14

phÇn
1
C¸c nguyªn lý
17
CHƯƠNG
1
Giới thiệu chung

1.1. giới thiệu
Thuật ngữ hệ thống nguồn nớc đợc V. T. Chow đa ra đầu tiên để
diễn tả chung các lĩnh vực kỹ thuật của thủy văn, thủy lực và tài nguyên
nớc. Hệ thống nguồn nớc cũng là một thuật ngữ đợc sử dụng để chỉ các
loại dự án về nớc, bao gồm các hệ thống trữ nớc mặt, các hệ thống nớc
ngầm, các hệ thống cấp thoát nớc, các hệ thống kiểm soát lũ và các hệ
thống thoát nớc đô thị, Trong cuốn sách này, thuật ngữ hệ thống nguồn
nớc áp dụng cho cả hai khái niệm trên. Cuốn sách đợc viết dựa trên giả
thiết là kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nớc có thể đợc chia thành: (1)
kỹ thuật và quản lý cấp nớc; (2) kỹ thuật và quản lý nớc d. Các dự án
nớc đa mục tiêu hiện đại đợc thiết kế cho quản lý cấp nớc và/hoặc quản
lý nớc d.
Nớc là một tài nguyên có thể tái tạo mà khi không có tác động của con

bắc California, sông Feather chảy vào hồ Oroville, hồ chứa chính của dự án.
Nớc thoát ra từ hồ Oroville chảy qua các sông Feather và Sacremento tới
Delta. ở phần miền nam của Delta, trạm bơm Harvey Banks lấy nớc vào
hồ Bethany là nơi mà nớc đợc phân bổ cho cống dẫn nớc vịnh phía nam
(South Bay Aqueduct) của SWP và cho Governor Edmund B. Brown
California Aqueduct, chức năng vận chuyển nớc chính của SWP. Cống
dẫn nớc California đợc đặt dọc theo phía tây của thung lũng San Joaquin
và chảy vào hồ San Luis khoảng 100 dặm về phía hạ lu. Cống dẫn nớc
này tiếp tục đi về phía nam và đầu nớc đợc nâng lên 969 fít (1 fít =
0,3m ) bởi bốn trạm bơm (Dos Amigos, Buena Vista, Wheeler Ridge và 19
Wind Gap) trớc khi tới rặng núi Tehachapi. Trạm bơm Edmonston nâng
cột nớc lên 1956 fit tới một chuỗi các đờng ống và xi-phông. Sau khi qua
Tehachapi, nớc đi vào nhánh phía đông (East Branch) hoặc nhánh phía tây
(West Branch). Nhánh phía đông dẫn nớc tới hồ Silverwood là nơi mà nó
đi vào ống San Bernardino và hạ xuống 1418 fit qua nhà máy nớc Devil
Canyon. Sau đó một đờng ống dẫn nớc tới hồ Perris ở tận cùng phía nam
của SWP cách Delta 444 dặm. Nhánh phía tây vận chuyển nớc qua nhà
máy nớc Warne vào trong hồ Pyramid và qua nhà máy nớc/trạm bơm
Castaic vào trong hồ Castaic, tại nơi kết thúc của nhánh phía tây. Cả kỹ
thuật mô phỏng và tối u hóa đã đợc Ban tài nguyên nớc California sử
dụng để vận hành cả năm hồ chứa chính của dự án theo chế độ điều tiết
tháng (Coe và Rankin, 1989). Hình 1.1.2
Sơ đồ khối biểu thị hệ thống thủy văn toàn cầu. (Chow, Maidment và Mays, 1988)


hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Những hệ thống này cũng có thể đóng
vai trò nh một bể chứa nớc, xử lí nớc ngắn hạn và dài hạn.
Một ví dụ về hệ thống nớc ngầm là tầng ngậm nớc Edwards (đới đứt
gãy Balcones) đợc mô tả nh trên Hình 1.2.5, trải dài dọc theo vành đai
hẹp từ Austin, Texas qua San Antonio tới Brackettville, Texas. Nớc ngầm
ở đây đợc sử dụng rộng rãi cho cấp nớc sinh hoạt, công nghiệp và nông
nghiệp. Đồng thời tầng ngậm nớc cũng là nguồn cung cấp nớc cho thành
phố San Antonio, Texas. Ngoài ra, tầng ngậm nớc tạo nên một số các con
suối bắt nguồn từ các mạch nớc ngầm phun lên từ lòng đất, tạo thành các
cảnh quan du lịch và đồng thời tạo thành dòng chảy cơ bản cho các sông
suối ở phía hạ lu. Các suối nớc lại cung cấp dòng chảy cho vịnh San
Antonio mà ở đó hệ sinh thái phụ thuộc vào lợng nớc ngọt đợc cung
cấp. Một vấn đề nảy sinh đối với tầng ngậm nớc này là vấn đề khai thác
quá mức có thể phục hồi. Hệ thống này gồm cả tầng ngậm nớc có áp và
không áp. Phần có áp nằm dọc phía nam và có trữ lợng lớn nhất. Còn phần
không áp là đới hồi quy, có lợng nớc ngầm vừa phải. Độ dày tầng ngậm
nớc thay đổi trong khoảng độ sâu từ 400 tới 1000 fít. Do tầng ngậm nớc
có tính thấm cao nên những thể tích nớc lớn có thể chuyển động nhanh
trên những vùng rộng lớn và phản ứng của mực nớc đối với mỗi lu lợng
bơm lớn, riêng rẽ có xu hớng bị phân tán hơn là bị cục bộ hóa. 22Hình 1.2.2
Các thành phần của hệ thống nớc đô thị (Grigg, 1986)

1.3. Khái niệm hệ thống
Nói chung, một hệ thống gồm một tập hợp các phần tử có tơng tác với


24

Phát triển nguồn nớc giải quyết bài toán chuyển đổi trạng thái của hệ
thống nớc tự nhiên tới một trạng thái mong muốn S
*
, là một hàm của lợng
mong muốn V
*
và chất lợng mong muốn Q
*
, mà cả hai đều là hàm của thời
gian mong muốn t
*
và vị trí mong muốn x
*
. Hình 1.2.5
Tầng ngậm nớc Edwards (đới đứt gãy Balcones), khu vực San Antonio. (Theo Guyton và ssociates, 1979) 25
Do đó trạng thái mong muốn có thể đợc biểu thị bằng
S
*
= [V
*
(x

W
2
, tức là
W = (W
1
, W
2
) (1.3.4)
Buras (1972) đã trình bày một phân tích tơng tự để diễn tả các bài toán
phát triển trong kỹ thuật tài nguyên nớc. Các kỹ thuật có thể đợc sử dụng
để diễn tả sự chuyển đổi là các kỹ thuật mô phỏng, kỹ thuật tối u và cả sự
kết hợp hai kỹ thuật này.
1.4. Các bài toán trong kỹ thuật hệ thống
nguồn nớc
Chúng ta thờng gặp các dạng bài toán sau trong kỹ thuật hệ thống
nguồn nớc:
1. Xác định quy mô phát triển của dự án
2. Xác định kích thớc tối u của các thành phần hệ thống
3. Xác định quy trình vận hành tối u của hệ thống
Nếu gọi các nghiệm của ba bài toán trên là X
1
, X
2
, X
3
, lợi ích của chúng
là:
B = f(X
1
, X

Hay nói cách khác, một thiết kế đợc ớc lợng và sau đó đợc phân tích
để xem nó có hoạt động đúng với các yêu cầu không. Nếu nó thỏa mãn các
yêu cầu đặt ra thì thiết kế đợc chấp nhận. Các thiết kế mới có thể đợc
thiết lập và sau đó đợc phân tích.

1.4.2. Các phơng thức truyền thống hay tối u hóa
Các phơng thức truyền thống dùng cho phân tích và thiết kế về cơ bản
là các thủ tục lặp thử sai. Tính hữu hiệu của các phơng thức truyền thống
phụ thuộc vào trực giác, kinh nghiệm, kỹ năng, và kiến thức của ngời kỹ
s về hệ thống thủy văn. Do đó các phơng thức truyền thống có liên quan
chặt chẽ với nhân tố con ngời, một nhân tố mà có thể dẫn tới những kết
quả không có hiệu quả cho phân tích và thiết kế các hệ thống phức tạp. Các
phơng thức truyền thống về cơ bản dựa trên việc sử dụng các mô hình mô
phỏng trong một quá trình thử sai. Quy trình có thể là sử dụng lặp lại một
mô hình mô phỏng để cố đạt tới nghiệm tối u. hình 4.1.1 mô tả các bớc
phân tích và thiết kế truyền thống. Ví dụ, để xác định một kế hoạch bơm
nớc có chi phí nhỏ nhất cho một bài toán khai thác tầng ngậm nớc sẽ đòi
hỏi lựa chọn các quy mô và vị trí các giếng bơm trong phạm vi tầng ngậm
nớc này. Sử dụng một tập hợp các quy mô và vị trí bơm thử nghiệm, ta tiến
hành chạy một mô hình mô phỏng nớc ngầm để xác định liệu mực nớc bị
hạ thấp xuống dới mực chuẩn nào đó hay không. Nếu kế hoạch bơm (quy
mô và vị trí bơm) không thỏa mãn điều kiện trên thì một kế hoạch bơm mới
đợc lựa chọn và mô phỏng. Quá trình lặp này đợc tiếp tục, và trong mỗi
lần chi phí của kế hoạch bơm đợc tính toán.
Tối u hóa loại bỏ quá trình thử sai, hay nói cách khác là loại bỏ việc
thay đổi một thiết kế và mô phỏng lại với mỗi thay đổi thiết kế mới. Thay
vào đó, mô hình tối u sẽ tự động thay đổi các tham số thiết kế. Một quy
trình tối u bao gồm những biểu diễn toán học mô tả hệ thống và phản ứng
của hệ thống này đối với các đầu vào và các tham số thiết kế khác nhau.


, x
2
, , x
n
), g(x) là một véc tơ
gồm m phơng trình ràng buộc, x
và
x
tơng ứng là các biên dới và biên
trên của biến quyết định.
Mỗi bài toán tối u gồm hai phần chính: hàm mục tiêu và một tập hợp
các ràng buộc (hay hàm ràng buộc). Hàm mục tiêu mô tả chỉ tiêu đánh giá
hoạt động của một hệ thống. Các ràng buộc mô tả một hệ thống hay một
quá trình đang đợc thiết kế hoặc phân tích. Chúng có thể có một trong hai
dạng: phơng trình ràng buộc hay bất phơng trình ràng buộc. Một nghiệm
khả thi của bài toán tối u là một tập hợp các giá trị của các biến quyết
định thỏa mãn đồng thời tất cả các điều kiện ràng buộc. Miền nghiệm là
miền chứa các nghiệm khả thi đợc định nghĩa bởi các ràng buộc. Một
nghiệm tối u là một tập hợp các giá trị của các biến quyết định thỏa mãn
các ràng buộc và cho giá trị tối u của hàm mục tiêu. 28Hình 1.4.1
Quá trình phân tích và thiết kế thông dụng.
Tùy thuộc vào đặc điểm của hàm mục tiêu và các ràng buộc, một bài
toán tối u có thể đợc phân loại thành: (a) tuyến tính phi tuyến; (b) tất
định ngẫu nhiên; (c) tĩnh - động; (d) liên tục rời rạc; (e) thông số tập

Bảng 1.4.1
Sáu bớc sử dụng để giải các bài toán tối u (Edgar và Himmelblau, 1988)
1.

Phân tích quá trình để định nghĩa các biến và các đặc trng cụ thể của
quá trình mà ta quan tâm, có nghĩa là liệt kê tất cả các biến.
2.

Xác định chỉ tiêu đánh giá cho tối u hóa và thiết lập hàm mục tiêu dựa
theo các biến nêu trên và các hệ số. Bớc này cung cấp cho chúng ta
mô hình hoạt động (đôi khi đợc gọi là mô hình kinh tế ).
3.

Thông qua các diễn giải toán học, phát triển một qui trình hay một mô
hình công cụ chuẩn liên hệ giữa các biến vào-ra của quá trình và các hệ
số liên quan. Đa vào sử dụng các ràng buộc ở dạng phơng trình và
bất phơng trình. Sử dụng các nguyên lý vật lý nổi tiếng (cân bằng khối
lợng, năng lợng), các quan hệ thực nghiệm, các khái niệm ẩn, và các
hạn chế do yếu tố bên ngoài hệ thống. Xác định các biến độc lập và
biến phụ thuộc để có đợc số các mức độ tự do.
4.

Nếu việc thiết lập vấn đề có phạm vi quá rộng:
a. Chia ra thành các phần nhỏ có thể giải quyết, hoặc:
b. Đơn giản hóa hàm mục tiêu và mô hình
5.

áp dụng kỹ thuật giải tối u phù hợp với các phát biểu toán học của bài
toán.
6.

này tồn tại ít nhất một nghiệm khả thi khác mà với nó các hàm mục tiêu có
thể đợc cải thiện đồng thời. Mặt khác, đối với các điểm nghiệm nằm trên
đờng cong ABCD, nh điểm B, nó không thể dịch chuyển đến bất kỳ điểm
nào trong miền nghiệm mà không làm suy giảm ít nhất một trong số các
mục tiêu. Một tập hợp các điểm không giảm này định ra một tập nghiệm
không giảm, và độ dốc của đờng cong định nghĩa tỷ lệ thay thế biên
(marginal rate of substitution), thể hiện sự đánh đổi (trade-off) giữa các
mục tiêu mâu thuẫn.
Nghiệm của bài toán tối u đa mục tiêu không thể tìm đợc nếu nh nhà
ra quyết định không cung cấp một đặc trng hóa sự u tiên của anh ta giữa
các mục tiêu liên quan. Thông tin liên quan đến sự u tiên của nhà ra quyết
định thờng đợc thể hiện bằng đồ thị dới dạng một đờng cong u tiên
(xem hình 1.4.2). Lợi ích của nhà ra quyết định là nh nhau đối với các tập
nghiệm nằm trên đờng cong u tiên. Nghiệm thỏa hiệp tốt nhất (the best
compromised solution) cho một bài toán đa mục tiêu là một tập hợp duy
nhất các phơng án mang lại lợi ích tổng hợp tối đa. Các phơng án này là
các phần tử thuộc cả tập nghiệm không suy giảm và đờng cong u tiên.
Một phơng án nh vậy chỉ tồn tại tại một giao điểm của đờng cong u
tiên và tập nghiệm không suy giảm.
Về mặt toán học, bài toán quy hoạch đa mục tiêu có thể diễn đạt bằng
tối u hóa véc tơ:
Tối u hóa f(x) = {f
1
(x), f
2
(x) f
K
(x)} (1.4.6)
trong đó, f(x) là véc tơ K chiều các hàm mục tiêu và các ký hiệu còn lại đã
đợc định nghĩa ở các phơng trình (1.4.4) và (1.4.5). Có rất nhiều phơng
32Hình 1.4.2
Minh họa sự đánh đổi (tradeoff) giữa các mục tiêu trong một bài toán tối u hai chiều
Bất định thủy lực đợc dùng để chỉ tính bất định có trong thiết kế các
công trình thủy lực và trong phân tích hoạt động của các công trình này.
Loại bất định này chủ yếu hình thành từ ba loại cơ bản: mô hình, việc xây
dựng và nguyên liệu xây dựng, và các điều kiện dòng chảy khi vận hành.
Tính bất định mô hình hình thành từ việc sử dụng các mô hình thủy lực đã
đợc giản hóa hoặc lý tởng hóa để mô tả các điều kiện dòng chảy. Nó
đóng góp vào tính bất định trong việc xác định công suất thiết kế của các
công trình thủy lực. Ví dụ, dòng chảy qua hay trên các công trình thủy lực
là không ổn định và không đều và có thể đợc mô tả bằng hệ phơng trình
St. Venant viết dới dạng một chiều. Tuy nhiên, một số phơng trình, nh
Manning, tuy không đáp ứng để cho việc mô tả dòng không ổn định và
không đều nhng vẫn thờng xuyên đợc sử dụng trong thực hành. Điều
thực tế này tạo ra một tính bất định nữa có thể gọi là sai số mô hình. Bất
định xây dựng và nguyên vật liệu hình thành một phần từ kích thớc công
trình, ví dụ nh đờng kính ống dẫn nớc thải hay chiều rộng và chiều sâu
cửa cống. Biên độ sai số của nhà sản xuất hay biên độ sai số xây dựng có
thể biến đổi lớn và tạo ra các loại bất định này. Một yếu tố khác là sự lắp
đặt sai của một công trình thủy lực cũng nh định vị tạo nên các sai số, ví
dụ nh độ dốc. Sự biến đổi vật liệu cũng có thể gây ra các thay đổi về kích 33
cỡ và phân bố của hệ số nhám bề mặt và tạo ra sai số của các yếu tố về độ

dự án và bài toán kỹ thuật hệ thống nguồn nớc, bao gồm:
1. Thiết lập các chính sách vận hành các hồ chứa
2. Thiết kế các dung tích hồ chứa và địa điểm xây dựng
3. Vận hành các nhà máy thủy điện
4. Vận hành các hệ thống tới
5. Vận hành các tầng ngậm nớc vùng để xác định lu lợng
bơm và hồi quy
6. Thiết kế các hệ thống chuyển nớc (dewatering) tầng ngậm
nớc 34

7. Thiết kế các hệ thống cải tạo tầng ngậm nớc
8. Xác định các thông số cho các tầng ngậm nớc
9. Thiết kế và vận hành các hệ thống phân phối nớc với chi phí
nhỏ nhất
10. Thay thế và phục hồi các thành phần của hệ thống phân phối
nớc
11. Xác định tuyến đờng ống dẫn nớc
12. Thiết kế các hệ thống tiêu thoát nớc do bão với giá thành nhỏ
nhất
13. Thiết kế các lu vực chậm lũ
14. Xác định các hệ thống kiểm soát lũ.
15. Xác định các dòng nớc ngọt chảy vào các vịnh và các vùng
cửa sông
16. Xác định năng lợng và sản lợng bền vững
1.4.7. Xây dựng mô hình tối u
Việc xây dựng mô hình tối u có thể đợc chia ra làm 5 giai đoạn chính
sau:

thống thực tế một cách phù hợp không. Một phân tích độ nhậy nên đợc
tiến hành để kiểm tra đầu vào và tham số của mô hình. Quá trình đánh giá
và kiểm định mô hình là một quá trình lặp và có thể yêu cầu quay lại giai
đoạn định nghĩa và thiết lập bài toán, rồi đến giai đoạn xây dựng mô hình
nh đợc thể hiện trên hình 1.4.3. Kiểm định chất lợng mô hình bao gồm
kiểm định tính logic, các giả thiết của mô hình và các quá trình trạng thái
(hành vi) của mô hình. Một khía cạnh quan trọng của quá trình này là trong
hầu hết các trờng hợp số liệu đợc sử dụng trong quá trình thiết lập bài
toán không nên đợc sử dụng ở bớc kiểm định này. Một điều khác cần ghi
nhớ là không có một quy trình kiểm định đơn lẻ nào là phù hợp cho tất cả
các mô hình.

Hình 1.4.3
Xây dựng mô hình tối u
Tài liệu tham khảo 36

Buras. N.: scientific Allocation of Water Resources, American Elsevier
Publishing Company, New York, 1972.
Chankong, V. And Haimes, Y, Y: Multiobjective Decision Making: A
Theory and Methology, Elsevier Science Publishing, New York,
1983.
Chow, V.T., Maidment, D.R., and Mays, L.W.: Applied Hydrology,
McGraw-Hill, New York, 1988.
Coe, J.Q. and A.W.Rankin: “California’s Adaptable Model for
Operations Planning for the State Water Project” in
Computerized Decision Support Systems for Water Managers,
Proc. 3rd Water Resources Operations Management Workshop at

Grigg,N.S.: Urban Water Infrastructure: Planning, Management, and
Operations, John Wiley& Sons, New York, 1986.
Haimes, Y.Y.: Hierarchical Analysis of Water Resources Systems,
McGraw-Hill, 1977.
Hall, W.A. and J.A. Dracup: Water Resources Systems Engineering,
McGraw-Hill, New York, 1970,
Helweg, O.J.: Water Resources Planning and Management, John
Wiley& Sons, New York, 1985.
Linsley, R.K.and J.B.Franzini: Water Resources Engineering, 3d ed.,
McGraw-Hill,1979.
Loucks, D.P., J.R.Stedinger and D.A.Haith: Water Resources Systems
Planning and Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,
N.J.,1981.
Major, D.C.: Multiobjective Water Resources Planning, Water
Resources Monograph 4, Am. Geophys. Union, Washington,
D.C., 1977.
Major, D.C. and R.L. Lenton: Applied Water Resources Systems
Planning, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1979.
Viessman, W. And C.Welty: Water Management: Technology and
Institutions, Harper and Row, New York, 1985.
 Níc ngÇm
Bear,J.: Hydraulics of Groundwater, McGraw-Hill, New York, 1979.
Bear,J.and A. Verruijt:Modeling Groundwater Flow and Pollution,
D.Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland, 1987.
Bouwer, H.: Groundwater Hydrology, McGraw-Hill, New York, 1978.
Freeze, R.A. and J.A. Cherry, Groundwater, Prentice-Hall, Englewood
Cliffs,N.J 1979.
Kashef, A.A.I.: Groundwater Engineering, McGraw-Hill, New
York,1986.
Todd, D.K.: Groundwater Hydrology, John Wiley&Sons, New York,

Cliffs, N.J 1984.
 Kinh tÕ
Henderson, J.M.and R.E.Quandt: Microeconomic Theory: A
Mathematical Approach, McGraw-Hill, New York, 1980,
 Tèi u ho¸ vµ ph©n tÝch hÖ thèng
Arora,J.S.: Introduction to Optimum Design, McGraw-Hill, New York,
1989.
Blanchard, B.S and W.J.Wolter: Systems Engineering and Analysis,
Prentice-Hall, Englewood Cliffs.N.J 1981.
Bradley, S.P.,A.C.Hax,and T.L.Magnanti: Applied Mathematical
Programming, Addison-Wesley Reading,Mass 1977. 39
Denardo,E.V.:Dynamic Programming: Models and Applications,
Prentice-Hall, Englewood Cliffs.N.J 1982.
Edgar, T.F and D.M.Himmelblau: Optimization of Chemical
Processes, MrGraw-Hall, New York, 1988.
Gill, P.E W Murray. And W.H.Wright: Practical Optimization,
Academic Press, London, 1981.
Goicoechea,A D.R.Hansen and L.Duckstein: Multiobjective Decision
Analysis with Engineering and Business Applications, John
Wiley&Sons, New York, 1982.
Hillier, F.S and G.J.Lieberman: Introduction to Operations Research,
McGraw-Hill, New York, 1990,
McCormick.G.p.: Nonlinear Programming: Theory, Algorithms and
Applications, John Wiley&Sons, New York, 1983.
Solow,D.: Linear Programming: An Introduction to Finite
Improvement Algorithms, North-Holland, New York, 1984.
Taha,H.A.: Operations Reseach: An Introduction, MacMillan, New

Đã sử dụng những loại phân tích nào trong các nghiên cứu thủy văn,
thủy lực và kinh tế cho dự án này? Sử dụng chỉ tiêu thiết kế gì?
1.3.3

Lựa chọn một hệ thống quản lý bãi ngập lũ và mô tả chi tiết hệ thống
này. Mô tả các đầu vào và đầu ra của hệ thống. Đã sử dụng những
loại phân tích nào trong các nghiên cứu thủy văn, thủy lực và kinh tế
cho dự án này? Sử dụng chỉ tiêu thiết gì?
1.3.4

Mô tả chi tiết hệ thống phân bố nớc lấy nớc cho nơi bạn c trú.
Những loại chỉ tiêu phân tích và thiết kế nào đã đợc sử dụng trong
thiết kế hệ thống này?
1.3.5

Lựa chọn một hệ thống nớc ngầm ở vùng bạn sống và mô tả chi tiết
hệ thống này. Mô tả các đầu vào và đầu ra của hệ thống. Trình bày
một bài toán bất kỳ tồn tại trong hệ thống này.