Hệ thống đường ống cấp nước là một đối tượng mà việc tính toán xác định quy mô có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nói như vậy, bởi vì các kết quả của mô hình toán ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng và chất lượng của sản phẩm và tiếp theo, ảnh hưởng đến việc phân phối nước phục vụ sản xuất và đời sống của con người.
Mặt khác, mạng lưới đường ống cấp nước có giá thành rất lớn, và thường chiếm từ 50 – 65% giá thành toàn bộ hệ thống cấp nước. Do vậy, việc tính toán mạng lưới đường ống phải được nghiên cứu rất cẩn thận, thậm chí phải đưa ra nhiều phương án để so sánh và lựa chọn.
Thông thường, người ta phải tính toán thuỷ lực mạng lưới với mục tiêu là xác định lưu lượng, chiều dòng chảy, đường kính tuyến ống, áp lực tự do và tổn thất áp lực mạng lưới…
Với những đô thị lớn, có nhiều nguồn nước, nhiều đài chứa, số nút, số cạnh lên tới vài trăm, vài nghìn… thì khối lượng tính toán là rất đang kể.
Tuy vậy, ngày nay kỹ thuật tính toán hiện đại với những phần mềm khác nhau cho phép thực hiện bất kỳ chương trình tính toán phức tạp nào, và nhờ đó tính toán tối ưu đã được tiến hành và ngày càng hoàn thiện.
1.Hàm mục tiêu
Đối với bài toán tối ưu, các thông số đầu vào được xác định là:
a. Các thông số địa lý: vị trí cao toạ độ, khoảng cách giữa các điểm nút của tuyến ống…
b. Các thông số về tiêu thụ nước : nhu cầu dùng nước, lưu lượng tập trung, biểu đồ dùng nước, áp lực tối thiểu, các đám cháy…
c. Các thông số về ống dẫn: vật liệu, chiều dài, độ nhám…
d. Các thông số về kinh tế: giá vật liệu ống và phụ tùng ống, giá điện năng, các định mức khấu hao, sửa chữa…
Ngoài ra tính toán phải thoả mãn các điều kiện biên là:
+ Định luật Kirchhoff 1 về cân bằng lưu lượng tại nút’
+ Định luật Kirchhoff 2 về cân bằng tổn thất áp lực trong các vòng của mạng lưới.
Các thông số đầu vào được đưa ra trong một công thức tổng quát, có dạng một hạm mục tiêu. Đó là hàm Giá thành của mạng lưới đường ống cấp nước:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.4899.778' /> |
| |
Trong các bài toán về đường ống, thường thì cho trước lưu lượng, trên cơ sở đó tính được đường kính và tổn thất áp lực.
Đối với mạng lưới vòng ta lại có tương quan:
S = K + M – 1
Trong đó :
S là số đoạn ống
K là số nút
M số vòng
Như vậy, với S đoạn ống ta phải lập S phương trình biểu diễn tổn thất áp lực: h = s.q2
Tại các nút, ta có k – 1 phương trình dạng cân bằng lưu lượng, nghĩa là tổng Q bằng không.
Trong từng vòng ta lại có M phương trình cân bằng tổn thất áp lực. Như thế, S + M + K-1 = 2S phương trình. Trong điều kiện số đường kính ống thực tế đường kính tiêu chuẩn có hạn, thì số phương trình cần vừa đủ để giải các ẩn số phải tìm.
2. Các thông số ảnh hưởng chính
Trở lại hàm mục tiêu, ta thấy có 2 yếu tố lớn ảnh hưởng đến giá trị của hàm. Đó là lưu lượng Q và giá tiền điện .
Việc tối ưu hoá tuyến ống thường tính cho tuổi thọ của tuyến ống trong khoảng từ 15-50 năm tuỳ theo vật liệu, và chất lượng ống dẫn. Với khoảng thời gian trên, các đại lượng tính toán biến đổi không ngừng, ví dụ:
A/ Lưu lượng
Tại thời điểm tính toán 2005, tiêu chuẩn dùng nước đầu người được tính là 100l/ng, đến năm 2020 tiêu chuẩn dự kiến là 150l/ng và năm 2040 hoặc 2050 cũng dự kiến tương ứng là khoảng 200-250 l/ng… Nghĩa là tiêu chuẩn luôn tăng và là một hàm số theo thời gian. Vậy phải xác định hàm số đó, và được tính đến trong hàm mục tiêu. Chú ý là trước đây, khi tính toán mạng lưới cấp nước, người ta chỉ tính với lưu lượng từ 10-15 năm sau, nghĩa là tính cho giai đoạn 2010 hoặc 2020. Rõ ràng với ống gang, tuổi thọ 40,50 năm hoặc hơn nữa, thì sau khoảng 20 năm hệ thống không còn tối ưu nữa.
B/ Giá điện năng
Nhiều nước trên thế giới cũng tính giá điện năng như một hàm số C = f D, trong đó chi phí điện năng tính theo giá KWH của từng năm kế hoạch. Ở Việt Nam chỉ tính trong vòng 10 năm từ 1996 đến nay giá điện đã tăng khoảng 6 lần, nếu kể cả VAT và tăng luỹ tiến thì còn nhiều hơn nữa.
Giá điện cũng phụ thuộc rất nhiều vào nguồn điện, như: Thuỷ điện có giá rẻ nhất, sau đó là nhiệt điện chạy bằng gió, than hoặc khí, dầu và điện hạt nhân…
Ở các nước, các vùng khác nhau, cách tính giá điện cho công trình cấp thoát nước cũng rất khác nhau. Ví dụ ở Đức, giá điện từ từ năm 1980 đến 1990 được biểu diễn bằng hàm số: G đ = 9,2 + 0,58.t/100 Dm/KWH. Nhưng từ năm 1995 đến nay, do khủng hoảng kinh tế, tài chính và nhất là giá dầu lên xuống thất thường, nên việc tính giá điện phải được xem xét rất chi tiết và cụ thể cho từng giai đoạn.
Như vậy, tuổi thọ đường ống thường kéo dài hàng chục năm, thậm chí 40-60 năm hoặc hơn nữa, nhưng lưu lượng tính toán, và giá điện lại tính cho một thời điểm xác định là chưa chuẩn xác. Hiện nay, ở nhiều nước trên thế giới, người ta đã tính tối ưu mạng lưới đường ống mà trong đó có tính điều kiện lưu lượng và giá điện tăng liên tục theo thời gian.
Nguồn: Tạp chí Xây dựng 6/2006