Tính toán thuỷ lực mạng lưới cấp nước trong trường hợp phân vùng tách mạng, bài học thực tế từ thành phố Đà Nẵng

Nguyễn Văn Sứng - Trường ĐH Tài nguyên và môi trường TP HCM
 
Tóm tắt 
Hiện  nay áp lực nước thực tế tại các vị trí trên mạng lưới cấp nước thường có sự khác biệt với kết quả tính toán thuỷ lực trong giai đoạn thiết kế, một trong những nguyên nhân của sự khác biệt là xác định vị trí các điểm “Nút” lấy nước ra khỏi mạng lưới trong sơ đồ tính toán thuỷ lực chưa phù hợp với thực tế, sự khác biệt này khá lớn trong các hệ thống cấp nước có công suất lớn và đã thực hiện công tác phân vùng, tách mạng. Trên cơ sở nghiên cứu mạng lưới cấp nước của thành phố Đà Nẵng khi thực hiện Báo cáo nghiên cứu khả thi điều chỉnh dự án Mở rộng hệ thống cấp nước Đà Nẵng giai đoạn 2012 – 2018, nhóm thiết kế đã phối hợp với chủ đầu tư dựa trên vị trí và số liệu thực tế của các DMA (Dictric Meter Area), DMZ (Dictric Meter Zone) đang hoạt động để thiết lập sơ đồ tính toán thủy lực cho mạng lưới đường ống cấp 1 và cấp 2. Kết quả tính toán thủy lực mạng lưới đường ống cấp 1 và cấp 2 của Đà Nẵng, dựa trên các DMA thực tế và các DMA dự kiến phát triển, có độ tin cậy cao, có tính khoa học và thực tiễn. Phương pháp tính toán thủy lực đã thực hiện tại Đà Nẵng có thể là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư khi thực hiện các dự án mở rộng, xây dựng mạng lưới cấp nước có công suất lớn, có tính đến các DMA phục vục công tác quản lý vận hành sau này.
 
Từ khóa: Mạng lưới cấp nước, phân vùng tách mạng, mạng lưới đường ống truyền dẫn, tính toán thủy lực, DMA, “nút”, lưu lượng nút, Pattern, 
 
1. Giới thiệu
 
Tầm quan trọng của tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước là kết quả của tính toán thủy lực được xem xét để xác định đường kính ống, chọn máy bơm cấp 2, chọn bơm tăng áp trên mạng lưới…để đảm bảo hiệu quả làm việc của toàn hệ thống cấp nước, đảm bảo áp lực tự do của tất cả các vị trí trên mạng lưới cấp nước phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và chữa cháy. Hiện  nay  công tác tính toán thuỷ lực mạng lưới cấp nước thường được thực hiện theo phương pháp “truyền thống”, được trình bày trong các giáo trình chuyên ngành, dựa trên các giả thiết đơn giản hóa khi tính toán. Theo [2], những điểm lấy nước tương đối lớn được coi là điểm lấy nước tập trung và lượng nước lấy ra được gọi là lưu lượng tập trung(điểm cấp nước cho các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp hay các công trình có nhu cầu nước lớn), những điểm lấy nước nhỏ được coi là lấy nước dọc đường lưu lượng nước lấy ra từ điểm đó gọi là lưu lượng dọc đường, cho rằng lưu lượng dọc đường sẽ phân bố đều theo chiều dài ống chính và ống nối. Khi tính toán thủy lực, lưu lượng dọc đường của 1 đoạn ống được giả sử đưa về 2 đầu nút của đoạn ống và gọi là lưu lượng nút (q nút). Lưu lượng nút được tính theo công thức:
, l/s
 
Như vậy, lưu lượng của mỗi nút bất kỳ sẽ bằng một nửa số lưu lượng dọc đường của các đoạn ống đi qua nút đó [2]. Khi đó toàn bộ lưu lượng nước lấy ra từ mạng lưới được quy về các điểm nút của các đoạn ống (lưu lượng nút) và các điểm lấy nước tập trung (lưu lượng tập trung), công tác tính toán thủy lực hoàn toàn dựa vào các lưu lượng nút và lưu lượng dọc đường này.
 
Hiện nay, khi tính toán thuỷ lực cho mạng lưới đường ống truyền dẫn (các ống cấp 1, cấp 2) của các hệ thống cấp nước có công suất tiêu thụ lớn, mạng lưới cấp nước được phân cấp rõ ràng, với phương pháp tính toán lưu lượng nút như đã đề cập ở trên, đã xuất hiện một số bất cập đối với kết quả tính toán thủy lực. Điểm bất cập lớn nhất là lưu lượng dọc đường không còn phân bố đều theo chiều dài ống cấp 1, cấp 2, do phần lớn các cơ quan quản lý hệ thống cấp nước chỉ đấu nối cung cấp nước cho các hộ dùng nước từ đường ống cấp 3, cấp 4. Các đường ống cấp 3, cấp 4 sẽ được cấp nước thông qua một số điểm cấp nước nhất định từ đường ống cấp 1, cấp 2, những điểm này có thể không trùng với các điểm nút của các đường ống này. Tại những điểm lấy nước ra từ đường ống cấp 1, cấp 2, thường xây dựng các DMA để phục vụ công tác quản lý. 
 
Như vậy, trên thực tế khi tính toán thủy lực mạng lưới đường ống truyền dẫn cho các hệ thống cấp nước có công suất lớn, chúng ta không nên tính theo lưu lượng dọc đường của các tuyến ống truyền tải. Toàn bộ lưu lượng nước lấy ra từ mạng lưới đều là lưu lượng tập trung, những điểm lấy nước ra khỏi mạng lưới là những điểm lấy nước cung cấp cho các công trình có nhu cầu dùng nước lớn (nếu có) và các điểm cung cấp nước cho đường ống cấp 3, cấp 4. Phương pháp tính toán thủy lực này được tính theo các điểm lấy nước tập trung, các DMA trên mạng.
 
Trong bài viết này sẽ trình bày phương pháp thủy lực tuyến ống truyền dẫn của mạng lưới cấp nước điển hình tại thành phố Đà Nẵng, trong đó các điểm lấy nước ra từ mạng lưới là các DMA hiện hữu và DMA dự kiến lắp đặt thêm trong dự án.
 
2. Cơ sở tính toán và phương pháp thực hiện.
 
Đặc thù của mạng lưới cấp nước thành phố Đà Nẵng là cung cấp nước trực tiếp cho rất nhiều đối tượng dùng nước như các khu công nghiệp, khu dân cư, khu thương mại dịch vụ, các nhà hàng, khách sạn ven biển…. Chính vì vậy, chế độ tiêu thụ nước của từng khu vực rất khác nhau.
 
Để quản lý và giảm lượng nước thất thoát, thành phố Đà Nẵng đã thực hiện công tác phân vùng, tách mạng một cách hợp lý. Hệ thống cấp nước của thành phố được chia làm 6 vùng cấp nước, bao gồm vùng cấp nước Hải Châu, Liên Chiểu, Thank Khê, Cẩm Lệ, Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn. Mỗi vùng cấp nước sẽ được cung cấp nước từ đường ống cấp 1 thông qua các đồng hồ tổng (DMZ). Trong mỗi vùng cấp nước lại tách ra làm nhiều khu vực cấp nước, mỗi khu vực cấp nước được cung cấp nước từ đường ống cấp 2 thông qua các DMA. Sử dụng các van chặn để cô lập các vùng cấp nước, khu vực cấp nước và để điều phối khi cần thiết.
 
Để tính toán thủy lực Mạng lưới cấp nước của thành phố Đà Nẵng, đơn vị thiết kế đã lập sơ đồ tính toán thủy lực cho những tuyến ống cấp 1 và cấp 2, có đường kính từ 300mm trở lên. Trên cơ sở kết quả tính toán thủy lực này sẽ tiếp tục tính toán thủy lực cho các tuyến ống cấp 3 trong các khu vực cấp nước. Bộ phận thiết kế đã thu thập số liệu, dữ liệu hiện có về các đối tượng dùng nước trong từng khu vực cấp nước, nghiên cứu quy hoạch chung của thành phố Đà Nẵng đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050, điều chỉnh quy hoạch cấp nước thành phố Đà Nẵng….. từ đó dự báo lưu lượng nước cần phải cung cấp cho từng khu vực cấp nước cho giai đoạn đến năm 2030 để phục vụ cho công tác tính toán thủy lực.
 
Trên cơ sở nghiên cứu chế độ tiêu thụ nước của từng khu vực cấp nước thông qua số liệu tự ghi của các đồng hồ lưu lượng trong các DMA, Bộ phận thiết kế đã thiết lập chế độ dùng nước trong ngày (Pattern) của từng khu vực cấp nước và dự báo lưu lượng nước sẽ vận chuyển qua các DMA trong ngày, đây là những số liệu đầu vào quan trọng để tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước. Từ những số liệu về lưu lượng nước, chế độ tiêu thụ nước của các DMA trong từng khu vực cấp nước, chúng tôi đã thiết lập sơ đồ tính toán thủy lực. Trong sơ đồ tính toán thủy lực này có 2 dạng “Nút” tính toán là “Nút thật” - các DMA lấy nước ra từ đường ống cấp 1, cấp 2, và “Nút ảo”- những điềm giao nhau giữa các đường ống cấp nước. Những “Nút ảo” này chỉ phục vụ cho việc thiết lập sơ đồ mạng lưới, không có lưu lượng nước lấy ra từ mạng lưới. Những “ Nút ảo” này thực chất là các “Nút thật” trong sơ đồ tính toán thủy lực theo phương pháp “Truyền thống”.
 
Hình 1: Sơ đồ tính toán thủy lực điển hình theo phương pháp truyền thống.     
 

Hình 2: Sơ đồ tính toán thủy lực điển hình theo các DMA.
                            
Để giảm bớt khối lượng tính toán với kết quả có thể chấp nhận được, công tác tính toán thủy lực được thực hiện với các dữ liệu như sau:
 
- Những khu vực dân cư ổn định: sử dụng số liệu thực tế từ các DMA hiện hữu (lưu lượng, partten…) có tính tới sự gia tăng nhu cầu dùng nước trong tương lai.
- Những khu vực quy hoạch mới, những khu vực đang phát triển: Quy hoạch vị trí các DMA và thiết lập sơ đồ tính toán thủy lực cho mạng lưới ống cấp 3, cấp 4 và tích hợp vào trong tính toán thủy lực mạng lưới cấp 1, cấp 2. Vị trí, số lượng các DMA được nghiên cứu và lựa chọn trên cơ sở xem xét tổng hợp cả về kỹ thuật và kinh tế. 
 
Như vậy, với phương pháp tính toán này, số liệu để nhập vào các “nút thật” là lưu lượng nước vận chuyển qua từng DMA với các pattern khác nhau, đặc trưng cho mục đích sử dụng nước của từng khu vực và các DMA phục vụ.
 
Với kết quả tính toán thủy lực này, cơ quan quản lý có thể xác định vị trí các DMA tối ưu khi phát triển mạng lưới cho khững khu vực mới, hoặc tối ưu hóa mạng lưới cấp nước hiện hữu thông qua việc bổ sung những DMA khi cần thiết.
 
3. Kết quả tính toán
 
Kết quả tính toán thủy lực cho mạng lưới đường ống cấp nước thành phố Đà Nẵng, giai đoạn đến năm 2030 được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu hiện trạng của hệ thống cấp nước hiện nay và quy hoạch tổng thể hệ thống cấp nước thành phố Đà Nẵng đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050. Kết quả tính toán thủy lực này được sử dụng để thiết kế hệ thống cấp nước của thành phố, nhằm từng bước đáp ứng nhu cầu sử dụng nước của tất cả các đối tượng dùng nước theo đúng các quy định hiện hành.
 
Hình 3: Kết quả tính toán thủy lực Mạng lưới cấp nước thành phố Đà nẵng-Giai đoạn đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050
 
Hình 4: Một phần trong kết quả tính toán thủy lực Mạng lưới cấp nước thành phố Đà nẵng-Giai đoạn đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050.
 
Kết luận và kiến nghị
 
Hiện nay, rất nhiều hệ thống cấp nước tại các đô thị trong cả nước có đặc điểm chung là áp lực nước trong đường ống tại nhiều vị trí trên mạng lưới cấp nước không đáp ứng và đảm bảo yêu cầu tối thiểu theo quy định kỹ thuật hiện hành, các trạm bơm cấp nước hoạt động với hiệu suất khai thác thấp so với thiết kế. Ngoài những nguyên nhân khách quan còn có nhiều nguyên nhân chủ quan do khi tính toán thiết kế chưa khảo sát chi tiết khu vực cấp nước cũng như chưa quan niệm đúng về phương pháp tính toán thủy lực trong xác định ống truyền dẫn và phân phối. Hy vọng, qua kinh nghiệm trong dự án này có thể sẽ được các cán bộ quản lý chuyên môn, các cơ sở đào tạo ngành nước và các kỹ sư thiết kế quan tâm, tham khảo khi thiết kế hệ thống cấp nước, nhằm tối ưu hóa mạng lưới cấp nước để nâng cao hiệu quả làm việc của toàn bộ hệ thống.
 
Trên thực tế, tính toán thủy lực theo phương pháp “truyền thống” khá đơn giản, nhưng kết quả tính toán có những sai số nhất định so với phương án tính theo các DMA, đặc biệt là đối với những hệ thống cấp nước có công suất lớn và nhiều đối tượng dùng nước. Chính vì vậy, các cơ quan chức năng và các nhà khoa học, chuyên gia ngành nước nên nghiên cứu, xem xét và ban hành những quy định cụ thể về phương pháp tính toán thủy lực áp dụng cho từng quy mô công suất của hệ thống cấp nước, nhằm từng bước khắc phục những hạn chế của mạng lưới cấp nước hiện nay, và cũng là cơ sở để các trường đại học và các cơ sở đào tạo nghiên cứu cập nhật chương trình đào tạo cho phù hợp.
 
Tài liệu tham khảo
1. EPTISA – NGUYENTRAN: Báo cáo nghiên cứu khả thi Điều chỉnh dự án Mở rộng hệ thống cấp nước thành phố Đà Nẵng giai đoạn 2012-2018.
2. Nguyễn Văn Tín: Cấp nước- Tập 1: Mạng lưới cấp nước, NXB KH&KT 2001.
3. TCXD 33-2006: Cấp nước- Mạng lưới đường ống và công trình- Tiêu chuẩn thiết kế.
 

Bài viết cùng chuyên mục

Tạp chí CTN online
Báo Môi trường và đô thị
Quảng cáo trang con [vị trí 02]