Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu này với mục tiêu hướng dẫn các bước chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm thủy lực cơ sở cụ thể đó là lý thuyết mô hình SWMM; ứng dụng phần mềm SWMM tính toán cho các đường ống.
THÍ NGHIỆM THỦY LỰC CƠ SỞ I. LÝ THUYẾT MƠ HÌNH SWMM 1. Giới thiệu phần mềm SWMM : Mơ hình tốn SWMM (Storm Water Management Model ) mơ hình động lực học mô mưa – dòng chảy cho khu vực đô thị chất lượng, tính tốn q trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó Mơ hình vừa có thể mơ phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mơ phỏng liên tục Mơ hình Metcalf Eddy xây dựng năm 1971, sản phẩm 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 đời mơ hình chạy mơi trường DOS Mơ hình liên tục cập nhập phiên SWMM 5.0 chạy mơi trường WINDOW Phiên bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phịng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia của EPA. 2 . Khả năng của phần mềm SWMM : Mơ hình SWMM mơ hình tốn học tồn diện, dùng để mô khối lượng và tính chất dịng chảy đơ thị do mưa và hệ thống cống thốt nước thải chung Mọi vấn đề về thuỷ văn đơ thị và chu kỳ chất lượng đều được mơ phỏng, bao gồm dịng chảy mặt dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu xử lý Mơ hình SWMM mơ dạng mưa thực tế sở lượng mưa (biểu đồ q trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng đầu vào khác cùng với hệ thống mơ tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đoán trị số chất lượng khối lượng dịng chảy Hình 1: Các khối xử lý chính trong mơ hình SWMM Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau: Khối “dịng chảy” (Runoff block) tính tốn dịng chảy mặt ngầm dựa biểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất và địa hình Khối “truyền tải” (Transport block) tính tốn truyền tải vật chất hệ thống nước thải Khối “chảy hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh… Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị cơng trình tích nước như ao hồ…và các cơng trình xử lý nước thải, đồng thời mơ tả ảnh hưởng của các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng các ước tốn chi phí cơ bản cũng được thực hiện Khối “nhận nước” (Receiving block) Mơi trường tiếp nhận Mục đích ứng dụng mơ hình tốn SWMM cho hệ thống thoát nước triển khai nhằm : Xác định khu vực cần xây mở rộng cống thoát nước để giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thốt nước thải cho những khu vực mới phát triển Ước tính lưu lượng nước lũ kênh chi lưu để xác định vị trí của kênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực cống chắn dòng dọc kênh Những ứng dụng điển hình của SWMM : Quy hoạch hệ thống thốt nước mưa Quy hoạch ngăn tràn cống chung Quy hoạch hệ thống thốt nước lũ ở kênh hở Quy hoạch cống ngăn lũ Quy hoạch hồ chứa phịng lũ SWMM xem xét mọi q trình thủy văn tạo dịng chảy trên lưu vực đơ thị như : Q trình mưa Bốc hơi bề mặt nước Tuyết tan Tổn thất tích tụ trên tán lá cây và tổn thất điền trũng Tổn thất thấm Thẩm thấu của nước vào các tầng nước ngầm Dòng chảy sát mặt Dòng chảy tràn trên bề mặt Sự biến đổi mặt không gian trình khắc phục việc chia nhỏ khu vực nghiên cứu thành nhiều lưu vực đồng SWMM cũng có tất tính mền dẻo mơ hình thủy lực dùng để diễn tốn dịng chảy, nhập lưu cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, cơng trình phân nước của hệ thống tiêu thốt nước như : Tính tốn được các hệ thống lớn phức tạp Sử dụng nhiều loại cống có hình dạng kích thước khác kênh hở Mơ hình hóa phận phức tạp hệ thống như: hồ chứa, các trạm xử lý nước, trạm bơm tiêu … Có thể xét đến nhập lưu hay dòng chảy từ bên vào cống dịng chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt và nhiều dạng khác của dịng chảy Có thể sử dụng phương pháp diễn toán dịng chảy sóng động học hay sóng động lực học Mơ nhiều loại chế độ dòng chảy nước vật, chảy ngược, nước nhảy do cống đóng mở đột ngột … SWMM có thể ước tính chất nhiễm liên quan đến dòng chảy lưu vực đơ thị : Chất ơ nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ các khu vực khác nhau Ơ nhiễm do dịng chảy cuốn đi khi mưa Nguồn ơ nhiễm khác chảy từ bên ngồi vào hệ thống tiêu thốt nước Diễn tốn chất lượng nước trong hệ thống kênh Ước tính giảm chất ô nhiễm từ bể lắng đọng trạm xử lý nước 3 . Các thuật tốn trong SWMM : Cơ sở tốn học của SWMM : Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là : Modun Runoff SWMM modun tính dòng chảy từ mưa, chất ô nhiễm trên các lưu vực Modun Transport SWMM diễn tốn dịng chảy / hệ thống các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hịa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thốt nước đơ thị SWMM cho phép tính tốn dịng 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 q trình mơ phỏng bao gồm nhiều bước thời gian II. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM TÍNH TỐN CHO CÁC ĐƯỜNG ỐNG Bước 1: Tạo một Project mới Chọn đơn vị trong mơ hình là LPS (l/s) Hình 1: Chọn đơn vị cho lưu lượng Khai báo các thơng số cửa vào, cửa ra, và đường ống (ống thép, ống nhựa, ống đồng, …) Trong bài thí nghiệm này chỉ sử dụng các cơng cụ đơn giản như nút lấy nước và đường ống. Sử dụng các cơng cụ trên thanh cơng cụ để tạo các nút, đường ống Hình 2: Thanh cơng cụ ( Từ trái phải: tạo mưa, lưu vực thốt nước, nút thốt nước, cửa xả, nút chia nước, hồ điều tiết, bơm,….) Hình 3: Các nút và đường cống sau khi khai báo Bước 2: Khai báo các thơng số cho nút lấy nước, ống và cửa xả Nhập thơng số cho nút: Hình 4 : Nhập thơng số cho nút 1 Ta click vào ơ khoanh vùng đỏ (Lưu lượng vào của nút) để khai báo lưu lượng đầu vào vủa nút Hình 5 : Nhập lưu lượng đầu vào cho nút Các nút và các cửa xả nhập tương tự như nút 1 (có thể điều chỉnh thơng số theo đề ra) Nhập thơng số cho ống: Hình 6 : Các thơng số trong ống Chọn hình dạng mặt cắt ngang ống bằng cách ta click ở vùng khoanh đỏ Hình 7 : Nhập thơng số mặt cắt ngang ống Nhập thơng số tương tự cho các ống khác ( thay đổi hệ số nhám trong ống, thay đổi đường kính ống để có các dạng thu hẹp đột ngột và mở rộng đột ngột ) Bước 3: Mơ phỏng bài tốn Hình 8: Giao diện mơ phỏng hệ thống thốt nước Hình 9 : Chọn điều kiện chảy, phương trình thấm trong mơ hình Hình 10 : Nhập thời gian bắt đầu và kết thúc mơ phỏng Hình 11 : Chọn bước thời gian mơ phỏng Chạy mơ hình Hình 12: Run Simulation Bước 4: Các kết quả: Vào “Report Summary” để xem kết quả Trường hợp 1: Q1= 0.27 lít/s = 16.2 lít/phút Hình 13: Chiều cao mực nước trong ống đồng Hình 14: Chiều cao mực nước trong ống nhựa Hình 15: Chiều cao mực nước trong ống thép Hình 16: Chiều cao mực nước trong ống nhựa đột thu Hình 17: Chiều cao mực nước trong ống nhựa đột mở Hình 18 : Chiều sâu ngập tại các nút ( nút vào và cửa ra) Hình 19: Lưu lượng tại các nút Hình 20: Thống kê kết quả các giá trị trong ống Kết quả sau khi xuất : Ống đồng: Vận tốc V=2.88 (m/s) Tổn thất cục bộ: hc = Σℰ = 1*= 0.423 (m) Tổn thất dọc đường : hl = λ ( Tra λ , thay V tính được hl) Các trường hợp khác tương tự Trường hợp 2: Q2= Q1/2 = 0.135 (l/s) = 8.1 (l/p) Hình 21: Chiều sâu ngập các nút và cửa xả Hình 22: Lưu lượng tại các nút Hình 23: Thống kê các giá trị trong cống Tính tổn thất dọc đường và cục bộ như trường hợp 1 Trường hợp 3: Q3= Q1/3 = 0.09 (l/s) = 5.4 (l/p) Hình 24: Chiều sâu ngập các nút và cửa xả Hình 25: Lưu lượng tại các nút Hình 26: Thống kê các giá trị trong cống Tính tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ như trường hợp 1 ... Khai báo các thơng số cửa vào, cửa ra, và đường ống (ống thép, ống nhựa, ống đồng, …) Trong bài? ?thí? ?nghiệm? ?này chỉ sử dụng các cơng cụ đơn giản như nút lấy nước và đường ống. Sử dụng các cơng cụ trên thanh cơng cụ để tạo các nút, đường ống Hình 2: Thanh cơng cụ ( Từ trái phải: tạo mưa, lưu vực thốt nước, nút thốt nước, cửa xả, ... diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh… Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị cơng trình tích nước như ao hồ…và các cơng trình xử lý nước thải, đồng thời mơ tả ảnh hưởng của ... tính mền dẻo mơ hình thủy lực dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, cơng trình phân nước của hệ thống tiêu thốt nước như :