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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THỊ MINH LÀNH ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NƯỚC BỊ Ơ NHIỄM LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THỊ MINH LÀNH ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NƯỚC BỊ Ô NHIỄM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước Mã số chuyên ngành: 62580212 Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Chí Cơng Phản biện độc lập 2: TS Nguyễn Tuấn Anh Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Hồng Quân Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Phước Dân Phản biện 3: PGS TS Cao Hào Thi NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ ĐÌNH HỒNG TS NGUYỄN QUANG TRƯỞNG LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Phạm Thị Minh Lành i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nước nhu cầu sống người Tuy nhiên, nước đặc biệt số nước phát triển, vấn đề cung cấp nước thấp, nước cấp chưa đảm bảo lưu lượng chất lượng cho người dân Ô nhiễm nước đường ống diễn hệ thống phân phối, loại bỏ nguyên nhân gây ô nhiễm mơi trường bên ống ngun nhân dẫn đến nhiễm tồn nguồn ô nhiễm bên môi trường đất đặt ống kết hợp với áp suất âm bên tạo điều kiện thuận lợi đưa chất ô nhiễm vào đường ống cấp nước qua điểm vỡ thành ống Vậy nên cần thiết phải có phương pháp để dự báo khả chất nhiễm xâm nhập vào bên ống cấp nước Đề tài thực với nội dung chính: (1) đánh giá khả xuất điểm vỡ hệ thống phân phối nước; (2) xác định khoảng dao động áp suất nước va âm đóng van ống dẫn nước; (3) khoanh vùng ảnh hưởng nguồn nhiễm có khả xâm nhập vào đường ống cấp; (4) sở lý thuyết logic mờ luận án xây dựng mơ hình dự báo nguy hệ thống phân phối nước bị ô nhiễm từ ba biến đầu vào xác định nội dung (1) (2) (3) Kết nội dung (4) khả xảy ô nhiễm đường ống cấp nước Dự báo vị trí xảy ô nhiễm công tác quan trọng giúp ngăn ngừa dịch bệnh qua đường nước uống cho cộng đồng Không kết dự báo sở để khoanh vùng rò rỉ, lên kế hoạch bảo dưỡng sữa chữa thay đường ống cấp nước Bên cạnh đó, cải thiện quy trình vận hành đóng mở van hệ thống phân phối nước kiểm soát tượng nước va Đề tài đề xuất biện pháp bảo vệ ống cấp nước khỏi xâm nhập nguồn ô nhiễm bên ii ABSTRACT Clean water is one of the most basic needs of human life, especially in developing countries However, its existing water supply is low because the water contamination is still appearing on the water distribution system The main reason is the soil environment around the pipe having contaminant combined with the negative pressure inside appears to get it into the pipe through the pipe break Therefore, it is necessary to have an approach that can predict the risk of contaminant intrusion into water pipes Out study is implemented with four goals: (1) evaluating the potential of occurrence of pipe failure on the water distribution system; (2) identifying the contamination source area where its flow can intrusion into the water supply pipeline; (3) determining the range of negative pressure surge value that may occur by closing vavle on water supply pipe; (4) proposal predicting the risk of contaminant intrusion model into the pipe based on the fuzzy logic theory which takes three variables defined in (1) (2) and (3) Then, the outcome from (4) is the potential of pipe which is an intrusion by contaminant Our studies are three-fold contributions to the identification the location of contamination and the disease through water supply pipe for the community First, our results help to build the framework for identified leaking areas, planning maintenance and replacing water supply pipes Second, it improves the operation of valve opening and closing on the water distribution system and monitoring the water phenomenon Finally, our research proposes the new method to protect water supply pipe from the contamination of soil environment which the leakage flow from the wastewater pipe iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi DANH MỤC KÍ HIỆU xii GIỚI THIỆU 1 Tính cấp thiết nghiên cứu Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO NGUY CƠ HTPPN BỊ Ô NHIỄM .6 Khái niệm nguy HTPPN bị ô nhiễm Đánh giá ba yếu tố nguy dẫn đến HTPPN bị ô nhiễm 1.2.1 Nguy vỡ ống HTPPN 1.2.2 Nguy áp suất âm xuất ống cấp nước 13 1.2.3 Nguy ảnh hưởng nguồn ô nhiễm tới ống cấp nước .17 Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm 19 1.3.1 Các nghiên cứu nước HTPPN .19 1.3.2 Các nghiên cứu nước HTTPPN bị ô nhiễm 20 Nội dung nghiên cứu 23 Kết luận chương 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN .25 Đánh giá ba yếu tố nguy dẫn đến ô nhiễm nước HTPPN 25 2.1.1 Dự báo khả ống vỡ HTPPN 25 2.1.2 Xác định áp suất âm đóng van HTPPN 36 2.1.3 Đánh giá nguy ảnh hưởng nguồn ô nhiễm 51 Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm 53 2.2.1 Lý thuyết logic mờ 53 iv 2.2.2 Phần mềm MATLAB công cụ thiết kế .57 2.2.3 Mơ hình dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm 59 2.2.4 Mơ hình FIS (Sc) xác định khả ảnh hưởng nguồn ô nhiễm .71 2.2.5 Kiểm định mơ hình dự báo nguy 72 Đề xuất quy trình dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm 74 2.3.1 Những vấn đề cần giải .74 2.3.2 Quy trình giải vấn đề .74 Kết luận chương 77 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DỰ BÁO NGUY CƠ Ô NHIỄM CHO HTPPN THỰC TẾ VÀ THẢO LUẬN 78 Cơ sở lựa chọn khu vực nghiên cứu 78 HTPPN quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng 78 3.2.1 Dự báo khả ống bị vỡ .79 3.2.2 Xác định độ lớn áp suất âm DMA- HC05 quận Hải Châu 94 3.2.3 Đánh giá nguy ảnh hưởng nguồn ô nhiễm 97 3.2.4 Dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm cho DMA HC05 100 HTPPN quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ .101 3.3.1 Dự báo khả ống vỡ HTPPN quận Ninh Kiều (NK) 102 3.3.2 Xác định áp suất âm lớn đoạn ống 106 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng nguồn ô nhiễm .108 3.3.4 Dự báo khả chất ô nhiễm xâm nhập .110 HTPPN Long Điền, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu 110 3.4.1 Dự báo khả ống vỡ HTPPN Long Điền (LĐ) 111 3.4.2 Xác định độ lớn áp suất âm đoạn ống .115 3.4.3 Đánh giá ảnh hưởng nguồn ô nhiễm .116 3.4.4 Dự báo khả chất ô nhiễm xâm nhập .118 Kết luận chương 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .121 Kết luận 121 Những đóng góp luận án 122 Kiến nghị 123 v DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 125 PHỤ LỤC 136 Phụ Lục I Các chất ô nhiễm nước thải đô thị [52] 136 Phụ Lục II Mơ Hình HAMMER 137 Phụ Lục III Dữ liệu Logger DMA HC05 139 Phụ Lục IV Tọa độ ống cấp nước vùng thấm ô nhiễm DMA HC05 .141 Phụ Lục V Số liệu chất lượng nước quận Hải Châu 143 Phụ Lục VI Dự báo nguy HTPPN khu vực HC05 quận HC bị ô nhiễm 144 Phụ Lục VII Kết mô hình dự báo nguy HTPPN quận NK bị nhiễm 147 Phụ Lục VIII Mạng lưới thoát nước huyện Long Điền 148 Phụ Lục IX Dự báo nguy HTPPN huyện Long Điền bị ô nhiễm 149 Phụ Lục X Các hàm sử dụng phần mềm R 154 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mơ hình thí nghiệm kết nghiên cứu López-jiménez Hình 1.2 Kết nghiên cứu tác giả Collins Hình 1.3 Các yếu tố dẫn đến tượng ống vỡ HTPPN 10 Hình 1.4 Ống cấp nước cống thoát nước 19 Hình 1.5 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 24 Hình 2.1 Nội dung nghiên cứu dự báo ống vỡ HTPPN 25 Hình 2.2 Mơ hình hồi quy logistic .29 Hình 2.3 Mơ hình định phân lớp % 35 Hình 2.4 Mơ hình định phân lớp giá trị 35 Hình 2.5 Nội dung nghiên cứu xác định độ lớn áp suất nước va âm HTPPN .36 Hình 2.6 Mơ hình thí nghiệm xác định áp suất âm đóng van 39 Hình 2.7 Mơ hình mơ thí nghiệm đóng van .39 Hình 2.8 Vị trí đặt cảm biến đo áp suất dương để hiệu chỉnh mơ hình 40 Hình 2.9 So sánh kết mơ phỏng, thí nghiệm sau hiệu chỉnh .41 Hình 2.10 Mơ hình thí nghiệm đóng van FCV-3 42 Hình 2.11 Tín hiệu cảm biến đo áp suất trước sau đóng van FCV-3 .43 Hình 2.12 Biểu đồ thời gian đóng van 43 Hình 2.13 Nước va ống P - 42 : J - 37 sau đóng van FCV - .44 Hình 2.14 Thí nghiệm đóng van FCV-5 44 Hình 2.15 Các kịch đóng van mơ hình HAMMER 45 Hình 2.16 Nhãn lưu lượng dịng chảy giá trị áp suất âm mạng lưới 46 Hình 2.17 Khu vực ảnh hưởng áp suất âm đóng van .47 Hình 2.18 Áp suất nước mạng lưới trước sau mở máy bơm .49 Hình 2.19 Mực nước ngầm nằm cao ống cấp nước .52 Hình 2.20 Vùng thấm rị rỉ từ điểm ô nhiễm mặt đất 52 Hình 2.21 Vùng thấm rị rỉ từ cống thoát nước .52 Hình 2.22 Logic mờ cho tập mờ A với miền xác định U 54 Hình 2.23 Đặc điểm tập mờ 54 Hình 2.24 Hàm thuộc dạng tam giác .55 Hình 2.25 Hàm thuộc hình thang 55 Hình 2.26 Hàm thuộc dạng L 55 Hình 2.27 Hàm thuộc dạng Gamma .55 Hình 2.28 Hàm thuộc dạng Gaussian 56 Hình 2.29 Hàm thuộc dạng S - Sigmoidal .56 Hình 2.30 Hàm thuộc dạng Z - Sigmoidal 56 Hình 2.31 Giao diện cơng cụ Logic mờ MATLAB .57 Hình 2.32 Mơ hình dự báo nguy xây dựng SIMULINK 58 vii Hình 2.33 Mơ hình dự báo nguy HTPPN bị nhiễm .59 Hình 2.34 Tính chất phần bù tập mờ 61 Hình 2.35 Các bước thực mơ hình FIS 64 Hình 2.36 Phương pháp điểm trọng tâm .65 Hình 2.37 Thiết kế tập mờ cho khả vỡ ống HTPPN .67 Hình 2.38 Thiết kế tập mờ cho khả áp suất âm HTPPN .68 Hình 2.39 Thiết kế tập mờ cho khả ảnh hưởng nguồn ô nhiễm 68 Hình 2.40 Khả chất nhiễm xâm nhập HTPPN 69 Hình 2.41 Mơ hình FIS xác định khả ảnh hưởng nguồn nhiễm 71 Hình 2.42 Luật mờ xác định khả ảnh hưởng nguồn ô nhiễm .72 Hình 2.43 Kết mô hình dự báo sử dụng mơ hình FIS - Gmf, Smf, Zmf 74 Hình 2.44 Quy trình dự báo nguy HTPPN bị ô nhiễm .75 Hình 3.1 Hồ sơ sửa chữa ống vỡ quận Hải Châu, Đà Nẵng 79 Hình 3.2 Dữ liệu GIS hệ thống phân phối nước quận HC 80 Hình 3.3 Hình ảnh GIS hệ thống phân phối nước quận HC 81 Hình 3.4 Chiều dài số lần vỡ trung bình HTPPN quận HC .81 Hình 3.5 Biểu đồ phân bố yếu tố ảnh hưởng tới trình vỡ ống F = 85 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh hệ số hồi quy yếu tố 86 Hình 3.7 Biểu đồ dự báo khả vỡ ống theo Mat A 87 Hình 3.8 Đường ROC HTTPN Hải Châu 89 Hình 3.9 Mơ hình định tối ưu quận Hải Châu 90 Hình 3.10 Biểu đồ dự báo khả vỡ ống theo L A 91 Hình 3.11 Đường cong ROC cho HC 92 Hình 3.12 Năm khu vực cấp nước HTPPN quận Hải Châu 94 Hình 3.13 Mạng lưới cấp nước HC05 vị trí Logger lấy liệu hiệu chỉnh .95 Hình 3.14 Kết cân chỉnh hệ số nhám DMA HC05 95 Hình 3.15 Ba kịch đóng van DMA HC5 kí hiệu mầu tương ứng .96 Hình 3.16 Hệ thống nước khu vực HC05 quận HC [86] .98 Hình 3.17 Quy trình thu gom nước thải thành phố Đà Nẵng [86] 98 Hình 3.18 Đánh giá ảnh hưởng dịng thấm từ cống nước D200mm 99 Hình 3.19 Kết dự báo nguy 101 Hình 3.20 Vị trí lấy mẫu thường xun khơng đảm bảo chất lượng quy định 101 Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống cấp nước quận Ninh Kiều, Thành phố Cần Thơ .102 Hình 3.22 Hình chụp từ hồ sơ thống kê ống cấp nước HTPPN quận NK 102 Hình 3.23 Mơ tả liệu ống vỡ HTPPN quận NK .105 Hình 3.24 Đường cong ROC mơ hình DT quận NK 106 Hình 3.25 Hệ thống giám sát cột áp tự động HTPPN quận NK 107 Hình 3.26 Năm kịch đóng van HTPPN quận NK 108 Hình 3.27 Sơ đồ hệ thống nước quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ 109 Hình 3.28 HTPPN Long Điền tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu 111 viii ... xây dựng mơ hình dự báo nguy hệ thống phân phối nước bị ô nhiễm từ ba biến đầu vào xác định nội dung (1) (2) (3) Kết nội dung (4) khả xảy ô nhiễm đường ống cấp nước Dự báo vị trí xảy ô nhiễm công... nhiễm vùng thấm rị rỉ từ hệ thống thoát nước Dự báo nguy HTPPN bị nhiễm Phân tích dựa ba yếu tố nguy (ống vỡ, áp suất thấp/âm nguồn ô nhiễm) từ đề xuất mơ hình dự báo chất ô nhiễm xâm nhập vào HTPPN... thấy nước bị nhiễm xuất vị trí hệ thống phân phối không dự báo trước, nhiên nguyên nhân gây nhiễm phân thành hai loại chính, tác động bên vào hệ thống, hai thân bên đường ống sinh Trên hệ thống