NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC BỂ THÁO NHỎ NHẤT HỢP LÝ CHO CÁC TRẠM BƠM TIÊU NƯỚC RA SÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

ĐỖ MINH THU

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC BỂ THÁO NHỎ NHẤT
HỢP LÝ CHO CÁC TRẠM BƠM TIÊU NƯỚC RA SÔNG
Chuyên ngành: Qui hoạch và Quản lý Tài nguyên nước
Mã số: 60 – 62 - 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
1.TS.NGUYỄN TUẤN ANH
2.PGS.TS.ĐINH VŨ THANH

Hà Nội – 2010



Phụ lục 2: Mẫu sắp xếp tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Quách Ngọc Ân (1992). "Nhìn lại hai năm phát triển lúa lai". Di truyền học ứng
dụng, 98(1), trang 10-16.
2. Bộ Nông nghiệp & PTNT (1996). Báo cáo tổng kết 5 năm (1992-1996) phát triển
lúa lai, Hà Nội.
3. Nguyễn Hữu Đống, Đào Thanh Bằng, Lâm Quang Dụ, Phan Đức Trực (1997).
Đột biến - Cơ sở lý luận và ứng dụng. Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.

4. Nguyễn Thị Gấm (1996). Phát hiện và đánh giá một số dòng bất dục đực cảm
ứng nhiệt độ. Luận văn thạc sĩ khoa học Nông nghiệp, Viện Khoa học kỹ thuật
Nông nghiệp Việt Nam, Hà Nội.
........
23. Võ Thị Kim Huệ (2000). Nghiên cứu chuẩn đoán và điều trị bệnh ...., Luận án
Tiến sĩ Y khoa, Trường Đại học Y Hà Nội, Hà Nội.
Tiếng Anh
28. Anderson J. E. (1985). The Relative Inefficiency of Quota, The Cheese Case.
American Economic Review, 75(1), pp. 178-90.
29. Borkakati R. P., Virmani S. S. (1997). Genetics of thermosensitive genic male
sterility in Rice. Euphytica 88, pp. 1-7.
30. Burton G. W. (1988). Cytoplasmic male-sterility in pearl millet (pennisetum
glaucum L.). Agronomic Journal 50, pp. 230-231.
32. Central Statistical Oraganisation (1995). Statistical Year Book, Beijing.
33. Institute of Economics (1988). Analysis of Expenditure Pattern of Urban
Households in Vietnam. Department of Economics, Economic Research
Report, Hà Nội.
.........


-1PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đối với các trạm bơm tiêu nước mưa ra sông mà mực nước sông dao
động lớn trong mùa mưa hoặc lũ ngoài sông không trùng tần suất xuất hiện
với mưa trong đồng thì nhiều khi mưa lớn trong khu tiêu nhưng mực nước
ngoài sông vẫn còn thấp.
Hiện nay, khi thiết kế các trạm bơm tiêu nước ra sông mà bể tháo bố trí
liền cống xả qua đê thì việc xác định cao trình đáy cống xả qua đê cũng như
min
việc xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất Zbt còn theo ý chủ quan của người

thiết kế vì đến nay vẫn chưa có một quy định hay hướng dẫn cụ thể nào về
min
vấn đề này. Nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê cao hay ( Zbt ) cao thì

nhiều khi nước bơm lên bể tháo cao, qua cống xả và chảy xuống qua bậc hay
dốc tiêu năng để nối tiếp với dòng chảy trong kênh tháo ngoài đê (khi mực
nước ngoài sông thấp), điều này cho thấy việc lãng phí năng lượng bơm.
min

Ngược lại, nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê hay ( Zbt ) thấp thì dẫn đến
cao trình đáy bể tháo thấp tức chiều cao bể tháo lớn và cống xả phải đặt sâu,
do đó sẽ làm tăng chi phí xây dựng. Vấn đề đặt ra là cần xác định một giá trị

Zmin
bt tối ưu để cho tổng chi phí xây dựng và quản lý là nhỏ nhất. Đề tài luận
văn thạc sĩ “Nghiên cứu xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất hợp lý cho
các trạm bơm tiêu nước ra sông” được thực hiện nhằm góp phần giải quyết
vấn đề trên.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu xây dựng một mô hình toán xác định mực nước bể tháo
min
nhỏ nhất Zbt tối ưu.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


-2min

- Ứng dụng mô hình để xác định Zbt cho một trạm bơm cụ thể (Trạm

bơm Đông Mỹ- Hà Nội).
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này học viên tập trung nghiên cứu các trạm bơm tiêu
nước mưa có bể xả liền cống xả qua đê hoặc đoạn kênh xả trong đê rất ngắn.
Mực nước sông (nơi nhận nước tiêu) dao động lớn.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Cách tiếp cận:
+ Tiếp cận một cách tổng thể đến chi tiết.
+ Tiếp cận kế thừa kết quả đã có.
- Luận văn này sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau:
+ Phương pháp phân tích hệ thống.
+ Phương pháp tối ưu hoá.
+ Phương pháp mô hình toán.
+ Phương pháp ứng dụng các lý thuyết về thủy lực, máy bơm, kinh tế
xây dựng...
5. Bố cục luận văn
Phần mở đầu.
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở khoa học để xây dựng mô hình.
Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán.
Chương 4: Ứng dụng mô hình đã thiết lập cho TB Đông Mỹ - Hà Nội.
Phần kết luận và kiến nghị.
Tài liệu tham khảo.
Phần phụ lục.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q

-3CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về phương pháp thiết kế bể tháo trạm bơm tiêu nước hiện
nay
1.1.1.Nhiệm vụ của bể tháo
Bể tháo là công trình quan trọng của trạm bơm. Ở trạm bơm tiêu, bể
tháo nối tiếp ống đẩy với chỗ chứa nước tiêu (sông) hoặc công trình chuyển
nước như dốc nước, bậc nước…dẫn đến chỗ chứa nước tiêu.
Bể tháo có những nhiệm vụ sau:
- Bảo đảm dòng chảy vào kênh hoặc nơi lấy nước thuận dòng, tổn thất ít;
- Phân phối và khống chế mực nước, bảo đảm yêu cầu cho các kênh tưới;
- Ngăn được dòng nước chảy ngược về ống đẩy khi đột nhiên dừng máy.
Muốn thực hiện các nhiệm vụ trên khi thiết kế bể tháo cần phải đảm
bảo các yêu cầu:
- Kết cấu bể tháo phải bền vững và ổn định.
- Kích thước và hình dạng bể tháo phải đảm bảo cho dòng chảy thuận lợi
về mặt thủy lực và hợp lý về mặt kinh tế.
- Tạo điều kiện thuận lợi cho quản lý, thi công và sửa chữa.
1.1.2.Phân loại bể tháo và điều kiện áp dụng
Dựa vào kinh nghiệm xây dựng, nghiên cứu cũng như quản lý các trạm
bơm người ta đã tổng kết và phân loại bể tháo như sau:
- Theo cách nối tiếp với kênh, bể tháo có loại thẳng dòng hay phân
dòng xem hình (1.1). Bể tháo thẳng dòng nối với kênh dẫn có trục của kênh
trùng với trục bể tháo. Bể tháo phân dòng nối tiếp với nhiều kênh dẫn nước,
thường gặp khi trạm bơm phụ trách nhiều khu tưới với nhau hay trạm bơm
tưới tiêu kết hợp.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q

-4-

Hình 1.1- Phân loại bể tháo theo điều kiện nối tiếp với kênh
- Theo vị trí và cách nối tiếp với nhà máy bơm có thể chia ra hai loại bể
tháo: bể tháo xây tách xa nhà máy và bể tháo xây liền (kết hợp) với nhà máy.
Loại bể tháo kết hợp được dùng với trạm có cột nước thấp , bơm trục đứng và
dao động mực nước nguồn thấp hơn miệng ra ống đẩy . Hình thức này phải
tính nền móng cẩn thận để bảo đảm lún đều và ổn định khi thi công xong và
chú ý đến chống thấm chỗ tiếp giáp giữa bể tháo với tường nhà máy.
- Theo phương pháp ngắt dòng chảy trở lại ống đẩy có các loại:
+ Bể tháo có nắp ống đẩy đóng mở tự động;
+ Bể tháo có nắp ống đẩy dạng xi phông;
Đối với các trạm bơm có ống đẩy đường kính dưới 0,6m nên dùng loại
nắp ống đẩy không có đối trọng, làm bằng kim loại hoặc gỗ tốt. Miệng ra ống
đẩy nên làm nghiêng một góc β=15 ÷20o so với đường thẳng đứng để nắp
P

P

đóng được kín miệng.
Khi đường kính ống đẩy từ 0,7÷1,2m để giảm lực va đập của nắp ống
đẩy, đồng thời để nắp nâng lên nhẹ nhàng cần bố trí đối trọng hoặc tốt hơn
nữa làm kiểu nắp hình cánh bướm có bản lề lệch tâm ở miệng ra.
Bể tháo dùng thiết bị ngăn nước bằng ống đẩy tiện lợi, đơn giản, làm
việc đảm bảo, nhưng nhược điểm duy nhất là tổn thất thủy lực ở miệng ra lớn.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q

-5Đối với những ống đẩy có đường kính lớn hơn 2m nên dùng loại van
phẳng kéo lên hạ xuống tự động bằng tời điện thay cho nắp ống đẩy.
1.1.3.Các điều kiện kỹ thuật khi thiết kế bể tháo
Kết cấu toàn bộ hay từng bộ phận riêng của bể tháo phải bền vững và
ổn định. Vì vậy với mỗi bộ phận phải tính toán tĩnh học theo các qui phạm kỹ
thuật đã ban hành.
Hình dạng mặt trong của bể phải đảm bảo điều kiện thủy lực cho dòng
chảy vào bể thuận lợi, không sinh ra xoáy, dâng, sóng phản hồi trong bể.
Phải kiểm tra chiều dài đường thấm và áp lực nước thấm từ bể tháo về
bể hút, cần đặt tầng lọc ngược để tránh xói ngầm đùn đất trên đường thấm.
Cần tính toán kiểm tra bể khi tháo cạn để sửa chữa lúc nước ở ngoài
kênh vẫn đầy, đồng thời phải kiểm tra từng khoang khi cần sửa chữa khoang
đó lúc trạm bơm làm việc.
Chiều dài gia cố bờ kênh phải đảm bảo không gây xói lở. Tất cả các
kích thước của bể tháo (chiều rộng, chiều dài, chiều sâu) phải được xác định
trên cơ sở tính toán thủy lực, khi cần phải thí nghiệm mô hình. Đồng thời phải
thỏa mãn các yêu cầu lắp ráp, sửa chữa thiết bị và quản lý được thuận lợi.
Bể tháo có 2 phần: Giếng tiêu năng sát miệng ra ống đẩy và đoạn
chuyển tiếp với kênh dẫn đảm bảo nước chảy vào kênh với tốc độ đều. Hình
dạng phần chuyển tiếp phụ thuộc vào bề rộng của bể và của kênh phần
chuyển tiếp.
Vị trí bể tháo nên đặt ở chỗ đất nguyên, thường chiều sâu bể tháo nửa
đào, nửa đắp, bể tháo sẽ được ổn định hơn cả. Ống đẩy nối với bể tháo phải
có mối nối chống lún và chống thấm, nếu dùng ống thép phải đặt khớp nối
chống co dãn vì nhiệt trước khi nối với bể tháo để tránh việc truyền lực vào
tường bể tháo do nhiệt độ thay đổi gây ra.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


-61.1.4. Tính toán thủy lực bể tháo thẳng dòng có thiết bị nắp ống đẩy
Nhiệm vụ tính toán thủy lực bể tháo là:
- Xác định độ sâu ngập của miệng ra ống đẩy dưới mực nư ớc thấp nhất
trong bể.
- Bảo đảm dòng chảy ra khỏi ống đẩy ở trạng thái ngập lặng.
- Xác định chiều dài giếng tiêu năng của bể tháo.
- Xác định hình dạng kích thước thềm ra từ giếng tiêu năng.
- Xác định chiều dài đoạn bảo vệ mái và đáy kênh tháo.
- Xác định các kích thước bể tháo hợp lý.

Hình 1.2- Bể tháo thẳng dòng có thiết bị nắp ống đẩy
Tính đường kính miệng ra ống đẩy để giảm tốc độ nước khi ra khỏi ống
đẩy, đường kính miệng ra ống đẩy lấy theo kinh nghiệm ở công thức (1.1)
D o = (1,1÷1,2)D (m)
R

R

(1.1)

D o –đường kính miệng ra, (m)
R

R

D – đường kính ống đẩy, (m)
Tính tốc độ nước chảy ra khỏi miệng ống đẩy theo lưu lượng ứng với

mực nước nhỏ nhất ở bể tháo, công thức (1.2).
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


-7V ra =
R

R

4.Q
π .D 02

(1.2)

(m/s)

Với Q: Lưu lượng tính toán của một máy bơm khi mực nước bể xả là

nhỏ nhất.
Độ ngập sâu nhỏ nhất của mép trên miệng ra ống đẩy để bảo đảm dòng
chảy ra ngập lặng được xác định theo công thức (1.3).
h ngmin = (3÷4).
R

R

Vra2
; với điều kiện h ngmin ≥ 0,1 (m)

2.g
R

(1.3)

R

Chiều sâu nhỏ nhất trong giếng tiêu năng của bể tháo công thức (1.4).
H gi.min = D 0 + h ng.min + p
R

R

R

R

R

(m)

R

(1.4)

Ở đây p là khoảng cách từ mép dưới miệng ra ống đẩy đến đáy bể tháo.
Tùy theo cấu tạo nắp ống đẩy của bể tháo khi có vật đệm chống rò thì lấy p=
0,2÷0,3m.
Chiều cao thềm ra của giếng tiêu năng được tính theo công thức (1.5):
h t = H gi.min − h kmin

R

R

R

R

R

R

(m)

R

R

(1.5)

h kmin – Chiều sâu nhỏ nhất trong kênh tháo trường hợp có kênh tháo
R

R

ngay sau bể tháo.
Độ sâu lớn nhất của giếng tiêu năng tính theo công thức (1.6):
H gi.max = h t + h k.max
R

R

R

R

R

R

(m)

R

R

h kmax – Chiều sâu lớn nhất trong kênh: h kmax = Z max
bt - Z đk
R

R

R

R

R

(1.6)

R

(1.7)

: mực nước bể xả lớn nhất.
Z max
bt
Độ ngập sâu lớn nhất của mép trên miệng ra ống xả ở công thức (1.8):
h ngmax = H gi.max – D o – p
R

R

R

R

R

(1.8)

R

Chiều cao dự trữ từ mực nước lớn nhất trong bể đến mép trên tường bể
tháo, nếu không có điều kiện gì đặc biệt thì lấy theo bảng (1.1)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q

-8Bảng 1.1.Xác định chiều cao dự trữ a
Lưu lượng của trạm Q (m3/s)
P

P

a (m)

1,0

1÷10

10 ÷ 30

>30

0,3

0,4

0,5

≥ 0,6

Chiều cao phía trong tường bể tháo là:
H b = H gimax + a
R

R

R

(1.9)

R

Chiều dài giếng tiêu năng tính theo công thức sau:
L gi = K.h ng.max
R

R

R

(1.10)

R

Với K là hệ số phụ thuộc vào dạng của thềm ra khỏi giếng tiêu năng ,
hình dạng tiết diện miệng ra ống đẩy , hình dạng và chiều cao của thềm , lấy
theo bảng (1.2).
Bảng 1.2. Xác định hệ số K
Hệ số K

KD

Thềm nghiêng
6,5
5,8
-

R

0,5
1
1,5
2
2,5

Thềm đứng
4
1,6
1
0,85
0,85

Các kết quả tra hệ số K ở trên và tính toán xác định chiều dài giếng tiêu
năng ứng với miệng ra hình tròn, khi miệng ra hình chữ nhật thì rút bớt 20%.
Chiều dài đoạn kênh tháo cần bảo vệ mái và đáy theo công thức (1.11).
L bv = (4÷5) h kmax
R

R

R

R

R

(m)

R

(1.11)

Chiều rộng phía trong bể tháo với đường kính ống đẩy bằng nhau là:
Bb= (n-1)B + D o + 2b
R

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

R

(m)

(1.12)

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


-9Trong đó : b - khoảng cách từ mép ống đẩy đến trụ pin, lấy như sau:
loại van tự đóng nhanh b = 0;
loại van nắp cánh bướm b = 0,5 m;
loại nắp ống đẩy có chốt bản lề phía trên b = 0,3 ÷0,4 m.
d - chiều dày trụ pin ở bể tháo lấy từ 0,6 ÷ 0,8 m;
n - số lượng đường ống đẩy nối với bể tháo.
Chiều dài đoạn thu hẹp là đoạn chuyển tiếp từ bể tháo vào kênh tháo,
có dạng hình thang, có đáy nhỏ là chiều rộng đáy kênh tháo, đáy lớn là chiều
rộng phía trong bể tháo, chiều dài của bể tháo (chiều cao của hình thang)

được xác định theo công thức (1.13):
L th =

Bbt - bkt
α
.cotg 1
2
2

(1.13)

Với: α1 : Góc thu hẹp từ bể tháo vào kênh tháo.
1.1.5. Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất
để tính toán cột nước bơm
Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất Z min
bt
nhỏ nhất và xác định cao trình đáy bể tháo theo công thức (1.14).
- h ngmin - D o – p
Z đáy bể tháo = Z min
bt
R

R

R

R

R

R

(1.14)

Cách xác định Z min
bt
a).Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê
Một số trạm bơm áp dụng phương án này như: Trạm bơm Hữu Bị
II(Nam Hà) xem hình (1.3), Trạm bơm Vân Đình (Hà Nội), Trạm bơm Hạ
Dục (Hà Nội).

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 10 -

Hình 1.3. Trạm bơm Hữu Bị II (Nam Hà)

Hình 1.4. Trạm bơm Đông Mỹ (Thanh Trì -Hà Nội)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 11 -

Hkmin

Hc

Mô tả hình thức bể tháo cách xa cống xả qua đê xem hình vẽ (1.5)

Hình 1.5- Sơ đồ bể tháo cách xa cống xả qua đê
Để xác định cao trình đáy kênh ta dựa vào công thức (1.15)
Z đk = ZTK
bt - h TK
R

R

R

(1.15)

R

Trong đó:
Z

TK
bt

Mực nước bể tháo thiết kế: Z

TK
bt

10%
Z 5ngaymax

=

+ h tt
R

R

(1.16)

Với :
+

10%
Z 5ngaymax

: Mực nước sông bình quân 5 ngày max ứng với tần

suất thiết kế p= 10%
+ h tt : Tổn thất cột nước qua cống xả
R

R

Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê thì:
Z min
bt = Z đk + h K.min
R

R

R

(1.17)

R

b).Trường hợp bể tháo xây liền cống xả qua đê.
Phương án này được một số trạm bơm sử dụng như: Trạm bơm Đông Mỹ
Thanh Trì -Hà Nội xem hình (1.4), Trạm bơm Thạc Quả (Đông Anh - Hà
Nội)…
Mô tả hình thức bể tháo cách xa cống xả qua đê bởi hình vẽ (1.6)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


Hcmin

Hc

- 12 -

Hình 1.6. Sơ đồ bể tháo xây liền cống xả qua đê
Trường hợp bể tháo xây liền cống xả thì:

Z min
bt = Z đc + H cmin

R

R

R

(1.18)

R

Trong đó:
Z đc : Cao trình đáy cống xả
R

R

H cmin : Cột nước trước cống nhỏ nhất ứng với lưu lượng nhỏ nhất Q min
R

R

R

Khi thiết kế các trạm bơm tiêu nước ra sông mà bể tháo bố trí liền cống
xả qua đê thì việc xác định cao trình đáy cống xả qua đê cũng như xác định
min
mực nước bể tháo nhỏ nhất Zbt còn theo ý chủ quan của người thiết kế vì

đến nay vẫn chưa có một quy định hay hướng dẫn cụ thể nào về vấn đề này.
min

Nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê cao hay ( Zbt ) cao xem hình
(1.7) thì nhiều khi nước bơm lên bể tháo cao, qua cống xả và chảy tự do qua
bậc nước hay dốc tiêu năng để nối tiếp với dòng chảy trong kênh tháo ngoài
đê (khi mực nước ngoài sông thấp), điều này cho thấy việc lãng phí năng
lượng bơm.
min

Ngược lại, nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê hay ( Zbt ) thấp xem
hình (1.8) thì dẫn đến cao trình đáy bể tháo thấp tức chiều cao bể tháo lớn và
cống xả phải đặt sâu, do đó sẽ làm tăng chi phí xây dựng bể xả và cống xả.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


δ

- 13 -

Hình 1.7. Sơ đồ cao trình đáy cống xả qua đê cao

Hình 1.8.Sơ đồ cao trình đáy cống xả qua đê thấp
min
Vấn đề đặt ra là cần xác định một giá trị Zbt tối ưu để cho tổng chi phí

xây dựng và quản lý là nhỏ nhất.
1.2. Tổng quan việc ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vào bài toán thiết kế
các công trình thủy lợi
Trong những năm gần đây, lý thuyết phân tích hệ thống và lý thuyết tối

ưu hoá đã được áp dụng nhiều trong các bài toán về quy hoạch, thiết kế, quản
lý, vận hành tối ưu các hệ thống nói chung và hệ thống thuỷ lợi nói riêng.
Trong đó, bài toán thiết kế tối ưu các công trình trong hệ thống tưới, tiêu, cấp,
thoát nước đã được một số tác giả trong nước nghiên cứu, điển hình như:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 14 Đề tài “ Hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm cho các vùng trồng
lúa đồng bằng Bắc Bộ - Việt Nam” (1997) của TS. Dương Thanh Lượng.
Tác giả đã áp dụng phương pháp mô hình mô phỏng và phương pháp tối ưu
hoá cho bài toán thiết kế hệ thống tiêu bằng trạm bơm vùng trồng lúa với chỉ
tiêu tối ưu là chỉ số NPV (Giá trị thu nhập ròng quy về thời điểm hiện tại).
Gía trị hệ số tiêu thiết kế nào tương ứng với giá trị NPV max thì đó là giá trị
hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm.
Đề tài “Xác định mức nước sông thiết kế hợp lý để xây dựng trạm
bơm tưới tiêu nước” (1993) của TS Bùi Văn Hức. Tác giả đã đưa ra phương
pháp nghiên cứu về hiện tượng và bản chất vật lý của các quá trình lưu lượng
bơm nước và quá trình mực nước sông, nghiên cứu về sự tương tác 2 quá
trình ấy và đưa ra các tham số đặc trưng cho sự tương tác đó. Từ đó tác giả
thiết lập quan hệ hàm số giữa năng lượng bơm nước với mức nước sông thiết
kế thông qua đặc tính của các máy bơm và hình thức công trình của từng trạm
bơm tưới và tiêu nước.
Đề tài “Phân vùng tưới tối ưu hệ thống thuỷ nông Văn Giang”
(2001) của Th.S Phạm Thị Hoài. Bằng phương pháp mô hình, mô phỏng và
tối ưu hoá, tác giả đã nghiên cứu bài toán phân vùng tối ưu hệ thống thuỷ
nông Văn Giang với chỉ tiêu tối ưu NPV → max hoặc C bđ + C ql → min, tác
R

R

R

R

giả đã đưa ra nhiều phương án khác nhau về biên giới bơm tưới giữa trạm
bơm Văn Giang đã được xây dựng và trạm bơm mới cần được xây dựng, ứng
với từng phương án tính được: chi phí xây dựng ban đầu, chi phí quản lý hàng
năm và hiệu ích đem lại của công trình, từ đó tính được giá trị NPV, phương
án về biên giới bơm tưới nào cho giá trị NPV max thì đó là phương án tối ưu
nhất.
Đề tài “Nghiên cứu xác định quy mô đường ống tối ưu cho hệ thống
tưới Trung tâm nghiên cứu và sản xuất giống ngô Sông Bôi – Hoà Bình”
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 15 (2002) của Th.S Đỗ Hồng Quân. Bằng phương pháp tối ưu hoá, tác giả đã tìm
ra phương án đường kính ống tối ưu cho hệ thống tương ứng với chỉ tiêu tối
ưu: IRRmax.
Đề tài “Nghiên cứu xác định phương án bố trí và quy mô hợp lý của
trạm bơm tưới vùng cao” (2003) của Th.S Nguyễn Tuấn Anh. Sử dụng
phương pháp mô hình, mô phỏng và tối ưu hoá, tác giả đã thiết lập được bài
toán tìm phương án thiết kế tối ưu trạm bơm tưới vùng cao qua chỉ tiêu tối ưu
là tổng chi phí quy về năm đầu nhỏ nhất.
Đề tài “Nghiên cứu xác định đường kính ống tối ưu trong hệ thống
cấp nước bằng bơm” (2010) của Th.S Đỗ Chí Công. Tác giả sử dụng phương

pháp tối ưu hoá sẽ được áp dụng để xây dựng bài toán xác định đường kính
tối ưu trong hệ thống cấp nước bằng bơm.
Trong luận văn này, phương pháp tối ưu hoá sẽ được áp dụng để xây
dựng bài toán xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất hợp lý cho các trạm bơm
tiêu nước ra sông.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 16 CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
2.1. Lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống
tưới tiêu bằng động lực
2.1.1. Mở đầu
Phương pháp phân tích hệ thống được áp dụng vào công trình thủy lợi
từ năm 1950, đầu tiên là vấn đề quản lý và phân phối nguồn nước. Đặc biệt từ
thập kỷ 70 khi có sự phát triển rộng rãi của máy vi tính, phương pháp phân
tích hệ thống được sử dụng rộng rãi trong qui hoạch thiết kế và tự động hóa
trong quản lý các hệ thống tưới tiêu.
Ở nước ta, nhiều công trình trạm bơm được xây dựng và trong những
năm tới nhiều dự án về tiêu nước cho đô thị, tiêu nước cho nông nghiệp sẽ
được thực thi. Việc áp dụng phương pháp hệ thống cho phép tối ưu trong việc
quy hoạch sử dụng nguồn nước trong thiết kế và quản lý các hệ thống tiêu
nước chính là các bài toán hay đặt ra cho người nghiên cứu khoa học.
2.1.2.Hệ thống và các đặc trưng của hệ thống
2.1.2.1.Định nghĩa
Hệ thống là một tập hợp các phần tử được sắp xếp theo một trình tự nào
đó, có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thành một tập hợp đầy đủ.

Khái niệm về tập hợp đầy đủ được hiểu theo hai nghĩa sau đây:
Một là, khi nghiên cứu một hệ thống, các phần tử của nó được xem xét
trong mối quan hệ tương tác với các phần tử khác trong hệ thống và quan hệ
của nó với môi trường mà nó hoạt động.
Hai là, các tính chất của tổng thể không trùng với các tính chất của cá
thể. Điều đó có nghĩa là không thể suy từ tổng thể ra các tính chất của cá thể
và ngược lại.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 17 Như vậy không nên quan niệm một hệ thống lớn là phép cộng đơn giản
của các hệ thống con với nhau. Vì các hệ thống con khi kết hợp với nhau tạo
thành hệ thống lớn sẽ phát sinh tính chất mới mà từng hệ thống con không có.
Xem xét những kết hợp đó sẽ phát hiện những tính “trồi” có lợi hay có hại khi
khai thác hệ thống. Do đó phát hiện tính trồi của hệ thống là cần thiết quyết
định những tác động hiệu quả nhất trong thiết kế và điều khiển hệ thống.
Lấy ví dụ đơn giản, khi thiết kế hệ thống tiêu úng tự chảy, khả năng
tiêu tự chảy của hệ thống phụ thuộc vào khả năng gặp gỡ của vô số các tổ hợp
giữa mưa và mực nước ngoài sông. Nếu ta chọn mô hình trạng thái mà mưa
trong đồng và mực nước ngoài sông có cùng tần suất thiết kế, khi đó tần suất
thiết kế đảm bảo tiêu sẽ nhỏ hơn nhiều so với tiêu chuẩn thiết kế. Thông số
công tác của trạm bơm tiêu có thể thiên lớn, trong quản lý sau này xảy ra tình
trạng là thời gian sử dụng công suất của trạm bơm rất nhỏ, gây lãng phí. Vì
vậy nếu xem xét mối quan hệ tương tác giữa mưa đồng và mực nước sông, thì
các thông số công tác của trạm bơm sẽ khác hẳn và hợp lý hơn.
Nói tóm lại, cần phải có quan điểm hệ thống trong phân tích và nghiên
cứu các hệ thống phức tạp. Sự phân tích hệ thống trong mối quan hệ tương tác

giữa các thành phần cấu thành hệ thống.
2.1.2.2.Các đặc trưng của hệ thống
Cấu trúc hệ thống: Là sự sắp xếp của các phần tử trong hệ thống theo
một trật tự nào đó cùng với các tác động tương tác giữa chúng. Cấu trúc hệ
thống được mô tả tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu của hệ thống. Một hệ
thống thực, nhưng mục đích nghiên cứu khác nhau sẽ có sự mô tả cấu trúc
khác nhau.
Thông tin vào ra của hệ thống: Là tập hợp tất cả các tác động vào hệ
thống để nhận được các thông tin ra của hệ thống. Thông tin ra của hệ thống

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 18 là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiên cứu quan tâm khi có tác
động tương ứng ở đầu vào. Như vậy lựa chọn thông tin vào ra cũng phụ thuộc
vào mục tiêu nghiên cứu. Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại
lượng nào đó có thể coi là các biến và gọi là biến vào và ra. Các biến vào của
hệ thống bao gồm cả biến điều khiển được và biến không điều khiển được. Ví
dụ khi vận hành trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi là các biến vào không
điều khiển được, lưu lượng bơm qua trạm bơm tiêu là các biến vào điều khiển
được. Biến ra của hệ thống có thể là quá trình năng lượng tiêu hao cho trạm
bơm tiêu là hàm của các biến vào, cũng có thể là sự biến đổi mực nước trong
khu tiêu.
Trạng thái của hệ thống và biến của trạng thái: Là một đặc trưng quan
trọng của bài toán điều khiển hệ thống. Với các tác động từ bên ngoài hệ
thống sẽ chuyển động theo một quĩ đạo biến đổi theo thời gian. Quĩ đạo
chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ phụ thuộc vào trạng thái của
nó ở thời điểm trước đó và những tác động bên ngoài ở chính thời điểm đó.

Hệ thống mà trạng thái của nó còn phụ thuộc vào thời điểm trước nó gọi là hệ
thống có nhớ. Đối với hệ thống có nhớ người ta đưa vào một loại biến đặc
trưng gọi là biến trạng thái, biến này là một hàm của thời gian.
2.1.2.3. Phân loại hệ thống
Phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống, mục đích nghiên cứu mà có cách
phân loại khác nhau. Dưới đây là một số loại hệ thống đặc trưng.
Hệ thống với mô hình vào – ra (hộp đen). Loại này không cho biết cấu
trúc bên trong của hệ thống mà chỉ cho biết quan hệ tương tác giữa biến vào
và biến ra.
Hệ thống có mô tả cấu trúc bên trong (hộp trắng). Hệ thống này có
thêm biến trạng thái giúp người nghiên cứu định hướng được các tác động
vào hệ thống để đạt được mục tiêu mong muốn.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 19 Hệ tĩnh và hệ động: hệ tĩnh là hệ mà các không gian biến không phải là
hàm của thời gian; Hệ động là hệ có chứa biến trạng thái và các biến vào và ra
đều là hàm của thời gian.
Hệ có điều khiển và hệ không có điều khiển: hệ thống không có điều
khiển là hệ mà các thông tin vào không chứa các biến điều khiển, ngược lại là
hệ có điều khiển.
Hệ tất định và hệ ngẫu nhiên: hệ tất định là hệ mà các biến vào, biến ra,
các ràng buộc và các mối quan hệ giữa các phần tử trong hệ thống là các hàm
tất định. Khi một trong những biến trên là ngẫu nhiên ta có hệ ngẫu nhiên.
Hệ thống trong đó bao gồm các hệ thống con. Một hệ thống có thể phân
thành hệ thống con. Sự phân chia hệ thống lớn thành hệ con tuỳ thuộc vào
kích cỡ đặc thù của hệ thống và các phương pháp phân tích được áp dụng với
hệ thống đó. Hệ thống công trình tiêu động lực phân thành các loại sau đây:

+ Hệ thống đơn: Bao gồm một công trình đầu mối trạm bơm tiêu và
một mạng kênh hoặc đường ống dẫn nước.
+ Hệ thống phức tạp: Bao gồm nhiều công trình đầu mối trạm bơm hoạt
động trên một hệ thống mạng dẫn. Ví dụ hệ thống tiêu Bắc Nam Hà.
+ Hệ thống hỗn hợp. Công trình đầu mối bao gồm các trạm bơm, cống,
hồ chứa…hoạt động trên cùng một mạng dẫn.
+ Hệ thống nhiều cấp: Hệ thống trạm bơm tiêu nhiều cấp trạm bơm như
hệ thống tiêu Bắc Đuống…
Với các hệ thống tiêu bằng động lực thì các đại lượng tối ưu sẽ là:
Qui mô công trình tối ưu như kích thước kênh mương, ống dẫn, qui mô
nhà trạm tối ưu.
Năng lượng tiêu hao bé nhất, hiệu suất máy bơm cao nhất.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 20 Các đại lượng trên sẽ là mục tiêu của bài toán. Các mục tiêu này sẽ đạt
được như thế nào phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng.
Một hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Để lập nên mô hình
toán học nhất thiết phải nhất thiết phải tìm được những yếu tố chủ yếu quyết
định bản chất của hiện tượng và các yếu tố thứ yếu từ đó tiến hành việc đơn
giản hóa hệ thống. Để đơn giản hóa hệ thống có thể lược bỏ hoặc hợp nhất
một số yếu tố thứ yếu nhưng nhất thiết phải tìm được những yếu tố chủ yếu
quyết định bản chất của hiện tượng.
2.1.2.4. Các bài toán cơ bản về hệ thống và các chỉ tiêu đánh giá
- Các bài toán cơ bản về hệ thống
+ Thiết kế hệ thống theo hệ thống chỉ tiêu nào đó: chỉ tiêu kỹ thuật,
kinh tế.

+ Điều khiển hệ thống để đạt được yêu cầu khai thác đã xác định.
+ Phát triển hệ thống, là chiến lược phát triển hệ thống trong tương lai.
Bài toán phát triển hệ thống là bài toán bắt buộc phải giải quyết việc hình
thành hệ thống trong tương lai kéo dài trong nhiều năm.
- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được lượng hoá theo dạng khác nhau, có
thể khái quát một số dạng cơ bản như sau:
+ Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả bằng một hoặc một số hữu hạn
các đẳng thức hoặc bất đẳng thức. Các biểu thức đó được viết đối với hàm ra
của hệ thống Y(t). Dạng tổng quát của loại hệ thống chỉ tiêu:
Fj(Y) ≤ bj với j=1, m.

(2.1)

Trong đó F là hàm biểu diễn qua hàm ra của hệ thống với m là số chỉ
tiêu trong hệ thống chỉ tiêu đánh giá.
+ Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn các hàm số
mà nó cần được đưa về cực trị, có dạng (2.2):
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 21 Fj(Y) → max(min) với j = 1, hoặc với j = 1,m.

(2.2)

Các hàm Fj(Y) trong trường hợp này được gọi là hàm mục tiêu.
Hệ thống chỉ tiêu đánh giá có dạng hỗn hợp, tức là một số chỉ tiêu đánh
giá được mô tả bằng hàm mục tiêu trên, số còn lại đươc mô tả như một ràng
buộc của hệ thống về mục tiêu, có dạng sau:

Fj(Y) → max(min)
Fj(Y) ≤ Sj với j= 1,m

(2.3)

2.1.2.5.Hệ thống phương pháp luận trong phân tích hệ thống
Mục đích phân tích hệ thống là xác định lời giải tối ưu hoặc hợp lý khi
thiết kế và điều khiển hệ thống. Phân tích hệ thống bao gồm hệ thống các
quan điểm, các nguyên lý, kỹ thuật phân tích hệ thống. Kỹ thuật phân tích hệ
thống bao gồm phương pháp hình thức và phương pháp đa hình thức cụ thể
như sau:
Phương pháp tối ưu hoá: phương pháp này kết hợp với phương pháp
mô phỏng được sử dụng song song trong quá trình tìm lời giải tối ưu khi thiết
kế và điều khiển hệ thống. Phương pháp tối ưu là phương pháp cho lời giải tối
ưu, còn phương pháp mô phỏng cho lời giải gần tối ưu. Phương pháp tối ưu
hoá là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiêu khai thác hệ
thống bằng cách lượng hoá chúng thành các hàm mục tiêu.
Do hạn chế của phương pháp tối ưu như chỉ tìm được nghiệm tối ưu
cục bộ do hạn chế của phương pháp toán học v.v nên có thể bỏ sót các
phương án tốt hơn vì vậy người ta sử dụng phương pháp mô phỏng phân tích
lựa chọn bài toán.
Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng dụng mô hình mô
phỏng để phân tích hiệu quả của từng phương án qui hoạch từ đó tìm phương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q


- 22 án có lợi nhất. Ưu điểm của phương pháp này là tìm các giá trị tốt nhất chấp

nhận được đối với hàm mục tiêu.
Hệ thống các quan điểm và nguyên lý tiếp cận hệ thống bao gồm:
+ Hệ thống các quan điểm: Khi nghiên cứu một hệ thống cần xem xét
các qui luật của hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa các thành phần
cấu thành hệ thống và quan hệ của hệ thống với môi trường tác động lên nó.
+ Nguyên lý tiếp cận hệ thống: Đối với những hệ thống phức tạp do có
sự tồn tại các yếu tố bất định trong hệ thống, người nghiên cứu không thể
ngay một lúc phát hiện những tính chất của hệ thống, cũng không thể dự báo
ngay được xu thế phát triển của hệ thống. Do đó, các mục tiêu khai thác hệ
thống cũng chỉ hình thành rõ nét sau khi thử phản ứng của hệ thống bằng các
kỹ thuật phân tích hợp lý được mô tả hình (2.1):

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đỗ Minh Thu –CH 16Q