Hướng dẫn sử dụng phần mềm SWMM

Modung thủy lực Transport Cho phép mô phỏng hệ thống đường ống kín, kênh hở, sông tự nhiên, Hệ thống các công trình như: Khu trữ, hố ga, trạm xử lý nước, trạm bơm, cống điều tiết …Để mô

1.1 Giới thiệu về phần mềm SWMM 1

1.2 Ứng dụng của phần mềm 1

1.3 Cấu trúc của phần mềm SWMM 2

PHẦN II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tính toán mưa hiệu quả 3

2.1.1 Lượng bốc hơi bề mặt (P) 3

2.1.2 Tính toán thấm, lượng thấm 4

2.1.3 Phương pháp tính toán dòng chảy trong mô hình 4

2.2 Cấu tạo mô hình SWMM 5

PHẦN III HƯỚNG DẪN LẬP MÔ HÌNH SWMM THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC 6

3.1 Yêu cầu về tài liệu đầu vào 6

3.2 Các bước thực hiện mô phỏng một hệ thống thoát nước 6

3.2.1 Khai báo các thông số mặc định cho phần mềm 6

3.2.2 Số hóa hệ thống thoát nước vào phần mềm 8

3.3.3 Khai báo các thông số của hệ thống 9

3.3.4 Chạy mô phỏng 14

3.4 Khai thác kết quả 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SWMM 1.1 Giới thiệu về phần mềm SWMM

Mô hình SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị về số lượng và chất lượng nước

Mô hình SWMM do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971 Đây là sản phẩm của hợp đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agenc

Khi mới ra đời, mô hình chạy trên môi trường DOS Đến nay, mô hình liên tục được cập nhật và phiên bản mới nhất là SWMM version 5.0

Phần mềm này được cung cấp miễn phí có thể Download tại :

http://www.epa.gov/ednnrmrl/swmm/

1.2 Ứng dụng của phần mềm

Mô hình SWMM được ứng dụng trong thực tế để:

 Tính toán xác định quy mô hệ thống thoát nước trong khu dân cư, đô thị được quy hoạch mới.

 Tính toán đánh giá hiện trạng tiêu thoát nước trong khu dân cư, khu đô thị Từ đó đề

ra các giải pháp công trình phục vụ các mục đích, yêu cầu thiết kế

 Tính toán thủy lực, chế độ mực nước trên các dòng sông tự nhiên

 Tính toán khả năng lan truyền, vận chuyển chất ô nhiễm trên các hệ thống kênh, ống dẫn nước

 Đề xuất các giải pháp quy hoạch hệ thống tiêu thoát nước cho khu dân cư, khu đô thị

… để phù hợp chung với quy hoạch phát triển kinh tế xã hội của vùng

1.3 Cấu trúc của phần mềm SWMM

Mô hình SWMM bao gồm 2 modun chính: Modun dòng chảy (Runoff) và Modun thủy lực (Extran)

Modun dòng chảy (Runoff)

Mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực từ mưa theo phương pháp mưa rào – dòng chảy: bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Modung thủy lực (Transport)

Cho phép mô phỏng hệ thống đường ống kín, kênh hở, sông tự nhiên, Hệ thống các công trình như: Khu trữ, hố ga, trạm xử lý nước, trạm bơm, cống điều tiết …Để mô phỏng

và tính toán chế độ dòng chảy trong hệ thống các công trình theo phương pháp sóng động học hoặc phương pháp động lực học

PHẦN II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở toán học của mô hình SWMM bao gồm 02 Modun là modun dòng chảy và modun thủy lực trong đó:

Modun Runoff là modun dùng để tính toán dòng chảy trên hệ thống từ mưa trên lưu vực và mô phỏng hàm lượng các chất ô nhiễm từ các nguồn xả thải trên lưu vực

- Mưa trên lưu vực

- Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư

Việc xác định dòng chảy hình thành trên hệ thống được xác định thông qua lượng mưa, các nguồn xả thải tập trung xả vào hệ thống

Modun Transport là modun diễn toán dòng chảy 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

2.1 Tính toán 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

Lượng bốc hơi bề mặt được tính theo các phương pháp sau:

 Phương pháp cân bằng năng lượng

Với 2

0 2

2ln

102,0

u B

27,17exp

611 ; ea = Rheas

Trong đó: ea: Lượng bốc hơi (mm/ngày)

u2: Tốc độ gió (m/s) đo tại chiều cao z2 (cm)

z0: Chiều cao mẫu nhám (cm)

Rh: 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

2.1.2 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:

Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940)

Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911)

2.1.3 Phương pháp tính toán dòng chảy trong mô hình

Để diễn toán từ quá trình mưa ra quá trình dòng chảy trên hệ thống trong mô hình SWMM sử dụng phương trình liên tục và phương trình động lực

- Phương trình liên tục

Trong đó: V: là thể tích nước trên bề mặt lưu vực

d: Chiều sâu lớp dòng chảy mặtt: thời gian tính toán

A: Diện tích lưu vực bộ phận (diện tích thu nước của từng hố ga)i: Cường độ mưa hiêu quả (lượng mưa sau khi trừ đi tổn thất)Q: Lưu lượng chảy ra khỏi khu vực đang xét

- Phương trình động lực (phương trình Manning)

Trong đó: n: Hệ số nhám manning

W: chiều rộng trung bình lưu vực

2.2 Cấu tạo mô hình 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

PHẦN III HƯỚNG DẪN LẬP MÔ HÌNH SWMM THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT

NƯỚC.

3.1 Yêu cầu về tài liệu đầu vào.

- Bản đồ khu vực cần thiết kế hệ thống thoát nước

- Định hướng sơ bộ về các hướng thoát nước trong hệ thống

- Xác định vị trí đặt các hố ga thu nước

- Xác định các chỉ tiêu thiết kế (tính toán mưa thiết kế)

- Xác định diện tích thu nước tại các nút

3.2 Các bước thực hiện mô phỏng một hệ thống thoát nước.

3.2.1 Khai báo các thông số mặc định cho phần mềm.

Từ cửa sổ phần mềm vào Project/Defaults

Khai báo tên các thành phần trong hệ thống

Trạm đo mưa Tiểu lưu vực Nút

Cửa xả Cửa chia nước

Hồ điều hòa Đường ống Trạm bơm

Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

Diện tích lưu vực, ha

Bề rộng lưu vực, m

Độ dốc trung bình Phần trăm không thấm

Hệ số nhám của phần không thấm

Hệ số nhám của phần thấm Lượng nước trữ lại trên vùng thấm Lượng nước trữ lại trên vùng không thấm Phần hoàn toàn không thấm

Phương pháp tính tổn thất

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

Mực nước ban đầu trong nút

Độ sâu lớn nhất trong nút

Chiều dài của đường ống Kiểu đường ống (tròn, vuông …)

Hệ số nhám của Conduit Đơn vị tính CMS – m 3 /s Phương pháp diễn toán dòng chảy

Khai báo cách hiển thị sơ đồ tính toán trong phần mềm: Tool/Map Display Options hoặc kích chuột phải tại hộp Study Area Map/Options

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

Ký hiệu nhãn Thể hiện các giá trị lên màn hình Thể hiện ký hiệu ống

Các ký tự Loại mũi tên Màu nền.

3.2.2 Số hóa hệ thống thoát nước vào phần mềm.

+ Đưa bản đồ nền hệ thống thoát nước vào phần mềm bằng cách: View/Back drop/Load/File … (tìm đến File bản đồ nền) phần mềm cho phép nhận dạng File ảnh nền để đưa vào phần mềm

Dùng các công cụ trong phần mềm để mô tả các tiểu lưu vực, hố ga, hệ thống đường ống, trạm bơm, hồ chứa, … các công trình thoát nước trên lưu vực.

3.3.3 Khai báo các thông số của hệ thống.

a Khai báo các thông số tiểu lưu vực (Subcatchments).

Các thông số chính của tiểu lưu vực bao gồm:

Trạm mưa phụ trách Nút nhận nước Diện tích lưu vực phụ trách, ha Chiều rộng lưu vực, m

Tỷ lệ tràn vào đường ống Phương pháp tính thấm Nước ngầm

Tuyết tan nếu có

b Khai báo các thông số về trạm mưa (Rain Gate)

Tên trận mưa

Kiểu trận mưa (mưa trận, tổng lượng mưa) Thời đoạn mưa

Nhập giá trị trận mưa thiết kế

c Khai báo đối tượng nút (Junction)

Nút 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, và cũng là nơi thu nhận nước từ dòng chảy trên bề mặt tiểu lưu vực đổ vào.

Độ sâu chôn cống được khai báo thông qua độ sâu ban đầu của nút, thông thường cống thoát nước phải được đặt dưới sâu để đảm bảo cho nó không bị phá hoại do tác động

cơ học gây nên cũng nhằm đảm bảo để có một độ dốc cần thiết

Khai báo lưu lượng nhập thêm vào nút

d Khai báo các đối tượng của đường ống thoát nước - Conduit

Đường ống là các ống cống, các kênh có khả năng vận chuyển nước từ nút này đến nút khác trong hệ thống tiêu thoát nước Trong SWMM có tích hợp nhiều kiểu hình dạng đường ống khác nhau từ loại đường cống hở cho đến kín, từ hình tròn, hình chữ nhật, hình ô van, hình quả trứng, hoặc theo mặt cắt tự nhiên …

e Khai báo đối tượng hồ điều hòa – Storage Unit

Hồ điều hòa là hồ chứa lượng nước trên bề mặt lưu vực nhằm mục đích cắt đỉnh ngập, chứa lại lượng nước và sẽ được bơm ra ngoài hệ thống khi hết mưa tạo dung tích trữ nước

Việc xây dựng hồ điều hòa được tận dụng điều kiện tự nhiên có sẵn nhằm làm giảm chi phí xây dựng trạm xử lý cũng như góp phần làm điều hòa dòng chảy trong hệ thống

Trong SWMM – EXTRAN sử dụng phương trình Storage để diễn toán hồ chứa, quá trình diễn toán sông – hồ được mô phỏng tổng quát như sau:

Phương trình mô phỏng hồ chứa là phương trình cân bằng thể tích theo mối quan hệ bên trong hồ chứa theo bước thời gian ∆t.

Tên hồ

Lưu lượng nhập lưu Trạm xử lý nước thải Cao trình đáy hồ Mực nước lớn nhất Mực nước ban đầu Diện tích ngập nước Thấm, bốc hơi Đường cong hình dạng hồ

Cửa xả là nút của hệ thống tiêu thoát nước dùng để xác định các biên cuối cùng của

hệ thống ở chế độ chảy sóng động lực học Các điều kiện biên tại cửa xả có thể được mô tả bằng 1 trong các trạng thái quan hệ sau: Giá trị mực nước cố định, theo chuỗi thời gian, có thể mô tả bằng biên triều …

3.3.4 Chạy mô phỏng.

Vào General kích đúp chuột trái được hộp hội thoại

Chọn thời gian mô phỏng

Chọn bước thời gian tính toán

Sau đó chạy mô phỏng nút Run

Mô phỏng diễn biến dòng chảy trên tuyến từ nút 1 ÷ cửa xả tại thời điểm trận mưa đạt đỉnh

Mô phỏng diễn biến dòng chảy trên tuyến từ nút 1 ÷ cửa xả tại thời điểm trận mưa đạt đỉnhXem kết quả theo từng đối tượng

Tiến hành phân tích và thay đổi các thông số thiết kế đường ống, hố ga … bằng phương pháp thử dần.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]: PGS.TS Lê Văn Nghinh - Giáo trình nguyên lý thuỷ văn – Trường Đại học Thuỷ lợi

[2]: PGS.TS Lê Văn Nghinh – Giáo trình tính toán thuỷ văn thiết kế - Trường Đại học Thuỷ lợi

[3]: Storm Water management model User’s manual Version 5.0 By Lewis A Rossman Water Supply and Water Resources Division National Risk Management Research Laboratory Cincinnati, OH 45268