Giáo trình Mạng lưới cấp thoát nước - Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước - Nguyễn Thống

Quy hoạch hệ thống thóat nước. Chương 7. Mô hình hoá & thiết kế ht. thoát nước. Chương 8. Thoát nước vùng triều. Chương 9. Quản lý vận hành ht. cấp và thoát nước. Phần mềm SWMM & EPANET MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯƠÙC 10/14/2010 3 NỘI DUNG Thực hành 1: Mô hình dự báo nhu cầu nước dùng với p/p Hồi quy tuyến tính Thực hành 2: Mô phỏng mạng lưới cấp nước với EPANET. Thực hành 3: Mô phỏng mạng lưới thoát nước với SWMM. Thực hành 4: Mô phỏng thủy lực với HEC- RAS MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 1: Chaát löôïng, heä thoáng phaân phoái & thieát bò PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 4 CHÖÔNG 4 PHAÂN TÍCH MAÏNG LÖÔÙI CAÁP NÖÔÙC Muïc ñích: • Tìm hieåu baûn chaát vaät lyù söï laøm vieäc ñoàng thôøi moät heä thoáng goàm nhieàu loaïi coâng trình (ñöôøng oáng, bôm, ñaøi nöôùc, beå chöùa,). • Xaùc ñònh ‘vuøng caáp nöôùc’ cuûa caùc nguoàn khaùc nhau trong heä thoáng. MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 5 HEÄ THOÁNG BÔM, ÑAØI NÖÔÙC VAØ ÑÖÔøNG OÁNG Trong maïng löôùi caáp nöôùc söï hoaït ñoäng ñoàng thôøi cuûa bôm, ñaøi nöôùc vaø heä thoáng ñöôøng oáng phaûi thoûa maõn caùc quy luaät hoaït ñoäng cuûa caùc haïng muïc. Ñoái vôùi bôm, quan heä giöõa löu löôïng bôm hoaït ñoäng vaø coät nöôùc bôm taïo ra phaûi thoûa maõn ñöôøng cong ñaëc tính cuûa töøng loaïi bôm. Ñoái vôùi ñaøi nöôùc, löu löôïng ra hay vaøo ñaøi tuøy thuoäc vaøo coät nöôùc cuûa ñaøi vaø aùp löïc nöôùc taïi nuùt maïng löôùi nôi noái vaøo ñaøi vaøo cuøng thôøi ñieåm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 6 ÑÖÔØNG CONG ÑAËC TÍNH BÔM PGS. Dr. Nguyễn Thống H (m) Q (m3/s) Htk Qtk MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc Quan hê Q=f(H) xác ñịnh tư$ nha $ SX bơm 0 H=33.3-20.84.10-5Q2
EPANET H(m), Q(l/s) 210/14/2010 7 Trong ñoù Qtk vaø Htk chæ löu löôïng vaø coät nöôùc thieát keá cuûa bôm. Khi hoaït ñoäng vôùi caùc thoâng soá thieát keá naøy bôm seõ coù hieäu suaát cao nhaát. Vì moät lyù do naøo ñoù, bôm phaûi hoaït ñoäng trong ñieàu kieän khaùc giaù trò thieát keá hieäu suaát seõ giaûm vaø söï giaûm hieäu suaát seõ caøng taêng khi söï khaùc bieät caøng lôùn. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 8 HIEÄU SUAÁT BÔM PGS. Dr. Nguyễn Thống Htk Q (m3/s)Qtk H (m) ηmax η1 > η2 MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 0 10/14/2010 9 dh0 Q0 dh (m) Q (m3/s)O QUY LUẬT THỦY LỰC Xet ñoaïn oáng baát kyø  Quan heä giöõa toån thaát naêng löôïng dh (m) vaø löu löôïng ñi qua Q(m3/s), moät caùch toång quaùt coù daïng sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc mKQdh = 10/14/2010 10 PHAÂN TÂ ÍCH SÖÏÏ LAØØ M VIEÄÄ C ÑOÀÀ NG THÔØØ I CAÙÙ C HAÏÏ NG MUÏÏ C TRONG HEÄÄ THOÁÁ NG PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 11 TRƯỜNG HỢP 1 (BƠM+ỐNG+ðỊA HÌNH)
Xác ñịnh Q0  Bôm söû duïng ñaõ ñöôïc xaùc ñònh (bieát ñöôøng cong ñaëc tính bôm). Ñoïan ñöôøng oáng (ij) vôùi ñaëc tröng hình hoïc cuûa oáng ñaõ cho tröôùc (chieàu daøi, ñöôøng kính, heä soá nhaùm, quy luaät toån thaát naêng löôïng).  Cuoái ñöôøng oáng daãn ñöa nöôùc ñeán moät cao trình hj ñaõ bieát (ñịa hình). Xaùc ñònh löu löôïng Q0 qua oáng. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 12 • Sô ñoà coù theå moâ taû nhö sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc ðặc tính bơm X Maët chuaån hi Vx? h =f(Q) Q dh =g(Q) h dh Qx0 (h ñịa hình) H Quy luật thủy lực 310/14/2010 13 Giaù trò löu löôïng qua oáng (cuõng laø löu löôïng bôm) xaùc ñònh nhö sau:  Goïi Qx laø löu löôïng giaû ñònh qua oáng.  Töø quan heä toån thaát naêng löôïng  toån thaát naêng löôïng trong ñöôøng oáng dh.  Ngoøai ra, khi bôm hoaït ñoäng vôùi löu löôïng Qx  h cuûa bôm töø ñöôøng cong ñaëc tính bôm.  Coät nöôùc ño aùp COØN LAÏI taïi cuoái ñöôøng oáng: hx = h – (dh+Vx2/2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 14 So saùnh giaù trò hx vaø hj (h ñịa hình):  neáu hx < hj (bơm THIẾU cột nước)
Qx seõ giaûm ñeán khi naøo hx =hj.  neáu hx > hj (bơm THỪA cột nước)
Qx seõ taêng ñeán khi naøo hx =hj. (Quaù trình thay ñoåi Qx giaù trò dh thay ñoåi theo) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 15 Keát luaän:
löu löôïng bôm khoâng phaûi laø giaù trò aùp ñaët “chuû quan” vaøo heä thoáng.
keát quaû töø söï caân baèng laøm vieäc phoái hôïp giöõa ñaëc tính ñöôøng oáng, bôm vaø ñieàu kieän “bieân”. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 16 TRƯỜNG HỢP 2 (BƠM+ỐNG+Q0)
Xác ñịnh hi • Giaû thieát bôm söû duïng ñaõ ñöôïc xaùc ñònh (bieát ñöôøng cong ñaëc tính bôm) vaø moät ñoïan ñöôøng oáng (ij) vôùi ñaëc tröng hình hoïc cuûa oáng ñaõ cho tröôùc (chieàu daøi, ñöôøng kính, heä soá nhaùm, quy luaät toån thaát naêng löôïng). Ñöôøng oáng taûi löu löôïng thieát keá Q0 cho tröôùc. • Xaùc ñònh coät nöôùc hi. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 17 Giaù trò coät nöôùc ño aùp seõ ñöôïc xaùc ñònh vôùi giaù trò duy nhaát nhö sau:
Ñöôøng oáng taûi qua löu löôïng Q0  toån thaát naêng löôïng xaùc ñònh ñöôïc dh (theo ñöôøng quy luaät thuûy löïc).
Khi bôm hoïat ñoäng vôùi löu löôïng Q0 töø ñöôøng ñaëc tính bôm  h bôm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 18 Coät nöôùc ño aùp taïi cuoái ñöôøng oáng laø:
hj = h – (dh+V02/2g) vôùi V0=Q0/S trong ñoù S laø tieát dieän ñöôøng oáng. Treân cô sôû lyù luaän naøy cho pheùp khaûo saùt söï thay ñoåi coät nöôùc ño aùp taïi cuoái ñöôøng oáng khi löu löôïng laáy qua oáng thay ñoåi. • Ví duï khi Q0 taêng, ta thaáy h seõ giaûm vaø dh taêng do ñoù hj giaûm (toác ñoä giaûm khoâng phaûi laø tuyeán tính). PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 410/14/2010 19 TRƯỜNG HỢP 3 (BƠM+ỐNG+z ðÀI) • Khaûo saùt moät heä thoáng ñôn giaûn goàm bôm X, ñaøi nöôùc. Noái lieàn bôm vaø ñaøi nöôùc laø moät ñöôøng oáng vôùi caùc thoâng soá ñaõ bieát. Giaû thieát taïi moät thôøi ñieåm khaûo saùt möïc nöôùc trong ñaøi ñaõ xaùc ñònh Hñ & Vx ñã biết. • Xaùc ñònh traïng thaùi nöôùc ra (vaøo) ñaøi vaø löu löôïng bôm Qb. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 20 SƠ ðỒ HỆ THỐNG PGS. Dr. Nguyễn Thống Maët chuaån Qb=? Hd Qx? X Hx A B MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc Qñ=? 10/14/2010 21
Giả thiết Qbơm
Hbơm
Tính tổn thất dhX-A So sánh (Hbơm - dhX-A) & Hñ Trường hợp 1: (Hbơm - dhX-A) > Hñ
Nước vào ñài. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 22
Có Vx (Qx) tính năng lượng tại B: EB= z+p/ρg+Vx2/2g = Hx +Vx2/2g
Tính E tại Ap : EAp. EAp = EB +dhAB So sánh EAp và Eñ, có 2 khả năng xảy ra: Trường hợp 1: EAp > Eñ
nước vào với lưu lượng Qñ xác ñịnh như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 23 Giả thiết giá trị Qbơm với Qbơm > Qx
Tra quan hệ xác ñịnh Hbơm
Tính dhX-A
Tính EAT = Hbơm - dhX-A Nếu EAT > EAP
tăng Qbơm cho ñến khi EAT = EAP & Qñài = Qbơm – Qx Nếu EAT < EAP
giảm Qbơm cho ñến khi EAT = EAP & Qñài = Qbơm - Qx PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 24 Trường hợp 2: EAp < Eñ
nước ra với lưu lượng Qñ xác ñịnh như sau: Giả thiết giá trị Qbơm với Qbơm < Qx
Tra quan hệ xác ñịnh Hbơm
Tính dhX-A
Tính EAT = Hbơm - dhX-A
Nếu EAT > EAP
tăng Qbơm cho ñến khi EAT = EAP & Qñài = Qbơm - Qx PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 510/14/2010 25 Vôùi Qx ñaõ xaùc ñònh (Vx bieát), xaùc ñònh dhAB  coät nöôùc ño aùp taïi Ap laø HAp, thaät vaäy: HAp =(Hx+V02/2g) +dhAB • So saùnh HA vaø Hñ coù 2 khaû naêng xaûy ra: Neáu HA > Hñ nöôùc ñi vaøo ñaøi vôùi löu luôïng Qñ nhö sau: • Giaû thieát giaù trò Qb (vôùi Qb > Qx)  h bôm & tính toån thaát naêng löôïng trong ñoaïn oáng töø X ñeán A laø dhXA. • Töø ñoù: HA =h – (dhXA+V02/2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 26 • So saùnh HA vaø HA(*) . Neáu HA >HA(*) taêng giaù trò giaû thieát Qb vaø ngöôïc laïi. Choïn giaù trò Qb khi: HA = HA(*)  Löu löôïng nöôùc ñi vaøo ñaøi laø : Qñ =Qb –Qx. Neáu HA < Hñ  nöôùc ñi ra khoûi ñaøi Qñ xaùc ñònh nhö sau: • Giaû thieát giaù trò Qb (vôùi Qb < Qx)  h bôm & toån thaát naêng löôïng trong ñoaïn oáng töø X ñeán A laø dhXA. • Töø ñoù: HA =h - dhXA+V02/2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 27 • So saùnh HA vaø HA(*) . Neáu HA > HA(*) taêng giaù trò giaû thieát Qb vaø ngöôïc laïi. Choïn giaù trò Qb khi: HA = HA(*)
Löu löôïng nöôùc ñi ra khoûi ñaøi laø : Qñ =Qx - Qb. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 28 Nhaän xeùt:
Löu löôïng cuûa bôm khoâng phuï thuoäc vaøo aùp ñaët “chuû quan” maø löu löôïng bôm seõ thay ñoåi theo töøng tình huoáng cuï theå cuûa heä thoáng.
Ñaây laø ñieåm caàn phaûi löu yù khi moâ phoûng heä thoáng maïng löôùi caáp nöôùc theo thôøi gian söû duïng töø caùc phaàn meàm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 29 BAØI TAÄP Trình baøy phöông phaùp xaùc ñònh phaân phoái löu löôïng trong caùc oáng cuûa caùc maïng löôùi sau. Giaû thieát quy luaät thuûy löïc, thoâng soá veà ñöôøng oáng vaø sô ñoà maïng löôùi ñaõ bieát. PGS. Dr. Nguyễn Thống 1 2 3 4 1 2 3 Z0 Z1 Z2 Z3 (<Z0) Z4 (<Z0) Q3=? Q4=? MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc Maët chuaån 10/14/2010 30 Sô ñoà heä thoáng Bôm X bieát ñöôøng ñaëc tính, cao ñoä caùc nuùt vaø ñaëc tröng hình hoïc oáng bieát PGS. Dr. Nguyễn Thống Bôm X Z0 Z1 Zñ Z2 1 2 4 3Q4 Beå chöùa Ñaøi nöôùc MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc Tính Q4 & Q trong các ñoạn ống ? Mặt chuẩn 610/14/2010 31 LAN TRUYEÀN CHAÁT TRONG MAÏNG LÖÔÙI ÑÖÔØNG OÁNG Giôùi thieäu vaán ñeà: - Xöû lyù hoùa hoïc nöôùc caáp. - Ñaùnh giaù khu vöïc phuïc vuï khaùc nhau cuûa heä thoáng nhieàu nhieàu nguoàn caáp. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 32 Baøi toaùn ñaët ra nhaèm giaûi quyeát vaán ñeà khueách taùn (soá haïng « diffusion ») cuûa chaát khöû truøng (ví duï clo) ñöôïc ñöa vaøo maïng löôùi. Ngoaøi heä phöông trình thuûy löïc giôùi thieäu treân, ta coøn coù phöông trình ñoái löu (soá haïng « advection ») cuûa chaát ñöa vaøo nhö sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống ( )ij ij ij ij ijij c x c A q t c θ+ ∂ ∂ −= ∂ ∂ * MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 33 trong ñoù: • cij: noàng ñoä chaát khöû truøng trong ñoaïn ñöôøng oáng (ij); ñöôïc xem nhö laø moät haøm soá theo khoaûng caùch vaø thôøi gian; kg/m3. • xij: chieàu daøi doïc theo oáng (ij). • qij: löu löôïng trong ñöôøng oáng (ij). • AS: tieát dieän. • tyû leä chaát khöû truøng trong ñöôøng oáng (ij), kg/m3/ngaøy. PGS. Dr. Nguyễn Thống ( )txcc ijijij ,= ( )ijcθ MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 34 Phöông phaùp xaùc ñònh cij(t) Duøng keát quûa baøi toaùn thuûy löïc (qij) ñaõ bieát, theá vaøo phöông trình treân (daïng sai phaân) ñeå xaùc ñònh Cij(t). Phöông trình sai phaân aùp duïng cho toaøn boâ caùc ñöôøng oáng vaø boå sung caùc phöông trình bieåu thò ñieàu kieän baøo toaøn chaát taïi caùc ñieåm nuùt maïng löôùi cho pheùp nhaän ñöôïc soá löôïng phöông trình caàn thieát ñeå giaûi tìm caùc aån soá. Ví duï aùp duïng vôùi phaàn meàm EPANET. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 35 BAØI TAÄP Cho maïng löôùi sau. Giaû thieát caùc ñöôøng oáng (1,2,12,13) coù d=250mm, coøn laïi coù d=200mm vaø L=150m. Cao ñoä caùc nuùt maïng löôùi laø 0m. Cao ñoä ñaùy ñaøi nöôùc 20m. Caùc ñieåm laáy nöôùc vôùi löu löôïng trung bình qtb=25 l/s. Caùc ñieåm laáy nöôùc 2,3,4,5 coù pattern N1 laø k=1,15 töø 6h, 20h vaø k=0 giôø coøn laïi. Caùc ñieåm laáy nöôùc 6,7,8,9 coù pattern N1 laø k=1,2 töø 8h, 22h vaø k=0 giôø coøn laïi. Nöôùc ñöôïc caáp töø 2 nuùt nhö sô ñoàvôùi 2 bôm A(Q=20l/s, H=30m) vaø B(Q=100l/s, H=25m). PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 10/14/2010 36 SƠ ðỒ MẠNG LƯỚI PGS. Dr. Nguyễn Thống 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 7 6 8 9 11 10 13 12 A B Ñaøi nöôùc Tìm ranh giôùi nöôùc caáp (gaàn ñuùng) vaøo luùc 10h vaø 20h. MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc 710/14/2010 37 HEÁÁ T CHÖÔNG 4 PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 4: Phaân tích maïng löôùi caáp nöôùc