Đề xuất mô hình dự báo hệ thống phân phối nước bị ô nhiễm tt

GIỚI THIỆU Tính cấp thiết nghiên cứu Nước nhu cầu sống người Tuy nhiên, vấn đề cung cấp nước không đảm bảo chất lượng đến người dân diễn chưa có biện pháp kiểm soát hiệu Từ năm 1974-2001, dịch bệnh nguồn nước uống xảy từ Bắc Mỹ đến Tây Âu, nước có kinh tế giàu có cơng nghệ xử lý đại Nổi bật cố ô nhiễm nước uống Chicago-Mỹ năm 1933 làm cho 1409 người mắc bệnh lị 98 tử vong; Walkerton, Canada năm 2000 có 2300 bị viêm dày, người tử vong uống phải nước bị ô nhiễm, tiêu tốn 64,5 triệu la phủ, người dân phải sử dụng nước đóng chai tháng sau niềm tin vào chất lượng nước cấp Qua cho thấy hệ thống phân phối nước (HTPPN) tồn nguy bị ô nhiễm, dù nguồn ô nhiễm từ bên hay bên tác động vào có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng niềm tin họ Hơn nữa, tác động đáng kể đến kinh tế quốc gia chi phí để chữa trị loại bệnh gây nước bị ô nhiễm cao bao gồm chi phí y tế, nguồn nhân lực Vì vậy, dự báo nguy ô nhiễm HTPPN vấn đề cấp thiết cần đưa thiết kế quản lý hoạt động hệ thống Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn nghiên cứu Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu xây dựng tảng sở lý luận, thực nghiệm kế thừa kết nghiên cứu ngồi nước, từ phát triển cho vấn đề nghiên cứu Việc tính tốn phân tích ba yếu tố nguy ước lượng mức độ ảnh hưởng yếu tố tới kiện ô nhiễm nước đường ống, từ xây dựng nên mơ hình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Đây sở ý nghĩa khoa học luận án Bên cạnh đó, q trình áp dụng mơ hình đề xuất cho HTPPN thực tế đạt kết tốt đóng góp làm phong phú thêm kiến thức chuyên ngành lĩnh vực Tính thực tiễn nghiên cứu Đề xuất mơ hình tốn nhằm dự báo giúp nhà quản lý công tác đánh giá khả ống bị vỡ từ giảm thiểu tỉ lệ rò rỉ nước mạng lưới đường ống, xem xét quy trình vận hành đóng van để hạn chế khả xảy áp suất âm, giải giao cắt ống cấp nước thoát nước hiệu hơn, đồng thời đưa giải pháp bảo vệ môi trường nước ống không bị ô nhiễm Kết nghiên cứu luận án sở cho công ty cấp nước tham khảo đưa chiến lược cấp nước an toàn 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 đối tượng sử dụng nước Xác định ô nhiễm nước HTPPN vấn đề nhạy cảm ảnh hưởng trực tiếp tới uy tín cơng ty cấp nước nên khó để thực nghiên cứu thực nghiệm Việc vận dụng hướng tiếp cận phương pháp luận mà luận án đề xuất giải khó khăn Khơng mơ hình đề xuất ứng dụng cho HTPPN thực tiễn đạt kết dự báo tốt Mục tiêu nghiên cứu - Xác định sở khoa học cho việc xây dựng mơ hình đánh giá khả xảy ba yếu tố nguy dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm - Đề xuất mơ hình dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm quy trình thực Phạm vi nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu giới hạn phạm vi sau: - Nguyên nhân ô nhiễm từ bên đường ống xem xét khắc phục từ đầu nguồn hay kiểm soát nồng độ Clo nên nghiên cứu đánh giá tác động từ bên HTPPN Vi khuẩn, vi sinh vật virus tồn mơi trường có khả truyền bệnh cho người sử dụng nước gọi chung nguồn ô nhiễm bên ngoài, nguồn xâm nhập vào bên ống cấp làm nước bị ô nhiễm - Nghiên cứu cho HTPPN Việt Nam áp dụng cho hệ thống đường ống có điều kiện tương tự - Điểm vỡ xuất thành ống cấp nước điều kiện làm việc bình thường khơng xét tới vỡ phụ tùng đấu nối hay nguyên nhân bất thường động đất thiên tai, cơng trình xây dựng,… - Sự thay đổi áp suất nước va âm toàn HTPPN thời gian đóng van khơng có thiết bị điều áp - Xem xét trường hợp nguồn ô nhiễm tiêu biểu dòng thấm rò rỉ từ hệ thống nước tồn bên ngồi điểm vỡ thành ống cấp nước Môi trường đất đặt ống giả định khơng bão hòa, đồng chất đẳng hướng - Nghiên cứu không xét tới nồng độ chất nhiễm có khả ảnh hưởng tới ống cấp nước trình lan truyền chất ô nhiễm vào đường ống Phương pháp nghiên cứu Các phương áp nghiển cứu sử dụng luận án bao gồm: Phương pháp kế thừa; Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu; Phương pháp điều tra thực địa; Phương pháp mơ hình tốn; Phương pháp chuyên gia Cấu trúc luận án Giới thiệu: Giới thiệu lý lựa chọn đề tài định hướng mục tiêu phạm vi nghiên cứu Chương Tổng quan nghiên cứu liên quan: Tìm hiểu nghiên cứu liên quan tới mục tiêu định hướng để từ xây dựng nội dung thực để đạt mục tiêu cụ thể Chương Cơ sở lý thuyết phương pháp luận: Trình bày sở lý thuyết mơ hình dự báo ống vỡ, mơ hình mơ áp suất âm vùng thấm rò rỉ từ cống nước có khả gây ô nhiễm cho ống cấp nước bước thực Đồng thời giới thiệu công cụ sử dụng cho mơ hình đề xuất Chương Ứng dụng mơ hình dự báo nguy nhiễm cho HTPPN thực tế thảo luận Kết luận kiến nghị: Kết luận nội dung thực hiện, đóng góp hướng phát triển tương lai CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO NGUY CƠ HTPPN BỊ Ô NHIỄM 1.1 Khái niệm nguy HTPPN bị ô nhiễm Kết nghiên cứu cho thấy đặc điểm hình dạng kích thước điểm vỡ thành ống có ảnh hưởng lớn tới lưu lượng dòng chảy nhiễm Tuy nhiên, dù kích thước điểm vỡ khác khả nước ống bị ô nhiễm xảy xuất áp suất âm bên có nguồn nhiễm Như vậy, nguy HTPPN bị ô nhiễm lúc xuất ba yếu tố nguy cơ: ống vỡ, áp suất âm ống nguồn nhiễm tồn bên ngồi điểm vỡ Cần đánh giá ba yếu tố nguy dự báo khả chất nhiễm xâm nhập vào HTPPN 1.2 1.2.1 Đánh giá ba yếu tố nguy dẫn đến HTPPN bị ô nhiễm Nguy vỡ ống HTPPN Qua nghiên cứu cho thấy ống vỡ khơng ăn mòn mà tác động tải trọng làm việc, đặc điểm vật liệu ống lịch sử vỡ, cần xem xét biến đại diện cho yếu tố để đưa vào mơ hình dự báo ống vỡ Trong mơ hình dự báo mơ hình hồi quy logistic cho kết tốt có khả đánh giá trực tiếp tượng vỡ hay không vỡ ống cấp nước nhiên hiệu mơ hình cần tiếp tục cải thiện độ xác kết dự báo 1.2.2 Nguy áp suất âm xuất ống cấp nước Luận án sử dụng phương pháp mơ hình hóa để nghiên cứu HTPPN thực tế Tổng quan nghiên cứu trước cho thấy phần mềm HAMMER cơng cụ hữu ích nghiên cứu áp suất âm sinh đóng van đường ống cấp nước phức tạp 1.2.3 Nguy ảnh hưởng nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước Theo quy định hành, khoảng cách tối thiểu ống cấp nước nước thị 0,5-1m, nhiên thực tế cải tạo, mở rộng mạng lưới cấp nước có trường hợp phải luồn phía ống nước khơng đảm bảo khoảng cách quy định Khi nước cống nước rò rỉ ngồi khoảng cách khơng đảm bảo an tồn chất nhiễm nước thải có khả xâm nhập vào ống cấp nước Vậy nên, kế thừa kết nghiên cứu trước, luận án xác định khả ô nhiễm ống cấp nước nằm vùng thấm rò rỉ từ cống nước 1.3 Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm Tổng quan nghiên cứu khả chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN cho thấy tác giả sử dụng mơ hình khơng chắn, mơ hình số D hay logic mờ nhiên điều kiện đưa vào mơ hình cần cải thiện phân tích Bảng 1.1 Bảng 1.1 Nghiên cứu dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm Đặc điểm Nghiên cứu thực Nguy ống vỡ HTPPN Nguyên nhân Trong nghiên cứu Ăn mòn Tải trọng tác dụng Đặc điểm vật lý ống Lịch sử ống vỡ Ăn mòn Điều kiện hoạt động Vật liệu ống Khả Chiều dày lại Thống kê tượng ống vỡ vỡ ống Nguy ảnh hưởng áp suất âm Độ lớn áp Xác định mơ hình thí Khơng xác định suất âm nghiệm phần mềm Nguy ảnh hưởng nguồn nhiễm Giả định dòng chảy nước Cống nước bị vỡ Nguồn ngầm bị nhiễm dòng Khu vực trữ nước mặt nhiễm thấm rò rỉ từ hệ thống đất nước Vùng ảnh hưởng Lý thuyết thấm Harrr Khả Logic mờ ảnh hưởng Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm Dempster-Shafer Lý thuyết Số D áp dụng Logic mờ Mơ hình Khơng có dự báo 1.4 Lý thuyết thấm Harr Phương trình biên thấm Vairavamoorthy Lựa chọn dạng hàm thuộc tập mờ Lựa chọn tập mờ phù hợp với đối tượng nghiên cứu áp dụng logic mờ Mơ hình dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm Nội dung nghiên cứu Nội dung thực Hình 1.1 Hình 1.1 Nội dung nghiên cứu 1.5 Kết luận chương Tổng quan nghiên cứu trước nghiên cứu cho thấy điều kiện hoạt động bình thường HTPPN điểm vỡ (1) đường ống cấp nước có xu hướng đưa nước khỏi đường ống hình thành dòng chảy rò rỉ nhiên trường hợp áp suất nước đường ống có giá trị dương Xét cho trường hợp áp suất có giá trị âm (2) vị trí ống vỡ chất lỏng lại có xu hướng bị hút vào bên ống cấp nước, giả sử mơi trường bên ngồi đường ống bị ô nhiễm (3) khả chất ô nhiễm vào đường ống hồn tồn xảy Như vậy, để xây dựng mơ hình dự báo nguy chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN cần ước lượng khả xuất ba yếu tố (1) (2) (3) lúc Các nội dung giải chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN 2.1 2.1.1 Đánh giá ba yếu tố nguy dẫn đến ô nhiễm nước HTPPN Dự báo khả ống vỡ HTPPN Để xác định tượng vỡ ống HTPPN cần biết nguyên nhân dẫn đến vỡ ống yếu tố liên quan tới tượng Nghiên cứu thực thu thập số liệu vỡ ống thực tế từ tổng hợp đánh giá số liệu Sau số liệu chuẩn hóa sử dụng để kiểm chứng mơ hình dự báo phần mềm R Các yếu tố ảnh hưởng tới ống vỡ xem xét luận án bao gồm đặc trưng vật lí hệ thống đường kính, chiều dài, vật liệu ống (D, L, Mat), số độ tuổi (A) giá trị áp suất trung bình làm việc ống (P), vị trí tuyến đường đặt ống (R), số đoạn ống kết nối tuyến ống (N0), tổng chiều dài ống vùng cấp nước (DMA) số lần vỡ trước (Prior) khảo sát để đưa vào mơ hình thống kê Bằng mơ hình hồi quy logistic mơ hình định (Hình 2.2) nghiên cứu dự báo khả ống vỡ qua tập số liệu thống kê ống vỡ/không vỡ yếu tố ảnh hưởng Ưu điểm định loại bỏ giá trị ngoại vi (Outlier) khỏi hệ thống, giá trị bị cô lập nút riêng lẻ Mơ hình định gọi mơ hình phi tham số nên sử dụng khơng có ràng buộc biến số cho biến số với liệu có giá trị rỗng Phân lớp A1=1 nút Phân lớp A2=1 nút Phân lớp A3=2 nút Phân lớp A4=3nút Hình 2.1 Mơ hình định phân lớp % 2.1.1 Xác định áp suất âm đóng van HTPPN Áp suất âm lớn sinh đóng van HTPPN xác định theo phương pháp mơ hình hóa, để đảm bảo độ xác tăng hiệu suất mơ hình, nghiên cứu đề xuất phương pháp để xây dựng mô sau: - Thí nghiệm quy mơ mạng lưới đường ống nhỏ trước để có khái niệm giá trị cần hiệu chỉnh mơ hình mơ - Ước lượng vị trí đóng van hiệu để xác định giá trị áp suất âm lớn có khả xuất ống cấp nước Cơ sở lý thuyết tính tốn nước va phần mềm HAMMER Nước va xem xét giả thiết nước chất lỏng nén vật liệu ống mạng lưới có khả đàn hồi Dòng chảy nước va coi trường hợp dòng chảy không ổn định biến đổi theo thời gian nên mô dòng chảy nước va thường mơ phương trình vi phân theo thời gian khơng gian Phương trình liên tục : a V H H V  0 g x x t (2.16) fV V H V   0 x Dt t (2.17) Phương trình động lượng : g 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 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 đề xuất sử dụng phương pháp đặc trưng để giải hai phương trình (2.16) (2.17), từ xác định giá trị áp suất lưu lượng nước va theo thời gian Lý thuyết áp dụng phần mềm HAMMER công ty Bentley, cho phép quan sát diễn biễn tượng nước va điểm đường ống Luận án sử dụng phần mềm để nghiên cứu cho HTPPN thực tế Thiết kế thí nghiệm mơ hình mơ phần mềm HAMMER Mơ hình thí nghiệm thiết lập sân mơ hình Khoa Xây Dựng trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (Hình 2.6) Mạng lưới đường ống tổng chiều dài 78,76m bao gồm đoạn ống có đường kính từ 15mm đến 140 mm, vật liệu HDPE PVC với vòng diện tích 70m2, bơm nước từ bể chứa nước ngầm có hệ thống kênh dẫn thu gom đưa trở bể chứa Cảm biến áp lực Đồng hồ đo lưu lượng Cuối nguồn Cảm biến áp lực Đồng hồ đo lưu lượng Đầu nguồn Hình 2.6 Mơ hình thí nghiệm xác định áp suất âm đóng van Hình 2.7 Mơ hình mơ thí nghiệm đóng van Hiệu chỉnh mơ hình HAMMER 10 Các giá trị cột áp đo thực nghiệm đưa vào hiệu chỉnh, kết đưa giá trị hệ số nhám cho ống mơ hình Sau hiệu chỉnh, nút mạng lưới thí nghiệm có giá trị cột áp nhỏ 2%-4% lớn từ 4%-5% so với mơ hình HAMMER Đây khoảng sai số chấp nhận mơ hình thực tế nên mơ hình HAMMER áp dụng để mơ kịch đóng van mạng lưới Kiểm định mơ hình HAMMER Bố trí cảm biến đầu cuối mạng lưới, mở bơm cho mạng lưới chạy ổn định, quan sát tín hiệu cảm biến đưa phù hợp với thí nghiệm trước tiến hành đóng van đầu mạng lưới thời gian 5s Thực nghiệm tiến hành lần so sánh kết cho thấy sai khác khơng đáng kể Hình 2.11 hình ảnh ghi lại từ chương trình đọc tín hiệu cảm biến máy tính có kết nối với thiết bị đo áp với trục đứng giá trị cột áp đo đường ống trục ngang thời gian đo Nước va xuất dao động khoảng 10s, áp suất âm sau van xuất sớm lớn hớn trước van CB1 CB2 CB3 CB4 CBA1 CBA2 Hình 2.11 Tín hiệu cảm biến đo áp suất trước sau đóng van FCV-3 Kết luận vị trí đóng van để xác định áp suất âm lớn Tiến hành kịch đóng van khác nhau, so sánh giá trị cột áp âm sau van thực nghiệm mô cho thấy độ lớn áp suất âm đóng van Kết cho thấy kịch đóng van để xác định áp suất âm lớn có khả xuất HTPPN mơ ống ba khu vực đầu, cuối mạng lưới 11 2.1.2 Đánh giá nguy ảnh hưởng dòng chảy rò rỉ từ cống nước Khi nước ngầm bị ô nhiễm nằm bên điểm vỡ thành ống cấp nước xuất nguy ô nhiễm xâm nhập vào bên ống Như vậy, mực nước ngầm nằm cao đỉnh ống cấp nước (Hình 2.19), tương quan giá trị H khoảng cách từ mực nước ngầm đến đỉnh ống đường kính ống cấp nước D định khả chất ô nhiễm xâm nhập vào bên ống mức thấp, trung bình hay cao Hình 2.2 Mực nước ngầm nằm cao ống cấp nước Dòng thấm rò rỉ từ cống nước có mặt cắt ngang Hình 2.3, B, H chiều rộng mặt thoáng chiều sâu nước cống thoát nước Dòng chảy rò rỉ từ cống nước dòng khơng bão hòa giới hạn biên thấm Hình 2.19 Khi chiều sâu dòng thấm y=3(B+2H)/2→∞ chiều rộng dòng thấm gần khơng đổi x=(B+2H)/4, theo Vairavamoorthy phương trình biên thấm là:  ( B  H ) /  H e ( B  H ) x 2.2 y Hình 2.21 Vùng thấm ô nhiễm Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm 2.2.1 Lý thuyết logic mờ Định nghĩa Tập mờ A miền xác định U với giá trị u thuộc miền U xác định: A   A (u ) | u : u U ,  A (u ) [0,1] hàm thuộc  A (u) : U  0,1 gọi độ thuộc phần tử u thuộc tập mờ A Logic mờ phát triển lý thuyết tập mờ lý thuyết logic cổ điển nên bao gồm tồn tính chất tập mờ thực lập luận cách 12 xấp xỉ thay lập luận xác logic cổ điển Tập mờ xác định yếu tố miền xác định, chiều cao tập mờ dạng hàm thuộc 2.2.2 Phần mềm MATLAB công cụ thiết kế MATLAB phần mềm dùng ngơn ngữ lập trình để xử lý số liệu có tích hợp thư viện ToolBox công cụ hỗ trợ SIMULINK giúp việc thiết kế, mơ dễ dàng hơn, giảm thời gian tính tốn tăng tính tin cậy kết 2.2.3 Mơ hình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Mơ hình hệ thống suy luận mờ FIS xây dựng sở lý thuyết logic mờ từ đưa vào mơ hình dự báo nguy Hình 2.33 Với ba giá trị biến đầu vào Pf - khả ống vỡ, Hn - giá trị áp suất âm, Sc - mức độ ảnh hưởng nguồn nhiễm Hình 2.33 Mơ hình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Phân tích độ nhạy hàm thuộc cho biến nghiên cứu Các dạng hàm thuộc khác đặc điểm tập mờ khác nhau, khi, yếu tố nghiên cứu xem xét có trọng số đóng góp 13 tập mờ nên cần sở phù hợp để lựa chọn hàm thuộc có độ biến thiên nhỏ tốt Tác giả Hung Nguyen đề xuất khái niệm độ nhạy trung bình để đo lường biến thiên giá trị hàm thuộc tập mờ A có miền xác định [a,b] →[0,1]:  d  A (u )  S  A    du b  a a  du  b (2.28) Áp dụng phương trình phân tích độ nhạy S(A) cho bảy dạng hàm thuộc tam giác (Trimf), hình thang (Trapmf), hình L (Lmf), Gamma tuyến tính (Gmf), Gaussian (Gaumf), Sigmoidal dạng S (Smf), Sigmoidal dạng Z (Zmf) Kết cho thấy ba dạng hàm thuộc Gaumf, Zmf, Smf phù hợp cho biến nghiên cứu Hơn nữa, dạng hàm thuộc sử dụng cho giá trị thực Hn giá trị khơng thứ ngun Pf, Sc Mơ hình hệ thống suy luận mờ (mơ hình FIS) Mơ hình FIS phát triển từ lý thuyết logic mờ, cấu trúc mơ hình bao gồm đầu vào, đầu giá trị thực khơng có mối liên hệ toán học nên cần xử lý số liệu trung gian để mờ hóa ngõ vào sử dụng luật mờ, luật suy diễn xấp xỉ để xác định giá trị biến Tập mờ ba yếu tố nguy thiết kế công cụ FLD-MATLAB Tập mờ Thấp (Low) – L Tập mờ Trung bình (Medium) – M Tập mờ Cao (High) – H Tập mờ Rất cao (Very High) – VH 0,25 0,50 0,75 14 Hình 2.40 Khả chất nhiễm xâm nhập HTPPN Theo luật mờ TS giá trị đầu giá trị thực tương ứng với luật mờ có trị ngõ Tương ứng với bốn tập mờ L-M-H-VH có giá trị thực ngõ Khi đưa thông tin vào công cụ FLD số quy ước tương ứng với mức độ thuộc lớn (=1) tập mờ Hình 2.40 Từ tập mờ yếu tố ống vỡ, tập mờ hai yếu tố lại khả ảnh hưởng áp suất âm nguồn nhiễm tổng số luật mờ hình thành 4x3x3=36 luật Các luật mờ sở để định cho biến ngõ khả đường ống HTPPN bị chất nhiễm xâm nhập (Pc) 2.2.4 Mơ hình FIS (Sc) xác định khả ảnh hưởng nguồn ô nhiễm Gốc tọa độ xOy đặt trung điểm mặt nước cống thoát nước, tọa độ (x,y) ống cấp nước mơ hình Xác định khả ảnh hưởng vùng ô nhiễm tới ống cấp nước cách nhập cặp toạ độ (x,y) vào ô Input công cụ FLD hiển thị giá trị Sc tương ứng 2.2.5 Kiểm định mô hình dự báo nguy Để xác thực khả làm việc mơ hình dự báo luận án thực so sánh kết chạy mơ hình dự báo tính tốn thủ cơng cho đoạn ống Kết cho thấy mơ hình giống tính tốn giống nhau, mơ hình làm việc xác theo nguyên tắc lập trình 2.3 Đề xuất quy trình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Luận án đề xuất quy trình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Hình 2.44 2.4 Kết luận chương Chất ô nhiễm xâm nhập vào hệ thống tổng hợp ba yếu tố nguy cơ, chương đưa sở lý thuyết từ phát triển mơ hình dự báo nguy ống vỡ mơ hình xác định độ lớn áp suất nước va âm, yếu tố nguy thứ ba vùng thấm dòng chảy rò rỉ từ cống nước mơ phương trình tốn học Từ đề xuất mơ hình dự báo HTPPN bị nhiễm sử dụng lý thuyết logic mờ đánh giá độ nhạy hàm thuộc ba biến nghiên cứu 15 Kết đưa hàm dạng Gaussian Sigmoidal phù hợp cho biến nghiên cứu dạng tam giác, L, Gamma tuyến tính hay hình thang Sử dụng công cụ SIMULINK phần mềm MATLAB nghiên cứu xây dựng mơ hình quy trình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Hình 2.44 Quy trình dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO NGUY CƠ Ơ NHIỄM CHO HTPPN THỰC TẾ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp hai yếu tố nguy kết hợp nguồn ô nhiễm tồn bên ống dẫn yếu tố đầu vào cho mơ hình dự báo nguy hệ thống phân phối nước (HTPPN) bị nhiễm Áp dụng mơ hình đề xuất cho HTPPN ba khu vực: Quận Hải Châu - Thành phố Đà Nẵng 16 Quận Ninh Kiều - Thành phố Cần Thơ Khu vực Long Điền - Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu Kết mô hình dự báo hướng tới xác định khả ô nhiễm cho đường ống HTPPN 3.1 HTPPN quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng Quận Hải Châu quận thuộc thành phố Đà Nẵng có độ tuổi ống mạng lưới lớn (hơn 36 tuổi) ống dẫn đa dạng nên luận án lựa chọn khu vực để nghiên cứu 3.1.1 Dự báo khả ống bị vỡ Số liệu khảo sát thu thập từ mạng lưới phân phối quận Hải Châu có tổng chiều dài mạng lưới 158,43 km ống km bao gồm vật liệu khác Kết thống kê số lần vỡ qua năm cho thấy giá trị có xu tăng theo chiều dài ống Lựa chọn kiểm tra liệu sử dụng cho mơ hình dự báo Các yếu tố ảnh hưởng tới kiện vỡ ống bao gồm độ tuổi ống A(năm), số điểm đấu nối tuyến N0, vật liệu ống Mat, đường kính ống D(mm), áp suất làm việc đoạn ống P(m), chiều dài L(km), mã tuyến đường đặt ống R, tổng chiều dài DMA La(km), số lần vỡ ống lịch sử Prior số liệu ống vỡ F quận HC bao gồm 1979 hàng x10 cột Dữ liệu khảo sát đưa vào mơ hình hồi quy logistic mơ hình định phân tích phần mềm R với hàm glm rpart Dữ liệu đưa vào phân chia thành hai phần, phần có 70% số liệu để huấn luyện cho mơ hình đề xuất 30% số liệu lại sử dụng để kiểm tra mơ hình Kiểm chứng mơ hình hồi quy logistic Mẫu nghiên cứu chia thành hai nhóm: ống vỡ không vỡ tương ứng với giá trị nhị phân 0|1 kết hợp với yếu tố ảnh hưởng độc lập, hồi quy logistic biến tương quan tuyến tính với biến phụ thuộc Kết kiểm tra cho thấy biến ống vỡ thể tốt qua độ tuổi, vật liệu, 17 áp suất làm việc chiều dài ống dẫn, tổng chiều dài đường ống khu vực lịch sử vỡ Theo thang đo độ tin cậy, khả ống vỡ Pf = 95% cho mơ hình dự báo tốt nên ống cấp nước mô hình dự báo có khả vỡ lớn 95% cho vỡ thật thực tế, ngược lại ống có - Pf ≤ 5% cho khơng vỡ So sánh kết chạy mơ hình với số liệu thực tế dự báo sai 15/594 = 2,5% cho thấy mơ hình đề xuất có độ tin cậy cao nhiên để đánh giá xác chất lượng mơ hình dự báo lĩnh vực thống kê thường sử dụng hai tiêu chí đường cong ROC (Receiver Operating Characteristic Curve) số AUC ( Area Under Curve) AUC tính tốn hàm auc phần mềm R cho thấy kết dự báo ống vỡ cho quận Hải Châu chấp nhận mức độ tốt Kiểm chứng mơ hình định (DT) Mơ hình DT xây dựng phần mềm R với hàm rpart, kết mô thể nhị phân Dự báo khả xảy ống vỡ theo yếu tố ảnh hưởng tập số liệu thống kê mơ hình logistic, định ban đầu với đầy đủ số liệu tập thống kê, sau giản lược biến khơng quan trọng có tối ưu Kiểm tra phù hợp kết mô hình số liệu thực tế So sánh kết dự báo khả ống vỡ mơ hình định với số liệu thực tế cho thấy mô hình dự báo 97,8% Đường cong ROC mơ hình định có tiêu chuẩn AUC = 0,89 nằm giới hạn tốt khả dự báo tốt mơ hình hồi quy logistic (AUC =0,849) Áp dụng hai mơ hình cho tập số liệu quận Hải Châu biến liên quan tới vỡ ống bao gồm A, Mat, D, La, Prior, L, P, mơ hình DT có khả dự báo ống vỡ tốt mơ hình hồi quy logistic Vậy nên khu vực áp dụng sau sử dụng mơ hình định để dự báo khả ống vỡ 18 3.1.2 Xác định độ lớn áp suất âm DMA - HC05 quận Hải Châu HTPPN quận Hải Châu quản lí theo khu vực cấp nước (DMA), DMA HC05 nằm vị trí nguồn cấp nước vào quận Hải Châu khu vực có áp suất tương đối ổn định, khu vực cung cấp nước rộng so với DMA lại, nên nghiên cứu lựa chọn DMA để xác định giá trị áp suất âm Bằng công cụ Darwin Designer WaterGEMs giá trị áp suất thực đo mơ hình mơ sau hiệu chỉnh chênh lệch từ -0,6m đến 1,01m với hệ số Hazen Williams C cân chỉnh Các kịch đóng van HTPPN HC05 mơ phần mềm HAMMER thực với mục đích xác định giá trị áp suất âm lớn có khả xuất đóng van đoạn ống Vị trí mơ tượng đóng van xác định dựa đặc điểm rút từ mơ hình thực nghiệm Kết mơ cho biết giá trị áp suất âm lớn có khả xuất tuyến ống 3.1.3 Đánh giá ảnh hưởng nguồn ô nhiễm Theo tài liệu Bộ Tài Nguyên Môi Trường [85] mực nước ngầm thành phố Đà Nẵng dao động khoảng từ 1,86m đến 4,34m so với mặt đất, chủ yếu nằm tầng chứa nước lỗ rỗng trầm tích Holocen Như vậy, ống cấp nước đường kính D = 0,2 m đặt độ sâu m so với mặt đất khoảng cách từ mực nước ngầm cao đến đỉnh ống H = m - 1,86 m = 0,16 m Lúc này, 0,5D = 0,1 m < H < 1,5D = 0,3 m khả chất ô nhiễm xâm nhập vào ống đánh giá mức độ trung bình Hệ thống nước thải có quận Hải Châu nói riêng thành phố Đà Nẵng chủ yếu hệ thống thoát nước chung với hệ thống thu gom chạy dọc sơng Hàn Theo hồ sơ thiết kế mạng lưới thoát nước DMA HC05 quận Hải Châu, kết hợp với vị trí lắp đặt ống cấp nước khu vực nghiên cứu xác định tọa độ (x,y) cho ống cấp nước 3.1.4 Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm cho DMA HC05 Ba giá trị Pf, Hn, Sc tuyến ống đưa vào mơ hình dự báo khả nhiễm Pc cho ống với giá trị nằm khoảng từ 1% đến 100% kí 19 hiệu màu khác mơ hình HAMMER Hình 3.19 Theo thống kê số liệu năm 2014 2015 phòng quản lý chất lượng nước - cơng ty cấp nước Đà Nẵng số khu vực lấy mẫu thường xun khơng đạt đánh dấu Hình 3.20 Nhìn chung, đoạn ống mơ hình dự báo có khả bị nhiễm thấp thực tế khơng có đánh dấu mẫu nước khơng đạt chất lượng Trên số tuyến ống truyền dẫn mô hình dự báo giá trị Pc cao tuyến nằm gần cống nước có nguy vỡ cao Hình 3.20 Kết dự báo nguy ống cấp nước bị nhiễm 3.2 Hình 3.19 Vị trí lấy mẫu thường xun khơng đảm bảo chất lượng quy định HTPPN quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ Ninh Kiều quận nằm phía Đơng Nam Thành phố Cần Thơ chiếm 75% tổng nhu cầu sử dụng nước tồn Thành phố HTPPN quận (Hình 3.21) lấy nước từ nhà máy nước Cần Thơ với công suất 55.000 m3/ngày đêm Tổng chiều dài mạng lưới cấp nước 249,91km gồm ống đường kính từ 100mm tới 650mm, vât liệu ống sử dụng chủ yếu gang xám CI, gang dẻo DI, nhựa PVC HDPE Từ trạm bơm II nước đưa vào ống D650mm chia thành hai tuyến ống D600mm D400mm, nối thành mạng vòng phân phối nước tới khu vực quận NK 3.2.1 Dự báo khả ống vỡ HTPPN quận Ninh Kiều (NK) Sử dụng phần mềm R, xây dựng mơ hình Cây định từ hai tập số liệu ống vỡ khơng vỡ Kết mơ hình DT, tổng số nút mơ hình 1891 20 có 85 nút số liệu ống vỡ Hai yếu tố độ tuổi ống (A), lịch sử vỡ ống (Prior) ảnh hưởng tới kiện ống vỡ trùng khớp với mơ hình quận HC, nhiên số liệu thống kê HTPPN quận NK có thêm yếu tố tuyến đường đặt ống (R) Sử dụng lệnh Predict cho kết dự báo khả ống vỡ HTPPN quận Ninh Kiều (Pf) Đánh giá theo tiêu chuẩn đường cong ROC số AUC = 0,801 cho thấy mơ hình dự báo tốt 3.2.2 Xác định áp suất âm lớn đoạn ống Mạng lưới cấp nước quận NK trải dài theo địa hình phân tách thành hai khu vực phân phối, nên đầu mạng lưới lựa chọn kịch đóng van FCV-1 đường ống D650mm khu vực cuối HTPPN cần mơ kịch đóng van FCV-2, FCV-3, FCV-4 FCV-5 đường ống D600mm, D400mm D250mm Tổng hợp năm kịch đóng van từ FCV-1 đến FCV-5 xác định giá trị áp suất âm lớn có khả đường ống (Hn) 3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng nguồn ô nhiễm Theo tác giả Lê Văn Phát [88] phạm vi thành phố Cần Thơ, nước ngầm nằm tầng chứa nước Holocene, Pleistocene - tầng Mực nước trung bình so với mặt đất dao động từ 0,08 m đến 6,06 m có suy giàm mực nước từ năm 2000 đến 2015 Các giá trị mực nước ngầm nằm khoảng sử dụng để đánh giá nguy ô nhiễm xâm nhập vào đường ống cấp nước Đa số giao cắt xảy cống nước đường kính từ 400mm trở xuống, với cống có đường kính lớn nằm sâu Xem xét tương quan vị trí ống cấp, nước tuyến đường xác định cặp tọa độ (xi,yi) ống cấp nước Đưa (xi,yi) vào mơ hình mờ xác định mức độ ảnh hưởng nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước (Sc) 3.2.4 Dự báo khả chất ô nhiễm xâm nhập Đánh giá định lượng định tính số tuyến ống cho thấy tương đồng 21 kết dự báo ô nhiễm yếu tố nguy Khi ba yếu tố nguy mức cao khả xảy ô nhiễm đường ống Pc