(Luận văn thạc sĩ file word) Nghiên cứu xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả trạm bơm tiêu nước ra sông Đuống Nghiên cứu điển hình cho trạm bơm Phù Đổng Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên. Các
kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu
(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn
Chữ ký

Trịnh Thị Hương

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cơ,
bạn bè và đồng nghiệp. Luận văn Thạc sỹ chuyên ngành Quy hoạch và quản lý tài
nguyên nước với đề tài “Nghiên cứu xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả trạm
bơm tiêu nước ra sông Đuống: Nghiên cứu điển hình cho trạm bơm Phù Đổng – Hà
Nội” đã được hoàn thành.
Để hoàn thành được luận văn này tác giả đã nhận được rất nhiều sự động viên,
giúp đỡ của bạn bè, thầy cô và cơ quan nơi công tác.
Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Tuấn
Anh đã hướng dẫn tận tình tác giả thực hiện nghiên cứu của mình.
Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, người đã
đem lại cho tác giả những kiến trúc bổ trợ vơ cùng có ích trong những năm học vừa
qua.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã cố gắng và nỗ lực đểhoàn thành
luận văn một cách tốt nhất nhưng do những hạn chế về kiến thức, thời gian, kinh
nghiệm và tài liệu tham khảo nên luận văn cịn nhiều thiếu sót. Tác gỉa rất mong nhận
được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô và đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn !

Hà Nội, ngày

tháng 04 năm 2017

Tác giả luận văn

Trịnh Thị Hương


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................ 1
2. Mục đích của đề tài............................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 2
5. Bố cục luận văn..................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về phương pháp xác định cao trình đáy cống xả và mực nước bể tháo nhỏ
nhất 3
1.1.1. Nhiệm vụ của cống xả.................................................................................. 3
1.1.2. Phân loại cống xả......................................................................................... 3
1.1.3. Các điều kiện kỹ thuật khi thiết kế cống xả.................................................. 4
1.1.4. Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả............................................... 4
1.1.5. Xác định các thông số thiết kế của bể tháo................................................... 5
1.1.6. Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất........................................................... 8
1.2. Tổng quan việc ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vào bài tốn thiết kế các cơng trình
thủy lợi.................................................................................................................... 10
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN CAO TRÌNH ĐÁY CỐNG XẢ
HỢP LÝ...................................................................................................................................12

2.1. Lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng
động lực................................................................................................................... 12
2.1.1. Mở đầu....................................................................................................... 12
2.1.2. Hệ thống và các đặc trưng của hệ thống..................................................... 13
a.
b.
c.
d.
e.

Định nghĩa..............................................................................................................13
Các đặc trưng của hệ thống....................................................................................13
Phân loại hệ thống..................................................................................................14
Các bài toán cơ bản về hệ thống và hệ thống chỉ tiêu đánh giá.............................16
Hệ thống phương pháp luận trong phân tích hệ thống...........................................17

2.2. Lý thuyết tối ưu hoá ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực.
20
2.2.1. Phân loại tổng qt các mơ hình tối ưu...................................................... 20
a.
b.
c.

Bài tốn quy hoạch tuyến tính...............................................................................20
Bài tốn quy hoạch phi tuyến................................................................................21
Bài tốn cực trị phiếm hàm....................................................................................21

2.2.2.

Thiết lập mơ hình tính tốn trong phân tích hệ thống cơng trình thuỷ lợi. .21

a.
b.
c.

Mơ hình hố hệ thống............................................................................................21
Hàm số mục tiêu....................................................................................................22
Điều kiện ràng buộc...............................................................................................22

2.3. Xây dựng mơ hình tính tốn.................................................................................... 23
2.4. Phương pháp giải bài toán....................................................................................... 23


2.5. Hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc............................................................. 24
2.5.1. Các chỉ tiêu tối ưu.............................................................................. 24
a.
b.
c.

Chỉ tiêu tối ưu về giá trị thu nhập dòng quy về thời điểm hiện tại NPVmax...........24
Chỉ tiêu tối ưu về hệ số nội hoàn kinh tế: IRRmax................................................24
Chỉ tiêu tối ưu về tổng chi phí và vốn đầu tư quy về năm đầu Cmin.......................25

2.5.2. Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu - hàm mục tiêu............................................ 25
2.5.3. Điều kiện ràng buộc........................................................................... 26
2.6. Xác định các thành phần trong hàm mục tiêu................................................. 26
2.6.1. Xác định chi phí xây dựng CXD.......................................................... 26
2.6.2. Xác định chi phí quản lý hàng năm bình qn................................... 26
a.
b.

c.
d.

Xác định chi phí điện trong 1 nm.........................................................................27
Xỏc nh chi phớ lng...........................................................................................28
Xác định chi phí sửa chữa thêng xuyªn: CSC............................................................................................. 28
Xác định chi phí khác Ckhác.....................................................................................29

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH
ĐÁY CỐNG XẢ QUA ĐÊ CHO TRẠM BƠM PHÙ ĐỔNG – GIA LÂM – HÀ NỘI
.......................................................................................................................................
30
3.1. Mô tả hệ thống tiêu và trạm bơm tiêu.............................................................30
3.1.1.
Điều kiện tự nhiên của hệ thống........................................................30
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
i.

Vị trí địa lý, diện tích.............................................................................................30
Đặc điểm địa hình..................................................................................................30
Đất đai thổ nhưỡng................................................................................................30
Điều kiện khí tượng...............................................................................................30
Điều kiện thủy văn, sơng ngịi...............................................................................31

Địa chất, địa chất thủy văn....................................................................................32
Nguồn năng lượng.................................................................................................35
Nguồn vật liệu xây dựng........................................................................................35
Tình hình giao thơng..............................................................................................36
3.1.2.

a.
b.
c.

Xã Phù Đổng..........................................................................................................36
Xã Trung Mầu........................................................................................................37
Xã Ninh Hiệp.........................................................................................................38
3.1.3.

a.
b.
c.
d.

Tình hình dân sinh, kinh tế................................................................36

Hiện trạng thủy lợi của khu vực.........................................................38

Nhà quản lý............................................................................................................39
Các hạ tầng khác...................................................................................................40
Cống xả qua đê......................................................................................................40
Hệ thống kênh và cơng trình trên kênh..................................................................40

Biện pháp thủy lợi...................................................................................................41

3.2. Xác định các thông số thiết kế cơ bản của trạm bơm Phù Đổng.....................42
3.2.1.
3.2.2.

Xác định mực nước bể tháo thiết kế và kiểm tra..........................................42
...........................
Xác định các mực nước đặc trưng tại bể hút ZTK , Zmax , Zmin
46

3.2.3.

Xác định các cột nước của trạm bơm...........................................................47

bh

bh

bh


Chọn máy bơm...........................................................................................47
3.2.5.
Kích thước cơ bản của trạm bơm...............................................................48
3.3. Thiết kế bể tháo và cống xả qua đê.........................................................................49
3.3.1.
Xác định kích thước bể tháo.......................................................................49
3.3.2.
Thiết kế cống xả.........................................................................................49
3.2.4.

a.
b.
c.

Xác định các kích thước cơ bản của cống..............................................................49
Tính tốn thủy lực cống.........................................................................................50
Xác định các phương án về cao trình đáy cống.....................................................51

3.4. Xác định chi phí xây dựng cơng trình.....................................................................53
3.4.1.
Chi phí xây dựng nhà trạm, kênh dẫn, kênh tháo.......................................53
3.4.2.
Chi phí xây dựng bể tháo và cống xả..........................................................53
3.5. Xác định chi phí quản lý hàng năm bình qn........................................................55
3.5.1.
Xác định chi phí điện năng của trạm bơm..................................................55
a.
b.

Xác định nhu cầu tiêu nước...................................................................................55
Xác định chi phí điện năng....................................................................................57

Xác định chi phí lương...............................................................................67
3.5.3.
Xác định chi phí sửa chữa thường xun, chi phí khác..............................67
3.5.4.
Chi phí quản lý bình qn hàng năm..........................................................67
3.6. Kết quả tính của các phương án............................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................73
3.5.2.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1- Sơ đồ cống xả qua đê xây liền bể tháo.........................................................3
Hình 1.2 - Sơ đồ cống xả qua đê cách xa bể tháo........................................................4
Hình 1.4. Sơ đồ cao trình đáy cống xả qua đê cao.........................................................9
Hình 1.5. Sơ đồ cao trình đáy cống xả qua đê thấp......................................................10
Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý tiếp cận hệ thống................................................................19
Hình 2.2. Sơ đồ trạm bơm tiêu....................................................................................23
Hình 2.3.Sơ đồ lựa chọn phương pháp tối ưu..............................................................24
Hình 3.1. Đường tần suất mực nước sơng Đuống 5 ngày max trạm Thượng Cát........44
Hình 3.2. Đường tần suất mực nước sơng Đuống 1 ngày max trạm Thượng Cát........45
Hình 3.3. Đường đặc tính của máy bơm AFLX 1203 50 Hz.......................................48
Hình 3.4: Kích thước cơ bản của bể tháo.....................................................................49
Hình 3.5.Sơ đồ chọn phương
Zmin
tối ưu.................................................................68
bt
án
Hình 3.6. Biểu đồ quan hệ chi phí quản lý và cao trình đáy cống................................69
Hình 3.7. Biểu đồ quan hệ chi phí xây dựng và cao trình đáy cống.............................69
Hình 3.8. Biểu đồ quan hệ tổng chi phí và cao trình đáy cống...................................69

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.Xác định chiều cao dự trữ a............................................................................7
Bảng 1.2. Xác định hệ số K...........................................................................................7
Bảng 3.1. Số liệu mực nước sông Đuống, trạm Thượng Cát ...........................................

Bảng 3.2. Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 2..............................................32
Bảng 3.3. Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 3..............................................33
Bảng 3.4. Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 4..............................................34
Bảng 3.5. Giá trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của lớp 5..............................................35
Bảng 3.6. Bảng thống kê mực nước Z1 ngày max, Zbq 5 ngày max, Z1 ngày min.....42
Bảng 3.7. Tính mực nước bể hút thiết kế.....................................................................46
Bảng 3.8. Kích thước cống xả.....................................................................................51
Bảng 3.9: Tính tốn thủy lực cống xả..........................................................................51
Bảng 3.10. Các phương án
về

Zđc và

Zmin ,
bt

Z

btđáy...................................................................... 52

Bảng 3.11: Chi phí xây dựng cống xả và bể xả............................................................54
Bảng 3.12. Kết quả tính tốn chi phí xây dựng............................................................54
Bảng 3.13.Diện tích các vùng đặc trưng do trạm bơm quản lý....................................55
Bảng 3.14a: Điện năng tiêu thụ PA1÷PA5...................................................................59
Bảng 3.14b: Điện năng tiêu thụ PA6÷PA10.................................................................60
Bảng 3.14c: Điện năng tiêu thụ PA11÷PA15...............................................................61
Bảng 3.14d: Điện năng tiêu thụ PA16÷PA20...............................................................62
Bảng 3.15a. Chi phí điện năng PA1÷PA5....................................................................63
Bảng 3.15b. Chi phí điện năng PA6÷PA10..................................................................64
Bảng 3.15c. Chi phí điện năng PA11÷PA15................................................................65

Bảng 3.15d. Chi phí điện năng PA16÷PA20................................................................66
Bảng 3.16. Bảng tổng hợp kết quả chi phí tổng của 20 phương án..............................67


DANH MỤC PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Chi phí xây dựng cống xả và bể xả của từng PA..................................... 75
Phụ lục 2: Chi phí quản lý bình qn của từng phương án........................................116


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trạm bơm Phù Đổng nằm trên địa phận xã Phù Đổng thuộc huyện Gia Lâm,
phụ trách tiêu úng cho các xã: Trung Màu, Ninh Hiệp và Phù Đổng. Tổng diện tích
tiêu cho tồn lưu vực là 690ha (bao gồm đất nơng nghiệp và dân cư). Trạm bơm Phù
Đổng và các cơng trình nối tiếp được xây dựng năm 1974. Hiện nay, trạm bơm Phù
Đổng và các cơng trình nối tiếp đã xuống cấp toàn bộ và đã được thành phố Hà Nội
cho đầu tư xây dựng trạm bơm gồm 4 máy loại AFLX 1203 50Hz, một số cơng trình
nối tiếp và nâng cấp cống xả qua đê, để đảm bảo tiêu nước cho khu vực.
Trước đây, trạm bơm Phù Đổng và các trạm bơm tiêu tiêu nước ra sơng mà bố
trí bể tháo liền với cống xả qua đê thì việc xác định Z đc còn theo ý kiến chủ quan của
người thiết kế. Vì đến này chưa có quy chuẩn, tiêu chuẩn, hay hướng dẫn cụ thể nào
nói về vấn đề. Nếu chọn cao trình đáy cống xả qua đê cao thì khi bơm nước lên bể
tháo cao, qua cống xả và chảy xuống qua dốc tiêu năng để nối tiếp với dịng chảy
trong kênh tháo ngồi đê (khi mực nước ngồi sơng thấp), điều này cho thấy lãng phí
năng lượng bơm. Nếu chọn cao trình đáy cống xả thấp thì dẫn đến cao trình đáy bể
tháo thấp tức chiều cao bể tháo lớn, cống xả phải đặt sâu, do đó sẽ làm tăng chi phí
xây dựng. Vì vậy, vấn đề được đặt ra là cần xác định cao trình hợp lý của đáy cống xả
qua đê để đảm bảo hiệu quả kinh tế.
Vì vậy cần thiết có một nghiên cứu để xác định cao trình hợp lý của đáy cống
xả qua đê của các trạm bơm tiêu nước ra sông Đuống – phạm vi Hà Nội.

Đã có một số các nghiên cứu về xác định mực nước bể tháo và cao trình đáy
cống xả qua đê như:
- Đề tài nghiên cứu của TS Bùi Văn Hức “Xác định mực nước sông thiết kế hợp lý
để xây dựng trạm bơm tưới tiêu nước” – vùng sông Hồng.
- Luận văn thạc sĩ Đỗ Minh Thu “Nghiên cứu xác định cao trình đáy cống xả của
trạm bơm tiêu” – áp dụng cho trạm bơm Đông Mỹ (vùng sông Hồng).
- Đề tài “Đánh bước đầu về phương pháp xác định mực nước thiết kế bể xả của các
trạm bơm tiêu” Tạp chí số 43 – (12/2013) Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh, Lã Đức
Dũng.
9


2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa để xác định
cao trình hợp lý của đáy cống xả qua đê của trạm bơm Phù Đổng.

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 tháo liền cống xả qua đê hoặc đoạn kênh tháo trong đê rất ngắn.
Mực nước sông (nơi nhận nước tiêu) dao động lớn.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích hệ thống;
- Phương pháp tối ưu hóa;
- Phương pháp mơ hình tốn;
- Ứng dụng lý thuyết thủy lực, máy bơm và trạm bơm, thủy văn cơng trình, kinh tế
xây dựng….

5. Bố cục luận văn
Phần mở đầu.

Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Ứng dụng mơ hình tính tốn xác định cao trình đáy cống xả qua đê
cho trạm bơm Phù Đổng – Hà Nội.
Phần kết luận và kiến
nghị. Tài liệu tham khảo.
Phần phụ lục.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về phương pháp xác định cao trình đáy cống xả và mực nước
bể tháo nhỏ nhất
1.1.1. Nhiệm vụ của cống xả
Cống xả qua đê là cơng trình quan trọng của trạm bơm. Ở trạm bơm tiêu, bể
tháo nối tiếp với cống xả đưa nước tiêu tới chỗ chứa nước tiêu (sơng) hoặc cơng trình
chuyển nước như dốc nước, bậc nước…dẫn đến chỗ chứa nước tiêu.
Cống xả có những nhiệm vụ sau:
- Bảo đảm dịng chảy tới chỗ nhận nước tiêu thuận dòng, tổn thất ít;
- Khống chế mực nước, bảo đảm yêu cầu tiêu thoát nước;
- Muốn thực hiện các nhiệm vụ trên khi thiết kế cống xả cần phải đảm bảo các yêu
cầu:
- Kết cấu cống xả phải bền vững và ổn định.
- Kích thước và hình dạng cống xả 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 cống xả
Dựa vào kinh nghiệm xây dựng, nghiên cứu cũng như quản lý các trạm bơm có
kết nối với cống xả qua đê, người ta thấy rằng bể tháo của trạm bơm được thiết kế phụ
thuộc rất lớn vào cống xả qua đê. Cống xả được chia làm 2 loại:
+ Cng x lin vi b thỏo

phía sông
phía đồng

Hỡnh 1.1- S đồ cống xả qua đê xây liền bể tháo


+ Cng x cỏch xa b thỏo
phía sông

phía đồng

Hỡnh 1.2 - Sơ đồ cống xả qua đê cách xa bể tháo
1.1.3. Các điều kiện kỹ thuật khi thiết kế cống xả
Kết cấu toàn bộ hay từng bộ phận riêng của cống xả phải bền vững và ổn định.
Vì vậy với mỗi bộ phận phải tính tốn tĩnh học theo các quy phạm kỹ thuật đã ban
hành.
Hình dạng mặt trong của cống phải đảm bảo điều kiện thủy lực cho dòng chảy
vào cống thuận lợi.
Cần tính tốn, thiết kế, kiểm tra bể tiêu năng sau cống, để tránh xói lở ở hạ lưu
và tăng ổn định cho cống.
Chiều dài bể tiêu năng phải đảm bảo khơng gây xói lở. Tất cả các kích thước
của cống xả (chiều rộng, chiều dài, chiều sâu) phải được xác định trên cơ sở tính tốn
thủy lực, khi cần phải thí nghiệm mơ hình. Đồng thời phải thỏa mãn các yêu cầu lắp
ráp, sửa chữa thiết bị và quản lý được thuận lợi.
1.1.4. Phương pháp xác định cao trình đáy cống xả
Cao trình đáy cống xả hợp lý ràng buộc bởi điều kiện:

Z

min
đc

Zđc ≤

max
Z đc

≤
+ Cao trình đáy cống có phương án đặt cống xả
cao

max
Z đc

TK - δ - H
Zmax
đc = Zbt
c

δ: Khoảng cách từ trần cống lên Z TK
bt

TK

Z : Mực nước bể tháo thiết kế
bt
Hc : Chiều cao cống xả

để tạo điều kiện chảy có áp qua cống

(1.1)


+ Cao trình đáy cống có phương án đặt cống xả
thấp

min
Z đc


min
Z đc
= max(Z 1, Z2 )

* Xác định Z

1

Z1 = Z1ngàymin
Hcmin
(1.2)

90%

-

1

Trong đó:

Q, Coi cống như đập
tràn đỉnh rộng chảy

Hcmin ứng với 3
lưu lượng
Qmin. Lấy Qmin
=

tự do
để tính
cột
nước.
Q=
0

m 2g tính được Hcmin = Ho
. .H
b 3/2
.
Z1ngàymin 90% : Mực nước bình quân
1 ngày min ứng với tần suất thiết
kế 90%
* Xác định Z
Z2 =
+ ht
Ztườngbểt H (1.3)
ma
háo -

Tr
on
g
đó
:

2

x

tường

Cao bểthá Zmax
=
+a
trìn o
h
tườn
g bể
tháo
Z


bt

a: Độ cao an toàn
tuỳ thuộc vào lưu
lượng.
max

H

: Chiều cao
bể tháo lớn nhất
ht : Chiều cao
thềm
min
1, trên
đc
C
Z ta
ăn
2 chọ
cứ n
và
o
kế
t
qu
ả
củ
a
Z
Để xác định được cao
trình đáy cống xả hợp lý,
chia Z đc thành nhiều
phương án có
max

min

đc

đc

Z =[ Z
, Z ]. Tùy
thuộc vào các phương án
ta tính được chi phí tổng
= chi phí
đc

xây dựng và chi phí quản
lý, và so sánh các chi phí
tổng giữa các phương án
ta tìm ra
được Zđc hợp lý.
1.1.5. Xác định các
thông số thiết kế
của bể tháo
Nhiệm vụ tính
tốn thủy lực bể
tháo là:

-

g đẩy dưới mực nước 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.

Z

- Xác định chiều dài đoạn bảo vệ mái và
đáy kênh tháo.
- Xác định các kích thước bể tháo hợp lý.


Hình 1.3. Bể tháo thẳng dịng 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 (1.4)
Do = (1,1÷1,2)D (m)

(1.4)

Do –đường kính miệng ra, (m)
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 (1.5).
Vra = 4.Q
π .D20

(m/s)

(1.5)

Q: Lưu lượng tính tốn 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 dịng chảy ra ngập
lặng được xác định theo cơng thức (1.6).
2
hngmin = (3÷4). Vra ; với điều kiện hngmin ≥ 0,1 (m)

2.g

(1.6)

Chiều sâu nhỏ nhất trong giếng tiêu năng của bể tháo công thức (1.7).
Hgi.min= D0 + hng.min+ p

(m)

(1.7)

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 rị thì lấy p= 0,3÷0,5m.
Chiều cao thềm ra của giếng tiêu năng được tính theo cơng thức (1.8):
ht = Hgi.min − hkmin (m)

(1.8)

hkmin – Chiều sâu nhỏ nhất trong kênh tháo trường hợp có kênh tháo ngay sau bể tháo.


Độ sâu lớn nhất của giếng tiêu năng tính theo công thức (1.9):

Hgi.max = ht + hk.max (m)

(1.9)

hkmax – Chiều sâu lớn nhất trong kênh: hkmax = Zmaxbt - Zđk

(1.10)

max

Z bt : mực nước bể xả lớn nhất.

Độ ngập sâu lớn nhất của mép trên miệng ra ống xả ở công thức (1.11):
hngmax = H gi.max – Do – p

(1.11)

Chiều cao dự trữ từ mực nước lớn nhất trong bể đến mép trên tường bể tháo, nếu
khơng có điều kiện gì đặc biệt thì lấy theo bảng (1.1)
Bảng 1.1.Xác định chiều cao dự trữ a
Lưu lượng của trạm Q (m3/s)
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:
Hb = Hgimax + a

(1.12)

Chiều dài giếng tiêu năng tính theo công thức sau:
Lgi = K.hng.max

(1.13)

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
0,5
1
1,5
2
2,5

6,5
5,8
-

4
1,6
1
0,85
0,85

Các kết quả tra hệ số K ở trên và tính tốn xác định chiều dài giếng tiêu năng
ứng với miệng ra hình trịn, khi miệng ra hình chữ nhật thì rút bớt
20%. Chiều dài đoạn kênh tháo cần bảo vệ mái và đáy
Lbv= (4÷5) hkmax (m)

(1.14)

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

(1.15)


Trong 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 như sau
B -b
α
L = bt kt .cotg 1
th
2
2
(1.16)
α

Với:

1:

Góc thu hẹp từ bể tháo vào kênh tháo.

1.1.6. Xác định mực nước bể tháo
nhỏ nhất Z min để tính tốn cột nước bơm nhỏ nhất
bt
Xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất
và xác định cao trình đáy bể tháo theo cơng thức (1.17).
Zđáy bể tháo= Z min
bt

Cách xác định

- hngmin - Do – P

(1.17)

Z min
bt

+ Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê
Xác định cao trình đáy kênh
Zđk = ZTK
bt - hTK

(1.18)

Trong đó:
TK

Với :
+

10%
Z5ngaymax

Z bt Mực nước bể tháo thiết
kế:

ZTK
bt =

Z 10%

5ngaymax +

htt

(1.19)

: Mực nước sơng bình qn 5 ngày max ứng với tần suất thiết kế p= 10%

+ htt: Tổn thất cột nước qua cống xả
Trường hợp bể tháo cách xa cống xả qua đê thì:
Zmin
bt = Zđk + hkmin

+ Trường hợp bể tháo xây liền cống xả qua đê.

(1.20)


Trường hợp bể tháo xây liền cống xả thì:


bt = Z đc + Hcmin
Zmin

Trong đó:

(1.21)
Zđc: Cao trình
đáy cống xả
Hcmin: Cột nước

trước cống nhỏ
nhất ứng với
lưu lượng nhỏ
nhất Q min
Khi thiết kế các trạm
bơm tiêu nước ra sông
mà bể tháo bố trí liền
cống xả qua

Z

đê thì việc xác định cao
trình đáy cống xả qua đê
cũng như xác định mực
nước bể tháo
nhỏ
mi
n còn theo ý chủ
nhất
bt quan của người
thiết kế vì đến nay
vẫn chưa có một
quy
định hay
hướng dẫn cụ
thể nào về vấn
đề này.
Ngồi
ra , khi xác
định cao

trình đáy
cống và mực
nước bể xả
nhỏ nhất cần
chú ý đến
cao trình
miệng ống
đẩy. Nếu
cao trình


mực nước bể

d

nối

cho

xả thấp hơn

o

tiếp

việc lãng phí

miệng ống

q

với

năng lượng

đẩy, sẽ tiêu

u

dịn

bơm.

tốn năng

a

g

b

chả

ậ

y

c

tron

n

g

ư

kên

ớ

h

c

tháo

h

ngo

a

ài

y

đê

d

(khi

Z

ố

mực

ng

c

nướ

ti

c

ê

ngo

u

ài

n

sơn

ă

g

n

thấp

g

),

min

đ

điều

) cao
xem
hình

ể

này

lượng hơn.
Cao trình tâm
miệng ống

đẩy

ống
đẩy

=
Z
bể
tháo

+
+
D
Nếu
) cao trình
chọn
đáy cống
xả qua đê
cao hay (

Z

(1.4) thì nhiều
khi nước bơm
lên bể tháo
cao, qua cống
xả và chảy tự

thấy

mi
Ngược
Z
) cao
lại,
trình đáy n
)
nếu
cống xả
thấ
chọn
qua đê
p
(Zhay (
xe
m

bt


bt

hỡnh (1.5) thỡ
dn n cao

phía sông
phía đồng

trỡnh ỏy b
thỏo thp 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.
Hì
nh
1.
4.
S
ơ
đồ
ca
o
trì
nh
đá
y
cố
ng
xả
qu
a
đê
ca
o

phía đồng

phía sông

Hỡnh 1.5. S cao trỡnh ỏy cng xả qua đê thấp
bt để cho tổng chi phí xây
min
Vấn đề đặt ra là cần xác định một giá trị (Z đc ) hợp lý hay Z
dựng và quản lý là nhỏ nhất.

1.2. Tổng quan việc ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vào bài tốn thiết kế
các cơng trình thủy lợi
Hiện nay, khi thiết kế các trạm bơm tiêu nước ra sơng mà bố trí bể tháo liền với
cống xả qua đê thì việc xác định cao trình đáy cống xả qua đê cũng như việc xác định
mực nước bể tháo nhỏ nhất Zmin còn theo ý chủ quan của người thiết kế vì đến nay
bt
vẫn chưa có một quy định, tiêu chuẩn hay hướng dẫn cụ thể nào về vấn đề này. Vì vậy,
đáy cống xả qua đê có thể được thiết kế đặt ở cao trình chưa hợp lý, dẫn đến chi phí
xây dựng và chi phí quản lý cao, gây lãng phí ngân sách nhà nước.Vì thế, 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 tốn thiết kế tối ưu các cơng
trình trong hệ thống tưới, tiêu, cấp, thoát nước đã được một số tác giả trong nước
nghiên cứu, điển hình như:
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 mơ hình mơ 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 thiết lập quan hệ hàm số giữa năng
lượng bơm nước với mức nước sông thiết kế thơng qua đặc tính của các máy bơm và
hình thức cơng trình của từng trạm bơm tưới và tiêu nước.
Đề tài “Đánh dấu bước đầu về phương pháp xác định mực nước thiết kế bể
xả của các trạm bơm tiêu” Tạp chí số 43 – (12/2013) Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh, La
Đức Dũng.
Đề tài “Phân vùng tưới tối ưu hệ thống thuỷ nông Văn Giang” (2001) của
Th.S Phạm Thị Hồi. Bằng phương pháp mơ hình, mơ phỏng và tối ưu hoá, tác 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
cơng 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.
Luận văn thạc sĩ Đỗ Minh Thu “Nghiên cứu xác định cao trình đáy cống xả
của trạm bơm tiêu” – áp dụng cho trạm bơm Đông Mỹ (vùng sơng Hồng). Bằng
phương pháp tối ưu hóa, tác giả đã xác định mực nước bể tháo nhỏ nhất của trạm bơm
nối tiếp với cống xả qua đê.
Đề tài “Nghiên cứu xác định quy mô đường ống tối ưu cho hệ thống tưới
Trung tâm nghiên cứu và sản xuất giống ngơ Sơng Bơi – Hồ Bình” (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 mơ
hình, mơ phỏng và tối ưu hố, tác giả đã thiết lập được bài tốn 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.
Trong luận văn này, phương pháp tối ưu hoá sẽ được áp dụng để xây dựng bài

tốn xác định cao trình đáy cống xả hợp lý và mực nước bể tháo nhỏ nhất cho các trạm
bơm tiêu nước ra sông Đuống.