Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình Epanet - Đào Duy Khơi

Chia sẻ: Lạc Vũ Chi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình Epanet" được biên soạn với mục tiêu nhằm cung cấp cho học viên những nội dung về: giới thiệu Epanet; hướng dẫn nhanh cách sử dụng Epanet; mô hình mạng lưới; không gian làm việc của Epanet; làm việc với các Project; làm việc với các đối tượng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình Epanet - Đào Duy Khơi

BÀI GIẢNG PHÂN TÍCH MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH EPANET ĐÀO DUY KHƠI Đào Duy Khơi 1 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU EPANET 1.1. EPANET là gì? EPANET là chương trình tính toán mạng lưới cấp nước, có khả năng mô phỏng thuỷ lực và chất lượng nước theo thời gian. EPANET mô phỏng mạng lưới cấp nước bao gồm các đoạn ống, các nút, các máy bơm, các van, các bể chứa và đài nước, tính được lưu lượng trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, chiều cao nước ở từng bể chứa, đài nước, nồng độ của các chất trên mạng theo thời gian làm việc mô phỏng của mạng lưới. EPANET chạy trên nền Windows, tạo được một môi trường hoà hợp cho việc vào dữ liệu của mạng, chạy mô hình mô phỏng quá trình thuỷ lực và chất lượng nước, quan sát kết quả theo nhiều cách khác nhau. 1.2. Khả năng mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Modeling Capabilities) Mô hình mô phỏng thuỷ lực chính xác là điều kiện tiên quyết cho sự mô phỏng chất lượng nước một cách hiệu quả. EPANET chứa các công cụ phân tích thuỷ lực rất mạnh, có các khả năng sau: - Có thể phân tích được mạng lưới cấp nước không giới hạn về quy mô. - Tính toán tổn thất ma sát thuỷ lực theo cả ba công thức: Hazen-Williams, hoặc Darcy-Weisbach, hoặc Chezy-Manning. - Tính được cả các tổn thất cục bộ ở các đoạn cong, đoạn ống nối,.... - Mô hình hoá máy bơm với số vòng quay cố định hoặc thay đổi. - Tính được năng lượng bơm và giá thành bơm nước. - Mô phỏng các loại van khác nhau như van đóng (Shutoff), van kiểm tra (Check), van điều chỉnh áp suất (Pressure regulating), và van điều chỉnh lưu lượng (Flow control). - Cho phép mô phỏng bể chứa nước có nhiều hình dạng khác nhau (đường kính có thể thay đổi theo chiều cao). - Tính đến sự biến đổi nhu cầu nước tại các nút, mỗi nút có thể có một biểu đồ dùng nước riêng. - Mô hình hoá lưu lượng dòng chảy phụ thuộc áp suất từ các nút theo kiểu vòi phun (Sprinkler heads). - Có thể cho hệ thống làm việc khi mực nước trong các bể ứng với các trường hợp: không biến đổi (Simple tank), thay đổi theo thời gian (Timer controls), hoặc điều khiển theo quy tắc phức tạp (Complex rule-based controls). 1.3. Khả năng mô phỏng chất lượng nước (Water Quality Modeling Capabilities) Ngoài việc mô hình hoá thuỷ lực, EPANET cho phép mô hình hoá chất lượng nước với các khả năng sau: - Mô hình hoá sự chuyển động của chất không phản ứng trong mạng. Đào Duy Khơi 1 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
- Mô hình hoá chuyển động và sự biến đổi của các chất có phản ứng trong mạng như sự gia tăng (ví dụ như sản phẩm khử trùng) hoặc sự suy giảm (như dư lượng Clo) theo thời gian. - Mô hình hoá thời gian lưu nước trong khắp mạng. - Theo dõi được phần trăm lưu lượng nước từ một nút cho trước đến các nút khác theo thời gian. - Mô hình hoá phản ứng cả trong dòng chảy (Bulk Flow) lẫn trên thành ống (Pipe Wall). - Sử dụng động học bậc 'n' để mô hình hoá phản ứng trong dòng chảy. - Sử dụng động học bậc '0' hoặc bậc nhất để mô hình hoá phản ứng tại thành ống. - Kể đến việc cản trở sự vận chuyển nước khi mô hình hoá phản ứng tại thành ống. - Cho phép các phản ứng gia tăng hoặc suy giảm đến một nồng độ giới hạn. - Sử dụng các hệ số mức phả`n ứng chung, tuy nhiên cũng có thể thay đổi riêng cho từng đoạn ống. - Cho phép hệ số phản ứng của thành ống liên hệ được với độ nhám của ống. - Cho phép nồng độ hoặc khối lượng vật chất biến đổi theo thời gian đưa vào một vị trí bất kỳ trong mạng. - Mô hình hoá các bể chứa như là bể phản ứng với các kiểu trộn khác nhau. Với các đặc điểm như vậy, EPANET có thể xem xét được các vấn đề về chất lượng nước như: - Sự pha trộn nước từ các nguồn khác nhau; - Thời gian lưu nước trong hệ thống; - Sự suy giảm dư lượng Clo; - Sự gia tăng các sản phẩm khử trùng; - Theo dõi sự lan truyền các chất ô nhiễm. 1.4. Các bước sử dụng EPANET (Steps in Using EPANET) Việc áp dụng chương trình EPANET để mô phỏng một hệ thống cấp nước được thực hiện theo các bước cơ bản dưới đây: 1) Vẽ sơ đồ biểu diễn mạng cấp nước (Adding Objects). 2) Biên tập các thuộc tính của các đối tượng của mạng (Editing Objects). 3) Mô tả hệ thống làm việc như thế nào: các đường quan hệ (Curves), các mẫu hình thời gian (Time Patterns), các lệnh điều khiển (Controls). 4) Chọn các chức năng phân tích (Setting Analysis Options) để đặt các thuộc tính cho các đối tượng về các mặt: thuỷ lực, chất lượng, phản ứng, thời gian, năng lượng,... 5) Chạy chương trình để phân tích thuỷ lực hoặc chất lượng nước (Running an Analysis). 6) Xem kết quả (Viewing Results). Đào Duy Khơi 2 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
CHƯƠNG 2. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET 2.1. Mạng lưới ví dụ (Example Network) Trong chương này giới thiệu một ví dụ mạng lưới phân phối nước đơn giản thể hiện như hình vẽ 2.1. Mạng này bao gồm: bể chứa nguồn (chẳng hạn là bể chứa nước sạch của trạm xử lý), từ đó nước được bơm vào mạng lưới đường ống có hai vòng. Ngoài ra còn có thêm một đường ống dẫn tới một đài chứa nổi lên trên hệ thống. Các nhãn (ID labels) cho các thành phần khác nhau được biểu diễn trên hình vẽ. Các thuộc tính nút của mạng lưới được thể hiện trong bảng 2.1. Các thuộc tính của ống được liệt kê trong bảng 2.2. Máy bơm (9) có thể tạo ra một cột nước 46 m với lưu lượng 38 l/s, và đài nước (nút 8) có đường kính 12 m, mức nước nhỏ nhất 1,0 m, và mức nước tối đa 6,0 m, mức nước ban đầu là 1,2 m. Hình 2.1. Ví dụ về một mạng lưới đường ống Bảng 2.1. Ví dụ các thuộc tính nút của mạng lưới Nút Độ cao (m) Nhu cầu cơ bản (l/s) 1 210 0 2 210 0 3 220 9 4 210 9 5 200 13 6 210 9 7 210 0 8 250 0 Đào Duy Khơi 3 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Bảng 2.1. Ví dụ các thuộc tính đường ống của mạng lưới Ống Chiều dài (m) Đường kính (mm) Hệ số nhám n 1 900 350 0,014 2 1500 300 0,014 3 1500 200 0,014 4 1500 200 0,014 5 1500 200 0,014 6 2100 250 0,014 7 1500 150 0,014 8 2100 150 0,014 2.2. Thiết lập bản vẽ (Project Setup) Trước hết, nhiệm vụ đầu tiên của chúng ta là tạo ra một bản vẽ hệ thống (Project) mới trên EPANET. Để bắt đầu, mở EPANET, hoặc nếu EPANET đã khởi động rồi thì chọn File >> New (từ thanh menu) để tạo ra một project mới. Tiếp theo chọn Project >> Defaults để mở hộp thoại mà dạng của hộp được thể hiện ở hình 2.2. Chúng ta sẽ sử dụng hộp thoại này để cho EPANET tự động gán nhãn cho các đối tượng mới với cách đánh số liên tiếp bắt đầu từ số từ 1 và cộng thêm 1 mỗi khi chúng được thêm vào mạng lưới. Trên trang ID Labels của hộp thoại xoá hết các nội dung trong cột ID Prefix và đặt bước tăng ID (ID Increment) bằng 1 (hình 2.2). Hình 2.2. Hộp thoại Project Defaults Sau đó chọn trang Hydraulics của hộp thoại và chọn đơn vị đo lưu lượng (Flow Units) là LPS (liters per second, l/s). Khi đó, hệ đơn vị SI sẽ được sử dụng cho tất cả các đại lượng (chiều dài bằng mét, đường kính ống bằng mili-mét, áp suất bằng mét cột nước, v.v...). Cũng chọn công thức Chezy-Manning như là công thức tính tổn thất cột nước trong ống (hình 2. 2). Đào Duy Khơi 4 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Nếu muốn giữ các lựa chọn này cho tất cả các projects mới trong tương lai, bạn có thể đánh dấu vào hộp Save ở dưới đáy hộp thoại trước khi chấp nhận nó bằng việc nhấn nút OK. Tiếp theo chúng ta sẽ chọn vài chức năng hiển thị sơ đồ mạng lưới để khi chúng ta thêm các đối tượng lên sơ đồ, chúng ta sẽ thấy nhãn và ký hiệu của chúng được hiển thị. Chọn View >> Options để hiển thị hộp thoại Map Options. Chọn trang Notation ở hộp thoại và đánh dấu các cài đặt (thể hiện ở hình 2.3 dưới đây). Sau đó chuyển sang trang Symbols và đánh dấu cho tất cả các hộp. Nhấp nút OK để chấp nhận những lựa chọn này và đóng hộp thoại lại. Cuối cùng, trước khi vẽ mạng lưới, chúng ta phải đảm bảo rằng các cài đặt tỉ lệ bản đồ của chúng ta là đã được chấp nhận. Chọn View >> Dimensions để làm hiện ra hộp thoại Map Dimensions. Chú ý rằng các kích thước mặc định này sẽ được chỉ định cho project mới. Những cài đặt này đủ để đáp ứng cho thí dụ ở đây. Sau đó nhấp nút OK. Hình 2.3. Hộp thoại Map Options 2.3. Vẽ mạng lưới cấp nước (Drawing the Network) Sử dụng chuột và các nút nằm trên thanh công cụ bản đồ (Map Toolbar) được thể hình dưới đây. (Nếu không nhìn thấy thanh công cụ này thì chọn View >> Toolbars >> Map). Trước hết chúng ta vẽ bể chứa. Nhấp nút Reservoir . Tiếp theo nhấp chuột trên bản Đào Duy Khơi 5 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
đồ tại vị trí của bể chứa (vị trí nào đó bên trái của bản đồ). Sau đó thêm vào các mối nối. Nhấp nút Junction và sau đó nhấp vào bản đồ tại các vị trí của các nút từ nút 2 đến nút 7. Cuối cùng thêm đài nước bằng cách nhấp nút Tank và nhấp vào bản đồ nơi đặt đài nước. Đến đây sơ đồ mạng phải sẽ có dạng giống như bản vẽ trong hình 2.4. Hình 2.4. Bản đồ mạng lưới sau khi nhập các nút Sau đó chúng ta nhập thêm các đường ống vào. Hãy bắt đầu từ ống 1, nối nút 2 tới nút 3. Nhấp nút Pipe trên Toolbar. Nhấp chuột vào nút 2 trên bản đồ và sau đó đến nút 3. Lặp lại cách vẽ này cho các ống từ 2 tới 7. Ống 8 có hình đường cong. Muốn vẽ nó nhấp chuột vào nút 5. Sau đó trong quá trình di chuyển chuột tới nút 6 hãy nhấp chuột tại những điểm mà ở đó cần có sự đổi hướng để tạo ra hình dạng đường cong mong muốn. Kết thúc quá trình vẽ bằng việc nhấp vào nút 6. Cuối cùng thêm máy bơm vào. Nhấp nút Pump , rồi nhấp vào nút 1 và sau đó là nút 2. Tiếp theo chúng ta sẽ tạo nhãn cho bể chứa, máy bơm, và đài nước. Hãy chọn nút Text Đào Duy Khơi 6 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
và nhấp vào một nơi nào đó cạnh bể chứa (nút 1) Một hộp điều chỉnh sẽ xuất hiện, Hãy gõ vào từ BỂ và sau đó gõ Enter. Nhấp bên cạnh máy bơm và nhập nhãn của nó vào (BƠM), rồi làm tương tự cho đài nước (ĐÀI). Sau đó nhấp nút Selection trên Toolbar để đưa bản đồ vào chế độ Object Selection thay vì chế độ Text Insertion. Đến đây chúng ta đã hoàn thành việc vẽ mạng lưới. Mạng lưới của bạn phải giống như bản đồ ở hình 1.1. Nếu các nút nằm sai vị trí bạn có thể di chuyển chúng bằng cách nhấp vào nút đó, giữ chuột trái và kéo nó tới vị trí mới. Chú ý quan sát xem các ống nối được di chuyển cùng với nút như thế nào. Các nhãn cũng có thể thay đổi vị trí theo cách tương tự. Muốn tạo lại dáng đường cong của ống 8 thì làm như sau: 1) Trước hết nhấp lên ống 8 để chọn nó và sau đó nhấp nút trên Toolbar để đưa bản đồ vào chế độ Vertex Selection. 2) Chọn một đỉnh (Vertex) trên ống bằng cách nhấp lên nó, giữ nút trái chuột và sau kéo nó tới một vị trí mới rồi thả nút trái chuột ra. 3) Nếu cần, có thể thêm hoặc xoá bớt đỉnh của tuyến ống bằng cách nhấp nút phải chuột và chọn chức năng thích ứng trên menu xuất hiện trên màn hình. 4) Khi kết thúc, nhấp vào để trở lại chế độ Object Selection. 2.4. Định các thuộc tính của đối tượng (Setting Object Properties) Khi các đối tượng được thêm vào một Project, chúng được gán bởi một tập hợp các thuộc tính mặc định. Muốn thay đổi thiết lập của một thuộc tính cụ thể chúng ta phải chọn đối tượng vào Property Editor (hình 2.5). Có một số cách khác nhau để làm việc này. Nếu hộp thoại Editor đã nhìn thấy thì bạn có thể làm cho nó (Property Editor) xuất hiện bằng một trong những thao tác sau: 1) Nhấp đúp vào đối tượng trên bản đồ. 2) Nhấp nút phải chuột lên đối tượng và chọn Properties từ cửa sổ xuất hiện trên màn hình. 3) Chọn đối tượng từ trang Data của cửa sổ Browser rồi nhấp nút Browser’s Edit . Mỗi khi trong Property Editor có ô sáng lên, bạn có thể nhấn phím F1 để có được những hướng dẫn đầy đủ hơn về những thuộc tính được liệt kê. Đào Duy Khơi 7 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Hình 2.5. Property Editor Chúng ta hãy bắt đầu soạn thảo các thuộc tính bằng cách chọn nút 2 vào Property Editor như cách đã nói ở trên. Bây giờ chúng ta nhập cao độ và nhu cầu nước cho nút này trong các ô thích hợp. Bạn có thể dùng các phím mũi tên Up và Down trên bàn phím hay con chuột để di chuyển giữa các ô này. Chúng ta chỉ cần nhấp lên một đối tượng khác (nút hay đường nối) để làm cho các thuộc tính của nó tiếp tục xuất hiện trong Property Editor. Chúng ta cũng có thể nhấn phím Page Down hay Page Up để di chuyển tới đối tượng tiếp theo hay đối tượng trước với cùng một loại số liệu. Như vậy chỉ cần di chuyển từ đối tượng này sang đối tượng khác và điền cao độ và lưu lượng yêu cầu cho các nút, chiều dài, đường kính và độ nhám cho các đường nối,... Đối với bể chứa, nhập cao độ của nó (210) trong ô tổng cột áp (Total Head). Đối với đài nước; nhập 250 cho cao độ của nó; nhập 1,2 cho mức nước ban đầu; nhập 6,0 cho mức nước lớn nhất và 12 cho đường kính của nó. Đối với máy bơm, chúng ta cần phải gán cho nó một đường cong (quan hệ giữa cột nước và lưu lượng). Nhập nhãn ID 1 trong ô Pump Curve. Tiếp theo chúng ta sẽ tạo ra Pump Curve 1. Từ trang Data của cửa sổ Browser, chọn Curves từ hộp danh sách thả xuống và sau đó nhấp nút Add . Một đường cong 1 sẽ được thêm vào cơ sở dữ liệu và hộp thoại Curve Editor sẽ xuất hiện (hình 2.6) Nhập Đào Duy Khơi 8 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
cột nước thiết kế máy bơm (46 m) và lưu lượng thiết kế (38 l/s) vào biểu này. EPANET sẽ tự động tạo ra đường đặc tính máy bơm hoàn chỉnh từ 1 điểm duy nhất này. Phương trình của đường cong được biểu diễn với dạng của nó. Nhấp OK để đóng Editor. Hình 2.6. Curve Editor 2.5. Lưu và mở bản vẽ (Saving and Opening Projects) Sau khi đã hoàn thành thiết kế ban đầu của mạng lưới, cần phải lưu lại công việc của chúng ta vào một file. 1) Từ menu File chọn Save as. 2) Từ hộp thoại Save as chọn thư mục và tên file cần lưu Project vào đó. Phần mở rộng .net sẽ được thêm vào tên của file một cách mặc định nếu ta không cung cấp. 3) Nhấp OK để lưu Project này vào file. Các dữ liệu của Project được đưa vào file dưới dạng nhị phân. Nếu bạn muốn lưu dữ liệu vào tập tin dưới dạng văn bản có thể đọc được, hãy dùng lệnh File >> Export >> Network. Muốn mở Project, chúng ta chọn lệnh Open từ menu File. Đào Duy Khơi 9 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
2.6. Chạy mô hình mô phỏng một thời đoạn (Running a Single Period Analysis) Bây giờ chúng ta có đủ thông tin để chạy một mô hình phân tích thuỷ lực một thời đoạn trên mạng lưới ví dụ nêu trên. Để chạy mô hình chọn Project >> Run Analysis hoặc nhấp nút Run từ thanh công cụ (Standard Toolbar). (Nếu Toolbar chưa nhìn thấy thì hãy chọn View >> Toolbars >> Standard từ thanh Menu). Nếu chương trình không chạy được thì một cửa sổ Status Report sẽ xuất hiện ra và cho biết có vấn đề (lỗi) gì. Nếu chạy thành công thì bạn có thể xem kết quả theo nhiều cách. Hãy chọn một số trong những thao tác sau: 1) Chọn Node Pressure từ trang Browser’s Map và quan sát giá trị áp suất ở các nút được mã màu (color-coded) như thế nào. Muốn xem lời chú giải cho sự mã màu này, hãy chọn View >> Legends >> Node (hoặc nhấp nút phải chuột lên phần trống của bản đồ và chọn Node Legends từ cửa sổ hiện ra). Để chọn khoảng màu của lời chú giải, nhấp nút phải chuột lên lời chú giải để làm cho Legends Editor xuất hiện. 2) Lôi hộp thoại Property Editor ra (nhấp đúp và bất kỳ nút hay đường nối nào) và nhìn nhận kết quả tính toán được hiện trên các ô cuối (màu vàng sáng) của danh sách các ô thuộc tính. 3) Tạo ra một danh sách kết quả bằng bảng biểu bằng cách chọn Report >> Table (hay bằng cách nhấp nút Table trên Standard Toolbar. Hình 2.7 hiển thị một bảng như vậy cho các kết quả tính toán cho các đường nối trong lần chạy này. Lưu ý rằng các lưu lượng có dấu âm có nghĩa là lưu lượng chảy ngược hướng với hướng vẽ đoạn ống lúc đầu. Đào Duy Khơi 10 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Bảng 2.7. Ví dụ các kết quả tính toán cho các đường nối 2.7. Chạy mô hình mô phỏng theo thời gian (Running an Extended Period Analysis) Để cho mạng lưới của chúng ta có tính thực tế hơn cho việc phân tích theo thời gian hoạt động dài, chúng ta sẽ tạo ra một mẫu hình thời gian (Time Pattern) làm cho các lưu lượng yêu cầu tại các nút thay đổi một cách có chu kỳ trong mỗi ngày. Đối với ví dụ đơn giản này chúng ta sẽ sử dụng một mẫu hình thời gian có độ dài mỗi thời đoạn (bước thời gian) là 6 giờ, như vậy lưu lượng yêu cầu thay đổi 4 lần trong một ngày. (Bước thời gian 1 giờ là một con số điển hình hơn và là sự mặc định gắn cho Project mới). Chúng ta sắp xếp các bước thời gian bằng cách chọn Options-Times từ Data Browser, nhấp vào nút Browser’s Edit để làm cho Property Editor xuất hiện (nếu như chưa thấy trên màn hình). Và nhập 6 cho giá trị của bước thời gian (như thể hiện ở hình 2.8 dưới đây). Khi làm cho Time Options xuất hiện, chúng ta cũng có thể định khoảng thời gian mà chúng ta muốn kéo dài để chạy chương trình. Chúng ta sử dụng khoảng thời gian 3 ngày (nhập 72 giờ cho thuộc tính Duration). Hình 2.8. Tuỳ chọn thời gian (Time Options) Để tạo ra mẫu hình, hãy chọn Patterns trong Browser sau đó nhấp nút Add . Một mẫu hình mới 1 sẽ được tạo ra và hộp thoại Pattern Editor sẽ xuất hiện (xem hình 2.9). Nhập các giá trị nhân tử 0,5; 1,3; 1,0; 1,2 cho các khoảng thời gian từ 1 tới 4 sẽ tạo được một mẫu hình với thời gian kéo dài 24 tiếng. Sử dụng các nhân tử này để thay đổi lưu lượng yêu cầu so với lưu lượng yêu cầu cơ bản trong từng thời đoạn. Bởi vì chúng ta đang tạo ra thời gian chạy là 72 giờ nên mẫu hình sẽ quay lại điểm xuất phát sau mỗi khoảng thời gian 24 giờ. Đào Duy Khơi 11 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Hình 2.9. Pattern Editor Bây giờ chúng ta phải gán mẫu hình 1 cho thuộc tính Demand Pattern (mẫu hình lưu lượng yêu cầu) của tất cả các nút trong mạng. Chúng ta có thể sử dụng một trong các Hydraulic Options của EPANET để tránh việc phải soạn thảo cho các mối nối từng cái một. Nếu bạn làm xuất hiện Hydraulic Options trong Property Editor bạn sẽ thấy có một mục gọi là Default Pattern. Việc gán định giá trị của nó bằng 1 sẽ làm cho Demand Pattern tại mỗi mối nối bằng mẫu hình 1, một khi không có mẫu hình nào khác được gán cho mối nối này. Tiếp theo chạy phép phân tích (chọn Project >> Run Analysis hoặc nhấp nút trên thanh Standard Toolbar). Đối với phép phân tích theo thời gian dài bạn có một số cách nữa để xem kết quả: Thanh cuộn trong các nút kiểm soát Time của Browser sẽ được sử dụng để hiển thị bản đồ mạng lưới tại những thời điểm khác nhau. Hãy thực hiện việc này với áp suất (Pressure) được chọn là thông số của nút và lưu lượng (Flow) là thông số của đường nối. Đào Duy Khơi 12 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Các nút theo kiểu VCR trong Browser có thể kích hoạt bản đồ theo thời gian. Nhấp nút Forward (chạy tới) để để bắt đầu chạy hoạt ảnh và nút Stop để dừng lại. Hãy thêm các mũi tên hướng dòng chảy ở bản đồ (chọn View >> Options, chọn trang Flow Arrows từ hộp thoại Map Options và đánh dấu (check) một kiểu mũi tên mà bạn muốn sử dụng) Sau đó bắt đầu chạy lại hoạt ảnh và chú ý sự thay đổi hướng dòng chảy theo thời gian của dòng chảy qua ống nối với đài nước khi đài nước nhận nước và xả nước. Hãy tạo ra bản vẽ loạt thời gian cho bất kỳ một nút hay một đường nối nào. Ví dụ muốn xem độ cao của nước trong đài thay đổi như thế nào theo thời gian thì: 1) Nhấp vào đài nước. 2) Chọn Report >> Graph (hoặc nhấp nút Graph trên Standard Toolbar) sẽ hiển thị hộp thoại Graph Selection. 3) Chọn nút Time Series (loạt thời gian) trên hộp thoại. 4) Chọn Head (cột nước) như là thông số để vẽ. 5) Nhấp OK để chấp nhận việc chọn đồ thị của bạn. Chú ý tính chu kỳ của đồ thị biểu thị độ cao của nước trong đài theo thời gian. Hình 2.10. Ví dụ về hình vẽ theo loạt thời gian Đào Duy Khơi 13 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
2.8. Chạy một phép phân tích chất lượng nước (Running a Water Quality Analysis) Tiếp theo chúng ta sẽ thấy cách mở rộng phép phân tích mạng lưới ví dụ của chúng ta để nó bao gồm cả việc phân tích chất lượng nước. Trường hợp đơn giản nhất là theo dõi sự phát triển của tuổi nước (Age), còn gọi là thời gian lưu nước), trên toàn mạng lưới theo thời gian. Để thực hiện việc phân tích này chúng ta chỉ cần chọn Age cho thuộc tính Parameter trong Quality Options (chọn Options-Quality từ trang Data của Browser, rồi nhấp nút Browser's Edit để làm cho Property Editor xuất hiện). Hãy chạy phép phân tích và chọn Age như là thông số để xem trên bản đồ. Hãy tạo ra một bản vẽ loạt thời gian cho Age trong đài nước. Lưu ý rằng không giống như mực nước, 72 giờ là không đủ thời gian để thời gian lưu nước trong đài đạt tới quan hệ chu kỳ. (Điều kiện ban đầu mặc định là bắt đầu tất cả các nút với thời gian lưu nước bằng 0). Hãy thử lặp lại sự mô phỏng với việc sử dụng khoảng thời gian 240 giờ hoặc gán 60 giờ cho tuổi nước ban đầu trong đài. Cuối cùng, chúng ta sẽ mô phỏng sự vận chuyển và sự phân rã của Clo qua mạng lưới. Hãy thực hiện những thay đổi sau cho cơ sở dữ liệu: 1) Từ Data Browser chọn Options-Quality để soạn thảo. Nhấn nút Edit để hiện ra hộp thoại Quanlity Option. Trong ô Parameter gõ vào từ "Clo". 2) Chuyển sang Options-Reactions trong Browser. Với Global Bulk Coefficient nhập giá trị -1.0. Điều này phản ánh tốc độ mà tại đó Clo sẽ phân rã do những phản ứng trong khối dòng theo thời gian. Tốc độ này sẽ áp dụng cho tất cả các ống trong mạng lưới. Bạn có thể sửa trị số này cho các ống riêng rẽ nếu bạn cần. 3) Hãy nhấp vào bể nước và ấn định Initial Quality của nó bằng 1,0. Đây là nồng độ Clo liên tục đi vào mạng lưới. (Hãy ấn định chất lượng ban đầu trong đài bằng 0 nếu như bạn đã thay đổi nó.) Bây giờ hãy chạy ví dụ. Sử dụng các kiểm tra thời gian trên Map Browser để xem mức Clo thay đổi theo vị trí và thời gian như thế nào trên toàn bộ sự mô phỏng. Lưu rằng, đối với mạng lưới đơn giản này, chỉ có các mối nối 5, 6 và 7 nhìn thấy được mức Clo bị giảm xuống do được cung cấp bởi nước Clo nồng độ thấp từ đài nước. Hãy tạo ra một báo cáo phản ứng (reaction report) cho lần chạy này bằng cách chọn Report >> Reaction từ menu chính. Báo cáo này trông giống như hình 2.1. Nó cho thấy, trung bình lượng Clo thất thoát là bao nhiêu xảy ra trên các đường ống đối diện với đài. Thuật ngữ "khối" chỉ các phản ứng xảy ra trong khối dòng chảy chất lỏng, còn "thành" chỉ các phản ứng với vật liệu trên thành ống. Phản ứng sau bằng 0 vì chúng ta đã không định rõ bất cứ hệ số phản ứng thành nào trong ví dụ này. Đào Duy Khơi 14 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Hình 2.11. Ví dụ báo cáo phản ứng (Reaction Report) Chúng ta mới chỉ chạm vào bề mặt của nhiều khả năng khác nhau mà EPANET cung cấp. Một số điều đặc trưng nữa của chương trình EPANET mà bạn phải tiếp tục tìm hiểu và nghiên cứu là: - Sửa đổi một thuộc tính cho một nhóm các đối tượng nằm bên trong một vùng xác định bởi người sử dụng. - Sử dụng các câu lệnh điều khiển để bố trí vận hành máy bơm đúng giờ trong ngày hoặc mức nước ở đài. - Khảo sát các chức năng bản đồ khác nhau, chẳng hạn như làm cho kích cỡ của nút liên quan tới giá trị. - Gắn một bản đồ nền (backdrop), chẳng hạn như bản đồ đường phố vào trong bản đồ mạng lưới. - Tạo ra nhiều loại biểu đồ khác nhau, chẳng hạn như các bản vẽ mặt cắt và các bản vẽ đường đồng mức. - Thêm các số liệu định cỡ vào một Project và xem một báo cáo định cỡ. - Copy bản đồ, biểu đồ, hay một báo cáo vào clipboard hoặc vào một file. - Lưu và lấy lại một kịch bản thiết kế (có nghĩa là các lưu lượng yêu cầu nút hiện tại, các giá trị độ nhám ống, v.v...). Đào Duy Khơi 15 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI Phần này nói về cách mà EPANET mô hình hoá các đối tượng vật lý tạo thành hệ thống phân phối nước cũng như các thông số của nó. Các chi tiết về vấn đề làm thế nào để những thông tin này được nhập vào chương trình sẽ được giới thiệu trong các phần tiếp theo. Phần này cũng khái quát phương pháp tính toán mà EPANET sử dụng để mô phỏng quan hệ thuỷ lực và truyền chất. 3.1. Các thành phần vật lý của mạng lưới (Physical Components) EPANET mô hình hoá hệ thống phân phối như là một tập hợp các đường nối được nối với các nút. Các đường nối miêu tả các ống, máy bơm, và van điều khiển. Các nút miêu tả các mối nối, đài nước và bể chứa. Hình dưới đây minh hoạ các đối tượng này được nối với nhau như thế nào để tạo thành một mạng lưới. Hình 3.1. Các thành phần vật lý trong một hệ thống phân phối nước. Các mối nối (Junctions) Mối nối là những điểm trong mạng lưới nơi các đường nối được nối lại với nhau và nơi nước đi vào hoặc đi ra khỏi mạng lưới. Các số liệu đầu vào cơ bản của mối nối là: - Độ cao trên một mức chuẩn nào đó (thường mức chuẩn là mực nước biển trung bình); - Lưu lượng yêu cầu (lưu lượng nước lấy ra khỏi mạng); - Chất lượng nước ban đầu. Đào Duy Khơi 16 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Các kết quả đầu ra được tính toán cho các mối nối trong mọi khoảng thời gian mô phỏng là: - Cột nước (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng); - Áp suất; - Chất lượng nước. Các mối nối cũng có thể: - Có lưu lượng yêu cầu thay đổi theo thời gian; - Có các mẫu hình khác nhau của lưu lượng yêu cầu gắn cho chúng; - Có các lưu lượng âm biểu thị nước đi vào mạng lưới; - Chứa các vòi phun (hoặc bình phun) cho lưu lượng chảy ra phụ thuộc vào áp lực. Bể chứa (Reservoirs) Bể chứa là những nút biểu thị cho nguồn nước bên ngoài không xác định tới mạng lưới. Chúng được sử dụng để mô hình hoá cho những vật thể như: hồ, sông, các tầng ngậm nước ngầm và các mối liên hệ với các hệ thống khác. Các bể chứa cũng đóng vai trò như những điểm nguồn chất lượng nước. Các thuộc tính đầu vào ban đầu của bể chứa là cột nước của nó (bằng với độ cao mặt nước nếu bể chứa không có áp) và chất lượng ban đầu của nó cho việc phân tích chất lượng nước. Vì bể chứa là một điểm biên tới một mạng lưới, nên cột nước và chất lượng nước có thể không bị ảnh hưởng bởi những gì xảy ra bên trong mạng lưới. Do đó nó không có các thuộc tính đầu ra theo tính toán. Tuy nhiên cột nước của nó có thể thay đổi theo thời gian bằng cách ấn định cho nó một mẫu hình thời gian (xem các mẫu hình thời gian bên dưới). Đài nước (Tanks) Đài nước là các nút có khả năng trữ nước, nơi mà thể tích nước có thể thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình mô phỏng. Các thuộc tính đầu vào của đài nước là: - Độ cao đáy (nơi độ sâu nước bằng không); - Đường kính (hay hình dạng nếu không phải là hình trụ); Đào Duy Khơi 17 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
- Mặc nước ban đầu, mực nước thấp nhất và mực nước cao nhất; - Chất lượng ban đầu. Các đài nước đòi hỏi phải vận hành trong một phạm vi từ mức nước nhỏ nhất tới mực nước lớn nhất của chúng. EPANET ngưng dòng chảy ra nếu nước trong đài ở mực nhỏ nhất và ngưng dòng chảy vào nếu ở mức cao nhất. Các đài nước cũng đóng vai trò như là các điểm nguồn chất lượng nước. Đầu lấy nước (Emitters) Đầu lấy nước là các thiết bị kết hợp với mối nối mà có thể mô hình hoá dòng chảy qua một vòi hoặc lỗ xả ra không khí. Lưu lượng lấy ra từ đầu lấy nước biến đổi như là một hàm số của áp suất tại nút: q = C.p trong đó: q - lưu lượng; p - áp suất; C - hệ số lưu lượng;  - số mũ của áp suất. Đối với các đầu vòi và lỗ thì lấy  =0,5 và nhà sản xuất thường cung cấp trị số của hệ số lưu lượng (theo đơn vị gpm/psi0,5 hoặc lps/kpc0,5), biểu thị lưu lượng qua thiết bị ở áp suất có trị số 1 đơn vị. Đầu lấy nước được sử dụng để mô phỏng lưu lượng qua hệ thống vòi trong mạng lưới tưới nước. Chúng cũng có thể sử dụng để mô phỏng lỗ hở trong ống nối với nút (nếu hệ số lưu lượng và số mũ áp suất cho chỗ thủng hoặc chỗ nối có thể đánh giá được) hoặc tính lưu lượng chữa cháy tại nút đó (lưu lượng có thể tại vài điểm có áp suất dư nhỏ nhất). Trường hợp cuối cùng, đầu lấy nước sử dụng một giá trị lớn của hệ số lưu lượng (chẳng hạn 100 lần dòng chảy lớn nhất) và thay đổi cao trình nút để bao gồm cột nước tương đương của đích áp suất. EPANET xử lý đầu lấy nước như là một thuộc tính của mối nối và không phải là thành phần mạng riêng. Các ống (Pipes) Đào Duy Khơi 18 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET
Ống là đường nối có thể vận chuyển nước từ một điểm này tới một điểm khác trong mạng. EPANET cho rằng tất cả các đoạn ống đầy nước tại mọi thời gian. Hướng của dòng chảy là từ nơi có cột nước cao sang nơi có cột nước thấp. Các thông số thuỷ lực đầu vào chủ yếu cho các ống là: - Nút đầu và nút cuối; - Đường kính ống; - Chiều dài; - Hệ số nhám (để tính toán tổn thất thuỷ lực); - Trạng thái (mở, đóng hoặc có van). Các thông số về trạng thái cho phép ống hoàn toàn chứa van ngắt (van cửa), van một chiều (chỉ cho dòng chảy đi theo một chiều nhất định). Các thông số đầu vào chất lượng nước cho ống gồm: - Hệ số phản ứng khối; - Hệ số phản ứng thành. Các hệ số này sẽ được giải thích kỹ hơn ở phần sau. Kết quả tính toán cho các ống gồm: - Lưu lượng; - Vận tốc; - Tổn thất cột nước; - Hệ số ma sát Darcy-Weisbach; - Hệ số phản ứng trung bình (trên chiều dài ống); - Chất lượng nước trung bình (trên chiều dài ống). Tổn thất thuỷ lực do nước chảy trong ống phụ thuộc vào sự ma sát với thành ống có thể được tính toán bằng việc sử dụng một trong ba công thức: - Công thức Hazen-Williams, - Công thức Darcy-Weisbach, - Công thức Chezy-Manning. Công thức Hazen-Williams thường được sử dụng nhiều nhất ở Mỹ. Nó không được sử dụng cho các chất lỏng khác ngoài nước và ban đầu chỉ được sử dụng cho dòng chảy Đào Duy Khơi 19 Bài giảng Phân tích mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET