Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương mở đầu ppt

Đại học Quốc gia Hà Nội
trờng đại học khoa học tự nhiên




Larry W. Mays
và
Yeou Koung Tung




Kỹ thuật và quản lý
hệ thống nguồn nớc

Ngời dịch: Nguyễn Tiền Giang
Nguyễn Thị Nga










Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội




Lời ngời dịch

Nớc là một tài nguyên tự tái tạo nhng không phải vô hạn. Trong những thập
niên gần đấy, chúng ta có thể nhận thấy sự gia tăng về tần xuất cũng nh cờng độ
của bão, lũ, hạn hán và các biến cố khí tợng thuỷ văn bất lợi khác, gây ảnh hợng
trực tiếp đến đời sống của con ngời. Đồng thời cũng có thể nhận thấy sự phát triển

nhanh chóng của các phơng pháp, công cụ đợc dùng trên thế giới để giải quyết các
bài toán trong lĩnh vực bảo vệ, khai thác, sử dụng, phát triển nguồn nớc, phòng,
chống tác hại do nớc gây ra.
Để cập nhật các phơng pháp và công cụ giải quyết các bài toán quy hoạch và
quản lý nguồn nớc, phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Thuỷ
văn, thuộc khoa KT-TV-HDH, trờng ĐHKHTN, nhóm biên dịch đã lựa chọn và tiến
hành biên dịch cuốn Hydrosystems Engineering and Management của hai tác giả
Larry W. Mays và Yeou Koung Tung, đợc nhà xuất bản McGraw-Hill cho ra đời
năm 1992. Nội dung của cuốn sách bao gồm một khối kiến thức rất rộng thuộc lĩnh
vực tài nguyên nớc, do đó có thể dùng cho rất nhiều môn học nh Thủy văn đại
cơng, Tính toán thủy lợi, Kinh tế thủy lợi, Mô hình toán thủy văn, Địa chất thủy văn,
v.v.
Công việc biên dịch cuốn sách đợc phân chia nh sau: TS. Nguyễn Tiền Giang
chủ biên và dịch các chơng từ 1 đến 9, các chơng từ 10 đến 13 do ThS. Nguyễn Thị
Nga, Khoa KT-TV-HDH, ĐH KHTN đảm nhận.
Cuốn sách này đợc hoàn thành với sự giúp đỡ của NCS. Nguyễn Đức Hạnh, CN.
Đào Hải Linh trong việc biên soạn bản thảo và TS. Trần Ngọc Anh, ngời hiệu đính.
Nhóm biên dịch xin chân thành cảm ơn những sự đóng góp quý báu này.
Do thời gian và kiến thức có hạn nên bản dịch không tránh khỏi những sai sót.
Nhóm biên dịch mong nhận đợc những góp ý quý báu từ đọc giả để có thể hoàn thiện
bản dịch trong những lần tái bản sau.
Xin chân thành cảm ơn.

Thay mÆt nhãm biªn dÞch
NguyÔn TiÒn Giang


mục lục

lời nói đầu 11

phần 1: các nguyên lý 15

Chơng 1. giới thiệu 17

1.1. giới thiệu 17
1.2. mô tả hệ thống nguồn nớc 17

1.3. khái niệm hệ thống 21
1.4. các bài toán trong kỹ thuật hệ thống nguồn nớc 24

tài liệu tham khảo 32

bài tập 35
chơng 2. kinh tế học trong hệ thống nguồn nớc 37
2.1. phân tích kinh tế kỹ thuật 37

2.2. phân tích chi phí lợi nhuận 40

2.3. lý thuyết hành vi khách hàng 42

2.4. lý thuyết công ty 49
2.5. cân bằng cầu, cung và thị trờng 61
tài liệu tham khảo 63

bài tập 63
chơng 3. quy hoạch tuyến tính và những ứng dụng cho hệ

thống nguồn nớc 67
3.1. quy hoạch tuyến tính 67
3.2. các thuật giải cho quy hoạch tuyến tính 72

3.3. phơng pháp đơn hình 78

3.4. phơng pháp biến nhân tạo 85
3.5. giải thích thuật toán bảng đơn hình 88

3.6. các trờng hợp ứng dụng phơng pháp đơn hình 90


3.7. tính đối ngẫu của phơng pháp đơn hình 92
3.8. dạng ma trận của một thuật toán bảng đơn hình 96

3.9. những phơng pháp mới để giải các bài toán quy hoạch tuyến
tính 99
tài liệu tham khảo 99
bài tập 100

phụ lục 3A 105
chơng 4. ứng dụng quy hoạch phi tuyến và quy hoạch động
trong hệ thống nguồn nớc 113
4.1. quy hoạch động 113
4.2. quy hoạch động sai phân rời rạc 127

4.3. đại số ma trận cho quy hoạch phi tuyến 130
4.4. tối u hoá phi tuyến không có ràng buộc 136
4.5. tối u hoá ràng buộc: các điều kiện tối u 145
4.6. tối u hoá phi tuyến có ràng buộc: phơng pháp grandient

suy giảm tổng quát 148
4.7. tối u hóa phi tuyến có ràng buộc: phơng pháp pê-nan-ti
159
4.8. tối u hóa phi tuyến có ràng buộc: phơng pháp chiếu
lagrange 162
4.9. các chơng trình máy tính quy hoạch phi tuyến 163
tài liệu tham khảo 164
bài tập 167
chơng 5. phân tính tính bất định và độ tin cậy của hệ thống
nguồn nớc 171
5.1. tổng quan về lý thuyết xác suất 171

5.2. những phân phối xác suất thờng gặp 181

5.3. phân tích độ bất định 187

5.4. những tính toán độ tin cậy sử dụng phân tích tải trọng sức
tải 190
5.5. tính độ tin cậy sử dụng phân tích thời gian-tới-sự cố 198

5.6. phân tích độ tin cậy của các hệ thống đơn giản 204

5.7. tối u hoá độ tin cậy 206

5.8. mô hình ràng buộc cơ hội 207
tài liệu tham khảo 212

bài tập 214
phần 2: kỹ thuật và quản lý cấp nớc 223
chơng 6. sự báo nhu cầu dùng nớc 225

6.1. sử dụng nớc và dự báo 225

6.2. dự báo sử dụng nớc cho đô thị và công nghiệp 228
6.3. các mô hình hồi quy dùng cho dụ báo sử dụng nớc 232
6.4. các mô hình bậc thang để dự báo sử dụng nớc 243
6.5. các mô hình kinh tế thống kê để dự báo nhu cầu sử dụng
nớc 259
6.6. IWR MAIN, hệ thống dự báo sử dụng nớc 264

tài liệu tham khảo 268
bài tập 269

chơng 7. các hệ thống nớc mặt 273
7.1. hệ thống hồ chứa nớc mặt 273

7.2. phân tích lơngh trữ - dòng chảy bền vững cho cung cấp
nớc 274
7.3. phân tích lợng trữ - năng lợng bền vững 285
7.4. mô phỏng hồ chứa 288
7.5. kích thớc tối u và điều tiết cho một hồ chứa đa mục tiêu
đơn lẻ 294
7.6. tối u kích thớc và điều tiết cho các hệ thống hồ chứa đa
mục đích 302
7.7. kích thớc và điều tiết hồ chứa với các yếu tố thủy văn bất
định: các mô hình QHTT 305
7.8. điều tiết hồ chứa với các yếu tố thủy văn bất định: các mô
hình QHĐ 319
tài liệu tham khảo 322

bài tập 323
chơng 8. hệ thống nớc ngầm 325
8.1. các nguyên lý cơ bản của hệ thống nớc ngầm 325

8.2. mô phỏng hệ thống nớc 332


8.3. các mô hình quản lý thủy lực: phơng pháp nhúng 336
8.4. các mô hình phân phối và đánh giá chính sách: phơng pháp
ma trận phản hồi 345
8.5. mô hình quản lý nớc ngầm: phơng pháp điều tiết
tối u 348
tài liệu tham khảo 350

bài tập 352
chơng 9. các hệ thống phân phối nớc 357
9.1. cấu trúc và mục đích của các hệ thống phân phối nớc 357
9.2. các thành phần của hệ tống phân phối nớc 358
9.3. bơm nớc và thủy lực bơm 362
9.4. mô phỏng mạng lới cấp nớc 364

9.5. các mô hình tối u cho các thiết kế các hệ thống phân
nhánh 371
9.6. các mô hình tối u cho các thiết kế các hệ thống vòng dây
374
9.7. mô hình thiết kế hệ thống phân phối nớc 377
9.8. độ tin cậy của hệ thống phân phối nớc 380

tài liệu tham khảo 385

bài tập 386
phần 3: kỹ thuật và quản lý nớc d thừa 389
chơng 10. thủy văn và thủy lực trong quản lý nớc d thừa.
391
10.1. phân tích thủy văn và thủy lực đồng bằng ngập lụt 391

10.2. xác định biểu đồ quá trình ma lũ: phân tích ma dòng
chảy 392
10.3. diễn toán thủy văn: các hồ chứa và sông 399

10.4. phân tích tần xuất thủy văn để xác định phần ngập lũ 402

10.5. các cao trình ngập lũ: xác định cao độ mặt nớc 408
10.6. thủy lực dự báo lũ: diễn toán phân phối 411
10.7. các mô hình diễn toán sông của cục thời tiết quốc gia hoa
kỳ 413
tài liệu tham khảo 415


bài tập 417
chơng 11. các hệ thống quản lý nớc ma đô thị 421
11.1. hệ thống quản lý nớc ma đô thị 421

11.2. thiết kế cống rãnh thoát nớc ma 422

11.3. phơng pháp thiết kế dùng biểu đồ thủy văn 425

11.4. thiết kế chi phí tối thiểu của hệ thống cống thoát nớc
ma 430
11.5. phân tích độ tin cậy của các cống thoát nớc ma bão

lu giữ nớc ma 439
11.6. thiết kế chi phí tối thiểu cho hệ thống cầm giữ nớc ma
cục bộ 444
11.7. thiết kế chi phí tối thiểu cho hệ thống cầm giữ nớc ma
cục bộ 449
tài liệu tham khảo 453

bài tập 454

chơng 12. các hệ thống quản lý đồng bằng ngập lũ 457

12.1. các lựa chọn kiểm soát lũ 457

12.2. đánh giá thiệt hại do lũ 462
12.3. gói phần mềm phân tích thiệt hại do lũ lụt hec 466
12.4. mô hình tối u hoá để quy hoạch kiểm soát lũ 470
12.5. lựa chọn tối u các phơng án kiểm soát lũ 473
12.6. thiết kế dựa trên rủi ro 475

12.7. thiết kế dựa trên rủi ro cho các công trình thoát nớc
đờng quốc lộ 475
tài liệu tham khảo 482

bài tập 482
chơng 13. hoạt động của các hệ thống nớc mặt đối với kiểm
soát lũ lụt 491
13.1. dự báo lũ thời gian thực 491

13.2. vận hành hệ thống hồ chứa sông để kiểm soát lũ 499

13.3. các mô hình tối u hoá để phát triển các chính sách vận
hành 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





lời nói đầu




Hệ thống nguồn nớc là thuật ngữ đợc Van te Chow sử dụng đầu tiên để
mô tả các lĩnh vực kỹ thuật của thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nớc. Hệ
thống nguồn nớc cũng đồng thời đợc sử dụng để đề cập tới các dự án nớc
bao gồm các hệ thống trữ nớc mặt, hệ thống nớc ngầm, hệ thống phân phối
nớc, hệ thống kiểm soát lũ, và hệ thống tiêu nớc. Hệ thống nguồn nớc sử
dụng trong cuốn sách này bao hàm cả hai định nghĩa trên. Hy vọng cuốn sách
này sẽ cung cấp một khung công việc mang tính hệ thống phục vụ mô hình
hoá hệ thống nguồn nớc trong các lĩnh vực kỹ thuật và quản lý. Cuốn sách
bao gồm ba phần chính: Các nguyên lý, Kỹ thuật và quản lý cấp nớc, và Kỹ
thuật và quản lý nớc d thừa. Phần các nguyên lý bao gồm các chơng về
kinh tế, tối u hoá, phân tích độ tin cậy và xác suất nhằm cung cấp nền tảng
cho các chơng về cấp nớc và nớc d thừa. Giả thiết ban đầu là các bài toán

nguồn nớc có thể đợc phân chia ra thành kỹ thuật và quản lý cấp nớc và kỹ
thuật và quản lý nớc d thừa. Quản lý cấp nớc bao gồm các chơng về dự
báo nhu cầu nớc, hệ thống nớc mặt, hệ thống nớc ngầm, và hệ thống phân
phối nớc. Nó cung cấp một cách giải quyết toàn diện các chủ đề liên quan
đến cung cung cấp nớc. Tơng tự, quản lý nớc d thừa bao gồm các chơng
về thủy văn và thủy lực, phân tích và thiết kế thoát nớc đô thị, hệ thống kiẻm
soát lũ, và quản lỹ bãi ngập lũ. Những chủ đề này thờng cha đợc đề cập tới
ở những quyển sách trớc đây về hệ thống tài nguyên nớc.
Đầu tiên và trớc hết cuốn sách này dự định đợc biên soạn nh một cuốn
sách giáo khoa dành cho các học viên thuộc ngành kỹ thuật và quản lý tài
nguyên nớc. Cuốn sách không phục vụ nh một cuốn tổng quan mà là một
cuốn giới thiệu về các phơng pháp đợc sử dụng trong các bài toán về hệ
thống nguồn nớc dành cho các sinh viên các năm cuối bậc đại học và các học
viên sau đại học. Nội dung cuốn sách có thể đợc dùng để giảng dạy cho học
viên cha có kiến thức về vận trù học và chỉ cần có kiến thức bậc đại học về
thuỷ văn và thuỷ lực. Mục tiêu chính là kết hợp việc sử dụng các môn kinh tế
học, vận trù học, xác suất thống kê và thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nớc
vào việc phân tích, thiết kế, vận hành, và quản lý các loại dự án nguồn nớc.
Cuốn sách này đồng thời cũng đóng vai trò nh một cuốn chuyên khảo tốt
dành cho các kỹ s, các nhà quy hoạch, phân tích và quản lý tài nguyên nớc.
Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nớc là một cuốn sách về mô hình hoá
toán học các bài toán thiết kế, phân tích, vận hành, và quản lý trong các dự án
về nớc. Các phơng pháp định lợng bao gồm: (a) mô phỏng các quá trình

thủy văn và thủy lực; và (b) vận trù học, xác suất thống kê và kinh tế học.
Những phơng pháp đợc trình bày trong cuốn sách này đã đợc trình bày
riêng biệt trong các cuốn sách giáo khoa khác, nhng cha bao giờ đợc hệ
thống hoá trong một cuốn sách. Một số lợng lớn các bài tập ví dụ đợc trình
bày nhằm giúp việc nắm bắt nội dung cuốn sách một cách dễ dàng. Ngoài ra,
một số lợng lớn các bài tập cuối chơng đợc cung cấp dùng làm bài tập về

nhà.
Trọng tâm của cuốn sách đợc dành cho quản lý lợng nớc chứ không
bao gồm quản lý chất lợng nớc. Để bao gồm đợc cả hai loại quản lý chất
và lợng nớc trong cùng một cuốn sách là một nỗ lợc rất lớn. Thông qua
việc sử dụng một ví dụ giả thiết về bài toán sản xuất xử lí chất thải các khái
niệm về quy hoạch tuyến tính đợc giới thiệu ở chơng 3. Ví dụ này cũng
đợc dùng ở mục 4.6 để minh hoạ phơng pháp gradient suy giảm trong quy
hoạch phi tuyến và tiếp tục đợc dùng ở mục 5.8 để giới thiệu các khái niệm
về quy hoạch rằng buộc cơ hội.
Nh thờng lệ, mỗi cuốn sách đều phản ánh nhận thức cá nhân của các tác
giả về lĩnh vực mà các tác gỉa đã trải nghiệm qua nhiều năm giảng dạy, nghiên
cứu và thực hành. Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nớc có mục tiêu là
một hớng tiếp cận tích hợp, số, chặt chẽ và khả thi đối với lĩnh vực đợc đề
cập. Các vấn đề trong lĩnh vực này mang tính giải tích, đa các khái niệm về
vận trù học và phân tích độ tin cậy vào lĩnh vực kỹ thuật và quản lý hệ thống
nguồn nớc. Việc sử dụng vận trù học và phân tích độ tin cậy trong kỹ thuật
nguồn nớc đã bị chậm hơn so với ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực kỹ
thuật khác. Có rất nhiều lý do cho sự chậm trễ này mà thảo luận về chúng nằm
ngoài phạm vi của cuốn sách này. Chúng tôi viêt cuốn sách này để khuyến
khích việc sử dụng các kỹ thuật vận trù học và các khái niệm về phân tích rủi
ro và độ tin cậy trong mô hình hoá hệ thống nguồn nớc trong kỹ thuật và
quản lý. Các bộ phần mềm GAMS và GAMS-MINOS, tơng ứng dùng cho
quy hoạch tuyến tính và phi tuyến, đợc sử dụng nh là công cụ chính để giải
các bài toán tối u. Hy vọng rằng qua nghiên cứu cuốn sách học viên sẽ trân
trọng việc sử dụng các kỹ thuật tối u hoá và phân tích độ tin cậy trong việc
giải quyết các bài toán hệ thống nguồn nớc.
Bản thảo của cuốn sách đã đợc viết đầu tiên khi tác giả chính đang làm
việc tai đại học Texas, Austin. Bản thảo này đã đợc sử dụng cho hai khoá sau
đại học, khóa thứ nhất về kỹ thuật và quản lý tài nguyên nớc và khoá thứ hai
về phân tích hệ thống tài nguyên nớc. Các phiên bản gần đây của bản thảo

đợc sử dụng cho hai khoá học về phân tích hệ thống tài nguyên nớc tại
trờng đại học Sate Arizona. Những phiên bản đầu tiên đợc biên soạn dành
riêng cho học viên bậc sau đại học. Nhận thấy nhu cầu sử dụng cuốn sách cho
sinh viên bậc đại học, các phiên bản sau có thêm các nội dung cơ bản về các
chủ đề quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, phân tích xác suất, kinh tế vi
mô, phân tích hồi quy, và kinh tế thống kê. Đồng thời phiên bản cuối cùng
cũng bao gồm cả các kiến thức cơ bản về thủy văn, thủy lực cho hệ thống
nớc ngầm, hệ thống nớc mặt, hệ thống phân phối nớc, hệ thống tiêu và
chậm nớc ma bão, và hệ thống kiểm soát lũ phục vụ sinh viên đại học.

Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nớc có thể đợc dùng cho các loại
khoá học khác nhau ở cả bậc đại học và sau đại học. Một loại khoá học là
dành cho những sinh viên với kiến thức có hạn về thủy văn và thủy lực và
không có kiến thức cơ bản về vận trù học. Những khoá học nh vậy đợc dựa
trên nội dung của các chơng 1, 2, 3, Mục 5.1 5.7, 6.1 6.3, 7.1 7.6, 8.1
8.3, và 9.1 9.5. Đối với khoá thứ hai, nội dung các chơng 4, 5.8, 6.4 6.6,
7.7 7.8, 8.4 8.5, 9.5 9.8, chơng 10, 11, 12, 13 có thể đợc dùng. Có rất
nhiều loại khoá học cho bậc đại học và sau đai học có thể đợc dạy dựa trên
cuốn sách này.
Chúng tôi xin trân thành cảm ơn Jan Hausman và Jody Lester trờng đại
học Texas và Judy Polingyumtewa và Sharyl Hayes trờng đại học Arizona
Sate đã giúp soạn thảo cuốn sách này. Chúng tôi cũng biết ơn sự giúp đỡ từ
các phản biện của bản thảo: Nathan Buras đại học Arizona; Paul Chan viện
công nghệ New Jersey; Howard Chang đại học San Diego; Neil Grigg đại học
Colorado; Ben Hobbs đại học Case Western Reverve; kevin Lansey đại học
Arizona; Ben Chi Yen đại học Illinois; và nhiều các đồng nghiệp cũng nh
học viên tại trờng đại học Texas, đại học Wyoming, và đại học Arizona State.
Cuốn sách này đợc hy vọng nh một sự đóng góp cho một thực hành kỹ
thuật và quản lý tốt hơn trong lĩnh vực hệ thống nguồn nớc. Do cuốn sách
này nên rất nhiều cá hồi đã không bị bắt ở các con sông ồa hồ ở Wyoming và

Arizona. Chúng tôi dành cuốn sách này cho những thổ dân da đỏ, cho nhân
loại và cho sự thịnh vợng của loài ngời.