Hướng dẫn thí nghiệm thủy lực cơ sở

THÍ NGHIỆM THỦY LỰC CƠ SỞ I LÝ THUYẾT MƠ HÌNH SWMM Giới thiệu phần mềm SWMM : Mơ hình tốn SWMM (Storm Water Management Model ) mơ hình động lực học mơ mưa – dịng chảy cho khu vực đô thị chất lượng, tính tốn q trình chảy tràn từ lưu vực phận đến cửa nhận nước Mơ hình vừa mơ cho kiện ( trận mưa đơn lẻ ), vừa mơ liên tục Mơ hình Metcalf Eddy xây dựng năm 1971, sản phẩm hợp đồng kinh tế trường ĐH Florida 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 môi trường WINDOW Phiên viết lại phận phịng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia EPA Khả phần mềm SWMM : Mô hình SWMM mơ hình tốn học tồn diện, dùng để mơ khối lượng tính chất dịng chảy thị mưa hệ thống cống nước thải chung Mọi vấn đề thuỷ văn đô thị chu kỳ chất lượng mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa khu xử lý Mơ hình SWMM mơ dạng mưa thực tế sở lượng mưa (biểu đồ trình mưa hàng năm) số liệu khí tượng đầu vào khác với hệ thống mô 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 mơ hình SWMM Trong sơ đồ bao gồm khối sau:  Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính tốn dịng chảy mặt ngầm dựa biểu đồ trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu sử dụng đất địa hình  Khối “truyền tải” (Transport block) tính tốn truyền tải vật chất hệ thống nước thải  Khối “chảy hệ thống” (Extran block) diễn tốn thủy lực dịng chảy phức tạp cống, kênh…  Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị cơng trình tích nước ao hồ…và cơng trình xử lý nước thải, đồng thời mô tả ảnh hưởng  thiết bị điều khiển dựa lưu lượng chất lượng - ước tốn chi phí thực  Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi 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 nước để giảm tình trạng ngập lụt đường phố cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho khu vực phát triển  Ước tính lưu lượng nước lũ kênh chi lưu để xác định vị trí 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 SWMM :  Quy hoạch hệ thống nước mưa  Quy hoạch ngăn tràn cống chung  Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ kênh hở  Quy hoạch cống ngăn lũ  Quy hoạch hồ chứa phịng lũ SWMM xem xét q trình thủy văn tạo dịng chảy lưu vực thị :  Quá trình mưa  Bốc bề mặt nước  Tuyết tan  Tổn thất tích tụ tán tổn thất điền trũng  Tổn thất thấm  Thẩm thấu nước vào tầng nước ngầm  Dòng chảy sát mặt  Dòng chảy tràn bề mặt Sự biến đổi mặt không gian trình khắc phục việc chia nhỏ khu vực nghiên cứu thành nhiều lưu vực đồng SWMM 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 hệ thống tiêu nước :  Tính toán 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, trạm xử lý nước, trạm bơm tiêu …  Có thể xét đến nhập lưu hay dịng chảy từ bên ngồi vào cống dịng chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt nhiều dạng khác dịng chảy  Có thể sử dụng phương pháp diễn tốn dịng chảy sóng động học hay sóng động lực học  Mô nhiều loại chế độ dòng chảy nước vật, chảy ngược, nước nhảy cống đóng mở đột ngột … SWMM ước tính chất nhiễm liên quan đến dịng chảy lưu vực đô thị :  Chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ khu vực khác  Ơ nhiễm dịng chảy mưa  Nguồn ô nhiễm khác chảy từ bên ngồi vào hệ thống tiêu nước  Diễn tốn chất lượng nước hệ thống kênh  Ước tính giảm chất ô nhiễm từ bể lắng đọng trạm xử lý nước Các thuật toán SWMM : Cơ sở toán học SWMM : Phần mền SWMM gồm modun :  Modun Runoff SWMM modun tính dịng chảy từ mưa, chất ô nhiễm lưu vực  Modun Transport SWMM diễn tốn dịng chảy / hệ thống đường ống, kênh dẫn, hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý hệ thống tiêu nước thị SWMM cho phép tính tốn dịng chảy chất lượng lưu vực con, tốc độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước đoạn ống cống, kênh dẫn q trình mơ bao gồm nhiều bước thời gian II ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM TÍNH TỐN CHO CÁC ĐƯỜNG ỐNG Bước 1: Tạo Project - Chọn đơn vị mơ hình LPS (l/s) Chọn đơn vị cho lưu lượng Hình 1: Chọn đơn vị cho lưu lượng - Khai báo thông số cửa vào, cửa ra, đường ống (ống thép, ống nhựa, ống đồng,…) Trong thí nghiệm sử dụng công cụ đơn giản nút lấy nước đường ống Sử dụng công cụ cơng cụ để tạo nút, đường ống Hình 2: Thanh công cụ ( Từ trái  phải: tạo mưa, lưu vực thoát nước, nút thoát nước, cửa xả, nút chia nước, hồ điều tiết, bơm,….) Ống đồng Ống nhựa Ống thép Ống nhựa đột thu Ống nhựa đột mở Hình 3: Các nút đường cống sau khai báo Bước 2: Khai báo thông số cho nút lấy nước, ống cửa xả Nhập thông số cho nút: Hình : Nhập thơng số cho nút Ta click vào ô khoanh vùng đỏ (Lưu lượng vào nút) để khai báo lưu lượng đầu vào vủa nút Hình : Nhập lưu lượng đầu vào cho nút Các nút cửa xả nhập tương tự nút (có thể điều chỉnh thơng số theo đề ra) Nhập thơng số cho ống: Hình : Các thơng số ống Chọn hình dạng mặt cắt ngang ống cách ta click vùng khoanh đỏ Hình : Nhập thơng số mặt cắt ngang ống Nhập thông số tương tự cho ống khác ( thay đổi hệ số nhám ống, thay đổi đường kính ống để có dạng thu hẹp đột ngột mở rộng đột ngột ) Bước 3: Mô tốn Hình 8: Giao diện mơ hệ thống nước Hình : Chọn điều kiện chảy, phương trình thấm mơ hình Hình 10 : Nhập thời gian bắt đầu kết thúc mơ Hình 11 : Chọn bước thời gian mô - Chạy mô hình Hình 12: Run Simulation Bước 4: Các kết quả: Vào “Report  Summary” để xem kết Trường hợp 1: Q1= 0.27 lít/s = 16.2 lít/phút Hình 13: Chiều cao mực nước ống đồng Hình 14: Chiều cao mực nước ống nhựa Hình 15: Chiều cao mực nước ống thép Hình 16: Chiều cao mực nước ống nhựa đột thu Hình 17: Chiều cao mực nước ống nhựa đột mở Hình 18 : Chiều sâu ngập nút ( nút vào cửa ra) Hình 19: Lưu lượng nút Hình 20: Thống kê kết giá trị ống Kết sau 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 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 nút cửa xả Hình 22: Lưu lượng nút Hình 23: Thống kê giá trị cống Tính tổn thất dọc đường cục trường hợp Trường hợp 3: Q3= Q1/3 = 0.09 (l/s) = 5.4 (l/p) Hình 24: Chiều sâu ngập nút cửa xả Hình 25: Lưu lượng nút Hình 26: Thống kê giá trị cống Tính tổn thất dọc đường tổn thất cục trường hợp ... hệ thống” (Extran block) diễn tốn thủy lực dịng chảy phức tạp cống, kênh…  Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị cơng trình tích nước ao hồ…và cơng trình xử lý nước thải, đồng... (ống thép, ống nhựa, ống đồng,…) Trong thí nghiệm sử dụng cơng cụ đơn giản nút lấy nước đường ống Sử dụng công cụ công cụ để tạo nút, đường ống Hình 2: Thanh cơng cụ ( Từ trái  phải: tạo mưa, lưu... : Cơ sở toán học SWMM : Phần mền SWMM gồm modun :  Modun Runoff SWMM modun tính dịng chảy từ mưa, chất ô nhiễm lưu vực  Modun Transport SWMM diễn tốn dịng chảy / hệ thống đường ống, kênh dẫn,