Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc" được thực hiện với mục đích xây dựng phương pháp giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc; ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho cây trồng cạn vùng Trung du, miền núi phía Bắc.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ DOAN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM TƯỚI CHO VÙNG ĐẤT DỐC KHU VỰC TRUNG DU, MIỀN NÚI PHÍA BẮC Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9580212 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh Phản biện 1: GS. TS. Trần Viết Ổn, Hội Thủy lợi Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn, Viện Quy hoạch Thủy lợi Phản biện 3: PGS.TS. Trần Chí Trung, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ vào lúc giờ ngày tháng năm 2024. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Việt Nam có diện tích đất đồi núi khá lớn có thể canh tác cây trồng cạn gồm các cây ăn quả, cây công nghiệp, cây lương thực… Theo số liệu điều tra của Tổng cục thống kê, diện tích gieo trồng cây trồng cạn năm 2020 ở một số khu vực như sau: Trung du, miền núi phía Bắc (TDMNPB): 1.241.400 ha; Tây Nguyên: 1.640.600 ha;... Việc tưới nước cho cây trồng cạn vùng đồi núi, ngoài việc tận dụng nước mưa, còn lại chủ yếu tưới bằng động lực (chiếm khoảng 90%), các hình thức bơm động lực có thể kể đến là: bơm giếng sâu, bơm tia, bơm nước va, bơm thủy luân, bơm cánh quạt ly tâm, lấy nước ngầm, nước từ hồ và sông suối… Trong đó phổ biến là hình thức dùng trạm bơm lấy nước từ sông, suối, hồ chứa cho các dải đất, vùng đồi canh tác ven bờ sông, suối trên sườn dốc. Trong công tác thiết kế, quy hoạch, vận hành các hệ thống tưới nói chung, các trạm bơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt ra bài toán cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu sao cho chi phí đầu tư xây dựng ban đầu và chi phí năng lượng bơm là nhỏ nhất. Với công trình cấp nước cho các khu tưới có dạng trên là cần xác định phương án bố trí và thông số thiết kế cho các trạm bơm trong tổ hợp các phương án thiết kế khác nhau sao cho đảm bảo yêu cầu tưới với chi phí đầu tư xây dựng, chi phí quản lý vận hành là nhỏ nhất. Do đó, vấn đề cấp thiết hiện nay đang cần là cấp nước tưới cho các loại cây trồng cạn có giá trị kinh tế cao ở vùng đất dốc khu vực TDMNPB, là vùng đất chưa được khai thác hiệu quả, còn nhiều tiềm năng phát triển kinh tế của nước ta. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc” là đề tài có ý nghĩa lớn về khoa học, học thuật, có tính thực tiễn cao, giúp các cơ quan quản lý định hướng và lựa chọn sơ đồ bố trí, loại máy bơm phù hợp, có hiệu quả kinh tế cao đối với các dự án đầu tư xây dựng phục vụ tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc ở nước ta. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng phương pháp giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc; - Ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho cây trồng cạn vùng TDMNPB. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới bao gồm sơ đồ bố trí trạm bơm; các thông số về quy mô diện tích phụ trách; lưu lượng thiết kế trạm bơm; cột nước bơm thiết kế; số máy bơm trong một trạm; loại máy bơm và loại hình nhà máy bơm. - Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB, nghiên cứu điển hình cho tỉnh Hòa Bình; vùng tưới trồng cây tập trung, địa hình liên tục dạng bát úp, mặt đất dốc đều có độ dốc i ≤ 30% và vùng tưới dạng hình chữ nhật có tỷ lệ giữa cạnh dài và cạnh ngắn ≤ 1,5; diện tích khu tưới ≤ 150 ha. Trong luận án chỉ tập trung nghiên cứu trạm bơm đầu mối và đường ống dẫn tới bể xả. 4. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên, quy mô, hiện trạng sản xuất cây trồng cạn và các mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB. Tổng quan các nghiên cứu liên quan cả trong và ngoài nước; phân tích cơ sở lý thuyết, đề xuất cơ sở khoa học, phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc; áp dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí, thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc và ứng dụng phần mềm phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc để xác định các phương án tối ưu cho một số vùng điển hình và thiết lập các thông số để lựa chọn phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho cây trồng vùng đất dốc. 2
5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê: tổng hợp, phân tích các tài liệu đã có nhằm tổng kết, kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án; phương pháp phân tích hệ thống: ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống, phân tích các yếu tố liên quan đến kết quả của bài toán, từ đó có cơ sở thiết lập mô hình toán: phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6.1 Ý nghĩa khoa học Phát triển phương pháp luận giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc. 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Dựa trên kết quả nghiên cứu của luận án này, người thiết kế có thể xác định phương án thiết kế khác nhau và nhanh chóng tìm ra được phương án tối ưu khi quy hoạch, thiết kế trạm bơm tưới cho vùng đất dốc. 7. Cấu trúc luận án Gồm phần mở đầu, 3 chương chính và kết luận. Ngoài ra còn có các phần: các công trình tác giả đã công bố; tài liệu tham khảo, phụ lục. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về đất dốc Đất dốc là đất có bề mặt nghiêng, thường gồ ghề không bằng phẳng hay nhấp nhô, lượn sóng. Trong sản xuất nông lâm nghiệp người ta phân chia đất đai theo 5 cấp độ dốc. Thực tế cho thấy vùng trồng cây tập trung, cây có giá trị kinh tế cao chủ yếu ở vùng trung du, vùng đồi có đất dốc nhẹ, dốc vừa được phân theo cấp độ dốc như sau: Vùng có đất dốc từ cấp I là dốc nhẹ có độ dốc dưới 7o tương đương với độ dốc i< 12,5%; Vùng đất dốc cấp II có độ dốc vừa với độ dốc 8o ÷ 15o tương đương 14% ≤ i ≤ 27% . Vì vậy, trong luận án này tác giả nghiên cứu cây trồng cạn tập trung vùng TDMNPB vùng đất dốc có độ dốc nhẹ và dốc vừa 3
có độ dốc i ≤ 27%, để thuận tiện trong quá trình nghiên cứu, tác giả chọn độ dốc i trong khoảng từ 10% ÷ 30%. 1.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên vùng TDMNPB Vùng TDMNPB bao gồm 14 tỉnh: Hà Giang, Cao Bằng, Lào Cai, Bắc Kạn, Lạng Sơn, Tuyên Quang, Yên Bái, Thái Nguyên, Phú Thọ, Bắc Giang, Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Hòa Bình cùng 21 huyện, một thị xã phía Tây của hai tỉnh Thanh Hóa và Nghệ An; vùng TDMNPB có địa hình khá phức tạp, khí hậu nhiệt đới gió mùa,...; mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn phổ biến là tưới tự chảy và tưới động lực: tưới tự chảy, tưới bằng động lực: dùng máy bơm, hệ thống công trình trạm bơm. Trong luận án này chủ yếu nghiên cứu những vùng cây trồng có giá trị kinh tế cao, có diện tích tương đối lớn do vậy thực tế cho thấy chủ yếu sử dụng tưới bằng động lực hình thức tưới là hồ → trạm bơm → hệ thống đường ống → vòi phun cầm tay. 1.3 Đánh giá về hiệu quả sử dụng nước tưới cho cây trồng cạn Hiệu quả sử dụng nước tưới cho cây trồng cạn của vùng TDMNPB chưa cao, vì những nguyên nhân chính sau đây: các công trình phục vụ cấp nước tưới cho cây trồng chưa được đầu tư đồng bộ, còn nhiều công trình bị xuống cấp, ...khó đáp ứng được yêu cầu cấp nước cho cây trồng cạn ngày càng phát triển nhất là cây trồng chủ lực;... những công nghệ tưới tiên tiến tiết kiệm nước cũng đang gặp nhiều hạn chế như vốn đầu tư nhiều, thiết bị phải thay thế hàng năm. 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến luận án 1.4.1 Các nghiên cứu nước ngoài Trong công tác thiết kế, vận hành các hệ thống tưới, cấp nước nói chung và các trạm bơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt ra bài toán cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu sao cho chi phí đầu tư ban đầu và chi phí năng lượng bơm là nhỏ nhất. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về bài toán này, điển hình như: Chase và Ormsbee (1989) đã đề xuất một phương pháp tiếp cận quy hoạch phi tuyến; Coulbeck và Orr năm 1985; Duan và cộng sự năm 1990; ... đã nghiên cứu các phương pháp được sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống bơm cấp 4
nước nhằm giảm thiểu chi phí vận hành. Mahdi Moradi-Jalal (2003) đã nghiên cứu bài toán thiết kế và vận hành tối ưu các trạm bơm tưới qua việc tích hợp một quy trình vận hành tối ưu vào sơ đồ thiết kế.... 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về giải pháp cấp nước tưới trên sườn dốc và một số nghiên cứu về bài toán thiết kế hệ thống tưới tiêu hợp lý điển hình như: tác giả Dương Thanh Lượng đã xây dựng bài toán để xác định hệ số tiêu thiết kế tối ưu cho các hệ thống tiêu vùng Đồng bằng Bắc Bộ; tác giả Phạm Thị Hoài phân vùng tối ưu hệ thống thủy nông Văn Giang; tác giả Nguyễn Tuấn Anh dựa trên lý thuyết phân tích hệ thống, phương pháp mô hình mô phỏng và tối ưu hóa để xây dựng bài toán xác định phương án và quy mô trạm bơm tưới áp dụng cho trạm bơm IAKO tỉnh Gia Lai. Tuy nhiên, kết quả này mới chỉ là bước đầu, vì bài toán đã đơn giản hóa nhiều yếu tố đầu vào, chưa xét đến biến đổi khí hậu. Kết luận chương 1 Việc cấp nước tưới cho cây trồng cạn vùng TDMNPB ngày càng được chú trọng. Việc tưới nước cho cây trồng cạn còn thiếu chủ động, mô hình tưới bằng động lực thì chi phí lớn; mặc dù bài toán về quy hoạch, quản lý nguồn nước tương đối đa dạng và phong phú. Khi phân tích lựa chọn phương án quy hoạch thường ứng dụng hai phương pháp rất đặc trưng của lý thuyết phân tích hệ thống đó là: phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô phỏng tuy nhiên ứng dụng phương pháp phân tích hệ thống để nghiên cứu xác định giải pháp cấp nước cho vùng đất dốc nhất là vùng TDMNPB còn nhiều hạn chế; với đặc điểm tự nhiên của vùng TDMNPB, những vùng đồi và vùng đất dốc i ≤ 30% là những vùng đất có tiềm năng rất lớn, phù hợp phát triển trên diện rộng, các vùng tập trung nhiều loại cây trồng có giá trị kinh tế cao. 5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Xây dựng bài toán Do đặc điểm địa hình của vùng trung du và miền núi các khu tưới thường mang những đặc điểm sau: những vùng đất canh tác thường có độ dốc lớn, ruộng bậc thang, diện tích khu tưới nhỏ và phân tán xen kẽ đồi núi. Do vậy, các trạm bơm tưới vùng đất dốc thường các cách bố trí như sau: bố trí trạm bơm một cấp; bố trí một trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo; bố trí nhiều trạm bơm riêng biệt; bố trí trạm bơm nhiều cấp. Trong công tác thiết kế các trạm bơm tưới cho cây trồng cạn trên vùng đất dốc, yêu cầu người thiết kế phải lựa chọn sơ đồ bố trí, xác định thông số thiết kế của các trạm bơm hợp lý để tiết kiệm chi phí xây dựng và vận hành hệ thống tưới. Các số liệu đầu vào gồm: tài liệu địa hình khu tưới, tài liệu khí tượng, thủy văn, nguồn nước, thổ nhưỡng, cây trồng,..Yêu cầu đặt ra là cần xác định một phương án thiết kế hợp lý về: sơ đồ bố trí hệ thống trạm bơm tưới, các thông số thiết kế như: lưu lượng Q, cột nước H, số máy bơm, loại máy bơm của mỗi trạm bơm sao cho hiệu quả nhất về kinh tế, kỹ thuật. 2.2 Lựa chọn phương pháp giải bài toán Để giải quyết bài toán đã nêu trên cần phân tích lựa chọn phương pháp giải phù hợp. Trong lĩnh thực thủy lợi, người ta thường sử dụng hai phương pháp đặc trưng của lý thuyết phân tích hệ thống đó là phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa. 2.2.1 Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới Do yêu cầu của thực tế sản xuất ngày càng phát triển, các nhà khoa học phải xem xét các phương pháp toán học nhằm tìm kiếm lời giải tối ưu khi thiết kế và điều khiển các hệ thống phức tạp do đó ra đời môn khoa học mới Lý thuyết 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 và các kỹ thuật phân tích hệ thống. 2.2.2 Hệ thống các quan điểm và nguyên lý tiếp cận hệ thống 6
2.2.2.1 Hệ thống các quan điểm Lý thuyết phân tích hệ thống coi trọng tính tổng thể, đây chính là quan điểm hệ thống thể hiện tính biện chứng trong nghiên cứu hệ thống. Quan điểm đó phải được lượng hóa bằng các mô hình toán học mô tả các quá trình của hệ thống. Lý thuyết phân tích hệ thống thừa nhận tính bất định của hệ thống, tôn trọng và thừa nhận tính liên ngành. Kết hợp giữa phương pháp hình thức và phương pháp phi hình thức, kết hợp giữa phân tích toán học và kinh nghiệm. 2.2.2.2 Nguyên lý tiếp cận hệ thống Nguyên lý tiếp cận hệ thống đó là tiếp cận từng bước và làm rõ mục tiêu của bài toán. Mô hình mô phỏng đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình tiếp cận hệ thống. 2.2.3 Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống Phân tích hệ thống, đặc biệt là hệ thống nguồn nước sử dụng hai công cụ chính là phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô phỏng. Phương pháp mô phỏng không giải bài toán tối ưu mà chỉ tìm các giá trị khả dĩ chấp nhận được với hàm mục tiêu. Vì phương pháp tối ưu có những hạn chế về phương pháp nhận nghiệm, bởi vậy có thể có sự giản hóa trong mô phỏng đối với các quá trình của hệ thống, trong khi đó các mô phỏng đó được mô tả chi tiết hơn khi sử dụng phương pháp mô phỏng. Vì vậy trong luận án này tác giả sử dụng hai phương pháp này để giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới. 2.2.3.1 Mô hình mô phỏng hệ thống Mô phỏng hệ thống là phương thức mô tả hệ thống thực bằng một hệ thống không thực do người nghiên cứu tạo ra. Có nhiều cách mô phỏng, bao gồm: Mô hình vật lý, mô hình toán,… Khi nghiên cứu các hệ thống kỹ thuật và hệ thống nguồn nước, người ta sử dụng mô phỏng toán học. 2.2.3.2 Tối ưu hóa về giải pháp cấp nước tưới Trong quy hoạch và quản lý nguồn nước thường dùng các phương pháp tối ưu hóa sau đây: phương pháp quy hoạch tuyến tính; phương pháp quy hoạch động; 7
phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến. a) Phương pháp quy hoạch tuyến tính Quá trình xây dựng và giải bài toán quy hoạch tuyến tính thông thường bao gồm 5 bước. b) Phương pháp quy hoạch động * Phương pháp quy hoạch động dựa trên nguyên lý của Bellman (1954), được phát biểu tóm tắt như sau: một chiến lược tối ưu chỉ có thể bao gồm những chiến lược con tối ưu (chiến lược ở đây còn có thể hiểu là lộ trình hay phương án). c) Phương pháp quy hoạch phi tuyến Bài toán trong luận án, hàm mục tiêu, ràng buộc đa số là hàm phi tuyến của các biến thông số trong sơ đồ bố trí và thông số thiết kế trạm bơm tưới.Vì vậy bài toán tối ưu là bài toán dưới dạng phi tuyến. Những bài toán dưới dạng phi tuyến có thể không có ràng buộc hoặc có ràng buộc. Về tổng quát có hai loại phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến: phương pháp không dùng đạo hàm và phương pháp dùng đạo hàm. Các bài toán dạng cổ điển được giải bằng cách tìm đạo hàm chỉ phù hợp với những dạng bài toán có thể hàm hóa được. Ngoài ra cần chứng minh sự tồn tại nghiệm và các đạo hàm tương ứng. Trong các bài toán kỹ thuật những điều kiện này rất khó thỏa mãn, vì vậy trong luận án này sử dụng phương pháp không đạo hàm, phương pháp quét tìm các thông số tối ưu. Phương pháp này áp dụng cho cả bài toán ràng buộc và không ràng buộc Phương pháp quét khi có một biến điều khiển Trong phương pháp quét đối với hàm mục tiêu một chiều, xét hàm mục tiêu một cách liên tiếp trong các khoảng cho trước của thông số điều khiển, gọi là bước quét: quét với bước quét không đổi và quét với bước quét trở lại thay đổi. Đối với phương pháp quét với bước không đổi có ưu điểm dễ dàng lập thuật toán,với bước quét nhỏ thì cho khả năng tìm được cực trị toàn cục. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính toán cần thiết là rất lớn. Còn phương pháp quét với bước biến đổi cần khối lượng tính toán hàm mục tiêu ít hơn, nhưng đối với các hàm mục tiêu đa cực trị, có xác suất bỏ qua cực trị toàn cục. Trong 8
khi đó phương pháp quét với bước quét trở lại thay đổi chỉ có thể đảm bảo tìm được cực trị trong trường hợp hàm mục tiêu có một cực trị. Căn cứ vào những ưu nhược điểm của các phương pháp, chọn phương pháp quét với bước không đổi để tìm thông số tối ưu cho bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu cho cây trồng cạn vùng đất dốc. Phương pháp quét khi có nhiều biến điều khiển Trong phương pháp quét liên tiếp theo bước, tiến hành xét hàm mục tiêu trong khoảng xác định của nó và lựa chọn kết quả tốt nhất từ nhiều điểm xem xét. Về bản chất, khi có nhiều thông số điều khiển thì việc quét hàm mục tiêu cũng được thực hiện như đối với trường hợp có một thông số điều khiển với sự thay đổi bước của các thông số còn lại trong miền xác định. Với bài toán là lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm trạm bơm tưới cho vùng đất dốc, vì vậy trong luận án này chọn phương pháp quét có bước không đổi để tìm các thông số tối ưu. Mặc dù phương pháp này có khối lượng tính toán nhiều, nhưng cho kết quả chính xác hơn phương pháp quét với bước thay đổi. 2.3 Phương pháp giải bài toán Qua phân tích các phương pháp nêu trên, để phù hợp với bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc, trong luận án này chọn phương pháp mô hình mô phỏng để xây dựng các phương án thiết kế hệ thống trạm bơm và thuật toán quét để tìm nghiệm tối ưu. Nguyên lý chung của phương pháp giải là xét nhiều loại sơ đồ bố trí khác nhau, với nhiều phương án thiết kế khác nhau, so sánh giữa các phương án khác nhau để xác định được phương án hợp lý. Trình tự thực hiện các bước như sau: bước 1: xét nhiều loại sơ đồ bố trí khác nhau của trạm bơm tưới vùng đất dốc, với mỗi sơ đồ bố trí lại xét nhiều phương án khác nhau; bước 2: với mỗi phương án thiết kế, tính toán được các thông số thiết kế của các trạm bơm, từ đó chọn được số máy bơm và loại máy bơm; bước 3: qua thiết kế định hình xác định được chi phí xây dựng của các trạm bơm; bước 4: so sánh kinh tế giữa các phương án bằng một chỉ tiêu tối ưu sẽ xác định được phương án hợp lý. 9
2.3.1 Thiết lập các phương án bố trí trạm bơm Trong các cách bố trí trạm bơm tưới cho vùng đất dốc như đã trình bày trong mục xây dựng bài toán 2.1 thì cách bố trí nhiều trạm bơm riêng biệt cung cấp nước tưới cho từng khu tưới khác nhau tương tự như trường hợp bố trí trạm bơm một cấp. Do vậy trong nghiên cứu này, trạm bơm tưới vùng đất dốc gồm các cách bố trí trạm bơm như sau: trạm bơm một cấp, một trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo, trạm bơm nhiều cấp. Trong thực tế thường bố trí 2÷3 cấp bơm nối tiếp hoặc 2÷3 loại bơm làm việc song song để thuận tiện cho công tác quản lý, vận hành. 2.3.2 Đề xuất và thiết kế các phương án Với mỗi sơ đồ bố trí trạm bơm lại có các phương án thiết kế khác nhau bằng cách thay đổi liên tiếp cao trình đặt bể tháo, các phương án cụ thể được đề xuất theo các sơ đồ bố trí: một trạm bơm bơm lên một bể tháo; một trạm bơm bơm lên hai bể tháo; một trạm bơm bơm lên ba bể tháo; hai cấp trạm bơm (hai trạm bơm nối tiếp); ba cấp trạm bơm (ba trạm bơm nối tiếp). 2.3.3 Lựa chọn hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc 2.3.3.1 Các chỉ tiêu tối ưu Có nhiều chỉ tiêu để xác định phương án tối ưu, ở đây đề cập đến ba chỉ tiêu hay được dùng như sau: chỉ tiêu tối ưu về giá trị hiện tại ròng NPVmax ; chỉ tiêu tối ưu về hệ số nội hoàn kinh tế: IRR; chỉ tiêu tối ưu về tổng chi phí và vốn đầu tư quy về năm đầu: Cmin. 2.3.3.2 Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu - hàm mục tiêu Trong ba chỉ tiêu tối ưu trên, chỉ tiêu tối ưu về NPV, IRR thường được áp dụng cho những bài toán xác định phương án tối ưu khi chi phí và hiệu ích là thay đổi theo các phương án khác nhau. Đối với bài toán mà hiệu ích (B) do công trình đem lại là không thay đổi (B = const) theo các phương án thì phương án có NPVmax cũng chính là phương án có chi phí nhỏ nhất (Cmin), vì vậy để giảm bớt khối lượng tính toán nên chọn chỉ tiêu tối ưu là Cmin. Do vậy, hàm mục tiêu trong bài toán này được chọn như công thức (2-47): 10
 T Ct  = min  K j + ∑ Cmin t  j  t =1 (1 + i )  Và NPVj >0 Trong đó: Kj - Là chi phí xây dựng ban đầu tương ứng với phương án j; Ct - Chi phí quản lý vận hành năm thứ t tương ứng phương án j; i - Lãi suất tính toán; t - Biến chạy: t = 1 ÷ T;T - Thời gian hoạt động của dự án, T = 30 năm; 2.3.3.3 Điều kiện ràng buộc Các phương án khác nhau về sơ đồ bố trí đều phải thỏa mãn các ràng buộc sau: các phương án đều phải đảm bảo cung cấp đủ nước tưới cho diện tích ω cho trước; các phương án đều phải đảm bảo tổng lượng nước tưới cho khu vực được xác định trước; các phương án đều đảm bảo giá trị hiện tại ròng NPVj >0; các phương án đề ra phải có tính khả thi. 2.3.3.4 Tính toán các thành phần trong hàm mục tiêu a) Chi phí xây dựng hệ thống: Kj Chi phí xây dựng hệ thống chính là chi phí xây dựng trạm bơm K j = K trj (2-49) Ktrj được xác định dựa trên cơ sở thiết kế định hình và thống kê các loại máy bơm và trạm bơm khác nhau. b) Chi phí quản lý hàng năm Cnamj =Cdienj + Cluongj + Cbaotrij + Ckhacj (2-53) Cdienj tổng chi phí năng lượng điện của các trạm bơm trong hệ thống ứng với phương án j: Cbaotri được tính theo công thức dưới đây: 11
Cbaotri = k .K j (2-55) Vì phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đối với các khu tưới nhỏ có diện tích ≤ 150ha, vì vậy trong sơ đồ bố trí khác nhau thì trong thực tế đều chỉ cần 1 công nhân vận hành là phù hợp. Vì vậy có thể coi Cluong và Ckhac là không đổi giữa các phương án. + Chi phí năng lượng Cdien Công suất làm việc của tổ máy bơm được tính theo công thức sau: 9,81.Q.H (2-56) N= η Trong đó N là công suất tiêu thụ của tổ máy bơm, KW; Q lưu lượng bơm của một tổ máy, m3/s; H cột nước bơm, m; η là hiệu suất của tổ máy bơm, %; Năng lượng tiêu thụ của trạm bơm được tính theo công thức: m 9,81.Qi .H i .n.t (2-58) E=∑ i =1 η Do vậy, chi phí năng lượng hàng năm phương án j được xác định theo công thức: Cdienj = a.E j (2-59) Trong đó: E là năng lượng tiêu thụ của trạm bơm, KWh; Qi lưu lượng tưới thời đoạn thứ i; Hi cột nước thời đoạn thứ i; m số thời đoạn tưới trong năm thứ t; t thời gian làm việc thực của trạm bơm, h; a đơn giá điện bơm, đ/Kwh; Ej là điện năng tiêu thụ của phương án j, kWh. 2.3.4 Giải bài toán tối ưu 2.3.4.1 Trình tự tính toán các phương án và xác định phương án tối ưu 12
Hàm mục tiêu Cj của một phương án phụ thuộc vào nhiều biến sau: sơ đồ bố trí, Zbt1, Zbt2, Zbt3 của các phương án, số máy bơm, loại máy bơm,... Trình tự giải bài toán đi tìm phương án tối ưu (hợp lý) được thể hiện ở sơ đồ khối như hình 2.22. Hình 2.22 Sơ đồ khối tổng quát trình tự giải bài toán tối ưu 13
+ Chuẩn bị thông tin đầu vào: mực nước bể hút TB, diện tích, cây trồng, số liệu về MB, Kxl1m, Ktb1m, ... + Trình tự tính toán: Đối với mỗi phương án về tuyến công trình có các biến chạy sau: sơ đồ bố trí, Zbt của các cấp bơm: Bước 1- Tổ hợp các sơ đồ bố trí, mực nước bể tháo (Zbt) của mỗi trạm thay đổi, xác định được số phương án. Bước 2- Xét lần lượt các phương án, đối với mỗi phương án: chọn máy bơm cho các trạm bơm, tính chi phí xây dựng, chi phí hàng năm. Bước 3- Tìm giá trị Cmin trong số Npa giá trị Cj, từ đó xác định được PA tối ưu. 2.3.4.2 Lập chương trình tính toán Chương trình tính toán có tên là “Chương trình phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc” (PVBTU) được viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic, chương trình gồm 6 modul chính sau: 1-Modul đọc số liệu; 2-Modul tính thông số thiết kế; 3-Modul chọn máy bơm; 4-Modul tính chi phí xây dựng; 5-Modul tính chi phí điện năng và chi phí hàng năm; 6-Modul tính giá trị hàm mục tiêu và xác định phương án tối ưu. Ưu điểm của phần mềm này là: trực quan, cung cấp các công cụ thuận lợi cho việc tạo các giao diện. Kết luận chương 2 Từ những luận cứ lý thuyết trong phân tích hệ thống và toán tối ưu, tác giả đã phân tích đánh giá xác định được phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc dựa trên những quan điểm, nguyên lý và phương pháp để tìm lời giải tối ưu. Dựa trên nguyên lý tiếp cận từng bước, các bước lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc được thiết lập. Trong đó có ứng dụng mô hình mô phỏng đánh giá phản ứng của hệ thống theo các phương án có thể để xác định PA có thể chấp nhận được. Lập hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc, lựa chọn các chỉ tiêu tối ưu và cách xác định các thành phần trong hàm mục tiêu. Phương pháp quét với bước quét không đổi được sử dụng để giải bài toán tối ưu. Chương trình 14
tính toán xác định phương án tối ưu của trạm bơm tưới vùng đất dốc: chương trình tính toán được viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic từ đó lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc. CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lựa chọn khu vực điển hình để áp dụng phương pháp đã xây dựng Trong luận án này tác giả chọn tỉnh Hòa Bình là đại diện cho vùng TDMNPB để nghiên cứu vì tỉnh Hòa Bình có các điều kiện tự nhiên mang đầy đủ các nét đặc trưng của vùng TDMNPB như: địa hình chia cắt thành ba tiểu vùng; đặc điểm khí hậu; thổ nhưỡng; nguồn nước mặt dồi dào có khả năng cung cấp nước tưới cho cây trồng. Đặc biệt tỉnh Hòa Bình có diện tích canh tác trên sườn dốc lớn để trồng cây ăn quả như: cam, bưởi, ...Bên cạnh đó, tác giả có nguồn tài liệu của tỉnh Hòa Bình tương đối đầy đủ và đáng tin cậy để phục vụ tính toán như: tài liệu về địa hình, nguồn nước, khí tượng thủy văn,... 3.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên xã hội tỉnh Hòa Bình Hòa Bình là một tỉnh miền núi nằm ở vị trí cửa ngõ vùng Tây Bắc Việt Nam. Hòa Bình có khí hậu cận nhiệt đới ẩm, mùa đông phi nhiệt đới khô lạnh, ít mưa; mùa hè nóng, mưa nhiều. Điểm nổi bật của địa hình của tỉnh Hòa Bình là núi cao, chia cắt phức tạp, độ dốc lớn. Những năm gần đây toàn tỉnh đã và đang tập trung khai thác nguồn tài nguyên đất đồi để nâng cao hiệu quả sử dụng đất, tập trung phát triển cây chủ lực của tỉnh; diện tích và sản lượng cây trồng trên địa bàn toàn tỉnh không ngừng tăng lên nhất là cây có giá trị kinh tế cao. Bên cạnh đó tỉnh có nguồn tài nguyên nước mặt của toàn tỉnh là một ưu thế vô cùng to lớn trong việc cấp nước tưới cho sản xuất nông nghiệp. Toàn tỉnh có các hệ thống hồ chứa, bai dâng, kênh mương phủ rộng khắp các địa phương. 3.3 Hiện trạng cấp nước tưới cho cây trồng cạn tỉnh Hòa Bình Toàn tỉnh có hệ thống các hồ chứa, bai dâng, kênh mương phủ rộng khắp các địa phương bao gồm 1.700 công trình phục vụ tưới mới chỉ tưới được 11.250 ha màu và 2.000 ha cây lâu năm. Mô hình tưới cho cây trồng cạn tỉnh Hòa Bình cũng 15
mang đầy đủ các hình thức tưới đặc trưng của vùng TDMNPB gồm: tưới tự chảy và tưới bằng động lực. 3.3.1 Tưới tự chảy Do đặc điểm địa hình và nguồn nước mặt dồi dào tưới tự chảy trên địa bàn tỉnh khá phổ biến nhưng còn nhỏ lẻ, không chủ động. 3.3.2 Tưới bằng động lực Với nguồn nước mặt dồi dào, việc sử dụng máy bơm gia đình, đặc biệt là sử dụng máy bơm trạm bơm để cung cấp nước tưới cho cây trồng đã, đang được áp dụng và ngày càng chú trọng. Có nhiều hình thức tưới bằng động lực khác nhau trên địa bàn tỉnh Hòa Bình, phổ biến là hình thức tưới: Hồ → bơm → hệ thống đường ống → vòi phun cầm tay. 3.4 Lựa chọn vùng tưới điển hình ở tỉnh Hòa Bình Khu trồng cam huyện Cao Phong là vùng trồng cam có diện tích lớn nhất trên toàn tỉnh Hòa Bình. Huyện Cao Phong có đầy đủ các điều kiện thuận lợi để phát triển ngành nông nghiệp nói chung, phát triển cây trồng cạn nói riêng: có nguồn nước mặt dồi dào để cấp nước tưới phục vụ cho cây trồng; có địa hình chia thành ba tiểu vùng đặc trưng của toàn tỉnh Hòa Bình cũng như của vùng TDMNBP; có đặc điểm về khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng mang đầy đủ nét đặc trưng của tỉnh Hòa Bình nói riêng và vùng TDMNPB nói chung. 3.5 Xác định quy mô của trạm bơm, chi phí thiết bị và chi phí xây dựng theo loại máy bơm Xác định cột nước bơm tưới; xác định lưu lượng thiết kế, lưu lượng yêu cầu tưới hàng năm; các loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu: máy bơm trong nước và máy bơm nước ngoài; căn cứ vào nhu cầu nước của cây trồng trong giai đoạn thiết kế và giai đoạn vận hành khai thác trạm bơm tưới trong 30 năm tương lai, các văn bản hiện hành, đơn giá xây dựng tính toán chi phí xây dựng trạm bơm... 3.6 Xác định quan hệ giữa đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống và hệ số sức cản đơn vị 16
Căn cứ các văn bản hiện hành xác định quan hệ giữa đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống và hệ số sức cản đơn vị. 3.7 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định các phương án tối ưu 3.7.1 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định phương án tối ưu cho 3 vùng điển hình của huyện Cao Phong 3.7.1.1 Vùng tưới đại diện 1 Vùng tưới thuộc thị trấn Cao Phong, Zh = 214 m. Vùng tưới có: độ dốc i = 20%; có diện tích là 150 ha; cột nước địa hình cao nhất vùng tưới 49 m. Kết quả phương án 7 có tổng chi phí nhỏ nhất (Cmin) = 1.102,3 (triệu đồng); NPV = 20.720,3 (triệu đồng) là phương án tối ưu: bố trí một trạm bơm bơm lên hai bể tháo; sử dụng 2 máy bơm khác nhau bơm lên 2 bể tháo có cao trình khác nhau; mực nước bể hút là 214 m; mực nước bể tháo 1 là 248 m, mực nước bể tháo 2 là 263 m. Cột nước địa hình máy 1 là Hđh1 = 34 m, máy 2 là Hđh2 = 49 m; lưu lượng thiết kế của máy bơm 1 là Qtk1 = 182 m3/h, máy 2 là Qtk2 = 28 m3/h; máy bơm 1 là NBG125-80-160/176, máy 2 là LT50-54. 3.7.1.2 Vùng tưới đại diện 2 Vùng tưới thuộc thị trấn Cao Phong và một phần diện tích thuộc xã Thu Phong, Zh = 215 m; có diện tích là 80 ha; cột nước địa hình cao nhất 40 m; độ dốc 19%. Kết quả phương án 5 có tổng chi phí nhỏ nhất (Cmin) = 734,3 (triệu đồng); NPV = 11.041,2 (triệu đồng) là phương án tối ưu: bố trí một trạm bơm bơm lên hai bể tháo; sử dụng 2 máy bơm khác nhau bơm lên 2 bể tháo có cao trình khác nhau; mực nước bể hút là 215 m; mực nước bể tháo 1 là 237,5 m; bể tháo 2 là 255 m. Cột nước địa hình máy 1 là Hđh1 = 22,5 m và máy 2 là Hđh2 = 40 m; lưu lượng thiết kế máy bơm 1 là Qtk1 = 77 m3/h và máy 2 là Qtk2 = 35 m3/h; máy bơm 1 là LT100-27 và máy 2 là LT45-45. 3.7.1.3 Vùng tưới đại diện 3 Vùng tưới thuộc xã Hợp Phong: Zh = 205 m; có diện tích là 70 ha; cột nước địa hình cao nhất 35 m; độ dốc i = 21%. Kết quả phương án 3 có tổng chi phí nhỏ nhất (Cmin) = 616,1 (triệu đồng); NPV = 9.661,1 (triệu đồng) là phương án tối 17
ưu: bố trí một trạm bơm bơm lên hai bể tháo; sử dụng 2 máy bơm khác nhau bơm lên 2 bể tháo có cao trình khác nhau; mực nước bể hút là 205 m; mực nước bể tháo 1 là 219 m, bể tháo 2 là 240 m. Cột nước địa hình máy 1 là Hđh1 = 14 m, máy 2 là Hđh2 = 35 m; lưu lượng thiết kế máy bơm 1 là Qtk1 = 56 m3/h, máy bơm 2 là Qtk2 = 42 m3/h; máy bơm 1 là LT78-15, máy 2 là LT45-45. 3.7.2 Kiểm tra chương trình tính toán Kết quả tính từ chương trình PVBTU so sánh với kết quả tính từ Excel như sau: Bảng 3.15 Bảng kết quả thiết kế phương án tối ưu chạy bằng phần mềm PVBTU và tính toán bằng Excel tính cho 3 vùng tưới huyện Cao Phong STT Diện Hmax Độ Kết quả chạy phần mềm PVBTU Kết quả tính toán bằng Excel Sai tích dốc số i (%) (ha) Sơ Chi C C tổng Sơ Chi phí C C đồ phí năm (triệu đồ xây năm tổng bố xây (triệu đồng) bố dựng (triệu (triệu trí dựng đồng) trí TB đồng) đồng) TB (triệu (triệu đồng) đồng) 1 150 49 20% 1 TB 519,7 582,6 1.102,3 1 TB 536,2 593,8 1.130 2,5% bơm bơm lên 2 lên 2 BT BT 2 80 40 19% 1 TB 392,2 342,1 734,3 1 TB 401,8 354,1 755,9 3% bơm bơm lên 2 lên 2 BT BT 3 70 35 21% 1 TB 375,4 240,7 616,1 1 TB 383,5 252,3 635,8 3,2% bơm bơm lên 2 lên 2 BT BT *Nhận xét: với 3 vùng tưới điển hình cho thấy: Kết quả chạy phần mềm lựa chọn phương án tối ưu so với kết quả tính toán bằng excel sai số đều nhỏ hơn 5% và sơ đồ bố trí đều không thay đổi, do vậy việc sử dụng phần mềm PVBTU để tìm ra phương án thiết kế tối ưu trạm bơm tưới là đáng tin cậy và hơn hết giảm được một khối lượng công việc rất lớn cho người thiết kế. 18