Hướng dẫn thí nghiệm thủy lực cơ sở

Giới thiệu phần mềm SWMM : Mô hình toán SWMM Storm Water Management Model là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá t

THÍ NGHIỆM THỦY LỰC CƠ SỞ

I LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWMM.

1 Giới thiệu phần mềm SWMM :

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó

Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mô phỏng liên tục

Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agency )

Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trường DOS Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0 chạy trên môi trường WINDOW Phiên bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia của EPA

2 Khả năng của phần mềm SWMM :

Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung

Mọi vấn đề về thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa 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 đầu vào khác cùng với hệ thống mô tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đoán các trị số chất lượng và khối lượng dòng chảy

Hình 1: Các khối xử lý chính trong mô hình SWMM

Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:

 Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựa trên

biểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất và địa hình

 Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ

thống nước thải

 Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy

phức tạp trong cống, kênh…

 Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích

nước như ao hồ…và các công trình xử lý nước thải, đồng thời mô tả ảnh hưởng của

 các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện

 Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận.

Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm :

 Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước để giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải 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 dọc 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 chứa phòng lũ

SWMM xem xét mọi quá trình thủy văn tạo dòng chảy trên lưu vực đô thị như :

 Quá trình mưa

 Bốc hơi bề mặt nước

 Tuyết tan

 Tổn thất tích tụ trên tán lá cây và tổn thất điền trũng

 Tổn thất thấm

 Thẩm thấu của nước vào các tầng nước ngầm

 Dòng chảy sát mặt

 Dòng chảy tràn trên bề mặt

Sự biến đổi về mặt không gian trong mọi quá trình được khắc phục bởi việc chia nhỏ khu vực nghiên cứu thành nhiều lưu vực con đồng nhất

SWMM cũng có tất cả những tính năng mền dẻo của một mô hình thủy lực

dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, các công trình phân nước của hệ thống tiêu thoát nước như :

 Tính toán được các hệ thống lớn phức tạp

 Sử dụng nhiều loại cống có hình dạng và kích thước khác nhau và các kênh hở

 Mô hình hóa được các bộ phận phức tạp trong hệ thống như: hồ chứa, các trạm xử lý nước, trạm bơm tiêu …

 Có thể xét đến nhập lưu hay dòng chảy từ bên ngoài vào cống như dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt và nhiều dạng khác của dòng chảy

 Có thể sử dụng phương pháp diễn toán dòng chảy sóng động học hay sóng động lực học

 Mô phỏng được nhiều loại chế độ dòng chảy như nước vật, chảy ngược, nước nhảy do cống đóng mở đột ngột …

SWMM cũng có thể ước tính chất ô nhiễm liên quan đến dòng chảy trên lưu vực đô thị :

 Chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ các khu vực khác nhau

 Ô nhiễm do dòng chảy cuốn đi khi mưa

 Nguồn ô nhiễm khác chảy từ bên ngoài vào hệ thống tiêu thoát nước

 Diễn toán chất lượng nước trong hệ thống kênh

 Ước tính sự giảm chất ô nhiễm từ các bể lắng đọng hoặc trạm xử lý nước

3 Các thuật toán trong SWMM :

Cơ sở toán học của SWMM :

Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là :

 Modun Runoff trong SWMM là modun tính dòng chảy từ mưa, các chất ô nhiễm trên các lưu vực

 Modun Transport trong SWMM diễn toán dòng chảy trên / trong hệ thống các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thoát nước đô thị

SWMM cho phép tính toán dòng chảy cả về chất và lượng trong từng lưu vực con, tốc độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước trong từng đoạn ống cống, kênh dẫn trong quá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian

II ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM TÍNH TOÁN CHO CÁC ĐƯỜNG ỐNG

Bước 1: Tạo một Project mới.

- Chọn đơn vị trong mô hình là LPS (l/s)

Hình 1: Chọn đơn vị cho lưu lượng

- Khai báo các thông số cửa vào, cửa ra, và đường ống (ống thép, ống nhựa, ống đồng,…)

- Trong bài thí nghiệm này chỉ sử dụng các công cụ đơn giản như nút lấy nước và đường ống Sử dụng các công cụ trên thanh công cụ để tạo các nút, đường ống

Hình 2: Thanh công cụ ( Từ trái  phải: tạo mưa, lưu vực thoát nước, nút thoát nước, cửa xả, nút

chia nước, hồ điều tiết, bơm,….)

Chọn đơn vị cho lưu lượng

Hình 3: Các nút và đường cống sau khi khai báo

Bước 2: Khai báo các thông số cho nút lấy nước, ống và cửa xả.

Nhập thông số cho nút:

Hình 4 : Nhập thông số cho nút 1

Ta click vào ô khoanh vùng đỏ (Lưu lượng vào của nút) để khai báo lưu lượng đầu vào vủa nút

Ống nhựa đột mở

Ống nhựa đột thu

Ống thép Ống nhựa Ống đồng

Hình 5 : Nhập lưu lượng đầu vào cho nút Các nút và các cửa xả nhập tương tự như nút 1 (có thể điều chỉnh thông số theo đề ra) Nhập thông số cho ống:

Hình 6 : Các thông số trong ống Chọn hình dạng mặt cắt ngang ống bằng cách ta click ở vùng khoanh đỏ

Hình 7 : Nhập thông số mặt cắt ngang ống

Nhập thông số tương tự cho các ống khác ( thay đổi hệ số nhám trong ống, thay đổi đường kính ống để có các dạng thu hẹp đột ngột và mở rộng đột ngột )

Bước 3: Mô phỏng bài toán.

Hình 8: Giao diện mô phỏng hệ thống thoát nước

Hình 9 : Chọn điều kiện chảy, phương trình thấm trong mô hình.

Hình 10 : Nhập thời gian bắt đầu và kết thúc mô phỏng.

Hình 11 : Chọn bước thời gian mô phỏng

- Chạy mô hình

Hình 12: Run Simulation

Bước 4: Các kết quả: Vào “Report  Summary” để xem kết quả Trường hợp 1: Q 1 = 0.27 lít/s = 16.2 lít/phút.

Hình 13: Chiều cao mực nước trong ống đồng

Hình 14: Chiều cao mực nước trong ống nhựa

Hình 15: Chiều cao mực nước trong ống thép

Hình 16: Chiều cao mực nước trong ống nhựa đột thu

Hình 17: Chiều cao mực nước trong ống nhựa đột mở

Hình 18 : Chiều sâu ngập tại các nút ( nút vào và cửa ra)

Hình 19: Lưu lượng tại các nút

Hình 20: Thống kê kết quả các giá trị trong ống Kết quả sau khi xuất :

Ống đồng: Vận tốc V=2.88 (m/s)

Tổn thất cục bộ: hc = Σℰ = 1*= 0.423 (m) Tổn thất dọc đường : hl = λ ( Tra λ , thay V tính được hl)

- Các trường hợp khác tương tự

Trường hợp 2: Q 2 = Q 1 /2 = 0.135 (l/s) = 8.1 (l/p).

Hình 21: Chiều sâu ngập các nút và cửa xả

Hình 22: Lưu lượng tại các nút.

Hình 23: Thống kê các giá trị trong cống Tính tổn thất dọc đường và cục bộ như trường hợp 1

Trường hợp 3: Q 3 = Q 1 /3 = 0.09 (l/s) = 5.4 (l/p).

Hình 24: Chiều sâu ngập các nút và cửa xả.

Hình 25: Lưu lượng tại các nút

Hình 26: Thống kê các giá trị trong cống Tính tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ như trường hợp 1