Hướng dẫn sử dụng phần mềm SWMM

Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 1 LỜI GIỚI THIỆU Mục lụ TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI –CS2 BỘ MÔN CẤP THOÁT NƯỚC Biên soạn:sv. Tống Đình Quyết ---------[\---------- HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM SWMM THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC Tp Hoà Chí Minh. Tháng 5 năm 2008 Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 2 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 t ế 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 : ¾ 1969 – 1971 : Version 1 ¾ 1975 : Version 2 ¾ 1981 : Version 3 ¾ 1988 : Version 4 ¾ 2004 : Version 5 Phần mềm này được cung cấp miễn phí có thể Download tại : http://www.epa.gov/ednnrmrl/swmm/ II . Khả năng của phần mềm 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 phỏ ng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (biểu đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng đầu vào khác cùng với hệ thống Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thốt nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 3 mơ tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đốn các trị số chất lượng và khối lượng dòng chảy. Hình 1: Các khối xử lý chính trong mơ hình SWMM Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau: ¾ Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính tốn dòng chảy mặt và ngầm dựa trên biểu đồ q trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất và địa hình. ¾ Khối “truyền tải” (Transport block) tính tốn truyền tải vật chất trong hệ thống nước thải. ¾ Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn tốn thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh… 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) Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 4 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 : o Quá trình mưa. o Bốc hơi bề mặt nước. o Tuyết tan. o Tổn thất tích tụ trên tán lá cây và tổn thất điền trũng. o Tổn thất thấm. o Thẩm thấu của nước vào các tầng nước ngầm. o Dòng chảy sát mặt. o Dòng chảy tràn trên bề mặt. Sự biến đổi về mặt không gian trong mọi quá trình được khắc phục bởi vi ệc 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 : Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 5 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 mặ t, 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 lư u 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. Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 6 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). N : Lượng mưa (mm). P : Lượng bốc hơ i bề mặt (mm). F : Lượng thấm vào trong đất (mm). W(t) : Lượng trữ bề mặt – tổn thất điền trũng (mm). t : Thời gian. 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: nr RE 0353,0= Trong đó: E r : Lượng bốc hơi(mm/ngày). R n : Bức xa thực(W/m 2 ). - Phương pháp khí động lực: )( aasa eeBE −= (2.3) với 2 0 2 2 ln 102,0 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = z z u B ; ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = T T e as 3,273 27,17 exp611 ; asha eRe = 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. Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 7 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 hợ p 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 f 0 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. effff p )( 00 ∞ −+= -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 ∞ , f 0 , k hoàn toàn xác định đường cong thấm f p 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 l ực. Phương trình thấm Green-Ampt được viết dưới dạng: Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 8 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). J: Độ dốc thủy lực, J=Sf. • Khi F < Fs thì f = i và F= 1 . − Ks i IDMS với i> Ks; và f = i • Khi F ≥ Fs thì f = f p và fp=Ks (1+ F IDMS. ) 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{2 π /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. Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 9 3.Tính toán dòng chảy mặt Phương trình mô phỏng dòng chảy tràn trên mặt bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. - Phương trình liên tục QiA dt 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: Ph ương trình Manning : 2/13/5 )( 1 Sdpd n WQ −= (2.8) Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m). n: Hệ số nhám Manning. Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : tongquyetdhtl@yahoo.com Tel : 0977.78.43.79 10 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), mố i 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