Nghiên cứu cân chỉnh mô hình chất lượng nước cho hệ thống cấp nước khu dân cư vĩnh lương, tp nha trang

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn được tóm tắt như sau: - Xây dựng mô hình thủy lực trong mạng lưới cấp nước dựa trên các số liệu thu thập từ hiện trường - Cân chỉnh, kiểm định mô h

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quang Trưởng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS NGUYỄN THỐNG PGS TS NGUYỄN MINH TÂM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nơi sinh: Ninh Thuận

Họ tên học viên: ĐẶNG VĂN ĐỦ

Ngày, tháng, năm sinh: 03/12/1985

Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nước Mã số: 60580212

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu cân chỉnh mô hình chất lượng nước cho hệ thống cấp nước khu dân cư Vĩnh Lương, TP Nha Trang.

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô hình thủy lực trong mạng lưới cấp nước dựa trên các số liệu thuthập từ hiện trường

- Cân chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực bằng các dữ liệu hiện trường về lưulượng, áp lực, cao độ nút…trong khu vực nghiên cứu

- Thu thập các mẫu nước và kết quả thí nghiệm xác định nồng độ Clo của mẫunước tại một số vị trí trong mạng lưới cấp nước

- Xây dựng mô hình chất lượng nước cho mạng lưới phân phối nước sạch hiệnhữu

- Cân chỉnh, kiểm định mô hình chất lượng nước dựa vào các số liệu thu được tạihiện trường

- Từ kết quả cân chỉnh, xây dựng kịch bản mạng lưới cấp nước xuất hiện điểm bể

và kịch bản giả định nồng độ Clo châm đầu nguồn thay đổi

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16 /01/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18 /06/2017

MSHV:7140088

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong luận văn Thạc sĩ này, tôi muốn gữi đến lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người đã hỗ trợ, giúp đỡ về chuyên môn, vật chất, tinh thần để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Quang Trưởng đã định hướng

và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các quý thầy cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, đặc biệt là các thầy cô giảng dạy thuộc Bộ môn Tài Nguyên Nước, đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tất cả những kiến thức, kinh nghiệm các thầy cô đã truyền đạt trong suốt quá trình học cũng như những góp ý quý báu của các thầy cô

về luận văn này sẽ mãi là hành trang quý giá cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và công tác sau này

Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của Ban Lãnh đạo Công ty Cổ phần Cấp nước Ninh Thuận và các anh chị thuộc Công ty Cổ phần Cấp thoát nước Khánh Hòa đã hỗ trợ tạo điều kiện về số liệu, dụng cụ để tôi có thể nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin cám ơn những người thân trong gia đình, những người bạn thân của tôi đã luôn bên cạnh, quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn, trở ngại để hoàn thành luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017

TÓM TẮT

Mạng lưới cấp nước hiện trạng của Tp Nha đang được đầu tư mới khá nhiều Mạng lưới cấp nước hoạt động về lưu lượng và áp lực ổn định, ít xảy ra sự cố bể, vỡ đường ống

Vấn đề về chất lượng nước sau khi xử lý và hòa vào mạng lưới cấp nước là yếu

tố mà đơn vị đang quan tâm Trên thực tế hiện trạng của mạng lưới cấp nước hiện nay thì hàm lượng Clo dư ở đầu mạng lưới cấp nước luôn lớn hơn 0,5mg/l tuy nhiên về cuối mạng lưới thì hàm lượng Clo lại nhỏ hơn 0,3 mg/l

Các mô hình chất lượng nước được dùng nghiên cứu điều chỉnh sự hoạt động thủy lực để cải thiện chất lượng nước Quá trình hòa trộn các chất và phản ứng của nước bên trong mạng lưới làm thay đổi chất lượng nước trong quá trình vận chuyển từ khu xử lý đến nơi tiêu thụ

Từ những vấn đề thực tiễn nêu trên, do đó mục tiêu của luận văn này là xây dựng

mô hình chất lượng nước để giám sát, kiểm soát, dự báo về sự thay đổi nồng độ Clo trong mạng lưới Nội dung nghiên cứu chính của luận văn được tóm tắt như sau:

- Xây dựng mô hình thủy lực trong mạng lưới cấp nước dựa trên các số liệu thu thập từ hiện trường

- Cân chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực bằng các dữ liệu hiện trường về lưu lượng, áp lực, cao độ nút …trong khu vực nghiên cứu

- Thu thập các mẫu nước và kết quả thí nghiệm xác định nồng độ Clo của mẫu nước tại một số vị trí trong mạng lưới cấp nước

- Xây dựng mô hình chất lượng nước cho mạng lưới phân phối nước sạch hiện hữu

- Cân chỉnh, kiểm định mô hình chất lượng nước dựa vào các số liệu thu được tại hiện trường

- Từ kết quả cân chỉnh, chúng ta sẽ theo dõi được diễn biến sự thay đổi của nồng

độ Clo trong mạng lưới cấp nước hiện hữu Đề xuất một giải pháp kiểm soát hàm lượng Clo dư cho nhiều mạng lưới cấp nước có quy mô tương tự, đồng thời cũng nhằm mục địch đảm bảo sức khỏe người sử dụng nước

ABSTRACT

The current water supply network of Nha Trang City is being invested quite a lot The water supply network operates in stable flow and pressure, with fewer breakdowns

of damaged and broken water pipe

The issue of water quality after treatment and integration into the water supply network is a factor that the enterprise is interested in In fact, the current state of the water supply network is that the excess chlorine content at the top of the water supply network is always greater than 0.5mg/l; however, at the end of the network, the chlorine content is less than 0.3 mg/l

Water quality models are used to study hydraulic regulation to improve water quality The process of mixing the substances and the reaction of water within the network has changed the quality of water in the process of transportation from the treatment zone to the place of consumption

From the above practical issues, the objective of this thesis is to develop a water quality model to monitor, control and forecast the changes in chlorine concentration in the network The main research content of the thesis is summarized as follows:

- Build hydraulic model in water supply network based on data collected on the scene

- Calibrate and test hydraulic models by scene data on flow, pressure, elevation, etc in the study area

- Collect water samples and test results to determine the chlorine concentration of water samples at some locations in the water supply network

- Develop a water quality model for the existing water distribution network

- Calibrate and test water quality models based on scene data

- From the calibration result, we will monitor the change of chlorine concentration in the existing water supply network Propose a solution to control excess chlorine content for many similarly sized water supply networks and to ensure the health of water users

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Ngoại trừ các nội dung đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn này

là hoàn toàn chính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

Tp HCM, ngày tháng năm 2017 Học viên

Đặng Văn Đủ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Nội dung thực hiện 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 4

1.7 Lý thuyết thủy lực 5

1.7.1 Dòng chảy ổn định đều 5

1.7.2 Phương trình liên tục trong mạng lưới đường ống: 5

1.7.3 Định luật bảo toàn năng lượng, phương trình Bernoulli 5

1.7.4 Tổn thất thủy lực 6

1.8 Thuật toán giải thuật di truyền 7

1.8.1 Tổng quan 7

1.8.2 Ứng dụng thuật toán di truyền trong bài toán cân chỉnh mạng lưới 8

1.9 Mô hình chất lượng nước: 10

1.9.1 Vận chuyển trong ống: 10

1.9.2 Trộn tại các nút 11

1.9.3 Mô phỏng các phản ứng hóa học trong đường ống dẫn nước 12

1.9.4 Các phương pháp xác định nồng độ Clo dư trong mạng lưới cấp nước 14

1.9.5 Giới thiệu phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGems 15

1.9.6 Khả năng mô phỏng của phần mềm 15

1.10 Hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước (GIS) 20

1.10.1 Giới thiệu hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước 20

1.10.2 Các lớp dữ liệu thuộc tính cấp nước 20

1.11 Nồng độ Clo dư thay đổi trong trong mạng lưới cấp nước 21

1.11.1 Nguyên nhân 21

1.11.2 Phản ứng khối và phản ứng thành 21

1.12 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 25

1.12.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 25

1.12.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 28

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30

2.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 30

2.1.1 Tổng quan 30

2.1.2 Mạng lưới đường ống 31

2.1.3 Nhu cầu sử dụng nước 34

2.2 Cách thức thu thập dữ liệu 34

2.2.1 Lựa chọn vị trí quan trắc dữ liệu 34

2.3 Số liệu thu được tại hiện trường 35

2.3.1 Bộ số liệu Nồng độ Clo đầu nguồn 41

2.4 Xử lý số liệu 41

2.4.1 Lưu lượng đầu vào (trạm tăng áp Vĩnh Lương) và hệ số PATTERN 41

2.4.2 Áp lực tại các vị trí quan sát 43

2.4.3 Nồng độ Clo dư 44

2.5 Trình tự xây dựng mô hình thủy lực 44

2.5.1 Mạng lưới đường ống (đường kính, hệ số nhám) 44

2.5.2 Cao độ 45

2.5.3 Điều kiện biên của mạng lưới 46

2.5.4 Cơ chế vận hành của Bể chứa Vĩnh Lương 46

2.5.5 Lưu lượng nút 46

2.6 Quy trình thực hiện 47

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỦY LỰC 50

3.1 Phát triển mô hình thủy lực 50

3.1.1 Xây dựng mô hình thủy lực: 50

3.1.2 Mô phỏng thủy lực 53

3.1.3 Hiệu chỉnh mô hình thủy lực: 58

3.1.4 Kiểm định mô hình thủy lực: 61

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC 65

4.1.1 Xây dựng mô hình chất lượng nước 65

4.1.2 Cân chỉnh Mô hình chất lượng nước: 71

4.1.3 Kiểm Định Mô hình chất lượng nước 73

4.2 Xây dựng kịch bản 73

4.2.1 Kịch bản 1: Mạng lưới cấp nước xuất hiện điểm bể 73

4.2.2 Kịch bản giả định nồng độ Clo châm đầu nguồn thay đổi 75

4.3 Kết quả của kịch bản 78

4.3.1 Kịch bản 1 78

4.3.2 Kịch bản 2 80

4.4 Thảo luận chung về kết quả nghiên cứu 82

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

5.1 Kết luận 83

5.2 Kiến nghị 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 86

Phụ lục 1: Bảng số liệu về lưu lượng đầu vào và hệ số pattern tiêu thụ 86

Phụ lục 2: Bảng cao trình tại các vị trí quan trắc áp lực 87

Phụ lục 3: Bộ số liệu áp lực quan trắc ngày 15/4/2017 87

Phụ lục 4: Bộ số liệu áp lực quan trắc ngày 16/4/2017 91

Phụ lục 5: Số liệu Nồng độ Clo đầu nguồn 98

Phụ lục 6: Bộ số liệu quan trắc nồng độ Clo dư tại hiện trường 107

Phụ lục 7: Kết quả nồng độ Clo dư tại Nút J-1183 và tại nút J-13310 trước và sau khi có hiện tượng rò rỉ lưu lượng tại nút JK5 107

Phụ lục 8: Kết quả nồng độ Clo theo kịch bản so với mô hình ban đầu tại nút J-13310

112

DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Minh họa quá trình tái sinh chéo để tạo quần thể lời giải mới 8

Hình 1.2: Pha trộn nút 12

Hình 1.3: Nồng độ biến đổi theo thời gian với các phản ứng phân hủy bậc 0, 1, 2

13

Hình 1.4: Các phương pháp xác định nồng độ Clo 14

Hình 1.5: Giao diện sử dụng của Darwin Calibrator 16

Hình 1.6: Giao diện tạo một thay thế về chất lượng nước (Chlorine) 17 Hình 1.7: Khai báo các thông số đối với yếu tố phản ứng khối 17 Hình 1.8: Khai báo các thông số đối với sự phân hủy tại thành ống 18

Hình 1.9: Khai báo định nghĩa cho thành phần hóa học (Chlorine) 18

Hình 1.10: Thiết lập giá trị nồng độ hóa học (Chlorine) trong bể chứa 18

Hình 1.11: Khai báo thời gian phân tích chất lượng nước 19

Hình 1.12 Trình tự xây dựng mô hình 19

Hình 1.13 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) khu vực nghiên cứu 20

Hình 1.14: Phản ứng khử trùng xảy ra trong một phân phối nước điển hình 22

Hình 2.1: Bản đồ địa chính xã Vĩnh Lương, Tp Nha 30

Hình 2.2: Bản đồ mạng lưới cấp nước Tp Nha 31

Hình 2.3: Bản đổ mạng lưới tuyến ống khu vực nghiên cứu 31

Hình 2.4 Đồng hồ tổng ĐHT 33

Hình 2.5: Trụ cứu hỏa xả nước trong khu vực 33

Hình 2.6: Lắp đặt datalogger 33

Hình 2.8: Biểu đồ lưu lượng đo tại trạm tăng áp Vĩnh Lương ngày 15/4/2017 35

Hình 2.9: Biểu đồ lưu lượng đo tại trạm tăng áp Vĩnh Lương ngày 16/4/2017 36

Hình 2.10: Vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc áp lực 36

Hình 2.11: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-2200 ngày 15/4/2017 37

Hình 2.12: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-6228 ngày 15/4/2017 37

Hình 2.13: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-8841 ngày 15/4/2017 38

Hình 2.14: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-8103 ngày 15/4/2017 38

Hình 2.15: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-1867 ngày 15/4/2017 39

Hình 2.16: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-6226 ngày 16/4/2017 39

Hình 2.17: Biểu đồ Cột áp đo tại nút J-8841 ngày 16/4/2017 39

Hình 2.18: Vị trí quan trắc Nồng độ Clo dư và thiết bị đo tại hiện trường 40

Hình 2.19: Biểu đồ Nồng độ đo tại Bể chứa Vĩnh Lương 07/05/2017 đến 11/5/2017

41

Hình 2.20: Cao độ các vị trí nút 45

Hình 2.21: Bảng thống kê Van điều áp trên hệ thống 46

Hình 2.22: Cơ chế hoạt động của Bơm tăng áp và Bể chứa Vĩnh Lương 46

Hình 2.23: Sơ đồ vị trí đồng hồ nước của khu vực nghiên cứu 47

Hình 2.24 : Sơ đồ tiến trình mô phỏng 49

Hình 3.1 Khai báo LoadBuilder – Nearest Node 51

Hình 3.2 Kết quả tính toán lưu lượng từng nút 51

Hình 3.3 Mô hình thủy lực cơ bản 52

Hình 3.4: Biểu đồ pattern ngày 15.4 54

Hình 3.5: Khai báo pattern và thời gian phân tích 54

Hình 3.6: Biểu đồ so sánh áp lực ngày 15/4/2017 tại nút J-2200 56

Hình 3.7: Biểu đồ so sánh áp lực ngày 15/4/2017 tại nút J-6228 (JK1) 56

Hình 3.8: Biểu đồ so sánh áp lực ngày 15/4/2017 tại nút J-8841 (JK3) 57

Hình 3.9: Biểu đồ so sánh áp lực ngày 15/4/2017 tại nút J-8103 (JK4) 57

Hình 3.10: Biểu đồ so sánh áp lực ngày 15/4/2017 tại nút J-1867 (JK5) 58

Hình 3.11 Dùng Darwin Calibrator để hiệu chỉnh hệ số C 59

Hình 3.12: Lựa chọn các đoạn ống cân chỉnh hệ số nhám 59

Hình 3.13: Hệ số nhám hiệu chỉnh 60

Hình 3.14 Kết quả tính toán RMSE 60

Hình 3.15: Kết quả cân chỉnh áp lực quan trắc và mô phỏng 60

Hình 3.16: Biểu đồ tương quan áp lực quan trắc và mô phỏng 61

Hình 3.17: Bộ số liệu pattern ngày 16/4/2017 62

Hình 3.18: Biểu đồ so sánh kết quả kiểm định áp lực tại nút J-6228 (JK1) 64

Hình 3.19: Biểu đồ so sánh kết quả kiểm định áp lực tại nút J-8841 (JK3) 64

Hình 4.1: Biểu đồ Hệ số phản ứng khối Clo 65

Hình 4.2: Biểu đồ hệ số tiêu thụ nước từ ngày 08/5/2017 đến ngày 11/5/2017

66

Hình 4.3: Khai báo dữ liệu Pattern mạng lưới 66

Hình 4.4 Biểu đồ hệ số tiêu thụ nước tại bể chứa Vĩnh Lương 67

Hình 4.5 Khai báo dữ liệu Pattern cho bể chứa 67

Hình 4.6: Khai báo chất Clo vào trình thay thế (Alternatives) 67

Hình 4.7: Khai báo nồng độ Clo đầu nguồn vào Tank (1) 68

Hình 4.8: Khai báo nồng độ Clo đầu nguồn vào Tank (2) 68

Hình 4.9: Khai báo Pattern "mạng lưới" vào các nút 68

Hình 4.10: Khai báo giá trị khếch tán (Diffusivity) và tỷ lệ phản ứng khối

69

Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn tính toán nồng độ Clo dư tại nút J-13310 69

Hình 4.12: Khai báo các hệ số khếch tán và tỷ lệ phản ứng thành ống 71

Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn cân chỉnh nồng độ Clo dư tại nút J-13310 71

Hình 4.14: Giá trị nồng độ Clo tại nút J-13310 sau khi cân chỉnh 72

Hình 4.15: Vị trí xuất hiện điểm phun 73

Hình 4.16 : Khai báo giá trị Hệ số rò rỉ tại nút (emitter coefficient) 74

Hình 4.17: Thí nghiệm hiện trường xác định nồng độ Clo tại nút J-13310 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số tổn thất cục bộ qua van bướm 7

Bảng 1.2 Hệ số tổn thất cục bộ đối với chi tiết mối nối 7

Bảng 1.3: Các lớp dữ liệu trong GIS phục vụ công tác mô phỏng 15

Bảng 2.1: Vị trí và đường kính trụ cứu hỏa 33

Bảng 2.2: Cao trình tại các vị trí quan trắc áp lực 36

Bảng 2.3: Bộ số liệu quan trắc nồng độ Clo dư tại hiện trường 41

Bảng 2.4: Số liệu cột áp thủy lực phục vụ cân chỉnh 43

Bảng 2.5: Số liệu cột áp thủy lực dùng để kiểm định mô hình 43

Bảng 2.6: Số liệu Nồng độ Clo phục vụ cân chỉnh 44

Bảng 2.7: Số liệu Nồng độ Clo phục vụ kiểm định 44

Bảng 2.8 : Đường kính ống 44

Bảng 2.9: Hệ số nhám theo Hazen William 45

Bảng 2.10: Cao độ logger tại các điểm đo 45

Bảng 3.1: Số liệu ngày 15/4/2017 phục vụ mô phỏng thủy lực 53

Bảng 3.2: So sánh kết quả áp lực của mô hình và số liệu quan trắc J-2200 và J-6228

54

Bảng 3.3: So sánh kết quả áp lực của mô hình và số liệu quan trắc J-8841 và J-8103

55

Bảng 3.4: So sánh kết quả áp lực của mô hình và số liệu quan trắc J-1867

55

Bảng 3.5 Bộ số liệu kiểm định ngày 16/4/2017 61

Bảng 3.6: So sánh kết quả áp lực cân chỉnh và số liệu quan trắc J-6228 và J-8841

63

Bảng 3.7: So sánh Kết quả kiểm định J-6228 và J-8841 63

Bảng 4.1: Số liệu quan trắc nồng độ Clo tại đầu nguồn và cuối nguồn 65

Bảng 4.2 : So sánh kết quả nồng độ Clo dư tính toán và quan trắc 70

Bảng 4.3 : Kết quả Cân chỉnh nồng độ Clo tại nút J-13310 72

Bảng 4.4 : Kết quả kiểm định mô hình về nồng độ Clo dư tại nút J-11363 73

Bảng 4.5 : Kết quả của kịch bản 1 79

Bảng 4.6 : Kết quả của kịch bản 2 81

Thành phố Nha Trang là thành phố lớn của khu vực miền trung Theo điều tra dân số năm 2011 thì dân số toàn thành phố có 396.066 người, trong đó dân số thành thị chiếm 74,8%, dân số nông thôn chiếm 25,2% (Niên giám Khánh Hòa năm 2011)

Mật độ dân số trung bình toàn thành phố là 1.562 người/km2 Dân cư phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở các phường nội thành Khu vực trung tâm thành phố thuộc các phường Vạn Thắng, Vạn Thạnh, Phương Sài, Phước Tân, Phước Tiến, Tân Lập có mật độ dân cư rất cao với gần 30000 người/km².Tuy nhiên một

số xã như Vĩnh Lương, Phước Đồng với địa hình chủ yếu là núi cao có mật độ dân số thấp, chỉ vào khoảng 320-370 người/km2

Hiện nay, tổng sản lượng nước sạch được cấp vào mạng lưới cấp nước Tp Nha Trang của công ty cấp thoát nước Khánh Hòa khoảng 125.000 m3/ngày đêm Mạng lưới cấp nước hiện trạng của Tp Nha Trang đang được đầu tư mới khá nhiều Mạng lưới cấp nước hoạt động về lưu lượng và áp lực ổn định, ít xảy ra sự

cố bể, vỡ đường ống

Vấn đề về chất lượng nước sau khi xử lý và hòa vào mạng lưới cấp nước là yếu tố mà đơn vị đang quan tâm Trên thực tế hiện trạng của mạng lưới cấp nước hiện nay thì hàm lượng Clo dư ở đầu mạng lưới cấp nước luôn lớn hơn 0,5mg/l tuy nhiên về cuối mạng lưới thì hàm lượng Clo lại nhỏ hơn 0,3 mg/l

Công tác đánh giá hiện trạng một mạng lưới phân phối nước sạch thông qua

mô hình chất lượng nước được nhiều đơn vị quan tâm Các mô hình chất lượng nước được dùng nghiên cứu điều chỉnh sự hoạt động thủy lực để cải thiện chất lượng nước Quá trình hòa trộn các chất và phản ứng của nước bên trong mạng lưới làm thay đổi chất lượng nước trong quá trình vận chuyển từ khu xử lý đến nơi tiêu thụ

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Theo quy chuẩn khi khử trùng bằng Clo hoặc các hợp chất chứa Clo, hàm lượng clo dư cần nhỏ hơn 0,5 mg/l ở đầu mạng lưới cấp nước và không nhỏ hơn 0,3 mg/l ở cuối mạng lưới Tuy nhiên với hệ thống cấp nước thực tế đang khai thác vận hành thì công việc đánh giá bằng biện pháp thủ công thủ công gặp nhiều khó khăn

Việc sử dụng công cụ máy tính (WaterGEMs) kết hợp với các số liệu thu thập hiện trường để mô phỏng nồng độ Clo dư trong mạng lưới cấp nước hiện hữu Công việc có thể thực hiện được thông qua quá trình cân chỉnh mô hình chất lượng nước

Từ kết quả cân chỉnh, chúng ta sẽ theo dõi được diễn biến sự thay đổi của nồng độ Clo trong mạng lưới cấp nước hiện hữu Từ đó đề ra một giải pháp kiểm soát hàm lượng Clo dư cho nhiều mạng lưới cấp nước có quy mô tương tự, đồng thời cũng nhằm mục địch đảm bảo sức khỏe người sử dụng nước

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình thủy lực trong mạng lưới cấp nước dựa trên các số liệu thu thâọ từ hiện trường

Cân chỉnh mô hình thủy lực bằng các dữ liệu hiện trường về lưu lượng, áp lực, cao độ nút …trong khu vực nghiên cứu

Thu thập các mẫu nước và kết quả thí nghiệm xác định nồng độ Clo của mẫu nước tại một số vị trí trong mạng lưới cấp nước

Xây dựng mô hình chất lượng nước cho mạng lưới phân phối nước sạch hiện hữu

Cân chỉnh mô hình chất lượng nước dựa vào các số liệu thu được tại hiện trường

Dự báo chất lượng nước của mạng lưới khi điều chỉnh chất lượng nước tại đầu nguồn

1.4 Nội dung thực hiện

Bước 1: Thu thập dữ liệu không gian và thuộc tính của mạng lưới đường

ống hiện hữu (bao gồm các đặc tính hình học và vị trí của đường ống, cao trình

đặt ống, đường kính, vật liệu, hệ số nhám) Thu thập thêm dữ liệu đồng hồ nước khách hàng để phục vụ công tác gán lưu lượng tiêu thụ vào nút

Bước 2: Từ các thiết bị thu nhận dữ liệu (datalogger) tại các điểm đã được

bố trí trên mạng lưới cấp nước Theo dõi và ghi nhận giá trị áp lực và lưu lượng trong một khoảng thời gian xác định

Bước 3: Thu thập các số liệu từ phòng thí nghiệm chất lượng nước của đơn

vị về nồng độ Clo tại điểm đầu và các vị trí bất lợi (điểm cuối) trong mạng lưới cấp nước

Bước 4: Tiến hành Mô phỏng lại mạng lưới hiện hữu với lưu lượng và áp

lực thực tế thu nhận được ở Bước 2 (mô phỏng thủy lực) bằng phần mềm WaterGEMs Quá trình này đòi hỏi phải cân chỉnh mô hình (hệ số nhám và lưu lượng tiêu thụ) để khớp với thực tế

Bước 5: Sử dụng công cụ Constistuent (WaterGEMs) nhập giá trị nồng độ

Clo dư đầu mạng lưới đã thu thập được ở bước 3 Sau đó tiến hành phân tích và quan sát sự thay đổi nồng độ Clo tại các vị nút trên mô hình

Bước 6: So sánh giữa giá trị hàm lượng Clo dư của các nút trên mô hình

tương ứng với các vị trí lấy mẫu thí nghiệm thực tế

Bước 7: giả sử các giá trị nồng độ Clo ở Bước 6 không khớp Tiến hành cân

chình mô hình chất lượng nước, quá trình này đòi hỏi phải nghiên cứu các giá trị

về hệ số nhớt động lực học, tỷ lệ phản ứng khối, giá trị phản ứng thành ống để sự

mô phỏng nồng độ Clo trong mô hình khớp với thực tế

Bước 8: Kiểm nghiệm lại kết quả cân chỉnh mô hình bằng một bộ số liệu

thuộc ngày khác Quan sát và so sánh hàm lượng Clo dư của các nút trên mô hình tương ứng với các vị trí lấy mẫu thí nghiệm thực tế như ở bước 6

Bước 9: Nhận xét kết quả ở bước 8 và ứng dụng kết quả đạt được cho mạng

lưới cấp nước có quy mô tương tự

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê: thu thập và xử lý số liệu mạng lưới cấp nước

Phương pháp kế thừa: Phương này được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu, xem xét, đánh giá và tận dụng các kết quả nghiên cứu đã có trước đây kể cả trong nước và ngoài nước

Phương pháp ứng dụng mô hình toán: tận dụng sự phát triển của máy tính trong việc mô phỏng lại mạng lưới cấp nước Sử dụng phần mềm WaterGEMs để

mô phỏng và tính toán thủy lực mạng lưới

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

o Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước để biết các mức độ hóa chất và sinh hóa bên trong hệ thống Mô hình mô phỏng chất lượng nước là sự mở rộng trực tiếp của mô hình hệ thống thủy lực và có thể sử dụng để tạo ra nhiều việc phân tích hữu ích Nghiên cứu sử dụng trên nền tảng cơ sở lý luận và thực nghiệm Xây dựng mô hình chất lượng nước trên nền tảng mô phỏng thủy lực thời gian dài của phần mềm WaterGems

o Ý nghĩa thực tiễn:

Xây dựng giải pháp kiểm soát nồng độ Clo dư đầu vào và nồng độ Clo dư đầu ra mạng lưới phân phối nước sạch, giảm chi phí đầu tư các thiết bị giám sát chất lượng nước Ngoài ra, giải pháp cung cấp dữ liệu mô phỏng phục vụ dự báo

sự thay đổi nồng độ Clo dư trên mạng lưới phân phối khi công suất tiêu thụ thay đổi

1.7 Lý thuyết thủy lực

1.7.1 Dòng chảy ổn định đều

Dòng chảy ổn định đều trong một đoạn ống có đường kính không đổi có vận tốc bằng nhau tại mọi vị trí và mọi thời điểm được diễn tả bẳng phương trình:

1.7.2 Phương trình liên tục trong mạng lưới đường ống:

Tổng lượng nước vào ra mạng lưới đường ống (bao gồm cả lượng nước rò rỉ) thì bằng 0

1

0

j

i n i

1.7.3 Định luật bảo toàn năng lượng, phương trình Bernoulli

Phương trình Bernoulli được diễn tả như sau: (2.3) và (2.4)

Với z được gọi là cột nước cao trình (vị năng), p1

g

 là cột nước áp suất (áp năng),

Tổn thất dọc đường có thể được tính bằng công thức

1.852 1.852 4.87

10.68

f

L Q

2 5

m

v h

g





(2.9)Với  gọi là hệ số tổn thất cục bộ

Chẳng hạn đối với van được mở hoàn toàn:

Bảng 1.1 Hệ số tổn thất cục bộ qua van bướm

Các giả thuyết trong GA thường được mô tả bằng các chuỗi bit, việc hiểu các chuỗi bit này tùy thuộc vào ứng dụng, ý tưởng các giả thuyết cũng có thể được mô tả bằng các biểu thức kí hiệu hoặc ngay cả các chương trình máy tính Quá trình mô phỏng thuật toán di truyền gồm các giai đoạn:

a) Khởi tạo ngẫu nhiên 1 quần thể các lời giải ban đầu (đã được mã hóa bằng mã nhị phân 0 và 1)

b) Tính toán độ chính xác của các lời giải khởi tạo ban đầu

c) Khởi tạo một quần thể các lời giải mới mới sử dụng các thuật toán di truyền: tái sinh chéo và đột biến

d) Tính toán độ chính xác của lời giải mới

e) Dừng tính toán nếu thỏa điều kiện cho trước, thực hiện lại vòng lặp từ bước 3 đến bước 5 nếu chưa thỏa điều kiện

Hình 1.1 Minh họa quá trình tái sinh chéo để tạo quần thể lời giải mới

1.8.2 Ứng dụng thuật toán di truyền trong bài toán cân chỉnh mạng lưới

Các thông số được cân chỉnh để tối ưu hóa trong mạng lưới cấp nước bao gồm:

1 Hệ số nhám đường ống f i (friction: C trong Hazen William hoặc n của

Manning) cho nhóm ống i, tất cả các ống trong một nhóm sẽ được gán cho cùng

một hệ số nhám hoặc nhân thêm một hệ số vào hệ số nhám ban đầu

2 Hệ số cân chỉnh lưu lượng m j,t cho nhóm nút j tại thời điểm t, những nút

trong cùng một nhóm thì được gán cùng một hệ số cân chỉnh

3 Tình trạng vận hành của đường ống s k,t cho đường ống k tại thời điểm t

Thông số độ chính xác (fittest parameters) được phần mềm tính toán bằng cách cực tiểu hóa sai khác giữa giá trị mô hình tính và giá trị đo đạc của áp lực tại nút và lưu lượng của đường ống Bài toán cân chỉnh các thông số trong mạng lưới cấp nước được mô tả dưới dạng toán học như sau:

Tìm tập các giá trị = (f i ,m j,t ,s k,t ); i = 1,…, NI; j=1,…,NJ; k=1,…,NK (2.10)

Bài toán cực tiểu sai khác sử dụng 3 phương pháp:

 Bình phương cực tiểu (Minimize Difference Squares)

2 2

Hobsnh : giá trị áp lực đo đạc tại nút n

Hsimnh : giá trị áp lực mô phỏng tại nút n

Fsimnf : giá trị lưu lượng mô phỏng

Hpnt: áp lực cho mỗi điểm chính xác (head per fitness point)

Fpnt: lưu lượng cho mỗi điểm chính xác (flow per fitness point)

NH: tổng số vị trí đo áp lực

NF: tổng số vị trí đo lưu lượng

1.9 Mô hình chất lượng nước:

Mô hình chất lượng nước là sự mở rộng trực tiếp của mô hình hệ thống thủy lực và có thể sử dụng để tạo ra nhiều việc phân tích hữu ích khác Phát triển các

mô hình mô phỏng hệ thống thủy lực sẽ tạo ra khả năng để phân tích chất lượng nước và bắt đầu bổ sung các tính năng tính toán chất lượng nước cho những mô hình này

Vận chuyển, pha trộn và phân hủy là những quá trình vật lý và hóa học cơ sở

có mặt trong các mô hình chất lượng nước Các mô phỏng chất lượng nước cũng dùng các giải pháp thủy lực mạng như là một phần của công việc tính toán Lưu lượng trong ống và các đường dòng xác định nước đi như thế nào trong mạng được dùng để xác định sự pha trộn, thời gian lưu nước và các đặc tính thủy lực khác tác động đến sự vận chuyển và phân hủy chất khử trùng

Kết quả của một mô phỏng thủy lực thời đoạn có khả năng sử dùng như là điểm khởi đầu trong công việc hình thành các phân tích chất lượng nước

1.9.1 Vận chuyển trong ống:

Phần lớn các mô hình chất lượng nước sử dụng vận chuyển một chiều để dự đoán những thay đổi các nồng độ thành phần do sự vận chuyển qua một ống và tính toán các phản ứng hìnhthành và phân hủy Phương trình sau chỉ ra nồng độ trong một ống I như là một hàm số của khoảng cách dọc theo chiều dài (x) và

theo thời gian (t): (Nguồn: PGS-TS Dương Thanh Lượng Hệ thống cấp nước

Hà Nội: NXB Xây dựng, 2006)

i i

i i

ϴ (Ci): Số hạng phản ứng (kg/m3/s)

Phương trình 1 phải được kết hợp với hai phương trình điều kiện biên ( nồng

độ tại x = 0 và t = 0) để thu được lời giải Phương trình này được giải một cách điển hình, tuy nhiên bằng cách chuyển nó sang phương trình vi phân bậc nhất tiêu chuẩn và sử dụng lược đồ sai phân hữu hạn, thể hiện ở phương trình 2.16

(Nguồn: PGS-TS Dương Thanh Lượng Hệ thống cấp nước Hà Nội: NXB Xây dựng, 2006

Ci,l: Nồng độ trong ống I tại nút sai phân hữu hạn l (kg/m3)

Δxi: khảng cách giữa các nút sai phân hữu hạn (m)

ϴ (Ci,l): Số hạng phản ứng (kg/m3/s)

ni: số của nút sai phân hữu hạn trong ống i

Phương trình vận chuyển là một hàm của lưu lượng trong ống chia cho diện tích mặt cắt, bằng với vận tốc dòng chảy Như vậy, khối chất lỏng được vận chuyển dọc theo chiều dài của ống với vận tốc tỷ lệ thuận với lưu lượng trung bình dòn chảy Phương trình dựa trên sự giả định rằng sự khuyếch tán theo chiều dọc ống là không đáng kể và khối chất lỏng được trộn hoàn toàn (một giả thuyết hợp lệ với dòng chảy rối) Hơn nữa, phương trình cũng có thể tính được sự hình thành và phân hủy một chất trong quá trình vận chuyển với việc thay thế một phương trình thích hợp vào trong số hạng phản ứng Một phương trình như vậy

sẽ được triển khai sau, còn trước hết, chúng ta đưa ra phương trình pha trộn nút

j

i i n j

i VAO R

i

i RA

Q C U C

Hình 1.2: Pha trộn nút

1.9.3 Mô phỏng các phản ứng hóa học trong đường ống dẫn nước

Các phương trình 2.15; 2.16; 2.17 tạo nên một hệ các phương trình vi phân tuyến tính được giải bằng các thuật toán mô phỏng chất lượng nước đặc trưng Một khi nước rời khỏi trạm xử lý và đi vào hệ thống phân phối, nó chịu nhiều quá trình lý hóa phức tạp mà một số trong chúng vẫn được hiểu nhưng với một cách sơ sài, còn phần lớn trong chúng không được mô phỏng Ba quá trình hóa học thường được mô hình hóa là: các phản ứng khối chất lỏng (phản ứng trong dòng chảy), các phản ứng trên bề mặt (điển hình là trên thành ống) và các phản ứng hình thành liên quan đến chất phản ứng giới hạn

a Phản ứng khối:

- Hệ số phản ứng trong dòng chảy: Một chất chuyển động trong ống hoặc có trong điều kiện bình chứa, nó có thể tác dụng với các chất khác có trong ống Mức độ phản ứng thường được mô tả bằng hàm số mũ của nồng độ

- Các phản ứng xảy ra trong dòng chảy và là một hàm của các nồng độ hợp thành, tốc độ phản ứng, số bậc phản ứng và nồng độ của các sản phẩm hình

thành Một biểu thức khái quát hóa cho phản ứng khối bậc n được triển khai ở công thức 2.18 (Rossman, 2000)

( )C kC n

   (2.18) Trong đó:

Hình 1.3: Nồng độ biến đổi theo thời gian với các phản ứng phân hủy bậc 0, 1, 2

- Phương trình 2.18 xác định số hạng phản ứng khối chung, hay được dùng nhất trong các mô hình mô phỏng chất lượng nước Biểu thức về tốc độ chỉ tính cho một nồng độ phản ứng đơn lẻ, ngụ ý rằng các chất khác (nếu chúng tham gia trong phản ứng) có thể vượt qua nồng độ cần thiết để duy trì phản ứng Dấu của

hệ số phản ứng k biểu thi rằng phản ứng hình thành (dương) hoặc phân hủy (âm) đang diễn ra Đơn vị của hệ số phản ứng phụ thuộc vào số bậc của phản ứng Số bậc của phản ứng phụ thuộc vào thành phần của chất và các sản phẩm liên quan trong phản ứng Số bậc phản ứng thường được xác định bằng thực nghiệm

- Các phản ứng bậc 0, bậc nhất và bậc hai nói chung được dung để mô hình hóa các quá trình hóa học xảy ra trong hệ thống phân phối nước Sử dụng biểu thức tổng quát ở phương trình 2.18 là một sự minh họa, biểu thị sự thay đổi nồng

độ theo thời gian cho ba bậc phản ứng thông dụng nhất nay Theo biểu thức tổng quát 2.18, các phản ứng này có thể được mô hình hóa bởi việc cho phép n bằng

0, 1, hoặc 2, và việc tạo ra một sự phân tích hồi quy để xác định hệ số tốc độ phản ứng bằng thực nghiệm

b Hệ số phản ứng trên thành ống

Trong khi chảy trong ống, các chất hòa tan có thể tiếp xúc với thành ống và tương tác với vật liệu này thường là sản phẩm dễ ăn mòn Bề mặt thành ống, nơi các phản ứng xảy ra và mức độ chuyển động khối trong lòng chất lỏng với thành ống cũng ảnh hưởng tới mức độ phản ứng Diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích xác định yếu tố đầu tiên Yếu tố còn lại có thể được thể hiện bằng hệ số chuyển động khối, mà giá trị của nó phụ thuộc vào sự khuếch tán phần tử của các loại phản ứng và phụ thuộc vào hệ số Reynol

1.9.4 Các phương pháp xác định nồng độ Clo dư trong mạng lưới cấp nước

Các phương pháp xác định hàm lượng Clo trong mạng lưới phân phối nước sạch hiện nay tập trung vào 2 giải pháp: a- Phươg pháp thủ công sử dụng đĩa mầu hoặc thiết bị đo cầm tay để xác định lượng Clo dư, b- Phương pháp sử dụng thiết

bị cảm biến Sensor

a Đĩa màu + Thuốc thử b Máy đo điện tử + Thuốc thử

c Máy tự động châm Clo bổ sung d Tủ điện cài đặt Nồng độ Clo

e Các thống số lượng Clo đầu nguồn f Giám sát chất lượng nước Online

Hình 1.4: Các phương pháp xác định nồng độ Clo

1.9.5 Giới thiệu phần mềm mô phỏng thủy lực WaterGems

WaterGems là phần mềm mô phỏng thủy lực thương mại của hãng Bentley – Hoa Kỳ, so với phần mềm Epanet được phát hành miễn phí, khả năng của phần mềm WaterGems trong giới hạn của luận văn có tính năng nổi trội như sau:

o Khả năng truy xuất dữ liệu thuộc tính và liên kết chặt chẽ với các phần mềm GIS để xây dựng mô hình mạng lưới

o Khả năng phân bổ dữ liệu lưu lượng từ đồng hồ nước khách hàng sang nút gần nhất hoặc đường ống gần nhất

o Khả năng quản lý kịch bản trong cùng 1 file chạy

o Khả năng cân chỉnh và tối ưu hóa mô hình bằng giải thuật di truyền

o Khả năng phân tích chất lượng nước

Khả năng thể hiện các lớp dữ liệu trực quan sinh động

1.9.6 Khả năng mô phỏng của phần mềm

a Mô phỏng thủy lực

Khả năng mô phỏng thủy lực mạng lưới là một trong những tính năng nổi trội của phần mềm WaterGems, tính năng này được thể hiện trong phần Darwin Calibrator

Darwin Calibrator làm việc dựa vào cách thức quản lý các kịch bản con, các kịch bản con này là nơi thực hiện quá trình cân chỉnh và tối ưu tự động hoặc thủ công của mô hình, được thể hiện trong phần New Calibration Study, New Optimized Run và New Manual Run

Ứng với các phương án cân chỉnh thì chương trình đòi hỏi ta xác định các yếu tố sẽ cân chỉnh và phương pháp sử dụng Chẳng hạn đối với việc cân chỉnh

hệ số nhám thì chương trình sẽ yêu cầu các nhóm ống sẽ thực hiện cân chỉnh và giá trị hệ số nhám tối đa và tối tiểu trong tab Roughness, mục đích của việc cân chỉnh là để cực tiểu sai khác giữa giá trị đo đạc và giá trị mô hình, do đó chương trình cũng yêu cầu các giá trị đo đạc trong phần Field Data Snapshots Giá trị thu thập được có thể là lưu lượng hoặc áp lực tại 1 điểm nào đó trong mạng lưới

Hình 1.5: Giao diện sử dụng của Darwin Calibrator

Do Darwin Calibrator sử dụng thuật toán giải thuật di truyền và cực tiểu hóa sai khác nên quá trình tối ưu hóa yêu cầu khai báo một số thông số như:

o Fitness Type: có 3 phương pháp đã trình bày là Bình phương cực tiểu, Giá trị tuyệt đối cực tiểu, Cực tiểu hóa sai khác lớn nhất

o Flow Weight type: nghĩa là hàm gia trọng lưu lượng sử dụng hảm bậc mấy

o Era Generation Number: số vòng lặp tính toán

o Population size: kích cỡ của mỗi tổ hợp trong 1 vòng tính toán

o Solutions to Keep: số giải pháp giữ lại

o Random seed: có giá trị từ 0-1, giá trị khởi tạo ngẫu nhiên ban đầu

o Fitness Tolerance: độ sai lệch của các phương pháp cực tiểu cho phép

o Maximum Trials: số lần giải lặp thử tối đa trước khi dừng tính toán

b Mô phỏng phân tích chất lượng nước

WaterGEMS có một lựa chọn thay thế (alternative) về chất lượng nước gọi

là Default -Constituent đã có sẵn Bạn sẽ tạo một alternative mới để mô hình hóa Clo dư Bất cứ một hóa chất nào cũng có thể mô hình hóa tùy thuộc vào độ chính xác của dữ liệu bạn cung cấp về nồng độ và sự phân rã

Mô phỏng lượng Clo dư trong hệ thống xem xét đến sự phân hủy tại thành ống và trường hợp không xét đến yếu tố phân hủy tại thành ống

Hình 1.6: Giao diện tạo một thay thế về chất lượng nước (Chlorine)

- Trường hợp chỉ xét đến yếu tố phản ứng khối

Hình 1.7: Khai báo các thông số đối với yếu tố phản ứng khối

- Trường hợp có xét đến sự phân hủy tại thành ống

Hình 1.8: Khai báo các thông số đối với sự phân hủy tại thành ống

- Tạo định nghĩa cho thành phần hóa học

Hình 1.9: Khai báo định nghĩa cho thành phần hóa học (Chlorine)

- Khai báo nồng độ Clo ban đầu

Hình 1.10: Thiết lập giá trị nồng độ hóa học (Chlorine) trong bể chứa

- Thiết lập một lựa chọn tính toán phân tích chất lượng nước trong khoảng thời giian dài

-

 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Định nghĩa chính thức về hiệu chỉnh bởi văn phòng quốc tế về cân đo (International Bureau of Weight and Measures) như sau:

“Hoạt động mà được thực hiện trong một số điều kiện nhất định, ở bước đầu tiên người ta thiết lập mối quan hệ giữa giá trị với đơn vị đo chưa chắc chắn được rút ra từ bộ tiêu chuẩn đo lường và những chỉ số liên quan với đơn vị đo (của công cụ hiệu chỉnh), và ở bước tiếp theo, tiếp tục sử dụng những thông tin này thiết lập mối quan hệ để thu được kết quả đo lường từ một bộ chỉ số khác.” Nói cách khác, hiệu chỉnh nghĩa là thay đổi số liệu gốc bằng số liệu khác để điều chỉnh các số liệu tính toán trên lý thuyết và số liệu thực tế là gần tương đương nhau

Trong khi đó, kiểm định mô hình nghĩa là kiểm tra lại tính chính xác của

mô hình so với thực tế đang xảy ra Có thể hình dung quy trình xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình theo trình tự sau:

1.10 Hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước (GIS)

1.10.1 Giới thiệu hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước

Hệ thống thông tin mạng lưới cấp nước là hệ thống các lớp đường ống, van, thủy lượng kế, thửa đất, trụ cứu hỏa được chồng lớp lên nhau theo không gian, đồng thời mỗi lớp đối tượng đều mang theo một số thuộc tính dữ liệu như đường kính, vật liệu, hệ số nhám … các thuộc tính này dữ liệu đầu vào cho công tác mô phỏng thủy lực mạng lưới cấp nước

Hình 1.13 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) khu vực nghiên cứu

5 Cao độ + Cao độ địa chính

1.11 Nồng độ Clo dư thay đổi trong trong mạng lưới cấp nước

- Nhiệt độ của nước

- Các phản ứng hình thành và phân hủy xảy ra trong quá trình nước vận chuyển trong ống Các phản ứng khối chất lỏng (phản ứng trong dòng chảy), phản ứng trên bề mặt (điển hình là thành ống)

1.11.2 Phản ứng khối và phản ứng thành

Các chất khử trùng là các thành phần đước mô hình hóa nhiều nhất trong hệ thống phân phối nước Trong lúc rời khỏi trạm xử lý và đi vào hệ thống phân phối nước, các chất khử trùng chịu một tập hợp các phản ứng hóa học tiềm năng được mô tả là yếu Hình 3 minh họa dòng chảy qua một ống nước và các loại phản ứng hóa học với chất khử trùng có thể xảy ra dọc theo chiều dài ống

Hình 1.14: Phản ứng khử trùng xảy ra trong một phân phối nước điển hình Nhiều mô hình phân hủy chất khử trùng được triển khai để tính toán cho các phản ứng này Mô hình phân hủy bậc nhất được trình bày ở trên là đủ chính xác cho các ứng dụng mô hình hóa hệ thống phân phối nước và được chứng minh rõ ràng Rossman, Clarck và Grayman (1994) đề xuất một khuôn toán học cho việc tổng hợp các phản ứng phức tạp xảy ra trong các ống của hệ thống phân phối nước Khung toán học này kể đến sự chuyển đổi vật lý của chất khử trùng từ lòng chất lỏng sang thành ống (hiệu ứng chuyển khối lượng) và các phản ứng hóa học đang xảy ra ở đấy

( )C KC

   (2.19) Trong đó:

K: hệ số tốc độ phản ứng chung

Phương trình 5 là phản ứng bậc nhất đơn giản (n=1) Hệ số tốc độ phản ứng K bây giờ là một hàm của hệ số phản ứng khối và hệ số phản ứng thành như biểu thị trong công thức sau:

 ww 

f b

không thứ nguyên, cùng với hệ số khuếch tán phần tử (của phần tử trong nước)

và đường kính ống

H f

S d k

D

 (2.21) Trong đó:

0,333 0,83

0, 023Re

H

v S

d

 

  (2.22) Trong đó:

Re: số Reynolds

v: hệ số nhớt động học của chất lỏng (m2/s)

Đối với dòng chảy tầng (1 < Re < 2.300), có thể dùng số SH trung bình theo chiều dài ống Để có dòng chảy tầng trong một ống 150 mm, lưu lượng dòng

chảy cần nhỏ hơn 0,3 l/s với vận tốc 0,017 m/s Với những dòng chảy như vậy

tổn thất cột nước có thể coi là không đáng kể Khi đó:

d Quan hệ giữa phản ứng thành và độ nhám ống:

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

Quá trình tăng độ nhám của ống theo thời gian cũng có xu hướng làm tăng độ phản ứng của nó với một số lạo chất, đặc biệt là Clo và các chất khử trùng khác

Có thể làm cho kw của mỗi ống là một hàm của hệ số biểu thị độ nhám của ống

Bảng Quan hệ giữa hệ số phản ứng thành và độ nhám của ống

Hệ số F phải được xác định từ các phép đo hiện trường của vùng đặc trưng và sẽ

có ý nghĩa khác nhau tùy thuộc vào công thức tính tổn thất cột nước được sử dụng Ưu điểm của việc sử dụng phương pháp này là chỉ cần một thông số đơn giản F mà vẫn cho phép các hệ số phản ứng thành thay đổi trên toàn mạng lưới theo một cách có ý nghĩa vật lý