Nghiên cứu ứng dụng phần mềm duflow đánh giá hiệu quả tiêu nước của trạm bơm cấn hạ huyện quốc oai thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ MINH QUYÊN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TIÊU NƯỚC CỦA TRẠM BƠM CẤN HẠ HUYỆN QUỐC OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Mã số: Quy hoạch quản lý tài nguyên nước 60 - 62 – 30 Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TÙNG PHONG GS.TS DƯƠNG THANH LƯỢNG Hà Nội – 2010 LỜI NÓI ĐẦU Qua năm học, tận tình giảng dạy giảng viên Trường Đại học Thủy lợi, học viên hồn thành khóa học nhận đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đến luận văn hoàn thành hạn Trước hết, xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tùng Phong GS TS Dương Thanh Lượng, người hướng dẫn khoa học trực tiếp, không quản thời gian, tạo điều kiện thuận lợi nhiệt tình giúp đỡ học viên suốt trình thực đề tài luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, thầy cô giáo môn giảng dạy cung cấp kiến thức quý báu giúp cho trưởng thành về chuyên môn nhận thức học viên Xin cảm ơn lãnh đạo Phòng Kinh tế huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội tạo điều kiện thời gian, vật chất tinh thần cách tốt Cảm ơn đồng nghiệp tương trợ q trình học tập cơng tác, ý kiến đóng góp thiết thực cho luận văn Xin cảm ơn người thân yêu gia đình, bạn bè thơng cảm chia sẻ với học viên nỗi vất vả, động viên, khích lệ lúc khó khăn suốt q trình học tập thực luận văn Với nỗ lực thân, với giúp đỡ quý báu người, đến luận văn hoàn thành chờ đánh giá Hội đồng chuyên môn Tuy nhiên, trình độ thân thời gian có hạn, nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót định Tác giả kính mong nhận góp ý, bảo thầy cô giáo đồng nghiệp để luận văn bổ sung chỉnh sửa kịp thời tác giả nhận tiến bộ, phục vụ cho công việc chuyên môn sau Hà Nội, tháng 12 năm 2010 Học viên Nguyễn Thị Minh Quyên Trường Đại học Thủy Lợi i Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện trạng thủy lợi Việt Nam 1.1.1 Tình hình phát triển thủy lợi Việt Nam [2,3] 1.1.2 Tình hình hoạt động hệ thống tiêu động lực nước ta 1.1.3 Hiệu hoạt động hệ thống tiêu Việt Nam 1.2 Tình hình ứng dụng mơ hình số mơ dịng chảy hở 10 1.2.1 Tình hình ứng dụng giới 11 1.2.2 Tình hình ứng dùng Việt Nam 11 1.3 Đề xuất phương pháp nghiên cứu 12 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 13 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM DUFLOW 14 2.1 Giới thiệu mơ hình Duflow 14 2.1.1 Lịch sử mục đích mơ hình [13] 14 2.1.2 Cơ sở Vật lý Toán học 15 2.1.3 Cơ sở lý thuyết mơ hình mưa – dòng chảy RAM [12] 19 2.2 Dữ liệu đầu vào cho mơ hình Duflow [11] 21 2.2.1 Nút tính tốn (Node) 22 2.2.2 Đoạn tính tốn (Section) 23 2.2.3 Mặt cắt ngang (Cross Section) 24 2.2.4 Cống (Culvert) 26 2.2.5 Đập tràn (Weir) 27 2.2.6 Trạm bơm (Pump) 28 2.2.7 Điểm xả (Discharge Point) 29 2.2.8 Diện tích phục vụ (Area) 29 2.2.9 Kịch ( Senarios) 31 2.3 Kết đầu Duflow 33 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2: 35 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRẠM BƠM TIÊU CẤN HẠ 36 3.1 Giới thiệu hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ 36 3.1.1 Điều kiện tự nhiên 36 3.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 40 3.1.3 Hiện trạng thủy lợi hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ 41 3.2 Thiết lập mơ hình hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ phần mềm Duflow 45 3.2.1 Tài liệu sử dụng để thiết lập mơ hình 45 3.2.2 Thiết lập mạng lưới kênh mương 45 Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi ii Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 3.2.3 Xác định biên tính tốn 46 3.2.4 Kiểm định mơ hình 47 3.3 Mô kiểm tra lực hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ 52 3.3.1 Thông số đầu vào sử dụng chạy mơ hình 52 3.3.2 Kết chạy mơ hình 53 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3: 55 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG TIÊU 57 4.1 Giải pháp cơng trình 57 4.1.1 Quy trình nâng cao hoạt động hệ thống 57 4.1.2 Mô hệ thống trạm bơm Cấn Hạ với phương án đề xuất nâng cấp 57 4.2 Giải pháp quản lý điều hành 63 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4: 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 PHỤ LỤC 70 Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi iii Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Hiện trạng sử dụng đất lưu vực tiêu trạm bơm Cấn Hạ 41 Bảng 3.2 Hệ thống kênh trạng .43 Bảng 3.3 Các cống tiêu đầu kênh cấp 44 Bảng 3.4 Phân vùng diện tích hứng nước theo kênh tiêu cấp .47 Bảng 3.5 Trận mưa dùng tính tốn kiểm định mơ hình 47 Bảng 3.6 Lưu lượng mực nước lớn nút tính tốn - Phương án kiểm định 50 Bảng 3.7 So sánh mực nước bể hút trạm bơm Cấn Hạ .51 Bảng 3.8 Mơ hình mưa tiêu lưu vực trạm bơm Cấn Hạ 52 Bảng 3.9 Lưu lượng mực nước lớn nút tính tốn - Phương án mơ trạng 54 Bảng 4.1 Đề xuất nâng cấp hệ thống kênh .60 Bảng 4.2 Lưu lượng mực nước lớn nút tính tốn - Phương án nâng cấp 62 Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi iv Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ điểm ẩn Preismann .17 Hình 2.2 Chu trình thủy văn .20 Hình 2.3 Mạng lưới kênh thiết lập Duflow 22 Hình 2.4 Các thuộc tính nút .23 Hình 2.5 Các thuộc tính đoạn 24 Hình 2.6 Các thuộc tính mặt cắt ngang .25 Hình 2.7 Thiết lập kích thước mặt cắt ngang 25 Hình 2.8 Các thuộc tính cống 26 Hình 2.9 Các thuộc tính đập tràn .27 Hình 2.10 Các thuộc tính trạm bơm 28 Hình 2.11 Các thuộc tính điểm xả nước 29 Hình 2.12 Các thuộc tính diện tích .30 Hình 2.13 Số liệu mưa sử dụng cho đối tượng diện tích 30 Hình 2.14 Các thuộc tính RAM đối tượng diện tích 31 Hình 2.15 Thiết lập tính tốn 32 Hình 2.16 Chức quản lý kịch 33 Hình 2.17 Q trình dịng chảy hệ thống 34 Hình 2.18 Đồ thị trình lưu lượng mực nước mặt cắt 34 Hình 2.19 Kết dạng bảng biểu trình QH mặt cắt 35 Hình 3.1 Hiện trạng Trạm bơm Cấn Hạ 41 Hình 3.2 Hiện trạng kênh tiêu T1 42 Hình 3.3 Hiện trạng kênh tiêu Thạch Thán 43 Hình 3.4 Hiện trạng cống đầu kênh cấp 44 Hình 3.5 Mơ mạng lưới kênh mương trạm bơm Cấn Hạ .46 Hình 3.6 Quá trình Q-H kênh T1– Phương án kiểm định mơ hình 48 Hình 3.7 Q trình Q-H kênh Đầm Bung- Phương án kiểm định mơ hình 49 Hình 3.8 Quá Q-H kênh tiêu Thế Chu - Phương án kiểm định mơ hình 49 Hình 3.9 Quá trình Q-H kênh T12L- Phương án kiểm định mơ hình 49 Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi v Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.10 So sánh mực nước mô thực đo bể hút trạm bơm Cấn Hạ 51 Hình 3.11 Quá trình Q-H bể hút trạm bơm Cấn Hạ - Phương án trạng 53 Hình 3.12 Quá trình Q-H kênh T1 - Phương án trạng 53 Hình 3.13 Quá trình Q-H kênh Đầm Bung - Phương án trạng 54 Hình 4.1 Qui trình đề xuất nâng cấp cơng trình .57 Hình 4.2 Quá trình Q-H bể hút trạm bơm Cấn Hạ - Phương án nâng cấp 61 Hình 4.3 Quá trình Q-H kênh T1 - Phương án nâng cấp 61 Hình 4.4 Quá trình Q-H kênh Đầm Bung - Phương án nâng cấp .62 Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi 1 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các hệ thống tiêu đồng sông Hồng thiết kế xây dựng vào năm 60 kỷ 20 phục vụ nước cho hầu hết diện tích nông nghiệp vùng đồng Hệ thống phục vụ tốt tăng thêm vụ mùa, đạt trung bình hai vụ năm Các hệ thống thiết kế cải tiến theo tiêu chuẩn thiết kế quốc gia Tuy nhiên số hệ thống thủy lợi tiêu động lực không đáp ứng u cầu tiêu gây úng ngập có trạm bơm đầu mối xây dựng lâu, nhà trạm máy bơm hệ thống kênh dẫn bị xuống cấp, hay thông số thiết kế chưa đúng, nhu cầu tiêu thay đổi so với ban đầu, hoạt động hệ thống chưa hợp lý Hiệu hệ thống thủy lợi tiêu động lực thể nhiều mặt: Trạm bơm tiêu úng cho vùng sản xuất nông nghiệp, tăng diện tích sản lượng nơng nghiệp, đời sống nhân dân ổn định; khắc phục hậu úng ngập; phòng chống lũ lụt gây ảnh hưởng ngành dân sinh kinh tế; cải thiện môi trường Để nâng cao hiệu hệ thống tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp thường sử dụng biện pháp xây dựng nâng cấp cải tạo trạm bơm tiêu đầu mối Theo số nghiên cứu gần việc chưa đáp ứng tiêu nước ngồi ngun nhân trạm bơm đầu mối hoạt động khơng hiệu cịn có ngun nhân quan trọng khác việc tiêu nước từ mặt ruộng kênh tiêu tồn nhiều bất cập như: kênh tiêu kênh cấp bị bồi lấp đáy kênh cao hơn, bề mặt rộng so với thiết kế, kênh qua số khu vực dân cư bị ách tắc gây thu hẹp; hệ thống kênh cấp mặt ruộng không thiết kế xây dựng nghiêm túc, thiếu cống tiêu mặt ruộng, khơng có tổ chức chun trách riêng quản lý hệ thống tiêu hợp lý, trách nhiệm rõ ràng Do cần xem xét tổng hợp nhiều nguyên nhân để đánh giá hiệu hoạt động hệ thống tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp Đề tài tập trung nghiên cứu nguyên nhân tồn hoạt động hệ thống kênh tiêu từ mặt ruộng trạm bơm đầu mối Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Ở nước ta, vấn đề nâng cao hiệu quản lý, khai thác hệ thống thuỷ lợi tiêu động lực nhiều tổ chức nhiều nhà khoa học quan tâm Tuy nhiên, vấn đề đánh giá hiệu hoạt động hệ thống cách toàn diện, khoa học bắt đầu nghiên cứu áp dụng vài hệ thống mang tính chất thí điểm tập trung chủ yếu vào hoạt động trạm bơm đầu mối Việc nghiên cứu hiệu hệ thống thuỷ lợi tiêu động lực cách khoa học toàn diện yêu cầu cấp thiết đặt nhằm đánh giá xác định hạn chế để cải tiến tăng sản lượng nơng nghiệp, đưa đề xuất khoa học áp dụng vào thực tế sản xuất Mục đích đề tài Mục đích luận văn nghiên cứu sử dụng phương pháp công cụ để đánh giá lực tiêu thực tìm ngun nhân cách toàn diện ảnh hưởng đến hiệu hoạt động hệ thống tiêu nước động lực Nội dung nghiên cứu luận văn làm sở khoa học để đề xuất biện pháp cải tạo, đề cách thức quản lý vận hành nâng cao hiệu hoạt động, bước đầu đưa thể chế cho công tác quản lý hệ thống Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu luận văn: Đánh giá hiệu tiêu nước hệ thống thủy lợi tiêu động lực mơ hình thủy lực Duflow Đối tượng nghiên cứu luận văn: Luận văn lựa chọn hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội hệ thống tiêu có đầy đủ tài liệu để làm đối tượng nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Các cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu sau sử dụng trình thực luận văn Phương pháp tiếp cận: - Tiếp cận tổng hợp: Tổng quan nghiên cứu đánh giá hiệu tiêu Việt Nam giới, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu tiêu tiếp cận cách tổng hợp Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - Tiếp cận kế thừa: Các kinh nghiệm phương pháp tính tốn phục vụ cơng tác nghiên cứu đánh giá hiệu tiêu nghiên cứu trước tham khảo luận văn Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thu thập, xử lý phân tích số liệu: Các số liệu cần thiết cho nghiên cứu đánh giá hiệu tiêu như: số liệu dân sinh kinh tế vùng nghiên cứu, số liệu khí tượng thủy văn, số liệu trạng hệ thống… thu thập phân tích để phục vụ công tác nghiên cứu đánh giá - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp tính tốn lý thuyết thủy nông, thủy văn, thủy lực, trạm bơm… lý thuyết môn học khác liên quan sử dụng trình thực luận văn - Phương pháp mơ hình tốn: Phần mềm Duflow sử dụng luận văn để mô kịch tiêu hệ thống để làm sở đánh giá lực hệ thống kiểm tra tính hiệu đề xuất nhằm cải thiện hiệu tiêu nước hệ thống Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T11R PHỤ LỤC KẾT QUẢ QUÁ TRÌNH MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG TRÊN HỆ THỐNG TRẠM BƠM TIÊU CẤN HẠ KỊCH BẢN: KIỂM TRA NĂNG LỰC HIỆN TRẠNG CỦA HỆ THỐNG Quá trình lưu lượng mực nước Trạm bơm Cấn Hạ Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K0 ÷ K0+980 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K0+980÷ K1+306 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K1+306÷K1+808 Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K1+808 ÷K2+693 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Đầm Bung từ K0 ÷ K2+085 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Đầm Bung từ K2+085÷K3+290 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Thế Chu Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Thạch Thán Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Dương Cốc Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T12L Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T13L Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T11L Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T13R Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T12R Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T11R PHỤ LỤC KẾT QUẢ QUÁ TRÌNH MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG TRÊN HỆ THỐNG TRẠM BƠM TIÊU CẤN HẠ KỊCH BẢN: ĐỀ XUẤT NÂNG CẤP HỆ THỐNG Quá trình lưu lượng mực nước Trạm bơm Cấn Hạ Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K0 ÷ K0+980 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K0+980÷ K1+306 Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K1+306÷K1+808 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T1 từ K1+808 ÷K2+693 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Đầm Bung từ K0 ÷ K2+085 Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Đầm Bung từ K2+085÷K3+290 Q trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Thế Chu Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Thạch Thán Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu Dương Cốc Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T12L Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T13L Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T11L Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T13R Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T12R Quá trình lưu lượng mực nước kênh tiêu T11R ... thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ 3.1.3.1 Trạm bơm tiêu Cấn Hạ Trạm bơm tiêu Cấn Hạ xây dựng năm 1998 Trạm bơm gồm máy bơm trục ngang loại 4000 m3/h nhà máy chế tạo bơm Hải Dương chế tạo lắp đặt Nhà trạm: ... CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRẠM BƠM TIÊU CẤN HẠ 3.1 Giới thiệu hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ 3.1.1 Điều kiện tự nhiên 3.1.1.1Vị trí địa lý Thành phố Hà Nội nằm trung... dụng phần mềm Duflow để nghiên cứu hiệu hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội Học viên: Nguyễn Thị Minh Quyên Lớp CH16Q Trường Đại học Thủy Lợi 14 Luận văn Thạc sĩ kỹ