Ứng dụng tin học trong hệ thông cấp thoát nước

Đề bài: Lựa chọn phương án tốt nhất theo phuong pháp đánh giá đa chỉ tiêu biết: Phần II. Phần mềm Epanet Chương 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC MƯA SWMM (STORM WATER MANAGEMENT MODEL) I, GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWMM. 1, Giới thiệu mô hình SWMM. SWMM (Storm Water Management Model) ñöôïc xaây döïng ôû hai tröôøng ñaïi hoïc San Phansico vaø Florida (Myõ) Mô hình quản lý nước mưa SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy của đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung. Mọi vấn đề về thủy văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua hệ thống tiêu thoát nước, hồ chưa và khu xử lý. Mô hình SWMM mô phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (Biểu đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng ban đầu vào khác cùng Phần 3 Phần mềm Flow hy I.Tác dụng và tính năng của phần mềm

A1: Đào hồ giữa, nhiều cây xanh và BT(Fh =12ha)

A2: Đào hồ giữa(Fh =6 ha), ít cây xanh và BT hơn A1

A3: Không hồ, cây xanh vừa phải, ít BT, nhiều CC

C1= 1000 tỷ

C2 = 1200 tỷ

C3 = 1500 tỷ

B1:Khởi động ứng dụng Expert Choice và tạo tập tin SelJob.ahp mới

Nhắp vào Start > All Programs > Expert Choice 11 > Expert Choice 11

Trong hộp hội thoại Welcome to Expert Choice, chọn Create new model, chọnphương pháp Direct, rồi nhắp nút OK Lưu mô hình với tên “ Lựa chọn phương ántốt nhất”

Hình 1: Bắt ₫ầu thiết lập mô hình mới

Trong hộp hội thoại Goal Description, nhập vào mục tiêu chung của mô hìnhlà: “lua chon phuong an tot nhat” rồi nhắp nút OK

Hình 2: Nhập mục tiêu chung của mô hình

B2: Tạo các tiêu chí cho mục tiêu chung ở dang cây phân cấp

Chọn trình đơn Edit > Insert Child of Current Node, nhập vào tiêu chí IRR rồinhấn Enter.Tiếp tục nhập vào các tiêu chí khác: nhập tiêu chí MTS

, nhấn Enter; … Rồi nhấn Esc

Lưu ý: Để bỏ một nút đang nhập, nhấn phím Esc Để xóa một nút đã tạo xong,chọn trình đơn Edit > Delete Node hoặc nhấn phím Delete

Tiêu chí Cấp 1 của mô hình:

Tiếp theo, nhập các tiêu chí con của các tiêu chí IRR, Moi truong song, Canhquan, So dan, Cong an viec lam, Thoi gian xay dung.Nhắp chọn nút tiêu chí IRR ,chọn Edit > Insert Child of Current Node, nhập A1, nhấn Enter; nhập A2, nhấnEnter; nhập A3, nhấn Enter, rồi nhấn Esc.

Tương tự đối với các tiêu chí còn lại

B3: So sánh cặp trong các mức

So sánh cặp trong mức 1

Nhập các giá trị thể hiện mức độ quan trọng của thành phần này so với thànhphần khác

trong nửa tam giác phải trên của ma trận so sánh cặp

So sánh các tiêu chí theo từng cặp và có kết quả như bảng sau:

Sau khi nhập xong các giá trị, chọn trình đơn Assessment > Calculate hoặcchọn thẻ Priorities devired from Pairwise Comparisons ( ) Màn hình Priorities hiện

ra, cho biết:

Inconsistency (chỉ số không đồng nhất) = 0.03

Tiếp tục so sánh cặp trong mức 2

Nhắp chọn mục tiêu con REIMB, chọn trình đơn Assessment > Pairwise đểnhập vào các giá trị thể hiện mức độ quan trọng giữa các thành phần trong nửa tamgiác phải trên của ma trận so sánh cặp:

Sau khi nhập xong các giá trị, chọn trình đơn Assessment > Calculate hoặcchọn thẻ Priorities devired from Pairwise Comparisons ( ) Màn hình Priorities hiện

ra, cho biết:

- Lựa chọn được phương án tối ưu nhất

- Thời gian tính tốn nhanh, chính xác

Ph

ần II Phần mềm Epanet

A.GIỚI THIỆU CHUNG

EPANET là một chương trình máy tính có khả năng mô phỏng chế độ thủy lực và chất

lượng nước trong hệ thống đường ống có áp Hệ thống

được mô phỏng có thể bao gồm

đường ống các loại, bơm, van điều khiển, bể chứa…

EPANET có thể mô phỏng hoạt động

I.Khả năng của EPANET

EPANET cho phép:

• Mô phỏng hệ thống với quy mô bất kỳ

• Tính toán tổn thất thủy lực theo các công thức Williams, Darcy-Weisbach,

Hazen-hay Chezy-Manning

• Xét đến những tổn thất cục bộ gây ra bởi thiết bị, việc nối ống, các vị trí uốn cong

hay thay đổi kích thước trong mạng…

• Mô phỏng các loại nguồn cấp nước khác nhau

• Mô phỏng bơm với các chế độ vận hành cố định hay thay đổi

• Tính toán hiệu suất bơm và chi phí năng lượng

• Mô phỏng các loại van khác nhau như van giảm áp

(Pressure Regulation Valve

-PRV), van duy trì áp (Pressure Sustaining Valve - PSV), van tiết lưu (Flow Control

Valve - FCV), van một chiều (Check Valve - CV)…

• Mô phỏng đài nước và bể chứa với hình dạng bất kỳ (tiết diện thay đổi theo chiều

• Mô phỏng hoạt động của hệ thống cấp nước theo

những điều kiện tự động hoá cho

trước

Ngoài ra khả năng mô phỏng về chất lượng nước của

EPANET còn cho phép:

• Mô phỏng sự vận chuyển của các hóa chất không phản ứng (non-active) trong hệ

thống cấp nước

• Mô phỏng sự kết tủa của các hóa chất xử lý nước trong đường ống

• Theo dõi thời gian lưu lại của nước trong hệ thống cấp nước

• Cho phép khai báo chế độ cấp hóa chất vào hệ

thống thay đổi theo thời gian

1.3 Cài đặt chương trình

Chương trình EN2SETUP.EXE download từ website của EPA vào một thư mục bất kỳ nào

trong đĩa cứng Khi chạy chương trình này, mọi việc cài đặtsẽ được tiến hành tự động vào

trong máy Địa chỉ của file thực thi là "C:\Program

Files\EPANET2\Epanet2w.exe"

cập và giải thích trong tài liệu

Vấn đề Mục đích

1 Mô phỏng một mạng lưới đơn giản gồm một bơm, bể chứa và mạng lưới

cấp nước Quan sát kết quả theo các hình thức khác nhau: biểu đồ và

bảng

2.Sử dụng kết quả của bài tập 1 để giải thích và phântích kết quả

- Thay đổi kích thước đường ống và phân tích kết quả

- Thay đổi hệ số H-W và xem xét ảnh hưởng đối với kết quả

Thay đổi lần lượt các thông số H và Q của bơm trong bàitập 1 và quan

sát ảnh hưởng của thông số bơm đối với phân bố áp lực trong hệ thống

Giải thích hiện tượng

4 Thay đổi nhu cầu dùng nước (Base demand và pattern)

và quan sát lưu

lượng cấp của bơm trong 2 trường hợp Giải thích hiện tượng

5Xem xét ảnh hưởng của đài nước

Bố trí một đài nước vào mạng lưới trong BT 1 và xem xét sự thay đổi áp

lực trong mạng so với trước khi có đài nước

6 Thay đổi vị trí đài nước và quan sát ảnh hưởng của yếu tố này

7Thay đổi các thông số kỹ thuật của đài nước

(Elevation, Max level, Min

level Diameter) và quan sát ảnh hưởng của chúng

8 Bổ sung các tổn thất cục bộ và quan sát ảnh hưởng.9Điều khiển hệ thống:

- Bố trí van một chiều, van giảm áp (PRV), van duy trì áp lực (PSV)…

- Điều khiển đóng mở thiết bị theo tín hiệu áp lực

- Điều khiển đóng mở thiết bị theo thời gian

10 Thiết kế hệ thống tưới tự động

11 Thiết kế hệ thống phun nước công viên

12Các trường hợp mô phỏng đặc biệt:

- Lấy nước từ hồ chứa

- Lấy nước từ bể điều tiết nước

- Lấy nước từ sông có ảnh hưởng thủy triều

- Lấy nước từ đường ống cấp nước chính

13 Xuất kết quả ra ngoài EPANET Thiết kế hệ thống cấpnước đô thị với EPANET

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐƠN GIẢN

Trong chương này người đọc sẽ làm quen với EPANET

thông qua việc mô phỏng một

mạng lưới đơn giản gồm một bơm, bể chứa và mạng lưới đường ống cấp nước Kết quả sẽ

được khai thác theo các hình thức biểu đồ và bảng Việcphân tích kết quả mô phỏng là

một nội dung quan trọng, trong đó người đọc sẽ được giớithiệu về ý nghĩa và những tiêu

chí kỹ thuật để đánh giá kết quả Ngoài ra, một số những báo lỗi thông thường và cách

khắc phục cũng sẽ được trình bày trong phần này

2.1 Nguyên tắc mô phỏng hệ thống cấp nước

Một hệ thống cấp nước sẽ được tính toán mô phỏng theo trình tự sau:

- Phác hoạ sơ đồ hệ thống bao gồm các nút cấp nước và đường ống nối giữa các nút

này Chú ý bố trí vị trí các mạch vòng sao cho kích thướccủa một vòng không quá

lớn Theo USEPA, đối với những đường ống có kích thước

200 mm, chiều dài cạnh

lớn nhất của mạch vòng không nên lớn hơn 300 m, đối với những đường ống có kích

thước từ 300 mm trở lên, giá trị này là khoảng 1000 m Trong lúc mô phỏng, nếu

phát hiện những vị trí có áp lực thấp cục bộ, có thể khắc phục bằng cách bao quanh

nút này bằng một mạch vòng bổ sung Tính năng

BACKDROP của EPANET cho

phép ta phác họa trực tiếp vị trí các nút và đường ống lên bản đồ nền của khu vực

dự án (xem chương 7)

- Bố trí sơ bộ các công trình trong mạng như bể chứa, đàinước, máy bơm,van điều

khiển, thiết bị SCADA (Supervisory Control And Data

Acquisition)… Sự cần thiết

và vị trí các thiết bị này đối với một hệ thống cấp nước cụ thể được xác định dựa

theo các chỉ dẫn trong quy phạm và cả kinh nghiệm của người thiết kế

- Xác định lưu lượng yêu cầu trung bình ngày cho các nút dựa theo các khu vực do

nút phụ trách (xem phụ lục)

- Xác định hệ số dùng nước vào từng giờ trong ngày (hệ số không điều hòa giờ - tham

khảo phụ lục )

- Xác định nhu cầu lưu lượng chữa cháy (xem phụ lục)

2.2 Khai báo số liệu chung

- Mở chương trình Epanet2W.exe

- Chọn File / New để tạo một đề án mới

- Chọn Project / Defaults để mở bảng khai báo các thông số mặc định

- Trong trang ID Labels page, xóa tất cả các ID Prefix fields và khai báo ID

Increment bằng 1 EPANET sẽ tự động dánh số các đối tượng mới theo thứ tự tăng

dần liên tiếp

- Trong trang Hydraulics page chọn LPS cho Flow Units và Williams (H-W)

Hazen-là công thức tính tổn thất áp lực

- Khai báo TIMES OPTION:

Mở cửa sổ BROWSER / OPTIONS / TIMES

Khai báo TOTAL DURATION = 48 (thời gian mô phỏng là

như trong bảng trên Click OK để chấp nhận những khaibáo đã thực hiện và đóng bảng

- Để hiển thị tên đối tượng trên màn hình, hãy chọn

đối thoại MAP OPTIONS chọn NODES và đánh dấu

Sau đó chọn NOTATION và đánh dấu tất cả các ô.Nếu muốn lưu lại những thay đổi trên đây để ápdụng cho những thiết kế sau này, hãy đánh dấu trênmục Save as defaults nằm ở đáy bảng trước khi chọn 11Trong mục SYMBOLS hãy đánh dấu chọn tất cả các ô

- Để hiển thị chiều dòng chảy, hãy chọn VIEW /

OPTIONS Trong bảng đối thoại MAPOPTIONS chọn FLOW ARROWS và đánh dấu OPEN hoặcFILLED.

- Click OK để chấp nhận những khai báo đã thực hiện

- Thêm hồ chứa bằng cách nhấn nút ADD RESERVOIR

không hiển thị trên màn hình, hãy chọn VIEW /

- Bổ sung các nút lấy nước (junction nodes) Click chuột

Toolbar Click chuột tại vị trí muốn bố trí nút để tạo ra

- Thêm ống nối giữa các nút bằng cách click lên nútADD PIPE và vẽ lần lượt các đoạn

- Thêm bơm giữa hồ chứa và nút 2 bằng cách clicklên nút PUMP sau đó click và vẽ từhồ chứa 1 đến nút 2

- Khai báo thông số kỹ thuật cho từng đối tượng:

- Click nút phải của chuột lên đối tượng và chọn

2.3 Khai báo đặc tính của các đối tượng

- Khai báo liên kết Nút ở 2 đầu ống, chiều dài,đường kính, hệ số nhám… của cácđoạn ống

Hãy giả định sơ bộ cho toàn bộ hệ thống: chiều dài

là chiều dài đường ống, đường kính trong bài mm, hệ

Đối tượng NODE:

Ký hiệu ống

Chất lượng nước chảy vào nút Thiết kế hệ thống cấp nước

đô thị với EPANET - Khai báo lại giá trị của tọa độ X-Yđể chỉnh vị trí các nút trên sơ đồ Các giá trị nàykhông ảnh hưởng đến chiều dài ống tính toán.

- ELEVATION: cao độ của nút

- BASE DEMAND: lưu lượng trung bình của ngày dùng

số Kngày max) Trong đồ án này chọn bằng giá trị trong bảngcho tất cả các nút (các nút cócùng một dạng biểu đồ nhu cầu nước.)

- DEMAND CATEGORIES: ký hiệu của biểu đồ nhu cầu

đang xét Trong bài tập này chọn bằng 1 cho tất cảcác nút (các nút có cùng một

Đối tượng PUMP:

PUMP CURVE: số ký hiệu của đường cong đặc tính bơm

EFFIC CURVE: số ký hiệu của đường cong hiệu suấtbơm

Đối tượng RESERVOIR: Thiết kế hệ thống cấp nước đôthị với EPANET

RESERVOIR (bể chứa): được dùng để mô phỏngnguồn nước vô hạn, nghĩa là mực nướctrong bể không bị ảnh hưởng bởi lưu lượng vào và ramà chỉ thay đổi theo một quy luật chotrước (có thể là hằng số hoặc dao động theo thủytriều)

TOTAL HEAD: Cao độ mực nước trong bểHead Pattern: Biểu đồ dao động của mực nước trong bể.Khi áp dụng Head Pattern, cao độmực nước tại một thời điểm nào đó sẽ bằng TotalHead nhân với giá trị tại thời điểm tươngứng của Head Pattern Head Pattern có thể được dùngđể mô phỏng mực nước triều trênsông hoặc áp lực thay đổi trong ngày của đường ốngcấp nước chính vào hệ thống đang xét

Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục

dưới Để thực hiện các bài tập phần sau hãy khai

Nhấn nút ADD và khai báo lần lượt các giá trị củaMULTIPLIER theo bảng dưới đây

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy

về sau EPANET sẽ tự động thêm phần đuôi *.pat.Khai báo đặc tính bơm (PUMP CURVE):Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mụcCURVES trong menu bên Thiết kế hệ thống cấp nướcđô thị với EPANET version 2 Hồ Long Phi16

dưới Trong ví dụ sau ta khai báo một đường cong đặc

Nhấn nút ADD và khai báo các giá trị của từng cặp

Duong dac tinh bom NO 125-315V

Q(l/s) H(m)Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy SAVE

bom NO 125-315V để dùng lại về sau EPANET sẽ tự

EPANET cho phép khai báo và lưu trữ sẵn trước những

loại bơm có trong thực tế để sử dụng khi cần.Khai báo đường cong hiệu suất bơm (EFFIC CURVE):Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục

dưới Trong ví dụ này ta khai báo đường cong hiệu suất

NO-125-315V theo thông số cung cấp bởi nhà sảnxuất

Nhấn nút ADD và khai báo các giá trị của từng cặpFlow-Efficiency theo bảng dưới Thiết kế hệ thống cấpnước đô thị với EPANET version 2 Hồ Long Phi

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy

NO 125-315V để dùng lại về sau EPANET sẽ tự động thêm

Sau khi đã khai báo xong toàn bộ các thông số cần

trên toolbar, sau đó click vào biểu tượng RUN để tiến

hành phân tích thủy lực hệ thống

Ấn RUN Ta sẽ nhận được Thiết kế hệ thống

thông báo dưới đây

Thử nghiệm 2:

1/ Xĩa bơm đi (savevào file khác) Thay bơm bằng 1 van ngắt áp suất (Pressurebreaker valve) bằng cách: bấm vào ký hiệu van nhưng chiều vẽ ngược lại so với khi

vẽ bơm

Đặt cột áp thiết kế ở Setting (cột áp này = 1.5 lần H yêu cầu)

Sau đĩ ấn Run, xem kết quả Flow (Q) qua van đĩ trong giờ tiêu thụ lớn nhất.Lưu lượng này chính là Q thiết kế của bơm

2/ Khi biết Q và H của bơm (từ bước 1), chỉ nhập 1 điểm cĩ giá trị tìm được ởbước 1 Máy sẽ tự vẽ đường đặc tínhvà RUN

Do đó cần chọn loại bơm có lưu lượng max lớn hơn giá trị

Aùp lực trong mạng vào thời gian chung quanh giờ caođiểm:

- Click vào biểu tượng TABLE trên Toolbar và chọn NETWORK

- Nhận xét kết quả PRESSURE vào giờ dùng nước nhiềunhất Cần đảm bảo rằng không cónút nào có áp lực thấp hơn áp lực yêu cầu Nếu sốnút quá nhiều, có thể dùng lệnh QUERY(trên toolbar hay trong menu VIEW): QUERY-FIND NODES WITH-PRESSUREBELOW-giá trị áp lực yêu cầu Các nút thỏayêu cầu query sẽ được hiển thị trên sơ đồ hệ thống.Lưu tốc chảy trong ống vào khoảng thời gian giờ caođiểm:

- Click vào biểu tượng TABLE trên Toolbar và chọn NETWORH

OK

Biểu đồ áp lực tại những nút nguy hiểm nhất:Những nút nguy hiểm nhất thường là những nút có caođộ lớn nhất hoặc/và nằm xa nguồncấp nước nhất Trong ví dụ này chúng ta chọn nút số 5.

- Chọn biểu tượng GRAPH trên toolbar Ở mục GRAPH TYPE

ở mục OBJECT TYPE chọn NUDE, ở mục PARAMETER chọnVELOCITY

Kết quả trên biểu đồ áp lực của nút số 7 theo thờigian ta thấy áp lực thay đổi từ 0 đến

Phần 3 Ứng dụng phần mềm SWMM

MỞ ĐẦU

1 TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng dụng phần mềm SWMM (Storm Water Management Model) để

mô phỏng sự làm việc của hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam Vinh Tân.

2 LÝ DO NGHIÊN CỨU:

Tuy nhiên, để đánh giá khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu

đô thị ở Hà Nội (đặc biệt trong những điều kiện bất lợi) thì cần phải mô phỏng sựlàm việc của hệ thống thoát nước trong những điều kiện thực tế Vấn đề này chưađược dự án nghiên cứu Vì vậy, để khắc phục những tồn tại đó, nhóm nghiên cứuchúng em thực hiện đề tài khoa học này

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU:

3.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Kiểm tra khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu đô thị thuộc Hà Nộitrong những điều kiện bất lợi.Từ đó, đề ra biện pháp khắc phục khi hệ thống thoátnước xảy ra sự cố

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tổng quan về hệ thống thoát nước khu đô thị thuộc TP.Hà Nội

- Mô phỏng hệ thống thoát nước khu đô thị thuộc TP.Hà Nội bằng phần mềmSWMM

- Đánh giá kết quả mô phỏng.Từ đó, đề ra biện pháp khắc phục khi hệ thống thoátnước xảy ra sự cố.

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

- Khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu đô thị thuộc TP.Hà Nội

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

- Hệ thống thoát nước khu đô thị thuộc TP.Hà Nội

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Thu thập số liệu thực tế và lí thuyết

- Phân tích đánh giá và tổng hợp số liệu

- Đề xuất phương pháp và tính toán

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIỄN ĐỀ TÀI:

Kết quả nghiên cứu có thể được xem xét ứng dụng tìm ra nguyên nhân và biệnpháp khắc phục khi hệ thống thoát nước mưa khu đô thị thuộc TP.Hà Nội gặp sựcố

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU ĐÔ THỊ

1.1Vi tri, hi n trang khu đât xây dưng ê

1.1.1 Vị trí

- TP Hà Nội là một trong 2 thành phố lớn của Việt Nam Hà Nội tiếp giáp

các tỉnh Thái nguyên -Vĩnh Phúc ở phía Bắc ; Hà Nam - Hòa Bình ở phía nam ; Bắc giang - Bắc ninh - Hưng yên ở phía đông và Hòa Bình - Phú thọ ở phíatây

- Khu đô thị với diện tích 13,83 ha

1.1.2 Hiện trạng

- Địa hình khu đô thị tương đối bằng phẳng,điều kiện tư nhiên và xã hôi tương đối thuận lợi.

Dịng chảy (Khối Runoff)

Nhận nước (Khối Receiving)

Truyềntải chảy mặt (Khối Transport)

Chảytronghệ thống

(Khối Extran)

Trữ / Xử lý (Khối Storage/Treatment)

Chương 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƠ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC MƯA SWMM (STORM WATER MANAGEMENT MODEL)

I, GIỚI THIỆU MƠ HÌNH SWMM.

1, Giới thiệu mơ hình SWMM.

SWMM (Storm Water Management Model) được xây dựng

ở hai trường đại học San Phansico và Florida (Mỹ) Mơ hìnhquản lý nước mưa SWMM là một mơ hình tốn học tồn diện, dùng để mơ phỏngkhối lượng và tính chất dịng chảy của đơ thị do mưa và hệ thống cống thốt nướcthải chung Mọi vấn đề về thủy văn đơ thị và chu kỳ chất lượng đều được mơphỏng, bao gồm dịng chảy mặt và dịng chảy ngầm, vận chuyển qua hệ thống tiêuthốt nước, hồ chưa và khu xử lý

Mơ hình SWMM mơ phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa(Biểu đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng ban đầu vào khác cùngvới hệ thống mơ tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa/xử lý) để dự đốn các trị số chấtlượng và khối lượng dịng chảy

Hình 1.1 Các “khối” xử lý của mơ hình SWMM

Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:

+ Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựatrên biểu đồ quá trình mưa (hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sửdụng đất và địa hình

+ Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thốngnước thải

+ Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạptrong cống, kênh,

+ Khối ”Trữ/Xử lý” (Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nướcnhư ao, hồ, và các công trình xử lý nước thải,đồng thời mô tả ảnh hưởng của cácthiết bị ảnh hưởng của các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng-cácước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện

+ Khối :nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận

Mục đích ứng dụng mô hình SWMM cho hệ thống thoát nước được triểnkhai nhằm:

• Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước mưa để giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thoải cho những khu vực mới phát triển

• Ước tính lưu lượng nước lũ trong kênh và các chi lưu để xác định

vị trí của kênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ

• Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn dòng kênh

Những ứng dụng điển hình của SWMM:

• Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa

• Quy hoạch ngăn tràn cống chung

• Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở

• Quy hoạch cống ngăn lũ

• Quy hoạch hồ chưa phòng lũ

2, Ứng dụng mô hình SWMM

Trong luận văn chỉ ứng dụng 2 module phổ biến hiện nay của mô hìnhSWMM là module RUNOFF và module EXTRAN

Mô hình RUNOFF mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy ở các tiểu lưu vựcriêng biệt trong lưu vực Các tiểu lưu vực trong phạm vi mô đun RUNOFF tươngứng trực tiếp với các tiểu lưu vực được xác định cho khu đô thị Nam Vinh Tân vàcung cấp trực tiếp số liệu đầu vào của dòng chảy cho mô hình EXTRAN.

Mô hình EXTRAN mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước mương hở và đườngống, bao gồm tất cả các đượng ống thuộc mô hình EXTRAN có kích thước nhỏhơn bình thường và bị ảnh hưởng bởi thủy triều và dòng chảy ngược do nước dâng

Do đó phân tích thủy lực hoàn chỉnh được cung cấp bởi EXTRAN là cần thiết

a, Module RUNOFF

RUNOFF mô phỏng dòng chảy sinh ra trên bề mặt hay dưới bề mặt (dòngthấm) dựa trên biểu đồ mưa, điều kiện về sử dụng đất, tính chất đất và các điều kiệnkhác Dòng chảy trong đất hay trong ống đều là dòng chảy tự do

Lưu vực tính toán được phân chia thành các tiểu lưu vực (hay còn gọi là lưuvực bộ phận) căn cứ vào chiều dài của cống thu, hình dạng của lưu vực và mức độphân nhánh của hệ thống Mỗi tiểu lưu vực đc mô tả thoe diện tích, độ rộng, hệ sốthấm, độ dốc địa hình, các thông số về đất, các hệ số về nhám và khả nawg giữnước

Mô hình là ứng dụng điển hình của mô hình RUNOFF chho việc quy hoạchdòng chảy vào cống, mà không xem xét tới vấn đề thẩm thấu của nước ngầm vàođường ống, sự hạn chế ở miệng thu, sự tương tác giữa nước ngầm/nước mặt haychất lượng nước

Mô hình RUNOFF được xây dựng dựa trên việc đơn giản hóa hệ phươngtrình Saint-Venant trong đó bỏ qua số hạng động lực lượng trong phương trìnhđộng lượng Mô hình RUNOFF biểu diễn dòng chảy của sóng có biên độ nhỏ nằmtrong nước tĩnh Phương pháp này dùng để diễn toán dòng chảy trong sông không

rẽ nhánh và dòng chảy ở biên dưới không chịu tác động của thủy triều hay nướcvật Phương pháp này cũng được sử dụng để tính toán dòng chảy mặt ở lưu vực đôthị có độ dốc không biến đổi đột ngột

b, Module EXTRAN

Mô hình EXTRAN là mô hình tính toán dùng để diễn toán dòng chảychuyển động qua hệ thống cống kín hoặc kênh hở do SHUBINSKI và ROESNERxây dựng lần đầu tiên công bố vào năm 1973 với tên gọi SANFRANCISCO (Lầnđầu tiên ứng dụng vào thành phố San Francisco) Năm 1974 Tổ chức Bảo vệ Môitrường Hoa Kì đã xem xét mô hình này và đưa vào mô hình SWMM dưới dạng mộtkhối lấy tên là khối truyền tải rộng (EXtended TRANsport) gọi tắt là khối

EXTRAN để phân biệt với khối truyền tải (TRANSPORT block) mà đại họcFlorida đã xây dựng cho thế hệ SWMM ở thế hệ đầu tiên Từ đó đến nay, mô hìnhngày được hoàn thiện EXTRAN là một bộ phận quan trọng nhất và thường dùngnhất trong mô hình tổng hợp SWMM để phân tích các đặc tính thủy lực tống hợpcủa hệ thống thoát nước đô thị.

Mô hình này giả hệ phương trình Saint Venant ở dạng đầy đủ và tính toáncho các trường hợp như nước vật, chảy có áp hoặc chảy ngập, EXTRAN nhậnbiểu đồ của quá trình dòng chảy tại các nút do người sử dụng đưa vào từ thực đohoặc từ các mô hình gián tiếp khác hoặc trực tiếp từ quá trình mưa thông qua cácfile liên hệ với mô hình RUNOFF Đối với các hệ thống thoát nước EXTRAN mô

tả dưới dạng một hệ thống các nút (Node/Junction) và các đường dẫn nước(Link/Conduit)

Mô hình EXTRAN cũng đòi hỏi các điểm nối tai cả 2 đầu của đường dẫnnước được xác định như là điểm nối/nút Điểm nối của những đoạn kênh và cốngvòm kín được xác định như những mặt cắt và hố ga tương ứng

Tóm lại các kết quả đầu ra của RUNOFF trở thành số liệu đầu vào củaEXTRAN

II, CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH SWMM

1, Mô hình RUNOFF

Mô hình RUNOFF thực hiện tính toán dòng chảy mặt theo hai bước:

- Tính toán quá trình mưa hiệu quả

- Tính toán dòng chảy mặt khi xuất hiện lượng mưa hiệu quả

a, Tính toán lượng mưa hiệu quả.

Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thể hiện bằng phương pháp khấutrừ tổn thất do thấm, điền trùng, bôc hơi từ bề mặt đất

PEF (t) = N (t) – VP (t) – F (t) – W (t) (1.1)Trong đó : PEF : Lượng mưa hiệu quả (mm)

Lượng mưa: được đưa vào mô hình bằng giá trị lượng mưa hoặc cường độ

mưa theo thời đoan

Lượng bốc hơi bề mặt: lượng bốc hơi bề mặt được người sử dụng nhập vào

mô hình, có thể tính theo phương pháp sau:

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

2

ln

102,0

u B

27,17exp611

; a h as

e R

e =

Trong đó: E a : Lượng bốc hơi (mm/ngày)

u 2 : Tốc độ gió (m/s)đo tại chiều cao z 2 (cm)

z 0 : Chiều cao mẫu nhám (cm)

R h : Độ ẩm tương đối (%).

Lượng trữ bề mặt: là lượng nước bị tích tụ lại khi dòng chảy di chuyển qua

vùng có địa hình âm như ao, hồ, chỗ trũng trên mặt đường Lượng trữ bề mặt khóxác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này cần được đánhgiá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

Tính toán thấm lượng thấm: thám là quá trình có tính quyết định với vai

trò là đại lượng vào cho hệ thống đất thoáng khí Ý nghĩa quan trọng của quá trìnhthấm trong các quá trình động lực của quá trình trao đổi nước trong đất là phân chialưu lượng mưa thành nước bề mặt và nước trong đất do ảnh hưởng đến quá trìnhthủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trong lưu vực Để tính toán dòng chảyđạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý, đã có nhiều mô hình thấmđược xây dựng Trong mô hình SWMM có hai phương pháp lựa chọn:

+ Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940): là mô hình thấm một giaiđoạn Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm không đổinào đó, sau đó giảm dầm theo quan hệ số mũ đến khi đạt tới một giá trị không đổi

f o

f∞

PEF PEF

)( 0 ∞

f p = 0 +( 0 − ∞)

Trong đó: fp (mm/s): Cường độ thấm vào đất

f∞ (mm/s): Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hòa f0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0 t(s) : Thời gian tính bắt đầu từ trận mưa rơi

Phương trình thấm Greeb-Ampt được viết dưới dạng:

Trong đĩ: V : Cường độ thấm vào đất (mm/s)

K : Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà(mm/s)

IDM S

với i> Ks; và f = i

- Khi F ≥Fs thì f = f p và fp=Ks (1+ F

IDM S.

)Trong đó: f : Cường độ thấm vào đất mm/s)

fp : Cường độ thấm tiềm năng (mm/s)

i : Cường độ mưa (mm/s)

F : Lượng thấm tích luỹ (mm)

Fs : Cường độ thấm tích luỹ đến trạng thái bãohoà (mm)

S : Sức hút mao dẫn trung bình (mm) IDM : Độ thiếu hụt ẩm ban đầu

Ks : Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà(mm/s)

Theo EULER (1989) lượng bốc hơi ngày được tính theo cơng thức

VP(mm)=1,58 +(0,96+0,0033i)sin{2π/365(i-148)]

Trong đĩ: i: Ngày tính theo năm thủy lực

i=1: Ngày 1 tháng 1 i=365: Ngày 31 tháng 10 năm sau VP: Lượng bốc hơi ngày thứ i Lượng dự trữ trên bề mặt rất khĩ xác định do tính phức tạp của lưu vự đơ thị,

do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đĩ hiệu chỉnh qua mơ hình.