Vận chuyển cơ bản (Basic Transport)
Mô hình mô phỏng chất lượng nước của EPANET sử dụng sự tiếp cận dựa trên thời gian để theo dõi sự diễn biến của các phân tố nước riêng rẽ khi chúng chuyển động theo ống và trộn với nhau tại các mối nối giữa các bước thời gian có độ dài cố định. Bước thời gian chất lượng nước thường nhỏ hơn nhiều so với bước thời gian thuỷ lực (ví dụ, phút thay cho giờ) để làm cho ăn khớp những khoảng thời gian ngắn của sự di chuyển chất xảy ra trong ống.
Phương pháp này theo dõi nồng độ và kích thước của một loạt các đoạn nước không chồng lên nhau đổ vào mỗi đường nối trong mạng. Trong tiến trình thời gian, kích thước của đoạn nước gần đầu ống tăng lên khi nước đi vào ống, trong khi đó thì một lượng mất đi đúng bằng vậy ở phía cuối ống sẽ xảy ra vì nước rời khỏi ống. Kích thước của các đoạn nước giữa chúng giữ nguyên không đổi.
Đối với mỗi bước thời gian chất lượng nước, các thành phần của mỗi phân đoạn nước phải chịu phản ứng, một lượng tích luỹ tổng khối lượng và thể tích dòng chảy vào mỗi nút được giữ, và vị trí của các phân đoạn nước được cập nhật. Sau đó, nồng mới của
nút được tính toán, bao gồm sựđóng góp từ bất từ một nguồn bên ngoài nào. Nồng độ đài chứa được cập nhật phụ thuộc vào loại mô hình trộn được áp dụng (xem ở dưới
đây). Cuối cùng, một phân đoạn nước mới sẽ được tạo ra tại đầu mỗi ống nhận dòng chảy vào từ nút nếu chất lượng nút mới khác về dung sai định bởi người sử dung so với chất lượng của đoạn nước cuối của ống.
Ban đầu mỗi ống trong mạng gồm một đoạn nước đơn mà chất lượng của nó bằng chất lượng ban đầu quy định cho nút thượng lưu. Mỗi khi có sựđảo dòng trong một ống thì các phân đoạn của ống được đổi trật tự ngược lại từ trước ra sau.
Trộn trong đài chứa (Mixing in Storage Tanks)
EPANET có khả năng sử dụng 4 kiểu mô hình khác nhau để mô tả sự pha trộn trong các đài nước được minh hoạ nhưở hình 3.5:
- Trộn hoàn toàn - Trộn hai ngăn
- Dòng chảy "vào trước ra trước" (FIFO Plug Flow ) - Dòng chảy "vào sau ra trước" (LIFO Plug Flow)
Các mô hình trộn khác nhau có thể được sử dụng với những đài nước khác nhau trong một mạng lưới.
Mô hình pha trộn hoàn toàn (hình 3.5 a) giảđịnh rằng tất cả nước đi vào một đài được trộn một cách tức thời và hoàn toàn với nước đã có sẵn trong đài. Đây là hình thức trộn
đơn giản nhất mà ta giả định, không đòi hỏi có thêm thông sốđể mô tả nó, và dường nhưđược áp dụng khá tốt cho nhiều thiết bị vận hành theo kiểu "lấp đầy và hút". Mô hình pha trộn hai ngăn (hình 3.5 b) chia dung tích trữ hữu ích trong đài thành hai ngăn mà cả hai đều được giả định là pha trộn hoàn toàn. Ống vào và ống ra của đài
được coi như là đặt ở ngăn thứ nhất. Nước mới đi vào đài trộn với nước ở ngăn thứ
nhất. Nếu ngăn này đầy thì nó gửi dòng chảy vượt của nó sang ngăn thứ hai nơi mà nó pha trộn hoàn toàn với nước sẵn có trong đó. Khi nước rời khỏi đài, nó ra từ ngăn thứ
nhất đã đầy, nhận một lượng nước tương đương từ ngăn thứ hai để hình thành sự khác nhau. Ngăn thứ nhất có khả năng cho sự chập mạch mô phỏng giữa dòng chảy vào và dòng chảy ra, trong khi ngăn thứ hai có thể coi như các vùng chết. Người sử dụng phải cung cấp một thông sốđơn giản, đó là phần của tổng dung tích đài dành cho ngăn đầu tiên.
Mô hình dòng chảy FIFO Plug (hình 3.5c) cho rằng không có sự pha trộn nước nào cả
trong thời gian lưu trú của nước trong đài. Các phân tố nước chuyển động qua đài theo kiểu cách ly, nơi mà phân tố thứ nhất đi vào cũng là phân tố thứ nhất đi ra. Một cách tự nhiên, mô hình này phù hợp nhất cho đài vách ngăn hoạt động với dòng chảy vào và dòng chảy ra đồng thời. Không cần thêm thông số nào để mô tả hình thức pha trộn này.
Mô hình dòng chảy LIFO Plug (hình 3.5 d) cũng cho rằng không có sự pha trộn giữa các phân tố nước đi vào đài. Tuy nhiên, trái với dòng chảy FIFO Plug, các phân tố
nước chồng lớp nọ lên lớp kia, nơi nước đi vào và rời khỏi đài ởđáy. Kiểu trộn này có thể áp dụng cho tháp nước cao, hẹp với ống vào và ống ra ở đáy và dòng chảy vào xung lượng thấp. Kiểu trộn này không cần cấp thêm thông số nào cả.
a) Trộn hoàn toàn b) Trộn hai ngăn
c) Lưu lượng FIFO Plug d) Lưu lượng LIFO Plug Hình 3.5. Mô hình pha trộn đài nước
Các phản ứng chất lượng nước (Water Quality Reactions)
EPANET có thể theo dõi sự phát triển hay phân rã của một chất bởi phản ứng của nó khi đi qua hệ thống phân phối nước. Để làm được điều này, nó cần biết tốc độ mà tại
đó chất đó phản ứng, và tốc độ này phụ thuộc vào nồng độ của chất đó như thế nào. Các phản ứng có thể xảy ra trong khối dòng và với vật liệu dọc theo thành ống. Điều này được mô tảở hình 3.6. Trong ví dụ này Clo tự do (HOCl) chỉ ra phản ứng với chất hữu cơ tự nhiên (NOM) trong giai đoạn khối và cũng được vận chuyển qua một lớp biên ở thành ống để ô xi hoá sắt (Fe) giải phóng ra từ sựăn mòn thành ống. Các phản
ứng khối chất lỏng cũng có thể xảy ra với các đài nước. EPANET cho phép người lập mô hình xử lý hai vùng phản ứng này một cách riêng rẽ.
Hình 3.6. Các vùng phản ứng bên trong một ống
Phản ứng khối (Bulk Reactions)
EPANET mô phỏng các phản ứng xảy ra trong dòng khối với động học bậc thứ n, nơi mà tốc độ phản ứng tức thời R (tính bằng khối lượng/thể tích/thời gian) được giả định là phụ thuộc vào nồng độ theo công thức:
R = KbCn trong đó:
Kb - hệ số tốc độ phản ứng khối;
C - nồng độ chất phản ứng (khối lượng/thể tích); n - số bậc phản ứng.
Kb có đơn vị của nồng độđược nâng lên luỹ thừa (1−n) chia cho thời gian. Nó dương
đối với phản ứng gia tăng và âm đối với phản ứng phân rã.
EPANET cũng có thể xem xét các phản ứng mà ởđó một nồng độ giới hạn tồn tại trên sự gia tăng hay thất thoát hết mức của chất. Trong trường hợp này biểu thức tốc độ trở
thành:
R= Kb(CL−C)C(n-1) với n>0, Kb>0 R= Kb(C−CL)C(n-1) với n>0, Kb<0 trong đó CL là nồng độ giới hạn
Như vậy có 3 thông số (Kb, CL, n) được sử dụng để mô tả tốc độ phản ứng khối. Một số trường hợp đặc biệt về các mô hình động học đã biết bao gồm các trường hợp sau: (xem ở Phụ lục D)
Mô hình Thông số Ví dụ
Phân rã bậc nhất CL=0, Kb<0, n=1 Clo
Sự bão hoà bậc nhất CL>0, Kb>0, n=1 Trihalomethanes
Động học bậc không CL=0, Kb<>0, n=0 Tuổi của nước
Không phản ứng CL=0, Kb=0 Chất đánh dấu Fluoride
Kb cho các phản ứng bậc nhất có thểđược ước tính bằng cách đặt một mẫu nước trong một loạt chai thuỷ tinh không phản ứng và phân tích thành phần của mỗi chai tại các thời điểm khác nhau. Nếu phản ứng là bậc nhất thì khi vẽ loga tự nhiên (Ct/C0) theo thời gian sẽ dẫn đến một đường thẳng, trong đó Ct là nồng độ tại thời điểm t và C0 là nồng độ tại thời điểm t=0. Kb khi đó được tính như là độ dốc của đường này.
Các hệ số phản ứng khối thường tăng khi nhiệt độ tăng. Tiến hành các thí nghiệm với nhiều chai tại các nhiệt độ khác nhau sẽđưa ra sựđánh giá chính xác hơn về hệ số tốc
độ khác nhau như thế nào theo nhiệt độ.
Phản ứng thành (Wall Reactions)
Tố độ của phản ứng chất lượng nước xảy ra tại hay gần thành ống có thể được coi là phụ thuộc nồng độ trong lưu lượng khối bằng cách sử dụng biểu thức có dạng:
R = (A/V)KwCn
trong đó:
Kw - hệ số tốc độ phản ứng thành;
(A/V) - diện tích bề mặt trên thể tích đơn vị trong một ống (bằng đường kính ống chia cho 4).
Giá trị sau chuyển khối lượng phản ứng trên đơn vị diện tích thành ống sang trên thể
tích trên thể tích đơn vị. EPANET giới hạn sự lựa chọn của bậc phản ứng thành tới 0 hoặc 1, sao cho các đơn vị của Kw là khối lượng/diện tích/thời gian hay chiều dài/thời gian, theo thứ tự định sẵn. Cung như đối với Kb, Kw cần phải được nhập vào chương trình bởi người lập mô hình. Các giá trị Kw bậc nhất có thể nằm trong khoảng từ 0 cho tới cao nhất là 5 ft/ngày.
Kw được điều chỉnh lại để tính toán cho bất cứ giới hạn chuyển đổi khối lượng nào trong vận chuyển chất và sản phẩm giữa khối dòng và thành ống. EPANET làm điều này một cách tựđộng, dựa vào sựđiều chỉnh độ khuyết tán phân tử của chất được mô hình hoá và dựa vào số Reynolds của dòng chảy. Hãy xem cụ thểở Phụ lục D. (Bỏ qua hiệu ứng chuyển khối lượng do việc ấn định độ khuyếch tán phân tử bằng 0).
Hệ số phản ứng thành có thể phụ thuộc vào nhiệt độ và cũng có thể tương quan với tuổi của ống và vật liệu. Dễ dàng nhận thất rằng, theo tuổi của các ống kim loại thì độ
nhám của chúng có xu hướng tăng bởi vì sự đóng cặn và lớp sần sùi của chất bị ăn mòn trên thành ống. Sự tăng độ nhám này tạo ra một hệ số C (Hazen-Williams) thấp hơn hay độ nhám n (Darcy-Weisbach) cao hơn, dẫn đến tổn thất cột nước ma sát của dòng chảy trong ống cao hơn.
Có một vài dẫn chứng cho thấy rằng cùng một quá trình mà sự tăng độ nhám của ống theo thời gian cũng có xu thế làm tăng độ phản ứng của nó với một số loại chất, đặc
biệt là Clo và các chất khử trùng khác. EPANET có thể làm cho Kw của mối ống là một hàm của hệ số biểu thịđộ nhám của ống. Một hàm khác áp dụng sự phụ thuộc vào công thức được sử dụng để tính toán tổn thất cột nước qua ống là:
Headloss Formula Wall Reaction Formula
Hazen-Williams Kw = F / C Darcy-Weisbach Kw = − F / log(e/d) Chezy-Manning Kw = F / n trong đó: C - hệ số C Hazen-Williams, e - độ nhám Darcy-Weisbach, d - đường kính ống, n - độ nhám Manning, F - hệ số phản ứng thành - độ nhám ống.
Hệ số F phải được phát triển từ các phép đo hiện trường của vùng đặc trưng và sẽ có một ý nghĩa khác tuỳ thuộc vào phương trình tổn thất cột nước được sử dụng. Ưu điểm của việc sử dụng phương pháp này là chỉđòi hỏi một thông số (F), cho phép các hệ số
phản ứng thành thay đổi trên trên toàn mạng lưới theo một cách có ý nghĩa vật lý.
Theo dõi tuổi nước và theo dõi nguồn nước (Water Age and Source Tracing)
Ngoài việc vận chuyển hoá chất, EPANET cũng mô hình hoá sự thay đổi tuổi nước trên toàn hệ thống phân phối. Tuổi của nước là thời gian mà một phân tố nước trong mạng lưới trải qua. Nước mới từ các bể chứa hoặc các nút nguồn đi vào mạng với tuổi bằng không. Tuổi nước cho một tiêu chuẩn đánh giá đơn giản, không đặc trưng về chất lượng tổng thể của nước uống được cung cấp. Bên trong, EPANET xử lý tuổi nước như là một thành phần phản ứng mà sự lớn lên của nó tuân theo một động học bậc 0 với tốc độ không đổi bằng 1 (nghĩa là mỗi một giây nước trở nên cũđi một giây). EPANET cũng có khả năng thể hiện sự theo dõi nguồn nước. Theo dõi nguồn theo dõi theo thời gian bao nhiêu phần trăm của nước đi đến bất cứ nút nào trong mạng có nguồn gốc từ một nút cụ thể. Nút nguồn có thể là bất cứ nút nào trong mạng bao gồm cả bể chứa hoặc đài nước. Bên trong, EPANET xử lý nút này như một nguồn không
dõi nguồn là một công cụ hữu ích để phân tích các hệ thống phân phối nước lấy từ hai hoặc nhiều hơn nguồn cung cấp nước thô. Nó có thể cho biết tới một mức độ nào nước từ một nguồn cho trước hòa trộn với nước từ các nguồn khác, và mẫu không gian của sự pha trộn thay đổi theo thời gian như thế nào.