Xem mẫu
- §¹i häc Quèc gia Hµ Néi
trêng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn
Larry W. Mays
vµ
Yeou – Koung Tung
Kü thuËt vµ qu¶n lý
hÖ thèng nguån níc
Ngêi dÞch: NguyÔn TiÒn Giang
NguyÔn ThÞ Nga
Nhµ xuÊt b¶n §¹i Häc Quèc Gia Hµ Néi
- Lêi ngêi dÞch
Níc lµ mét tµi nguyªn tù t¸i t¹o nhng kh«ng ph¶i v« h¹n. Trong nh÷ng thËp
niªn gÇn ®Êy, chóng ta cã thÓ nhËn thÊy sù gia t¨ng vÒ tÇn xuÊt còng nh cêng ®é
cña b·o, lò, h¹n h¸n vµ c¸c biÕn cè khÝ tîng thuû v¨n bÊt lîi kh¸c, g©y ¶nh hîng
trùc tiÕp ®Õn ®êi sèng cña con ngêi. §ång thêi còng cã thÓ nhËn thÊy sù ph¸t triÓn
nhanh chãng cña c¸c ph¬ng ph¸p, c«ng cô ®îc dïng trªn thÕ giíi ®Ó gi¶i quyÕt c¸c
bµi to¸n trong lÜnh vùc b¶o vÖ, khai th¸c, sö dông, ph¸t triÓn nguån níc, phßng,
chèng t¸c h¹i do níc g©y ra.
§Ó cËp nhËt c¸c ph¬ng ph¸p vµ c«ng cô gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n quy ho¹ch vµ
qu¶n lý nguån níc, phôc vô c«ng t¸c gi¶ng d¹y cho sinh viªn chuyªn ngµnh Thuû
v¨n, thuéc khoa KT-TV-HDH, trêng §HKHTN, nhãm biªn dÞch ®· lùa chän vµ tiÕn
hµnh biªn dÞch cuèn “Hydrosystems Engineering and Management” cña hai t¸c gi¶
Larry W. Mays vµ Yeou – Koung Tung, ®îc nhµ xuÊt b¶n McGraw-Hill cho ra ®êi
n¨m 1992. Néi dung cña cuèn s¸ch bao gåm mét khèi kiÕn thøc rÊt réng thuéc lÜnh
vùc tµi nguyªn níc, do ®ã cã thÓ dïng cho rÊt nhiÒu m«n häc nh Thñy v¨n ®¹i
c¬ng, TÝnh to¸n thñy lîi, Kinh tÕ thñy lîi, M« h×nh to¸n thñy v¨n, §Þa chÊt thñy v¨n,
v.v.
C«ng viÖc biªn dÞch cuèn s¸ch ®îc ph©n chia nh sau: TS. NguyÔn TiÒn Giang
chñ biªn vµ dÞch c¸c ch¬ng tõ 1 ®Õn 9, c¸c ch¬ng tõ 10 ®Õn 13 do ThS. NguyÔn ThÞ
Nga, Khoa KT-TV-HDH, §H KHTN ®¶m nhËn.
Cuèn s¸ch nµy ®îc hoµn thµnh víi sù gióp ®ì cña NCS. NguyÔn §øc H¹nh, CN.
§µo H¶i Linh trong viÖc biªn so¹n b¶n th¶o vµ TS. TrÇn Ngäc Anh, ngêi hiÖu ®Ýnh.
Nhãm biªn dÞch xin ch©n thµnh c¶m ¬n nh÷ng sù ®ãng gãp quý b¸u nµy.
Do thêi gian vµ kiÕn thøc cã h¹n nªn b¶n dÞch kh«ng tr¸nh khái nh÷ng sai sãt.
Nhãm biªn dÞch mong nhËn ®îc nh÷ng gãp ý quý b¸u tõ ®äc gi¶ ®Ó cã thÓ hoµn thiÖn
b¶n dÞch trong nh÷ng lÇn t¸i b¶n sau.
Xin ch©n thµnh c¶m ¬n.
- Thay mÆt nhãm biªn dÞch
NguyÔn TiÒn Giang
- môc lôc
lêi nãi ®Çu ........................................................................................................... 11
phÇn 1: c¸c nguyªn lý................................................................................... 15
Ch¬ng 1. giíi thiÖu...................................................................................... 17
1.1. giíi thiÖu .................................................................................................. 17
1.2. m« t¶ hÖ thèng nguån níc............................................................... 17
1.3. kh¸i niÖm hÖ thèng ................................................................................. 21
1.4. c¸c bµi to¸n trong kü thuËt hÖ thèng nguån níc.............. 24
tµi liÖu tham kh¶o .......................................................................................... 32
bµi tËp .................................................................................................................... 35
ch¬ng 2. kinh tÕ häc trong hÖ thèng nguån níc ..................... 37
2.1. ph©n tÝch kinh tÕ kü thuËt ................................................................. 37
2.2. ph©n tÝch chi phÝ lîi nhuËn ............................................................ 40
2.3. lý thuyÕt hµnh vi kh¸ch hµng ...................................................... 42
2.4. lý thuyÕt c«ng ty................................................................................. 49
2.5. c©n b»ng cÇu, cung vµ thÞ trêng ............................................... 61
tµi liÖu tham kh¶o .......................................................................................... 63
bµi tËp .................................................................................................................... 63
ch¬ng 3. quy ho¹ch tuyÕn tÝnh vµ nh÷ng øng dông cho hÖ
thèng nguån níc ...............................................................................67
3.1. quy ho¹ch tuyÕn tÝnh............................................................................ 67
3.2. c¸c thuËt gi¶i cho quy ho¹ch tuyÕn tÝnh................................... 72
3.3. ph¬ng ph¸p ®¬n h×nh........................................................................... 78
3.4. ph¬ng ph¸p biÕn nh©n t¹o ................................................................ 85
3.5. gi¶i thÝch thuËt to¸n b¶ng ®¬n h×nh ............................................ 88
3.6. c¸c trêng hîp øng dông ph¬ng ph¸p ®¬n h×nh .................. 90
- 3.7. tÝnh ®èi ngÉu cña ph¬ng ph¸p ®¬n h×nh ................................... 92
3.8. d¹ng ma trËn cña mét thuËt to¸n b¶ng ®¬n h×nh.................. 96
3.9. nh÷ng ph¬ng ph¸p míi ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n quy ho¹ch tuyÕn
tÝnh...............................................................................................................99
tµi liÖu tham kh¶o .......................................................................................... 99
bµi tËp .................................................................................................................. 100
phô lôc 3A........................................................................................................... 105
ch¬ng 4. øng dông quy ho¹ch phi tuyÕn vµ quy ho¹ch ®éng
trong hÖ thèng nguån níc ........................................................ 113
4.1. quy ho¹ch ®éng ...................................................................................... 113
4.2. quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c................................................... 127
4.3. ®¹i sè ma trËn cho quy ho¹ch phi tuyÕn ................................... 130
4.4. tèi u ho¸ phi tuyÕn kh«ng cã rµng buéc ................................ 136
4.5. tèi u ho¸ rµng buéc: c¸c ®iÒu kiÖn tèi u .............................. 145
4.6. tèi u ho¸ phi tuyÕn cã rµng buéc: ph¬ng ph¸p grandient
suy gi¶m tæng qu¸t............................................................................ 148
4.7. tèi u hãa phi tuyÕn cã rµng buéc: ph¬ng ph¸p pª-nan-ti ...
..................................................................................................................... 159
4.8. tèi u hãa phi tuyÕn cã rµng buéc: ph¬ng ph¸p chiÕu
lagrange .................................................................................................162
4.9. c¸c ch¬ng tr×nh m¸y tÝnh quy ho¹ch phi tuyÕn ................. 163
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 164
bµi tËp .................................................................................................................. 167
ch¬ng 5. ph©n tÝnh tÝnh bÊt ®Þnh vµ ®é tin cËy cña hÖ thèng
nguån níc ............................................................................................171
5.1. tæng quan vÒ lý thuyÕt x¸c suÊt .................................................. 171
5.2. nh÷ng ph©n phèi x¸c suÊt thêng gÆp ....................................... 181
5.3. ph©n tÝch ®é bÊt ®Þnh .......................................................................... 187
5.4. nh÷ng tÝnh to¸n ®é tin cËy sö dông ph©n tÝch t¶i träng – søc
t¶i................................................................................................................190
5.5. tÝnh ®é tin cËy sö dông ph©n tÝch thêi gian-tíi-sù cè ....... 198
5.6. ph©n tÝch ®é tin cËy cña c¸c hÖ thèng ®¬n gi¶n................... 204
5.7. tèi u ho¸ ®é tin cËy............................................................................ 206
- 5.8. m« h×nh rµng buéc c¬ héi .................................................................. 207
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 212
bµi tËp .................................................................................................................. 214
phÇn 2: kü thuËt vµ qu¶n lý cÊp níc ................................................ 223
ch¬ng 6. sù b¸o nhu cÇu dïng níc.................................................. 225
6.1. sö dông níc vµ dù b¸o ...................................................................... 225
6.2. dù b¸o sö dông níc cho ®« thÞ vµ c«ng nghiÖp ................... 228
6.3. c¸c m« h×nh håi quy dïng cho dô b¸o sö dông níc........... 232
6.4. c¸c m« h×nh bËc thang ®Ó dù b¸o sö dông níc .................... 243
6.5. c¸c m« h×nh kinh tÕ thèng kª ®Ó dù b¸o nhu cÇu sö dông
níc ...........................................................................................................259
6.6. IWR – MAIN, hÖ thèng dù b¸o sö dông níc ............................... 264
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 268
bµi tËp .................................................................................................................. 269
ch¬ng 7. c¸c hÖ thèng níc mÆt........................................................ 273
7.1. hÖ thèng hå chøa níc mÆt ............................................................. 273
7.2. ph©n tÝch l¬ngh tr÷ - dßng ch¶y bÒn v÷ng cho cung cÊp
níc ...........................................................................................................274
7.3. ph©n tÝch lîng tr÷ - n¨ng lîng bÒn v÷ng ........................... 285
7.4. m« pháng hå chøa.................................................................................. 288
7.5. kÝch thíc tèi u vµ ®iÒu tiÕt cho mét hå chøa ®a môc tiªu
®¬n lÎ ....................................................................................................... 294
7.6. tèi u kÝch thíc vµ ®iÒu tiÕt cho c¸c hÖ thèng hå chøa ®a
môc ®Ých...................................................................................................302
7.7. kÝch thíc vµ ®iÒu tiÕt hå chøa víi c¸c yÕu tè thñy v¨n bÊt
®Þnh: c¸c m« h×nh QHTT.....................................................................305
7.8. ®iÒu tiÕt hå chøa víi c¸c yÕu tè thñy v¨n bÊt ®Þnh: c¸c m«
h×nh QH§...................................................................................................319
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 322
bµi tËp .................................................................................................................. 323
ch¬ng 8. hÖ thèng níc ngÇm............................................................. 325
8.1. c¸c nguyªn lý c¬ b¶n cña hÖ thèng níc ngÇm..................... 325
8.2. m« pháng hÖ thèng níc ................................................................... 332
- 8.3. c¸c m« h×nh qu¶n lý thñy lùc: ph¬ng ph¸p nhóng ............ 336
8.4. c¸c m« h×nh ph©n phèi vµ ®¸nh gi¸ chÝnh s¸ch: ph¬ng ph¸p
ma trËn ph¶n håi .................................................................................345
8.5. m« h×nh qu¶n lý níc ngÇm: ph¬ng ph¸p ®iÒu tiÕt
tèi u.................................................................................................................... 348
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 350
bµi tËp .................................................................................................................. 352
ch¬ng 9. c¸c hÖ thèng ph©n phèi níc........................................... 357
9.1. cÊu tróc vµ môc ®Ých cña c¸c hÖ thèng ph©n phèi níc... 357
9.2. c¸c thµnh phÇn cña hÖ tèng ph©n phèi níc.......................... 358
9.3. b¬m níc vµ thñy lùc b¬m ................................................................ 362
9.4. m« pháng m¹ng líi cÊp níc ......................................................... 364
9.5. c¸c m« h×nh tèi u cho c¸c thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng ph©n
nh¸nh ........................................................................................................371
9.6. c¸c m« h×nh tèi u cho c¸c thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng vßng d©y
..................................................................................................................... 374
9.7. m« h×nh thiÕt kÕ hÖ thèng ph©n phèi níc.............................. 377
9.8. ®é tin cËy cña hÖ thèng ph©n phèi níc ................................... 380
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 385
bµi tËp .................................................................................................................. 386
phÇn 3: kü thuËt vµ qu¶n lý níc d thõa ....................................... 389
ch¬ng 10. thñy v¨n vµ thñy lùc trong qu¶n lý níc d thõa .
..................................................................................................................... 391
10.1. ph©n tÝch thñy v¨n vµ thñy lùc ®ång b»ng ngËp lôt ........ 391
10.2. x¸c ®Þnh biÓu ®å qu¸ tr×nh ma lò: ph©n tÝch ma – dßng
ch¶y............................................................................................................392
10.3. diÔn to¸n thñy v¨n: c¸c hå chøa vµ s«ng................................. 399
10.4. ph©n tÝch tÇn xuÊt thñy v¨n ®Ó x¸c ®Þnh phÇn ngËp lò ... 402
10.5. c¸c cao tr×nh ngËp lò: x¸c ®Þnh cao ®é mÆt níc................ 408
10.6. thñy lùc dù b¸o lò: diÔn to¸n ph©n phèi .................................. 411
10.7. c¸c m« h×nh diÔn to¸n s«ng cña côc thêi tiÕt quèc gia hoa
kú ................................................................................................................ 413
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 415
- bµi tËp .................................................................................................................. 417
ch¬ng 11. c¸c hÖ thèng qu¶n lý níc ma ®« thÞ ..................... 421
11.1. hÖ thèng qu¶n lý níc ma ®« thÞ ............................................. 421
11.2. thiÕt kÕ cèng r·nh tho¸t níc ma.......................................... 422
11.3. ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ dïng biÓu ®å thñy v¨n....................... 425
11.4. thiÕt kÕ chi phÝ tèi thiÓu cña hÖ thèng cèng tho¸t níc
ma .............................................................................................................430
11.5. ph©n tÝch ®é tin cËy cña c¸c cèng tho¸t níc ma b·o
lu gi÷ níc ma ........................................................................................... 439
11.6. thiÕt kÕ chi phÝ tèi thiÓu cho hÖ thèng cÇm gi÷ níc ma
côc bé ........................................................................................................444
11.7. thiÕt kÕ chi phÝ tèi thiÓu cho hÖ thèng cÇm gi÷ níc ma
côc bé ........................................................................................................449
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 453
bµi tËp .................................................................................................................. 454
ch¬ng 12. c¸c hÖ thèng qu¶n lý ®ång b»ng ngËp lò ............... 457
12.1. c¸c lùa chän kiÓm so¸t lò ............................................................... 457
12.2. ®¸nh gi¸ thiÖt h¹i do lò .................................................................... 462
12.3. gãi phÇn mÒm ph©n tÝch thiÖt h¹i do lò lôt hec................... 466
12.4. m« h×nh tèi u ho¸ ®Ó quy ho¹ch kiÓm so¸t lò ..................... 470
12.5. lùa chän tèi u c¸c ph¬ng ¸n kiÓm so¸t lò ........................ 473
12.6. thiÕt kÕ dùa trªn rñi ro................................................................... 475
12.7. thiÕt kÕ dùa trªn rñi ro cho c¸c c«ng tr×nh tho¸t níc
®êng quèc lé ......................................................................................475
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 482
bµi tËp .................................................................................................................. 482
ch¬ng 13. ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng níc mÆt ®èi víi kiÓm
so¸t lò lôt ............................................................................................. 491
13.1. dù b¸o lò thêi gian thùc.................................................................. 491
13.2. vËn hµnh hÖ thèng hå chøa – s«ng ®Ó kiÓm so¸t lò .......... 499
13.3. c¸c m« h×nh tèi u ho¸ ®Ó ph¸t triÓn c¸c chÝnh s¸ch vËn
hµnh...........................................................................................................502
- 13.4. c¸c m« h×nh tèi u ho¸ cho vËn hµnh thêi gian thùc cña c¸c
hå chøa.....................................................................................................505
tµi liÖu tham kh¶o ........................................................................................ 510
bµi tËp .................................................................................................................. 512
- lêi nãi ®Çu
HÖ thèng nguån níc lµ thuËt ng÷ ®îc Van te Chow sö dông ®Çu tiªn ®Ó
m« t¶ c¸c lÜnh vùc kü thuËt cña thuû v¨n, thñy lùc vµ tµi nguyªn níc. HÖ
thèng nguån níc còng ®ång thêi ®îc sö dông ®Ó ®Ò cËp tíi c¸c dù ¸n níc
bao gåm c¸c hÖ thèng tr÷ níc mÆt, hÖ thèng níc ngÇm, hÖ thèng ph©n phèi
níc, hÖ thèng kiÓm so¸t lò, vµ hÖ thèng tiªu níc. HÖ thèng nguån níc sö
dông trong cuèn s¸ch nµy bao hµm c¶ hai ®Þnh nghÜa trªn. Hy väng cuèn s¸ch
nµy sÏ cung cÊp mét khung c«ng viÖc mang tÝnh hÖ thèng phôc vô m« h×nh
ho¸ hÖ thèng nguån níc trong c¸c lÜnh vùc kü thuËt vµ qu¶n lý. Cuèn s¸ch
bao gåm ba phÇn chÝnh: C¸c nguyªn lý, Kü thuËt vµ qu¶n lý cÊp níc, vµ Kü
thuËt vµ qu¶n lý níc d thõa. PhÇn c¸c nguyªn lý bao gåm c¸c ch¬ng vÒ
kinh tÕ, tèi u ho¸, ph©n tÝch ®é tin cËy vµ x¸c suÊt nh»m cung cÊp nÒn t¶ng
cho c¸c ch¬ng vÒ cÊp níc vµ níc d thõa. Gi¶ thiÕt ban ®Çu lµ c¸c bµi to¸n
nguån níc cã thÓ ®îc ph©n chia ra thµnh kü thuËt vµ qu¶n lý cÊp níc vµ kü
thuËt vµ qu¶n lý níc d thõa. Qu¶n lý cÊp níc bao gåm c¸c ch¬ng vÒ dù
b¸o nhu cÇu níc, hÖ thèng níc mÆt, hÖ thèng níc ngÇm, vµ hÖ thèng ph©n
phèi níc. Nã cung cÊp mét c¸ch gi¶i quyÕt toµn diÖn c¸c chñ ®Ò liªn quan
®Õn cung cung cÊp níc. T¬ng tù, qu¶n lý níc d thõa bao gåm c¸c ch¬ng
vÒ thñy v¨n vµ thñy lùc, ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ tho¸t níc ®« thÞ, hÖ thèng kiÎm
so¸t lò, vµ qu¶n lü b·i ngËp lò. Nh÷ng chñ ®Ò nµy thêng cha ®îc ®Ò cËp tíi
ë nh÷ng quyÓn s¸ch tríc ®©y vÒ hÖ thèng tµi nguyªn níc.
§Çu tiªn vµ tríc hÕt cuèn s¸ch nµy dù ®Þnh ®îc biªn so¹n nh mét cuèn
s¸ch gi¸o khoa dµnh cho c¸c häc viªn thuéc ngµnh kü thuËt vµ qu¶n lý tµi
nguyªn níc. Cuèn s¸ch kh«ng phôc vô nh mét cuèn tæng quan mµ lµ mét
cuèn giíi thiÖu vÒ c¸c ph¬ng ph¸p ®îc sö dông trong c¸c bµi to¸n vÒ hÖ
thèng nguån níc dµnh cho c¸c sinh viªn c¸c n¨m cuèi bËc ®¹i häc vµ c¸c häc
viªn sau ®¹i häc. Néi dung cuèn s¸ch cã thÓ ®îc dïng ®Ó gi¶ng d¹y cho häc
viªn cha cã kiÕn thøc vÒ vËn trï häc vµ chØ cÇn cã kiÕn thøc bËc ®¹i häc vÒ
thuû v¨n vµ thuû lùc. Môc tiªu chÝnh lµ kÕt hîp viÖc sö dông c¸c m«n kinh tÕ
häc, vËn trï häc, x¸c suÊt thèng kª vµ thuû v¨n, thñy lùc vµ tµi nguyªn níc
vµo viÖc ph©n tÝch, thiÕt kÕ, vËn hµnh, vµ qu¶n lý c¸c lo¹i dù ¸n nguån níc.
Cuèn s¸ch nµy ®ång thêi còng ®ãng vai trß nh mét cuèn chuyªn kh¶o tèt
dµnh cho c¸c kü s, c¸c nhµ quy ho¹ch, ph©n tÝch vµ qu¶n lý tµi nguyªn níc.
Kü thuËt vµ qu¶n lý hÖ thèng nguån níc lµ mét cuèn s¸ch vÒ m« h×nh ho¸
to¸n häc c¸c bµi to¸n thiÕt kÕ, ph©n tÝch, vËn hµnh, vµ qu¶n lý trong c¸c dù ¸n
vÒ níc. C¸c ph¬ng ph¸p ®Þnh lîng bao gåm: (a) m« pháng c¸c qu¸ tr×nh
- thñy v¨n vµ thñy lùc; vµ (b) vËn trï häc, x¸c suÊt thèng kª vµ kinh tÕ häc.
Nh÷ng ph¬ng ph¸p ®îc tr×nh bµy trong cuèn s¸ch nµy ®· ®îc tr×nh bµy
riªng biÖt trong c¸c cuèn s¸ch gi¸o khoa kh¸c, nhng cha bao giê ®îc hÖ
thèng ho¸ trong mét cuèn s¸ch. Mét sè lîng lín c¸c bµi tËp vÝ dô ®îc tr×nh
bµy nh»m gióp viÖc n¾m b¾t néi dung cuèn s¸ch mét c¸ch dÔ dµng. Ngoµi ra,
mét sè lîng lín c¸c bµi tËp cuèi ch¬ng ®îc cung cÊp dïng lµm bµi tËp vÒ
nhµ.
Träng t©m cña cuèn s¸ch ®îc dµnh cho qu¶n lý lîng níc chø kh«ng
bao gåm qu¶n lý chÊt lîng níc. §Ó bao gåm ®îc c¶ hai lo¹i qu¶n lý chÊt
vµ lîng níc trong cïng mét cuèn s¸ch lµ mét nç lîc rÊt lín. Th«ng qua
viÖc sö dông mét vÝ dô gi¶ thiÕt vÒ bµi to¸n s¶n xuÊt – xö lÝ chÊt th¶i c¸c kh¸i
niÖm vÒ quy ho¹ch tuyÕn tÝnh ®îc giíi thiÖu ë ch¬ng 3. VÝ dô nµy còng
®îc dïng ë môc 4.6 ®Ó minh ho¹ ph¬ng ph¸p gradient suy gi¶m trong quy
ho¹ch phi tuyÕn vµ tiÕp tôc ®îc dïng ë môc 5.8 ®Ó giíi thiÖu c¸c kh¸i niÖm
vÒ quy ho¹ch r»ng buéc c¬ héi.
Nh thêng lÖ, mçi cuèn s¸ch ®Òu ph¶n ¸nh nhËn thøc c¸ nh©n cña c¸c t¸c
gi¶ vÒ lÜnh vùc mµ c¸c t¸c gØa ®· tr¶i nghiÖm qua nhiÒu n¨m gi¶ng d¹y, nghiªn
cøu vµ thùc hµnh. Kü thuËt vµ qu¶n lý hÖ thèng nguån níc cã môc tiªu lµ
mét híng tiÕp cËn tÝch hîp, sè, chÆt chÏ vµ kh¶ thi ®èi víi lÜnh vùc ®îc ®Ò
cËp. C¸c vÊn ®Ò trong lÜnh vùc nµy mang tÝnh gi¶i tÝch, ®a c¸c kh¸i niÖm vÒ
vËn trï häc vµ ph©n tÝch ®é tin cËy vµo lÜnh vùc kü thuËt vµ qu¶n lý hÖ thèng
nguån níc. ViÖc sö dông vËn trï häc vµ ph©n tÝch ®é tin cËy trong kü thuËt
nguån níc ®· bÞ chËm h¬n so víi øng dông cña chóng trong c¸c lÜnh vùc kü
thuËt kh¸c. Cã rÊt nhiÒu lý do cho sù chËm trÔ nµy mµ th¶o luËn vÒ chóng n»m
ngoµi ph¹m vi cña cuèn s¸ch nµy. Chóng t«i viªt cuèn s¸ch nµy ®Ó khuyÕn
khÝch viÖc sö dông c¸c kü thuËt vËn trï häc vµ c¸c kh¸i niÖm vÒ ph©n tÝch rñi
ro vµ ®é tin cËy trong m« h×nh ho¸ hÖ thèng nguån níc trong kü thuËt vµ
qu¶n lý. C¸c bé phÇn mÒm GAMS vµ GAMS-MINOS, t¬ng øng dïng cho
quy ho¹ch tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn, ®îc sö dông nh lµ c«ng cô chÝnh ®Ó gi¶i
c¸c bµi to¸n tèi u. Hy väng r»ng qua nghiªn cøu cuèn s¸ch häc viªn sÏ tr©n
träng viÖc sö dông c¸c kü thuËt tèi u ho¸ vµ ph©n tÝch ®é tin cËy trong viÖc
gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån níc.
B¶n th¶o cña cuèn s¸ch ®· ®îc viÕt ®Çu tiªn khi t¸c gi¶ chÝnh ®ang lµm
viÖc tai ®¹i häc Texas, Austin. B¶n th¶o nµy ®· ®îc sö dông cho hai kho¸ sau
®¹i häc, khãa thø nhÊt vÒ kü thuËt vµ qu¶n lý tµi nguyªn níc vµ kho¸ thø hai
vÒ ph©n tÝch hÖ thèng tµi nguyªn níc. C¸c phiªn b¶n gÇn ®©y cña b¶n th¶o
®îc sö dông cho hai kho¸ häc vÒ ph©n tÝch hÖ thèng tµi nguyªn níc t¹i
trêng ®¹i häc Sate Arizona. Nh÷ng phiªn b¶n ®Çu tiªn ®îc biªn so¹n dµnh
riªng cho häc viªn bËc sau ®¹i häc. NhËn thÊy nhu cÇu sö dông cuèn s¸ch cho
sinh viªn bËc ®¹i häc, c¸c phiªn b¶n sau cã thªm c¸c néi dung c¬ b¶n vÒ c¸c
chñ ®Ò quy ho¹ch tuyÕn tÝnh, quy ho¹ch ®éng, ph©n tÝch x¸c suÊt, kinh tÕ vi
m«, ph©n tÝch håi quy, vµ kinh tÕ thèng kª. §ång thêi phiªn b¶n cuèi cïng
còng bao gåm c¶ c¸c kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ thñy v¨n, thñy lùc cho hÖ thèng
níc ngÇm, hÖ thèng níc mÆt, hÖ thèng ph©n phèi níc, hÖ thèng tiªu vµ
chËm níc ma b·o, vµ hÖ thèng kiÓm so¸t lò phôc vô sinh viªn ®¹i häc.
- Kü thuËt vµ qu¶n lý hÖ thèng nguån níc cã thÓ ®îc dïng cho c¸c lo¹i
kho¸ häc kh¸c nhau ë c¶ bËc ®¹i häc vµ sau ®¹i häc. Mét lo¹i kho¸ häc lµ
dµnh cho nh÷ng sinh viªn víi kiÕn thøc cã h¹n vÒ thñy v¨n vµ thñy lùc vµ
kh«ng cã kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ vËn trï häc. Nh÷ng kho¸ häc nh vËy ®îc dùa
trªn néi dung cña c¸c ch¬ng 1, 2, 3, Môc 5.1 – 5.7, 6.1 – 6.3, 7.1 – 7.6, 8.1 –
8.3, vµ 9.1 – 9.5. §èi víi kho¸ thø hai, néi dung c¸c ch¬ng 4, 5.8, 6.4 – 6.6,
7.7 – 7.8, 8.4 – 8.5, 9.5 – 9.8, ch¬ng 10, 11, 12, 13 cã thÓ ®îc dïng. Cã rÊt
nhiÒu lo¹i kho¸ häc cho bËc ®¹i häc vµ sau ®ai häc cã thÓ ®îc d¹y dùa trªn
cuèn s¸ch nµy.
Chóng t«i xin tr©n thµnh c¶m ¬n Jan Hausman vµ Jody Lester trêng ®¹i
häc Texas vµ Judy Polingyumtewa vµ Sharyl Hayes trêng ®¹i häc Arizona
Sate ®· gióp so¹n th¶o cuèn s¸ch nµy. Chóng t«i còng biÕt ¬n sù gióp ®ì tõ
c¸c ph¶n biÖn cña b¶n th¶o: Nathan Buras ®¹i häc Arizona; Paul Chan viÖn
c«ng nghÖ New Jersey; Howard Chang ®¹i häc San Diego; Neil Grigg ®¹i häc
Colorado; Ben Hobbs ®¹i häc Case Western Reverve; kevin Lansey ®¹i häc
Arizona; Ben Chi Yen ®¹i häc Illinois; vµ nhiÒu c¸c ®ång nghiÖp còng nh
häc viªn t¹i trêng ®¹i häc Texas, ®¹i häc Wyoming, vµ ®¹i häc Arizona State.
Cuèn s¸ch nµy ®îc hy väng nh mét sù ®ãng gãp cho mét thùc hµnh kü
thuËt vµ qu¶n lý tèt h¬n trong lÜnh vùc hÖ thèng nguån níc. Do cuèn s¸ch
nµy nªn rÊt nhiÒu c¸ håi ®· kh«ng bÞ b¾t ë c¸c con s«ng åa hå ë Wyoming vµ
Arizona. Chóng t«i dµnh cuèn s¸ch nµy cho nh÷ng thæ d©n da ®á, cho nh©n
lo¹i vµ cho sù thÞnh vîng cña loµi ngêi.
- phÇn
1
C¸c nguyªn lý
14
- CH¦¥NG
1
Giíi thiÖu chung
giíi thiÖu
1.1.
ThuËt ng÷ hÖ thèng nguån níc ®îc V. T. Chow ®a ra ®Çu tiªn ®Ó
diÔn t¶ chung c¸c lÜnh vùc kü thuËt cña thñy v¨n, thñy lùc vµ tµi nguyªn
níc. HÖ thèng nguån níc còng lµ mét thuËt ng÷ ®îc sö dông ®Ó chØ c¸c
lo¹i dù ¸n vÒ níc, bao gåm c¸c hÖ thèng tr÷ níc mÆt, c¸c hÖ thèng níc
ngÇm, c¸c hÖ thèng cÊp tho¸t níc, c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò vµ c¸c hÖ
thèng tho¸t níc ®« thÞ,... Trong cuèn s¸ch nµy, thuËt ng÷ hÖ thèng nguån
níc ¸p dông cho c¶ hai kh¸i niÖm trªn. Cuèn s¸ch ®îc viÕt dùa trªn gi¶
thiÕt lµ kü thuËt vµ qu¶n lý hÖ thèng nguån níc cã thÓ ®îc chia thµnh: (1)
kü thuËt vµ qu¶n lý cÊp níc; (2) kü thuËt vµ qu¶n lý níc d. C¸c dù ¸n
níc ®a môc tiªu hiÖn ®¹i ®îc thiÕt kÕ cho qu¶n lý cÊp níc vµ/hoÆc qu¶n
lý níc d.
Níc lµ mét tµi nguyªn cã thÓ t¸i t¹o mµ khi kh«ng cã t¸c ®éng cña con
ngêi sÏ tu©n theo chu tr×nh thñy v¨n ®îc miªu t¶ trªn h×nh 1.1.1. VÒ c¬
b¶n, chu tr×nh thñy v¨n lµ mét qu¸ tr×nh liªn tôc kh«ng cã ®iÓm b¾t ®Çu vµ
kh«ng cã ®iÓm kÕt thóc, cã thÓ xem nh lµ mét hÖ thèng. HÖ thèng lµ mét
tËp hîp c¸c phÇn tö nèi kÕt víi nhau, t¹o thµnh mét tæng thÓ. C¸c thµnh
phÇn trong hÖ thèng thñy v¨n lµ gi¸ng thñy, bèc h¬i, dßng ch¶y mÆt vµ c¸c
pha kh¸c. Chu tr×nh thñy v¨n toµn cÇu lµ mét hÖ thèng cã thÓ ®îc chia
thµnh ba hÖ thèng con c¬ b¶n: hÖ thèng níc khÝ quyÓn g åm c¸c qu¸ tr×nh
gi¸ng thñy, bèc h¬i, ng¨n gi÷ níc do thùc vËt vµ tho¸t h¬i níc thùc vËt;
hÖ thèng níc mÆt gåm dßng ch¶y trµn, dßng ch¶y mÆt, dßng ch¶y xuÊt lé
níc ngÇm vµ s¸t mÆt; hÖ thèng níc díi mÆt gåm c¸c qu¸ tr×nh thÊm
s©u, bæ sung níc ngÇm, dßng s¸t mÆt vµ dßng ch¶y ngÇm. Sù ph©n chia
c¸c hÖ thèng con trong hÖ thèng thñy v¨n toµn cÇu ®îc thÓ hiÖn trong h×nh
1.1.2.
17
- 1.2. m« t¶ hÖ thèng nguån níc
C¸c hÖ thèng nguån níc gåm cã c¸c hÖ thèng cÊp níc mÆt, c¸c hÖ
thèng cÊp níc ngÇm, c¸c hÖ thèng ph©n phèi níc, c¸c hÖ thèng tho¸t
níc ®« thÞ, c¸c hÖ thèng qu¶n lý b·i ngËp lò vµ c¸c hÖ thèng kh¸c. Môc
nµy sÏ tr×nh bµy mét sè vÝ dô vÒ c¸c lo¹i hÖ thèng nguån níc kh¸c nhau.
H×nh 1.1.1
Chu tr×nh tuÇn hoµn thuû v¨n vµ c©n b»ng níc trung b×nh n¨m, dïng ®¬n vÞ t¬ng ®èi khi so s¸nh víi gi¸ trÞ
cña lîng gi¸ng thuû trªn lôc ®Þa lµ 100 ®¬n vÞ (Chow, Maidment, and Mays, 1988)
C¸c hÖ thèng cÊp níc mÆt. Mét vÝ dô vÒ hÖ thèng cÊp níc mÆt kh¸ toµn
diÖn lµ dù ¸n níc bang California (SWP-State Water Project), gåm mét
chuçi c¸c c¸c hå chøa nèi víi nhau bëi c¸c con s«ng, c¸c tr¹m b¬m, c¸c
kªnh dÉn, c¸c ®êng èng vµ c¸c nhµ m¸y níc nh trªn h×nh 1.2.1. ë miÒn
b¾c California, s«ng Feather ch¶y vµo hå Oroville, hå chøa chÝnh cña dù ¸n.
Níc tho¸t ra tõ hå Oroville ch¶y qua c¸c s«ng Feather vµ Sacremento tíi
Delta. ë phÇn miÒn nam cña Delta, tr¹m b¬m Harvey Banks lÊy níc vµo
hå Bethany lµ n¬i mµ níc ®îc ph©n bæ cho cèng dÉn níc vÞnh phÝa nam
(South Bay Aqueduct) cña SWP vµ cho Governor Edmund B. Brown
California Aqueduct, chøc n¨ng vËn chuyÓn níc chÝnh cña SWP. Cèng
dÉn níc California ®îc ®Æt däc theo phÝa t©y cña thung lòng San Joaquin
vµ ch¶y vµo hå San Luis kho¶ng 100 dÆm vÒ phÝa h¹ lu. Cèng dÉn níc
nµy tiÕp tôc ®i vÒ phÝa nam vµ ®Çu níc ®îc n©ng lªn 969 fÝt (1 fÝt =
0,3m...) bëi bèn tr¹m b¬m (Dos Amigos, Buena Vista, Wheeler Ridge vµ
18
- Wind Gap) tríc khi tíi rÆng nói Tehachapi. Tr¹m b¬m Edmonston n©ng
cét níc lªn 1956 fit tíi mét chuçi c¸c ®êng èng vµ xi-ph«ng. Sau khi qua
Tehachapi, níc ®i vµo nh¸nh phÝa ®«ng (East Branch) hoÆc nh¸nh phÝa t©y
(West Branch). Nh¸nh phÝa ®«ng dÉn níc tíi hå Silverwood lµ n¬i mµ nã
®i vµo èng San Bernardino vµ h¹ xuèng 1418 fit qua nhµ m¸y níc Devil
Canyon. Sau ®ã mét ®êng èng dÉn níc tíi hå Perris ë tËn cïng phÝa nam
cña SWP c¸ch Delta 444 dÆm. Nh¸nh phÝa t©y vËn chuyÓn níc qua nhµ
m¸y níc Warne vµo trong hå Pyramid vµ qua nhµ m¸y níc/tr¹m b¬m
Castaic vµo trong hå Castaic, t¹i n¬i kÕt thóc cña nh¸nh phÝa t©y. C¶ kü
thuËt m« pháng vµ tèi u hãa ®· ®îc Ban tµi nguyªn níc California sö
dông ®Ó vËn hµnh c¶ n¨m hå chøa chÝnh cña dù ¸n theo chÕ ®é ®iÒu tiÕt
th¸ng (Coe vµ Rankin, 1989).
H×nh 1.1.2
S¬ ®å khèi biÓu thÞ hÖ thèng thñy v¨n toµn cÇu. (Chow, Maidment vµ Mays, 1988)
19
- HÖ thèng níc ®« thÞ ë mét quy m« nhá h¬n nhiÒu, hÖ thèng níc ®«
thÞ lµ mét vÝ dô kh¸c vÒ hÖ thèng nguån níc. Nh ë trªn h×nh 1.2.2, c¸c hÖ
thèng níc ®« thÞ bao gåm nhiÒu mÆt quan hÖ víi chu tr×nh thñy v¨n th«ng
qua cung cÊp níc, x¶ níc th¶i, tho¸t níc ma ra c¸c s«ng suèi, vµ vËn
chuyÓn níc ma - b·o qua c¸c vïng ®« thÞ. HÖ thèng níc ®« thÞ cã thÓ
®îc chia ra thµnh c¸c hÖ thèng c¬ b¶n nh hÖ thèng cÊp níc, hÖ thèng
níc th¶i, hÖ thèng tiªu níc ®« thÞ, vµ hÖ thèng qu¶n lý b·i ngËp lò.
HÖ thèng cÊp níc cã thÓ l¹i ®îc chia ra lµm hÖ thèng b¬m níc
kh«ng qua xö lÝ, hÖ thèng vËn chuyÓn níc cha xö lÝ, tr÷ níc cha qua xö
lÝ, hÖ thèng xö lÝ, hÖ thèng b¬m níc ®· xö lÝ vµ hÖ thèng ph©n phèi níc.
NhiÒu hÖ thèng thu gom níc th¶i ®« thÞ gåm c¶ thµnh phÇn dßng ch¶y
níc ®« thÞ thªm vµo dßng ch¶y trµn kÕt hîp víi cèng nh trong h×nh 1.2.3.
Mét hÖ thèng nh vËy gåm níc ch¶y trµn, níc vËn chuyÓn, níc lu tr÷,
vµ níc tiÕp nhËn.
20
- H×nh 1.2.1
D ù ¸n níc bang California (Sabet vµ Coe 1986a, 1986b)
HÖ thèng níc ngÇm Níc ngÇm ®· ®îc ®Ò cËp ë phÇn chu tr×nh thñy
v¨n. C¸c hÖ thèng níc ngÇm (h×nh 1.2.4) lµ c¸c cÊu tróc ®Þa chÊt, ®îc gäi
lµ c¸c tÇng ngËm níc. C¸c tÇng ngËm níc nµy cã kh¶ n¨ng tr÷ níc vµ
vËn chuyÓn níc díi ®Êt. Chóng cã c¸c kh¶ n¨ng dÉn níc, tr÷ níc vµ
c¸c ®Æc tÝnh chÊt lîng níc kh¸c nhau, cã ¶nh hëng tíi viÖc b¬m vµ bæ
cËp níc. C¸c hÖ thèng níc ngÇm cã thÓ khai th¸c cung cÊp níc cho sinh
ho¹t, c«ng nghiÖp vµ n«ng nghiÖp. Nh÷ng hÖ thèng nµy còng cã thÓ ®ãng
vai trß nh mét bÓ chøa níc, xö lÝ níc ng¾n h¹n vµ dµi h¹n.
Mét vÝ dô vÒ hÖ thèng níc ngÇm lµ tÇng ngËm níc Edwards (®íi ®øt
g·y Balcones) ®îc m« t¶ nh trªn H×nh 1.2.5, tr¶i dµi däc theo vµnh ®ai
hÑp tõ Austin, Texas qua San Antonio tíi Brackettville, Texas. Níc ngÇm
ë ®©y ®îc sö dông réng r·i cho cÊp níc sinh ho¹t, c«ng nghiÖp vµ n«ng
nghiÖp. §ång thêi tÇng ngËm níc còng lµ nguån cung cÊp níc cho thµnh
phè San Antonio, Texas. Ngoµi ra, tÇng ngËm níc t¹o nªn mét sè c¸c con
suèi b¾t nguån tõ c¸c m¹ch níc ngÇm phun lªn tõ lßng ®Êt, t¹o thµnh c¸c
c¶nh quan du lÞch vµ ®ång thêi t¹o thµnh dßng ch¶y c¬ b¶n cho c¸c s«ng
suèi ë phÝa h¹ lu. C¸c suèi níc l¹i cung cÊp dßng ch¶y cho vÞnh San
Antonio mµ ë ®ã hÖ sinh th¸i phô thuéc vµo lîng níc ngät ®îc cung
cÊp. Mét vÊn ®Ò n¶y sinh ®èi víi tÇng ngËm níc nµy lµ vÊn ®Ò khai th¸c
qu¸ møc cã thÓ phôc håi. HÖ thèng nµy gåm c¶ tÇng ngËm níc cã ¸p vµ
kh«ng ¸p. PhÇn cã ¸p n»m däc phÝa nam vµ cã tr÷ lîng lín nhÊt. Cßn phÇn
kh«ng ¸p lµ ®íi håi quy, cã lîng níc ngÇm võa ph¶i. §é dµy tÇng ngËm
níc thay ®æi trong kho¶ng ®é s©u tõ 400 tíi 1000 fÝt. Do tÇng ngËm níc
cã tÝnh thÊm cao nªn nh÷ng thÓ tÝch níc lín cã thÓ chuyÓn ®éng nhanh
trªn nh÷ng vïng réng lín vµ ph¶n øng cña mùc níc ®èi víi mçi lu lîng
b¬m lín, riªng rÏ cã xu híng bÞ ph©n t¸n h¬n lµ bÞ côc bé hãa.
21
- H×nh 1.2.2
C ¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng níc ®« thÞ (Grigg, 1986)
1.3. Kh¸i niÖm hÖ thèng
Nãi chung, mét hÖ thèng gåm mét tËp hîp c¸c phÇn tö cã t¬ng t¸c víi
nhau, ho¹t ®éng kh«ng lÖ thuéc nhau. Mét hÖ thèng ®îc ®Æc trng bëi: (1)
mét biªn hÖ thèng lµ mét quy t¾c x¸c ®Þnh liÖu mét phÇn tö cã ®îc xem lµ
mét phÇn cña hÖ thèng hay lµ cña m«i trêng; (2) thÓ hiÖn c¸c t¬ng t¸c
®Çu vµo vµ ®Çu ra víi m«i trêng; vµ (3) c¸c thÓ hiÖn vÒ c¸c mèi quan hÖ
t¬ng quan gi÷a c¸c phÇn tö hÖ thèng, c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra, gäi lµ håi tiÕp
(feedback).
22
- H×nh 1.2.4
HÖ thèng níc ngÇm (McWhorter vµ Sunada, 1977)
Tïy thuéc vµo møc ®é chi tiÕt dïng ®Ó m« h×nh hãa c¸c thµnh phÇn hÖ
thèng, c¸c ph¬ng tr×nh thñy v¨n vµ thñy lùc thÝch hîp sÏ ®îc sö dông ®Ó
diÔn t¶ c¸c mèi quan hÖ dßng ch¶y gi÷a c¸c thµnh phÇn hÖ thèng. VÝ dô,
mét ph¬ng tr×nh liªn tôc lu«n ®îc sö dông ®Ó diÔn t¶ c©n b»ng dßng ch¶y
trong mét hÖ thèng nguån níc. Quan hÖ cña chÊt lîng níc cho mét
thµnh phÇn hÖ thèng sÏ phô thuéc vµo b¶n chÊt cña thµnh phÇn ®ã vµ t¸c
®éng cña nã ®èi víi chÊt lîng níc cña dßng ch¶y ®Õn. Mét trong nh÷ng
nhiÖm vô chÝnh cña kü thuËt tµi nguyªn níc lµ lµm biÕn ®æi c¸c ®Çu vµo
cña mét hÖ thèng nguån níc nh»m tèi ®a ho¸ c¸c ®Çu ra cã lîi vµ tèi thiÓu
ho¸ c¸c ®Çu ra cã h¹i.
Níc tù nhiªn cã thÓ ®îc diÔn t¶ díi d¹ng lîng b»ng mét hµm cña
thêi gian vµ kh«ng gian; hay díi d¹ng chÊt lîng níc còng b»ng mét
hµm cña thêi gian vµ kh«ng gian. Thêi gian t vµ vÞ trÝ x lµ c¸c biÕn ®éc lËp
diÔn t¶ níc tù nhiªn. C¸c biÕn phô thuéc diÔn t¶ níc tù nhiªn lµ lîng V
vµ chÊt lîng Q. S ®îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i cña hÖ thèng, cã thÓ
®îc biÓu diÔn b»ng:
S = [V(x,t), Q(x,t)] (1.3.1)
23
nguon tai.lieu . vn