1 10/14/2010 1 TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Khoa KTXD - Bộ mơn KTTNN PGS. TS. NGUYỄN THỐNG E-mail: nthong56@gmail.com or nthong56@yahoo.fr Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 10/14/2010 2 NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1. Chất lượng, ht. phân phối nước & thiết bị. Chương 2. Quản lý cung - cầu trong cấp nước. Chương 3. Mơ hình hố & thiết kế ht. cấp nước. Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước. Chương 5: Nước va trong đường ống chảy có áp. Chương 6. Quy hoạch hệ thống thóat nước. Chương 7. Mơ hình hố & thiết kế ht. thốt nước. Chương 8. Thốt nước vùng triều. Chương 9. Quản lý vận hành ht. cấp và thốt nước. Phần mềm SWMM & EPANET MẠNG LƯỚI CẤP THỐT NƯƠ Ù C 10/14/2010 3 NỘI DUNG Th ực hành 1: Mơ hình dự báo nhu cầu nước dùng với p/p Hồi quy tuyến tính Thực hành 2: Mơ phỏng mạng lưới cấp nước với EPANET. Thực hành 3: Mơ phỏng mạng lưới thốt nước với SWMM. Thực hành 4: Mơ phỏng thủy lực với HEC- RAS MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bò PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 4 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC Mục đích: • Tìm hiểu bản chất vật lý sự làm việc đồng thời một hệ thống gồm nhiều loại công trình (đường ống, bơm, đài nước, bể chứa,…). • Xác đònh ‘vùng cấp nước’ của các nguồn khác nhau trong hệ thống. MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 5 HỆ THỐNG BƠM, ĐÀI NƯỚC VÀ ĐƯNG ỐNG Trong mạng lưới cấp nước sự hoạt động đồng thời của bơm, đài nước và hệ thống đường ống phải thỏa mãn các quy luật hoạt động của các hạng mục. Đối với bơm, quan hệ giữa lưu lượng bơm hoạt động và cột nước bơm tạo ra phải thỏa mãn đường cong đặc tính của từng loại bơm. Đối với đài nước, lưu lượng ra hay vào đài tùy thuộc vào cột nước của đài và áp lực nước tại nút mạng lưới nơi nối vào đài vào cùng thời điểm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 6 ĐƯỜNG CONG ĐẶC TÍNH BƠM PGS. Dr. Nguyễn Thống H (m) Q (m 3 /s) H tk Q tk MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Quan hê Q=f(H) xác định tư nha SX bơm 0 H=33.3-20.84.10 -5 Q 2    EPANET H(m), Q(l/s) 2 10/14/2010 7 Trong đó Q tk và H tk chỉ lưu lượng và cột nước thiết kế của bơm. Khi hoạt động với các thông số thiết kế này bơm sẽ có hiệu suất cao nhất. Vì một lý do nào đó, bơm phải hoạt động trong điều kiện khác giá trò thiết kế hiệu suất sẽ giảm và sự giảm hiệu suất sẽ càng tăng khi sự khác biệt càng lớn. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 8 HIỆU SUẤT BƠM PGS. Dr. Nguyễn Thống H tk Q (m 3 /s)Q tk H (m) η ηη η max η ηη η 1 > η ηη η 2 MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 0 10/14/2010 9 dh 0 Q 0 dh (m) Q (m 3 /s)O QUY LUẬT THỦY LỰC Xet đoạn ống bất kỳ    Quan hệ giữa tổn thất năng lượng dh (m) và lưu lượng đi qua Q(m 3 /s), một cách tổng quát có dạng sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước m KQdh = 10/14/2010 10/14/2010 10 10 PHÂN T PHÂN T Í Í CH CH S S Ự Ự LA LA Ø Ø M VIE M VIE Ä Ä C C Đ Đ O O À À NG THƠ NG THƠ Ø Ø I CA I CA Ù Ù C C HA HA Ï Ï NG MU NG MU Ï Ï C TRONG C TRONG HE HE Ä Ä THO THO Á Á NG NG PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 11 TRƯỜNG HỢP 1 (BƠM+ỐNG+ðỊA HÌNH)    Xác định Q 0    Bơm sử dụng đã được xác đònh (biết đường cong đặc tính bơm). Đọan đường ống (ij) với đặc trưng hình học của ống đã cho trước (chiều dài, đường kính, hệ số nhám, quy luật tổn thất năng lượng).  Cuối đường ống dẫn đưa nước đến một cao trình h j đã biết (địa hình). Xác đònh lưu lượng Q 0 qua ống. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 12 • Sơ đồ có thể mô tả như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước ðặc tính bơm X Mặt chuẩn h i V x ? h =f(Q) Q dh =g(Q) h dh Q x 0 (h địa hình) H Quy luật thủy lực 3 10/14/2010 13 Giá trò lưu lượng qua ống (cũng là lưu lượng bơm) xác đònh như sau:    Gọi Q x là lưu lượng giả đònh qua ống.    Từ quan hệ tổn thất năng lượng    tổn thất năng lượng trong đường ống dh.    Ngòai ra, khi bơm hoạt động với lưu lượng Q x    h của bơm từ đường cong đặc tính bơm.    Cột nước đo áp CÒN LẠI tại cuối đường ống: h x = h – (dh+V x 2 /2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 14 So sánh giá trò h x và h j (h địa hình):  nếu h x < h j (b ơm THIẾU cột nước)    Q x sẽ giảm đến khi nào h x =h j .  nếu h x > h j (b ơm THỪA cột nước)    Q x sẽ tăng đến khi nào h x =h j . (Quá trình thay đổi Q x giá trò dh thay đổi theo) PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 15 Kết luận:    lưu lượng bơm không phải là giá trò áp đặt “chủ quan” vào hệ thống.    kết quả từ sự cân bằng làm việc phối hợp giữa đặc tính đường ống, bơm và điều kiện “biên”. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 16 TRƯỜNG HỢP 2 (BƠM+ỐNG+Q 0 )    X ác định h i • Giả thiết bơm sử dụng đã được xác đònh (biết đường cong đặc tính bơm) và một đọan đường ống (ij) với đặc trưng hình học của ống đã cho trước (chiều dài, đường kính, hệ số nhám, quy luật tổn thất năng lượng). Đường ống tải lưu lượng thiết kế Q 0 cho trước. • Xác đònh cột nước h i . PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 17 Giá trò cột nước đo áp sẽ được xác đònh với giá trò duy nhất như sau:    Đường ống tải qua lưu lượng Q 0    tổn thất năng lượng xác đònh được dh (theo đường quy luật thủy lực).    Khi bơm họat động với lưu lượng Q 0    từ đường đặc tính bơm    h bơm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 18 Cột nước đo áp tại cuối đường ống là:    h j = h – (dh+V 0 2 /2g) với V 0 =Q 0 /S trong đó S là tiết diện đường ống. Trên cơ sở lý luận này cho phép khảo sát sự thay đổi cột nước đo áp tại cuối đường ống khi lưu lượng lấy qua ống thay đổi. • Ví dụ khi Q 0 tăng, ta thấy h sẽ giảm và dh tăng do đó h j giảm (tốc độ giảm không phải là tuyến tính). PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 4 10/14/2010 19 TRƯỜNG HỢP 3 (BƠM+ỐNG+z ðÀI ) • Khảo sát một hệ thống đơn giản gồm bơm X, đài nước. Nối liền bơm và đài nước là một đường ống với các thông số đã biết. Giả thiết tại một thời điểm khảo sát mực nước trong đài đã xác đònh H đ & V x đã biết. • Xác đònh trạng thái nước ra (vào) đài và lưu lượng bơm Q b . PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 20 SƠ ðỒ HỆ THỐNG PGS. Dr. Nguyễn Thống Mặt chuẩn Q b =? H d Q x ? X H x A B MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Q đ =? 10/14/2010 21  Giả thiết Q bơm    H bơm  Tính tổn thất dh X-A So sánh (H bơm - dh X-A ) & H đ Trường hợp 1: (H bơm - dh X-A ) > H đ    N ước vào đài. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 22    Có V x (Q x ) tính năng lượng tại B: E B = z+p/ρ ρρ ρg+V x 2 /2g = H x +V x 2 /2g    Tính E tại A p : E A p . E A p = E B +dh AB So sánh E A p và E đ , có 2 khả năng xảy ra: Trường hợp 1: E A p > E đ    nước vào với lưu lượng Q đ xác định như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 23 Giả thiết giá trị Q bơm với Q bơm > Q x    Tra quan hệ xác định H bơm Tính dh X-A  Tính E A T = H bơm - dh X-A Nếu E A T > E A P    tăng Q bơm cho đến khi E A T = E A P & Q đài = Q bơm – Q x Nếu E A T < E A P    giảm Q bơm cho đến khi E A T = E A P & Q đài = Q bơm - Q x PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 24 Trường hợp 2: E A p < E đ    nước ra với lưu lượng Q đ xác định như sau: Giả thiết giá trị Q bơm với Q bơm < Q x    Tra quan hệ xác định H bơm Tính dh X-A  Tính E A T = H bơm - dh X-A  Nếu E A T > E A P    tăng Q bơm cho đến khi E A T = E A P & Q đài = Q bơm - Q x PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 5 10/14/2010 25 Với Q x đã xác đònh (V x biết), xác đònh dh AB    cột nước đo áp tại A p là H A p , thật vậy: H A p =(H x +V 0 2 /2g) +dh AB • So sánh H A và H đ có 2 khả năng xảy ra: Nếu H A > H đ nước đi vào đài với lưu lïng Q đ như sau: • Giả thiết giá trò Q b (với Q b > Q x )    h bơm & tính tổn thất năng lượng trong đoạn ống từ X đến A là dh XA . • Từ đó: H A =h – (dh XA +V 0 2 /2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 26 • So sánh H A và H A (*) . Nếu H A >H A (*) tăng giá trò giả thiết Q b và ngược lại. Chọn giá trò Q b khi: H A = H A (*)    Lưu lượng nước đi vào đài là : Q đ =Q b –Q x . Nếu H A < H đ    nước đi ra khỏi đài Q đ xác đònh như sau: • Giả thiết giá trò Q b (với Q b < Q x )    h bơm & tổn thất năng lượng trong đoạn ống từ X đến A là dh XA . • Từ đó: H A =h - dh XA +V 0 2 /2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 27 • So sánh H A và H A (*) . Nếu H A > H A (*) tăng giá trò giả thiết Q b và ngược lại. Chọn giá trò Q b khi: H A = H A (*) Lưu lượng nước đi ra khỏi đài là : Q đ =Q x - Q b . PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 28 Nhận xét:    Lưu lượng của bơm không phụ thuộc vào áp đặt “chủ quan” mà lưu lượng bơm sẽ thay đổi theo từng tình huống cụ thể của hệ thống.    Đây là điểm cần phải lưu ý khi mô phỏng hệ thống mạng lưới cấp nước theo thời gian sử dụng từ các phần mềm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 29 BÀI TẬP Trình bày phương pháp xác đònh phân phối lưu lượng trong các ống của các mạng lưới sau. Giả thiết quy luật thủy lực, thông số về đường ống và sơ đồ mạng lưới đã biết. PGS. Dr. Nguyễn Thống 1 2 3 4 1 2 3 Z 0 Z 1 Z 2 Z 3 (<Z 0 ) Z 4 (<Z 0 ) Q 3 =? Q 4 =? MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Mặt chuẩn 10/14/2010 30 Sơ đồ hệ thống Bơm X biết đường đặc tính, cao độ các nút và đặc trưng hình học ống biết PGS. Dr. Nguyễn Thống Bơm X Z 0 Z 1 Z đ Z 2 1 2 4 3 Q 4 Bể chứa Đài nước MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Tính Q 4 & Q trong các đoạn ống ? Mặt chuẩn 6 10/14/2010 31 LAN TRUYỀN CHẤT TRONG MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG ỐNG Giới thiệu vấn đề: - Xử lý hóa học nước cấp. - Đánh giá khu vực phục vụ khác nhau của hệ thống nhiều nhiều nguồn cấp. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 32 Bài toán đặt ra nhằm giải quyết vấn đề khuếch tán (số hạng « diffusion ») của chất khử trùng (ví dụ clo) được đưa vào mạng lưới. Ngoài hệ phương trình thủy lực giới thiệu trên, ta còn có phương trình đối lưu (số hạng « advection ») của chất đưa vào như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống ( ) ij ij ij ij ijij c x c A q t c θ + ∂ ∂ −= ∂ ∂ * MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 33 trong đó: • c ij : nồng độ chất khử trùng trong đoạn đường ống (ij); được xem như là một hàm số theo khoảng cách và thời gian; kg/m 3 . • x ij : chiều dài dọc theo ống (ij). • q ij : lưu lượng trong đường ống (ij). • A S : tiết diện. • tỷ lệ chất khử trùng trong đường ống (ij), kg/m 3 /ngày. PGS. Dr. Nguyễn Thống ( ) txcc ijijij ,= ( ) ij c θ MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 34 Phương pháp xác đònh c ij (t) Dùng kết qủa bài toán thủy lực (q ij ) đã biết, thế vào phương trình trên (dạng sai phân) để xác đònh C ij (t). Phương trình sai phân áp dụng cho toàn bô các đường ống và bổ sung các phương trình biểu thò điều kiện bào toàn chất tại các điểm nút mạng lưới cho phép nhận được số lượng phương trình cần thiết để giải tìm các ẩn số. Ví dụ áp dụng với phần mềm EPANET. PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 35 BÀI TẬP Cho mạng lưới sau. Giả thiết các đường ống (1,2,12,13) có d=250mm, còn lại có d=200mm và L=150m. Cao độ các nút mạng lưới là 0m. Cao độ đáy đài nước 20m. Các điểm lấy nước với lưu lượng trung bình q tb =25 l/s. Các điểm lấy nước 2,3,4,5 có pattern N 1 là k=1,15 từ 6h, 20h và k=0 giờ còn lại. Các điểm lấy nước 6,7,8,9 có pattern N 1 là k=1,2 từ 8h, 22h và k=0 giờ còn lại. Nước được cấp từ 2 nút như sơ đồvới 2 bơm A(Q=20l/s, H=30m) và B(Q=100l/s, H=25m). PGS. Dr. Nguyễn Thống MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 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 Đài nước Tìm ranh giới nước cấp (gần đúng) vào lúc 10h và 20h. MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 7 10/14/2010 10/14/2010 37 37 HE HE T CH T CH ệ ệ ễNG 4 ễNG 4 PGS. Dr. Nguyn Thng MA ẽ NG L ệ ễ I CA P THOA T N ệ ễ C Chửụng 4: Phaõn tớch maùng lửụựi caỏp nửụực . cấp nước. Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước. Chương 5: Nước va trong đường ống chảy có áp. Chương 6. Quy hoạch hệ thống thóat nước. Chương 7. Mơ hình hố & thiết kế ht. thốt nước. Chương. phỏng mạng lưới cấp nước với EPANET. Thực hành 3: Mơ phỏng mạng lưới thốt nước với SWMM. Thực hành 4: Mơ phỏng thủy lực với HEC- RAS MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân. N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/ 14/ 2010 6 ĐƯỜNG CONG ĐẶC TÍNH BƠM PGS. Dr. Nguyễn Thống H (m) Q (m 3 /s) H tk Q tk MA Ï NG L Ư Ơ Ù I CA Á P THOA Ù T N Ư Ơ Ù C Chương 4: Phân tích mạng