khu vực đặt ống; khả năng chịu tải của mặt đường

9 phía trên ống dẫn nước thấp hơn tải trọng xe chạy gây nên gẫy ống cũng rất khó để dự báo trước Mặc dù đã có những cải tiến để tăng khả năng chịu lực của vật liệu và các biện pháp bảo vệ khỏi tải trọng động nhưng vẫn không tránh khỏi những hư hỏng trong những trường hợp này Các sự cố này có thể xem là trường hợp đặc biệt cần quan tâm trong quá trình quản lí và vận hành mạng lưới

Bỏ qua những sai sót trên sản phẩm cũng như quy trình thi công thì nguyên nhân dẫn đến vỡ đường ống chủ yếu là do ăn mòn [20] hoặc lực tác động từ môi trường trong và ngoài [21], một số đoạn ống thường xuyên xảy ra vỡ thì cần xem xét cả hai nguyên nhân này Đôi khi chi phí để sửa chữa đoạn ống nhiều lần sẽ cao hơn so với việc lắp đặt ống mới [22] Bên cạnh đó hoạt động sửa chữa cũng làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng phục vụ của hệ thống, chưa kể đến khả năng làm gián đoạn giao thông tại khu vực sửa chữa ống

Các nghiên cứu ở Việt Nam về dự báo khả năng xuất hiện điểm vỡ thường được thực hiện trên mô hình WaterGEMs của công ty Bentley, bằng cách đưa vào mô hình các số liệu ống vỡ trong quá khứ và giá trị áp suất đo được tại một số điểm trên HTPPN [23], kết quả mô hình là cơ sở để dò tìm điểm vỡ và có kế hoạch sửa chữa đường ống Đây là phương pháp hữu ích giúp công tác phát hiện điểm vỡ chính xác hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực cho các đơn vị quản lí Ngoài ra một số giải pháp về phân vùng tách mạng [17] cũng được đề cập tới để hỗ trợ cho công tác phát hiện rò rỉ nhanh hơn bằng cách giám sát áp suất và lưu lượng tiêu thụ trong từng vùng nhỏ qua hệ thống thông tin địa lý và mô hình thủy lực của HTPPN [24] Tuy nhiên dựa vào kết quả của mô hình chỉ khoanh vùng khu vực rò rỉ chứ không thể dự báo khả năng vỡ cho tất cả các đoạn ống trên hệ thống, vậy nên cần có một hướng tiếp cận khác đề xác định khả năng vỡ của từng ống Đã có nhiều nghiên cứu tìm hiểu nguyên nhân vỡ ống trên mạng lưới phân phối để từ đó dự báo khả năng vỡ ống, kết quả của nghiên cứu là cơ sở để đưa ra kế hoạch sửa chữa và bảo dưỡng mạng lưới phân phối nước Theo thời gian các phương pháp cũng như nội dung nghiên cứu được mở rộng và xem xét vấn đề toàn diện hơn, các kết quả được mô phỏng cho gần với thực tế nhất Có thể tóm lược nội dung nghiên cứu theo thời gian như

10 Hình 1.3 Trong quá trình làm việc của đường ống hiện tượng ăn mòn xảy ra do tác động từ môi trường đất bên ngoài [25] cũng như môi trường nước trong ống [26] Chiều sâu vết ăn mòn được xác định theo biến đại diện là thời gian ống làm việc [22] Bên cạnh đó đặc điểm cơ học của vật liệu [27]; lỗi do nhà sản xuất; kỹ thuật thi công sai; vị trí đặt ống cũng có ảnh hưởng nhất định tới giá trị này [28] Tuy nhiên, tuổi thọ ống dẫn không chỉ giảm do ăn mòn của môi trường mà bản thân vật liệu ống cũng thay đổi khả năng chịu lực dưới tác dụng của tải trọng phát sinh từ môi trường ống làm việc như thiên tai, động đất hoặc các sự kiện ngẫu nhiên [29] và dao động của giá trị áp suất bên trong dẫn [30] Ngoài ra các đại lượng đặc trưng để phân loại năng lực làm việc của ống còn có đường kính, chiều dài, vật liệu và khu vực đặt ống [31]

Hình 1.3 Các yếu tố dẫn đến hiện tượng ống vỡ trên HTPPN

Số lần vỡ ống trước đây được xem như một biến nhiễu ảnh hưởng tới khả năng ống vỡ Khảo sát hệ thống cấp nước của Binghamton cho thấy cần thay thế một số đoạn ống vỡ

Trong Ngoài Ăn mòn Điều kiện vật lí Động Tĩnh D,L, khu vực đặt ống,

Lịch sử vỡ Tải trọng

MH SM: Mô Hình Số Mũ

MH HQ Bayesian: Mô Hình Hồi Quy

MH ANN : Mô Hình Mạng Trí Tuệ Nhân

MH HQTT: Mô Hình Hồi Quy Tuyến Tính

MH HQĐB : Mô Hình Hồi Quy Đa Biến

MH HQP : Mô Hình Hồi Quy Poisson

MH HQLT: Mô Hình Hồi Quy Logistic Tổng Quát

11 liên tục và cần phải thay thế ống mới, vì nếu không thay thì chi phí sửa chữa liên tục sẽ lớn hơn nhiều so với chi phí thay mới [22] Một khẳng định tương tự cũng được tác giả Gorji - bandpy [32] đưa ra: Khoảng thời gian xảy ra vỡ lần sau sẽ ngắn hơn lần trước

Xem xét dữ liệu thống kê các yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện vỡ ống để dự báo khả năng ống vỡ các tác giả thường sử dụng mô hình số mũ, hồi quy tuyến tính, mô hình Bayesian, Poisson Mỗi mô hình có một ưu điểm riêng và phù hợp với số liệu khảo sát

Nhận định ban đầu cho rằng khả năng ống vỡ phụ thuộc vào thời gian làm việc, tác giả Shamir and Howard [33] đã đưa ra mô hình số mũ để mô tả hiện tượng này và mô hình tiếp tục được phát triển bởi Rajani [34] Phương trình số mũ mô tả số lần vỡ trên một đơn vị chiều dài tại thời gian t như sau:

N t N t e  (1.1) với N(t0) là số lần vỡ ở thời điểm ban đầu và A là tỉ lệ tăng của số lần vỡ trong khoảng thời gian từ t0 đến t Các tham số này được thay đổi để phù hợp với từng tập dữ liệu khảo sát tuy nhiên dữ liệu này không đề cập tới các yếu tố liên quan như môi trường làm việc của ống, điều kiện áp suất, môi trường trong và ngoài ống Nên dẫn đến nhược điểm của phương pháp là khi xem xét số điểm vỡ trên một đoạn ống cấp nước thì các ống truyền dẫn có chiều dài lớn sẽ có số lần vỡ nhiều và các đoạn ống nhánh phân phối có chiều dài nhỏ và tỉ lễ vỡ ống cao nhưng lại đưa ra kết quả số lần vỡ ít hơn nhiều Như vậy cần phải xem xét tới các đặc điểm hình học của mạng lưới cấp nước nhiều hơn khi áp dụng mô hình số mũ

Mô hình hồi quy Bayesian

Hồi quy Bayesian là mô hình mới được áp dụng trong các nghiên cứu gần đây, với những ưu điểm của lý thuyết Bayes giúp bài toán có kết quả chính xác hơn các phương pháp trước Tác giả Golam Kabir [35] đã xây dựng mô hình hồi quy Bayesian trên cơ sở lý thuyết tính xác suất của sự kiện ống vỡ M1 và biến cố đối của M1 là M2 (không xảy ra vỡ) có tính đến dữ liệu lịch sử ống vỡ khảo sát được từ thực tế là y bằng công thức xác suất như sau:

Trong đó p(y|M1), p(y|M2) là xác suất xảy ra sự cố ống vỡ trong tập số liệu khảo sát y khi có các điều kiện M1, M2 Dữ liệu y bao gồm các yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện ống vỡ và môi trường xung quanh ống Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các tính chất vật lí ống dẫn quan trọng hơn tác động của môi trường đặt ống Tuy nhiên xác suất dự báo phụ thuộc nhiều vào xác suất tiền định (p(y|M1), p(y|M2)), với các giá trị của biến không dẫn đến sự cố vỡ ống trong lịch sử thì mô hình dự báo xác suất không chính xác

Mô hình hồi quy Poisson

So sánh hiệu quả các mô hình hồi quy tuyến tính, hồi quy logistic tổng quát, Poisson, số mũ tác giả Yamijala [36], trong đó mô hình hồi quy Poisson phân tích theo công thức:

Nguy cơ áp suất âm trên xuất hiện trên ống cấp nước

Nước va là sự biến thiên áp suất trong các ống có áp khi chất lỏng chuyển động không ổn định dưới tác dụng của lực quán tính [40] Áp suất nước va âm xuất hiện đột ngột trên đường ống cấp nước tạo nên sự chênh lệch áp suất giữa bên ngoài và bên trong là yếu tố nguy cơ thứ hai làm chất ô nhiễm có thể đi vào đường ống Giá trị áp suất nước va âm trên ống cấp nước có thể được xác định theo các phương pháp sau:

Phương pháp cơ học: Đóng van đột ngột trên đường ống để đo giá trị áp suất nước va âm xuất hiện Phương pháp này rất tốn kém và làm gián đoạn quá trình hoạt động của hệ thống cấp nước Ngoài ra việc xác định áp suất nước va âm trên từng đường ống sẽ tốn rất nhiều thời gian và nhân công thực hiện nên phương án này là không khả thi

Phương pháp toán học: Áp dụng lý thuyết toán học hiện tượng nước va trong hệ thống đường ống được mô phỏng bằng các phương pháp khác nhau như phương pháp hình học, phương pháp đặc trưng hay phương pháp số Tuy nhiên việc giải các phương trình toán học chỉ phù hợp cho nước va trên các đoạn ống ngắn, đơn giản đối với những ống phức tạp thì việc giải thủ công sẽ dẫn đến các sai số và mất rất nhiều thời gian

Phương pháp mô hình hóa: Trên cơ sở lý thuyết của phương pháp hình học và phương pháp đặc trưng, mô phỏng nước va được thực hiện trên phần mềm thương mại hoặc ngôn ngữ lập trình Theo thời gian, các lý thuyết tính toán nước va dần dần được cải thiện, đặc biệt với sự phát triển của công nghệ thông tin đã giúp các nghiên cứu có kết quả đa dạng hơn về diễn biến của nước va trong các đoạn ống dẫn Để mô phỏng được chính xác cần hiệu chỉnh mô hình bằng số liệu thực tế hoặc mô hình thí nghiệm

Trong trường hợp hệ thống thực tế tương đối đơn giản thì phương pháp cơ học ba phương pháp trên thì phương pháp mô hình hóa được sử dụng nhiều hơn, một số nghiên cứu điển hình sử dụng phương pháp này được công bố từ năm 1977 đến năm 2015 như trong Bảng 1.1

Tác giả Wylie đã tính toán nước va trong ống đơn giản bằng phương pháp đặc trưng và phương pháp hình học [41] Sử dụng ngôn ngữ lập trình FORTRAN tác giả đã đưa ra một số ví dụ trên ống có đường kính thay đổi hoặc không đổi, rẽ nhánh hoặc ống thẳng Nội dung tài liệu đưa ra có tính thực tiễn cao và dễ dàng áp dụng để phát triển lập trình cho các mạng lưới đường ống phức tạp hơn

Nghiên cứu của Dídia Covas cũng đã chứng minh mức độ ảnh hưởng của hệ số tổn thất qua van, các tính chất vật lý của nước cũng như đặc điểm của vật liệu ống tới độ lớn của áp suất nước va trong ống dẫn bằng thử nghiệm và mô hình toán [42] Vật liệu ống sử dụng cho thí nghiệm là PE, tuy nhiên khi lắp đặt trong hệ thống thí nghiệm thì các thông

15 số cơ học của vật liệu chỉ mang tính tương đối, yếu tố ảnh hưởng nhiều hơn tới áp va là vị trí của ống trên mạng lưới cũng như lịch sử thay đổi ứng suất và biến dạng của đường ống

Bảng 1.1 Các nghiên cứu điển hình về hiện tượng nước va

TT Năm Tác giả Tiêu đề Cơ sở lý thuyết Công cụ

1 1977 Wylie Dòng chảy biến động [41]

Phương pháp đặc trưng Phương pháp hình học

Covas Ảnh hưởng của động lực học lên tính nhớt đàn hồi của thành ống cấp nước trong thủy lực biến động Phần I- Thí nghiệm phân tích và phát triển đặc tính [43]

Mô hình dòng chảy không ổn định

Mô hình thí nghiệm và phương trình toán học

Covas Ảnh hưởng của động lực học lên tính nhớt đàn hồi của thành ống cấp nước trong thủy lực biến động Phần II- Thí nghiệm phân tích và phát triển đặc tính [42]

Hiệu chỉnh mô hình và so sánh kết quả

Phân tích biến động thủy lực trong mạng lưới ống bằng phương pháp đặc trưng [44]

Thí nghiệm mô phỏng và mô hình toán

Dự báo nguy cơ chất lượng nước không đảm bảo trong mạng lưới phân phối dưới điều kiện không chắc chắn sử dụng phân tích cây lỗi [45]

Lập trình Fortran và phần mềm ABAQUS

Phân tích độ chính xác và an toàn của dòng chảy biến động trong đường ống dài [46]

Lập trình Fortran và phần mềm ABAQUS

Xác định các đặc trưng và đề xuất giải pháp chống nước va trong hệ thống cấp nước bằng phần mềm HAMMER V8 [47]

M A Bouaziz [45] đánh giá tác động của áp va tới thành ống dẫn khi đóng van trên ba đoạn ống nối tiếp trong trường hợp có bơm và không có bơm, so sánh kết quả cho thấy

16 trong trường hợp có bơm giá trị áp va dương tăng từ 30% đến 40% và có khả năng phá hủy cấu trúc ống dẫn Tiếp nối nghiên cứu của M A Bouaziz tác giả M Dallali et al [46] xác định khoảng cách ảnh hưởng của nước va trên ống dài nối giữa bể chứa nước và van Bằng ngôn ngữ lập trình, tác giả đã mô phỏng quá trình lan truyền sóng áp va do đóng van theo chiều dài ống, từ đó xác định độ lớn của áp va tác dụng lên thành ống dẫn để đánh giá độ bền ống Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đặc trưng để tính toán tuy nhiên trường hợp mô phỏng mới dừng lại trên một đoạn ống dài, chưa xét tới các tổn thất cục bộ nếu có liên kết vòng hoặc phân nhánh với các ống khác

Tác giả Đăng An [47] đã đề xuất sử dụng phần mềm HAMMER V8 để tính toán nước va trên tuyến ống từ trạm bơm đi ra từ đó đề xuất giải pháp chống va cho đường ống, nội dung nghiên cứu tập trung xem xét giá trị áp suất nước va pha dương có khả năng gây phá hủy công trình nhưng lại không đề cập tới độ lớn của áp va pha âm Kết quả nghiên cứu đã cho thấy phần mềm HAMMER V8 là công cụ hữu ích khi quan sát diễn biến của hiện tượng nước va trên mạng lưới cấp nước

- Mạng lưới cấp nước thực tế là tập hợp các loại đường kính khác nhau được liên kết bằng các mạng vòng và nhánh phức tạp Để mô phỏng áp suất âm có khả năng xuất hiện trên từng ống cấp nước sẽ mất rất nhiều thời gian và ảnh hưởng tới sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người sử dụng cũng như hệ thống đường ống Vậy nên luận án sử dụng phương pháp mô hình hóa để nghiên cứu HTPPN thực tế

- Trong các kết quả đã công bố về hiện tượng nước va cho thấy áp suất dòng chảy trong đường ống dẫn thay đổi đáng kể so với điều kiện làm việc ổn định của đường ống, tuy nhiên các tác giả chưa đưa ra sự thay đổi của giá trị áp suất nước va trên toàn mạng lưới cấp nước Hơn nữa, đa số các nghiên cứu chỉ xét đến độ lớn áp suất nước va dương mà bỏ qua áp suất âm và không đề cập tới độ lớn cũng như những ảnh hưởng do áp suất âm gây ra

Nguy cơ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước

Các chất ô nhiễm tồn tại trong các công trình hạ tầng như cống thoát nước, bể chứa xăng dầu hay các hoạt động phát thải từ quá trình sinh hoạt, sản xuất của người dân… hoặc phát thải có chủ ý đều làm môi trường đất và nước ngầm bị ô nhiễm Khi các nguồn ô nhiễm này xâm nhập vào ống cấp nước sẽ gây nên các bệnh đường tiêu hóa hoặc ngộ độc cho người sử dụng nước

Tác giả Karim [48] đã khẳng định ô nhiễm phân của động vật máu nóng luôn tồn tại ngay bên ngoài đường ống Nghiên cứu tiến hành thí nghiệm 66 mẫu đất và nước ngay sát đường ống phân phối nước, lấy tại 8 vị trí của 6 bang ở nước Mỹ Kết quả cho thấy nửa số mẫu thu được đều có sự hiện diện của vi khuẩn coliform và coliform phân; Bacillus tìm thấy trong hầu hết các mẫu; 56% mẫu dương tính với virus (chủ yếu là enterovirus - chủng vắc xin của sốt bại liệt), virus rối loạn tiêu hóa và viên gan A cũng được phát hiện Mặc dù tiêu chuẩn đã quy định về khoảng cách giữa đường ống cấp nước và các công trình khác (móng công trình, ống thoát nước, hố ga,…) nhưng trong điều kiện đất bão hòa nước, các vi sinh vật có thể di chuyển một quãng đường dài trong

18 khoảng thời gian ngắn, vận chuyển này càng nhanh hơn nếu có sự hỗ trợ của nước chảy ra khỏi ống [49] và trở thành nguồn lây nhiễm sang những đường ống cấp nước đi qua khu vực này

Các chất ô nhiễm có thể tồn tại trong khí quyển, môi trường không khí, từ dòng chất thải sinh ra do hoạt động của sinh hoạt hoặc sản xuất của con người Sau khi thấm vào đất với một nồng độ nhất định sẽ lưu lại trên bề mặt hạt đất (khi gặp dòng chảy thích hợp các vi sinh vật sẽ tách ra và tiếp tục di chuyển trong môi trường đất); hoặc nếu gặp tầng nước ngầm sẽ phát tán nhanh theo dòng chảy và có khả năng tồn tại rất lâu bên trong dòng chảy [14] Thành phần ô nhiễm trong nước thải hoặc các dòng chảy ô nhiễm từ trên mặt đất đi xuống [14] có thể là chất hóa học hoặc vi sinh vật gây bệnh (E Coli, vi khuẩn, virus,…) [50] Ngoài ra còn một nguồn gây ô nhiễm khác hay được đề cập tới trong thời gian gần đây đó là hành động gây ô nhiễm có chủ ý [5] Đó là các tác động có chủ ý của con người đến các tính chất vật lý của mạng lưới (gây nứt vỡ đường ống, làm hỏng các mối nối trên mạng phân phối, ), làm gián đoạn quá trình cung cấp nước hoặc đưa các chất ô nhiễm hữu cơ vào mạng lưới

Sau một thời gian làm việc, ống thoát nước bị vỡ và hình thành dòng thấm rò rỉ ra ngoài môi trường đất [51], vị trí vỡ có thể trên thành ống dẫn hoặc tại các điểm đấu nối [52] Trong nhiều năm các rò rỉ từ hệ thống thoát nước đã bị bỏ qua trong quá trình vận hành thực tế [52], có nhiều nghiên cứu về dòng chảy rò rỉ từ cống thoát nước nhưng kết quả lại không công bố rộng rãi [53] vậy nên nguồn tài liệu tham khảo về vấn đề không nhiều Các kết quả công bố tập trung vào 3 vấn đề chính sau: (1) Khẳng định dòng chảy rò rỉ từ hệ thống thoát nước có chứa các chất ô nhiễm và gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm; (2) Xác định phương trình biên dòng thấm; (3) Mô phỏng diện tích lưới thấm

Hệ thống thoát nước trong các đô thị Việt Nam chủ yếu là hệ thống chung giữa thoát nước mưa và nước thải nên thành phần ô nhiễm không chỉ là chất bẩn từ nước thải sinh hoạt, nước mưa mà còn có một phần chất thải rắn từ bề mặt đô thị bị trôi xuống cống [54] Các chất ô nhiễm từ hệ thống thoát nước có thể xếp thành 3 loại: virus, vi khuẩn, động vật đơn bào được tóm tắt như Phụ Lục I, các chất này đưa đến hậu quả bệnh tật có khả năng ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng con người [55]

19 Theo quy định hiện hành, khoảng cách tối thiểu giữa ống cấp nước và thoát nước đô thị là 0,5-1m [56], tuy nhiên ngoài thực tế khi cải tạo, mở rộng mạng lưới cấp nước vẫn có trường hợp phải luồn ngay phía dưới ống thoát nước và không đảm bảo khoảng cách như quy định như Hình 1.4 Khi nước trong cống thoát nước rò rỉ ra ngoài thì khoảng cách này không còn đảm bảo an toàn và các chất ô nhiễm trong nước thải có khả năng xâm nhập vào ống cấp nước

Hình 1.4 Ống cấp nước đi dưới cống thoát nước

Vậy nên, kế thừa kết quả của nghiên cứu trước trong luận án này sẽ xác định khả năng ô nhiễm của ống cấp nước nằm trong khu vực nước ngầm bị ô nhiễm và vùng thấm rò rỉ từ hệ thống thoát nước

Dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Phân tích dựa trên ba yếu tố nguy cơ (ống vỡ, áp suất thấp/âm và nguồn ô nhiễm) từ đó đề xuất mô hình dự báo chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN là hướng tiếp cận của các nghiên cứu.

Các nghiên cứu trong nước về HTPPN

Các mô hình quản lí giám sát chất lượng nước cung cấp được xem xét nhiều hơn trong những năm gần đây, không chỉ cho các thành phố lớn [57] mà còn thực hiện ở cả những khu vực nông thôn [58] Vấn đề được đề cập nhiều nhất đó là ô nhiễm Asen [59] và kim loại nặng [60] trong nước máy làm cho nước tới nhà dân có màu vàng hoặc đen, các thành phần này không chỉ ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của người dân mà còn

20 có thể dẫn đến tử vong Nguyên nhân ô nhiễm là do các chất này tồn tại trong nguồn nước ngầm khai thác từ nhà máy nên biện pháp xử lý thường là cải thiện công nghệ xử lý Ngoài ra, thành phần hữu cơ trong nước máy kết hợp với chất khử trùng Clo cũng có khả năng sinh ra độc tố gây ung thư ở người và động vật [61] Tuy nhiên các nghiên cứu về dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm do các chất bên ngoài xâm nhập vào đường ống trong quá trình vận chuyển nước thì chưa được đề cập tới.

Các nghiên cứu ngoài nước về HTTPPN bị ô nhiễm

Lý thuyết Dempster-Shafer Đánh giá nguy cơ xâm nhập ô nhiễm bằng lý thuyết Dempster-Shafer đã được tác giả Rehan Sadiq ứng dụng trên một đoạn ống làm việc riêng lẻ với mức độ xảy ra ô nhiễm ở các cấp độ không xảy ra - thấp - trung bình - cao [62] Phương pháp chưa ứng dụng cho HTPPN thực tế vì trong lý thuyết có sử dụng các giả thuyết loại trừ giữa các khả năng xuất hiện yếu tố nguy cơ Đề xuất phần mềm tính toán linh hoạt để cải thiện các giả thuyết có khối lượng bằng 0 trong lý thuyết Dempster-Shafer cũng đã được nghiên cứu, nhưng kết quả vẫn chưa khẳng định khả năng ứng dụng cho mạng thực tế [63]

Tác giả Gou và cộng sự [64] đã đưa ra hướng tiếp cận theo phương pháp đánh giá khả năng xảy ra ô nhiễm trong mạng lưới bằng công cụ số D là một đại diện của các thông tin không chắc chắn, được phát triển từ lý thuyết Dempster - Shafer Ba yếu tố quyết định sự xâm nhập ô nhiễm vào dòng chảy là: con đường xâm nhập - tỷ lệ vỡ ống trong

1 năm (D1), khả năng xâm nhập - áp suất quá độ trên mạng lưới (D2) và nguồn gây ô nhiễm-ước lượng khoảng cách giữa nguồn gây ô nhiễm và đường ống cấp nước chính (D3), số D sẽ được xem xét cho 3 tập hợp {P}; {NP}; {P, NP} trong đó P, NP lần lượt là các giá trị có thể hoặc không thể xâm nhập Từ đó xem xét các kịch bản nhằm đánh giá rủi ro cho một HTPPN, với mỗi kịch bản sẽ cho biết khả năng xảy ra ô nhiễm là cao hay thấp Phương pháp số D đã đưa ra hệ số riêng cho mỗi yếu tố đánh giá nguy cơ, nghiên cứu mang tính thực tế cao do thiết lập được miền xác suất trong từng trường hợp cụ thể, tuy nhiên đây cũng là hạn chế của kết quả vì chưa xét đến tổng hợp các nguy cơ

Dự báo nguy cơ chất ô nhiễm có thể xâm nhập vào đường ống được coi như một bài toán gồm 3 biến đầu vào là nguồn ô nhiễm, con đường xâm nhập, yếu tố tác động và 1 biến đầu ra (khả năng xuất hiện ô nhiễm trên HTPPN) đây là các yếu tố chính cần nghiên cứu [65] Con đường xâm nhập chất ô nhiễm được xác định dựa vào chiều dày còn lại của ống dẫn, tác giả Mansour-Rezaei đề xuất tính giá trị này theo thời gian ống làm việc tuy nhiên tỉ lệ ăn mòn lại được cho là một hằng số thực nghiệm và không được kiểm chứng về mức độ phù hợp có thể áp dụng cho trường hợp đang nghiên cứu Tác giả này cũng đã sử dụng kỹ thuật phân tích không chắc chắn để ước lượng tiềm năng chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN [66] Nghiên cứu xác định các vị trí có khả năng xuất hiện điểm vỡ do ăn mòn vật liệu từ bên trong và bên ngoài đường ống đồng thời ước tính tốc độ dòng chảy trong sự kiện áp suất biến động Dựa trên logic mờ xây dựng tiềm năng chất ô nhiễm xâm nhập vào ống gang qua các điểm vỡ Yếu tố tác động là áp suất thay đổi do đóng van, tác giả xem xét giá trị áp suất thay đổi trong trường hợp đóng van và tính xác suất xuất hiện áp suất thấp hoặc âm Tuy nhiên, tác giả lựa chọn dạng hàm thuộc tam giác và hình thang nhưng không xác định mức độ phù hợp của dạng hàm thuộc này với biến nghiên cứu

Qua phân tích ba mô hình trên, các yếu tố đầu vào của mô hình cần được cải thiện để tăng tính chính xác của kết quả Vậy nên trong nghiên cứu này sẽ phát triển vấn đề như trong Bảng 1.2

Năm 2014 nghiên cứu của tác giả Mansour - Rezaei [66] đưa ra điều kiện ống vỡ do ăn mòn là chưa đầy đủ vì nguyên nhân dẫn đến vỡ ống còn các yếu tố khác như tải trọng tác động trong quá trình làm việc của ống dẫn hay đặc điểm vật lý cũng như lịch sử ống vỡ của mạng lưới đường ống, vậy nên căn cứ vào chiều sâu vết ăn mòn trên thành ống để đánh giá nguy cơ vỡ ống là chưa đủ Độ lớn của nước va pha âm do đóng van trên các đường ống cấp nước khác nhau, phụ thuộc vào đặc điểm làm việc của từng đoạn ống Bên cạnh đó, khả năng chất ô nhiễm xâm nhập lại phụ thuộc chủ yếu vào giá trị áp suất âm bên trong ống dẫn nhưng các nghiên cứu đều định lượng giá trị này một cách tương đối nên làm giảm tính chính xác của kết quả dự báo Khắc phục nhược điểm này,

22 nghiên cứu đề xuất sử dụng phần mềm mô phỏng đầy đủ các giá trị áp suất âm lớn nhất có thể xuất hiện trên từng đường ống và kiểm chứng bằng mô hình thí nghiệm

Bảng 1.2 Nghiên cứu dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm Đặc điểm Nghiên cứu đã thực hiện Trong nghiên cứu này Nguy cơ ống vỡ trên HTPPN

Nguyên nhân [66] Ăn mòn Điều kiện hoạt động Vật liệu ống Ăn mòn Tải trọng tác dụng Đặc điểm vật lý của ống Lịch sử ống vỡ

Khả năng vỡ ống Chiều dày còn lại [66] Thống kê hiện tượng ống vỡ

Nguy cơ ảnh hưởng của áp suất âm Độ lớn áp suất âm Không được xác định Xác định bằng mô hình thí nghiệm và phần mềm

Nguy cơ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

Nguồn ô nhiễm Cống thoát nước bị vỡ [66]

Khu vực trữ nước trên mặt đất [67]

Nước ngầm bị ô nhiễm Giả định dòng thấm rò rỉ từ cống và mương thoát nước

Vùng ảnh hưởng Lý thuyết thấm của Harr [68] Lý thuyết thấm của Harr

Phương trình biên thấm của Vairavamoorthy [69]

Dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Lý thuyết áp dụng Dempster-Shafer [62]

Logic mờ Lựa chọn tập mờ phù hợp với đối tượng nghiên cứu và

Mô hình dự báo Không có Mô hình dự báo nguy cơ

Bản thân dòng chảy nước ngầm xung quanh ống cấp nước luôn tồn tại các chất ô nhiễm có nguy cơ dẫn đến các bệnh về đường tiêu hóa, bên cạnh đó dòng chảy thấm từ mặt đất hoặc rò rỉ từ cống và mương thoát nước thải bị vỡ cũng hình thành các vùng ô nhiễm trong khu vực đặt ống Các tác giả đã khoanh vùng ô nhiễm dựa trên phương trình dòng thấm ổn định trong đất không bão hòa nước, đồng chất và đẳng hướng từ đó sử dụng lí thuyết logic mờ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước

23 Trong nghiên cứu này sẽ kế thừa các nội dung liên quan tới đặc điểm hình học của vùng thấm rò rỉ từ cống và mương thoát nước

Sử dụng lý thuyết Dempster - Shafer, số D hay logic mờ các tác giả đã dự báo được nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm, trong nghiên cứu này sẽ tiếp tục lựa chọn logic mờ để ước lượng các biến trong bài toán Đồng thời để tăng tính chính xác của kết quả, nghiên cứu sẽ lựa chọn các dạng hàm thuộc phù hợp cho biến đầu vào của mô hình dự báo nguy cơ mà luận án đề xuất

Trên cơ sở phân tích, đánh giá và kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây, luận án đề xuất sơ đồ tiếp cận nghiên cứu như Hình 1.5 Nghiên cứu tổng quan đã cho biết nguy cơ ô nhiễm nước trên HTPPN chỉ xảy ra khi cùng lúc xuất hiện ba yếu tố nguy cơ ống vỡ, áp suất âm và nguồn ô nhiễm vậy để dự báo được nguy cơ này luận án cần thực hiện các nội dung sau:

1 Nghiên cứu cơ sở khoa học để dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm:

- Dự báo khả năng ống vỡ trên HTPPN trong đó cần phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện ống vỡ để làm cơ sở đề xuất mô hình dự báo ống vỡ Nghiên cứu sử dụng mô hình logistic tổng quát để dự báo nguy cơ ống vỡ nhưng thay đổi các yếu tố đầu vào của mô hình Đánh giá độ chính xác của kết quả dự báo từ đó đề xuất sử dụng mô hình mới có hiệu quả dự báo tốt hơn

- Mô phỏng các kịch bản đóng van trên HTPPN trên mô hình toán đã được hiệu chỉnh

Từ đó xác định các giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng đoạn ống cấp nước

- Xác định chiều sâu mực nước ngầm và biên vùng thấm rò rỉ từ hệ thống thoát nước từ đó ước lượng mức độ ảnh hưởng của nước ngầm và vùng thấm tới ống cấp nước trong khu vực

2 Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm và quy trình thực hiện cho công tác này

24 Hình 1.5 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu

Tổng quan các nghiên cứu trước đây nghiên cứu đã cho thấy trong điều kiện hoạt động bình thường của HTPPN các điểm vỡ (1) trên đường ống cấp nước có xu hướng đưa nước ra khỏi đường ống và hình thành dòng chảy rò rỉ tuy nhiên đó là trường hợp áp suất nước trong đường ống có giá trị dương Xét cho trường hợp áp suất có giá trị âm (2) thì tại vị trí ống vỡ chất lỏng lại có xu hướng bị hút vào bên trong ống cấp nước, giả sử môi trường bên ngoài đường ống bị ô nhiễm (3) thì khả năng chất ô nhiễm đi vào đường ống là hoàn toàn có thể xảy ra Như vậy, để xây dựng mô hình dự báo nguy cơ chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN cần ước lượng khả năng xuất hiện của cả ba yếu tố (1) (2) (3) cùng lúc Các nội dung này sẽ được giải quyết trong các chương tiếp theo

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN

Dự báo khả năng ống vỡ trên HTPPN

Hiện tượng ống vỡ là tổ hợp của các yếu tố tác động từ môi trường làm việc cũng như đặc tính cơ học của vật liệu ống, vậy nên khả năng vỡ ống trên HTPPN được xác định dựa trên tất cả các yếu tố này Nghiên cứu tiến hành thu thập số liệu vỡ ống thực tế từ đó tổng hợp và đánh giá số liệu bằng các phần mềm Excel, Google Earth, ArcGIS Trong quá trình tổng hợp số liệu, nghiên cứu sử phương pháp lấy ý kiến chuyên gia và kiểm định số liệu thống kê Sau khi số liệu được chuẩn hóa sẽ được sử dụng để kiểm chứng mô hình dự báo Trình tự nghiên cứu được tiến hành như Hình 2.1

Hình 2.1 Nội dung nghiên cứu dự báo ống vỡ trên HTPPN

Sơ lược về phần mềm R Được phát triển từ năm 1996 bởi Ross Ihaka và Robert Gentleman [70] phần mềm R là

26 một ngôn ngữ phân tích thống kê mới thay thế cho các phần mềm thống kê thương mại như SPSS, SAS, Stata, Stastistica Ngôn ngữ R nhanh chóng được các nhà thống kê học hưởng ứng và tham gia xây dựng các công cụ hỗ trợ cho phần mềm, sau hơn 10 năm R đã trở thành ngôn ngữ thống kê phổ biến cho các nhà nghiên cứu

R là phần mềm có mã nguồn mở sử dụng cho thống kê và biểu diễn biểu đồ, có thể chạy trên môi trường Window, MacOS và UNIX Các dữ liệu dạng mảng, ma trận đều có thể phân tích trong R, với hơn 6000 gói công cụ tích hợp R có thể được sử dụng như một hệ thống phân loại và thống kê Môi trường trong R sử dụng các câu lệnh có cú pháp đơn giản theo ngôn ngữ viết thông thường nên cho phép người dùng có thể tự thiết lập các hàm mới Phần mềm có thể đọc dữ liệu trực tiếp hoặc đọc file từ Excel (.csv); SAS; SPSS; Stata; text;… Môi trường R có thể làm việc với các biến số cũng như biến ký tự chữ cái, mỗi biến số được tạo ra sẽ lưu trong bộ nhớ cho đến khi thoát khỏi môi trường

R Phần mềm linh hoạt trong quá trình xử lý số liệu thống kê bằng cách phân loại thành các nhóm, thay thế biến từ kí tự sang số và ngược lại, nhập tách dữ liệu hoặc loại bỏ các số liệu trống Ngôn ngữ R cũng cho phép lập trình bậc cao bằng cấu trúc rẽ nhánh (if/else), cấu trúc lặp (for) Với các ưu điểm trên, luận án lựa chọn ngôn ngữ R để xây dựng hai mô hình hồi quy logistic và cây quyết định, từ đó dự báo khả năng ống vỡ và so sánh với dữ liệu khảo sát thực tế

Dữ liệu đầu vào cho mô hình dự báo ống vỡ

Hệ thống cấp nước của Việt Nam bắt đầu số hóa khoảng từ năm 2013 và vẫn đang trong giai đoạn hoàn chỉnh, đồng bộ hóa thông tin, vậy nên trong quá trình thu thập dữ liệu có những số liệu không có khả năng thu thập cũng như thời gian thực hiện không cho phép nên giới hạn luận án đặt ra là phân tích trên những số liệu thu thập được từ hệ thống thông tin GIS của hệ thống cấp nước Vì vậy kết quả của luận án có thể không đánh giá chi tiết được các điều kiện liên quan như chỉ số dẫn điện, độ ẩm của môi trường đất bên ngoài hay chỉ số oxy hòa tan của nước trong đường ống, giá trị lực tác dụng từ nền đường cho từng đoạn ống Tuy nhiên mô hình đề xuất trong nghiên cứu lại có tính áp dụng thực tế tốt hơn, từ những dữ liệu Geography Information System - GIS của công

27 ty cấp nước hoàn toàn có thể ước lượng khả năng ống vỡ mà không phải thu thập hay khảo sát cụ thể từng vị trí đặt ống trên mạng lưới

Các yếu tố ảnh hưởng tới ống vỡ được xem xét trong luận án bao gồm các đặc trưng vật lí của hệ thống (D, L, Mat), chỉ số độ tuổi (A) đại diện cho tỉ lệ ăn mòn và giá trị áp suất trung bình làm việc của ống (P) Ngoài ra các đại lượng đặc trưng cho đặc điểm hình học của mạng lưới bao gồm vị trí tuyến đường đặt ống (R), số đoạn ống kết nối trên một tuyến ống (N0), tổng chiều dài ống trong một vùng cấp nước (DMA) và số lần vỡ trước đây (Prior) cũng được khảo sát để đưa vào mô hình thống kê Độ tuổi ống dẫn (A): Tuổi ống không phải là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới nguy cơ ống vỡ nhưng là giá trị biểu thị khả năng làm việc của ống

Số lượng nút đấu nối trên một tuyến ống dẫn (N0): càng nhiều điểm đấu nối thì dòng chảy xáo trộn càng nhiều và có tác động nhất định tới hiện tượng lắng cặn và ăn mòn bên trong ống Vậy nên số lượng điểm đấu nối trên một tuyến ống cũng ảnh hưởng tới sự kiện ống vỡ

Vật liệu ống dẫn (Mat): Tính chất cơ học của vật liệu là khác nhau, vật liệu kim loại được cho là dễ ăn mòn hơn trong môi trường ẩm ướt trong khi vật liệu nhựa lại dễ bị lão hóa và khả năng chịu tải được cho là kém hơn [71] Trong nghiên cứu này, các vật liệu trong số liệu thống kê đều được xem xét bao gồm ống thép ST - Stainless Steel, gang dẻo DI - Ductile Iron, gang xám CI - Cast Iron, nhựa PVC - Poly Vinyl Clorua, nhựa HDPE - High Density Poly Etilen và ống xi măng amiăng AC - Asbestos Cement Đường kính ống dẫn D(mm): Là đại lượng đặc trưng cho cho khả năng vận chuyển nước của đường ống, với nhận định ban đầu cho thấy khả năng vỡ sẽ giảm khi đường kính ống tăng Áp suất làm việc trung bình trong DMA (m): Áp suất làm việc thay đổi theo cấp ống phân phối và thời gian làm việc Áp suất thấp hoặc bằng 0 sẽ tạo điều kiện cho cặn bám dính vào thành ống làm giảm khả năng làm việc, khi áp suất dao động lại gây nên hiện tượng bào mòn vật liệu ống [72] Quá trình lặp lại nhiều lần làm cho vật liệu ống ngày càng giảm khả năng chịu tải đồng nghĩa với khả năng vỡ ống sẽ tăng lên

Chiều dài ống dẫn L(km): Dọc theo chiều dài đường ống áp suất dòng chảy trong ống giảm dần như vậy nguy cơ vỡ ống do tải trọng nước bên trong ống cũng giảm Tuy nhiên nếu xét tới các tác động từ bên ngoài thì đoạn ống ngắn có khả năng chịu lực tốt hơn các ống dài

Tuyến đường đặt ống R: Mỗi tuyến đường đặt ống là một đại lượng đặc trưng cho môi trường đất xung quanh ống cũng như tải trọng tác dụng bên ngoài ống dẫn nước

Tổng chiều dài đường ống trong một DMA: Quy mô của mỗi DMA sẽ quyết định công suất phục vụ của từng đường ống, với cùng một loại đường kính và chiều dài ống nhưng số lượng điểm đấu nối nhiều thì chế độ thủy lực trên đường ống sẽ thay đổi nhiều hơn so với những ống có điểm đấu nối ít và điều này có ảnh hưởng đáng kể tới khả năng xảy ra ống vỡ

Lịch sử vỡ ống (Prior): Theo các nghiên cứu trước đây, lịch sử vỡ có ảnh hưởng đáng kể tới khả năng ống vỡ trong tương lai, với những ống đã bị vỡ thì khả năng xảy ra lần vỡ tiếp theo sẽ cao hơn những ống chưa vỡ lần nào

Như vậy cần xác định tương quan giữa 9 biến ảnh hưởng tới 1 biến ống vỡ, từ đó dự báo khả năng xảy ra vỡ (Pf) trên mỗi đoạn ống khảo sát

Phương pháp xác định kích thước mẫu

Các nghiên cứu xác định số lượng mẫu thường thông qua các công thức thực nghiệm phù hợp với từng tập số liệu thống kê khác nhau tuy nhiên mục đích chung là tập mẫu cần thể hiện được sự khác biệt cơ bản giữa các biến và có độ tin cậy cao Bài toán dự báo nguy cơ ống vỡ trên HTPPN bao gồm 9 biến độc lập và 1 biến phụ thuộc là ống vỡ hay không vỡ thuộc dạng phân tích hồi quy đa biến nên theo tác giả Barbara [73] kích thước mẫu được xác định theo công thức:

Trong đó m là số biến độc lập trong mô hình, m = 9 Vậy N ≥ 50 + 8 x 9 = 122 (mẫu)

Lý thuyết mô hình hồi quy logistic đánh giá khả năng ống vỡ

Xác định áp suất âm do đóng van trên HTPPN

Áp suất âm lớn nhất sinh ra do đóng van trên HTPPN được xác định theo phương pháp mô hình hóa, trình tự nghiên cứu được thực hiện như Hình 2.5 Để đảm bảo độ chính xác và tăng hiệu suất của mô hình, nghiên cứu đề xuất phương pháp để xây dựng mô hình như sau:

- Thí nghiệm trên quy mô mạng lưới đường ống nhỏ trước để có khái niệm về các giá trị cần hiệu chỉnh mô hình mô phỏng

- Ước lượng vị trí đóng van hiệu quả để xác định giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng ống cấp nước

Hình 2.5 Nội dung nghiên cứu xác định độ lớn áp suất nước va âm trên HTPPN

HTPPN thực tế được mô phỏng trên phần mềm HAMMER của hãng Bentley, căn cứ trên kết quả thí nghiệm, các kịch bản đóng van được xây dựng sau bước hiệu chỉnh mô hình Kết quả mô phỏng là giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện do đóng van cho từng đoạn ống trên HTPPN

2.1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán nước va trong phần mềm HAMMER

Nước va được xem xét trên giả thiết nước là một chất lỏng nén được và vật liệu ống trên mạng lưới có khả năng đàn hồi Theo tài liệu của tác giả Mays [80] vận tốc truyền sóng nước va trong ống cấp nước có thể xác định theo công thức:

Trong đó: K - Mô đun đàn hồi của nước, MPa

E - Môđun đàn hồi của vật liệu ống, MPa

Dt - Đường kính trong của ống, mm d0 - Chiều dày ống cấp nước, mm a0 - Vận tốc sóng âm, m/s a 0  K / , là khối lượng riêng của nước

Dòng chảy nước va được coi là trường hợp dòng chảy không ổn định biến đổi nhanh theo thời gian, theo tác giả Wylie and Streeter [41] độ lớn của nước va thường được mô phỏng bằng phương trình liên tục (2.16) và phương trình động lượng (2.17)

Trong đó: V - Vận tốc dòng chảy

H - Tổng cột nước so với mặt chuẩn f - Hệ số ma sát thành ống

Dt - Đường kính trong của ống g - Gia tốc trọng trường t - Biến thời gian x - Biến không gian dọc theo chiều dài ống dẫn

Tác giả Wylie and Streeter [41] cũng đề xuất sử dụng phương pháp đặc trưng để giải hai phương trình (2.16) và (2.17), từ đó xác định giá trị áp suất và lưu lượng nước va theo thời gian Lý thuyết này đã được áp dụng trong phần mềm HAMMER của công ty

38 Bentley, cho phép quan sát diễn biễn của hiện tượng nước va tại từng điểm trên đường ống Luận án sẽ sử dụng phần mềm này để nghiên cứu cho HTPPN thực tế

2.1.2.2 Thiết kế thí nghiệm và mô hình mô phỏng trên phần mềm HAMMER

Khi nước va xảy ra trên một ống trong HTPPN sẽ lan truyền vô cùng đa dạng và phong phú Trong khi mỗi mô phỏng chỉ phản ảnh được một mặt nào đó của thực tế, nhiều khi một hệ thống thực tế phải dùng đến nhiều mô hình để phản ánh vậy nên để xây dựng mô hình cần trừu tượng hóa và khái quát hóa hiện tượng nghiên cứu Điều này dẫn đến sự đơn giản hóa vì rằng đã lược bỏ những chi tiết thứ yếu chỉ còn lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất Như vậy tính đơn giản của mô hình là một tất yếu khách quan, qua đó nghiên cứu có thể nắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của hiện tượng, khái quát hóa chúng để rút ra quy luật Nếu không dùng những mô hình đơn giản để nghiên cứu hiện tượng thực tế phức tạp thì nhiều trường hợp quy luật của hiện tượng bị lu mờ và dẫn đến những nhầm lẫn trong quá trình nghiên cứu Vậy nên mô hình nghiên cứu hiện tượng nước va được thiết kế loại bỏ các nút tiêu thụ trên HTPPN và khái quát hóa trên quy mô nhỏ

Bảng 2.2 Các loại đường kính ống trong mô hình mô phỏng Đường kính danh nghĩa Đường kính ngoài (mm) Độ dày (mm) Đường kính trong (mm) Vật liệu

Mô hình thí nghiệm được thiết lập tại sân mô hình của Khoa Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (Hình 2.6) Tổng chiều dài mạng lưới là 78,76m bao gồm các đoạn ống đường kính từ 15mm đến 140mm, vật liệu HDPE và PVC (Bảng 2.2) với 4 vòng trên diện tích 70m 2 , bơm nước từ bể chứa nước ngầm và có hệ thống kênh dẫn thu gom đưa về bể chứa

39 Hình 2.6 Mô hình thí nghiệm xác định áp suất âm do đóng van

Mô hình thí nghiệm thiết lập trong phần mềm HAMMER như Hình 2.7, mô hình này được hiệu chỉnh để nghiên cứu các kịch bản đóng van

Hình 2.7 Mô hình mô phỏng thí nghiệm đóng van Thiết bị sử dụng trong mô hình gồm:

Cảm biến áp lực Đồng hồ đo lưu lượng

Cảm biến áp lực Đồng hồ đo lưu lượng Đầu nguồn

- 2 đồng hồ tua bin đo lưu lượng đầu và cuối mạng lưới đường kính 30mm để đo lưu lượng nước vào và ra khỏi mô hình

- 1 máy bơm Grunfos lưu lượng 60,3 m 3 /h, cột áp 11,4m, số vòng quay 2850 vòng/phút đặt tại đầu mạng lưới

- 8 van đặt trên các ống và 6 thiết bị đo cột áp trong đó 4 cảm biến đo cột áp dương và

2 cảm biến đo cột áp âm Hai cảm biến cột áp dương đặt cố định tại điểm đầu và cuối mạng lưới các thiết bị còn lại lắp trước và sau vị trí đóng van để đo áp suất nước va pha âm và dương

Hiệu chỉnh mô hình HAMMER Đặt 4 cảm biến đo áp suất ở vị trí đầu (nút J-13), cuối (nút J-81) và 2 điểm giữa mạng lưới (nút J-25 và J-60) như Hình 2.8 để kiểm tra diễn biến của áp suất trên mạng lưới trong quá trình thí nghiệm

Hình 2.8 Vị trí đặt cảm biến đo áp suất dương để hiệu chỉnh mô hình

Tiến hành mở van cuối nguồn và bật bơm hoạt động, sau một thời gian hệ thống làm việc ổn định có giá trị trên đồng hồ đo lưu lượng vận chuyển trung bình qua mạng lưới là 2,8 l/s, cột áp trung bình đo được tại 4 vị trí là HJ-13 = 12,23m, HJ-60 = 8,53m, HJ-25 8,63m và HJ-81 = 5,83m Đưa lưu lượng đo được tại nút J-81 là 2,8 l/s vào phần mềm HAMMER cho kết quả cột áp tại nút đầu, giữa và cuối mạng lưới lần lượt là HJ-13 12,10m; HJ-60 = 9,73m, HJ-25 = 9,40m và HJ-81 = 8,77m

Cảm biến áp suất dương 1,2,3,4

41 Hình 2.9 cho thấy kết quả đo áp suất thực tế và mô hình HAMMER có độ chênh lệch khá lớn cần thiết phải hiệu chỉnh lại mô hình trong phần mềm cho phù hợp với thí nghiệm thực tế Cột nước áp suất trong ống ảnh hưởng bởi tổn thất do ma sát giữa dòng chảy và thành ống dẫn (tổn thất chiều dài) cũng như các vị trí dòng chảy thay đổi tiết diện (tổn thất cục bộ) [81] vậy cần cân chỉnh theo 2 yếu tố này

Hình 2.9 So sánh kết quả mô phỏng, thí nghiệm và sau hiệu chỉnh

Theo lý thuyết thủy lực, giá trị tổn thất cục bộ trên mạng lưới đường ống dài là không đáng kể so với tổn thất chiều dài kết hợp với thử nghiệm chạy mô hình thay đổi giá trị tổn thất qua van trong nghiên cứu này cho thấy áp suất thay đổi không đáng kể (tăng gấp 10 lần giá trị tổn thất cục bộ thì cột áp tại nút sau van giảm 0,05m như Phụ Lục II Vậy để thay đổi áp suất dòng chảy trong ống cần tác động tới tổn thất ma sát theo chiều dài ống dẫn Đại lượng đặc trưng cho tổn thất chiều dài là hệ số nhám thành ống, để xác định hệ số nhám tối ưu cho mô hình với 4 vị trí đo cột áp thực nghiệm, nghiên cứu sử dụng công cụ Darwin Calibrator của phần mềm WaterGEMS Dựa trên các giá trị cột áp đo được bằng thực nghiệm đưa vào mô hình tối ưu, kết quả đưa ra giá trị hệ số nhám cho từng ống trong mô hình như sau:

- Ống HDPE ban đầu có hệ số nhám là C = 150 được đề xuất thay thế C = 125

- Ống PVC ban đầu có hệ số nhám là C = 120 được đề xuất thay thế C = 110

Kết quả cột áp tại nút sau khi hiệu chỉnh trong Bảng 2.3 chỉ ra tại nút đầu J - 13 và

Nút Thí nghiệm Mô phỏng Sau hiệu chỉnh

42 cuối J - 81 mạng lưới thí nghiệm đưa ra giá trị cột áp nhỏ hơn 2,4% và 3,5% so với mô hình HAMMER trong khi ở khu vực giữa mạng lưới (J-25, J-60) lại lớn hơn từ 3,8% và 5,1% Đây là khoảng sai số chấp nhận được giữa mô hình và thực tế nên mô hình HAMMER sẽ được áp dụng để mô phỏng các kịch bản đóng van trên mạng lưới

Bảng 2.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình HAMMER

Sai số Thí nghiệm Sau hiệu chỉnh Chênh lệch

So sánh kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm

Sau khi đã hiệu chỉnh các thông số hệ nhám, để kiểm định tính chính xác của mô hình HAMMER cho mô phỏng nước va âm khi đóng van nghiên cứu tiến hành so sánh sai số giữa các giá trị áp suất nước va âm sau van của mô hình và thực nghiệm

Hình 2.10 Mô hình thí nghiệm đóng van FCV-3

Đánh giá nguy cơ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

Nguồn ô nhiễm được đánh giá theo các trường hợp sau:

- Dòng thấm rò rỉ từ hệ thống cống và mương thoát nước

Nguy cơ chất ô nhiễm xâm nhập vào bên trong ống cấp nước được đánh giá theo tương quan vị trí của ống so với các nguồn ô nhiễm trên

Giả sử nước ngầm bị ô nhiễm nằm ngay bên ngoài điểm vỡ trên thành ống cấp nước sẽ xuất hiện nguy cơ ô nhiễm xâm nhập vào bên trong ống Khi mực nước ngầm nằm cao hơn đỉnh ống cấp nước, tương quan giữa giá trị H là khoảng cách từ mực nước ngầm đến đỉnh ống và đường kính ống cấp nước D sẽ quyết định khả năng chất ô nhiễm có thể xâm nhập vào bên trong ống ở mức thấp, trung bình hay cao Gắn trục tọa độ mặt đất xOy có trục hoành nằm tại mực nước ngầm, trục tung hướng xuống như Hình 2.19 thì tỉ số H/D được đánh giá như sau:

- Nếu 0 ≤ H/D < 0,5 thì khả năng chất ô nhiễm xâm nhập vào bên trong ống là thấp

- Nếu 0,5D ≤ H/D ≤ 1,5 thì khả năng chất ô nhiễm xâm nhập vào bên trong ống được đánh giá là trung bình

- Nếu H/D > 1,5, khả năng chất ô nhiễm xâm nhập được đánh giá là cao

Hình 2.19 Mực nước ngầm nằm cao hơn ống cấp nước

2.1.3.2 Dòng thấm rò rỉ từ cống và mương thoát nước

Nước rò rỉ từ mương và cống thoát nước hình thành dòng thấm xuống đất tại khu vực ống cấp nước bị vỡ dẫn đến nguy cơ xâm nhập chất ô nhiễm vào bên trong Với nguồn ô nhiễm được giả định là dòng thấm ổn định từ hệ thống thoát nước bị rò rỉ với B, H lần lượt là chiều rộng mặt nước và chiều sâu nước trong cống và mương thoát nước

Hình 2.20 Vùng thấm rò rỉ từ điểm ô nhiễm mặt đất

Hình 2.21 Vùng thấm rò rỉ từ cống thoát nước

Trong môi trường đất không bão hòa, đồng chất và đẳng hướng, áp dụng lý thuyết thấm của tác giả Harr tác giả K Vairavamoorthy [82] đã đưa ra khu vực ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm như Hình 2.20 và Hình 2.21, phương trình biên thấm là:

Khi chiều sâu dòng thấm y > 3 (B + 2H) / 2 thì chiều rộng dòng thấm gần như không

53 đổi x = ± (B + 2H) / 4 Trong luận án này sử dụng phương trình (2.18) xác định 3 mức độ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới điểm vỡ trên ống cấp nước tọa độ (x,y) như sau:

- Nếu - (B + 2H) / 4 < x < (B + 2H) / 4 và y < 3 (B + H) / 2 thì ống cấp nước nằm bên trong vùng thấm ô nhiễm, khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm ở mức độ cao

- Nếu x = ± (B + 2H) / 4 và y = 3 (B + H) / 2 lúc này ống cấp nước nằm trên biên của vùng thấm, khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm được ước lượng ở mức trung bình

- Nếu x > (B + 2H) / 4 hoặc x < - (B + 2H) / 4 và y > 3 (B + 2H) / 2 thì ống cấp nước nằm bên ngoài vùng thấm, khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm ở mức thấp

Theo mô hình dòng thấm cho thấy các ống cấp nước tọa độ x hoặc y hoặc cả hai có giá trị âm được đánh giá mức độ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tương đương với tọa độ dương Để đơn giản hóa trong tính toán, nghiên cứu quy ước: Các tọa độ mang dấu âm sẽ được đưa về giá trị dương và các ống cấp nước đi phía trên hệ thống thoát nước sẽ tương đương với trường hợp ống nằm ngoài vùng thấm ô nhiễm nên khả năng ô nhiễm được đánh giá ở mức độ thấp

Dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Tổng hợp ba yếu tố vỡ ống, áp suất âm, ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm dẫn đến hiện tượng HTPPN bị chất ô nhiễm xâm nhập đều mang tính không chắc chắn, để xác định được quy luật phân phối cũng như hàm xác suất xảy ra của biến cố cần một số lượng lớn dữ liệu thống kê thực tế Lý thuyết logic mờ là một trong những công cụ tối ưu được sử dụng để đánh giá các hiện tượng ngẫu nhiên và không chắc chắc Vậy nên, nghiên cứu sử dụng lý thuyết này để xây dựng mô hình dự báo nguy cơ.

Lý thuyết logic mờ

Trong lý thuyết logic cổ điển, để đo khả năng xuất hiện một biến cố thường sử dụng xác suất có xảy ra P hoặc không xảy ra P   1 P Trong khi đó, rất nhiều các thông tin không chắc chắn như nhiệt độ của máy điều hòa ở mức lạnh - mát - nóng - rất nóng; đánh giá năng lực học tập của học sinh ở mức giỏi - khá - trung bình - yếu, lúc này đối tượng có nhiều hơn hai trạng thái để xem xét Vậy nên, năm 1965 giáo sư Lotfi Zadeh

54 trường đại học California - Mỹ đã đề ra lý thuyết mờ và nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu Lý thuyết được dùng để đánh giá các thông tin không rõ ràng bằng các tập hợp mờ (Fuzzy set), hàm thuộc (Membership function) và logic mờ (Fuzzy logic) Tập mờ được phát triển từ khái niệm tập hợp cơ bản, với tất cả các giá trị thuộc tập hợp được cho là 1 và giá trị không thuộc tập hợp nhận giá trị 0, các giá trị còn lại nằm trong khoảng từ 0 đến 1

Ví dụ tập A là tập hợp các khả năng vỡ ống cao trên 0,4 là 1 thì ngược lại các giá trị có khả năng xảy ra thấp nằm trong khoảng từ 0-0,2 sẽ là 0 vì không thuộc tập hợp, các giá trị lớn hơn 0,2 và nhỏ hơn 0,6 nằm trong giới hạn trung bình, không thấp cũng không cao được gọi là trung bình sẽ nhận các giá trị hàm thuộc tăng dần từ 0 đến 1, vậy tập mờ A sẽ có ba cấp độ được biểu diễn như Hình 2.22

Hình 2.22 Logic mờ cho tập mờ A với miền xác định U Định nghĩa tập mờ được phát biểu như sau: Tập mờ A trong miền xác định U với các giá trị u thuộc miền U được xác định:A  A ( ) | : u u u U ,  A ( ) [0,1] u   trong đó hàm thuộc  A ( ) : u U   0,1 được gọi là độ thuộc của phần tử u thuộc về tập mờ A Độ cao tập mờ H cho thấy mức độ phụ thuộc cao nhất của u vào tập mờ A, H = 1 được gọi là chính tắc; H < 1 là không chính tắc Một tập mờ được chia làm hai miền như Hình 2.23, miền xác định U1 là tập hợp các tập con M thỏa mãnU 1  M ( ) 0,u   u M và miền tin cậy U2 là tập hợp các tập con N thỏa mãn điều kiện U 2  N ( )u   1, u N  Hình 2.23 Đặc điểm tập mờ Hình dạng tập mờ phụ thuộc vào các kiểu hàm thuộc, trong nghiên cứu này xem xét các dạng sau:

55 Hình 2.24 là hàm thuộc tam giác (Trimf -

Hình 2.25 là hàm thuộc hình thang (Trapmf -

Tập mờ A được xác định theo hàm thuộc dạng

Tập mờ A có hàm thuộc dạng Gamma tuyến tính (Gmf) như Hình 2.27 được xác định là:

Hàm thuộc Gaussian có dạng đường cong hình chuông và xác định theo công thức:

Hình 2.24 Hàm thuộc dạng tam giác

Hình 2.25 Hàm thuộc hình thang

Hình 2.27 Hàm thuộc dạng Gamma

- σ, c lần lượt là tham số hình dạng tương ứng với các giá trị độ lệch chuẩn và trung bình của đường cong

- Hình 2.28 biểu diễn trường hợp c = 0 và σ 1 của hàm Gaussian chuẩn (Gaumf) có giá trị thuộc được xác định là:

Hình 2.28 Hàm thuộc dạng Gaussian

Hàm thuộc Sigmoidal dạng S của tập mờ A như Hình 2.29 có hệ phương trình

Hàm thuộc Sigmoidal dạng Z của tập mờ A như Hình 2.30 xác định theo:

Tính chất của tập mờ: Logic mờ được phát triển trên lý thuyết tập mờ và lý thuyết logic cổ điển nên nó bao gồm toàn bộ các tính chất của tập hợp và thực hiện lập luận một cách xấp xỉ thay vì lập luận chính xác như trong logic cổ điển Phần chính trong logic mờ là xác định mối quan hệ nguyên nhân và hệ quả của hiện tượng nghiên cứu từ đó hình thành các luật mờ bằng các mệnh đề Nếu - Thì Mỗi giá trị hàm thuộc của biến vào

57 tương ứng với một luật mờ và hợp của các luật mờ để xác định giá trị thuộc của một biến ra, các luật mờ được kết hợp theo quy tắc luật hợp thành mờ.

Phần mềm MATLAB và công cụ thiết kế

Hình 2.31 Giao diện công cụ Logic mờ trong MATLAB

Soạn thảo mô hình FIS

Soạn thảo luật mờ Soạn thảo tập mờ

58 MATLAB là phần mềm dùng ngôn ngữ lập trình để xử lý số liệu và biểu diễn đồ họa chính xác trong không gian 2 chiều cũng như 3 chiều Với việc tích hợp các thư viện ToolBox và công cụ hỗ trợ SIMULINK giúp việc thiết kế, mô phỏng dễ dàng hơn, giảm được thời gian tính toán cũng như tăng tính tin cậy của kết quả

Công cụ logic mờ (Fuzzy Logic Designer) - FLD là tổ hợp các hàm được xây dựng trên nền MATLAB và phát triển thành ToolBox của phần mềm Hình 2.31 biểu diễn giao diện FLD bao gồm hai phần chính là soạn thảo và quan sát luật mờ Soạn thảo mô hình hệ thống suy luận mờ - FIS (Fuzzy Inference System) hiển thị thông tin về 3 biến vào và một biến ra trong mô hình, tên các biến, luật suy diễn, phương pháp khử mờ và các luật hợp thành của các tập mờ Soạn thảo hình dạng tập mờ, miền xác định, không gian biến và luật mờ đề xuất cho mô hình Công cụ này còn thể hiện luật mờ bằng giao diện 2D và 3D giúp người sử dụng quan sát được quy luật hoạt động của luật cũng như ảnh hưởng của hàm thuộc tới kết quả

Hình 2.32 Mô hình dự báo nguy cơ xây dựng trong SIMULINK

Công cụ SIMULINK được sử dụng để thiết kế hệ thống vận hành mô hình FIS Thông qua giao diện người sử dụng đồ họa (GUI) lựa chọn các khối nguồn, khối tải và tích hợp mô hình FIS bằng khối xử lý Logic mờ (Fuzzy Logic Controller) sau đó tiến hành nhập

Fuzzy Logic Controller Nhận tín hiệu Xử lý số liệu Hiển thị kết quả

59 dữ liệu và chạy cho hệ thống hiển thị kết quả đầu ra Tuy nhiên để có mô hình tích hợp trong SIMULINK người dùng cần lựa chọn trước trong ToolBox và xây dựng hoàn chỉnh các thông số của mô hình Mô hình dự báo nguy cơ được xây dựng gồm có bốn phần chính là nguồn, nhận tín hiệu, xử lý số liệu và hiển thị kết quả tương ứng với các khối chức năng trong SIMULINK là Constant, Mux, Fuzzy logic Controller và Scope, các khối này được lấy từ thư viện SIMULINK như Hình 2.32

Trong thư viện Sources - nguồn có nhiều loại, do đầu vào hệ thống là một số thực nên khối nguồn phù hợp là dạng Constant với giá trị mặc định ban đầu là 1 Khối này tạo nên một hằng số thực hoặc phức không phụ thuộc vào thời gian đồng thời cho phép người dùng khai báo trực tiếp và hiển thị số liệu ngay trên nền hệ thống Mỗi nguồn có một tín hiệu ra tuy nhiên tín hiệu ra này không truyền trực tiếp tới khối xử lý vì khối xử lý chỉ tiếp nhập một tín hiệu vào nên phải qua bộ phận tổng hợp tín hiệu (Signal routing) Mux từ 3 ngõ vào thành một tín hiệu ra truyền tới khối xử lý số liệu Fuzzy Logic Controller là khối được tích hợp trong hệ thống nội suy mờ, khối cho phép nhập thông tin của mô hình FIS để ước lượng các thông số nguy cơ và chuyển tới đầu ra Khối Display lựa chọn trong thư viện Scope dùng để theo dõi trực tiếp kết quả Pc.

Mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Hình 2.33 Mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Mô hình hệ thống suy luận mờ FIS được xây dựng trên cơ sở lý thuyết logic mờ từ đó đưa vào mô hình dự báo nguy cơ như Hình 2.33 Với ba giá trị của biến đầu vào Pf - khả năng ống vỡ, Hn - giá trị áp suất âm, Sc - mức độ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm được xử lý qua khối mô hình các công cụ thiết kế logic mờ FLD (Fuzzy Logic Design) và SIMULINK trong phần mềm MATLAB

Miền xác định của ba yếu tố nguy cơ

Khả năng đường ống cấp nước bị chất ô nhiễm xâm nhập (Pc), khả năng vỡ ống (Pf) được đánh giá ở 4 mức độ, mỗi mức độ tương đương với một tập mờ có miền xác định nằm trong khoảng từ 0 đến 1 Hai yếu tố nguy cơ còn lại là độ lớn của áp suất nước va âm có khả năng xuất hiện trong ống (Hn) và khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm (Sc) được đánh giá với 3 tập mờ thấp, trung bình và cao như Bảng 2.6

Bảng 2.6 Kí hiệu tập mờ của các biến vào và ra trong mô hình FIS

Rất Cao (Very High)-VH1

Rất Cao (Very High)-VH Tập mờ được xác định bởi các yếu tố là miền xác định, chiều cao tập mờ và dạng hàm thuộc Quy ước giá trị miền xác định (U) của các tập mờ theo phương pháp đánh giá trực quan, cực trị của hàm thuộc thiết lập bằng cách chia đều các khoảng trong miền U để đảm bảo kích thước của các tập mờ là tương đương nhau Bên cạnh đó các tập mờ được lấy theo tính chất phần bù để đảm bảo các giá trị đưa vào luôn thuộc một tập mờ nhất định và không bị đưa vào tập rỗng, ví dụ như Hình 2.34 tập mờ trung bình M2 là phần bù của tập mờ thấp L2 và tập mờ cao H2 để đảm bảo tổng hai giá trị hàm thuộc của một biến x luôn bằng 1

61 Hình 2.34 Tính chất phần bù của tập mờ

Vậy miền U của các tập mờ sẽ đan xen nhau để đảm bảo các hàm thuộc có độ dốc đồng đều, các tham số trong công thức độ nhạy được xác định như trong Bảng 2.7

Bảng 2.7 Các tham số trong công thức xác định độ nhạy trung bình

Do đặc điểm chỉ có một độ dốc bên phải nên Lmf và Zmf không có giá trị trên tập mờ biên trái VH1, L2 và H3, tương tự hàm thuộc dạng Gmf và Smf chỉ có độ dốc bên trái à H2 (x) à M2 (x) =1-à L2 (x) à M2 (x) =1-à H2 (x) à L2 (x)

62 nên cũng không biểu diễn cho tập mờ biên phải L1, H2, L3 Đồng thời bốn dạng hàm thuộc của tập mờ trung bình (M1, M2, M3) và tập mờ cao (H1) đều không có nghĩa Bảng 2.7 biểu diễn các giá trị biên ở dạng không được xác định

Hàm thuộc tam giác (Trimf), hình thang (Trapmf), Gaussian (Gaumf) luôn đối xứng qua trung vị và cùng giá trị miền xác định U = [a,b] = [U1,U2] Tham số c của Trimf và Gaumf là giá trị trung bình của a và b; riêng đối với Trapmf thì tham số c, d được phân bố đều trên miền U Giá trị σ của hàm Gaumf được xác định trong công thức phương sai của hàm Gaussian của N giá trị trong khoảng [U1,U2]:

Phân tích độ nhạy của hàm thuộc cho biến nghiên cứu Đánh giá các yếu tố nguy cơ phụ thuộc vào các giả định đầu vào cho mô hình, các giả định này một phần xuất phát từ yếu tố chủ quan khi phân tích dữ liệu đầu vào, xử lý số liệu hay các sai lệch do yếu tố khách quan Vậy nên phân tích độ nhạy là giảm thiểu tính chắc chắn từ đó làm cơ sở để thiết kế tập mờ Các dạng hàm thuộc khác nhau thì đặc điểm tập mờ cũng khác nhau, hàm thuộc dạng tam giác, Gaussian có độ mờ biến thiên nhanh, hàm thuộc dạng hình thang, dạng L, Gamma tuyến tính, Sigmoidal lại có tốc độ biến thiên vừa phải Trong khi, các yếu tố nghiên cứu có trọng số đóng góp như nhau trong một tập mờ vậy nên cần một cơ sở phù hợp để lựa chọn các hàm thuộc có độ biến thiên càng nhỏ càng tốt Tác giả Hung Nguyen [83] đã đề xuất phương trình để đo lường sự biến thiên của các giá trị hàm thuộc trong tập mờ A có miền xác định [a,b] là [0,1] Áp dụng công thức (2.28) cho bảy dạng hàm thuộc như sau:

- Hàm thuộc tam giác (Trimf) với một cận trên (c,1) và hai cận dưới (a,0), (b,0):

- Hàm thuộc hình thang (Trapmf) có cận trên (c,1), (d,1) và cận dưới là (a,0),(b,0):

- Hàm thuộc hình L (Lmf) có một cận trên (a,1) và một cận dưới là (b,0):

- Hàm thuộc Gamma tuyến tính (Gmf) có cận trên (b,1) và cận dưới là (a,0):

- Hàm thuộc Gaussian (Gaumf) dao động trong khoảng từ U1 đến U2:

- Hàm thuộc Sigmoidal dạng S (Smf) trong khoảng [a,b]:

- Hàm thuộc Sigmoidal dạng Z (Zmf) trong khoảng [a,b]:

Giải phương trình vi phân với cận trên và cận dưới như Bảng 2.8 trong phần mềm MATLAB với lệnh int(f,x,a,b), trong đó f là tích phân của biến x trong khoảng từ a đến b, kết hợp bảng tính excel để tính toán các giá trị liên quan

Kết quả tính độ nhạy trung bình S(A) của các loại hàm thuộc cho thấy khoảng dao động của hàm thuộc dạng Lmf và Gmf luôn có giá trị S(A) lớn nhất so với các dạng còn lại, vậy nên hai dạng hàm thuộc này sẽ không sử dụng khi đánh giá nguy cơ ô nhiễm Ngược lại, S(A) của hàm thuộc dạng Gaussian và Sigmoidal có giá trị thấp nhất Vậy ba dạng hàm thuộc Gaumf, Zmf, Smf là phù hợp cho các giá trị thực như Hn và cả những giá trị không thứ nguyên như Pf, Sc Hơn nữa, những dạng hàm thuộc này cũng có thể sử dụng để ước lượng các đại lượng không chắc chắn

64 Bảng 2.8 Kết quả độ nhạy trung bình của các dạng hàm thuộc Độ nhạy trung bình Lmf Gmf Trimf Trapmf Gaumf Zmf Smf

Mô hình hệ thống suy luận mờ (mô hình FIS)

Mô hình hệ thống suy luận mờ được phát triển từ lý thuyết logic mờ như Hình 2.35, cấu trúc mô hình bao gồm các đầu vào, đầu ra là các giá trị rõ nhưng không có mối liên hệ toán học nên cần một bộ xử lý số liệu trung gian để mờ hóa ngõ vào và các luật mờ, luật suy diễn xấp xỉ để xác định giá trị biến ra

Hình 2.35 Các bước thực hiện mô hình FIS Bước 1: Mờ hóa ngõ vào là một ánh xạ từ không gian các biến đầu vào lên tập mờ, mỗi giá trị số thực đưa vào mô hình sẽ được xác định mức độ thuộc trên các tập mờ

Bước 2: Cơ sở luật mờ là bộ quy tắc mờ dạng Nếu…Thì…được xây dựng theo luật hợp thành max - min với 3 biến vào và 1 biến

Bước 3: Suy diễn mờ là phần quan trọng nhất của mô hình FIS, trong nghiên cứu này sử dụng cả hai dạng suy diễn mờ là Mamdani và Tagaki-Sugeno (TS)

Mờ hóa Suy diễn mờ Tập mờ Đầu ra (số thực)

Suy diễn mờ Mamdani dùng để xác định vùng thấm ô nhiễm do mô hình FIS này chỉ có hai ngõ vào là tọa độ ống cấp nước (X,Y) và hai giá trị này lại mang tính không chắc chắn cao Gọi A*, B* là tập mờ tương ứng với 2 yếu tố đầu vào X, Y thì luật mờ được phát biểu như sau:

R1 Nếu X là A1 và Y là B1 thì Sc là C1

R2 Nếu X là A2 và Y là B2 thì Sc là C2

Rn Nếu X là An và Y là Bn thì Sc là Cn

Cho Nếu X là A* và Y là B* thì Sc là C*

Theo suy diễn xấp xỉ Mamdani, tập mờ C* được suy diễn từ quan hệ thành phần: i i i

R  A  B và quan hệ tích hợp

   nên tập mờ đầu ra là: C *   R i R Tập mờ C* dùng trong bước giải mờ

Bước 4: Giải ngõ mờ đầu ra của các tập mờ

Phương pháp điểm trọng tâm (Hình 2.36) cho phép mọi giá trị đều đóng góp một trọng số nhất định trong việc xác định hoành độ điểm trọng tâm.Trọng tâm y0 được xác định trên miền Y của tập mờ B:

 (2.46) Hình 2.36 Phương pháp điểm trọng tâm

Suy diễn mờ Tagaki-Sugeno:

Mô hình FIS (Sc) xác định khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

Để đưa vào mô hình dự báo nguy cơ cần một giá trị Sc - khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm, ước lượng từ hai gia trí tọa độ xi,yi Mô hình FIS nước ngầm và mô hình FIS thoát nước lần lượt được sử dụng để ước lượng Sci từ dữ liệu mực nước ngầm và phương trình vùng thấm rò rỉ Sử dụng công cụ FLD trong phần mềm MATLAB xây dựng mô hình để xác định mức độ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm theo luật Mamdani (Hình 2.41)

Hình 2.41 Mô hình FIS xác định khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

Quan hệ giữa các tập mờ được xác định theo phương pháp cực đại cực tiểu, quan hệ hợp thành mờ theo quy tắc max - min Theo lý thuyết mô hình FIS, để giải ngõ mờ đầu ra của các tập mờ luận án sử dụng phương pháp điểm trọng tâm, vậy nên lựa chọn Defuzzification trong mô hình được xác định là “centroid”

Bảng 2.10 Tương quan giữa các yếu tố đầu vào và ra của mô hình FIS

Thấp Thấp Thấp Trung bình

Trung bình Thấp Trung bình Cao

Cao Trung bình Cao Cao

Luật mờ trong mô hình được phát biểu như sau: Nếu x là A i và y là B i thì S c là C i , trong đó Ci là các tập mờ cho biết khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm ở mức thấp - trung bình - cao Các tập mờ này có miền xác định lần lượt là [0 0 0,25 0.5], [0,25 0,5 0,75],

72 [0,5 0,75 1 1] và dạng hàm thuộc tương ứng là Zmf, Gaumf và Smf Từ ba tập mờ xa- trung bình-gần sẽ tạo thành 3 x 3 = 9 luật mờ theo tương quan như Bảng 2.10

Thiết lập luật mờ trong công cụ FLD cho kết quả quan sát theo hai biến đầu vào (x,y) như Hình 2.40, màu vàng, màu xanh dương và màu xanh nước biển trong hình bên trái lần lượt chỉ ra khu vực có khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm ở mức độ thấp, vừa đến cao tới vị trí ống cấp nước Trục ox trong hệ tọa độ xOy đặt tại mực nước ngầm trong mô hình FIS nước ngầm và đặt tại mặt nước của hệ thống thoát nước trong mô hình FIS thoát nước từ đó xác định tọa độ (x,y) của mỗi ống cấp nước trong mô hình Xác định khả năng ảnh hưởng của vùng ô nhiễm tới ống cấp nước bằng cách nhập các cặp toạ độ (x,y) vào ô Input Hình 2.42, cột bên phải sẽ hiển thị một giá trị Sc tương ứng

Hình 2.42 Luật mờ xác định khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

Kiểm định mô hình dự báo nguy cơ

Để xác thực khả năng làm việc của mô hình dự báo luận án thực hiện so sánh kết quả chạy mô hình dự báo và tính toán thủ công cho một ống cấp nước có khả năng bị vỡ là

Pf = 0,5, giá trị áp suất âm có khả năng xuất hiện trên ống Hn = -6,94 và nguy cơ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm là Sc = 0,79 Mô hình dự báo nguy cơ có phép hợp, phép giao và luật hợp thành theo luật max-min

- Khả năng ống vỡ Pf = 0,50 có độ thuộc theo hệ phương trình (2.36) và (2.37):

- Giá trị áp suất âm Hn = -6,94 (m) theo hệ phương trình (2.40) và (2.42):

- Nguồn ô nhiễm có khả năng ảnh hưởng tới ống Sc = 0,79 > 0,75 sẽ có hàm thuộc xác định theo hệ phương trình (2.46) là:

 H  Vậy các luật mờ được hình thành như sau:

R1 Nếu Pf = 0,5 là M1 và Hn = -6,94 là M2 và Sc =0,79 là H3 thì Pc là fM

R2 Nếu Pf = 0,5 là M1 và Hn = -6,94 là H2 và Sc = 0,79 là H3 thì Pc là fH

R3 Nếu Pf = 0,5 là H1 và Hn = -6,94 là M2 và Sc = 0,79 là H3 thì Pc là fM

R4 Nếu Pf = 0,5 là H1 và Hn = -6,94 là H2 và Sc = 0,79 là H3 thì Pc là fVH

Theo tính chất quan hệ tích hợp:

Theo phương trình (2.47) thì mức độ xảy ra ô nhiễm Pc được đánh giá theo bốn giá trị thực tương ứng M = 0,5; H = 0,75 và VH = 1 vậy khả năng ống bị ô nhiễm xâm nhập:

Ba giá trị Pf, Hn và Sc được nhập vào mô hình dự báo trong khối constant màu đỏ, qua khối xử lý dùng mô hình FIS cho kết quả như Hình 2.43, kết quả này giống với kết quả tính toán ở trên, vậy mô hình làm việc chính xác theo các nguyên tắc được lập trình

74 Hình 2.43 Kết quả mô hình dự báo sử dụng mô hình FIS - Gmf, Smf, Zmf Đề xuất quy trình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Những vấn đề cần giải quyết

Từ các phân tích của luận án cho thấy những vấn đề cần phải được giải quyết khi dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm bao gồm:

- Dự báo được khả năng ống cấp nước bị vỡ (Pfi)

- Giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng đoạn ống (Hni)

- Đánh giá được khả năng ảnh hưởng dòng thấm ô nhiễm tới ống cấp nước (Sci)

- Dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm (Pci).

Quy trình giải quyết vấn đề

Các mô hình Cây quyết định, mô hình HAMMER, mô hình FIS và mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm có vai trò như nhau trong quy trình dự báo nguy cơ chất ô nhiễm xâm nhập vào ống cấp nước (Hình 2.44) Để áp dụng mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm cho khu vực nghiên cứu cần xác định các số liệu đầu vào Pfi, Hni và Sci

1 Dự báo khả năng ống cấp nước bị vỡ (P fi )

Tài liệu mạng lưới cấp nước bao gồm bản vẽ và các số liệu sau:

- Đặc trưng vật lí của các ống cấp nước trên HTPPN: đường kính, chiều dài, vật liệu ống (D, L, Mat), độ tuổi (A) và giá trị áp suất trung bình làm việc của ống (P)

- Đặc trưng hình học của mạng lưới: vị trí tuyến đường đặt ống (R), số đoạn ống kết nối trên một tuyến ống (N0), tổng chiều dài ống trong một vùng cấp nước (DMA)

- Số lần vỡ trước đây (Prior): nguyên nhân vỡ là do ống bị lão hóa theo thời gian làm việc không xét tới các nguyên nhân khác như vỡ tại phụ tùng đấu nối, do yếu tố bên ngoài tác động hay các hoạt động có chủ ý

Hình 2.44 Quy trình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

Tập hợp giá trị của những yếu tố trên và mô tả thống kê để kiểm tra tính thống nhất của số liệu thu thập Bước tiếp theo sử dụng phần mềm R đưa các số liệu này vào mô hình Cây quyết định và dự báo khả năng ống vỡ trên HTPPN P fi   0 1 Kiểm tra kết quả dự báo bằng đường cong ROC và tiêu chuẩn AUC Trong trường hợp kết quả dự báo không

76 đảm bảo độ chính xác cần tăng số liệu ống vỡ, nếu không thu thập được thì có thể lấy số liệu của khu vực tương tự

2 Giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng đoạn ống (H ni )

Các tài liệu cần có để xác định giá trị Hni cho từng ống cấp nước là:

- Các thông số vật lí và thủy lực của HTPPN, đặc biệt là hệ số nhám, loại vật liệu và chiều dày thành ống

- Giá trị cột áp theo thời gian thực tại ít nhất 3 vị trí ở đầu, giữa và cuối HTPPN (Hi)

- Xác định vị trí van trên đường ống chính ở đầu, giữa và cuối mạng lưới cấp nước

Thiết lập mô hình mạng lưới cấp nước trên phần mềm HAMMER, nếu một HTPPN có các khu vực cấp nước (DMA) riêng biệt không có mối liên hệ thủy lực thì thiết lập mô hình mô phỏng cho từng DMA Bước tiếp theo là hiệu chỉnh mô hình bằng cách nhập dữ liệu cột áp thực tế Hi vào công cụ Darwin Calibration trong WaterGEMs để xác định hệ số nhám Sau đó, xác định áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng ống cấp nước H ni   9,98 0 qua các kịch bản đóng van trên đường ống chính ở đầu, giữa và cuối hệ thống phân phối nước

3 Đánh giá khả năng ảnh hưởng dòng thấm ô nhiễm tới ống cấp nước (S ci )

Xác định chiều cao mực nước ngầm trong khu vực và chiều sâu đặt ống cấp nước lấy từ bản vẽ Quy hoạch chi tiết mạng lưới cấp Trên cơ sở đó lấy giá trị mực nước ngầm cao nhất có khả năng xảy ra hiện tượng xâm nhập của chất ô nhiễm vào từng ống cấp nước Xác định tọa độ (xi,yi) của ống cấp nước để đưa vào mô hình FIS nước ngầm

Bản vẽ Quy hoạch chi tiết mạng lưới cấp thoát nước trong vùng nghiên cứu cần thu thập đầy đủ các thông tin về cấu tạo mạng lưới, độ sâu chôn cống, mực nước trung bình trong cống, các đặc trưng vật lí (chiều dài, đường kính và độ dốc) Từ đó, xác định vùng thấm rò rỉ có khả năng ảnh hưởng tới ống cấp nước Bằng phần mềm AutoCad, xác định tọa độ (xi,yi) của ống cấp nước trong vùng thấm ô nhiễm đưa vào mô hình FIS thoát nước Kết quả hai mô hình FIS là khả năng ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước

S ci  , so sánh kết quả hai mô hình và lấy giá trị Sci lớn hơn để đưa vào mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

4 Dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm (P ci )

Sau khi có đầy đủ ba giá trị đầu vào của mô hình dự báo nguy cơ, tiến hành nhập số liệu và chạy mô hình trong SIMULINK sẽ cho kết quả về khả năng chất ô nhiễm xâm nhập vào từng đoạn ống cấp nước trên HTPPN Bên cạnh đó, tiến hành đánh giá sự phù hợp của kết quả dự báo bằng cách so sánh với tài liệu chất lượng nước thực tế, nếu không đạt sẽ điều chỉnh lại miền xác định của tập mờ trong mô hình dự báo Cơ sở để đánh giá là so sánh kết quả chạy mô hình dự báo nguy cơ với kết quả kiểm tra chất lượng nước trên HTPPN thực tế

Chất ô nhiễm xâm nhập vào hệ thống là tổng hợp của ba yếu tố nguy cơ, trong chương này đã đưa ra cơ sở lý thuyết từ đó phát triển mô hình dự báo nguy cơ ống vỡ và mô hình xác định độ lớn của áp suất nước va âm, yếu tố nguy cơ thứ ba là chiều sâu mực nước ngầm và vùng thấm của dòng chảy rò rỉ từ hệ thống thoát nước được mô phỏng bằng phương trình toán học Từ đó đề xuất mô hình dự báo HTPPN bị ô nhiễm sử dụng lý thuyết logic mờ và đánh giá độ nhạy hàm thuộc của ba biến nghiên cứu Kết quả đã đưa ra hàm dạng Gaussian và Sigmoidal phù hợp cho biến nghiên cứu hơn là dạng tam giác, L, Gamma tuyến tính hay hình thang Sử dụng công cụ SIMULINK trong phần mềm MATLAB nghiên cứu đã xây dựng mô hình và quy trình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO NGUY CƠ Ô NHIỄM CHO

Dự báo khả năng ống bị vỡ

Mục tiêu thu thập dữ liệu là xác định khả năng ống vỡ trên mạng lưới cấp nước Các số liệu cần để phân tích bao gồm đặc điểm hệ thống liên quan tới số liệu ống vỡ trong lịch sử và ống đang hoạt động Thu thập dữ liệu từ hồ sơ quản lí của công ty và tham vấn các nhân viên phụ trách kĩ thuật cũng như công nhân vận hành, sửa chữa hệ thống để hiểu rõ hơn về số liệu khảo sát cũng như các yếu tố liên quan tới sự kiện ống vỡ trong quá trình làm việc

Hình 3.1 Hồ sơ sửa chữa ống vỡ quận Hải Châu, Đà Nẵng Các thông tin trong hồ sơ sửa chữa ống vỡ của công ty bao gồm vị trí vỡ ống, đường kính (D), vật liệu (Mat) và nguyên nhân vỡ (Hình 3.1) Nhật ký ghi nhận tất cả các trường hợp sửa chữa trên mạng lưới từ hỏng van, thay đồng hồ cho đến các tác động từ bên ngoài gây ra vỡ ống và số lượng ống vỡ trên đường ống dịch vụ là lớn nhất mà

ST Mã KH TÊN KHÁCH HÀNG NGÀY BÁO NGÀY

KẾT QUẢ NỘI DUNG NGÀY

NIÊM NGƯỜI NIÊM BÁO CÁO TÌNH HÌNH SỬA CHỮA ỐNG BỂ

Từ ngày: 01/01/2010 Đến ngày: 29/04/2016 CHI NHÁNH CẤP NƯỚC HẢI CHÂU

Ngô Đức Thắng thay van 29/03/1

Nguyễn Đình Tháp đã sữa đhồ hết

Cầu Hoà Xuân ống D110 HDPE

Nguyễn Văn Khéo thay van

80 nguyên nhân xảy ra hiện tượng này chủ yếu là do khách hàng sửa chữa thi công công trình gây nên Hơn nữa, phạm vi nghiên cứu là xem xét các trường hợp ống vỡ theo thời gian làm việc nên các số liệu thống kê sự cố vỡ được chọn lọc trên các ống có đường kính lớn hơn 100mm và nguyên nhân vỡ do bản thân vật liệu ống

Hồ sơ sửa chữa ống vỡ chưa cung cấp các thuộc tính liên quan tới đường ống bị vỡ như chiều dài tuyến ống (L), khu vực đặt ống (DMA), năm cài đặt cũng như giá trị áp lực làm việc trung bình (P) của từng đoạn ống Bên cạnh đó, mô hình đề xuất dùng để ước lượng khả năng vỡ cho tất cả các đoạn ống trên hệ thống phân phối nước bao gồm cả những đoạn ống đã vỡ và những đoạn ống chưa vỡ, thậm chí cả những ống mới được lắp đặt,vậy nên số liệu thống kê không chỉ thu thập từ hồ sơ ống vỡ trên mạng lưới mà còn cần các thông tin liên quan tới các đoạn ống chưa vỡ Các thông tin này được lấy từ hệ thống GIS do phòng kỹ thuật của công ty cung cấp (Hình 3.2), đồng thời các dữ liệu GIS sẽ được sử dụng để kiểm chứng lại một lần nữa các thông tin lấy được trong hồ sơ sửa chữa ống vỡ ở trên

Hình 3.2 Dữ liệu GIS của hệ thống phân phối nước quận HC

Số liệu thu thập được tổng hợp bằng bảng tính Excel và xử lý các dữ liệu thiếu bằng khảo sát thực địa, phỏng vấn nhân viên công ty cũng như phân tích các hồ sơ thiết kế, dữ liệu hình ảnh Google Earth (Hình 3.3) và hệ thống GIS Sau khi xử lý số liệu thu thập, các giá trị không phù hợp với mục tiêu nghiên cứu như ống vỡ tại các phụ tùng

81 đầu nối, ống vỡ do tác động bên ngoài hay các ống vỡ có đường kính nhỏ hơn 100mm đều được loại bỏ Các dữ liệu còn lại được phân tích và kiểm chứng cho các mô hình hồi quy logistic và cây quyết định từ đó dự báo khả năng ống vỡ trong tương lai

Hình 3.3 Hình ảnh GIS của hệ thống phân phối nước quận HC

3.2.1.2 Mô tả số liệu thống kê

Số liệu khảo sát được thu thập từ mạng lưới phân phối của quận Hải Châu có tổng chiều dài mạng lưới là 158,43 km ống km bao gồm vật liệu PVC, HDPE, DI, CI, ST, AC, SS với tỉ lệ trong mạng lưới như Hình 3.4

Hình 3.4 Chiều dài và số lần vỡ trung bình của HTPPN quận HC

Kết quả thống kê số lần vỡ qua các năm cho thấy giá trị này có xu thế tăng theo chiều dài ống, trong đó ống PVC có chiều dài lớn nhất là 80,6 km ống với số lần vỡ trong 6 năm khảo sát là 63 lần số liệu vỡ không được ghi nhận trên ống sắt SS Vật liệu AC có

PVC HDPE CI DI ST AC

82 số lần vỡ ít nhất là 1 lần Vật liệu DI có số liệu vỡ lớn hơn xu thế, kết quả này cũng phù hợp với kết quả của các nghiên cứu trước đây [35]

Lựa chọn và kiểm tra dữ liệu sử dụng cho mô hình dự báo

Như đã phân tích ở phần trên, các yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện vỡ ống bao gồm độ tuổi ống A(năm), số điểm đấu nối trên một tuyến N0, vật liệu ống Mat, đường kính ống D(mm), áp suất làm việc của đoạn ống P(m), chiều dài L(km), mã tuyến đường đặt ống

R, tổng chiều dài trong một DMA La(km), số lần vỡ ống trong lịch sử Prior và số liệu ống vỡ F quận HC bao gồm 1979 hàng x10 cột có dạng như Bảng 3.1

Bảng 3.1 Dữ liệu mẫu sử dụng cho mô hình dự báo ống vỡ quận HC

- Nếu ống vỡ tại độ tuổi A thì F=1, nếu không vỡ thì F=0 lúc này A là tuổi ống tính đến thời điểm khảo sát

- N0, L, R lần lượt là số điểm đấu nối, chiều dài ống dẫn, tuyến đường được đặt ống lấy từ dữ liệu GIS của công ty Tên đường được mã hóa bằng các ký tự số trong tập dữ liệu khảo sát

- Mat là vật liệu ống dẫn, bao gồm kí hiệu chữ và số như sau: AC (1), CI (2), DI (3), HDPE (4), ST (5) và PVC (6)

- D là đường kính ống dẫn, dữ liệu bao gồm các ống có đường kính D≥100mm

- P là giá trị áp suất trung bình làm việc của đoạn ống được nội suy từ dữ liệu cảm biến đo áp trên mạng lưới

- Cột Prior ghi nhận nếu ống vỡ lần thứ nhất là lịch sử vỡ là không kí hiệu là No, nếu ống vỡ lần thứ 2 thì lịch sử vỡ là 1 lần kí hiệu là 1st tương tự cho ống vỡ lần thứ 3 thì Prior = 2nd

83 Các dữ liệu được phân loại theo vật liệu ống, kết quả thống kê trình bày trong Bảng 3.2, Bảng 3.3 Với các giá trị lớn nhất (Max), nhỏ nhất (Min), trung bình (Mean) và độ lệch chuẩn (SD) của các biến số đã mô tả khái quát đặc điểm của tập số liệu đầu vào cho mô hình dự báo

Bảng 3.2 Thống kê dữ liệu ống không vỡ quận HC

Biến Đơn vị Tỉ lệ AC CI DI HDPE ST PVC

84 Bảng 3.3 Thống kê dữ liệu ống vỡ quận HC

Biến Đơn vị Tỉ lệ AC CI DI HDPE ST PVC

Từ số liệu thống kê, so sánh độ tuổi ống dẫn trong nhóm vỡ và không vỡ cho thấy tuổi ống trong nhóm vỡ (PVC 17,42 tuổi) nhỏ hơn nhóm không vỡ (CI 36,15 tuổi ống) Được

Xác định độ lớn của áp suất âm trên DMA- HC05 quận Hải Châu

3.2.2.1 Thiết lập mô hình HAMMER và hiệu chỉnh

HTPPN quận Hải Châu được quản lí theo 5 khu vực cấp nước (DMA) từ HC01 đến HC05, các DMA được phân tách bằng các van khóa và đồng hồ tổng như Hình 3.13

Hình 3.12 Năm khu vực cấp nước của HTPPN quận Hải Châu

Mỗi khu vực là riêng biệt và có từ hai đến ba nguồn cung cấp nước vào, các số liệu cũng được thống kê cho từng DMA nên việc lựa chọn một khu vực đại diện để nghiên cứu là phù hợp Theo Hình 3.12 cho thấy DMA HC05 nằm ở vị trí nguồn cấp nước vào của quận Hải Châu và khu vực này có áp suất tương đối ổn định, đây cũng là khu vực cung cấp nước rộng nhất so với các DMA còn lại, vậy nên nghiên cứu lựa chọn DMA này để xác định giá trị áp suất âm HTPPN khu vực HC05 được thiết lập trong phần mềm HAMMER như Hình 3.13, có 2 nguồn cấp nước vào từ các tuyến ống truyền tải chính có đường kính 700mm màu tím và 900mm màu đỏ, với mạng lưới đường ống được bố trí thành các vòng và nhánh

95 Hình 3.13 Mạng lưới cấp nước HC05 và vị trí Logger lấy dữ liệu hiệu chỉnh Để hiệu chỉnh mô hình nghiên cứu tiến hành lấy giá trị áp suất thực tế tại một số điểm đầu và cuối khu vực cấp nước Số liệu từ các cảm biến đo áp suất nước (Logger) của HC05 do chi nhánh cấp nước Hải Châu cung cấp khá đầy đủ (xem phụ lục III) bao gồm vị trí đặt Logger trên HTPPN (Hình 3.13) và giá trị áp suất nước đo được theo thời gian làm việc thực tế của mạng lưới cấp nước

Hình 3.14 Kết quả cân chỉnh hệ số nhám của DMA HC05 Bằng công cụ Darwin Designer trong WaterGEMs giá trị áp suất thực đo và mô hình

96 mô phỏng sau khi hiệu chỉnh chênh lệch từ -0,6m đến 1,01m (Hình 3.14) với hệ số nhám Hazen Williams C của các ống có vật liệu ống được cân chỉnh như Bảng 3.11

Bảng 3.11 Hệ số Hazen Williams C sau cân chỉnh

Vật liệu Hazen- Williams (C) Cân chỉnh (C)

3.2.2.2 Mô phỏng kịch bản đóng van

Hình 3.15 Ba kịch bản đóng van trên DMA HC5 và kí hiệu mầu tương ứng Nghiên cứu thực hiện mô phỏng ba kịch bản đóng van trên tuyến ống chính tại vị trí đầu nguồn cung cấp R-1 và cuối mạng lưới, các van được bố trí như Hình 3.15 Kết quả mô

97 phỏng quá trình lan truyền nước va sau van khi đóng van FCV-1 trên ống có đường kính 300mm với thời gian đóng van là 6 phút gây ra giá trị áp suất âm sau van lớn nhất là - 9,98m Tuy nhiên, mạng lưới cấp nước HC05 còn một nguồn cung cấp phía cuối mạng nên giá trị áp suất âm không bao trùm trên toàn bộ mạng lưới mà giảm dần độ lớn theo chiều dài ống dẫn Vậy nên, kịch bản đóng van FCV-3 ở cuối mạng lưới được thiết lập để xác định áp suất âm có khả năng xuất hiện trên các tuyến ống

Khu vực phía bên phải nguồn R-1 nằm riêng biệt và chỉ có một đường ống dẫn nước vào và sau đó chia thành hai nhánh D100mm và D200mm nên nghiên cứu đặt van FCV-2 trên nhành D200mm để xem xét các giá trị áp suất âm có khả năng xuất hiện trong khu vực này Khu vực ảnh hưởng của áp suất âm khi đóng van FCV-1, FCV-2, FCV-3 được mô phỏng như trong Hình 3.15, diện tích khu vực khi đóng van FCV-2 và FCV-3 nhỏ hơn nhiều so với trường hợp đóng van FCV-1 Sau ba kịch bản đóng van nghiên cứu lựa chọn các giá trị áp suất âm lớn nhất (Hn) có khả năng xuất hiện trên từng tuyến ống như trong Phụ Lục VI.

Đánh giá nguy cơ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

3.2.3.1 Xác định chiều cao của mực nước ngầm

Theo báo cáo về chất lượng nước dưới đất [84] cho thấy nước ngầm trong khu vực Đà nẵng có biểu hiện ô nhiễm lớn về hàm lượng vi trùng (86% mẫu Coliform và 61% mẫu Fecalcoli vượt giới hạn), hàm lượng sắt cũng ở mức cao Bên cạnh hiện tượng nhiễm mặn hàm lượng Clo, độ cứng trong các mẫu cũng vượt giới hạn cho phép Các yếu tố vi lượng (As, Cd, Pb, Cu, Zn, Mn) chưa có biểu hiện ô nhiễm, giá trị hàm lượng của các chất này vẫn nằm trong giới hạn cho phép Các chỉ tiêu SO4, NO3, CN và Phenol có biều hiện ô nhiễm ở một vài điểm riêng lẻ, diện ô nhiễm hẹp

Theo tài liệu của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường [85] mực nước ngầm tại thành phố Đà Nẵng dao động trong khoảng từ 1,86m đến 4,34 m so với mặt đất, chủ yếu nằm trong tầng chứa nước lỗ rỗng các trầm tích Holocen Như vậy, nếu ống cấp nước đường kính

D = 0,2 m được đặt ở độ sâu 2 m so với mặt đất thì khoảng cách từ mực nước ngầm cao

98 nhất đến đỉnh ống là H = 2 m - 1,86 m = 0,16 m Lúc này, 0,5D = 0,1 m < H < 1,5D 0,3 m vậy khả năng chất ô nhiễm xâm nhập vào ống được đánh giá ở mức độ trung bình

3.2.3.2 Xác định vùng thấm rò rỉ của cống và mương thoát nước

Hệ thống thoát nước thải hiện có ở quận Hải Châu nói riêng và của thành phố Đà Nẵng chủ yếu là hệ thống thoát nước chung với hệ thống thu gom chính màu đỏ và màu xanh lá cây chạy dọc sông Hàn dài 15,7 km như Hình 3.16

Hình 3.16 Hệ thống thoát nước khu vực HC05 của quận HC [86]

Hình 3.17 Quy trình thu gom nước thải tại thành phố Đà Nẵng [86]

99 Theo tài liệu của Ủy ban nhân dân thành phố Đà Nẵng [86], chỉ có một phần rất ít khu quy hoạch mới là có hệ thống thu gom riêng về Trạm xử lý nước thải, quy trình thu gom nước thải trên mạng lưới thoát nước Đà Nẵng được thực hiện như Hình 3.17 Hầu hết các hộ gia đình đều có bể phốt nhưng chỉ 15% hộ gia đình đấu nối ống thoát nước vào hệ thống thoát nước, số còn lại ngấm trực tiếp từ bể phốt xuống nền đất Đối với nước nhà bếp, nước tắm giặt, rửa khoảng 46% hộ gia đình đấu nối vào hệ thống thoát nước để đưa về trạm xử lý nước thải

Hệ thống thoát nước trong khu vực quận Hải Châu là các cống ngầm kết hợp với cống hộp kích thước 2 x 2,3 x 1,5m, 3 x 2,4 x 2,1m, 3 x 3 x 3,3m, 4,5 x 2,5m, 4 x 1,4m và các mương thoát nước hình thang chiều rộng mặt 30m đáy 9m mái dốc 1,75 Đánh giá nguy cơ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước

Giả sử cống thoát nước có đường kính D200mm có B = 0,2m, chiều sâu nước trong cống H = 0,1m nằm phía trên ống cấp nước như Hình

3.18, phương trình biên dòng thấm rò rỉ trong môi trường đất không bão hòa nước được xác định như sau:

 (3.4) Hình 3.18 Đánh giá ảnh hưởng của dòng thấm từ cống thoát nước D200mm

- Khi y > 3 (B + 2H) / 2 thì x ≈ 0,1m và không đổi theo chiều sâu dòng thấm

Như vậy, với mỗi tuyến cống và mương thoát nước có chiều sâu nước trong cống (H) và chiều rộng mặt nước trong cống (B) thì luôn xác định được vùng thấm của dòng chảy rò rỉ ra khỏi cống Dựa trên tọa độ (x,y) của ống cấp nước so với gốc tọa độ vùng thấm ô nhiễm xOy sẽ xác định được mức độ ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước Khả năng chất ô nhiễm xâm nhập vào ống cấp nước thuộc mức cao khi ống cấp nước nằm bên trong vùng thấm ô nhiễm và ngược lại thì khả năng ô nhiễm ở mức thấp, khi

100 nằm trên biên vùng thấm thì khả năng chất ô nhiễm xâm nhập đường ống được coi là ở trung bình

3.2.3.3 Xác định tọa độ ống cấp nước

Theo giá trị dao động của mực nước ngầm và hồ sơ thiết kế mạng lưới thoát nước của DMA HC05 của quận Hải Châu, kết hợp với vị trí lắp đặt ống cấp nước trong khu vực đánh giá tương quan vị trí giữa ống cấp nước và nguồn ô nhiễm Nghiên cứu xác định được tọa độ (x,y) cho từng ống cấp nước trong vùng thấm ô nhiễm như Phụ Lục IV Từ đó lần lượt đưa vào mô hình FIS nước ngầm và FIS thoát nước, so sánh kết quả hai mô hình để lựa chọn giá trị nguy cơ ô nhiễm lớn nhất.

Dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm cho DMA HC05

3.2.4.1 Áp dụng mô hình dự báo HTPPN bị ô nhiễm

Ba giá trị Pf, Hn, Sc của các tuyến ống được đưa vào mô hình dự báo khả năng ô nhiễm

Pc cho từng ống với giá trị nằm trong khoảng từ 1% đến 100% được kí hiệu các màu khác nhau trên mô hình HAMMER như Hình 3.19 Mầu xanh lá cho thấy các ống có nguy cơ ô nhiễm thấp (nhỏ hơn 36%), màu xanh lam và xanh nước biển cho biết giá trị nguy cơ nằm trong khoảng trung bình từ 36% đến 52%, màu tím dự báo ống có nguy cơ cao từ 68% đến 84% và khả năng ô nhiễm lớn hơn 84% và nhỏ hơn hoặc bằng 100% cho các ống có màu đỏ

3.2.4.2 Kiểm tra sự phù hợp giữa kết quả dự báo và thực tế

Theo hồ sơ kiểm định chất lượng nước của công ty cổ phần cấp nước Đà Nẵng thì công tác kiểm tra chất lượng nước trên đường ống được thực hiện bằng cách lấy mẫu nước định kỳ và phân tích kiểm tra chất lượng nước theo quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT của

Bộ Y Tế, phiếu kiểm tra mẫu nước như trong Phụ lục V Bộ phận kiểm định chất lượng nước của công ty trong 1 tháng kiểm tra 8 lần, mỗi lần lấy mẫu tại 10 điểm khác nhau đại diện cho từng khu vực cấp nước, có khoảng hơn 100 điểm lấy mẫu trong 1 năm Các mẫu kiểm tra ở đầu ra của nhà máy thì đều đạt chuẩn và đảm bảo sạch nhưng những mẫu kiểm tra trên đường ống thì vẫn có mẫu không đạt, theo thống kê từ số liệu cung

101 cấp của công ty cấp nước Đà Nẵng thì số mẫu không đạt chất lượng trong năm 2014 và

2015 là hơn 100 mẫu, một số khu vực lấy mẫu thường xuyên không đạt được đánh dấu trong Hình 3.20

Hình 3.19 Kết quả dự báo nguy cơ ống cấp nước bị ô nhiễm

Hình 3.20 Vị trí lấy mẫu thường xuyên không đảm bảo chất lượng quy định

Nhìn chung, những đoạn ống mô hình dự báo có khả năng bị ô nhiễm thấp thì thực tế cũng không có đánh dấu về mẫu nước không đạt chất lượng Trên một số tuyến ống truyền dẫn được mô hình dự báo giá trị Pc cao vì các tuyến này nằm gần nguồn ô nhiễm và có nguy cơ vỡ cao Mặc dù nước trong ống không đạt chất lượng có thể không phải do chất ô nhiễm bên ngoài xâm nhập nhưng với việc áp dụng mô hình đề xuất của nghiên cứu cũng dự báo được một phần khả năng xuất hiện ô nhiễm của từng ống, đây là một trong những cơ sở để giám sát chất lượng nước

HTPPN quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ

Ninh Kiều là một quận nằm phía Đông Nam Thành phố Cần Thơ chiếm 75% tổng nhu cầu sử dụng nước sạch toàn Thành phố HTPPN của quận (Hình 3.21) lấy nước từ nhà máy nước Cần Thơ 1 với công suất 55.000 m 3 /ngày đêm Tổng chiều dài mạng lưới cấp nước là 249,91km gồm các ống đường kính từ 100mm tới 650mm, vât liệu ống sử dụng chủ yếu là gang xám CI, gang dẻo DI, nhựa PVC và HDPE Từ trạm bơm II nước được đưa vào ống D650mm và chia thành hai tuyến ống chính D600mm và D400mm và nối

102 thành mạng vòng phân phối nước tới các khu vực trong quận NK

Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống cấp nước quận Ninh Kiều, Thành phố Cần Thơ

Dự báo khả năng ống vỡ trên HTPPN quận Ninh Kiều (NK)

Hình 3.22 Hình chụp từ hồ sơ thống kê ống cấp nước HTPPN quận NK

Công ty cấp nước Cần Thơ đang trong bước đầu tiếp cận hệ thống GIS nên các thông

Cần Thơ, ngày 9 tháng 4 năm 2018

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CÔNG TY CỔ PHẦN CẤP THOÁT NƯỚC CẦN THƠ

Tổng chiều dài bản đồ:

Tổng chiều dài hoàn công:

TỔNG SỐ ĐOẠN ỐNG: Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Mô tả vị trí Ngày lắp đặt

400 400 400 400 400 400 400 300 300 250 Gang dẻo HDPE Gang dẻo Gang Gang PVC

Gang Gang Gang Gang Ống phân phối Ống phân phối Ống phân phối Ống phân phối Ống phân phối Ống phân phối

THỐNG KÊ ĐƯỜNG ỐNG CHÍNH

Loại tuyến ống Ống phân phối Ống phân phối Ống phân phối Ống phân phối

103 tin về hệ thống được lấy từ hồ sơ của công ty có dạng như Hình 3.22 và sơ đồ HTPPN trên file CAD Số liệu được quản lí theo ba khu vực chính là An Bình, Bông Vang và Chi nhánh 1 Mỗi khu vực được thống kê chi tiết các thông tin vật liệu, đường kính ống, chiều dài hoàn công/biểu đồ cũng như ngày lắp đặt ống Để dự báo nguy cơ ống vỡ trên HTPPN nghiên cứu tiến hành phân tích và tổng hợp 9 yếu tố về độ tuổi ống dẫn (A), khu vực làm việc (R, La), đặc điểm hình học (N0), vật lý (D, Mat, L) và lịch sử bể vỡ ống (Prior) Các giá trị này được phân loại thành hai nhóm ống vỡ và không vỡ, từ đó thống kê thành 10 cột và 1891 dòng như Bảng 3.12

Bảng 3.12 Dữ liệu mẫu sử dụng cho mô hình dự báo ống vỡ quận NK

Dữ liệu ống không vỡ được thống kê trên Bảng 3.13 với các giá trị lớn nhất (Max), nhỏ nhất (Min), trung bình (Mean) và độ lệch chuẩn (SD) Độ tuổi trung bình của mạng lưới cấp nước quận NK khoảng 10 năm, trong đó ống cấp nước vật liệu kim loại là lớn nhất (39 năm) và ống HDPE là nhỏ nhất (4 năm) Do vật liệu HDPE mới được đưa vào sử dụng trong những năm gần đây để thay thế dần các ống gang đã cũ Bên cạnh đó, thống kê dữ liệu cũng cho thấy các loại vật liệu ống có tỉ lệ chiều dài trong một DMA (La) và giá trị cột áp làm việc (P) là như nhau

Dữ liệu ống vỡ trên hệ thống bắt đầu được lưu trên file từ tháng 5/2017, trước đó được ghi chép trên giấy, vậy nên luận án chỉ thu thập được các dữ liệu đầy đủ trong 5 năm

Có tất cả 85 sự kiện ống vỡ được thu thập và được đánh giá như trong Hình 3.23, đa số là các ống có đường kính D100mm xảy ra vỡ lần đầu Trong đó những ống xảy ra vỡ

104 nhiều lần xảy ra trên khu vực có tổng chiều dài ống lớn, xu thế này cũng giống như trong dữ liệu của HTPPN quận HC

Bảng 3.13 Thống kê dữ liệu ống không vỡ quận NK

Biến Đơn vị Tỉ lệ CI DI HDPE PVC

105 Hình 3.23 Mô tả dữ liệu ống vỡ HTPPN quận NK

3.3.1.3 Áp dụng mô hình Cây quyết định (DT)

Bảng 3.14 Kết quả mô hình cây quyết định quận NK

Classification tree: rpart(formula = F ~ , data = nkdt, method = "class")

Variables actually used in tree construction:

CP nsplit rel error xerror xstd

Sử dụng phần mềm R, xây dựng mô hình Cây quyết định từ hai tập số liệu ống vỡ và không vỡ Bảng 3.14 trình bày kết quả mô hình DT, tổng số nút trên mô hình là 1891

106 trong đó có 85 nút số liệu ống vỡ Hai yếu tố độ tuổi ống (A), lịch sử vỡ ống (Prior) ảnh hưởng tới sự kiện ống vỡ cũng trùng khớp với mô hình quận HC, tuy nhiên số liệu thống kê của HTPPN quận NK có thêm yếu tố tuyến đường đặt ống (R)

Sử dụng lệnh Predict trong cho kết quả dự báo khả năng ống vỡ trên HTPPN quận Ninh Kiều (Pf), kết quả được biểu diễn trên Phụ Lục VII Đánh giá theo tiêu chuẩn đường cong ROC (Hình 3.24) thì chỉ số AUC = 0,801 cho thấy mô hình dự báo tốt

Hình 3.24 Đường cong ROC của mô hình DT quận NK

Xác định áp suất âm lớn nhất trên từng đoạn ống

3.3.2.1 Thiết lập mô hình HAMMER và hiệu chỉnh

HTPPN quận NK hiện tại sử dụng ranh kênh rạch làm biên cấp nước nhưng chưa tách mạng lưới thành các khu vực cấp nước (DMA) riêng biệt nên trong phần này nghiên cứu tiến hành mô phỏng toàn mạng lưới cấp nước của quận Hình 3.27 là sơ đồ cấp nước quận NK thiết lập trên phần mềm HAMMER Mô hình được hiệu chỉnh bằng giá trị cột áp thực tế thu thập từ hệ thống giám sát cột áp tự động của công ty cấp thoát nước Cần Thơ như Hình 3.25

Giá trị cột áp tại năm vị trí trên HTPPN quận NK lấy từ cảm biến đo áp mã hiệu CT01, CT03, CT04, CT17, CT33 được trình bày trong Bảng 3.15 Sau khi cân chỉnh bằng công cụ Darwin Calibartion trong WaterGEMs, sai lệch cột áp giữa mô hình và thực tế nằm

107 trong khoảng từ -0,3m đến 3,3m Hệ số thám Hazen-William C của ống cho các loại vật liệu sau hiệu chỉnh là CCI, DI = 116, CPVC = 125 và CHDPE 2

Hình 3.25 Hệ thống giám sát cột áp tự động của HTPPN quận NK

Bảng 3.15 Hiệu chỉnh HTPPN quận NK

STT ID Vị trí Cột áp thực tế

3.3.2.2 Mô phỏng kịch bản đóng van

Mạng lưới cấp nước quận NK trải dài theo địa hình và được phân tách thành hai khu vực phân phối, vậy nên đầu mạng lưới vẫn lựa chọn 1 kịch bản đóng van FCV-1 trên đường ống chính D650mm (màu đỏ) nhưng khu vực giữa và cuối HTPPN cần mô phỏng

4 kịch bản đóng van FCV-2, FCV-3, FCV-4 và FCV-5 trên đường ống chính D600mm (màu đỏ), D400mm (màu xanh nước biển) và D250mm (màu xanh ngọc) như Hình 3.26

D v : đường kính van (mm) T: thời gian đóng van (phút)

Hình 3.26 Năm kịch bản đóng van trên HTPPN quận NK

Tổng hợp năm kịch bản đóng van từ FCV - 1 đến FCV - 5 xác định được giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng trên từng đường ống (Hn) như Phụ Lục VII.

Đánh giá ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

3.3.3.1 Xác định chiều cao của mực nước ngầm

Tài nguyên nước ngầm ở Cần Thơ rất dồi dào về trữ lượng tuy nhiên do khai thác quá mức nên nguồn nước ngầm không chỉ có nguy cơ cạn kiệt mà còn có dấu hiệu ô nhiễm vi sinh (chủ yếu là coliform) [87] Ngoài ra các hoạt động sản xuất nông nghiệp, khai thác giếng khoan tự phát của các hộ dân cũng góp phần làm tăng nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm

Theo tác giả Lê Văn Phát [88] trong phạm vi thành phố Cần Thơ, nước ngầm nằm ở các tầng chứa nước Holocene, Pleistocene giữa - trên và tầng trên Mực nước trung bình so với mặt đất dao động từ 0,08 m đến 6,06 m và có sự suy giàm mực nước từ năm 2000 đến 2015 Các giá trị mực nước ngầm nằm trong khoảng này sẽ được sử dụng để đánh giá nguy cơ ô nhiễm xâm nhập vào đường ống cấp nước

3.3.3.2 Xác định vùng thấm rò rỉ của hệ thống thoát nước

Hệ thống thoát nước quận NK là thoát nước chung gồm các cống và mương có đường kính từ 200mm đến 1200mm như Hình 3.27, trong đó chủ yếu là các cống có đường

109 kính 200mm - 400mm (màu tím) Hai cống thu gom chính có đường kính D1000mm, D1200m (màu đỏ) lần lượt đặt tại phía Đông Nam và Tây Bắc của quận Các ống màu xanh nước biển có đường kính từ 500mm-800mm nằm rải rác trên hệ thống để thu gom nước từ các cống có đường kính nhỏ hơn

Hình 3.27 Sơ đồ hệ thống thoát nước quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ

Cống và mương thoát nước có đường kính khác nhau thì diện tích vùng thấm rò rỉ cũng khác nhau, theo phương trình (2.18) thì biên thấm (xmax, ymax) được xác định như Bảng 3.16 Khi y→∞ thì chiều rộng vùng thấm được coi là không đổi x = xmax

Bảng 3.16 Tọa độ biên vùng thấm ô nhiễm từ hệ thống thoát nước quận NK

3.3.3.3 Xác định tọa độ ống cấp nước.

Từ giá trị mực nước ngầm và bản vẽ quy hoạch mạng lưới cấp nước quận Ninh Kiều thành phố Cần Thơ luận án đánh giá tương quan giữa chiều sâu mực nước ngầm và chiều

110 sâu đặt ống cấp nước so với mặt đường Từ đó xác định các cặp tọa độ (xi,yi) cho từng ống cấp nước để đưa vào mô hình FIS nước ngầm

Những ống cấp nước nằm phía trên vùng thấm hoặc không có giao cắt thì tọa độ của ống cấp nước được coi là (1,1) Đa số các giao cắt xảy ra trên các cống và mương thoát nước đường kính từ 400mm trở xuống, với các cống có đường kính lớn hơn đều nằm sâu hơn Xem xét tương quan vị trí ống cấp, thoát nước trên các tuyến đường xác định được các cặp tọa độ (xi,yi) của ống cấp nước Đưa (xi,yi) vào hai mô hình mờ và so sánh kết quả của hai mô hình luận án xác định được mức độ ảnh hưởng lớn nhất của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước (Sci) như Phụ Lục VII

Dự báo khả năng chất ô nhiễm xâm nhập

3.3.4.1 Áp dụng mô hình dự báo HTPPN bị ô nhiễm

Từ ba giá trị Pf, Hn và Sc đưa vào mô hình dự báo nguy cơ, nghiên cứu xác định được khả năng bị chất ô nhiễm xâm nhập cho từng ống trên HTPPN quận NK Kết quả dự báo được biểu diễn trong Phụ Lục VII

3.3.4.2 Kiểm tra sự phù hợp giữa kết quả dự báo và thực tế Đánh giá định lượng và định tính trên một số tuyến ống cho thấy sự tương đồng giữa kết quả dự báo ô nhiễm và các yếu tố nguy cơ Khi cả ba yếu tố nguy cơ đều ở mức cao (vòng tròn nét liền) thì khả năng xảy ra ô nhiễm trên đường ống Pc ≤ 100% (màu đỏ) Ngược lại, các vòng tròn nét đứt cho thấy giá trị Pc dự báo thấp ( ≤ 36%) khi ba yếu tố nguy cơ là Pf ≤ 1%, Hn < -1,03 và Sc ≤ 60%

Kết quả dự báo khả năng ống cấp nước bị ô nhiễm trên HTPPN quận NK đã khẳng định một lần nữa độ chính xác của mô hình dự báo mà luận án đề xuất, cũng như khả năng ứng dụng cho các khu vực khác nhau

HTPPN Long Điền, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu

HTPPN Long Điền trong Hình 3.29 thuộc tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu lấy nước từ đường ống gang xám D1000mm (màu đỏ), cung cấp nước sạch cho thị trấn Long Điền, Long Hải,

111 xã An Ngãi, xã Phước Hưng và Phước Tỉnh với tổng chiều dài ống cấp nước là 126km

Hệ thống có 2 tuyến ống với đường kính D400mm, mỗi tuyến dài 13km (màu xanh nước biển) chạy dọc theo đường tỉnh lộ 44 Các tuyến ống đường kính D150mm-200mm (màu xanh da trời) dẫn nước từ ống D400mm vào ống D100mm (màu xanh lá), đảm bảo cung cấp nước liên tục cho hơn 32.000 khách hàng phục vụ mục đích sinh hoạt, tưới tiêu, sản xuất, kinh doanh dịch vụ, …

Hình 3.28 HTPPN Long Điền tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

Dự báo khả năng ống vỡ trên HTPPN Long Điền (LĐ)

Vật liệu ống sử dụng cho HTPPN Long Điền bao gồm 4 loại là thép, gang, nhựa PVC và nhựa HDPE trong đó ống kim loại chỉ chiếm khoảng 6% trên tổng chiều dài của hệ thống (Hình 3.30) Ống đường kính D100mm với hai loại vật liệu là HDPE và PVC có chiều dài lớn nhất (77,417 km), chiếm tỉ lệ ít nhất (10,733km) là ống D300mm

Hai tập số liệu ống không vỡ và vỡ thu thập các thông tin về 9 yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện vỡ ống Hồ sơ sửa chữa ống vỡ có đường kính lớn hơn hoặc bằng 100mm được thu thập từ năm 2010 đến 2018, trong hồ sơ ghi nhận thời gian, vị trí, loại ống và nguyên

112 nhân vỡ Các thông tin còn lại liên quan đến đoạn ống vỡ được lấy từ file GIS của HTPPN Long Điền

Hình 3.29 Số liệu ống cấp nước Long Điền

Hồ sơ ống vỡ điển hình tại khu vực cấp nước Long Điền năm 2010 do công ty cấp nước tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu cung cấp Nguyên nhân vỡ ống ghi nhận do làm đường, cấn đá và tự vỡ Tuy nhiên, theo phạm vi nghiên cứu của luận án thì chỉ xem xét các ống tự vỡ theo thời gian làm việc nên dữ liệu lấy được từ hồ sơ này là các dòng tô vàng trong Hình 3.31

Hình 3.30 Hồ sơ ống vỡ của khu vực cấp nước Long Điền

STT NGÀY BỂ ĐỊA CHỈ ĐƯỜNG KÍNH ĐIỂM XÌ NGUYÊN NHÂN

1 27-01-2010 ĐƯỜNG SỐ 1 - CHỢ LONG HẢI 220 XÌ ĐAI PVC D200*60 TỰ XÌ

2 THÁNG 1 21-01-2010 ĐƯỜNG KHU C 114 BỂ Ống LÀM ĐƯỜNG

3 18-02-2010 ĐƯỜNG KHU C 114 BỂ Ống LÀM ĐƯỜNG

4 THÁNG 2 02-02-2010 ĐƯỜNG TT LONG HẢI GẦN CHỢ LONG HẢI 220 BỂ Ống TỰ BỂ

5 26-02-2010 ĐƯỜNG TT LONG HẢI ĐỐI DIỆN CÁM CON CÒ 220 NỨT Ống CẤN ĐÁ

6 08-08-2010 ĐƯỜNG VÕ THỊ SÁU 168 XÌ ĐAI GANG

7 15-02-2010 ĐƯỜNG HƯƠNG LỘ 5 220 VỠ Ống

8 15-03-2010 ĐƯỜNG KHU C 114 BỂ Ống LÀM ĐƯỜNG

9 THÁNG 3 30-03-2010 KHU TĐC LONG HẢI 114 Xì BU hàn LỖI KỸ THUẬT

10 08-03-2010 ĐƯỜNG TRẦN HƯNG ĐẠO - KP LONG PHƯỢNG 114 XÌ ĐAI 114*60 TỰ XÌ

11 06-03-2010 ẤP HẢI SƠN - XÃ PHƯỚC HƯNG 114 BỂ Ống LÀM ĐƯỜNG

12 THÁNG 4 12-04-2010 GẦN BẾN XE 2 LỰC - ẤP PHƯỚC THỌ 114 BỂ Ống LÀM ĐƯỜNG

13 THÁNG 5 31-05-2010 ĐƯỜNG SỐ 4 114 XÌ MIỆNG BÁT TỰ XÌ

14 THÁNG 6 23-06-2010 17 TỔ 1 ẤP PHƯỚC THỌ 114 XÌ CÚT LƠI 45 0 TỰ XÌ

15 07-06-2010 TRƯỚC Ụ TÀU 30/04 - ẤP PHƯỚC LÂM 200 XÌ MIỆNG BÁT TỰ XÌ

16 THÁNG 7 28-07-2010 SAU NHÀ THỜ HẢI LÂM - XÃ PHƯỚC HƯNG 315 BỂ Ống CẤN ĐÁ

17 22-07-2010 ĐƯỜNG SÂN BAY 100 XÌ BE TỰ XÌ

18 15-07-2010 TRƯỚC QUÁN 261 - ẤP PHƯỚC THỌ 114 XÌ MIỆNG BÁT Ống PVC

19 14-07-2010 CỔNG CHÙA LONG QUY - KP LONG NGUYÊN 168 THAY ĐAI GANG

20 THÁNG 9 13-09-2010 TRƯỚC NHÀ: DUY CƯỜNG - ẤP PHƯỚC THÁI 114 XÌ ĐAI PVC114*27 KH DỜI ĐH

21 04-09-2010 SÁT HỘ: BÙI ANH TUẤN - PHƯỚC LÂM 114 XÌ ĐAI GANG 114*27 KH DỜI ĐH

22 THÁNG 10 01-10-2010 HẺM Ụ TÀU TÂN BỀN - ẤP PHƯỚC THÁI 114 XÌ MIỆNG BÁT Ống PVC 114 TỰ XÌ

23 13-10-2010 TRƯỚC CỔNG CTY BÌNH MINH - KP HẢI TÂN 315 XÌ MIỆNG BÁT Ống PVC 115

24 11-10-2010 ĐƯỜNG SỐ 1 - LONG HẢI 100 BUNG BE D100+BÍCH ĐẶC D100

25 31-10-2010 TRƯỚC TIỆM VÀNG ĐẠT NGA - KP HẢI SƠN 200 BỂ Ống PVC 200 TỰ BỀ

26 26-10-2010 ĐẦU HẺM TRẠI TÔM ÔNG ĐẠO - PHƯỚC LỘC 114 XÌ ĐAI 114*60 TỰ XÌ

27 07-10-2010 GẦN CHÙA QUAN ÂM - KP HẢI TÂN 300 XÌ ZOONG MIỆNG BÁT PVC 300

28 08-10-2010 GẦN CTY BÌNH MINH - KP HẢI TRUNG 300 XÌ ZOONG MIỆNG BÁT PVC 301

29 THÁNG 11 11-11-2010 ĐƯỜNG SỐ 3 - KP HẢI AN 168 XÌ Ống PVC D168

30 06-12-2010 SÁT CHÙA LINH CHIỂU - ẤP TÂN LẬP 220 XÌ ĐAI PVC 220*60

31 THÁNG 12 14-12-2010 ĐẦU HẺM BÌNH MAI LONG HẢI 100 XÌ ZOONG CAOSU D100

32 15-12-2010 NGÃ TƯ ĐỪƠNG36 & ĐƯỜNG SỐ 4 150 XÌ ZOONG CAOSU D150

Xí nghiệp Cấp nước Long Điền

TỔNG HỢP ỐNG BỂ (D>100) NĂM 2010

3.4.1.2 Mô tả số liệu thống kê

Mô tả số liệu ống vỡ được biểu diễn bằng hàm phân bố mật độ (Histogram) như trong Hình 3.32, qua biểu đồ có thể thấy tập số liệu này có một số đặc điểm sau:

- Tương tự như số liệu của quận HC độ tuổi ống vỡ của mạng lưới đường ống LĐ cũng nằm trong khoảng từ 0,78 năm đến 20 năm tuổi

- Sự cố ống vỡ chỉ xảy ra trên hai loại vật liệu HDPE (2) và PVC (3), trong đó số lần vỡ của ống (2) lớn hơn ống (3)

- Cả khu vực LĐ là một DMA nghĩa là giá trị tổng chiều dài trong một DMA (La) là không đổi cho mỗi đoạn ống, nên biểu đồ phân bố mật độ La không có giá trị biểu diễn Vậy đại lượng La sẽ không có giá trị trong mô hình dự báo

Hình 3.31 Mô tả dữ liệu ống vỡ HTPPN Long Điền

3.4.1.3 Áp dụng mô hình Cây quyết định Áp dụng mô hình cây quyết định cho số liệu ống vỡ và không vỡ trong phần mềm R cho kết quả như Hình 3.33 Tiêu chí đầu tiên để phân loại số liệu là lịch sử vỡ ống, những ống đã từng vỡ trước đây (Prior ≠ No) được đưa về phía bên phải cây quyết định và cô lập tại nút số 3 Số liệu bên trái cây quyết định là các yếu tố chính để nhận biết hiện tượng ống vỡ bao gồm: áp suất làm việc trung bình (P), độ tuổi ống dẫn (A) và chiều dài ống (L)

So với số liệu thống kê quận Hải Châu thì sự cố ống vỡ của HTPPN LĐ không có yếu tố ảnh hưởng là vật liệu (Mat) Sự khác biệt này là do tập số liệu ống vỡ của khu vực

LĐ chỉ có hai loại vật liệu HDPE và PVC nên không đủ tính đại diện để nhận biết sự cố vỡ ống Đại lượng đường kính (D) có trọng số đóng góp rất nhỏ so với các đại lượng khác, trong tập số liệu của quận HC là 0,39% và trong tập số liệu này cũng không được dùng để nhận biết hiện tượng vỡ ống

Hình 3.32 Mô hình cây quyết định của số liệu HTPPN khu vực Long Điền

115 Xem xét sai số giữa mô hình và số liệu thực tế bằng tiêu chuẩn đường cong ROC cho thấy diện tích dưới đường cong AUC = 0,963 như Hình 3.34, vậy kết quả dự báo của mô hình DT có độ chính xác nằm trong giới hạn rất tốt Khả năng ống vỡ (Pf) trên HTPPN khu vực Long Điền được trình bày trong Phụ Lục VIII

Hình 3.33 Đường cong ROC cho số liệu thống kê HTPPN Long Điền

Xác định độ lớn của áp suất âm trên từng đoạn ống

3.4.2.1 Thiết lập mô hình HAMMER và hiệu chỉnh

Thiết lập HTPPN Long Điền trên phần mềm HAMMER như Hình 3.35 với các thông số ống cấp nước bao gồm đường kính, chiều dài, vật liệu và hệ số nhám thành ống Lưu lượng tiêu thụ tại các nút được tính toán theo tổng công suất mạng lưới và chiều dài từng đoạn ống Các số liệu đo áp thực tế do công ty cấp nước Bà Rịa-Vũng Tàu cung cấp được sử dụng để hiệu chỉnh hệ số nhám thành ống Kết quả hiệu chỉnh trên cho hệ số nhám như sau ống CCI; CST7; CHDPE5, CPVC2

3.4.2.2 Mô phỏng kịch bản đóng van

HTPPN Long Điền phát triển theo chiều dài khu quy hoạch, các đường ống tập trung thành một phân khu ở đầu và hai phân khu ở cuối hệ thống, đường ống chính D400mm

116 làm nhiệm vụ kết nối giữa phân khu đầu và cuối Theo cơ sở lý thuyết ba khu vực mô phỏng các kịch bản đóng van trên đường ống chính bao gồm đầu, cuối và giữa mạng lưới Như vậy, để áp dụng cho hệ thống này cần tất cả 6 kịch bản đóng van như Hình 3.35, kịch bản đóng van FCV-1 trên ống D1000mm để kiểm tra áp suất âm cho tất cả các phân khu Năm van còn lại đặt trên các mỗi phân khu cần 2 kịch bản đóng van để có thể xác định được giá trị áp suất lớn nhất cho từng đoạn ống

D v : đường kính van T: thời gian đóng van

FCV-1 1000 20 FCV-2 400 10 FCV-3 150 8 FCV-4 100 5 FCV-5 150 8 FCV-6 100 5

Hình 3.34 Các kịch bản đóng van trên HTPPN Long Điền

Mô phỏng 6 kịch bản đóng van, luận án xác định được giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng đoạn ống cấp nước (Hn) như trong Phụ lục VIII.

Đánh giá ảnh hưởng của nguồn ô nhiễm

3.4.3.1 Xác định chiều cao của mực nước ngầm Địa hình khu vực Huyện Long Điền xen kẽ giữa đồi núi và đồng bằng với các tầng chứa nước Holocen và Pleistocen trên, Pleistocen giữa - trên Tầng chứa nước Holocen lộ trực tiếp trên mặt và phủ lên trên các thành tạo nghèo nước Pleistocen, đây là tầng chứa nước không áp Nước ở các tầng chứa này chủ yếu chứa Clorua Natri, Clorua Bicarbonat Natri, Bicarbonat - Clorua Natri - Calci, nguồn cấp chủ yếu cho tầng là nước mặt và nước mưa Theo sơ đồ diễn biến mực nước tháng 10 năm 2017 [88] thì độ sâu mực ngầm tại tầng chứa nước Pleistocen trên và giữa - trên tại khu vực Bà Rịa - Vũng Tàu dao động trong khoảng từ 0 đến 6 m so với mặt đất

3.4.3.2 Xác định vùng thấm rò rỉ của cống và mương thoát nước

Hệ thống thoát nước Long Điền là hệ thống thoát nước chung giữa nước mưa và nước thải với tổng chiều dài là 71,14 km đường cống, kênh mương các loại, trong đó cống ngầm, cống hộp đậy nắp đan là 66,08km Hệ thống thoát nước của Long Điền được chia thành hai lưu vực như Phụ Lục VIII:

- Lưu vực 1: hệ thống thoát nước đã được đầu tư tương đối hoàn chỉnh trên các trục đường phố chính tuy nhiên trong nội bộ các khu dân cư vẫn chưa có cống cấp 2 và cấp

3 nối ra hệ thống chính (cấp 1) Đường kính cống ngầm từ 400mm đến 1000m với tổng chiều dài 15,23 km chủ yếu chạy trên vỉa hè, đây là cống chủ yếu trong khu vực và được xây động bộ với cơ sở hạ tầng khác Ngoài ra còn có hệ thống cống hộp hình chữ nhật B800mm - 1000mm dài 4,972km

- Lưu vực 2: có hai tuyến chính D600mm và D1200mm Trong đó D1200 được coi là trục thoát nước chính, đón phần lớn lưu vực thoát nước của khu vực

Giả định chiều cao mực nước trong cống bằng 0,5D, theo cơ sở lý thuyết về vùng thấm rò rỉ từ hệ thống thoát nước ở Chương 2, luận án xác định được hệ tọa độ vùng thấm ô nhiễm cho từng loại đường kính cống và mương thoát nước trong khu vực

3.4.3.3 Xác định tọa độ ống cấp nước.

Bảng 3.17 Kết quả đánh giá ô nhiễm của một số tuyến ống cấp nước

Có tất cả 565 ống cấp nước có chiều sâu chôn ống từ 0,5m đến 1,5m so với mặt đất, chạy dọc trên vỉa hè của các tuyến đường trong khu vực Long Điền, trong đó có những tuyến ống D100mm đến D300mm chôn sâu đến 1,5m Xem xét tương quan vị trí giữa ống nước và nguồn ô nhiễm ( nước ngầm và hệ thống thoát nước ) cho thấy có tất cả

143 ống cấp nước có nguy cơ bị ảnh hưởng bởi nguồn ô nhiễm và cần xác định tọa độ

Kết hợp giữa phần mềm AutoCAD và bản vẽ giấy, nghiên cứu xác định tọa độ của ống cấp nước so với nguồn ô nhiễm trong cùng khu vực Theo cơ sở lý thuyết các ống cấp nước được đánh giá lần lượt theo ba mức độ ảnh hưởng thấp, trung bình và cao Áp dụng mô hình FIS(Sc) sẽ đưa ra khả năng ảnh hưởng nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước như trong Bảng 3.17, Sc cho từng ống trình bày trong Phụ Lục VIII.

Dự báo khả năng chất ô nhiễm xâm nhập

3.4.4.1 Áp dụng mô hình dự báo HTPPN bị ô nhiễm

Bảng 3.18 Tần suất xảy ra ô nhiễm trên HTPPN khu vực LĐ

Thời gian Tần suất xảy ra ô nhiễm

Mỗi năm 7,63 Đưa tập số liệu Pf, Hn và Sc vào mô hình dự báo nguy cơ, kết quả trình bày trong Phục Lục IX Trong 8 năm thu thập dữ liệu ống vỡ, có tất cả 61/563 ống cấp nước được mô hình dự báo giá trị Pc ≥ 50% vậy trung bình mỗi năm có 61/8 = 7,63 lần gặp sự cố ô nhiễm nước (Bảng 3.18) Cho rằng một năm có 12 tháng và 365 ngày thì tần suất xảy ra ô nhiễm trong ba tháng và hàng ngày tương ứng là 1,91 lần và 0,02 lần

3.4.4.2 Kiểm tra sự phù hợp giữa kết quả dự báo và thực tế

Chất lượng nước trên đường ống được kiểm tra định kỳ và đột xuất với 02 chỉ tiêu kiểm tra là: Độ đục và Clo dư, ở những khu vực nghi ngờ nước không đảm bảo chất lượng, nhất là những điểm cuối của tuyến ống Theo hồ sơ của công ty cấp nước Bà Rịa Vũng Tàu (Hình 3.36) thì tần suất xảy ra hiện tượng nước bẩn xâm nhập vào HTPPN khu vực

119 Long Điền được đánh giá từ cấp độ nhỏ đến lớn và rất lớn Khả năng ô nhiễm tăng dần theo tần suất xảy ra hàng ngày đến ba tháng và mỗi năm một lần

Hình 3.35 Hồ sơ đánh giá khả năng HTPPN Long Điền bị ô nhiễm

So sánh giá trị trong Bảng 3.18 và hồ sơ đánh giá cấp độ nguy hại của Công ty cấp nước

Bà Rịa - Vũng Tàu cho thấy kết quả dự báo của mô hình là phù hợp

Qua hai mô hình dự báo cho thấy mỗi đặc điểm của ống dẫn có một ảnh hưởng nhất định tới tuổi thọ của ống Giá trị lịch sử vỡ (Prior) ảnh hưởng tới khả năng vỡ ống lớn nhất trong tất cả các yếu tố, sau đó là áp suất làm việc trung bình của ống và chiều dài ống dẫn và vật liệu có ảnh hưởng thấp tới khả năng vỡ ống Ngoài ra yếu tố ảnh hưởng đến ống dẫn nước cần xem xét tới đó là độ tuổi, tổng chiều dài mạng lưới trong 1 DMA và giá trị đường kính ống Kết quả mô phỏng từ mô hình hồi quy logistic, DT đều thể hiện biến độ tuổi, chiều dài, áp lực làm việc của ống dẫn, đường kính ống, tổng chiều dài ống trong một DMA và lịch sử vỡ có liên quan cao tới khả năng ống vỡ Trong đó lịch sử vỡ (Prior) có tác động lớn nhất và ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng vỡ ống trên mạng lưới cấp nước

Không đáng kể Nhỏ (2) Trung bình (3) Lớn (4) Rất to lớn

Xếp hạng các mối nguy hại Địa điểm Cấp độ

Ma trận xác định cấp độ nguy hại

Hệ thống van trên đường ống không hoạt độngNước bẩn xâm nhập vào trong đường ống

Mô phỏng các kịch bản đóng van trên đường ống chính ở đầu giữa và cuối mạng lưới bằng phần mềm HAMMER Số lượng kịch bản đóng van phụ thuộc vào đặc điểm hình học của từng HTPPN thực tế như DMA HC05 của quận Hải Châu - Đà Nẵng chỉ cần 3 kịch bản nhưng với quận Ninh Kiều - Cần Thơ lại mô phỏng 5 kịch bản và khu vực Long Điền - Bà Rịa Vũng Tàu là 6 kịch bản đóng van Kết quả mô phỏng đã xác định được áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng đoạn ống dao động từ -9,98m đến 0m, đây cũng là yếu tố tác động để đưa chất ô nhiễm vào hệ thống Áp dụng mô hình dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm theo quy trình đề xuất đã xác định được khả năng ô nhiễm của từng ống cấp nước trên HTPPN của quận Hải Châu - thành phố Đà Nẵng Kết quả dự báo nguy cơ ô nhiễm cho HTPPN của quận Ninh Kiều - thành phố Cần Thơ và huyện Long Điền - Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu cũng cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình đề xuất cho các khu vực nghiên cứu khác nhau

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Các yếu tố dẫn đến ô nhiễm bao gồm: điểm vỡ, nguồn ô nhiễm và áp suất âm sinh ra từ hiện tượng nước va trên đường ống dẫn nước Kết quả nghiên cứu đạt được như sau:

- Từ số liệu thực tế, xây dựng mô hình hồi quy logistic và mô hình cây quyết định để đánh giá khả năng xảy ra vỡ của từng ống trên HTPPN với các loại vật liệu và đường kính khác nhau Kết quả dự báo đúng hơn 80% đã chứng minh ưu điểm của mô hình đề xuất so với các nghiên cứu trước đây là 70% So sánh theo đường cong ROC và tiêu chuẩn AUC cho thấy mô hình cây quyết định cho kết quả tốt hơn mô hình logistic Áp dụng hai mô hình cho HTPPN thực tế đã chỉ ra các yếu tố có khả năng ảnh hưởng tới sự cố ống vỡ bao gồm:

 Kết quả mô hình hồi quy logistic đã khẳng định ống càng dài thì khả năng vỡ ống càng cao

 Tổng chiều dài trong một khu vực cấp nước (DMA), các DMA nhỏ có mức độ an toàn cấp nước cao hơn và giảm khả năng ống vỡ trên HTPPN

 Giá trị áp suất làm việc trung bình cũng tỉ lệ thuận với nguy cơ vỡ ống

 Với những ống đã vỡ trong lịch sử thì cần thiết phải xem xét phương án thay thế mới vì giá trị này có ảnh hưởng nhiều nhất đến khả năng xảy ra vỡ ống

- Hiệu chỉnh mô hình có thể sử dụng hệ số tổn thất cục bộ hoặc hệ số nhám thành ống, kết quả thí nghiệm của luận án đã chỉ ra rằng thông số phù hợp để hiệu chỉnh mô hình là hệ số nhám thành ống Đồng thời, kết quả cũng cho thấy áp suất nước va pha âm có thể xuất hiện cả trước và sau van tuy nhiên giá trị áp suất âm sau van luôn lớn hơn; độ lớn của áp suất nước va không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào đặc điểm làm việc của ống dẫn so với các ống khác trên mạng lưới; các đoạn ống đầu mạng lưới và các ống dẫn nước chính luôn có giá trị áp suất nước va âm sau van lớn nhất và khu vực ảnh hưởng rộng, đoạn ống nối giữa các ống chính sẽ nhỏ hơn và mức độ lan truyền cũng không lớn như các ống chính

- Xác định chiều sâu mực nước ngầm và biên của vùng thấm rò rỉ từ hệ thống thoát nước từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng thấp - trung bình - cao của nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước Bằng phương trình toán học và lý thuyết mờ, nghiên cứu đã lần lượt xác định được khả năng ảnh hưởng tới ống cấp nước nằm trong khoảng từ 0% đến 100%

- Hàm thuộc là yếu tố quan trọng trong lý thuyết logic mờ tuy nhiên xác định dạng hàm thuộc phù hợp cho biến nghiên cứu lại chưa được đề cập trong các nghiên cứu sử dụng logic mờ để đánh giá ô nhiễm HTPPN trước đây Vậy nên luận án đã lựa chọn dạng hàm thuộc cho biến nghiên cứu bằng phương pháp xác định độ nhạy của từng dạng hàm Kết quả cho thấy hàm thuộc dạng Gaussian và Sigmoidal là phù hợp nhất Trên cơ sở mô hình mờ FIS nghiên cứu đề xuất mô hình dự báo ô nhiễm đồng thời kiểm chứng phương pháp đề xuất bằng HTPPN thực tế Mô hình đã dự báo được khả năng ô nhiễm trên từng đoạn ống của HTPPN và các giá trị này tương đồng với kết quả kiểm tra, đánh giá chất lượng nước thực tế trên mạng lưới Kết hợp với công cụ SIMULINK, mô hình đề xuất đạt được kết quả chính xác và tránh được những sai số chủ quan trong quá trình suy diễn luật mờ.

Những đóng góp mới của luận án

Mặc dù hiện tượng ô nhiễm nước trên mạng lưới phân phối đã và đang được đưa ra trên các phương tiện thông tin tuy nhiên tiếp cận nghiên cứu theo hướng HTPPN bị chất ô nhiễm bên ngoài xâm nhập thì vẫn còn là vấn đề mới và chưa được đề cập tới ở Việt Nam, vì vậy nghiên cứu thực hiện với mục đích góp phần kiểm soát nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm Bên cạnh đó, so với các nghiên cứu ngoài nước luận án đã đưa ra một cách tiếp cận mới cho vấn đề nghiên cứu chất ô nhiễm xâm nhập đường ống cấp nước:

1 Tỉ lệ ăn mòn trong các nghiên cứu về ống vỡ thường lấy như một hằng số cho tất cả các HTPPN khác nhau, để khắc phục nhược điểm này luận án đã thay thế giá trị ăn mòn bằng độ tuổi ống cấp nước và đặc trưng môi trường ống làm việc được thể hiện qua vị trí tuyến đường đặt ống Từ đó đề xuất sử dụng mô hình cây quyết định để dự báo khả năng vỡ ống trên mạng lưới cấp nước

2 Mô phỏng nước va được xem xét toàn diện hơn, không chỉ trên 1 đoạn ống ngắn hoặc mạng lưới nhỏ như các nghiên cứu trước đây mà mở rộng trên một mạng lưới cấp nước

123 thực tế với các kịch bản đóng van khác nhau Qua các bước cân chỉnh và kiểm định mô hình, luận án đề xuất vị trí đóng van để xác định giá trị áp suất âm lớn nhất có khả năng xuất hiện trên từng ống trong HTPPN

3 Các nghiên cứu về dự báo nguy cơ HTPPN bị ô nhiễm hiện nay xem xét khả năng chất ô nhiễm xâm nhập tại các nút trên hệ thống, trong khi quá trình chất ô nhiễm đi vào trong ống lại được đánh giá qua điểm vỡ trên thành ống Trong nghiên cứu này nguy cơ bị ô nhiễm được dự báo trực tiếp cho từng ống trên hệ thống Trên cơ sở lý thuyết logic mờ thiết lập mô hình dự báo nguy cơ như các tác giả trước tuy nhiên nghiên cứu xem xét thêm việc lựa chọn dạng hàm thuộc phù hợp cho các yếu tố nguy cơ Hơn nữa, để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô hình dự báo được xây dựng bằng công cụ SIMULINK trong phần mềm MATLAB.

Kiến nghị

Dự báo được khả năng ống vỡ trên HTPPN cho thấy để giảm khả năng xảy ra vỡ ống thì cần giảm cột áp làm việc trung bình của đường ống Đồng thời việc giảm chiều dài đường ống sẽ có tác động nhiều hơn là tăng quy mô đấu nối trong một khu vực quản lý Bên cạnh đó, kết quả dự báo vỡ ống còn giúp giảm thiểu chi phí quản lí từ đó có một kế hoạch bảo dưỡng hợp lí và thay thế kịp thời các đường ống có nguy cơ giảm hiệu suất làm việc hay không còn khả năng phục vụ Với các khu vực quy hoạch mới hoàn toàn không có số liệu về lịch sử vỡ thì sử dụng mô hình cây quyết định đã dự báo cho HTPPN của khu vực có điều kiện làm việc tương tự Sau đó đưa tập số liệu thống kê của khu quy hoạch mới vào mô hình này để dự báo cho khả năng vỡ ống trong tương lai của hệ thống

Trong quá trình vận hành hệ thống đường ống, không thể tránh khỏi hiện tượng nước va trên đường ống, tuy nhiên vấn đề này có thể được giảm thiểu bằng các biện pháp lắp đặt van điều áp hoặc thùng tích áp Đồng thời có quy trình vận hành đóng mở van trên đường ống phù hợp với điều kiện làm việc của hệ thống, giảm áp suất nước trên các tuyến ống định đóng mở van cũng như tăng thời gian đóng van và kiểm soát giá trị áp suất âm sau van

124 Để giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm nước sạch trên hệ thống phân phối cần có biện pháp bố trí và bảo vệ đường ống cấp nước hợp lí (ống lồng, tấm đan phân lực) tại những vị trí có mực nước ngầm cao hay những điểm giao cắt với hệ thống thoát nước và các công trình hạ tầng có nguy cơ hình thành dòng chảy ô nhiễm Bên cạnh đó, nghiên cứu có thể được mở rộng:

- Đánh giá ống vỡ tại vị trí phụ tùng đấu nối và tăng hiệu quả dự báo của mô hình bằng cách lấy số liệu thống kê ống vỡ có tuổi thọ từ 50 năm đến 100 năm

- Xem xét nguyên nhân áp suất âm xuất hiện do bơm bị mất điện đột ngột trên hệ thống

- Nguồn ô nhiễm là các điểm phát thải như bể chứa xăng dầu; bể tự hoại hay các mương dẫn nước thải sản xuất

- Kết quả của mô hình đề xuất là cơ sở để phát triển bài toán mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm trên hệ thống với các thông số liên quan tới quá trình lan truyền như kích thước điểm vỡ, thời gian xảy ra áp suất âm, nồng độ chất ô nhiễm Đồng thời đánh giá tính dễ bị tổn thương của một HTPPN

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1 Tuan Vo Anh, Lanh Pham Thi Minh, Truong Nguyen Quang, “Study on Leak Detection Solution in Water Distribution Network through Watergems and Field Data”, Symposium on Advanced Science and Technology in Experimental Mechanics Conference, page 118, 2016

2 Lanh Pham Thi Minh, Hai Pham Ha, Truong Nguyen Quang, Hong Le Dinh,

“Evaluate the Possibility of Cracking Pipe on Water Supply Network under the Age of Pipe”, Journal of Environmental Science and Engineering B, vol 5, no 7, page 323,

3 Hai Pham Ha, Lanh Pham Thi Minh, Lam Tang Van, Boris Bulgakov và Sofia Bazhenova “Assessment of water pipes durability under pressure surge”, Scopus IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol 90, sci 90 012223, 11/ 2017

4 Hai Pham Ha, Lanh Pham Thi Minh, Lam Tang Van, Ngoc Pham Van, Volshanik V.V “Simulation of negative pressure wave propagation in water pipe network”, Journal of Science and Engineering Vestnik MGSU, Moscow, Russia, page 1299 - 1308, 12/2017

1 Phạm Thị Minh Lành, Lê Đình Hồng, Nguyễn Đình Tứ, “Đánh giá nguy cơ xâm nhập chất ô nhiễm vào trong hệ thống phân phối nước”, Tạp chí Nông Nghiệp Và Phát Triển Nông Thôn, chủ đề: Quản lý nước và Biến đổi khí hậu, trang 122–125, 2015

2 Phạm Thị Minh Lành, Phạm Hà Hải, Vũ Thị Vân Anh, Trương Thị Thu Hằng, Nguyễn Quang Trưởng và Lê Đình Hồng, “Ứng dụng mô hình hồi quy logistic dự báo ống bể trên hệ thống phân phối nước”, Tạp chí khoa học và công nghệ Thủy Lợi, số 39, trang

3 Phạm Thị Minh Lành, Phạm Hà Hải, Vũ Thị Vân Anh, Nguyễn Quang Trưởng,

“Nghiên cứu khả năng xuất hiện áp lực âm do hoạt động đóng van trên hệ thống phân phối nước”, Tạp chí Tài nguyên nước, số chuyên đề, trang 51-57, Tháng 11/năm 2017

4 Phạm Thị Minh Lành, Vũ Thị Vân Anh, Phạm Hà Hải, “Đề xuất mô hình dự báo ống vỡ trên mạng lưới cấp nước”, Tạp chí Khoa Học Kỹ Thuật Thủy lợi và Môi trường, số

5 Phạm Thị Minh Lành, Vũ Thị Vân Anh, Phạm Hà Hải, “Tổng quan nghiên cứu nguy cơ chất ô nhiễm xâm nhập vào ống cấp nước”, Tạp chí Khoa Học Kỹ Thuật Thủy lợi và Môi trường, số 60, trang 150 - 156, Tháng 3/năm 2018

Kỷ yếu hội nghị quốc tế

1 Lanh Pham Thi Minh, Thu Do Nguyen Anh, Hai Pham Ha, Hong Le Dinh “Proposed the probability models of pipe failure on water distribution”, The solution of environmental problems in construction industry and real estate conference, page 37,

[1] S E Hrudey, P Payment, P M Huck, R W Gillham, and E J Hrudey, “A fatal waterborne disease epidemic in Walkerton, Ontario: comparison with other waterborne outbreaks in the developed world,” Water Sci Technol., vol 47, pp 7–14, 2003

[2] Pirre Payment and Michael Edwardes, “A randomized trial to evaluate the risk of gastrointestinal disease due to comsumption of drinking water meeting current microbiological standards,” Public Health, vol 81, no 6, p 703, 1991

[3] N J Ashbolt, “Microbial contamination of drinking water and disease outcomes in developing regions,” Toxicology, vol 198, no 1–3, pp 229–238, 2004

[4] P.F.M.Teunis, M Xu, K K Fleming, J.Yang, C.L.Moe, and M.W.Lechevallier,

“Enteric Virus Infection Risk from Intrusion of Sewage into a Drinking Water Distribution Network,” Environ Sci Technol., vol 44, pp 8561–8566, 2010

[5] P Payment, L Richarcdson, J Siemiatycki, R Dewar, M Edwardes, and E Franco, “A Randomized Trial to Evaluate the Risk of Gastrointestinal Disease due to Consumption of Drinking Water Meeting Current Microbiological Standards,” Am J Public Health, vol 81, pp 703–708, 1991

[6] G J Kirmeyer et al., Pathogen Intrusion Into The Distribution System Denver, CO: American Water Works Assoiation, 2001

[7] R Sadiq, E Saint-Martin, and Y Kleiner, “Predicting risk of water quality failures in distribution networks under uncertainties using fault-tree analysis,” Urban Water J., vol 5, no 4, pp 287–304, 2008

[8] H Yamini and B Lence, “Probability of Failure Analysis due to Internal Corrosion in Cast-Iron Pipes,” J Infrastruct Syst., vol 16, no 1, pp 73–80, Feb 2010

[9] P A López-jiménez and J Mora-rodríguez, “3D computational model of external intrusion in a pipe across defects,” in 2010 Internationnal Congress on Environmental Modelling and software, 2010

128 [10] S Fox, W Shepherd, R Collins, and J Boxall, “Experimental proof of contaminant ingress into a leaking pipe during a transient event,” Procedia Eng., vol

[11] G F Chiara M Fontanazza, Vincenza Notaro, Valeria Puleo, Paolo Nicolosi,

“Contaminant instrusion through leaks,” Procedia Eng., vol 119, no Computer control for water industry, pp 426–433, 2015

[12] J Yang, M W LeChevallier, P F M Teunis, and M Xu, “Managing risks from virus intrusion into water distribution systems due to pressure transients,” J Water Health, vol 9, no 2, pp 291–305, 2011

[13] R W Gullick, M W LeChevallier, R C Svindland, and M J Friedman,

“Occurrence of Transient Low and Negative Pressures in Distribution Systems,” Am Water Work Assoc., vol 96, no November 2004, pp 52–66, 2004

[14] M Besner, M Prévost, and S Regli, “Assessing the public health risk of microbial intrusion events in distribution systems : Conceptual model , available data , and challenges,” vol 5, 2010

[15] Công ty TNHH Tư vấn Đầu tư và chuyển giao công nghệ, “Báo cáo đánh giá dự án Cấp nước và Nước thải Đô thị,” Hà Nội, 2016