<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>Tối ưu hóa quỹ đạo phát triển hệ thống thốt nước</b>

<b>Phương án phát triển, phân tích và tối ưu hóa các thơng số hệ </b>
<b>thống thốt nước có vốn đầu tư hạn chế trong xây dựng thích </b>
<b>ứng với nền kinh tế thị trường, thâm nhập sâu hơn vào ngành </b>
<b>cơng nghiệp... </b>

<b>Tóm tắt: </b>

Việc chuyển đổi sang nền kinh tế thị trường đã định nghĩa mới về quản lý công nghệ phát triển
hệ thống kỹ thuật đô thị. Công nghệ này đã được chuyển đến cấp thành phố và trên một qui mô
lớn hơn, nó có thể được đề xuất ở hai giai đoạn.

Đầu tiên là chuẩn bị các đề án phát triển hệ thống cấp và thoát nước. Thứ hai là hiện thực hóa
các đề án này dựa trên các chương trình đầu tư. Các chương trình đầu tư tạo sự đảm bảo tài
chính cho việc phát triển bền vững và sửa chữa hệ thống thốt nước thơng qua các thành phần
đầu tư tại biểu thuế, phí kết nối cho các đối tượng trong xây dựng cơ bản và tài trợ có mục tiêu.
Các chương trình này có thể bằng vốn nhà nước, thành phố hoặc các khoản vay và tín dụng. Vì
nguồn tài chính cho việc phát triển hệ thống thốt nước là có hạn nên phát sinh vấn đề trong việc
phân phối hợp lý xây dựng mới và tái thiết hệ thống đã có sẵn. Trong bài báo này đề xuất một
phương pháp hình thành và tối ưu hóa các phương án phát triển hệ thống thoát nước, lựa chọn
phương án tốt nhất trong việc bị hạn chế đầu tư.

Đồng thời đề xuất mơ hình và phương pháp phân tích, tối ưu hóa tái thiết và phát triển có tính
đến độ tin cậy và khả năng chống động đất.

<b>1. Mở đầu</b>

Ở nước ta hệ thống thốt nước hiện có của các đơ thị và các xí nghiệp cơng nghiệp khơng hồn
tồn tương ứng với u cầu cơng nghệ, sinh thái và vệ sinh hiện đại đặt ra trong các tiêu chuẩn
nhà nước, trong các quy định và tiêu chuẩn công nghệ.

Lý do cho điều này là việc chuyển đổi kéo dài của hệ thống đô thị vào kinh tế thị trường. Sự
chuyển đổi vẫn còn đang tiếp diễn và rất khó để biết khi nào nó sẽ được hồn thành. Tuy nhiên
điều đó mang lại rất nhiều cách thức mới trong quản lý và tổ chức lao động, kĩ thuật mới trong
hoạt động và trang thiết bị. Mặc dù vậy, xuất hiện vấn đề với sự phục hồi các mạng lưới và cơ sở
vật chất đã bị xuống cấp (khấu hao 60-80%), tỷ lệ sự cố tăng lên, một số thành phần bắt đầu làm
việc trong chế độ tắc nghẽn, trong khi có những bộ phận khác không thực sự làm việc.

Yêu cầu hành động khẩn cấp để tăng cường, tái thiết và phát triển hệ thống thoát nước. Và cũng
cần thực hiện một hệ thống quản lý phát triển tiên tiến nhất và thích ứng với cơ chế thị trường.
<b>2. Cơ sở lý thuyết</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

lặp lại của hai vấn đề:

(1) Tăng cường công tác của các mạng lưới và trang thiết bị hiện có;

(2) Tái thiết, mở rộng các cơng trình hiện có và xây các cơ sở xử lý nước thải mới.
Các thách thức của bài toán tăng cường bao gồm:

- Thực hiện các biện pháp phòng ngừa nhằm tăng cường khả năng chuyển tải lưu lượng của
mạng lưới và các cơ sở;

- Phát hiện vị trí bị "thu hẹp" và loại bỏ bằng cách thay thế (xu hướng tăng cường) một số thành
phần của mạng lưới;

- Lựa chọn chế độ hoạt động hợp lý của các trạm bơm, nhà máy xử lý, bể chứa, cống thốt nước
có áp và khơng áp;

- Tối ưu hóa phương thức hoạt động của mạng lưới, khoanh vùng và phân phối lại dòng chảy,…
Cần lưu ý rằng việc tăng cường các hệ thống thoát nước sẽ có hiệu quả nếu hệ thống có nguồn

dự trữ cho khả năng chuyển tải, sự hiệu quả của các trạm bơm, cống áp lực và trọng lực. Tuy
nhiên, khi lưu lượng tăng hoặc giảm thì có thể đến một thời điểm mà lượng dự trữ sẽ không đủ
để thu, lưu chuyển và xả nước thải. Trong trường hợp này, cần phải nâng cấp, mở rộng và phát
triển mạng lưới và cơ sở hiện có. Đây là vấn đề khá phức tạp và được bao gồm trong việc:
- Xác định cấu trúc và thông số các thành phần mới của hệ thống thoát nước;

- Lựa chọn các phương pháp hợp lý để tái thiết và tối ưu hóa các thơng số của đường ống có áp,
không áp và các cơ sở;

- Phát triển các biện pháp để đảm bảo độ tin cậy cần thiết, an tồn mơi trường, kiểm sốt được
các bộ phận riêng lẻ và hệ thống thoát nước chung.

<b>3. Phương pháp tiếp cận</b>

Rõ ràng, trong việc đối phó với những vấn đề này cần xác định được lượng dự trữ cho khả năng
chuyển tải của mạng lưới và các cơ sở. Lượng dự trữ này có thể đảm bảo được sự tăng của lưu
lượng thiết kế, thông số các thành phần, trạm bơm, vv, hoặc sự vượt sớm nhịp độ xây dựng (so
với sự vận hành của nó).

Nếu lượng dự trữ nhỏ thì tồn bộ q trình quản lý phát triển sẽ phải liên tục tái thiết lại các
thành phần của mạng lưới và các cơ sở. Nếu nó quá lớn, nó có thể dẫn đến sự lãng phí vốn đầu
tư và sự hoạt động khơng hợp lý của hệ thống thốt nước (lắng bùn, tắc nghẽn các đường ống).
Vì vậy, cần phải lựa chọn lượng dự phòng tối ưu và phân phối đúng đắn vốn đầu tư trong việc
phát triển mới và tái thiết các thành phần mạng lưới hiện có theo từng năm và theo chu kì phát
triển của hệ thống thốt nước. Vấn đề đó khá là phức tạp, đa dạng và nó bao gồm:

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

kín, sửa chữa và xây dựng lại các đường ống hiện có và mới [1,2], góp phần đáng kể vào sự khơi
phục nhanh chóng, có kế hoạch của mạng lưới và cơ sở đã bị xuống cấp.

Tuy nhiên, điều này địi hỏi phải có một sự đánh giá các cơng nghệ này, nghiên cứu và xác định

vị trí của chúng trong một giai đoạn cụ thể của sự phát triển hệ thống thốt nước. Ví dụ, phủ lớp
trong đường ống gang và bê tông cốt thép bằng vật liệu polime sẽ làm tăng 15-20% khả năng
сhuyển tải của đường ống và nên áp dụng cách này trên các bộ phận mạng lưới bị tắc nghẽn.
Nếu một bộ phận đường ống nào đó hoạt động ở tốc độ lắng cặn thì bộ phận đó địi hỏi một
đường ống có đường kính nhỏ hơn. Nếu bộ phận đường ống bị q tải đáng kể, thì nó địi hỏi
một thiết bị đường ống có đường kính lớn hơn bằng phương pháp đào hở hay đào kín. Một số
lựa chọn khác có thể là xây dựng một đường ống mới song song, xây dựng đường ống chôn sâu.
Sự lựa chọn phương án này hay phương án kia đều địi hỏi một phân tích tính khả thi và phụ
thuộc vào khả năng thực hiện nó trong đặc trưng của thành phố.

<b>4. Phương pháp đề xuất</b>

Ở nhiều thành phố châu Âu người ta đã cấm công nghệ chôn đường ống với cách đào hở. Với sự
phát triển của diện tích xây dựng đã làm thu hẹp đáng kể các phương án vạch tuyến đường ống
và các phương pháp tái thiết chúng.

Trong trường hợp này, một cách tiếp cận hiệu quả là phương pháp sơ đồ thiết kế dự phịng,
phương pháp này được hình thành bằng cách đưa ra trước các phương án lựa chọn việc đặt ống,
tái thiết và phát triển hệ thống thoát nước [3]. Áp dụng phương pháp này sẽ cho phép tránh được
các lựa chọn khơng tối ưu và nó có thể tạo ra một tập hợp các phương án khả thi cho cấu trúc và
các thông số của hệ thống thốt nước, khác biệt nhau ở chi phí nguồn lực lao động và vật liệu.
Khi thành lập sơ đồ dự phịng thì có thể gán trước những khả năng tái thiết (xây song song, lót
ống tại chỗ, xây dựng đường ống mới, xây trạm bơm, vv ..). Do đó, các mơ hình và kỹ thuật có
liên quan đến nghiên cứu các thơng số hệ thống thốt nước phải đảm bảo loại bỏ các đoạn ống,
đường kính, trạm bơm, cống có áp và khơng áp, nhà máy xử lý nước thải làm việc không hiệu
quả (so với tiêu chí tối ưu hóa đã được lựa chọn).

Như đã lưu ý, phát triển hệ thống thoát nước diễn ra trong từng giai đoạn và vốn đầu tư thực hiện
tại các thời điểm khác nhau, cịn chi phí hoạt động sẽ tăng lên hoặc giảm xuống. Đối với hệ
thống cấp nước và thoát nước, phương pháp ở nghiên cứu [4] khuyến khích thực hiện sự so sánh

các phương án, thực hiện bởi các tiêu chí của các chi phí chiết khấu.

Với trình tự xây dựng và vận hành các hệ thống xử lý nước thải, tiêu chí này có dạng như sau:

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

Ví dụ, sơ đồ hệ thống thốt nước tính trong 15 năm (T = 15), sẽ được thực hiện trong ba giai
đoạn (V = 3) trong ba chương trình đầu tư, mỗi chương trình là 5 năm (θ = 5), năm thực hiện chi
tiêu – số năm hoàn thành xây dựng (τ = 15), thời gian hoàn vốn - 6 năm (E = 0,16). Nếu tái thiết
và phát triển hệ thống thốt nước hiện có, thì khi xây dựng giai đoạn đầu tiên, vốn đầu tư sẽ sử
dụng vào việc cải tạo những gì hiện có và xây dựng các đường ống và cơ sở vật chất mới, cịn
các chi phí trong giai đoạn này (5 năm) sẽ chỉ tính tới sự vận hành của hệ thống thốt nước hiện
có . Trong việc xây dựng giai đoạn thứ hai chi phí đó đã sẽ áp dụng cho các chi phí vận hành của
các mạng lưới hiện có và mạng lưới mới – cái được xây dựng trong giai đoạn đầu tiên và đã đưa
vào hoạt động. Tương tự như vậy đến khi thực hiện giai đoạn thứ ba của xây dựng thì chi phí
vận hành sẽ đầy đủ, chi phí này được thể hiện trong công thức (1) dưới dạng hạng tử sau cùng.
Vì vậy, tiêu chí tối ưu hóa trên mỗi giai đoạn sẽ có những chi phí sau:

Trong đó – vốn đầu tư cho xây dựng mới và cải tạo, chi phí vận hành của hệ thống mới và hiện
có.

Vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành được sử dụng một cách phù hợp cho chi phí thiết kế, xây
dựng, tái thiết và hoạt động của đường ống có áp, khơng áp và các trạm bơm nước thải. Để xác
định chi phí vận hành khơng định kỳ, khuyến khích sử dụng các thơng tin chứa trong quy định
giá xây dựng: NCS 81-02-14-2012. " Mạng lưới cấp và thoát nước ", trong tài liệu: "Định mức
dự tốn và đánh giá các cơng nghệ mới trong xây dựng."

Đối với hệ thống nước thải thì độ tin cậy, khả năng chống động đất và an tồn mơi trường nên
được đánh giá bằng một chỉ số định lượng - khối lượng nước thải chưa qua xử lý được hình
thành trong khoảng thời gian nhất định từ khi xuất hiện và loại bỏ sự cố. Trong nghiên cứu[7],
đề xuất tính tốn thể tích lượng nước thải này trên cơ sở cường độ hỏng hóc và phục hồi các
đường ống hiện có và đang thiết kế. Khả năng chống động đất được tính tốn thơng qua sự gia

tăng hỏng hóc, phụ thuộc vào cường độ chấn động và hướng tác động của trận động đất

[8].Phương pháp tối ưu hóa hệ thống thốt nước có tính đến độ tin cậy và kháng địa chấn được
mô tả kĩ trong nghiên cứu [9].

Rõ ràng, chi phí để ngăn chặn nước thải chưa được xử lý tràn trên bề mặt, hoặc các chi phí
chuyển tải và xử lý tại các nhà máy phải được bổ sung vào chi phí vận hành.

Theo quan điểm đã nêu ở trên, bài toán tối ưu quản lý phát triển hệ thống thốt nước có thể được
tóm tắt như sau. Cần phải tìm ra một cấu trúc mạng lưới và dịng chảy của hệ thống thốt nước,
đảm bảo được chi phí tối thiểu trong xây dựng theo từng giai đoạn, trong sự hoạt động của nó và
ngăn ngừa được sự tràn nước thải chưa qua xử lý ra diện tích bề mặt đất và bể chứa.

Để đánh giá mỗi phương án phát triển và các giai đoạn hiện thực hóa, đề xuất một tổ hợp mơ
hình và phương pháp phân tích, tối ưu hóa các thơng số và phương thức hoạt động của hệ thống
thoát nước mới và đang tái thiết [10-13]. Sự lựa chọn phương án tốt nhất được thực hiện trong
các khoản đầu tư hạn chế, các khoản này được xác định bởi các chương trình đầu tư ở từng giai
đoạn phát triển hệ thống thoát nước.

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

số lượng giai đoạn xây dựng, !-giai thừa. Ví dụ, đối với việc xây dựng ba giai đoạn phát triển, số
phương án sẽ là 6, bốn giai đoạn sẽ là 24, năm giai đoạn sẽ là 120, đối với 15 giai đoạn sẽ -
1307674368000 phương án. Cần lưu ý rằng số lượng các phương án cho việc phát triển hệ thống
thoát nước chỉ phụ thuộc vào số lượng các giai đoạn xây dựng đã lên kế hoạch và không phụ
thuộc vào sơ đồ phát triển của thành phố và hệ thống kỹ thuật của nó.

Có thể thấy là số giai đoạn xây dựng có thể khơng lớn hơn năm giai đoạn. Trong trường hợp
nhiều hơn, nó địi hỏi sự phát triển của các phương pháp tối ưu hóa và cách tiếp cận. Trong bài
báo này đề xuất một phương pháp như vậy. Phương pháp này dựa trên một quá trình gồm nhiều
bước để tối ưu hóa các thơng số của các thành phần mới và thành phần được cải tạo của mạng
lưới, với việc xây dựng trước sơ bộ đồ thị phát hệ thống thoát nước từ một trạng thái này sang

trạng thái khác.

Trong hình 1 thể hiện đồ thị xây dựng hệ thống thoát nước trong ba, bốn và năm giai đoạn.
Trong hình này Q1, Q2, Q3, ... – Lưu lượng nước thải của giai đoạn đầu tiên, thứ hai và thứ ba
trong thứ tự xây dựng cơ bản.

Hình 1: Đồ thị chuyển tiếp hệ thống thoát nước, thực hiện trong ba (a), bốn (b) và năm (c) giai
đoạn xây dựng.

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

xây dựng này. Phương trình hàm tối ưu quản lý phát triển hệ thống thốt nước sẽ có dạng như
sau:

Cần lưu ý rằng rất nhiều thông số thiết kế của hệ thống nước thải không xác định được hoặc có
tính chất xác suất. Và tại một khoảng thời gian nào đó (trong tương lai), nguồn thơng tin có thể
được coi là xác định, sau đó có thể là xác suất có điều kiện và sau đó nữa có thể là khơng xác
định được (thơng tin ở đây có thể hiểu là giá vật liệu, giá nhân công, sự thay đổi công nghệ, sự
thay đổi nhu cầu sử dụng nước, sự thay đổi lưu lượng nước thải….vv).

Theo thời gian thì chúng ta không biết được thông tin sẽ thay đổi như thế nào, tức là thơng tin có
thể được chuyển từ khơng xác định sang xác suất có điều kiện và từ xác suất có điều kiện sang
xác định. Rõ ràng, khi lựa chọn cấu trúc và thông số tối ưu của hệ thống thoát nước trong các
giai đoạn đầu xây dựng thì cần phải xét đến các trạng thái có thể sau đó.

Nếu một số thơng tin ban đầu nào đó được đưa ra trong dạng xác suất thì điều kiện chuyển tiếp
(3) từ trạng thái v-1 sang v có thể được coi như kỳ vọng tốn học của chi phí trong sự phát triển
và tái thiết chúng:

Theo quan điểm các cách tiếp cận và phương pháp nêu trên, sơ đồ quản lý phát triển hệ thống
thốt nước ở dạng tổng qt nhất có thể được đề xuất như sau:

1. Theo công thức (3), quỹ đạo phát triển tối ưu được mở rộng để các giai đoạn xây dựng có
nguồn thơng tin đầu vào xác định;

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

3. Sau khi giải quyết cho giai đoạn cuối cùng, các thông số của hệ thống thoát nước tương ứng
với quĩ đạo phát triển tối ưu nhất được khảo sát ngược lại;

4. Lập một kế hoạch thích ứng [13] và thực hiện chuyển đổi sang bước tiếp theo. Tất cả các phép
tính được lặp lại lần V cho đến khi hệ thống thoát nước được xây dựng hồn chỉnh.

Ý tưởng lập một kế hoạch thích ứng trong khuôn khổ của phương pháp đề xuất dễ dàng hiện
thực hóa như sau:

a) Lựa chọn quỹ đạo tối ưu nhất phát triển hệ thống thoát nước và tiến hành xây dựng giai đoạn
đầu tiên;

b) Sau đó vì sự thay đổi thơng tin nên phải điều chỉnh quĩ đạo này để có được quyết định có căn
cứ hơn cho việc xây dựng các giai đoạn tiếp theo, vv

Xem xét một ví dụ về phát triển hệ thống thốt nước trong bốn giai đoạn (Hình 2), đồ thị của khả
năng chuyển tiếp được thể hiện trong hình 1b. Ở hình 1d, đường nét đứt thể hiện quỹ đạo phát
triển tối ưu hệ thống thoát nước, quĩ đạo này có được từ phương pháp đề xuất trong bài báo này.
Hình 3 cho thấy các kết quả tính tốn, theo đó đoạn 8-7 ở các giai đoạn khác nhau của xây dựng
cần phải xây 3 đường ống song song, đoạn 9-8 cần hai đường ống song song, còn trên đoạn
1-7,10-9,11-10 chỉ cần một trên mỗi đoạn.

Hình 2. Sơ đồ hệ thống thốt nước (đường nét đậm là sơ đồ hiện đã có, các đường nét mảnh thể
hiện sơ đồ dự phòng cho các giai đoạn I, II, III, IV).

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

Nếu biết trước vốn đầu tư phân bổ cho việc thực hiện giai đoạn đầu tiên thì việc xác định các
thơng số của nó sẽ đơn giản hơn và được thực hiện trong một bước. Trong đó việc tính tốn

được thực hiện dựa trên khả năng chuyển tải lưu lượng nước thải từ tất cả các khu vực dân cư,
cịn trong mơ hình tối ưu hóa, các khoản đầu tư cần thiết không được vượt quá khoản phân bổ.
<b>5. Kết luận</b>

Trong bài báo này đề xuất một phương pháp mới về cách hình thành các phương án phát triển,
phân tích và tối ưu hóa các thơng số hệ thống thốt nước có vốn đầu tư hạn chế trong xây dựng.
Phương pháp đó thích ứng với nền kinh tế thị trường, thâm nhập sâu hơn vào ngành công nghiệp
quan trọng – ngành kỹ thuật cơ sở hạ tầng. Phương pháp này cho phép tính tốn cho các giai
đoạn có thơng tin xác định, thơng tin có tính xác suất và thông tin không xác định về trạng thái
của hệ thống thoát nước trong tương lai. Từ những công thức và cơ sở lý thuyết đã nêu, bài toán
sẽ được giải quyết bằng cách xây dựng chương trình mơ phỏng dựa trên ngơn ngữ lập trình C++,
với phần mềm xây dựng được chúng ta sẽ rút ngắn đáng kể thời gian tìm ra phương án tối ưu
nhất. Phần mềm có được sẽ giúp ích cho những nhà thiết kế trong việc qui hoạch mạng lưới
thốt nước cho đơ thị trong tương lai.

<b>Tài liệu tham khảo</b>

1. Храменков С.В., Орлов В.А., Харькин В.А. Оптимизация восстановления
водоотводящих сетей.- М.: Стройиздат, 2002.-185 с.

2. Саломеев В.П. Реконструкция инженерных систем и сооружений водоотведения.- М.:
Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009.-192 с.

3. Чупин Р.В. Оптимизация развивающихся систем водоотведения. - Иркутск: Изд-во
ИрГТУ, 2015. 418 с.

4. Составление технико-экономической части проектов внеплощадочных систем

водоснабжения и канализации (Справочное пособие к СНиП). Союзводоканалпроект. М.
Стройиздат. 1991. -80 с.

5. Методических указаний по расчету регулируемых тарифов в сфере водоснабжения и
водоотведения, утв. Приказом ФСТ России от 27.12.2013 № 1746-э.

<b>Vài nét về tác giả:</b>

1 TS. Chupin Roman Viktorovich – Tiến sỹ, Nhà nghiên cứu cao cấp tại Bộ môn Xây dựng
thành phố và quản lý đô thị, Viện Kiến trúc và Xây dựng, Trường Đại học Nghiên cứu Kỹ thuật
Quốc gia Irkutsk – Liên bang Nga, tel. (+84)973136218, e-mail:

2 ThS. Phạm Ngọc Minh – Nghiên cứu sinh tại Bộ môn Xây dựng thành phố và quản lý đô thị,
Viện Kiến trúc và Xây dựng, Trường Đại học Nghiên cứu Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk – Liên
bang Nga

3 GS. TSKH. Chupin Viktor Romanovich – Giáo sư, Tiến sỹ khoa học, Trưởng bộ môn Xây
dựng thành phố và quản lý đô thị, Viện trưởng Viện Kiến trúc và Xây dựng, Trường Đại học
Nghiên cứu Kỹ thuật Quốc gia Irkutsk – Liên bang Nga

4 ThS. Nguyễn Ngọc Thiệp– Bộ mơn Cấp thốt nước, Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh.

<b>Chupin Roman Viktorovich (1), Phạm Ngọc Minh (2), Chupin Viktor Romanovich (3),</b>
<b>Nguyễn Ngọc Thiệp (4)</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9></div>

<!--links-->