7. Bố cục của luận án
3.3.4 Ứng dụng hàm mục tiêu để xác định phương án hợp lý hồ điều hòa cho khu
vực phía Tây Hà Nội
Việc lựa chọn hàm mục tiêu cụ thể (3.23-:-3.34) (làm cơ sở lựa chọn kịch bản bố trí hợp lý HĐH) hoàn toàn tùy thuộc vào điều kiện về loại hình công trình lựa chọn (xây mới hay nạo vét, cống hộp hay kênh hở…) và điều kiện đất đai dùng để xây dựng HĐH (tỷ lệ diện tích đất nông nghiệp, đất thổ cư …).
Để lựa chọn kịch bản hợp lý HĐH, cần phải giải bài toán tối ưu trên cơ sở hàm mục tiêu. Kịch bản tối ưu của việc bố trí HĐH sẽ được xác định khi bài toán tối ưu về vốn
98
đầu tư được giải. Kịch bản tối ưu trong việc bố trí HĐH chính là kịch bản tương ứng với chi phí đầu tư xây dựng nhỏ nhất (lời giải bài toán tối ưu). Có nhiều phương pháp để giải. Trong nghiên cứu này, tác giả chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm để giải bài toán tối ưu. Việc giải theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm là chia miền xác định thành các ô lưới tính toán. Xác định giá trị chi phí đầu tư xây dựng tại các điểm nút của ô lưới. Việc xác định giá trị nhỏ nhất được thực hiện trên cơ sở so sánh các giá trị của chi phí xây dựng tại các nút.
Trong nghiên cứu này, miền xác định của hàm mục tiêu phải phản ánh được quy mô và sự phân tán của HĐH trên hệ thống kênh. Như vậy, nếu coi miền xác định của hàm mục tiêu là mặt phẳng thì nó sẽ được xác định bởi 2 trục là quy mô HĐH (theo tỷ lệ % của diện tích lưu vực tiêu) và sự phân tán của hồ (tập trung tại đầu mối, phân tán tại kênh chính, kênh nhánh, hay kênh cấp dưới …). Quy mô hồ điều hòa được xác định theo tỷ lệ % diện tích lưu vực tiêu (có giới hạn từ 0 đến 6%). Sự phân tán được xét trong 3 trường hợp: (1) HĐH tập trung tại đầu mối tiêu, (2) HĐH phân tán dọc kênh chính và (3) HĐH phân tán dọc kênh chính và kênh nhánh như hình 2.8a.
Thông thường các kênh cấp 3 trong khu phố, khu dân cư có lưu lượng nhỏ nên được xây dựng với hai loại hình thức kết cấu chủ yếu là cống tròn hoặc cống hộp bằng bê tông cốt thép. Hàm hồi quy với cống tròn như ở các công thức 3.8 đến 3.10 và với cống hộp là 3.11 đến 3.13.
Kênh cấp 1 cấp 2 là kênh cải tạo vì kênh đã có sẵn. Phương trình hồi quy 3.14 đến 3.16 áp dụng với trường hợp nạo vét và gia cố mái, 3.17 đến 3.19 áp dụng với trường hợp chỉ nạo vét.
Công trình đầu mối được xem xét là cải tạo xây dựng mới. Hàm hồi quy 3.4 đến 3.6 được sử dụng để tính chi phí xây dựng.
HĐH được tính toán xây dựng mới. Hàm hồi quy 3.20 đến 3.23 được sử dụng để tính toán chi phí. Các phương trình hồi quy kể trên được áp dụng để tính chi phí cho từng phương án tương ứng với từng hạng mục công trình.
99
3.3.4.1 Nhóm kịch bản hồ điều hòa tập trung
a. Trường hợp diện tích giải phóng mặt bằng 100% đất nông nghiệp (TH1)
Kết quả tính toán thể hiện tại đồ thị hình 3.23 (và bảng 9.PL3). Khi xem xét 03 hình thức kết cấu với nhóm kịch bản bố trí hồ đồng đều cho cả 03 đầu mối cùng cho kết quả giá trị tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống nhỏ nhất ứng với tỷ lệ hồ chiếm 2,5% (kịch bản TT222,5) khi diện tích đất giải phóng mặt bằng 100% đất nông nghiệp.
Hình 3.24. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ diện tích hồ và chi phí đầu tư xây dựng các hạng mục trong hệ thống ứng với phương án kết cấu (GTT1)
Hình 3.24 chỉ ra xu thế diễn biến chi phí đầu tư xây dựng của các thành phần công trình trong hệ thống với một tổ hợp hình thức kết cấu GTT1 (Kênh cấp 3 hộp, kênh chính gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới). Các đường đồ thị trên thể hiện quan mối quan hệ giữa chi phí đầu tư xây dựng của các thành phần trong hệ thống với tỷ lệ diện tích HĐH. Trong đó, các đường đồng biến gồm đường chi phí đầu tư xây dựng hồ (HĐH), hệ thống kênh tăng nhẹ (HT kenh) và các điểm ứng với tỷ lệ diện tích hồ nhỏ hơn 2,5% của đường chi phí đầu tư toàn hệ thống (Toan HT). Các đường nghịch biến gồm đường thể hiện chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống từ các điểm có tỷ lệ diện tích hồ lớn hơn 2,5% của đường đồ thị (Toan HT), đường đầu tư xây dựng
100
công trình đầu mối (DM), đường đầu tư xây dựng đầu mối và kênh (DM+kenh). Đường đồ thị của tổng chi phí xây dựng toàn hệ thống (Toan HT) tồn tại một điểm lõm, điểm cực trị tương ứng với điểm có tỷ lệ diện tích hồ 2,5%.
Đồ thị hình 3.25 cho thấy 03 đường đồ thị tương ứng với 3 nhóm phương án kết cấu, mỗi đường có một điểm cực tiểu, cả 03 đường cùng tồn tại giá trị cực tiểu tại giá trị tỷ lệ hồ 2,5%. Các đường đồ thị song song với nhau do cả 03 nhóm kết cấu cùng chung giá trị đầu tư xây dựng hồ và công trình đầu mối, chỉ khác nhau giá trị xây dựng hệ thống kênh. Do chung hệ thống kênh mà chỉ khác về đơn giá (suất đầu tư) nên tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống của các phương án kết cấu chênh lệch nhau đúng bằng giá trị chênh lệch do xây dựng hệ thống kênh.
Hình 3.25. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ diện tích hồ và chi phí đầu tư xây dựng của các hình thức kết cấu
*Ghi chú: GTT1: Kênh cấp 3 hộp, kênh chính gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới; GTT2: Kênh cấp 3 ống tròn, kênh chính gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới; GTT3: Kênh cấp 3 hộp, kênh cấp 1, 2 chỉ nạo vét, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới.
Khi so sánh tất cả các kịch bản bố trí HĐH tập trung (cùng tỷ lệ) tại công trình đầu mối thì kịch bản bố trí hợp lý ứng với tất cả nhóm hình thức kết cấu là phương án tỷ lệ hồ chiếm 2,5% (trường hợp TT222,5) vì có tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống nhỏ nhất. Trong trường hợp quy mô HĐH (tỷ lệ % diện tích phụ trách) được bố trí
101
khác nhau (không cùng tỷ lệ) giữa các đầu mối tiêu, kịch bản tỷ lệ HĐH có giá trị bình quân 2,91% (tương ứng: Liên Mạc 4%, Yên Thái 2%, Yên Nghĩa 2%) là kịch bản có tổng chi phí đầu tư xây dựng nhỏ nhất.
Vậy đối với hệ thống tiêu phía tây Hà Nội khi diện tích giải phóng mặt bằng 100% là đất nông nghiệp thì hình thức bố trí hồ điều hòa tập trung tại đầu mối đạt giá trị hợp lý là 2,5% khi bố trí cùng tỷ lệ cho cả 03 đầu mối tiêu, là 2,91% tính trên tổng lưu vực tiêu khi bố trí không cùng tỷ lệ (Liên Mạc 4%, Yên Thái 2%, Yên Nghĩa 2%).
b. Trường hợp diện tích giải phóng mặt bằng là đất nông nghiệp chiếm 85% và đất thổ cư 15% (TH2); đất nông nghiệp chiếm 70% và đất thổ cư 30% (TH3)
Kết quả tính toán chi tiết thể hiện tại các bảng 11.PL3, 12.PL3 và 13.PL3 trong phụ lục 03 cho thấy với mỗi tổ hợp hình thức kết cấu đều cho một giá trị cực tiểu về chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống.
Nhóm kịch bản bố trí HĐH tập trung tại đầu mối cùng tỷ lệ cho kết quả giá trị tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống nhỏ nhất tại tỷ lệ diện tích hồ 2,0% (kịch bản TT222). Khi tổ hợp 03 hình thức kết cấu và 02 trường hợp về giải phóng mặt bằng cho giá trị cực tiểu tương ứng với tỷ lệ hồ chiếm 2,91% (kịch bản TT422) khi bố trí tỷ lệ diện tích hồ khác nhau ở các đầu mối.
So sánh tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống ứng với trường hợp về giải phóng mặt bằng đất nông nghiệp chiếm 70% và đất thổ cư 30% (TH3) luôn lớn hơn các kịch bản tương ứng khi tính toán với trường hợp đất nông nghiệp chiếm 85% và đất thổ cư 15% (TH2).
Tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống tăng theo đơn giá giải phóng mặt bằng như vậy với mỗi kịch bản thì ứng với trường hợp 100% đất nông nghiêp (TH1) cho giá trị nhỏ nhất và trường hợp 70% đất nông nghiệp và 30% đất đô thị (TH3) cho giá trị lớn nhất. Khi chi phí giải phóng mặt bằng tăng lên thì suất đầu tư cho tất cả các hạng mục công trình tăng lên nhưng chi phí đầu tư xây dựng HĐH có mức tăng lớn nhất nên kịch bản có chi phí đầu tư toàn hệ thống nhỏ nhất có xu hướng dịch về phía tỷ lệ diện tích HĐH nhỏ.
102
Vậy đối với hệ thống tiêu phía tây Hà Nội khi diện tích giải phóng mặt bằng nhỏ hơn 70% là đất nông nghiệp thì hình thức bố trí hồ điều hòa tập trung tại đầu mối đạt giá trị hợp lý là 2,91% tính trên tổng lưu vực tiêu khi bố trí không đều (Liên Mạc 4%, Yên Thái 2%, Yên Nghĩa 2%).
3.3.4.2 Nhóm kịch bản hồ điều hoà phân tán
a. Bố trí hồ điều hòa phân tán dọc kênh chính (PT1)
* Trường hợp diện tích giải phóng mặt bằng 100% là đất nông nghiệp (TH1)
Kết quả tính toán (bảng 14.PL3) về chi phí đầu tư xây dựng cho từng hạng mục tương ứng với kịch bản hồ phân tán dọc kênh chính (PT1) cho thấy: mỗi tổ hợp hình thức kết cấu đều tồn tại một giá trị tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống nhỏ nhất tương ứng với tỷ lệ diện tích HĐH được gọi là hợp lý. Xem xét trên 03 nhóm tổ hợp hình thức kết cấu khác nhau cùng cho điểm có giá trị tổng chi phí đầu tư xây dựng nhỏ nhất tương ứng với tỷ lệ hồ 3,62% (kịch bản PT1-5).
Hình 3.26. Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ diện tích hồ và chi phí đầu tư xây dựng của các hình thức kết cấu – hồ phân tán PT1
103
Ghi chú: PT11: Kênh cấp 3 hộp, kênh cấp 1, 2 gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới; PT12: Kênh cấp 3 ống tròn, kênh cấp 1, 2 gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới; PT13: Kênh cấp 3 hộp, kênh cấp 1, 2 chỉ nạo vét, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới.
Khi tỷ lệ diện tích HĐH tăng, chi phí đầu tư xây dựng HĐH tăng (đồng biến), chi phí đầu tư xây dựng cụm công trình đầu mối và hệ thống kênh lại giảm (nghịch biến). Mỗi hạng mục công trình có một quan hệ nghịch biến hoặc đồng biến với tỷ lệ diện tích HĐH. Do vậy chỉ tồn tại một điểm cực tiểu tại đường tổng chi phí đầu tư xây dựng
toàn hệ thống. Hình 3.26 thể hiện mối quan hệ giữa chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ
thống với tỷ lệ diện tích HĐH với 03 nhóm hình thức kết cấu (PT11, PT12, PT13). Cả 03 đồ thị song song với nhau và cùng thể hiện quan hệ nghịch biến trong khoảng tương ứng với tỷ lệ diện tích hồ 0,72% đến 3,62%, đồng biến trong khoảng sau điểm cực tiểu (tỷ lệ hồ chiếm 3,62%). Như vậy, điểm cho giá trị tổng chi phí đầu tư toàn hệ thống nhỏ nhất với tỷ lệ diện tích hồ 3,62%, khi tỷ lệ diện tích hồ lớn hơn giá trị 3,62% thì giá trị tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống nằm trong khoảng đồng biến và sẽ tăng dần theo chiều tăng của tỷ lệ diện tích HĐH.
b. Bố trí hồ điều hòa phân tán dọc kênh chính và kênh nhánh (PT2)
104
Ghi chú:PT21: Kênh cấp 3 hộp, kênh cấp 1, 2 gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới; PT22: Kênh cấp 3 ống tròn, kênh cấp 1, 2 gia cố, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới; PT23: Kênh cấp 3 hộp, kênh cấp 1, 2 chỉ nạo vét, đầu mối và hồ điều hòa xây dựng mới.
Kết quả tính toán cho nhóm kịch bản HĐH phân tán dọc kênh chính và kênh nhánh (PT2) (bảng 15.PL3) cho thấy xu thế diễn biến của chi phí đầu tư xây dựng tương tự như nhóm kịch bản hồ phân tán dọc kênh chính (PT1). Hình 3.27 cho thấy 03 đường đồ thị song song với nhau và cùng đạt điểm cực tiểu tương ứng tỷ lệ diện tích hồ 3,82% (kịch bản PT2-5). Như vậy, các hình thức kết cấu khác nhau sẽ tương ứng đơn giá khác nhau, khi đơn giá tăng hay giảm thì đồ thị chỉ tịnh tiến lên hoặc xuống mà dạng đường không thay đổi.
b. Trường hợp diện tích giải phóng mặt bằng là đất nông nghiệp chiếm 85% và đất thổ cư 15% (TH2); đất nông nghiệp chiếm 70% và đất thổ cư 30% (TH3)
* Bố trí hồ điều hòa phân tán dọc kênh chính (PT1): Kết quả tính toán chi phí đầu tư xây dựng cho mỗi tổ hợp kết cấu công trình ứng với các trường hợp đất giải phóng mặt bằng (bảng 16.PL03) cho thấy trong mọi hình thức kết cấu, tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống ứng với trường hợp 30% đất thổ cư và 70% đất nông nghiệp (TH3) đều lớn hơn so với trường hợp 15% đất thổ cư và 85% đất nông nghiệp (TH2). Tỷ lệ diện tích hồ hợp lý ở TH2 với cả 03 nhóm hình thức kết cấu cùng đạt tại tỷ lệ diện tích hồ 3,26% (kịch bản PT1-4,5). Tương ứng, TH3 là 2,90% (kịch bản PT1-4). So sánh giữa hai trường hợp về giải phóng mặt bằng thì TH3 có chi phí giải phóng mặt bằng lớn hơn TH2 nhưng về tỷ lệ diện tích hồ ứng với điểm đạt giá trị cực tiểu với TH3 là 2,90% nhỏ hơn so với TH2 là 3,26%. Như vậy, khi chi phí giải phóng mặt bằng tăng thì các kịch bản tính toán đều tăng tổng chi phí đầu tư xây dựng, trong đó mức độ tăng của chi phí đầu tư xây dựng HĐH lớn hơn các hạng mục còn lại nên xu thế điểm tổng chi phí đầu tư xây dựng nhỏ nhất dịch dần về gốc tọa độ.
* Bố trí hồ điều hòa phân tán dọc kênh chính và kênh nhánh (PT2)
Kết quả tính toán chi phí đầu tư xây dựng cho nhóm kịch bản bố trí HĐH phân tán tại kênh chính và kênh nhánh (PT2) ứng với 02 trường hợp về giải phóng mặt bằng 30% đất thổ cư - 70% đất nông nghiệp (TH3) và 15% đất thổ cư - 85% đất nông nghiệp
105
(TH2) cho thấy: tỷ lệ diện tích HĐH cho tổng chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống nhỏ nhất với trường hợp giải phóng mặt bằng 15% đất thổ cư - 85% đất nông nghiệp (TH2) là 3,05% (PT2-4) với cả 03 nhóm hình thức kết cấu. Tương tự, với trường hợp về giải phóng mặt bằng 30% đất thổ cư - 70% đất nông nghiệp (TH3), giá trị này đạt 2,67% (PT2-3,5) với cả 03 nhóm hình thức kết cấu. Như vậy, xu hướng tỷ lệ diện tích HĐH hợp lý nhỏ dần khi đơn giá giải phóng mặt bằng tăng lên.
Vậy đối với hệ thống tiêu phía tây Hà Nội khi bố trí hồ điều phân tán dọc kênh chính thì tỷ lệ diện tích HĐH hợp lý là 3,62% ứng với TH1 (kịch bản PT1-5), 3,26% ứng với TH2 (kịch bản PT1-4,5) và 2,90% ứng với TH3 (kịch bản PT1-4). Khi bố trí hồ phân tán dọc kênh chính và kênh nhánh (PT2) thì tỷ lệ diện tích HĐH hợp lý là 3,82% ứng với TH1(kịch bản PT2-5),3,05% ứng với TH2 (kịch bản PT2-4) và 2,67% ứng với TH3 (kịch bản PT2-3,5).
3.3.4.3 So sánh giữa các kịch bản bố trí hồ điều hòa
Để xem xét mức độ ảnh hưởng của hình thức bố trí HĐH tới hệ thống kênh và công trình đầu mối, tác giả chọn một hình thức kết cấu công trình và lập các đường quan hệ trên cùng một đồ thị. Ở đây, chọn hình thức kết cấu để so sánh như sau: đầu mối và HĐH xây dựng mới, kênh cấp 3 hình hộp bằng bê tông cốt thép, kênh cấp 1 và 2 gia cố mái.
*Đối với công trình đầu mối: Đồ thị hình 3.28 cho thấy với tất cả các kịch bản đều có chung xu hướng chi phí đầu tư xây dựng đầu mối giảm khi tỷ lệ diện tích hồ tăng. Chi phí đầu tư xây dựng khu đầu mối lớn nhất khi hệ thống không có HĐH (tỷ lệ diện tích HĐH bằng không). So sánh giữa 03 hình thức bố trí HĐH, chi phí xây dựng đầu mối lớn nhất ứng với trường hợp hồ bố trí tập trung tại công trình đầu mối (TT), nhỏ nhất ứng với trường hợp hồ bố trí trên diện tích dọc kênh chính và kênh nhánh (PT2). Xem xét trong mỗi hình thức bố trí thì ứng với giải phóng mặt bằng 30% đất thổ cư - 70% đất nông nghiệp (TH3) có giá trị cao nhất, trường hợp giải phóng mặt bằng 100% đất nông nghiệp (TH1) có giá trị nhỏ nhất. Các đường đồ thị rất gần nhau chứng tỏ ảnh hưởng của chi phí giải phóng mặt bằng đối với đầu mối là không đáng kể. Do khi lưu lượng yêu cầu của đầu mối lớn thì sử dụng máy bơm có lưu lượng lớn nên số máy tăng
106
không đáng kể khiến diện tích sử dụng cho khu đầu mối tăng không nhiều. Như vậy