Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
--------------- oOo ----------------

VÕ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÁT HIỆN RÒ RỈ
TRONG MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC BẰNG PHẦN
MỀM WATERGEMS KẾT HỢP DỮ LIỆU
HIỆN TRƯỜNG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
Mã số ngành : 60580202

LUẬN VẤN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quang Trưởng .................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lưu Xuân Lộc ......................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Võ Khắc Trí .................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 18
tháng 01 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Châu Nguyễn Xuân Quang

2. PGS.TS. Võ Khắc Trí
3. TS. Lưu Xuân Lộc
4. TS. Lê Đình Hồng
5. TS. HỒ Tuấn Đức
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Châu Nguyễn Xuân Quang

TRƯỞNG KHOA

PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

VÕ ANH TUẤN

MSHV: 13020853

Ngày, tháng, năm sinh:


24/03/1988

Nơi sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành:

Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số:

60580202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu giải pháp phát hiện rò rỉ trong mạng lưới cấp nước bằng phần mềm
WaterGems kết họp dữ liệu hiện trường
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Đánh giá hiện trạng thất thoát nước hiện nay trên địa bàn Tp.HCM và các biện pháp
thực hiện để giảm rò rỉ.
- Xây dựng phương pháp và cách thức để phát hiện rò rỉ bằng mô hình thủy lực dựa
trên các bài báo nghiên cứu trong và ngoài nước.
Trích xuất cơ sở dữ liệu thông tin địa lý GIS để xây dựng mô hình thủy lực.
- Tiến hành thu thập dữ liệu hiện trường để hiệu chỉnh mô hình.
- Cân chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực để xác định rò rỉ.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

19/01/2015

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/01/2016
V.


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Nguyễn Quang Trưởng
Tp. HCM, ngày.... tháng.. . . năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TS. Nguyễn Quang Trưởng

PGS.TS. Nguyễn Thống

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm


LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành
và sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Quang Trưởng đã định hướng và hướng dẫn em trong
suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các quý thầy cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,
đặc biệt là các thầy cô giảng dạy thuộc Bộ môn Tài Nguyên Nước, Đại học Bách
Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Tất cả những kiến thức, kinh nghiệm các thầy cô đã truyền
đạt trong suốt quá trình học cũng như những góp ý quý báu của các thầy cô về luận
văn này sẽ mãi là hành trang quý giá cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
và công tác sau này.
Xin chân thành cám ơn tất cả những người bạn lớp K2013 đã tận tình giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn, các bạn đã
đóng góp những kinh nghiệm quý báu cũng như động lực để tôi có thể hoàn thành
tốt luận văn này.

Xin cám ơn ban lãnh đạo công ty cổ phần cấp nước Gia Định, Phòng Kỹ thuật,
tổ chức Vitens Evides, cùng những người bạn, người anh đồng nghiệp, đã tạo điều
kiện hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua.
Cuối cùng, xin cám ơn những người thân trong gia đình, những người bạn thân
của tôi đã luôn bên cạnh, quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua những khó
khăn, trở ngại để hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 01 năm 2016

iii


TÓM TẮT
Mạng lưới cấp nước của Thành phố Hồ Chí Minh đã được xây dựng và khai thác
trong khoảng thời gian dài. Một số tuyến ống được lắp đặt trước năm 1975 trải qua
nhiều năm sử dụng đã trở nên cũ mục, thậm chí xì bể gây thất thoát nước trong quá trình
chuyển tải đến các hộ dân. Do đó vấn đề thất thoát nước là một vấn đề lớn của các Công
ty cấp nước. Nhiều biện pháp về mặt quản lý và kỹ thuật đã được sử dụng để giảm tỷ lệ
thất thoát nước có thể kể đến như: chia nhỏ mạng lưới để dễ quản lý, thay thế dần các
đoạn ống bị xì bể, sử dụng thiết bị để dò tìm rò rỉ.
Từ nhũng vấn đề thực tiễn nêu trên, do đó mục tiêu của luận văn này là xây dựng
một giải pháp để định vị được rò rỉ bằng phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGems
nhằm giảm lượng nước thất thoát mất đi trong quá trình phân phối. Các nội dung nghiên
cứu chính của luận văn được tóm tắt như sau :
± Đánh giá hiện trạng thất thoát nước hiện nay trên địa bàn Tp.HCM và các biện pháp
thực hiện để giảm rò ri.
Xây dựng phương pháp và cách thức để phát hiện rò ri bằng mô hình thủy lực dựa
trên các bài báo nghiền cứu trong và ngoài nước.
4- Trích xuất cơ sở dữ liệu thông tin địa lý GIS để xây dựng mô hình thủy lực.
4- Tiến hành thu thập dữ liệu hiện trường để so sánh, đối chiếu với mô hình.
4- Cân chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực để xác định rò ri.


iv


ABSTRACT
The water supply network in Ho Chi Minh City has been built and operated for a
long time. Many pipelines installed before 1975 and over the years become old and
decayed, even though cause leakage during transport to the households. Hence the
problem of water loss is a major problem of Water Supply Company. Many methods of
management and techniques have been used to reduce water leakage rate for example:
split the water nerwork, pipelines rehabilitation, use equipment to detect leakage...
From the practical issue above, the target of this thesis is to develop a solution to
pinpoint leak detection by using hydraulic model software WaterGems to reduce water
loss during distribution. The main research contents of the thesis are summarized as
follows :
■4- Assess the situation of the current water loss in HCMC and some methods to
reduce leakage.
i- Build a method to detect water leakage by using WaterGems based on research
papers.
4- Exttact database geographic information GIS to build hydraulic model.
4- Collect field data to compare with model.
4- Calibrate and validate hydraulic model.

V


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Ngoại trừ các nội
dung đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn này là
hoàn toàn chính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình

nào trước đây.
Tp. HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2016
Học viên

Võ Anh Tuấn

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
TÓM TÁT
ABSTRACT
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIÊU
DANH MỤC HÌNH, BIÊU ĐỒ
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ..........................................................................................1
1.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 2
1.3 Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 2
1.4 Nội dung thực hiện ................................................................................................. 2
1.5 Đóng góp dự kiến của luận văn ............................................................................. 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ........................................................................................... 4
2.1 Các yếu tố cấu thành nước không doanh thu (NRW) ............................................ 4
2.1.1 Định nghĩa ....................................................................................................... 4
2.1.2 Cách tính lượng nước không doanh thu .......................................................... 5
2.1.3 Các phương pháp giảm nước thất thoát vật lý................................................. ố
2.2 Rò rỉ vật lý ttong ttong mạng lưới cấp nước .......................................................... 7
2.2.1 Nguyên nhân .................................................................................................... 7

2.2.2 Lý thuyết rò rỉ .................................................................................................. 8
2.3 Lý thuyết thủy lực .................................................................................................. 9
2.3.1 Dòng chảy ổn định đều .................................................................................... 9
2.3.2 Phương trình liên tục ttong mạng lưới đường ống: ......................................... 9
2.3.3 Định luật bảo toàn năng lượng, phương trình Bernoulli ................................. 9
2.3.4 Tổn thất thủy lực ........................................................................................... 10
2.4 Hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước (GIS) .................................................... 11
2.4.1 Giới thiệu hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước ........................................ 11
2.4.2 Các lớp dữ liệu thuộc tính cấp nước .............................................................. 12

7


2.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................................... 13
2.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................. 13
2.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................. 14
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................................... 19
3.1 Phương pháp thu thập dữ liệu .............................................................................. 19
3.1.1 Lựa chọn vị trí quan trắc dữ liệu ................................................................... 19
3.1.2 Thao tác xả nước trên trụ cứu hỏa ................................................................. 19
3.2 Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình .................................................. 20
3.3 Thuật toán giải thuật di truyền ............................................................................. 21
3.3.1 Tổng quan ...................................................................................................... 21
3.3.2 ứng dụng thuật toán di truyền trong bài toán cân chỉnh mạng lưới .............. 22
3.4 Giới thiệu phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGems ........................................ 24
3.4.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 24
3.4.2 Ưu điểm về khả năng mô phỏng rò rỉ của phần mềm ................................... 24
3.5 Quy trình mô phỏng thủy lực............................................................................... 26
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU .............................................. 28
4.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu............................................................................. 28

4.1.1 Tổng quan ...................................................................................................... 28
4.1.2 Mạng lưới đường ống .................................................................................... 29
4.1.3 Nhu cầu sử dụng nước................................................................................... 31
4.2 Xử lý số liệu ........................................................................................................ 32
4.2.1 Áp lực và lưu lượng ....................................................................................... 32
4.2.2 Hệ số dùng nước............................................................................................ 33
4.3 Các thông chuẩn bị cho mô hình thủy lực ........................................................... 36
4.3.1 Mạng lưới đường ống (đường kính, hệ số nhám) .......................................... 36
4.3.2 Cao độ ........................................................................................................... 37
4.3.3 Lưu lượng nút ................................................................................................ 37
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 38
5.1 Phát triển mô hình ................................................................................................ 38

8


5.1.1 Xây dựng mô hình: ........................................................................................ 38
5.1.2 Gán lưu lượng rò rỉ vào nút ........................................................................... 40
5.1.3 Hiệu chỉnh mô hình: ...................................................................................... 45
5.1.4 Kiểm định mô hình:....................................................................................... 49
5.1.5 Bài toán dò tìm rò rỉ ...................................................................................... 55
5.2 Thảo luận ............................................................................................................. 58
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 60
6.1 Kết luận ................................................................................................................ 60
6.2 Kiến nghị ............................................................................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 62

IX



DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng cân bằng nước của IWA .................................................................5
Bảng 2.2. Hệ số tổn thất cục bộ qua van bướm ......................................................11
Bảng 2.3. Hệ số tổn thất cục bộ đối với chi tiết mối nối: .......................................11
Bảng 4.1. Vị trí và đường kính trụ cứu hỏa ............................................................30
Bảng 4.2. Dữ liệu áp lực và lưu lượng ngày 19/8/2015 .........................................32
Bảng 4.3. Tính toán hệ số dùng nước sinh hoạt và rò rỉ .........................................33
Bảng 4.4. Đường kính ống .....................................................................................36
Bảng 4.5. Hệ số nhám theo Hazen William ...........................................................36
Bảng 5.1. So sánh kết quả tính toán mô hình và quan trắc ngày 19/8/2015 ...........43
Bảng 5.2. Bộ số liệu kiểm định ngày 10/9/2015 ....................................................49
Bảng 5.3. So sánh kết quả tính toán mô hình và quan trắc ngày 10/9/2015 ...........53

IX


DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 2.1. Minh họa khu vực DMA ..........................................................................6
Hình 2.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) khu vực nghiên cứu ............................ 12
Hình 2.3. Giải pháp tích hợp GIS - SCADA ......................................................... 14
Hình 2.4. Quy trình các bước thí nghiệm của của Salah Muamer Aburawe ......... 15
Hình 2.5. Mô hình thí nghiệm của F.De Paola and M.Giugni................................ 16
Hình 2.6. Kích thước và hình dạng điểm rò ri theo thí nghiệm .............................. 16
Hình 3.1. Lắp đặt datalogger .................................................................................. 19
Hình 3.2. Các điểm quan trắc áp lực và vị trí các trụ cứu hỏa xả nước .................. 20
Hình 3.3. Trình tự xây dựng mô hình thủy lực ....................................................... 21
Hình 3.4. Minh họa quá trình tái sinh chéo để tạo quần thể lời giải mới ............... 22
Hình 3.5. Giao diện sử dụng của Darwin Calibrator .............................................. 25
Hình 3.6. Sơ đồ tiến trình mô phỏng thủy lực ........................................................ 27
Hình 4.1. Họa đồ quận 3 và khu vực nghiên cứu ................................................... 28

Hình 4.2. Đồng hồ tổng ĐHT 1 và ĐHT 2 ............................................................. 30
Hình 4.3. Xả nước trụ cứu hỏa .............................................................................. 31
Hình 4.4. Tỷ lệ phần trăm nhu cầu dùng nước và cỡ đồng hồ nước ...................... 32
Hình 4.5. Sơ đồ vị trí đồng hồ nước của khu vực nghiên cứu ................................ 37
Hình 5.1. Khai báo LoadBuilder - Nearest Node ................................................... 38
Hình 5.2. Ket quả tính toán lưu lượng từng nút ..................................................... 39
Hình 5.3. Mô hình cơ bản ....................................................................................... 39
Hình 5.4. Khai báo các hệ so Pattern dùng nước.................................................... 40
Hình 5.5. So sánh áp lực mô hình tính toán và

quan ttắc tại ĐHT 2 .................. 41

Hình 5.6. So sánh áp lực mô hình tính toán và

quan ttắc tại TCH 1................... 41

Hình 5.7. So sánh áp lực mô hình tính toán và

quan ttắc tại TCH 2................... 42

Hình 5.8. So sánh áp lực mô hình tính toán và

quan ttắc tại TCH 3................... 42

Hình 5.9. So sánh áp lực mô hình tính toán và

quan ttắc tại TCH 4................... 43

Hình 5.10. Dùng Darwin Calibrator để hiệu chỉnh hệ số c trong 24h ................... 46
Hình 5.11. Lựa chọn các đoạn ống cân chỉnh hệ số nhám (C<130) ...................... 46


xi


Hình 5.12. Hệ số nhám hiệu chỉnh .........................................................................47
Hình 5.13. Kết quả tính toán RMSE .......................................................................48
Hình 5.14. Kết quả cân chỉnh áp lực quan trắc và mô phỏng .................................48
Hình 5.15. So sánh áp lực mô

hình tính toán vàquan trắc tại ĐHT 2 .................51

Hình 5.16. So sánh áp lực mô

hình tính toán vàquan trắc tại TCH 1 .................51

Hình 5.17. So sánh áp lực mô

hình tính toán vàquan trắc tại TCH 2 .................52

Hình 5.18. So sánh áp lực mô

hình tính toán vàquan trắc tại TCH 3 .................52

Hình 5.19. So sánh áp lực mô

hình tính toán vàquan trắc tại TCH 4 .................53

Hình 5.20. Phương pháp cân chỉnh ........................................................................55
Hình 5.21. Áp lực và lưu lượng tối ưu theo kịch bản AO ......................................56
Hình 5.22. Áp lực và lưu lượng tối ưu theo kịch bản AI ........................................56

Hình 5.23. So sánh áp lực và lưu lượng tính toán và quan trắc kịch bản AO ........56
Hình 5.24. Vị trí và hệ số K các điểm nghi ngờ rò rỉ kịch bản AO ........................57
Hình 5.25. So sánh áp lực và lưu lượng tính toán và quan trắc kịch bản AI ..........58
Hình 5.26. Vị trí và hệ số K các điểm nghi ngờ rò rỉ kịch bản AI .........................58

xii


CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Giới thiệu chung
Theo báo cáo của Tổng Công ty cấp nước Sài Gòn (SAWACO), tính đến tháng
06/2015 tỷ lệ thất thoát nước tính trung bình trên toàn bộ hệ thống là 30.66% .Với tổng
công suất cấp nước là 1.6 triệu m3/ngày thì lượng nước thất thoát là 490,000 m3/ngày. Nếu
tính theo đơn giá nước sinh hoạt là 5,300 đồng/lm3 nước thì số tiền mất đi do lượng nước
thất thoát mỗi ngày hơn 2.6 tỷ đồng/ngày, tương đương gần 950 tỷ đồng/năm.
Do đó, công tác giảm nước thất thoát thất thu là một chủ đề lớn của hầu hết các công
ty cấp nước trong thành phố hiện nay. Có thể kể ra một số công việc đã và đang được các
công ty cấp nước thực hiện như: kế hoạch phân vùng tách mạng để quản lý rò rỉ, thay thế
các tuyến ống cũ mục, lắp đặt các đồng hồ điện từ, sử dụng van điều áp để điều tiết áp lực
mạng lưới, sử dụng các thiết bị dò tìm rò rỉ, gắn datalogger..., kết hợp với công nghệ thông
tin như phần mềm SCAD A quản lý từ xa áp lực, lưu lượng, chất lượng nước trên mạng
lưới, phần mềm GIS quản lý tài sản, cập nhật hiện trạng dữ liệu mạng lưới, phần mềm
quản lý khách hàng, phần mềm thủy lực để tính toán mạng lưới và truyền thông nâng cao
nhận thức cộng đồng.
Tuy nhiên, thực trạng hiện nay là phần lớn các công ty cấp nước đều kế thừa mạng
lưới có tính lịch sử, các dữ liệu đường ống không đầy đủ, công tác nâng cấp cải tạo các
tuyến ống rò rỉ gặp nhiều khó khăn do dân số đông, đường xá chật hẹp, việc thi công sửa
chữa gây mất mỹ quan thành phố, nguồn lực tài chính hữu hạn nên không thể thực hiện
cùng lúc tất cả các công việc ở trên để giảm thất thoát nước, đặc biệt là kế hoạch cải tạo
toàn bộ mạng lưới đường ống mới trong thời điểm kinh tế khó khăn ... Do đó, vấn đề đặt

ra là phải có một giải pháp để hạn chế lượng nước thất thoát hiệu quả, tiết kiệm được thời
gian và chi phí, việc hạn chế lượng nước này không những góp phần làm giảm gánh nặng
phải gia tăng công suất cấp nước đầu vào mà còn giải quyết các vấn đề về chất


lượng nước, nâng cao áp lực của mạng lưới cấp nước, giải quyết nhu cầu cấp nước của
người dân.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Giảm lượng nước thất thoát từ mạng lưới cấp nước dịch vụ sẽ giúp giảm chi phí
sản xuất nước sạch cung cấp dịch vụ, và góp phần gia tăng sản lượng nước cung cấp vào
mạng lưới thông qua lượng nước thu hồi được từ hoạt động giảm thất thoát, góp phần
nâng cao lợi ích kinh tế trong quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước dịch vụ.
Giảm lượng nước thất thoát không những góp phần giảm giá bán nước sạch mà còn
góp phần cải thiện chất lượng nước, nâng cao áp lực mạng lưới cuối tuyến trong quá
trình phân phối nước đến người dân.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra một giải pháp khả thi bằng cách sử dụng mô
hình thủy lực để xác định được những vị trí có khả năng xảy ra rò rỉ trên mạng lưới cấp
nước.
1.4 Nội dung thực hiện
Nội dung thực hiện gồm các vấn đề chính như sau:
o Đánh

giá hiện trạng thất thoát nước hiện nay trên địa bàn Tp.HCM và các biện pháp

thực hiện để giảm rò rỉ.
o Xây

dựng phương pháp và cách thức để phát hiện rò rỉ bằng mô hình thủy lực dựa


trên các bài báo nghiên cứu trong và ngoài nước.
o Trích

xuất cơ sở dữ liệu thông tin địa lý GIS để xây dựng mô hình thủy lực phục vụ

nghiên cứu.
o Tiến

hành thu thập dữ liệu hiện trường để hiệu chỉnh mô hình.

o Cân

chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực để xác định vị trí có khả năng rò rỉ.

1.5 Đóng góp dự kiến của luận văn
o về mặt khoa học:

2


Nghiên cứu sử dụng trên nền tảng cơ sở lý luận và thực nghiệm từ những nghiên
cứu trong và ngoài nước, đồng thời phát triển thêm để xây dựng mô hình rò rỉ hên nền
tảng thuật toán giải thuật di truyền của phần mềm Water Gems.
o về mặt thực tiễn:
Đề xuất một phương pháp để khoanh vùng các khu vực rò rỉ, nhằm hạn chế lượng
nước thất thoát, đem lại hiệu quả kinh tế trong công tác vận hành mạng lưới cấp nước.
Ngoài ra, phương pháp còn góp phần xây dựng một quy trình tích hợp thu thập dữ liệu
thực địa phục vụ cho công tác mô phỏng thủy lực mạng lưới cấp nước.

3



CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN
2.1 Các yếu tố cấu thành nước không doanh thu (NRW)
2.1.1 Định nghĩa
Nước không doanh thu là lượng nước sạch sau khỉ được xử lý tại các nhà máy đưa vào
mạng lưới cấp nước nhưng không thu được tiền.
Các thành phần của nước không doanh thu gồm cố:
Nước tiêu thụ hợp pháp nhưng không thu được tiền Nước
Nước không doanh thu
(NRW)

thất thoát thương mại
Nước thất thoát vật lý

Nước tiêu thụ hợp pháp nhưng không thu được tiền: lượng nước này bao gồm nước
chữa cháy, nước súc xả đường ổng Ưong công tác bảo trì mạng lưới, nước dùng ữong công
tác lắp đật đồng hồ miễn phí cho khách hàng, các điểm uổng nước công cộng. Đây là lượng
nước dùng ưong công tác quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước.
Nước thất thoát thương mại: là lượng nước mất đi do sai số đồng hồ khách hàng (đồng
hồ thiếu chứih xác, cỡ đồng hồ không phù hợp với mức tiêu thụ của khách hàng ...), sai sót
trong quá trình đọc sổ đồng hồ nước, sai sốt frong quá trình xử lý số liệu (lỗi nhập liệu sai,
khách hàng dùng nước nhưng chưa có danh bộ), do khách hàng gian lận, dùng nước bất hợp
pháp (khách hàng tảc động vào đồng hồ để ghi nhận lượng nước dùng thấp hơn thực tế, đấu
nối nước bất hợp pháp không qua đồng hồ). Lượng nước này chiếm tỷ trọng từ 3-5% tổng
lượng nước không doanh thu.
Nước thất thoát vật lý: là lượng nước mất đi trên hệ thống mạng lưới đường ống, phần
nước này thường tồn tại dưới dạng bể ống hoặc rò ri, trên ống truyền tải và ống phân phối,
trên các mối nối, phụ tùng chuyên ngành cùng các thiết bị mạng lưới gắn trên mạng lưới
đường ổng cấp nước, ưên ổng dịch vụ trước khi vào nhà khách hàng, nền và tường của cấc

bể chứa dịch vụ. Đây là lượng nước

4


chiếm tỷ trọng thất thoát lớn nhất. Do đó luận văn này cũng tập trung vào cách thức
để làm giảm lượng nước này.
2.1.2 Cách tính lượng nước không doanh thu
Có 2 cách tính thông dụng:
o Tính theo tỷ lệ phần trăm: là cách tính truyền thống, thể hiện tỷ lệ phần trăm giữa
lượng nước thất thoát và lượng nước sạch cấp vào mạng lưới.
Lượng nước vào many lưới (m3) — lưcmg nước tiêu thư (m3)
Lượng nước vảo mạng lưỡi (ms')
Cách tính này có ưu điểm là đơn giản, dễ hiểu tuy nhiên có nhược điểm là không
đánh giá được công suất cấp nước cũng như quy mô của khu vực.
o Tính theo bảng cân bằng nước (Hiệp hội nước Quốc tế - IWA)
Bảng cân bằng nước là một hình thức tính thất thoát nước thể hiện qua các thành
phần của lượng nước được cung cấp vào mạng lưới. Đây là một phương pháp tính nhằm
xác định các thành phần nước thất thoát nào cần được tập trung để giảm thiểu và được sử
dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Bảng 2.1. Bảng cân hằng nước của IWA
Nước tiêu thụ không
đồng hồ có hóa đơn
Nước tiêu thụ không
đồng hồ không hóa
đơn
Lượng nước đưa
vào hệ thống

Thất thoát

Nước thất thoát

Rò ri và tràn b' chứa
ưu điểm của cách tính này là rất cụ thể, chi tiết, xác định tất cả các yếu tố thất thoát
nước, tuy nhiên nhược điếm ỉà tính toán phức tạp, người tính phải cố kiến thức nhất định và

5


số liệu đầu vào phải đầy đủ.
2.1.3 Các phương pháp giảm nước thất thoát vật lý
Các phương pháp giảm nước rò ri hiện nay tập trung vào 2 giải pháp: a- thiết lập khu
vực cấp nước DMA (District Meter Area) để kiểm soát lượng nước vào và ra khỏi mạng lưới,
b- sử dụng các thiết bị định vị rò ri.
a) Thiết lập khu vực cấp nước DMA để kiểm soát lượng nước:
DMA là một khu vực đã được cô lập khỏi mạng lưới cấp nước tổng thể bằng cách đóng
van biên và thường chỉ có từ 1-2 nguồn vào. DMA được thiết lập để đo đếm lượng nước vào
khu vực, phần nước chênh lệnh giữa lượng nước vào và lượng nước tiêu thụ được xem là
lượng nước thất thoát.

b) Sử dụng các thiết bị định vị rò ri:
Các thiết bị định vị rò ri hiện nay chủ yếu dùng cách thức ghi lại âm thanh tiếng nước
rò ri (do bể ổng) hoặc khuếch đại âm thanh để tai người cố thể dễ dàng nghe thấy. Các thiết
bị này thường đắt tiền, yêu cầu một số điều kiện lắp đặt nhất định, một số thiết bị như thanh
nghe cơ học đòi hỏi người thao tác phải cố kinh nghiệm và phụ thuộc vào yếu tố chủ quan
của con người. Có thể phân chia các thiết bị thành 4 loại như sau:
o Thiết bị khoanh vùng rò rỉ (Noise Logger): gồm các bộ cảm biến (số lượng từ 8-12 bộ
tùy loại) một đầu có gắn nam châm. Các bộ cảm biến này sẽ được đặt trên các đầu van

6



cấp nước để ghi nhận các dữ liệu âm thanh phát ra từ các điểm rò rỉ. Tín hiệu được bộ
cảm biến ghi nhận sẽ truyền về máy tính và phân tích các dải âm thanh có cường độ
bất thường, từ đó xác định các tuyến ống có khả năng rò rỉ.
o Thiết bị tiền định vị - tương quan âm: gồm 2 bộ cảm biến đặt trên 2 đầu của tuyến ống
nghi ngờ rò rỉ, bộ cảm biến sẽ ghi nhận và tính toán khoảng cách từ điểm rò rỉ đến bộ
cảm biến. Khuyết điểm của thiết bị là không hiệu quả đối với các tuyến ống đổi hướng,
khoảng cách lắp đặt giữa 2 bộ cảm biến là nhất định.
o Thiết bị khuyếch đại âm để định vị chính xác điểm rò rỉ (ground Microphone): âm thanh
phát ra từ điểm rò rỉ truyền qua lớp đất phía trên đường ống cấp nước được bộ phận
cảm ứng của thiết bị thu lại, khuếch đại và đưa lên tai nghe. Do là âm thanh được
khuếch đại nên thiết bị chỉ hiệu quả khi sử dụng ở nới yên tĩnh, ít xe cộ, người sử dụng
phải có kinh nghiệm để phân biệt các tạp âm.
o Thiết bị nghe âm trực tiếp (thanh nghe cơ): nguyên lý hoạt động của thiết bị chủ yếu là
nghe âm thanh của các điểm bể lan truyền qua một thanh kim loại. Thiết bị có đặc tính
là đơn giản, giá thành rẻ, tuy nhiên khi sử dụng thì mất nhiều công sức do phải lần theo
tuyến ống cấp nước để nghe âm thanh rò rỉ.
2.2 Rò rỉ vật lý trong trong mạng lưói cấp nước
2.2.1 Nguyên nhân
Có nhiều nguyên nhân gây ra tình trạng rò rỉ ống ttên mạng lưới cấp nước như: các
tuyến ống lắp đặt lâu đời ttải qua thời gian dài nằm dưới mặt đất, chịu tác động của các yếu
tố cơ học như xe cộ lưu thông, nhiệt độ, ăn mòn do clo trong nước làm cho ống trở nên
giòn, khi áp lực của mạng lưới thay đổi sẽ gây ra nứt ống, tét ống. Bên cạnh đó, vật liệu
cũng là một yếu tố quan trọng, đặc biệt là các mối nối joint cao su, trải qua một thời gian đủ
lâu, cao su của joint bị thoái hóa, trở nên khô cứng, khi có sự thay đổi về áp lực hoặc ngoại
lực tác động sẽ bị bung và xì nước.
Ngoài ra có thể kể đến một số một số nguyên nhân khác như: trong quá trình thi công
các công trình hạ tầng đô thị như cống thoát nước, cáp điện, viễn thông các phương tiện máy
đào, máy xúc tác động đến ống cấp nước hoặc do ống nằm cạn bị ngoại lực tác động lâu ngày

cũng gây nên tình trạng xì bể.

7


2.2.2 Lý thuyết rò rỉ
Lưu lượng rò rỉ phụ thuộc vào áp lực, áp lực càng lớn thì rò rỉ càng nhiều, được mô tả
bởi công thức sau:
Qi=KiP"
Với Qi là lưu lượng rò rỉ tương ứng tại nút i, Pi là áp lực tại nút i, a là số mũ (thường
mặc định bằng 0.5) và Ki là hệ số phun, trong trường hợp mô phỏng trụ cứu hỏa, giá trị Ki
có thể rất lớn. Trong phần mềm WaterGems giá trị Ki được tính toán tối ưu bằng giải thuật
di truyền. Wu và Sage (2007) [9] đã xây dựng một mô hình tối ưu để có thế tối ưu tất cả các
nút trong mạng lưới cấp nước, tuy nhiên điều này có thể dẫn đến việc tính toán tối ưu cho
những nút không cần thiết (đặc biệt là những điều kiện đường ống tốt, hoặc tỷ lệ thất thoát
nước rất thấp). Do đó, thông thường ta chỉ chọn một số vị trí hoặc khu vực giới hạn mà khả
năng xảy ra rò rỉ là cao nhất. Mô hình tối ưu được mô tả như sau:
Tìm X = (LN^Kf) LN" e Jn-,n = ì,...,NGroup-,i = ì,...,NLeakn
Để cực tiểu F(X)
Điều kiện: 0 < K" <
Trong đó LN" là nút rò rỉ thứ i trong nhóm nút n, K" là hệ số phun cho nút rò rỉ thứ i
trong nhóm n, Jn là tập hợp các nhóm nút i thuộc n, NGroup là tổng nhóm nút, Nleak11 là
tổng số nút rò ri trong nhóm nút n, là hệ số phun lớn nhất cho phép ừong nhóm nút n, F(X)
là hàm mục tiêu - độ chênh lệch giữa giá trị đo đạc thực tế và giá trị mô hình phải cực tiểu.
2.3 Lý thuyết thủy lực

2.3.1 Dòng chảy ổn định đều
Dòng chảy ổn định đều trong một đoạn ống cỗ đường kính không đổi cố vận tốc bằng
nhau tại mọi vị tri và mọi thời điểm được diễn tả bắng phương trình:
V


-pơi) _ -vơi) — ì/*2) = ì/*2)
1 - vi — V1 —

2.3.2 Phương trình liên tục trong mạng lưới đường ống:
Tổng lượng nước vào ra mạng lưới đường ống (bao gồm cả lượng nước rò ri) thì
bằng 0.

8


Éa-O.=o
Ỉ=1

2.3.3 Định luật bảo toàn năng lượng, phương trình Bernoulli
Phương trình Bernoulli được diễn tả như sau:
Eỵ = Ẽ2 ± AE

zl+A+Ậ=z2+^+^±A£
pg 2g

pg 2g

Ỹ nghĩa các đại lượng được minh họa như sau:

p.
„
,
Với z được gọi là cột nước cao trình (vị năng), — là cột nước áp suât (áp pg
2


năng), là cột nước vận tốc (động năng), H = z H——gọi là cột nước thủy tĩnh, 2g ■
pg
p y2

,
A
E-z H—— + — gọi là cột nước toàn phân.
pg 1g

9


2.3.4 Tổn thất thủy lực
Tổn thất thủy lực của đường ống gồm tổn thất cục bộ (tại mối nối) và tổn thất dọc
đường do ma sát với đường ống. Phương trình mô tả:
&E = hf+hm=RfQní +RmQ™
Trong đó: hf, hm là tổn thất ma sát và cục bộ. Rf, Rm là hệ số ma sát của đường ống
và qua mối nối, Q là lưu lượng, nf và nm là hệ số mũ.
Tổn thất dọc đường có thể được tính bằng công thức
hỉ

Q1 852 (Hazen William)

=

=

,
hĩ


=

ẢL
12 ID5 (Darcy - Weisbach)
10.29VA; _______
^16/3 Q (Manning)

Tổn thất cục bộ có thể được tính bằng công thức:
Với ệ gọi là hệ số tổn thất cục bộ
Chẳng hạn đối với van được mở hoàn toàn:
DN
PN 10
PN 16

Bảng 2.2. Hệ số tổn thất cục bộ qua van bướm
80
100
125
150
200
250
300
1.3
0.8
0.5
1.4
0.9
0.6
1.3

1.3
0.8
0.5
Bảng 2.3. Hệ sổ tổn thất cục bộ đối với chi tiết mối nối:
Góc
Khuỷu

60°
0.85

45°
0.7

30°
0.45

350
0.4
0.5

15°
0.3

2.4 Hệ thống thông tin mạng lưói cấp nước (GIS)

2.4.1 Giói thiệu hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước
Hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước là hệ thống các lớp đường ống, van, thủy
lượng kế, thửa đất, trụ cứu hỏa được chồng lớp lên nhau theo không gian, đồng thời mỗi lớp
đối tượng đều mang theo một số thuộc tính dữ liệu như đường kính, vật liệu, hệ số nhám ...
các thuộc tính này dữ liệu đầu vào cho công tác mô phỏng thủy lực mạng lưới cấp nước


10


Hình 2.2. Hệ thẳng thông tin địa lý (GIS) khu vực nghiên cứu
2.4.2 Các lớp dữ liệu thuộc tính cấp nưởc

11


2.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

2.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tình hình nghiên cứu về rò ri trên mạng lưới cấp nước ở Việt Nam trong những năm
gần đây tương đối khả quan, nổi bật trong số đó là việc ứng dụng hệ thống GIS để quản lý tài
sản mạng lưới cấp nước, nghiên cứu hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu (SCADA), ứng
dụng công nghệ thông tin trong ngành cấp nước, tuy nhiên các nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức
độ đánh giá các giải pháp, đề ra phương hướng hoạt động mà chưa đi sâu vào giải pháp cụ
thể, chưa có nhiều các thí nghiệm hiện trường cũng như khai thác được hết khả năng của mô
hình thủy lực.
Lê Văn Dực (2006) [2] đã xây dựng một mô hình tích hợp thủy lực và công nghệ
thông tin địa lý (GIS) để quản lý các thông số của mạng lưới cấp nước. Ưu điểm của chương
trình là tác giả đã tích hợp được yếu tố mô phỏng thủy lực và cơ sở dữ liệu của mạng lưới
cấp nước vào một phần mềm. Phần mềm cũng có định hướng đưa lên Website để khách hàng
sử dụng nước để tra cứu và truy cập thông tin.
Cũng trong việc ứng dụng GIS để quản lý cấp nước, Hoàng Đăng Nguyễn (2013) [3]
đã xây dựng thí điểm hệ thống GIS cho Phường 1, Thành phố Đà Lạt, đồng thời tích hợp
thêm phần mềm WaterGems để mô phỏng thủy lực. Tuy công tác mô phỏng chỉ ở mức độ cơ
bản, nhưng tác giả cũng đã khẳng định được vai trò quan trọng và hết sức cần thiết của các
công cụ phần mềm trong việc quản lý mạng lưới cấp nước.

Ngoài ra, đối với vấn đề rò ri trong mạng lưới cấp nước, tác giả Võ Anh Tuấn (2013)
[4] cũng đã đưa ra các giải pháp “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật công nghệ nhằm chống thất
thoát nước cho hệ thống cung cấp nước sạch TP.HCM”
Tác giả đưa các giải pháp khác nhau để giảm thất thoát nước trên địa bàn An Điền
Quận 2, đồng thời tiến hành đánh giá giải pháp thích hợp nhất đối với khu vực nghiên cứu.
Có thể thống kê các biện pháp thục hiện trong bài bảo nhu: phân vùng tách mạng khu vực,
sử dụng thiết bị lan truyền âm đế thực nghiệm tại hiện trường, giải pháp phòng chống rò ri,
tối ưu hỏa hệ thống cấp nước bằng việc xây dựng hệ thống tự động frong việc thu nhận và
giám sát dữ liệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới cấp nước.

12