Tối ưu hóa quỹ đạo phát triển hệ thống thoát nước

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

-Trong đó v = 1, 2,..., V- số hiệu và số lượng các bước;  Кv và Иv – vốn đầu tư và chi phí cho các bước v; τ – năm thực hiện sự chi tiêu; T – chu kì phát triển của hệ thống; θ - bước rời rạc; E - hệ số so sánh tính hiệu quả của vốn đầu tư - nghịch đảo của thời gian hoàn vốn, nó được khuyến cáo xác định dựa trên dự báo của biểu thuế đối với các dịch vụ xã hội [5,6];  - hệ số tính đến sự giảm giá trị của chi phí, thực hiện sau t năm; Ин - chi phí của hoạt động sau khi hoàn thành hệ thống thoát nước.

Ví dụ, sơ đồ hệ thống thoát 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 thoát 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, còn các chi phí trong giai đoạn này (5 năm) sẽ chỉ tính tới sự vận hành của hệ thống thoát 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:

 (2)

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, không áp và các trạm bơm nước thải. Để xác định chi phí vận hành không định kỳ, khuyến khích sử dụng các thông 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 toán và đánh giá các công nghệ mới trong xây dựng."

Đối với hệ thống nước thải thì độ tin cậy, khả năng chống động đất và an toàn môi 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 toán 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 toán thông 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 thoát 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 thoát nước có thể được tóm tắt như sau. Cần phải tìm ra một cấu trúc mạng lưới và dòng chảy của hệ thống thoát 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 mô hình và phương pháp phân tích, tối ưu hóa các thông 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.

Các phương án phát triển hệ thống nước thải được xem xét như sau: khi xây dựng giai đoạn đầu tiên, các thông số của hệ thống được thiết kế để có thể tải được nước từ các điểm thải của giai đoạn đầu, tất cả các giai đoạn và sự tổ hợp các giai đoạn. Tương tự cũng áp dụng cho giai đoạn thứ hai, thứ ba,…. Không khó để thấy rằng số lượng các phương án phát triển hệ thống nước thải phụ thuộc vào số lượng các giai đoạn xây dựng và được tính theo công thức K =V!, trong đó V 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 không lớn hơn năm giai đoạn. Trong trường hợp nhiều hơn, nó đòi 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 thông 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.

Về bản chất, phương pháp tiếp cận được đề xuất trong bài báo này là một quá trình tính toán đa cấp phức tạp, các bước đầu tiên thực hiện sơ đồ quy hoạch động để xây dựng một tập hợp quỹ đạo tối ưu phát triển hệ thống thoát nước. Ở bước tiếp theo giải quyết các vấn đề tổng hợp của hệ thống thoát nước đảm bảo sự đánh giá tốt nhất quỹ đạo phát triển, kiểm tra tính khả thi về kỹ thuật và tài chính của nó. Sau khi xây dựng tất cả các quĩ đạo phát triển có thể, chúng ta sẽ chọn con đường tốt nhất và khảo sát ngược lại con đường đó và thông số của hệ thống cho giai đoạn xây dựng này. Phương trình hàm tối ưu quản lý phát triển hệ thống thoát 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 thông 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 không xác định được (thông 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 thông tin có thể được chuyển từ không 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 thông 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 toán 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 thoát nước ở dạng tổng quát 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 thông tin đầu vào xác định;
 

2. Đối với mỗi quỹ đạo phát triển nhận được ở bước 1 (giai đoạn I), sự tối ưu hóa được thực hiện theo công thức (4), đầu tiên cho giai đoạn với thông tin là xác suất có điều kiện và sau đó là giai đoạn với thông tin không xác định;
 

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 hoàn 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 thông 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
 

Vài nét về tác giả:
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: chupinvr@istu.edu
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 môn Cấp thoát nước, Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh.