Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 1

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

163
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thuật ngữ hệ thống nguồn nước được V. T. Chow đưa ra đầu tiên để diễn tả chung các lĩnh vực kỹ thuật của thủy văn, thủy lực và tài nguyên nước. Hệ thống nguồn nước cũng là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ các loại dự án về nước, bao gồm các hệ thống trữ nước mặt, các hệ thống nước ngầm, các hệ thống cấp thoát nước, các hệ thống kiểm soát lũ và các hệ thống thoát nước đô thị,... Trong cuốn sách này, thuật ngữ hệ thống nguồn nước áp dụng cho cả...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 1

phÇn 1 C¸c nguyªn lý 14
CH¦¥NG 1 Giíi thiÖu chung giíi thiÖu 1.1. ThuËt ng÷ hÖ thèng nguån níc ®îc V. T. Chow ®a ra ®Çu tiªn ®Ó diÔn t¶ chung c¸c lÜnh vùc kü thuËt cña thñy v¨n, thñy lùc vµ tµi nguyªn níc. HÖ thèng nguån níc còng lµ mét thuËt ng÷ ®îc sö dông ®Ó chØ c¸c lo¹i dù ¸n vÒ níc, bao gåm c¸c hÖ thèng tr÷ níc mÆt, c¸c hÖ thèng níc ngÇm, c¸c hÖ thèng cÊp tho¸t níc, c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò vµ c¸c hÖ thèng tho¸t níc ®« thÞ,... Trong cuèn s¸ch nµy, thuËt ng÷ hÖ thèng nguån níc ¸p dông cho c¶ hai kh¸i niÖm trªn. Cuèn s¸ch ®îc viÕt dùa trªn gi¶ thiÕt lµ kü thuËt vµ qu¶n lý hÖ thèng nguån níc cã thÓ ®îc chia thµnh: (1) kü thuËt vµ qu¶n lý cÊp níc; (2) kü thuËt vµ qu¶n lý níc d. C¸c dù ¸n níc ®a môc tiªu hiÖn ®¹i ®îc thiÕt kÕ cho qu¶n lý cÊp níc vµ/hoÆc qu¶n lý níc d. Níc lµ mét tµi nguyªn cã thÓ t¸i t¹o mµ khi kh«ng cã t¸c ®éng cña con ngêi sÏ tu©n theo chu tr×nh thñy v¨n ®îc miªu t¶ trªn h×nh 1.1.1. VÒ c¬ b¶n, chu tr×nh thñy v¨n lµ mét qu¸ tr×nh liªn tôc kh«ng cã ®iÓm b¾t ®Çu vµ kh«ng cã ®iÓm kÕt thóc, cã thÓ xem nh lµ mét hÖ thèng. HÖ thèng lµ mét tËp hîp c¸c phÇn tö nèi kÕt víi nhau, t¹o thµnh mét tæng thÓ. C¸c thµnh phÇn trong hÖ thèng thñy v¨n lµ gi¸ng thñy, bèc h¬i, dßng ch¶y mÆt vµ c¸c pha kh¸c. Chu tr×nh thñy v¨n toµn cÇu lµ mét hÖ thèng cã thÓ ®îc chia thµnh ba hÖ thèng con c¬ b¶n: hÖ thèng níc khÝ quyÓn g åm c¸c qu¸ tr×nh gi¸ng thñy, bèc h¬i, ng¨n gi÷ níc do thùc vËt vµ tho¸t h¬i níc thùc vËt; hÖ thèng níc mÆt gåm dßng ch¶y trµn, dßng ch¶y mÆt, dßng ch¶y xuÊt lé níc ngÇm vµ s¸t mÆt; hÖ thèng níc díi mÆt gåm c¸c qu¸ tr×nh thÊm s©u, bæ sung níc ngÇm, dßng s¸t mÆt vµ dßng ch¶y ngÇm. Sù ph©n chia c¸c hÖ thèng con trong hÖ thèng thñy v¨n toµn cÇu ®îc thÓ hiÖn trong h×nh 1.1.2. 17
1.2. m« t¶ hÖ thèng nguån níc C¸c hÖ thèng nguån níc gåm cã c¸c hÖ thèng cÊp níc mÆt, c¸c hÖ thèng cÊp níc ngÇm, c¸c hÖ thèng ph©n phèi níc, c¸c hÖ thèng tho¸t níc ®« thÞ, c¸c hÖ thèng qu¶n lý b·i ngËp lò vµ c¸c hÖ thèng kh¸c. Môc nµy sÏ tr×nh bµy mét sè vÝ dô vÒ c¸c lo¹i hÖ thèng nguån níc kh¸c nhau. H×nh 1.1.1 Chu tr×nh tuÇn hoµn thuû v¨n vµ c©n b»ng níc trung b×nh n¨m, dïng ®¬n vÞ t¬ng ®èi khi so s¸nh víi gi¸ trÞ cña lîng gi¸ng thuû trªn lôc ®Þa lµ 100 ®¬n vÞ (Chow, Maidment, and Mays, 1988) C¸c hÖ thèng cÊp níc mÆt. Mét vÝ dô vÒ hÖ thèng cÊp níc mÆt kh¸ toµn diÖn lµ dù ¸n níc bang California (SWP-State Water Project), gåm mét chuçi c¸c c¸c hå chøa nèi víi nhau bëi c¸c con s«ng, c¸c tr¹m b¬m, c¸c kªnh dÉn, c¸c ®êng èng vµ c¸c nhµ m¸y níc nh trªn h×nh 1.2.1. ë miÒn b¾c California, s«ng Feather ch¶y vµo hå Oroville, hå chøa chÝnh cña dù ¸n. Níc tho¸t ra tõ hå Oroville ch¶y qua c¸c s«ng Feather vµ Sacremento tíi Delta. ë phÇn miÒn nam cña Delta, tr¹m b¬m Harvey Banks lÊy níc vµo hå Bethany lµ n¬i mµ níc ®îc ph©n bæ cho cèng dÉn níc vÞnh phÝa nam (South Bay Aqueduct) cña SWP vµ cho Governor Edmund B. Brown California Aqueduct, chøc n¨ng vËn chuyÓn níc chÝnh cña SWP. Cèng dÉn níc California ®îc ®Æt däc theo phÝa t©y cña thung lòng San Joaquin vµ ch¶y vµo hå San Luis kho¶ng 100 dÆm vÒ phÝa h¹ lu. Cèng dÉn níc nµy tiÕp tôc ®i vÒ phÝa nam vµ ®Çu níc ®îc n©ng lªn 969 fÝt (1 fÝt = 0,3m...) bëi bèn tr¹m b¬m (Dos Amigos, Buena Vista, Wheeler Ridge vµ 18
Wind Gap) tríc khi tíi rÆng nói Tehachapi. Tr¹m b¬m Edmonston n©ng cét níc lªn 1956 fit tíi mét chuçi c¸c ®êng èng vµ xi-ph«ng. Sau khi qua Tehachapi, níc ®i vµo nh¸nh phÝa ®«ng (East Branch) hoÆc nh¸nh phÝa t©y (West Branch). Nh¸nh phÝa ®«ng dÉn níc tíi hå Silverwood lµ n¬i mµ nã ®i vµo èng San Bernardino vµ h¹ xuèng 1418 fit qua nhµ m¸y níc Devil Canyon. Sau ®ã mét ®êng èng dÉn níc tíi hå Perris ë tËn cïng phÝa nam cña SWP c¸ch Delta 444 dÆm. Nh¸nh phÝa t©y vËn chuyÓn níc qua nhµ m¸y níc Warne vµo trong hå Pyramid vµ qua nhµ m¸y níc/tr¹m b¬m Castaic vµo trong hå Castaic, t¹i n¬i kÕt thóc cña nh¸nh phÝa t©y. C¶ kü thuËt m« pháng vµ tèi u hãa ®· ®îc Ban tµi nguyªn níc California sö dông ®Ó vËn hµnh c¶ n¨m hå chøa chÝnh cña dù ¸n theo chÕ ®é ®iÒu tiÕt th¸ng (Coe vµ Rankin, 1989). H×nh 1.1.2 S¬ ®å khèi biÓu thÞ hÖ thèng thñy v¨n toµn cÇu. (Chow, Maidment vµ Mays, 1988) 19
HÖ thèng níc ®« thÞ ë mét quy m« nhá h¬n nhiÒu, hÖ thèng níc ®« thÞ lµ mét vÝ dô kh¸c vÒ hÖ thèng nguån níc. Nh ë trªn h×nh 1.2.2, c¸c hÖ thèng níc ®« thÞ bao gåm nhiÒu mÆt quan hÖ víi chu tr×nh thñy v¨n th«ng qua cung cÊp níc, x¶ níc th¶i, tho¸t níc ma ra c¸c s«ng suèi, vµ vËn chuyÓn níc ma - b·o qua c¸c vïng ®« thÞ. HÖ thèng níc ®« thÞ cã thÓ ®îc chia ra thµnh c¸c hÖ thèng c¬ b¶n nh hÖ thèng cÊp níc, hÖ thèng níc th¶i, hÖ thèng tiªu níc ®« thÞ, vµ hÖ thèng qu¶n lý b·i ngËp lò. HÖ thèng cÊp níc cã thÓ l¹i ®îc chia ra lµm hÖ thèng b¬m níc kh«ng qua xö lÝ, hÖ thèng vËn chuyÓn níc cha xö lÝ, tr÷ níc cha qua xö lÝ, hÖ thèng xö lÝ, hÖ thèng b¬m níc ®· xö lÝ vµ hÖ thèng ph©n phèi níc. NhiÒu hÖ thèng thu gom níc th¶i ®« thÞ gåm c¶ thµnh phÇn dßng ch¶y níc ®« thÞ thªm vµo dßng ch¶y trµn kÕt hîp víi cèng nh trong h×nh 1.2.3. Mét hÖ thèng nh vËy gåm níc ch¶y trµn, níc vËn chuyÓn, níc lu tr÷, vµ níc tiÕp nhËn. 20
H×nh 1.2.1 D ù ¸n níc bang California (Sabet vµ Coe 1986a, 1986b) HÖ thèng níc ngÇm Níc ngÇm ®· ®îc ®Ò cËp ë phÇn chu tr×nh thñy v¨n. C¸c hÖ thèng níc ngÇm (h×nh 1.2.4) lµ c¸c cÊu tróc ®Þa chÊt, ®îc gäi lµ c¸c tÇng ngËm níc. C¸c tÇng ngËm níc nµy cã kh¶ n¨ng tr÷ níc vµ vËn chuyÓn níc díi ®Êt. Chóng cã c¸c kh¶ n¨ng dÉn níc, tr÷ níc vµ c¸c ®Æc tÝnh chÊt lîng níc kh¸c nhau, cã ¶nh hëng tíi viÖc b¬m vµ bæ cËp níc. C¸c hÖ thèng níc ngÇm cã thÓ khai th¸c cung cÊp níc cho sinh ho¹t, c«ng nghiÖp vµ n«ng nghiÖp. Nh÷ng hÖ thèng nµy còng cã thÓ ®ãng vai trß nh mét bÓ chøa níc, xö lÝ níc ng¾n h¹n vµ dµi h¹n. Mét vÝ dô vÒ hÖ thèng níc ngÇm lµ tÇng ngËm níc Edwards (®íi ®øt g·y Balcones) ®îc m« t¶ nh trªn H×nh 1.2.5, tr¶i dµi däc theo vµnh ®ai hÑp tõ Austin, Texas qua San Antonio tíi Brackettville, Texas. Níc ngÇm ë ®©y ®îc sö dông réng r·i cho cÊp níc sinh ho¹t, c«ng nghiÖp vµ n«ng nghiÖp. §ång thêi tÇng ngËm níc còng lµ nguån cung cÊp níc cho thµnh phè San Antonio, Texas. Ngoµi ra, tÇng ngËm níc t¹o nªn mét sè c¸c con suèi b¾t nguån tõ c¸c m¹ch níc ngÇm phun lªn tõ lßng ®Êt, t¹o thµnh c¸c c¶nh quan du lÞch vµ ®ång thêi t¹o thµnh dßng ch¶y c¬ b¶n cho c¸c s«ng suèi ë phÝa h¹ lu. C¸c suèi níc l¹i cung cÊp dßng ch¶y cho vÞnh San Antonio mµ ë ®ã hÖ sinh th¸i phô thuéc vµo lîng níc ngät ®îc cung cÊp. Mét vÊn ®Ò n¶y sinh ®èi víi tÇng ngËm níc nµy lµ vÊn ®Ò khai th¸c qu¸ møc cã thÓ phôc håi. HÖ thèng nµy gåm c¶ tÇng ngËm níc cã ¸p vµ kh«ng ¸p. PhÇn cã ¸p n»m däc phÝa nam vµ cã tr÷ lîng lín nhÊt. Cßn phÇn kh«ng ¸p lµ ®íi håi quy, cã lîng níc ngÇm võa ph¶i. §é dµy tÇng ngËm níc thay ®æi trong kho¶ng ®é s©u tõ 400 tíi 1000 fÝt. Do tÇng ngËm níc cã tÝnh thÊm cao nªn nh÷ng thÓ tÝch níc lín cã thÓ chuyÓn ®éng nhanh trªn nh÷ng vïng réng lín vµ ph¶n øng cña mùc níc ®èi víi mçi lu lîng b¬m lín, riªng rÏ cã xu híng bÞ ph©n t¸n h¬n lµ bÞ côc bé hãa. 21
H×nh 1.2.2 C ¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng níc ®« thÞ (Grigg, 1986) 1.3. Kh¸i niÖm hÖ thèng Nãi chung, mét hÖ thèng gåm mét tËp hîp c¸c phÇn tö cã t¬ng t¸c víi nhau, ho¹t ®éng kh«ng lÖ thuéc nhau. Mét hÖ thèng ®îc ®Æc trng bëi: (1) mét biªn hÖ thèng lµ mét quy t¾c x¸c ®Þnh liÖu mét phÇn tö cã ®îc xem lµ mét phÇn cña hÖ thèng hay lµ cña m«i trêng; (2) thÓ hiÖn c¸c t¬ng t¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra víi m«i trêng; vµ (3) c¸c thÓ hiÖn vÒ c¸c mèi quan hÖ t¬ng quan gi÷a c¸c phÇn tö hÖ thèng, c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra, gäi lµ håi tiÕp (feedback). 22
H×nh 1.2.4 HÖ thèng níc ngÇm (McWhorter vµ Sunada, 1977) Tïy thuéc vµo møc ®é chi tiÕt dïng ®Ó m« h×nh hãa c¸c thµnh phÇn hÖ thèng, c¸c ph¬ng tr×nh thñy v¨n vµ thñy lùc thÝch hîp sÏ ®îc sö dông ®Ó diÔn t¶ c¸c mèi quan hÖ dßng ch¶y gi÷a c¸c thµnh phÇn hÖ thèng. VÝ dô, mét ph¬ng tr×nh liªn tôc lu«n ®îc sö dông ®Ó diÔn t¶ c©n b»ng dßng ch¶y trong mét hÖ thèng nguån níc. Quan hÖ cña chÊt lîng níc cho mét thµnh phÇn hÖ thèng sÏ phô thuéc vµo b¶n chÊt cña thµnh phÇn ®ã vµ t¸c ®éng cña nã ®èi víi chÊt lîng níc cña dßng ch¶y ®Õn. Mét trong nh÷ng nhiÖm vô chÝnh cña kü thuËt tµi nguyªn níc lµ lµm biÕn ®æi c¸c ®Çu vµo cña mét hÖ thèng nguån níc nh»m tèi ®a ho¸ c¸c ®Çu ra cã lîi vµ tèi thiÓu ho¸ c¸c ®Çu ra cã h¹i. Níc tù nhiªn cã thÓ ®îc diÔn t¶ díi d¹ng lîng b»ng mét hµm cña thêi gian vµ kh«ng gian; hay díi d¹ng chÊt lîng níc còng b»ng mét hµm cña thêi gian vµ kh«ng gian. Thêi gian t vµ vÞ trÝ x lµ c¸c biÕn ®éc lËp diÔn t¶ níc tù nhiªn. C¸c biÕn phô thuéc diÔn t¶ níc tù nhiªn lµ lîng V vµ chÊt lîng Q. S ®îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i cña hÖ thèng, cã thÓ ®îc biÓu diÔn b»ng: S = [V(x,t), Q(x,t)] (1.3.1) 23
Ph¸t triÓn nguån níc gi¶i quyÕt bµi to¸n chuyÓn ®æi tr¹ng th¸i cña hÖ thèng níc tù nhiªn tíi mét tr¹ng th¸i mong muèn S*, lµ mét hµm cña lîng mong muèn V* vµ chÊt lîng mong muèn Q*, mµ c¶ hai ®Òu lµ hµm cña thêi gian mong muèn t* vµ vÞ trÝ mong muèn x*. TÇng ngËm níc Edwards (®íi ®øt g·y Balcones), khu vùc San Antonio. (Theo Guyton vµ ssociates, 1979) H×nh 1.2.5 24
Do ®ã tr¹ng th¸i mong muèn cã thÓ ®îc biÓu thÞ b»ng S* = [V*(x*,t*), Q*(x*,t*)] (1.3.2) ViÖc íc lîng cña S vµ S* lµ lÜnh vùc cña kü thuËt hÖ thèng nguån níc. §iÒu nµy ®ßi hái sù kÕt hîp vÒ kiÕn thøc vµ ¸p dông cña thñy v¨n vµ thñy lùc. Kü thuËt hÖ thèng nguån níc liªn quan ®Õn sù chuyÓn ®æi S sang S* S* = WS + E (1.3.3) §©y lµ ph¬ng tr×nh chuyÓn ®æi cña hÖ thèng. Ký hiÖu W lµ mét hµm chuyÓn ®æi gi÷a ®Çu vµo S vµ ®Çu ra S*, E biÓu thÞ mét sù l·ng phÝ hay s¶n phÈm phô kh«ng mong ®îi. Hµm chuyÓn ®æi còng cã thÓ ®îc chia thµnh c¸c thµnh phÇn vËt lý hay t¹m gäi lµ phÇn cøng, W1, vµ c¸c khÝa c¹nh ®iÒu hµnh hay gäi lµ phÇn mÒm, W2, tøc lµ W = (W1, W2) (1.3.4) Buras (1972) ®· tr×nh bµy mét ph©n tÝch t¬ng tù ®Ó diÔn t¶ c¸c bµi to¸n ph¸t triÓn trong kü thuËt tµi nguyªn níc. C¸c kü thuËt cã thÓ ®îc sö dông ®Ó diÔn t¶ sù chuyÓn ®æi lµ c¸c kü thuËt m« pháng, kü thuËt tèi u vµ c¶ sù kÕt hîp hai kü thuËt nµy. 1.4. C¸c bµi to¸n trong kü thuËt hÖ thèng nguån níc Chóng ta thêng gÆp c¸c d¹ng bµi to¸n sau trong kü thuËt hÖ thèng nguån níc: 1. X¸c ®Þnh quy m« ph¸t triÓn cña dù ¸n 2. X¸c ®Þnh kÝch thíc tèi u cña c¸c thµnh phÇn hÖ thèng 3. X¸c ®Þnh quy tr×nh vËn hµnh tèi u cña hÖ thèng NÕu gäi c¸c nghiÖm cña ba bµi to¸n trªn lµ X1, X2, X 3, lîi Ých cña chóng lµ: B = f(X1, X2, X3) (1.4.1) Môc tiªu cña rÊt nhiÒu c¸c dù ¸n hÖ thèng nguån níc lµ tèi ®a ho¸ lîi Ých, ®o ®ã bµi to¸n ph¸t triÓn nguån níc cã thÓ ®îc viÕt lµ: Max B = f(X1, X2, X3) (1.4.2) Ph¬ng tr×nh trªn cã c¸c rµng buéc nh rµng buéc vÒ c«ng nghÖ, kinh tÕ hay vèn, rµng buéc vÒ thiÕt kÕ, vËn hµnh, nhu cÇu vµ c¸c rµng buéc kh¸c. 25
1.4.1. Ph©n tÝch hay thiÕt kÕ C¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån níc gi¶i quyÕt c¶ hai vÊn ®Ò lµ thiÕt kÕ vµ ph©n tÝch. Ph©n tÝch liªn quan tíi qu¸ tr×nh tr¹ng th¸i (hµnh vi) cña mét hÖ thèng s½n cã hoÆc mét hÖ thèng thö nghiÖm ®ang ®îc thiÕt kÕ. Trong rÊt nhiÒu trêng hîp, x¸c ®Þnh qu¸ tr×nh tr¹ng th¸i cña hÖ thèng chÝnh lµ x¸c ®Þnh qu¸ tr×nh vËn hµnh cña mét hÖ thèng hoÆc ph¶n øng cña mét hÖ thèng víi c¸c biÕn ®Çu vµo cho tríc. VÊn ®Ò thiÕt kÕ lµ x¸c ®Þnh kÝch thíc cña c¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng. Mét vÝ dô lµ viÖc thiÕt kÕ mét hÖ thèng hå chøa chÝnh lµ x¸c ®Þnh kÝch cì vµ vÞ trÝ cña c¸c hå chøa cã trong hÖ thèng. Ph©n tÝch mét hÖ thèng hå chøa lµ qu¸ tr×nh x¸c ®Þnh c¸c chÝnh s¸ch vËn hµnh cho hÖ thèng hå chøa. VËn hµnh hå chøa cÇn cã ®Ó kiÓm tra thiÕt kÕ. Hay nãi c¸ch kh¸c, mét thiÕt kÕ ®îc íc lîng vµ sau ®ã ®îc ph©n tÝch ®Ó xem nã cã ho¹t ®éng ®óng víi c¸c yªu cÇu kh«ng. NÕu nã tháa m·n c¸c yªu cÇu ®Æt ra th× thiÕt kÕ ®îc chÊp nhËn. C¸c thiÕt kÕ míi cã thÓ ®îc thiÕt lËp vµ sau ®ã ®îc ph©n tÝch. 1.4.2. C¸c ph¬ng thøc truyÒn thèng hay tèi u hãa C¸c ph¬ng thøc truyÒn thèng dïng cho ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ vÒ c¬ b¶n lµ c¸c thñ tôc lÆp thö sai. TÝnh h÷u hiÖu cña c¸c ph¬ng thøc truyÒn thèng phô thuéc vµo trùc gi¸c, kinh nghiÖm, kü n¨ng, vµ kiÕn thøc cña ngêi kü s vÒ hÖ thèng thñy v¨n. Do ®ã c¸c ph¬ng thøc truyÒn thèng cã liªn quan chÆt chÏ víi nh©n tè con ngêi, mét nh©n tè mµ cã thÓ dÉn tíi nh÷ng kÕt qu¶ kh«ng cã hiÖu qu¶ cho ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng phøc t¹p. C¸c ph¬ng thøc truyÒn thèng vÒ c¬ b¶n dùa trªn viÖc sö dông c¸c m« h×nh m« pháng trong mét qu¸ tr×nh thö sai. Quy tr×nh cã thÓ lµ sö dông lÆp l¹i mét m« h×nh m« pháng ®Ó cè ®¹t tíi nghiÖm tèi u. h×nh 4.1.1 m« t¶ c¸c bíc ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ truyÒn thèng. VÝ dô, ®Ó x¸c ®Þnh mét kÕ ho¹ch b¬m níc cã chi phÝ nhá nhÊt cho mét bµi to¸n khai th¸c tÇng ngËm níc sÏ ®ßi hái lùa chän c¸c quy m« vµ vÞ trÝ c¸c giÕng b¬m trong ph¹m vi tÇng ngËm níc nµy. Sö dông mét tËp hîp c¸c quy m« vµ vÞ trÝ b¬m thö nghiÖm, ta tiÕn hµnh ch¹y mét m« h×nh m« pháng níc ngÇm ®Ó x¸c ®Þnh liÖu mùc níc bÞ h¹ thÊp xuèng díi mùc chuÈn nµo ®ã hay kh«ng. NÕu kÕ ho¹ch b¬m (quy m« vµ vÞ trÝ b¬m) kh«ng tháa m·n ®iÒu kiÖn trªn th× mét kÕ ho¹ch b¬m míi ®îc lùa chän vµ m« pháng. Qu¸ tr×nh lÆp nµy ®îc tiÕp tôc, vµ trong mçi lÇn chi phÝ cña kÕ ho¹ch b¬m ®îc tÝnh to¸n. Tèi u hãa lo¹i bá qu¸ tr×nh thö sai, hay nãi c¸ch kh¸c lµ lo¹i bá viÖc thay ®æi mét thiÕt kÕ vµ m« pháng l¹i víi mçi thay ®æi thiÕt kÕ míi. Thay vµo ®ã, m« h×nh tèi u sÏ tù ®éng thay ®æi c¸c tham sè thiÕt kÕ. Mét quy tr×nh tèi u bao gåm nh÷ng biÓu diÔn to¸n häc m« t¶ hÖ thèng vµ ph¶n øng cña hÖ thèng nµy ®èi víi c¸c ®Çu vµo vµ c¸c tham sè thiÕt kÕ kh¸c nhau. 26
Nh÷ng biÓu diÔn to¸n häc nµy lµ c¸c rµng buéc trong m« h×nh tèi u. H¬n n÷a, c¸c rµng buéc ®îc sö dông ®Ó ®Þnh nghÜa c¸c giíi h¹n cña c¸c biÕn thiÕt kÕ vµ viÖc thùc hiÖn ®îc ®¸nh gi¸ th«ng qua mét hµm môc tiªu. Hµm môc tiªu nµy cã thÓ lµ cùc tiÓu hãa chi phÝ. Mét u ®iÓm cña ph¬ng ph¸p truyÒn thèng lµ kinh nghiÖm vµ trùc quan cña ngêi kü s ®îc sö dông trong viÖc t¹o ra c¸c thay ®æi nhËn thøc cña hÖ thèng hoÆc ®Ó thay ®æi hay t¹o ra c¸c ®Æc trng bæ sung. Tuy nhiªn, ph¬ng ph¸p truyÒn thèng cã thÓ dÉn tíi nh÷ng thiÕt kÕ vµ chÝnh s¸ch vËn hµnh cha tèi u hay cha kinh tÕ. Ph¬ng ph¸p truyÒn thèng còng cã thÓ tiªu tèn rÊt nhiÒu thêi gian. Mét qui tr×nh tèi u ®ßi hái ngêi kü s ph¶i x¸c ®Þnh râ c¸c biÕn thiÕt kÕ, hµm môc tiªu hay ®¸nh gi¸ vÒ sù thùc hiÖn ®Ó ®îc tèi u, vµ c¸c rµng buéc hÖ thèng. Tr¸i víi qu¸ tr×nh ra quyÕt ®Þnh trong ph¬ng thøc truyÒn thèng, qui tr×nh tèi u hãa ®îc tæ chøc chÆt chÏ h¬n víi viÖc sö dông híng tiÕp cËn to¸n häc ®Ó lùa chän c¸c quyÕt ®Þnh. 1.4.3. Tèi u hãa Mét bµi to¸n tèi u nguån níc cã thÓ ®îc thiÕt lËp trong mét khung c«ng viÖc tæng qu¸t dùa trªn c¸c biÕn quyÕt ®Þnh (x) víi mét hµm môc tiªu ®Ó Tèi u hãa hµm f(x) (1.4.3) víi c¸c rµng buéc g(x) = 0 (1.4.4) vµ c¸c ®iÒu kiÖn rµng buéc liªn quan ®Õn biªn cña c¸c biÕn quyÕt ®Þnh: (1.4.5) x
H×nh 1.4.1 Qu¸ tr×nh ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ th«ng dông. Tïy thuéc vµo ®Æc ®iÓm cña hµm môc tiªu vµ c¸c rµng buéc, mét bµi to¸n tèi u cã thÓ ®îc ph©n lo¹i thµnh: (a) tuyÕn tÝnh – phi tuyÕn; (b) tÊt ®Þnh – ngÉu nhiªn; (c) tÜnh - ®éng; (d) liªn tôc – rêi r¹c; (e) th«ng sè tËp trung – th«ng sè ph©n phèi. Bµi to¸n quy ho¹ch tuyÕn tÝnh (Linear Programming - LP) lµ bµi to¸n cã hµm môc tiªu vµ tÊt c¶ c¸c rµng buéc lµ tuyÕn tÝnh. C¸c bµi to¸n quy ho¹ch phi tuyÕn ®îc m« t¶ bëi c¸c ph¬ng tr×nh phi tuyÕn, cã nghÜa lµ mét phÇn hoÆc tÊt c¶ c¸c rµng buéc vµ/hoÆc hµm môc tiªu lµ phi tuyÕn. C¸c bµi to¸n tÊt ®Þnh bao gåm c¸c hÖ sè vµ th«ng sè cã c¸c gi¸ trÞ kh«ng ®æi. Ngîc l¹i, bµi to¸n ngÉu nhiªn (hay x¸c suÊt) chøa c¸c th«ng sè bÊt ®Þnh ®îc xem nh c¸c biÕn ngÉu nhiªn. C¸c bµi to¸n tÜnh kh«ng xem xÐt mét c¸ch têng minh vÒ mÆt thêi gian thay ®æi trong khi c¸c bµi to¸n ®éng cã xem xÐt ®Õn mÆt nµy. C¸c bµi to¸n tÜnh ®îc gäi lµ c¸c bµi to¸n quy ho¹ch to¸n häc (mathematical programming) vµ c¸c bµi to¸n ®éng ®îc gäi lµ c¸c bµi to¸n ®iÒu khiÓn tèi u (optimal control problem). C¸c bµi to¸n ®iÒu khiÓn tèi u nµy cã liªn quan ®Õn c¸c ph¬ng tr×nh vi ph©n. C¸c bµi to¸n liªn tôc cã c¸c biÕn lµ liªn tôc trong khi c¸c bµi 28
to¸n rêi r¹c cã c¸c biÕn lµ biÕn rêi r¹c. D¹ng tiªu biÓu cña bµi to¸n rêi r¹c lµ c¸c bµi to¸n quy ho¹ch sè nguyªn trong ®ã c¸c biÕn ph¶i cã c¸c gi¸ trÞ nguyªn. Mét bµi to¸n tËp trung nh×n nhËn c¸c th«ng sè vµ c¸c biÕn lµ ®ång nhÊt trªn hÖ thèng trong khi bµi to¸n ph©n bè ph¶i xem xÐt c¸c biÕn ®æi chi tiÕt c¸c qu¸ tr×nh tr¹ng th¸i (hµnh vi) cña hÖ thèng tõ vÞ trÝ nµy tíi vÞ trÝ kh¸c. C¸c ph¬ng ph¸p tèi u hãa ®îc lùa chän sö dông dùa trªn: (1) lo¹i hµm môc tiªu; (2) lo¹i rµng buéc; (3) sè lîng c¸c biÕn quyÕt ®Þnh. B¶ng 1.4.1 liÖt kª mét sè bíc tæng qu¸t ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n tèi u. Mét sè c¸c bµi to¸n cã thÓ kh«ng yªu cÇu ngêi kü s ph¶i tiÕn hµnh c¸c bíc theo ®óng thø tù ®ã, tuy nhiªn tÊt c¶ c¸c bíc ®Òu cÇn ®îc xem xÐt trong qu¸ tr×nh gi¶i. Môc tiªu tæng qu¸t cña tèi u hãa lµ x¸c ®Þnh mét tËp hîp c¸c gi¸ trÞ cña c¸c biÕn quyÕt ®Þnh tháa m·n c¸c rµng buéc vµ cho mét ph¶n øng tèi u tíi hµm môc tiªu. B ¶ng 1.4.1 S¸u bíc sö dông ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n tèi u (Edgar vµ Himmelblau, 1988) 1. Ph©n tÝch qu¸ tr×nh ®Ó ®Þnh nghÜa c¸c biÕn vµ c¸c ®Æc trng cô thÓ cña qu¸ tr×nh mµ ta quan t©m, cã nghÜa lµ liÖt kª tÊt c¶ c¸c biÕn. 2. X¸c ®Þnh chØ tiªu ®¸nh gi¸ cho tèi u hãa vµ thiÕt lËp hµm môc tiªu dùa theo c¸c biÕn nªu trªn vµ c¸c hÖ sè. Bíc nµy cung cÊp cho chóng ta m« h×nh ho¹t ®éng (®«i khi ®îc gäi lµ m« h×nh kinh tÕ ). Th«ng qua c¸c diÔn gi¶i to¸n häc, ph¸t triÓn mét qui tr×nh hay mét m« 3. h×nh c«ng cô chuÈn liªn hÖ gi÷a c¸c biÕn vµo-ra cña qu¸ tr×nh vµ c¸c hÖ sè liªn quan. §a vµo sö dông c¸c rµng buéc ë d¹ng ph¬ng tr×nh vµ bÊt ph¬ng tr×nh. Sö dông c¸c nguyªn lý vËt lý næi tiÕng (c©n b»ng khèi lîng, n¨ng lîng), c¸c quan hÖ thùc nghiÖm, c¸c kh¸i niÖm Èn, vµ c¸c h¹n chÕ do yÕu tè bªn ngoµi hÖ thèng. X¸c ®Þnh c¸c biÕn ®éc lËp vµ biÕn phô thuéc ®Ó cã ®îc sè c¸c møc ®é tù do. NÕu viÖc thiÕt lËp vÊn ®Ò cã ph¹m vi qu¸ réng: 4. a. Chia ra thµnh c¸c phÇn nhá cã thÓ gi¶i quyÕt, hoÆc: b. §¬n gi¶n hãa hµm môc tiªu vµ m« h×nh 5. ¸p dông kü thuËt gi¶i tèi u phï hîp víi c¸c ph¸t biÓu to¸n häc cña bµi to¸n. 6. KiÓm tra kÕt qu¶, x¸c ®Þnh ®é nh¹y cña c¸c kÕt qu¶ ®èi víi sù thay ®æi gi¸ trÞ c¸c hÖ sè vµ gi¶ thiÕt. 1.4.4. Tèi u ®¬n môc tiªu hay ®a môc tiªu 29
Ngµy cµng cã nhiÒu c¸c bµi to¸n phøc t¹p liªn quan ®Õn nguån níc mµ c¸c nhµ chuyªn m«n cÇn t×m lêi gi¶i. Trong hÇu hÕt c¸c bµi to¸n nguån níc nµy, qu¸ tr×nh ra quyÕt ®Þnh thêng liªn quan ®Õn yªu cÇu ®¹t ®îc ®ång thêi nhiÒu môc tiªu. NhiÒu trong sè c¸c môc tiªu nµy kh«ng t¬ng xøng hoÆc m©u thuÉn víi nhau. Trong c¸c trêng hîp nµy sù c¶i thiÖn mét vµi môc tiªu kh«ng thÓ ®¹t ®îc nÕu kh«ng hy sinh c¸c môc tiªu kh¸c. Do vËy kh¸i niÖm "tèi u" trong bèi c¶nh ®¬n môc tiªu kh«ng cßn phï hîp. Thay vµo ®ã, môc tiªu cña "tèi u" trong khung c«ng viÖc ®¬n môc tiªu ®îc thay thÕ bëi kh¸i niÖm "kh«ng gi¶m" trong ph©n tÝch ®a môc tiªu. Cohon (1978) ®Þnh nghÜa sù kh«ng gi¶m nh sau: Mét nghiÖm kh¶ thi cña mét bµi to¸n quy ho¹ch ®a môc tiªu lµ kh«ng gi¶m nÕu kh«ng tån t¹i c¸c nghiÖm kh¶ thi kh¸c mµ chóng cã thÓ c¶i thiÖn mét môc tiªu mµ kh«ng t¹o ra mét sù suy gi¶m cña Ýt nhÊt mét môc tiªu kh¸c. Kh¸i niÖm "kh«ng gi¶m" ®îc thiÕt lËp ®Ó tèi ®a hãa hai môc tiªu m©u thuÉn víi nhau (z1 vµ z2) ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 1.4.2. Theo ®Þnh nghÜa cña Cohon, hiÓn nhiªn lµ tÊt c¶ c¸c ®iÓm trong miÒn nghiÖm, kh«ng thuéc biªn ABCD, ph¶i lµ c¸c nghiÖm suy gi¶m cña c¸c bµi to¸n ®a môc tiªu bëi v× ®èi víi c¸c nghiÖm suy gi¶m nµy tån t¹i Ýt nhÊt mét nghiÖm kh¶ thi kh¸c mµ víi nã c¸c hµm môc tiªu cã thÓ ®îc c¶i thiÖn ®ång thêi. MÆt kh¸c, ®èi víi c¸c ®iÓm nghiÖm n»m trªn ®êng cong ABCD, nh ®iÓm B, nã kh«ng thÓ dÞch chuyÓn ®Õn bÊt kú ®iÓm nµo trong miÒn nghiÖm mµ kh«ng lµm suy gi¶m Ýt nhÊt mét trong sè c¸c môc tiªu. Mét tËp hîp c¸c ®iÓm kh«ng gi¶m nµy ®Þnh ra mét tËp nghiÖm kh«ng gi¶m, vµ ®é dèc cña ®êng cong ®Þnh nghÜa tû lÖ thay thÕ biªn (marginal rate of substitution), thÓ hiÖn sù ®¸nh ®æi (trade-off) gi÷a c¸c môc tiªu m©u thuÉn. NghiÖm cña bµi to¸n tèi u ®a môc tiªu kh«ng thÓ t×m ®îc nÕu nh nhµ ra quyÕt ®Þnh kh«ng cung cÊp mét ®Æc trng hãa sù u tiªn cña anh ta gi÷a c¸c môc tiªu liªn quan. Th«ng tin liªn quan ®Õn sù u tiªn cña nhµ ra quyÕt ®Þnh thêng ®îc thÓ hiÖn b»ng ®å thÞ díi d¹ng mét ®êng cong u tiªn (xem h×nh 1.4.2). Lîi Ých cña nhµ ra quyÕt ®Þnh lµ nh nhau ®èi víi c¸c tËp nghiÖm n»m trªn ®êng cong u tiªn. NghiÖm tháa hiÖp tèt nhÊt (the best compromised solution) cho mét bµi to¸n ®a môc tiªu lµ mét tËp hîp duy nhÊt c¸c ph¬ng ¸n mang l¹i lîi Ých tæng hîp tèi ®a. C¸c ph¬ng ¸n nµy lµ c¸c phÇn tö thuéc c¶ tËp nghiÖm kh«ng suy gi¶m vµ ®êng cong u tiªn. Mét ph¬ng ¸n nh vËy chØ tån t¹i t¹i mét giao ®iÓm cña ®êng cong u tiªn vµ tËp nghiÖm kh«ng suy gi¶m. VÒ mÆt to¸n häc, bµi to¸n quy ho¹ch ®a môc tiªu cã thÓ diÔn ®¹t b»ng tèi u hãa vÐc t¬: Tèi u hãa f(x) = {f1(x), f2(x)... fK(x)} (1.4.6) trong ®ã, f(x) lµ vÐc t¬ K chiÒu c¸c hµm môc tiªu vµ c¸c ký hiÖu cßn l¹i ®· ®îc ®Þnh nghÜa ë c¸c ph¬ng tr×nh (1.4.4) vµ (1.4.5). Cã rÊt nhiÒu ph¬ng 30
ph¸p ®îc ®a ra ®Ó t×m lêi gi¶i cho mét bµi to¸n ®a môc tiªu. VÒ c¬ b¶n, chóng cã thÓ ®îc ph©n ra lµm hai nhãm (Cohon, 1978): c¸c kü thuËt t¹o nghiÖm vµ c¸c kü thuËt tæng hîp c¸c kiÕn thøc cho tríc cña sù u tiªn. C¸c kü thuËt gi¶i c¸c bµi to¸n ®a môc tiªu còng cã thÓ t×m thÊy ë c¸c tµi liÖu kh¸c (Cohon, 1978; Chankhong vµ Haimes, 1985). Mét kü thuËt tèi u ®Ó gi¶i bµi to¸n ®¬n môc tiªu lµ lu«n cÇn thiÕt ®Ó gi¶i mét bµi to¸n ®a môc tiªu víi bÊt kú mét ph¬ng ph¸p gi¶i nµo. 1.4.5. BÊt ®Þnh trong ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng nguån níc Ph©n tÝch rñi ro vµ ®é tin cËy trong thiÕt kÕ hÖ thèng nguån níc yªu cÇu viÖc x¸c ®Þnh tÝnh bÊt ®Þnh vµ c¸c ®Þnh nghÜa vÒ rñi ro còng nh ®é tin cËy. TÝnh bÊt ®Þnh cã thÓ ®Þnh nghÜa mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ sù x¶y ra cña c¸c sù kiÖn n»m ngoµi sù kiÓm so¸t cña chóng ta. TÝnh bÊt ®Þnh cña mét hÖ thèng nguån níc lµ mét ®Æc tÝnh kh«ng tÊt ®Þnh vµ n»m ngoµi c¸c sù kiÓm so¸t cña chóng ta. Trong thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng nguån níc, c¸c quyÕt ®Þnh ®îc lùa chän víi sù song song tån t¹i cña nhiÒu lo¹i bÊt ®Þnh kh¸c nhau. Nh×n chung, c¸c bÊt ®Þnh trong dù ¸n kü thuËt tµi nguyªn níc cã thÓ chia ra lµm mét sè nhãm c¬ b¶n sau: thñy v¨n, thñy lùc, c«ng tr×nh vµ kinh tÕ. BÊt ®Þnh thñy v¨n cho mét bµi to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng nguån níc cã thÓ tiÕp tôc ®îc ph©n ra lµm ba lo¹i: bÊt ®Þnh cè h÷u, bÊt ®Þnh th«ng sè vµ bÊt ®Þnh m« h×nh. Nh×n chung, sù x¶y ra cña rÊt nhiÒu biÕn cè thñy v¨n nh dßng ch¶y, ma cã thÓ ®îc xem lµ c¸c qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn do tÝnh ngÉu nhiªn cè h÷u hay tù nhiªn quan s¸t ®îc. Do thiÕu c¸c th«ng tin thñy v¨n hoµn h¶o vÒ c¸c qu¸ tr×nh hay biÕn cè nµy, vÝ dô nh mét chuçi sè liÖu ®o ®¹c lÞch sö dµi v« tËn, mµ tån t¹i c¸c lo¹i bÊt ®Þnh th«ng tin vÒ c¸c qu¸ tr×nh nµy. C¸c lo¹i bÊt ®Þnh nµy ®îc gäi lµ bÊt ®Þnh th«ng sè vµ bÊt ®Þnh m« h×nh. RÊt hiÕm cã trêng hîp cã ®Çy ®ñ th«ng tin ®Ó ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c c¸c th«ng sè vµ c¸c ®Æc trng thèng kª cña mét m« h×nh x¸c suÊt. 31
H×nh 1.4.2 Minh häa sù ®¸nh ®æi (tradeoff) gi÷a c¸c môc tiªu trong mét bµi to¸n tèi u hai chiÒu BÊt ®Þnh thñy lùc ® îc dïng ®Ó chØ tÝnh bÊt ®Þnh cã trong thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh thñy lùc vµ trong ph©n tÝch ho¹t ®éng cña c¸c c«ng tr×nh nµy. Lo¹i bÊt ®Þnh nµy chñ yÕu h×nh thµnh tõ ba lo¹i c¬ b¶n: m« h×nh, viÖc x©y dùng vµ nguyªn liÖu x©y dùng, vµ c¸c ®iÒu kiÖn dßng ch¶y khi vËn hµnh. TÝnh bÊt ®Þnh m« h×nh h×nh thµnh tõ viÖc sö dông c¸c m« h×nh thñy lùc ®· ®îc gi¶n hãa hoÆc lý tëng hãa ®Ó m« t¶ c¸c ®iÒu kiÖn dßng ch¶y. Nã ®ãng gãp vµo tÝnh bÊt ®Þnh trong viÖc x¸c ®Þnh c«ng suÊt thiÕt kÕ cña c¸c c«ng tr×nh thñy lùc. VÝ dô, dßng ch¶y qua hay trªn c¸c c«ng tr×nh thñy lùc lµ kh«ng æn ®Þnh vµ kh«ng ®Òu vµ cã thÓ ®îc m« t¶ b»ng hÖ ph¬ng tr×nh St. Venant viÕt díi d¹ng mét chiÒu. Tuy nhiªn, mét sè ph¬ng tr×nh, nh Manning, tuy kh«ng ®¸p øng ®Ó cho viÖc m« t¶ dßng kh«ng æn ®Þnh vµ kh«ng ®Òu nhng vÉn thêng xuyªn ®îc sö dông trong thùc hµnh. §iÒu thùc tÕ nµy t¹o ra mét tÝnh bÊt ®Þnh n÷a cã thÓ gäi lµ sai sè m« h×nh. BÊt ®Þnh x©y dùng vµ nguyªn vËt liÖu h×nh thµnh mét phÇn tõ kÝch thíc c«ng tr×nh, vÝ dô nh ®êng kÝnh èng dÉn níc th¶i hay chiÒu réng vµ chiÒu s©u cöa cèng. Biªn ®é sai sè cña nhµ s¶n xuÊt hay biªn ®é sai sè x©y dùng cã thÓ biÕn ®æi lín vµ t¹o ra c¸c lo¹i bÊt ®Þnh nµy. Mét yÕu tè kh¸c lµ sù l¾p ®Æt sai cña mét c«ng tr×nh thñy lùc còng nh ®Þnh vÞ t¹o nªn c¸c sai sè, vÝ dô nh ®é dèc. Sù biÕn ®æi vËt liÖu còng cã thÓ g©y ra c¸c thay ®æi vÒ kÝch 32
cì vµ ph©n bè cña hÖ sè nh¸m bÒ mÆt vµ t¹o ra sai sè cña c¸c yÕu tè vÒ ®é nh¸m. C¸c thay ®æi cña c¸c hÖ sè ma s¸t vµ sù suy gi¶m kÝch thíc c«ng tr×nh cho båi l¾ng cã thÓ ®îc xem lµ lo¹i bÊt ®Þnh trong c¸c ®iÒu kiÖn vËn hµnh. §ång thêi, c¸c yÕu tè kh¸c nh kh«ng vÖ sinh c«ng tr×nh ®Ó chèng t¾c còng cã thÓ g©y ra mét lo¹i bÊt ®Þnh. BÊt ®Þnh c«ng tr×nh chØ sù cè tõ sù yÕu kÐm cña c«ng tr×nh. C¸c sù cè (h háng) vËt lý cña c¸c c«ng tr×nh thñy lùc trong c¸c hÖ thèng nguån níc cã thÓ do nhiÒu vÊn ®Ò nh sù b·o hßa níc vµ mÊt ®é æn ®Þnh cña ®Êt, xãi mßn vµ h háng kÕt cÊu thñy lùc ®Êt, ho¹t ®éng cña sãng, qu¸ t¶i thñy lùc, sËp ®æ c«ng tr×nh, vµ nhiÒu thø kh¸c. Mét vÝ dô tiªu biÓu lµ h háng cña mét hÖ thèng ®ª x¶y ra ngay t¹i ®ª hay t¹i vïng l©n cËn. Sù cè c«ng tr×nh cña hÖ thèng ®ª cã thÓ do b·o hßa níc vµ lµm mÊt tÝnh æn ®Þnh cña ®Êt. Sãng lò còng cã thÓ lµm t¨ng ®é b·o hoµ cña ®Êt g©y ra do truît lë bê. §ª còng cã thÓ bÞ h háng do c¸c sù cè vÒ thñy lùc ®Êt vµ ho¹t ®éng cña sãng. C¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch rÊt hiÕm khi bao gåm ph©n tÝch x¸c suÊt x¶y ra sù cè cña c¸c c«ng tr×nh mét c¸ch têng minh. KÕt qu¶ do ®ã cã thÓ ®¸nh gi¸ qu¸ cao søc b¶o vÖ cña c«ng tr×nh thñy lùc vµ ®¸nh gi¸ thÊp c¸c thiÖt h¹i cã thÓ x¶y ra. BÊt ®Þnh kinh tÕ cã thÓ ph¸t sinh tõ c¸c lo¹i bÊt ®Þnh trong c¸c gi¸ thµnh x©y dùng, c¸c gi¸ trÞ thiÖt h¹i, l·i rßng dù kiÕn, chi phÝ cho vËn hµnh vµ b¶o qu¶n c«ng tr×nh, trît gi¸, tuæi thä c«ng tr×nh vµ c¸c lo¹i chi phÝ lîi nhuËn v« h×nh kh¸c. Chi phÝ x©y dùng, thiÖt h¹i, vËn hµnh vµ b¶o qu¶n ®Òu g¾n liÒn víi c¸c lo¹i bÊt ®Þnh do sù biÕn ®éng cña tèc ®é t¨ng gi¸ x©y dùng, nh©n c«ng, vËn chuyÓn, thiÖt h¹i kinh tÕ, sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c vïng vµ rÊt nhiÒu yÕu tè kh¸c. VÊn ®Ò vÒ c¸c xu thÕ l¹m ph¸t còng t¹o ra c¸c lo¹i bÊt ®Þnh nªn ®îc xÐt tíi khi ®¸nh gi¸ lîi Ých kinh tÕ cña c¸c dù ¸n cña nguån níc. Còng cã rÊt nhiÒu c¸c lo¹i bÊt ®Þnh kinh tÕ vµ x· héi cã liªn quan ®Õn c¸c chi phÝ phi thuËn lîi. Mét vÝ dô cña lo¹i nµy lµ sù cè cña mét nót giao th«ng xa lé do lò t¹o nªn c¸c thiÖt h¹i vÒ giao th«ng. 1.4.6. Nh÷ng øng dông cña tèi u hãa vµo c¸c hÖ thèng nguån níc Tèi u hãa cã thÓ ®îc ¸p dông vµo rÊt nhiÒu c¸c lo¹i øng dông cho c¸c dù ¸n vµ bµi to¸n kü thuËt hÖ thèng nguån níc, bao gåm: 1. ThiÕt lËp c¸c chÝnh s¸ch vËn hµnh c¸c hå chøa 2. ThiÕt kÕ c¸c dung tÝch hå chøa vµ ®Þa ®iÓm x©y dùng 3. VËn hµnh c¸c nhµ m¸y thñy ®iÖn 4. VËn hµnh c¸c hÖ thèng tíi 5. VËn hµnh c¸c tÇng ngËm níc vïng ®Ó x¸c ®Þnh lu lîng b¬m vµ håi quy 6. ThiÕt kÕ c¸c hÖ thèng chuyÓn níc (dewatering) tÇng ngËm níc 33
7. ThiÕt kÕ c¸c hÖ thèng c¶i t¹o tÇng ngËm níc 8. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cho c¸c tÇng ngËm níc 9. ThiÕt kÕ vµ vËn hµnh c¸c hÖ thèng ph©n phèi níc víi chi phÝ nhá nhÊt 10. Thay thÕ vµ phôc håi c¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng ph©n phèi níc 11. X¸c ®Þnh tuyÕn ®êng èng dÉn níc 12. ThiÕt kÕ c¸c hÖ thèng tiªu tho¸t níc do b·o víi gi¸ thµnh nhá nhÊt 13. ThiÕt kÕ c¸c lu vùc chËm lò 14. X¸c ®Þnh c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò. 15. X¸c ®Þnh c¸c dßng níc ngät ch¶y vµo c¸c vÞnh vµ c¸c vïng cöa s«ng 16. X¸c ®Þnh n¨ng lîng vµ s¶n lîng bÒn v÷ng 1.4.7. X©y dùng m« h×nh tèi u ViÖc x©y dùng m« h×nh tèi u cã thÓ ®îc chia ra lµm 5 giai ®o¹n chÝnh sau: 1. Thu thËp sè liÖu vµ m« t¶ hÖ thèng 2. §Þnh nghÜa vµ thiÕt lËp bµi to¸n 3. X©y dùng m« h×nh 4. KiÓm ®Þnh vµ ®¸nh gi¸ chÊt lîng m« h×nh 5. ¸p dông m« h×nh vµ diÔn gi¶i kÕt qu¶ C¸c giai ®o¹n chÝnh trªn ®îc m« t¶ trªn h×nh 1.4.3. ViÖc thu thËp sè liÖu cã thÓ rÊt tèn thêi gian nhng l¹i lµ mét bíc cùc kú quan träng cña qu¸ tr×nh x©y dùng m« h×nh. Sè lîng vµ ®é chÝnh x¸c cña sè liÖu cã ¶nh hëng rÊt lín ®Õn quy m« vµ néi dung cña m« h×nh ®îc thiÕt lËp vµ kh¶ n¨ng ®¸nh gi¸ vµ kiÓm ®Þnh m« h×nh. ViÖc ®Þnh nghÜa vµ thiÕt lËp bµi to¸n bao gåm c¸c bíc sau: x¸c ®Þnh c¸c biÕn quyÕt ®Þnh; thiÕt lËp c¸c môc tiªu m« h×nh; vµ thiÕt lËp c¸c rµng buéc cña m« h×nh. §Ó tiÕn hµnh c¸c bíc nµy ta ph¶i: 1. X¸c ®Þnh c¸c phÇn tö quan träng ®èi víi bµi to¸n. 2. X¸c ®Þnh ®é chÝnh x¸c yªu cÇu cña m« h×nh 3. X¸c ®Þnh c¸c môc ®Ých sö dông tiÒm n¨ng cña m« h×nh 4. §¸nh gi¸ cÊu tróc vµ ®é phøc t¹p cña m« h×nh 5. X¸c ®Þnh sè c¸c biÕn ®éc lËp, sè c¸c ph¬ng tr×nh cÇn thiÕt ®Ó m« t¶ hÖ thèng, vµ sè c¸c th«ng sè cha biÕt. Giai ®o¹n x©y dùng m« h×nh bao gåm: m« t¶ to¸n häc, íc lîng th«ng sè, x©y dùng ®Çu vµo cña m« h×nh vµ x©y dùng phÇn mÒm. Giai ®o¹n x©y dùng m« h×nh lµ mét qu¸ tr×nh lÆp. Trong nhiÒu trêng hîp, nã yªu cÇu quay trë l¹i giai ®o¹n ®Þnh nghÜa vµ thiÕt lËp bµi to¸n. 34
Giai ®o¹n ®¸nh gi¸ vµ kiÓm ®Þnh lµ qu¸ tr×nh kiÓm tra m« h×nh nh mét tæng thÓ. §Çu tiªn ph¶i kiÓm tra tÊt c¶ c¸c phÇn tö cña m« h×nh, vµ nªn ®îc tiÕn hµnh sím ë qu¸ tr×nh x©y dùng m« h×nh. Trong rÊt nhiÒu trêng hîp ngêi lµm m« h×nh ph¶i x¸c ®Þnh xem c¸c quan hÖ to¸n häc cã m« t¶ hÖ thèng thùc tÕ mét c¸ch phï hîp kh«ng. Mét ph©n tÝch ®é nhËy nªn ®îc tiÕn hµnh ®Ó kiÓm tra ®Çu vµo vµ tham sè cña m« h×nh. Qu¸ tr×nh ®¸nh gi¸ vµ kiÓm ®Þnh m« h×nh lµ mét qu¸ tr×nh lÆp vµ cã thÓ yªu cÇu quay l¹i giai ®o¹n ®Þnh nghÜa vµ thiÕt lËp bµi to¸n, råi ®Õn giai ®o¹n x©y dùng m« h×nh nh ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.4.3. KiÓm ®Þnh chÊt lîng m« h×nh bao gåm kiÓm ®Þnh tÝnh logic, c¸c gi¶ thiÕt cña m« h×nh vµ c¸c qu¸ tr×nh tr¹ng th¸i (hµnh vi) cña m« h×nh. Mét khÝa c¹nh quan träng cña qu¸ tr×nh nµy lµ trong hÇu hÕt c¸c trêng hîp sè liÖu ®îc sö dông trong qu¸ tr×nh thiÕt lËp bµi to¸n kh«ng nªn ®îc sö dông ë bíc kiÓm ®Þnh nµy. Mét ®iÒu kh¸c cÇn ghi nhí lµ kh«ng cã mét quy tr×nh kiÓm ®Þnh ®¬n lÎ nµo lµ phï hîp cho tÊt c¶ c¸c m« h×nh. H×nh 1.4.3 X©y dùng m« h×nh tèi u Tµi liÖu tham kh¶o 35