Hướng dẫn thí nghiệm thủy lực cơ sở

Tài liệu này với mục tiêu hướng dẫn các bước chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm thủy lực cơ sở cụ thể đó là lý thuyết mô hình SWMM; ứng dụng phần mềm SWMM tính toán cho các đường ống.

THÍ NGHI M TH Y L C C  SỆ Ủ Ự Ơ Ở

I.  LÝ THUY T MÔ HÌNH SWMM.Ế

1. Gi i thi u ph n m m SWMM :ớ ệ ầ ề

Mô   hình   toán   SWMM   (Storm   Water   Management   Model   )   là   mô   hình   đ ng   l cộ ự

h c mô ph ng m a – dòng ch y cho các khu v c  đô th  c  v  ch t và lọ ỏ ư ả ự ị ả ề ấ ượng, và tính toán quá trình ch y tràn t  m i l u v c b  ph n đ n c a nh n nả ừ ỗ ư ự ộ ậ ế ử ậ ướ ủc c a nó

Mô hình v a có th  mô ph ng cho t ng s  ki n ( t ng tr n m a đ n l  ), v a cóừ ể ỏ ừ ự ệ ừ ậ ư ơ ẻ ừ

th  mô ph ng liên t c.ể ỏ ụ

Mô   hình   này   do   Metcalf   và   Eddy   xây   d ng   năm   1971,   là   s n   ph m   c a   1   h pự ả ẩ ủ ợ

đ ng kinh t  gi a trồ ế ữ ường ĐH Florida và t  ch c b o v  môi trổ ứ ả ệ ường Hoa k  EPA (Theỳ U.S.Environment Protection Agency )

Khi   m i   ra   đ i   mô   hình   ch y   trên   môi   trớ ờ ạ ường   DOS   Mô   hình   liên   t c   đụ ược   c pậ

nh p   và   phiên   b n   m i   nh t   là   SWMM   5.0   ch y   trên   môi   trậ ả ớ ấ ạ ường   WINDOW   Phiên

b n m i này đả ớ ược vi t l i b i m t b  ph n trong phòng thí nghi m nghiên c u Qu n lýế ạ ở ộ ộ ậ ệ ứ ả

r i ro Qu c gia c a EPA.ủ ố ủ     

2 . Kh  năng c a ph n m m SWMM :ả ủ ầ ề    

Mô   hình   SWMM   là   m t   mô   hình   toán   h c   toàn   di n,   dùng   đ   mô   ph ng   kh iộ ọ ệ ể ỏ ố

lượng và tính ch t dòng ch y đô th  do m a và h  th ng c ng thoát nấ ả ị ư ệ ố ố ước th i chung.ả

M i v n đ  v  thu  văn đô th  và chu k  ch t lọ ấ ề ề ỷ ị ỳ ấ ượng đ u đề ược mô ph ng, bao g mỏ ồ dòng   ch y   m t   và   dòng   ch y   ng m,   v n   chuy n   qua   m ng   lả ặ ả ầ ậ ể ạ ưới   h   th ng   tiêu   thoátệ ố

nước, h  ch a và khu x  lý.ồ ứ ử

Mô   hình   SWMM   mô   ph ng   các   d ng   m a   th c   t   trên   c   s   lỏ ạ ư ự ế ơ ở ượng   m a   (bi uư ể

đ  quá trình m a hàng năm) và các s  li u khí tồ ư ố ệ ượng đ u vào khác cùng v i h  th ngầ ớ ệ ố  mô tả  (l u   v c,   v n   chuy n,   h   ch a   /   x   lý)   đ   d   đoán   các   tr   s   ch t   lư ự ậ ể ồ ứ ử ể ự ị ố ấ ượng   và   kh iố

lượng dòng ch y.ả

Hình 1: Các kh i x  lý chính trong mô hình SWMM ố ử Trong s  đ  trên bao g m các kh i sau:ơ ồ ồ ố

 Kh i  ố “dòng   ch y”   (Runoff   block)   ả tính   toán   dòng   ch y   m t   và   ng m   d a   trênả ặ ầ ự

bi u đ  quá trình m a (và/ho c tuy t tan) hàng năm, đi u ki n ban đ u v  s  d ngể ồ ư ặ ế ề ệ ầ ề ử ụ  

đ tấ  và đ a hình.ị

 Kh i  ố “truy n   t i”   (Transport   block) ề ả   tính   toán   truy n   t i   v t   ch t   trong   hề ả ậ ấ ệ

th ng nố ước th i.ả

 Kh i  ố “ch y   trong   h   th ng”   (Extran   block)   ả ệ ố di n   toán   th y   l c   dòng   ch yễ ủ ự ả

ph c t p trong c ng, kênh…ứ ạ ố  

 Kh i  ố “Tr /x   lý“   (Strorage/Treatment   block)   ữ ử bi u   th   các   công   trình   tíchể ị

nước nh  ao h …và các công trình x  lý nư ồ ử ước th i, đ ng th i mô t   nh hả ồ ờ ả ả ưởng c aủ  

 các thi t b  đi u khi n d a trên l u lế ị ề ể ự ư ượng và ch t lấ ượng ­ các ước toán chi phí c  b nơ ả   cũng được th c hi n.ự ệ

 Kh i ố “nh n n ậ ướ c” (Receiving block) Môi trường ti p nh n.ế ậ

M c   đích   ng   d ng   mô   hình   toán   SWMM   cho   h   th ng   thoát   nụ ứ ụ ệ ố ước   được   tri nể khai nh m :ằ

 Xác   đ nh   các   khu   v c   c n   xây   m i   ho c   m   r ng   c ng   thoát   nị ự ầ ớ ặ ở ộ ố ước   để

gi m tình tr ng ng p l t đả ạ ậ ụ ường ph  ho c cung c p d ch v  thoát nố ặ ấ ị ụ ước th i cho nh ngả ữ khu v c m i phát tri n.ự ớ ể

 Ước   tính   l u   lư ượng   nước   lũ   trong   kênh   và   các   chi   l u   đ   xác   đ nh   vư ể ị ị trí c a kênh c n c i thi n nh m gi m thi u tình tr ng tràn b ủ ầ ả ệ ằ ả ể ạ ờ

 Cung   c p   công   c   quy   ho ch   đ   đánh   giá   vi c   th c   hi n   các   c ng   ch nấ ụ ạ ể ệ ự ệ ố ắ dòng d c kênhọ

Nh ng  ng d ng đi n hình c a SWMM :ữ ứ ụ ể ủ

 Quy ho ch h  th ng thoát nạ ệ ố ước m a.ư

 Quy ho ch ngăn tràn c ng chung.ạ ố

 Quy ho ch h  th ng thoát nạ ệ ố ước lũ   kênh h ở ở

 Quy ho ch c ng ngăn lũ.ạ ố

 Quy ho ch h  ch a phòng lũ.ạ ồ ứ

SWMM xem xét m i quá trình th y văn t o dòng ch y trên l u v c đô th  nh  :ọ ủ ạ ả ư ự ị ư

 Quá trình m a.ư

 B c h i b  m t nố ơ ề ặ ước

 Tuy t tan.ế

 T n th t tích t  trên tán lá cây và t n th t đi n trũng.ổ ấ ụ ổ ấ ề

 T n th t th m.ổ ấ ấ

 Th m th u c a nẩ ấ ủ ước vào các t ng nầ ước ng m.ầ

 Dòng ch y sát m t.ả ặ

 Dòng ch y tràn trên b  m t.ả ề ặ

       S   bi n   đ i   v   m t   không   gian   trong   m i   quá   trình   đự ế ổ ề ặ ọ ược   kh c   ph c   b i   vi cắ ụ ở ệ chia   nh   khu   v c   nghiên   c u   thành   nhi u   l u   v c   con   đ ng   nh t.ỏ ự ứ ề ư ự ồ ấ

       SWMM  cũng   có   t t   c   nh ng   tính   năng   m n   d o   c a   m t   mô   hình   th y   l cấ ả ữ ề ẻ ủ ộ ủ ự dùng   đ   di n   toán   dòng   ch y,   nh p   l u   trong   c ng,   kênh,   h ,   tr m   x   lý   nể ễ ả ậ ư ố ồ ạ ử ước,   các công trình phân nướ ủc c a h  th ng tiêu thoát nệ ố ước nh  :ư

 Tính toán được các h  th ng l n ph c t p.ệ ố ớ ứ ạ

 S   d ng   nhi u   lo i   c ng   có   hình   d ng   và   kích   thử ụ ề ạ ố ạ ước   khác   nhau   và   các kênh h ở

 Mô   hình   hóa   được   các   b   ph n   ph c   t p   trong   h   th ng   nh :   h   ch a,ộ ậ ứ ạ ệ ố ư ồ ứ các tr m x  lý nạ ử ước, tr m b m tiêu …ạ ơ

 Có   th   xét   đ n   nh p   l u   hay   dòng   ch y   t   bên   ngoài   vào   c ng   nhể ế ậ ư ả ừ ố ư dòng ch y m t, sát m t, ng m, nả ặ ặ ầ ước th i sinh ho t và nhi u d ng khác c a dòngả ạ ề ạ ủ  

ch y.ả

 Có   th   s   d ng   phể ử ụ ương   pháp   di n   toán   dòng   ch y   sóng   đ ng   h c   hayễ ả ộ ọ sóng đ ng l c h c.ộ ự ọ

 Mô   ph ng   đỏ ược   nhi u   lo i   ch   đ   dòng   ch y   nh   nề ạ ế ộ ả ư ước   v t,   ch yậ ả

ngược, nước nh y do c ng đóng m  đ t ng t …ả ố ở ộ ộ

SWMM   cũng   có   th  ể ước   tính   ch t   ô   nhi m   liên   quan   đ n   dòng   ch y   trên   l uấ ễ ế ả ư

v c đô th  :ự ị

 Ch t ô nhi m t  nấ ễ ừ ước th i sinh ho t, t  các khu v c khác nhau.ả ạ ừ ự

 Ô nhi m do dòng ch y cu n đi khi m a.ễ ả ố ư

 Ngu n ô nhi m khác ch y t  bên ngoài vào h  th ng tiêu thoát nồ ễ ả ừ ệ ố ước

 Di n toán ch t lễ ấ ượng nước trong h  th ng kênh.ệ ố

 Ước   tính   s   gi m   ch t   ô   nhi m   t   các   b   l ng   đ ng   ho c   tr m   x   lýự ả ấ ễ ừ ể ắ ọ ặ ạ ử

nước

3 . Các thu t toán trong SWMM :ậ

C  s  toán h c c a SWMM :ơ ở ọ ủ

Ph n m n SWMM này g m 2 modun chính đó là :ầ ề ồ

 Modun   Runoff   trong   SWMM   là   modun   tính   dòng   ch y   t   m a,   các   ch t   ôả ừ ư ấ nhi m trên các l u v c.ễ ư ự

 Modun   Transport   trong   SWMM   di n   toán   dòng   ch y   trên   /   trong   h   th ngễ ả ệ ố các đường  ng, kênh d n, các h  đi u hòa, tr m b m, tr m x  lý c a h  th ng tiêuố ẫ ồ ề ạ ơ ạ ử ủ ệ ố thoát nước đô th  .ị

SWMM cho phép tính toán dòng ch y c  v  ch t và lả ả ề ấ ượng trong t ng l u v c con, t cừ ư ự ố  

đ  ch y, chi u sâu ch y, ch t lộ ả ề ả ấ ượng nước trong t ng đo n  ng c ng, kênh d n trong quáừ ạ ố ố ẫ   trình mô ph ng bao g m nhi u bỏ ồ ề ước th i gian.ờ

II.  NG D NG PH N M M SWMM TÍNH TOÁN CHO CÁC ĐỨ Ụ Ầ Ề ƯỜNG  NGỐ

Bước 1: T o m t Project m i.ạ ộ ớ

­ Ch n đ n v  trong mô hình là LPS (l/s)ọ ơ ị

Hình 1: Ch n đ n v  cho l u lọ ơ ị ư ượng

­ Khai báo các thông s  c a vào, c a ra, và đố ử ử ường  ng ( ng thép,  ng nh a,  ng đ ng,ố ố ố ự ố ồ

…)

­ Trong bài thí nghi m này ch  s  d ng các công c  đ n gi n nh  nút l y nệ ỉ ử ụ ụ ơ ả ư ấ ước và 

đường  ng. S  d ng các công c  trên thanh công c  đ  t o các nút, đố ử ụ ụ ụ ể ạ ường  ng.ố

Hình 2: Thanh công c  ( T  trái ụ ừ  ph i: t o m a, l u v c thoát nả ạ ư ư ự ước, nút thoát nước, c a x ,ử ả  

nút chia nước, h  đi u ti t, b m,….)ồ ề ế ơ

Hình 3: Các nút và đường c ng sau khi khai báoố

Bước 2: Khai báo các thông s  cho nút l y nố ấ ướ ốc,  ng và c a x ử ả

Nh p thông s  cho nút: ậ ố

Hình 4 : Nh p thông s  cho nút 1ậ ố

Ta click vào ô khoanh vùng đ  (L u lỏ ư ượng vào c a nút) đ  khai báo l u lủ ể ư ượng đ u vào v a ầ ủ nút

Hình 5 : Nh p l u lậ ư ượng đ u vào cho nútầ Các nút và các c a x  nh p tử ả ậ ương t  nh  nút 1 (có th  đi u ch nh thông s  theo đ  ra)ự ư ể ề ỉ ố ề

Nh p thông s  cho  ng:ậ ố ố

Hình 6 : Các thông s  trong  ngố ố

Ch n hình d ng m t c t ngang  ng b ng cách ta click   vùng khoanh đ ọ ạ ặ ắ ố ằ ở ỏ

Hình 7 : Nh p thông s  m t c t ngang  ngậ ố ặ ắ ố

Nh p thông s  tậ ố ương t  cho các  ng khác ( thay đ i h  s  nhám trong  ng, thay đ i đự ố ổ ệ ố ố ổ ường  kính  ng đ  có các d ng thu h p đ t ng t và m  r ng đ t ng t )ố ể ạ ẹ ộ ộ ở ộ ộ ộ

Bước 3: Mô ph ng bài toán.ỏ

Hình 8: Giao di n mô ph ng h  th ng thoát nệ ỏ ệ ố ước

Hình 9 : Ch n đi u ki n ch y, phọ ề ệ ả ương trình th m trong mô hình.ấ

Hình 10 : Nh p th i gian b t đ u và k t thúc mô ph ng.ậ ờ ắ ầ ế ỏ

Hình 11 : Ch n bọ ước th i gian mô ph ngờ ỏ

­ Ch y mô hìnhạ  

Hình 12: Run Simulation

Bước 4: Các k t qu : ế ả Vào “Report  Summary” đ  xem k t qu ể ế ả

Trường h p 1: Qợ 1= 0.27 lít/s = 16.2 lít/phút

Hình 13: Chi u cao m c nề ự ước trong  ng đ ngố ồ

Hình 14: Chi u cao m c nề ự ước trong  ng nh aố ự

Hình 15: Chi u cao m c nề ự ước trong  ng thépố

Hình 16: Chi u cao m c nề ự ước trong  ng nh a đ t thuố ự ộ

Hình 17: Chi u cao m c nề ự ước trong  ng nh a đ t mố ự ộ ở

Hình 18 : Chi u sâu ng p t i các nút ( nút vào và c a ra)ề ậ ạ ử

Hình 19: L u lư ượng t i các nútạ

Hình 20: Th ng kê k t qu  các giá tr  trong  ngố ế ả ị ố

K t qu  sau khi xu t :ế ả ấ

ng đ ng: V n t c V=2.88 (m/s) 

T n th t c c b : hổ ấ ụ ộ c = Σℰ = 1*= 0.423 (m)

T n th t d c đổ ấ ọ ường : hl = λ   ( Tra   , thay V tính đλ ược hl)

­ Các trường h p khác tợ ương tự

Trường h p 2: Qợ 2= Q1/2 = 0.135 (l/s) = 8.1 (l/p)

Hình 21: Chi u sâu ng p các nút và c a x ề ậ ử ả

Hình 22: L u lư ượng t i các nút.ạ

Hình 23: Th ng kê các giá tr  trong c ng.ố ị ố Tính t n th t d c đổ ấ ọ ường và c c b  nh  trụ ộ ư ường h p 1ợ

Trường h p 3: Qợ 3= Q1/3 = 0.09 (l/s) = 5.4 (l/p)

Hình 24: Chi u sâu ng p các nút và c a x ề ậ ử ả

Hình 25: L u lư ượng t i các nút.ạ

Hình 26: Th ng kê các giá tr  trong c ng.ố ị ố Tính t n th t d c đổ ấ ọ ường và t n th t c c b  nh  trổ ấ ụ ộ ư ường h p 1.ợ