MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC - CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA & THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NƯỚC pdf

Th ự c hành 4: Mơ ph ỏ ng th ủ y l ự c v ớ i HEC-RAS MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bị CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HOÁ & THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NƯỚC Nội

Trang 1

10/14/2010 1

Khoa KTXD - B ộ mơn KTTNN

PGS TS NGUY Ễ N TH Ố NG

E-mail: nthong56@gmail.com or nthong56@yahoo.fr

Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong

NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1 Chất lượng, ht phân phối nước & thiết bị.

Chương 2 Quản lý cung - cầu trong cấp nước.

Ch ươ ng 3 Mơ hình hố & thi ế t k ế ht c ấ p n ướ c.

Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước.

Chương 5: Nước va trong đường ống chảy cĩ áp.

Chương 6 Quy hoạch hệ thống thĩat 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

Thự c hành 1: Mơ hình d ự báo nhu c ầ u

n ướ c dùng v ớ i p/p H ồ i quy tuy ế n tính

Th ự c hành 2: Mơ ph ỏ ng m ạ ng l ướ i c ấ p

n ướ c v ớ i EPANET.

Th ự c hành 3: Mơ ph ỏ ng m ạ ng l ướ i thốt

n ướ c v ớ i SWMM.

Th ự c hành 4: Mơ ph ỏ ng th ủ y l ự c v ớ i

HEC-RAS

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bị

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH HOÁ & THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CẤP NƯỚC

Nội dung:

- Mô hình hoá hệ thống cấp nước

- Lý thuyết lập mô hình

- Mô phỏng hệ thống cấp nước

- Mô phỏng hệ thống với phần mềm Epanet

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước

PGS Dr Nguyễn Thống

PHÂN PHỐI NƯỚC

Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước

KIẾN THỨC CẦN THIẾT

- Lý thuyết thủy lực cơ bản;

- Kiến thức thực tế về vận hành một hệ thống phân

phối nước.

MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNG

- Quy hoạch tổng thể dài hạn;

- Sự phục hồi;

- Các nghiên cứu về chữa cháy;

- Quan sát chất lượng;

- Quản lý năng lượng;

- Thiết kế hệ thống;

- Nhu cầu vận hành, ứng phó & xử lý sự cố hàng ngày

Trang 2

10/14/2010 7

Quy hoạch tổng thể dài hạn:

Xác định các dự án phát triển chính để đảm

bảo chất lượng phục vụ tương lai.

Nhận ra các vùng có nguy cơ ’tiềm ẩn’ (áp

suất thấp, chất lượng nước,…).

Xác định quy mô và vị trí đường ống chuyển

nước, trạm bơm, công trình trữ nước để ‘đảm

bảo’ không xảy ra về sự thay đổi lưu lượng,

áp suất vượt quá cho phép.

Sự phục hồi:

Nhận biết các hạng mục (đường ống, van, bể

chứa,…) đã xuống cấp cần phải thay thế.

Mô hình thủy lực cho phép đánh giá các khả

năng có thể xảy ra với các phương án cải tạo khác nhau phương án cải tạo kinh tế nhất.

Theo dõi chất lượng nước:

Mô hình mô phỏng có thể mô phỏng: tuổi

nước, chất đánh dấu nguồn, phân bố nồng độ

hoá chất (ví dụ Clo dư).

Quản lý năng lượng:

Ngoài chi phí bảo dưỡng và sửa chữa hạ tầng,

chi phí năng lượng bơm & quản lý chiếm tỷ lệ

lớn.

Mô phỏng thủy lực cho phép đánh giá hiệu

quả tiêu thụ năng lượng bơm (hiệu suất chạy

của bơm).

VẬN HÀNH HÀNG NGÀY

Khi vận hành cần đảm bảo:

- áp suất;

- lưu lượng;

- mực nước trong các đài.

dao động trong phạm vi cho phép.

THỂ HIỆN MÔ HÌNH CẤP NƯỚC

- Bể chứa

Trong mô hình được thể hiện bằng một nút ở

biên

Xem đó là nguồn nước cấp ‘vô hạn’ cho hệ

thống.

Trong mô hình hoá mạng lưới dùng để mô tả:

ao giếng nước ngầm.

bể chứa nước sạch sau trạm xử lý của bơm

cấp 1.

- Đài nước:

Là một nút biên.

Đường đo áp thay đổi theo dòng chảy vào, ra đài.

Dung tích hữu hạn (giống thực tế).

Các thông số khi mô phỏng đài: độ cao đáy, đường kính, trong trường hợp đài hình trụ [nếu dạng khác W=f(h), chiều sâu nước trong đài], các mực nước ban đầu (t=0), mực nước thấp nhất & mực nước cao nhất.

Trang 3

10/14/2010 13

THÔNG SỐ MÔ PHỎNG ĐÀI NƯỚC

Cao trình đáy đài MN thấp nhất

MN ban đầu

MN lớn nhất

h

W=f(h)

Q

pa

CÓ 3 LOẠI ĐÀI NƯỚC CƠ BẢN

- Đài nổi với mặt nước tự do

- Đài có áp (đài thủy lực nén khí)

- Đài dùng bơm.

Các đài nước cũng giữ vai trò như điểm nguồn cung cấp nước sạch.

ĐÀI NÉN KHÍ

Là loại đài kín, một phần được làm đầy bởi khí

nén Nó có thể ở vị trí ‘thấp’ trong hệ thống

so với yêu cầu đài nước có mặt thoáng tự do:

Bơm

Bình nén khí MNmax

MNmin

V hiệu qiả p>p a

Mối nối: Nút mạng lưới.

Vị trí giao nhau của hai hay nhiều đường ống.

Nơi có thể lấy lưu lượng

Thông số mối nối : cao trình & lưu lượng TB (với patten tương ứng) vào (ra nút) nếu có.

d 1

d 2

q

d 1 d 2

d 3 Đường ống

Đoạn (đường) ống

Giới hạn giữa 2 mối nối (nút).

Quy ước có d không đổi.

Khi tính toán thủy lực Không có

lưu lượng ra (vào) dọc tuyến (trong

quy đổi gần đúng về lưu lượng tập

trung ở nút 2 đầu).

Thông số : Chiều dài (l), đường kính (mm), hệ số nhám.

Trong các mô hình mô phỏng người ta đưa vào giá trị đường kính định danh.

D ngoài

d thực

D đị nh danh

Trang 4

10/14/2010 19

Máy bơm:

Thiết bị bổ sung năng lượng cho hệ thống

dưới dạng nâng cột nước (áp suất).

Các thông số về bơm:

Đường đặc tính H ~ Q

Đường đặc tính ηηηη ~ Q, H

Đường đặc tính N ~ Q, H

Đường đặc tính [Hck]cp~ Q

ĐƯỜNG CONG ĐẶC TÍNH BƠM

H (m)

Q (m3/s)

H tk

Q tk

Quan hê Q=f(H)

xá c đị nh t ư$ nha $

SX b ơ m

0

H=33.3-20.84.10 -5 Q 2

EPANET H(m), Q(l/s) Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước

Van:

Thay đổi lưu lượng đi qua thông qua việc

thay đổi sức cản đối với dòng chảy.

- Van cách li;

- Van một chiều;

- Van giữ cao độ;

- Van xả khí & phá chân không;

- Van giảm áp;

- Van khống chế (lưu lượng).

(a)vane rôbinet, (b) vane bướm, (c)vane clapet 1 chiều, (d) vane giảm áp

Tổng cột nước

H khi không có van giảm áp

Sơ đồ minh hoạ sự làm việc VAN GI Ả M ÁP

Van giảm áp

Vùng phục vụ trên cao

Vùng phục vụ dưới thấp

Bể chứa

trên đồi

H khi có van

(H=Z+p/ γγγγ )

Mặt chuẩn

p/ γγγγ

Z

∆∆∆∆H

Tổng cột nước

H khi không có van giữ áp

Sơ đồ minh hoạ sự làm việc VAN GI Ữ ÁP

Van giữ áp

Vùng phục vụ trên cao

Vùng phục vụ dưới thấp

Bể chứa trên đồi

H khi có van

Mức thấp nhất

p/γγγγkhi k/có van!

∆∆∆∆H

Trang 5

10/14/2010 25

Đài nước

Nút (điểm lấy nước)

Đoạn ống Bơm

Bể

chứa

LÝ THUYẾT LẬP MÔ HÌNH

Phân tích thủy lực

Phân tích chất lượng nước

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG

Còn gọi là tổn thất cột nước bao gồm:

- Tổn thất dọc đường (đường dài) do ma sát

giữa dòng chảy và thành ống.

- Tổn thất cục bộ do sự rối loạn dòng chảy sinh

ra khi dòng chảy thay đổi phương đột ngột

hoặc qua chỗ nối ống, thay đổi tiết diện chảy

đột ngột.

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI

- Darcy-Weisbach:

- Hazen-Williams:

- Manning:

π 5

2 L

gD

fLQ 8

852 , 1 87 , 4

852 , 1 L

C D

LQ 7 , 10

33 , 5

2 2 L

D

LQ n 3 , 10

dh L (m) tổn thất cột nước

Q (m 3 /s) lưu lượng qua ống

D (m) đường kính ống

f hệ số ma sát:

- Colebrook-White:

- Swamee-Jain:

) f Re

51 2 D 7 3

e lg(

2 f

2

9

0 ) Re

74 5 D 7 3

e ln(

25 0 f









+

∆

=

- Federov:

- độ nhám tương đương, R bán kính thủy lực.

- Re số Reynold, a 2 phụ thuộc tính nhám thành ống

& chất lơ lửng.

- n hệ số nhám (0.01 0.025)

- C hệ số phụ thuộc loại và tình trạng ống (50

140)

) Re

a R 68 13

e lg(

2 f

e

∆

Trang 6

10/14/2010 31

TÍNH THỦY LỰC MẠNG LƯỚI PHÂN PHỐI NƯỚC

Các phương pháp tính thủy lực mạng lưới:

- Mạng lưới cụt: Phương pháp trực tiếp (Q, H).

- Mạng lưới vòng:

Phương pháp Hardy Cross (giải lặp).

Phương pháp cân bằng lưu lượng nút (ma trận).

Phương pháp tổng quát (Epanet).

- Mạng lưới hỗn hợp (cụt+vòng):

Phương pháp tách thành mạng lưới cụt + mạng

lưới vòng.

Phương pháp tổng quát.

TÍNH THỦY LỰC MẠNG LƯỚI

• Mục đích : Xác định phân phối lưu lượng trong

đường ống (hoặc cột nước đo áp tại các nút) theo

thời gian (mô phỏng thủy lực mạng lưới).

• Phương pháp :

– Mạng lưới hở (cụt): Giải trực tiếp từ cuối mạng

(cuối đường ống nhánh) về ‘nguồn’ Xem lý

thuyết trong Cơ chất lỏng hoặc Cấp thoát nước.

– Mạng lứơi vòng: Phương pháp đúng dần Hardy

Cross, Phương pháp cân bằng lưu lượng nút (ma

trận).

TÍNH THỦY LỰC MẠNG LƯỚI BẰNG PHƯƠNG

PHÁP CÂN BẰNG L/L NÚT

Quan hệ Q và dh, Q (m 3 /s) : lưu lượng qua ống

dh (m) tổn thất năng lượng

K hệ số phụ thuộc đặc tính ống, Q (quan hệ phi tuyến) H=z+p/γ cột nước đo áp toàn phần, m=12

k

j

o o

H j

H k

Đường c/nước đo áp H=z+p/γγγγ Q (i) z

Q K Q K

TÍNH THỦY LỰC MẠNG LƯỚI

PP CÂN BẰNG LƯU LƯỢNG NÚT

PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG LƯU LƯƠïNG NÚT Xét quan hệ tổn thất năng lượng và lưu lượng qua 1 đoạn ống cơ bản i

Tại nút k : Tại nút j

Viết dưới dạng ma trận ta có:

(dạng ma trận)

j i k i i i i

k k H k H H

j i k i i

Q = − −

























−

=













i j

i k i

i j

i k

H

H k

Q

1 1

i i i H K

Q =

Tên ống Tên nút

Trang 7

10/14/2010 37

HỆ THỐNG P/T CHO

TOÀN MẠNG LƯỚI

• Để thiết lập hệ phương trình biểu diễn

cho toàn mạng lưới, ta sẽ dựa vào

nguyên tắc cân bằng lưu lượng lần lượt

tại các nút.

• Để đơn giản, ta xét ví dụ cho một mạng

lưới đơn giản sau:

SƠ ĐỒ MAïNG LƯỚI

1

2

3

4

5

6 1

2 3

4

5 6 8

7 9

C 6

Ta gọi C j là lưu lượng vào (hoặc ra) hệ thống mạng

lưới tại nút j với quy ước:

• C j > 0 : lưu lượng đi vào nút

• C j < 0 : lưu lượng ra khỏi nút

Sự cân bằng lưu lượng tại một nút bất kỳ j cho phép

ta viết:

• với chỉ số i biểu thị tất cả các đường ống hội tụ về

nút j.

j i

i

j C

Q =

∑

Trong các đ o ạ n ố ng

h ộ i t ụ v ề nút

• Ví dụ tại nút j=5 cho mạng lưới nêu trên ta

có phương trình cân bằng lưu lượng như sau:

• Xét phần tử đường ống i=5 ta có:

5

8 5

7 5

5

























−

=













2

5 5

5 2

5 5

1 1

H

H k

Q Q

(1)

Tên nút

Xét phần tử đường ống i=7 ta có:

Xét phần tử đường ống i=8 ta có:

























−

=













5

4 7

7

5

7

4

1 1

H

H k

Q

























−

=













5

3 8

8

5

8

3

1 1

H

H k

Q

Thay vào phương trình cân bằng nút và thu gọn ta có:

Ví dụ tại nút j=1:

Với nút này ta có 2 phần tử i=1 và i=2 liên kết vào nút Xét phần tử i=1 ta có:

4 7 3 8 2

5H k H k H k k k H C

−

























−

=













2

1 1

1 2

1 1

H

H k

Q Q

(1) MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước

Trang 8

10/14/2010 43

Xét phần tử i=2 ta có:

Thay vào phương trình cân bằng nút ta có:

























−

=













3

1 2

2 3

2 1

1 1

H

H k

Q Q

( k1 + k2) H1 − k1H2 − k2H3 = C1 (2)

Ta có thể tổng quát hoá ra quy luật chung và viết dưới dạng ma trận tổng thể như sau:

( )













=

























+ +

−

− + + +

−

− + + +

−

− + + +

−

− +

6

2 1

6

2 1

9 8 7 5

9 7 9 7 6 4

8 6

8 6 3 2

5 4

3 5 4 3 1

2 1

0 0 0 0 0 0

C

C C

H

H H

k k k k DX

k k k k k k

k k

k k k k

k k

k k k k k

k k

Chú ý: Ma trận [K] đối xứng

CHÚ Ý

Trong ph ươ ng pháp gi ả i l ặ p

Hardy Cross ẩ n s ố là l ư u

l ượ ng Qi trong các đ o ạ n ố ng.

Trong ph ươ ng pháp ma tr ậ n

ẩ n s ố là c ộ t n ướ c đo áp H

t ạ i các nút c ủ a m ạ ng l ướ i.

SƠ ĐỒ MAïNG LƯỚI

1

2

3

4

5

6 1

2 3

4

5 6 8

7 9

C 6

ĐIỀU KIỆN BIÊN

• Trước khi tiến hành giải hệ phương trình tuyến

tính trên, các điều kiện biên áp dụng trong

mạng lưới phải được đưa vào hệ phương trình

Thông thường ta có 2 loại điều kiện biên cơ

bản sau đây:

Hi : biết tạ i nút i

Ci : biết tạ i nút i

Trong trường hợp thứ 1, với Hibiết trước, giá trị

này sẽ được xử lý vào hệ phương trình bằng 1

trong 2 phương pháp sau:

• Phương pháp 1: (Dùng trong p/p PTHH)

Giữ nguyên hệ phương trình của mạng lưới, chỉ tiến hành biến đổi hàng thứ i trong hệ phương trình

Cho tất cả các hệ số kij=0 nếu i ≠≠≠≠ j, kij=1 nếu i=j và thay Ci=Hi: giá trị cột nước biết tại nút i.

hoặc cho k ii =A (A giá trị rất « lớn ») và thay C i bởi A.H i (H i là giá trị điều kiện biên đã biết của

H tại nút i).

Trang 9

10/14/2010 49

• Phương pháp 2:

Thay giá trị Hi đã biết vào phương trình

và biến đổi thích hợp để nhận hệ

phương trình mới có số phương trình ít

hơn (không có phương trình cho Hi đã

biết)

Giả sử có n giá trị Hi biết, số phưong

trình còn lại sẽ là (N-n) với N là số nút

của mạng lưới.

Bài tập: Viết ma trận biểu thị sơ đồ mạng lưới thủy lực sau (ẩ n s ố là H i ):

1 2

4

C1

C4

C2

C3

Ví dụ 1 : Cho hệ thống mạng lưới như hình vẽ Giả thiết

là dòng chảy tầng Cho biết H 1 =10 m; C 2 =-2 m 3 /s;

L 1 =L 2 =1000 m; φφφφ1=0.1 m; φφφφ2=0.2 m; νννν=10 -6 m 2 /s và

dòng chảy tầng có:

µµµµ = νννν * ρρρρ : hệ số nhớt động lực

ρρρρ : khối lượng riêng của nước.

L 128

g k

4 µ

φ πρ

=

1 2

a Viết ma trận biểu diễn hệ thống.

qua các đoạn ống.

CHÚ Ý: Quy lu ậ t th ủ y l ự c dịng

ch ả y t ầ ng trong ố ng trịn:

dh L 128

g dh k Q

4

µ

φ πρ

=

Giải:

Trên cơ sở số liệu ta tính được: k 1 =0.024 m 2 /s và

k 2 =0.385 m 2 /s

Ma trận cơ bản cho phần tử i=1:

Ma trận cơ bản cho phần tử i=2:

























−

=













2

1 1

2

1

024 0 024 0

H

H Q

Q

























−

=













2

1 2

2

2 1

385 0 385 0

H

H Q

Q

Ma trận tổng thể cho hệ thống sẽ là:











=

























+

−

− +

2 1 2 1 2 1 2 1

2 1 2

1

C

C H

H k k k k

k k k

k











=

























+

−

− +

2 1 2

1 C

C H

H 385 0 024 0 385 0 024 0

385 0 024 0 385 0 024 0

Trang 10

10/14/2010 55

-0.409H1+0.409H2= - 2 ⇒ H2=5.11 m

• Từ đó:

Q1=k1(H1-H2) =0.024(10-5.11) =0.1173 m3/s

Q2=k2(H1-H2) =0.385(10-5.11) =1.8826 m3/s

sau:

12.977 0.573

2000

5

0.772 0.283

2000

4

0.772 0.283

2000

3

0.385 0.2

1000

2

6.164 0.4

1000

1

k(m2/s) d(m)

L(m)

Phần tử

Sơ đồ mạng lưới

H 1 =20m

H 4 =10m

3

1

4

2

1 2

4 5

C 2 =10m 3 /s

C 3 =10m 3 /s

Xác định lưu lượng (Q) và cột nước (H) tại các vị trí chưa biết.

3

Giải: Ma trận tổng thể cho mạng lưới như sau:

Giải hệ phương trình trên ta có:

H2=19.443m;H3=11.495m;C1=6.7m3/s;C4 =-26.7m3/s













=

























+

− + +

−

− +

+

−

− +

4

1

3 2

10 10 10 20

977 12 772 0 977 12 977 12 772 0 385 0

772 0 772

0 772 0 772 0 164 6

0 385

0 164

6 385 0 164 6

C

H H

DX

Ví dụ 2: Cho mạng lưới như hình vẽ Các số liệu như

sau:

8.0 0.4

400

4

2.0 0.2

400

3

2.0 0.2

500

2

8.0 0.4

500

1

k(m2/s) d(m)

L(m)

Phần tử

Sơ đồ mạng lưới

H 4 =20m

3

1

4

2

C 2 =-5m 3 /s

C 1 =10m 3 /s

Xác định lưu lượng và cột nước tại các vị trí chưa biết.

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	636,74 KB