Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước doc

Các phiên bản đã qua của SWMM : Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung..

LỜI GIỚI THIỆU

Mục lụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI –CS2

BỘ MÔN CẤP THOÁT NƯỚC Biên soạn:sv Tống Đình Quyết

PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

I Giới thiệu phần mềm SWMM :

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực

học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính

toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó

Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có

thể mô phỏng liên tục

Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp

đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The

U.S.Environment Protection Agency )

Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trường DOS Mô hình liên tục được cập

nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0 chạy trên môi trường WINDOW Phiên

bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý

rủi ro Quốc gia của EPA

Các phiên bản đã qua của SWMM :

Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối

lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung

Mọi vấn đề về thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm

dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát

nước, hồ chứa và khu xử lý

Mô hình SWMM mô phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (biểu

mơ tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đốn các trị số chất lượng và khối

lượng dịng chảy

Hình 1: Các khối xử lý chính trong mơ hình SWMM

Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:

¾ Khối “dịng chảy” (Runoff block) tính tốn dịng chảy mặt và ngầm dựa trên

biểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất

¾ Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các cơng trình tích

nước như ao hồ…và các cơng trình xử lý nước thải, đồng thời mơ tả ảnh hưởng của

Dòng chảy(Khối Runoff)

Nhận nước (KhốiReceiving)

Truyền tải chảy mặt (Khối transport)

Chảy trong hệ thống (Khối Extran)

Trữ / Xử lý(Khối torage/Treatment)

các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản

cũng được thực hiện

¾ Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận

Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển

khai nhằm :

o Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước để

giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho những

khu vực mới phát triển

o Ước tính lưu lượng nước lũ trong kênh và các chi lưu để xác định vị

trí của kênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ

o Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn

dòng dọc kênh

* Những ứng dụng điển hình của SWMM :

o Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa

o Quy hoạch ngăn tràn cống chung

o Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở

o Quy hoạch cống ngăn lũ

o Quy hoạch hồ chứa phòng lũ

SWMM xem xét mọi quá trình thủy văn tạo dòng chảy trên lưu vực đô thị như :

Sự biến đổi về mặt không gian trong mọi quá trình được khắc phục bởi việc

chia nhỏ khu vực nghiên cứu thành nhiều lưu vực con đồng nhất

SWMM cũng có tất cả những tính năng mền dẻo của một mô hình thủy lực

dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, các

công trình phân nước của hệ thống tiêu thoát nước như :

o Tính toán được các hệ thống lớn phức tạp

o Sử dụng nhiều loại cống có hình dạng và kích thước khác nhau và các

kênh hở

o Mô hình hóa được các bộ phận phức tạp trong hệ thống như: hồ chứa,

các trạm xử lý nước, trạm bơm tiêu …

o Có thể xét đến nhập lưu hay dòng chảy từ bên ngoài vào cống như

dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt và nhiều dạng khác của dòng chảy

o Có thể sử dụng phương pháp diễn toán dòng chảy sóng động học hay

sóng động lực học

o Mô phỏng được nhiều loại chế độ dòng chảy như nước vật, chảy

ngược, nước nhảy do cống đóng mở đột ngột …

SWMM cũng có thể ước tính chất ô nhiễm liên quan đến dòng chảy trên lưu

vực đô thị :

o Chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ các khu vực khác nhau

o Ô nhiễm do dòng chảy cuốn đi khi mưa

o Nguồn ô nhiễm khác chảy từ bên ngoài vào hệ thống tiêu thoát nước

o Diễn toán chất lượng nước trong hệ thống kênh

o Ước tính sự giảm chất ô nhiễm từ các bể lắng đọng hoặc trạm xử lý nước

III Các thuật toán trong SWMM :

Cơ sở toán học của SWMM :

Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là :

¾ Modun Runoff trong SWMM là modun tính dòng chảy từ mưa, các chất ô

nhiễm trên các lưu vực

¾ Modun Transport trong SWMM diễn toán dòng chảy trên / trong hệ thống

các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu

thoát nước đô thị

SWMM cho phép tính toán dòng chảy cả về chất và lượng trong từng lưu vực con, tốc

độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước trong từng đoạn ống cống, kênh dẫn trong

quá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian

1.Tính toán lượng mưa hiệu quả

Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thực hiện bằng phương pháp khấu trừ

tổn thất do thấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất, điền trũng, và do thấm

PEF (t) = N (t) – VP (t) – F (t) – W (t) (2.2) Trong đó : PEF : Lượng mưa hiệu quả (mm)

Lượng mưa : được đưa vào mô hình bằng giá trị lượng mưa hoặc cường độ mưa

theo thời đoạn

Lượng bốc hơi bề mặt : lượng bốc hơi bề mặt được người sử dụng nhập vào mô

hình, có thể được tính theo phương pháp sau:

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

27 , 17 exp

611 ; e a = R h e as

Trong đó: E a : Lượng bốc hơi (mm/ngày)

u 2 : Tốc độ gió (m/s) đo tại chiều cao z 2 (cm)

z 0 : Chiều cao mẫu nhám (cm)

R h : Độ ẩm tương đối (%).

Lượng trữ bề mặt : là lượng nước bị tích tụ lại khi dòng chảy di chuyển qua

vùng có địa hình âm như ao, hồ, chỗ trũng trên mặt đường… Lượng trữ bề mặt rất khó

xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh

giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

2.Tính toán thấm, lượng thấm:

Thấm là quá trình có tính quyết định với vai trò là đại lượng vào cho hệ thống

đất thoáng khí Ý nghĩa quan trọng của quá trình thấm trong các quá trình động lực của

quá trình trao đổi nước trong đất là phân chia lượng mưa thành nước bề mặt và nước

trong đất do ảnh hưởng đến quá trình thủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trên

lưu vực Để tính toán dòng chảy đạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý,

đã có nhiều mô hình thấm được xây dựng Trong mô hình SWMM có 2 phương pháp

để lựa chọn:

¾ Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940) : là mô hình thấm 1 giai đoạn

Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f0 không đổi

nào đó, sau đó giảm dần theo quan hệ số mũ cho đến khi đạt tới một giá trị

không đổi f∞ Mô hình thấm Horton được áp dụng cho để tính cho trận mưa 1

đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổi không lớn

e f f f

f p = 0+ ( 0 − ∞) -kt (2.4)

Trong đó: f p (mm/s): Cường độ thấm vào đất

f ∞ (mm/s): Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hòa

f 0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0

t (s) : Thời gian tính từ lúc bắt đầu trận mưa rơi

k (T -1 ): Hằng số chiết giảm

Các thông số f∞, f0, k hoàn toàn xác định đường cong thấm fp và được người sử

dụng đưa vào tính toán

¾ Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911) : xây dựng dựa trên phương

trình thấm Darcy Mein - Lason (1973) đã cải tiến phương pháp này để tính

toán quá trình thấm theo hai giai đoạn: giai đoạn bão hoà và giai đoạn sau bão

hoà Trong giai đoạn bão hòa, đường cong cường độ thấm là đường quá trình

mưa thực do lượng mưa trong giai đọan này chỉ tham gia vào quá trình thấm

Trong giai đoạn sau bão hòa, lớp đất bề mặt đã bão hòa nước, đường cong thấm

giảm theo quy luật thấm trọng lực

Phương trình thấm Green-Ampt được viết dưới dạng:

V = K.J (2.5)

Trong đó: V: Cường độ thấm vào đất (mm/s)

K: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s)

IDM S

với i> Ks; và f = i

• Khi F ≥Fs thì f = f p và fp=Ks (1+

F

IDM S.

)

Trong đó: f: Cường độ thấm vào đất (mm/s)

f p : Cường độ thấm tiềm năng (mm/s)

i: Cường độ mưa (mm/s)

F: Lượng thấm tích luỹ (mm)

F s : Cường độ thấm tích luỹ đến trạng thái bão hoà (mm)

S: Sức hút mao dẫn trung bình (mm)

IDM: Độ thiếu hụt ẩm ban đầu

Ks: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s)

Theo EULER (1989) lượng bốc hơi ngày được tính theo công thức

VP(mm)=1,58 +(0,96+0,0033i)sin{2π/365(i-148)] (2.6)

Trong đó i: Ngày tính theo nămthủy văn

i=1 Ngày 1 tháng 1

i=365 Ngày 31 tháng 10 năm sau

VP : Lượng bốc hơi ngày thứ i

Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy

thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

dd A dt

dV = = * − (2.7)

Trong đó: V : Thể tích nước trên bề mặt lưu vực

d : Chiều sâu lớp dòng chảy mặt

t : Thời gian

A : Diện tích lưu vực bộ phận

i* : Cường độ mưa hiệu quả= cường độ mưa rơi trừ đi tổn thất và bốc hơi bề mặt

Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét

- Phương trình động lực: Phương trình Manning :

1(d dp)5 / 3S1 / 2

n W

Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m)

n: Hệ số nhám Manning

IV Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM

SWMM dùng tập hợp các nút ( node ), các đoạn ống nối với các nút, hồ điều

hòa, cửa xả, bơm… Để mô tả hệ thống mạng lưới thoát nước

Cấu tạo mạng lưới hệ thống thoát nước bao gồm các thành phần :

Subcatchment( lưu vực), Raingage(trạm mưa), Junction(nút),Storage Units( hồ điều

hòa),Conduits(đường ống), Pumps(bơm), Regulatiors(van điều khiển hay van một

chiều ), Outfalls(cửa xả), mối liên hệ của từng bộ phân được thể hiện trong sơ đồ sau

đây

Hình 2: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong SWMM

V Giao diện làm việc của mô hình SWMM

Hình 3: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới chạy với SWMM

2 Các bước thực hiện mơ phỏng một Project :

¾ Bước 1: Khai báo các thơng số mặc định và các tùy chọn

¾ Bước 2: Vẽ sơ đồ lưu lượng và mạng lưới cơng trình thốt nước

¾ Bước 3: Khai báo các thơng số của hệ thống

¾ Bước 4: Chạy mơ phỏng

¾ Bước 5: Xem xét kết quả

¾ Bước 6: Hiệu chỉnh thơng số đầu vào và mơ phỏng lại (nếu cần)

a) Bước 1:Khai báo các thơng số mặc định và các tùy chọn (Project/Defaults ):

o Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng

Hình 5 : Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng

9 Tuỳ chọn để giữ nguyên các ký hiệu dùng cho các

Ỉ Cửa chia nước

Ỉ Vùng trữ tạm nước

Ỉ Ống dẫn ( kênh, ống, sông )

Ỉ Bơm

o Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

Hình 6: Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

o Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn

Hình 7: Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn

Ỉ Diện tích lưu vực ( ha)

Ỉ Bề rộng lưu vực ( m)

Ỉ Độ dốc trung bình

Ỉ % tỷ lệ diện tích không thấm

Ỉ Hệ số nhám Maning của phần không thấm & vùng thấm

Ỉ Lượng nước trữ lại trên vùng không thấm

Ỉ Lượng nước trữ lại trên vùng thấm

Ỉ Phần hoàn toàn không thấm

Ỉ Giá trị cho nút

Ỉ Chiều sâu max của nút

Ỉ Chiều dài conduit (m)

o Khai báo Map Option ( View / Map Options ) hoặc kích chuột phải tại

hộp thoại Study Area Map Ỉ Options.

Hình 8: Khai báo các giá trị mặc định cho Map Option

b) Bước 2: Vẽ sơ đồ lưu vực và mạng lưới cơng trình thốt nước

View Ỉ Back drop Ỉ Load Ỉ File mặt bằng đơ thị cần đồ Ỉ ok Ỉ đồ

lại đơ thị theo mặt bằng trên

Hình 9: Trình tự vẽ sơ đồ lưc vực

Khai báo ký hiệu tiểu lưu vực Ỉ Khai báo biểu tượng nút Ỉ Ký hiệu biểu tượng đường ống Ỉ

Ký hiệu nhãn Ỉ Thể hiện các giá trị trên màn hình Ỉ

Thể hiện ký hiệu ống Ỉ

Loại mũi tên Ỉ Màu nền Ỉ

Có thể nhập 1 sơ đồ dạng File hay tạo sơ đồ biểu diễn ( trong đề tài này là tạo

sơ đồ biểu diễn hoàn toàn mới )

Để xóa File mặt bằng đô thị vừa dẫn ta vào View Æ Back drop ÆUnload

Dùng các biểu tượng của lưu vực, cống, nút… Mô phỏng mặt bằng khu vực

Do đặc điểm khu vực ở phía bắc có 1 con kênh dùng để dẫn nước thải nên dựa

vào đặc điểm này ta vạch hai tuyến thoát nước chính thu toàn bộ nước thải và nước

mưa của lưu vực sau đó thải ra kênh, nhằm tận dụng khả năng tự làm sạch của hồ và

điều tiết lưu lượng nước thải trong khu vực trước khi thải ra kênh thì nức thải sẽ dược

dẫn vào hồ điều tiết

Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong mô hình SWMM

c) Bước 3: Khai báo các thông số của hệ thống

Lưu vực con là một khu vực hứng nước nhỏ trong lưu vực đô thị, trong

đó dòng chảy hình thành trong khu vực này đều chảy ra 1 điểm nào đó gọi là

cửa ra của lưu vực Người sử dụng phải chia khu vực nghiên cứu thành các khu

vực con, nhỏ cho phù hợp và xác định cửa ra của từng lưu vực Lưu vực con có

thể bao gồm các khu vực thấm nước hoặc không thấm nước

Quá trình thấm trong lưu vực con xuống tầng chưa bão hịa được mơ phỏng bằng 1 trong 3 mơ hình thấm khác nhau :Horton infiltration, Green-

Ampt infiltration, SCS Curve number infiltration (trong đề tài này chọn mơ

hình thấn Horton)

Bảng thống kê diện tích lưu vực (ha)

Lưu vực 1 1.60 Lưu vực 10 1.61Lưu vực 2 1.27 Lưu vực 11 1.36Lưu vực 3 0.83 Lưu vực 12 0.75Lưu vực 4 1.10 Lưu vực 13 0.71Lưu vực 5 1.02 Lưu vực 14 1.08Lưu vực 6 1.55 Lưu vực 15 1.19Lưu vực 7 1.89 Lưu vực 16 0.82Lưu vực 8 1.37 Lưu vực 17 0.77Lưu vực 9 0.88

Hình 11:Giao diện nhập số liệu cho lưu vực

Ỉ Trạm mưa phụ trách

Ỉ Nút nhận nuớc

Ỉ Diện tích lưu vực ( ha)

Ỉ Chiều rộng chảy tràn (m)

Ỉ Độ dốc mặt đất ( %)

Ỉ Tỷ lệ diện tích không thấm

Ỉ Hệ số nhám Maning của vùng không thấm & vùng thấm

Ỉ Lớp nước trữ trên vùng không thấm & vùng thấm ( mm)

Ỉ Tỷ lệ diện tích hoàn toàn không trữ (%)

Ỉ Kiểu tràn

Ỉ Tỷ lệ tham gia tràn

Ỉ Phương trình thấm ( Horton , Grenn-Apt)

c.2 Khai báo thông số đo mưa - Rain Gages

Đối với những lưu vực rộng lớn thì sử dụng nhiều cơn mưa khác nhau, ở đây

khu vực tính toán trong đề tài là khu vực nhỏ ( 31 ha ) nên chỉ cần lấy một cơn

mưa cho toàn lưu vực Số liệu của mưa thiết kế được lấy từ trạm đo Tân Sơn

Nhất là trạm đo mưa tương đối nằm gần quận Bình Chánh

SWMM cho phép vào số liệu mưa cho một hoặc nhiều lưu vực con trong khu

vực nghiên cứu Số liệu mưa được đưa vào dưới dạng chuỗi số hoặc có thể dưới

dạng File

Hình 12: Giao diện khai báo thông số đo mưa

Các thông số chính của dữ liệu mưa :

o Tên trận mưa (Name)

o Kiểu mưa (Rain Format): bao gồm mưa thời đoạn, mưa thể tích, mưa

tích lũy Trong đề tài sử dụng số liệu mưa theo giờ ( Intensity – mm/h)

o Khoảng thời gian mưa (Rain Interval): là đoạn thời gian giữa các lần ghi

giá trị đo mưa

o Số liệu của trận mưa (Data sourse – Timeseries)

o Đơn vị tính ( mm, inch )

o Nhập giá trị trận mưa thiết kế : curves Æ Time Series

Hình 13: Chuỗi thời gian mưa

Hình 14: Đường đặc tính của trận mưa

c.3 Khai báo đối tượng Nút – Junction ( nút thu nước )

Là điểm kết nối giữa các kênh hở, các hố ga chính trong hệ thống cống, hoặc

là điểm nối giữa các đường ống cống, dòng chảy bên ngoài có thể đổ vào các

Junctions này

Nút thu nước là nơi thu nhận toàn bộ lượng nước trên tiểu lưu vực đó (bao

gồm nước mưa chảy tràn trên lưu vực, nước thải) Độ sâu chôn cống được nhập

thơng qua độ sâu ban đầu của nút, thơng thường cống thốt nước phải đặt sâu là

để đảm bảo cho nĩ khơng bị phá hoại do tác động cơ học gây nên đồng thời

cũng nhằm để đảm bảo 1 độ dốc cần thiết, sơ bộ cĩ thể lấy bằng 1,5 m

Ỉ Cao độ đáy hố ga (m)

Ỉ Chiều sâu max của hố ga = Zgr – Z inv

Ỉ Chiều sâu nước ban đầu của hố ga

Ỉ Chiều sâu lớp nước ngập khi tràn ra ngoài

Ỉ Diện tích bị ngập khi H > Hmax + H surcharge

o Khai báo thơng số Inflow của Junction ( lưu lượng nhập thêm vào nút )

Hinh17: Giao diện nhập giá trị lưu lượng cho nút

- Q chảy vào hệ thống đến từ nơi khác

- Khai báo bằng chuỗi thời gian

Ỉ Nước thải sinh hoạt

Ỉ Khai báo bằng giá trị trung bình

Ỉ Khai báo bằng Time Pattern

Dòng chảy phát sinh từ lưu vực khác, có nguồn gốc từ mưa, Được khai báo bằng Thủy đồ đơn vị (Unit Hydrograph) và diện tích lưu vực

c.4 Khai báo đối tượng tuyến thốt nước – Conduit

Là các đường ống cống, các kênh cĩ khả năng vận chuyển nước từ nút này đến

nút khác trong hệ thống tiêu thốt nước Hình dạng mặt cắt ngang của đường ống cống

và kênh cĩ rất nhiều hình dạng: tam giác, trịn, hình thang, hình vuơng, chữ nhật …các

tham số đầu vào của các đường ống và kênh bao gồm:

Hình 18: Giao diện nhập dữ liệu cho cống

Để tiết kiệm diện tích, tận dụng tối đa khả năng dẫn nước, trong đề tài

Ỉ Hệ số nhám Maning

Ỉ Chiều cao bậc chảy vào (m)

Ỉ Chiều cao bậc chảy ra (m)

Ỉ Lưu lượng ban đầu ( m 3 /s)

Ỉ Hệ số tổn thất cục bộ đầu vào (0,5)

Ỉ Hệ số tổn thất cục bộ đầu ra (1)

Ỉ Hệ số tổn thất cục bộ khác trên đoạn cống

Ỉ Van ngăn một chiều ( yes = chảy ra )