Bai giang epanet chi tiet tac gia dao duy khoi

EPANET mô phỏng mạng lưới cấp nướcbao gồm các đoạn ống, các nút, các máy bơm, các van, các bể chứa và đài nước, tínhđược lưu lượng trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, chiều cao nước

PHÂN TÍCH MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH EPANET CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU EPANET

1.1 EPANET là gì?

EPANET là chương trình tính toán mạng lưới cấp nước, có khả năng mô phỏngthuỷ lực và chất lượng nước theo thời gian EPANET mô phỏng mạng lưới cấp nướcbao gồm các đoạn ống, các nút, các máy bơm, các van, các bể chứa và đài nước, tínhđược lưu lượng trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, chiều cao nước ở từng bể chứa,đài nước, nồng độ của các chất trên mạng theo thời gian làm việc mô phỏng của mạnglưới

EPANET chạy trên nền Windows, tạo được một môi trường hoà hợp cho việc vào

dữ liệu của mạng, chạy mô hình mô phỏng quá trình thuỷ lực và chất lượng nước,quan sát kết quả theo nhiều cách khác nhau

1.2 Khả năng mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Modeling Capabilities)

Mô hình mô phỏng thuỷ lực chính xác là điều kiện tiên quyết cho sự mô phỏngchất lượng nước một cách hiệu quả EPANET chứa các công cụ phân tích thuỷ lực rấtmạnh, có các khả năng sau:

- Có thể phân tích được mạng lưới cấp nước không giới hạn về quy mô

- Tính toán tổn thất ma sát thuỷ lực theo cả ba công thức: Hazen-Williams, hoặc

Darcy-Weisbach, hoặc Chezy-Manning

- Tính được cả các tổn thất cục bộ ở các đoạn cong, đoạn ống nối,

- Mô hình hoá máy bơm với số vòng quay cố định hoặc thay đổi

- Tính được năng lượng bơm và giá thành bơm nước

- Mô phỏng các loại van khác nhau như van đóng (Shutoff), van kiểm tra(Check), van điều chỉnh áp suất (Pressure regulating), và van điều chỉnh lưu lượng(Flow control)

- Cho phép mô phỏng bể chứa nước có nhiều hình dạng khác nhau (đường kính

có thể thay đổi theo chiều cao)

- Tính đến sự biến đổi nhu cầu nước tại các nút, mỗi nút có thể có một biểu đồ dùng nước riêng

- Mô hình hoá lưu lượng dòng chảy phụ thuộc áp suất từ các nút theo kiểu vòiphun (Sprinkler heads)

- Có thể cho hệ thống làm việc khi mực nước trong các bể ứng với các trườnghợp: không biến đổi (Simple tank), thay đổi theo thời gian (Timer controls), hoặc điềukhiển theo quy tắc phức tạp (Complex rule-based controls)

1.3 Khả năng mô phỏng chất lượng nước (Water Quality Modeling Capabilities)

Ngoài việc mô hình hoá thuỷ lực, EPANET cho phép mô hình hoá chất lượng nướcvới các khả năng sau:

- Mô hình hoá sự chuyển động của chất không phản ứng trong mạng

- Mô hình hoá chuyển động và sự biến đổi của các chất có phản ứng trong mạngnhư sự gia tăng (ví dụ như sản phẩm khử trùng) hoặc sự suy giảm (như dư lượng Clo)theo thời gian

- Mô hình hoá thời gian lưu nước trong khắp mạng

- Theo dõi được phần trăm lưu lượng nước từ một nút cho trước đến các nút kháctheo thời gian

- Mô hình hoá phản ứng cả trong dòng chảy (Bulk Flow) lẫn trên thành ống (PipeWall)

- Sử dụng động học bậc 'n' để mô hình hoá phản ứng trong dòng chảy

- Sử dụng động học bậc '0' hoặc bậc nhất để mô hình hoá phản ứng tại thành ống

- Kể đến việc cản trở sự vận chuyển nước khi mô hình hoá phản ứng tại thànhống

- Cho phép các phản ứng gia tăng hoặc suy giảm đến một nồng độ giới hạn

- Sử dụng các hệ số mức phả`n ứng chung, tuy nhiên cũng có thể thay đổi riêngcho từng đoạn ống

- Cho phép hệ số phản ứng của thành ống liên hệ được với độ nhám của ống

- Cho phép nồng độ hoặc khối lượng vật chất biến đổi theo thời gian đưa vào một

vị trí bất kỳ trong mạng

- Mô hình hoá các bể chứa như là bể phản ứng với các kiểu trộn khác nhau Với các đặc điểm như vậy, EPANET có thể xem xét được các vấn đề về chất lượngnước như:

- Sự pha trộn nước từ các nguồn khác nhau;

- Thời gian lưu nước trong hệ thống;

- Sự suy giảm dư lượng Clo;

- Sự gia tăng các sản phẩm khử trùng;

- Theo dõi sự lan truyền các chất ô nhiễm

1.4 Các bước sử dụng EPANET (Steps in Using EPANET)

Việc áp dụng chương trình EPANET để mô phỏng một hệ thống cấp nước đượcthực hiện theo các bước cơ bản dưới đây:

1) Vẽ sơ đồ biểu diễn mạng cấp nước (Adding Objects)

2) Biên tập các thuộc tính của các đối tượng của mạng (Editing Objects).

3) Mô tả hệ thống làm việc như thế nào: các đường quan hệ (Curves), các mẫu

hình thời gian (Time Patterns), các lệnh điều khiển (Controls)

4) Chọn các chức năng phân tích (Setting Analysis Options) để đặt các thuộc tính

cho các đối tượng về các mặt: thuỷ lực, chất lượng, phản ứng, thời gian, năng lượng, 5) Chạy chương trình để phân tích thuỷ lực hoặc chất lượng nước (Running an

Analysis)

6) Xem kết quả (Viewing Results)

CHƯƠNG 2 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

2.1 Mạng lưới ví dụ (Example Network)

Trong chương này giới thiệu một ví dụ mạng lưới phân phối nước đơn giản thểhiện như hình vẽ 2.1

Mạng này bao gồm: bể chứa nguồn (chẳng hạn là bể chứa nước sạch của trạm xử

lý), từ đó nước được bơm vào mạng lưới đường ống có hai vòng Ngoài ra còn cóthêm một đường ống dẫn tới một đài chứa nổi lên trên hệ thống Các nhãn (ID labels)cho các thành phần khác nhau được biểu diễn trên hình vẽ Các thuộc tính nút củamạng lưới được thể hiện trong bảng 2.1 Các thuộc tính của ống được liệt kê trong

bảng 2.2 Máy bơm (9) có thể tạo ra một cột nước 46 m với lưu lượng 38 l/s, và đài

nước (nút 8) có đường kính 12 m, mức nước nhỏ nhất 1,0 m, và mức nước tối đa 6,0

m, mức nước ban đầu là 1,2 m

Hình 2.1 Ví dụ về một mạng lưới đường ốngBảng 2.1 Ví dụ các thuộc tính nút của mạng lưới

Bảng 2.1 Ví dụ các thuộc tính đường ống của mạng lưới

2.2 Thiết lập bản vẽ (Project Setup)

Trước hết, nhiệm vụ đầu tiên của chúng ta là tạo ra một bản vẽ hệ thống (Project)mới trên EPANET Để bắt đầu, mở EPANET, hoặc nếu EPANET đã khởi động rồi thì

chọn File >> New (từ thanh menu) để tạo ra một project mới Tiếp theo chọn Project

>> Defaults để mở hộp thoại mà dạng của hộp được thể hiện ở hình 2.2 Chúng ta sẽ

sử dụng hộp thoại này để cho EPANET tự động gán nhãn cho các đối tượng mới vớicách đánh số liên tiếp bắt đầu từ số từ 1 và cộng thêm 1 mỗi khi chúng được thêm vàomạng lưới Trên trang ID Labels của hộp thoại xoá hết các nội dung trong cột IDPrefix và đặt bước tăng ID (ID Increment) bằng 1 (hình 2.2)

Hình 2.2 Hộp thoại Project DefaultsSau đó chọn trang Hydraulics của hộp thoại và chọn đơn vị đo lưu lượng (FlowUnits) là LPS (liters per second, l/s) Khi đó, hệ đơn vị SI sẽ được sử dụng cho tất cảcác đại lượng (chiều dài bằng mét, đường kính ống bằng mili-mét, áp suất bằng mét

cột nước, v.v ) Cũng chọn công thức Chezy-Manning như là công thức tính tổn thấtcột nước trong ống (hình 2 2)

Nếu muốn giữ các lựa chọn này cho tất cả các projects mới trong tương lai, bạn có

thể đánh dấu vào hộp Save ở dưới đáy hộp thoại trước khi chấp nhận nó bằng việc nhấn nút OK

Tiếp theo chúng ta sẽ chọn vài chức năng hiển thị sơ đồ mạng lưới để khi chúng tathêm các đối tượng lên sơ đồ, chúng ta sẽ thấy nhãn và ký hiệu của chúng được hiển

thị Chọn View >> Options để hiển thị hộp thoại Map Options Chọn trang Notation ở

hộp thoại và đánh dấu các cài đặt (thể hiện ở hình 2.3 dưới đây) Sau đó chuyển sangtrang Symbols và đánh dấu cho tất cả các hộp Nhấp nút OK để chấp nhận những lựachọn này và đóng hộp thoại lại

Cuối cùng, trước khi vẽ mạng lưới, chúng ta phải đảm bảo rằng các cài đặt tỉ lệ

bản đồ của chúng ta là đã được chấp nhận Chọn View >> Dimensions để làm hiện ra

hộp thoại Map Dimensions Chú ý rằng các kích thước mặc định này sẽ được chỉ địnhcho project mới Những cài đặt này đủ để đáp ứng cho thí dụ ở đây Sau đó nhấp nút

OK.

Hình 2.3 Hộp thoại Map Options

2.3 Vẽ mạng lưới cấp nước (Drawing the Network)

Sử dụng chuột và các nút nằm trên thanh công cụ bản đồ (Map Toolbar) được thể hình

dưới đây (Nếu không nhìn thấy thanh công cụ này thì chọn View >> Toolbars >>

Map)

Trước hết chúng ta vẽ bể chứa Nhấp nút Reservoir Tiếp theo nhấp chuột trên bản

đồ tại vị trí của bể chứa (vị trí nào đó bên trái của bản đồ)

Sau đó thêm vào các mối nối Nhấp nút Junction và sau đó nhấp vào bản đồ tại các

vị trí của các nút từ nút 2 đến nút 7

Cuối cùng thêm đài nước bằng cách nhấp nút Tank và nhấp vào bản đồ nơi đặt đàinước Đến đây sơ đồ mạng phải sẽ có dạng giống như bản vẽ trong hình 2.4

Hình 2.4 Bản đồ mạng lưới sau khi nhập các nút

Sau đó chúng ta nhập thêm các đường ống vào Hãy bắt đầu từ ống 1, nối nút 2 tới nút

3 Nhấp nút Pipe trên Toolbar Nhấp chuột vào nút 2 trên bản đồ và sau đó đến nút

3 Lặp lại cách vẽ này cho các ống từ 2 tới 7

Ống 8 có hình đường cong Muốn vẽ nó nhấp chuột vào nút 5 Sau đó trong quá trình

di chuyển chuột tới nút 6 hãy nhấp chuột tại những điểm mà ở đó cần có sự đổi hướng

để tạo ra hình dạng đường cong mong muốn Kết thúc quá trình vẽ bằng việc nhấp vàonút 6

Cuối cùng thêm máy bơm vào Nhấp nút Pump , rồi nhấp vào nút 1 và sau đó lànút 2

Tiếp theo chúng ta sẽ tạo nhãn cho bể chứa, máy bơm, và đài nước Hãy chọn nút Text

và nhấp vào một nơi nào đó cạnh bể chứa (nút 1) Một hộp điều chỉnh sẽ xuất hiện,Hãy gõ vào từ BỂ và sau đó gõ Enter Nhấp bên cạnh máy bơm và nhập nhãn của nóvào (BƠM), rồi làm tương tự cho đài nước (ĐÀI) Sau đó nhấp nút Selection trênToolbar để đưa bản đồ vào chế độ Object Selection thay vì chế độ Text Insertion

Đến đây chúng ta đã hoàn thành việc vẽ mạng lưới Mạng lưới của bạn phải giống nhưbản đồ ở hình 1.1 Nếu các nút nằm sai vị trí bạn có thể di chuyển chúng bằng cáchnhấp vào nút đó, giữ chuột trái và kéo nó tới vị trí mới Chú ý quan sát xem các ốngnối được di chuyển cùng với nút như thế nào Các nhãn cũng có thể thay đổi vị trí theocách tương tự Muốn tạo lại dáng đường cong của ống 8 thì làm như sau:

1) Trước hết nhấp lên ống 8 để chọn nó và sau đó nhấp nút trên Toolbar đểđưa bản đồ vào chế độ Vertex Selection

2) Chọn một đỉnh (Vertex) trên ống bằng cách nhấp lên nó, giữ nút trái chuột vàsau kéo nó tới một vị trí mới rồi thả nút trái chuột ra

3) Nếu cần, có thể thêm hoặc xoá bớt đỉnh của tuyến ống bằng cách nhấp nút phảichuột và chọn chức năng thích ứng trên menu xuất hiện trên màn hình

4) Khi kết thúc, nhấp vào để trở lại chế độ Object Selection

2.4 Định các thuộc tính của đối tượng (Setting Object Properties)

Khi các đối tượng được thêm vào một Project, chúng được gán bởi một tập hợp cácthuộc tính mặc định Muốn thay đổi thiết lập của một thuộc tính cụ thể chúng ta phảichọn đối tượng vào Property Editor (hình 2.5) Có một số cách khác nhau để làm việcnày Nếu hộp thoại Editor đã nhìn thấy thì bạn có thể làm cho nó (Property Editor)xuất hiện bằng một trong những thao tác sau:

1) Nhấp đúp vào đối tượng trên bản đồ

2) Nhấp nút phải chuột lên đối tượng và chọn Properties từ cửa sổ xuất hiện trên

màn hình

3) Chọn đối tượng từ trang Data của cửa sổ Browser rồi nhấp nút Browser’s Edit

Mỗi khi trong Property Editor có ô sáng lên, bạn có thể nhấn phím F1 để có đượcnhững hướng dẫn đầy đủ hơn về những thuộc tính được liệt kê

Hình 2.5 Property Editor

Chúng ta hãy bắt đầu soạn thảo các thuộc tính bằng cách chọn nút 2 vào PropertyEditor như cách đã nói ở trên Bây giờ chúng ta nhập cao độ và nhu cầu nước cho nútnày trong các ô thích hợp Bạn có thể dùng các phím mũi tên Up và Down trên bànphím hay con chuột để di chuyển giữa các ô này Chúng ta chỉ cần nhấp lên một đốitượng khác (nút hay đường nối) để làm cho các thuộc tính của nó tiếp tục xuất hiện

trong Property Editor Chúng ta cũng có thể nhấn phím Page Down hay Page Up để di

chuyển tới đối tượng tiếp theo hay đối tượng trước với cùng một loại số liệu Như vậychỉ cần di chuyển từ đối tượng này sang đối tượng khác và điền cao độ và lưu lượngyêu cầu cho các nút, chiều dài, đường kính và độ nhám cho các đường nối,

Đối với bể chứa, nhập cao độ của nó (210) trong ô tổng cột áp (Total Head) Đối vớiđài nước; nhập 250 cho cao độ của nó; nhập 1,2 cho mức nước ban đầu; nhập 6,0 chomức nước lớn nhất và 12 cho đường kính của nó Đối với máy bơm, chúng ta cần phảigán cho nó một đường cong (quan hệ giữa cột nước và lưu lượng) Nhập nhãn ID 1trong ô Pump Curve

Tiếp theo chúng ta sẽ tạo ra Pump Curve 1 Từ trang Data của cửa sổ Browser, chọn

Curves từ hộp danh sách thả xuống và sau đó nhấp nút Add Một đường cong 1 sẽđược thêm vào cơ sở dữ liệu và hộp thoại Curve Editor sẽ xuất hiện (hình 2.6) Nhậpcột nước thiết kế máy bơm (46 m) và lưu lượng thiết kế (38 l/s) vào biểu này.EPANET sẽ tự động tạo ra đường đặc tính máy bơm hoàn chỉnh từ 1 điểm duy nhấtnày Phương trình của đường cong được biểu diễn với dạng của nó Nhấp OK để đóngEditor

Hình 2.6 Curve Editor

2.5 Lưu và mở bản vẽ (Saving and Opening Projects)

Sau khi đã hoàn thành thiết kế ban đầu của mạng lưới, cần phải lưu lại công việc củachúng ta vào một file

1) Từ menu File chọn Save as

2) Từ hộp thoại Save as chọn thư mục và tên file cần lưu Project vào đó Phần mở

rộng net sẽ được thêm vào tên của file một cách mặc định nếu ta không cung cấp

3) Nhấp OK để lưu Project này vào file

Các dữ liệu của Project được đưa vào file dưới dạng nhị phân Nếu bạn muốn lưu dữ

liệu vào tập tin dưới dạng văn bản có thể đọc được, hãy dùng lệnh File >> Export >>

Network

Muốn mở Project, chúng ta chọn lệnh Open từ menu File

2.6 Chạy mô hình mô phỏng một thời đoạn (Running a Single Period Analysis)

Bây giờ chúng ta có đủ thông tin để chạy một mô hình phân tích thuỷ lực một thời

đoạn trên mạng lưới ví dụ nêu trên Để chạy mô hình chọn Project >> Run Analysis

hoặc nhấp nút Run từ thanh công cụ (Standard Toolbar) (Nếu Toolbar chưa nhìn

thấy thì hãy chọn View >> Toolbars >> Standard từ thanh Menu)

Nếu chương trình không chạy được thì một cửa sổ Status Report sẽ xuất hiện ra và chobiết có vấn đề (lỗi) gì Nếu chạy thành công thì bạn có thể xem kết quả theo nhiềucách Hãy chọn một số trong những thao tác sau:

1) Chọn Node Pressure từ trang Browser’s Map và quan sát giá trị áp suất ở cácnút được mã màu (color-coded) như thế nào Muốn xem lời chú giải cho sự mã màu

này, hãy chọn View >> Legends >> Node (hoặc nhấp nút phải chuột lên phần trống

của bản đồ và chọn Node Legends từ cửa sổ hiện ra) Để chọn khoảng màu của lời chúgiải, nhấp nút phải chuột lên lời chú giải để làm cho Legends Editor xuất hiện

2) Lôi hộp thoại Property Editor ra (nhấp đúp và bất kỳ nút hay đường nối nào) vànhìn nhận kết quả tính toán được hiện trên các ô cuối (màu vàng sáng) của danh sáchcác ô thuộc tính

3) Tạo ra một danh sách kết quả bằng bảng biểu bằng cách chọn Report >> Table

(hay bằng cách nhấp nút Table trên Standard Toolbar Hình 2.7 hiển thị một bảngnhư vậy cho các kết quả tính toán cho các đường nối trong lần chạy này Lưu ý rằngcác lưu lượng có dấu âm có nghĩa là lưu lượng chảy ngược hướng với hướng vẽ đoạnống lúc đầu

Bảng 2.7 Ví dụ các kết quả tính toán cho các đường nối

2.7 Chạy mô hình mô phỏng theo thời gian (Running an Extended Period Analysis)

Để cho mạng lưới của chúng ta có tính thực tế hơn cho việc phân tích theo thời gianhoạt động dài, chúng ta sẽ tạo ra một mẫu hình thời gian (Time Pattern) làm cho cáclưu lượng yêu cầu tại các nút thay đổi một cách có chu kỳ trong mỗi ngày Đối với ví

dụ đơn giản này chúng ta sẽ sử dụng một mẫu hình thời gian có độ dài mỗi thời đoạn(bước thời gian) là 6 giờ, như vậy lưu lượng yêu cầu thay đổi 4 lần trong một ngày.(Bước thời gian 1 giờ là một con số điển hình hơn và là sự mặc định gắn cho Projectmới) Chúng ta sắp xếp các bước thời gian bằng cách chọn Options-Times từ DataBrowser, nhấp vào nút Browser’s Edit để làm cho Property Editor xuất hiện (nếu nhưchưa thấy trên màn hình) Và nhập 6 cho giá trị của bước thời gian (như thể hiện ởhình 2.8 dưới đây) Khi làm cho Time Options xuất hiện, chúng ta cũng có thể địnhkhoảng thời gian mà chúng ta muốn kéo dài để chạy chương trình Chúng ta sử dụngkhoảng thời gian 3 ngày (nhập 72 giờ cho thuộc tính Duration)

Hình 2.8 Tuỳ chọn thời gian (Time Options)

Để tạo ra mẫu hình, hãy chọn Patterns trong Browser sau đó nhấp nút Add Mộtmẫu hình mới 1 sẽ được tạo ra và hộp thoại Pattern Editor sẽ xuất hiện (xem hình 2.9).Nhập các giá trị nhân tử 0,5; 1,3; 1,0; 1,2 cho các khoảng thời gian từ 1 tới 4 sẽ tạođược một mẫu hình với thời gian kéo dài 24 tiếng Sử dụng các nhân tử này để thayđổi lưu lượng yêu cầu so với lưu lượng yêu cầu cơ bản trong từng thời đoạn Bởi vìchúng ta đang tạo ra thời gian chạy là 72 giờ nên mẫu hình sẽ quay lại điểm xuất phátsau mỗi khoảng thời gian 24 giờ

Hình 2.9 Pattern Editor

Bây giờ chúng ta phải gán mẫu hình 1 cho thuộc tính Demand Pattern (mẫu hình lưulượng yêu cầu) của tất cả các nút trong mạng Chúng ta có thể sử dụng một trong cácHydraulic Options của EPANET để tránh việc phải soạn thảo cho các mối nối từng cáimột Nếu bạn làm xuất hiện Hydraulic Options trong Property Editor bạn sẽ thấy cómột mục gọi là Default Pattern Việc gán định giá trị của nó bằng 1 sẽ làm cho

Demand Pattern tại mỗi mối nối bằng mẫu hình 1, một khi không có mẫu hình nàokhác được gán cho mối nối này

Tiếp theo chạy phép phân tích (chọn Project >> Run Analysis hoặc nhấp nút trênthanh Standard Toolbar) Đối với phép phân tích theo thời gian dài bạn có một số cáchnữa để xem kết quả:

Thanh cuộn trong các nút kiểm soát Time của Browser sẽ được sử dụng để hiển thịbản đồ mạng lưới tại những thời điểm khác nhau Hãy thực hiện việc này với áp suất(Pressure) được chọn là thông số của nút và lưu lượng (Flow) là thông số của đườngnối

Các nút theo kiểu VCR trong Browser có thể kích hoạt bản đồ theo thời gian Nhấp nútForward (chạy tới) để để bắt đầu chạy hoạt ảnh và nút Stop để dừng lại

Hãy thêm các mũi tên hướng dòng chảy ở bản đồ (chọn View >> Options, chọn trang

Flow Arrows từ hộp thoại Map Options và đánh dấu (check) một kiểu mũi tên mà bạnmuốn sử dụng) Sau đó bắt đầu chạy lại hoạt ảnh và chú ý sự thay đổi hướng dòng chảytheo thời gian của dòng chảy qua ống nối với đài nước khi đài nước nhận nước và xảnước

Hãy tạo ra bản vẽ loạt thời gian cho bất kỳ một nút hay một đường nối nào Ví dụmuốn xem độ cao của nước trong đài thay đổi như thế nào theo thời gian thì:

1) Nhấp vào đài nước

2) Chọn Report >> Graph (hoặc nhấp nút Graph trên Standard Toolbar) sẽhiển thị hộp thoại Graph Selection

3) Chọn nút Time Series (loạt thời gian) trên hộp thoại

4) Chọn Head (cột nước) như là thông số để vẽ

5) Nhấp OK để chấp nhận việc chọn đồ thị của bạn

Chú ý tính chu kỳ của đồ thị biểu thị độ cao của nước trong đài theo thời gian

Hình 2.10 Ví dụ về hình vẽ theo loạt thời gian

2.8 Chạy một phép phân tích chất lượng nước (Running a Water Quality Analysis)

Tiếp theo chúng ta sẽ thấy cách mở rộng phép phân tích mạng lưới ví dụ của chúng ta

để nó bao gồm cả việc phân tích chất lượng nước Trường hợp đơn giản nhất là theodõi sự phát triển của tuổi nước (Age), còn gọi là thời gian lưu nước), trên toàn mạnglưới theo thời gian Để thực hiện việc phân tích này chúng ta chỉ cần chọn Age chothuộc tính Parameter trong Quality Options (chọn Options-Quality từ trang Data củaBrowser, rồi nhấp nút Browser's Edit để làm cho Property Editor xuất hiện) Hãy chạyphép phân tích và chọn Age như là thông số để xem trên bản đồ Hãy tạo ra một bản vẽloạt thời gian cho Age trong đài nước Lưu ý rằng không giống như mực nước, 72 giờ

là không đủ thời gian để thời gian lưu nước trong đài đạt tới quan hệ chu kỳ (Điềukiện ban đầu mặc định là bắt đầu tất cả các nút với thời gian lưu nước bằng 0) Hãythử lặp lại sự mô phỏng với việc sử dụng khoảng thời gian 240 giờ hoặc gán 60 giờcho tuổi nước ban đầu trong đài

Cuối cùng, chúng ta sẽ mô phỏng sự vận chuyển và sự phân rã của Clo qua mạng lưới.Hãy thực hiện những thay đổi sau cho cơ sở dữ liệu:

1) Từ Data Browser chọn Options-Quality để soạn thảo Nhấn nút Edit để hiện rahộp thoại Quanlity Option Trong ô Parameter gõ vào từ "Clo"

2) Chuyển sang Options-Reactions trong Browser Với Global Bulk Coefficientnhập giá trị -1.0 Điều này phản ánh tốc độ mà tại đó Clo sẽ phân rã do những phảnứng trong khối dòng theo thời gian Tốc độ này sẽ áp dụng cho tất cả các ống trong

mạng lưới Bạn có thể sửa trị số này cho các ống riêng rẽ nếu bạn cần

3) Hãy nhấp vào bể nước và ấn định Initial Quality của nó bằng 1,0 Đây là nồng

độ Clo liên tục đi vào mạng lưới (Hãy ấn định chất lượng ban đầu trong đài bằng 0nếu như bạn đã thay đổi nó.)

Bây giờ hãy chạy ví dụ Sử dụng các kiểm tra thời gian trên Map Browser để xem mứcClo thay đổi theo vị trí và thời gian như thế nào trên toàn bộ sự mô phỏng Lưu rằng,đối với mạng lưới đơn giản này, chỉ có các mối nối 5, 6 và 7 nhìn thấy được mức Clo

bị giảm xuống do được cung cấp bởi nước Clo nồng độ thấp từ đài nước Hãy tạo ra

một báo cáo phản ứng (reaction report) cho lần chạy này bằng cách chọn Report >>

Reaction từ menu chính Báo cáo này trông giống như hình 2.1 Nó cho thấy, trung

bình lượng Clo thất thoát là bao nhiêu xảy ra trên các đường ống đối diện với đài.Thuật ngữ "khối" chỉ các phản ứng xảy ra trong khối dòng chảy chất lỏng, còn "thành"chỉ các phản ứng với vật liệu trên thành ống Phản ứng sau bằng 0 vì chúng ta đãkhông định rõ bất cứ hệ số phản ứng thành nào trong ví dụ này

Hình 2.11 Ví dụ báo cáo phản ứng (Reaction Report)

Chúng ta mới chỉ chạm vào bề mặt của nhiều khả năng khác nhau mà EPANET cungcấp Một số điều đặc trưng nữa của chương trình EPANET mà bạn phải tiếp tục tìmhiểu và nghiên cứu là:

- Sửa đổi một thuộc tính cho một nhóm các đối tượng nằm bên trong một vùngxác định bởi người sử dụng

- Sử dụng các câu lệnh điều khiển để bố trí vận hành máy bơm đúng giờ trongngày hoặc mức nước ở đài

- Khảo sát các chức năng bản đồ khác nhau, chẳng hạn như làm cho kích cỡ củanút liên quan tới giá trị

- Gắn một bản đồ nền (backdrop), chẳng hạn như bản đồ đường phố vào trongbản đồ mạng lưới

- Tạo ra nhiều loại biểu đồ khác nhau, chẳng hạn như các bản vẽ mặt cắt và cácbản vẽ đường đồng mức

- Thêm các số liệu định cỡ vào một Project và xem một báo cáo định cỡ

- Copy bản đồ, biểu đồ, hay một báo cáo vào clipboard hoặc vào một file

- Lưu và lấy lại một kịch bản thiết kế (có nghĩa là các lưu lượng yêu cầu nút hiệntại, các giá trị độ nhám ống, v.v )

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI

Phần này nói về cách mà EPANET mô hình hoá các đối tượng vật lý tạo thành hệthống phân phối nước cũng như các thông số của nó Các chi tiết về vấn đề làm thếnào để những thông tin này được nhập vào chương trình sẽ được giới thiệu trong cácphần tiếp theo Phần này cũng khái quát phương pháp tính toán mà EPANET sử dụng

để mô phỏng quan hệ thuỷ lực và truyền chất

3.1 Các thành phần vật lý của mạng lưới (Physical Components)

EPANET mô hình hoá hệ thống phân phối như là một tập hợp các đường nối được nốivới các nút Các đường nối miêu tả các ống, máy bơm, và van điều khiển Các nútmiêu tả các mối nối, đài nước và bể chứa Hình dưới đây minh hoạ các đối tượng nàyđược nối với nhau như thế nào để tạo thành một mạng lưới

Hình 3.1 Các thành phần vật lý trong một hệ thống phân phối nước.

Các mối nối (Junctions)

Mối nối là những điểm trong mạng lưới nơi các đường nối được nối lại với nhau vànơi nước đi vào hoặc đi ra khỏi mạng lưới Các số liệu đầu vào cơ bản của mối nối là:

- Độ cao trên một mức chuẩn nào đó (thường mức chuẩn là mực nước biển trungbình);

- Lưu lượng yêu cầu (lưu lượng nước lấy ra khỏi mạng);

- Chất lượng nước ban đầu

Các kết quả đầu ra được tính toán cho các mối nối trong mọi khoảng thời gian môphỏng là:

- Cột nước (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng);

- Chất lượng nước

Các mối nối cũng có thể:

- Có lưu lượng yêu cầu thay đổi theo thời gian;

- Có các mẫu hình khác nhau của lưu lượng yêu cầu gắn cho chúng;

- Có các lưu lượng âm biểu thị nước đi vào mạng lưới;

- Chứa các vòi phun (hoặc bình phun) cho lưu lượng chảy ra phụ thuộc vào áplực

Bể chứa (Reservoirs)

Bể chứa là những nút biểu thị cho nguồn nước bên ngoài không xác định tới mạnglưới Chúng được sử dụng để mô hình hoá cho những vật thể như: hồ, sông, các tầngngậm nước ngầm và các mối liên hệ với các hệ thống khác Các bể chứa cũng đóng vaitrò như những điểm nguồn chất lượng nước

Các thuộc tính đầu vào ban đầu của bể chứa là cột nước của nó (bằng với độ cao mặtnước nếu bể chứa không có áp) và chất lượng ban đầu của nó cho việc phân tích chấtlượng nước

Vì bể chứa là một điểm biên tới một mạng lưới, nên cột nước và chất lượng nước cóthể không bị ảnh hưởng bởi những gì xảy ra bên trong mạng lưới Do đó nó không cócác thuộc tính đầu ra theo tính toán Tuy nhiên cột nước của nó có thể thay đổi theothời gian bằng cách ấn định cho nó một mẫu hình thời gian (xem các mẫu hình thờigian bên dưới)

Đài nước (Tanks)

Đài nước là các nút có khả năng trữ nước, nơi mà thể tích nước có thể thay đổi theothời gian trong suốt quá trình mô phỏng Các thuộc tính đầu vào của đài nước là:

- Độ cao đáy (nơi độ sâu nước bằng không);

- Đường kính (hay hình dạng nếu không phải là hình trụ);

- Mặc nước ban đầu, mực nước thấp nhất và mực nước cao nhất;

- Chất lượng ban đầu

Các đài nước đòi hỏi phải vận hành trong một phạm vi từ mức nước nhỏ nhất tới mựcnước lớn nhất của chúng EPANET ngưng dòng chảy ra nếu nước trong đài ở mực nhỏnhất và ngưng dòng chảy vào nếu ở mức cao nhất Các đài nước cũng đóng vai trò như

là các điểm nguồn chất lượng nước

Đầu lấy nước (Emitters)

Đầu lấy nước là các thiết bị kết hợp với mối nối mà có thể mô hình hoá dòng chảy quamột vòi hoặc lỗ xả ra không khí Lưu lượng lấy ra từ đầu lấy nước biến đổi như là mộthàm số của áp suất tại nút:

q = C.p

Đối với các đầu vòi và lỗ thì lấy  =0,5 và nhà sản xuất thường cung cấp trị số của hệ

số lưu lượng (theo đơn vị gpm/psi0,5 hoặc lps/kpc0,5), biểu thị lưu lượng qua thiết bị ở

Các ống (Pipes)

Ống là đường nối có thể vận chuyển nước từ một điểm này tới một điểm khác trongmạng EPANET cho rằng tất cả các đoạn ống đầy nước tại mọi thời gian Hướng củadòng chảy là từ nơi có cột nước cao sang nơi có cột nước thấp Các thông số thuỷ lựcđầu vào chủ yếu cho các ống là:

- Nút đầu và nút cuối;

- Đường kính ống;

- Chiều dài;

- Hệ số nhám (để tính toán tổn thất thuỷ lực);

- Trạng thái (mở, đóng hoặc có van)

Các thông số về trạng thái cho phép ống hoàn toàn chứa van ngắt (van cửa), van mộtchiều (chỉ cho dòng chảy đi theo một chiều nhất định)

Các thông số đầu vào chất lượng nước cho ống gồm:

- Hệ số phản ứng khối;

- Hệ số phản ứng thành

Các hệ số này sẽ được giải thích kỹ hơn ở phần sau

Kết quả tính toán cho các ống gồm:

- Tổn thất cột nước;

- Hệ số ma sát Darcy-Weisbach;

- Hệ số phản ứng trung bình (trên chiều dài ống);

- Chất lượng nước trung bình (trên chiều dài ống)

Tổn thất thuỷ lực do nước chảy trong ống phụ thuộc vào sự ma sát với thành ống cóthể được tính toán bằng việc sử dụng một trong ba công thức:

Công thức Darcy-Weisbach là đúng nhất về mặt lý thuyết Nó được áp dụng cho tất cảcác chế độ dòng chảy và cho tất cả các chất lỏng

Công thức Chezy-Manning được sử dụng phổ biến hơn cho dòng chảy trong kênh hở

Mỗi công thức đều sử dụng phương trình sau để tính tổn thất thuỷ lực giữa điểm đầu

và điểm cuối của đoạn ống:

B - số mũ lưu lượng

Bảng 3.1 liệt kê các biểu thức cho hệ số sức cản A và giá trị số mũ lưu lượng B chomỗi công thức tính tổn thất thuỷ lực Mỗi công thức sử dụng một hệ số độ nhám khácnhau xác định bằng thực nghiệm

Bảng 3.1 Các công thức tính tổn thất cột nước trong ống chảy đầy

Gốm tráng men 110 0,013 - 0,015

Các ống có thể được ấn định cho mở hay đóng tại các thời điểm định trước hoặc khi cómột số điều kiện cụ thể định trước được thoả mãn, chẳng hạn khi mực nước trong đàitụt xuống hay vượt quá các mực nước định trước nào đó, hoặc khi các áp suất nút giảmxuống dưới hay vượt quá những giá trị nhất định Hãy xem việc thảo luận về các nútkiểm soát trong phần 3.2

Tổn thất cục bộ

Tổn thất cục bộ (gọi là Local losses hoặc Minor head losses) được sinh ra do sự rốiloạn dòng chảy xảy ra tại những chỗ uốn cong và nối ống Tầm quan trọng của việc kểđến những tổn thất như vậy phụ thuộc và sự bố trí mạng lưới và độ chính xác đòi hỏi.Các tổn thất này có thể được tính bằng cách gán cho ống một hệ số tổn thất cục bộ.Tổn thất cục bộ sẽ là tích số của hệ số này với cột nước vận tốc trong ống:

Van đong đong đưa, mở hoàn toàn: 2,5

Uốn cong, bán kính trung bình: 0,8

Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh thẳng: 0,6

Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh rẽ: 1,8

Các thông số đầu ra cơ bản là lưu lượng và cột nước thu được Dòng chảy qua bơm chỉ

có một hướng duy nhất và EPANET không cho phép một máy bơm hoạt động ngoàiphạm vi đường đặc tính của nó

Máy bơm có tốc độ quay thay đổi được còn có thể được xem xét bằng cách định rõrằng tốc độ của nó thay đổi trong cùng một loại các điều kiện Theo định nghĩa đườngđặc tính gốc của máy bơm mà ta cấp cho chương trình có tốc độ tương đối bằng 1 Nếutốc độ của máy bơm gấp đôi thì giá trị tương đối sẽ là 2, nếu chạy với một nửa tốc độthì giá trị tương đối của tốc độ sẽ là 0,5, v.v Việc thay đổi tốc độ sẽ làm biến đổiđường đặc tính của máy bơm

Như đối với các ống, máy bơm có thể được bật và tắt vào những thời gian định trướchay theo một điều kiện nhất định tồn tại trong mạng lưới Sự vận hành máy bơm cũng

có thể được mô tả bằng cách ấn định cho nó một mẫu hình thời gian với những giá trịnhân tử là các tốc độ tương đối EPANET cũng có thể tính được năng lượng tiêu thụ

và chi phí cho việc bơm nước Mỗi máy bơm có thể được ấn định một đường đặc tínhhiệu suất và một chế độ giá điện Nếu những thứ này không được cung cấp thì một tậphợp các lựa chọn năng lượng sẽ được sử dụng

Dòng chảy qua bơm là dòng chảy một chiều Nếu điều kiện của hệ thống đòi hỏi cộtnước bơm cao hơn khả năng của máy thì EPANET đóng máy bơm lại Nếu lưu lượngyêu cầu lớn hơn lưu lượng của máy bơm thì EPANET ngoại suy đường đặc tính củamáy bơm đến lưu lượng yêu cầu, thậm chí điều này sinh ra một cột nước âm Trong cảhai trường hợp thì một thông điệp cảnh báo sẽ được đưa ra

Các giá trị đầu ra tính toán là lưu lượng và tổn thất cột nước

Các loại van khác nhau có ở trong EPANET là:

- Van giảm áp Pressure Reducing Valve (PRV)

- Van ngắt áp Pressure Breaker Valve (PBV)

- Van kiểm soát lưu lượng Flow Control Valve (FCV)

- Van kiểm soát tiết lưu Throttle Control Valve (TCV)

- Van mục đích chung General Purpose Valve (GPV)

Các van giảm áp (PRV) khống chế áp suất tại một điểm trong mạng lưới EPANETtính toán là một PRV có thể ở một trong 3 trạng thái sau:

- Mở một phần (có nghĩa là hoạt động) để đạt được một thiết lập áp suất đã địnhphía hạ lưu khi áp suất phía thượng lưu cao hơn áp suất đã định

- Mở hoàn toàn nếu áp suất phía thượng lưu thấp hơn thiết lập đã định

- Đóng hoàn toàn nếu áp suất phía hạ lưu vượt quá áp suất phía thượng lưu(nghĩa là dòng chảy ngược là không được phép)

Các van giữ áp (PSV) duy trì một áp suất nhất định tại một điểm cụ thể trong mạngống EPANET tính toán là một PSV có thể ở một trong 3 trạng thái sau:

- Mở một phần (hoạt động) để duy trì thiết lập áp suất của nó ở phía thượng lưu

khi áp lực phía hạ lưu thấp hơn thiết lập này

- Mở hoàn toàn nếu áp lực phía hạ lưu cao hơn thiết lập

- Đóng hoàn toàn nếu áp suất phía hạ lưu vượt quá áp suất phía thương lưu(nghĩa là dòng chảy ngược là không được phép)

Van ngắt áp (PBV) bắt buộc một tổn thất áp suất danh nghĩa xảy ra qua van Dòngchảy qua van có thể ở hướng kia tới PBV không phải là một thiết bị vật lý thực sựnhưng có thể được sử dụng để lập mô hình các tình huống mà ở đó một sự giảm ápsuất cá biệt là có thực

Van kiểm soát lưu lượng (FCV) khống chế lưu lượng ở một giá trị danh nghĩa.Chương trình sẽ đưa ra một thông báo nếu lưu lượng này không thể duy trì được nếukhông bổ sung thêm cột nước tại van (nghĩa là lưu lượng không thể duy trì được ngay

cả khi van mở hoàn toàn)

Van kiểm soát tiết lưu (TCV) mô phỏng van đóng một phần bằng cách điều chỉnh hệ

số tổn thất cục bộ của van Nhà sản xuất van thường cung cấp cho chúng ta mối quan

hệ giữa mức độ đóng van và hệ số tổn thất cục bộ

Van mục đích chung (GPV) đóng vai trò của một đường nối, nơi mà người sử dụngcung cấp một quan hệ đặc biệt giữa lưu lượng và tổn thất cột nước (Q~hL) thay chotuân theo một công thức thuỷ lực chuẩn Van này được dùng để mô hình hoá turbines,van ngăn dòng chảy ngược

Van đóng mở (Shutoff, Gate) và van một chiều (không chảy ngược) dùng để mở hayđóng ống hoàn toàn ống Van không được coi là các đường nối van riêng, mà thay vào

đó nó bao gồm như một thuộc tính của ống nơi chúng được lắp

Mỗi loại van có một thông số thiết lập khác nhau mô tả điểm làm việc của nó (áp suấtcho các van PRV, PSV, PBV; lưu lượng cho các van FCV; hệ số tổn thất cho các vanTCV, và đường cong tổn thất cột nước cho các van GPV)

Các van có thể bị tràn tình trạng kiểm soát khi ta ấn định cho chúng mở hoàn toàn hayđóng hoàn toàn Trạng thái của van và thiết lập của chúng có thể thay đổi trong thờigian của sự mô phỏng bằng việc sử dụng các câu lệnh điều khiển

Do cách lập mô hình van mà các quy tắc sau đây được áp dụng khi thêm vào mộtmạng lưới:

- Một PRV, PSV, FCV có thể được nối trực tiếp vào một bể chứa hay đài nước

(sử dụng một chiều dài ống để tách hai cái ra)

- Các PRV không thể cùng có một nút phía hạ lưu chúng hoặc đấu song song vớinhau

- Hai PSV không thể cùng có một nút phía thượng lưu chúng hoặc đấu song songvới nhau

- Một PSV không thể được nối với nút hạ lưu của một PRV

3.2 Các thành phần không vật lý (Non-Physical Components)

Đường cong (Curve)

Đường cong là các đối tượng có chứa các cặp số liệu về mối quan hệ giữa hai đạilượng Hai hay nhiều đối tượng có thể cùng chia sẻ một đường cong EPANET có thể

sử dụng các loại đường cong sau:

- Đường cong máy bơm;

- Đường cong hiệu suất;

- Đường cong dung tích;

- Đường cong tổn thất cột nước

Đường cong máy bơm

Đường cong máy bơm biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng và cột nước mà máy bơm tạo

ra Trục hoành biểu diễn lưu lượng, còn trục tung biểu diễn cột nước (H~Q)

EPANET vẽ đường cong máy bơm theo số liệu nhập vào Tuỳ theo tình hình cung cấp

số liệu mà có các trường hợp xây dựng đường cong như sau:

Nếu chỉ nhập 1 điểm A(Q0, H1), EPANET sẽ mặc định vẽ đường cong H~Q, lấy điểmnhập và làm điểm thiết kế của máy bơm, và tự kéo dài đường cong ra hai phía.EPANET tự bổ sung theo 2 điểm nữa: B(0; 133%H1) và C(2Q1; 0) rồi tự vẽ đườngcong đi qua 3 điểm A, B, C này

Nếu nhập 3 điểm, EPANET có đủ cơ sở để vẽ đường cong theo lý thuyết theo hàm sốdạng: H = a  b.Qc, trong đó a, b, c là các hằng số

Nếu nhập nhiều điểm (số điểm lớn hơn hoặc bằng 4 thì đường H~Q được vẽ có dạnggãy khúc nối liền các điểm

Khi số vòng quay của máy bơm thay đổi từ n1 thành n2 thì các mối quan hệ (được biếttrong lý thuyết đồng dạng của máy bơm) là:

1 n

n H

c) Đường cong bơm nhiều điểm d) Đường cong bơm 1 điểm

với nhiều số vòng quay Hình 3.2 Ví dụ các đường cong máy bơm

Chúng ta nhìn thấy EPANET vẽ đường cong máy bơm trong các hộp thoại CurveEditor lấy ra từ cửa sổ Data Browser như các hình vẽ dưới đây

Hình 3.3a Đường cong bơm 1 điểm

Hình 3.3b Đường cong bơm 3 điểm

Hình 3.3c Đường cong bơm nhiều điểm

Đường cong hiệu suất máy bơm

Hình 4.4 Đường cong hiệu suất máy bơm

Đường cong hiệu suất máy bơm là đường biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng vàhiệu suất máy bơm: ~Q

Đường cong dung tích

Là đường cong biểu diễn thể tích trữ nước theo mức nước V~z

Hình 3.4 Đường cong dung tích đài nước

Đường cong tổn thất cột áp

Đường này để biểu diễn tổn thất cột nước theo lưu lượng qua van mục đích chung(GPV)

Các mẫu hình thời gian (Time Patterns)

Mẫu hình thời gian là tập hợp các nhân tử mà nó có thể được sử dụng cho một đạilượng để làm cho đại lượng đó thay đổi theo thời gian Có thể có các mẫu hình thờigian cho: các nhu cầu nút, cột nước bể chứa, tốc độ quay của máy bơm, chất lượngnước nguồn đi vào mạng lưới,

Khoảng thời gian được sử dụng cho tất cả các mẫu hình là một giá trị cố định (ấn địnhtrong Time Option) Trong mỗi khoảng thời gian, trị số của đại lượng giữ không đổi,bằng tích số của giá trị danh nghĩa và nhân tử Các mẫu hình thời gian có thể có sốkhoảng thời gian khác nhau Khi đồng hồ mô phỏng vượt quá số khoảng thời gian củamột mẫu hình thì mẫu hình đó được quay lại (lặp lại) khoảng thời gian đầu tiên của nó

Lệnh điều khiển (Controle)

Lệnh điều khiển là những mệnh lệnh xác định mạng lưới hoạt động theo thời gian nhưthế nào Chúng chỉ rõ trạng thái của một đường nối như là một hàm của thời gian, mựcnước trong đài và áp suất tại một điểm bên trong mạng Có hai loại điều khiển được sửdụng:

- Lệnh điều khiển đơn (Simple Controls)

- Lệnh điều khiển có quy tắc (Rule-Based Controls)

Lệnh điều khiển đơn

Lệnh điều khiển đơn làm thay đổi trạng thái hay thiết lập của một đường nối dựa trên:

- Mực nước trong một đài nước,

- Áp lực tại một mối nối,

- Thời gian mô phỏng,

- Thời gian trong ngày

Chúng là những dòng lệnh được diễn tả như một trong ba dạng sau:

LINK x status IF NODE y ABOVE/BELOW z

LINK x status AT TIME t

LINK x status AT CLOCKTIME c AM/PM

z - một áp suất cho một mối nối hay một mức nước trong đài;

t - một thời gian từ khi bắt đầu mô phỏng, tính bằng số giờ thập phân hay giờ:phút;

c - một thời gian đồng hồ

Không giới hạn về số lượng lệnh điều khiển đơn có thể sử dụng

Chú ý: Việc sử dụng một cặp lệnh điều khiển đơn để kiểm soát áp lực để đóng mở mộtđường nối có thể làm cho hệ thống trở nên bất ổn nếu các thiết lập áp lực quá gầnnhau Trong trường hợp này việc sử dụng cặp lệnh điều khiển có quy tắc có thể giúp

hệ thống ổn định hơn

Một số thí dụ về lệnh điều khiển đơn:

Lệnh điều khiển Ý nghĩa

LINK 12 CLOSED IF NODE 23 BELOW 20

(Đóng đường nối 12 khi mứcnước trong đài (tính từ đáy đài)

23 vượt quá 20 ft.)LINK 12 OPEN IF NODE 130 BELOW 30 (Mở đường nối 12 nếu áp suất tạinút 130 giảm xuống dưới 30 psi)

LINK 12 1.5 AT TIME 16 (Ấn định tốc độ tương đối củabơm 12 tới 1,5 tại 16 giờ vào mô

phỏng)LINK 12 CLOSED AT CLOCKTIME 10 AM (Đường nối 12 đóng tại 10 giờ

sáng mỗi ngày, và mở tại 8 giờchiều mỗi ngày trong suốt thờigian mô phỏng)

LINK 12 OPEN AT CLOCKTIME 8 PM

Lệnh điều khiển có quy tắc

Lệnh điều khiển có quy tắc cho phép các trạng thái nối và các thiết lập được dựa vàomột tổ hợp của các điều kiện có thể tồn tại trong mạng sau khi trạng thái thuỷ lực banđầu của hệ thống được tính toán Sau đây là một số ví dụ về lệnh điều khiển có quytắc:

Ví dụ 1:

Bộ quy tắc này đóng một máy bơm và mở một ống khi mức nước trong đài vượt quámột giá trị nhất định và làm ngược lại khi mức nước thấp hơn một giá trị khác:

RULE 1

IF TANK 1 LEVEL ABOVE 19.1

THEN PUMP 335 STATUS IS CLOSED

AND PIPE 330 STATUS IS OPEN

RULE 2

IF TANK 1 LEVEL BELOW 17.1

THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

AND PIPE 330 STATUS IS CLOSED

AND SYSTEM CLOCKTIME < 6 PM

AND TANK 1 LEVEL BELOW 12

THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

RULE 4

IF SYSTEM CLOCKTIME >= 6 PM

OR SYSTEM CLOCKTIME < 8 AM

AND TANK 1 LEVEL BELOW 14

THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

Bạn có thể tìm các dạng lệnh điều khiển có quy tắc ở phần Phụ lục C trong tài liệuhướng dẫn kèm theo EPANET, dưới tiêu đề [RULES]

3.3 Mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Simulation Model)

Mô hình mô phỏng thuỷ lực của EPANET tính toán các cột nước tại các mối nối vàlưu lượng tại các đường nối cho một tập hợp các mức nước bể chứa, các mức nướcđài, và các nhu cầu nước trong một chuỗi các thời điểm liên tiếp Với mỗi bước thờigian, mực nước bể chứa và lưu lượng mối nối được cập nhật theo mẫu hình thời gianđịnh trước cho chúng, trong khi đó mực nước đài được cập nhật qua việc cân bằnglượng nước ra vào đài

Phép giải ra cột nước và lưu lượng tại các thời điểm liên quan đến việc giải đồng thời

hệ phương trình bao gồm các phương trình cân bằng lưu lượng nút các phương trình

về quan hệ tổn thất cột nước qua từng đường nối trong mạng Công việc này này đượcbiết như là "cân bằng thuỷ lực" mạng lưới, đòi hỏi sử dụng phương pháp lặp để giảimột hệ các phương trình phi tuyến

Bước thời gian thuỷ lực được sử dụng cho mô phỏng thời đoạn dài có thể được ấn địnhbởi người sử dụng Giá trị điển hình là 1 giờ Các bước thời gian ngắn hơn bình

thường sẽ tự động xuất hiện khi một trong các sự kiện sau xảy ra:

- giai đoạn báo cáo đầu ra tiếp theo xảy ra;

- mẫu hình thời gian tiếp theo xảy ra;

- một đài trở nên cạn hoặc đầy;

- một lệnh điều khiển đơn hoặc lệnh điều khiển có quy tắc được kích hoạt

3.4 Mô hình mô phỏng chất lượng nước (Water Quality Simulation Model)

Vận chuyển cơ bản (Basic Transport)

Mô hình mô phỏng chất lượng nước của EPANET sử dụng sự tiếp cận dựa trên thờigian để theo dõi sự diễn biến của các phân tố nước riêng rẽ khi chúng chuyển độngtheo ống và trộn với nhau tại các mối nối giữa các bước thời gian có độ dài cố định.Bước thời gian chất lượng nước thường nhỏ hơn nhiều so với bước thời gian thuỷ lực(ví dụ, phút thay cho giờ) để làm cho ăn khớp những khoảng thời gian ngắn của sự dichuyển chất xảy ra trong ống

Phương pháp này theo dõi nồng độ và kích thước của một loạt các đoạn nước khôngchồng lên nhau đổ vào mỗi đường nối trong mạng Trong tiến trình thời gian, kíchthước của đoạn nước gần đầu ống tăng lên khi nước đi vào ống, trong khi đó thì mộtlượng mất đi đúng bằng vậy ở phía cuối ống sẽ xảy ra vì nước rời khỏi ống Kíchthước của các đoạn nước giữa chúng giữ nguyên không đổi

Đối với mỗi bước thời gian chất lượng nước, các thành phần của mỗi phân đoạn nướcphải chịu phản ứng, một lượng tích luỹ tổng khối lượng và thể tích dòng chảy vào mỗinút được giữ, và vị trí của các phân đoạn nước được cập nhật Sau đó, nồng mới củanút được tính toán, bao gồm sự đóng góp từ bất từ một nguồn bên ngoài nào Nồng độđài chứa được cập nhật phụ thuộc vào loại mô hình trộn được áp dụng (xem ở dướiđây) Cuối cùng, một phân đoạn nước mới sẽ được tạo ra tại đầu mỗi ống nhận dòngchảy vào từ nút nếu chất lượng nút mới khác về dung sai định bởi người sử dung sovới chất lượng của đoạn nước cuối của ống

Ban đầu mỗi ống trong mạng gồm một đoạn nước đơn mà chất lượng của nó bằng chấtlượng ban đầu quy định cho nút thượng lưu Mỗi khi có sự đảo dòng trong một ống thìcác phân đoạn của ống được đổi trật tự ngược lại từ trước ra sau

Trộn trong đài chứa (Mixing in Storage Tanks)

EPANET có khả năng sử dụng 4 kiểu mô hình khác nhau để mô tả sự pha trộn trongcác đài nước được minh hoạ như ở hình 3.5:

- Trộn hoàn toàn

- Trộn hai ngăn

- Dòng chảy "vào trước ra trước" (FIFO Plug Flow )

- Dòng chảy "vào sau ra trước" (LIFO Plug Flow)

Các mô hình trộn khác nhau có thể được sử dụng với những đài nước khác nhau trongmột mạng lưới

Mô hình pha trộn hoàn toàn (hình 3.5 a) giả định rằng tất cả nước đi vào một đài đượctrộn một cách tức thời và hoàn toàn với nước đã có sẵn trong đài Đây là hình thức trộnđơn giản nhất mà ta giả định, không đòi hỏi có thêm thông số để mô tả nó, và dườngnhư được áp dụng khá tốt cho nhiều thiết bị vận hành theo kiểu "lấp đầy và hút"

Mô hình pha trộn hai ngăn (hình 3.5 b) chia dung tích trữ hữu ích trong đài thành haingăn mà cả hai đều được giả định là pha trộn hoàn toàn Ống vào và ống ra của đàiđược coi như là đặt ở ngăn thứ nhất Nước mới đi vào đài trộn với nước ở ngăn thứnhất Nếu ngăn này đầy thì nó gửi dòng chảy vượt của nó sang ngăn thứ hai nơi mà nópha trộn hoàn toàn với nước sẵn có trong đó Khi nước rời khỏi đài, nó ra từ ngăn thứnhất đã đầy, nhận một lượng nước tương đương từ ngăn thứ hai để hình thành sự khácnhau Ngăn thứ nhất có khả năng cho sự chập mạch mô phỏng giữa dòng chảy vào vàdòng chảy ra, trong khi ngăn thứ hai có thể coi như các vùng chết Người sử dụng phảicung cấp một thông số đơn giản, đó là phần của tổng dung tích đài dành cho ngăn đầutiên

Mô hình dòng chảy FIFO Plug (hình 3.5c) cho rằng không có sự pha trộn nước nào cảtrong thời gian lưu trú của nước trong đài Các phân tố nước chuyển động qua đài theokiểu cách ly, nơi mà phân tố thứ nhất đi vào cũng là phân tố thứ nhất đi ra Một cách tựnhiên, mô hình này phù hợp nhất cho đài vách ngăn hoạt động với dòng chảy vào vàdòng chảy ra đồng thời Không cần thêm thông số nào để mô tả hình thức pha trộnnày

Mô hình dòng chảy LIFO Plug (hình 3.5 d) cũng cho rằng không có sự pha trộn giữacác phân tố nước đi vào đài Tuy nhiên, trái với dòng chảy FIFO Plug, các phân tốnước chồng lớp nọ lên lớp kia, nơi nước đi vào và rời khỏi đài ở đáy Kiểu trộn này cóthể áp dụng cho tháp nước cao, hẹp với ống vào và ống ra ở đáy và dòng chảy vàoxung lượng thấp Kiểu trộn này không cần cấp thêm thông số nào cả

a) Trộn hoàn toàn b) Trộn hai ngăn

Hình 3.5 Mô hình pha trộn đài nước

Các phản ứng chất lượng nước (Water Quality Reactions)

EPANET có thể theo dõi sự phát triển hay phân rã của một chất bởi phản ứng của nókhi đi qua hệ thống phân phối nước Để làm được điều này, nó cần biết tốc độ mà tại

đó chất đó phản ứng, và tốc độ này phụ thuộc vào nồng độ của chất đó như thế nào.Các phản ứng có thể xảy ra trong khối dòng và với vật liệu dọc theo thành ống Điềunày được mô tả ở hình 3.6 Trong ví dụ này Clo tự do (HOCl) chỉ ra phản ứng với chấthữu cơ tự nhiên (NOM) trong giai đoạn khối và cũng được vận chuyển qua một lớpbiên ở thành ống để ô xi hoá sắt (Fe) giải phóng ra từ sự ăn mòn thành ống Các phảnứng khối chất lỏng cũng có thể xảy ra với các đài nước EPANET cho phép người lập

mô hình xử lý hai vùng phản ứng này một cách riêng rẽ

Hình 3.6 Các vùng phản ứng bên trong một ống

Phản ứng khối (Bulk Reactions)

EPANET mô phỏng các phản ứng xảy ra trong dòng khối với động học bậc thứ n, nơi

mà tốc độ phản ứng tức thời R (tính bằng khối lượng/thể tích/thời gian) được giả định

là phụ thuộc vào nồng độ theo công thức:

EPANET cũng có thể xem xét các phản ứng mà ở đó một nồng độ giới hạn tồn tại trên

sự gia tăng hay thất thoát hết mức của chất Trong trường hợp này biểu thức tốc độ trởthành:

R= Kb(CLC)C(n-1) với n>0, Kb>0

R= Kb(CCL)C(n-1) với n>0, Kb<0trong đó CL là nồng độ giới hạn

Như vậy có 3 thông số (Kb, CL, n) được sử dụng để mô tả tốc độ phản ứng khối Một

số trường hợp đặc biệt về các mô hình động học đã biết bao gồm các trường hợp sau:(xem ở Phụ lục D)

Phân rã bậc nhất CL=0, Kb<0, n=1 Clo

Sự bão hoà bậc nhất CL>0, Kb>0, n=1 Trihalomethanes

Động học bậc không CL=0, Kb<>0, n=0 Tuổi của nước

Kb cho các phản ứng bậc nhất có thể được ước tính bằng cách đặt một mẫu nước trongmột loạt chai thuỷ tinh không phản ứng và phân tích thành phần của mỗi chai tại cácthời điểm khác nhau Nếu phản ứng là bậc nhất thì khi vẽ loga tự nhiên (Ct/C0) theothời gian sẽ dẫn đến một đường thẳng, trong đó Ct là nồng độ tại thời điểm t và C0 lànồng độ tại thời điểm t=0 Kb khi đó được tính như là độ dốc của đường này

Các hệ số phản ứng khối thường tăng khi nhiệt độ tăng Tiến hành các thí nghiệm vớinhiều chai tại các nhiệt độ khác nhau sẽ đưa ra sự đánh giá chính xác hơn về hệ số tốc

độ khác nhau như thế nào theo nhiệt độ

cho 4)

Giá trị sau chuyển khối lượng phản ứng trên đơn vị diện tích thành ống sang trên thểtích trên thể tích đơn vị EPANET giới hạn sự lựa chọn của bậc phản ứng thành tới 0hoặc 1, sao cho các đơn vị của Kw là khối lượng/diện tích/thời gian hay chiều dài/thờigian, theo thứ tự định sẵn Cung như đối với Kb, Kw cần phải được nhập vào chươngtrình bởi người lập mô hình Các giá trị Kw bậc nhất có thể nằm trong khoảng từ 0 chotới cao nhất là 5 ft/ngày

Kw được điều chỉnh lại để tính toán cho bất cứ giới hạn chuyển đổi khối lượng nàotrong vận chuyển chất và sản phẩm giữa khối dòng và thành ống EPANET làm điềunày một cách tự động, dựa vào sự điều chỉnh độ khuyết tán phân tử của chất được môhình hoá và dựa vào số Reynolds của dòng chảy Hãy xem cụ thể ở Phụ lục D (Bỏ quahiệu ứng chuyển khối lượng do việc ấn định độ khuyếch tán phân tử bằng 0)

Hệ số phản ứng thành có thể phụ thuộc vào nhiệt độ và cũng có thể tương quan vớituổi của ống và vật liệu Dễ dàng nhận thất rằng, theo tuổi của các ống kim loại thì độnhám của chúng có xu hướng tăng bởi vì sự đóng cặn và lớp sần sùi của chất bị ănmòn trên thành ống Sự tăng độ nhám này tạo ra một hệ số C (Hazen-Williams) thấphơn hay độ nhám n (Darcy-Weisbach) cao hơn, dẫn đến tổn thất cột nước ma sát củadòng chảy trong ống cao hơn

Có một vài dẫn chứng cho thấy rằng cùng một quá trình mà sự tăng độ nhám của ốngtheo thời gian cũng có xu thế làm tăng độ phản ứng của nó với một số loại chất, đặcbiệt là Clo và các chất khử trùng khác EPANET có thể làm cho Kw của mối ống làmột hàm của hệ số biểu thị độ nhám của ống Một hàm khác áp dụng sự phụ thuộc vàocông thức được sử dụng để tính toán tổn thất cột nước qua ống là:

Headloss Formula Wall Reaction Formula