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 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).
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 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
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).
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 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 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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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...).
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.
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;
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);
- 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.pγ trong đó: q - lưu lượng; p - áp suất; C - hệ số lưu lượng; γ - số mũ của áp suất.
Đối với các đầu vòi và lỗ thì lấy γ =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)
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 rối.
Công thức Darcy-Weisbach là đúng nhất về mặt lý thuyết. Nó được áp dụng cho tất cả các chế độ dòng chảy và cho tất cả các chất lỏng.
Công thức Chezy-Manning được sử dụng phổ biến hơn cho dòng chảy trong kênh hở. Mỗi công thức đều sử dụng phương trình sau để tính tổn thất thuỷ lực giữa điểm đầu và điểm cuối của đoạn ống:
hL = A.qB trong đó: hL - tổn thất cột nước; q - lưu lượng; A - hệ số sức cản; B - số mũ lưu lượng.
Bảng 3.1 liệt kê các biểu thức cho hệ số sức cản A và giá trị số mũ lưu lượng B cho mỗi công thức tính tổn thất thuỷ lực. Mỗi công thức sử dụng một hệ số độ nhám khác nhau xác định bằng thực nghiệm.
Bảng 3.1. Các công thức tính tổn thất cột nước trong ống chảy đầy (tổn thất cột nước tính bằng ft và tốc độ dòng chảy tính bằng cfs) Công thức Hệ số sức cản A Số mũ lưu lượng B Hazen-Williams 4,727 C-1,852 d-4,871 L 1,852 Darcy-Weisbach 0,0252 f(e,d,q)d-5L 2 Chezy-Manning 4,66 n2 d-5,33 L 2 Chú ý : C - hệ số nhám Hazen-Williams ε - hệ số nhám Darcy-Weisbach (ft) f - hệ số ma sát (phụ thuộc vào e, d, và q) n - hệ số nhám Manning d - đường kính ống (ft) L - chiều dài ống (ft)
Bảng 3.2. Các hệ số nhám cho ống mới Vật liệu làm ống Hazen-Williams C (không thứ nguyên) Darcy-Weisbach e (millifeet) Manning's n (không thứ nguyên) Gang đúc 130 - 140 0,85 0,012 - 0,015 Bê tông 120 -140 1,0 - 10 0,012 - 0,017 Sắt tráng kẽm 120 0,5 0,015 - 0,017 Nhựa 140 - 150 0,005 0,011 - 0,015 Thép 140 - 150 0,15 0,015 - 0,017 Gốm tráng men 110 0,013 - 0,015
Các ống có thể được ấn định cho mở hay đóng tại các thời điểm định trước hoặc khi có một số điều kiện cụ thể định trước được thoả mãn, chẳng hạn khi mực nước trong đài tụt xuống hay vượt quá các mực nước định trước nào đó, hoặc khi các áp suất nút giảm xuống dưới hay vượt quá những giá trị nhất định. Hãy xem việc thảo luận về các nút kiểm soát trong phần 3.2.
Tổn thất cục bộ
Tổn thất cục bộ (gọi là Local losses hoặc Minor head losses) được sinh ra do sự rối loạn dòng chảy xảy ra tại những chỗ uốn cong và nối ống. Tầm quan trọng của việc kể đến những tổn thất như vậy phụ thuộc và sự bố trí mạng lưới và độ chính xác đòi hỏi. Các tổn thất này có thể được tính bằng cách gán cho ống một hệ số tổn thất cục bộ. Tổn thất cục bộ sẽ là tích số của hệ số này với cột nước vận tốc trong ống:
g 2 v . K h 2 L = trong đó: K - hệ số tổn thất cục bộ; v - vận tốc dòng chảy;
g - gia tốc trọng trường.
Hệ số tổn thất cục bộ K được tra từ các bảng thuỷ lực, cũng có thể lấy theo đề nghị của EPANET như bảng 3.3 dưới đây:
Bảng 3.3. Hệ số tổn thất cục bộ
Van cầu, mở hoàn toàn: 10,0
Van nghiêng, mở hoàn toàn: 5,0
Van đong đong đưa, mở hoàn toàn: 2,5
Van cổng, mở hoàn toàn: 0,2
Uốn cong, bán kính nhỏ: 0,9
Uốn cong, bán kính trung bình: 0,8
Uốn cong, bán kính trung lớn: 0,6
Uốn cong cong 450: 0,4
Chỗ rẽ (đầu thẳng bịt): 2,2 Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh thẳng: 0,6
Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh rẽ: 1,8
Chỗ vào, cạnh vuông: 0,5
Chỗ ra: 1,0
Máy bơm
Máy bơm là đường nối truyền năng lượng cho chất lỏng, qua đó nâng cột áp thuỷ lực lên. Các thông số đầu vào cơ bản của máy bơm là: nút đầu và nút cuối, đường đặc tính (tổ hợp của các lưu lượng và các cột nước mà máy bơm có thể cung cấp). Thay cho đường đặc tính, máy bơm có thể được miêu tả như một thiết bị năng lượng không đổi, một thiết bị cung cấp một năng lượng (mã lực hoặc kilowat) cho dòng chảy cho tất cả các kết hợp giữa lưu lượng và cột nước.
Các thông số đầu ra cơ bản là lưu lượng và cột nước thu được. Dòng chảy qua bơm chỉ có một hướng duy nhất và EPANET không cho phép một máy bơm hoạt động ngoài
phạm vi đường đặc tính của nó.
Máy bơm có tốc độ quay thay đổi được còn có thể được xem xét bằng cách định rõ rằng tốc độ của nó thay đổi trong cùng một loại các điều kiện. Theo định nghĩa đường đặc tính gốc của máy bơm mà ta cấp cho chương trình có tốc độ tương đối bằng 1. Nếu tốc độ của máy bơm gấp đôi thì giá trị tương đối sẽ là 2, nếu chạy với một nửa tốc độ thì giá trị tương đối của tốc độ sẽ là 0,5, v.v... Việc thay đổi tốc độ sẽ làm biến đổi đường đặc tính của máy bơm.
Như đối với các ống, máy bơm có thể được bật và tắt vào những thời gian định trước hay theo một điều kiện nhất định tồn tại trong mạng lưới. Sự vận hành máy bơm cũng có thể được mô tả bằng cách ấn định cho nó một mẫu hình thời gian với những giá trị nhân tử là các tốc độ tương đối. EPANET cũng có thể tính được năng lượng tiêu thụ và chi phí cho việc bơm nước. Mỗi máy bơm có thể được ấn định một đường đặc tính hiệu suất và một chế độ giá điện. Nếu những thứ này không được cung cấp thì một tập hợp các lựa chọn năng lượng sẽ được sử dụng.
Dòng chảy qua bơm là dòng chảy một chiều. Nếu điều kiện của hệ thống đòi hỏi cột nước bơm cao hơn khả năng của máy thì EPANET đóng máy bơm lại. Nếu lưu lượng yêu cầu lớn hơn lưu lượng của máy bơm thì EPANET ngoại suy đường đặc tính của máy bơm đến lưu lượng yêu cầu, thậm chí điều này sinh ra một cột nước âm. Trong cả hai trường hợp thì một thông điệp cảnh báo sẽ được đưa ra.
Van (Valves)
Van là những đường nối mà có thể khống chế áp suất hay lưu lượng tại một điểm nhất định trong mạng lưới. Các thông số đầu vào chính của van là:
- Nút đầu và nút cuối; - Đường kính;
- Thiết lập; - Trạng thái.
Các giá trị đầu ra tính toán là lưu lượng và tổn thất cột nước. Các loại van khác nhau có ở trong EPANET là:
- Van giảm áp Pressure Reducing Valve (PRV)
- Van ngắt áp Pressure Breaker Valve (PBV) - Van kiểm soát lưu lượng Flow Control Valve (FCV) - Van kiểm soát tiết lưu Throttle Control Valve (TCV) - Van mục đích chung General Purpose Valve (GPV).
Các van giảm áp (PRV) khống chế áp suất tại một điểm trong mạng lưới. EPANET tính toán là một PRV có thể ở một trong 3 trạng thái sau:
- Mở một phần (có nghĩa là hoạt động) để đạt được một thiết lập áp suất đã định phía hạ lưu khi áp suất phía thượng lưu cao hơn áp suất đã định.
- Mở hoàn toàn nếu áp suất phía thượng lưu thấp hơn thiết lập đã định.
- Đóng hoàn toàn nếu áp suất phía hạ lưu vượt quá áp suất phía thượng lưu (nghĩa là dòng chảy ngược là không được phép).
Các van giữ áp (PSV) duy trì một áp suất nhất định tại một điểm cụ thể trong mạng ống. EPANET tính toán là một PSV có thể ở một trong 3 trạng thái sau:
- Mở một phần (hoạt động) để duy trì thiết lập áp suất của nó ở phía thượng lưu khi áp lực phía hạ lưu thấp hơn thiết lập này.
- Mở hoàn toàn nếu áp lực phía hạ lưu cao hơn thiết lập.
- Đóng hoàn toàn nếu áp suất phía hạ lưu vượt quá áp suất phía thương lưu (nghĩa là dòng chảy ngược là không được phép).
Van ngắt áp (PBV) bắt buộc một tổn thất áp suất danh nghĩa xảy ra qua van. Dòng chảy qua van có thể ở hướng kia tới. PBV không phải là một thiết bị vật lý thực sự nhưng có thể được sử dụng để lập mô hình các tình huống mà ở đó một sự giảm áp suất cá biệt là có thực.
Van kiểm soát lưu lượng (FCV) khống chế lưu lượng ở một giá trị danh nghĩa. Chương trình sẽ đưa ra một thông báo nếu lưu lượng này không thể duy trì được nếu không bổ sung thêm cột nước tại van (nghĩa là lưu lượng không thể duy trì được nay cả khi van mở hoàn toàn).
Van kiểm soát tiết lưu (TCV) mô phỏng van đóng một phần bằng cách điều chỉnh hệ số tổn thất cục bộ của van. Nhà sản xuất van thường cung cấp cho chúng ta mối quan hệ giữa mức độ đóng van và hệ số tổn thất cục bộ.
Van mục đích chung (GPV) đóng vai trò của một đường nối, nơi mà người sử dụng cung cấp một quan hệ đặc biệt giữa lưu lượng và tổn thất cột nước (Q~hL) thay cho
tuân theo một công thức thuỷ lực chuẩn. Van này được dùng để mô hình hoá turbines, van ngăn dòng chảy ngược.
Van đóng mở (Shutoff, Gate) và van một chiều (không chảy ngược) dùng để mở hay đóng ống hoàn toàn ống. Van không được coi là các đường nối van riêng, mà thay vào đó nó bao gồm như một thuộc tính của ống nơi chúng được lắp.
Mỗi loại van có một thông số thiết lập khác nhau mô tả điểm làm việc của nó (áp suất cho các van PRV, PSV, PBV; lưu lượng cho các van FCV; hệ số tổn thất cho các van TCV, và đường cong tổn thất cột nước cho các van GPV).
Các van có thể bị tràn tình trạng kiểm soát khi ta ấn định cho chúng mở hoàn toàn hay đóng hoàn toàn. Trạng thái của van và thiết lập của chúng có thể thay đổi trong thời gian của sự mô phỏng bằng việc sử dụng các câu lệnh điều khiển.
Do cách lập mô hình van mà các quy tắc sau đây được áp dụng khi thêm vào một mạng lưới:
- Một PRV, PSV, FCV có thể được nối trực tiếp vào một bể chứa hay đài nước (sử dụng một chiều dài ống để tách hai cái ra).
- Các PRV không thể cùng có một nút phía hạ lưu chúng hoặc đấu song song với nhau.
- Hai PSV không thể cùng có một nút phía thượng lưu chúng hoặc đấu song song với nhau.
- Một PSV không thể được nối với nút hạ lưu của một PRV.
3.2. Các thành phần không vật lý (Non-Physical Components) Đường cong (Curve)
Đường cong là các đối tượng có chứa các cặp số liệu về mối quan hệ giữa hai đại lượng. Hai hay nhiều đối tượng có thể cùng chia sẻ một đường cong. EPANET có thể sử dụng các loại đường cong sau:
- Đường cong máy bơm; - Đường cong hiệu suất; - Đường cong dung tích;
- Đường cong tổn thất cột nước. Đường cong máy bơm
Đường cong máy bơm biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng và cột nước mà máy bơm tạo ra. Trục hoành biểu diễn lưu lượng, còn trục tung biểu diễn cột nước (H~Q).
EPANET vẽ đường cong máy bơm theo số liệu nhập vào. Tuỳ theo tình hình cung cấp số liệu mà có các trường hợp xây dựng đường cong như sau:
Nếu chỉ nhập 1 điểm A(Q0, H1), EPANET sẽ mặc định vẽ đường cong H~Q, lấy điểm
nhập và làm điểm thiết kế của máy bơm, và tự kéo dài đường cong ra hai phía. EPANET tự bổ sung theo 2 điểm nữa: B(0; 133%H1) và C(2Q1; 0) rồi tự vẽ đường
cong đi qua 3 điểm A, B, C này.
Nếu nhập 3 điểm, EPANET có đủ cơ sở để vẽ đường cong theo lý thuyết theo hàm số dạng: H = a − b.Qc, trong đó a, b, c là các hằng số.
Nếu nhập nhiều điểm (số điểm lớn hơn hoặc bằng 4 thì đường H~Q được vẽ có dạng gãy khúc nối liền các điểm.
Khi số vòng quay của máy bơm thay đổi từ n1 thành n2 thì các mối quan hệ (được biết
trong lý thuyết đồng dạng của máy bơm) là:
2 1 2 1 n n QQ = 2 2 1 2 1 n n H H ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =
Nếu cho số vòng quay của máy bơm thay đổi thì ta có nhiều đường quan hệ H~Q. Đường ban đầu ứng với số vòng quay mặc định n1; các đường sau được suy ra theo các
a) Đường cong bơm 1 điểm b) Đường cong bơm 3 điểm
c) Đường cong bơm nhiều điểm d) Đường cong bơm 1 điểm
với nhiều số vòng quay Hình 3.2. Ví dụ các đường cong máy bơm
Chúng ta nhìn thấy EPANET vẽ đường cong máy bơm trong các hộp thoại Curve Editor lấy ra từ cửa sổ Data Browser như các hình vẽ dưới đây.
Hình 3.3b. Đường cong bơm 3 điểm
Hình 3.3c. Đường cong bơm nhiều điểm Đường cong hiệu suất máy bơm
Hình 4.4. Đường cong hiệu suất máy bơm
Đường cong hiệu suất máy bơm là đường biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng và hiệu suất máy bơm: η~Q.
Đường cong dung tích
Hình 3.4. Đường cong dung tích đài nước
Đường cong tổn thất cột áp
Đường này để biểu diễn tổn thất cột nước theo lưu lượng qua van mục đích chung (GPV).
Các mẫu hình thời gian (Time Patterns)
Mẫu hình thời gian là tập hợp các nhân tử mà nó có thể được sử dụng cho một đại lượng để làm cho đại lượng đó thay đổi theo thời gian. Có thể có các mẫu hình thời gian cho: các nhu cầu nút, cột nước bể chứa, tốc độ quay của máy bơm, chất lượng nước nguồn đi vào mạng lưới,...
Khoảng thời gian được sử dụng cho tất cả các mẫu hình là một giá trị cố định (ấn định trong Time Option). Trong mỗi khoảng thời gian, trị số của đại lượng giữ không đổi, bằng tích số của giá trị danh nghĩa và nhân tử. Các mẫu hình thời gian có thể có số khoảng thời gian khác nhau. Khi đồng hồ mô phỏng vượt quá số khoảng thời gian của một mẫu hình thì mẫu hình đó được quay lại (lặp lại) khoảng thời gian đầu tiên của nó. Lệnh điều khiển (Controle)
Lệnh điều khiển là những mệnh lệnh xác định mạng lưới hoạt động theo thời gian như thế nào. Chúng chỉ rõ trạng thái của một đường nối như là một hàm của thời gian, mực nước trong đài và áp suất tại một điểm bên trong mạng. Có hai loại điều khiển được sử dụng:
- Lệnh điều khiển có quy tắc (Rule-Based Controls)
Lệnh điều khiển đơn
Lệnh điều khiển đơn làm thay đổi trạng thái hay thiết lập của một đường nối dựa trên: - Mực nước trong một đài nước,
- Áp lực tại một mối nối, - Thời gian mô phỏng, - Thời gian trong ngày.
Chúng là những dòng lệnh được diễn tả như một trong ba dạng sau: LINK x status IF NODE y ABOVE/BELOW z
LINK x status AT TIME t
LINK x status AT CLOCKTIME c AM/PM trong đó:
x - nhãn của nút;
status - MỞ hay ĐÓNG (OPEN or CLOSED), hay một tốc độ (tương đối) của máy bơm, hay một thiết lập (setting) của van điều khiển;
y - nhãn hiệu nút;
z - một áp suất cho một mối nối hay một mức nước trong đài;
t - một thời gian từ khi bắt đầu mô phỏng, tính bằng số giờ thập phân hay giờ:phút; c - một thời gian đồng hồ.
Không giới hạn về số lượng lệnh điều khiển đơn có thể sử dụng.
Chú ý: Việc sử dụng một cặp lệnh điều khiển đơn để kiểm soát áp lực để đóng mở một đường nối có thể làm cho hệ thống trở nên bất ổn nếu các thiết lập áp lực quá gần nhau. Trong trường hợp này việc sử dụng cặp lệnh điều khiển có quy tắc có thể giúp hệ thống ổn định hơn.
Một số thí dụ về lệnh điều khiển đơn:
Lệnh điều khiển Ý nghĩa
LINK 12 CLOSED IF NODE 23 BELOW 20
(Đóng đường nối 12 khi mức nước trong đài (tính từ đáy đài) 23 vượt quá 20 ft.)
LINK 12 OPEN IF NODE 130 BELOW 30 (Mở đường nối 12 nếu áp suất tại nút 130 giảm xuống dưới 30 psi) LINK 12 1.5 AT TIME 16
(Ấn định tốc độ tương đối của bơm 12 tới 1,5 tại 16 giờ vào mô phỏng)
LINK 12 CLOSED AT CLOCKTIME 10 AM LINK 12 OPEN AT CLOCKTIME 8 PM
(Đường nối 12 đóng tại 10 giờ sáng mỗi ngày, và mở tại 8 giờ chiều mỗi ngày trong suốt thời gian mô phỏng)
Lệnh điều khiển có quy tắc
Lệnh điều khiển có quy tắc cho phép các trạng thái nối và các thiết lập được dựa vào một tổ hợp của các điều kiện có thể tồn tại trong mạng sau khi trạng thái thuỷ lực ban đầu của hệ thống được tính toán. Sau đây là một số ví dụ về lệnh điều khiển có quy tắc:
Ví dụ 1:
Bộ quy tắc này đóng một máy bơm và mở một ống khi mức nước trong đài vượt quá một giá trị nhất định và làm ngược lại khi mức nước thấp hơn một giá trị khác:
RULE 1
THEN PUMP 335 STATUS IS CLOSED AND PIPE 330 STATUS IS OPEN
RULE 2
IF TANK 1 LEVEL BELOW 17.1 THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN AND PIPE 330 STATUS IS CLOSED Ví dụ 2:
Các quy tắc này làm thay đổi mức nước đài mà tại đó bơm bật lên tuỳ theo thời gian trong ngày:
RULE 3
IF SYSTEM CLOCKTIME >= 8 AM AND SYSTEM CLOCKTIME < 6 PM AND TANK 1 LEVEL BELOW 12 THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN
RULE 4
IF SYSTEM CLOCKTIME >= 6 PM OR SYSTEM CLOCKTIME < 8 AM AND TANK 1 LEVEL BELOW 14 THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN
Bạn có thể tìm các dạng lệnh điều khiển có quy tắc ở phần Phụ lục C trong tài liệu hướng dẫn kèm theo EPANET, dưới tiêu đề [RULES].
3.3. Mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Simulation Model)
Mô hình mô phỏng thuỷ lực của EPANET tính toán các cột nước tại các mối nối và lưu lượng tại các đường nối cho một tập hợp các mức nước bể chứa, các mức nước đài, và các nhu cầu nước trong một chuỗi các thời điểm liên tiếp. Với mỗi bước thời gian, mực nước bể chứa và lưu lượng mối nối được cập nhật theo mẫu hình thời gian
định trước cho chúng, trong khi đó mực nước đài được cập nhật qua việc cân bằng lượng nước ra vào đài.
Phép giải ra cột nước và lưu lượng tại các thời điểm liên quan đến việc giải đồng thời hệ phương trình bao gồm các phương trình cân bằng lưu lượng nút các phương trình về quan hệ tổn thất cột nước qua từng đường nối trong mạng. Công việc này này được biết như là "cân bằng thuỷ lực" mạng lưới, đòi hỏi sử dụng phương pháp lặp để giải một hệ các phương trình phi tuyến.
Bước thời gian thuỷ lực được sử dụng cho mô phỏng thời đoạn dài có thể được ấn định bởi người sử dụng. Giá trị điển hình là 1 giờ. Các bước thời gian ngắn hơn bình thường sẽ tự động xuất hiện khi một trong các sự kiện sau xảy ra:
- giai đoạn báo cáo đầu ra tiếp theo xảy ra; - mẫu hình thời gian tiếp theo xảy ra; - một đài trở nên cạn hoặc đầy;
- một lệnh điều khiển đơn hoặc lệnh điều khiển có quy tắc được kích hoạt.
3.4. Mô hình mô phỏng chất lượng nước (Water Quality Simulation Model) 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 sự đóng 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 sự đảo 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 như ở 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) giả định 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 số để mô tả nó, và dường như được 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 số đơn 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 ở đáy. 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
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 tả ở 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 sự ăn 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
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 độ được 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 ở đó 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 thể được 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
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 sẽ đưa ra sự đánh 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 tự động, dựa vào sự điều chỉnh độ khuyết tán phân tử của chất được mô hình hoá và dựa vào số Reynolds của dòng chảy. Hãy xem cụ thể ở 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 thị độ 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 chỉ đòi 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 cũ đi 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 đổi của một thành phần không phản ứng đi vào mạng lưới với nồng độ bằng 100. Theo
