Bài giảng Tin học ứng dụng trong cấp thoát nước

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

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước

Bộ môn Cấp thoát nước

ĐT: 0983 469 383

MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG ỐNG CẤP NƯỚC

PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG MLCN BẰNG

CHƯƠNG TRÌNH EPANET

2

C1 Giới thiệu Epanet

1.1 Khái niệm:

- EPANET là chương trình tính toán MLCN, có khả năng mô phỏng thuỷ lực và chất

lượng nước theo thời gian EPANET mô phỏng mạng lưới cấp nước bao gồm các

đoạn ống, các nút,

- EPANET chạy trên nền Windows, tạo được một môi trường thân thiện, quan sát

kết quả theo nhiều cách khác nhau

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

- 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)

C1 Giới thiệu Epanet

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

- 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 vòi phun

(Sprinkler heads)

- Có thể cho hệ thống làm việc khi mực nước trong các bể ứng với các trường hợp:

không biến đổi (Simple tank), thay đổi theo thời gian (Timer controls), hoặc điều

khiển theo quy tắc phức tạp (Complex rule-based controls)

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

Capabilities)

- 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 mạng

như 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

- …

3

C1 Giới thiệu Epanet

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

(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)

C2 KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET

Mở một Project mới (File >> New)

Mở một Project đang có (File >> Open) Lưu Project hiện tại (File >> Save)

In một của sổ hiện hành (File >> Print) Copy lựa chọn và clipboard hoặc vào một file (Edit >> Copy To)

Di chuyển bản đồ (View >> Pan) Phóng to bản đồ (View >> Zoom In) Thu nhỏ bản đồ (View >> Zoom Out) Xem bản đồ với phạm vi toàn bộ (View >> Full Extent)

Thêm một mối nối lên bản đồThêm bể chứa lên bản đồThêm một đài nước lên bản đồThêm một ống lên bản đồThêm một máy bơm lên bản đồThêm một van lên bản đồThêm một nhãn lên bản đồ

- Đây là một cửa sổ hết sức quan trọng, được truy xuất từ Bảng Data trên của sổ

Browser Nó cho phép truy cập nhiều đối tượng khác nhau: ống, nút, bơm, lệnh

điều khiển, tùy chọn (Option), …

C2 KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET

* Map Browser

- xem bản đồ mã màu của mạng lưới cùng các thông số của các thành phần của

mạng, điều khiển để kích hoạt bản đồ theo thời gian

* Property Editor

Property Editor được sử dụng để sửa đổi các thuộc tích các mối nối, đường nối,

nhãn và lựa chọn phân tích

6

C3 MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI

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

- EPANET mô hình hoá HTPP như là một tập hợp các đường nối được nối với các

nút Các đường nối miêu tả các ống, máy bơm, và van điều khiển Các nút miêu tả

các mối nối, đài nước và bể chứa

- Các mối nối (Junctions)

Các số liệu đầu vào:

+ Cao trình của mối nối

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

+ Chất lượng nước ban đầu

Các kết quả đầu ra:

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

- Đài nước (Tanks)

Các thuộc tính đầu vào:

+ Độ cao đáy

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

+ Mực nước ban đầu, mực nước thấp nhất và mực nước cao nhất;

+ Chất lượng ban đầu

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

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

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

- Đường cong (Curve)

+ Đường cong máy bơm

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

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

+ Đường cong hiệu suất

+ Đường cong dung tích

+ Đường cong tổn thất cột nước

8

C3 MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI

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

- Các mẫu hình thời gian (Time Patterns)

- Lệnh điều khiển (Controle)

3.3 Mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Simulation Model)

- tính toán các cột nước tại các mối nối và lưu lượng tại các đường nối cho một tập

hợp các mức nước bể chứa, các mức nước đài, và các nhu cầu nước trong một

chuỗi các thời điểm liên tiếp

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

C4 LÀM ViỆC VỚI CÁC ĐỐI TƯỢNG

4.1 Các loại đối tượng

- Nút (Nodes)

Mối nối (Junctions)

Bể chứa (Reservoirs)

Bể điều tiết (Tanks)

- Đường nối (Links)

Ống (Pipes)

Bơm (Pumps)

Van (Valves)

- Nhãn của bản đồ (Map Labels)

- Biểu đồ theo thời gian (Time Patterns)

- Đường cong (Curves)

- Lệnh điều khiển (Controls)

Lệnh đơn (Simple)

Lệnh có quy tắc (Rule-Based)

9

C4 LÀM ViỆC VỚI CÁC ĐỐI TƯỢNG

4.2 Soạn thảo các đối tượng

* Các thuộc tính Mối nối (Junction Properties)

+ Junction ID: nhãn của mối nối

+ Elevation: Cao trình mối nối

+ Base Demand: Nhu cầu nước trung bình

C4 LÀM ViỆC VỚI CÁC ĐỐI TƯỢNG

4.2 Soạn thảo các đối tượng

* Các thuộc tính Máy bơm (Pump Properties)

+ Pump Curve: đường đặc tính bơm mô tả quan hệ giữa cột nước tạo ra bởi máy

bơm và lưu lượng qua máy

+ …

* Các thuộc tính Van (Valves)

4.3 Soạn thảo các đối tượng không nhìn thấy trên bản đồ

+ Đường cong (Curves Editor)

+ Mẫu hình thời gian (Time Patterns Editor)

+ Lệnh điều khiển (Controls Editor)

+ Nhu cầu nước (Demand Editor)

+ Chất lượng nước nguồn (Source Quality Editor)

4.4 Copy và dán đối tượng (Copying and Pasting Objects)

4.5 Chỉnh hình và đảo chiều đường nối (Shaping and Reversing Links)

4.6 Xoá một đối tượng (Deleting an Object)

4.7 Di chuyển một đối tượng (Moving an Object)

4.8 Chọn một nhóm đối tượng (Selecting a Group of Objects)

4.9 Sửa một nhóm đối tượng (Editing a Group of Objects)

10

C5 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

5.1 Mạng lưới ví dụ (Example Network)

Nút Độ cao (m) Nhu cầu cơ bản (l/s)

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

C5 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

5.1 Mạng lưới ví dụ (Example Network)

5.2 Thiết lập bản vẽ (Project Setup)

11

C5 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

5.2 Thiết lập bản vẽ (Project Setup)

- tạo ra một bản vẽ hệ thống (Project)

Project >> Defaults

- chọn vài chức năng hiển thị sơ đồ mạng lưới

View >> Options

5.3 Vẽ mạng lưới cấp nước (Drawing the Network)

C5 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

5.3 Vẽ mạng lưới cấp nước (Drawing the Network)

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

- chọn đối tượng vào Property Editor

+ Nhấp đúp vào đối tượng trên bản đồ

+ Nhấp nút phải chuột lên đối tượng và chọn

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

12

C5 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

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

- Đối với bể chứa, nhập cao độ của nó (210) trong ô tổng cột áp (Total Head)

- Đối với đài nước; nhập 250 cho cao độ của nó; nhập 1,2 cho mức nước ban đầu;

nhập 6,0 cho mức nước lớn nhất và 12 cho đường kính của nó

- Đối với máy bơm, chúng ta cần phải gán cho nó một đường cong Nhập nhãn ID 1

trong ô Pump Curve

C5 HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

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

File chọn Save as

5.6 Chạy mô hình mô phỏng một thời đoạn

Project >> Run Analysis

5.7 Chạy mô hình mô phỏng theo thời gian (Running an Extended Period

Analysis)

5.8 Chạy một phép phân tích chất lượng nước (Running a Water Quality

Analysis)

8.2 Cách nhập sơ đồ mạng lưới cấp nước từ bản vẽ CAD

* Bước 1 Tạo file ảnh

Có bản vẽ sơ đồ mạng lưới dưới dạng CAD

Bật chương trình chuyển đổi hình vẽ CAD sang Picture (có thể dùng BWM

hoặc một chương trình khác)

Bật chương trình xử lý ảnh (Paint, Microsoft Photo Editor, Photoshop )

Copy bản vẽ CAD vào clipboard

Dán sang Paint (hoặc Microsoft Photo Editor, Photoshop )

Lưu (Save) dưới dạng file bitmap (*.bmp)

* Bước 2 Nhập file ảnh làm nền để vẽ sơ đồ mạng lưới cho EPANET

Vào chức năng View >> Backdrop >> Load

Hiện ra cửa sổ Open a Backdrop Map

Chỉ đường dẫn tới thư mục chứa file ảnh cần tìm và mở file (Open)

Nền ảnh sẽ hiện ra

Vẽ theo hình dưới nền để tạo sơ đồ mạng lưới bằng EPANET

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC

MƯA SWMM

S W M M l à g ì ?

Mô hình quản lý nước mưa ( S torm W ater M anagement M odel- SWMM )

là mô hình mô phỏng mưa-dòng chảy, được sử dụng để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước từ trận mưa thời đoạn ngắn hoặc toàn liệt thời đoạn dài cho các khu vực đô thị.

Lịch sử phát triển

Water Resources Engineers University of Florida

nay.

rộng rãi.

Camp Dresser & McKee

Diễn toán dòng chảy sóng động lực học đầy đủ, mô hình thấm Green-Ampt, mô hình tuyết tan và mô phỏng liên thời đoạn

để bàn.

Camp Dresser & McKee

Nước ngầm, RDII, mặt cắt ngang lòng dẫn tự nhiên và một số tinh chỉnh khác được bổ sung.

CDM

Viết lại toàn bộ code của SWMM bằng

thêm vào; thuật toán được cải tiến và một

số tiện ích khác được bổ sung.

Các quá trình mô phỏng trong

mô hình SWMM

Mưa

Tuyết tan

Dòng chảy mặt

Bốc hơi/

Thấm

Nước ngầm Dòng chảy tràn

Diễn toán dòng chảy trong kênh, ống và

hồ chứa

Rửa trôi ô nhiễm

Nước thải

Đặc trưng mô phỏng thuỷ văn

tuyến

trình thoát nước bền vững khác nhau (LID)

Đặc Trưng Mô Phỏng Thuỷ Lực

không giới hạn

là kênh dẫn

bơm, tràn, phân dòng, cống, hồ chứa

dòng chảy, nước ngầm, RDII, nước thải

trình điều tiết, trạm bơm

vật, nước tràn, dòng chảy ngược, và hình thành ao

nước trên đỉnh các nút

Đặc Trưng Mô Phỏng Chất Lượng Nước

khác nhau

BMPs

nguồn khác dược xác định bởi người sử dụng

thoát nước

Ứng Dụng Điển Hình Của Mô Hình S W M M

• Thiết kế và xác định kích thước các thành phần

trong hệ thống thoát nước

• Kiểm soát dòng chảy tràn trong hệ thống thoát

nước thải và hệ thống thoát nước chung

• Mô phỏng dòng vào trong hệ thống thoát

Cấu Trúc Của Mô Hình SWMM

Cấu Trúc Của Mô Hình SWMM

Rain Gage Objects- Mưa

các file bên ngoài

– Kiểu dữ liệu mưa (e.g., intensity, volume, or cumulative volume)

– Thời đoạn mưa (e.g., hourly, 15-minute)

– Nguồn dữ liệu mưa

– Tên của nguồn dữ liệu mưa

người sử dụng

– Dữ liệu nhiệt độ do người sử dụng định nghĩa hoặc từ file dữ liệu

Cấu Trúc Của Mô Hình SWMM

Subcatchment Object- Tiểu lưu vực

của hệ thống thoát nước hướng dòng chảy bề mặt đến một điểm xả duy nhất

– Modified Green-Ampt infiltration

– Curve Number infiltration

Subcatchment Object- Tiểu lưu vực

• Khái niệm hóa subcatchment dưới dạng một bề mặt hình chữ nhật với độ dốc đồng đều S và chiều rộng W thoát ra một cửa xả duy nhất

lượng nhỏ các tiểu lưu vực hoặc chia nhỏ thành một

số lượng nhiều hơn

Subcatchment Object- Tiểu lưu vực

Mô Hình Hồ Chứa Phi Tuyến

Hydrology Reference Manual Equation 3-1

Thông số của Subcatchment

• Chiều rộng của tiểu lưu vực

• Hệ số nham Manning cho dòng chảy tràn trên cả diện tích thấm

và không thấm

• Chiều sâu điền trũng trên cả diện tích thấm và không thấm

• Tỉ lệ diện tích không thấm mà không điền trũng

Mô Hình Thuỷ Lực Của SWMM

Diễn Toán Thuỷ Lực

bởi hệ phương trình Saint Venant gồm 1 phương trình bảo toàn khối lượng và 1 phương trình bảo toàn động lượng cho dòng chảy tự do, không đều, biến đổi chậm

– Steady Flow Routing: Diễn toán dòng chảy đều

– Kinematic W ave Routing: Diễn toán sóng động học

– Dynamic W ave Routing: Diễn toán sóng động lực học

Động lương Liên tục

Steady Flow Routing-Diễn Toán Dòng Chảy Đều

nhất và đều

– Trữ nước trong kênh

– Ảnh hưởng của nước vật

Kinematic W ave Routing- Diễn Toán Sóng Động Học

phương trình động lượng trong mỗi đoạn vận chuyển

(giả thiết trọng lực cân bằng với lực ma sát)

phỏng được hiện tượng chậm tới của dòng chảy

– Ảnh hưởng của nước vật

– Tổn thất ở cửa vào/cửa ra

– Dòng chảy ngược

– Dòng chảy áp lực

Dynamic W ave Routing- Diến Toán Sóng Động Lực Học

chảy không đồng nhất, không đều

dòng chảy áp lực, dòng chảy ngược

Cấu Trúc Của Mô Hình SWMM

Conduit Objects-Đường ống/kênh dẫn

nước từ nút này tới nút khác trong mạng lưới vận

chuyển

– Tên của nút vào, nút ra

– Khoảng cách từ đáy ống/kênh dẫn

tới đáy của nút vào và nút ra

Junction Nodes-Nút nối

nối các thành phần truyền dẫn(links) với nhau

– Nơi giao nhau của kênh tự nhiên

– Giếng thăm trong hệ thống thoát nước

– Phụ kiện nối ống

nút nối có thể trữ thành ao hoặc bị

ra khỏi hệ thống thoát nước.

http://soc.sty.nu/2013/04/confluence-2/

Junction Parameters- Thông số của nút nối

2

flushes-plan-for-stormwater-fee.html

https://www.thestar.com/news/city_hall/2017/05/16/toronto-Outfall Node Objects-Cửa xả

– Chiều sâu dòng chảy bình thường hoặc

phân giới trong ống nối

– Kiểu điều kiện biên và mực nước

– Cửa van https://pubs.usgs.gov/sir/2012/5068/section6.html

Flow Divider Nodes- Nút phân dòng chảy

theo một cách đã ấn định trước

manner

1 Cutoff Divider (diverts all inflow above a defined cutoff value)

2 Overflow Divider (diverts all inflow above flow capacity of the

non-diverted conduit)

3 Tabular Divider (uses table of diverted flows)

4 Weir Divider (uses weir equation to compute diverted flow)

– Các thông số đầu vào của nút

– Tên của đường ống/kênh nhận dòng chảy phân dòng

– Phương pháp tính toán lưu lượng phân dòng

Cấu Trúc Của Mô Hình SWMM

Storage Units- Hồ Điều Hoà

hoặc quan hệ giữa diện tích mặt nước và độ sâu

Pumps - Bơm

nước tới vị trí cao hơn

xác bởi đường đặc tính của MB (5 kiểu)

– Nút vào/ra

– Số liệu đường cong bơm

– Trạng thái ban đầu của bơm

Loại 4

Flow Regulators- Điều tiết dòng chảy

3

chia dòng chảy

– Kiểm soát lưu lượng xả từ các hồ điều hoà

– Ngăn cản tích nước trữ trái phép

– Chia dòng chảy tới TXL hoặc cống

mở của cống, chiều cao

ngưỡng tràn

BD092D854E6B

https://www.ricecreek.org/?SEC=12347ED8-C790-4609-92F1-Pollutants and W ater Quality- Ô nhiễm

và chất lượng nước

dân cư, thương mại, công nghiệp, chưa phát triển)

lập cho mỗi loại sử dụng đất

Pollutant Buildup- Tích luỹ ô nhiễm

trên chiều dài đường dòng chảy

hạn trước khi xảy ra mưa, có thể tính toán theo các hàm số sau: