Vấn đề này được xác định qua sự tối ưu hóa việc quy hoạch, thiết kế các tuyến ống nước thải, lựa chọn mối liên kết giữa các điểm thải nước thải mới đến mạng lưới thoát nước thải đã có, [r]
(1)Sự tối ưu hóa thiết kế cải tạo sơ đồ mạng lưới thoát nước Phương pháp đề cập hữu ích việc nghiên cứu định hướng phát triển sơ đồ mạng lưới cấp nước thị áp dụng vào nhà máy nước
Tóm tắt: Hệ thống nước đóng vai trị quan trọng nhu cầu phát triển thị hóa Việc lựa chọn tối ưu thông số kỹ thuật để thiết kết Mạng lưới thoát nước trình bày sở thiết lập mơ hình dịng chảy
Từ giải tốn tối ưu tìm kiếm dịng chảy lớn ứng với giá thành nhỏ Bài viết trình bày sở giới hạn khả cho phép lưu lượng dịng chảy đường ống nước thải, xác định phương trình hàm số tuyến tính theo giá thành đơn vị dòng chảy
Trên sở đó, chúng tơi đệ trình phương pháp xây dựng thuật tốn để lựa chọn thơng số kỹ thuật đường ống xây lắp sửa chữa, nâng cấp hệ thống thoát nước, áp dụng phương pháp để xây dựng phần mềm mô tối ưu hóa hệ thống nước ngơn ngữ lập trình C++ Phần mềm mơ giúp có lựa chọn tốt phương án so sánh để phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế, nâng cấp cải tạo hệ thống thoát nước đô thị
1 Giới thiệu
Hệ thống nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp nước thải bề mặt, nước mưa đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo đời sống, an sinh xã hội dân cư thành phố lớn, khu đô thi đại Trong việc nghiên cứu phát triển sơ đồ hệ thống thoát nước bật lên vấn đề lựa chọn thông số kỹ thuật đường ống, cấu trúc hệ thống để đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước với chi phí giá thành thấp nhất, đảm bảo độ vững chắc, tin cậy, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật
Vấn đề xác định qua tối ưu hóa việc quy hoạch, thiết kế tuyến ống nước thải, lựa chọn mối liên kết điểm thải nước thải đến mạng lưới nước thải có, cải tạo nâng cấp mạng lưới nước thải hữu, mà có tăng lên nhu cầu thoát nước thải (lưu lượng dòng chảy điểm thải hệ thống tăng lên từ việc phát sinh khu vực xây dựng nhà ở, nhà máy, xí nghiệp…) [7-9]
Trong viết này, chúng tơi trình bày phương pháp giải vấn đề Phương pháp xây dựng phát triển dựa nguyên tắc tìm kiếm dịng chảy lớn ứng với chi phí nhỏ cho mạng lưới thoát nước thải xây dựng [0, 4]
(2)tính theo tuổi thọ đường ống từ 50-70 năm Chi phí vận hành bảo dưỡng lớn nhiều lần so với chi phí đầu tư ban đầu
Nghiên cứu phần kết đề tài luận án tiến sĩ mà tác giả thực trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk, Liên bang Nga
2 Phân tích giải tích phương pháp nghiên cứu
Bản chất phương pháp nghiên cứu xây dựng sơ đồ mạng lưới vận chuyển nước thải xuất phát từ điểm S (điểm xuất phát dòng chảy) đến điểm t (điểm tập trung xử lý nước thải hay gọi điểm thải tổng) Tất cạnh sơ đồ thể giá trị giới hạn lưu lượng lớn (giới hạn cho phép tối đa khả cho dịng nước thải chảy qua), giá trị giới hạn lưu lượng nhỏ (giới hạn cho phép tối thiểu khả cho dòng nước thải chảy qua, chất lắng cặn) giá trị tiền đơn vị dòng chảy – tập hợp điểm đầu sơ đồ,
j∈J, J – tập hợp điểm cuối sơ đồ, Xij – Lưu lượng thực tế chảy qua ống Bài tốn cơng thức hóa dạng sau:
Bài tốn u cầu tìm kiếm dịng chảy lớn mạng lưới trạng thái chảy tự hay chảy có áp với chi phí nhỏ việc thiết kế cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước Phương pháp lựa chọn tuyến đường ngắn từ S đến t, tuyến tương ứng với tổng chi phí giá thành đơn vị dịng chảy nhỏ Tiếp đó, đơn vị dịng chảy tăng lên với tìm kiếm tất tuyến từ S tới t Khi tìm tuyến từ sơ đồ, dịng chảy tuyến tăng lên đến giới hạn lớn (giới hạn lưu lượng lớn mà ống nước cho dịng nước thải chảy qua) Nếu khơng tìm thấy tuyến từ S tới t, thuật tốn dừng lại đưa dịng chảy lớn Lúc này, sơ đồ bị chia làm hai phần riêng biệt, khơng có liên kết với Chúng ta xem xét ví dụ cụ thể mục phía sau
Giới hạn lưu lượng lớn cho phép dịng nước thải chảy qua đường ống xác định trạng thái làm việc tràn đầy (trạng thái ngập) đường ống:
(3)(4)Lưu lượng lớn chảy qua tuyến xác định từ tập hợp khả cho qua cạnh:
Tương ứng với cạnh 3-4 Lúc này, cạnh 3-4 tính xem bão hịa Ở cạnh lại, khả cho phép lưu lượng lớn chảy qua giảm bớt đi, tính theo cơng thức:
Trong trường hợp giá trị giới hạn lưu lượng lớn nhất, bé cho trước đầu tiên, xác định dịng chảy lớn nhất, sau dịng chảy nhỏ so sánh giá trị chúng Nếu giá trị giới hạn dòng chảy nhỏ lớn giá trị giới hạn dịng chảy lớn tuyến đường từ S tới t khơng thỏa mãn điều kiện, khơng đảm bảo dịng chảy qua loại bỏ việc xem xét tuyến Điều thể qua ví dụ Hình Từ Hình 2, nhận thấy giá trị lưu lượng dòng chảy lớn cho phép qua đoạn đướng ống S-1-2-3-4-t có giá trị tương ứng với đoạn 3-4, giá trị lưu lượng dòng chảy nhỏ 5, tương ứng với cạnh S-1 Do bé nên tuyến không đảm bảo dịng chảy chảy qua
Giả sử chọn tuyến có tổng giá thành nhỏ Hình 3, tuyến cấu tạo cạnh
3 Thí dụ tính tốn 3.1 Thí dụ số
(5)Hình Sơ đồ thiết kế khả hệ thống thoát nước.
Trong đó: Qi - lưu lượng nước thải từ điểm thải thứ i vào hệ thống, m3/s; đường số màu đỏ - đường đồng mức
(6)(7)Hình Sơ đồ mạng lưới bổ sung hệ thống thoát nước
(8)Hình Sơ đồ mạng lưới vận chuyển hệ thống thoát nước
Đường nét đứt thể lưu lượng nước thải từ điểm thải vào hệ thống, giá trị ngoặc đơn biểu thị giá trị đơn vị dòng chảy (chỉ số đầu tiên), 0, lưu lượng nước thải từ điểm thải (chỉ số thứ 2)
Ở Hình 7, tổng qt q trình xây dựng tất tuyến từ S tới t Mỗi tuyến xác định tổng giá tiền đơn vị Trên sở đó, ưu tiên lựa chọn tuyến có tổng giá tiền đơn vị nhỏ Chúng ta có q trình sau:
(9)Hình 7.- Sự tìm kiếm tất tuyến từ S đến t xác định tuyến có tống giá tiền đơn vị nhỏ nhất.
Ở tuyến này, lưu lượng dòng chảy lớn chảy qua 0,04 tổng giá trị đơn vị dịng chảy tuyến 782,12 (nghìn rúp/ 1m3/s) Từ ta tính chi phí lắp đặt là:
0,04*4782,12=191,2892 nghìn rúp Chỉ số phía tuyến giá trị đơn vị dòng chảy khả cho phép tối đa lưu lượng dòng chảy chảy qua đoạn ống Đoạn S-11 tính bão hịa bị loại bỏ khỏi sơ đồ mạng lưới Lúc ta có sơ đồ Từ sơ đồ ta tiếp tục tìm kiếm tuyến từ S tới t có tổng giá thành đơn vị dòng chảy bé
(10)Trong đó: l - chiều dài đường ống, m; Qi - lưu lượng nước thải từ điểm thải thứ i vào hệ thống, m3/s; d – đường kính đường ống, mm; i - độ dốc thuỷ lực đường ống
Phương án thiết kế mạng lưới nước Hình phương án thiết kế tối ưu dựa vào giá thành đơn vị dịng chảy, tính theo phương pháp dịng chảy lớn với chi phí nhỏ
(11)Chúng ta xem xét toán phức tạp việc nâng cấp mạng lưới thoát nước Hình Hệ thống nước tồn khu vực khu vực Giữa khu vực khơng có liên kết Trong định hướng phát triển dự kiến dựng phát triển thêm khu vựa khu vực cho
Hình Hệ thống thoát nước khu vực (bên trái), khu vực (bên phải) khu vực định hướng mở rơng (ở giữa)
Theo Hình 9, mầu đỏ thể giá trị lưu lượng lớn chảy qua đường ống (m3/s), đường đồng mức cao độ điểm thải Phân tích hệ thống thoát nước khu vực khu vực nhận thấy có đoạn đường ống nước thải bị tải Hình 10 thể đoạn đường ống nhứng trị số tơ màu vàng
(12)Hình 10 Sơ đồ mạng lưới thoát nước khu vực (bên trái), khu vực (bên phải) khu vực định hướng phát triển (ở – khu vực 3)
(13)Hình 13 Sơ đồ mạng lưới bổ sung hệ thống thoát nước.
(14)Tương tự thí dụ (lựa chọn 11 tuyến), thí dụ 2, phương pháp lựa chọn dịng chảy lớn với chi phí nhỏ ta lựa chọn 47 tuyến từ S tới t Sơ đồ nạng lưới cuối lựa chọn hình 15 Phương án lựa chọn xây dựng đoạn đường ống song song, 21 đoạn đường ống
Hình 15 Sơ đồ mạng lưới tối ưu hệ thống thoát nước sau sửa chữa nâng cấp
Chi phí xây dựng tính 7,44 tỉ rúp (Bảng 2)
(15)Trong số trường hợp vận chuyển dòng chảy từ khu vực sang khu vực khác khơng chế độ làm việc có áp suất mà cịn chế độ không áp, tự chảy Để xem xét phương án vậy, mạng lưới vận tải bổ sung liệt kê phương án bổ sung thêm dòng chảy chiều chất lỏng Một chiều có hướng di chuyển chế độ tự chảy, chiều có khả chế độ tự chảy có áp, cần thiết xây dựng trạm bơm đường ống có áp Vì giá thành đơn vị khác ta có thêm phương án việc sửa chữa nâng cấp hệ thống thoát nước (được biểu thị sơ đồ dự trữ)
(16)4 Kết luận
Ở viết đề xuất xây dựng phương pháp luận việc tối ưu thiết kế sơ đồ mạng lưới thoát nước Từ thiết lập thuật tốn dành riêng cho việc nghiên cứu mơ chương trình phần mềm dựa vào ngơn ngữ lập trình C++ để tối ưu hóa thiết kế, cải tạo sơ đồ mạng lưới thoát nước
(17)lý thành phố có thêm sở để giải toán lựa chọn phương án tối ưu việc sửa chữa, nâng cấp hay thiết kế quy hoạch hệ thống nước cho thị, thành phố khu vực dân cư [5-12]
Bên cạnh đó, phương pháp đề cập hữu ích việc nghiên cứu định hướng phát triển sơ đồ mạng lưới cấp thoát nước thị áp dụng vào nhà máy nước việc lập chương trình đầu tư vào dự án
Tài liệu tham khảo
1 НЦС 81-02-14-2012 – Cети водоснабжения и канализации СНиП 2.04.03-85 – Канализация.Наружные сети и сооружения Форд Л.Р., Фалкерсон Д.Р (1963г), Потоки в сетях – М.: Мир 216 с
4 Ху Т (1974г), Целочисленное программирование и потоки в сетях – М.: Мир 520 с Чупин В.Р., Майзель И.В., Чупин Р.В (2013г), «Инвестиция в развитие систем водоснабжения и водоотведения», Известия Вузов: Инвестиции Строительство Недвижимость №1, С.126-133
6 Нгуен Т.А Кандидатская диссертация (2016г), «Разработка методики оптимизации перспективных схем развития систем водоотведения», 211с
7 Нгуен Т.А., Р.В Чупин (2015г), «Оптимальная реконструкция систем водоотведения», Водоснабжение и санитарная техника – 2015 – №2 – С 58-66
8 Нгуен Т.А., Р.В Чупин, Н.Б Беликова (2015г), «Оптимизация систем водоотведения с учетом их надежности и сейсмостойкости», Вестник Иркутского государственного технического университета – 2015 – №4 – С.110-116
9 Нгуен Т.А., Р.В Чупин (2015г), «Оптимальное управление потоками сточной
жидкости», Вестник Иркутского государственного технического университета – 2015 – №9 – С.99-108
10 Hoàng Văn Huệ, Trần Đức Hạ (2002г), Thoát nước Tập 1: Mạng lưới thoát nước, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội
11 QCVN 07-2:2016/BXD, Quy chuẩn hạ tầng quốc gia Các công trình hạ tầng kỹ thuật- cơng trình nước
12 TCVN 7957:2008, Thốt nước- Mạng lưới cơng trình bên ngoài- Tiêu chuẩn thiết kế Nguyễn Tuấn Anh(1), Chupin Roman Victorovich(2), Nguyễn Văn Sứng(3)
(1) TS, Trường Đại học Tài ngun Mơi trường thành phố Hồ Chí Minh. (2) TS, Trường Đại học Nghiên cứu Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk - Liên bang Nga. (3) ThS, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường thành phố Hồ Chí Minh