Hướng dẫn thiết kế mạng lưới cấp nước đô thị bằng EPANET

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 giả định của hệ thống trong giai đoạn thiết kế và vận hành và cun

I H C BÁCH KHOA THÀNH PH H CHÍ MINH

KHOA K THU T XÂY D NG

THI T K HỆ THỐNG C P NƯỚC V I

Tài li u tham kh o cho Sinh Viên và K S chuyên ngành C p Thốt N c

H Long Phi

2005

Mục lục

GIỚI THIỆU 5

1.1 Khả năng của EPANET 5

1.2 Hỗ trợ 6

1.3 Cài đặt chương trình 6

1.4 Mục đích và nội dung của tài liệu 6

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐƠN GIẢN 9

2.1 Nguyên tắc mô phỏng hệ thống cấp nước 9

2.2 Khai báo số liệu chung 9

2.3 Khai báo đặc tính của các đối tượng 13

Đối tượng PIPE: 13

Đối tượng NODE: 13

Đối tượng PUMP: 14

Đối tượng RESERVOIR: 14

Khai báo Demand Pattern 15

Khai báo đặc tính bơm (PUMP CURVE): 15

Khai báo đường cong hiệu suất bơm (EFFIC CURVE): 16

2.4 Báo lỗi và cách khắc phục: 17

2.5 Phân tích kết quả mô phỏng: 19

Câu hỏi: 21

HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG ỐNG VÀ BƠM 24

3.1 Hiệu chỉnh đường kính ống 24

3.2 hiệu chỉnh thông số kỹ thuật của máy bơm 25

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐÀI NƯỚC VÀ BỂ CHỨA 30

4.1 thông số kỹ thuật của đài nước 30

4.2 Xác định thông số kỹ thuật của bể chứa 36

BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC 39

MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC 44

6.1 Các lệnh điều khiển đơn giản (simple controls ) 44

6.2 Các lệnh điều khiển logic (rule-based controls) 45

CÁC TRƯỜNG HỢP MÔ PHỎNG ĐẶC BIỆT 50

7.1 Thiết kế hệ thống tưới tự động 50

Các đặc điểm hoạt động và thiết kế của hệ thống tưới tự động 50

Chuẩn bị tài liệu 50

Ví dụ 51

7.2 Thiết kế hệ thống vòi phun nuớc trang trí 53

Ví dụ 53

7.3 Mô phỏng nguồn cấp nước 55

Mô phỏng nguồn nước là đường ống chính có áp lực biết trước 55

Mô phỏng nguồn nước là hồ chứa hay sông 56

Mô phỏng nguồn nước là trạm xử lý 57

CÁC TÍNH NĂNG NÂNG CAO CỦA EPANET 58

8.1 Tích hợp với bản đồ nền và tính chất Auto Length 58

Find 59

KHAI THÁC KẾT QUẢ VÀ XUẤT BÁO CÁO 62

9.1 Kết quả dạng biểu đồ 62

Time series (chuỗi thời gian) 62

Profile plot (biểu đồ trắc dọc) 63

Contour Plot (Bản đồ đẳng trị) 65

Frequency Plot (Biểu đồ tần suất xuất hiện) 68

System flow (lưu lượng hệ thống) 69

9.2 Kết quả dạng bảng 71

9.3 Xuất kết quả ra ngoài EPANET 72

Xuất kết quả dạng bảng 72

9.4 Xuất sơ đồ hệ thống (MAP) 73

9.5 Xuất phương án mô phỏng (scenario) 74

9.6 Xuất thông số của mạng lưới 74

PHỤ LỤC 78

Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư theo loại nhà (TCXD -33-85) 78

Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt tạm tính 78

Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư theo tích chất đô thị (72/2001/NĐ-CP) 78

Tiêu chuẩn tưới đường và công viên 79

Tiêu chuẩn cấp nước chữa cháy cho khu dân cư 79

Tiêu chuẩn cấp nước chữa cháy cho khu công nghiệp 80

Bậc tin cậy của trạm bơm (TCXD -33 -1985) 80

Số lượng tổ máy bơm dự phòng xác định theo bậc tin cậy (TCXD 33:1985) 80

Các quy định về ống dẫn, mạng lưới đường ống và các công trình trong mạng (TCXD 33:1985) 81

Trường hợp tính toán hệ thống cấp nước (TCXD 33:1985) 82

Những quy định về đài nước và bể chứa 82

Những quy định về áp lực trong hệ thống cấp nước (TCXD 33:1985) 83

Số liệu tham khảo về hệ số không điều hoà giờ 83

Hệ số không điều hoà giờ của nhu cầu nước sinh hoạt (DEMAND PATTERN) 84

Hệ số không điều hoà giờ của nhu cầu nước khác (DEMAND PATTERN) 85

Quy cách sản xuất ống nhựa PVC cứng 85

Lời nói đầu

Trong thời gian gần đây, EPANET v.2 đã được sử dụng khá rộng rãi trong thực tiễn sản xuất và đã được đưa vào giảng dạy chính thức cho sinh viên ngành Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước của trường đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Việc sử dụng EPANET thường được ngộ nhận là đơn giản do quá trình khai báo và khai thác kết quả khá dễ dàng thông qua các giao diện thân thiện Tuy nhiên không giống như những phần mềm thông dụng khác, việc khai thác một phần mềm thủy lực như EPANET hoàn toàn không đơn giản Nó đòi hỏi một sự am hiểu nhất định về cách thức mô hình hóa một hệ thống thực thành số liệu nhập cũng như đánh giá tính hợp lý của thiết kế về kỹ thuật lẫn như kinh tế Có thể nói rằng với cùng một đề bài cho trước (ví dụ như một hệ thống cấp nước cần thiết kế) những lời giải thu được vế cấu hình và chế độ hoạt động của hệ thống sẽ có thể không hoàn toàn giống nhau Nói cách khác đây là một bài toán đa nghiệm mà kết quả phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm cũng như những kiến thức căn bản về thủy lực của người sử dụng Khó khăn chung của những người sử dụng EPANET là không thể đánh giá được một cách đầy đủ tính hợp lý của một hệ thống cấp nước cũng như các thiết bị và công trình phụ trợ trên mạng lưới được thiết kế bằng EPANET

Tài liệu tham khảo này được biên soạn dựa trên kinh nghiệm nhiều năm của tác giả trong giảng dạy và ứng dụng trong thực tế sản xuất Bản thảo lần 1 đã được đưa ra vào tháng 4/2004 dưới dạng tài liệu tham khảo nội bộ Sau đó tài liệu đã được biên soạn lại và bổ sung thêm một số nội dung mới cho lần xuất bản đầu tiên này

Chúng tôi mong muốn nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc để có thể khắc phục những thiếu sót và tiếp tục hoàn chỉnh tài liệu này trong tương lai

Hồ Long Phi

GIỚI THIỆU

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 giả định của hệ thống trong giai đoạn thiết kế và vận hành và cung cấp những diễn biến theo thời gian về lưu lượng và lưu tốc trong đường ống, áp suất tại các vị trí trong mạng, chế độ mực nước trong đài và bể và nồng độ và thời gian lưu lại của các loại hóa chất trong hệ thống cấp nước EPANET đã được chứng tỏ là một trong những công cụ hữu hiệu để thiết kế các hệ thống cấp nước bao gồm cả việc xác định các thông số kỹ thuật của các thiết bị và công trình trên mạng Khả năng mô phỏng khá mạnh của EPANET cho phép người sử dụng có thể xét đến hầu hết những tình huống thực tế phức tạp ttong tính toán cấp nước

Là một chương trình chạy trong môi trường Windows, EPANET cung cấp những giao diện dễ sử dụng cho việc chuẩn bị số liệu, tính toán thủy lực và mô phỏng chất lượng nước cũng như kết xuất kết quả dưới dạng bảng, đồ thị, bản đồ và những dữ liệu thống kê EPANET đã được phát triển bởi Water Supply and Water Resources Division thuộc U.S Environmental Protection Agency's National Risk Management Research Laboratory EPANET là một chương trình Freeware, được cung cấp dưới dạng 1 file ZIP Chương trình này có thể được download miễn phí từ website của EPA:

http://www.epa.gov/ORD/NRMRL/wswrd/epanet.html

1.1 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 Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, 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 cao)

• Xét đến đồng thời nhiều chế độ dùng nước khác nhau tại ccác khu vực trong hệ thống)

• Mô phỏng các loại vòi phun có lưu lượng phụ thuộc áp lực (vòi phun trang trí ở công viên hay vòi phun trong các hệ thống tưới tự động)

• 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

1.2 Hỗ trợ

Những người sử dụng EPANET có thể nhận được sự tư vấn hay trao đổi kinh nghiệm thông qua một diễn đàn quốc tế (Forum) được tổ chức và điều hành bởi Đại Học Guelph Để tham dự, chỉ cần gửi một Email đến địa chỉ: listserv@listserv.uoguelph.ca với địa chỉ email

của mình và dòng chữ subscribe epanet-users trong nội dung thư Khi tham gia diễn đàn

này, thành viên có thể trao đổi kinh nghiệm cũng như đưa ra những câu hỏi có liên quan đến lý thuyết và ứng dụng thực tế… để được giải đáp bởi ban điều hành hoặc những thành viên khác

Tài liệu tham khảo chính thức dạng pdf (tiếng Anh) có thể được download từ địa chỉ của EPA nêu trên Ngoài ra người đọc cũng có thể liên hệ tại địa chỉ sau đây để có được chương trình và bản dịch bằng tiếng Việt:

Bộ môn Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước

Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

268 Lý Thường Kiệt Quận 10

ĐT: 8651307

Email: hlphi@hcmut.edu.vn

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 đặt sẽ được tiến hành tự động vào trong máy Địa chỉ của file thực thi là "C:\Program Files\EPANET2\Epanet2w.exe"

1.4 Mục đích và nội dung của tài liệu

Tài liệu này nhằm cung cấp thêm cho Sinh Viên chuyên ngành Cấp Thoát Nước một tài liệu tham khảo để giúp họ làm quen với những kỹ năng cơ bản để sử dụng EPANET trong lúc làm đồ án môn học, luận văn tốt nghiệp Những Kỹ Sư cấp thoát nước cũng có thể tìm thấy ở đây những hướng dẫn cụ thể nhằm giúp họ trong việc thiết kế mạng lưới cấp nước với EPANET Ngoài ra, trong phần phụ lục chúng tôi cũng trích dẫn những quy định cần

thiết của quy phạm TCXD 33:1985 đối với công tác thiết kế hệ thống cấp nước bên ngoài

EPANET là một mô hình toán học hoạt động theo kiểu: IF-THEN (nếu-thì) Kết quả nhận được khi mô phỏng hoàn toàn phụ thuộc vào số liệu cung cấp cho mô hình và quan niệm mô phỏng hệ thống Khác với nhiều phần mềm kỹ thuật khác, đối với EPANET việc chọn lựa lời giải cho một vấn đề thực tế hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người sử dụng Cùng một bài toán tùy theo cách khai báo dữ liệu nhập, người sử dụng sẽ nhận được những kết quả khác nhau Do đó người sử dụng EPANET cần phải biết cách khai báo bài toán sao cho có thể mô phỏng các tình huống thực tế một cách gần với hợp lý nhất

Ngoài ra khi thiết kế, việc hiệu chỉnh mô hình từng bước là điều rất cần thiết để có thể thu được một lời giải hợp lý về kinh tế và kỹ thuật Để có thể thực hiện được việc hiệu chỉnh mô hình, người thiết kế cần phải biết cách đánh giá những thông số kỹ thuật (dự báo) của

sơ đồ đã chọn thông qua những kết quả mô phỏng được xuất ra dưới dạng bảng biểu hay đồ thị, từ đó đề ra các giải pháp thay đổi dần các thông số đầu vào cho thích hợp hơn

Do bản chất của hệ thống cấp nước, đối với một yêu cầu kỹ thuật cho trước luôn luôn tồn tại nhiều phương án thiết kế khác nhau Do đó, EPANET, cũng như các phần mềm mô phỏng khác, chỉ có thể cung cấp những hình ảnh dự báo của một giải pháp dự kiến, mà không quyết định thay cho người thiết kế một giải pháp tối ưu

Tối ưu hóa một hệ thống cấp nước theo những điều kiện ràng buộc cho trước cũng đã được nghiên cứu từ vài năm nay Thuật toán được áp dụng tương đối thành công cho đến nay là Genetic Algorithm, được sử dụng trong phần mềm OptiDesigner (2001) Phần mềm này có thể được download từ địa chỉ: http://www.optiwater.com

Tuy nhiên OptiDesigner cũng chỉ mới tối ưu hóa được giá thành của hệ thống đường ống trên cơ sở đảm bảo áp lực tối thiểu trên mạng Trên thực tế việc tối ưu hóa một hệ thống cấp nước còn liên quan đến phân tích các chỉ tiêu kinh tế giữa đầu tư và chi phí năng lượng Ngoài ra cũng còn phải quan tâm đến các hạng mục khác như máy bơm, đài nước, bể chứa… Điều này chỉ có thể thực hiện được thông qua việc thử dần

Thông qua những bài tập được sắp xếp từ dễ đến khó dần, người đọc sẽ dần dần trở nên quen thuộc với EPANET và có thể tự mình triển khai những mô hình thiết kế phức tạp hơn trong thực tế Sau đây là một số vấn đề sẽ được đề cập và giải thích trong tài liệu

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 phân tích 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 bài tập 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

5

Xem 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

7 Thay 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

9

Điều 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

12

Các 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

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 Việc phân tích kết quả mô phỏng là một nội dung quan trọng, trong đó người đọc sẽ được giới thiệu 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 thước của 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, đài nước, 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 Hazen-Williams (H-W) là công thức tính tổn thất áp lực

Chú ý:

- Khai báo TIMES OPTION:

Mở cửa sổ BROWSER / OPTIONS / TIMES

Khai báo TOTAL DURATION = 48 (thời gian mô phỏng là 48 giờ) và những giá trị khác như trong bảng trên Click OK để chấp nhận những khai báo đã thực hiện và đóng bảng khai báo

- Để hiển thị tên đối tượng trên màn hình, hãy chọn VIEW / OPTIONS Trong bảng đối thoại MAP OPTIONS chọn NODES và đánh dấu DISPLAY JUNCTIONS và

DISPLAY BORDER

Sau đó chọn NOTATION và đánh dấu tất cả các ô

Nếu muốn lưu lại những thay đổi trên đây để áp dụng cho những thiết kế sau này, hãy

đánh dấu trên mục Save as defaults nằm ở đáy bảng trước khi chọn OK

Trong mục SYMBOLS hãy đánh dấu chọn tất cả các ô

- Để hiển thị chiều dòng chảy, hãy chọn VIEW / OPTIONS Trong bảng đối thoại MAP OPTIONS chọn FLOW ARROWS và đánh dấu OPEN hoặc FILLED

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

- Thêm hồ chứa bằng cách nhấn nút ADD RESERVOIR trên Toolbar (Nếu toolbar

không hiển thị trên màn hình, hãy chọn VIEW / TOOLBARS / MAP) Click chuột tại

vị trí muốn bố trí hồ chứa

- Bổ sung các nút lấy nước (junction nodes) Click chuột lên nút ADD JUNCTION trên Toolbar Click chuột tại vị trí muốn bố trí nút để tạo ra các nút từ 2 đến 7

- Thêm ống nối giữa các nút bằng cách click lên nút ADD PIPE và vẽ lần lượt các đoạn ống như trong hình 1

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

Hình 1: Sơ đồ hệ thống

Chú ý:

4

5 6

- Để xóa một đối tượng trên hệ thống, sau khi đã chọn đối tượng nhấn phím delete

- Để chỉnh vị trí của đối tượng NODE hãy khai báo tọa độ X và Y của đối tượng (xem mục

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

- Click nút phải của chuột lên đối tượng và chọn PROPERTIES trong bảng

2.3 Khai báo đặc tính của các đối tượng

Đối tượng PIPE:

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

Hãy giả định sơ bộ cho toàn bộ hệ thống: chiều dài = 1000m, đường kính = 200mm, hệ số nhám = 130

Đối tượng NODE:

Ký hiệu ống Nút đầu Nút cuối Mô tả Nhãn (để phân loại) Chiều dài (m) Đường kính (mm) Hệ số nhám Hệ số xét đến tổn thất cục bộ Trạng thái ban đầu (mở hoặc đóng) Hệ số phản ứng trong dòng chảy Hệ số phản ứng gần thành ống

Ký hiệu nút Tọa độ X trên màn hình Tọa độ Y trên màn hình Mô tả

Nhãn (để phân loại) Cao độ (m)

Lưu lượng căn bản Biểu đồ dùng nước (số hiệu) Loại biểu đồ dùng nước Hệ số vòi phun

Chất lượng nước ban đầu tại nút Chất lượng nước chảy vào nút

- Khai báo lại giá trị của tọa độ X-Y để chỉnh vị trí các nút trên sơ đồ Các giá trị này không ảnh hưởng đến chiều dài ống tính toán

- ELEVATION: cao độ của nút (cao đ m t đất)

- BASE DEMAND: lưu lượng trung bình của ngày dùng nước lớn nhất (có xét cả hệ số Kngày max) Trong bài tập này chọn bằng 10 l/s cho tất cả các nút (các nút có cùng một dạng biểu đồ nhu cầu nước.)

- DEMAND CATEGORIES: ký hiệu của biểu đồ nhu cầu dùng nước áp dụng cho nút đang xét Trong bài tập này chọn bằng 1 cho tất cả các nút (các nút có cùng một dạng biểu đồ nhu cầu nước.)

Đối tượng PUMP:

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

EFFIC CURVE: số ký hiệu của đường cong hiệu suất bơm

ENERGY PRICE: giá điện (đ/kWh)

Đối tượng RESERVOIR:

RESERVOIR (bể chứa): được dùng để mô phỏng nguồn nước vô hạn, nghĩa là mực nước trong bể không bị ảnh hưởng bởi lưu lượng vào và ra mà chỉ thay đổi theo một quy luật cho trước (có thể là hằng số hoặc dao động theo thủy triều)

TOTAL HEAD: Cao độ mực nước trong bể

Head Pattern: Biểu đồ dao động của mực nước trong bể Khi áp dụng Head Pattern, cao độ mực nước tại một thời điểm nào đó sẽ bằng Total Head nhân với giá trị tại thời điểm tương ứng của Head Pattern Head Pattern có thể được dùng để mô phỏng mực nước triều trên sông hoặc áp lực thay đổi trong ngày của đường ống cấp nước chính vào hệ thống đang xét

Khai báo Demand Pattern

Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục PATTERN trong menu bên dưới Để thực hiện các bài tập phần sau hãy khai báo một PATTERN như sau:

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

Khai báo đặc tính bơm (PUMP CURVE):

Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục CURVES trong menu bên

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

Nhấn nút ADD và khai báo các giá trị của từng cặp H-Q theo bảng dưới đây

Duong dac tinh bom NO 125-315V

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy SAVE lại dưới tên Duong dac tinh

bom NO 125-315V để dùng lại về sau EPANET sẽ tự động thêm phần đuôi *.crv

EPANET cho phép khai báo và lưu trữ sẵn trước những đường cong đặc tính của các 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 CURVES trong menu bên dưới Trong ví dụ này ta khai báo đường cong hiệu suất cho bơm EBARA có mã hiệu NO-125-315V theo thông số cung cấp bởi nhà sản xuất

Nhấn nút ADD và khai báo các giá trị của từng cặp Flow-Efficiency theo bảng dưới

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy SAVE lại dưới tên Hieu suat bom

NO 125-315V để dùng lại về sau EPANET sẽ tự động thêm phần đuôi *.crv

Sau khi đã khai báo xong toàn bộ các thông số cần thiết, click vào biểu tượng SAVE trên toolbar, sau đó click vào biểu tượng RUN để tiến hành phân tích thủy lực hệ thống

2.4 Báo lỗi và cách khắc phục:

Thử nghiệm 1:

Hãy khai báo lại đường kính ống số 2 và số 7 là 100mm và RUN Ta sẽ nhận được

thông báo dưới đây

WARNING: Negative Pressure at … : … : hrs

Giải thích: Aùp lực âm xảy ra trong hệ thống vào lúc …giờ

Nhận xét: Trong menu chọn REPORT và TABLE sau đó chọn NETWORK LINKS và

OK

Chú ý tại các đoạn ống nhỏ, UNIT HEADLOSS tăng lên rất cao Hãy ghi nhận những

vị trí này và gia tăng đường kính ống

Ta sẽ nhận được thông báo lỗi như dưới đây:

WARNING: Negative Pressure at … : … : hrs

WARNING: Pump 1 open but exceeds maximum flow at … : … : hrs

Giải thích: Aùp lực âm xảy ra trong hệ thống vào lúc …giờ, nhưng lưu lượng trong hệ

thống lớn hơn lưu lượng max của bơm

Nguyên nhân: Bơm quá nhỏ so với nhu cầu Chú ý rằng trong ví dụ này tổng lưu lượng

yêu cầu trung bình là 6 x 10 l/s = 60 l/s Do đó cần chọn loại bơm có lưu lượng max lớn hơn giá trị này từ 1.5 đến 2 lần

2.5 Phân tích kết quả mô phỏng:

Aùp lực trong mạng vào thời gian chung quanh giờ cao điểm:

- Click vào biểu tượng TABLE trên Toolbar và chọn NETWORK NODES AT, sau đó chọn OK

- Nhận xét kết quả PRESSURE vào giờ dùng nước nhiều nhất Cần đảm bảo rằng không có nút nào có áp lực thấp hơn áp lực yêu cầu Nếu số nút quá nhiều, có thể dùng lệnh QUERY (trên toolbar hay trong menu VIEW): QUERY-FIND NODES WITH- PRESSURE-BELOW-giá trị áp lực yêu cầu (ví dụ bằng 16m) Các nút thỏa yêu cầu query sẽ được hiển thị trên sơ đồ hệ thống

Trong ví dụ này tất cả các nút đều lớn hơn áp lực yêu cầu giả định là 16m

Lưu tốc chảy trong ống vào khoảng thời gian giờ cao điểm:

- Click vào biểu tượng TABLE trên Toolbar và chọn NETWORH LINKS AT, sau đó chọn

OK

- Hãy nhận xét kết quả VELOCITY vào giờ dùng nước nhiều nhất Cần đảm bảo rằng không có đoạn ống nào có vận tốc quá thấp vào giờ cao điểm (v < 0,3-0,5m/s) Ngoài ra vận tốc cũng không nên vượt quá vmax = 1.5-2m/s

Tại những đoạn ống có vận tốc chưa hợp lý có thể thay đổi lại đường kính ống

Nếu số ống quá nhiều, có thể dùng lệnh QUERY để truy tìm Các đoạn ống thỏa yêu cầu tìm kiếm sẽ được hiển thị trên sơ đồ hệ thống Trong ví dụ này, các đoạn ống 4 và 8 có vận tốc hơi nhỏ sẽ được chỉnh lại đường kính là 100mm

Sau khi chỉnh lại đường kính ống, chạy lại mô phỏng để quan sát sự thay đổi của kết quả

Ta thấy các kết quả tạm thỏa yêu cầu về lưu tốc Tuy nhiên cũng cần phải kiểm tra lại PRESSURE trong mạng vào giờ cao điểm sau khi chỉnh lại đường kính ống Trong trường hợp này ta thấy nút 6 và nút 7 có áp lực hơi nhỏ hơn áp lực yêu cầu (16m) Nhận xét rằng có thể tăng áp lực tại 2 nút này bằng cách tăng đường kính ống số 7 Ta chọn lại đường kính này là 220mm và chạy lại bài toán

Biểu đồ áp lực tại những nút nguy hiểm nhất:

Những nút nguy hiểm nhất thường là những nút có cao độ lớn nhất hoặc/và nằm xa nguồn cấp nước nhất Trong ví dụ này chúng ta chọn nút số 7

- Click vào nút số 7,

- Chọn biểu tượng GRAPH trên toolbar Ở mục GRAPH TYPE chọn TIME SERIES,

ở mục OBJECT TYPE chọn LINKS, ở mục PARAMETER chọn VELOCITY

Kết quả trên biểu đồ áp lực của nút số 7 theo thời gian ta thấy áp lực thay đổi từ 17 đến 32m trong một ngày đêm Giá trị nhỏ nhất xảy ra vào 9 giờ (giờ dùng nước nhiều nhất) và giá trị cao nhất xảy ra vào giờ dùng nước ít nhất (2 giờ)

Phân tích biểu đồ áp lực cho nút số 7 ta thấy áp lực thay đổi trong ngày từ 17 m đến 32.5

m So sánh với áp lực yêu cầu của hệ thống, ta có thể quyết định chấp nhận kết quả hay tiếp tục hiệu chỉnh

Câu hỏi:

1 Hãy bỏ đường ống số 4 và phân tích chế độ thủy lực của hệ thống Hãy đưa ra những luận điểm để kết luận về việc giữ hay bỏ đường ống này

2 Hãy sử dụng ENERGY REPORT để trả lời những số liệu sau đây:

- AVERAGE EFFICIENCY (Hiệu suất trung bình của bơm): ………%

- Điện năng tiêu hao cho 1 m3 nước:……… Kw-hr/m3

- AVERAGE KWATTS (Công suất trung bình):……….Kw

- PEAK KWATTS (Công suất đỉnh):……….Kw

- COST/DAY (Chi phí điện hàng ngày):……….đồng

3 Xuất số liệu kết quả tính áp lực trong mạng vào giờ cao diểm và đặt tên là Press9h.txt Hướng dẫn: Chọn biểu tượng TABLE trên toolbar để mở hộp thoại TABLE SELECTION Sau đó chọn NETWORK NODES AT và 9 hr, sau đó chọn OK để mở bảng kết quả tính áp lực trong mạng vào giờ cao điểm Chọn nút COPY trên toolbar và chọn FILE và đặt tên cho tập tin xuất ra

4 Xuất kết quả biểu đồ điễn biến áp lực tại nút số 7 ra file pressure7.emf

Hướng dẫn: Chọn nút số 7, sau đó chọn biểu tượng GRAPH trên toolbar để hiện kết quả biểu đồ áp lực tại nút số 7 theo thời gian Chọn nút COPY trên toolbar và chọn FILE dạng METAFILE và đặt tên cho tập tin xuất ra

5 Hãy sử dụng FREQUENCY PLOT để phân tích vận tốc trên mạng vào giờ cao điểm (xem hình) và cho biết có bao nhiêu phần trăm đường ống có vận tốc vào giờ cao điểm lớn hơn 0.3 m/s và nhỏ hơn 1 m/s Nhận xét gì về kết quả này

(Gợi ý: toàn bộ hệ thống có lưu tốc vào giờ cao điểm năm trong khoảng 0.25 đến 1 m/s Chỉ có 10% đường ống có vận tốc dưới 0.3m/s Sơ bộ có thể kết luận rằng hệ thống đường ống có đường kính không quá lớn.)

6 Hãy sử dụng PROFILE PLOT để quan sát áp lực dọc theo tuyến 1-2-5-6-7 vào giờ cao điểm (xem hình bên dưới) Nhận xét gì về biểu đồ này

(Gợi ý: Mức độ tổn thất áp lực từ nút 2 đến nút 5 lớn hơn so với các đoạn còn lại Do đó nếu muốn cải thiện áp lực tại nút 7, hãy chú ý đến đường kính ống 7 (nối giữa hai nút 2 và 5)

HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG ỐNG VÀ BƠM

Việc thiết kế một hệ thống cấp nước về bản chất là một loạt những công đoạn thử và sai Những thông số kỹ thuật của hệ thống sẽ được giả định trước để chạy chương trình mô phỏng Sau đó dựa vào những kết quả thu được về tình trạng thủy lực của mạng và những thông số khác, những số liệu ban đầu sẽ phải được khai báo lại cho lần thử tiếp theo Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi thu được một sơ đồ hợp lý cả về kinh tế lẫn kỹ thuật Việc hiệu chỉnh số liệu trong quá trình thử nghiệm này tương đối khó khăn và đòi hỏi kinh nghiệm cũng như sự am hiểu về các hiện tượng thủy lực diễn ra trong hệ thống cấp nước Trong chương này, người đọc sẽ tập làm quen với phản ứng của một hệ thống cấp nước đối với việc thay đổi giá trị của những thông số kỹ thuật của mạng Kết quả sẽ được phân tích và giải thích để người đọc có thể từng bước hiểu rõ hơn về bản chất của hiện tượng và từ đó có thể tiến hành việc hiệu chỉnh mô hình một cách có định hướng để nhanh chóng đi đến phương án hợp lý

3.1 Hiệu chỉnh đường kính ống

Hiệu chỉnh đường kính ống là công việc có tầm quan trọng quyết định Việc hiệu chỉnh đường kính ống được thực hiện nhằm mục đích làm tăng hay giảm lưu tốc trong đoạn ống đang xét để làm thay đổi tổn thất áp lực đơn vị nhằm cải thiện tình trạng áp lực trong mạng hay để chọn lựa đường kính ống kinh tế

Hiệu chỉnh đường ống cần được tiến hành khi:

- lưu tốc trong đoạn ống quá nhỏ hay quá lớn: thông thường lưu tốc trong đường ống nằm trong giới hạn khoảng 0.2 – 2 m/s Tuy nhiên cá biệt có những trường hợp của mạch vòng, lưu tốc có thể rất nhỏ vào giờ cao điểm tại một số vị trí đường ống Trong trường hợp này, đường ống được bố trí có thể là thừa và có thể được loại đi Để có quyết định chính xác hơn, có thể cần phải giả định các tình huống đặc biệt khi một trong những tuyến ống chính bị hỏng hay ngừng hoạt động Có thể tham khảo vận tốc kinh tế trong bảng sau:

Vận tốc kinh tế (m/s)

- Cũng có thể quyết định dựa theo tổn thất áp lực (TTAL) đơn vị (UNIT

HEADLOSS) trong đường ống

Một cách tổng quát khó có thể đề ra một nguyên tắc chung để đánh giá một giá trị cho trước của TTAL đơn vị là lớn hay nhỏ Đối với một hệ thống cấp nước đô thị loại lớn có

chiều dài lên đến hàng chục km thì một giá trị của TTAL đơn vị chừng 3 m/km đã là rất lớn Trong khi đó trong một hệ thống cấp nước cho khu dân cư loại nhỏ có phạm vi chiều dài đường ống tối đa chỉ là 1 km thì có thể chấp nhận giá trị của TTAL đơn vị thậm chí có thể đến 10 m/km

Đối với các hệ thống tưới tự động, TTAL đơn vị cho phép phải được khống chế sao cho đảm bảo yêu cầu chênh lệch lưu lượng tối đa so với lưu lượng thiết kế không vượt quá 10%

Trong khi đó trong các hệ thống phun nước trang trí ở công viên, yêu cầu đồng đều về áp lực giữa các vòi phun là rất quan trọng để đảm bảo tính mỹ thuật Trong trường hợp này giá trị của TTAL đơn vị thường bị khống chế trong khoảng 0.5 - 1 m/km

AWWA (American Water Work Association) đề nghị tiêu chuẩn sau đây:

- Ống nhỏ hơn 16 in (450 mm) lấy giới hạn tối đa của tổn thất áp lực đơn vị là 10 m/km

- Ống lớn hơn 16 in lấy giới hạn tối đa của tổn thất áp lực đơn vị là 1 – 3 m/km

Trong thực tế, cũng có thể đánh giá sơ bộ theo tiêu chuẩn chênh lệch tối đa của áp lực trong hệ thống không vượt quá 30 - 50% của áp lực yêu cầu tại khu vực nhận nước Ví dụ một hệ thống có áp lực yêu là 18m nên có tổng TTAL theo tuyến xa nhất nhỏ hơn 9m Nếu hệ thống này có chiều dài là 1 km, TTAL đơn vị có thể cho phép đến 9 m/km Tuy nhiên nếu hệ thống có quy mô lớn hơn, giá trị của TTAL đơn vị phải giảm xuống cho phù hợp Những phân tích trên đây chỉ có tính chất khuyến cáo sơ bộ, áp dụng cho giai đoạn thiết kế

sơ bộ Để có thể chọn lựa được đường kính ống kinh tế, cần phải thông qua phân tích kinh tế của toàn dự án

TTAL đơn vị thay đổi theo nhu cầu nước của mạng Tuy nhiên thời gian xảy ra giá trị cao nhất thường xảy ra chung quanh giờ dùng nước cao điểm (chung quanh thời điểm Khmax) để đánh giá Chú ý do tính chất phân bố lại lưu lượng của mạch vòng và tác dụng cấp nước

bổ sung của đài nước nên TTAL đơn vị lớn nhất trong một đoạn ống không nhất thiết luôn luôn xảy ra vào đúng vào giờ cao điểm

Lưu ý quan trọng:

Việc hiệu chỉnh đường kính ống cần được tiến hành trước tiên sau khi chạy thử lần 1 Chỉ sau khi đường ống đã được hiệu chỉnh tương đối hợp lý hãy tiếp tục những bước còn lại

3.2 hiệu chỉnh thông số kỹ thuật của máy bơm

Trước khi chạy thử mô phỏng lần đầu tiên, ta có thể giả định sơ bộ các thông số kỹ thuật của bơm như sau (đường cong bơm 1 điểm, xem lại hướng dẫn ở mục 1.6 )

- Qbơm = ΣQ trung bình (BASE DEMAND) của các nút cấp nước Đối với hệ thống lớn có nhiều nút có thể dùng chức năng quan sát biểu đồ SYSTEM FLOW để ước tính nhanh tổng lưu lượng trung bình của hệ thống

- Hbơm = 1.3 – 1.5 lần áp lực yêu cầu cao nhất tại các nút

Nếu bơm nhỏ so với yêu cầu, có thể xuất hiện những báo lỗi sau đây:

“WARNING: Negative pressure at ….”

Lý do: bơm quá nhỏ (cần tăng thêm Q, H hoặc cả hai)

Ghi chú: đường ống quá nhỏ dẫn đến tổn thất áp lực đơn vị quá cao cũng gây ra cùng một thông báo lỗi như trên Do đó trước khi hiệu chỉnh bơm, cần chắc chắc rằng báo lỗi không

do đường ống gây ra

“WARNING: Pump … open but exceeds maximum flow at ….”

Lý do: bơm có dãi lưu lượng hoạt động nhỏ hơn nhu cầu tối đa

Ghi chú: Khi EPANET không báo lỗi, không có nghĩa là hệ thống đã được thiết kế hợp lý Trong trường hợp đó vẫn có khả năng là những thông số nhỏ hơn của bơm hay đường ống vẫn đủ cho hệ thống hoạt động tốt (và tất nhiên là kinh tế hơn) Theo kinh nghiệm, ta nên bắt đầu với những giá trị thông số bơm và đường ống đủ lớn để không bị báo lỗi, sau đó sẽ tiến hành hiệu chỉnh bằng cách giảm dần để thu được những giá trị chọn lựa cuối cùng Sau khi mô phỏng đã được thực hiện suông sẻ không báo lỗi, ta bắt đầu tiến hành nhận xét về thông số kỹ thuật của bơm đã chọn

Bơm có thông số đã chọn được xem là hợp lý nếu:

- Có khoảng lưu lượng hoạt động nằm gần chung quanh điểm thiết kế (vùng có hiệu suất cao nhất trên đường cong hiệu suất của bơm)

Trong ví dụ sau bơm 12 có khoảng lưu lượng hoạt động dao động trong khoảng từ 30 – 68 l/s

Nếu so với đường cong hiệu suất bên dưới

Ta thấy bơm 12 có vẻ hơi lớn so với yêu cầu vì chủ yếu hoạt động ở miền lưu lượng thấp hơn lưu lượng thiết kế (khoảng 60 l/s) Tuy nhiên phán đoán này có thể không chính xác vì có thể thời gian hoạt động của bơm ở dãi lưu lượng thấp thật ra không nhiều

Sẽ chính xác hơn nếu kết hợp với ENERGY REPORT, trong đó ta thấy hiệu suất trung bình trong 24 giờ của bơm 12 đạt 77.23%, bằng 96.5% so với hiệu suất tối đa

Sau khi đã hiệu chỉnh xong đường kính ống và bơm ta sẽ tiếp tục với đài nước và bể chứa Chú ý rằng việc thay đổi thông số của đài nước hay bể chứa không làm thay đổi lớn tình trạng thủy lực của hệ thống như áp lực và tổn thất áp lực đơn vị Trong khi đó những thay đổi về đường kính ống hoặc bơm sẽ làm thay đổi quá trình hoạt động của đài nước Do đó

việc hiệu chỉnh các thông số của đài nước hay bể chứa chỉ nên được tiến hành sau khi đường ống và bơm đã được chọn xong

Bài t p 2

Sử dụng lại những số liệu của bài tập 1 (đã khai báo như hướng dẫn trong chương 1)

Hãy giảm đường kính ống 7 xuống 10, 20 và 30% cho đến khi chương trình báo lỗi

“NEGATIVE PRESSURE” Trong mỗi trường hợp hãy đánh giá tình trạng áp lực của hệ thống (phân bố áp lực vào giờ cao điểm, áp lực tối đa và tối thiểu trong hệ thống cũng như

Sử dụng lại những số liệu của bài tập 1

Thay đổi lưu lượng trung bình (BASE DEMAND) của mỗi nút bằng cách tăng/giảm theo tỉ lệ thay đổi theo từng 10% (nhân lưu lượng trung bình lần lượt cho các hệ số 1.1, 1.2, 1.3…) và đánh giá tình trạng áp lực của hệ thống (xem bài tập 2)

Bài t p 4

Sử dụng lại những số liệu của bài tập 1

Thay đổi giá trị của hệ số nhám C Hazen-William bằng cách tăng/giảm theo các giá trị thay đổi theo từng 10% (lần lượt áp dụng các giá trị hệ số C là 100, 110, 120, 130 và 140) và đánh giá tình trạng áp lực của hệ thống trong các trường hợp nói trên (xem bài tập 2)

Sử dụng lại những số liệu của bài tập 1

Hãy khai báo 2 bơm nối từ bể 1 đến nút 2 (tạo thêm 2 nút trung gian) Khai báo lại đường đặc tính bơm và hiệu suất theo bảng số liệu trong thử nghiệm 2 (bài tập 1) Hãy so sánh với bài tập 1 và giải thích kết quả

Lập bảng so sánh sự thay đổi áp lực so với bài tập 1 theo mẫu sau:

Bài tập 7

Hãy so sánh giữa biểu đồ lưu lượng của hệ thống theo thời gian (click GRAPH và chọn SYSTEM FLOW) với biểu đồ áp lực lại nút 2 theo thời gian (chọn nút 2, click GRAPH và

chọn NODES và PRESSURE) Nhận xét và giải thích quy luật thay đổi theo thời gian của 2 biểu đồ này

Bài tập 8

Sử dụng lại những số liệu của bài tập 1

Thực hiện lần lượt các thao tác sau để tạo thêm một đường đặc tính bơm 1 điểm:

- Chọn BROWSER / DATA / CURVES / ADD để thêm vào một đường cong đặc tính bơm số 2

- Ở cột FLOW khai báo giá trị bằng tổng BASE DEMAND của hệ thống (60 l/s)

- Ở cột HEAD khai báo bằng 40m

- Ở phần PROPERTIES của bơm hãy chọn lại PUMP CURVE là 3, ENERGY CURVE vẫn giữ nguyên là 2

Chạy thử và nhận xét kết quả về tính hợp lý của bơm mới chọn (tham khảo mục 2 trong chương này)

Bài tập 9

Sử dụng lại những số liệu của bài tập 8

Tiến hành hiệu chỉnh cho đến khi có được thông số bơm tương đối hợp lý

- Thay đổi Q, giữ nguyên H

- Thay đổi H, giữ nguyên Q

- Thay đổi cùng một lúc cả Q lẫn H

Sau mỗi lần hiệu chỉnh hãy nhận xét kết quả: khoảng lưu lượng hoạt động của bơm so với điểm có hiệu suất cao nhất, áp lực thấp nhất trong mạng, các thông số về năng lượng của hệ thống…

Hãy so sánh dạng đường đặc tính thu được cuối cùng với đường đặc tính bơm cho trong bài tập 1

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐÀI NƯỚC VÀ BỂ CHỨA

Trong chương này ta sẽ đi xác định các thông số kỹ thuật quan trọng nhất của đài nước và bể chứa như: cao trình đáy, đường kính (hay diện tích đáy) và chiều cao của bầu chứa Việc xác định các thông số này được thực hiện thông qua phương pháp thử dần

4.1 thông số kỹ thuật của đài nước

Nguyên tắc để chọn lựa được những thông số hợp lý của đài nước là:

- Hoạt động đúng theo yêu cầu trữ nước (vào giờ dùng nước ít) và cấp nước bổ sung cho mạng (vào giờ cao điểm)

- Có kích thước cân đối giữa đường kính và chiều cao

- Có quy mô vừa đủ theo yêu cầu hoạt động

Cần chú ý rằng việc thiết kế một đài nước trong EPANET hoàn toàn khác với phương pháp lập bảng cổ điển, trong đó người ta giả thiết trước chuỗi lưu lượng vào và ra khỏi đài từ đó xác định ra dung tích điều tiết của đài nước

Một số người có khuynh hướng áp dụng trước phương pháp lập bảng để mong rằng có thể tìm ra một ước lượng gần đúng cho các thông số kỹ thuật của đài nước được khai báo trong lần chạy thử đầu tiên của EANET Việc làm này thật ra vừa mất thời gian lại vừa vô ích Với một vài kinh nghiệm đơn giản, việc xác định thông số của đài nước trong EPANET có thể được thực hiện xong trong thời gian của vài lần chạy thử

Trong lần chạy thử đầu tiên, chiều sâu lớp nước ban đầu (INITIAL LEVEL) có thể sơ bộ chọn tùy ý Chiều sâu lớp nước tối thiểu (MIN LEVEL) chọn = 0.3 m đến 0.5 m (tương ứng với lớp nước chết trong đài) Chiều sâu lớp nước tối đa (MAX LEVEL) nên chọn lớn tùy ý (20 – 50 m) Đường kính đài nước được giả định tùy ý từ 5 – 10 m tùy theo quy mô của hệ thống Cao độ đáy đài (ELEVATION) nên chọn khá thấp ( = Hyc trong mạng)

Sau lần chạy thử đầu tiên, dựa theo kết quả của quá trình mực nước trong đài ta sẽ chỉnh lại các thông số này

Trong bài tập 10 sau đây, chúng ta sẽ thực hiện cụ thể việc hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật cho một đài nước nối vào nút 7 của hệ thống cho trong các ví dụ trước đây

Bài tập 10:

Sử dụng sơ đồ đã có trong các bài tập trước Trong bài tập này ta sẽ bố trí thêm một đài nước nối vào nút 7 bằng đường ống 9 dài 50m đường kính 200mm C=130 Giả định sơ bộ các thông số của đài nước như sau:

Elevation

(m)

Initial level (m)

Min level (m) Max lev

(m)

Diameter (m)

15 1 0.5 20 5

- Chạy thử lần đầu và quan sát kết quả lớp nước trong đài (chọn Đài nước, click GRAPH và chọn TIME SERIES-NODES-PRESSURE)

Nhận xét:

- Giá trị PRESSURE của nút 8 (đài nước) mô tả diễn biến của chiều sâu lớp nước trong đài Như vậy mực nước trong đài không tuần hoàn sau 2 chu kỳ của pattern dùng nước (48 giờ) Điều này có thể được gây ra do hai nguyên nhân sau đây:

- Giá trị trung bình của biểu đồ DEMAND PATTERN không bằng 1;

- Chọn sai giá trị ban đầu của lớp nước trong đài (INITIAL LEV.)

Ta chọn lại INITIAL LEV = 11 (giá trị cuối thời đoạn mô phỏng) và chạy lại (Click nút phải của mouse lên nút đài nước, chọn PROPERTIES và sửa lại giá trị của INITIAL LEVEL

Kết quả của lần chạy thứ hai cho thấy đã có sự tuần hoàn của mực nước trong đài

Để dễ quan sát hơn, hãy click nút phải của mouse lên trục tung và khai báo lại tính chất của trục

Nhận xét:

- Mực nước trong đài đã thay đồi theo chu kỳ tuần hoàn 24 giờ

- Chiều sâu lớp nước trong đài không bao giờ nhỏ hơn 7.27 m và không lớn hơn 16.55

m Điều này cho thấy nếu ta chọn chiều cao (chân) đài nước là 15m như trong phương án này thì mực nước trong đài nước sẽ không bao giờ về đến mực nước chết Điều này nói lên rằng chiều cao đài nước đã chọn là còn thấp

- Biên độ dao động của mực nước trong đài là 16.5 -7.3 = 9.2 m Như vậy nếu kể thêm lớp nước chết và chiều cao an toàn (tổng cộng vào khoảng 1m) thì tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính đài là 10.2 / 5 ~ 2 Kết quả này cho thấy đường kính đài đã chọn là hơi nhỏ Tỉ lệ này nên được quyết định dựa theo sự cân xứng về hình học giữa chiều cao và đường kính đài Thông thường những giá trị H/D ≤1 được áp dụng phổ biến

Trong lần chạy thử thứ 3 ta tăng đường kính đài lên 7 m và thay đổi lại giá trị của ELEVATION = 23 m (tăng thêm 8 m so với giá trị giả định ban đầu để giảm lớp nước min trong đài còn 0.5 m)

Lần chạy thứ 4 ta chỉnh lại ELEVATION sao cho mực nước min trong đài về đến 0.5 m bằng cách tăng ELEVATION lên thêm 0.3 m thành 22.3 m

Cuối cùng cần chỉnh lại giá trị của INITIAL LEVEL = 2.1m để đảm bảo tính tuần hoàn của dao động mực nước trong đài Kết quả cuối cùng được cho trong biểu đồ:

Nhận xét:

- Giá trị thấp nhất của lớp nước trong đài là khoảng 0.5m Như vậy chiều cao đài giả định là chấp nhận được Đài nước có chiều cao chân đài là 22.3 m

- Giá trị cao nhất của lớp nước trong đài là 6.4 m, như vậy tổng chiều cao bầu đài kể cả khoảng an toàn phía trên sẽ vào khoảng gần 6.7 m: Đường kính đài giả định cho

tỉ số H / D = 0.96 là có thể chấp nhận được

- Sự thay đổi về ELEVATION không làm thay đổi quy luật diễn biến của lớp nước trong đài

- Việc chọn giá trị ban đầu của ELEVATION nhỏ là nhằm mực đích tránh cho biểu đồ quá trình lớp nước trong đài không bị cắt mất phần chân, làm cho ta không thể xác định được giá trị thấp nhất của lớp nước thực tế xảy ra khi vận hành đài

- Giá trị giả định của MAX LEVEL là 20 m không ảnh hưởng gì đến kết quả cuối cùng vì chiều cao bầu đài được chọn theo mực nước cao nhất thực tế là 6.4 m Việc giả định giá trị của MAX LEVEL lớn chỉ nhằm mục đích tránh cho biểu đồ mực nước đài bị cắt mất phần đỉnh, làm cho không xác định được giá trị lớn nhất của lớp nước thực tế trong đài xảy ra trong quá trình vận hành

- Đài nước tích nước trong thời gian từ 23 giờ đến 4 giờ sáng ngày hôm sau là khoảng thời gian dùng nước ít nhất trong ngày (xem biểu đồ DEMAND PATTERN) Từ 5 giờ đến 13 giờ đài cấp nước cho hệ thống để bù vào lưu lượng thiếu hụt của bơm trong thời gian này

- Quá trình lưu lượng của đường ống cấp vào đài (LINK 9) cho thấy lưu lượng vào / ra đài không phải là hằng số mà hoàn toàn phụ thuộc vào tình trạng áp lực trong mạng Do đó việc tùy tiện giả định lưu lượng cấp của bơm vào đài như trong phương pháp lập bảng là không có cơ sở Trong biểu đồ dưới đây diễn tả lưu lượng vào-ra đài:

Q < 0: đài nhận nước

Q > 0: đài cấp nước

- So sánh với diễn biến áp lực tại nút 7 (nút được nối trực tiếp với đài), ta thấy khi áp lực tại nút 7 tăng lên thì đài nhận nước, khi áp lực tại nút 7 giảm xuống thì đài cấp nước cho mạng Nhận xét này một lần nữa giải thích nguyên lý hoạt động của đài nước trong hệ thống cấp nước

- Có thể xem xét diễn biến cao trình mực nước trong đài bằng cách chọn biến quan sát HEAD thay vì PRESSURE

Kết quả cuối cùng của thông số đài nước thu được như sau:

Chiều cao chân đài: 23.3 m ( so với mặt đất);

Đường kính bầu đài: D = 7 m;

Chiều cao bầu đài: chiều sâu lớn nhất của lớp nước trong đài + khoảng dự trữ

H = 6.4 + 0.3 = 6.7 m

Bài tập 11

Sử dụng lại các kết quả của các bài tập trên và trả lời các câu hỏi sau đây

1 Đánh giá tình trạng áp lực trong mạng trong 2 trường hợp không có đài và có đài (gợi ý: nhận xét về áp lực tối đa và tối thiểu trong mạng vào các thời gian khác nhau trong

Min level (m) Max lev

(m)

Diameter (m)

25 1 0.5 4 5

1 Nhận xét biểu đồ dao động chiều sâu lớp nước trong đài và giải thích

(Gợi ý: Biểu đồ bị cắt chân cho thấy ELEVATION quá cao, Biểu đồ bị cắt đỉnh là do bị giới hạn cao trình mực nước tối đa.)

2 Hãy chỉnh chiều sâu lớp nước ban đầu sao cho quá trình mực nước trong đài là tuần hoàn

(Gợi ý: Chọn INITIAL LEVEL = giá trị cuối của lần chạy thử)

3 Chọn lại cao trình đáy đài (thông số ELEVATION) chân đài sao cho lớp nước tối thiểu trong ngày là 0.3m

4 Chọn lại MAX LEVEL sao cho có thể quan sát được mực nước tối đa trong đài

5 Kiểm chứng rằng việc thay đổi ELEVATION và MAX LEVEL không làm ảnh hưởng đến biên độ dao động cũng như quá trình mực nước trong đài

4.2 Xác định thông số kỹ thuật của bể chứa

Thuật ngữ bể chứa dùng trong phần này không liên quan đến khái niệm RESERVOIR của EPANET mà để ám chỉ bể chứa nước được đặt dưới hay ngay bên trên mặt đất như trong các trạm xử lý nước hay bể chứa nước dự trữ công cộng

Về nguyên tắc, loại bể chứa này được thiết kế tương tự như đối với đài nước Tuy nhiên cao độ đáy của bể là ≤ 0 Nói một cách khác, bể chứa được mô phỏng trong EPANET như một TANK (đài nước) có ELEVATION ≤ 0

- Bể chứa nước thường có dạng hình hộp chữ nhật do đó trong mô phỏng với EPANET, ta cần phải quy đổi đường kính bể đã được xác định ra thành cạnh của một hình chữ nhật tương đương về diện tích Trong trường hợp bể có đáy hình vuông, cạnh đáy của bể có thể được xác định theo công thức:

nước trung bình của trạm xử lý), hay theo một quy luật cho trước (trường hợp lấy nước vào bể từ ống cấp nước chính có áp lực yếu)

Bài tập 13

Trong ví dụ sau, ta thiết kế một bể chứa nước sau trạm xử lý Lượng nước chảy vào bể được giả định là không đổi và bằng 60 l/s (bằng với lưu lượng trung bình của hệ thống cấp nước ở các ví dụ trước đây)

Thông số thiết kế của bể được chọn sơ bộ như sau:

Đường kính quy đổi: D = 15 m

Cao trình đáy: Zmin = -2.50 m

Cao độ đỉnh: Zmax = 0.00 m

Sơ đồ tính toán được trình bày trong hình dười đây

Để khai báo lưu lượng hằng số chảy vào nút 1, ta thực hiện các bước sau đây:

- Tạo thêm một DEMAND PATTERN số 2 có giá trị toàn bằng 1 trong 24 giờ

- Khai báo BASE DEMAND cho nút 1 là -60 và DEMAND PATTERN là 2

Kết quả chạy thử nghiệm cho mực nước đài dao động trong khoảng từ -1.80 m đến -0.50 m

Như vậy ta có một khoảng dự trữ an toàn phía trên là 0.5 m Nếu trừ đi 0.2 m của lớp nước chết ở đáy đài, ta còn một dung tích dự trữ là 0.5 x 3.14 x 7.52 = 88.3 m3

So với công suất cấp nước trung bình ngày là 0.06 x 8400 = 5184 m3/ng, thể tích này chỉ tương đương với khoảng 20 phút cấp nước

Để gia tăng thể tích dự trữ lên 3 giờ, ta thay đổi thông số thiết kế như sau:

Đường kính quy đổi: D = 18 m

Cao trình đáy: Zmin = -4.00 m

Cao độ đỉnh: Zmax = 0.00 m

Kết quả tính toán theo phương án này cho ta dung tích dự trữ là 2.6 x 3.14 x 92 = 661 m3

tương đương với khoảng 3 giờ cấp nước

Nếu dùng bể chứa có dạng hình hộp chữ nhật, diện tích đáy bể sẽ là 254 m2

Ghi chú:

Khi chạy thử nghiệm, nếu không thể đạt được sự tuần hoàn của bể hay đài thì cần xem lại sự chính xác của cân bằng lưu lượng vào và ra khỏi hệ thống Một sai lệch nhỏ trong các giá trị khai báo của DEMAND PATTERN có thể làm cho giá trị trung bình của DEMAND PATTERN ≠ 1 Những sai biệt nhỏ dưới 0.01 sẽ không thể được phát hiện trong biểu đồ PATTERN, tuy nhiên lại có thể đẫn đến những sai biệt về cân bằng lượng nước hàng ngày đến hàng chục, thậm chí hàng trăm m3 nước Sai biệt này thể hiện rõ nhất ở tính không tuần hoàn của biểu đồ mực nước trong bể chứa, làm cho mực nước đầu và cuối thời đoạn mô phỏng luôn luôn chênh nhau một giá trị không đổi Nếu biết giá trị chênh lệch này ta có thể hiệu chỉnh sự cân bằng lượng nước vào ra của hệ thống bằng cách thay đổi hệ số của biểu đồ Pattern, hay đơn giản hơn, thay đổi lưu lượng vào bể một giá trị tương đương với thể tích nước sai biệt trong một ngày đêm

BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC

Bài tập 14

Sử dụng lại kết quả của bài tập 10

1 Bổ sung van một chiều trên đoạn ống số 4 (nước chỉ được chảy từ nút đầu 4 đến nút cuối 7 nhưng không được phép chảy ngược lại.) bằng cách khai báo giá trị INITIAL STATUS = CV Chạy lại bài toán và nhận xét về hướng chảy cũng như phân bố lưu lượng và áp lực trong hệ thống trong thời gian đài cấp nước (9h) và nhận nước (5h)

2 Tạo thêm nút 9 có lưu lượng cơ bản là 2 l/s, pattern 1 Nối với nút 6 bằng một van giảm áp (PRV) 10 sao cho áp lực sau van luôn luôn nhỏ hơn hay bằng 20m (SETTING

= 20)

3 Hãy chạy lại bài toán mô phỏng và thể hiện biểu đồ áp lực theo thời gian của nút 6 và nút 9 để kiểm tra lại mô phỏng

Bài tập 15

Sử dụng lại kết quả của bài tập 10 Xóa đường ống 4 và thay bằng một van PSV (Pressure sustaining valve) từ nút số 4 đến nút số 7

Van này có nhiệm vụ sau:

- Nếu áp lực tại nút số 4 lớn hơn áp lực tại nút số 7, van mở để cấp nước vào đài từ 2 hướng

- Nếu áp lực tại nút số 4 nhỏ hơn áp lực tại nút số 7, van đóng lại để chỉ cho phép cấp nước ra từ đài theo đường ống số 5